JP2011163568A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の相変化を利用して土壌及び被熱交換流体を熱交換させる複数の外管を備えた地中熱交換器において、複数の外管を土壌に埋設した場合でも、各外管の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑える。
【解決手段】複数の外管（11）を全て縦向きに埋設する。そして、複数の外管（11）を、各外管（11）が所定の間隔で並べられた複数の外管群（20,21）で構成するとともに、複数の外管群（20,21）における隣り合う外管群同士（20,21）を互いに上下に配置する。
【選択図】図６

Description

本発明は、熱媒体を利用して土壌と被熱交換流体とを熱交換する地中熱交換器に関するものである。

従来より、地熱を利用して熱交換を行う地中熱交換器が知られている。この地中熱交換器は、例えば冷凍サイクルを行う冷媒回路の熱源側熱交換器として用いられている。そして、この地中熱交換器の中には、特許文献１に示すように、熱媒体の相変化を利用して土壌と被熱交換流体とを熱交換するものが開示されている。

特許文献１の地中熱交換器は、内管及び外管を備えている。上記内管は、その両端が閉塞されて内部に密閉空間が形成されている。この密閉空間には熱媒体が封入されている。そして、この内管の下部が土壌に埋設されている。又、この内管における上部を部分的に被うように外管が設けられている。この外管の内周面と上記内管の外周面との間には冷媒回路の冷媒（被熱交換流体）が流れる冷媒流路が形成されている。

この構成によれば、土壌よりも低い温度の冷媒が上記外管の冷媒流路を流れると、上記内管の上部では、土壌の温度と平衡蒸気圧状態にあった熱媒体（蒸気）と上記低温度の冷媒とが熱交換する。この熱交換により、上記熱媒体は凝縮するとともに、その凝縮熱で冷媒が加熱される。この凝縮して液化した熱媒体は、上記内管の内周面を伝って下部へ流れる。上述したように、上記内管の下部は土壌に埋設されている。上記内管の下部では、液化した熱媒体が土壌の熱を吸収して蒸発する。このとき、熱媒体は、土壌温度と平衡な蒸気圧になるように蒸発する。この蒸発した熱媒体は、上記内管の上部へ向かって上昇し、再び内管の上部で冷媒と熱交換して凝縮する。そして、凝縮した熱媒体は、再び内管の下部へ流れた後で土壌の熱により蒸発する。

このように、特許文献１の地中熱交換器は、熱媒体の相変化（蒸発及び凝縮）を利用して土壌と冷媒とを熱交換している。

国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット

ところで、上記土壌と被熱交換流体との間における単位時間あたりの熱交換量を増加させるため、複数の地中熱交換器全体を全て土壌に埋設することが考えられる。しかしながら、複数の地中熱交換器を土壌に埋設すると、単位時間あたりの熱交換量が増えた分だけ、複数の地中熱交換器を埋設した部分の土壌の温度が、早めに被熱交換流体の温度へ近づいてしまうことが考えられる。そして、土壌の温度が被熱交換流体の温度に近づけば近づくほど、地中熱交換器の熱交換能力が低下してしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒体の相変化を利用して土壌及び被熱交換流体を熱交換させる地中熱交換器において、複数の地中熱交換器を埋設した場合でも、各地中熱交換器の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることにある。

第１の発明は、縦向きで土壌に埋設された複数の外管（11）と、該各外管（11）の管内側に挿入されるとともに内部を被熱交換流体が流れる内管（12）と、上記各外管（11）の管内側に封入された熱媒体（13）とを有し、上記内管（12）の管壁を通じて凝縮又は蒸発しながら被熱交換流体と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて蒸発又は凝縮しながら土壌と熱交換する地中熱交換器を前提としている。

そして、上記複数の外管（11）は、各外管（11）を所定の間隔で並べて構成された複数の外管群（20,21）からなり、複数の外管群（20,21）における隣り合う外管群同士（20,21）が互いに上下に配置されていることを特徴としている。

ここで、全ての外管（11）が縦向きに埋設されている。この場合、各外管（11）の管壁が上下方向に延びるように構成される。このため、各外管（11）が熱交換を開始すると、該外管（11）の管壁を通じて上下方向よりも径方向へ多く熱が流れる。このことから、隣り合う外管（11）同士を上下に配置した場合と、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合とで、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度を比較したとすると、前者の方が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。これは、前者の方が各外管同士における径方向の熱の干渉を少なくなり、周囲の土壌からの径方向の熱の移動が容易となるからである。上記土壌において、熱が干渉する部分が増えるほど、土壌及び被熱交換流体の温度が近づきやすくなる。

