特許 6906814 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6906814

(24)【登録日】2021年7月2日

(45)【発行日】2021年7月21日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/02 20060101AFI20210708BHJP

   F24T 10/15 20180101ALI20210708BHJP

   F03G 4/00 20060101ALI20210708BHJP

【ＦＩ】

   F28D7/02

   F24T10/15

   F03G4/00 501

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-67087(P2020-67087)

(22)【出願日】2020年4月2日

【審査請求日】2020年12月24日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】505237879

【氏名又は名称】株式会社竹内建築研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100218280

【弁理士】

【氏名又は名称】安保 亜衣子

(74)【代理人】

【識別番号】100108914

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 壯兵衞

(74)【代理人】

【識別番号】100173864

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 健治

(72)【発明者】

【氏名】竹内 和男

【審査官】 西塚 祐斗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１２２７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−２１９１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２９４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１５１９１７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０４５７０４５２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国実用新案第２０７０４７８３６（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ７／０２

Ｆ０３Ｇ ４／００

Ｆ２４Ｔ １０／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

不凍液層及び空気層を内部に有する格納管と、
前記不凍液層及び前記空気層に接し、前記内部に保持された管状の内側熱交換ユニットと、
前記格納管を収納する、複数の細孔を有する穴開き管と、
前記内側熱交換ユニットに連続し、前記穴開き管の外側に配置された管状の外側熱交換ユニットと、
を備え、
前記内側熱交換ユニットが、前記格納管の長手方向と平行な中心軸を有するらせん構造である内側送り管と、前記内側送り管に連続し、前記内側送り管と同一の中心軸を有し、前記内側送り管とは逆巻きのらせん構造である内側戻り管から構成され、
前記外側熱交換ユニットが、前記長手方向と平行な中心軸を有するらせん構造である外側送り管と、前記外側送り管に連続し、前記外側送り管と同一の中心軸を有し、前記外側送り管とは逆巻きのらせん構造である外側戻り管から構成されることを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記穴開き管の外周面が遮熱素材を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記穴開き管の外周面に複数の台座を更に備え、
前記複数の台座に前記外側熱交換ユニットが固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記長手方向が水平方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項5】

前記長手方向が鉛直方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中熱との熱交換を行う熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、地中熱を利用する熱交換器においては、熱媒を通す管路の表面積を増大させる等で、熱交換性能を上げるための工夫がされてきた。管路の表面積を増大させるためには、例えば、管路をループ構造やらせん構造とし、限られた範囲で管路を長くとる必要がある。

【0003】

従来技術として、特許文献１においては、熱交換管のうち、地中に熱媒を通すらせん構造と、熱媒を地中から地上に通す直管構造を有する熱交換器の発明が記載されている。戻り管となる直管構造は、送り管となるらせん構造のちょうど中心軸の位置に配置されている。又、特許文献２においては、送り管となる往き管がらせん構造であり、戻り管が直管構造である熱交換器の発明が記載されている。戻り管は、送り管のらせん構造の外側に位置する。

【0004】

しかし、特許文献１及び２のいずれであっても、送り管と戻り管のうちらせん構造は一方のみであり、同程度の全体サイズのままでは、表面積の増大には限界があった。又、特許文献１及び２のいずれであっても、送り管と戻り管との間の熱交換の抑止が考慮されておらず、らせん構造である送り管で効率良く地中熱と熱交換したとしても、地上に戻るまでの熱損失が発生するため、熱交換率を高めることは困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−１０３３６７号公報

【特許文献2】特開２０１７−４４４１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は上記の問題に着目してなされたものであって、従来技術よりも熱交換表面積を大幅に増大させ、かつ、熱交換器内の構成部材どうしでの熱交換を極力低減させた高効率の熱交換器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の態様は、（ａ）不凍液層及び空気層を内部に有する格納管と、（ｂ）不凍液層及び空気層に接し、格納管の内部に保持された管状の内側熱交換ユニットと、（ｃ）格納管を収納する、複数の細孔を有する穴開き管と、（ｄ）内側熱交換ユニットに連続し、穴開き管の外側に配置された管状の外側熱交換ユニットとを備えることを特徴とする熱交換器であることを要旨とする。

【0008】

本発明によれば、従来技術よりも熱交換表面積を大幅に増大させ、かつ、熱交換器内の構成部材どうしでの熱交換を極力低減させた高効率の熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の内部構造を示した、正面模式図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の外観を示した、正面模式図である。

【図3】図２のＡ−Ａ方向から見た拡大断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る熱交換器の内部構造を示した、正面模式図である。

