JP4636205B2

JP4636205B2 - 地中熱交換器及びそれを備えた空調システム

Info

Publication number: JP4636205B2
Application number: JP2009250877A
Authority: JP
Inventors: 英明浅井; 克宏川端; 啓介谷本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: KR20110099278A; CN102239370A; US20120037335A1; CA2746975A1; EP2372271A1; JP2010164293A; WO2010070858A1

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

ところで、地中熱交換器を用いた空調システムとして、上述のように地熱を暖房の熱源として用いるだけでなく、地中の土壌に対して放熱する冷房運転も行えるような構成が要求される場合がある。

また、上述のように、相変化する熱媒体を介して被熱交換流体が地中の土壌との間で熱交換を行う構成では、暖房運転時及び冷房運転時にそれぞれ蒸発器及び凝縮器として機能する熱交換器内で、熱媒体が蒸発・凝縮を繰り返すことになる。すなわち、熱交換器の熱媒体は、暖房運転時には、被熱交換流体の流れる伝熱管に接触して凝縮した後、地熱によって蒸発するサイクルを繰り返す一方、冷房運転時には、地熱によって凝縮された後、被熱交換流体の流れる伝熱管に接触して蒸発するサイクルを繰り返す。

したがって、地中に埋設された熱交換器を用いて暖房運転及び冷房運転を行う場合には、地中に埋設される外管内に暖房運転用の伝熱管と冷房運転用の伝熱管とをそれぞれ設けて、運転状態に応じて被熱交換流体が流れる伝熱管を切り換えるように構成するとともに、上記外管内で暖房運転用の伝熱管を上方側に、冷房運転用の伝熱管を下方側に配置する構成が考えられる。このような構成にすることで、熱媒体は、暖房運転時には、伝熱管の表面で凝縮して下方へ移動しながら地熱によって蒸発し、再び上方へ戻る一方、冷房運転時には、伝熱管の表面で蒸発して上方へ移動しながら地熱によって凝縮し、再び下方へ戻るため、外管内で効率良く熱媒体を循環させることができる。

しかしながら、上述のように、熱交換器内に暖房運転用の伝熱管及び冷房運転用の伝熱管をそれぞれ設ける構成では、熱交換性能を確保できる範囲が限られているため、熱交換の効率が悪く、暖房性能及び冷房性能を確保しようとすると、各伝熱管の長さがある程度、必要になり、熱交換器全体の長さが長くなってしまう。しかも、暖房専用や冷房専用の熱交換器に比べて、伝熱管が倍必要になるため、その分、コストの増大を招く。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、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、冷房運転及び暖房運転の両方で被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換することができる構成を低コストな構成によって実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る地中熱交換器（10）では、伝熱管（12）を、外管（11）の長さ方向全体に位置するように形成するとともに、少なくとも一部が該外管（11）の内周面に接するように配置し、さらに、一つの伝熱管（12）内を、被熱交換流体が暖房運転及び冷房運転で逆方向に流れるようにした。

具体的には、第１の発明では、地中に縦向きに埋設される外管（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を対象とする。

そして、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とともに、上記外管（11）内に位置する少なくとも一部が該外管（11）の内周面に接するように配置されていて、暖房運転と冷房運転とで上記被熱交換流体が内部を逆方向に流通可能に構成され、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。

以上の構成により、暖房運転時及び冷房運転時に、地中に縦向きに埋設される外管（11）内の伝熱管（12）を被熱交換流体が流れて、地中熱交換器（10）は、暖房運転時には蒸発器として、冷房運転時には凝縮器として、それぞれ機能する。そして、上記外管（11）内では、伝熱管（12）は、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とともに、少なくとも一部が上記外管（11）の内周面に接しているため、暖房運転時及び冷房運転時の両方において熱媒体（13）を外管（11）内で効率良く循環させることが可能となる。すなわち、上述のような伝熱管（12）の構成により、暖房運転時に伝熱管（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一方、冷房運転時に上記伝熱管（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。

したがって、上述の構成により、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）内で効率良く循環させることができるため、暖房運転及び冷房運転の両方で被熱交換流体が地中の土壌と効率良く熱交換できる構成を低コストで実現できる。

しかも、上述のような構成にすることで、地中熱交換器の内部の構造を単純化することができるため、上記地中熱交換器を長さ方向に分割してユニット化したり、地中熱交換器内を複数の空間に分割したりすることが可能になる。これにより、地中熱交換器の性能の均一化や、製造コストの低減、現地施行工事の簡素化を図れる。

上述の構成において、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）の少なくとも一方が螺旋状に形成されているとともに、該螺旋状の部分が上記外管（11）の内周面に接するように配置されているものとする（第２の発明）。

