JP4636204B2 - 地中熱交換器及びそれを備えた空調システム - Google Patents

Description

本発明は、被熱交換流体と地中の土壌との間で熱交換を行う地中熱交換器に関するものである。

従来より、被熱交換流体と地中の土壌との間で熱交換を行う地中熱交換器が知られている。このような地中熱交換器としては、相変化する熱媒体を介して被熱交換流体と土壌との間で熱交換を行う構成などが知られている。

具体的には、例えば特許文献１に開示されるように、熱媒体が収容されたパイプが地中に埋設されているとともに、地熱によって蒸発するパイプ内の熱媒体と熱交換するように、被熱交換流体の流れる熱交換器が設けられている。これにより、地中に埋設された上記パイプ内で蒸発した熱媒体の熱は、上記熱交換器によって被熱交換流体に伝わり、該被熱交換流体の流れる回路で暖房の熱源として利用される。

国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット

しかしながら、特許文献１の熱交換器ではパイプ同士が線接触して熱交換を行っているので、熱交換の効率が悪く、熱交換性能を確保しようとすると、各伝熱管の長さがある程度必要になる。すなわち、熱交換器全体の長さが長くなり、その結果、熱交換器の製造コストや現地施行工事コストが増大する可能性がある。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、外管内に、被熱交換流体の流れる伝熱管が挿入され且つ熱媒体が封入された地中熱交換器において被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換できるようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
地中に埋設される外管（11）と、該外管（11）内に挿入されて内部を被熱交換流体が流れる伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備え、該熱媒体（13）の相変化を利用して土壌と熱交換する地中熱交換器であって、
上記伝熱管（12）は、少なくとも一部が、扁平管（12e,14）、又は複数の管（15a）が扁平状に並んだ複合管（15）からなる扁平体（12e,…）で構成され、
上記扁平体（12e,…）は、扁平側で上記外管（11）の内周面に接し、
上記熱媒体（13）は、上記外管（11）及び上記伝熱管（12）と熱交換して相変化することを特徴とする。

この構成では、例えば、この地中熱交換器を、暖房運転を行う空調システムに用いて蒸発器として機能させれば、伝熱管（12）の表面で凝縮した熱媒体（13）は、該伝熱管（12）の外表面を伝って外管（11）の内周面に到達し、該外管（11）の内周面で地熱によって蒸発するサイクルを繰り返す。この地中熱交換器では、伝熱管（12）の少なくとも一部を扁平体（12e,…）で構成してあるので、伝熱管（12）の外周面上で凝縮した熱媒体（13）の飛散や落下が起こり難くなる。すなわち、第２本体部（12e）上で、熱媒体（13）が伝熱管（12）内の被熱交換流体から熱を効率的に得ることが可能になる。

また、この地中熱交換器を、冷房運転を行う空調システムに用いて凝縮器として機能させれば、上記伝熱管（12）の表面で蒸発した熱媒体（13）は、外管（11）の内周面で地熱によって凝縮され、伝熱管（12）の表面へ移動するサイクルを繰り返し、上記外管（11）の長さ方向全体に亘って該外管（11）内で熱媒体（13）を効率良く循環させることができる。この場合も、伝熱管（12）の少なくとも一部を扁平状にしたことによって、伝熱管（12）と外管（11）内周面との間で形成される冷媒溜り部を小さくできる。それゆえ、外管（11）内周面で凝縮した熱媒体（13）を伝熱管（12）へ効果的に誘導できる。また、伝熱管（12）を扁平状としたことで、外管（11）との接触面積をより大きく確保できるので、直接の伝導伝熱効率もより大きくなる。

また、第２の発明は、
第１の発明の地中熱交換器において、
上記伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から延びて該外管（11）の底部で折曲され、該頂部へ戻るように形成されていることを特徴とする。

この構成では、外管（11）内で、伝熱管（12）が、該外管（11）の頂部から延びて該外管（11）の底部で折曲され、該頂部へ戻るように形成されているので、この地中熱交換器を、暖房運転及び冷房運転が可能な空調システムに用いた場合に、一本の伝熱管（12）によって、暖房運転及び冷房運転において熱媒体（13）を外管（11）の長さ方向全体にわたり効率良く循環させることができる。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明に記載の地中熱交換器において、
上記伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から底部までの第１本体部（12d）及び該底部から頂部までの第２本体部（12e）を備え、
上記第１、第２本体部（12d,12e）の少なくとも一方が螺旋状に形成され、該螺旋状の部分が上記扁平体（12e,…）であることを特徴とする。

この構成では、伝熱管（12）では、螺旋状に形成された部分で主に熱交換が行われる。

また、第４の発明は、
第３の発明に記載の地中熱交換器において、
上記伝熱管（12）の外周面には、設置状態において重力方向に延びる複数の溝（12f）が形成されていることを特徴とする。

この構成では、伝熱管（12）に溝（12f）を設けることで、例えば、この地中熱交換器を、暖房運転を行う空調システムに用いて蒸発器として機能させれば、伝熱管（12）の外周面上で凝縮した熱媒体（13）を、溝（12f）における表面張力や液膜内圧力差によって、外管（11）の内周面に誘導することができる。また、この地中熱交換器を、冷房運転を行う空調システムに用いて凝縮器として機能させれば、外管（11）内周面で凝縮した熱媒体（13）を、溝（12f）によって伝熱管（12）の外周面により効果的に誘導することが可能になる。このように、この発明では、伝熱管（12）の溝（12f）によって、凝縮した熱媒体（13）を、熱交換を行う部位（外管（11）の内周面や伝熱管（12）の外周面）に効果的に誘導することができる。

また、第５の発明は、
第１から第４の発明の何れか一つに記載の地中熱交換器において、
上記外管（11）の内周面には、該外管（11）の周方向に延びる溝（11a）が形成されていることを特徴とする。

この構成では、外管（11）の内周面の溝（11a）によって、凝縮した熱媒体（13）を周方向に拡げることができる。

また、第６の発明は、
第５の発明に記載の地中熱交換器において、
上記外管（11）の溝（11a）は、設置状態で水平方向に延びるように形成されていることを特徴とする。

この構成では、外管（11）の溝（11a）が設置状態で水平方向に延びるように形成されているので、該外管（11）の内部で凝縮した熱媒体が鉛直下向きに流れ落ち難くなる。

