地中熱交換体の施工方法及び該方法に用いる中空管体
【課題】地下水や地盤を汚染しない環境にやさしく、経済的な地中熱交換体の施工方法、該施工方法に用いる中空管体を得る。
【解決手段】熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、地盤への貫入機能を有する筒状のケーシング３の内側に地中熱交換体を構成する中空管体１を嵌装する中空管体嵌装工程と、ケーシング３の地盤への貫入と共に中空管体１を地中に埋設してゆく埋設工程と、中空管体１が所定の深さに埋設された後、ケーシング３のみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とする地中熱交換体の施工方法。
【解決手段】熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、地盤への貫入機能を有する筒状のケーシング３の内側に地中熱交換体を構成する中空管体１を嵌装する中空管体嵌装工程と、ケーシング３の地盤への貫入と共に中空管体１を地中に埋設してゆく埋設工程と、中空管体１が所定の深さに埋設された後、ケーシング３のみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とする地中熱交換体の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用して、空調、給湯、融雪などに利用する地中熱交換技術に関し、特に熱交換媒体を収容して地中に埋設施工される地中熱交換体の施工方法及び該施工方法によって地中に埋設される地中熱交換用の中空管体に関する。
なお、本明細書において地中熱交換体とは、地中に配置される熱交換媒体、熱交換媒体を地中に配置するための部材、機器類をいうものとする。
【背景技術】
【０００２】
地中熱を利用して、空調や給湯、融雪などを行うことは、従来から行われている技術であり、特に近年は自然エネルギー利用の一つとして、注目されている。
地中熱を利用する一般的な方法は、地中熱との熱交換を行なう熱交換媒体を地中に配置してこの熱交換媒体の熱を前記空調等に利用するというものである。
【０００３】
熱交換媒体を地中に配置するための態様としては、いくつかの態様があり、欧米ではボアホールを利用する方法が広く普及している。
しかし、日本ではボアホールの掘削コストが高いという理由でそれほど普及していない。また、ボアホールは掘削する場合には、孔壁保護のために泥水やセメント等を用いるため地下水を汚染する危険がある。さらにまた、ボアホール内に収容される熱交換チューブが埋め殺しとなり、メンテナンス性に問題がある。
【０００４】
地中熱交換体の別の態様として、以下のようなものが提案されている。
（１）先端鋼管と削孔鋼管のいずれか一方の先端部に螺旋状羽根を備え、先端鋼管を装着した削孔鋼管を地中に回転・圧入して所定の掘削深度まで到達させ、次いで削孔鋼管内に熱交換チューブを挿入し、次に削孔鋼管を逆回転して先端鋼管を切離して削孔鋼管を引抜き回収しながら同時に熱交換チューブの周りの孔内にグラウト材を充填して熱交換チューブを設置する（特許文献１参照）。
この発明によれば、先端部のみに螺旋状羽根を設けた回転圧入鋼管を用いて無排土で削孔し、削孔内に熱交換チューブを挿入後、グラウト材を充填しながら削孔鋼管を先端鋼管と切離し離脱して引抜き、仮ケーシングなしで熱交換チューブを削孔に挿入設置可能としたため、排土処分が不要となり、熱交換チューブ設置工事の経済性、工期短縮等を図ることができるとしている。
【０００５】
（２）杭本体外径の１．５〜３倍の外径を有する翼幅の杭ねじ込み用螺旋翼を、杭本体の外周面に１巻き以上突設して、さらに杭の下端に掘削爪を備えた鋼管杭を用いて、杭中空部内に熱交換用配管をした熱交換用鋼管杭（特許文献２参照）。
この発明によれば、地中の熱をより効率的に杭内部に伝えることができ、かつ施工性に優れた熱交換用鋼管杭を提供することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-303088
【特許文献２】特開2004-177012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のものは、地盤に設けた掘削孔に熱交換チューブを挿入し、その周りの孔内にグラウトを注入するというものである。
このように、特許文献１のものは地盤に設けた掘削孔に直にグラウト材が注入されるため、地下水を汚染する危険がある。
また、仮に熱交換体を使用しなくなったとしても、地盤に注入したグラウト材を掘り起こすのは大変なことからそのまま放置される危険もあり、必ずしも環境にやさしいとはいえない。
【０００８】
他方、特許文献２のものは、地中に杭本体を打設し、これを熱交換体として利用するため、地盤に直にグラウト材を注入する特許文献１のものに比べると上記のような環境に対する問題は少ないといえる。
しかしながら、特許文献２のものには以下のような問題がある。
特許文献２のものは、通常の回転貫入杭の施工と同様に、杭頭部に回転トルクを掛けて施工する必要がある。そのため、杭頭部に掛ける回転トルクに耐えられる杭板厚にする必要があり、杭材コストが上昇し、不経済である。
また、特許文献２のものは、地中熱交換体専用であるため杭に必要とされるような支持力はいらないため、先端に設けられる羽根は施工時の推進力を得るためにのみ必要であるにもかかわらず、施工後において地中に埋設されたままとなり、無駄であり、この点からも不経済である。
【０００９】
特許文献２のものは、杭体を地中に埋設するものであるため、仮に熱交換体を使用しなくなった場合に地中から撤去することは特許文献１のものよりも容易であると言える。
しかしながら、杭体の引抜に関して、特許文献２のものは以下のような課題がある。
杭内部には熱交換チューブを配管することになるが、この熱交換チューブが日射の影響を受けないようにするために一般的にはこれを地表面より下に設置する必要があり、このため杭頭部も地表面より下になるように施工される。つまり、杭を回転させるためヤットコ施工を行う場合は杭頭部が地盤内に埋もれるのでそのままでよいが、仮に杭頭部が地表面から突出した状態で施工完了すれば頭部を切断することになる。
このように、施工後の状態では杭頭部が地盤内に埋もれた状態になるため、引き抜きを行う場合に、杭頭回転方式では、杭頭部の周囲の地盤を掘削して回転金具を取り付けなければならないなどの手間がかかるという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、地下水や地盤を汚染しない環境にやさしく、経済的な地中熱交換体の施工方法、該施工方法に用いる中空管体を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
特許文献２に記載の発明においては、この発明よりも以前の発明においては構造体としての基礎杭と地中熱交換体とを兼用していたのに対して、杭体を地中熱交換体専用に用いている点で新規な考え方である。
このような考え方によれば、杭体には支持力が不要となることから、その分管厚を薄くできる。
しかしながら、特許文献２のものは従来の杭体という発想の範囲にあるため、杭体を構成する鋼管は地盤に孔を掘削する機能と共に地中に埋設されて熱交換媒体を収容する地中熱交換体としての機能を併せもつことが要求されている。
孔を掘削する機能を発揮するためには掘削のための回転トルクを全長に亘って伝達する必要があるため、鋼管はその回転トルクに耐えられるだけの厚みが必要とされる。特に、杭長が長く深いところまで貫入させる場合や、砂礫層など硬い地盤に打設する場合は、大きなトルクが必要となり、それに耐えられる大きな板厚や強度が必要となる。
他方、地中における熱交換のことを考えると、鋼管の厚みは薄い方が熱伝達性に優れるのでよいと言える。
このように、孔を掘削するために必要な機能と熱交換体としての機能では相反する機能が要求されるにもかかわらず、従来はこれを一つの部材でおこなっていたために不経済でかつ低効率なものとなっていた。
そこで、発明者はこの点に着目して、この相反する機能部材を分離することによって、経済性に優れ、かつ高効率の熱交換体およびその施工方法が実現できるとの知見を得た。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
【００１２】
（１）本発明に係る地中熱交換体の施工方法は、熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、地盤への貫入機能を有する筒状のケーシングの内側に前記地中熱交換体を構成する中空管体を嵌装する中空管体嵌装工程と、前記ケーシングの地盤への貫入と共に前記中空管体を地中に埋設してゆく埋設工程と、前記中空管体が所定の深さに埋設された後、前記ケーシングのみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、ケーシングはその先端部及び／または外周部に翼を有し、埋設工程においてはケーシングを地盤に回転貫入することを特徴とするものである。
【００１４】
（３）また、上記（１）または（２）に記載のものにおいて、中空管体嵌装工程はケーシングと中空管体とを連結する連結工程を含み、ケーシング抜取り工程は前記連結を解除する連結解除工程を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、連結工程はケーシングの下端部に設けた係合穴に、中空管体の下端部に設けた係止突部を係止するものであり、連結解除工程はこの係止を外すものであることを特徴とするものである。
【００１６】
（５）本発明に係る地中熱交換体の中空管体は、上記（１）〜（４）の何れかに記載の地中熱交換体の施工方法に用いられる中空管体であって、ケーシングと着脱可能に係止できる係止部を有することを特徴とするものである。
【００１７】
（６）また、上記（５）に記載のものにおいて、中空管体の下端内面に該中空管体に回転力及び／または引抜力を伝達可能な係止部を設けたことを特徴とするものである。
係止部を設ける位置の具体例としては、例えば中空管体の径をＤとしたときに、係止部が下端部の２Ｄの範囲内である。
【００１８】
（７）また、上記（５）〜（６）のいずれかに記載のものにおいて、中空管体が鋼管であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の地中熱交換体の施工方法によれば、地盤への貫入機能を有するケーシングの内側に中空管体を配置し、ケーシングの地盤への貫入と共に中空管体を地中に埋設してゆき、中空管体が所定の深さに埋設された後、ケーシングのみを抜き取るようにしたので、地中への埋設する工程においては、中空管体に大きなトルクが作用しないため、中空管体を形成する部材の厚みを小さくすることができ、コスト低減が可能となると共に熱伝達率がよくなるので熱交換体としては高効率となる。
また、地中熱交換体として中空管体を用いるので、地中に設けた孔に直にグラウト材を注入するもののように地下水や地盤を汚染することがなく環境にやさしい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法に使用する施工器具を説明する模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の説明図である。