言い換えると、隣り合う外管（11）同士を配列する際には、該外管（11）同士を径方向に並べた状態から上下に配置した状態へ近づければ近づけるほど、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

第１の発明では、隣り合う外管群同士（20,21）を互いに上下に配置することにより、両方の外管群（20,21）に挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

第２の発明は、第１の発明において、上記外管群（20,21）は、外管（11）を径方向へ複数並べて構成され、上記外管群（20,21）のうち径方向に最も隣接する外管（11）同士の軸心間の距離は、該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離に設定されていることを特徴としている。

ここで、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べると、第１の発明で説明したように、上下に配置する場合に比べて、両方の外管（11）に挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度に近づきやすくなる。

しかしながら、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合でも、外管（11）と外管（11）との間隔を広げれば広げるほど、両方の外管（11）が互いに熱的に干渉しにくくなる。この結果、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。このことから、隣り合う外管（11）同士を径方向に配列する場合には、該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離が存在する。

第２の発明では、上記外管群（20,21）において、最も隣接する外管（11）同士の軸心間の距離が、上述した最小限の軸心間の距離に設定されている。これにより、両方の外管（11）で挟まれた土壌の温度が、被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

第３の発明は、第２の発明において、上記外管群（20,21）の各外管（11）は、軸方向から見て三角格子状に配列されていることを特徴としている。

第３の発明では、上記外管群（20,21）の各外管（11）を三角格子状に配列している。これにより、各外管群（20,21）を埋設する土壌の敷地面積が最も小さくなる。尚、上述したように、最も隣接する外管（11）同士の軸心間の距離が、最小限の軸心間の距離に設定されている。したがって、上記三角格子における３辺の長さは、いずれも最小限の軸心間の距離に設定される。

第４の発明は、縦向きで土壌に埋設された複数の外管（11）と、該各外管（11）の管内側に挿入されるとともに内部を被熱交換流体が流れる内管（12）と、上記各外管（11）の管内側に封入された熱媒体（13）とを有し、上記内管（12）の管壁を通じて凝縮又は蒸発しながら被熱交換流体と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて蒸発又は凝縮しながら土壌と熱交換する地中熱交換器を前提としている。

そして、複数の外管（11）における隣り合う外管（11）同士が互いに上下に配置されていることを特徴としている。

ここで、全ての外管（11）が縦向きに埋設されている。この場合、第１の発明で説明したように、隣り合う外管（11）同士を配列する際には、径方向に並べた状態から上下に配置した状態へ近づければ近づけるほど、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

第４の発明では、隣り合う外管（11）同士を互いに上下に配置することにより、両方の外管（11）に挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

第５の発明は、第４の発明において、上下方向に隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離は、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べたときに該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離よりも短いことを特徴としている。

ここで、第２の発明で説明したように、隣り合う外管（11）同士を径方向に配列する場合には、該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離が存在する。

第５の発明では、複数の外管（11）における隣り合う外管（11）同士が互いに上下に配置されている。このことから、隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離は、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合における最小限の軸心間の距離に制約される必要がない。したがって、隣り合う外管（11）同士が上下に配置されている場合には、その外管（11）同士の軸心間の距離を上記最小限の軸心間の距離よりも短くすることができるようになる。

本発明によれば、隣り合う外管群同士（20,21）を上下に配置している。このように配置すると、複数の外管群（20,21）が熱交換を開始した場合において、両方の各外管群（20,21）で挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度へ近づきにくくなる。これにより、この土壌と被熱交換流体との間の温度差が所定の値に保たれやすくなる。この結果、複数の外管（11）を埋設した場合でも、各外管（11）の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることができる。

また、上記第２の発明によれば、上記外管群（20,21）において、隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離を上述した最小限の軸心間の距離に設定している。このように設定すると、両方の外管（11）で挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度へ近づきにくくなる。これにより、土壌と被熱交換流体との間の温度差が所定の値に保たれやすくなる。この結果、上記外管群（20,21）における各外管（11）の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることができる。

