JP2013249978A - 地中熱交換器およびヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】施工費を削減し得る地中熱交換器を提供すること。
【解決手段】地中熱交換器（21）は、地中に埋設される密閉容器（22）と、密閉容器（22）に設けられた熱媒体の液配管（23）およびガス配管（24）とを備え、密閉容器（22）で液相の熱媒体を地中熱によって蒸発させるものである。そして、密閉容器（22）は、建物の基礎を支持する基礎杭として兼用される。
【選択図】図３

Description

本発明は、地中熱交換器と、それを備えたヒートポンプに関するものである。

従来より、地中熱を利用したヒートポンプが知られている。例えば特許文献１に開示されているヒートポンプは、圧縮機、利用側熱交換器、膨張弁および熱源側熱交換器が順に接続された冷媒回路と、熱媒体が封入された地中熱交換器とを備えている。このヒートポンプの暖房運転では、地中熱交換器内で地中から吸熱した熱媒体が熱源側熱交換器に導入される。そして、その熱媒体と熱源側熱交換器内を流れる冷媒とが熱交換して、冷媒が吸熱し蒸発する。このように、ヒートポンプ暖房では、冷媒回路における蒸発器の熱源として、地中熱を利用している。

特開２００９−２３６４０３号公報

ところで、上述したようなヒートポンプでは、地中熱交換器を地中に埋設する費用（施工費）が多く懸かるという問題があった。

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、施工費を軽減し得る地中熱交換器およびそれを用いたヒートポンプを提供することにある。

第１の発明は、地中に埋設される密閉容器（22）と、該密閉容器（22）に設けられた熱媒体の液流入管（23）およびガス流出管（24）とを備え、前記密閉容器（22）で液相の前記熱媒体を地中熱によって蒸発させる地中熱交換器を対象としており、前記密閉容器（22）が、建物の基礎を支持する基礎杭として兼用されるものである。

前記第１の発明では、液流入管（21）から密閉容器（22）に流入した液相の熱媒体が地中熱によって蒸発し、ガス流出管（24）から流出する。そして、地中に埋設された密閉容器（22）は、家屋などの基礎を支持する基礎杭としても機能する。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記液流入管（23）は、該液流入管（23）から前記密閉容器（22）に流入した液相の前記熱媒体が前記密閉容器（22）の内周面を流下するように設けられている。そして、前記密閉容器（22）の内周面には、溝加工が施されている。

前記第２の発明では、密閉容器（22）の内周面を流下する熱媒体が地中熱によって蒸発する。そして、密閉容器（22）の内周面に螺旋溝（22d）等の溝加工が施されているため、液流入管（23）から流入した液相の熱媒体が密閉容器（22）の内周面において均一に行き渡る。つまり、密閉容器（22）の内周面全体が、熱媒体で均一に濡れる。

第３の発明は、圧縮機構（50）と熱源側熱交換器（25）と利用側熱交換器（60）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）と、請求項１または２に記載の地中熱交換器（21）を有し、前記液流入管（23）およびガス流出管（24）が前記熱源側熱交換器（25）に接続されている熱媒体回路（20）とを備えている。そして、本発明のヒートポンプは、前記冷媒回路（10）では前記利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能し前記熱源側熱交換器（25）が蒸発器として機能する一方、前記熱媒体回路（20）では前記熱媒体が前記地中熱交換器（21）で蒸発し前記熱源側熱交換器（25）で凝縮して前記両熱交換器（21,25）の間で自然循環する加熱運転が実行可能に構成されている。

前記第３の発明では、地中熱交換器（21）で蒸発した熱媒体が熱源側熱交換器（25）へ流れて冷媒回路（10）の冷媒と熱交換して凝縮する一方、冷媒が蒸発する。熱源側熱交換器（25）で凝縮した熱媒体は、地中熱交換器（21）へ流れて地中熱によって蒸発する。つまり、熱媒体回路（20）では、熱媒体が熱源側熱交換器（25）および地中熱交換器（21）でそれぞれ相変化して自然循環する。そして、地中に埋設された密閉容器（22）は、家屋などの基礎を支持する基礎杭としても機能する。