また、第７の発明は、
第１から第６の発明の何れか一つに記載の地中熱交換器（10）と、利用側熱交換器（5）と、圧縮機構（3）と、膨張機構（6）と、上記被熱交換流体としての冷媒の流れ方向を切り換える流路切換手段（4）とを備えた冷媒回路（2）を有し、該流路切換手段（4）によって冷媒回路（2）内の冷媒の流れ方向を切り換えることにより暖房運転と冷房運転との切り換えが可能に構成されていることを特徴とする空調システムである。

この構成では、冷媒回路（2）内の被熱交換流体としての冷媒の流れを流路切換手段（4）によって切り換えることで、熱源熱交換器としての地中熱交換器を蒸発器もしくは凝縮器として機能させることができる。

第１の発明によれば、地中熱交換器を蒸発器として使用した場合も凝縮器として使用した場合も、熱媒体（13）を効率的に蒸発ないし凝縮させることが可能になる。すなわち、本発明によれば、地中熱交換器において被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換を行うことが可能になる。そして、このように熱交換を効率化できると、地中熱交換器の小型化、製造コストの低減、現地施行工事の簡素化を図ることが可能になる。

また、第２の発明によれば、１本の伝熱管（12）で暖房運転及び冷房運転において熱媒体（13）を外管（11）の長さ方向全体にわたり循環させることができるので、熱交換を効率化でき、地中熱交換器の低コスト化が可能になる。

また、第３の発明によれば、伝熱管（12）の第２本体部（12e）を螺旋状に形成したことで、外管（11）の内周面と接触する伝熱管（12）の表面積をより増大させることができる。これにより、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

また、第４の発明によれば、伝熱管（12）の溝（12f）によって、凝縮した熱媒体（13）を、熱交換を行う部位に効果的に誘導することができるので、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

また、第５の発明によれば、外管（11）の内周面の溝（11a）によって、凝縮した熱媒体（13）を周方向に拡げることができるので、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

また、第６の発明によれば、該外管（11）の内部で凝縮した熱媒体が鉛直下向きに流れ落ち難くなるので、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

また、第７の発明によれば、暖房運転及び冷房運転が可能な空調システムにおいて、上記第１〜第６の発明と同様の効果を得ることが可能になる

図１は、本発明の実施形態１に係る地中熱交換器を備えた空調システムの概略構成図である。 図２（Ａ）は、地中熱交換器の概略構成を示す横断面図であり、図２（Ｂ）は、地中熱交換器の概略構成を示す縦断面図である。 図３は、地中熱交換器の設置状態を模式的に示す図である。 図４は、地中熱交換器の外管及び伝熱管の概略構成を部分的に拡大して示す斜視図である。 図５は、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。 図６は、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図５相当図である。 図７は、本発明の実施形態２に係る地中熱交換器を含んだ空調システムの概略構成図である。 図８は、実施形態２の地中熱交換器を示す縦断面図である。 図９は、冷房運転時の冷媒の動きを説明する図であり、図９（Ａ）が地中熱交換器の断面図、図９（Ｂ）が熱媒体保持部部分の拡大図である。 図１０は、地中熱交換器の変形例の構成を示す縦断面図である。 図１１は、伝熱管の他の構成例を示す図である。 図１２は、伝熱管のさらに他の構成例を示す図である。 図１３は、地中熱交換器を水平に設置した状態を模式的に示す図である。 図１４は、外管の他の構成例を示す図であり、図１４（Ａ）が外管の横断面、図１４（Ｂ）が外管の一部を切り取った斜視図である。

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。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途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》
本発明の実施形態１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地中の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地中の土壌に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１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）（圧縮機構）、四路切換弁（4）（流路切換手段）、室内熱交換器（5）（利用側熱交換器）、膨張弁（6）（膨張機構）、及び地中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）が封入されており、該冷媒が冷媒回路（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。なお、本実施形態では、上記複数の地中熱交換器（10）は、冷媒回路（2）に対して並列に接続されていて、それぞれの地中熱交換器（10）で地中の土壌と熱交換するように構成されている。

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、該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。上記冷媒回路（2）において、上記圧縮機（3）の吐出ポートが上記四路切換弁（4）の第２ポート（P2）に接続され、該圧縮機（3）の吸入ポートが上記四路切換弁（4）の第４ポート（P4）に接続されている。

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）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、空気調和を行う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）の一端は、膨張弁（6）に接続され、他の一端は、上記四路切換弁（4）の第１ポート（P1）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）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、概略円柱状の外形を有しており、縦方向（鉛直方向）に延びるように地中に埋設されて内部を流れる冷媒と土壌とが熱交換を行うように構成されている。詳しくは後述するが、上記地中熱交換器（10）は、有底筒状の外管（11）と、該外管（11）内に収容されて上記冷媒が流れる伝熱管（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。上記地中熱交換器（10）では、伝熱管（12）内を流れる冷媒と外管（11）の外方の土壌とが熱媒体（13）を介して熱交換するように構成されている。

以上のような構成を有する空調システム（1）では、四路切換弁（4）が第１状態の場合、暖房運転が行われ、四路切換弁（4）が第２状態の場合、冷房運転が行われる。すなわち、暖房運転では、冷媒回路（2）において、地中熱交換器（10）が蒸発器として機能し且つ室内熱交換器（5）が凝縮器として機能する蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。一方、冷房運転では、冷媒回路（2）において、地中熱交換器（10）が凝縮器として機能し且つ室内熱交換器（5）が蒸発器として機能する蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。

〈地中熱交換器の構成〉
以下で、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。図２（Ａ）は、地中熱交換器（10）の概略構成を示す横断面図であり、図２（Ｂ）は、地中熱交換器（10）の概略構成を示す縦断面図である。

上述のとおり、上記地中熱交換器（10）は、外管（11）と、その内部に収容される伝熱管（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。

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、その内部に空間（S）が形成されている。また、上記外管（11）は、空間（S）内に上記熱媒体（13）として所定量の二酸化炭素（ＣＯ_２）を封入可能な密閉構造を有している。さらに、上記外管（11）の空間（S）内には、内部を冷媒が流れる上記伝熱管（12）が収容されている。この伝熱管（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、地中に筒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、ある程度の傾斜は許容される。

