2ポート衝撃掘削機

本発明は、埋設管を敷設するための方法および装置に関する。特にパイプがヒートポンプを用いる暖房または冷房システムの一部を形成する場合、すなわち、地熱つまり地中熱源ヒートポンプシステムに関する。

ヒートポンプ式暖房システムは、暖房の手段としてますます普及してきている。それらは、地面から熱エネルギを引き出して集め、たとえば、建物または他の空間を暖めるために転送することによって機能する。システムを逆に作動するよう構成することも可能であり、それによって熱は建物から引き出されて地面に伝導される(すなわち、建物の冷房システムとして)。どちらの構成においても、熱エネルギは、地中に敷設された熱伝導性のループパイプを通して、地面とポンプ装置の間で伝達される。パイプは流体を含んでおり、流体はポンプによって循環されて、熱エネルギはシステムを巡って伝達される。代表的な閉ループシステムにおいて、流体は水と不凍液の溶液である。

熱伝導性管は、現地へのアクセス、土壌の種類、建物の近接性、または敷地境界等の要素に依存して、種々の配列で地中に敷設されてよい。パイプはほぼ水平になるように設置してよく、この場合、後で埋められるオープントレンチ内に敷設してよい。代替的方法として、パイプは、従来の衝撃掘削または穿孔技術により作られた地中の穴に配置されてもよい。この場合、穴の遠位端へのアクセスは、たとえばその中に穴が出現する立坑によって実現できる。たとえば限られた敷地内にとどめるために、パイプを水平ではなく、ある一定の角度で下方に(場合によっては垂直下方に)突き出す穴の中に配置することが望ましい場合がよくある。これらの穴は100メートルを超える非常に深いものであってもよく、一般に地上レベルの入口地点に配置する必要のある、高価で扱いにくい機器を含む穿孔技術によって作られる。この場合、明らかに穴の他端部へのアクセスは不可能であり、そのため、穴が用意された後、完成された暖房システムにおいて流体を穴の中に循環させて再び戻すことができるように、コンパクトな180°エルボでその端部を接続された一対のパイプが穴の中に挿入される。

遠端へのアクセスがない穴を生成するために現在用いられている方法は、高価で扱いにくい穿孔機類の使用を必要とする。費用がとても高価であるか、あるいは穿孔機械がアクセスできない場合が多い。たとえば、密集した都市部では暖房すべき場所の周囲の露出した地面へのアクセスがほとんどまたはまったくない場合や外部の地面がまったくない場合があるため、唯一の現実的な解決策は建物自体の内部(たとえば、地階)から地面に入ることである。(インパクトモールまたは土壌撤去ハンマとしても知られる)衝撃掘削機は、最初にトレンチを掘ることなく、パイプまたはケーブルを地下に敷設することが必要とされる場合に用いることのできる空気圧駆動装置である。最も一般的には、車道または同様の障害物の下を水平に通過するために用いられ、衝撃掘削機は通常1つの立坑側に配置され、出現するように意図された同じの深さの離れた位置にある立坑を目指す。掘削機は後部に取り付けられた圧縮空気ホースから供給される圧縮空気によって駆動される。かなりの質量を有する内部のピストンが掘削機の管状ケーシング内で急速に前方に移動させられ、そしてピストンはケーシングの前方端に衝突してケーシングを前方に駆動し、その過程でケーシング周囲の地面を動かす。内部の弁は、ピストンがケーシング内の前方位置に衝突して、少ないエネルギでケーシング後部に戻され、その時点でその動程が阻まれるように、配置されている。次に排気が掘削機背後の空洞に排出されて、サイクルが繰り返される。内部ピストンの後方への動程およびそれに続く逆転中に消散されるエネルギが、ケーシングとその周囲の圧縮された土壌の間の摩擦に打ち勝つには不十分なため、ケーシングはサイクルのこの部分では後方へ移動しない。

米国特許第5,161,626号明細書には、地熱井を沈めるための掘削機の利用が説明されている。掘削機は3ポートを有し、その結果、後方の3本のパイプを地中に引っ張る。

本発明の第1の態様によれば、地熱ヒートポンプ装置のための、第1パイプおよび第2パイプを含む地面ループを挿入するための衝撃掘削機であって、衝撃駆動機構と、地面ループの挿入中に、第1パイプから駆動流体を受け取り、それを駆動機構に届けるための、第1パイプに接続可能な第1流路と、地面ループの挿入中に、駆動機構からの駆動流体を、第2パイプを通して排出するための、第2パイプに接続可能な第2流路と、第1流路と第2流路を接続する接続部であって、地面ループの挿入中に駆動流体の第1流路から第2流路への流れを制限するが、反対方向の流れを可能にする逆止め弁を含むように配置される接続部と、を含む掘削機が提供され、それによって挿入後、ヒートポンプ装置の使用中に、地面ループは第1および第2パイプ、第1および第2流路、および接続部を含む。

