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図面 (6)

課題

より簡単でかつ安価に敷設することが可能なクローズドループ型自然熱熱交換装置を提供する。

解決手段

地中または水中に埋設される熱交換ユニット3を有し、熱交換ユニット3は、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグ31を有し、フレキシブルコンテナバッグ31内に熱媒体循環する第1および第2熱交換シート32a,32bを渦巻き状に収納した状態で、充填材33を充填する。

概要

背景

節電などの省エネ技術の1つとして、最近では、地中熱河川などの自然熱を採取して、エアコンなどの利用側熱源との間で熱交換する自然熱熱交換装置が注目されている。自然熱熱交換装置には、熱媒体循環させる熱交換チューブ(もしくは熱交換シート)を用いて熱交換を行うクローズドループ型と、汲み上げた地下水を熱交換に利用し、熱交換後に再びに地中に戻すオープンループ型との2種類に大別されるが、最近では、両者を合わせたハイブリッド型の熱交換装置も提案されている。

ところで、この種の自然熱熱交換装置の敷設方法としては、ボアホール方式や基礎杭方式、水平埋設方式などがある。しかしながら、いずれの方法においても、施工は全て現場施工であり、まず最初に地表から地中に向かって熱交換井掘削工事を行い、そこに熱交換チューブや熱交換シートを設置してから、充填材で熱交換井内を充填している。

そのため、この種の自然熱熱交換装置は、エアコンの出力や使用状況などに応じて、熱交換チューブや熱交換シートの数やその敷設方法もまちまちであり、現場に応じて調整が必要であった。また、熱交換シートの場合は、シート縦置きに設置するか、横置きに設置するか、さらには、螺旋状(筒状)に巻いて設置するかなど、敷設作業には技術と熟練を要した。

概要

より簡単でかつ安価に敷設することが可能なクローズドループ型自然熱熱交換装置を提供する。地中または水中に埋設される熱交換ユニット3を有し、熱交換ユニット3は、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグ31を有し、フレキシブルコンテナバッグ31内に熱媒体が循環する第1および第2熱交換シート32a,32bを渦巻き状に収納した状態で、充填材33を充填する。

目的

本発明は、より簡単でかつ安価に敷設することが可能な自然熱熱交換装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

自然熱を熱源とし、上記自然熱と利用側熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置において、地中または水中に配設される熱交換ユニットを備え、上記熱交換ユニットは、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本熱交換チューブ並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートと、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグとを有し、上記フレキシブルコンテナバッグ内には、上記熱交換シートを収納した状態で、所定の充填材充填されていることを特徴とする自然熱熱交換装置。

請求項2

上記熱交換器シートは、上記フレキシブルコンテナバッグ内に渦巻き状に巻回された状態で収納されていることを特徴とする請求項1に記載の自然熱熱交換装置。

請求項3

上記熱交換シートは、複数枚設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の自然熱熱交換装置。

技術分野

0001

本発明は、自然熱を熱源側熱媒体とし、利用側の熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、安価かつ簡単に設置することができる自然熱熱交換装置に関する。

背景技術

0002

節電などの省エネ技術の1つとして、最近では、地中熱河川などの自然熱を採取して、エアコンなどの利用側熱源との間で熱交換する自然熱熱交換装置が注目されている。自然熱熱交換装置には、熱媒体を循環させる熱交換チューブ(もしくは熱交換シート)を用いて熱交換を行うクローズドループ型と、汲み上げた地下水を熱交換に利用し、熱交換後に再びに地中に戻すオープンループ型との2種類に大別されるが、最近では、両者を合わせたハイブリッド型の熱交換装置も提案されている。

0003

ところで、この種の自然熱熱交換装置の敷設方法としては、ボアホール方式や基礎杭方式、水平埋設方式などがある。しかしながら、いずれの方法においても、施工は全て現場施工であり、まず最初に地表から地中に向かって熱交換井掘削工事を行い、そこに熱交換チューブや熱交換シートを設置してから、充填材で熱交換井内を充填している。