第１の発明によれば、地中に埋設する密閉容器（22）を基礎杭として兼用するようにしたため、地中熱交換器と基礎杭を個別に設ける場合に比べて、密閉容器（22）を地中に埋設する費用を削減することができる。よって、施工費を軽減し得る地中熱交換器（21）を提供することができる。

第２の発明によれば、密閉容器（22）の内周面に溝加工を施すようにしたため、密閉容器（22）の内周面を均一に液相の熱媒体で濡らすことが可能である。つまり、密閉容器（22）の内周面において濡れ性を向上させることができる。これにより、熱媒体と地中との熱交換面積が増大する、即ち伝熱面積を有効に活用できるので、熱交換能力を向上させることができる。

第３の発明によれば、基礎杭として兼用される地中熱交換器（21）を用いているので、施工費を軽減し得るヒートポンプを提供することができる。

図１は、実施形態に係る空調システムの配管系統図である。 図２は、地中熱交換器を家屋の基礎杭として地中に設置した状態を示す斜視図である。 図３は、地中熱交換器の構成を示す部分断面図である。 図４は、地中熱交換器の動作を説明するための図である。 図５（Ａ）および（Ｂ）は、密閉容器の螺旋溝を示す断面図である。 図６は、実施形態の変形例に係る空調システムの配管系統図である。 図７は、地中熱利用熱交換器の構成を示す平面図である。 図８は、地中熱利用熱交換器の構成を示す側面図である。 図９は、図７のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明のヒートポンプの一例として空調システムの実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、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。

《発明の実施形態１》
図１に示すように、空調システム（1）は、冷媒回路（10）と熱媒体回路（20）とを備え、地中から吸収した地中熱を利用して暖房運転を行うものである。冷媒回路（10）には冷媒が充填され、冷媒回路（10）では、冷媒が循環することによって蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。一方、熱媒体回路（20）は、地中に埋設された地中熱交換器（21）が、冷媒回路（10）の地中熱利用熱交換器（25）に接続されており、二酸化炭素等の相変化する物質が熱媒体として充填されている。熱媒体回路（20）では、熱媒体が循環することにより、地中熱交換器（21）において熱媒体に吸収された地中熱が、地中熱利用熱交換器（25）に搬送されて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に利用される。

〈冷媒回路〉
冷媒回路（10）は、圧縮機（圧縮機構）（50）、室内熱交換器（60）、膨張弁（膨張機構）（70）、地中熱利用熱交換器（25）、減圧機構（71）および室外熱交換器（熱源側熱交換器）（80）が順に配管によって接続されている。

圧縮機（50）は、冷媒を吸入ポートから吸入して圧縮し、圧縮した冷媒を吐出ポートから吐出する。具体的には、圧縮機（50）には、例えばスクロール圧縮機などの種々の圧縮機を採用できる。本実施形態では、圧縮機（50）は、吐出ポートが室内熱交換器（60）に接続され、吸入ポートが室外熱交換器（80）に接続されている。なお、圧縮機（50）には潤滑油が必要なので、圧縮機（50）内には潤滑油が充填されている。潤滑油の一部は、圧縮機（50）の運転に伴って、冷媒回路（10）を循環する。

室内熱交換器（60）は、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器によって構成されている。室内熱交換器（60）には、例えば、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器などを採用することができる。室内熱交換器（60）は、空気調和を行う室内に配置され、室内熱交換器（60）の近傍には、室内ファン（61）が設置されている。室内熱交換器（60）は、室内ファン（61）によって室内から取り込まれた室内空気と冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる。室内熱交換器（60）は、本発明に係る利用側熱交換器を構成している。

膨張弁（70）は、開度が調節可能な電動弁によって構成されている。膨張弁（70）は、冷媒回路（10）の室内熱交換器（60）と地中熱利用熱交換器（25）との間に接続され、後述する暖房運転において室内熱交換器（60）から地中熱利用熱交換器（25）へ流れる高圧の液状態の冷媒を減圧する。

