伝熱充填材、地中熱交換装置、及び伝熱充填材の充填方法
【課題】伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプと地中土壌との間での伝熱を良好なものとする。
【解決手段】ベントナイト１２Ｂに鉄粉１２Ｃを添加し、伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを形成する。ペレット１２Ａを土壌Ｇに設けた削孔Ｈ内に投入して水を供給し、ペレット１２Ａを膨潤状態とすることで伝熱充填材１２を形成する。ベントナイト１２Ｂは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレット１２Ａが膨潤してペレット１２Ａ間の隙間が埋まることとなる。このように、伝熱充填材１２内の隙間を無くすことができるため、地中側熱交換パイプ１１と土壌Ｇとの間での伝熱を良好なものとすることができる。
【解決手段】ベントナイト１２Ｂに鉄粉１２Ｃを添加し、伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを形成する。ペレット１２Ａを土壌Ｇに設けた削孔Ｈ内に投入して水を供給し、ペレット１２Ａを膨潤状態とすることで伝熱充填材１２を形成する。ベントナイト１２Ｂは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレット１２Ａが膨潤してペレット１２Ａ間の隙間が埋まることとなる。このように、伝熱充填材１２内の隙間を無くすことができるため、地中側熱交換パイプ１１と土壌Ｇとの間での伝熱を良好なものとすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、住宅用の地中熱利用システムにおける地中熱交換装置に関し、特に地盤から地中に向けて掘削される削孔を利用して、土壌との間で熱交換を行う地中熱交換装置、地中熱交換装置で用いられる伝熱充填材、及び伝熱充填材の充填方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、一年間を通じて温度変化が少なく、外気温と比べて比較的安定している。特に、地盤面下の地中は、ある深さ以上であれば外気の影響を受けにくく恒温の地熱が得られるものであって、例えば日本の気候において、地中の温度は、夏季は外気温に対して低く、冬季は外気温に対して高い。そこで、地盤に杭状の地中熱交換装置を埋設し、該地中熱交換装置と地上の建物内等に設けられる空調機器との間で熱交換を行うことにより、地中の熱を当該空調機器の熱源として利用する地中熱利用システムが提案されている。この種のシステムとして、建物の基礎下に埋設された基礎杭の中空内部に、地上と地中との間で熱媒体を循環させる熱媒体伝熱管（熱交換パイプ）を配置すると共に、該熱交換パイプの周囲を所定の伝熱特性を有する伝熱充填材により充填した構成が知られている。この伝熱充填材は、地中と熱交換パイプとの間での熱交換を促進させるものであって、その伝熱特性や熱容量の観点から水やグラウト材を採用する構成が知られている。また、特許文献１には、伝熱充填材として石材を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−２２３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように石材を伝熱充填材として用いると、伝熱充填材間に隙間が生じ、当該隙間には空気が存在することとなるため、熱交換性能が低下してしまう。かかる問題を解決すべく、熱交換性能の高い固形物（珪石等）を伝熱充填材として使用することで、低下した熱交換性能を補完することが考えられるが、この場合コストが高くなる。また、珪石のような角があり硬い物質を充填すると、最下部では荷重が大きくなるため熱交換パイプが損傷しやすくなり、熱交換パイプの耐久性が低下するといった問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる伝熱充填材、地中熱交換装置、及び伝熱充填材の充填方法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】
【０００６】
上記課題を解決すべく、本発明に係る伝熱充填材は、地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材が、ベントナイトを主材とするペレットよりなることを特徴とする。
【０００７】
また、上記課題を解決すべく、本発明にかかる地中熱交換装置は、地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、伝熱充填材は、ベントナイトを主材とするペレットよりなり、水を含んで膨潤状態となっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、ベントナイトを主材とするペレットを伝熱充填材として用いる。このペレットは、ベントナイトを固形化させた粒状物であり、このペレットを、熱交換パイプが挿入された削孔に投入することにより、伝熱充填材たるペレットにより削孔を容易に埋めることができる。また、ペレットを充填したのみでは、ペレット間の空隙が熱伝導を阻害する可能性がある。しかしながら、ペレットはベントナイトを主材として形成されており、ベントナイトは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレットが膨潤してペレット間の隙間が埋まることとなる。
【０００９】
したがって、ベントナイトを主材とするペレットを伝熱充填材とすることで、このペレットに水を供給することにより、削孔内に、隙間の無い伝熱充填材を形成することができる。また、ベントナイトは、従来用いられていた石材に比べて比重が比較的軽いため、削孔内に供給する過程で熱交換パイプに接触することとなっても、該パイプへの損傷を低減或いは無くすことができる。
【００１０】
以上、本発明によれば、伝熱充填材としてベントナイトを主材とするペレットを用いることで、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００１１】