この配置によって、ヒートポンプシステムの使用中、この弁は熱交換流体の第2流路から第1流路への流れを可能とすることができる。これによって、同一の2つのパイプが挿入中は掘削機を駆動するために使われ、ヒートポンプ装置の使用中は地面ループを構成するために使われることが可能となる。逆止め弁は、掘削機の2つの役割を支える単純だが効果的な方法を提供する。それによって、挿入完了後の追加変更なしで、地面ループをヒートポンプシステムに接続することができる場合がある。このことは、たとえば、熱交換流体を駆動流体と反対方向に循環させれば可能である。この場合、熱交換流体自体が唯一必要な形状変化、すなわち逆止め弁の開放を自動的に引き起こす。

チャッキ弁または一方向弁としても知られる逆止め弁は、一方向の流体流れは可能とするが、逆方向の流体流れは実質上防ぐように設計されている。

掘削機は、第1および第2流路それぞれが衝撃駆動機構と流体連結している第1形状と、第1および第2流路のうち少なくとも1つが駆動機構から隔離されている第2形状を有するのが好ましい。

挿入の完了後において駆動機構が1つの流路と隔離されている場合、ヒートポンプシステムの使用時に駆動機構は熱交換流体で満たされてもよいが、流体の貫流はないであろう。

第2形状においては、第1および第2流路の両方が駆動機構から隔離されているのが好ましい。

駆動機構が両方の流路から隔離される場合、熱交換流体は駆動機構にはまったく入らない。つまり、掘削機の前部、すなわち駆動部分は、地面ループ内で循環する熱交換流体から完全に隔離されるであろう。

掘削機は、第1流路および第2流路のうち少なくとも1つに投入された物体の受け取りに応えて第1形状から第2形状に切り替わるように構成してよい。

このことは、隔離を達成するための1つの有利な方法である。投入された物体は駆動機構への流路を塞いでシールできる。物体はゴムまたはプラスチック製のボールまたは栓でよい。

第1流路および第2流路のうち少なくとも1つは、物体を受け取り、それによって駆動機構からの流路を隔離するように構成された狭窄部を含んでよい。

逆止め弁は、接続部内において接続部の中心をはずして配置された旋回軸に取り付けられ、第1流路における正流圧に応じて接続部を塞ぐように回転可能であり、かつ第2流路における正流圧に応じて接続部を開くように回転可能であるフラップを含んでよい。

この形式の逆止め弁は、時にはスイング逆止め弁または傾斜ディスク逆止め弁と呼ばれる。旋回軸は1つまたは複数のトラニオンを含んでよい。旋回軸は、流体の圧力によって旋回軸の両側のフラップ部分に不均等な力が作用するように、流れ方向に対して垂直な平面において接続流路の中心をはずして配置されている。したがってフラップは旋回軸に関して非対称である。この非対称なフラップを収容するため、旋回軸は第1および第2流路のどちらかにより近く、すなわち、接続部の一方により近くに配置してよい。このことによって、弁の開放時にフラップのより大きい方を収容できるようにしてよい。

逆止め弁は、第1流路から第2流路への流体流れを防止する第1形状と、第2流路から第1流路への流体流れを可能とする第2形状とを有することが好ましい。

第1形状は、第1流路において正圧(第2流路に対して)をかけることによって選択される。第2形状は、第2流路において正圧(第1流路に対して)をかけることによって選択される。

逆止め弁は、当初は第1形状で供給されてよく、かつ第2形状でロックするように構成されてよい。

いくつかの実施形態において、逆止め弁はその開放形状でロックしてよい。たとえば、弁は掛け金手段によってその開放形状で保持または付勢してよい。このことは、いったん開かれると、弁は再度閉じずにどちら向きの流れも可能とすることができることを意味してもよい。言い換えれば、弁の第1(閉鎖)形状から第2(開放)形状への切り替えは通常の使用において不可逆であろう。

上述の掘削機と、掘削機の第1流路および第2流路のうち少なくとも1つへ投入される少なくとも1つの物体を含む部品キットも供給される。

本発明の別の態様によれば、上述の衝撃掘削機を用い、地熱ヒートポンプシステムのための、第1パイプおよび第2パイプを含む地面ループを挿入および使用する方法であって、掘削機を地中に駆動するために、第1パイプを通して掘削機の第1流路に駆動流体を供給するステップと、掘削機が所望の距離を駆動された後、第2パイプを通して第2流路に熱交換流体を供給するステップを含む方法が提供され、それによって熱交換流体は第2パイプを通って第2流路に流入し、接続部を通り、第1流路から第1パイプを通って流出する。

本発明のさらなる態様によれば、上述の衝撃掘削機を用いる、地熱ヒートポンプシステムのための、第1パイプおよび第2パイプを含む地面ループを挿入および使用する方法であって、掘削機を地中に駆動するために、第1パイプを通して掘削機の第1流路に駆動流体を供給するステップと、掘削機が所望の距離を駆動された後、第2パイプを通して第2流路に流体を供給することによって、逆止め弁を不可逆的に第2形状に切り替えるステップと、その後、熱交換流体を第1パイプ、第1流路、接続部、第2流路、第2パイプにどちらか一方向から循環させるステップを含む方法が提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、上述のような衝撃掘削機を用いる、地熱ヒートポンプシステムのための、第1パイプおよび第2パイプを含む地面ループを挿入する方法であって、掘削機を地中に駆動するために、第1パイプを通して掘削機の第1流路に駆動流体を供給するステップと、掘削機が所望の距離を駆動された後、第1流路および第2流路のうちの少なくとも1つに物体を投入して掘削機を第2形状に切り替えるステップを含む方法が提供される。