地中熱利用熱交換器（25）は、密閉容器（26）と、熱交管部（27）とを有している。密閉容器（26）には、後述する熱媒体回路（20）の熱媒体が収容されている。一方、熱交管部（27）は、コイル状に形成された冷媒管によって構成され、密閉容器（26）内の上部空間に設けられている。熱交管部（27）の両端部は、それぞれ密閉容器（26）の上面を内側から外側へ貫通し、一方の端部は膨張弁（70）の流出端に接続され、他方の端部は減圧機構（71）の流入端に接続されている。

減圧機構（71）は、冷媒回路（10）の地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）との間に設けられ、後述する暖房運転において地中熱利用熱交換器（25）から室外熱交換器（80）へ流れる中間圧の気液二相状態の冷媒を減圧する。本実施形態では、減圧機構（71）は、キャピラリーチューブによって構成されている。

室外熱交換器（80）は、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器によって構成されている。室外熱交換器（80）には、例えば、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器などを採用することができる。室外熱交換器（80）は、室外に配置され、室外熱交換器（80）の近傍には、室外ファン（81）が設置されている。室外熱交換器（80）は、室外ファン（81）によって取り込まれた室外空気と冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる。本実施形態において、地中熱利用熱交換器（25）および室外熱交換器（80）は本発明に係る熱源側熱交換器を構成している。

〈熱媒体回路〉
熱媒体回路（20）は、複数の地中熱交換器（21）を有し、これら複数の地中熱交換器（21）が一つの地中熱利用熱交換器（25）に対して並列に接続されている。また、熱媒体回路（20）には、熱媒体として、二酸化炭素等の相変化する物質が充填されている。熱媒体は、後述するように、地中熱交換器（21）において地中熱を吸収して蒸発し、地中熱利用熱交換器（25）において冷媒回路（10）の冷媒に吸熱されて凝縮する。

図２および図３に示すように、本実施形態の各地中熱交換器（21）は、上述した熱交換器として機能すると共に、家屋（建物）の基礎を支持する基礎杭として機能する。具体的に、地中熱交換器（21）は、両端が閉じた管状に形成され、地中に縦向きに埋設される縦長の密閉容器（22）と、液配管（23）およびガス配管（24）とを有している。液配管（23）およびガス配管（24）は、それぞれ本発明に係る液流入管（23）およびガス流出管（24）を構成している。

密閉容器（22）は、５ｍ程度の長さを有した鋼管によって構成されている。密閉容器（22）は、一端が開口した本体（22a）と、その本体（22a）の開口側を塞ぐキャップ（22b）とを有し、本体（22a）とキャップ（22b）とが溶接で接合されてなる。密閉容器（22）は、家屋の基礎の下の地中に埋設され、キャップ（22b）の上端で基礎を支持している。本体（22a）の下部外周には、地盤を掘削するための翼（22c）が設けられている。キャップ（22b）の側部には、液配管（23）およびガス配管（24）が接続されている。熱媒体回路（20）では、各地中熱交換器（21）の液配管（23）およびガス配管（24）がそれぞれ合流して地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）に接続されている。液配管（23）は地中熱利用熱交換器（25）から液状態（液相）の熱媒体が密閉容器（22）に流入する管であり、ガス配管（24）は密閉容器（22）からガス状態（ガス相）の熱媒体が流出する管である。液配管（23）の内方端には、分散器（23a）が設けられている。分散器（23a）は、熱媒体を密閉容器（22）の内周面に周方向に分散させる。つまり、液配管（23）は、熱媒体が密閉容器（22）の内周面を流下するように設けられている。

図４に示すように、地中熱交換器（21）は、液配管（23）を介して供給されて内周面を伝って流下する液状態の熱媒体と、周囲の土壌とを熱交換させる。これにより、地中熱交換器（21）内では、液状態の熱媒体が地中熱を吸収して蒸発してガス状態になる。