【図5】図１のＡ部分の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下において、図面を参照して、本発明の第１及び第２実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な装置の構造や配置、部材間の連係、設置方法等は以下の説明から理解できる技術的思想の趣旨を参酌してより多様に判断すべきものである。本発明の技術的思想は、本発明の第１及び第２実施形態で記載された内容に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明特定事項の有機的結合が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

【0011】

（第１実施形態）
（熱交換器の構造概要）
本発明の第１実施形態に係る熱交換器は、図１に示すように地中に埋設して地中熱との熱交換を行う熱交換器であって、（ａ）不凍液層３５及び空気層４１を内部に有する格納管１５と、（ｂ）不凍液層３５及び空気層４１に接し、格納管１５の内部に保持された管状の内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）と、（ｃ）格納管１５を収納する、複数の細孔を有する穴開き管１７と、（ｄ）内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）に連続し、穴開き管１７の外側に配置された管状の外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）とを備える。

【0012】

図１に示すように、第１実施形態に係る熱交換器は、元々の地盤である現地地盤３９の掘削した穴に載置して用いるものである。格納管１５の長手方向、穴開き管１７の長手方向、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）の中心軸及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の中心軸は、それぞれ互いに平行となり、略水平方向である。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）は、それぞれ熱交換の主体である熱媒が通る管路であり、互いの管路は連続した構造である。図１において、図示外のヒートポンプから、下向き矢印の方向で送られた熱媒はまず第１連絡管１９ａを通り、次に内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を通るうちに熱交換され、第２連絡管１９ｂを通って上向き矢印の方向で再びヒートポンプに戻る。

【0013】

第１実施形態に係る熱交換器は、図１及び図３、図５に示すように、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を保持する第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄを、格納管１５の内部に更に備える。又、第１実施形態に係る熱交換器は、図１〜３、図５に示すように、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を保持する第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈを、穴開き管１７の外周面に更に備える。又、第１実施形態に係る熱交換器は、図１に示すように、長手方向が約９０°異なる格納管１５と配管１８とを接続するベンド管１６を更に備える。

【0014】

第１実施形態に係る熱交換器は、一方の端部でベンド管１６に接続する配管１８及び配管１８の他方の端部と接続するケーシングである中間室２０を更に備える。又、第１実施形態に係る熱交換器は、中間室２０及び配管１８の内部の空洞に、ヒートポンプ及び内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）に接続した第１連絡管１９ａを更に備える。又、第１実施形態に係る熱交換器は、ヒートポンプ及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）に接続した第２連絡管１９ｂを更に備える。第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂはそれぞれ、第１断熱部２７ａ及び第２断熱部２７ｂにより覆われている。

【0015】

図１及び図５においては、熱交換器の内部構造を示すために、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）、第１台座２５ａ、第５台座２５ｅ、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃ、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂ以外の部分を断面で示している。図１においては、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）、第１台座２５ａ、第５台座２５ｅ、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃ、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂ以外の部分は、穴開き管１７の両端部の鉛直方向の直径部分を含む面で２分割した際の断面である。

【0016】

（熱交換器の構造詳細）
図１及び図５に示すように、第１実施形態に係る格納管１５は、内部において不凍液層３５を下層に、空気層４１を上層に有する。不凍液層３５の不凍液の種類及び量は、熱交換量の調整の観点で、設置する者により任意に設定可能である。不凍液層３５の不凍液は水、グリコール系、アルコール系、有機酸塩系、塩類等、いずれでもよい。格納管１５の一方の端部、即ち図１において向かって右側の端部は、不凍液層３５の不凍液を格納管１５内に留めておく都合上、閉じた構造が好ましい。格納管１５は、図１のように、外側の穴開き管の端部に直接接続してもよいし、格納管１５自体が穴開き管１７の内部に保持されるのであれば、直接的な接触はなくてもよい。格納管１５の素材は問わず、例えば塩化ビニル等の樹脂であってもよいし、金属から成るものであってもよい。

【0017】

図１等に示すように、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）は格納管１５の内部、即ち、不凍液層３５及び空気層４１の両方に外面を接し、第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄに巻き付いた状態で保持されている。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）は、格納管１５の長手方向と平行な中心軸を有するらせん構造である内側送り管１１ａと、内側送り管１１ａに連続し、内側送り管１１ａと同一の中心軸を有し、内側送り管１１ａとは逆巻きのらせん構造である内側戻り管１１ｂから構成される。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）は、まず内側送り管１１ａとして第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄに等間隔でらせん状に巻き付けられる。内側送り管１１ａは、第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄの端部付近でらせんの向きを折り返し、次は内側戻り管１１ｂとして、内側送り管１１ａとは逆巻きの等間隔でらせん状に巻き付けられる。図１及び図５に示すように、内側戻り管１１ｂは、内側送り管１１ａの一部に接触して交差するように巻き付いた状態である。内側送り管１１ａ及び内側戻り管１１ｂの素材は問わず、ポリエチレン等の樹脂であってもよいし、金属であってもよい。図１に示すように、内側送り管１１ａは、第１連絡管１９ａと連続した、継ぎ手の無い構造であってもよいし、別個の構造である内側送り管１１ａ及び第１連絡管１９ａをジョイント等で接続して連続させてもよい。図１においては、内側送り管１１ａは、らせん構造及び、それに連続する管路であって図１の第１断熱部２７ａに覆われていない部分を指し、第１断熱部２７ａに覆われた部分の管路は第１連絡管１９ａと定義する。