掘削機を第2形状に切り替えるステップには、駆動流体の力のもとで第1流路に第1物体を投入することと、その後、駆動流体の力のもとで第2流路に第2物体を投入することを含んでよい。

第1流路を最初に隔離するのが有益であってもよい。第1物体が投入されて掘削機の駆動機構への流路を塞ぐとき、駆動流体の正圧が逆止め弁を閉じたまま保つのに役立ち、物体を前方に押してより密封度の高いシールを形成する。次に、第2物体が第2流路に投入される。第2流路の正圧が、第2物体を駆動して流路を塞ぐと同時に逆止め弁を開く傾向がある。第2物体が所定の位置におさまった時点で、掘削機の駆動機構は完全に隔離される。逆止め弁がまだ開かれていない場合、弁を開くのに十分な圧力となるまで駆動流体の圧力が増加するであろう。

したがって、弁は第2流路の比較的高い圧力に応じてのみ開くように設計してよい。この弁は、いったん比較的高い圧力で開かれると、第2流路に到着する熱交換流体の比較的低い圧力でも弁を開いたままに保つのに十分であるように設計してもよい。

その代わりに、またはそれに加えて、開くと掛け金がかかるように弁を設計してもよい。この意味で、いったん開かれるとどちらの方向の流体流れも可能としてよいため、この弁は使い捨ての逆止め弁とみなしてよい。

本発明の別の態様によれば、頭部と本体を含み、頭部は本体より幅の広い部分を含む衝撃掘削機が提供される。すなわち、頭部は少なくとも1つの長手方向断面から見て本体より幅広い。

そのような掘削機は、垂直下方か地面に斜め下方に掘削するのに特によく適合している場合があるが、それはそのような環境においては掘削機本体に対する摩擦を減らすのが好ましいことがあるからである。反対に、水平に掘削する場合は、一定の最低限度レベルの摩擦を維持するのが通常好ましいと思われるが、それはピストンがそのスタート位置に戻るときに、摩擦力が、掘削機が後方に移動するのを防ぐからである。下向きに掘削する場合、重力が代わりにこの役割を果たすことができる。

本発明の別の態様によれば、衝撃駆動機構と駆動機構のまわりのケーシングを含む衝撃掘削機において、駆動機構が、ケーシング内で滑動可能であり、かつチャンバを有するピストンと、ピストンを駆動するために駆動流体をチャンバに導くためのステムであって、好ましくは全体的または部分的にプラスチック材料で形成されるステムを含む、衝撃掘削機が提供される。

プラスチック材料が本質的に同等の金属部品と比較してより大きな柔軟性を有していることは、使用時において衝撃駆動機構を固着させることなく、可動および固定部品の製作公差を大きくできることを意味している。これによって、供給された所定の容積および圧力の駆動流体でより大きな効率性、たとえばより大きな移動距離が可能となることがある。

ピストンのチャンバは、その下端またはその近傍に、ケーシング内部のピストンチャンバ内に集積することのある液体を排出可能とするための開口を含んでよい。

駆動機構まわりのケーシングは、掘削機の使用時にケーシング内部のボトムエンドまたはその近傍の位置から液体を排水することを可能とするための流路を含んでよい。その流路は、掘削機の外部からの液体の流入を制限する一方で、掘削機からの液体の排水を可能とするため、一方向弁を含むことが好ましい。

より大きな成果をあげるため、本発明の異なる態様を組み合わせてよい。

添付図面を参照して、つぎに本発明を実施例として説明する。

本発明の一実施形態による衝撃掘削機械の斜視図を示す。

第1(閉鎖)形状にある逆止め弁を備えた、図1の衝撃掘削機械後部の平面および立面における概略断面図を示す。

逆止め弁が第2(開放)形状にあるときの、図2に相当する概略断面図を示す。

掘削機械の駆動機構を説明する、掘削機械の断面図を示す。

図4の掘削機械の排出機構をより詳細に示す図である。

これらの図は概略図であり、必ずしも縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。これらの図の部分の相対的な寸法および比率は、各図面における明快さおよび利便性のために誇張したり、縮小したりして示されている。

以下の実施例は、本発明の例示的な実施形態に焦点を合わせており、掘削装置は圧縮空気式である。すなわち、掘削機の駆動流体は圧縮空気である。

第1の例示的な実施形態の掘削装置3を図1に示す。掘削機4には、後方に突出する2つのパイプ5および6が取り付けられており、これらはヒートポンプシステムに一般に用いられるタイプである。これらのパイプは、掘削機4に圧縮空気を供給するための経路および掘削機4からの排気を地表に戻す経路として当初は使用される。地中の所定深さまで貫入すると、圧縮空気源との接続が断たれ、パイプは地熱ヒートポンプシステムの残りの部分と接続される。使用時、熱交換流体が、第1パイプ5、第2パイプ6、および掘削機4の一部を含む、地中ループを通って循環することになる。

