JP6007455B1 - 冷熱供給装置及び冷熱供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮器において生じる熱を大気と熱交換せず、大気中への熱の放出を行わないようにする冷熱供給装置を提供する。【解決手段】温熱発生回路１８と、冷熱発生回路１２と、温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ作動媒体循環路２と、地盤２９中に埋設した放熱用地中熱交換器２０と、温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結び放熱媒体を流通させる放熱側循環路２３とからなる冷熱供給装置であり、温熱発生回路における凝縮器５にて生じる熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達するように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機や冷房機などの冷熱供給装置及び冷熱供給装置における冷熱供給方法に関する。

食品を冷凍保存するための冷凍設備は、産業用に使用される大型のものから家庭用（民生用）に使用される小型のものまで種々あり、また夏季に稼働される冷房機においても、ビル内に設置される大型の設備や家庭用エアコンのような小型の設備もあり、いずれも広く用いられている。

これらの冷凍機や冷房機において、従来から一般的に採用されている構造は冷凍（冷房）サイクルを行わせる機構を備えている。即ち、冷媒を圧縮して凝縮（液化）させ、次いで減圧して蒸発（気化）させ、再び圧縮させるという循環経路を作り、気体と液体の相変化を連続的に行わせ、蒸発時の熱の移動により冷熱エネルギーを発生させ、この冷熱エネルギーの供給により、冷凍作用、冷房作用を行うものである。

上記の如く冷凍（冷房）サイクル機構は、凝縮工程と蒸発工程を有しており、凝縮工程では気体冷媒は圧縮されて液化し、蒸発工程では液体冷媒は蒸発して気化する。凝縮工程において気体冷媒が圧縮されると、冷媒は高温、高圧の気体となり、空気や冷却水と熱交換されることにより、冷媒は熱を放出して液体になる。

例えば家庭用エアコンの場合、室外機の圧縮機で圧縮されて高温、高圧の気体となった冷媒は屋外の空気と熱交換されて熱を放出し液体となる。このように室外機において熱交換が行われて温まった空気が室外機から放出される。これにより、一定温度の熱エネルギーが大気中に放出される状況を作り出し、このような熱交換時の大気への熱放出により周囲の大気温度を上昇させてしまい、周囲領域における大気の温度上昇により環境上の弊害を招くという問題が生じる。

ビルなどの大型建造物の冷房機や食品冷凍庫における冷凍機においては、冷凍、冷房設備が大型となるため、高温、高圧の気体が凝縮して液体となるときの熱交換量即ち、放出熱量は大きなものとなり、そのため空冷ではなく、水に接触させて冷却しているのが現状であり、この場合、冷却のための水の使用量が甚大なものとなり、冷却コストが上昇するという問題がある。また経済的な面以外に、水の消費を極力抑えて水資源を保全するという観点からも何らかの対策を講じる必要がある。

また、大型の冷凍、冷房設備においては、上記の如く大量の水を冷却水として使用するため、水を供給し、回収するための設備も大型となり、その設備を稼働するための電力消費量も大きく、運転コストが上昇するという問題点もあった。

下記特許文献１に示す冷凍装置は、吸収冷凍機および冷却塔を有し、冷却塔において冷却水が配管を通り循環され、冷却水熱交換器と吸収冷凍機の吸収器と凝縮器を冷却する構造を有する。

特開２００２−３４９９９７号公報

特許文献１に示す冷凍装置は、冷却塔からの冷却水により凝縮器を冷却するものであるが、冷却水による凝縮器の冷却効率を上げるためには大量の冷却水を使用する必要があり、上記に述べたと同様、冷却コストが上昇するという欠点がある。