また、ペレットには、鉄粉又は黒鉛粉が添加されていることが好ましい。ベントナイトに、鉄粉又は黒鉛粉を添加する場合には、伝熱充填材の伝熱特性が土壌よりもよくなり、熱交換パイプを流れる熱媒体と土壌との間の熱交換をより一層向上させることができる。また、これらの鉄粉又は黒鉛粉を主材としてのベントナイトに添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材を容易に作成することが可能となる。
【００１２】
また、伝熱充填材の外周は、削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることが好ましい。この場合には、地中土壌に伝熱充填材が直接接することとなるため、充填材と地中土壌との間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、ベントナイトの膨潤後において、伝熱充填材を地中土壌の地下水に接触させることができる。地下水は、地中土壌の温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、地中土壌よりも伝熱効率が高い。このため本構成によれば、伝熱充填材が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、上記課題を解決すべく、本発明にかかる伝熱充填材の充填方法は、熱交換パイプが挿入された削孔内に、ベントナイトを主材とするペレットからなる伝熱充填材を投入する伝熱充填材投入工程と、削孔内に水を供給する水供給工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、伝熱充填材投入工程において削孔内にペレットを充填した後、水供給工程において水を供給してペレットを膨潤させることで、ペレット間の隙間が埋まり、削孔が、隙間の無い伝熱充填材によって満たされることとなる。このように、伝熱充填材内の隙間が無くなることで、熱交換パイプを流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００１５】
また、伝熱充填材投入工程と、水供給工程とを交互に複数回繰り返すことが好ましい。この場合には、投入されたペレットの全体に亘って水を供給することが可能となり、ペレットをより確実に膨潤させることができる。これにより、伝熱充填材内の隙間をより一層無くすことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る地中熱交換システムの全体構成を示す図である。
【図２】膨潤前のペレットの詳細構造を示す図である。
【図３】削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートである。
【図４】削孔内に伝熱充填材を充填する工程の変形例を示すフローチャートである。
【図５】伝熱充填材が充填される様子を示す図である。
【図６】削孔内に投入されたペレットの膨潤前の状態を示す図である。
【図７】削孔内に投入されたペレットの膨潤後の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る地中熱交換装置を地中熱交換システムに適用した実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、実施形態の全体構成を示す図である。図１に示すように、地中熱交換システム１は、地中熱交換装置１０と、ヒートポンプ２０と、室内ユニット３０とを含んで構成される。
【００２０】
地中熱交換装置１０は、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削された削孔Ｈ内に設置された地中側熱交換パイプ１１と、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１の周囲に充填された伝熱充填材１２とを含んでいる。
【００２１】
地中側熱交換パイプ１１は、ヒートポンプ２０側から削孔Ｈ側へ熱媒体を導く導入側パイプ１１Ａと、削孔Ｈ側からヒートポンプ２０側へ熱媒体を導く導出側パイプ１１Ｂとを有している。導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの一端は、削孔Ｈの底部近傍まで延び、一端同士が互いに流通可能に連結されている。また、導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの他端は、ヒートポンプ２０まで延び、他端同士がヒートポンプ２０内で流通可能に連結されている。これにより、地中側熱交換パイプ１１によって、削孔Ｈの底部からヒートポンプ２０に亘って、閉じた流路が形成される。
【００２２】
また、地中側熱交換パイプ１１には、循環ポンプ２１が取り付けられている。循環ポンプ２１は、地中側熱交換パイプ１１内において熱媒体を循環させるポンプとして機能する。これにより、循環ポンプ２１を作動させることで、地中側熱交換パイプ１１内を熱媒体が流れ、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１内の熱媒体に伝達された熱等を、ヒートポンプ２０側で利用することができる。
【００２３】
なお、地中側熱交換パイプ１１の材料として、例えば、樹脂製（架橋ポリエチレン、金属補強ポリエチレン）、或いは金属製（銅、ステンレス）のパイプを用いることができる。また、循環ポンプ２１として、直流ポンプ、或いは交流ポンプ等を用いることができ、出力は地中側熱交換パイプ１１の全長等に合わせて選択することができる。
【００２４】
また、削孔Ｈは、例えば、口径が１００〜２００ｍｍ、深さが５〜１００ｍの孔を用いることができる。また、削孔Ｈの形成方法として、ボーリング、回転埋設、或いは打撃等を用いることができる。
【００２５】
伝熱充填材１２は、削孔Ｈ内に投入された複数のペレット１２Ａにより形成される。ペレット１２Ａは水を含んで膨潤状態となっている。図２に、膨潤前のペレットの詳細構造を示す。図２に示すように、ペレット１２Ａは、主材としてのベントナイト１２Ｂに、ベントナイト１２Ｂよりも伝熱特性のよい鉄粉１２Ｃを添加して形成されている。ペレット１２Ａは、鉄粉１２Ｃを添加したベントナイト１２Ｂを乾燥させたものであり、膨潤前の状態において、大きさが５〜２０ｍｍ程度の円筒状に形成されている。また、ペレット１２Ａは、比重が１以上となっている。なお、ペレット１２Ａの大きさは、一定であってもよく、図２に示すように、大きさが違うペレット１２Ａが混ざっていてもよい。
