JP2014228184A

JP2014228184A - 地中設置式熱交換器

Info

Publication number: JP2014228184A
Application number: JP2013107388A
Authority: JP
Inventors: 泉隼彦小; Hayahiko Koizumi
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】高い熱交換効率を実現しながらも、金属のように熱伝導率の良い材料を採用することができ、施工コストが抑えられ、メンテナンス性にも優れた地中設置式熱交換器を提供すること。【解決手段】本発明は、地中に埋設されて地中熱に対する熱媒の熱交換を実施する地中設置式熱交換器であって、熱媒としての空気が流通する空気流通管路と、前記空気流通管路の一端側に開口する空気流入口と、前記空気流通管路の他端側に開口する空気流出口と、前記空気流通管路の内部の少なくとも一部に設けられた螺旋状のフィンと、を備えたことを特徴とする地中設置式熱交換器である。【選択図】図２

Description

本発明は、地中に埋設されて地中熱に対する熱媒の熱交換を実施する地中設置式熱交換器に関する。

深さ２ｍ以上の地中では、年間を通して、温度がほぼ一定である。このことを利用して、地中熱に対する熱媒の熱交換を実施する地中設置式熱交換器が利用されている。

一般的には、熱媒として空気が用いられ、地中設置式熱交換器は当該空気が流通する空気流通管路を備えている。空気流通管路は、地中の深層部において折り返されるようになっており、例えば地上において空気流通管路に導入された空気は、地中の深層部において熱交換した後、再び地上に戻ってくるようになっている。

熱交換効率を上げるために、熱媒としての空気が地中熱と十分に熱交換するように、特開２００７−１０２７６（特許文献１）に開示された地中熱交換器では、空気流通管路の往路部分（地中に下りていく部分）が、樹脂によって渦巻き状に形成されている。

特開２００７−１０２７６号

渦巻き状の管路は、鉛直直線状の管路と比較して、熱媒である空気の管路内の通過時間（滞留時間）が長いため、地中熱と十分に熱交換することが期待できる。

しかしながら、特許文献１に記載された地中熱交換器では、往路部分を渦巻き状に形成する必要のために、材料が加工性の良い樹脂等に限られてしまい、金属のように熱伝導率の良い材料を採用することができない。また、地中熱交換器の設置面積が大きいために、掘削面積も大きくなって、施工コストが高いという不都合もある。更に、地中熱交換器の構成が複雑であるために、メンテナンス性も良くない。

本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、高い熱交換効率を実現しながらも、金属のように熱伝導率の良い材料を採用することができ、施工コストが抑えられ、メンテナンス性にも優れた地中設置式熱交換器を提供することである。

本発明は、地中に埋設されて地中熱に対する熱媒の熱交換を実施する地中設置式熱交換器であって、熱媒としての空気が流通する空気流通管路と、前記空気流通管路の一端側に開口する空気流入口と、前記空気流通管路の他端側に開口する空気流出口と、前記空気流通管路の内部の少なくとも一部に設けられた螺旋状のフィンと、を備えたことを特徴とする地中設置式熱交換器である。

本発明によれば、空気流通管路自体の形状を螺旋状とするのでは無く、空気流通管路の内部の少なくとも一部に螺旋状のフィンを設けることにより、空気流通管路の内部の空気流路の少なくとも一部を螺旋状とすることにより、空気の管路内の通過時間（滞留時間）を長くして地中熱と十分に熱交換させることが可能であり、すなわち、高い熱交換効率を実現することが可能である一方、金属のように熱伝導率の良い材料をも採用することができ、施工コストが抑えられ、メンテナンス性にも優れる。

好ましくは、前記螺旋状のフィンは、前記空気流通管路の内部において揺動可能に設置されている。具体的には、例えば螺旋状のフィンの両側縁が空気流通管路の内壁に対してそれぞれ０．５ｃｍ程度の間隙を空けるようにして、螺旋状のフィンが配置され得る。この場合、空気流によって螺旋状のフィンが揺動することにより、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって地中熱と更に十分に熱交換することが可能となる。

