JP4333359B2

JP4333359B2 - 地熱利用鋼管杭

Info

Publication number: JP4333359B2
Application number: JP2003432475A
Authority: JP
Inventors: 正宏林; 和臣市川; 敏雄篠原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005188866A

Description

本発明は、例えば、構造物の基礎杭である鋼管杭を地熱交換器として利用した効率のよいねじ込み式の地熱利用鋼管杭に関するものである。

例えば、構造物の基礎杭を地熱交換器として利用することは従来から提案されており、海外においては多くの実績を有している。地中の温度は年間を通して安定しているため、夏には冷熱源として、また冬は温熱源として利用することが可能である。

この種の技術として、コンクリート製中空杭の本体内に、熱媒体が流動する往路パイプと復路パイプとを交互に巻回した螺旋状の熱交換パイプを埋設した熱交換杭がある。
この熱交換杭によれば、熱媒体が流動する往路パイプと復路パイプを交互に巻回した熱交換パイプを本体内に埋設したので、吸熱面積が増大して地熱吸収効率が向上するとしている（例えば、特許文献１参照）。

また、先端が開口した土木建設用の管状杭を、地上から地中に進行させて設置施工したときに、その杭の内部に生じる空洞に熱媒を器内通過させる対地熱交換器を杭上端部から挿入して配置し、その後、その杭の内部に固形及び固形性の充填剤を充填するようにした対地熱交換設備の製造方法が提案されている。
この方法によれば、対地熱交換器を地中に設置するための専用縦坑の掘削が不要になり、従来に比べて対地熱交換設備の設置コストを低減できるとしている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、回転圧入鋼管杭を地中に回転圧入し、この回転圧入鋼管杭の先端又は途中に底蓋を設けて密封することにより貯水可能とし、回転圧入鋼管杭の内部（水槽）に注水配管、取水配管を設置するようにした回転圧入杭を用いた地中埋設温度成層型蓄熱水槽が提案されている。
この水槽は、回転圧入鋼管杭を回転圧入することにより地中に埋設できるため、掘削の必要がなく、施工コストが安価となり、基礎杭としても高い支持力が得られるとしている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−３３６００８号公報特開２００３−１４８０７９号公報特開２００３−２４７７９２号公報

特許文献１の熱交換杭は、コンクリート製中空杭の内部に熱交換パイプを設置し、コンクリートを介して地盤から熱伝達を行うため、直接地盤から吸熱する場合に比べて熱効率が悪い。また、コンクリート杭であるため施工時に排土が出てその処理に問題がある。
また、特許文献２の管状杭は、先端開口部が開口されているのでほとんどの地盤では管内に土砂が入り込むため、その処理が面倒である。また、対地熱交換器は杭施工後に設置しなければならないので、小径の管状杭の場合は設置が困難である。さらに、空気を熱交換媒体としているが、水などに比べると比熱が低いため、熱媒体としての効率が悪い。

特許文献３は、注水配管及び取水配管を杭施工と同時に回転圧入鋼管杭の水槽内に設置し、施工後は基礎杭としても利用することができるが、水を水槽内に充満させなければならず、メンテナンス時の水の入れ替えが困難である。また、通常の鋼管を用いた回転圧入鋼管杭は、施工時に作用するトルクなどの外力に耐えるために、大きな板厚の鋼管を用いなければならないので、経済的でない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、地熱交換器を構成する熱交換用パイプを杭体外周面に設置することにより、熱効率が向上し、杭体に作用する外圧に対して補強の働きをすることができるねじ込み式の地熱利用鋼管杭を提供することを目的としたものである。

本発明に係る地熱利用鋼管杭は、鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式鋼管杭を有し、前記翼の傾斜及びピッチにほぼ対応して前記ねじ込み式鋼管杭の外周面に熱交換用パイプを螺旋状に巻装したものである。

また、本発明に係る地熱利用鋼管杭は、鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式鋼管杭を有し、該ねじ込み式鋼管杭の外周面に螺旋状の多段翼を設け、該多段翼のつけ根部に沿って熱交換用パイプを設置したものである。