【００２６】
なお、ベントナイト１２Ｂとして、主成分が、モンモリトナイト、石英、雲母、長石等を含有し、熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの材料特性を有するものを用いることが好ましい。さらに本実施形態では、ベントナイト１２Ｂとして、乾燥した砂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ）、水（熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が良いものを用いることがより好ましい。また、ペレット１２Ａを形成する際の、ベントナイト１２Ｂと鉄粉１２Ｃとの混合割合は、例えば、ベントナイト１２Ｂを６０％〜８０％、鉄粉１２Ｃを２０％〜４０％程度とすることが好ましい。
【００２７】
ヒートポンプ２０は、地中側熱交換パイプ１１を流れる熱媒体を介して得られる熱を用いて、室内ユニット３０側の室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体との間で熱交換を行うものである。
【００２８】
室内ユニット３０は、住宅の室内に取り付けられ、室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体を用いて冷房或いは暖房等を行うものである。室内ユニット３０として、例えば、エアコン、或いは床暖房設備等を用いることができる。
【００２９】
次に、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２を充填する方法について説明する。図３は、削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートであり、図５は、伝熱充填材が充填される様子を示す図である。まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、掘削機械１００を用いて、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削を行い、削孔Ｈを形成する（ステップＳ１０１）。続いて、図５（ｃ）に示すように、削孔Ｈ内に、地中側熱交換パイプ１１を設置する（ステップＳ１０２）。
【００３０】
次に、図５（ｄ）に示すように、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する（ステップＳ１０３：伝熱充填材投入工程）。削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量は、ペレット１２Ａに水を供給したときに、投入したすべてのペレット１２Ａに水が行き渡る量とする。これにより、すべてのペレット１２Ａが膨潤状態にされることとなる。このため、ペレット１２Ａ間の隙間は、ペレット１２Ａの膨潤によって著しく狭められるか或いはペレット１２Ａ同士が密着し合って埋められる。この結果、ペレット１２Ａ間の伝熱を阻害する空気の滞留空間が縮減され、伝熱充填材１２の伝熱特性が向上する。本実施形態においては、例えば、１回目に削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量として、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量とすることができる。但し、投入するペレット１２Ａの量は、削孔Ｈの径やペレット１２Ａの膨潤性能によっては、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量よりも少ない量であってもよく、或いは削孔Ｈが完全に埋まる量であってもよい。
【００３１】
次に、図５（ｅ）に示すように、削孔Ｈ内のペレット１２Ａに水Ｗを供給し、ペレット１２Ａを膨潤状態にする（ステップＳ１０４：水供給工程）。ペレット１２Ａは、水Ｗの投入直後において急激に膨張し、水Ｗの投入後８時間目以降は緩やかに膨張を続け、１週間程度で膨張が終了する。図６に示すように、削孔Ｈ内に水Ｗを供給する前は、ペレット１２Ａ間に隙間がある。ペレット１２Ａに水Ｗを供給してペレット１２Ａを膨潤状態にすることで、図７に示すようにペレット１２Ａが膨張し、ペレット１２Ａ間の隙間、及びペレット１２Ａを削孔Ｈの周壁との隙間が埋まる。
【００３２】
なお、かかる工程は、上記の施工に限定されず、図４のフローチャートに示すように、例えば削孔Ｈ内に全体の１０％〜２０％のペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）、当該ペレット１２Ａをある程度膨潤させた後、削孔Ｈ内が膨潤状態のペレット１２Ａで満杯でない場合（ステップＳ１０４Ａ：ＮＯ）には、再び当該膨潤状態のペレット１２Ａ上にペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）・・・との工程を、削孔Ｈ内の膨潤状態のペレット１２Ａが地表面と同じ高さとなる（ステップＳ１０４Ａ：ＹＥＳ）まで複数回繰り返す構成も採用可能である。
【００３３】
これらの工程を経て、膨潤状態としたペレット１２Ａによって削孔Ｈ内を満たすことで、図５（ｆ）に示すように、伝熱充填材１２の充填が完了する（ステップＳ１０５）。
【００３４】
本実施形態は以上のように構成され、ベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを、伝熱充填材１２として用いる。このペレット１２Ａは、ベントナイト１２Ｂを固形化させた粒状物であり、ペレット１２Ａを、地中側熱交換パイプ１１が挿入された削孔Hに投入することにより、伝熱充填材１２たるペレット１２Ａにより削孔Ｈを容易に埋めることができる。また、ペレット１２Ａを充填したのみでは、ペレット１２Ａ間の空隙が熱伝導を阻害する可能性がある。しかしながら、ペレット１２Ａはベントナイト１２Ｂを主材として形成されており、ベントナイト１２Ｂは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレット１２Ａが膨潤してペレット１２Ａ間の隙間が埋まることとなる。
【００３５】