なお、本明細書において、螺旋状とは、数学的に定義される滑らかな螺旋曲面状に限定されず、段差を伴う螺旋階段状をも含む用語として理解されるべきである。換言すれば、本発明において、螺旋状のフィンは、滑らかな螺旋曲面状に推移する部分を有していてもよいし、及び／または、段差を伴う螺旋階段状に推移する部分を有していてもよい。

また、前記螺旋状のフィンには、孔が設けられていることが好ましい。この場合にも、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって地中熱と更に十分に熱交換することが可能となる。

多くの孔の代わりに、または、孔に加えて、螺旋状のフィンの表面に凹凸が設けられていてもよい。この場合にも、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって地中熱と更に十分に熱交換することが可能となる。

本発明は、いわゆるＵ字管型の地中設置式熱交換器にも適用可能であるし、いわゆる同軸二重管型の地中設置式熱交換器にも適用可能である。すなわち、本発明において、空気流通管路は、略Ｕ字状に折り返された管路を有していてもよいし、同軸二重に配置された内側管と外側管との間の空間によって形成された断面環状の管路を有していてもよい。後者の場合、例えば、内側管は、樹脂製であり、外側管は、金属製であり、螺旋状のフィンは、前記断面環状の管路内に配置され得る。

本発明の第１の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図である。本発明の第２の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側断面図である。本発明の第３の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側断面図である。本発明の第４の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側断面図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、いわゆるＵ字管型の、本発明の第１の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図である。図１に示すように、本実施の形態の地中設置式熱交換器１０は、地中に埋設されて、地中熱に対して熱媒としての空気の熱交換を実施するようになっている。

そして、図１に示すように、本実施の形態の地中設置式熱交換器１０は、熱媒としての空気が流通する空気流通管路１１と、空気流通管路１１の一端側に開口する空気流入口１２と、空気流通管路１１の他端側に開口する空気流出口１３と、を備えており、空気流通管路１１は、鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂと、略Ｕ字状に折り返された部分１１ｃと、を含む管路となっている。

そして、空気流通管路１１の鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂの内部に、螺旋状のフィン１５、１６が設けられている。本実施の形態では、螺旋状のフィン１５は鉛直直線状の部分１１ａの略全体に設けられているが、螺旋状のフィン１６は鉛直直線状の部分１１ｂの下方側の領域においてのみ設けられており、各鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂの上方側の領域を延びる支持棒部１７、１８を介して、それぞれ空気流入口１２または空気流出口１３に支持されている。

本実施の形態の螺旋状のフィン１５、１６は、滑らかな螺旋曲面状に形成されており、その両側縁が空気流通管路１１の各鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂの内壁に対して０．５ｃｍ程度の間隙を空けるように、配置されている。これにより、当該鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂを空気流が通過する際に、螺旋状のフィン１５、１６が揺動するようになっている。

空気流通管路１１は、φ１５０の断面円形の金属製（例えば耐食性と熱伝導性に優れるアルミ合金製）の管によって構成されており、鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂの長さは約５ｍであり、螺旋状フィン１６が設けられている部分の長さは約３ｍ（地中２ｍより深い位置で熱交換させるため）であり、略Ｕ字状に折り返された部分１１ｃの曲率半径は、約５０ｃｍである。螺旋状フィン１５、１６も、金属製（例えば耐食性と熱伝導性に優れるアルミ合金製）である。

その他、空気流出口１３には、空気ダクト１９が接続され、当該空気ダクト１９は、空調システムの室内吹出口（不図示）に至っている。また、当該空気ダクト１９の内部には、ファンコイル（不図示）が設けられ、空気ダクト１９及び空気流通管路１１内の空気流を駆動できるようになっている。

更に、本実施の形態の空気ダクト１９は、井戸水を用いた補助冷却機構を貫通しており、空気ダクト１９内を通流する空気は当該補助冷却機構によって更に冷却され得るようになっている。