このように、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）の少なくとも一方を螺旋状にすることで、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。したがって、熱媒体（13）を介して伝熱管（12）内の被熱交換流体と地熱との間で熱交換を効率良く行うことができる。

また、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）が形成されているのが好ましい（第３の発明）。こうすることで、暖房運転時に伝熱管（12）の表面で凝縮して外管（11）の内周面まで移動した熱媒体（13）や、冷房運転時に外管（11）の内周面上で凝縮した熱媒体（13）を、該外管（11）の内周面上に形成された溝（11a）内に保持して周方向に移動させることができるため、該熱媒体（13）が外管（11）の下部へ流れ落ちるのを防止することができる。したがって、上記外管（11）内で熱媒体（13）を効率良く循環させることができるため、熱媒体（13）を介して伝熱管（12）内の被熱交換流体と土壌との間の熱交換をより効率良く行うことができる。

また、上記伝熱管（12）の外周面には、該伝熱管（12）の周方向に延びる溝（12f）が形成されているのが好ましい（第４の発明）。これにより、凝縮した熱媒体（13）が、伝熱管（12）の外周面上に形成された溝（12f）内に保持され且つ該伝熱管（12）の周方向に移動するため、該伝熱管（12）の外周面上で下方へ流れ落ちるのをより確実に防止することができる。したがって、上記第３の発明の構成と組み合わせることで、熱媒体（13）が外管（11）の下部へ流れ落ちるのをさらに確実に防止することができ、外管（11）内で熱媒体（13）をさらに効率良く循環させることができる。

さらに、上記外管（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ていて、上記溝（11a,12f）は、水平方向に延びるように形成されているのが好ましい（第５の発明）。

これにより、外管（11）の内周面や伝熱管（12）の外周面上で、凝縮した熱媒体（13）が水平方向に延びる溝（11a,12f）内に保持されるため、該熱媒体（13）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る。

第６の発明は、上記第１から第５の発明のうちいずれか一つの地中熱交換器（10）を備えていて、冷凍サイクルを行うように構成された空調システム（1）を対象とする。

具体的には、第６の発明は、第１から第５の発明のいず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ものとする。

以上の構成により、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（10）を蒸発器若しくは凝縮器として機能させることができる。このような構成において、地中熱交換器（10）を上記第１から第５の発明のような構成にすることで、該第１から第５の発明と同様の作用効果を得ることができる。したがって、上述の構成の空調システム（1）においても、冷媒と地中の土壌との熱交換を効率良く行うことのできる地中熱交換器（10）を低コストで得ることができる。

以上より、第１の発明に係る地中熱交換器（10）において、伝熱管（12）は、外管（11）内で、該外管（11）の頂部から延びて底部で屈曲され、該頂部へ戻るように形成されているとともに、少なく一部が上記外管（11）の内周面に接するように配置されていて、暖房運転及び冷房運転で被熱交換流体が内部を逆方向に流れるため、一本の伝熱管（12）によって、暖房運転及び冷房運転の両方において熱媒体（13）を上記外管（11）内で効率良く循環させることができ、上記被熱交換流体と地中の土壌との熱交換を熱媒体（13）を介して効率良く行うことができる。したがって、暖房運転及び冷房運転の両方において被熱交換流体と地中の土壌との熱交換を効率良く行うことができる構成を、低コストな構成で実現できる。

しかも、上述のような構成にすることで、地中熱交換器（10）を長さ方向に分割してユニット化したり、地中熱交換器内を複数の空間に分割したりすることが可能になるため、地中熱交換器（10）の性能の均一化や、製造コストの低減、現地施行工事の簡素化を図れる。

また、第２の発明によれば、上記伝熱管（12）は、該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）の少なくとも一方が螺旋状に形成されていて、該螺旋状の部分が上記外管（11）の内周面に接しているため、該外管（11）内での伝熱管（12）の伝熱面積を増大させることができ、暖房運転及び冷房運転の両方において被熱交換流体と地中の土壌との熱交換をより効率良く行うことができる。

また、第３の発明によれば、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）が形成されているため、該外管（11）の内周面で熱媒体（13）をより確実に保持することができ、該熱媒体（13）を介して被熱交換流体と地中の土壌との熱交換をより効率良く行うことができる。特に、第４の発明によれば、上記伝熱管（12）の外周面には、該伝熱管（12）の周方向に延びる溝（12f）が形成されているため、該伝熱管（12）の外周面上で熱媒体（13）をより確実に保持することができ、上記第３の発明の構成と組み合わせることにより、熱媒体（13）を介して被熱交換流体と地中の土壌との熱交換をさらに効率良く行うことができる。