図2は、掘削機4の後部横断面を示す。上の図面は、下の図面のB−B’線に沿った立面図を示す。上の図面は、下の図面のA−A’線に沿った対応する平面図を示す。

第1パイプ5は、掘削機後部の第1ポートまたは流路10に連結される。この流路には、掘削機駆動機構用の空気取入れ口(図示せず)が含まれる。圧縮空気が第1パイプ5を通して第1流路10に供給され、掘削機を地中に駆動する。掘削機からの排ガスは、第2ポートすなわち流路20を通って出て行き、このポートに接続されている第2パイプ6を通って地表に戻る。この実施形態において、パイプはプラスチックで、継ぎ手は一般的に使われるな熱溶融タイプである。第1流路10および第2流路20内の空気流れは矢印で示される。

第1流路10と第2流路20の間には結合部すなわち開口30があり、逆止め弁(一方向弁)40を含んでいる。この弁は、第1流路10から第2流路20の方向への流体流れを防止するように配置される。そのため、掘削機を駆動するために圧縮空気が第1流路10に供給されたとき、一方向弁は閉じたままであり、掘削機4を駆動するための駆動装置に空気を流入させる。

この実施形態において、接続部は第1流路10と第2流路20の間の接続導管30を含む。逆止め弁は、導管30内で導管の中心をはずして配置された旋回軸60に取り付けられたフラップ40を含む。フラップは、第1流路10の(相対的)正流圧に応えて、接続部30を閉じるように旋回軸のまわりを回転しようとする。フラップは、第2流路20の(相対的)正流圧に応えて、接続部を開くように回転しようとする。

この実施形態において、掘削機は、第1流路および第2流路がそれぞれ衝撃駆動機構と流体連結している、駆動/挿入のための第1形状を有する。掘削機は、第1流路および第2流路が駆動機構から分離されている、地面ループの一部として使用するための別の第2形状を有する。

第2形状への変化は、圧縮空気の力のもとでゴムボール70a、70bを各流路内に投入することによって達成される。ボールはどちらから投入してもよいが、本実施例においては、ボール70aがまず第1流路10に投入され、次にボール70bが第2流路20に投入される。図3は、第2形状の掘削機4を示す。

第1流路10は、接続導管30を超えた位置に、ボール70aを受け止めるように構成され、それによって第1流路を下部の駆動機構から隔離する狭窄部50を有する。第2流路は同様の狭窄部52を有する。この実施例において、各狭窄部は流路壁面のOリングによって提供される。

ボール70a、70bが投入されると、ボールはそれぞれのパイプ5、6を下降してそれぞれの流路10、20内に移動し、狭窄部に到達するとそれ以上移動できず、行き詰まる。第1ボール70aが先に投入される場合、一方向弁40が閉じたままであるという潜在的付加便益が生じる。そのため、ボール70aがいったん狭窄部50に据えられると圧縮空気の逃げ道がなくなる。そのためボールの背後の圧力の増加が可能となり、ボールをさらに座に押し込み、そこに固定するのに役立つ。ボールが、穴の壁面および/または狭窄部50と締まり嵌めを形成するのが好ましい。

第2ボール70aが投入されるとき、第2ボールも狭窄部52に衝突して捕捉されるまで下降する。図3に示すように、圧縮空気の圧力によって一方向弁40が開かれ、そしてフラップ40はもはや接続部30を塞がない。

ここで、地面ループが利用可能である。パイプ5、6の地表の端部はヒートポンプシステムに接続され、熱交換流体は従来の方法でパイプを通って循環されることになる。この実施形態において、逆止め弁40は単純な構造を有しており、熱交換流体は第2パイプ6を介して第2流路20に供給すべきである。この弁は第2流路20からの流入および第1流路10からの流出を可能とするように配置されているため、これによって弁が確実に開いたままとなる。言い換えれば、パイプ5、6および流路10、20内の熱交換流体の流れ方向は、掘削機が駆動されているときの圧縮空気の流れと反対である。熱交換流体が第1流路に供給された場合、逆止め弁40は再度閉じるであろう。

この実施形態において、ボール70a、70bによって形成されたシールは、駆動機構を含む掘削機の前部を隔離する役目を果たす。そのため、地面ループの使用中に熱交換流体が駆動機構に流入したり、駆動機構を貫流したりすることはない。このことは、システム中の熱交換流体の量を最小化でき、周囲の地面からまたは周囲の地面への熱伝達は最大化できることを意味している。