0004

そのため、この種の自然熱熱交換装置は、エアコンの出力や使用状況などに応じて、熱交換チューブや熱交換シートの数やその敷設方法もまちまちであり、現場に応じて調整が必要であった。また、熱交換シートの場合は、シート縦置きに設置するか、横置きに設置するか、さらには、螺旋状(筒状)に巻いて設置するかなど、敷設作業には技術と熟練を要した。

先行技術

0005

特開2008−292030号公報

発明が解決しようとする課題

0006

そこで、本発明は、より簡単でかつ安価に敷設することが可能な自然熱熱交換装置を提供する。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決するため、本発明は、自然熱を熱源とし、上記自然熱と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う自然熱熱交換装置において、地中または水中に配設される熱交換ユニットを備え、上記熱交換ユニットは、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本の熱交換チューブを並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートと、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグとを有し、上記フレキシブルコンテナバッグ内には、上記熱交換シートを収納した状態で、所定の充填材が充填されていることを特徴としている。

0008

より好ましい態様として、上記熱交換器シートは、上記フレキシブルコンテナバッグ内に、上記流入側ヘッダが外周側となり、上記流出側ヘッダが中心側となるように渦巻き状に巻回された状態で収納され、上記熱媒体が上記熱交換シートの外周側から中心に向かって一方向に流れることが好ましい。

0009

さらに好ましい態様として、上記熱交換シートは、複数枚設けられていることが好ましい。

発明の効果

0010

本発明によれば、汎用品であるフレキシブルコンテナバッグの中に、熱交換チューブまたは熱交換シートを渦巻き状に配置した状態で、その内部に充填材を充填した熱交換ユニットを予め工場などで生産しておき、現場に運び込んでそのまま敷設して配管作業を行うだけで、簡単かつ安価に自然熱熱交換装置を設置することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の一実施形態に係る自然熱熱交換装置の構成を示す模式図。
熱交換ユニットの(a)平面図および(b)内部構造を模式的に示す要部断面図。
熱交換シートの構成を示す斜視図。
熱交換シートをフレキシブルコンテナバッグに収納する方法を説明する説明図。
熱交換ユニットを(a)横積みおよび(b)縦積みした場合の敷設例を示す模式図。

実施例

0012

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

0013

図1に示すように、自然熱熱交換装置1(以下、単に熱交換装置1とする)は、地表面Gからほぼ鉛直に掘削された熱交換井2と、熱交換井2の中に沿って配置される熱交換ユニット3と、熱交換ユニット3との間で熱交換される、利用側熱源としてのヒートポンプユニット4とを備えている。

0014

熱交換井2は、この実施形態では、地下水位線WLよりも低い(深い)位置まで掘削されている。熱交換井2の数や大きさは、仕様に応じて任意に設定されてよいが、図1では1箇所のみが示されている。

0015

この実施形態において、熱交換井2は、より熱交換効率を高めるため、地下水が湧出する地下水位線WLよりも低い位置まで掘削されているが、地中熱を用いて熱交換を行うのであれば、地下水位線WLよりも高い(浅い)位置であってもよく、熱交換井2の深さは、仕様に応じて任意に設定されてよい。

0016

熱交換井2には、熱交換ユニット3が配置された状態で、その内部には、充填材21が充填されている。充填材2は、地下水や雨水の透水性を確保するため珪砂砂礫などが好適に用いられる。

0017

図2を併せて参照して、熱交換ユニット3は、透水性を有するフレキシブルコンテナバッグ31(以下、フレコンバッグ31と略す)と、フレコンバッグ31内に収納され、所定の熱媒体が循環する熱交換器本体32とを有し、フレコンバッグ31内には、熱交換器本体32を収納した状態で、充填材33が充填されている。