【図３】図２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の他の態様の説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の他の態様の説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法における中空管体の埋設する工程の説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法における熱交換チューブの挿入方法の説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の他の態様の説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の他の態様の説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態における翼の形態の効果を確認する実験結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施の形態に係る翼の形態の効果を説明する説明図である。
【図１３】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１５】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１６】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の態様の工程の説明図である。
【図１７】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１８】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法に使用する器具について、その一部を破砕して示す模式図である。
本実施の形態に係る施工方法に用いる器具は、地中に埋設されて熱交換体の一部となる中空管体１と、この中空管体１を地中に埋設させるための翼付きケーシング３とを備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００２２】
＜翼付きケーシング＞
翼付きケーシング３は、中空管体１を地中に埋設するための専用の器具であり、円筒状の鋼管からなるケーシング本体部５と、その下部周面に設けられた翼７とを備えてなる構造である。
翼付きケーシング３は、Ｎ値が５０を超える砂礫などの硬い地盤でも施工できるように、翼７の本体部への接続部は強固なものとし、また通常の杭施工よりも大きなトルクを掛けられるように板厚を十分大きくする。
それにより、大きなトルクを利用して、木ねじの要領で貫入性の良い翼付きケーシング３とすることができる。
【００２３】
ケーシング本体部５の板厚は、ケーシング径の1.5%〜10%程度が望ましく、製造できる範囲で厚いものがよい。材質も高強度のものを用いれば、耐えられるトルクの範囲が広くなるので好ましい。
ケーシング本体部５の内径は、中空管体１の外径より多少大きく設定し、施工時に中空管体１と接触しないようにするのが望ましい。例えば、中空管体１の外径Ｄに対して、Ｄ１=1.2〜2Ｄ程度が望ましい。
ケーシング本体部５に取り付けられる翼７は、螺旋状や平板状のものでよく、複数段設けてもよい。なお、翼７はスパイラルオーガのように連続したものでも良いが、これを全長に亘って取り付けると地盤から土が排出されてしまうので、ケーシング本体部５の先端付近に２〜３巻き程度にするのが好ましい。また、翼７は連続したものでなく、先端部や中間部に非連続で取り付けてもよい。
翼７の径はケーシング本体部５の径の1.2〜3倍程度がよい。
【００２４】
ケーシング本体部５の下部には、後述する中空管体１の係止突部２１が挿入されて係止可能な係合穴９が設けられている。係合穴９は、ケーシング本体部５の下端縁に開口する脚部１１とその上部に設けた腕部１３とにより、ほぼＴ字形状に形成されている。この係合穴９の脚部１１の幅は中空管体１の係止突部２１の幅（周方向）より大きく設定され、また腕部１３の高さ（上下方向の幅）は、係止突部２１の厚さ（上下方向）より若干大きく設定されている。このように設定することで、係止突部が係合穴９の脚部下側から挿入され、かつ腕部１３の左右に挿入可能になっている。このような関係にある係止突部２１と係合穴９により、ケーシング本体部５と中空管体１を連結したり、切離したりする着脱機構を構成している。
【００２５】
＜中空管体＞
中空管体1は、熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体を構成する。
中空管体1は、下端部に底板14が設けられ上端部が開口した断面円形の有底の筒状体である。もっとも、中空管体1の断面形状は、例えば熱交換媒体を通流させる熱交換チューブや、その周りを充填する水などを入れることができる形状であれば特に限定されるものではなく、円形の他に四角や多角形でもよい。また、熱交換効率を上げるために全体を蛇腹状にしたり、フィンを取り付けた構造にしたりしてもよい。
また、中空管体1を形成する材質は、中空管体1内に収容される熱交換媒体と地中熱との熱交換ができる材質であれば何でもよく、例えば、鋼や樹脂などでもよい。
このように、中空管体1の形状材質は特に限定されないが、一般には、熱伝導率が大きく、コストの低い円形鋼管を用いるのが望ましい。
【００２６】
中空管体１の径や、本数、長さは、空調設計などで必要とされる負荷に応じて決められる。
中空管体１の径は、特に限定する必要はないが、施工コストや翼付きケーシング３のコストを考慮すると、φ80mm〜φ600mm程度が望ましい。
もっとも、地盤との接触面積が得られる熱量に大きく影響するので、大きな径の地中熱交換体を造成するよりも、小さな径を複数本造成する方が、全体の得られる熱量が大きくなる場合があるので、この点も考慮するのが望ましい。
また、中空管体１の中に入れる熱交換チューブの本数も得られる熱量に影響するので、この本数も考慮して中空管体１の径を決めることが望ましい。
なお、一般に、中空管体１の内径がφ200mm程度まではφ30mm程度の熱交換チューブを１本（１対、図７参照）入れることとし、中空管体１の内径がこれ以上の場合には入れる熱交換チューブの本数を複数本にするのが望ましい。熱交換チューブは、一般にポリブテン管や架橋ポリエチレン管を用いる。施工性、メンテナンス性、熱伝導性、コストを考慮して最適な材質を用いるのが良い。
【００２７】
地中熱交換体の全長が長い場合には、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この場合、中空管体１内に充填する水などが地盤に流出しないように接続する必要があるため、中空管体１が鋼管の場合では溶接接合がよい。もっとも、接続部の密閉性を保てる構造であれば、別の接合方法を用いてもかまわない。
ケーシング本体部５は機械式継手接合にするのが望ましい。ケーシング本体部５は、中空管体１を所定深度に埋設した後、引き抜かれて再利用するため、継手部分を溶接するとガス切断や開先の取り直しなどの作業で手間が掛かるため、機械式の継手にしておいた方が便利だからである。
【００２８】
ケーシング本体部５には施工時に大きなトルクが作用するため、機械式継手はその大きなトルクに耐えられる構造のものを使用する。図２は機械式継手の一例を示す図、図３は図２の矢視Ａ−Ａ図であり、この図２、図３に示すように、フランジ１５とボルト１７を用いて接続する方法でも良い。
また、図４に示すようにボルト１９のみでケーシング本体部５同士を接続する方法でもよいし、あるいはケーシング本体部５の接続端部にねじ部を設け、これらを互いにねじ込むようなねじ式の継手としてもよい。
なお、この機械式継手がケーシング本体部５の内側に張り出す場合は、この機械式継手が中空管体外面とぶつからないように両者間に十分な距離をとる必要がある。
【００２９】
本実施の形態のものは、翼付きケーシング3を用いて施工を行う構造であるため、中空管体1の本体部にはほとんどトルクが作用しない。したがって、本実施の形態の中空管体1の板厚は、地中熱交換体兼用の杭などに比べると薄くすることができることは当然であるが、特許文献2に示したものに比較しても、さらに薄くできる。よって、中空管体1として鋼管を用いる場合は、強度が高いものを使用する必要が無く、腐食により孔があいて水漏れなどがしないような板厚であればよく、外径の1〜５％程度の板厚または2〜10mm程度の板厚で十分である。
【００３０】
中空管体１の下端部には翼付きケーシング３とともに回転・貫入させるために、翼付きケーシング３のトルク、押込み力、引抜き力を伝達するための角柱状の係止突部２１が中空管体１の外面側に突出するように設けられている。この係止突部２１にはある程度のトルクが作用するので、中空管体１の先端部は強度を持たすことが必要であり、例えば板厚を大きくしておくほうがよい。
係止突部２１を設ける位置は、中空管体１の下端部から１Ｄ（Ｄ：中空管体１の径）程度の範囲に設けるのがよい。
また、係止突部２１は、１箇所以上あればよいが、トルクを確実に伝達するため、２〜４箇所程度設けるのが望ましい。なお、係止突部２１を設ける箇所が３箇所未満の場合には中空管体１が安定しない場合があるので、スペーサーなどを設けて、なるべく中心位置で安定して施工するのが望ましい。
中空管体1の下端部は前述したように鋼板などの底板14によって蓋がされるが、この底板14の下面側に地盤への貫入を容易するため、貫入時に土を外側に排土する図5に示すような三角板22を設けたり、掘削刃をケーシングの下部や翼に取り付けたり、先端部をドリル形状にしたりしても良い。なお、この先端部は鋼材で作るのが望ましく、別途鋳造で製作しても良い。
【００３１】
＜着脱機構＞
上述したように、翼付きケーシング３に設けた係合穴９と、中空管体１の下部に設けた係止突部２１によって、ケーシング本体部５と中空管体１を連結したり、切離したりする着脱機構を構成している。
以下、この着脱機構の作用について詳細に説明する。
中空管体１の外側に上方から翼付きケーシング３を嵌装し、係合穴９の脚部１１を係止突部２１の位置に合わせ、その状態で翼付きケーシング３を下方に移動させ、係止突部２１を係合穴９の腕部内に位置させる。この状態で、翼付きケーシング３を、例えば時計回り方向（以下、正方向という）に回転させて係止突部２１を係合穴９の腕部１３の一方の側（図１の右端）に位置させる。これによって、係止突部２１が係合穴９に係止し、中空管体１と翼付きケーシング３は一体に連結される（図１参照）。
【００３２】
この一体に連結された状態においては、翼付きケーシング３を下降または上昇させれば、中空管体１も一体となって下降または上昇する。つまり、翼付きケーシング３の押込み力、引抜き力を中空管体１へ伝達できる。
また、翼付きケーシング３を、正方向に回転させると、翼付きケーシング３の回転トルクが係止突部２１を介して中空管体１に伝達され、中空管体１は正方向に回転する。
また、図１に示す状態から、翼付きケーシング３を反時計回り方向（以下、逆方向という）に回転させると、係止突部２１が係合穴９の腕部内を逆方向に移動して他方の端部（図１の左端）に係止する。この状態でさらに翼付きケーシング３を逆方向に回転させれば、中空管体１を逆方向に回転させることができる。
【００３３】
＜施工方法＞