【0018】

第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄは、図１及び図３、図５に示すように、格納管１５の内部に互いに平行に配置されている。図１においては、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃのそれぞれの一方の端部は格納管１５の一方の端部に固定されている（図１の右側）。第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃのそれぞれの他方の端部は、格納管１５の内部の底部に据え付けられた取付棒支持体に固定されている（図１の左側）。図１において図示は省略しているが、第４取付棒２１ｄの両端部においても同様である。第１取付棒２１ａ〜第４取付棒２１ｄは、取付棒支持体以外の部分で互いを連結するような部材があってもよい。第１実施形態に係る熱交換器においては、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を巻き付ける取付棒は４本であるが、熱交換の妨げにならないのであれば、本数に制限はない。又、図３に示すように、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃは丸棒であるが、角棒等のその他の形状であってもよい。

【0019】

図１〜図３に示すように、穴開き管１７は格納管１５及び格納管１５に収納されている内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を覆う管状部材であり、素材は問わないが樹脂製であることが好ましい。穴開き管１７の長手方向と格納管１５の長手方向は一致することが好ましい。図２に示すように、穴開き管１７には側面全体に細孔が多数貫通している。穴開き管１７の両端部については図示を省略しているが、例えば、側面と同様に細孔を多数有する円形の板で蓋がされ、図１における格納管１５の一方の端部に接続してもよい。又、内側充填材３１の充填のしやすさの観点では、穴開き管１７の両端部は開放されていてもよい。穴開き管１７の細孔の大きさや個数については問わないが、内側充填材３１を充填できる程度であればいずれでもよく、例えば細孔の大きさは５〜９ｍｍ程度とすることができる。内側充填材３１としては、砂利や砂等いずれでもよいが、熱伝導度の観点からは好ましくは２０μｍ程度の細砂である。

【0020】

穴開き管１７の内周面と格納管１５の外周面との間は、熱交換効率の観点では、いずれの部位でも一定の離間距離であることが好ましい。即ち、穴開き管１７の中心軸と格納管１５の中心軸とが一致した状態が好ましい。穴開き管１７の外周面は遮熱素材であることが好ましい。穴開き管１７の遮熱素材としてはアルミニウム素材が好ましく、アルミニウム蒸着で形成されてもよいし、アルミニウムシートの貼付けによるものでもよいし、それ以外でもよい。アルミニウムシートの貼付けによる場合は、アルミニウムシートにあらかじめ細孔を開けておいてから貼り付けてもよいし、貼り付けてから細孔を開けてもよいものとする。図１〜３、図５に示すように、穴開き管１７の外周面には、第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈが等間隔で設置されている。第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈは、管状の外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を巻き付けるように保持する台座である。図１〜図３に示すには、第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈはそれぞれ断面が略Ｌ字型の長尺部材、いわゆる「アングル」と呼ばれる部材であるが、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）が巻き付けられるのであれば形状は問わない。図３においては、第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈの断面の角度は９０°以上であるが、９０°未満であってもよい。第１台座２５ａ〜第８台座２５ｈには複数の孔が開いていてもよい。第１台座２５ａ〜第８台座２５は計８個の台座であるが、個数は問わないものであり、台座は８個未満であってもよいし、８個以上であってもよい。第１台座２５ａ〜第８台座２５のように、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）と点接触に近い接触の仕方をする方が好ましい。

