JP5510316B2 - 熱交換器及び空調システム - Google Patents

Description

本発明は、地中又は水中に設置される熱交換器、及びそれを利用した空調システムに関するものである。

冷凍サイクルによって暖房を行ういわゆるヒートポンプ式暖房システムには、熱源として地熱や水中の熱を用いて冷媒を蒸発させるようにしたものがある。例えば、地熱を利用したヒートポンプ式暖房システムには、地中から地熱の回収を行う地中熱交換器が用いられる（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の熱交換器では、熱媒体（２次媒体）を内部に有したパイプ（本明細書では埋設パイプと呼ぶ）を地中に埋設し、埋設パイプ内の熱媒体を地熱によって蒸発させる。そして、その埋設パイプからパイプを分岐させてその分岐パイプに熱交換器を取り付け、その熱交換器で回収した熱をヒートポンプ式暖房システムの熱源として使用している。

国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット

しかしながら、例えば地中で用いられる従来の熱交換器は、暖房用に使用できるのみであり、冷房及び暖房の両方に使用できるものはなかった。さらに、例えば土壌から採熱する地中熱交換器の場合、土壌の伝熱抵抗が大きいため、従来の地中熱交換器の熱交換性能では、小型のものを用いると、十分な熱量を得るのが困難であった。そのため、例えば垂直方向に地中熱交換器を埋設するいわゆる垂直式地中熱交換器で十分な熱量を得ようとすると、かなりの深さまで地中熱交換器を埋設する必要がある。具体的には、一般家庭用の暖房システムにおける地中熱交換器で、１００ｍ程度の埋設深さを要する例もある。このように地中熱交換器の埋設深さを要すると、その設置費用が問題となる。また、パイプ内における作動流体の凝縮部の面積が蒸発部の面積に対して小さく、気化と凝縮の熱バランスが悪い。しかも、凝縮した作動流体は、パイプ上部から流れるものの、長いパイプ壁面を均一に濡らすことにはならない。即ち、従来の地中熱交換器は、地中熱からの熱交換を効率よく行なえるものではなかった。

また、広く用いられる、地中熱交換器内部に水を循環させてその循環水の熱を利用する方式では、間接的に水を介して熱交換をおこなうので、その分の温度勾配でロスが生じる。また、このような深さに埋設したパイプ内に水を流すチューブラインとそのチューブ内を流れる熱媒体を搬送するためにポンプが必要になり、そのポンプの消費電力が暖房システム全体の効率を低下させるという問題もある。また、これらの問題は、従来の地中熱交換器を冷房用の凝縮器として使用する場合にも、同様に起こりえる。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、地中や水中に配置される熱交換器における熱交換性能を向上させ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、
地中又は水中に設置される外管（51）と、前記外管（51）内に挿入され冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒から放熱させる冷房用伝熱管（52）と、前記外管（51）内に封入された熱媒体とを備え、前記熱媒体が冷房用伝熱管（52）の外壁面において吸熱して蒸発し、前記外管（51）の内壁面において凝縮することによって、前記熱媒体を相変化させて地中又は水中に放熱する熱交換器であって、
前記外管（51）と前記冷房用伝熱管（52）とは、表面張力によって該外管（51）の内面壁と該冷房用伝熱管（52）の外面壁の間で液状の前記熱媒体が保持されるように配置され、
前記熱媒体は、前記内面壁と前記外面壁との間に保持されることで前記冷房用伝熱管（52）内の冷媒と熱交換して相変化することを特徴とする。

この構成により、熱媒体は、外管（51）の内面壁を介して、地中又は水中で熱交換を行って凝縮する。そして、熱媒体保持部（60）が、表面張力によって液状の前記熱媒体を保持するので、冷房用伝熱管（52）の外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れる。そして、冷房用伝熱管（52）は、凝縮した熱媒体と熱交換を行う。これにより熱媒体は蒸発し、冷房用伝熱管（52）内の冷媒は凝縮する。すなわち、冷房用伝熱管（52）は、熱媒体の相変化を利用して、地中又は水中において熱交換を行う。つまり、この熱交換器は凝縮器として機能する。