前記熱交換用パイプに、保護カバーを設けた。
前記ねじ込み式鋼管杭の杭頭部を拡径し、該拡径部の外周面に前記熱交換用パイプを巻装した。

本発明に係る地熱利用鋼管杭は、ねじ込み式鋼管杭の外周面に熱交換用パイプを巻装し、地盤と直接熱交換を行うようにしたので、効率よく地熱を利用することができる。
また、熱交換パイプに保護カバーを設けたので、この保護カバーが杭体を補強する役目を果たすため施工時に杭体の変形や破損を防止することができ、経済的な設計を行うことができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。
図において、２はねじ込み式鋼管杭（以下、単に鋼管杭という）で、鋼管３（以下、杭体ということがある）と、この杭体３の先端部に傾斜してあるいは螺旋状に取付けられた先端翼４とからなっている。なお、図には杭体３の先端開口部を先端翼４で閉塞した場合が示してある。１０は例えば鋼材からなり、杭体３の外周面に巻回されて内部に熱媒体（例えば、水などの熱交換率のよい流体）が充填されて流動する熱交換用パイプで、これらにより、地熱利用鋼管杭１を構成している。

鋼管杭２を構成する先端翼４は、図には、杭体３の先端部をほぼレ字状に切除して２つの取付部を設けると共に、杭体３の外径より大径（例えば、杭体３の外径の２倍程度）の鋼製円盤を２分割して半円状の翼板を形成し、この翼板を杭体３の取付部に、先端開口部を覆って溶接により傾斜して取付けて形成したものを示してあるが、例えば、杭体の先端部近傍の外周にドーナツ状の鋼板を分割した翼板あるいは螺旋状板を取付け、杭体の先端開口部はそのまま開口し、又は底板を取付けて閉塞するなど、本発明においては、先端翼４の形状、構造、取付位置さらには杭体の先端開口部の開閉の有無等について特に限定するものではなく、必要とする施工性と鉛直支持力特性を満足できるものであればよい。

熱交換用パイプ１０は、杭頭部から杭体３の外周面に沿ってほぼ鉛直に下降し、途中から下方に向って所定の間隔で杭体３の外周面に螺旋状に巻回され、下部で折返えして上記の間隔の間を上方に向って杭体３の外周面に螺旋状に巻回されたのち、杭体３の外周面に沿ってほぼ鉛直に上昇させたものである。そして、熱交換用パイプ１０は、杭体３の外周面に溶接などにより完全に接着固定される。なお、熱交換用パイプ１０の両端部１０ａ，１０ｂは杭頭部から外部に引き出され、ポンプを介して空調機器（共に図示せず）に接続される。

この熱交換用パイプ１０は、施工にあたっては鋼管杭２と一体になって回転しながら地中に貫入される。この場合、熱交換用パイプ１０の杭体３への取付けの傾きを、先端翼４の傾きとほぼ一致させると共に、そのピッチを先端翼４のピッチ（杭体３の１回転あたりの段差）とほぼ一致させておき、施工時に杭体３の貫入が先端翼４のピッチ通りに入れば、熱交換用パイプ１０にはそれ程大きな外力は作用しない。しかし、軟弱地盤以外のある程度の硬さをもつ地盤では、鋼管杭２は先端翼４のピッチ通りに貫入することは少ないため、熱交換用パイプ１０にある程度の外力が作用することは避けられないと考えられる。このため、熱交換用パイプ１０が変形したり破損したりするのを防止するために、剛性の高い熱交換用パイプ１０を杭体３に確実に接合することが望ましい。

また、一般に、地中温度は地表より約６ｍ以上深ければほぼ一定であるとされており、地表から深さ約６ｍまでの区間はあまり熱交換効率が良くないと考えられる。そのため、地表より約６ｍ以上深い位置で杭体３の外周面に熱交換用パイプ１０を巻装することが望ましく、地表から約６ｍ深さまでの区間は、熱交換用パイプ１０を杭体３の外周面に沿って鉛直に配置しても、熱交換効率にはほとんど影響しない。

上記のように構成した地熱利用鋼管杭１は、その杭頭部が地上に設けた施工機械に連結され、回転駆動されて先端翼４により杭先端部近傍の地盤を掘削軟化しながら、先端翼４の木ねじ作用により地中に貫入され、所定の深さに埋設される。このとき、螺旋状に巻かれた熱交換パイプ１０は、リブの役目を果たして鋼管杭２の貫入推進力に寄与し、周辺の土砂を杭体３の側方に排土したときに作用する受動土圧に対しては杭体３の補強の役目を果たす。また、杭体３の回転時のトルクや押込み力、引抜き力などによるねじり座屈などに対する補強としての効果があり、さらに、熱交換用パイプ１０の突出により周面摩擦力の向上にも寄与する。

