技術 揚水併用型熱交換器とその設置工法

0001

本発明は、揚水併用型熱交換器とその設置工法に関する。更に詳しくは、飲用水、工業用水等のための揚水井戸の機能と、地中熱交換の機能を併用した揚水併用型熱交換器とその設置工法に関する。

0002

Ｕ字状の熱交換パイプに熱媒体液を通して地中と熱交換する地中熱採熱システムとしては、特許文献１の垂直式でクローズド型の地中熱採熱システムが一般的に採用されている。このような地中熱採熱システムの熱交換容量を増加させるために、揚水井戸から汲み上げた揚水を利用した地中熱採熱システムがある（特許文献２、特許文献３）。特許文献２は、深井戸１３１から井戸水を汲み上げ、深井戸１３１より浅い水平式の熱交換パイプ１２０に井戸水を降りかけることにより、熱交換容量を増加させたものである。また、特許文献３は、深井戸２から井戸水を汲み上げ、深井戸２より浅い浅井戸５に注入し、この浅井戸５に設置された垂直式の地中熱採熱システムで熱交換を行うことにより、自然水位の高低とは無関係に熱交換をすることができるようにしたものである。しかし、特許文献２、特許文献３の地中熱採熱システムは、熱交換パイプを設置するための掘削工事と、揚水用の深井戸を設置するための掘削工事の両方が必要になるため、工事費が高くなり、設置面積も広くなる問題がある。

0003

特表２００８−５３１９４５号公報
特開２０１５−１５２２３６号公報
特開２０１７−１２０１６９号公報

0004

本発明は、以上のような背景で発明されたものであり、以下の目的を達成するものである。本発明の目的は、揚水用の井戸を設置するための掘削工事と熱交換パイプを設置するための掘削工事を兼用することにより、工事費が安価で、設置面積も狭くて済むようにした揚水併用型熱交換器とその設置工法を提供することにある。

0005

本発明は、前記課題を解決するために、次の手段を採る。
即ち、本発明１の揚水併用型熱交換器は、地中に埋設され、中空部を通して地下水を揚水するケーシング管と、前記ケーシング管の外周に固定され、地中と熱交換する熱媒体液を通す熱交換パイプとからなることを特徴とする。

0006

本発明２の揚水併用型熱交換器は、本発明１において、前記熱交換パイプは、前記ケーシング管の軸線と平行、又は前記ケーシング管の外周に螺旋状に巻いて配置されていることを特徴とする。
本発明３の揚水併用型熱交換器は、本発明１又は２において、前記熱交換パイプは、前記熱交換パイプの内部を通る熱媒体液を循環させるために閉ループ状に形成されていることを特徴とする。

0007

本発明４の揚水併用型熱交換器設置工法は、本発明１ないし３の揚水併用型熱交換器を設置するための揚水併用型熱交換器設置工法であって、下端に掘削ビットを有し、掘削水を中空部を通して供給し、掘削土を外周から地表に排出する掘削ロッドで地中に掘削孔を形成する掘削工程と、前記掘削ロッドの前記中空部に前記揚水併用型熱交換器を挿入する挿入工程と、前記掘削ロッドを地表に引き上げる掘削ロッド引き上げ工程と、前記ケーシング管の外周と前記掘削孔との間を充填材で充填する充填工程とからなることを特徴とする。

0008

本発明５の揚水併用型熱交換器設置工法は、本発明４において、前記掘削工程は、前記掘削ロッドに回転と振動を付与する工法であることを特徴とする。

0009

本発明の揚水併用型熱交換器は、中空部を通して地下水を揚水するケーシング管の外周に、地中と熱交換する熱媒体液を通す熱交換パイプを固定したので、揚水用の井戸を設置するための掘削工事と熱交換パイプを設置するための掘削工事を兼用することができるため、工事費が安価で、設置面積も狭くて済む。

0010

図１は、本発明の実施の形態の揚水併用型熱交換器の設置工法を示す全体図であり、掘削ロッドで地中を掘削する掘削工程を示す。
図２は、図１の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、掘削ロッドの中空部に揚水併用型熱交換器を挿入する挿入工程を示す。
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、図２の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、掘削ロッドを地表に引き上げる掘削ロッド引き上げ工程が完了した状態を示す。
図５は、図４の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、ケーシング管の外周と掘削孔の間を充填材で充填する充填工程を示す。
図６は、図５の後工程を示し、本発明の実施の形態の揚水併用型熱交換器を運転している状態を示す全体図である。

0011

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態の揚水併用型熱交換器の設置工法を示す全体図であり、掘削ロッド２で地中１５を掘削する掘削工程を示す。図１に示すように、移動式の掘削装置１の垂直なリーダ１１には、掘削ヘッド１２が垂直方向に移動可能に取り付けられている。掘削ヘッド１２の下端に中空円筒状の掘削ロッド２の上端をねじ込んで固定する。掘削ロッド２の下端には、環状の掘削ビット（リングビット）２１がボルト等で固定されている。掘削ヘッド１２で掘削ロッド２に回転（矢印２４）と縦横の振動（矢印２５）を付与し、掘削ヘッド１２がリーダ１１に沿って垂直方向の下方に移動して、地中１５を掘削する。掘削装置１のポンプ１３で加圧した掘削水を掘削ロッド２の中空部２２に供給（矢印１４）する。掘削ロッド２の下端開口部から掘削水が噴出し、掘削土は掘削孔１７と掘削ロッド２の外周で囲まれた環状間隙２３から地表１６に排出される。掘削ロッド２が所定の深さ（地下水が豊富な帯水層）に達するまで、掘削ロッド２を継ぎ足しながら掘削する。

