JP2013139957A - 筒状構造体からなる熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の円筒形の熱交換器では地中熱の採熱・放熱効率が低く、施工も困難であり、コストも高いという問題点を有していた。また地中深さ2mまでの地中は外気温度の変化を受けやすく、最深部から最浅部まで同一形状の熱交換器はその影響を受け、採熱放熱効率が低いという問題点を有していた。
【解決手段】 本発明の熱交換器は、多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し造成した筒形外管をもつユニット化した筒状構造体29、31、35の採用により、従来の円筒形熱交換器と比較して表面積が大きいため採熱・放熱効率が高く、またユニット化により住宅密集地での施工性や浅深度での採熱・放熱性にも優れた熱交換器を提供する。
【選択図】図4
【解決手段】 本発明の熱交換器は、多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し造成した筒形外管をもつユニット化した筒状構造体29、31、35の採用により、従来の円筒形熱交換器と比較して表面積が大きいため採熱・放熱効率が高く、またユニット化により住宅密集地での施工性や浅深度での採熱・放熱性にも優れた熱交換器を提供する。
【選択図】図4
Description
本発明は、冷暖房・給湯システムの一部を構成し、自然エネルギーである地中熱の採熱、及び地上で太陽光等より得られた熱の放熱を行う機能を持つ、地中に埋設され使用される熱交換器の構造に関するものである。
近年、世界的な環境問題である地球温暖化への対策として自然エネルギーの有効利用が大きな社会テーマとなっているが、その方策の一つとして地中熱の利用があげられる。地中熱の利用方法には火山帯付近における大深度の地熱発電の方法もあるが、火山帯でない地域でも我国に於いては、地中6m以深の地下では地中温度が通常16℃程度と安定しており、地中を有効な熱源として利用した冷暖房システムも種々開発されている。
しかしながら、地中熱利用に際しては地下に地中熱を採熱する設備装置を埋設する必要があり、しかも従来地中熱の安定供給の為には約100mという長尺の冷媒循環用のポリエチレン製U字形チューブを内部に挿入した円筒形採熱杭をボアホール掘削後埋設することが必要であった。これは、元来100m程度掘削を要する深深度の地中熱が北欧を中心に暖房用として利用されることが進んだことによるものである。北欧等寒冷地における真冬の極寒期には地表付近では地中が凍結するため、100mほど掘削しなければ採熱が非効率となることから、地中熱利用の際には100m程度の掘削と採熱杭の埋設が必要であり、これが世界的な標準仕様となっていた。
従って、都市部等住宅密集地では大型掘削重機搬入による施工面の困難さ、及び100mにも及ぶ地中熱採熱杭埋設の為の掘削費用がコスト高となり、結果として冷暖房システム全体が3〜4百万円という高価なものとなり、市場への普及が遅れる最大の要因となっていた。
そこで、近年我が国に於いては、施工面や掘削費用の軽減の為、小型掘削機の導入による地中6m程度での浅深度地中熱利用も検討されている。しかしながら、浅深度の地中熱利用に於いて安定した冷暖房運転を実現する為には、温帯に属する我国に於いては、地表から2mまでの地中温度が季節により変化するので、地表から地中2mまでに位置する熱交換器がその温度変化の影響を受けないことが必要である。また、2mから6mの浅深度の地中に於いては採熱・放熱効率を高める目的で熱交換器の総延長長さを確保すべく、複数本の熱交換器を埋設したり、更に熱交換器の形状自体も地中熱の効率的な採熱・放熱のため表面積をより広くする必要がある。
従って、100mの長尺で地中熱を採熱する場合には、外管は単純な形状である円筒形鋼管が主に利用されていたが、地表から地中6m付近での浅深度の地中熱利用の場合には、熱交換の効率を高めるため、表面積を増す工夫が種々成されており、円筒形外管の外周にフィンを付加することにより解決しようとするものが多く見られる。(例えば、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3参照)。
上記特許文献1に示された熱交換器は、熱交換効率を高めるため熱交換器の土壌と接触する部分である外周の表面積を増加させるための手段として、円筒形外管にフィンを設け表面積は増加しているが、付加するフィンは本体外管に1枚ずつ溶接するものとなっており、製造の手間がかかり、埋設の際にもフィン部分の地中孔側面との接触に配慮する必要があり、製造・施工費用が高くなる欠点がある。