地中に埋設された鋼管杭２の外周面に設けた熱交換用パイプ１０内には熱媒体が充填され、この熱媒体は熱交換用パイプ１０内を一端１０ａから他端１０ｂに流動（循環）し、地熱と熱交換される。
本実施の形態においては、杭体３の外周面に設けられた熱交換用パイプ１０は地盤と直接接触しているので、放熱、吸熱効率の高い地熱利用鋼管杭１を得ることができる。また、熱交換用パイプ１０は、あらかじめ工場等で杭体３に設置できるので、施工後の手間を省くことができる（以下の実施の形態においても同様である）。

［実施の形態２］
図２は本発明の実施の形態２に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、建造物の基礎であるフーチング２０に地熱利用鋼管杭１を接合したものである。

基礎杭は、通常、杭頭部付近に水平力による大きな曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは杭径や外力にもよるが、通常の杭はある深度（例えば、１０ｍ）より下方では非常に小さくなるため、杭体に作用する力としては鉛直力のみを考慮すればよい。
そこで、本実施の形態においては、この地熱利用鋼管杭１を基礎として使用する場合は、熱交換用パイプ１０をこの曲げモーメントによる作用を無視できない区間より下方（地表から約１０ｍより深い位置）の杭体３に設けて、曲げモーメントによる変形や破損の発生を防止し、それより上方において熱交換用パイプ１０の両端部１０ａ，１０ｂを杭体内に引き込み、杭頭部から外部に取出すようにしたものである。前述のように、地表から約６ｍ深さまでの区間は熱交換効率が低いので、熱交換用パイプ１０の上部を杭体内に引き込んでも熱交換効率に影響を与えることはない。

本実施の形態において、先端開口部を閉塞した鋼管杭２の場合は、先端翼４で掘削した土砂が杭体内に侵入しないので、熱交換用パイプ１０を杭体内に引き込んでも問題はない。先端開口部が開口された鋼管杭２の場合でも、土砂が杭頭部付近まで侵入することはほとんどないため問題はないが、若し、土砂が杭頭部付近まで上昇するおそれがある場合は、杭体内に蓋等を設けて土砂の上昇を抑えればよい。

本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の作用により、ほぼ同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態（熱交換用パイプ１０の上部を杭体内に引き込むこと）は、実施の形態１及び以下に説明する他の実施の形態にも実施することができる。

［実施の形態３］
図３は本発明の実施の形態３に係る地熱利用鋼管杭の模式図及び要部の説明図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態１，２に係る地熱利用鋼管杭１の熱交換用パイプ１０の外周面に、例えば形鋼（図には、山形鋼の場合が示してある）などの鋼材により保護カバー１１を設けたものである。

この保護カバー１１は、比較的剛性の大きい形鋼からなり、杭体３の外周面に螺旋状に巻かれた熱交換用パイプ１０を覆って、杭体３の外周面に溶接により接合したもので、先端翼４のピッチに合わせて傾けて設置するのが望ましいが、これより粗いピッチにしても差支えない。

本実施の形態によれば、実施の形態１の場合とほぼ同様の作用、効果が得られるが、さらに、熱交換用パイプ１０を覆って保護カバー１１を設けたので、熱交換用パイプ１０が土圧などにより変形したり破損したりするおそれがなく、また、このため比較的剛性の低い熱交換用パイプ１０を使用することができる。
また、保護カバー１１を設けたことにより、杭体周面部の推進力が増大し、先端翼４だけの場合に比べて鋼管杭２の貫入性能が向上する。
さらに、保護カバー１１は杭体３の補強の役目を果たすため、施工の際に土砂を側方に排土したときに作用する受働土圧に対抗でき、また、杭体３の回転貫入時のトルクや押込み力、引抜き力などの外力によるねじり座屈にも対応できる。また、共用時には、保護カバー１１により大きな周面摩擦力を得ることができる。