したがって、ベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを伝熱充填材１２とすることで、該ペレット１２Ａに水を供給することにより、削孔Ｈ内に、隙間の無い伝熱充填材１２を形成することができる。なお、ペレット１２Ａに供給する水は、ペレット１２Ａを削孔Ｈ内に充填後に供給されるものであってもよく、雨水や地下水によって地中土壌を介してペレット１２Ａに供給されるものであってもよい。
【００３６】
また、ベントナイト１２Ｂは、従来用いられていた石材に比べて比重が比較的軽いため、削孔Ｈ内に供給する過程で地中側熱交換パイプ１１に接触することとなっても、該パイプ１１への損傷を低減或いは無くすことができる。以上、本実施形態によれば、伝熱充填材１２としてベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを用いることで、伝熱充填材１２内の隙間を無くし、地中側熱交換パイプ１１内を流れる熱媒体と土壌Ｇとの間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００３７】
また、ベントナイト１２Ｂに、鉄粉１２Ｃを添加することで、伝熱充填材１２の伝熱特性が土壌Ｇよりもよくなり、地中側熱交換パイプ１１内を流れる熱媒体と土壌Ｇとの間の熱交換をより一層向上させることができる。また、鉄粉１２Ｃを主材としてのベントナイト１２Ｂに添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材１２を容易に作成することが可能となる。
【００３８】
また、土壌Ｇに伝熱充填材１２が直接接することとなるため、伝熱充填材１２と土壌Ｇとの間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、伝熱充填材１２を土壌Ｇの地下水に直接接触させることも可能となっている。地下水は、土壌Ｇの温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、土壌Ｇよりも伝熱効率が高い。このため本構成によれば、伝熱充填材１２が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００３９】
また、削孔内にペレットを充填した後、水を供給してペレットを膨潤させることにより、ペレット間の隙間が埋まり、削孔Ｈ内を、隙間の無い伝熱充填材１２によって満たすことができる。
【００４０】
また、ペレット１２Ａの削孔Ｈ内への投入と、ペレット１２Ａへの水Ｗの供給とを繰り返し行うことで、投入されたペレット１２Ａの全体に亘って水Ｗを供給することが可能となり、ペレット１２Ａをより確実に膨潤させることができる。これにより、伝熱充填材１２内の隙間をより一層無くすことができる。
【００４１】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ベントナイト１２Ｂに鉄粉１２Ｃを添加するものとしたが、これに限定されず、例えば、黒鉛粉を用いた場合であっても、鉄粉１２Ｃの場合と同様の効果を得ることができる。なお、黒鉛粉を用いた場合には、黒鉛の純度が８０％以上のものを用いることが好ましい。また、鉄粉や黒鉛粉以外にも、他の材料を添加してもよい。
【００４２】
また、ペレット１２Ａにおいて、鉄粉１２Ｃの添加割合は適宜変更することができる。例えば、鉄粉１２Ｃの割合の多いペレット１２Ａと、鉄粉１２Ｃの割合の少ないペレット１２Ａとを混合し、伝熱充填材１２として使用することもできる。
【００４３】
また、ボーリング調査等を行うことにより、削孔Ｈを設ける土壌Ｇの層構成を把握することができ、土壌Ｇの各層の熱効率を知ることができる。これにより、削孔Ｈ内にペレット１２Ａを投入する際に、熱効率の大きい層の高さ位置には、この層と同程度の熱効率を有するペレット１２Ａを投入する等、削孔Ｈ内の伝熱充填材１２を周囲の土壌に合わせて層状に形成することも可能である。本実施形態では、ペレット１２Ａを用いて伝熱充填材１２を形成する構成であるために、伝熱充填材１２を土壌Ｇの各層の熱効率に合わせて層状に形成する施工を極めて容易に行うことができる。なお、従来は削孔の底部から上部に亘って一様に液体（スラリー）等を充填していたため、伝熱充填材を層状に形成することは困難である。
【００４４】
また、本実施形態では、ペレット１２Ａを円筒状としたが、円筒状に限定されるものではなく、適宜の形状のペレットを用いることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であったが、削孔Ｈ内に鋼管を挿入し、当該鋼管内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であってもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、１つの削孔Ｈに地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成する場合を例に説明したが、複数の削孔Ｈに、それぞれ地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…地中熱交換システム、１０…地中熱交換装置、１１…地中側熱交換パイプ、１２…伝熱充填材、１２Ａ…ペレット、１２Ｂ…ベントナイト、１２Ｃ…鉄粉、Ｇ…土壌、Ｈ…削孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、住宅用の地中熱利用システムにおける地中熱交換装置に関し、特に地盤から地中に向けて掘削される削孔を利用して、土壌との間で熱交換を行う地中熱交換装置、地中熱交換装置で用いられる伝熱充填材、及び伝熱充填材の充填方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、一年間を通じて温度変化が少なく、外気温と比べて比較的安定している。特に、地盤面下の地中は、ある深さ以上であれば外気の影響を受けにくく恒温の地熱が得られるものであって、例えば日本の気候において、地中の温度は、夏季は外気温に対して低く、冬季は外気温に対して高い。そこで、地盤に杭状の地中熱交換装置を埋設し、該地中熱交換装置と地上の建物内等に設けられる空調機器との間で熱交換を行うことにより、地中の熱を当該空調機器の熱源として利用する地中熱利用システムが提案されている。