また、第２の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記冷房用伝熱管（52）は、前記外管（51）の内面壁と接して熱交換を行うことを特徴とする。

これにより、冷房用伝熱管（52）と、外管（51）の内面壁との間で直接的に熱交換が行われる。

また、第３の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記冷房用伝熱管（52）は、前記外管（51）の一端から他端まで延在していることを特徴とする。

これにより、冷房用伝熱管（52）が、該冷房用伝熱管（52）上のより広い範囲を使って熱媒体と熱交換を行う。

また、第４の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記外管（51）内には、該外管（51）の内面壁に沿ってウイック（90）が設けられていることを特徴とする。

これにより、ウイック（90）が、外管（51）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（51）の内面壁に接触させる。

また、第５の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記外管（51）の内面壁には、表面張力により前記熱媒体を保持するグルーブ（100）が形成されていることを特徴とする。

これにより、グルーブ（100）が、外管（51）内の液状の熱媒体を保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させる。

また、第６の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記外管（51）内に挿入され、冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる暖房用伝熱管（80）をさらに備えていることを特徴とする。

この構成により、暖房運転時には、熱媒体は、外管（51）の内面壁を介して、地中又は水中で熱交換を行って蒸発する。そして、暖房用伝熱管（80）は、蒸発した熱媒体と熱交換を行う。これにより熱媒体は凝縮し、暖房用伝熱管（80）内の冷媒は蒸発する。すなわち、暖房用伝熱管（80）は、熱媒体の相変化を利用して地中又は水中において熱交換を行う。これにより、暖房用伝熱管（80）が、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、地中又は水中から熱を吸熱する。

また、第７の発明は、
第１から第６の発明の熱交換器において、
前記冷房用伝熱管（52）は、コイル状に形成されていることを特徴とする。

これにより、冷房用伝熱管（52）と熱媒体との接触面積が増大する。

また、第８の発明は、
第１から第７の発明の熱交換器を備えて冷凍サイクルを行うことを特徴とする空調システムである。

これにより、空調システムにおいて、地中又は水中に熱を放熱する冷房運転、或いは地中又は水中の熱を熱源としての暖房運転が行われる。そして、冷房運転時には、熱媒体保持部（60）が、表面張力によって液状の前記熱媒体を保持するので、冷房用伝熱管（52）の外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れ、気化が促進される。

第１の発明によれば、地中又は水中に設置される熱交換器を冷房に使用することが可能になる。冷房用伝熱管（52）の外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れるので、冷房用伝熱管（52）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、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、本発明によれば、熱交換器の熱交換性能が向上し、熱交換器の小型化が可能になる。

また、第２の発明によれば、冷房用伝熱管（52）と、外管（51）の内面壁との間で直接的に熱交換が行われるので、冷房用伝熱管（52）内の冷媒を、より効率よく凝縮させることができ、熱交換器の熱交換性能が向上する。

また、第３の発明によれば、冷房用伝熱管（52）が該冷房用伝熱管（52）上のより広い範囲を使って熱媒体と熱交換を行うので、冷房用伝熱管（52）内の冷媒をより効率よく凝縮させることができ、熱交換器の熱交換性能が向上する。

また、第４の発明によれば、ウイック（90）が外管（51）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（51）の内面壁に接触させるので、外管（51）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、熱交換性能がより向上する。

また、第５の発明によれば、グルーブ（100）が、外管（51）内の液状の熱媒体を保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させるので、外管（51）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、熱交換性能がより向上する。

また、第６の発明によれば、暖房用伝熱管（80）が冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、地中又は水中から熱を吸熱するので、熱交換器を冷房用の凝縮器としても、暖房用の蒸発器としても利用できる。

また、第７の発明によれば、冷房用伝熱管（52）と熱媒体との接触面積が増大する。それゆえ、この熱交換器では、熱交換効率を向上させることが可能になる。

また、第８の発明によれば、空調システムにおいて、冷房時における熱交換器の熱交換性能が特に向上する。そして、この熱交換性能が向上により、熱交換器の小型化が可能になり、延いては空調システムの低コスト化も期待できる。