本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、凝縮器において生じる熱（凝縮熱）を地中熱交換器に導くことにより、凝縮器の熱を大気と熱交換せず大気中への熱の放出を行わないようにした冷熱供給装置及び冷熱供給方法を提供することを目的とする。また本発明は、大気中への熱の放出を行わないことにより、周囲領域における大気の温度上昇による環境上の弊害問題を解消した冷熱供給装置及び冷熱供給方法を提供することを目的とする。更に本発明の今一つの目的は、凝縮器を熱交換により冷却するための冷却設備の小型化を図り、冷却コストを低減できる冷熱供給装置及び冷熱供給方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、
（１）凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
る作動媒体循環路と、
地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
形成する放熱側循環路と、
凝縮器に設けた冷却水供給管とからなり、
温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を地盤に伝達して前記凝縮器の冷却を
行う前記放熱用地中熱交換器と、冷却水を供給して前記凝縮器の冷却を行う前記冷却水供
給管とを備えた凝縮器冷却構造を有し、
前記放熱用地中熱交換器を、地盤中に埋設されている排水管の地盤中における近傍位置に設け、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を排水管に伝達するように構成したことを特徴とする冷熱供給装置、
（２）凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
る作動媒体循環路と、
地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
形成する放熱側循環路と、
凝縮器に設けた冷却水供給管とからなり、
温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を地盤に伝達して前記凝縮器の冷却を
行う前記放熱用地中熱交換器と、冷却水を供給して前記凝縮器の冷却を行う前記冷却水供
給管とを備えた凝縮器冷却構造を有し、
前記放熱用地中熱交換器の地盤中における近傍位置に、吸熱用地中熱交換器を埋設し、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を吸熱用地中熱交換器に伝達するように構成したことを特徴とする冷熱供給装置、
（３）吸熱用地中熱交換器を地上に設置されたヒートポンプに連結し、前記ヒートポンプに温熱供給装置を連結してなる前記（２）に記載の冷熱供給装置、
（４）凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
る作動媒体循環路と、
地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
形成する放熱側循環路とを設けると共に、前記凝縮器に冷却水供給管を設け、
温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達
して凝縮器の冷却を行う、放熱用地中熱交換器による冷却と、前記冷却水供給管に冷却水
を供給して凝縮器の冷却を行う、冷却水による冷却との２つの冷却手段により凝縮器の冷
却を行い、放熱用地中熱交換器の地盤中における近傍位置に、吸熱用地中熱交換器を埋設
し、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を吸熱用地中熱交換器に伝達するよう
にしたことを特徴とする冷熱供給方法、
（５）吸熱用地中熱交換器を地上に設置されたヒートポンプに連結し、前記ヒートポンプに温熱供給装置を連結し、温熱エネルギーを温熱供給装置に供給するようにした前記（４）に記載の冷熱供給方法、
（６）凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
る作動媒体循環路と、
地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
形成する放熱側循環路とを設けると共に、前記凝縮器に冷却水供給管を設け、
温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達
して凝縮器の冷却を行う、放熱用地中熱交換器による冷却と、前記冷却水供給管に冷却水
を供給して凝縮器の冷却を行う、冷却水による冷却との２つの冷却手段により凝縮器の冷
却を行い、前記放熱用地中熱交換器を、地盤中に埋設されている排水管の地盤中における
近傍位置に設け、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を排水管に伝達し、排水
管を通して熱移動を行うようにしたことを特徴とする冷熱供給方法
を提供する。

本発明は、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成する作動媒体循環路と、地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を形成する放熱側循環路とからなり、温熱発生回路における熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達するように構成したので、凝縮器において生じる熱（凝縮熱）は、放熱側循環路を流通する放熱媒体に熱交換され、この放熱媒体が地盤中の放熱用地中熱交換器に導かれることにより、地盤中への熱放出が行われ、その結果、凝縮器における熱を地盤中に移動させることができる。

従って、本発明によれば、凝縮器において生じる熱（凝縮熱）を大気と熱交換せず大気中への熱の放出を行わないので、周囲の大気温度を上昇させてしまうということがなく、周囲領域における大気の温度上昇により環境上の弊害を招くという従来の問題点を解決できるものである。また本発明によれば地球温暖化対策上も有益なものとなる。

また、放熱用地中熱交換器による熱交換と冷却水による熱交換とを併用して、凝縮器を冷却するように構成したので、冷却水の使用量を著しく低減できる。即ち、放熱用地中熱交換器による熱交換により効率よく凝縮器を冷却できるので、冷却水による熱交換を併用するに当たって冷却水の使用量を大幅に低減できるものである。