0018

フレコンバッグ31は、ポリエチレンポリプロピレン等の夫な化学繊維で織られたシート地を用いて袋状に形成されており、上端部が開放されている。フレコンバッグ31の上端には、クレーン等の玉掛け作業用のベルト部311(図5参照)が一体的に設けられている。

0019

フレコンバッグ31は、地下水や雨水を浸透させるため透水性を備えていることが好ましく、この実施形態では、市販の水切りコンテナバッグが用いられている。なお、より好ましくは、目合いが1〜5mm程度のより粗いタイプが透水性がよく好適である。

0020

フレコンバッグ31の形状や大きさなどは、仕様に応じて任意に選択されてよい。また、長期間繰り返して使用することを目的として造られたランニング用、あるいは、1回から数回の短期使用を目的として造られたクロス用のいずれであってもよい。この実施形態において、フレコンバッグ31は、およそ直径φ1100mm×高さ1100mmの円筒状である。

0021

熱交換器本体32は、内部に熱媒体が流れる熱交換シートからなり、フレコンバッグ31内に渦巻き状に巻回された状態で、フレコンバッグ31の底からほぼ垂直に立てた状態で収納されている。

0022

この実施形態において、熱交換器本体32は、第1および第2熱交換シート32a,32bをそれぞれ180°位相とした状態で渦巻き状に巻回して収納しているが、熱交換シート32a,32bは、少なくとも1つであればよい。

0023

熱交換シート32a,32bはともに同一構成であるため、以下においてはいずれか一方の第1熱交換シート32aの構成について説明する。なお、説明の便宜上、他方の第2熱交換シート32bの具体的な構成についての説明は省略するが、参照符号末尾に「b」を伏して区別した。

0024

図3を参照して、第1熱交換シート32aは、熱媒体循環路5の流入側配管51に接続される流入側ヘッダ管321aと、熱媒体循環路5の流入側配管52に接続される流出側ヘッダ管322aと、流入側ヘッダ管321aおよび流出側ヘッダパイプ322aとの間に架け渡される複数の熱交換チューブ323とを備えている。

0025

この実施形態において、流出側ヘッダ管321aおよび流出側ヘッダ管322aはともに、ポリエチレン製の管材からなる。流入側ヘッダ管321aは、下端側が開放され、上端側が閉塞されている。これに対し、流出側ヘッダ管322aは、上端側が開放され、他端側が閉塞されている。

0026

熱交換チューブ323は、可撓性を有する合成樹脂、好ましくはポリエチレンチューブからなり、一端が流入側ヘッダ管321aに差し込まれ、他端が流出側ヘッダ管322aの管内に差し込まれ、それらが互いに平行に配置されている。流入側ヘッダ管321aおよび流出側ヘッダ管322aは熱媒体の幹管であり、熱交換チューブ323はそれらの枝管である。

0027

熱交換チューブ323は、各ヘッダ管321a,322aの軸線方向に沿って所定間隔をもって多数、この実施形態では、φ6mm×長さ5.6mの熱交換チューブ323が117本が配置されており、それら全体が規則的に並んで配置されることにより、見かけ上、1枚のシート状に形成される。

0028

熱交換チューブ323には、熱交換チューブ323の並びを整然と配列するためのスペーサ324が、この実施形態では3箇所に設けられている。

0029

これによれば、熱媒体は、流入側ヘッダ管321aの下端から熱交換シート6内に入り、各熱交換チューブ323内を、同一方向に流出側ヘッダ管322aに向かって流れつつ、水との間で熱交換され、流出側ヘッダ管322aの上端から吐出されて熱媒体循環路5に戻る。

0030

この実施形態において、熱交換シート6の大きさは、長さ5.6m×幅0.9mである。この種の熱交換シート6の一例としては、MAGEN(イスラエル)社製の製品名「Gカーペット」が好適に用いられる。