【0021】

特に図２に示すように、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）は、穴開き管１７の外側、即ち穴開き管１７の外周面に設けられた第１台座２５ａ〜第８台座２５に巻き付いた状態で保持されている。外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）は、長手方向と平行な中心軸を有するらせん構造である外側送り管１３ａと、外側送り管１３ａに連続し、外側送り管１３ａと同一の中心軸を有し、外側送り管１３ａとは逆巻きのらせん構造である外側戻り管１３ｂから構成される。外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）は、まず外側送り管１３ａとして第１台座２５ａ〜第８台座２５に等間隔でらせん状に巻き付けられる。外側送り管１３ａは、第１台座２５ａ〜第８台座２５の端部付近でらせんの向きを折り返し、次は外側戻り管１３ｂとして、外側送り管１３ａとは逆巻きの等間隔でらせん状に巻き付けられる。図２に示すように、外側戻り管１３ｂは、外側送り管１３ａの一部に接触して交差するように巻き付いた状態である。外側送り管１３ａ及び外側戻り管１３ｂの素材は問わず、ポリエチレン等の樹脂であってもよいし、金属であってもよい。図１に示すように、外側送り管１３ａは内側戻り管１１ｂと連続した構造であり、外側戻り管１３ｂは第２連絡管１９ｂと連続した構造である。内側戻り管１１ｂは、らせん構造及びそれに連続する図１の配管１８の外側に出るまでの管路を指し、配管１８の外側の管路からは外側送り管１３ａと定義する。外側戻り管１３ｂは、らせん構造及び、それに連続する管路であって図１の第２断熱部２７ｂに覆われていない部分を指し、第２断熱部２７ｂに覆われた部分の管路は第２連絡管１９ｂと定義する。図１に示すように、内側戻り管１１ｂ、外側送り管１３ａ、外側戻り管１３ｂ及び第２連絡管１９ｂは、それぞれ継ぎ手の無い連続した構造であってもよいし、別個の構造をジョイント等で接続して連続させた構造であってもよい。

【0022】

内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂを通す熱媒としては、水、グリコール系、アルコール系、有機酸塩系、塩類、空気等、いずれでもよい。

【0023】

外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の外側、かつ、現地地盤の内側に充填される外側充填材３３としては、内側充填材３１と同様、砂利や砂等いずれでもよいが、熱伝導度の観点からは好ましくは２０μｍ程度の細砂である。

【0024】

（第１実施形態に係る熱交換器の設置方法）
図１及び図３に示すように、第１実施形態に係る熱交換器は、元々の地盤である現地地盤３９を掘削して、穴開き管１７の長手方向を水平方向に一致させて穴の中に置き、上から盛土を行って設置する。盛土を行って盛土地盤３７を形成する前に、穴開き管１７と現地地盤３９との間に外側充填材３３を充填する。

【0025】

より具体的な設置方法は以下に例示する。掘削した現地地盤３９の穴に外側充填材３３の一部を敷き、外側充填材３３の上に第１実施形態に係る熱交換器を載置し、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）が隠れる程度まで外側充填材３３を被せていく。この時、外側充填材３３に水を含ませることにより、各部材に密着させながら充填し、各部材との隙間を生じさせないようにする。外側充填材３３の上から盛土をし、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）より上方の部材を埋設する。外側充填材３３と内側充填材３１とが同一の素材である場合は、載置した第１実施形態に係る熱交換器に外側充填材３３を被せる際に、外側充填材３３を内側充填材３１として、穴開き管１７の細孔等を通して、穴開き管１７の内部に同時に充填してもよい。外側充填材３３と内側充填材３１の素材の相違にかかわらず、内側充填材３１の充填のタイミングは、第１実施形態に係る熱交換器の載置の前後を問わない。不凍液層３５の不凍液の充填のタイミングも同様に、第１実施形態に係る熱交換器の載置の前後を問わない。

【0026】

第１実施形態に係る熱交換器の全体や個々の部材のサイズは特に問わず、設置スペースや熱交換容量に応じて自由に設計することができる。第１実施形態に係る熱交換器としては、例えば、穴開き管１７の直径を３０ｃｍ程度、長さを３〜４ｍ程度にすることができ、地中深度２ｍ程度の所に埋設して使用することが可能である。埋設する深さは２ｍ程度以上あればよく、現地地盤の種類も問わず、地下水の有無も問わない。設置スペースや熱交換容量に応じて、熱交換器の「本体」、即ち、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を含めたそれより内側の熱交換の主体となる部分を複数本つくり、直列又は並列でヒートポンプに連結させて設置することも可能である。

【0027】

（第１実施形態の熱交換器の使用方法）
埋設された第１実施形態に係る熱交換器は、第１連絡管１９、第２連絡管１９ｂ、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）にヒートポンプからの熱媒が通されると使用できる状態となる。暖房使用時には約０℃・冷房使用時には約２０℃の熱媒がヒートポンプから送られ、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）にて「第１次熱交換」が、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）にて「第２次熱交換」が行われ、再びヒートポンプへ戻る。