図６は上記のように構成された中空管体１を、翼付きケーシング３を用いて地中に施工する施工方法を説明する説明図である。
以下、図６及び前述の図１〜図５を参照にしながらこの施工方法を説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、中空管体１を地盤上の埋設予定位置に配置し、この中空管体１に翼付きケーシング３を嵌装して、上述したように中空管体１の係止突部２１をケーシング本体部５の係合穴９に係止させ、中空管体１と翼付きケーシング３を一体に連結する。
そして、翼付きケーシング３の頭部を図示しない接続具を介して施工機械２３の回転モータ２５に接続する。
【００３４】
この状態で、回転モータ２５を正方向に回転して翼付きケーシング３を回転駆動すれば、翼付きケーシング３は翼７のねじ作用により、地中に貫入される（図６（ｂ）参照）。このとき、翼付きケーシング３の回転力および押込み力が伝達部を介して中空管体１に伝達され、中空管体１は翼付きケーシング３と共に地中に貫入される。このように、地中貫入時において、中空管体１も回転するので、図５に示したように、中空管体１の下部に三角板等を設けておくことにより、三角板等の掘削作用により、中空管体１をよりスムーズに貫入することができる。
なお、中空管体１とケーシング本体部５の間には隙間があるが、この隙間はそれほど大きくないため、隙間に土が入ることはなく、隙間に土が入って抵抗になるようなことはない。
施工途中の中空管体１の頭部はフリーとなっており、中空管体１の外周面とケーシング本体部５の内周面が接触する恐れがあるので、これを防止するために中空管体１の外壁あるいはケーシング本体部５の内壁にスペーサなどを適宜設けてもよい。
【００３５】
中空管体１は熱交換体として機能するものであり、杭のように埋設後の状態において先端支持力や周面摩擦力を必要としない。そのため、翼付きケーシング３による地中への回転貫入時において、施工スピードを上げるために逆回転などによって上下動などを頻繁に行って施工しても良い。ただし、土が地上に排出したり、地下水流れを乱したりしないようにする必要がある。
【００３６】
地中熱交換体の全長が長い場合には、図６（ｃ）に示すように、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この例では、中空管体１とケーシング本体部５を各２本連結する例である。図６（ｄ）は、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足した後、回転貫入を行なって所定の深さまで貫入させた状態を示している。
所定の深さまでの貫入が完了すると、中空管体１の係止突部２１とケーシング本体部５の係合穴９との連結を外すべく、翼付きケーシング３に若干の引抜力を与えながら少し回転させることにより、係止突部２１が係合穴９の脚部１１の位置にきたところで、両者の連結が外れる。両者の連結が外れると、翼付きケーシング３を回転させて引き上げることにより、中空管体１をその位置に残して翼付きケーシング３のみを回収することができる（図６（ｅ）、（ｆ）参照）。
なお、翼付きケーシング3を抜いた後の地盤と中空管体1との隙間は、通常は小さいので自然に消滅するが、必要であれば、ケーシング３の引抜き時などに、砂や砂利、それらに水分を混ぜたものや、熱伝導性の良い材料を混ぜた土などをこの隙間に充填することもできる。
【００３７】
中空管体１の施工が完了すると、図７に示すように、熱交換チューブ２７を中空管体１内に挿入し（図７（ａ）参照）、中空管体１内に水を充填すれば（図７（ｂ）参照）、地中熱交換体が完成する。
同様の施工を、複数繰り返して行うことにより、設計された負荷に応じた地中熱交換体群を形成することができる。
なお、各地中熱交換体は相互の熱作用を受けないように１ｍ程度以上離して設置するのが望ましい。また、熱交換チューブ２７をヒートポンプまで配管するとき、日射の影響を受けるので、地中1m程度に埋めるのが望ましい。日射の影響を考慮して、地中熱交換体は建物の北側など日陰に設置すると、日射の影響を受けにくく地中熱を有効に活用することができる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法においては、地盤への貫入機能を有する翼付きケーシング３の内側に中空管体１を配置し、翼付きケーシング３の地盤への貫入と共に中空管体１を地中に埋設してゆき、中空管体１が所定の深さに埋設された後、翼付きケーシング３のみを抜き取るようにしたので、地中へ埋設する工程においては、中空管体１に大きなトルクが作用しないため、中空管体１を形成する部材の厚みを小さくすることができ、コスト低減が可能となると共に熱伝達率がよくなるので熱交換体としては高効率となる。
また、翼付きケーシング３は繰り返し利用できるので、翼付きケーシング３を種々の地盤、例えば硬い地盤にも貫入できるようにするために厚肉のものを製作したとしても、大きなコストアップになることがなく、むしろ作業効率の向上により、コスト低減が可能となる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、先端付近に翼７を取り付けた翼付きケーシング３を用いるので、無排土施工が可能となり、それ故にセメントミルク等を用いる必要がないので、地下水や地盤を汚染することなく環境に優しい。
【００４０】
また、本実施の形態に係る地中熱交換体は、建物や空調機のリニューアルなどで不必要になったり、設置場所を移動したりする必要があるときは、中空管体１を引き抜くことにより簡単に撤去でき、再度別の場所に施工することで地中熱交換体として利用することができる。
中空管体１を引抜が容易にできるようにするために、図８に示すように、中空管体１の内面下部先端部付近に回転トルクおよび引抜き力伝達用の係止突部２９を設けるのが望ましい。係止突部２９は、１個でも複数個でも良い。中空管体１の引抜に際しては、例えば図８に示すように、先端部に係止突部２９に係合可能な係合穴３１を有する引抜き用ロッド３３を用いる。引抜き用ロッド３３の先端に設ける係合穴３１は、翼付きケーシング３に設けた係合穴９と同様のＴ字状のものでよい。なお、係合穴３１や係止突部２９は、中空管体１を引き抜くのに必要なトルクや引抜き力をかけられる構造であれば、どのような形でも良い。
【００４１】
中空管体１の引抜作業は以下のようにして行なう。
まず、中空管体１から熱交換チューブ２７を引き抜き、中空管体１内の充填水をポンプ等でくみ上げ、空となった中空管体１内に引抜き用ロッド３３を挿入する。なお、充填水はくみ上げなくても引抜き用ロッド３３を挿入することはできるが、最初にくみ上げておいた方が作業性がよい。
引抜き用ロッド３３を挿入して、係合穴３１と係止突部２９を係止させ、この状態で引抜き用ロッド３３を地上にある重機のモータで回転させる。これによって、中空管体１と地盤との摩擦の縁が切れ、縁が切れた状態で中空管体１を引き上げれば容易に引き抜くことができる。
【００４２】
中空管体１の引抜に際して、中空管体１の頭部に回転力を作用させることも考えられるが、この場合には中空管体全長に作用する摩擦力が中空管体１に抵抗として作用するため（中空管体１の頭と先端の両方が固定点となるため）、中空管体１の板厚が薄いので、中空管体１と地盤との摩擦の縁が切れる前に中空管体１がねじ切れてしまう危険性がある。特に先端に翼がある特許文献２のものでは、翼の抵抗も大きいため板厚が薄いとねじ切れてしまう。
この点、図８に示すように、中空管体１の下端に回転力を作用させるようにすれば、中空管体１の下端から徐々に摩擦の縁が切れて（杭頭部はフリーで杭先端のみ固定点となる）、それほど大きなトルクが中空管に作用しないので、中空管体１の板厚が薄くても問題ない。
また、周面摩擦の縁が切れれば中空管体１は容易に引き抜けるので、翼付き杭のように翼７が付いていなくても、引抜き作業には支障がない。引き抜いた中空管体１は、別の場所で再度利用することが可能であるので、環境にやさしい方法である。
【００４３】
なお、中空管体１の引抜のための、中空管体１の内面側と引抜き用ロッド３３との着脱機構についても、図８に示したものに限定されず、中空管体１に対して回転力を与えることができ、引抜き用ロッド３３と一体となって上方に移動できるものであれば、他の構造であってもよい。例えば、図９に示すように、中空管体１の内面先端の対向する位置にＴ字状のＴ字突部３５を設け、中空管体１の底面とＴ字突部３５の肩部との間に嵌入できる角部材３７を先端に設けた引抜き用ロッド３９を用いて回転力を与え、かつ引抜くようにしてもよい。また、図１０に示すように、図９のＴ字突部３５に代えてＬ字突部４０を設けてもよい。
【００４４】
また、ケーシング本体５に取り付けられる翼７の例として、上記の実施の形態においては螺旋状の翼を１段設けた例を示したが、本発明に係る翼７はこれに限られるものではなく、その形状としては平板状のものでもよく、また段数としては複数段設けてもよい。
また、翼７はスパイラルオーガのように連続したものでも良いが、これを全長に亘って取り付けると地盤から土が排出されてしまうので、ケーシング本体部５の先端付近に2〜3巻き程度にするのが好ましい。また、翼７は連続したものでなく、先端部や中間部に非連続で取り付けてもよい。
【００４５】
図１１は、翼の形状や段数を種々変更したときの施工時のトルクの変化を調べた実験結果を示すグラフである。横軸は施工時トルク（kN・m）を示し、縦軸は貫入深さ(mm)を示している。グラフ中において、（Ａ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを１段設けた場合、（Ｂ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを連続して３段設けた場合、（Ｃ）は１段目に翼径がケーシング本体径の２倍のものを設け２段目に翼径がケーシング本体径の２．５倍のものを非連続で設けた場合、（Ｄ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを非連続で２段設けた場合である。
図１１から判るように、発明者が実施した模型杭を用いた土槽試験では、１段の螺旋翼よりも連続していない２段の螺旋翼を取り付けた形状の方が、同じ条件で施工時トルクを小さくすることができた。図１２はこのメカニズムを説明する説明図である。１段の翼では、図１２（ａ）に示すように、翼７により上方に送られた土が、側方に移動できないため締め固まり、周方向から鋼管を押しつけることで周面摩擦力が上昇しトルクも大きくなったのに対し、図１２（ｂ）に示すように、非連続の翼７を設けた場合には上部の翼７が再度地盤を攪拌することで周面摩擦力を低減することで施工時トルクも小さくすることができるものと推測できる。このことから、翼７は複数段の非連続で取り付ける形状が施工上は望ましい。
【００４６】
非連続の場合の翼７の間隔は、ケーシング本体部５の外径Ｄ１の1〜5倍程度が目安となる。また、翼７の始端と終端の段差は、杭径の0.1〜1倍程度がよい。さらに、１枚の翼７の円周方向の巻き方は、270°〜450°程度が一般的であるが、土の移動のしやすさを考慮すると、360°以下の方が間隔が大きくなるのでよい。また、さらに翼７の径はケーシング本体部５の径の1．2〜3倍程度がよい。
【００４７】
