JP5930161B2 - 既製杭を利用した地中熱交換装置 - Google Patents

Description

この発明は、地中の温度差を利用して熱交換する際に、杭穴内に埋設する既製杭に沿ってパイプを配置する既製杭を利用した地中熱交換装置に関する。

従来、パイプを沿わせた既製杭などを地中に埋設して、地上からパイプ内に溶媒（液体）を流して比較的温度が高い地中と熱交換して、エネルギーを取り出す工夫は多々用いられている。例えば、鋼管杭などの鋼管材を使用する場合には、熱伝導が良いため、杭体外の地盤の温度が杭体内に伝わり易く、また、外径に比して内径を多く取ることができるので、使用されていた（特許文献１）。

コンクリート系の既製杭では、内径が狭く使用し難いので、外周面に配置する場合が多かった（特許文献２、３）。この場合、既製杭の外周面にパイプを配置し、パイプの外側から帯具で固定する構造が提案されている（特許文献２）。また、拡径部を有する既製杭を使用して、下端部に位置する拡径部の直上からパイプを螺旋状に巻き付けはじめ、かつ中間部の拡径部に切り欠き部を形成して、その切り欠き部にもパイプを通していた（特許文献３）。

特開２００４−２３３０３１ 特開２００３−２０６５２８ 実用新案登録第３１６３８４９

前記帯具でパイプを固定する構造では、パイプを傷めるおそれがあり、また柔らかい材質のパイプには適用できなかった。また、使用する既製杭は拡径部を必須としていたので、埋設工法などで、拡径部の無いストレート状の既製杭には適用ができなかった。

そこでこの発明では、既製杭の外周面に巻いて取り付けた第一固定部材に、パイプの下端部を係止するので、拡径部の有無によらずパイプを使用でき、前記問題点を解決した。

即ちこの発明は、杭穴内に埋設したコンクリート系でかつ連結杭である既製杭の外側面に熱交換用のパイプを配置して、以下のように構成したことを特徴とする既製杭を利用した地中熱交換装置である。
(1) 前記パイプは、両開放端を地上に位置させ、中間部を前記既製杭の外側面に沿わせて配置され、かつ、縦方向に配置したパイプ片の複数を連結して構成された。
(2) 前記既製杭で、前記パイプの下端よりも下方位置に、前記既製杭の外側面に対して移動を規制して第一パイプ固定部材が取り付けられた。
(3) 前記パイプの下端部が、前記第一パイプ固定部材に、前記パイプの上昇を規制するように取り付けられた。
(4) 前記パイプの下端を覆う位置に、第一パイプ保護筒が配置され、前記第一パイプ保護筒の内面と前記既製杭の外側面との間に、パイプ配置空隙が形成された。
(5) 前記パイプ配置空隙内に、前記第一パイプ保護筒の内面と前記既製杭の外側面との間隔を維持する介装材が挿入された。
(6) 前記パイプは、前記第一パイプ保護筒の内面に接触しないように配置された。

また、前記において、以下のように構成する請求項１記載の既製杭を利用した地中熱交換装置である。
(1) パイプはＵ字状に形成され、折り返した下端部の下方に、第一パイプ固定部材の固定バンドが配置された。
(2) 前記既製杭の外側面で、前記第一パイプ固定部材の上方の高さ位置に、パイプ保持具を固定した固定バンドが取り付けられ、第二パイプ固定部材とする。
(3) 前記第二パイプ固定部材の外周に、第二パイプ保護筒が配置された。

前記において、第二固定部材を使用する場合、連結した状態の既製杭の全体で、少なくとも１つ設ければ、折り返し部に負荷が掛からないが、各既製杭（単杭）に１つ又は複数箇所に設けることが望ましい。

また、前記において、パイプは通常、略Ｕ字状に形成したものを複数使用するが、この場合には、直径対称に配置することが望ましい。また、パイプは１本でも可能である。また、パイプは略Ｕ字状に限らず、両開放端を地上に位置させれば、地下に埋設した部分の配置は任意である。また、パイプ１０の性質も硬質、柔軟など任意であり、材質も金属、樹脂など任意である。

パイプの下端部をパイプの上昇を規制する第一パイプ固定部材に取り付け、第一パイプ保護筒を配置して、第一パイプ保護筒の内面と前記既製杭の外側面との間に、パイプ配置空隙を形成するので、少ない材料で確実にパイプを保護して施工を簡略化できる。また、最低限下端部に第一パイプ固定部材を設ければ良く、少ない材料でパイプを保持できるので、パイプの露出面積を多くでき、熱交換効率を高めることができる。