この種のシステムとして、建物の基礎下に埋設された基礎杭の中空内部に、地上と地中との間で熱媒体を循環させる熱媒体伝熱管（熱交換パイプ）を配置すると共に、該熱交換パイプの周囲を所定の伝熱特性を有する伝熱充填材により充填した構成が知られている。この伝熱充填材は、地中と熱交換パイプとの間での熱交換を促進させるものであって、その伝熱特性や熱容量の観点から水やグラウト材を採用する構成が知られている。また、特許文献１には、伝熱充填材として石材を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−２２３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように石材を伝熱充填材として用いると、伝熱充填材間に隙間が生じ、当該隙間には空気が存在することとなるため、熱交換性能が低下してしまう。かかる問題を解決すべく、熱交換性能の高い固形物（珪石等）を伝熱充填材として使用することで、低下した熱交換性能を補完することが考えられるが、この場合コストが高くなる。また、珪石のような角があり硬い物質を充填すると、最下部では荷重が大きくなるため熱交換パイプが損傷しやすくなり、熱交換パイプの耐久性が低下するといった問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる伝熱充填材、地中熱交換装置、及び伝熱充填材の充填方法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】
【０００６】
上記課題を解決すべく、本発明に係る伝熱充填材は、地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材が、ベントナイトを主材とするペレットよりなることを特徴とする。
【０００７】
また、上記課題を解決すべく、本発明にかかる地中熱交換装置は、地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、伝熱充填材は、ベントナイトを主材とするペレットよりなり、水を含んで膨潤状態となっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、ベントナイトを主材とするペレットを伝熱充填材として用いる。このペレットは、ベントナイトを固形化させた粒状物であり、このペレットを、熱交換パイプが挿入された削孔に投入することにより、伝熱充填材たるペレットにより削孔を容易に埋めることができる。また、ペレットを充填したのみでは、ペレット間の空隙が熱伝導を阻害する可能性がある。しかしながら、ペレットはベントナイトを主材として形成されており、ベントナイトは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレットが膨潤してペレット間の隙間が埋まることとなる。
【０００９】
したがって、ベントナイトを主材とするペレットを伝熱充填材とすることで、このペレットに水を供給することにより、削孔内に、隙間の無い伝熱充填材を形成することができる。また、ベントナイトは、従来用いられていた石材に比べて比重が比較的軽いため、削孔内に供給する過程で熱交換パイプに接触することとなっても、該パイプへの損傷を低減或いは無くすことができる。
【００１０】
以上、本発明によれば、伝熱充填材としてベントナイトを主材とするペレットを用いることで、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００１１】
また、ペレットには、鉄粉又は黒鉛粉が添加されていることが好ましい。ベントナイトに、鉄粉又は黒鉛粉を添加する場合には、伝熱充填材の伝熱特性が土壌よりもよくなり、熱交換パイプを流れる熱媒体と土壌との間の熱交換をより一層向上させることができる。また、これらの鉄粉又は黒鉛粉を主材としてのベントナイトに添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材を容易に作成することが可能となる。
【００１２】
また、伝熱充填材の外周は、削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることが好ましい。この場合には、地中土壌に伝熱充填材が直接接することとなるため、充填材と地中土壌との間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、ベントナイトの膨潤後において、伝熱充填材を地中土壌の地下水に接触させることができる。地下水は、地中土壌の温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、地中土壌よりも伝熱効率が高い。このため本構成によれば、伝熱充填材が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、上記課題を解決すべく、本発明にかかる伝熱充填材の充填方法は、熱交換パイプが挿入された削孔内に、ベントナイトを主材とするペレットからなる伝熱充填材を投入する伝熱充填材投入工程と、削孔内に水を供給する水供給工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、伝熱充填材投入工程において削孔内にペレットを充填した後、水供給工程において水を供給してペレットを膨潤させることで、ペレット間の隙間が埋まり、削孔が、隙間の無い伝熱充填材によって満たされることとなる。このように、伝熱充填材内の隙間が無くなることで、熱交換パイプを流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００１５】
また、伝熱充填材投入工程と、水供給工程とを交互に複数回繰り返すことが好ましい。この場合には、投入されたペレットの全体に亘って水を供給することが可能となり、ペレットをより確実に膨潤させることができる。これにより、伝熱充填材内の隙間をより一層無くすことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、伝熱充填材内の隙間を無くし、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と地中土壌との間での伝熱を良好なものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る地中熱交換システムの全体構成を示す図である。