また、複数段の翼を設ける場合、従来の杭においては、１段目（最下段）の翼径と２段目（上段）の翼径を比較すると、２段目の翼径を大きくしてトルクが大きくなってもより多くの支持力が得られるように形状が決められている。しかし、本発明では支持力を得る必要はなく所定長さの施工ができればよいので、施工時のトルクの減少率が大きくなるように形状を決定すればよい。この点、発明者の実施した実験結果を示す図１１に示されるように、（Ｃ）の場合よりも（Ｄ）の場合の方が施工トルクが小さくなっていることから、１段目と２段目の翼径は同じにしておいた方が施工時のトルクの減少率が大きいことがわかった。
【００４８】
上記の実施の形態においては、ケーシング本体部５を機械式継手接合にした場合において、ボルト１９のみでケーシング本体部５同士を接続する方法として、図４に示したように、機械式継手がケーシング本体部５の内側に張り出す場合を示した。この場合、前述したように、機械式継手が中空管体外面とぶつからないように両者間に十分な距離をとる必要がある。
もっとも、本発明においてケーシング本体部５は、杭のように地盤との間で周面摩擦力を必要としないため、図１３のように機械式継手がケーシング本体部5の外側に張り出す構造にしても問題ない。
【００４９】
また、上記の実施の形態においては、中空管体１と翼付きケーシング３との着脱機構として翼付きケーシング３にＴ字状の係合穴９を設け、中空管体１に係止突部２１を設ける例を示した。
このようなＴ字形状の係合穴９を設けた着脱機構では、ケーシング本体部５と中空管体１を切り離す場合、係止突部２１の脚部１１に位置させるためにケーシング本体部５を中空管体１に対して相対的に回動させる必要がある。比較的緩い砂地盤などでは、ケーシング本体部５と中空管体１が共回りせずに着脱可能であるが、粘土などが付着した場合は、ケーシング本体部５と中空管体１を別々に回すか、中空管体１を固定してケーシング本体部５を逆回転しないと、共回りして切り離しが困難となる。
【００５０】
そこで、図１４に示すように、Ｔ字状ではなく鋼管軸方向のみに切り欠く矩形状の係合穴９１を設けるようにしてもよい。このような矩形状の係合穴９１であれば、ケーシング本体部５と中空管体１を切り離す場合、中空管体１を下方に押し込めばケーシング本体部５から容易に切り離すことができる。
施工時の地盤の硬さによっては、ケーシング本体部５を正回転させたり逆回転させたりすることを繰り返したり、また上下動を行うことで施工性を向上させることがある。上下動を実施したときは、係合穴９１を設けた場合にはＴ字形状の係合穴９の場合と異なり中空管体１の係止突部２１がケーシング本体部５側に引っかかっていないため、地中に中空管体１が落下する可能性がある。そのようなときは、図１５に示すように、係合穴９１やケーシング本体部５と中空管体１の隙間に、あらかじめ粘土やシリコンなどの詰め物４２を詰めておけば、上下動実施時に中空管体１が落下することはない。また、事前の地盤調査で粘性土地盤の存在が確認されていれば、施工時に粘土が自然に詰まって、上下動実施時に中空管体１が落下することはないので、あえて粘土等をつめる作業をしなくても良い。
【００５１】
図１６は図１４に示した係合穴９１を設けた場合の施工方法の説明図である。
以下、図１６及び前述の図１４を参照にしながらこの施工方法を説明する。
まず、中空管体１を地盤上の埋設予定位置に配置し、この中空管体１に翼付きケーシング３を嵌装し、中空管体１の係止突部２１をケーシング本体部５の係合穴９１に係合させる。この状態で、翼付きケーシング３を回転駆動して、翼付きケーシング３を地中に貫入する（図１６（ａ）参照）。
【００５２】
地中熱交換体の全長が長い場合には、図１６（ｂ）に示すように、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この例では、中空管体１とケーシング本体部５を各２本連結する例である。図１６（ｃ）は、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足した後、回転貫入を行なってさらに貫入させた状態を示している。
翼付きケーシング３が所定深度まで到達後、翼付きケーシング３を中空管体１と共に数十cm上方に引き上げ、翼付きケーシング３の下方の地盤を緩い状態にし、この状態で中空管体１を下方に押し込む。これにより、ケーシング本体部５の係合穴９１から中空管体１がはずれ、所定の位置に容易に設置することができる（図１６（ｄ）参照）。
なお、所定深度での地盤が弱い場合は、翼付きケーシング３を引き上げなくても中空管体１を押し込むことはできるが、硬い場合は押し込むために大きな力を必要とするので、逆回転などして翼付きケーシング３を多少上に引き上げた方がよい。翼付きケーシング３と中空管体１は粘土等により接着されているので、逆回転引き上げを行っても中空管体１が勝手にはずれることはなく、このため押し込む作業が必要となるのである。
中空管体１を所定深度に設置した後、翼付きケーシング３を回転させて引き上げることにより、中空管体１をその位置に残して翼付きケーシング３のみを回収することができる（図１６（ｅ）、（ｆ）参照）。
【００５３】
上記実施の形態においては、中空管体１に係止突部２１を設ける例を示したが、図１７（ａ）、図１７（ｂ）（底面側から見た図）に示すように底板１４に係止突部２１を設けて構成してもよい。この場合、ケーシング本体部５の内径に合うように底板１４を取り付ければ、ケーシング本体部５と中空管体１との間に土砂がほとんど入ることが無く、施工に支障を来すこともない。また、係止突部２１を介して底板１４にトルクが作用するため、中空管体１の板厚を大きくしておく必要もない。
また、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）（底面側から見た図）に示すように、ケーシング内面に側面視で略Ｔ字状の係止突部２１ａを設け、底板１４に係止突部２１ａのＴ字の脚部が挿入可能な係止凹部２１ｂを設けるような構成にしてもよい。この場合も、上記と同様の効果がある。さらに、この場合にはケーシングに係合穴９１を設ける必要がないので、大きなトルクが作用するときにケーシングに係合穴９１を設けた場合のように係合穴９１の周りを補強するなどの対応も必要ない。
【００５４】
また、地盤の状況により、底板１４に三角板など掘削機能を有するものが必要なくこれを取り付けない場合は、図１８（ａ）、図１８（ｂ）（上端側から見た図）に示すように係止突部２１、２１ａもなくし、ケーシング本体部５の内部に底板１４の上方向への移動を規制する内面突起４３を設けるようにしてもよい。内面突起４３は離散的に配置してもよいし、連続するリング状にして取り付けてもよい。また必要に応じて、底板１４とケーシング本体部５の内面に粘土などをつめてもよい。
【００５５】
なお、本発明の着脱機構は上記に示したものに限られるものではなく、中空管体１を翼付きケーシング３と一体となって上下に移動可能で、かつ、必要に応じて中空管体１を残置して翼付きケーシング３のみを引き上げることができるものであれば、他の構造であってもよい。
【００５６】
なお、上記の実施の形態においては、中空管体１と翼付きケーシング３を連結することによって中空管体１を翼付きケーシング３の貫入と同時に地中に貫入させるようにしたが、軟弱な地盤の場合は、翼付きケーシング３と中空管体１を連結せずに、中空管体１に別途押込み力を付与することで翼付きケーシング３の貫入に伴って中空管体１を地中に貫入させるようにしてもよい。すなわち、この場合には、翼付きケーシング３のみ回転貫入され、中空管体１は施工機械２３の圧入力で圧入されることになる。このような施工が可能な場合は、翼付きケーシング３と中空管体１との着脱機構を省略できる。
【００５７】
なお、中空管体内に充填するものとしては、水がメンテナンスとコストから有利であるが、地中熱交換器として利用する場合は、熱伝導性が良い物質を選定する方が望ましい。そこで、水に代えてコンクリートやモルタルなどを充填してもよい。コンクリートを充填すれば、水の時より熱交換特性が上昇するので、地中熱交換システムとして効率が上がる。
【００５８】
ただし、この場合には熱交換チューブ２７のメンテナンスが困難となるため、熱交換チューブ２７に不具合が発生した時は、中空管体１そのものを交換する。この場合、中空管体１を地中から引き抜くことになるが、中空管体１の中にコンクリートが中詰めされているため、中空管の板厚が薄くてもトルクによる破損の心配がないため、杭頭部に回転トルクを与えて、容易に引き抜くことができる。そして、引き抜いた場所に新しい中空管を打設すれば、地中熱交換器として再度利用することができる。
【００５９】
確かに、中空管体１にコンクリートなどを充填した場合には水を充填する場合に比較してメンテナンス性が悪くなるとも言えるが、コンクリートは中空管体１の中に収容されているので、特許文献１に記載された地盤に設けた掘削孔内にグラウトを直に注入するもののように、地下水の汚染の危険が無いし、また、上述のように撤去が容易であることから環境にやさしいと言える。
【００６０】
また、中空管体１に充填する他の例として、砂などの土を充填してもよい。この場合には、メンテナンス時に土をウォータージェット等で掻き出す、あるいは掘り出すことで容易に作業ができるので、メンテナンスが可能な態様となる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 中空管体
３ 翼付きケーシング
５ ケーシング本体部
７ 翼
９ 係合穴
１１ 脚部
１３ 腕部
１４ 底板
１５ フランジ
１７ ボルト
１９ ボルト
２１、２１ａ 係止突部
２２ 三角板
２３ 施工機械
２５ 回転モータ
２７ 熱交換チューブ
２９ 係止突部
３１ 係合穴
３３ 引抜き用ロッド
３５ Ｔ字突部
３７ 角部材
３９ 引抜き用ロッド
４０ Ｌ字突部
４２ 詰め物
４３ 内面突起
９１ 係合穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用して、空調、給湯、融雪などに利用する地中熱交換技術に関し、特に熱交換媒体を収容して地中に埋設施工される地中熱交換体の施工方法及び該施工方法によって地中に埋設される地中熱交換用の中空管体に関する。
なお、本明細書において地中熱交換体とは、地中に配置される熱交換媒体、熱交換媒体を地中に配置するための部材、機器類をいうものとする。
【背景技術】
【０００２】
地中熱を利用して、空調や給湯、融雪などを行うことは、従来から行われている技術であり、特に近年は自然エネルギー利用の一つとして、注目されている。
地中熱を利用する一般的な方法は、地中熱との熱交換を行なう熱交換媒体を地中に配置してこの熱交換媒体の熱を前記空調等に利用するというものである。
【０００３】
熱交換媒体を地中に配置するための態様としては、いくつかの態様があり、欧米ではボアホールを利用する方法が広く普及している。
しかし、日本ではボアホールの掘削コストが高いという理由でそれほど普及していない。また、ボアホールは掘削する場合には、孔壁保護のために泥水やセメント等を用いるため地下水を汚染する危険がある。さらにまた、ボアホール内に収容される熱交換チューブが埋め殺しとなり、メンテナンス性に問題がある。
【０００４】
地中熱交換体の別の態様として、以下のようなものが提案されている。
（１）先端鋼管と削孔鋼管のいずれか一方の先端部に螺旋状羽根を備え、先端鋼管を装着した削孔鋼管を地中に回転・圧入して所定の掘削深度まで到達させ、次いで削孔鋼管内に熱交換チューブを挿入し、次に削孔鋼管を逆回転して先端鋼管を切離して削孔鋼管を引抜き回収しながら同時に熱交換チューブの周りの孔内にグラウト材を充填して熱交換チューブを設置する（特許文献１参照）。