図１は、実施形態１に係る地中熱交換器を含んだ空調システムのシステム図である。 図２は、実施形態１に係る地中熱交換器の構成を示す縦断面図である。 図３は、冷房運転時の冷媒の動きを説明する図であり、図３（Ａ）が地中熱交換器の断面図、図３（Ｂ）が熱媒体保持部部分の拡大図である。 図４は、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システム図である。 図５は、実施形態２に係る地中熱交換器の構成を示す縦断面図である。 図６は、地中熱交換器（50）を傾斜して設置した状態を模式的に示す図である。 図７は、地中熱交換器（50）を水平に設置した状態を模式的に示す図である。 図８は、熱交換器（50）を水中に設置した状態を模式的に示す図である。 図９は、外管の他の構成例を示す図であり、図９（Ａ）が外管の横断面、図９（Ｂ）が外管の一部を切り取った斜視図である。 図１０は、外管のさらに他の構成例を示す横断面図である。 図１１は、グルーブ（100）の他の構成例であり、グルーブ（100）を円周方向に形成した例である。

以下、本発明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。また、以下の各実施形態や変形例の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

《発明の実施形態１》
実施形態１では、本発明の熱交換器の一例として、地中に設置される地中熱交換器の例を説明する。本発明の実施形態に係る地中熱交換器は、例えば、冷房運転が可能なヒートポンプ式の空調システムに用いられ、冷房運転時に凝縮器として機能して土壌に対して熱を放熱する。

なお、ここで土壌とは、土砂のみで形成されたものの他に、土砂と水の両方を含んだいわゆる帯水層も含まれる。すなわち、この地中熱交換器は、設置される場所や深さによっては、土砂の他にも地中の水、或いはそれらの両方とも熱交換を行う場合がある。

＜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（50）を含んだ空調システム（1）のシステム図である。本実施形態の空調システム（1）は、図１に示すように、冷媒回路（10）を備えている。この冷媒回路（10）には、圧縮機（20）、室内熱交換器（30）、膨張弁（40）、及び地中熱交換器（50）が接続されている。そして、この冷媒回路（10）には、冷媒（作動流体）が充填されている。

圧縮機（20）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、この圧縮機（20）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。この冷媒回路（10）では、圧縮機（20）は、吸入ポートが室内熱交換器（30）に接続され、吐出ポートが地中熱交換器（50）（詳しくは後述の導入部（52a））に接続されている。

室内熱交換器（30）は、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）では、室内熱交換器（30）は、空気調和を行う室内に配置されたいわゆる室内機に組み込まれる。この冷媒回路（10）においては、室内熱交換器（30）の一端は、膨張弁（40）に接続され、他の一端は既述の通り圧縮機（20）の吸入ポートに接続されている。そして、冷房運転時には膨張弁（40）から室内熱交換器（30）へ流入した低圧冷媒に室内空気の熱を吸熱させる。この室内熱交換器（30）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。なお、この室内熱交換器（30）の近傍には、室内ファン（31）が設置されている。室内ファン（31）は、調和空気を室内へ送風する。

膨張弁（40）は、流入孔が地中熱交換器（50）（詳しくは後述の導出部（52b））に接続され、該地中熱交換器（50）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てから、室内熱交換器（30）に流出させる。

地中熱交換器（50）は、地中に埋設されて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。本実施形態の地中熱交換器（50）は、図２に示すように、外管（51）と冷房用伝熱管（52）とを備えている。

外管（51）は、両端が閉じた管状に形成され、この例では地中に縦向きに埋設される。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（50）は何れの地層に設置してもよい。

また、外管（51）内には、熱媒体として、所定の量の二酸化炭素（ＣＯ_２）が封入されている。この熱媒体は後に詳述するように、外管（51）の内壁面から土壌に放熱して凝縮するとともに、冷房用伝熱管（52）の外壁面において吸熱して蒸発する。