そのため、従来のように大量の冷却水を使用する必要がなくなり、冷却設備を小型化することができ、それにより冷却設備を稼働するための電力消費量も小さくて済み、運転コストを低減でき、全体として冷却コストの低減化を実現できるものである。また本発明によれば、冷却水の使用量を低減できるので、水資源の保全を図る上で有益なものである。本発明によれば、凝縮器は、放熱用地中熱交換器による地盤との熱交換によって冷却される以外に、冷却水によっても冷却されるように構成したので、凝縮器から発生する熱は、放熱用地中熱交換器に導入される以前に冷却水によって冷却されることになり、放熱媒体は冷却水による冷却により温度が低下した状態で放熱用地中熱交換器に導かれることになる。その結果、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出される熱量も少なくなるので、放熱用地中熱交換器の周囲の地盤が温められることによる放熱用地中熱交換器の熱交換機能の低下の度合いを少なくすることができる利点がある。また、前記の如く地盤中に放出される熱量が少なくなるので、放熱用地中熱交換器における熱交換の負荷を低減でき、その結果、放熱用地中熱交換器の熱交換容量を小さくできる利点がある。このように放熱用地中熱交換器の熱交換容量を小さくできることにより、地盤中に埋設される放熱用地中熱交換器を小型化でき、その結果、装置の製造コストおよび施工コストを低減できる効果がある。

本発明の第１の実施形態を示す略図である。 本発明の第２の実施形態を示す略図である。 本発明の第２の実施形態において、ヒートポンプから温熱供給装置に温熱エネルギーを供給する機構を示す略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。本発明の冷熱供給装置は、低温エネルギーを供給する装置であり、一般的には冷凍機や冷房機が例示される。以下、冷熱供給装置が冷凍機である場合を例にとり本発明冷熱供給装置の実施形態を説明する。また、冷熱供給装置が冷凍機である場合を例にとり、その冷熱供給方法について本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す略図であり、冷凍機１は、作動媒体を流通させる作動媒体循環路２を有している。この作動媒体循環路２は、管状構造からなる通路であり、この作動媒体循環路２の内部には、作動媒体が流動可能に収納されている。上記循環路２は、作動媒体が通路内を一巡するように環状の通路を構成している。作動媒体は、一般に冷媒と称されるものであり、この作動媒体として、アンモニア、炭酸ガス、代替フロンなどの従来から一般的に用いられている冷媒を使用することができる。

上記循環路２には、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７がそれぞれ連結されている。作動媒体の流れの方向に沿って、圧縮機４の下流側に凝縮器５が、凝縮器５の下流側に膨張弁６が、膨張弁６の下流側に蒸発器７が、蒸発器７の下流側に圧縮機４が、それぞれ位置するように上記循環路２に、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７が設けられている。凝縮器５は、圧縮機４と膨張弁６を結ぶ流路の途中に設けられ、熱交換器８を備えている。また、蒸発器７は、膨張弁６と圧縮機４を結ぶ流路の途中に設けられ、熱交換器９を備えている。

１１は室内機で、この室内機１１の内部に膨張弁６と蒸発器７が設けられ、上記循環路２に連結された膨張弁６と蒸発器７とで冷熱発生回路１２が形成されている。蒸発器７の熱交換器９には空気循環用流路１３が連結され、該流路１３の空気入口１４から空気が流入し、蒸発器（７）において熱交換された冷熱空気が空気出口１５から冷凍室１９内に放出されるように構成されている。冷熱空気出口１５が、冷熱放出部１６を構成する。３は、作動媒体を上記循環路２内を流動させるための循環ポンプであり、図１において循環ポンプ３は室内機１１に設けられているが、それに限定されるものでなく、作動媒体循環路２の任意の位置に設けることが可能である。