図4には、掘削機後部のポートと駆動機構の関係が図解されている。駆動機構は、前部82および後部84を有するピストン80を含む。前部82は、掘削機を駆動する推進力を供給する固体塊である。後部84は中空チャンバである。ピストン80は掘削機のケーシング85の内部に据えられ、ケーシング内部を長手方向に滑動できる。チャンバ84は、第1流路10および後部からチャンバ84内に延びるステム90を通して、パイプ5から圧縮空気を受け入れる。ピストンが掘削機の後部に位置する状態からスタートして、チャンバ壁面の開口86a、86bが露出されるまで圧縮空気の力がピストンを前方へ駆動しようとする。これによって、空気はピストンとケーシングの間の空間内に通風することが可能となる。ここで、塊体82が掘削機の機首95の内側を打つ。ピストン外面上の圧縮空気の圧力がピストンを後方に押すのに役立つ。チャンバ84の壁面がステム90の端部を超えて滑動すると、穴86は再度閉じられようとする。しかし、ステム90の狭い部分の周りに穴が再度露出するまで、ピストンの推進力がピストンをさらに運び戻す。これによって空気が第2流路20およびパイプ6を通って排出される。この点において、本実施形態の空気圧式掘削機の駆動機構は従来型のものである。しかし、ステム90を全体的または部分的にプラスチック材料で製造することは、従来の金属構造を使用するより好都合な場合がある。ピストンが前方に滑動して再度戻るときに、プラスチックステムはより大きな柔軟性および弾力を提供するであろう。本発明者は、この柔軟性の結果としてピストン80およびケーシング85の内部についての製作公差を緩和することができ、それによって掘削機をより安価に製造できることを見いだした。

種々の好適なプラスチック材料が使用できる。この実施形態において、高密度ポリエチレン(HDPE)が用いられ、ステムは弁部分と一体化して製造される。統合部は、たとえば射出成型によって製造できる。

プラスチックステムは、説明した他の特徴とは独立に好都合であり得る。したがって、さらなる独立した発明概念が開示され、その発明概念によって、ケーシング85と、ケーシング内側の駆動機構と、駆動機構に駆動流体を供給するための入口流路10であって、駆動機構がケーシング内で滑動可能でチャンバ84を有するピストン80を含む入口流路と、ピストンを駆動するために駆動流体を入口流路10からチャンバ84に導くためのステム90であって、全体的または部分的にプラスチック材料から形成されたステムとを含む衝撃掘削機が提供される。ステムはケーシングに対して固定されているのが好ましい。すなわち、ステムは駆動機構の可動部ではないのが好ましい。チャンバ84の内側は長手方向(ピストンが滑動可能な方向)において均一な横断面を有してよく、ステムは、チャンバの内側と適合する外側横断面を有する第1部分と、より小さい横断面を有する第2部分を含んでよい。第2部分はプラスチックで作られているのが好ましい。第1部分は金属で作られていてよい。ピストンが後方および前方に滑動するにつれてプラスチック部分は弾性的に曲がることができ、そのため一定の遊びが許容される。このことは、ステムまたは掘削機の他の部品に磨耗または損傷応力を生じさせることなく、ピストンが滑動(長手)方向に対して多少横向きに移動できることを意味している。その結果、可動部品(および隣接する固定部品)はもはやそれほど高精度に製造する必要がなくなる。第1部品を金属で形成することでステム端部の急速な磨耗を避け易くし得る。

掘削機は地中へ駆動されるため、その背後のパイプ5、6を引っ張る。周囲の土壌によって引いているパイプに摩擦力が作用し、掘削機の駆動力に逆らう。摩擦の程度は、地面ループが挿入されている土壌の種類に依存するであろう。しかし、この効果は挿入をより困難にするものである。最悪の場合には、パイプ5、6は引き伸ばされ、掘削機から引き離され、あるいは損傷を受け得る。

本実施形態において、パイプが挿入されるときに乾燥粒状材料でパイプを塗り固めることによって、摩擦効果は低減される。この材料はリサイクルされたガラス粒でできている。これらの粒状物がパイプと土壌の間の摩擦を減少させる。据付が完了すると、この材料はグラウト材またはコーキング材としての役割を果たし、パイプの周囲の隙間をふさぎ、土壌との良好な熱伝導性を確保する。挿入プロセスの間に、粒状物は掘削機によって作られた穴の入口(すなわち、パイプの地中への挿入地点)で注ぐことができる。ここで、パイプが地中に滑入するにつれて、これらの粒状物は自然に穴に引き込まれる。

本実施例において、粒状材料は、容器のガラスカレットから作られた、分粒後のケイ酸ナトリウムガラス砂である。ガラス粒は1〜2mmの範囲の大きさを有する。すなわち、ほぼすべての粒が2mmの目を有するふるいを通過し、粒の5%未満が1mmの目を有するふるいを通過するだろう。これらのガラス粒の典型的な熱伝導率は、1.3〜1.5ワット/メーター・ケルビン(W/mK)である。