この発明によれば、先端部のみに螺旋状羽根を設けた回転圧入鋼管を用いて無排土で削孔し、削孔内に熱交換チューブを挿入後、グラウト材を充填しながら削孔鋼管を先端鋼管と切離し離脱して引抜き、仮ケーシングなしで熱交換チューブを削孔に挿入設置可能としたため、排土処分が不要となり、熱交換チューブ設置工事の経済性、工期短縮等を図ることができるとしている。
【０００５】
（２）杭本体外径の１．５〜３倍の外径を有する翼幅の杭ねじ込み用螺旋翼を、杭本体の外周面に１巻き以上突設して、さらに杭の下端に掘削爪を備えた鋼管杭を用いて、杭中空部内に熱交換用配管をした熱交換用鋼管杭（特許文献２参照）。
この発明によれば、地中の熱をより効率的に杭内部に伝えることができ、かつ施工性に優れた熱交換用鋼管杭を提供することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-303088
【特許文献２】特開2004-177012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のものは、地盤に設けた掘削孔に熱交換チューブを挿入し、その周りの孔内にグラウトを注入するというものである。
このように、特許文献１のものは地盤に設けた掘削孔に直にグラウト材が注入されるため、地下水を汚染する危険がある。
また、仮に熱交換体を使用しなくなったとしても、地盤に注入したグラウト材を掘り起こすのは大変なことからそのまま放置される危険もあり、必ずしも環境にやさしいとはいえない。
【０００８】
他方、特許文献２のものは、地中に杭本体を打設し、これを熱交換体として利用するため、地盤に直にグラウト材を注入する特許文献１のものに比べると上記のような環境に対する問題は少ないといえる。
しかしながら、特許文献２のものには以下のような問題がある。
特許文献２のものは、通常の回転貫入杭の施工と同様に、杭頭部に回転トルクを掛けて施工する必要がある。そのため、杭頭部に掛ける回転トルクに耐えられる杭板厚にする必要があり、杭材コストが上昇し、不経済である。
また、特許文献２のものは、地中熱交換体専用であるため杭に必要とされるような支持力はいらないため、先端に設けられる羽根は施工時の推進力を得るためにのみ必要であるにもかかわらず、施工後において地中に埋設されたままとなり、無駄であり、この点からも不経済である。
【０００９】
特許文献２のものは、杭体を地中に埋設するものであるため、仮に熱交換体を使用しなくなった場合に地中から撤去することは特許文献１のものよりも容易であると言える。
しかしながら、杭体の引抜に関して、特許文献２のものは以下のような課題がある。
杭内部には熱交換チューブを配管することになるが、この熱交換チューブが日射の影響を受けないようにするために一般的にはこれを地表面より下に設置する必要があり、このため杭頭部も地表面より下になるように施工される。つまり、杭を回転させるためヤットコ施工を行う場合は杭頭部が地盤内に埋もれるのでそのままでよいが、仮に杭頭部が地表面から突出した状態で施工完了すれば頭部を切断することになる。
このように、施工後の状態では杭頭部が地盤内に埋もれた状態になるため、引き抜きを行う場合に、杭頭回転方式では、杭頭部の周囲の地盤を掘削して回転金具を取り付けなければならないなどの手間がかかるという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、地下水や地盤を汚染しない環境にやさしく、経済的な地中熱交換体の施工方法、該施工方法に用いる中空管体を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
特許文献２に記載の発明においては、この発明よりも以前の発明においては構造体としての基礎杭と地中熱交換体とを兼用していたのに対して、杭体を地中熱交換体専用に用いている点で新規な考え方である。
このような考え方によれば、杭体には支持力が不要となることから、その分管厚を薄くできる。
しかしながら、特許文献２のものは従来の杭体という発想の範囲にあるため、杭体を構成する鋼管は地盤に孔を掘削する機能と共に地中に埋設されて熱交換媒体を収容する地中熱交換体としての機能を併せもつことが要求されている。
孔を掘削する機能を発揮するためには掘削のための回転トルクを全長に亘って伝達する必要があるため、鋼管はその回転トルクに耐えられるだけの厚みが必要とされる。特に、杭長が長く深いところまで貫入させる場合や、砂礫層など硬い地盤に打設する場合は、大きなトルクが必要となり、それに耐えられる大きな板厚や強度が必要となる。
他方、地中における熱交換のことを考えると、鋼管の厚みは薄い方が熱伝達性に優れるのでよいと言える。
このように、孔を掘削するために必要な機能と熱交換体としての機能では相反する機能が要求されるにもかかわらず、従来はこれを一つの部材でおこなっていたために不経済でかつ低効率なものとなっていた。
そこで、発明者はこの点に着目して、この相反する機能部材を分離することによって、経済性に優れ、かつ高効率の熱交換体およびその施工方法が実現できるとの知見を得た。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
【００１２】
（１）本発明に係る地中熱交換体の施工方法は、熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、地盤への貫入機能を有する筒状のケーシングの内側に前記地中熱交換体を構成する中空管体を嵌装する中空管体嵌装工程と、前記ケーシングの地盤への貫入と共に前記中空管体を地中に埋設してゆく埋設工程と、前記中空管体が所定の深さに埋設された後、前記ケーシングのみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、ケーシングはその先端部及び／または外周部に翼を有し、埋設工程においてはケーシングを地盤に回転貫入することを特徴とするものである。
【００１４】
（３）また、上記（１）または（２）に記載のものにおいて、中空管体嵌装工程はケーシングと中空管体とを連結する連結工程を含み、ケーシング抜取り工程は前記連結を解除する連結解除工程を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、連結工程はケーシングの下端部に設けた係合穴に、中空管体の下端部に設けた係止突部を係止するものであり、連結解除工程はこの係止を外すものであることを特徴とするものである。
【００１６】
（５）本発明に係る地中熱交換体の中空管体は、上記（１）〜（４）の何れかに記載の地中熱交換体の施工方法に用いられる中空管体であって、ケーシングと着脱可能に係止できる係止部を有することを特徴とするものである。
【００１７】
（６）また、上記（５）に記載のものにおいて、中空管体の下端内面に該中空管体に回転力及び／または引抜力を伝達可能な係止部を設けたことを特徴とするものである。
係止部を設ける位置の具体例としては、例えば中空管体の径をＤとしたときに、係止部が下端部の２Ｄの範囲内である。
【００１８】
（７）また、上記（５）〜（６）のいずれかに記載のものにおいて、中空管体が鋼管であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の地中熱交換体の施工方法によれば、地盤への貫入機能を有するケーシングの内側に中空管体を配置し、ケーシングの地盤への貫入と共に中空管体を地中に埋設してゆき、中空管体が所定の深さに埋設された後、ケーシングのみを抜き取るようにしたので、地中への埋設する工程においては、中空管体に大きなトルクが作用しないため、中空管体を形成する部材の厚みを小さくすることができ、コスト低減が可能となると共に熱伝達率がよくなるので熱交換体としては高効率となる。
また、地中熱交換体として中空管体を用いるので、地中に設けた孔に直にグラウト材を注入するもののように地下水や地盤を汚染することがなく環境にやさしい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法に使用する施工器具を説明する模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の説明図である。
【図３】図２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の他の態様の説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の他の態様の説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法における中空管体の埋設する工程の説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法における熱交換チューブの挿入方法の説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の他の態様の説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る中空管体の引抜方法の他の態様の説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態における翼の形態の効果を確認する実験結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施の形態に係る翼の形態の効果を説明する説明図である。
【図１３】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１５】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１６】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法の態様の工程の説明図である。
【図１７】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【図１８】本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の他の態様の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法に使用する器具について、その一部を破砕して示す模式図である。
本実施の形態に係る施工方法に用いる器具は、地中に埋設されて熱交換体の一部となる中空管体１と、この中空管体１を地中に埋設させるための翼付きケーシング３とを備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００２２】
＜翼付きケーシング＞
翼付きケーシング３は、中空管体１を地中に埋設するための専用の器具であり、円筒状の鋼管からなるケーシング本体部５と、その下部周面に設けられた翼７とを備えてなる構造である。
翼付きケーシング３は、Ｎ値が５０を超える砂礫などの硬い地盤でも施工できるように、翼７の本体部への接続部は強固なものとし、また通常の杭施工よりも大きなトルクを掛けられるように板厚を十分大きくする。
それにより、大きなトルクを利用して、木ねじの要領で貫入性の良い翼付きケーシング３とすることができる。
【００２３】