【図２】膨潤前のペレットの詳細構造を示す図である。
【図３】削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートである。
【図４】削孔内に伝熱充填材を充填する工程の変形例を示すフローチャートである。
【図５】伝熱充填材が充填される様子を示す図である。
【図６】削孔内に投入されたペレットの膨潤前の状態を示す図である。
【図７】削孔内に投入されたペレットの膨潤後の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る地中熱交換装置を地中熱交換システムに適用した実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、実施形態の全体構成を示す図である。図１に示すように、地中熱交換システム１は、地中熱交換装置１０と、ヒートポンプ２０と、室内ユニット３０とを含んで構成される。
【００２０】
地中熱交換装置１０は、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削された削孔Ｈ内に設置された地中側熱交換パイプ１１と、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１の周囲に充填された伝熱充填材１２とを含んでいる。
【００２１】
地中側熱交換パイプ１１は、ヒートポンプ２０側から削孔Ｈ側へ熱媒体を導く導入側パイプ１１Ａと、削孔Ｈ側からヒートポンプ２０側へ熱媒体を導く導出側パイプ１１Ｂとを有している。導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの一端は、削孔Ｈの底部近傍まで延び、一端同士が互いに流通可能に連結されている。また、導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの他端は、ヒートポンプ２０まで延び、他端同士がヒートポンプ２０内で流通可能に連結されている。これにより、地中側熱交換パイプ１１によって、削孔Ｈの底部からヒートポンプ２０に亘って、閉じた流路が形成される。
【００２２】
また、地中側熱交換パイプ１１には、循環ポンプ２１が取り付けられている。循環ポンプ２１は、地中側熱交換パイプ１１内において熱媒体を循環させるポンプとして機能する。これにより、循環ポンプ２１を作動させることで、地中側熱交換パイプ１１内を熱媒体が流れ、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１内の熱媒体に伝達された熱等を、ヒートポンプ２０側で利用することができる。
【００２３】
なお、地中側熱交換パイプ１１の材料として、例えば、樹脂製（架橋ポリエチレン、金属補強ポリエチレン）、或いは金属製（銅、ステンレス）のパイプを用いることができる。また、循環ポンプ２１として、直流ポンプ、或いは交流ポンプ等を用いることができ、出力は地中側熱交換パイプ１１の全長等に合わせて選択することができる。
【００２４】
また、削孔Ｈは、例えば、口径が１００〜２００ｍｍ、深さが５〜１００ｍの孔を用いることができる。また、削孔Ｈの形成方法として、ボーリング、回転埋設、或いは打撃等を用いることができる。
【００２５】
伝熱充填材１２は、削孔Ｈ内に投入された複数のペレット１２Ａにより形成される。ペレット１２Ａは水を含んで膨潤状態となっている。図２に、膨潤前のペレットの詳細構造を示す。図２に示すように、ペレット１２Ａは、主材としてのベントナイト１２Ｂに、ベントナイト１２Ｂよりも伝熱特性のよい鉄粉１２Ｃを添加して形成されている。ペレット１２Ａは、鉄粉１２Ｃを添加したベントナイト１２Ｂを乾燥させたものであり、膨潤前の状態において、大きさが５〜２０ｍｍ程度の円筒状に形成されている。また、ペレット１２Ａは、比重が１以上となっている。なお、ペレット１２Ａの大きさは、一定であってもよく、図２に示すように、大きさが違うペレット１２Ａが混ざっていてもよい。
【００２６】
なお、ベントナイト１２Ｂとして、主成分が、モンモリトナイト、石英、雲母、長石等を含有し、熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの材料特性を有するものを用いることが好ましい。さらに本実施形態では、ベントナイト１２Ｂとして、乾燥した砂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ）、水（熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が良いものを用いることがより好ましい。また、ペレット１２Ａを形成する際の、ベントナイト１２Ｂと鉄粉１２Ｃとの混合割合は、例えば、ベントナイト１２Ｂを６０％〜８０％、鉄粉１２Ｃを２０％〜４０％程度とすることが好ましい。
【００２７】
ヒートポンプ２０は、地中側熱交換パイプ１１を流れる熱媒体を介して得られる熱を用いて、室内ユニット３０側の室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体との間で熱交換を行うものである。
【００２８】
室内ユニット３０は、住宅の室内に取り付けられ、室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体を用いて冷房或いは暖房等を行うものである。室内ユニット３０として、例えば、エアコン、或いは床暖房設備等を用いることができる。
【００２９】
次に、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２を充填する方法について説明する。図３は、削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートであり、図５は、伝熱充填材が充填される様子を示す図である。まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、掘削機械１００を用いて、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削を行い、削孔Ｈを形成する（ステップＳ１０１）。続いて、図５（ｃ）に示すように、削孔Ｈ内に、地中側熱交換パイプ１１を設置する（ステップＳ１０２）。