より一般的には、発明者は、掘削機が縦穴を掘るために使用される場合、掘削機の先端に掘削機本体の残りの部分より多少大きな直径の部分を提供することが好都合であり得ることも発見した。たとえば、掘削機は、ノーズコーンの後方の掘削機部品の幅より広い幅に広がった頭部すなわちノーズコーン95を含んでよい。ノーズによって作られた穴の内径が掘削機本体の大部分より広いため、これによって掘削機の全長にわたる摩擦効果が低減される。このことは、重力が重要な役割を果たす、掘削機の垂直(または急勾配)挿入の場合についてのみ適切であることに留意すべきである。水平または緩勾配掘削においては、ケーシングと周囲土壌の摩擦によって排気サイクルにおいてピストンが後方に駆動されているときに掘削機が後方へ滑り戻らないことが確実になるため、ケーシングと周囲土壌の摩擦は実際には望ましい。本体の残りの部分より幅の広い頭部を有することによって掘削機の退出(反対方向において)が、特に穴の壁面を形成する土壌が掘削機のまわりで崩壊する場合に、通常困難になる可能性があることに留意すべきである。しかし、掘削機を地熱地中ループの一部として地中の所定の場所に残すことが常に意図されているので、このことは本出願においては問題でない。

したがって、さらなる独立した発明概念が開示され、その発明概念によって、土壌を転置するための頭部95および本体85を含む衝撃掘削機において、頭部95が本体より広い部分を含むことを特徴とする掘削機を提供する。本体は頭部の後方にあり、頭部より長いことが好ましい。頭部は、掘削機の少なくとも1つの長手方向横断面において、より広い輪郭を示すべきである。ここで、「長手方向」とは、掘削機の進行方向に平行な平面を言う。頭部は、すべての長手方向横断面において、より広い輪郭を有することが好ましい。横断面(すなわち、掘削機の進行方向において掘削機の長さに沿って見て)における頭部の最大断面が、本体の横断面より大きいことが好ましい。このことは、頭部が掘削機本体の通路を確保するのに必要な大きさより大きい穴を作り、それによって本体の摩擦を低減することを意味する。本体は均一な横断面を有するのが好ましい。頭部は本体と同一形状横断面を有するのが好ましい。本体および頭部は円形横断面でよく、その場合に頭部の最大直径Dが本体の直径より大きくなるであろう。円形横断面とすることで掘削機の表面積が最小となるため、円形断面はある意味最適である。したがって、本体は円筒、頭部は円錐または段のある円錐形でよい。しかし、他の横断面形状を用いてもよい。

本実施形態において、本体85は円筒形で直径75mm、頭部95はほぼ円錐形で円錐基部の最大直径が80mmである。このように、頭部は本体の幅の105%から110%の範囲内でよく、本体の幅の約107%がより好ましい。本体85後部の弁部は幅95mm、長さ115mmである。頭部、本体、および弁部の合計長さは1055mmである。頭部はこの長さのうち160mmを占める。

実際には、掘削機を駆動するために用いられる圧縮空気は液体および/または気体状態の水を含む可能性が高い。特に、ディーゼルコンプレッサはかなりの量の水蒸気を含む圧縮空気を製造するであろう。水が、挿入中の掘削機運転を妨げることがあるのがわかっている。掘削機が地面に穴をあけるとき、圧縮空気の冷却によって、水蒸気が凝縮することがある。パイプ5、6内の液体はいずれも、下方に流れ出て掘削機の駆動機構内に集まりがちとなる。十分な量の液体が集まる場合、これによって駆動機構の可動部分が妨害されることになる。この問題に対処するため、本発明者らは掘削機に排出弁機構を導入した。

水などの液体混入物質が集まりがちな掘削機の2つの原理的な場所がある。1番目は中空のピストンチャンバ84の底面である。これに対処するため、小さな開口(たとえば、2mm)の穴87が、チャンバ84の下端またはその近くのチャンバの壁面に用意され、この液体がピストンからケーシング85の内部に流れ出ることを可能にする。穴87は圧縮空気を排気するための主要な開口86a、86bの下方に位置し、はるかに小さな大きさ(たとえば、開口86a、86bの寸法の2%から10%)を有する。流れ出る液体が存在しない場合には穴87からの圧縮空気の漏出があることになるが、圧縮空気開口86a、bと比較して小さい穴の大きさは、漏出する空気量は駆動機構の運転にごくわずかな影響しか及ぼさないであろうということを意味する。

水が集積する第2の場所は、ケーシング85の内側のボトムエンドである。液体がピストンチャンバ84の壁面の穴87から流れ出るのにつれて、液体はここに集まることになる。また、排気管6内で凝縮する水蒸気が流下して掘削機に戻り、ここに集まることがある。この液体は、ケーシング85の内側の底部から掘削機の頭部95中に延びる、排出流路97を通して周辺土壌に放出される。排出流路97内の逆止め弁98によって、圧縮空気の力のもとで液体の放出が可能となるが、たとえば、圧縮空気供給の電源が切断されたり停止されたりした場合の地下水の進入は防止される。

本実施形態の排出流路を、より詳細に図5に示す。この流路は、穴87の寸法(この実施形態において2mm)と同様の最小寸法を有する。逆止め弁98は、拘束ばね98bによって弁の閉鎖形状に向かって付勢されているプランジャ98bを含む。ばね98bは、掘削機の外部からアクセスできるグラブねじ99によって適切な位置に保持される。これによって排出機構の容易な製造が促進される。掘削機が圧縮空気によって駆動されているとき、圧力差によってプランジャ98aを後方に押し込んで拘束ばね98bを圧縮することで弁が開かれることになる。そして、圧力差によって、ケーシング84の内側底部に流れてきた液体が掘削機の外に放出されることになる。上述したように、放出すべき液体がなければ、少量であるが一定の空気の漏出が存在することになる。しかし、掘削機中を流れる空気量に対して流路の開口が小さいため、このことは無視できる。