冷房用伝熱管（52）は、管状に形成され、外管（51）内に挿入されている。冷媒回路（10）においては、この冷房用伝熱管（52）には冷媒が内部に導入されるとともに、該冷媒から放熱させる。具体的に、冷媒回路（10）では、冷房用伝熱管（52）の一端は、圧縮機（20）の吐出ポートに接続され、他の一端は、膨張弁（40）に接続されている。

本実施形態の冷房用伝熱管（52）は具体的には、図２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。

導入部（52a）は、外管（51）の上方側（外管（51）を埋設した状態で地表側となる側）から該外管（51）内に挿入され、一端が配管を介して圧縮機（20）の吐出ポートに接続されている。また、導入部（52a）の他の一端は、外管（51）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（51）の上方側から、該外管（51）内に挿入され、外管（51）の外側の一端が、配管を介して膨張弁（40）に接続されている。導出部（52b）の他の一端は、外管（51）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（51）の内面壁に沿って、該外管（51）の上方から底部まで延びている。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。

上記の導入側本体部（52c）の外面壁と外管（51）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（51）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（51）の内面壁と近接して配置され、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、外管（51）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（51）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（51）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（51）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（51）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（51）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、上記の地中熱交換器（50）では、導入側本体部（52c）及び導出側本体部（52d）の２本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、これに限定されない。

−運転動作−
次に、空調システム（1）における冷房運転中の動作について説明する。

冷房運転が開始されて、圧縮機（20）が運転状態にされると、圧縮された冷媒（ガス冷媒）が圧縮機（20）の吐出ポートから吐出される。圧縮機（20）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（51）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、が、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（51）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（51）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（51）の内面壁を介して土壌に放熱することによって、凝縮して液状になっている。これは、外管（51）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（51）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、熱媒体保持部（60）によって生じた表面張力によって、図３に示すように、外管（51）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。このように、外管（51）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（51）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し、さらに接触している外管（51）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）を介して膨張弁（40）に導入され、膨張弁（40）で減圧されてから室内熱交換器（30）に導入される。室内熱交換器（30）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（30）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（31）によって室内へ送り返される。室内熱交換器（30）で蒸発した冷媒は、圧縮機（20）の吸入ポートに導入される。圧縮機（20）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。

この空調システム（1）では、以上の動作が繰り返され、地中熱交換器（50）を凝縮器として圧縮機（20）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。

上記のように、本実施形態では、外管（51）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、地中熱交換器の熱交換性能が向上し、地中熱交換器の小型化が可能になる。この小型化により、空調システムの低コスト化も期待できる。

《発明の実施形態２》
実施形態２では、冷房運転に加えて暖房運転が可能な空調システムについて説明する。

図４は、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（2）のシステム図である。同図に示すように、空調システム（2）は、冷媒回路（70）を備えている。この冷媒回路（70）は、実施形態１の冷媒回路（10）に対して、四方切換弁（71）、第１の切り替えバルブ（72）、及び第２の切り替えバルブ（73）を追加して構成している。

四方切換弁（71）は、第１から第４ポートの４つのポートが設けられている。そして、この四方切換弁（71）は、第１ポートと第３ポートが連通すると同時に第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図４に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通すると同時に第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図４に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。この冷媒回路（70）では、第１ポートが圧縮機（20）の吐出ポートに接続され、第２ポートが圧縮機（20）の吸入ポートに接続されている。また、第３ポートは、第２の切り替えバルブ（73）に接続され、第４ポートは室内熱交換器（30）の一端に接続されている。

本実施形態の地中熱交換器（50）は、図５に示すように、実施形態１の地中熱交換器（50）に対し、暖房用伝熱管（80）を追加したものである。

この暖房用伝熱管（80）は、導入部（80a）、本体部（80b）、導出部（80c）から形成されている。本体部（80b）は、暖房運転時に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、コイル状に形成され、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（51）内の上方に配置されている。また、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（51）の上方から該外管（51）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）は、空調システム（2）で暖房運転を行うか、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。第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（40）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）の何れかに接続する。また、第２の切り替えバルブ（73）は、四方切換弁（71）の第３ポートを、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）の何れかに接続する。