0012

図２は図１の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、掘削ロッド２の中空部２２に揚水併用型熱交換器を挿入する挿入工程を示し、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態の揚水併用型熱交換器は、ケーシング管３と熱交換パイプ４で構成されている。即ち、掘削ロッド２が所定の深さに達したら、掘削ヘッド１２の下端から掘削ロッド２の上端を取り外し、図２、図３に示すように、掘削ロッド２の上端開口部から掘削ロッド２の中空部２２に中空円筒状のケーシング管３を挿入する。ケーシング管３の外径、正確には熱交換パイプ４をケーシング管３に配置したときの外径は、掘削ロッド２の内径より小さい。また、ケーシング管３の軸方向の長さは、掘削ロッド２の軸方向の長さとほぼ同一長さに設定されている。ケーシング管３の外周には、Ｕ字状の熱交換パイプ４が９０度間隔に４対固定されている。中空でポリエチレン製の熱交換パイプ４は、ケーシング管３の軸線に平行に配置され、帯状の結束バンド５によってケーシング管３の外周に固定されている。熱交換パイプ４は、ケーシング管３の軸方向の複数の箇所で結束バンド５によって固定される。熱交換パイプ４は中空で閉ループ状に形成され、熱媒体液を通して循環し、地中と地上のヒートポンプ６（図６参照）との間で熱交換する。熱交換パイプ４をケーシング管３の外周に固定しているので、熱交換パイプ４を掘削ロッド２の中空部２２に挿入する作業が容易になる。

0013

図４は、図２の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、掘削ロッド２を地表１６に引き上げる掘削ロッド引き上げ工程が完了した状態を示す。即ち、掘削ヘッド１２の下端に掘削ロッド２の上端をねじ込んで固定した後、掘削ヘッド１２を垂直方向の上方に移動し、掘削ロッド２を地表１６に引き上げると、図４に示すように、４対の熱交換パイプ４が掘削孔１７に露出する。図５は図４の後工程を示す要部の拡大縦断面図であり、ケーシング管３の外周と掘削孔１７との間を充填材１８で充填する充填工程を示す。充填材１８としては、熱伝導率が高いケイ砂が好ましい。

0014

図６は図５の後工程を示し、本発明の実施の形態の揚水併用型熱交換器を運転している状態を示す全体図である。図６に示すように、地上に設置されたヒートポンプ６に４対の熱交換パイプ４を接続する。ポンプ６１で熱交換パイプ４の熱媒体液を循環し、ヒートポンプ６との間で熱交換を行い、冷暖房や給湯等に使用する。ケーシング管３の中空部３１には、ケーシング管３の上端開口部から揚水パイプ３２を挿入する。揚水パイプ３２には、ケーシング管３の下端近傍にポンプ３３とフィルタ３４が設置されている。ケーシング管３の下端近傍に溜まった地下水をフィルタ３４を通してポンプ３３で揚水し、地上に設置された貯水タンク３５に貯め、飲料水、工業用水、散水、農業用水等に使用する。地下水の揚水は、使用目的に応じて連続的または断続的に行うことができる。地下水をポンプ３３で揚水するため、熱交換パイプ４周辺の充填材１８中の地下水の流れが促進されるため、熱交換パイプ４の熱交換容量を増加させることが可能となる。また、揚水用の井戸を設置するための掘削工事を利用して熱交換パイプ４を設置するため、工事費が安価で、設置面積も狭くて済む。

0015

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこの実施例に限定されることはない。例えば、前述した実施例では、熱交換パイプはケーシング管の軸線に平行に配置されているが、ケーシング管の外周に螺旋状に巻いて配置してもよい。また、前述した実施例では、地下水を濾過するフイルタとしてラインフィルタを使用しているが、ケーシング管の下端開口部を覆う網状のストレーナースクリーンを使用してもよい。その場合には、ストレーナースクリーンの近傍には充填材として砂利を使用し、ストレーナースクリーンの目詰まりを防止するのが望ましい。また、前述した実施例では、貯水タンクを使用しているが、貯水タンクは使用しなくてもよい。さらに、前述した実施例では、ケーシング管を地下水を揚水するために使用しているが、還元井として使用してもよい。

0016

１…掘削装置
１１…リーダ
１２…掘削ヘッド
１３…ポンプ
１４…掘削水供給方向
１５…地中
１６…地表
１７…掘削孔
１８…充填剤（ケイ砂）
２…掘削ロッド
２１…掘削ビット
２２…中空部
２３…環状間隙
２４…矢印（回転）
２５…矢印（振動）
３…ケーシング管
３１…中空部
３２…揚水パイプ
３３…ポンプ
３４…フィルタ
３５…貯水タンク
４…熱交換パイプ
５…結束バンド
６…ヒートポンプ
６１…ポンプ