次に、以上のような第１の実施の形態の地中設置式熱交換器１０の作用について説明する。

空気ダクト１９の内部に設けられたファンコイル（不図示）が駆動することによって、当該空気ダクト１９の内部の空気が空調システムの室内吹出口（不図示）に送られ、それに伴って、空気流通管路１１内の空気が空気ダクト１９の内部に送られ、外界の空気が空気流入口１２から空気流通管路１１内に導入される。

空気が空気流通管路１１内を流通する際、螺旋状のフィン１５、１６の存在により、当該管路１１内を通過する時間（滞留時間）が長くなって、空気は地中熱と十分に熱交換され、夏期においては十分に冷却され、冬期においては十分に加熱される。従って、夏期においては十分に冷却された空気が空気ダクト１９を介して空調システムの室内吹出口（不図示）に送られ、冬期においては十分に加熱された空気が空気ダクト１９を介して空調システムの室内吹出口（不図示）に送られる。

本実施の形態によれば、空気流通管路１１自体の形状を螺旋状とするのでは無く、空気流通管路１１の内部の少なくとも一部に螺旋状のフィン１５、１６を設けることにより、空気流通管路１１の内部の空気流路の少なくとも一部を螺旋状としている。これにより、空気の管路内の通過時間（滞留時間）、すなわち、空気と地中熱との熱交換時間を長くして、高い熱交換効率を実現している。

また、本実施の形態において、空気流通管路１１自体は構造が簡単なため、金属のように熱伝導率の良い材料からも容易に製造することができ、施工コストが抑えられ、メンテナンス性にも優れる。

また、本実施の形態においては、空気流通管路１１の鉛直直線状の部分１１ａ、１１ｂを空気流が通過する際に、螺旋状のフィン１５、１６が揺動するようになっている。これにより、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって、地中熱と更に十分に熱交換することが可能となっている。

また、本実施の形態においては、鉛直直線状の部分１１ｂの上方側の領域には螺旋状のフィン１６が設けられていないため、深層部での熱交換を終えた空気が地面近傍の不安定な地熱に影響されることも抑制される。

次に、図２は、いわゆる同軸二重管型の、本発明の第２の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図である。図２に示すように、本実施の形態の地中設置式熱交換器２０も、地中に埋設されて、地中熱に対して熱媒としての空気の熱交換を実施するようになっている。

そして、本実施の形態の地中設置式熱交換器２０も、熱媒としての空気が流通する空気流通管路２１と、空気流通管路２１の一端側に開口する空気流入口と、空気流通管路２１の他端側に開口する空気流出口と、を備えている。

しかし、図２に示すように、図１の第１の実施の形態とは異なり、空気流通管路２１は、同軸二重に配置された内側管２２と外側管２３との間の空間によって形成された断面環状の管路（往路）２１ａと、内側管２２の内部によって形成された断面円形状の管路（復路）２１ｂと、内側管２２及び外側管２３の下端部における折り返し部２１ｃと、を有している。

断面環状の管路（往路）２１ａの上端部が空気流入口として地上に開口しており、断面円形状の管路（復路）２１ｂの上端部が空気流出口として地上に開口している。また、折り返し部２１ｃにおいて、内側管２２は有底に形成されており、内側管２２の下方側部の４箇所にφ３０の孔２２ｈが設けられ、当該孔を介して断面環状の管路（往路）２１ａから断面円形状の管路（復路）２１ｂに空気が移動するようになっている。

本実施の形態において、内側管２２は樹脂製であり、地中熱との熱交換を担う外側管２３は熱伝導率の高い金属製（例えば耐食性と熱伝導性に優れるアルミ合金製）である。

そして、空気流通管路２１の断面環状の管路（往路）２１ａ内に、螺旋状のフィン２５が設けられている。本実施の形態では、螺旋状のフィン２５は、断面環状の管路（往路）２１ａの全体の領域において設けられて、空気流入口（断面環状の管路（往路）２１ａの上端部）に支持されている。