例えば、図３は、地中熱交換器（10）を地中に設置した状態を模式的に示す図である。この図では、説明の便宜上から地中熱交換器（10）を１つのみ図示している。地層には、主に土砂のみで形成された層、土砂と水を含んだ層、主に水を含んだ層、さらには、岩石が連続して分布している岩盤等がある。この地中熱交換器（10）は何れの地層に設置してもよい。図３では、これらの各層に渡り地中熱交換器（10）が設置された状態を示しているが、例えば、何れかの地層のみにおいて地中熱交換器（10）が熱交換を行うように設置してもよい。なお、図３において、「ＨＰ」と記載されているのは、空調システム（1）の本体部分（地中熱交換器（10）以外の部分）を示している（以下同様）。

上記伝熱管（12）は、銅製であり、上記冷媒回路（2）の流路の一部を構成するように内部を冷媒が流れる管状の部材からなる。この実施形態では、上記伝熱管（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て、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するように上記外管（11）内に収容されている。具体的には、上記伝熱管（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、該冷媒と熱媒体（13）（二酸化炭素）との間で効率良く熱交換を行うことができる。

また、第２本体部（12e）は、図４に示すように、扁平管によって形成されている。この例では、第２本体部（12e）は、流路方向と直交する断面の縦横比で、１：３ないし１：２に形成してある（図４では１：３の例を図示している）。そして、この第２本体部（12e）は、その扁平側（すなわち、縦横のうちで寸法が大きい側）が外管（11）の内周面に接触するように配置してある。この第２本体部（12e）は、本発明の扁平体の一例である。

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。また、螺旋状の第２本体部（12e）の内方には、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。

すなわち、図５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）の伝熱管（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）が上記伝熱管（12）の外表面で凝縮する。このとき、上記伝熱管（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、上記伝熱管（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６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）の伝熱管（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、上記伝熱管（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。上記伝熱管（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。

この地中熱交換器（10）では、上記のように、伝熱管（12）の第２本体部（12e）を扁平状にしてあるので、暖房運転時には、第２本体部（12e）の外周面上で凝縮した二酸化炭素（13）の、飛散や落下が起こり難くなる。すなわち、第２本体部（12e）上で、二酸化炭素（13）（熱媒体）が伝熱管（12）内の冷媒から熱を効率的に得ることができる。

また、第２本体部（12e）を扁平状にすることによって、第２本体部（12e）と外管（11）内周面との間で形成される冷媒溜り部を小さくできる。そのため、冷房運転時には、外管（11）内周面で凝縮した二酸化炭素（13）を第２本体部（12e）へ効果的に誘導できる。

そして、伝熱管（12）を螺旋状に形成したことで、外管（11）内の伝熱管（12）の表面積をより増大させることができる。また、螺旋状としたことで、地面に対する地中熱交換器（10）の角度が垂直からずれても、伝熱管（12）に対し二酸化炭素（熱媒体）を確実に接触させることが可能になる。これらの点からも効率的な熱交換が可能になる。

しかも、本実施形態では、伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から延びて該外管（11）の底部で折曲され、該頂部へ戻るように形成されているので、一本の伝熱管（12）によって、暖房運転及び冷房運転において熱媒体（13）を外管（11）の長さ方向全体にわたり効率良く循環させることができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、上記外管（11）の内周面には、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、第２本体部（12e）の外周面にも複数の溝（12f）が形成されている。第２本体部（12e）の各溝（12f）は、図４に示すように、第２本体部（12e）の周方向で、伝熱管（12）を外管（11）に入れた状態で、外管（11）の長手方向に向くように形成されている。この外管（11）は、その長手方向が鉛直方向となるように地中に埋設されるので、第２本体部（12e）の溝（12f）も鉛直方向を向くことになる。すなわち、これらの溝（12f）は地中熱交換器（10）の設置状態において重力方向に延びている。

このように第２本体部（12e）に溝（12f）を設けることで、暖房運転時には、第２本体部（12e）の外周面上で凝縮した二酸化炭素（13）を、溝（12f）における表面張力や液膜内圧力差によって、外管（11）の内周面に誘導することができる。また、冷房運転時には、外管（11）内周面で凝縮した二酸化炭素（13）を、溝（12f）によって第２本体部（12e）の外周面により効果的に誘導することが可能になる。また、外管（11）の内周面の溝（11a）によって、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（図５及び図６参照）、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。

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）は、必ずしも水平方向でなくてもよく、例えば傾斜していてもよい。

また、伝熱管（12）の各溝（12f）の方向も重力方向からのずれを許容できる。伝熱管（12）の溝（12f）は重力方向に沿っているのが理想ではあるが、要は、地中熱交換器（10）の設置状態で下方となる側に、凝縮した熱媒体を導ければよいのである。

〈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５及び図６に基づいて説明する。

（暖房運転）
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、地中熱交換器（10）へ導入される（図１中の実線矢印）。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、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。

次に、上記地中熱交換器（10）内での冷媒及び二酸化炭素（13）の状態変化について説明する。

上述のように、地中の土壌の温度よりも飽和温度が低い低圧の冷媒が、地中熱交換器（10）内の伝熱管（12）の本体部（12c）内に流入すると、図５に示すように、該地中熱交換器（10）の外管（11）内に封入され且つ上記冷媒よりも飽和温度の高い二酸化炭素（13）が、上記伝熱管（12）の本体部（12c）上で凝縮する。この二酸化炭素（13）の凝縮熱によって、上記伝熱管（12）内の冷媒が蒸発し、上記地中熱交換器（10）から流出した後、上記圧縮機（3）に吸入される。

一方、上記地中熱交換器（10）の外管（11）内では、凝縮した二酸化炭素（13）が上記伝熱管（12）の螺旋状の第２本体部（12e）の外周面を水平方向に伝って、該第２本体部（12e）と接触する外管（11）の内周面に移動する。該外管（11）の内周面上では、地中の土壌の熱によって二酸化炭素（13）が気化し、該気化した二酸化炭素（13）は、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）を流れる冷媒によって再び凝縮される。

（冷房運転）
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中の破線矢印）。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（5）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。

次に、上記地中熱交換器（10）内での冷媒及び二酸化炭素（13）の状態変化について説明する。

図６に示すように、上述のような冷房運転では、地中熱交換器（10）の外管（11）内に封入され、上記冷媒の温度よりも飽和温度が低く且つ地中の土壌の温度よりも飽和温度が高い二酸化炭素（13）が、外管（11）の内周面上で地熱によって凝縮する。凝縮した二酸化炭素（13）は、上記外管（11）の内周面を水平方向に伝って、該外管（11）の内周面と接触する伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面に移動する。この伝熱管（12）内には、上記二酸化炭素（13）の飽和温度よりも温度の高い高圧冷媒が流れているため、該伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上で二酸化炭素（13）が気化する。このとき、上記伝熱管（12）内の冷媒は、二酸化炭素（13）に熱を奪われて凝縮し、地中熱交換器（10）から膨張弁（6）へ流出する。

