JP2014228184A - 地中設置式熱交換器 - Google Patents
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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。
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。
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
45〜48 4重(4条)の螺旋状のフィン
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
45〜48 4重(4条)の螺旋状のフィン
Claims (8)
- 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。
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