また、上記第３の発明によれば、上記外管群（20,21）の各外管（11）を三角格子状に配列している。これにより、各外管群（20,21）を埋設する土壌の敷地面積を最も小さくすることができる。

また、第４の発明によれば、隣り合う外管（11）同士を上下に配置している。このように配置すると、複数の外管（11）が熱交換を開始した場合において、両方の外管（11）で挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度へ近づきにくくなる。これにより、土壌と被熱交換流体との間の温度差が所定の値に保たれやすくなる。この結果、複数の外管（11）を埋設した場合でも、各外管（11）の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることができる。

また、上記第５の発明によれば、上下方向に隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離を上記最小限の軸心間の距離よりも短く設定することができる。これにより、複数の外管（11）を埋設する際の敷地の面積を狭くすることができる。

本発明の実施形態に係る空調システムの概略構成図である。 地中熱交換器の概略構成を示す図であり、（Ａ）が横断面図、（Ｂ）が縦断面図である。 地中熱交換器の外管及び内管の概略構成を部分的に拡大して示す斜視図である。 暖房運転時における地中熱交換器内部での二酸化炭素の相変化を示す部分拡大断面図である。 冷房運転時における地中熱交換器内部での二酸化炭素の相変化を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る地中熱交換器を地表側から見た平面図である。 その他の実施形態に係る空調システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る地中熱交換器は、暖房運転及び冷房運転が可能な空調システムに用いられ、暖房運転時に蒸発器として機能して土壌から熱を回収する一方、冷房運転時に凝縮器として機能して土壌へ放熱するように構成されている。

＜空調システムの全体構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る地中熱交換器（10）を備えた空調システム（1）の概略構成図である。この空調システム（1）は、圧縮機（3）、四路切換弁（4）、室内熱交換器（5）、膨張弁（6）、及び土壌に埋設される複数の地中熱交換器（10）が冷媒配管によって順に接続されてなる冷媒回路（2）を備えている。

また、上記冷媒回路（2）には、冷媒（被熱交換流体）が封入されている。そして、この冷媒が冷媒回路（2）内を循環することにより、暖房運転時には上記室内熱交換器（5）が凝縮器になり且つ上記地中熱交換器（10）が蒸発器になる一方、冷房運転時には上記室内熱交換器（5）が蒸発器になり且つ上記地中熱交換器（10）が凝縮器になって、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。

尚、図１に示すように、複数の地中熱交換器（10）は上下２段に配列されている。この配列は本発明の特徴であり、詳しく後述する。

上記圧縮機（3）は、例えばスクロール圧縮機からなり、冷媒を吸入ポートから吸入して圧縮し、その圧縮した冷媒を吐出ポートから吐出するように構成されている。

上記四路切換弁（4）は、第１ポート（P1）が上記室内熱交換器（5）の一端に接続され、第２ポート（P2）が上記圧縮機（3）の吐出ポートに接続され、第３ポート（P3）が上記地中熱交換器（10）に接続され、第４ポート（P4）が上記圧縮機（3）の吸入ポートに接続されている。上記四路切換弁（4）は、第１ポート（P1）と第２ポート（P2）とが互いに連通し且つ第３ポート（P3）と第４ポート（P4）とが互いに連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（P1）と第４ポート（P4）とが互いに連通し且つ第２ポート（P2）と第３ポート（P3）とが互いに連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とが切り換え可能になっている。

上記室内熱交換器（5）は、例えばクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器であり、冷媒を室内空気と熱交換させるための空気熱交換器である。この空調システム（1）において、上記室内熱交換器（5）は、室内に配置された室内機に組み込まれている。また、上記冷媒回路（2）において、上記室内熱交換器（5）の他端は、膨張弁（6）に接続されている。さらに、上記室内熱交換器（5）の近傍には、該室内熱交換器（5）で冷媒と熱交換した空気を室内へ流すための室内ファン（7）が設けられている。

上記膨張弁（6）は、開度可変の電子膨張弁によって構成されている。この膨張弁（6）の開度を変更することで、上記室内熱交換器（5）または地中熱交換器（10）から流入した冷媒を膨張させて、所定の圧力まで減圧させることができる。

上記地中熱交換器（10）は、詳しくは後述するが、有底筒状の複数の外管（11）と、該各外管（11）内に収容されて上記冷媒が流れる内管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備えている。