地中熱利用熱交換器（25）では、密閉容器（26）に、各地中熱交換器（21）の液配管（23）およびガス配管（24）がそれぞれ合流して接続されている。つまり、地中熱利用熱交換器（25）では、密閉容器（26）が熱媒体回路（20）に接続され、密閉容器（26）内に収容された熱交管部（27）が冷媒回路（10）に接続されている。液配管（23）の上端部は、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底壁を貫通して該底壁に固定されている。液配管（23）は、上端が密閉容器（26）内の底面から突出しないように設けられている。そのため、地中熱利用熱交換器（25）に溜まった熱媒体は液配管（23）を介して流出する。ガス配管（24）の上端部は、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底壁を貫通して該底壁に固定されている。ガス配管（24）は、上端が密閉容器（26）に溜まった液状態の熱媒体の液面よりも上方に突出するように設けられている。そのため、地中熱利用熱交換器（25）に液状態の熱媒体が溜まっている状態でも、地中熱交換器（21）からガス状態の熱媒体が導入される。

このような構成により、地中熱利用熱交換器（25）は、熱交管部（27）の内部を流通する低圧の冷媒と密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体とを熱交換させる。これにより、地中熱利用熱交換器（25）内では、ガス状態の熱媒体が低圧の冷媒に吸熱されて凝縮し、液状態になる。そのため、地中熱利用熱交換器（25）は、密閉容器（26）内の熱交管部（27）の下方に、液状態の熱媒体が溜まるように構成されている。

なお、地中熱利用熱交換器（25）の形式は、特に限定されない。例えば、地中熱利用熱交換器（25）には、いわゆるプレート式熱交換器やダブルチューブ式熱交換器などの種々の形式のものを採用できる。

また、地中熱交換器（21）の密閉容器（22）の内周面には、溝加工が施されている。具体的に、本実施形態の密閉容器（22）の内周面には、図５に示すように、螺旋溝（22d）が形成されている。螺旋溝（22d）は、図５（Ａ）にあるように、１条のみ形成されてもよいし、図５（Ｂ）にあるように、２条（右上がりの螺旋溝と左上がりの螺旋溝）形成されてもよい。このように密閉容器（22）の内周面に螺旋溝（22d）を形成することで、液配管（23）から流入した液状態の熱媒体が密閉容器（22）の内周面において均一に行き渡る。つまり、密閉容器（22）の内周面全体が熱媒体で均一に濡れる。なお、本実施形態では、螺旋溝（22d）に限らず、密閉容器（22）の内周面全体が熱媒体で均一に濡れる作用を発揮するものであれば、如何なる形態の溝であってもよい。

−運転動作−
本実施形態の空調システム（1）の暖房運転（加熱運転）の動作について説明する。暖房運転では、圧縮機（50）、室内ファン（61）、および室外ファン（81）が駆動される。これにより、冷媒回路（10）では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。一方、熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とにおいて熱媒体がそれぞれ相変化することによって熱媒体が自然循環する。

〈冷媒回路における動作〉
まず、冷媒回路（10）における冷凍サイクルについて図１および図４を用いて説明する。冷媒回路（10）では、まず、圧縮機（50）において低圧のガス状態の冷媒が圧縮されて高圧の圧力状態になる。

圧縮機（50）の吐出ポートから吐出された高圧のガス状態の冷媒は、室内熱交換器（60）に流入する。室内熱交換器（60）では、高圧のガス状態の冷媒と、室内ファン（61）によって取り込まれた室内空気とが熱交換し、冷媒が室内空気に放熱する。この熱交換により、室内空気が加熱される。加熱された空気は、室内ファン（61）によって室内へ送り返される。これにより、室内が暖房される。一方、前記熱交換により、室内熱交換器（60）に流入した高圧のガス状態の冷媒は、室内空気へ放熱して凝縮し、液状態となる。

室内熱交換器（60）から流出した高圧の液状態の冷媒は、膨張弁（70）に流入する。該膨張弁（70）では、高圧の液状態の冷媒が減圧されて気液二相状態となる。

膨張弁（70）において減圧された中間圧の気液二相状態の冷媒は、地中熱利用熱交換器（25）の熱交管部（27）に流入する。ここで、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）には、後述する熱媒体回路（20）における熱媒体の自然循環により、地中熱交換器（21）において地中熱を吸収することによって蒸発してガス状態となった熱媒体が供給されている。地中熱利用熱交換器（25）では、この密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体と熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒とが熱交換する。この熱交換により、熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒は、密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体から吸熱して蒸発する。