【0028】

（暖房使用時）
暖房使用時には約０℃の熱媒がヒートポンプから送られ、図１の第１連絡管１９ａを通り、行き帰りらせん構造である内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を通る内に、不凍液層３５及び空気層４１との間で「第１次熱交換」が行われる。多少の地域差はあるが、地中熱は１５℃程度で年間通してほぼ一定であり、現地地盤３９の地中熱は、外側充填材３３、内側充填材３１及び格納管１５等を介して、不凍液層３５及び空気層４１に常時伝達される。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を通る初期温度約０℃の熱媒は、第１次熱交換により約５℃となるのが好ましい。第１次熱交換における熱媒の温度上昇は、不凍液層３５の不凍液の充填量で任意に調節することができる。液体と気体との熱伝導度の違いを利用した仕組みであり、基本的に、熱媒の温度が希望温度に達しない場合は不凍液の充填量を増やし、熱媒の温度が希望温度を超える場合は不凍液の充填量を減らすことで、熱媒を希望温度に近づけることができる。第１次熱交換が行われると不凍液層３５及び空気層４１の温度は下がるが、周囲の現地地盤３９から、外側充填材３３、内側充填材３１及び格納管１５等を介して、地中熱が常時補填されるため、継続して安定的に第１次熱交換を行うことができる。

【0029】

約５℃の熱媒が内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）から送られ、行き帰りらせん構造である外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を通る内に、外側充填材３３との間で「第２次熱交換」が行われる。現地地盤３９の地中熱は、外側充填材３３に常時伝達される。又、穴開き管１７の外周面に設けられた遮熱素材で反射した熱も「第２次熱交換」に使用され得る。第２次熱交換においては、初期温度約５℃の熱媒が地中温度に近い約１５℃程度となるのが好ましい。第２次熱交換が行われると外側充填材３３の温度は下がるが、周囲の現地地盤３９から地中熱が常時補填されるため、継続して安定的に第２次熱交換を行うことができる。

【0030】

（冷房使用時）
冷房使用時には約２０℃の熱媒がヒートポンプから送られ、図１の第１連絡管１９ａを通り、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を通る内に、不凍液層３５及び空気層４１との間で「第１次熱交換」が行われる。暖房使用時と同様に約１５℃の現地地盤３９の地中熱は、外側充填材３３、内側充填材３１及び格納管１５等を介して、不凍液層３５及び空気層４１に常時伝達され得る。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）を通る初期温度約２０℃の熱媒は、第１次熱交換により数度下げられる。第１次熱交換における熱媒の温度低下は、暖房使用時と同様に、不凍液層３５の不凍液の充填量で任意に調節することができる。基本的に、熱媒の温度が希望温度まで下がらない場合は不凍液の充填量を増やし、熱媒の温度が希望温度を下回る場合は不凍液の充填量を減らすことで、熱媒を希望温度に近づけることができる。第１次熱交換が行われると不凍液層３５及び空気層４１の温度は上がるが、周囲の現地地盤３９へ、外側充填材３３、内側充填材３１及び格納管１５等を介して、熱が拡散されるため、継続して安定的に第１次熱交換を行うことができる。

【0031】

熱媒が内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）から送られ、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を通る内に、外側充填材３３との間で「第２次熱交換」が行われる。現地地盤３９の地中熱は、外側充填材３３に常時伝達され得る。又、穴開き管１７の外周面に設けられた遮熱素材で反射した熱も「第２次熱交換」に使用され得る。第２次熱交換においては、熱媒が地中温度に近い約１５℃程度となるのが好ましい。第２次熱交換が行われると外側充填材３３の温度は上がるが、周囲の現地地盤３９へ熱が拡散されるため、継続して安定的に第２次熱交換を行うことができる。

【0032】

（第１実施形態の熱交換器の効果）
第１実施形態の熱交換器によれば、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）がらせん構造を４つ保有しており、管路の総延長を従来より長くすることができるため、熱交換に資する表面積を広くすることが容易となる。これにより、熱交換性能を大幅に高めることが容易となる。

【0033】

第１実施形態の熱交換器によれば、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）と外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）とを、格納管１５及び穴開き管１７等で隔離しているため、温度の干渉を極力抑制することができ、熱損失を抑えることができる。又、第１実施形態の熱交換器は、第１連絡管１９ａと第２連絡管１９ｂについても隔離した構造であるため、温度の干渉をより抑制することができ、熱損失を抑えることができる。

【0034】

第１実施形態の熱交換器によれば、不凍液層３５及び空気層４１を設けることにより、暖房使用時には、熱交換器の「本体」の中心軸に近いほど温度が低くなり、現地地盤３９との温度差（温度勾配）を大きくすることができるため、熱交換器の「本体」の中心軸への熱移動速度を大きくすることができる。これにより、熱交換に必要な熱を中心に効率的に供給することが可能となり、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の両方での熱交換効率を上げることができる。