そして、この地中熱交換器（10）は、上述したように、暖房運転時に蒸発器となる。この場合には、上記内管（12）の管壁を通じて凝縮しながら冷媒と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて蒸発しながら土壌と熱交換する。尚、上記冷媒は、熱媒体（13）と熱交換することにより蒸発する。

一方、冷房運転時には、上記地中熱交換器（10）は凝縮器となる。この場合には、上記内管（12）の管壁を通じて蒸発しながら冷媒と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて凝縮しながら土壌と熱交換する。尚、上記冷媒は、熱媒体（13）と熱交換することにより凝縮する。

＜地中熱交換器の構成＞
次に、地中熱交換器（10）の構成について図２に基づいて詳細に説明する。

上述したように、上記地中熱交換器（10）は、複数の外管（11）と、該各外管（11）の内部に収容される内管（12）と、上記各外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備えている。

上記外管（11）は、金属製の筒状部材の両端が金属製の板部材によって閉塞されたものであり、その内部に内部空間（S）が形成されている。また、上記外管（11）は、内部空間（S）内に所定量の上記熱媒体（13）を封入可能な密閉構造を有している。尚、本実施形態では、熱媒体として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いているが、これに限定されず、他の物質であってもよい。

さらに、上記外管（11）の内部空間（S）内には、内部を冷媒が流れる上記内管（12）が挿入されている。この内管（12）は、上記外管（11）の一方の端面（地表側の端面）を構成する板部材を貫通して上記冷媒回路（2）の冷媒配管に接続されている。ここで、上記外管（11）は、軸方向が略鉛直方向になるように縦向きに埋設される。なお、地中に略鉛直方向に外管（11）を埋設するのが理想であるが、縦向きであれば、ある程度の傾斜は許容される。

上記内管（12）は、銅製の伝熱管で構成されている。本実施形態では、上記内管（12）は、上記外管（11）の頂部から底部へ延びて該底部で折曲して頂部へ戻るように形成されている。そして、上記内管（12）の両端部が上記外管（11）の一方の端面を構成する板部材を貫通して外部へ突出している。具体的には、上記内管（12）は、上記膨張弁（6）に一端側で繋がる第１接続部（12a）と、該第１接続部（12a）の他端側に接続される本体部（12c）と、該本体部（12c）に一端側で接続され且つ上記四路切換弁（4）の第３ポート（P3）に他端側で繋がる第２接続部（12b）とを備えている。これらの接続部（12a,12b）は、上記外管（11）の一方の端面（地表側の端面）を構成する板部材を貫通するように設けられている一方、上記本体部（12c）は、上記外管（11）の内面に沿うように配設されている。

上記本体部（12c）は、上記第１接続部（12a）の他端側に接続されて上記外管（11）の底部まで延びる直線状の第１本体部（12d）と、該第１本体部（12d）に接続されて上記外管（11）の頂部まで延びる螺旋状の第２本体部(12e）とからなる。このように、上記第２本体部（12e）を螺旋状に形成することで、該第２本体部（12e）内を流れる冷媒が上記外管（11）内に封入された二酸化炭素（13）と熱交換する部分の表面積を拡大することができ、該冷媒と二酸化炭素（13）との間で効率良く熱交換を行うことができる。

上記螺旋状の第２本体部（12e）は、上記外管（11）の内周面に接触するように配置されていて、螺旋状の第２本体部（12e）の内方に該第２本体部（12e）と接するように上記第１本体部（12d）が配置されている。このように、上記第２本体部（12e）を外管（11）の内周面に接触させることで、後述するように、上記第２本体部（12e）の外周面若しくは外管（11）の内周面で凝縮した二酸化炭素（13）が該外管（11）の内周面若しくは第２本体部（12e）の外周面へ移動することができ、それらの表面で二酸化炭素（13）の蒸発が可能となる。

すなわち、図４に示すように、上記空調システム（1）の暖房運転時には、地中熱交換器（10）の内管（12）内を、地中の土壌の温度よりも飽和温度の低い低圧冷媒が流れるため、上記土壌の温度よりも低く且つ上記低圧冷媒の温度よりも高い飽和温度を有する外管（11）内の二酸化炭素（13）が上記内管（12）の外表面で凝縮する。このとき、上記内管（12）の第２本体部（12e）内を流れる冷媒は、二酸化炭素（13）の凝縮熱によって蒸発し、圧縮機（3）の吸入ポートから吸入される。