ケーシング本体部５の板厚は、ケーシング径の1.5%〜10%程度が望ましく、製造できる範囲で厚いものがよい。材質も高強度のものを用いれば、耐えられるトルクの範囲が広くなるので好ましい。
ケーシング本体部５の内径は、中空管体１の外径より多少大きく設定し、施工時に中空管体１と接触しないようにするのが望ましい。例えば、中空管体１の外径Ｄに対して、Ｄ１=1.2〜2Ｄ程度が望ましい。
ケーシング本体部５に取り付けられる翼７は、螺旋状や平板状のものでよく、複数段設けてもよい。なお、翼７はスパイラルオーガのように連続したものでも良いが、これを全長に亘って取り付けると地盤から土が排出されてしまうので、ケーシング本体部５の先端付近に２〜３巻き程度にするのが好ましい。また、翼７は連続したものでなく、先端部や中間部に非連続で取り付けてもよい。
翼７の径はケーシング本体部５の径の1.2〜3倍程度がよい。
【００２４】
ケーシング本体部５の下部には、後述する中空管体１の係止突部２１が挿入されて係止可能な係合穴９が設けられている。係合穴９は、ケーシング本体部５の下端縁に開口する脚部１１とその上部に設けた腕部１３とにより、ほぼＴ字形状に形成されている。この係合穴９の脚部１１の幅は中空管体１の係止突部２１の幅（周方向）より大きく設定され、また腕部１３の高さ（上下方向の幅）は、係止突部２１の厚さ（上下方向）より若干大きく設定されている。このように設定することで、係止突部が係合穴９の脚部下側から挿入され、かつ腕部１３の左右に挿入可能になっている。このような関係にある係止突部２１と係合穴９により、ケーシング本体部５と中空管体１を連結したり、切離したりする着脱機構を構成している。
【００２５】
＜中空管体＞
中空管体1は、熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体を構成する。
中空管体1は、下端部に底板14が設けられ上端部が開口した断面円形の有底の筒状体である。もっとも、中空管体1の断面形状は、例えば熱交換媒体を通流させる熱交換チューブや、その周りを充填する水などを入れることができる形状であれば特に限定されるものではなく、円形の他に四角や多角形でもよい。また、熱交換効率を上げるために全体を蛇腹状にしたり、フィンを取り付けた構造にしたりしてもよい。
また、中空管体1を形成する材質は、中空管体1内に収容される熱交換媒体と地中熱との熱交換ができる材質であれば何でもよく、例えば、鋼や樹脂などでもよい。
このように、中空管体1の形状材質は特に限定されないが、一般には、熱伝導率が大きく、コストの低い円形鋼管を用いるのが望ましい。
【００２６】
中空管体１の径や、本数、長さは、空調設計などで必要とされる負荷に応じて決められる。
中空管体１の径は、特に限定する必要はないが、施工コストや翼付きケーシング３のコストを考慮すると、φ80mm〜φ600mm程度が望ましい。
もっとも、地盤との接触面積が得られる熱量に大きく影響するので、大きな径の地中熱交換体を造成するよりも、小さな径を複数本造成する方が、全体の得られる熱量が大きくなる場合があるので、この点も考慮するのが望ましい。
また、中空管体１の中に入れる熱交換チューブの本数も得られる熱量に影響するので、この本数も考慮して中空管体１の径を決めることが望ましい。
なお、一般に、中空管体１の内径がφ200mm程度まではφ30mm程度の熱交換チューブを１本（１対、図７参照）入れることとし、中空管体１の内径がこれ以上の場合には入れる熱交換チューブの本数を複数本にするのが望ましい。熱交換チューブは、一般にポリブテン管や架橋ポリエチレン管を用いる。施工性、メンテナンス性、熱伝導性、コストを考慮して最適な材質を用いるのが良い。
【００２７】
地中熱交換体の全長が長い場合には、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この場合、中空管体１内に充填する水などが地盤に流出しないように接続する必要があるため、中空管体１が鋼管の場合では溶接接合がよい。もっとも、接続部の密閉性を保てる構造であれば、別の接合方法を用いてもかまわない。
ケーシング本体部５は機械式継手接合にするのが望ましい。ケーシング本体部５は、中空管体１を所定深度に埋設した後、引き抜かれて再利用するため、継手部分を溶接するとガス切断や開先の取り直しなどの作業で手間が掛かるため、機械式の継手にしておいた方が便利だからである。
【００２８】
ケーシング本体部５には施工時に大きなトルクが作用するため、機械式継手はその大きなトルクに耐えられる構造のものを使用する。図２は機械式継手の一例を示す図、図３は図２の矢視Ａ−Ａ図であり、この図２、図３に示すように、フランジ１５とボルト１７を用いて接続する方法でも良い。
また、図４に示すようにボルト１９のみでケーシング本体部５同士を接続する方法でもよいし、あるいはケーシング本体部５の接続端部にねじ部を設け、これらを互いにねじ込むようなねじ式の継手としてもよい。
なお、この機械式継手がケーシング本体部５の内側に張り出す場合は、この機械式継手が中空管体外面とぶつからないように両者間に十分な距離をとる必要がある。
【００２９】
本実施の形態のものは、翼付きケーシング3を用いて施工を行う構造であるため、中空管体1の本体部にはほとんどトルクが作用しない。したがって、本実施の形態の中空管体1の板厚は、地中熱交換体兼用の杭などに比べると薄くすることができることは当然であるが、特許文献2に示したものに比較しても、さらに薄くできる。よって、中空管体1として鋼管を用いる場合は、強度が高いものを使用する必要が無く、腐食により孔があいて水漏れなどがしないような板厚であればよく、外径の1〜５％程度の板厚または2〜10mm程度の板厚で十分である。
【００３０】
中空管体１の下端部には翼付きケーシング３とともに回転・貫入させるために、翼付きケーシング３のトルク、押込み力、引抜き力を伝達するための角柱状の係止突部２１が中空管体１の外面側に突出するように設けられている。この係止突部２１にはある程度のトルクが作用するので、中空管体１の先端部は強度を持たすことが必要であり、例えば板厚を大きくしておくほうがよい。
係止突部２１を設ける位置は、中空管体１の下端部から１Ｄ（Ｄ：中空管体１の径）程度の範囲に設けるのがよい。
また、係止突部２１は、１箇所以上あればよいが、トルクを確実に伝達するため、２〜４箇所程度設けるのが望ましい。なお、係止突部２１を設ける箇所が３箇所未満の場合には中空管体１が安定しない場合があるので、スペーサーなどを設けて、なるべく中心位置で安定して施工するのが望ましい。
中空管体1の下端部は前述したように鋼板などの底板14によって蓋がされるが、この底板14の下面側に地盤への貫入を容易するため、貫入時に土を外側に排土する図5に示すような三角板22を設けたり、掘削刃をケーシングの下部や翼に取り付けたり、先端部をドリル形状にしたりしても良い。なお、この先端部は鋼材で作るのが望ましく、別途鋳造で製作しても良い。
【００３１】
＜着脱機構＞
上述したように、翼付きケーシング３に設けた係合穴９と、中空管体１の下部に設けた係止突部２１によって、ケーシング本体部５と中空管体１を連結したり、切離したりする着脱機構を構成している。
以下、この着脱機構の作用について詳細に説明する。
中空管体１の外側に上方から翼付きケーシング３を嵌装し、係合穴９の脚部１１を係止突部２１の位置に合わせ、その状態で翼付きケーシング３を下方に移動させ、係止突部２１を係合穴９の腕部内に位置させる。この状態で、翼付きケーシング３を、例えば時計回り方向（以下、正方向という）に回転させて係止突部２１を係合穴９の腕部１３の一方の側（図１の右端）に位置させる。これによって、係止突部２１が係合穴９に係止し、中空管体１と翼付きケーシング３は一体に連結される（図１参照）。
【００３２】
この一体に連結された状態においては、翼付きケーシング３を下降または上昇させれば、中空管体１も一体となって下降または上昇する。つまり、翼付きケーシング３の押込み力、引抜き力を中空管体１へ伝達できる。
また、翼付きケーシング３を、正方向に回転させると、翼付きケーシング３の回転トルクが係止突部２１を介して中空管体１に伝達され、中空管体１は正方向に回転する。
また、図１に示す状態から、翼付きケーシング３を反時計回り方向（以下、逆方向という）に回転させると、係止突部２１が係合穴９の腕部内を逆方向に移動して他方の端部（図１の左端）に係止する。この状態でさらに翼付きケーシング３を逆方向に回転させれば、中空管体１を逆方向に回転させることができる。
【００３３】
＜施工方法＞
図６は上記のように構成された中空管体１を、翼付きケーシング３を用いて地中に施工する施工方法を説明する説明図である。
以下、図６及び前述の図１〜図５を参照にしながらこの施工方法を説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、中空管体１を地盤上の埋設予定位置に配置し、この中空管体１に翼付きケーシング３を嵌装して、上述したように中空管体１の係止突部２１をケーシング本体部５の係合穴９に係止させ、中空管体１と翼付きケーシング３を一体に連結する。
そして、翼付きケーシング３の頭部を図示しない接続具を介して施工機械２３の回転モータ２５に接続する。
【００３４】
この状態で、回転モータ２５を正方向に回転して翼付きケーシング３を回転駆動すれば、翼付きケーシング３は翼７のねじ作用により、地中に貫入される（図６（ｂ）参照）。このとき、翼付きケーシング３の回転力および押込み力が伝達部を介して中空管体１に伝達され、中空管体１は翼付きケーシング３と共に地中に貫入される。このように、地中貫入時において、中空管体１も回転するので、図５に示したように、中空管体１の下部に三角板等を設けておくことにより、三角板等の掘削作用により、中空管体１をよりスムーズに貫入することができる。
なお、中空管体１とケーシング本体部５の間には隙間があるが、この隙間はそれほど大きくないため、隙間に土が入ることはなく、隙間に土が入って抵抗になるようなことはない。
施工途中の中空管体１の頭部はフリーとなっており、中空管体１の外周面とケーシング本体部５の内周面が接触する恐れがあるので、これを防止するために中空管体１の外壁あるいはケーシング本体部５の内壁にスペーサなどを適宜設けてもよい。
【００３５】
中空管体１は熱交換体として機能するものであり、杭のように埋設後の状態において先端支持力や周面摩擦力を必要としない。そのため、翼付きケーシング３による地中への回転貫入時において、施工スピードを上げるために逆回転などによって上下動などを頻繁に行って施工しても良い。ただし、土が地上に排出したり、地下水流れを乱したりしないようにする必要がある。
【００３６】
地中熱交換体の全長が長い場合には、図６（ｃ）に示すように、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この例では、中空管体１とケーシング本体部５を各２本連結する例である。図６（ｄ）は、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足した後、回転貫入を行なって所定の深さまで貫入させた状態を示している。
所定の深さまでの貫入が完了すると、中空管体１の係止突部２１とケーシング本体部５の係合穴９との連結を外すべく、翼付きケーシング３に若干の引抜力を与えながら少し回転させることにより、係止突部２１が係合穴９の脚部１１の位置にきたところで、両者の連結が外れる。両者の連結が外れると、翼付きケーシング３を回転させて引き上げることにより、中空管体１をその位置に残して翼付きケーシング３のみを回収することができる（図６（ｅ）、（ｆ）参照）。