１７は室外機で、この室外機１７の内部に圧縮機４と凝縮器５が設けられ、上記循環路２に連結された圧縮機４と凝縮器５とで温熱発生回路１８を形成する。

２０は放熱用地中熱交換器で、この放熱用地中熱交換器２０は地盤２９中に埋設され、連結管２１を介して凝縮器５の熱交換器８に連結されている。連結管２１は、後述する第１連結管２１Ａと第２連結管２１Ｂとからなる。地中熱交換器２０は、地盤２９中に埋設されている排水管１０の地盤２９中における近傍位置に設けられる。地中熱交換器２０は管状構造からなり、地盤２９との接触面積を大きくするため複数の屈曲部を有する蛇腹状屈曲管構造として構成されている。上記地中熱交換器２０の内部に放熱媒体が流動可能に収納されている。放熱媒体としては水が用いられる。２２は地表面を示す。

凝縮器５の熱交換器８の一端に第１連結管２１Ａが連結され、この第１連結管２１Ａはその延長部が地盤２９の内部に入り込み地盤２９中に敷設されると共に、この地盤２９中の第１連結管２１Ａの延長部は、蛇腹状屈曲管構造の地中熱交換器２０の一端に連結される。また凝縮器５の熱交換器８の他端に第２連結管２１Ｂが連結され、この第２連結管２１Ｂはその延長部が地盤２９の内部に入り込み地盤２９中に敷設されると共に、この地盤２９中の第２連結管２１Ｂの延長部は、地中熱交換器２０の他端に連結される。連結管２１（第１連結管２１Ａおよび第２連結管２１Ｂ）は、外表面に断熱層を形成してなるものが好ましい。このように構成することにより、管表面からの熱の逸散を防ぎ連結管２１内を流動する放熱媒体の温度の変動を抑制することができる。

このようにして、温熱発生回路１８における凝縮器５の熱交換器８と、第１連結管２１Ａと、放熱用地中熱交換器２０と、第２連結管２１Ｂとが繋がれた循環通路が構成され、地中熱交換器２０内の放熱媒体はこの循環通路内を流動するように構成されている。即ち、放熱媒体は凝縮器５の熱交換器８→第１連結管２１Ａ→放熱用地中熱交換器２０→第２連結管２１Ｂ→凝縮器５の熱交換器８の如く一巡する循環通路に沿って循環流動する。この循環通路が放熱側循環路２３を構成する。即ち、放熱側循環路２３は、温熱発生回路１８と放熱用地中熱交換器２０を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流動させる通路を形成するものである。２４は、放熱媒体を放熱側循環路２３内を流動させるための循環ポンプであり、図１において循環ポンプ２４は室外機１７に設けられているが、それに限定されるものでなく、放熱側循環路２３の任意の位置に設けることが可能である。

地中熱交換器２０は、上記した通り地盤２９中に埋設されている排水管２５の地盤２９中における近傍位置に設けられる。地上に設置された建築物において使用された水道水の使用済み排水などを集める排水マスや、雨水を集める公共マスが地盤２９中に埋設されており、排水マス、公共マスに集められた排水、雨水は地盤２９中に埋設された排水管１０を通して下水管に流れるようになっている。本発明の冷凍機１が設けられている建築物（例えば、冷凍庫）の設置面に対応した下方位置に排水管２５が埋設されている場合には、連結管２１の配管長さを短くできるので好ましい。排水管２５が建築物の設置面対応下方位置に埋設されておらず設置面対応下方位置から離れた位置に埋設されている場合には、地盤２９中に敷設する連結管２１を当該排水管２５の位置まで延長して配管し、地中熱交換器２０が排水管２５の近傍位置に設置されるように構成する。

図１では、地中熱交換器２０を排水管２５の下方位置に設けた例が示されているが、これに限定されるものではなく、排水管２５の上方位置に地中熱交換器２０を設けてもよく、近傍位置であればその位置の相対関係は任意である。また特に図示しないが、地中熱交換器２０を、排水管２５との間に所定の間隔をあけてその周りを巻くように排水管２５の長手方向に沿って螺旋状に設けるようにしてもよい。上記した如く地中熱交換器２０は排水管２５の地盤２９中における近傍位置に設けられるが、ここにおいて、前記近傍位置とは、地中熱交換器２０から地盤２９に放出された熱が排水管２５に伝達して的確に熱交換が行われることを可能にする位置をいい、このような位置として例えば、地中熱交換器２０と排水管２５との間の離間距離が、１０ｃｍ〜５ｍとなるような位置が好ましい。