地中熱利用熱交換器（25）から流出した気液二相状態の冷媒は、減圧機構（71）を構成するキャピラリーチューブに流入する。該キャピラリーチューブでは、中間圧の気液二相状態の冷媒がさらに減圧され、低圧の圧力状態となる。

キャピラリーチューブにおいて減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器（80）に流入する。室外熱交換器（80）では、低圧の気液二相状態の冷媒と室外空気とが熱交換する。この熱交換により、低圧の気液二相状態の冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、ガス状態となる。

室外熱交換器（80）から流出した低圧のガス状態の冷媒は、吸入ポートから再び圧縮機（50）に吸入されて圧縮される。

以上の動作が冷媒回路（10）において繰り返され、空調システム（1）では、室内熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）とが蒸発器として同時に機能する暖房運転が行われる。

〈熱媒体回路における動作〉
次に、熱媒体回路（20）における動作について図１を用いて説明する。熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とのそれぞれにおいて、熱媒体が相変化する。

具体的には、前記冷媒回路（10）において冷媒が循環することにより、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）内では、上部空間において、熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒と、熱交管部（27）の外部のガス状態の熱媒体とが熱交換を行う。この熱交換により、ガス状態の熱媒体が、熱交管部（27）を流れる低圧の液状態の冷媒に吸熱されて凝縮し、液状態となる。液状態となった熱媒体は、ガス状態の熱媒体よりも比重が大きいため、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底部へ移動し、該底部に溜まる。地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底部に溜まった液状態の熱媒体は、地中熱利用熱交換器（25）と地中熱交換器（21）との高低差に基づく圧力ヘッド差によって液配管（23）を通って下降し、地中熱交換器（21）に流入する。

ここで、圧力ヘッド差Ｈとは、液配管（23）内の熱媒体の液柱が該液柱の下端にもたらす圧力のことであり、熱媒体の液柱の高さに依存するものである。なお、地中熱利用熱交換器（25）と地中熱交換器（21）との高低差は、圧力ヘッド差Ｈが、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）の内部の圧力差ΔＰと液配管（23）内の圧力損失の和よりも大きくなるように設定されている。

液配管（23）は、下端が地中熱交換器（21）の内周面付近に設けられているため、液配管（23）を介して地中熱交換器（21）の上端部から内部へ流入した熱媒体は、地中熱交換器（21）の内周面を伝って流下する。地中熱交換器（21）では、内周面を伝って流下する液状の熱媒体と周囲の土壌とが熱交換を行う。この熱交換により、地中熱交換器（21）の内周面を伝って流下する液状態の熱媒体が、該地中熱交換器（21）の壁面を介して土壌から地中熱を吸収して蒸発し、ガス状態となる。ガス状態となった熱媒体は、地中熱交換器（21）内を上昇する。

このように、地中熱利用熱交換器（25）では、熱媒体が冷媒回路（10）の中間圧の冷媒に吸熱されてガス状態から液状態に相変化する一方、地中熱交換器（21）では、熱媒体が地中熱を吸収して液状態からガス状態に相変化する。そのため、地中熱交換器（21）内の圧力（Ｐｅ）は、地中熱利用熱交換器（25）内の圧力（Ｐｃ）よりも大きくなる。これにより、地中熱交換器（21）内においてガス状態となった熱媒体は、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）の内部の圧力差ΔＰ（＝Ｐｅ−Ｐｃ）によってガス配管（24）を上向きに流れ、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）内に流入する。

このように、熱媒体回路（20）では、地中熱利用熱交換器（25）において相変化して液状態となった熱媒体が圧力ヘッド差によって地中熱交換器（21）に供給され、地中熱交換器（21）において相変化してガス状態となった熱媒体が内部空間の圧力差ΔＰによって地中熱利用熱交換器（25）に供給される。つまり、熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）および地中熱利用熱交換器（25）において熱媒体がそれぞれ相変化することにより、熱媒体が自然循環する。また、この熱媒体の自然循環により、地中熱交換器（21）において熱媒体に吸収された地中熱が、地中熱利用熱交換器（25）に搬送されて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に利用されることとなる。