−運転動作−
次に、空調システム（2）における運転動作について説明する。

（冷房運転）
まず、冷房運転について説明する。冷房運転時には、四方切換弁（71）が第１状態に切り替えられる。すなわち、第１ポートと第３ポートが連通すると同時に第２ポートと第４ポートが連通する（図４に実線で示す状態）。また、第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（40）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、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、四方切換弁（71）の第３ポートとが接続されるように切り替えられる。これにより、冷媒回路（70）は、実施形態１の冷媒回路（10）と等価になる。したがって、この空調システム（2）においても実施形態１の空調システム（1）と同様の運転動作が行われ、地中熱交換器（50）を凝縮器として圧縮機（20）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。

（暖房運転）
次に、空調システム（2）の暖房運転について説明する。暖房運転時には、四方切換弁（71）が第２状態に切り替えられる。すなわち、第１ポートと第４ポートが連通すると同時に第２ポートと第３ポートが連通する（図４に破線で示す状態）。また、第１の切り替えバルブ（72）は、膨張弁（40）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、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、四方切換弁（71）の第３ポートとが接続されるように切り替えられる。

この状態で、圧縮機（20）が運転状態にされると、圧縮された冷媒（ガス冷媒）が圧縮機（20）の吐出ポートから吐出される。そして、圧縮機（20）から吐出された冷媒は、四方切換弁（71）を介して室内熱交換器（30）へ送られる。室内熱交換器（30）に流入した冷媒は、室内熱交換器（30）で室内空気へ放熱する。室内熱交換器（30）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（31）によって室内へ送り返される。室内熱交換器（30）で放熱した冷媒は、膨張弁（40）へ送られる。膨張弁（40）に流入した冷媒は、膨張弁（40）を通過する際に減圧され、その後に暖房用伝熱管（80）の導入部（80a）に流入し、さらに本体部（80b）に導入される。

このとき、外管（51）の内面壁は、はじめは地中温度と等しい状態であるが、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。外管（51）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は操作する。そして、熱媒体の一部は、外管（51）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っている。このガス状の熱媒体は、暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）によって吸熱されて凝縮し、液体となる。液体となった熱媒体は、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）と四方切換弁（71）とを介して圧縮機（20）の吸入ポートに導入される。圧縮機（20）は、この冷媒を吸入して圧縮し、四方切換弁（71）を介して室内熱交換器（30）へ吐出する。空調システム（2）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（20）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。

《実施形態１，２の変形例》
なお、実施形態１及び２の地中熱交換器（50）は、縦方向以外に傾斜して設置することも可能である。図６は、地中熱交換器（50）を傾斜して設置した状態を模式的に示す図である。このように設置しても、上記の各実施形態と同様にして熱交換が行われる。なお、同図において、「ＨＰ」と記載されているのは、空調システム（1）（或いは空調システム（2））の本体部分（熱交換器以外の部分）を示している（以下同様）。

《発明の実施形態３》
また、実施形態１の地中熱交換器（50）は、水平方向に設置することも可能である。本実施形態の地中熱交換器（50）は、冷房運転に使用する。図７は、地中熱交換器（50）を水平に設置した状態を模式的に示す図である。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（50）は何れの地層に、或いは複数の層にまたがって設置してもよい。図７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。

《発明の実施形態４》
なお、上記の各実施形態や変形例に係る熱交換器は、地中に設置するほかに、水中に設置することも可能である。具体的な設置場所としては、例えば、海、湖、池、プール、貯水槽、河川、下水道などが上げられる。図８は、熱交換器（50）を水中に設置した状態を模式的に示す図である。この図では、熱交換器（50）（水中熱交換器）の設置例として５つの例（例１〜５）を記載している。例１、２は、貯水槽又はプールに熱交換器（50）を設置した例であり、例１では縦向きに配置し、例２では水平方向に配置している。また、例３、４は、海、湖、又は池に熱交換器（50）を設置した例であり、例３では縦向きに配置し、例４では水平方向に配置している。また、例５は下水道に熱交換器（50）を配置した例であり、水平方向に配置している。すなわち、水中に設置する場合にも、熱交換器（50）は、縦向きに配置してもよいし、水平方向に設置してもよい。また、水中に設置する場合においても、熱交換器（50）を傾斜して設置することも可能である（図８の例６を参照）。