なお、翼付きケーシング3を抜いた後の地盤と中空管体1との隙間は、通常は小さいので自然に消滅するが、必要であれば、ケーシング３の引抜き時などに、砂や砂利、それらに水分を混ぜたものや、熱伝導性の良い材料を混ぜた土などをこの隙間に充填することもできる。
【００３７】
中空管体１の施工が完了すると、図７に示すように、熱交換チューブ２７を中空管体１内に挿入し（図７（ａ）参照）、中空管体１内に水を充填すれば（図７（ｂ）参照）、地中熱交換体が完成する。
同様の施工を、複数繰り返して行うことにより、設計された負荷に応じた地中熱交換体群を形成することができる。
なお、各地中熱交換体は相互の熱作用を受けないように１ｍ程度以上離して設置するのが望ましい。また、熱交換チューブ２７をヒートポンプまで配管するとき、日射の影響を受けるので、地中1m程度に埋めるのが望ましい。日射の影響を考慮して、地中熱交換体は建物の北側など日陰に設置すると、日射の影響を受けにくく地中熱を有効に活用することができる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態に係る地中熱交換体の施工方法においては、地盤への貫入機能を有する翼付きケーシング３の内側に中空管体１を配置し、翼付きケーシング３の地盤への貫入と共に中空管体１を地中に埋設してゆき、中空管体１が所定の深さに埋設された後、翼付きケーシング３のみを抜き取るようにしたので、地中へ埋設する工程においては、中空管体１に大きなトルクが作用しないため、中空管体１を形成する部材の厚みを小さくすることができ、コスト低減が可能となると共に熱伝達率がよくなるので熱交換体としては高効率となる。
また、翼付きケーシング３は繰り返し利用できるので、翼付きケーシング３を種々の地盤、例えば硬い地盤にも貫入できるようにするために厚肉のものを製作したとしても、大きなコストアップになることがなく、むしろ作業効率の向上により、コスト低減が可能となる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、先端付近に翼７を取り付けた翼付きケーシング３を用いるので、無排土施工が可能となり、それ故にセメントミルク等を用いる必要がないので、地下水や地盤を汚染することなく環境に優しい。
【００４０】
また、本実施の形態に係る地中熱交換体は、建物や空調機のリニューアルなどで不必要になったり、設置場所を移動したりする必要があるときは、中空管体１を引き抜くことにより簡単に撤去でき、再度別の場所に施工することで地中熱交換体として利用することができる。
中空管体１を引抜が容易にできるようにするために、図８に示すように、中空管体１の内面下部先端部付近に回転トルクおよび引抜き力伝達用の係止突部２９を設けるのが望ましい。係止突部２９は、１個でも複数個でも良い。中空管体１の引抜に際しては、例えば図８に示すように、先端部に係止突部２９に係合可能な係合穴３１を有する引抜き用ロッド３３を用いる。引抜き用ロッド３３の先端に設ける係合穴３１は、翼付きケーシング３に設けた係合穴９と同様のＴ字状のものでよい。なお、係合穴３１や係止突部２９は、中空管体１を引き抜くのに必要なトルクや引抜き力をかけられる構造であれば、どのような形でも良い。
【００４１】
中空管体１の引抜作業は以下のようにして行なう。
まず、中空管体１から熱交換チューブ２７を引き抜き、中空管体１内の充填水をポンプ等でくみ上げ、空となった中空管体１内に引抜き用ロッド３３を挿入する。なお、充填水はくみ上げなくても引抜き用ロッド３３を挿入することはできるが、最初にくみ上げておいた方が作業性がよい。
引抜き用ロッド３３を挿入して、係合穴３１と係止突部２９を係止させ、この状態で引抜き用ロッド３３を地上にある重機のモータで回転させる。これによって、中空管体１と地盤との摩擦の縁が切れ、縁が切れた状態で中空管体１を引き上げれば容易に引き抜くことができる。
【００４２】
中空管体１の引抜に際して、中空管体１の頭部に回転力を作用させることも考えられるが、この場合には中空管体全長に作用する摩擦力が中空管体１に抵抗として作用するため（中空管体１の頭と先端の両方が固定点となるため）、中空管体１の板厚が薄いので、中空管体１と地盤との摩擦の縁が切れる前に中空管体１がねじ切れてしまう危険性がある。特に先端に翼がある特許文献２のものでは、翼の抵抗も大きいため板厚が薄いとねじ切れてしまう。
この点、図８に示すように、中空管体１の下端に回転力を作用させるようにすれば、中空管体１の下端から徐々に摩擦の縁が切れて（杭頭部はフリーで杭先端のみ固定点となる）、それほど大きなトルクが中空管に作用しないので、中空管体１の板厚が薄くても問題ない。
また、周面摩擦の縁が切れれば中空管体１は容易に引き抜けるので、翼付き杭のように翼７が付いていなくても、引抜き作業には支障がない。引き抜いた中空管体１は、別の場所で再度利用することが可能であるので、環境にやさしい方法である。
【００４３】
なお、中空管体１の引抜のための、中空管体１の内面側と引抜き用ロッド３３との着脱機構についても、図８に示したものに限定されず、中空管体１に対して回転力を与えることができ、引抜き用ロッド３３と一体となって上方に移動できるものであれば、他の構造であってもよい。例えば、図９に示すように、中空管体１の内面先端の対向する位置にＴ字状のＴ字突部３５を設け、中空管体１の底面とＴ字突部３５の肩部との間に嵌入できる角部材３７を先端に設けた引抜き用ロッド３９を用いて回転力を与え、かつ引抜くようにしてもよい。また、図１０に示すように、図９のＴ字突部３５に代えてＬ字突部４０を設けてもよい。
【００４４】
また、ケーシング本体５に取り付けられる翼７の例として、上記の実施の形態においては螺旋状の翼を１段設けた例を示したが、本発明に係る翼７はこれに限られるものではなく、その形状としては平板状のものでもよく、また段数としては複数段設けてもよい。
また、翼７はスパイラルオーガのように連続したものでも良いが、これを全長に亘って取り付けると地盤から土が排出されてしまうので、ケーシング本体部５の先端付近に2〜3巻き程度にするのが好ましい。また、翼７は連続したものでなく、先端部や中間部に非連続で取り付けてもよい。
【００４５】
図１１は、翼の形状や段数を種々変更したときの施工時のトルクの変化を調べた実験結果を示すグラフである。横軸は施工時トルク（kN・m）を示し、縦軸は貫入深さ(mm)を示している。グラフ中において、（Ａ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを１段設けた場合、（Ｂ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを連続して３段設けた場合、（Ｃ）は１段目に翼径がケーシング本体径の２倍のものを設け２段目に翼径がケーシング本体径の２．５倍のものを非連続で設けた場合、（Ｄ）は翼径がケーシング本体径の２倍のものを非連続で２段設けた場合である。
図１１から判るように、発明者が実施した模型杭を用いた土槽試験では、１段の螺旋翼よりも連続していない２段の螺旋翼を取り付けた形状の方が、同じ条件で施工時トルクを小さくすることができた。図１２はこのメカニズムを説明する説明図である。１段の翼では、図１２（ａ）に示すように、翼７により上方に送られた土が、側方に移動できないため締め固まり、周方向から鋼管を押しつけることで周面摩擦力が上昇しトルクも大きくなったのに対し、図１２（ｂ）に示すように、非連続の翼７を設けた場合には上部の翼７が再度地盤を攪拌することで周面摩擦力を低減することで施工時トルクも小さくすることができるものと推測できる。このことから、翼７は複数段の非連続で取り付ける形状が施工上は望ましい。
【００４６】
非連続の場合の翼７の間隔は、ケーシング本体部５の外径Ｄ１の1〜5倍程度が目安となる。また、翼７の始端と終端の段差は、杭径の0.1〜1倍程度がよい。さらに、１枚の翼７の円周方向の巻き方は、270°〜450°程度が一般的であるが、土の移動のしやすさを考慮すると、360°以下の方が間隔が大きくなるのでよい。また、さらに翼７の径はケーシング本体部５の径の1．2〜3倍程度がよい。
【００４７】
また、複数段の翼を設ける場合、従来の杭においては、１段目（最下段）の翼径と２段目（上段）の翼径を比較すると、２段目の翼径を大きくしてトルクが大きくなってもより多くの支持力が得られるように形状が決められている。しかし、本発明では支持力を得る必要はなく所定長さの施工ができればよいので、施工時のトルクの減少率が大きくなるように形状を決定すればよい。この点、発明者の実施した実験結果を示す図１１に示されるように、（Ｃ）の場合よりも（Ｄ）の場合の方が施工トルクが小さくなっていることから、１段目と２段目の翼径は同じにしておいた方が施工時のトルクの減少率が大きいことがわかった。
【００４８】
上記の実施の形態においては、ケーシング本体部５を機械式継手接合にした場合において、ボルト１９のみでケーシング本体部５同士を接続する方法として、図４に示したように、機械式継手がケーシング本体部５の内側に張り出す場合を示した。この場合、前述したように、機械式継手が中空管体外面とぶつからないように両者間に十分な距離をとる必要がある。
もっとも、本発明においてケーシング本体部５は、杭のように地盤との間で周面摩擦力を必要としないため、図１３のように機械式継手がケーシング本体部5の外側に張り出す構造にしても問題ない。
【００４９】
また、上記の実施の形態においては、中空管体１と翼付きケーシング３との着脱機構として翼付きケーシング３にＴ字状の係合穴９を設け、中空管体１に係止突部２１を設ける例を示した。
このようなＴ字形状の係合穴９を設けた着脱機構では、ケーシング本体部５と中空管体１を切り離す場合、係止突部２１の脚部１１に位置させるためにケーシング本体部５を中空管体１に対して相対的に回動させる必要がある。比較的緩い砂地盤などでは、ケーシング本体部５と中空管体１が共回りせずに着脱可能であるが、粘土などが付着した場合は、ケーシング本体部５と中空管体１を別々に回すか、中空管体１を固定してケーシング本体部５を逆回転しないと、共回りして切り離しが困難となる。
【００５０】
そこで、図１４に示すように、Ｔ字状ではなく鋼管軸方向のみに切り欠く矩形状の係合穴９１を設けるようにしてもよい。このような矩形状の係合穴９１であれば、ケーシング本体部５と中空管体１を切り離す場合、中空管体１を下方に押し込めばケーシング本体部５から容易に切り離すことができる。
施工時の地盤の硬さによっては、ケーシング本体部５を正回転させたり逆回転させたりすることを繰り返したり、また上下動を行うことで施工性を向上させることがある。上下動を実施したときは、係合穴９１を設けた場合にはＴ字形状の係合穴９の場合と異なり中空管体１の係止突部２１がケーシング本体部５側に引っかかっていないため、地中に中空管体１が落下する可能性がある。そのようなときは、図１５に示すように、係合穴９１やケーシング本体部５と中空管体１の隙間に、あらかじめ粘土やシリコンなどの詰め物４２を詰めておけば、上下動実施時に中空管体１が落下することはない。また、事前の地盤調査で粘性土地盤の存在が確認されていれば、施工時に粘土が自然に詰まって、上下動実施時に中空管体１が落下することはないので、あえて粘土等をつめる作業をしなくても良い。