一方、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上で蒸発した二酸化炭素（13）は、外管（11）の内周面上で再び凝縮される。

《実施形態の効果》
以上のように本実施形態の地中熱交換器（10）では、伝熱管（12）の第２本体部（12e）を扁平状にしてあるので、暖房運転時には、第２本体部（12e）の外周面上で凝縮した二酸化炭素（13）の、飛散や落下が起こり難くなる。また、第２本体部（12e）を扁平状にすることによって、第２本体部（12e）と外管（11）内周面との間で形成される冷媒溜り部を小さくできるので、冷房運転時には、外管（11）内周面で凝縮した二酸化炭素（13）を第２本体部（12e）へ効果的に誘導できる。また、第２接続部（12b）を扁平状としたことで、外管（11）との接触面積をより大きく確保できるので、直接の伝導伝熱効率もより大きくなる。そして、伝熱管（12）を螺旋状に形成したことで、外管（11）内の伝熱管（12）の表面積をより増大させることができる。また、螺旋状としたことで、地面に対する地中熱交換器（10）の角度が垂直からずれても、伝熱管（12）に対し二酸化炭素（熱媒体）を確実に接触させることが可能になる。これらの点からも効率的な熱交換が可能になる。

また、本実施形態では、上記のように伝熱管（12）や外管（11）にそれぞれ設けた溝（11a,12f）によって、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

上記のように、本実施形態のよれば、外管内に、被熱交換流体の流れる伝熱管が挿入され且つ熱媒体が封入された地中熱交換器において被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換を行うことが可能になる。そして、このように熱交換を効率化できると、地中熱交換器の小型化、製造コストの低減、現地施行工事の簡素化を図ることが可能になる。

《実施形態１の変形例》
上記実施形態１については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、伝熱管（12）の第２本体部（12e）のみを螺旋状に形成し、その外表面に溝（12f）を形成しているが、この限りではなく、第１本体部（12d）も螺旋状に形成して、その外周面に溝を形成してもよい。なお、この場合には、螺旋状の第１本体部（12d）も外管（11）の内周面に接触するように配置する。また、上記第１本体部（12d）及び第２本体部（12e）の一部を螺旋状に形成してもよい。

また、伝熱管（12）の螺旋状以外の部分が上記外管（11）の内周面に接触していて、該外管（11）の内周面と接触している伝熱管（12）の外周面上に溝を形成してもよい。

また、上記実施形態では、伝熱管（12）の第２本体部（12e）を螺旋状に形成しているが、この限りではなく、該伝熱管（12）の入口側と出口側との間の圧損が熱交換効率に影響を与えないような形状であれば、どのような形状であってもよい。

また、上記実施形態では、一つの外管（11）内に１本の伝熱管（12）を収容することによって地中熱交換器（10）を構成しているが、この限りではなく、上記外管を長さ方向に分割するとともに、それに合わせて上記伝熱管も分割し、それらを組み合わせる構成であってもよい。また、上記実施形態では、複数の地中熱交換器（10）を並列に接続しているが、この限りではなく、一部若しくは全部を直列に接続してもよい。

また、上記実施形態では、外管（11）内に挿入される伝熱管（12）を銅製としているが、この限りではなく、アルミ、アルミ合金、鉄、あるいは複合材料など、熱伝導率や耐食性に優れた材料であればどのような材料であってもよい。

また、上記実施形態では、空調システム（1）における冷媒回路（2）内の冷媒の流れ方向を四路切換弁（4）を用いて切り換えるように構成されているが、この限りではなく、冷媒の流れ方向を切り換え可能な構成であればどのような構成であってもよい。

《発明の実施形態２》
実施形態２では地中熱交換器の他の構成例を説明する。

〈空調システムの全体構成〉
図７は、本発明の実施形態２に係る地中熱交換器（50）を含んだ空調システム（20）のシステム図である。同図に示すように、空調システム（20）は、冷媒回路（22）を備えている。

この冷媒回路（22）は、圧縮機（3）、室内熱交換器（5）、膨張弁（6）、地中熱交換器（50）、四路切換弁（4）、第１の切り替えバルブ（72）、及び第２の切り替えバルブ（73）を含んでいる。そして、この冷媒回路（22）には、冷媒（被熱交換流体）が充填されている。これらのうち、圧縮機（3）、室内熱交換器（5）、膨張弁（6）、及び四路切換弁（4）は実施形態１と同様の構成である。この冷媒回路（22）においては、室内熱交換器（5）の一端は、膨張弁（6）に接続され、他の一端は、四路切換弁（4）の第１ポート（P1）（後述）に接続されている。また、膨張弁（6）は、一端が第１の切り替えバルブ（72）に接続され、他端が室内熱交換器（5）に接続されている。また、四路切換弁（4）の第２ポート（P2）が圧縮機（3）の吐出ポートに接続され、第４ポート（P4）が圧縮機（3）の吸入ポートに接続されている。また、第３ポート（P3）は、第２の切り替えバルブ（73）に接続されている。

〈地中熱交換器（50）の構成〉
次に、地中熱交換器（50）の構成について詳細に説明する。地中熱交換器（50）は、地中に埋設されて、冷房運転時及び暖房運転時に、土壌と熱交換を行う。具体的には、この地中熱交換器（50）は、冷房運転時に凝縮器として機能して、土壌に対して放熱する。また、暖房運転時には、蒸発器として機能して土壌から熱を吸熱する。図８は、本実施形態の地中熱交換器（50）を示す縦断面図である。この地中熱交換器（50）は、図８に示すように、外管（11）、冷房用伝熱管（52）、及び暖房用伝熱管（80）を備えている。この外管（11）は、実施形態１のものと同様の構成であり、熱媒体（13）が封入されている。

-冷房用伝熱管（52）-
冷房用伝熱管（52）は、外管（11）内に挿入されて、暖房用伝熱管（80）よりも下方寄りに配置されている。そして、この冷房用伝熱管（52）には、冷房運転時に冷媒が導入されるとともに、該冷媒から放熱させる。