また、上記特許文献2に示された熱交換器は、外管表面に凹溝を形成し、その溝と嵌合する突起形状を根元部分に有するフィンを焼き嵌め、もしくは冷し嵌めすることを特徴としているが、フィンを1枚1枚外管の外周に嵌め込んで冷却又は加熱等することが必要となり、十分な製造・施工費用の低減を実現しているとはいえない。また、上記特許文献3に示された熱交換器は、フィンを1枚1枚本体である外管とボルトで連結固定する必要があり、この場合もまた製造・施工費用の削減が不十分である。
更に、上記特許文献1乃至3に記載された熱交換器は、形状をその埋設する深さ方向の途中で変化させることが困難である。100mもの地中の比較的深い深度で1年間安定した温度で地中熱を採熱する場合に比べ、地表より6m程度の浅深度で地中熱を採熱する場合には、四季の経過による外気温度変化の影響を地表から2m程度の深さの地中は受けるため、温度変化を受け易い地表近くに位置する熱交換器の部分はむしろ表面積を少なくしたり断熱材で覆う等の工夫をし、或いは地下室の底面の様に地表より2m以下になる位置に埋設するなど、外気温度の変化由来の安定しない地中温度変化の影響を受けないようにすることが採熱効率上望ましい。
本発明は、このような従来の熱交換器が有していた問題を解決しようとするものであり、製造及び施工時に於いて手間がかからず費用削減効果があり、熱交換効率の高い形状変化が容易な筒状ユニット構造を有する熱交換器を提供することであり、特に外気の温度変化に影響を受け易い地表から6m前後での浅深度における地中熱を採熱する際に適した熱交換器を提供することを目的とするものである。
本発明は上記目的を達成するために、熱交換器の筒状構造を次のように構成したものである。第一に、熱交換器の採熱・放熱部分の表面積を増加させ熱交換の効率を上げる手段として、独立したフィンの接合加工を採択せず、外管の構造としてまず金属板を形状付加加工し、次に形状付加加工した金属板を単体もしくは複数折り曲げて筒状構造体を形成することを特徴とするものである。
第二に、熱交換器の構造を、最深部、最浅部、中間部のユニット構造とし、各ユニットの形状を可変とする構造も採用可能とした。このことにより住宅地の様に狭い道路付の土地に設置する場合でも、各ユニットが搬入可能な長さにコンパクトに分割されているため、敷地搬入の後、組立てて埋設することも容易に可能となった。
第二に、熱交換器の構造を、最深部、最浅部、中間部のユニット構造とし、各ユニットの形状を可変とする構造も採用可能とした。このことにより住宅地の様に狭い道路付の土地に設置する場合でも、各ユニットが搬入可能な長さにコンパクトに分割されているため、敷地搬入の後、組立てて埋設することも容易に可能となった。
即ち、請求項1に記載の熱交換器は、多角形、波形、フィン形、若しくはそれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、単数もしくは複数の該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な両端部を溶接して造成した筒状外管と、筒状外管の断面形状と同一もしくは該断面形状の内部にあって熱交換媒体が流動可能な孔及び筒状構造体を緊結するための孔を有する筒状外管の底面に溶接する接続盤とからなる中間部筒状構造体と、該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を封止面とし、地中最深部に配置する最深部筒状構造体と、該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を、熱交換媒体を注入及び排出する孔を有する盤とする、地中最浅部に配置する最浅部筒状構造体の3つの主要ユニットからなるものである。
そして上記主要ユニットと、該最深部筒状構造体と該最浅部筒状構造体の間に単体もしくは複数の該中間部筒状構造体を該接続盤とボルトにより緊結し、形成された筒状構造の内部空間に挿入され、両端の一方は最浅部筒状構造体の注入孔に接続し、片方は最深部筒状構造体の封止面との間隙を有するよう設置された筒状内管とからなることを特徴とする熱交換器を提供するものである。
請求項2に記載の熱交換器は、請求項1における最浅部筒状構造体の筒状外管の形状が、中間部筒状構造体及び最深部筒状構造体のものと異なることを特長とする熱交換器を提供するものである。地表より6m程度の浅深度で地中熱を採熱する場合には、四季の経過による外気温度の影響を地表より2m程度では受けるため、地表に近い熱交換器の部分はむしろ表面積を少なくする方が有利であり、最浅部筒状構造体の筒状外管の形状を中間部筒状構造体等と異なり表面積の少ない形状を選択することを可能とした。