【００３０】
次に、図５（ｄ）に示すように、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する（ステップＳ１０３：伝熱充填材投入工程）。削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量は、ペレット１２Ａに水を供給したときに、投入したすべてのペレット１２Ａに水が行き渡る量とする。これにより、すべてのペレット１２Ａが膨潤状態にされることとなる。このため、ペレット１２Ａ間の隙間は、ペレット１２Ａの膨潤によって著しく狭められるか或いはペレット１２Ａ同士が密着し合って埋められる。この結果、ペレット１２Ａ間の伝熱を阻害する空気の滞留空間が縮減され、伝熱充填材１２の伝熱特性が向上する。本実施形態においては、例えば、１回目に削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量として、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量とすることができる。但し、投入するペレット１２Ａの量は、削孔Ｈの径やペレット１２Ａの膨潤性能によっては、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量よりも少ない量であってもよく、或いは削孔Ｈが完全に埋まる量であってもよい。
【００３１】
次に、図５（ｅ）に示すように、削孔Ｈ内のペレット１２Ａに水Ｗを供給し、ペレット１２Ａを膨潤状態にする（ステップＳ１０４：水供給工程）。ペレット１２Ａは、水Ｗの投入直後において急激に膨張し、水Ｗの投入後８時間目以降は緩やかに膨張を続け、１週間程度で膨張が終了する。図６に示すように、削孔Ｈ内に水Ｗを供給する前は、ペレット１２Ａ間に隙間がある。ペレット１２Ａに水Ｗを供給してペレット１２Ａを膨潤状態にすることで、図７に示すようにペレット１２Ａが膨張し、ペレット１２Ａ間の隙間、及びペレット１２Ａを削孔Ｈの周壁との隙間が埋まる。
【００３２】
なお、かかる工程は、上記の施工に限定されず、図４のフローチャートに示すように、例えば削孔Ｈ内に全体の１０％〜２０％のペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）、当該ペレット１２Ａをある程度膨潤させた後、削孔Ｈ内が膨潤状態のペレット１２Ａで満杯でない場合（ステップＳ１０４Ａ：ＮＯ）には、再び当該膨潤状態のペレット１２Ａ上にペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）・・・との工程を、削孔Ｈ内の膨潤状態のペレット１２Ａが地表面と同じ高さとなる（ステップＳ１０４Ａ：ＹＥＳ）まで複数回繰り返す構成も採用可能である。
【００３３】
これらの工程を経て、膨潤状態としたペレット１２Ａによって削孔Ｈ内を満たすことで、図５（ｆ）に示すように、伝熱充填材１２の充填が完了する（ステップＳ１０５）。
【００３４】
本実施形態は以上のように構成され、ベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを、伝熱充填材１２として用いる。このペレット１２Ａは、ベントナイト１２Ｂを固形化させた粒状物であり、ペレット１２Ａを、地中側熱交換パイプ１１が挿入された削孔Hに投入することにより、伝熱充填材１２たるペレット１２Ａにより削孔Ｈを容易に埋めることができる。また、ペレット１２Ａを充填したのみでは、ペレット１２Ａ間の空隙が熱伝導を阻害する可能性がある。しかしながら、ペレット１２Ａはベントナイト１２Ｂを主材として形成されており、ベントナイト１２Ｂは水を含水することにより膨潤する膨潤性を備えているので、水を供給することにより、ペレット１２Ａが膨潤してペレット１２Ａ間の隙間が埋まることとなる。
【００３５】
したがって、ベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを伝熱充填材１２とすることで、該ペレット１２Ａに水を供給することにより、削孔Ｈ内に、隙間の無い伝熱充填材１２を形成することができる。なお、ペレット１２Ａに供給する水は、ペレット１２Ａを削孔Ｈ内に充填後に供給されるものであってもよく、雨水や地下水によって地中土壌を介してペレット１２Ａに供給されるものであってもよい。
【００３６】
また、ベントナイト１２Ｂは、従来用いられていた石材に比べて比重が比較的軽いため、削孔Ｈ内に供給する過程で地中側熱交換パイプ１１に接触することとなっても、該パイプ１１への損傷を低減或いは無くすことができる。以上、本実施形態によれば、伝熱充填材１２としてベントナイト１２Ｂを主材とするペレット１２Ａを用いることで、伝熱充填材１２内の隙間を無くし、地中側熱交換パイプ１１内を流れる熱媒体と土壌Ｇとの間での伝熱を良好なものとすることができる。
【００３７】
また、ベントナイト１２Ｂに、鉄粉１２Ｃを添加することで、伝熱充填材１２の伝熱特性が土壌Ｇよりもよくなり、地中側熱交換パイプ１１内を流れる熱媒体と土壌Ｇとの間の熱交換をより一層向上させることができる。また、鉄粉１２Ｃを主材としてのベントナイト１２Ｂに添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材１２を容易に作成することが可能となる。
【００３８】
また、土壌Ｇに伝熱充填材１２が直接接することとなるため、伝熱充填材１２と土壌Ｇとの間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、伝熱充填材１２を土壌Ｇの地下水に直接接触させることも可能となっている。地下水は、土壌Ｇの温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、土壌Ｇよりも伝熱効率が高い。このため本構成によれば、伝熱充填材１２が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００３９】
また、削孔内にペレットを充填した後、水を供給してペレットを膨潤させることにより、ペレット間の隙間が埋まり、削孔Ｈ内を、隙間の無い伝熱充填材１２によって満たすことができる。
【００４０】