本実施形態の冷房用伝熱管（52）は、管状に形成されている。具体的には、冷房用伝熱管（52）は、図８に示すように、導入部（52a）、導出部（52b）、導入側本体部（52c）、導出側本体部（52d）、及び接続部（52e）から形成されている。この冷房用伝熱管（52）の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、或いはその他の複合材料を採用できる。ただし、熱伝導率や耐食性が使用条件に合致するように選択する必要がある。

導入部（52a）は、外管（11）の上方側（外管（11）を埋設した状態で地表側となる側）から該外管（11）内に挿入され、一端が第２の切り替えバルブ（73）に接続されている。また、導入部（52a）の他の一端は、外管（11）内の上方において、導入側本体部（52c）の一端と接続されている。また、導出部（52b）は、外管（11）の上方側から、該外管（11）内に挿入され、外管（11）の外側の一端が、第１の切り替えバルブ（72）に接続されている。導出部（52b）の他の一端は、外管（11）内の上方において、導出側本体部（52d）の一端と接続されている。

導入側本体部（52c）及び導出側本体部（52d）は何れも、外管（11）の内面壁に沿って、該外管（11）の上方から底部（下端）まで延びている。接続部（52e）は、この底部において、該底部を径方向に横断し、該底部において、導入側本体部（52c）の一端と導出側本体部（52d）の一端と接続している。すなわち、この冷媒回路（22）では、冷房用伝熱管（52）は、一端が第１の切り替えバルブ（72）に接続され、他の一端が、第２の切り替えバルブ（73）に接続されている。

本実施形態では、導入側本体部（52c）の外面壁と外管（11）の内面壁とは、液状の熱媒体を表面張力によって保持する熱媒体保持部（60）を形成している。また、同様に、導出側本体部（52d）の外面壁と外管（11）の内面壁とも、熱媒体保持部（60）を形成している。具体的には、各本体部（52c,52d）のそれぞれの外面壁は、外管（11）の内面壁と接して配置され、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、外管（11）の内面壁に付着している液状の熱媒体を、表面張力によってこれらの壁（例えば導入側本体部（52c）の外面壁と外管（11）の内面壁）の間に保持する。各本体部（52c,52d）の外面壁は、このように表面張力で液状の熱媒体を保持できれば、必ずしも外管（11）の内面壁と接触している必要はないが、本実施形態では、各本体部（52c,52d）のそれぞれの外面壁は、外管（11）の内面壁と接触するように配置している。

このように、各本体部（52c,52d）のそれぞれの外面壁が、外管（11）の内面壁と接触するように配置することで、各本体部（52c,52d）は、外管（11）と直接的に熱交換ができる。すなわち、この直接的な熱交換により、地中熱交換器（50）における熱交換性能がより向上する。なお、上記の冷房用伝熱管（52）では、２つの本体部（52c,52d）で熱交換を行っていたが、本体部（52c,52d）の本数は例示であり、この例には限定されない。例えば、３本以上の本体部を設けてもよい。

また、各本体部（52c,52d）は、外管（11）の内面壁との間に所定の隙間があってもよい。また、各本体部（52c,52d）を液状の熱媒体で濡らすことができれば、熱媒体保持部（60）は必ずしも必須ではない。

-暖房用伝熱管（80）-
暖房用伝熱管（80）は、外管（11）内に挿入されている。そして、暖房用伝熱管（80）は、暖房運転時に、冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる。この例では暖房用伝熱管（80）は、導入部（80a）、本体部（80b）、導出部（80c）から形成されている。この暖房用伝熱管（80）の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、或いはその他の複合材料を採用できる。ただし、熱伝導率や耐食性が使用条件に合致するように選択する必要がある。

本体部（80b）は、暖房運転時に冷媒が内部に導入され、熱媒体から吸熱して、導入された冷媒を蒸発させる。本実施形態では、本体部（80b）は、螺旋状に形成され、冷房用伝熱管（52）の導入部（52a）及び導出部（52b）を取り囲むように、外管（11）内の上方寄りに配置されている。すなわち、本体部（80b）は、外管（11）の埋設状態において、冷房用伝熱管（52）よりも上方に配置されている。この本体部（80b）は、実施形態１の第２本体部（12e）と同様に、扁平管で構成されている。この例では、本体部（80b）は、断面の縦横比で、１：３ないし１：２に形成してある。そして、この本体部（80b）は、その扁平側（すなわち、縦横のうちで寸法が大きい側）で、外管（11）の内周面に接触している。この本体部（80b）は、本発明の扁平体の一例である。

また、本体部（80b）の外周面にも、前記伝熱管（12）の溝（12f）と同様の、複数の溝（図示は省略）が形成されている。本体部（80b）の溝は、本体部（80b）の周方向で、暖房用伝熱管（80）を外管（11）に入れた状態で、外管（11）の長手方向に向くように形成されている。この外管（11）は、その長手方向が鉛直方向となるように地中に埋設されるので、本体部（80b）の溝も鉛直方向、すなわち、地中熱交換器（50）の設置状態において重力方向に延びている。

上記導入部（80a）は、本体部（80b）に対して冷媒を導入するための配管であり、導出部（80c）は本体部（80b）から冷媒を導出する配管である。本実施形態では、導入部（80a）及び導出部（80c）は、何れも直状に形成され、外管（11）の上方から該外管（11）内に挿入されている。

-第１及び第２の切り替えバルブ（72,73）-
第１及び第２の切り替えバルブ（72,73）は、暖房運転を行うか、冷房運転を行うかに応じて冷媒の流れを切り替えるバルブである。この第１及び第２の切り替えバルブ（72,73）は、本発明の切替手段の一例である。本実施形態では、第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（6）を、冷房用伝熱管（52）の導出部（52b）、又は暖房用伝熱管（80）の導入部（80a）に接続する。また、第２の切り替えバルブ（73）は、四路切換弁（4）の第３ポート（P3）を、冷房用伝熱管（52）の導入部（52a）、又は暖房用伝熱管（80）の導出部（80c）に接続する。

《運転動作》
次に、空調システム（20）における運転動作について説明する。

（暖房運転）
まず、空調システム（20）の暖房運転について説明する。暖房運転時には、四路切換弁（4）が第１状態に切り替えられる。すなわち、第１ポート（P1）と第２ポート（P2）が連通すると同時に第３ポート（P3）と第４ポート（P4）が連通する（図７に実線で示す状態）。第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（6）と暖房用伝熱管（80）の導入部（80a）とが接続されるように切り替えられる。また、第２の切り替えバルブ（73）は、暖房用伝熱管（80）の導出部（80c）と、四路切換弁（4）の第３ポート（P3）とが接続されるように切り替えられる。