請求項3記載の熱交換器は、地上部から地下最深部までの深長を有する金属仕切基板と、多角形、波形、フィン形、若しくはそれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、該金属仕切基板の縦方向端部と該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な端部を溶接して該金属仕切基板の両面方向に単数または複数の湾曲した該金属板を接続し、該金属仕切基板を境界として分割された筒状空間を形成する筒状外管と、地下最深部に於いて該筒状外管を封止する金属盤とからなり、該金属仕切基板の端部に孔を設ける、もしくは該金属仕切基板が該筒状外管を封止する該金属盤から遊離することにより熱交換媒体が底部でおり返して流動可能な構造を有することを特徴とする熱交換器を提供するものである。請求項1及び請求項2の構造とは異なり、コストをより考慮し、最深部、最浅部及び中間部を構成するユニット構造とはせず、金属板を深さ方向には連結しないものとした。
請求項4記載の筒状構造体は、請求項3の金属仕切基板を土留め用H形鋼とすることを特徴とする熱交換器を提供するものである。
請求項1乃至請求項4に記載した本発明の筒状構造体からなる熱交換器は、上記の如く、大型別部材であるフィンと外管の溶接を必要とせず、製造及び施工面に於いて大幅なコストダウンを達成できる。
また、本発明は、浅深度の地中熱採熱・放熱において、外気温度の影響を大きく受ける地表から2mの地中においては、表面積の少ない外管形状を採用し、また2m以深の地中に於いては、表面積の多い外管形状を採用することで熱交換器の一部分の形状変化を可能・容易ならしめ、ユニットを形成する各筒状構造体の形状の特長を採熱・放熱機能の効率化に活かすことができるのである。
更に、本発明は、施工現場とは別の場所で製造・完成された筒状構造体を現場での組合せ・緊結作業で施工可能なため、建設現場の地中の土壌の相違や狭小な敷地の形状等に対応可能であり、大幅な作業性・施工コスト削減の向上が見込まれる。
以下、本発明の実施の形態を図1から図7に基づいて説明する。
図1乃至図4は請求項1にかかる熱交換器を示している。図1(A)は、波形に曲げ加工した1枚の金属板1を示している。
図1(B)及び図1(C)は、図1(A)が示す金属板1を湾曲させ、隣接する折り曲げにより形成された稜線3、4と平行な端部5、6を溶接して造成した星形筒状外管7と、星形筒状外管7の断面形状と同一形状である星形の孔8を有し、筒状構造体を連結するときに用いられるボルト孔9を有する筒状外管の底面に溶接する2枚の接続盤2とからなる中間部星形筒状構造体10を示している、
図1(D)は、該中間部星形筒状構造体10を形成する2枚の接続盤2のうち1枚を封止面11として地中最深部に配置する最深部星形筒状構造体12を示している。
図1(E)は、該中間部星形筒状構造体10を形成する2枚の接続盤2のうち1枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔13及び孔14を有する盤15とする、地表面に一番近い場所に配置する最浅部星形筒状構造体16を示している。
図2は、該最深部星形筒状構造体12と該最浅部星形筒状構造体16の間に単体の該中間部星形筒状構造体10をはさむ形で各星形筒状構造体の接続盤2をボルト17により緊結し、各星形筒状構造体の接続により形成された星形筒状空間18の内部に挿入される両端の一方が該最浅部星形筒状構造体16の熱交換媒体の注入孔13に接続する筒状内管19とからなることを特徴とする熱交換器を示している。
図3(A)は、フィン形に曲げ加工した1枚の金属板20を示している。
図3(B)及び図3(C)は、図3(A)が示す金属板20を湾曲させ、隣接する折り曲げにより形成された稜線22、23と平行な端部24、25を溶接して造成したフィン形筒状外管26と、フィン形筒状外管26の断面形状内で媒体が流動可能である多角形部分と同一形状の多角形孔27を有し、フィン形筒状構造体を連結する際使用されるボルト孔28を有するフィン形筒状外管26の底面に溶接する2枚の接続盤21とからなる中間部フィン形筒状構造体29を示している。
図3(D)は、該中間部フィン形筒状構造体29を形成する2枚の接続盤21のうち1枚を封止面30とし地中最深部に配置する最深部フィン形筒状構造体31を示している。
図3(E)は、該中間部フィン形筒状構造体29を形成する2枚の接続盤21のうち1枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔32及び33を有する盤34とする、地表面に一番近い場所に配置する最浅部フィン形筒状構造体35を示している。