〈減圧機構の作用〉
上述のように、地中熱利用熱交換器（25）および室外熱交換器（80）は、暖房運転においていずれも蒸発器として機能する。暖房運転を行う際に、室外空気の温度が著しく低い場合には、減圧機構（70）が設けられていないと、地中熱利用熱交換器（25）および室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度が著しく低くなり、これに伴って、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度も著しく低くなる。そのため、地中熱交換器（21）の周囲の土壌の水分が凍結して外表面に氷が付着するおそれがあった。地中熱交換器（21）の外表面に付着した氷がやがて融けると、地中熱交換器（21）の周囲に空隙を生じて熱媒体と土壌との熱交換効率を低下させ、次回の運転の際に地中熱を十分に吸収できなくなるおそれがある。

しかしながら、上述のように、本空調システム（1）では、冷媒回路（10）の地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）との間に減圧機構（71）が設けられている。そのため、室内熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、地中熱利用熱交換器（25）および室外熱交換器（80）が蒸発器として同時に機能する暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）から流出して室外熱交換器（80）に流入する冷媒が減圧機構（71）によって減圧される。これにより、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度は、室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くなる。よって、室外空気の温度が著しく低い場合に、室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度が著しく低下しても、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度は比較的高い温度に保持されることとなる。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、地中に埋設する密閉容器（22）を基礎杭として兼用するようにしたため、地中熱交換器と基礎杭を別々に設ける場合と比べて、密閉容器（22）を地中に埋設する費用を削減することができる。よって、施工費を軽減し得る地中熱交換器（21）ひいては空調システム（1）を提供することができる。

また、本実施形態によれば、地中熱交換器（21）の密閉容器（22）の内周面に螺旋溝（22d）を形成するようにしたため、密閉容器（22）の内周面を均一に液状態の熱媒体で濡らすことが可能である。つまり、密閉容器（22）の内周面において濡れ性を向上させることができる。これにより、熱媒体と土壌との熱交換面積が増大するので、熱交換能力を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、熱媒体が地中熱交換器（21）および地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ相変化して自然循環するように熱媒体回路（20）が構成されている。そのため、循環ポンプ等の動力を用いることなく地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）との間において熱媒体を循環させることができる。また、地中熱交換器（21）および地中熱利用熱交換器（25）のそれぞれにおいて熱媒体が相変化を伴う熱交換を行うため、地中の温度と地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度との温度差が小さい場合であっても、熱媒体に十分に地中熱を吸収させて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に用いることができる。よって、相変化を利用せずに熱媒体を顕熱変化させて循環させる場合のように、地中における熱媒体の流路を長くして吸熱量を確保する必要がないため、地中熱交換器（21）を小型化することができる。従って、地中熱交換器（21）の施工費を一層削減することができる。

また、本実施形態によれば、暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）、室外熱交換器（80）の順に冷媒が流れるように冷媒回路（10）の膨張弁（70）と室外熱交換器（80）との間に地中熱利用熱交換器（25）を設けると共に、室外熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）との間に減圧機構（71）を設けることとした。そのため、暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。よって、外気温度が著しく低い場合においても、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度が比較的高い温度に保持されるため、該地中熱交換器（21）への着氷を抑制することができる。従って、地中熱交換器（21）に付着した氷が融けて、該地中熱交換器（21）の周囲に空隙が生じることを抑制することができる。その結果、空隙が生じることによる地中熱交換器（21）の熱交換効率の低下を抑制することができ、次回の運転の際にも地中熱を十分に熱媒体に吸収させることができる。

ところで、冷媒回路（10）において膨張機構（膨張弁（70））と減圧機構（71）の双方に開度が調整可能な膨張弁を用いると、暖房運転の際に、制御が難しくなる。

本実施形態によれば、どちらか一方にキャピラリーチューブを採用している。そのため、難しい制御を行うことなく、容易に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。

ところで、暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）との間に設けられた減圧機構（71）には、地中熱利用熱交換器（25）において所定の蒸発温度で蒸発して気液二相状態となった冷媒が流入する。そのため、減圧機構（71）として電動弁のような膨張弁を用いると、制御が難しくなる。