本発明は、凝縮器５における作動媒体の冷却は地中熱交換器２０の作用により行うので冷却水による冷却は必ずしも必要ではないが、必要に応じて冷却水による冷却機構を設けることができる。この場合、凝縮器５に冷却水供給管２５が設けられ、冷却水供給管２５を経て冷却水が凝縮器５に供給され、作動媒体の冷却が行われ、冷却水として使用された後の水は冷却水回収管２６を通り回収されるように構成される。このように本発明は凝縮器５における作動媒体の冷却を、地中熱交換器２０による冷却と冷却水による冷却という２つの冷却手段により行うことができる。

上記の如く構成される第１実施形態における本発明の作用につき、以下説明する。循環路２を流れる作動媒体は、管路内の圧力変化により気体となったり液体となったりする。室内機１１の管路内において作動媒体は圧力の低い状態にあり、相状態は気体である。この低圧の作動媒体（気体）が循環路２を流れ室外機１７に導かれる。作動媒体が室外機１７の圧縮機４を通る際に圧縮され高圧の気体となり、それにより気体の温度が上昇し、作動媒体は高温の気体となる。この高温の作動媒体が凝縮器５に導かれ、ここで熱交換器８により連結管２１内を流れる放熱媒体との間で熱交換され、作動媒体の熱が放出される。作動媒体から熱が放出されることにより、作動媒体は冷却されて液体となる。

上記熱交換により、作動媒体の熱が放熱媒体に伝達され、温度の高まった放熱媒体は第１連結管２１Ａを通して地盤２９中の放熱用地中熱交換器２０に導かれる。前記地中熱交換器２０に導かれた放熱媒体は該地中熱交換器２０内を流れる間に地盤２９に熱を放出し、地盤２９との間で熱交換が行われる。前記地中熱交換器２０は蛇腹状屈曲管構造を有しているので地盤２９との接触面積が大きく、そのため地盤２９との間で効率よく熱交換が行われる。

地盤２９中に熱を放出して冷却された放熱媒体は、前記地中熱交換器２０を通過後、第２連結管２１Ｂに導かれ、温熱発生回路１８における凝縮器５の熱交換器８内に流入し、前記したと同様、温熱発生回路１８における高温、高圧気体の作動媒体を冷却し、それにより作動媒体の液化（凝縮）が起こる。凝縮器５において放出される熱の温度は、４０℃〜５０℃である。

作動媒体から放出された熱を受け取った放熱媒体は前記したと同様、第１連結管２１Ａを経て前記地中熱交換器２０に流入し、地盤２９中に熱を放出して地盤２９との間で熱交換が行われる。このように、放熱側循環路２３内を放熱媒体が循環流動し、凝縮器５において放出される熱を前記地中熱交換器２０を通して地盤２９中に伝達し、それにより凝縮器５における作動媒体の冷却を行うものである。地中熱交換器２０を通して地盤２９に放出される熱の温度は、２０℃〜４０℃である。

前記地中熱交換器２０から地盤２９中に放出された熱は地中熱交換器２０の近傍位置にある排水管１０に伝達され、この排水管１０を通して熱移動が行われるため、地中熱交換器２０の周囲の地盤２９が温められることによる地中熱交換器２０の熱交換機能が低下するということはない。即ち、一旦地盤２９に放出された熱は排水管１０に伝達され、この排水管１０を通して熱移動が行われるので、前記地中熱交換器２０の周囲に熱が滞留することはない。従って、地中熱交換器２０と地盤２９との間の熱交換効率が低下することはなく、一定の熱交換が維持される。このことにより、常に放熱媒体を低温状態にして第２連結管２１Ｂを通して凝縮器５に送ることができ、凝縮器５における作動媒体を確実に冷却することができる。