なお、図示してないが、杭体の外周面に設けた熱交換用パイプ１０の少なくとも螺旋状に巻装した部分を覆うように、円筒状の外管を配置してこの部分を二重管構造とし、熱交換用パイプ１０を外力等から保護するようにしてもよい。

［実施の形態４］
図４は本発明の実施の形態４に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、杭体３の外周面に複数段の螺旋状翼１２を設け、この螺旋状翼１２のつけ根部の上面に沿って熱交換用パイプ１０を設置し、鋼管杭２の施工にあたって熱交換用パイプ１０を外力から保護するようにしたものである。

この螺旋状翼１２は外径が実施の形態１の先端翼４とほぼ等しいか又はこれより大きいものを用いてもよいが、熱交換用パイプ１０を保護することを考えれば、前記先端翼４より小径のものでもよく、先端翼４と同じ傾斜、同じピッチで鋼管３の外周面に溶接等により取付けられる。
そして、熱交換用パイプ１０を螺旋翼１２のつけ根部の上面に沿って杭体３の外周面に巻回し、杭体３若しくは螺旋状翼１２又は両者に溶接や接着剤などにより接着され、固定される。このとき、熱交換用パイプ１０の両端部は、杭体３の外周面に沿って外部に取出してもよく、あるいは杭体３内に引き込んで外部に取出してもよい。

本実施の形態によれば、実施の形態３の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。なお、先端翼４と螺旋状翼１２の両者の木ねじ作用により地中に貫入されるので、推進力は大きくなるが螺旋状翼１２を設けた分だけ大きなトルクが必要になる。また、螺旋状翼１２はスクリュー状のため、地中への貫入に際して土砂を上方に押上げるおそれがあるので、無排土で施工するためには、鋼管杭２を逆転させながら施工するなどの工夫が必要である。なお、先端翼１２を省略し、螺旋状翼だけで鋼管杭２を地中に貫入するようにしてもよい。

［実施の形態５］
図５は本発明の実施の形態５に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、先端部に先端翼４が取付けられた鋼管からなる下杭３ａと、この下杭３ａの上端部にこれより大径の鋼管からなる上杭３ｂを、上杭３ｂの外径とほぼ等しい外径の円形鋼板５を介して接続して鋼管杭２を構成し、上杭３ｂの外周面に熱交換用パイプ１０を巻装したものである。

熱交換用パイプ１０は、杭体３が水平力による曲げモーメントによる作用が無視できない区間より下方において上杭３ｂの外周面に巻装することが望ましいので、上杭３ｂの長さを例えば１０ｍ以上とし、１０ｍより深い位置に熱交換用パイプ１０を設ける。そして、杭頭部から例えば６ｍ、あるいは５Ｄ（Ｄは上杭３ｂの外径）程度下方において、熱交換用パイプ１０の両端部を上杭３ｂ内に取込むことが望ましい。

本実施の形態によれば、大きい先端翼４により大きな先端支持力を得ることができ、また、水平力には上杭３ｂ（拡頭部）の大きな杭断面で抵抗できるので、外力に対してバランスのよい地熱利用鋼管杭１を得ることができる。
さらに、上杭３ｂは大径のため、その外周面に巻かれた長い熱交換用パイプ１０により、通常の地熱利用鋼管杭（例えば、実施の形態１の地熱利用鋼管杭）に比べて大きな放熱、吸熱効果を得ることができる。

図６は本実施の形態の他の例を示す模式図である。
図６（ａ）は、下杭３ａとこれより大径の上杭３ｂを、上杭３ｂ及び先端翼４より大径の円形鋼板若しくはドーナツ状鋼板を複数に分割した翼板、又は螺旋状翼からなる継手翼６を介して接続し、一体化したもので、その他の構成は図５の場合と同様である。
本例においても図５の場合とほぼ同様の効果が得られるが、さらに、先端翼４より大径の継手翼６を設け、両者の木ねじ作用により地中に貫入されるので、より大きい推進力及び地盤支持力を得ることができる。