また、ペレット１２Ａの削孔Ｈ内への投入と、ペレット１２Ａへの水Ｗの供給とを繰り返し行うことで、投入されたペレット１２Ａの全体に亘って水Ｗを供給することが可能となり、ペレット１２Ａをより確実に膨潤させることができる。これにより、伝熱充填材１２内の隙間をより一層無くすことができる。
【００４１】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ベントナイト１２Ｂに鉄粉１２Ｃを添加するものとしたが、これに限定されず、例えば、黒鉛粉を用いた場合であっても、鉄粉１２Ｃの場合と同様の効果を得ることができる。なお、黒鉛粉を用いた場合には、黒鉛の純度が８０％以上のものを用いることが好ましい。また、鉄粉や黒鉛粉以外にも、他の材料を添加してもよい。
【００４２】
また、ペレット１２Ａにおいて、鉄粉１２Ｃの添加割合は適宜変更することができる。例えば、鉄粉１２Ｃの割合の多いペレット１２Ａと、鉄粉１２Ｃの割合の少ないペレット１２Ａとを混合し、伝熱充填材１２として使用することもできる。
【００４３】
また、ボーリング調査等を行うことにより、削孔Ｈを設ける土壌Ｇの層構成を把握することができ、土壌Ｇの各層の熱効率を知ることができる。これにより、削孔Ｈ内にペレット１２Ａを投入する際に、熱効率の大きい層の高さ位置には、この層と同程度の熱効率を有するペレット１２Ａを投入する等、削孔Ｈ内の伝熱充填材１２を周囲の土壌に合わせて層状に形成することも可能である。本実施形態では、ペレット１２Ａを用いて伝熱充填材１２を形成する構成であるために、伝熱充填材１２を土壌Ｇの各層の熱効率に合わせて層状に形成する施工を極めて容易に行うことができる。なお、従来は削孔の底部から上部に亘って一様に液体（スラリー）等を充填していたため、伝熱充填材を層状に形成することは困難である。
【００４４】
また、本実施形態では、ペレット１２Ａを円筒状としたが、円筒状に限定されるものではなく、適宜の形状のペレットを用いることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であったが、削孔Ｈ内に鋼管を挿入し、当該鋼管内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であってもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、１つの削孔Ｈに地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成する場合を例に説明したが、複数の削孔Ｈに、それぞれ地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…地中熱交換システム、１０…地中熱交換装置、１１…地中側熱交換パイプ、１２…伝熱充填材、１２Ａ…ペレット、１２Ｂ…ベントナイト、１２Ｃ…鉄粉、Ｇ…土壌、Ｈ…削孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材が、ベントナイトを主材とするペレットよりなる
ことを特徴とする伝熱充填材。
【請求項２】
前記ペレットには、鉄粉又は黒鉛粉が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱充填材。
【請求項３】
地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、
前記伝熱充填材は、ベントナイトを主材とするペレットよりなり、水を含んで膨潤状態となっている
ことを特徴とする地中熱交換装置。
【請求項４】
前記伝熱充填材の外周は、前記削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換装置。
【請求項５】
熱交換パイプが挿入された削孔内に、ベントナイトを主材とするペレットからなる伝熱充填材を投入する伝熱充填材投入工程と、
前記削孔内に水を供給する水供給工程と
を含むことを特徴とする伝熱充填材の充填方法。
【請求項６】
前記伝熱充填材投入工程と、前記水供給工程とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の伝熱充填材の充填方法。
【請求項１】
地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材が、ベントナイトを主材とするペレットよりなる
ことを特徴とする伝熱充填材。
【請求項２】
前記ペレットには、鉄粉又は黒鉛粉が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱充填材。
【請求項３】
地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、
前記伝熱充填材は、ベントナイトを主材とするペレットよりなり、水を含んで膨潤状態となっている
ことを特徴とする地中熱交換装置。
【請求項４】
前記伝熱充填材の外周は、前記削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換装置。
【請求項５】
熱交換パイプが挿入された削孔内に、ベントナイトを主材とするペレットからなる伝熱充填材を投入する伝熱充填材投入工程と、
前記削孔内に水を供給する水供給工程と
を含むことを特徴とする伝熱充填材の充填方法。
【請求項６】
前記伝熱充填材投入工程と、前記水供給工程とを交互に複数回繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の伝熱充填材の充填方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５５６３３（Ｐ２０１２−２５５６３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３０１７９（Ｐ２０１１−１３０１７９）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（３０３０４６２４４）旭化成ホームズ株式会社 (703)
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（３０３０４６２４４）旭化成ホームズ株式会社 (703)
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