図１はこの発明の実施例で、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ部の一部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線における端面図である。 図２（ａ）〜（ｂ）は、パイプ固定部材の組み立て手順を表す断面図である。 図３（ａ）（ｂ）はこの発明の他の実施例の正面図である。 図４（ａ）（ｂ）は、この発明の他の実施例で、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のＣ部の一部拡大図である。

１．使用する既製杭５

使用する既製杭５は、連結杭として、杭穴４０の根固め部４１に位置する最下端既製杭１と最下端既製杭１の上に接続される基準既製杭２と必要ならば、基準既製杭２の上に接続される上部既製杭３、３とからなる。
この実施例では、最下端既製杭１、基準既製杭２、上部既製杭３のいずれも突起の無いストレート状（円筒型）とする。

２．熱交換用のパイプ１０の構成

縦方向に配置した直線状のパイプ片１１、１１を並列して配置する。横方向の短いパイプ片１２の両端にＬ字状のジョイント１３をそれぞれ取り付け、両ジョイント１３、１３を、それぞれパイプ片１１、１１の下端に連通連結して、パイプ片１１、１２で両端を地上に開放したＵ字状のパイプ（熱交換用）１０を構成する。
パイプ片１１、１１の下端部とジョイント１３、１３及びパイプ片１２とで、折り返し部１４を形成する。なお、１本のパイプを屈曲して、略Ｕ字状に形成して、折り返し部１４を構成することもできる。
この実施形態では、１本の既製杭５で、３つのパイプ１０、１０を、回転対称な位置に配置して使用する（図１（ｃ））。

３．固定部材２０、２５、保護筒３０

基準既製杭２の下端部の外周に合わせて、外周面に密着できる帯状の固定バンド２１と、「一端を固定バンド２１に係止して、他端をパイプ片１２に係止できる」連結具（例えば、ワイヤー）２２から、第一パイプ固定部材２０を構成する。連結具２２は少なくとも固定バンド２１に対してパイプ１０の上昇が規制されれば良いが、パイプ２２が下方や水平方向への移動も規制できる材料（例えば金属板など）を使用することもできる。
また、基準既製杭２及び上部既製杭３の外周面に密着できる帯状の固定バンド２６と、固定バンド２６の表面に、パイプ片１１、１１を保持できるパイプ保持具２７、２７を突設して、第二パイプ固定部材２５を構成する。
前記におけるパイプ保持具２７は、例えば、パイプ１０の外周に沿った部分円の内面を有する２つのフックから構成する。また、基準既製杭２で、第一固定部材２０の直上で使用する第二固定部材２５では、基準既製杭２に予めパイプ１０を固定しておくことも可能であるので、パイプ保治具２７は、パイプ１０を通す開口を有する形状（めがねのフレーム形状）とすることもできる。
基準既製杭２及び上部既製杭３の外周に、緩く配置される短い筒材から保護筒３０を構成する。基準既製杭２（上部既製杭３）の外周と保護筒３０の内周との間の間隙は、間隔Ｌ１で形成され（図１（ｂ）（ｃ））、パイプ配置空隙３３とする。パイプ配置空隙３３に位置して、パイプ保護筒３０の内面と基準既製杭２（上部既製杭３）の外周面とに接触して、間隔Ｌ１を保つために保護筒固定材３３、３３を設置する（図１（ｃ）、図２（ｃ））。

４．既製杭５の埋設（地中熱交換装置５０の構成）

（１） ストレート状の基準既製杭２には、予め、下端部に固定ベルト２１と、固定ベルト２１のやや上方に、パイプ保持具２７付きの固定バンド２６を取り付ける（図２（ａ））。続いて、固定ベルト２１に連結部２２を取り付け、基準既製杭２の外周にパイプ１０を沿わせ、パイプ１０の折り返し部１４（パイプ片１２）を連結部２２に係止固定し、パイプ１０（パイプ片１０、１０）をパイプ保持具２７に係止する（図２（ｂ））。
また、基準既製杭２に保護筒３０を被せ、折り返し部１４（パイプ片１２）を覆うような位置に配置する。保護筒３０の内面と基準既製杭２の外周面との間に保護筒固定材３１、３１を嵌挿して、間隔Ｌ１のパイプ配置間隙３３を保つように保護筒３０を基準既製杭２に固定する（図２（ｃ））。
また、基準既製杭２にもう一つの保護筒３０も被せ、固定バンド２６及びパイプ保持具２７を覆うような位置に配置する。同様に保護筒３０の内面と基準既製杭２の外周面との間に保護筒固定材３１、３１を嵌挿して、間隔Ｌ１のパイプ配置間隙３３を保つように保護筒３０を基準既製杭２に固定する（図２（ｃ））。
この場合、保護筒３０は鋼管などの硬質材料からなり、配置間隙３３内にあるパイプ１０が保護筒３０の内面に触れないようにすることが望ましい。