そして、圧縮機（3）が運転状態にされると、圧縮機（3）は、圧縮した冷媒（ガス冷媒）を吐出ポートから吐出する。圧縮機（3）から吐出された冷媒は、四路切換弁（4）を介して室内熱交換器（5）へ送られる。室内熱交換器（5）に流入した冷媒は、室内熱交換器（5）で室内空気へ放熱する。室内熱交換器（5）では室内空気が加熱され、加熱された室内空気が室内ファン（7）によって室内へ送り返される。

室内熱交換器（5）で放熱した冷媒は、膨張弁（6）へ送られる。膨張弁（6）は、流入した冷媒を減圧させる。減圧させられた冷媒は、第１の切り替えバルブ（72）を介して導入部（80a）に導入され、さらに本体部（80b）に導入される。

外管（11）の内面壁は、はじめは地中温度と等しい状態である。そして、その状態から所定時間が経過すると、土壌の伝熱抵抗が大きいため、熱媒体を介した暖房用伝熱管（80）への放熱量に比例した温度勾配が発生し、土壌の温度は低下する。ここで、外管（11）の内面壁と暖房用伝熱管（80）と温度勾配を維持し、地中内の温度分布も一定を保たれる範囲で伝熱がおこなわれるように熱輸送を操作する。これにより、熱媒体の一部は、外管（11）の内面壁を介して土壌から吸熱することによって、蒸発してガス状になる。このガス状の熱媒体は、暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）において吸熱される。これにより、ガス状の熱媒体は凝縮して液体となる。本実施形態では、暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）は、外管（11）の上方寄りに配置されているので、液体となった熱媒体は、外管（11）の内周面を伝って下方に流れ落ちてゆく。このように熱媒体が地中熱交換器（50）の内周面を伝っている間に、該熱媒体は再び内面壁を介して土壌から吸熱することによって蒸発する。

一方、本体部（80b）内においては、該本体部（80b）が熱媒体から吸熱したことにより、導入された冷媒が蒸発してガス冷媒となる。そして、このガス冷媒は、暖房用伝熱管（80）の導出部（80c）から導出されて、第２の切り替えバルブ（73）と四路切換弁（4）とを介して圧縮機（3）の吸入ポートに導入される。圧縮機（3）は、この冷媒を吸入して圧縮し、四路切換弁（4）を介して室内熱交換器（5）へ吐出する。以上のように、この地中熱交換器（50）では、暖房用伝熱管（80）が、熱媒体の相変化を利用して土壌と熱交換を行う。

そして、空調システム（1）では、以上の動作が繰り返され、地中熱交換器（50）を蒸発器として圧縮機（3）で冷媒を圧縮する冷凍サイクル（この例では暖房）が行われる。

（冷房運転）
次に、冷房運転について説明する。冷房運転時には、四路切換弁（4）が第２状態に切り替えられる。すなわち、第２ポート（P2）と第３ポート（P3）が連通すると同時に第１ポート（P1）と第４ポート（P4）が連通する（図７に破線で示す状態）。第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（6）と、冷房用伝熱管（52）の導出部（52b）とが接続されるように切り替えられる。また、第２の切り替えバルブ（73）は、冷房用伝熱管（52）の導入部（52a）と、四路切換弁（4）の第３ポート（P3）とが接続されるように切り替えられる。

そして、圧縮機（3）が運転状態にされると、圧縮機（3）は、圧縮した冷媒（ガス冷媒）を吐出ポートから吐出する。圧縮機（3）から吐出されたこの冷媒は、地中熱交換器（50）の導入部（52a）へ送られ、さらに各本体部（52c,52d）に導入される。

このとき、外管（11）の内面壁は、はじめは地中温度と等しい状態である。その状態から所定時間が経過すると、土壌の伝熱抵抗が大きいため、各本体部（52c,52d）では温度が上昇する。外管（11）と土壌の間の伝熱量は土壌の伝熱抵抗に制約されるので、一般には、外管（11）の内面壁と各本体部（52c,52d）と温度勾配を維持し、地中内の温度分布も一定を保たれる範囲で伝熱がおこなわれるように冷媒の流量を操作する。

一方、熱媒体の一部は、外管（11）の内面壁を介して土壌に放熱する。これにより、熱媒体の一部は、凝縮して液状になっている。これは、外管（11）の内面壁と各本体部（52c,52d）の接触部に伝熱が集中することを回避し、外管（11）の内面壁全面へ放熱を分散させる働きをする。この液状の熱媒体は、外管（11）の内面壁を伝って、下方に徐々に流れる。そして、熱媒体保持部（60）によって生じた表面張力によって、図９に示すように、外管（11）の内面壁と、各本体部（52c,52d）の外面壁との間に形成された熱媒体保持部（60）に引き寄せられてゆく。すなわち、各本体部（52c,52d）が外管（11）の上方から底部（下端）まで延びているので、液状の熱媒体と各本体部（52c,52d）とをより効率よく接触させることが可能になる。

このように、外管（11）内で凝縮した熱媒体が、熱媒体保持部（60）によって、各本体部（52c,52d）の外面壁に引き寄せられることにより、各本体部（52c,52d）の外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れる。そして、各本体部（52c,52d）外面壁上の熱媒体は、各本体部（52c,52d）から吸熱して蒸発する。このように蒸発した熱媒体は、外管（11）内に拡散する。拡散した熱媒体は、外管（11）の内面壁を介して土壌に放熱することによって、再び凝縮する。

一方、各本体部（52c,52d）は、接触している熱媒体に放熱する。さらに、各本体部（52c,52d）は、接触している外管（11）の内面壁を介して土壌に放熱する。このように、各本体部（52c,52d）が放熱したことによって、各本体部（52c,52d）内では、それぞれの内部に導入された冷媒が凝縮する。凝縮した冷媒は、導出部（52b）と第１の切り替えバルブ（72）を介して膨張弁（6）に導入される。膨張弁（6）は、流入して冷媒を減圧されてから室内熱交換器（5）に導入する。室内熱交換器（5）に流入した冷媒は、室内空気から吸熱して蒸発する。これにより、室内熱交換器（5）では室内空気が冷却され、冷却された室内空気が室内ファン（7）によって室内へ送り返される。室内熱交換器（5）で蒸発した冷媒は、圧縮機（3）の吸入ポートに導入される。圧縮機（3）は、この冷媒を吸入して圧縮し地中熱交換器（50）の導入部（52a）へ吐出する。以上のように、この地中熱交換器（50）では、冷房用伝熱管（52）が、熱媒体の相変化を利用して土壌と熱交換を行う。