0031

各熱交換シート32a,32bは、熱媒体の入口側の流入側ヘッダ管321a,321bが中心側となり、出口側の流出側ヘッダ管322a,322bが外周側となるように渦巻き状に巻回されている。

0032

熱交換ユニット3には、熱媒体循環路5の流入側配管51から各流入側ヘッダ管321a,321bに案内する第1中継パイプ325と、熱媒体を各流出側ヘッダ管322a,322bから吐出した熱媒体を、フレコンバッグ31の底部から中心を通って熱媒体循環路5の流出側配管52に送り出す第2中継パイプ326とが設けられている。

0033

この実施形態において、熱交換ユニット3は、流入側ヘッダ管321a,321bが中心側で、流出側ヘッダ管322a,322bが外周側に配置され、熱媒体が中心から外側に向かって流れるようになっているが、流入側ヘッダ管321a,321bを外、流出側ヘッダ管322a,322bを中心に配置し、外側から中心に向かって熱媒体が流れるようにしてもよい。

0034

充填材33は、フレコンバッグ31の内部に地下水などの透水性を確保しつつ、熱交換器本体32への傷付きを予防するため珪砂が好適である。珪砂以外にも、川砂砕石などが用いられてもよいが、熱交換器本体32のパイプを傷つけないようにするため、粒径が揃っており、角が面取りされていることが好ましい。

0035

ヒートポンプユニット4は、内部にコンプレッサなどの冷凍サイクル機構を備えたユニット本体41と、室内側に配置される室内側熱交換器42と、室外側に配置される室外側熱交換器43とを備えている。この実施形態において、ヒートポンプユニット4は、空気調和機(エアコン)である。

0036

本発明において、ヒートポンプユニット4は、熱媒体を介して室内側熱交換器42と室外側熱交換器43との間で熱を移動させる冷凍サイクル回路を有していればよく、その具体的な構成は、仕様に応じて任意に変更されてよい。

0037

冷媒循環路5は、内部に水や不凍液などの液体の熱媒体が一方向に向かって循環するクローズドループ回路であって、熱媒体を循環させるための図示しない循環ポンプが設けられている。冷媒循環路5の具体的な構成や、熱冷媒の種類については、仕様に応じて任意に選択されてよい。

0038

冷媒循環路5とヒートポンプユニット4とは、室外側熱交換器43内に設けられた熱交換器44を介して熱交換される。この実施形態において、熱交換器44は、冷媒循環路5内を流れる熱冷媒を貯留するタンクに室外側熱交換器43を直に浸すことにより熱交換されるようになっている。

0039

なお、熱交換器44を設けることなく、室外側熱交換器43の冷媒回路を冷媒循環路5に直結して熱交換ユニット3で熱交換するようにしてもよい。

0040

次に、フレコンバッグ31の中に熱交換シート32aを渦巻き状に収納する方法としては、図4に示す専用の収納治具6を用いることが好ましい。この収納治具6は、中心から十字状に延びる第1〜第4ベースプレート61〜64と、第1熱交換シート32aを渦巻き状に巻回するための第1ガイド棒65a〜65lと、第2熱交換シート32bを渦巻き状に巻回するための第2ガイド棒66a〜66kとを備えている。

0041

第1〜第4ベースプレート61〜64は、地面に対して水平に設置され、金属フレーム製で中心で一体的に連結され、それらが外側に向かって十字状に形成されている。第1ガイド棒65a〜65lはそれぞれ、第1〜第4ベースプレート61〜64からほぼ垂直に立設された金属棒である。図4においては、黒丸で示す。

0042

第1ガイド棒65a〜65lは、第1熱交換シート32aを渦巻き状に巻回した状態するための仮想インボリュート曲線上に配置されている。第1ガイド棒65a〜65lのうち、第1ガイド棒65a,65e,65iは第1ベースプレート61に配置されている。第1ガイド棒65b,65f,65jは第2ベースプレート62に配置されている。第1ガイド棒65c,65g,65kは第3ベースプレート63に配置されている。第1ガイド棒65d,65h,65lは第4ベースプレート64に配置されている。