上述のように、上記第２本体部（12e）と外管（11）の内周面とは接触している。このため、上記凝縮した二酸化炭素（13）は、上記第２本体部（12e）の外周面から上記外管（11）の内周面上へ移動し、該内周面上で地中の土壌の熱によって蒸発（気化）する。気化した二酸化炭素（13）は、上記内管（12）の第２本体部（12e）によって冷却されると再び凝縮する。

一方、図５に示すように、上記空調システム（1）の冷房運転時には、地中熱交換器（10）の内管（12）内を、地中の土壌の温度よりも飽和温度の高い高圧冷媒が流れる。上記外管（11）内の二酸化炭素（13）は、上記土壌の温度よりも高く且つ上記高圧冷媒の温度よりも低い飽和温度を有するため、上記内管（12）の外表面上で気化する一方、上記外管（11）の内周面上では凝縮する。

すなわち、上述のように、上記第２本体部（12e）と外管（11）の内周面とは接触しているため、該外管（11）の内周面上で凝縮した二酸化炭素（13）は、上記第２本体部（12e）の外周面へ移動し、該外周面上で冷媒の熱によって気化する。気化した二酸化炭素（13）は、上記外管（11）の内周面によって冷却されると再び凝縮する。上記内管（12）の第２本体部（12e）の外表面上で二酸化炭素（13）が気化する際、該第２本体部（12e）内を流れる冷媒は、二酸化炭素（13）の蒸発により熱を奪われて凝縮し、膨張弁（6）へ流れる。 また、本実施形態では、図３に示すように、上記外管（11）の内周面に、該外管（11）の周方向に水平に延びる溝（11a）が長手方向に並んで複数、形成されている。また、上記内管（12）の第２本体部（12e）の外周面にも、上記外管（11）の内周面の溝（11a）に対して平行に、且つ、上記内管（12）の周方向に水平に延びる溝（12f）が長手方向に並んで複数、形成されている。

このように、上記外管（11）の内周面及び上記内管（12）の第２本体部（12e）の外周面に、それぞれ溝（11a,12f）を形成することにより、暖房運転時に上記第２本体部（12e）の外周面上で凝縮した二酸化炭素（13）、及び、冷房運転時に上記外管（11）の内周面上で凝縮した二酸化炭素（13）を、それぞれ、上記溝（11a,12f）内で保持することができ、外管（11）の下部に流れ落ちるのを防止することができる。しかも、上述のように、上記溝（11a,12f）は、外管（11）の内周面及び内管（12）の第２本体部（12e）の外周面に周方向且つ水平に延びるように設けられている。このため、上記内管（12）の第２本体部（12e）の外周面上や上記外管（11）内周面上で、凝縮した二酸化炭素（13）を周方向（水平方向）に拡げることができる（図４及び図５を参照。）。この結果、冷媒及び土壌と該二酸化炭素（13）との熱交換を効率良く行うことができる。

したがって、上記溝（11a,12f）を設けることによって、上記外管（11）内を凝縮した二酸化炭素が鉛直下向きに流れ落ちるのをより確実に防止することができ、二酸化炭素（13）を介して内管（12）内の冷媒と外管（11）の外方の土壌との熱交換を効率良く行うことができる。

なお、本実施形態では、上記外管（11）の内周面に形成された溝（11a）と上記内管（12）の外周面に形成された溝（12f）とが略平行になるように形成されているが、この限りではなく、溝（11a,12f）同士が交差していてもよく、該溝（11a,12f）が水平方向に対して若干、上下に傾いていてもよい。又、必ずしも、これらの溝（11a,12f）を形成しなければならないわけではなく、これらの溝（11a,12f）がなくても、冷媒及び土壌と該二酸化炭素（13）との熱交換は可能である。

＜地中熱交換器の配置＞
次に、上記地中熱交換器（10）における複数の外管（11）の配置について説明する。

図１に示すように、複数の外管（11）は、各外管（11）を径方向に同じように配列した第１及び第２外管群（20,21）からなる。

ここで、上記第２外管群（21）は、上記第１外管群（20）の下側に配置されている。そして、図６に示すように、上記第２外管群（21）における各外管（11）の軸心の位置は、上記第１外管群（20）における各外管（11）の軸心の位置よりも右方向へ所定の距離だけずれている。