【0035】

第１実施形態の熱交換器によれば、不凍液層３５及び空気層４１を設けることにより、冷房使用時には、熱交換器の「本体」の中心軸に近いほど温度が高くなり、現地地盤３９との温度差（温度勾配）を大きくすることができるため、熱交換器の「本体」の中心軸から周囲への熱移動速度を大きくすることができる。これにより、迅速に熱を拡散することが可能となり、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の両方での熱交換効率を上げることができる。

【0036】

第１実施形態の熱交換器によれば、熱交換器の設置後であっても不凍液層３５の不凍液の充填量は自在に調整することが可能であるため、暖房使用時と冷房使用時とで不凍液の充填量を変動させ、熱交換効率も任意に変動させることが可能となる。

【0037】

第１実施形態の熱交換器によれば、穴開き管１７の外周面に遮熱素材を設けているため、遮熱素材により反射した熱も利用することができ、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の熱交換率を高めることができる。又、穴開き管１７の外周面に遮熱素材により、穴開き管１７の内外の温度差を大きいまま保持することが容易となる。

【0038】

第１実施形態の熱交換器によれば、熱交換器の「本体」をよりコンパクトにすることができるため、地盤を深く広く掘削する必要が無くなり、設置の手間や時間、費用等を大幅に抑えることが可能となる。第１実施形態の熱交換器はコンパクトであるため、一般戸建住宅の冷暖房・給湯他、プールや病院等の公共施設や店舗等の民間施設の冷暖房、道路融雪、ハウスの加温等の農業用用途等、様々な用途に用いることが可能である。

【0039】

（第２実施形態）
（熱交換器の構造概要）
本発明の第２実施形態に係る熱交換器は、図４に示すように地中に埋設して地中熱との熱交換を行う熱交換器であって、（ａ）不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂを内部に有する格納管１５と、（ｂ）不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂに接し、格納管１５の内部に保持された管状の内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）と、（ｃ）格納管１５を収納する、複数の細孔を有する穴開き管１７と、（ｄ）内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）に連続し、穴開き管１７の外側に配置された管状の外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）とを備える。

【0040】

図４に示すように、第２実施形態に係る熱交換器は、元々の地盤である現地地盤３９の掘削した穴に載置（挿入）して用いるものである。第２実施形態に係る熱交換器が第１実施形態に係る熱交換器と異なる主な点は、格納管１５の長手方向、穴開き管１７の長手方向、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）の中心軸及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の中心軸は、それぞれ互いに平行となり、略鉛直方向である点である。内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）は、それぞれ熱交換の主体である熱媒が通る管路であり、互いの管路は連続した構造である。図４において、図示外のヒートポンプから、下向き矢印の方向で送られた熱媒はまず第１連絡管１９ａを通り、次に内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）を通るうちに熱交換され、第２連絡管１９ｂを通って上向き矢印の方向で再びヒートポンプに戻る。

【0041】

図４においては、熱交換器の内部構造を示すために、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）、第１台座２５ａ、第５台座２５ｅ、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃ、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂ以外の部分を断面で示している。図４においては、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）、第１台座２５ａ、第５台座２５ｅ、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｃ、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂ以外の部分は、穴開き管１７を縦に２分割した際の断面である。図４には図示を省略しているが、第１連絡管１９ａ及び第２連絡管１９ｂは、第１実施形態と同様、それぞれ断熱部で覆われているものとする。

【0042】

図４に示すように、第２実施形態に係る熱交換器が第１実施形態に係る熱交換器と異なる他の点は、格納管１５及び穴開き管１７の上部を覆う蓋２９、及び、格納管１５及び穴開き管１７の下方に配置された下端部３０を更に備える点である。蓋２９は内側充填材３１及び格納管１５の内部を露出させないために設けられている。図４においては、第１取付棒２１ａ〜第３取付棒２１ｄのそれぞれの上端は蓋２９に固定され、それぞれの下端は格納管１５の下端に固定されている。図４おいて図示は省略しているが、第４取付棒の両端においても同様である。下端部３０は尖頭を有し、地中深くに第２実施形態に係る熱交換器を埋設しやすくするために設けられている。又、第２実施形態に係る熱交換器は全体的に鉛直方向に載置されるため、管路の向きを鉛直方向に転換するために必要であったベンド管やその他の配管は、必ずしも必要ではない。図示は省略しているが、図１等に示す第１実施形態に係る熱交換器と同様、配管や中間室が設けられていてもよい。