凝縮器５において熱を放出し放熱媒体により冷却されて液化（凝縮）した作動媒体は作動媒体循環路２を流れて室内機１１に導かれる。室内機１１の冷熱発生回路１２における循環路２を通るとき膨張弁６により作動媒体は膨張し、低圧状態になると共に温度が低下する。それにより蒸発器７において作動媒体は蒸発して気化する。このとき作動媒体は気化熱を奪うため冷凍室１９内の空気との間で熱交換器９を介して熱交換が行われ、冷凍室１９内に冷熱空気が供給される。

即ち、冷凍室１９の室内空気４４が空気循環用流路１３の空気入口１４を通して蒸発器７の熱交換器９に導かれ、作動媒体が気化熱を奪うことにより、空気入口１４より導入された室内空気４４は冷却され、このように熱交換により冷却された室内空気４４は温度が低下して冷熱空気２８となり、この冷熱空気２８が空気循環用流路１３の冷熱放出部１６（即ち、空気出口１５）から放出され冷凍室１９内に供給される。このような冷凍室１９内への冷熱空気２８の供給により、冷凍室１９内を低温状態にすることができる。

蒸発器７を通る流路内で蒸発して気体状態となった作動媒体は、室内機１１から室外機１７に向かう循環路２を流れ、圧縮機４により圧縮されて高温、高圧の液体となり凝縮器５において熱を放出し、以後同様に循環路２を循環流動して作動媒体としての作用を繰り返し行う。

上記したように冷凍機１は冷凍サイクル機構を有し、作動媒体を循環させて作動媒体の膨張、圧縮を繰り返すことにより連続的に冷熱空気２８を冷凍室１９に供給することができ、冷凍室１９を低温状態に維持することができる。特に図示しないが、冷凍機１は温度制御機構を有し、冷凍室１９の温度を一定の低温状態に保持するため、温度センサーの働きで作動媒体による冷熱供給作動のオン状態とオフ状態を自動的に切り替えて温度コントロールを行うことができるように構成されている。

本発明は、作動媒体を圧縮して高圧状態にした際に発生する熱を地中熱交換器２０を用いて地盤２９に伝達し、地盤２９に熱放出を行うので、前記熱が大気中に放出されることがない。従って、周囲領域における大気の温度を上昇させることがないので、周囲領域の環境悪化を招くことはない。

上記の如く凝縮器５における作動媒体は放熱媒体との熱交換により冷却される。即ち、作動媒体が凝縮するときに生じる熱は放熱媒体に伝達され、この熱は地中熱交換器２０と地盤２９との熱交換により地盤２９に伝達され、このような経路を通して凝縮器５の冷却（即ち、凝縮器５における作動媒体の冷却）が行われる。本発明は、地中熱交換器２０による熱交換と冷却水による熱交換とを併用して、凝縮器５の冷却（即ち、凝縮器５における作動媒体の冷却）を行うものであり、冷却水による凝縮器５の冷却は、凝縮器５に設けた冷却水供給管２５より冷却水２７を凝縮器５に供給することによって行われる。これにより高温の作動媒体と冷却水２７との間で熱交換が行われ、作動媒体の冷却が行われる。冷却水として使用された後の水は冷却水回収管２６を経て回収される。このように地中熱交換器２０による熱交換と冷却水による熱交換とを併用して、凝縮器５の冷却を行うように構成したので、従来の冷却水のみによる凝縮器５の冷却と比べて冷却水の使用量を大幅に減少できる。即ち、地中熱交換器による熱交換により効率よく凝縮器を冷却できるので、冷却水による熱交換との併用により冷却を行うに当たって、冷却水の使用量を大幅に低減できるものである。それにより冷却コストの低減を図ることができると共に、水資源の保全を図ることができ且つ冷却設備の小型化を図れる利点がある。このように、凝縮器５は、放熱用地中熱交換器２０による地盤２９との熱交換によって冷却される以外に、冷却水２７によっても冷却されるように構成したことにより、凝縮器５から発生する熱は、放熱用地中熱交換器２０に導入される以前に冷却水２７によって冷却されるので、放熱媒体は冷却水による冷却により温度が低下した状態で第１連結管２１Aを経由して放熱用地中熱交換器２０に導かれることになる。その結果、放熱用地中熱交換器２０から地盤２９中に放出される熱量も少なくなるので、放熱用地中熱交換器２０の周囲の地盤２９が温められることによる放熱用地中熱交換器２０の熱交換機能の低下の度合いを少なくすることができる利点がある。また、前記の如く地盤２９中に放出される熱量が少なくなるので、放熱用地中熱交換器２０における熱交換の負荷を低減でき、その結果、放熱用地中熱交換器２０の熱交換容量を小さくできる利点がある。このように放熱用地中熱交換器２０の熱交換容量を小さくできることにより、地盤２９中に埋設される放熱用地中熱交換器２０を小型化でき、その結果、装置の製造コストおよび施工コストを低減できる効果がある。