又、図６に示すように、第１及び第２外管群（20,21）における複数の外管（11）は、共に三角格子状に配列されている。尚、図６の破線は、三角格子の仮想線を示している。そして、各外管（11）は、その軸心が上記三角格子の交点に位置するように配置されている。ここで、この仮想線の三角格子は、三辺の長さが何れも等しい形状である。そして、その一辺の長さは、各外管（11）同士が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の距離に設定されている。

このように、複数の外管（11）を配置すると、複数の外管（11）を埋設した土壌の温度が、比較的に短時間で冷媒の温度に近づきにくくなる。つまり、全ての外管（11）が縦向きに埋設されている。この場合、各外管（11）の管壁が上下方向に延びるように構成される。このため、各外管（11）が熱交換を開始すると、該外管（11）の管壁を通じて上下方向よりも径方向へ多く熱が流れる。このことから、隣り合う外管（11）同士を上下に配置した場合と、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合とで、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度を比較すると、各外管から土壌へ伝わる熱量が少ない分だけ、前者の方が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。

又、各外管群（20,21）において、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合でも、外管（11）と外管（11）との間隔を広げれば広げるほど、両方の外管（11）に挟まれた土壌の平均温度が被熱交換流体の温度に近づきにくくなる。このことから、隣り合う外管（11）同士を径方向に配列する場合には、該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離が存在する。

そして、上述した最小限の軸心間の距離を保って、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べることにより、両方の外管（11）で挟まれた土壌の平均温度は冷媒の温度へ近づきにくくなる。

−運転動作−
次に、上述のような構成を有する空調システム（1）の動作について図１、図４及び図５に基づいて説明する。

図１に示すように、暖房運転の開始時には、まず、四路切換弁（4）を第１状態に切り換える。そして、圧縮機（3）が運転状態になると、圧縮された高圧の冷媒（ガス冷媒）が圧縮機（3）の吐出ポートから吐出され、上記四路切換弁（4）を介して室内熱交換器（5）内に流入する。この室内熱交換器（5）において、上記高圧冷媒は室内空気へ放熱し凝縮する。この凝縮熱によって室内空気は暖められ、室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器（5）で凝縮した冷媒は、該室内熱交換器（5）から流出して、膨張弁（6）で減圧された後で、地中熱交換器（10）へ導入される（図１の実線矢印）。なお、上記膨張弁（6）では、地中の土壌の温度よりも飽和温度が低くなるように、冷媒を減圧する。

上記地中熱交換器（10）へ流入した低圧冷媒は、外管（11）内の二酸化炭素（13）を介して地中の熱を吸収して蒸発する。蒸発した冷媒は地中熱交換器（10）を流出し、上記四路切換弁（4）を介して上記圧縮機（3）に再度吸入され、所定圧力まで圧縮されて吐出される。このように、冷媒回路（2）内を冷媒が循環して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことで、室内の暖房が行われる。

一方、冷房運転の開始時には、まず、四路切換弁（4）を第２状態に切り換える。そして、圧縮機（3）が運転状態になると、圧縮された高圧冷媒が圧縮機（3）の吐出ポートから吐出され、上記四路切換弁（4）を介して地中熱交換器（10）に流入する（図１の破線矢印）。この地中熱交換器（10）へ流入した高圧冷媒は、外管（11）内の二酸化炭素（13）を介して地中の土壌に放熱し、凝縮する。凝縮した冷媒は、地中熱交換器（10）から流出して、膨張弁（6）で減圧され、室内熱交換器（5）へ導入される。なお、上記膨張弁（6）では、室内の温度よりも飽和温度が低くなるように、冷媒を減圧する。

上記室内熱交換器（5）へ流入した低圧冷媒は、室内の空気の熱を吸収し、蒸発する。蒸発した冷媒は室内熱交換器（4）を流出し、上記四路切換弁（4）を介して上記圧縮機（3）に再度吸入され、所定圧力まで圧縮されて吐出される。このように、冷媒回路（2）内を冷媒が循環して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことで、室内の冷房が行われる。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、隣り合う外管群同士（20,21）を上下に配置している。このように配置すると、複数の外管群（20,21）が熱交換を開始した場合において、両方の各外管群（20,21）で挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度へ近づきにくくなる。これにより、この土壌と被熱交換流体との間の温度差が所定の値に保たれやすくなる。この結果、複数の外管（11）を埋設した場合でも、各外管（11）の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることができる。