図4は、該最深部フィン形筒状構造体31と該最浅部フィン形筒状構造体35の間に単体の該中間部フィン形筒状構造体29をはさむ形で各フィン形筒状構造体の接続盤21をボルト36により緊結し、各フィン形筒状構造体の接続により形成された多角形筒状空間37の内部に挿入される両端の一方が該最浅部フィン形筒状構造体35の熱交換媒体の注入孔32に接続する筒状内管38とからなることを特徴とする熱交換器を示している。
図5は、請求項2にかかる熱交換器を示している。図4で示した請求項1にかかる熱交換器において、最浅部に位置する筒状構造体を、中間部フィン形筒状構造体29を形成するフィン形筒状外管26のフィン部分39を除いた形状と等しい多角形筒状外管40を有し、2枚の接統盤21のうち1枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔41及び孔42を有する盤43とする、最浅部多角形筒状構造体44とすることを特徴とする熱交換器である。
図6(A)乃至図6(D)は、請求項3にかかる熱交換器を示している。図6(B)で示す地上部から地下最深部までの深長を有する長方形の金属仕切基板45と、図6(A)で示す波形を形成するよう曲げ加工した金属板46を湾曲させ、該金属仕切基板45の縦方向端部47と、該金属板46の折り曲げにより形成された稜線48と平行な端部49を溶接し、該金属仕切基板45の表面50と裏面51の両面に筒状空間を形成する外管構造52と、地下最深部に於いては外管構造52を封止する金属盤53と、該金属仕切基板45の底部に孔54を設けることにより熱媒体が折り返して流動可能な図6(D)で示す底部構造55と、最浅部においては金属仕切基板45により2つに仕切られた外管構造52のそれぞれに繋がる熱交換媒体の注入孔56及び排出孔57を有する金属盤58からなることを特徴とする図6(C)で示す熱交換器である。
図7(A)乃至図7(D)は、請求項4にかかる熱交換器を示している。図7(B)で示す地上部から地下最深部までの深長を有するH形鋼59と、図7(A)で示す波形を形成するよう曲げ加工した金属板60を湾曲させ、該H形鋼59の縦方向端部61と、該金属板60の折り曲げにより形成された稜線62と平行な端部63を溶接し、該H形鋼59の表面64と裏面65の両面に筒状空間を形成する外管構造66と、地下最深部に於いては外管構造66を封止する金属盤67と、該H形鋼59の底部に孔68を設けることにより、熱媒体が折り返して流動可能な図7(D)で示す底部構造69と、最浅部においてはH形鋼59により2つに仕切られた外管構造66のそれぞれに繋がる熱交換媒体の注入孔70及び排出孔71を有する金属盤72からなることを有することを特徴とする図7(C)で示す熱交換器である。
上記の如く、本発明の筒状構造体を緊結させてなるユニット構造からなる熱交換器は、請求項1及び請求項2にかかる熱交換器は形状加工した金属板と金属盤からなる筒状構造体及び内管とからなり、請求項3にかかる熱交換器は形状加工した金属板からなる筒状外管及び金属仕切基板からなり、請求項4にかかる熱交換器は請求項3の金属仕切基板をH形鋼とし、組立施工容易で、構造的に安定しており、且つ、安価な熱交換器となる。
1 金属板
2 接続盤
3 稜線
4 稜線
5 金属板の端部
6 金属板の端部
7 星形筒状外管
8 星形孔
9 ボルト孔
10 中間部星形筒状構造体
11 封止面
12 最深部星形筒状構造体
13 注入孔
14 排出孔
15 盤
16 最浅部星形筒状構造体
17 ボルト
18 星形筒状空間
19 筒状内管
20 金属板
21 接続盤
22 稜線
23 稜線
24 金属板の端部
25 金属板の端部
26 フィン形筒状外管
27 多角形孔
28 ボルト孔
29 中間部フィン形筒状構造体
30 封止面
31 最深部フィン形筒状構造体
32 注入孔
33 排出孔
34 盤
35 最浅部フィン形筒状構造体
36 ボルト
37 多角形筒状空間
38 筒状内管
39 フィン部分
40 多角形筒状外管
41 注入孔
42 排出孔
43 盤
44 最浅部多角形筒状構造体
45 金属仕切基板
46 金属板
47 金属仕切基板の端部
48 稜線
49 金属板の端部
50 金属仕切基板の表面
51 金属仕切基板の裏面
52 外管構造
53 金属盤
54 孔
55 底部構造
56 注入孔
57 排出孔
58 金属盤
59 H形鋼
60 金属板
61 H形鋼の端部
62 金属板の稜線
63 金属板の端部
64 H型鋼の表面
65 H形鋼の裏面
66 外管構造
67 金属盤
68 孔
69 底部構造
70 注入孔
71 排出孔
72 金属盤
2 接続盤
3 稜線
4 稜線
5 金属板の端部
6 金属板の端部
7 星形筒状外管
8 星形孔
9 ボルト孔
10 中間部星形筒状構造体
11 封止面
12 最深部星形筒状構造体
13 注入孔