水の凝縮および水だまりによって生じるこれらの問題が、掘削機が典型的には垂直下方またはある傾斜角度で下方に駆動されるために水が掘削機の内部に集まりがちであるという課題の特質と関係していることに留意する。代わりに掘削機が水平に(従来の掘削機使用の多くの場合のように)駆動されていれば、液体がたまることはないであろう。言い換えれば、この問題は掘削機が下向きの角度で挿入される用途に特有である。排出機構の解決策は、そのような角度での掘削を必要とするどの課題にも適用できるであろう。排出機構が、重力を活用して、液体が位置するそれぞれの空洞のボトムエンドから集まった液体が漏れ出ることを可能にすることにより、問題を解決していることにも留意する。

本発明の第2の実施形態をこれから説明するが、それは第1の実施形態と非常によく似ている。この実施形態において、一方向弁40は開放位置でロックするという追加特性を有している。すなわち、第2流路の正流圧によって最初に弁が開放されると、弁は恒久的に開いたままとなる。この意味で、弁は掘削機の挿入中のみ一方向弁である。

逆止め弁40は、当初は(図2のように)その閉鎖形状で用意される。この掘削機の使用は、上述の第一実施形態の掘削機と同様に開始され、圧縮空気が第1流路に供給され、圧縮空気が掘削機を駆動し、逆止め弁40を閉鎖状態に保つ結果となる。挿入が完了して掘削機が所望の深さに位置すると、ボール70a、70bが投入されて地面ループが掘削機4の前部から隔離される。第2ボール70b投入のための第2流路20への圧縮空気の供給によって、逆止め弁40が開放される。第2実施形態の弁は、フラップが開放位置に保持されるように、掛け金手段を包含する。このことは、ヒートポンプシステムの使用中、熱交換流体を、地面ループを通してどちらの方向にも循環できることを意味している。この実施形態は、据付手順、特にある人が地面ループを挿入して別の人が後でパイプ5、6をヒートポンプシステムに接続する場合、における誤りの可能性を回避できるであろう。第一実施形態の配置においては、パイプを接続する人がどちらのパイプがどれなのかわかっていないと、熱交換流体源をうっかり第1パイプ5接続することがあり、その場合は逆止め弁によって循環が妨げられるであろう。

別の実施形態においては、ボール70a、70bのうち1つ、または両方を省略してよく、その結果、地面ループは部分的にのみ掘削機の前部から隔離されるか、またはまったく隔離されない。1つのボール(たとえば70b)のみが使用される場合、掘削機の駆動機構を通る熱交換流体の流れは存在しないことになるが、隔離されていない流路10を介して駆動機構は熱交換流体で満たされてもよい。まったく隔離されない場合、熱交換流体のいくらかは掘削機4の駆動機構を通って循環し得る。しかし、流れの大部分はそれでも開放接続部30を通ろうとするが、その理由はここが最も抵抗の少ない流路だからである。どちらの場合(部分的隔離または隔離なし)も掘削機の前部は密封すべきであるが、それは、密封しない場合熱交換流体が周囲土壌中に漏出(または地下水圧によって地下水が漏入して熱交換流体を汚染または希釈)することが有り得るからである。

上述の各実施形態において、(圧縮空気をピストンのチャンバ84に供給する)ステム90は全体的または部分的にプラスチック材料で製造され、他の主要部品は金属で製造される。しかし、ステム90が金属製である他の実施形態も開発されている。これらの実施形態において、ピストンが前後に滑動しているときのチャンバ84の内表面とステム90の外表面の間の摩擦が、掘削機の効率的で効果的な運転を妨げることがある。この摩擦を減らす1つの方法は、ステム90とピストンチャンバ84の間に1つまたは複数の自己潤滑シールを用いることである。たとえば、ナイロン自己潤滑シールが利用でき、これが好適であってもよい。

より一般には、ケーシング85の内部とケーシング85内で滑動するピストン80の外部の間の摩擦を減らすことも望ましい場合がある。自己潤滑シールはこの目的にも使用できる。

あるいは、金属部品の表面を処理して、摩擦係数を下げるのが好ましい場合がある。1つの実施形態において、ステム90の外表面およびチャンバ84の内部は、たとえばNitrotec(登録商標)製品群処理の1つのような、浸炭窒化および酸化プロセスで処理される。ケーシング85の内部およびピストン80の外表面も同様のプロセスで処理してよい。