本実施の形態の螺旋状のフィン２５は、滑らかな螺旋曲面状に形成されており、その両側縁が空気流通管路２１の断面環状の管路（往路）２１ａの各内壁に対してそれぞれ０．５ｃｍ程度の間隙を空けるように、配置されている。これにより、当該断面環状の管路（往路）２１ａを空気流が通過する際に、螺旋状のフィン２５が揺動するようになっている。

本実施の形態の内側管２２は、φ３００の断面円形の樹脂製の管によって構成されており、本実施の形態の外側管２３は、φ４００の断面円形の金属製（例えば耐食性と熱伝導性に優れるアルミ合金製）の管によって構成されており、それぞれの管２２、２３の長さは約５ｍであり、螺旋状フィン２５も、金属製（例えば耐食性と熱伝導性に優れるアルミ合金製）である。

その他、空気流出口（断面環状の管路（往路）２１ａの上端部）には、空気ダクト２９が接続され、当該空気ダクト２９は、空調システムの室内吹出口（不図示）に至っている。また、当該空気ダクト２９の内部には、ファンコイル（不図示）が設けられ、空気ダクト２９及び空気流通管路２１内の空気流を駆動できるようになっている。

更に、本実施の形態の空気ダクト２９は、井戸水を用いた補助冷却機構を貫通しており、空気ダクト２９内を通流する空気は当該補助冷却機構によって更に冷却され得るようになっている。

次に、以上のような第２の実施の形態の地中設置式熱交換器２０の作用について説明する。

空気ダクト２９の内部に設けられたファンコイル（不図示）が駆動することによって、当該空気ダクト２９の内部の空気が空調システムの室内吹出口（不図示）に送られ、それに伴って、空気流通管路２１内の空気が空気ダクト２９の内部に送られ、外界の空気が空気流入口としての空気流通管路２１の断面環状の管路（往路）２１ａの上端部から当該断面環状の管路（往路）２１ａ内に導入される。

空気が断面環状の管路（往路）２１ａ内を流通する際、螺旋状のフィン２５の存在により、当該管路１１内を通過する時間（滞留時間）が長くなって、空気は金属製の外側管２３を介して地中熱と十分に熱交換され、夏期においては十分に冷却され、冬期においては十分に加熱される。従って、夏期においては十分に冷却された空気が空気ダクト２９を介して空調システムの室内吹出口（不図示）に送られ、冬期においては十分に加熱された空気が空気ダクト２９を介して空調システムの室内吹出口（不図示）に送られる。

本実施の形態によっても、空気流通管路２１自体の形状を螺旋状とするのでは無く、空気流通管路２１の断面環状の管路（往路）２１ａ内に螺旋状のフィン２５を設けることにより、空気流通管路２１の内部の空気流路の少なくとも一部を螺旋状としている。これにより、空気の管路内の通過時間（滞留時間）、すなわち、空気と地中熱との熱交換時間を長くして、高い熱交換効率を実現している。

また、本実施の形態においても、空気流通管路２１自体は構造が簡単なため、金属のように熱伝導率の良い材料からも容易に製造することができ、施工コストが抑えられ、メンテナンス性にも優れる。

また、本実施の形態においても、空気流通管路２１の断面環状の管路（往路）２１ａを空気流が通過する際に、螺旋状のフィン２５が揺動するようになっている。これにより、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって、地中熱と更に十分に熱交換することが可能となっている。

次に、図３は、いわゆる同軸二重管型の、本発明の第３の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図である。

本実施の形態の地中設置式熱交換器３０は、滑らかな螺旋曲面状に形成された螺旋状のフィン２５の代わりに、段差を伴う螺旋階段状に形成された螺旋状のフィン３５を有する点で、第２の実施の形態の地中設置式熱交換器２０と異なっている。