【0043】

図４に示すように、第２実施形態に係る熱交換器が第１実施形態に係る熱交換器と異なる更に他の点は、不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂの、格納管１５に対する相対的な位置関係である。第１実施形態に係る熱交換器における不凍液層３５は、図１及び図３に示すように、格納管１５の長手方向に沿って一定の深さで充填され、空気層４１は不凍液層３５の上方に存在する。一方の第２実施形態に係る熱交換器における不凍液層３５ｂは、図４に示すように、格納管１５の長手方向の一方の端部側に偏在し、空気層４１ｂは不凍液層３５の上方に存在する。格納管１５の下端は、不凍液層３５ｂの不凍液を格納管１５内に留めておく都合上、閉じた構造が好ましい。格納管１５は、図４のように、外側の穴開き管の端部に直接接続してもよいし、格納管１５自体が穴開き管１７の内部に保持されるのであれば、直接的な接触はなくてもよい。この相違に応じて、第２実施形態に係る熱交換器においては、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）における熱交換様式が、第１実施形態に係る熱交換器と異なってくる。第１実施形態に係る熱交換器においては、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）の管路全体を通して、熱媒が不凍液層３５及び空気層４１と熱交換するタイミングが、一定時間ごとに複数回交互に出現する。一方の第２実施形態に係る熱交換器においては、熱媒は、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）の管路の序盤では空気層４１ｂと熱交換し、中盤では不凍液層３５ｂと熱交換し、終盤では再び空気層４１ｂと熱交換することとなる。

【0044】

図４においては、内側送り管１１ａは、らせん構造及び、それに連続する管路であって穴開き管１７の内側までを指し、穴開き管１７の外側からは第１連絡管１９ａと定義する。内側戻り管１１ｂは、らせん構造及びそれに連続する図１の配管１８の外側に出るまでの管路を指し、配管１８の外側の管路からは外側送り管１３ａと定義する。外側戻り管１３ｂは、らせん構造及び、それに連続する管路であって水平に伸長する部分を指し、その水平に伸長する部分から折れ曲がって上方に向かう部分以降の管路は第２連絡管１９ｂと定義する。図４に示すように、内側戻り管１１ｂ、外側送り管１３ａ、外側戻り管１３ｂ及び第２連絡管１９ｂは、それぞれ継ぎ手の無い連続した構造であってもよいし、別個の構造をジョイント等で接続して連続させた構造であってもよい。

【0045】

第２実施形態に係る熱交換器は、上述した相違、即ち、全体的な載置の方向、蓋２９及び下端部３０の存在、不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂの格納管１５に対する相対的な位置等以外については、第１実施形態に係る熱交換器と同様である。第２実施形態に係る熱交換器の各部材の構成、素材、部材間の接続の態様、熱媒の通し方、図示外のヒートポンプへの接続の仕方、使用方法等については、第１実施形態に係る熱交換器と同様の考え方である。

【0046】

（第２実施形態に係る熱交換器の設置方法及び使用方法）
図４に示すように、第２実施形態に係る熱交換器は、元々の地盤である現地地盤３９をボーリング等で掘削して、穴開き管１７の長手方向を鉛直方向に一致させて穴の中に置いて設置する。穴開き管１７と現地地盤３９との間には、外側充填材３３を充填する。

【0047】

より具体的な設置方法は以下に例示する。掘削した現地地盤３９の穴に外側充填材３３の一部を敷き、外側充填材３３の上に第２実施形態に係る熱交換器を上から挿入し、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）と現地地盤３９の間に外側充填材３３を充填する。この時、外側充填材３３に水を含ませることにより、各部材に密着させながら充填し、各部材との隙間を生じさせないようにする。外側充填材３３と内側充填材３１とが同一の素材である場合は、挿入した第２実施形態に係る熱交換器に外側充填材３３を充填する際に、外側充填材３３を内側充填材３１として、蓋２９を除いた上方から、又は、穴開き管１７の細孔等を通して、穴開き管１７の内部に同時に充填してもよい。外側充填材３３と内側充填材３１の素材の相違にかかわらず、内側充填材３１の充填のタイミングは、第２実施形態に係る熱交換器の挿入の前後を問わない。不凍液層３５ｂの不凍液の充填のタイミングも同様に、第２実施形態に係る熱交換器の挿入の前後を問わない。

【0048】

図１等に示す第１実施形態に係る熱交換器と同様、第２実施形態に係る熱交換器の全体や個々の部材のサイズは特に問わず、設置スペースや熱交換容量に応じて自由に設計し、埋設して使用することができる。

【0049】

（第２実施形態の熱交換器の効果）
第２実施形態の熱交換器によれば、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）がらせん構造を４つ保有しており、管路の総延長を従来より長くすることができるため、熱交換に資する表面積を広くすることが容易となる。これにより、熱交換性能を大幅に高めることが容易となる。