本実施形態によれば、減圧機構（71）としてキャピラリーチューブを採用している。そのため、難しい制御を行うことなく、容易に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。

−実施形態の変形例−
本変形例は、前記実施形態の空調システム（1）の地中熱利用熱交換器（25）の構成を変更することとしたものである。

本変形例では、図６〜図９に示すように、地中熱利用熱交換器（25）は、マンホール等に設けられ、冷媒回路（10）に接続された冷媒管（31）と、熱媒体回路（20）に接続された複数の熱媒体管（32）とを備えている。熱媒体管（32）は地中熱交換器（21）と同じ数（本変形例では５つ）だけ設けられ、一対一に対応して設けられている。

冷媒管（31）は、螺旋状に巻回された本体管部と、該本体管部の一端側に設けられた流入管部（33）と、本体管部の他端側に設けられた流出管部（34）とを有している。冷媒管（31）は、マンホール内において本体管部の巻回軸が上下方向に延在すると共に、流入管部（33）が流出管部（34）よりも下側に位置するように設置されている。流入管部（33）および流出管部（34）は、それぞれＴ字状に形成され、直進方向に延びる直進部とその直進部の中間位置から直進部に垂直な方向に延びる分岐部とを有している。各直進部の一端側は閉塞され、他端側が本体管部に接続されている。また、流入管部（33）の分岐部には、膨張弁（70）に繋がる配管が接続され、流出管部（34）の分岐部には、減圧機構（71）に繋がる配管が接続されている。

このような構成により、冷媒管（31）は、冷媒回路（10）の膨張弁（70）と減圧機構（71）との間に接続されている。また、冷媒管（31）では、流入管部（33）の分岐部から冷媒回路（10）の冷媒が流入し、流入管部（33）の直進部、本体管部、流出管部（34）の直進部を通過して、流出管部（34）の分岐部から冷媒回路（10）へ流出する。

各熱媒体管（32）は、冷媒管（31）よりも外径の小さい管によって冷媒管（31）と同様の螺旋状に形成され、流入管部（33）から流出管部（34）に亘って冷媒管（31）に挿通されている。各熱媒体管（32）の両端部は、冷媒管（31）の流入管部（33）および流出管部（34）の直進部の一端を閉塞する壁面を内側から外側へ貫通し、流入管部（33）側の端部は対応する地中熱交換器（21）の液配管（23）に接続され、流出管部（34）側の端部は対応する地中熱交換器（21）のガス配管（24）に接続されている。

上述のように、各地中熱交換器（21）と熱媒体管（32）とは一対一に対応して接続されている。そのため、各地中熱交換器（21）と対応する熱媒体管（32）との間で、熱媒体は独立に循環する。熱媒体管（32）は冷媒管（31）内に均等に配置され、熱媒体管（32）の管壁を介して、流入したガス状態の熱媒体が冷媒と熱交換するように構成されている。ガス状態の熱媒体は、熱交換によって凝縮し液状態となる。液状態の熱媒体は、熱媒体管（32）の下端部に溜まるようになっている。

本変形例の暖房運転では、冷媒回路（10）において、膨張弁（70）で減圧された中間圧の気液二相状態の冷媒が、地中熱利用熱交換器（25）の冷媒管（31）に流入する。一方、熱媒体回路（20）において、各地中熱交換器（21）の密閉容器（22）で蒸発したガス状態の熱媒体は、ガス配管（24）を介して地中熱利用熱交換器（25）の各熱媒体管（32）に流入する。地中熱利用熱交換器（25）では、各熱媒体管（32）の壁面において、ガス状態の熱媒体が冷媒管（31）内の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒は、熱媒体から吸熱して蒸発し、ガス状態となる一方、熱媒体は、冷媒へ放熱して凝縮し、液状態となって各熱媒体管（32）の下端部に貯留される。各熱媒体管（32）の下端部に溜まった液状態の熱媒体は、液配管（23）を介して地中熱交換器（21）の密閉容器（22）に流入する。各地中熱交換器（21）の密閉容器（22）に流入した液状態の熱媒体は、地中熱を吸収して再び蒸発する。このように、本変形例の熱媒体回路（20）においても、地中熱交換器（21）および地中熱利用熱交換器（25）で熱媒体がそれぞれ相変化することにより、熱媒体が自然循環する。