このように熱交換器（50）を水中に設置した場合にも、上記の各実施形態や変形例と同様のメカニズムで熱交換が行われる。

《その他の実施形態（変形例）》
〈１〉外管（51）の内面壁には、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、ウイック（90）を設けてもよい。このウイック（90）は、外管（51）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（51）の内面壁に接触させる。このようなウイック（90）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（51）の内面壁にウイック（90）を設けることで、外管（51）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。

〈２〉また、外管（51）の内面壁には、図１０の断面図に示すように、複数のグルーブ（100）を設けてもよい。具体的には、このグルーブ（100）は、外管（51）内の液状の熱媒体を保持するように、幅、深さ、数などを定める。なお、グルーブ（100）の方向は、外管（51）の軸方向に平行なものには限定されない。例えば、円周方向であってもよいし、らせん状であってもよい。このようなグルーブ（100）を外管（51）の内面壁に設けることで、外管（51）の内面壁に対し、やはり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。例えば、図１１は、グルーブ（100）を円周方向に形成した外管（51）の例である。例えば、地中熱交換器（50）を水平方向に設置した場合には、このようにグルーブ（100）を円周方向に形成すると、外管（51）の内面壁に均一な濡れを、より効果的に確保することが可能になる。

〈３〉また、暖房用伝熱管（80）は、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。

〈４〉また、各実施形態では、冷房用伝熱管（52）は、コイル状に形成してもよい。こうすることで、冷房用伝熱管（52）と熱媒体との接触面積が増大する。それゆえ、この熱交換器では、熱交換効率を向上させることが可能になる。

〈５〉また、熱交換器（50）は、何れの実施形態や変形例においても、複数本設置することも可能である。

本発明は、地中又は水中に設置される熱交換器、及びそれを利用した空調システムとして有用である。

１、２ 空調システム
５０ 地中熱交換器（熱交換器）
５１ 外管
５２ 冷房用伝熱管
６０ 熱媒体保持部
８０ 暖房用伝熱管
９０ ウイック
１００ グルーブ

Claims (8)

1. 地中又は水中に設置される外管（51）と、前記外管（51）内に挿入され冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒から放熱させる冷房用伝熱管（52）と、前記外管（51）内に封入された熱媒体とを備え、前記熱媒体が冷房用伝熱管（52）の外壁面において吸熱して蒸発し、前記外管（51）の内壁面において凝縮することによって、前記熱媒体を相変化させて地中又は水中に放熱する熱交換器であって、
   前記外管（51）と前記冷房用伝熱管（52）とは、表面張力によって該外管（51）の内面壁と該冷房用伝熱管（52）の外面壁の間で液状の前記熱媒体が保持されるように配置され、
   前記熱媒体は、前記内面壁と前記外面壁との間に保持されることで前記冷房用伝熱管（52）内の冷媒と熱交換して相変化することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１の熱交換器において、
   前記冷房用伝熱管（52）は、前記外管（51）の内面壁と接して熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１の熱交換器において、
   前記冷房用伝熱管（52）は、前記外管（51）の一端から他端まで延在していることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１の熱交換器において、
   前記外管（51）内には、該外管（51）の内面壁に沿ってウイック（90）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１の熱交換器において、
   前記外管（51）の内面壁には、表面張力により前記熱媒体を保持するグルーブ（100）が形成されていることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１の熱交換器において、
   前記外管（51）内に挿入され、冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる暖房用伝熱管（80）をさらに備えていることを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１の熱交換器において、
   前記冷房用伝熱管（52）は、コイル状に形成されていることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１の熱交換器を備えて冷凍サイクルを行うことを特徴とする空調システム。

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