0043

これによれば、第1熱交換シート32a(図4では破線で示す)の内周面を第1ガイド棒65a→65b→65c→・・・・→65k→65lの順に当接させていくことにより、ほぼ渦巻き状に巻回することができる。

0044

第2ガイド棒66a〜66kはそれぞれ、第1〜第4ベースプレート61〜64からほぼ垂直に立設された金属棒である。図4においては、白丸で示す。

0045

第2ガイド棒66a〜66kは、第2熱交換シート32bを渦巻き状に巻回した状態するための仮想インボリュート曲線上に配置されている。第2ガイド棒66a〜66kのうち、第2ガイド棒66a,66e,66iは第1ベースプレート61に配置されている。第2ガイド棒66b,66f,66jは第2ベースプレート62に配置されている。第2ガイド棒66c,66g,66kは第3ベースプレート63に配置されている。第2ガイド棒66d,66hは第4ベースプレート64に配置されている。

0046

これによれば、第2熱交換シート32a(図4では実線で示す)の内周面を第2ガイド棒66a→66b→66c→・・・・→66kの順に当接させていくことにより、ほぼ渦巻き状に巻回することができる。

0047

収納治具6に第1および第2熱交換シート32a,32bを巻き付けた後、第1中継パイプ324と第2中継パイプ325とを配管する。次に、フレコンバッグ31の開口部を下となるようにして、収納治具6の上に被せたのち、全体を上下逆さまにする。

0048

なお、第1中継パイプ324と第2中継パイプ325とを配管したあとで、収納治具6を上下をひっくり返して、各ガイド棒65,66の先端を下にし、図示しないフレコンバッグ31の中に向けて差し込んでもよい。

0049

この状態でフレコンバッグ31内に充填材33を半分ほど充填し、第1熱交換シート32aと第2熱交換シート32bとの隙間に充填材33を均等に充填する。次に、収納治具6を上に引き抜くことで、フレコンバッグ31内に熱交換シート32a,32bが渦巻き状に巻回された状態で収納される。しかるのち、残りの充填材33を充填することにより、熱交換ユニット3が形成される。

0050

これによれば、フレコンバッグ31の中に熱交換シート32と充填材33とを充填した熱交換ユニット3を予め工場などの現場外で作製しておき、施工現場に必要な数の熱交換ユニット3を運び込んで、現場の熱交換井2にクレーンによって設置した後、配管作業するだけでよく、熱交換に必要な熱容量の設計や、設置コスト、生産性が大幅に向上する。

0051

熱交換ユニット3の設置態様としては、図5(a)に示すように、必要に応じて複数の熱交換ユニット3を横並びに設置する方法が一般的であるが、図4(b)に示すように、深い熱交換井を設け、複数個の熱交換ユニット3を縦積みしてもよい。なお、縦積みにする場合は、配管の作業性などから、半分程度横にずらして配置することが好ましい。

0052

この実施形態において、熱交換ユニット3は、地中熱および地下水を用いて熱交換するため、地中に設けられた熱交換井2に埋設する方法について説明したが、本発明の熱交換ユニットは、や海、河川などに直接沈めて用いてもよい。

0053

さらには、熱交換器本体32は、シート状の熱交換シート32a,32bを用いることが好ましいが、チューブ状の熱交換チューブを用いてもよい。その場合も、上述した専用治具6を用いて渦巻き状に巻き付け、さらにそれを軸線方向に重ね巻きすることで螺旋状に巻き付けることができる。

0054

1 自然熱熱交換装置
2熱交換井
3熱交換ユニット
31フレキシブルコンテナバッグ(フレコンバッグ)
32熱交換器本体
32a,32b熱交換シート
321a,321b流入側ヘッダ管
322a,322b流出側ヘッダ管
33充填材
4 ヒートポンプユニット

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