又、本実施形態によれば、上記外管群（20,21）において、隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離を上述した最小限の軸心間の距離に設定している。このように設定すると、両方の外管（11）で挟まれた土壌の温度が被熱交換流体の温度へ近づきにくくなる。これにより、土壌と被熱交換流体との間の温度差が所定の値に保たれやすくなる。この結果、上記外管群（20,21）における各外管（11）の熱交換能力が比較的に短い時間で低下するのを抑えることができる。

又、本実施形態によれば、上記外管群（20,21）の各外管（11）を三角格子状に配列している。これにより、各外管群（20,21）を埋設する土壌の敷地面積を最も小さくすることができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、地表面からの平面視で第１及び第２外管群（20,21）の位置が左右方向にずれている。しかしながら、これに限定される必要はなく、第１及び第２外管群（20,21）の位置が、地表面からの平面視で斜め方向にずれていてもよい。又、第１外管群（20）の真下に第２外管群（21）が位置していてもよい。この場合でも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

又、本実施形態では、上記地中熱交換器が２つの外管群（20,21）で構成されていたが、これに限定される必要はなく、３つ以上の外管群（20,21）で構成されていてもよい。このように構成すると、土壌と被熱交換流体との間における単位時間あたりの熱交換量を、本実施形態よりもさらに増加させることができる。

本実施形態では、隣り合う外管群同士（20,21）を上下に配置したが、必ずしも外管群（20,21）である必要はなく、図７に示すように、該外管群の代わりに１つの外管で構成してもよい。この場合でも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

又、この構成において、地表面からの平面視で、上下方向に隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離は、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べたときに該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離よりも短く設定してもよい。こうすることで、複数の外管（11）を埋設する敷地の面積を、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べた場合に比べて、狭くすることができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、熱媒体を利用して土壌と被熱交換流体とを熱交換する地中熱交換器について有用である。

１ 空調システム
２ 冷媒回路
３ 圧縮機
４ 四路切換弁
５ 室内熱交換器
６ 膨張弁
７ 室内ファン
１０ 地中熱交換器
１１ 外管
１２ 内管
１３ 二酸化炭素（熱媒体）
２０ 第１外管群
２１ 第２外管群
Ｓ 内部空間

Claims (5)

1. 縦向きで土壌に埋設された複数の外管（11）と、該各外管（11）の管内側に挿入されるとともに内部を被熱交換流体が流れる内管（12）と、上記各外管（11）の管内側に封入された熱媒体（13）とを有し、上記内管（12）の管壁を通じて凝縮又は蒸発しながら被熱交換流体と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて蒸発又は凝縮しながら土壌と熱交換する地中熱交換器であって、
   上記複数の外管（11）は、各外管（11）を所定の間隔で並べて構成された複数の外管群（20,21）からなり、
   複数の外管群（20,21）における隣り合う外管群同士（20,21）が互いに上下に配置されていることを特徴とする地中熱交換器。
2. 請求項１において、
   上記外管群（20,21）は、外管（11）を径方向へ複数並べて構成され、
   上記外管群（20,21）のうち径方向に最も隣接する外管（11）同士の軸心間の距離は、該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離に設定されていることを特徴とする地中熱交換器。
3. 請求項２において、
   上記外管群（20,21）の各外管（11）は、軸方向から見て三角格子状に配列されていることを特徴とする地中熱交換器。
4. 縦向きで土壌に埋設された複数の外管（11）と、該各外管（11）の管内側に挿入されるとともに内部を被熱交換流体が流れる内管（12）と、上記各外管（11）の管内側に封入された熱媒体（13）とを有し、上記内管（12）の管壁を通じて凝縮又は蒸発しながら被熱交換流体と熱交換した熱媒体（13）が、上記外管（11）の管壁を通じて蒸発又は凝縮しながら土壌と熱交換する地中熱交換器であって、
   複数の外管（11）における隣り合う外管（11）同士が互いに上下に配置されていることを特徴とする地中熱交換器。
5. 請求項４において、
   上下方向に隣り合う外管（11）同士の軸心間の距離は、隣り合う外管（11）同士を径方向に並べたときに該各外管（11）が所定の熱交換量を確保するために必要な最小限の軸心間の距離よりも短いことを特徴とする地中熱交換器。

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