（２） 基準既製杭２の上方に位置する上部既製杭３には、外周面に、パイプ保持具２７、２７を固定した固定ベルト２６を予め取り付ける。上部既製杭３の長さとほぼ同じ長さのパイプ片１５、１５を、上部既製杭３の外周面で軸方向に沿って配置して、パイプ保持具２７、２７に係止しておく。この状態で、パイプ片１５、１５は長さ方向の移動は自由であるが、それ以外の方向への移動が規制されている。また、上部既製杭３に、同様に、保護筒３０を通して、固定バンド２６及びパイプ保持具２７を覆うように配置し、保護筒固定材３１、３１で保護筒３０を上部既製杭３に固定して、保護筒３０がその位置を保つようにしてある。

（３） 予め掘削した杭穴４０内に、通常の方法で、杭打ち機（図示していない）に最下端既製杭１を取り付けて、下降して、最下端既製杭１の上端部を地上５１で保持して、杭打ち機から最下端既製杭１を分離する。
杭打ち機に、パイプ片１１、１１等を取り付けた基準既製杭２を装着して、基準既製杭２の下端を最下端既製杭１の上端に連結して、連結した最下端既製杭１及び基準既製杭２とを通常の方法で、杭穴４０内に埋設する。この際、連結した既製杭１、２を回転する場合であっても、パイプ１０（パイプ片１１、１１、１２）は第一第二パイプ固定部材２０、２５に保持されているので、通常は施工に支障は無いが、過度にパイプ片１１、１２に衝撃を与えないように注意する。

（４） 続いて、所定位置で、杭打ち機を止めて、基準既製杭２を杭穴４０の開口付近で保持して、杭打ち機から基準既製杭２を分離する。

（５） 続いて、杭打ち機に、パイプ片１５、１５を取り付けた上部既製杭３を取り付け、上部既製杭３の下端を、基準既製杭２の上端に連結する。この際、同時に、基準既製杭２の各パイプ片１１、１１、１２の上端を、上部既製杭３のパイプ片１５、１５の下端に連通連結する（図示していない）。

（６） 続いて、基準既製杭２の地上５１付近での保持を解除して、連結した最下端既製杭１、基準既製杭２及び上部既製杭３を同時に下降させる。

（７） 連結した既製杭５（最下端既製杭１、基準既製杭２、上部既製９）を所定深さまで、埋設したところで、上部既製杭３の上端部を杭穴開口付近で保持して、杭打ち機から上部既製杭３などを分離する。
杭打ち機に、パイプを取り付けた他の上部既製杭（新規）３を取り付け、上部既製杭（新規）３の下端を、上部既製杭（既設）３の上端に連結する。この際、同時に、上部既製杭（新規）３の各パイプ片１５、１５の下端を、上部既製杭（既設）３のパイプ片１５、１５の上端に連通連結する。

（８） 続いて、上部既製杭３の保持を解除して、連結した最下端既製杭１、基準既製杭２及び上部既製杭３、３を同時に下降させて必要な深さに保持する。

（９） 以下、必要本数の上部既製杭３、３を連結しつつ、パイプ片１５、１５を連通連結して、最下端既製杭１を埋設する前又は既製杭５を埋設した後に杭穴４０内に充填したセメントミルク類（ソイルセメントなども含む）が固化したならば、この発明の熱交換装置５０を構成する（図１（ａ））。なお、連結した最下端既製杭１、基準既製杭２及び上部既製杭３、３から既製杭５を構成する。

５．他の実施形態

（１） 前記実施形態において、基準既製杭２の上方に上部既製杭３を連結する場合、上部既製杭３に予めパイプ片１５、１５を取り付けた状態で杭打ち機に取り付けたが、他の工程をとることもできる。
例えば、上部既製杭３にパイプ保治具２７を固定した固定バンド２６を取り付け、かつパイプ保護筒３０を通した状態（保護筒固定材３１で固定していない）で、上部既製杭３を杭打ち機に取り付け、基準既製杭２に連結することもできる（図示していない）。この場合には、基準既製杭２と上部既製杭３とを連結した後に、上部既製杭３にパイプ片１５、１５を取り付け、かつ基準既製杭２のパイプ片１１、１１に連通連結する。