【００５１】
図１６は図１４に示した係合穴９１を設けた場合の施工方法の説明図である。
以下、図１６及び前述の図１４を参照にしながらこの施工方法を説明する。
まず、中空管体１を地盤上の埋設予定位置に配置し、この中空管体１に翼付きケーシング３を嵌装し、中空管体１の係止突部２１をケーシング本体部５の係合穴９１に係合させる。この状態で、翼付きケーシング３を回転駆動して、翼付きケーシング３を地中に貫入する（図１６（ａ）参照）。
【００５２】
地中熱交換体の全長が長い場合には、図１６（ｂ）に示すように、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足しながら施工する。この例では、中空管体１とケーシング本体部５を各２本連結する例である。図１６（ｃ）は、中空管体１とケーシング本体部５を継ぎ足した後、回転貫入を行なってさらに貫入させた状態を示している。
翼付きケーシング３が所定深度まで到達後、翼付きケーシング３を中空管体１と共に数十cm上方に引き上げ、翼付きケーシング３の下方の地盤を緩い状態にし、この状態で中空管体１を下方に押し込む。これにより、ケーシング本体部５の係合穴９１から中空管体１がはずれ、所定の位置に容易に設置することができる（図１６（ｄ）参照）。
なお、所定深度での地盤が弱い場合は、翼付きケーシング３を引き上げなくても中空管体１を押し込むことはできるが、硬い場合は押し込むために大きな力を必要とするので、逆回転などして翼付きケーシング３を多少上に引き上げた方がよい。翼付きケーシング３と中空管体１は粘土等により接着されているので、逆回転引き上げを行っても中空管体１が勝手にはずれることはなく、このため押し込む作業が必要となるのである。
中空管体１を所定深度に設置した後、翼付きケーシング３を回転させて引き上げることにより、中空管体１をその位置に残して翼付きケーシング３のみを回収することができる（図１６（ｅ）、（ｆ）参照）。
【００５３】
上記実施の形態においては、中空管体１に係止突部２１を設ける例を示したが、図１７（ａ）、図１７（ｂ）（底面側から見た図）に示すように底板１４に係止突部２１を設けて構成してもよい。この場合、ケーシング本体部５の内径に合うように底板１４を取り付ければ、ケーシング本体部５と中空管体１との間に土砂がほとんど入ることが無く、施工に支障を来すこともない。また、係止突部２１を介して底板１４にトルクが作用するため、中空管体１の板厚を大きくしておく必要もない。
また、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）（底面側から見た図）に示すように、ケーシング内面に側面視で略Ｔ字状の係止突部２１ａを設け、底板１４に係止突部２１ａのＴ字の脚部が挿入可能な係止凹部２１ｂを設けるような構成にしてもよい。この場合も、上記と同様の効果がある。さらに、この場合にはケーシングに係合穴９１を設ける必要がないので、大きなトルクが作用するときにケーシングに係合穴９１を設けた場合のように係合穴９１の周りを補強するなどの対応も必要ない。
【００５４】
また、地盤の状況により、底板１４に三角板など掘削機能を有するものが必要なくこれを取り付けない場合は、図１８（ａ）、図１８（ｂ）（上端側から見た図）に示すように係止突部２１、２１ａもなくし、ケーシング本体部５の内部に底板１４の上方向への移動を規制する内面突起４３を設けるようにしてもよい。内面突起４３は離散的に配置してもよいし、連続するリング状にして取り付けてもよい。また必要に応じて、底板１４とケーシング本体部５の内面に粘土などをつめてもよい。
【００５５】
なお、本発明の着脱機構は上記に示したものに限られるものではなく、中空管体１を翼付きケーシング３と一体となって上下に移動可能で、かつ、必要に応じて中空管体１を残置して翼付きケーシング３のみを引き上げることができるものであれば、他の構造であってもよい。
【００５６】
なお、上記の実施の形態においては、中空管体１と翼付きケーシング３を連結することによって中空管体１を翼付きケーシング３の貫入と同時に地中に貫入させるようにしたが、軟弱な地盤の場合は、翼付きケーシング３と中空管体１を連結せずに、中空管体１に別途押込み力を付与することで翼付きケーシング３の貫入に伴って中空管体１を地中に貫入させるようにしてもよい。すなわち、この場合には、翼付きケーシング３のみ回転貫入され、中空管体１は施工機械２３の圧入力で圧入されることになる。このような施工が可能な場合は、翼付きケーシング３と中空管体１との着脱機構を省略できる。
【００５７】
なお、中空管体内に充填するものとしては、水がメンテナンスとコストから有利であるが、地中熱交換器として利用する場合は、熱伝導性が良い物質を選定する方が望ましい。そこで、水に代えてコンクリートやモルタルなどを充填してもよい。コンクリートを充填すれば、水の時より熱交換特性が上昇するので、地中熱交換システムとして効率が上がる。
【００５８】
ただし、この場合には熱交換チューブ２７のメンテナンスが困難となるため、熱交換チューブ２７に不具合が発生した時は、中空管体１そのものを交換する。この場合、中空管体１を地中から引き抜くことになるが、中空管体１の中にコンクリートが中詰めされているため、中空管の板厚が薄くてもトルクによる破損の心配がないため、杭頭部に回転トルクを与えて、容易に引き抜くことができる。そして、引き抜いた場所に新しい中空管を打設すれば、地中熱交換器として再度利用することができる。
【００５９】
確かに、中空管体１にコンクリートなどを充填した場合には水を充填する場合に比較してメンテナンス性が悪くなるとも言えるが、コンクリートは中空管体１の中に収容されているので、特許文献１に記載された地盤に設けた掘削孔内にグラウトを直に注入するもののように、地下水の汚染の危険が無いし、また、上述のように撤去が容易であることから環境にやさしいと言える。
【００６０】
また、中空管体１に充填する他の例として、砂などの土を充填してもよい。この場合には、メンテナンス時に土をウォータージェット等で掻き出す、あるいは掘り出すことで容易に作業ができるので、メンテナンスが可能な態様となる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 中空管体
３ 翼付きケーシング
５ ケーシング本体部
７ 翼
９ 係合穴
１１ 脚部
１３ 腕部
１４ 底板
１５ フランジ
１７ ボルト
１９ ボルト
２１、２１ａ 係止突部
２２ 三角板
２３ 施工機械
２５ 回転モータ
２７ 熱交換チューブ
２９ 係止突部
３１ 係合穴
３３ 引抜き用ロッド
３５ Ｔ字突部
３７ 角部材
３９ 引抜き用ロッド
４０ Ｌ字突部
４２ 詰め物
４３ 内面突起
９１ 係合穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、
地盤への貫入機能を有する筒状のケーシングの内側に前記地中熱交換体を構成する中空管体を嵌装する中空管体嵌装工程と、前記ケーシングの地盤への貫入と共に前記中空管体を地中に埋設してゆく埋設工程と、前記中空管体が所定の深さに埋設された後、前記ケーシングのみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とする地中熱交換体の施工方法。
【請求項２】
ケーシングはその先端部及び／または外周部に翼を有し、埋設工程においてはケーシングを地盤に回転貫入することを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項３】
中空管体嵌装工程はケーシングと中空管体とを連結する連結工程を含み、ケーシング抜取り工程は前記連結を解除する連結解除工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項４】
連結工程はケーシングの下端部に設けた係合穴に、中空管体の下端部に設けた係止突部を係止するものであり、連結解除工程はこの係止を外すものであることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の地中熱交換体の施工方法に用いられる中空管体であって、ケーシングと着脱可能に係止できる係止部を有することを特徴とする地中熱交換体の中空管体。
【請求項６】
中空管体の下端内面に該中空管体に回転力及び／または引抜力を伝達可能な係止部を設けたことを特徴とする請求項５に記載の地中熱交換体の中空管体。
【請求項７】
中空管体が鋼管であることを特徴とする請求項５〜６のいずれか一項に記載の地中熱交換体の中空管体。
【請求項１】
熱交換媒体を収容して地中に埋設されることで地中熱と前記熱交換媒体との熱交換を行なう地中熱交換体の施工方法であって、
地盤への貫入機能を有する筒状のケーシングの内側に前記地中熱交換体を構成する中空管体を嵌装する中空管体嵌装工程と、前記ケーシングの地盤への貫入と共に前記中空管体を地中に埋設してゆく埋設工程と、前記中空管体が所定の深さに埋設された後、前記ケーシングのみを抜き取るケーシング抜取り工程とを備えていることを特徴とする地中熱交換体の施工方法。
【請求項２】
ケーシングはその先端部及び／または外周部に翼を有し、埋設工程においてはケーシングを地盤に回転貫入することを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項３】
中空管体嵌装工程はケーシングと中空管体とを連結する連結工程を含み、ケーシング抜取り工程は前記連結を解除する連結解除工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項４】
連結工程はケーシングの下端部に設けた係合穴に、中空管体の下端部に設けた係止突部を係止するものであり、連結解除工程はこの係止を外すものであることを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換体の施工方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の地中熱交換体の施工方法に用いられる中空管体であって、ケーシングと着脱可能に係止できる係止部を有することを特徴とする地中熱交換体の中空管体。
【請求項６】
中空管体の下端内面に該中空管体に回転力及び／または引抜力を伝達可能な係止部を設けたことを特徴とする請求項５に記載の地中熱交換体の中空管体。
【請求項７】
中空管体が鋼管であることを特徴とする請求項５〜６のいずれか一項に記載の地中熱交換体の中空管体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−２２８４１８（Ｐ２００９−２２８４１８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４９６８（Ｐ２００９−４４９６８）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（５０５２１４１２４）ＪＦＥ鋼管株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（５０５２１４１２４）ＪＦＥ鋼管株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
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