本変形例では、上述したように、熱媒体回路（20）において、地中熱交換器（21）毎に独立した熱媒体の循環流路が形成されている。そのため、地中熱交換器（21）間で熱媒体の偏流を防止することができる。その結果、各地中熱交換器（21）において熱媒体の必要循環量を確保することができるので、各地中熱交換器（21）において必要量の地中熱を確実に採取できる。

また、上述したように地中熱交換器（21）毎に独立した熱媒体の循環流路を形成することにより、熱媒体が循環する流路が一部破損して熱媒体が外部に漏れても、熱媒体の漏洩を地中熱交換器（21）単位で抑えることができる。

また、本変形例では、複数の熱媒体管（32）を冷媒管（31）内に形成するようにしたため、冷媒と熱媒体との熱交換が行われる流路壁の面積を大きくでき、熱交換量を増大させることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態において、地中熱交換器（21）は複数ではなく１つだけ設けるようにしてもよい。

前記実施形態において、冷媒回路（10）の冷媒を可逆に循環させて、冷房運転と暖房運転の両方を実行可能に構成するようにしてもよい。冷房運転の場合は、室内熱交換器（60）が蒸発器として機能し、室外熱交換器（80）が凝縮器として機能する冷凍サイクルが行われる。この冷房運転では、地中熱利用熱交換器（25）は殆ど機能しない。暖房運転は前記実施形態と同様である。

前記実施形態では、減圧機構（71）をキャピラリーチューブによって構成していたが、減圧機構（71）はこれに限られない。例えば、開度調節が可能な電動弁によって構成することとしてもよい。

また、地中熱交換器（21）の長さは例示である。前記各実施形態よりもさらに長く（例えば１０ｍ）するなど、利用側熱交換器に必要とされる能力等の諸条件に応じて設定すればよい。

また、本発明のヒートポンプは空調システムに限られず、例えば、利用側熱交換器において水を加熱する給湯システムへの応用も可能である。

本発明は、地中熱を利用した地中熱交換器およびそれを備えたヒートポンプとして有用である。

１ 空調システム（ヒートポンプ）
１０ 冷媒回路
２０ 熱媒体回路
２１ 地中熱交換器
２２ 密閉容器
２２ｄ 螺旋溝
２３ 液配管（液流入管）
２４ ガス配管（ガス流出管）
２５ 地中熱利用熱交換器（熱源側熱交換器）
５０ 圧縮機（圧縮機構）
６０ 室内熱交換器（利用側熱交換器）

Claims (3)

1. 地中に埋設される密閉容器（22）と、該密閉容器（22）に設けられた熱媒体の液流入管（23）およびガス流出管（24）とを備え、前記密閉容器（22）で液相の前記熱媒体を地中熱によって蒸発させる地中熱交換器であって、
   前記密閉容器（22）は、建物の基礎を支持する基礎杭として兼用される
   ことを特徴とする地中熱交換器。
2. 請求項１において、
   前記液流入管（23）は、該液流入管（23）から前記密閉容器（22）に流入した液相の前記熱媒体が前記密閉容器（22）の内周面を流下するように設けられ、
   前記密閉容器（22）の内周面には、溝加工が施されている
   ことを特徴とする地中熱交換器。
3. 圧縮機構（50）と熱源側熱交換器（25）と利用側熱交換器（60）とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）と、
   請求項１または２に記載の地中熱交換器（21）を有し、前記液流入管（23）およびガス流出管（24）が前記熱源側熱交換器（25）に接続されている熱媒体回路（20）とを備え、
   前記冷媒回路（10）では前記利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能し前記熱源側熱交換器（25）が蒸発器として機能する一方、前記熱媒体回路（20）では前記熱媒体が前記地中熱交換器（21）で蒸発し前記熱源側熱交換器（25）で凝縮して前記両熱交換器（21,25）の間で自然循環する加熱運転が実行可能に構成されている
   ことを特徴とするヒートポンプ。

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