その他の構成は、第２の実施の形態の地中設置式熱交換器２０と同様である。図３において、第２の実施の形態と同様の構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態によっても、第２の実施の形態と略同様の作用効果が得られる。すなわち、空気の管路内の通過時間（滞留時間）、すなわち、空気と地中熱との熱交換時間を長くして、高い熱交換効率を実現することができる。

次に、図４は、いわゆる同軸二重管型の、本発明の第４の実施の形態の地中設置式熱交換器の概略図である。

本実施の形態の地中設置式熱交換器４０は、滑らかな螺旋曲面状に形成された螺旋状のフィン４５〜４８が、１重でなく４重に（４条に）設けられている点で、第２の実施の形態の地中設置式熱交換器２０と異なっている。

その他の構成は、第２の実施の形態の地中設置式熱交換器２０と同様である。図４において、第２の実施の形態と同様の構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態によっても、第４の実施の形態と略同様の作用効果が得られる。すなわち、空気の管路内の通過時間（滞留時間）、すなわち、空気と地中熱との熱交換時間を長くして、高い熱交換効率を実現することができる。

以上の各実施の形態において、螺旋状のフィン１５、１６、２５、３５、４５、４６、４７、４８には、多くの孔が設けられていてもよい。この場合、更に乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって、地中熱と更に十分に熱交換することが可能となる。このような構成は、螺旋状のフィン１５、１６、２５、３５、４５、４６、４７、４８にパンチング板を採用することによって実現され得る。

多くの孔の代わりに、または、多くの孔に加えて、螺旋状のフィン１５、１６、２５、３５、４５、４６、４７、４８の表面に凹凸が設けられていてもよい。この場合にも、乱流が生じて空気の流れが悪くなって、空気の管路内の通過時間（滞留時間）が更に長くなって、地中熱と更に十分に熱交換することが可能となる。

１０地中設置式熱交換器
１１空気流通管路
１１ａ鉛直直線状の部分
１１ｂ鉛直直線状の部分
１１ｃ折り返された部分
１２空気流入口
１３空気流出口
１５、１６螺旋状のフィン
１７、１８支持棒部
１９空気ダクト
２０地中設置式熱交換器
２１空気流通管路
２１ａ断面環状の管路（往路）
２１ｂ断面円形状の管路（復路）
２１ｃ折り返し部
２２内側管
２２ｈ孔
２３外側管
２５螺旋状のフィン
２９空気ダクト
３０地中設置式熱交換器
３５螺旋階段状のフィン
４０地中設置式熱交換器
４５〜４８４重（４条）の螺旋状のフィン

Claims

地中に埋設されて地中熱に対する熱媒の熱交換を実施する地中設置式熱交換器であって、
熱媒としての空気が流通する空気流通管路と、
前記空気流通管路の一端側に開口する空気流入口と、
前記空気流通管路の他端側に開口する空気流出口と、
前記空気流通管路の内部の少なくとも一部に設けられた螺旋状のフィンと、
を備えたことを特徴とする地中設置式熱交換器。
前記螺旋状のフィンは、前記空気流通管路の内部において揺動可能に設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の地中設置式熱交換器。
前記螺旋状のフィンは、滑らかな螺旋曲面状に推移する部分を有している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の地中設置式熱交換器。
前記螺旋状のフィンは、段差を伴う螺旋階段状に推移する部分を有している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の地中設置式熱交換器。
前記螺旋状のフィンには、孔が設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の地中設置式熱交換器。
前記空気流通管路は、略Ｕ字状に折り返された管路を有している
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の地中設置式熱交換器。
前記空気流通管路は、同軸二重に配置された内側管と外側管との間の空間によって形成された断面環状の管路を有している
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の地中設置式熱交換器。
前記内側管は、樹脂製であり、
前記外側管は、金属製であり、
前記螺旋状のフィンは、前記断面環状の管路内に配置されている
ことを特徴とする請求項７に記載の地中設置式熱交換器。