14 排出孔
15 盤
16 最浅部星形筒状構造体
17 ボルト
18 星形筒状空間
19 筒状内管
20 金属板
21 接続盤
22 稜線
23 稜線
24 金属板の端部
25 金属板の端部
26 フィン形筒状外管
27 多角形孔
28 ボルト孔
29 中間部フィン形筒状構造体
30 封止面
31 最深部フィン形筒状構造体
32 注入孔
33 排出孔
34 盤
35 最浅部フィン形筒状構造体
36 ボルト
37 多角形筒状空間
38 筒状内管
39 フィン部分
40 多角形筒状外管
41 注入孔
42 排出孔
43 盤
44 最浅部多角形筒状構造体
45 金属仕切基板
46 金属板
47 金属仕切基板の端部
48 稜線
49 金属板の端部
50 金属仕切基板の表面
51 金属仕切基板の裏面
52 外管構造
53 金属盤
54 孔
55 底部構造
56 注入孔
57 排出孔
58 金属盤
59 H形鋼
60 金属板
61 H形鋼の端部
62 金属板の稜線
63 金属板の端部
64 H型鋼の表面
65 H形鋼の裏面
66 外管構造
67 金属盤
68 孔
69 底部構造
70 注入孔
71 排出孔
72 金属盤
Claims (4)
- 多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、単数もしくは複数の該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な両端部を溶接して造成した筒状外管と、筒状外管の断面形状と同一もしくは該断面形状の内部にあって熱交換媒体が流動可能な孔及び筒状構造体を緊結するための孔を有する筒状外管の底面に溶接する接続盤とからなる中間部筒状構造体と、
該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を封止面とし、地中最深部に配置する最深部筒状構造体と、
該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を、熱交換媒体を注入及び排出する孔を有する盤とする、地中最浅部に配置する最浅部筒状構造体と、
該最深部筒状構造体と該最浅部筒状構造体の間に単体もしくは複数の該中間部筒状構造体を該接続盤とボルトにより緊結し、形成された筒状構造の内部空間に挿入され、両端の一方は最浅部筒状構造体の注入孔に接続し、片方は最深部筒状構造体の封止面との間隙を有するよう設置された筒状内管と、
からなることを特徴とする熱交換器。 - 請求項1における最浅部筒状構造体の筒状外管の形状が、中間部筒状構造体及び最深部筒状構造体のものと異なることを特長とする熱交換器。
- 地上部から地下最深部までの深長を有する金属仕切基板と、
多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、該金属仕切基板の縦方向端部と該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な端部を溶接して該金属仕切基板の両面方向に単数または複数の湾曲した該金属板を接続し、該金属仕切基板を境界として分割された筒状空間を形成する筒状外管と、
地下最深部に於いて該筒状外管を封止する金属盤とからなり、
該金属仕切基板の端部に孔を設ける、もしくは該金属仕切基板が該筒状外管を封止する該金属盤から遊離することにより熱交換媒体が底部でおり返して流動可能な構造を有することを特徴とする熱交換器。 - 請求項3の金属仕切基板を土留め用H形鋼とすることを特徴とする熱交換器。
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WO2016147147A2 (de) | 2015-03-17 | 2016-09-22 | Zehnder Group International Ag | Tauscherelement für fahrgastkabine sowie mit derartigem tauscherelement ausgestattete fahrgastkabine |
KR101695191B1 (ko) * | 2016-05-25 | 2017-01-11 | 한국이미지시스템(주) | 히트펌프 시스템용 지중 열교환기 및 이를 이용한 히트펌프 시스템 |
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- 2011-12-28 JP JP2011290716A patent/JP2013139957A/ja active Pending
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