【0050】

第２実施形態の熱交換器によれば、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）と外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）とを、格納管１５及び穴開き管１７等で隔離しているため、温度の干渉を極力抑制することができ、熱損失を抑えることができる。又、第２実施形態の熱交換器は、第１連絡管１９ａと第２連絡管１９ｂについても隔離した構造であるため、温度の干渉をより抑制することができ、熱損失を抑えることができる。

【0051】

第２実施形態の熱交換器によれば、不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂを設けることにより、暖房使用時には、熱交換器の「本体」の中心軸に近いほど温度が低くなり、現地地盤３９との温度差（温度勾配）を大きくすることができるため、熱交換器の「本体」の中心軸への熱移動速度を大きくすることができる。これにより、熱交換に必要な熱を中心に効率的に供給することが可能となり、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の両方での熱交換効率を上げることができる。

【0052】

第２実施形態の熱交換器によれば、不凍液層３５ｂ及び空気層４１ｂを設けることにより、冷房使用時には、熱交換器の「本体」の中心軸に近いほど温度が高くなり、現地地盤３９との温度差（温度勾配）を大きくすることができるため、熱交換器の「本体」の中心軸から周囲への熱移動速度を大きくすることができる。これにより、迅速に熱を拡散することが可能となり、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）及び外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の両方での熱交換効率を上げることができる。

【0053】

第２実施形態の熱交換器によれば、熱交換器の設置後であっても不凍液層３５ｂの不凍液の充填量は自在に調整することが可能であるため、暖房使用時と冷房使用時とで不凍液の充填量を変動させ、熱交換効率も任意に変動させることが可能となる。

【0054】

第２実施形態の熱交換器によれば、穴開き管１７の外周面に遮熱素材を設けているため、遮熱素材により反射した熱も利用することができ、外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）の熱交換率を高めることができる。又、穴開き管１７の外周面に遮熱素材により、穴開き管１７の内外の温度差を大きいまま保持することが容易となる。

【0055】

第２実施形態の熱交換器によれば、熱交換器の「本体」をよりコンパクトにすることができるため、地盤を深く広く掘削する必要が無くなり、設置の手間や時間、費用等を大幅に抑えることが可能となる。第２実施形態の熱交換器はコンパクトであるため、一般戸建住宅の冷暖房・給湯他、プールや病院等の公共施設や店舗等の民間施設の冷暖房、道路融雪、ハウスの加温等の農業用用途等、様々な用途に用いることが可能である。第２実施形態の熱交換器は鉛直方向に長い構造であるため、建造物の杭の基礎内に収納して使用することも可能であり、又、既存の井戸内に設置して使用することも可能である。

【0056】

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は上記の第１及び第２実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【0057】

例えば、図１等において、内側熱交換ユニット（１１ａ、１１ｂ）のらせん構造を形成する方法として、図１の右側から、内側送り管１１ａ及び内側戻り管１１ｂの各らせん構造を同時に形成してもよい。外側熱交換ユニット（１３ａ、１３ｂ）においても同様である。らせん構造の巻きの間隔についても、望みの熱交換が行われるのであれば、等間隔でなくてもよい。

【0058】

又、例えば図１等の第１実施形態に係る熱交換器を、他の再生可能エネルギー等との組合せで使用することも可能である。従来のエネルギー源、例えば太陽熱の一部を第１実施形態に係る熱交換器による地中熱採熱技術で置換する等である。

【0059】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当と解釈しうる、特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0060】

１１ａ…内側送り管
１１ｂ…内側戻り管
１３ａ…外側送り管
１３ｂ…外側戻り管
１５…格納管
１６…ベンド管
１７…穴開き管
１８…配管
１９ａ…第１連絡管
１９ｂ…第２連絡管
２０…中間室
２１ａ〜２１ｄ…第１〜第４取付棒
２５ａ〜２５ｈ…第１〜第８台座
２７ａ…第１断熱部
２７ｂ…第２断熱部
２９…蓋
３０…下端部
３１…内側充填材
３３…外側充填材
３５、３５ｂ…不凍液層
３７…盛土地盤
３９…現地地盤
４１、４１ｂ…空気層

【要約】

【課題】従来技術よりも熱交換表面積を大幅に増大させ、かつ、熱交換器内の構成部材どうしでの熱交換を極力低減させた高効率の熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、不凍液層及び空気層を内部に有する格納管と、不凍液層及び空気層に接し、格納管の内部に保持された管状の内側熱交換ユニットと、格納管を収納する、複数の細孔を有する穴開き管と、内側熱交換ユニットに連続し、穴開き管の外側に配置された管状の外側熱交換ユニットとを備える。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】