掘削機内部の摩擦を減らすこのような技術の使用によって、掘削機の内部可動部分を潤滑する液体潤滑剤を供給する必要性が回避されることがある。摩擦低減手段のない実施形態においては、ミスト(エアロゾル)潤滑剤を使用するのが望ましい場合がある。しかし、これには潤滑剤が掘削機頭部に流れ出し、そこで集積して正常運転を妨げることが有り得るという不都合な場合がある。その効果は、既に上述した、掘削機底部における水の集積と同様である。上記のように、液体集積の問題に悩まされる実施形態においては、(たとえばチャンバ84の壁面の穴87および掘削機頭部95を通る排出流路97のような)排液を可能とする追加措置を講じることが必要となり得る。そのため、たとえばNitrotec(登録商標)処理などの適切な摩擦低減方策の利用によって排水路を備える必要性が(たとえば、掘削機を駆動するために使用される圧縮空気が十分に乾燥しており、凝縮および水の集積が避けられる場合)回避される場合がある。したがって、ステム90の外表面、チャンバ84の内面、ケーシング85の内面、およびピストン80の外表面がNitrotec(登録商標)処理によって処理されている実施形態において、ベント穴87およびベント流路97を削除できる場合がある。

当業者には、様々な他の変更形態が明らかであろう。たとえば、掘削機は空気圧駆動の代わりに油圧駆動としてよい。掘削機が油圧油によって駆動される場合は、掘削機を駆動する往復動作を提供するための追加処置を講じることが一般的に必要であろう。油圧油は、空気圧システムにおける空気と違って、圧縮性ではない。空気圧システムにおいては、空気の圧縮によって、ピストンがそのスタート位置に戻るのを助けるある程度の弾性がもたらされる。掘削機が油圧で駆動されることになる場合、代わりにこの弾性は封入された量の圧縮性ガスまたはケーシング内部のばねで供給されることも有り得る。

衝撃掘削機が空気圧で駆動される場合、当業者なら暗黙のうちに理解するであろうように、圧縮「空気」への言及はあらゆるガスまたはガスの混合物を含むものと解釈すべきである。

上述の各実施形態において、乾燥粒状材料がパイプの挿入を円滑にし、パイプを塗り固めるために用いられる。その代わりに、この目的のために液体を用いることができる。特定の状況下では、掘削流体または掘削泥水を用いるのが好都合となり得る。たとえば、軽油中に分散させたアニオン性アクリルアミド共重合体を含む液体掘削流体重合体は掘削技術において既知である。乾燥粒状材料の使用はある程度重力に依存しており、この力が浅い角度では小さくなるため、パイプが挿入される角度が浅い場合に、そのような製品を使用することは特に好都合となり得る。液体掘削流体重合体は水またはベントナイト系に加えることができる。

弁40の逆止め機構を提供する多くの異なる適切な機構が存在するであろう。それにもかかわらず、説明した実施形態のフラップ40は単純さおよび信頼性の利益を有し得る。挿入時にのみ機能している他の掘削機部品と同様、長寿命は必ずしも必要条件ではない。掘削機の駆動機構は一度しか使用されず、ヒートポンプシステムにおいて地面ループがいったん使用されると不要である。同様に、逆止め弁は掘削機の挿入時は駆動流体の接続部30からの漏出を防止しなければならないが、挿入後においては、その主な要件は熱交換流体の循環を妨げないことである。たとえば、それが接続部を再び遮るシールを再形成する必要はない。この認識がより単純でより軽量の構成部品、掘削機装置のより安価な製造につながる。

上述したように、流路10、20内の狭窄部50、52は、穴の壁面のゴム製Oリングによって用意してよい。その代わりとして、あるいはそれに追加して、それぞれの流路の内径を流路間の接続部30以外の位置で狭くすることで用意してもよい。

ボール70a、70bがHDPE等の比較的硬いプラスチック材料で作られている場合、信頼性のあるシールを作り出すのに必要な弾力を得るため、ゴム製Oリングが望ましい場合がある。しかし、ボールが天然または合成ゴム等の比較的柔らかいエラストマー材料で作られている場合、それらは本質的に変形しやすく、弾力を有しているであろう。この場合、Oリングは不要なことがあり、それに代えて穴自体を狭くすることで狭窄部を用意することがある。

圧縮空気の力を用いたボール70a、70bの挿入は、弁を第1の隔離された形状から第2の隔離された形状に切り替えるのに適したいろいろな機構のうちの1つの有利な実施例である。たとえば、切り替えは、他の機構により達成されることも、電気的に始動されることも可能な場合があり、温度ヒューズもしくはモータにより、制御ケーブルもしくはコードを用いて、または別の油圧接続によってさえ行われ得る。

しかし、掘削機を駆動するために用いられた駆動流体は、逆止め弁の開放および/または第2の隔離された形状への切り替えを行うためにも用いられるのが好ましいが、その理由は、こうすることで地面ループを設置するための手順を単純化できるからである。

説明した形式の地熱ヒートポンプシステムは、一区域の土や水から熱を取り出して建物を暖房するのに最も一般的に利用されるが、もちろん他の用途にも利用できる。たとえば、それらは家庭用または水泳プール用の水を加熱(または予熱)するためにも使うことができるだろう。同様に、それらは2つの区域の土壌の間で、たとえば、地下深部の土壌から地表近くの土壌へ、熱を輸送するために使用できる。このことは、運動場を霜から守るのに特に有用であり得る。当業者であれば分かるように、本発明はこれらすべての用途に等しく適用できる。