そして、この空調システム（20）では、以上の動作が繰り返され、地中熱交換器（50）を凝縮器として圧縮機（3）で冷媒を圧縮する冷凍サイクル（この例では冷房）が行われる。

《実施形態の効果》
以上のように、本実施形態の地中熱交換器（50）でも、暖房運転と冷房運転を行うことが可能になる。

そして、本実施形態の地中熱交換器（50）でも、暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）を扁平状にしてあるので、実施形態１の地中熱交換器（10）と同様に、暖房運転時には、本体部（80b）の外周面上で凝縮した熱媒体（13）（二酸化炭素）の、飛散や落下が起こり難くなる。そして、暖房用伝熱管（80）が螺旋状に形成されたことで、外管（11）内の伝熱管（12）の表面積をより増大させることができる。また、螺旋状としたことで、地面に対する地中熱交換器（10）の角度が垂直からずれても、伝熱管（12）に対し熱媒体（13）（二酸化炭素）を確実に接触させることが可能になる。これらの点からも効率的な熱交換が可能になる。

また、本実施形態では、上記のように暖房用伝熱管（80）や外管（11）に設けた溝によって、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

また、暖房用伝熱管（80）は、外管（11）の埋設状態において、外管（11）の上方寄りに配置されているので、外管（11）内で液化して流れ落ちる熱媒体が、外管（11）の内壁と接触する時間及び面積を、十分に確保することが可能になる。すなわち、本実施形態では、この点からも暖房運転時に効率的に熱交換を行うことが可能になる。

また、本実施形態では、外管（11）内で凝縮した熱媒体が、熱媒体保持部（60）によって、冷房用伝熱管（52）の本体部（52c,52d）の外面壁に引き寄せられるので、各本体部（52c,52d）の外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れる。そのため、各本体部（52c,52d）の外面壁と、液状の熱媒体との間で効率的に熱交換が行われ、各冷房用伝熱管（52）内の冷媒を効率よく凝縮させることができる。すなわち、本実施形態では、冷房運転時においても地中熱交換器の熱交換性能の向上が可能になる。

以上のように、本実施形態の地中熱交換器（50）でも、被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換を行うことが可能になるのである。そして、このように熱交換を効率化できると、地中熱交換器の小型化、製造コストの低減、現地施行工事の簡素化を図ることが可能になる。

《実施形態２の変形例》
次に、上記の空調システム（20）において、冷房用伝熱管の構成を変更した例を説明する。

図１０は上記実施形態２の変形例に係る地中熱交換器（50）の構成を示す縦断面図である。この地中熱交換器（50）は、外管（11）、暖房用伝熱管（80）、及び冷房用伝熱管（90）を備えている。そして、本変形例の冷房用伝熱管（90）は、導入部（91）、導出部（92）、及び本体部（93）を備えている。

導入部（91）は、外管（11）の上方側（外管（11）を埋設した状態で地表側となる側）から該外管（11）内に挿入され、一端が第２の切り替えバルブ（73）に接続されている。また、導入部（91）の他の一端は、外管（11）内の下方において、本体部（93）の一端と接続されている。導出部（92）は、外管（11）の上方側から、該外管（11）内に挿入され、外管（11）の外側の一端が、第１の切り替えバルブ（72）に接続されている。導出部（92）の他の一端は、外管（11）内の下方において本体部（93）の他の一端と接続されている。

また、本体部（93）は、螺旋状に形成されて、外管（11）の下方寄りに配置されている。本変形例では、本体部（93）は、実施形態１の第２本体部（12e）等と同様に、扁平管によって形成されている。この例では、本体部（93）は、断面の縦横比で、１：３ないし１：２に形成してある。そして、この本体部（93）は、その扁平側（すなわち、縦横のうちで寸法が大きい側）が外管（11）の内周面に接触するように配置している。この本体部（93）は、本発明の扁平体の一例である。

また、本体部（93）の外周面にも、前記伝熱管（12）の溝（12f）と同様の、複数の溝（図示は省略）が形成されている。本体部（93）の溝は、本体部（93）の周方向で、冷房用伝熱管（90）を外管（11）に入れた状態で、外管（11）の長手方向に向くように形成されている。この外管（11）は、その長手方向が鉛直方向となるように地中に埋設されるので、本体部（93）の溝も鉛直方向を向くことになる。

このように冷房用伝熱管（90）の冷房用伝熱管（90）を構成することで、実施形態１の伝熱管（12）の冷房時における効果と同様の効果を得ることが可能になる。すなわち、本体部（93）を扁平状にすることによって、本体部（93）と外管（11）内周面との間で形成される冷媒溜り部を小さくできるので、冷房運転時には、外管（11）内周面で凝縮した熱媒体（13）を本体部（93）へ効果的に誘導できる。そして、冷房用伝熱管（90）が螺旋状に形成されたことで、外管（11）内の冷房用伝熱管（90）の表面積をより増大させることができ、この点からも効率的な熱交換が可能になる。

また、この冷房用伝熱管（90）は、外管（11）の下方寄りにあるので、液状の熱媒体と本体部（93）をより効率よく接触させることも可能になる。すなわち、凝縮した熱媒体（13）は、外管（11）の内面壁を流れて底部に向かって流れるので、本変形例の冷房用伝熱管（90）は、その熱媒体を外管（11）の下方寄りで効率よく受け止めることができるのである。

そして、本実施形態でも、上記のように、暖房用伝熱管（80）、冷房用伝熱管（90）、外管（11）に設けた溝によって、熱交換の効率をより向上させることが可能になる。

《伝熱管（扁平体）のその他の構成例》
伝熱管（12）、暖房用伝熱管（80）、冷房用伝熱管（90）のそれぞれの本体部（12e,80b,93）、すなわち扁平体は、次のような構成でも上記の実施形態や変形例と同様の効果を期待できる。