また、第５の発明によれば、上記外管（11）は、長手方向が鉛直方向となるように地中に埋設されていて、上記溝（11a,12f）は、水平方向に延びるように形成されているため、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るのをより確実に防止できる。

第６の発明に係る空調システム（1）は、上記第１から第５の発明のいず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、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）によって暖房運転及び冷房運転の切り換えが可能に構成されているため、このような空調システム（1）の構成においても、上記第１から第５の発明と同様の効果が得られる。

図１は、本発明の実施形態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４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５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４相当図である。

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。

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。

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。

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。

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、上記伝熱管（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、上記伝熱管（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）の内周面及び上記伝熱管（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）の内周面及び伝熱管（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ため、上記伝熱管（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（上記図４及び図５参照）、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。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）を介して伝熱管（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）と上記伝熱管（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。

−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。

（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４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（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。

図５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−
以上より、この実施形態によれば、地中に縦向きに埋設される外管（11）内に、内部を冷媒が流れる伝熱管（12）が挿入され、且つ、熱媒体としての二酸化炭素（13）が封入されてなる地中熱交換器（10）において、上記外管（11）の底部から頂部へ延びる上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）を螺旋状に形成するとともに、該第２本体部（12e）が上記外管（11）の内周面に接するように、上記伝熱管（12）を設けたため、暖房運転時及び冷房運転時の両方において、上記第２本体部（12e）と外管（11）の内周面との間で二酸化炭素（13）を効率良く相変化させて、該二酸化炭素（13）を介して冷媒と地中の土壌との間で熱交換を行うことができる。したがって、１本の伝熱管（12）内での冷媒の流れ方向を切り換えるだけで、暖房運転時及び冷房運転時の両方において冷媒と地中の土壌との間で効率良く熱交換を行うことができるので、低コストな構成で熱交換の効率が良い地中熱交換器（10）を得ることができる。

また、上記外管（11）の内周面上及び上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上に、それぞれ周方向且つ水平に延びる複数の溝（11a,12f）を形成したため、暖房運転時に伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上に凝縮した二酸化炭素（13）が鉛直下向きに流れ落ちるのを上記外管（11）の溝（11a）によって、冷房運転時に外管（11）の内周面上に凝縮した二酸化炭素（13）が下方へ流れ落ちるのを上記伝熱管（12）の溝（12f）によって、それぞれ、防止することができる。すなわち、凝縮した二酸化炭素（13）が上記溝（11a,12f）内を周方向（水平方向）に移動することによって、該二酸化炭素（13）を周方向のより広い範囲で気化させることができるため、冷媒と地中の土壌とを二酸化炭素（13）を介して効率良く熱交換させることができる。

しかも、上述のような構成にすることで、地中熱交換器（10）の内部の構造を単純化することができるとともに、該地中熱交換器（10）の長さ方向のどの位置でもほぼ同様の熱交換性能を得ることができるため、地中熱交換器を長さ方向に分割してユニット化したり、地中熱交換器内を複数の空間に分割したりすることが可能になる。上記地中熱交換器（10）を、このような構成にすることで、地中熱交換器の性能の均一化や、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。

《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。

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。さらに、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。さらにまた、外管（11）の内周面や伝熱管（12）の外周面に溝を設けない構成であってもよい。

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、外管（11）内の熱媒体として二酸化炭素（13）を用いているが、この限りではなく、−１０度から４０度の間で相変化する媒体であれば、どのようなものであってもよい。

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。

本発明は、冷媒と地中の土壌との間で熱交換を行う地中熱交換器に特に有用である。

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）
７室内ファン
１０地中熱交換器
１１外管
１１ａ溝
１２伝熱管
１２ａ第１接続部
１２ｂ第２接続部
１２ｃ本体部
１２ｄ第１本体部
１２ｅ第２本体部
１２ｆ溝
１３二酸化炭素（熱媒体）
Ｓ空間

Claims

地中に縦向きに埋設される外管（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、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とともに、上記外管（11）内に位置する少なくとも一部が該外管（11）の内周面に接するように配置されていて、暖房運転と冷房運転とで上記被熱交換流体が内部を逆方向に流通可能に構成され、
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。
請求項１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）の少なくとも一方が螺旋状に形成されているとともに、該螺旋状の部分が上記外管（11）の内周面に接するように配置されていることを特徴とする地中熱交換器。
請求項１または２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。
請求項３において、
上記伝熱管（12）の外周面には、該伝熱管（12）の周方向に延びる溝（12f）が形成されていることを特徴とする地中熱交換器。
請求項３または４に記載の地中熱交換器において、
上記外管（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ていて、
上記溝（11a,12f）は、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。
請求項１から５のいず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。