（２） 前記実施態様において、上部既製杭３の連結毎にパイプ片１５、１５も連結したが、他の工程を採用することもできる。

（３） また、前記実施態様において、第二パイプ固定部材２５（パイプ保治具２７を固定した固定バンド２６）にパイプ保護筒３０を取り付けたが、パイプ保護筒３０を省略することもできる（図示していない）。さらに、第二パイプ固定部材２５（パイプ保持具２６を固定した固定バンド２６）自体を省略することもできる（図示していない）。

（４） また、前記実施態様において、最下端既製杭１をストレート状としたが、全長に亘り環状の突起部７、７を形成した最下端既製杭１（図３（ａ））、下部にのみ環状の突起部７、７を形成した最下端既製杭１（図３（ｂ））、を使用こともできる。

（５） また、前記実施態様において、最下端既製杭１の直上を基準既製杭２として、第一パイプ固定部材２０を取り付けたが、最下端既製杭１の上端部（または、中間部）に第一パイプ固定部材２０を取り付けて、パイプ１０の折り返し部１４（下端部）を固定することもできる（図４）。この場合、通常、最下端既製杭１の下部は杭穴４０の根固め部４１（固化強度を高めた部分）に配置されるので、パイプ１０が根固め部４１内又は根固め部の直上に位置しないことが望ましい。
また、この場合、上端部に突起部７を有する最下端既製杭１（＝基準既製杭２）を使用した場合、最上位置の突起部７Ａの直ぐ下に固定バンド２１を固定して、柔らかい材質の連結具２２を突起部７Ａの外面に沿って配置する（図４（ｃ））。また、最下端既製杭１の上方に基準既製杭２を設置する場合で、基準既製杭２に突起部７を有する場合（ストレート状でない場合）にも同様に、固定バンド２１、連結部２２を配置する（図示していない）。

１ 最下端既製杭
２ 基準既製杭
３ 上部既製杭
５ 既製杭
７ 突起部
１０ Ｕ字状のパイプ
１１ パイプ片（基準既製杭。縦）
１２ パイプ片（基準既製杭。横）
１３ パイプ片のジョイント
１４ パイプの折り返し部
１５ パイプ片（上部既製杭）
２０ 第１パイプ固定部材
２１ 固定バンド（第１パイプ固定部材）
２２ 連結具（第１パイプ固定部材）
２５ 第２パイプ固定部材
２６ 固定バンド（第２パイプ固定部材）
２７ パイプ保持具（第２パイプ固定部材）
３０ パイプ保護筒
３１ 保護筒固定部材
３３ パイプ配置間隙
４０ 杭穴
４１ 杭穴の根固め部
５０ 熱交換装置

Claims (2)

1. 杭穴内に埋設したコンクリート系でかつ連結杭である既製杭の外側面に熱交換用のパイプを配置して、以下のように構成したことを特徴とする既製杭を利用した地中熱交換装置。
   (1) 前記パイプは、両開放端を地上に位置させ、中間部を前記既製杭の外側面に沿わせて配置され、かつ、縦方向に配置したパイプ片の複数を連結して構成された。
   (2) 前記既製杭で、前記パイプの下端よりも下方位置に、前記既製杭の外側面に対して移動を規制して第一パイプ固定部材が取り付けられた。
   (3) 前記パイプの下端部が、前記第一パイプ固定部材に、前記パイプの上昇を規制するように取り付けられた。
   (4) 前記パイプの下端を覆う位置に、第一パイプ保護筒が配置され、前記第一パイプ保護筒の内面と前記既製杭の外側面との間に、パイプ配置空隙が形成された。
   (5) 前記パイプ配置空隙内に、前記第一パイプ保護筒の内面と前記既製杭の外側面との間隔を維持する介装材が挿入された。
   (6) 前記パイプは、前記第一パイプ保護筒の内面に接触しないように配置された。
2. 以下のように構成する請求項１記載の既製杭を利用した地中熱交換装置。
   (1) パイプはＵ字状に形成され、折り返した下端部の下方に、第一パイプ固定部材の固定バンドが配置された。
   (2) 前記既製杭の外側面で、前記第一パイプ固定部材の上方の高さ位置に、パイプ保持具を固定した固定バンドが取り付けられ、第二パイプ固定部材とする。
   (3) 前記第二パイプ固定部材の外周に、第二パイプ保護筒が配置された。

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