また、図６（ｂ）は、下杭３ａとこれより大径の上杭３ｂとを、テーパー管７により接続して一体化したもので、その他の構成は図５の場合と同様である。
本例においても図５の場合とほぼ同様の効果が得られるが、さらに、下杭３ａと上杭３ｂを徐々に拡径するテーパー管７で接続したので、地盤への貫入をスムーズに行うことができる。なお、本実施の形態における下杭３ａと上杭３ｂとの接続は上記の例に限定するものではなく、他の手段を用いてもよい。
また、推進力を増大させるため、杭３ａや上杭３ｂまたはテーパー管７に、板状あるいは螺旋状の翼を設けてもよい。

次に、本発明の実施例につき、実施の形態１に係る地熱利用鋼管杭を参照して説明する。
ねじ込み式鋼管杭２を構成する鋼管３は、外径１０００ｍｍ、板厚１４ｍｍ、長さ３０ｍで、先端部にほぼレ字状の２つの取付部を設けて、この取付部に、外径２０００ｍｍ、板厚６０ｍｍの円形鋼板を２分割した翼板を傾斜して取付けて、先端翼４を設けたものである。

熱交換用パイプ１０は、外径４０ｍｍ、肉厚４ｍｍの鋼製パイプからなり、一端を杭頭部に保持して鋼管３の外周面に沿ってほぼ鉛直に下降させ、杭頭部から１０ｍ下ったところで先端翼４の傾斜及びピッチに合わせて、鋼管３の外周面に沿って下方に向って螺旋状に巻回し（以下、この部分を往路側という）、４０回巻いたところで折返して往路側のパイプの間に沿って上方に向って巻回した。そして、杭頭部から１０ｍ下ったところで巻回をやめ、鋼管３の外周面に沿ってほぼ鉛直に上昇させ（以下、この部分を復路側という）、往路側と復路側のパイプの先端を外部に取出して接続具により仮接続し、地熱利用鋼管杭１を構成した。

この状態で、地熱利用鋼管杭１の杭頭部を地上に設けた施工機械に連結し、杭体を回転駆動して先端翼４の木ねじ作用により地中に貫入し、所定の深さに達したときは施工機械を取外した。このとき、鋼管３の先端部近傍の土砂は先端翼４により掘削軟化され、鋼管３の側方に移動して圧縮される。
施工にあたっては、鋼管３の外周面に熱交換用パイプ１０が設けられているが、この熱交換用パイプ１０は螺旋状に巻かれているため鋼管杭２の推進に寄与するので、熱交換用パイプ１０が設けられていない同じ構造のねじ込み式鋼管杭とほぼ同じトルク、ほぼ同じ時間で施工することができた。

次に、熱交換用パイプ１０の往路側と復路側の端部をポンプ（図示せず）を介して接続し、熱交換用パイプ１０内に熱媒体である水を充填した。そして、ポンプにより熱交換パイプ１０内の水を循環させたところ、当初２５℃の水が２０分後には１５℃となり、以後この水温が安定して維持された。

本発明に係る地熱利用鋼管杭１は、一般的な地熱交換システムとしての熱交換用パイプ１０を地中に設置する場合を実施することができ、また、建造物の基礎杭を兼ねて地熱交換システムに実施することもできる。

本発明の実施の形態１に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。本発明の実施の形態２に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。本発明の実施の形態３に係る地熱利用鋼管杭の模式図及び要部の説明図である。本発明の実施の形態４に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。本発明の実施の形態５に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。実施の形態５の他の例の模式図である。

符号の説明

１地熱利用鋼管杭、２ねじ込み式鋼管杭、３鋼管（杭体）、３ａ下杭、３ｂ上杭、４先端翼、５円形鋼板、６継手翼、７テーパー管、１０熱交換用パイプ、１１保護カバー、１２螺旋状翼。

Claims

鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式鋼管杭を有し、前記翼の傾斜及びピッチにほぼ対応して前記ねじ込み式鋼管杭の外周面に熱交換用パイプを螺旋状に巻装したことを特徴とする地熱利用鋼管杭。
鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式鋼管杭を有し、該ねじ込み式鋼管杭の外周面に螺旋状の多段翼を設け、該多段翼のつけ根部に沿って熱交換用パイプを設置したことを特徴とする地熱利用鋼管杭。
前記熱交換用パイプに保護カバーを設けたことを特徴とする請求項１記載の地熱利用鋼管杭。
前記ねじ込み式鋼管杭の杭頭部を拡径し、該拡径部の外周面に前記熱交換用パイプを巻装したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地熱利用鋼管杭。