例えば、上記本体部（12e,80b,93）として、内部が複数の流路に分かれている扁平管、すなわち扁平多孔管（14）を採用することも可能である。図１１の（Ａ）、及び（Ｂ）は、扁平多孔管（14）の一例をそれぞれ示す図であり、何れも流路方向と直交する断面の形状を示している。この扁平多孔管（14）は、外形が前記伝熱管（12）等の扁平管（12e）と同様であり、扁平多孔管（14）の流路には、図１１の（Ａ）や（Ｂ）に例示するように、種々の断面形状の流路を採用できる。なお、この扁平多孔管（14）や上記の伝熱管（12）等を構成する扁平管の外形は例示であり、例えば外形が楕円であってもよい。

また、図１２は、複数の管（15a）が扁平状に並んだ複合管（15）で、前記伝熱管（12）等を構成した例である。この例では、３つの円形断面の管（15a）を用いて複合管（15）を形成している。そのため、この複合管（15）は、縦横比が概ね１：３である。この複合管（15）は、図１２に示した扁平側で外管（11）の内周面に接するように外管（11）内に設置する。なお、複合管（15）を構成する各管（15a）は、図１２のように円形断面のものを用いる他にも、楕円断面等の種々の断面形状の管を採用できる。

上記のように、本発明における「扁平体」とは、流路方向と直交する断面の縦横比が１：１以外の部材を意味し、必ずしも外管（11）の内周面と面接触する形状である必要はない。そして、扁平体における「扁平側」とは、既述の通り、断面の縦側、横側のうち、寸法の大きい側を意味しているのである。

《その他の実施形態》
〈１〉なお、上記の各地中熱交換器（10,50）は、水平方向に設置することも可能である。図１３は、地中熱交換器（10,50）を水平に設置した状態を模式的に示す図である。この図では、説明の便宜上から地中熱交換器（10,50）を１つのみ図示している。既述のとおり、地層には、主に土砂のみで形成された層、土砂と水を含んだ層、主に水を含んだ層、さらには、岩石が連続して分布している岩盤等がある。この地中熱交換器（10,50）は何れの層に設置してもよいし、或いは複数の層にまたがって設置してもよい。図１３では、例１が土砂のみで形成された層に設置した例、例２が土砂と水を含んだ層に設置した例、例３が主に水を含んだ層に設置した例、例４が岩盤に設置した例をそれぞれ示している。

〈２〉また、上記の伝熱管（12）、暖房用伝熱管（80）、冷房用伝熱管（90）では、本体部（外管（11）と接する箇所）以外の部分も扁平体としてもよい。

〈３〉また、外管（11）の内周面や、伝熱管（12）、暖房用伝熱管（80）、冷房用伝熱管（90）の外周面に溝を設けない構成であってもよい。

〈４〉また、外管（11）の内面壁には、図１４の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ウイック（100）を設けてもよい。このウイック（100）は、外管（11）内の液状の熱媒体を浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒を外管（11）の内面壁に接触させる。このようなウイック（100）としては、例えば、金属多孔質体、多孔質セラミック、繊維の集合体などが挙げられる。このように、外管（11）の内面壁にウイック（100）を設けることで、外管（11）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、特に暖房運転時における熱交換性能が向上する。

〈５〉また、暖房用伝熱管（80）は、地中熱交換器（50）が暖房用の熱交換器（蒸発器）として機能するものであれば、上記の方式のものに限定されない。

〈６〉また、熱媒体として使用した二酸化炭素も例示である。熱媒体には、冷媒回路の冷媒の温度範囲（例えば１０℃から＋４０℃程度）で相変化するものを採用できる。具体的には、例えばアンモニアなどを採用できる。

本発明は、被熱交換流体と地中の土壌との間で熱交換を行う地中熱交換器として有用である。

１ 空調システム
２ 冷媒回路
３ 圧縮機（圧縮機構）
４ 四路切換弁（流路切換手段）
５ 室内熱交換器（利用側熱交換器）
６ 膨張弁（膨張機構）
１０ 地中熱交換器
１１ 外管
１１ａ 溝
１２ 伝熱管
１２ｄ 第１本体部
１２ｅ 第２本体部
１２ｅ 第２本体部（扁平管）
１２ｆ 溝
１３ 二酸化炭素（熱媒体）
１５ 複合管
１５ａ 管

Claims (7)

1. 地中に埋設される外管（11）と、該外管（11）内に挿入されて内部を被熱交換流体が流れる伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備え、該熱媒体（13）の相変化を利用して土壌と熱交換する地中熱交換器であって、
   上記伝熱管（12）は、少なくとも一部が、扁平管（12e,14）、又は複数の管（15a）が扁平状に並んだ複合管（15）からなる扁平体（12e,…）で構成され、
   上記扁平体（12e,…）は、扁平側で上記外管（11）の内周面に接し、
   上記熱媒体（13）は、上記外管（11）及び上記伝熱管（12）と熱交換して相変化することを特徴とする地中熱交換器。
2. 請求項１の地中熱交換器において、
   上記伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から延びて該外管（11）の底部で折曲され、該頂部へ戻るように形成されていることを特徴とする地中熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の地中熱交換器において、
   上記伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から底部までの第１本体部（12d）及び該底部から頂部までの第２本体部（12e）を備え、
   上記第１、第２本体部（12d,12e）の少なくとも一方が螺旋状に形成され、該螺旋状の部分が上記扁平体（12e,…）であることを特徴とする地中熱交換器。
4. 請求項３に記載の地中熱交換器において、
   上記伝熱管（12）の外周面には、設置状態において重力方向に延びる複数の溝（12f）が形成されていることを特徴とする地中熱交換器。
5. 請求項１から請求項４の何れか一つに記載の地中熱交換器において、
   上記外管（11）の内周面には、該外管（11）の周方向に延びる溝（11a）が形成されていることを特徴とする地中熱交換器。
6. 請求項５に記載の地中熱交換器において、
   上記外管（11）の溝（11a）は、設置状態で水平方向に延びるように形成されていることを特徴とする地中熱交換器。
7. 請求項１から請求項６の何れか一つに記載の地中熱交換器（10）と、利用側熱交換器（5）と、圧縮機構（3）と、膨張機構（6）と、上記被熱交換流体としての冷媒の流れ方向を切り換える流路切換手段（4）とを備えた冷媒回路（2）を有し、該流路切換手段（4）によって冷媒回路（2）内の冷媒の流れ方向を切り換えることにより暖房運転と冷房運転との切り換えが可能に構成されていることを特徴とする空調システム。

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