図２は本発明の第２の実施形態を示す略図である。上記した本発明の第１の実施形態においては、放熱用地中熱交換器２０から地盤２９に放出された熱を排水管１０に伝達することによって、前記地中熱交換器２０の周囲に熱が滞留することを防止し、もって地中熱交換器２０と地盤２９との間の熱交換効率が一定に保たれるように構成したが、この第２実施形態においては、地盤２９に吸熱用の地中熱交換器を埋設して、放熱用地中熱交換器２０から地盤２９に放出された熱を前記吸熱用地中熱交換器に伝達することによって、放熱用地中熱交換器２０の周囲に熱が滞留することを防止するように構成したものである。

図２において図１と同様の構成については図１に示した符号と同一の符号をもって表示する。図２において３０は、地盤２９に埋設された吸熱用地中熱交換器であり、この吸熱用地中熱交換器２９は放熱用地中熱交換器２０の地盤２９中における近傍位置に設けられる。ここにおいて、前記近傍位置とは、放熱用地中熱交換器２０から地盤２９に放出された熱を吸熱用地中熱交換器３０が採熱して的確に熱交換が行われることを可能にする位置をいい、このような位置として例えば、地中熱交換器２０と吸熱用地中熱交換器３０との間の離間距離が、５ｃｍ〜２ｍとなるような位置が好ましい。

吸熱用地中熱交換器３０は放熱用地中熱交換器２０と同様、管状構造からなり、地盤２９との接触面積を大きくするため複数の屈曲部を有する蛇腹状屈曲管構造として構成されている。吸熱用地中熱交換器３０の内部に吸熱媒体が流動可能に収納されている。吸熱媒体としては、水が用いられる。

本実施形態においては、吸熱用地中熱交換器３０にて採熱された地盤の熱を地上に設置された温熱供給装置に連続して伝達して、採熱された地盤の熱を有効利用する機構が設けられている。図中、３１は吸熱用地中熱交換器３０により採熱された地盤の熱を連続して伝達するための連結管を示し、また３２は、採熱された地盤の熱を有効利用する温熱供給装置を示す。採熱された地盤の熱を直接、温熱供給装置３２に供給してもよいが、その供給手前の段階で、採熱された熱の温度を上昇して高温にし、この高温の熱を温熱供給装置３２に供給することが好ましい。採熱された熱の温度を上昇する手段としてはヒートポンプを設けることが好ましい。図２に示す実施形態では、採熱温度を上昇する手段としてヒートポンプ３３を設けた構成が示されている。以下、このような構成に基づき本発明の実施形態を説明する。

連結管３１は放熱側循環路２３における連結管２１と同様、地盤２９中に敷設されている部分と、この地盤敷設部分から地上に延長して敷設されている部分とからなる。連結管３１の地盤敷設領域において連結管３１に吸熱用地中熱交換器３０が連結され、また連結管３１の地上設置領域において連結管３１にヒートポンプ３３が連結されている。このように、連結管３１を経由して吸熱用地中熱交換器３０とヒートポンプ３３が繋がれた循環通路が形成され、吸熱用地中熱交換器３０内の吸熱媒体はこの循環通路内を流動するように構成されている。この循環通路が吸熱側循環路３４を構成する。３５は、吸熱媒体を吸熱側循環路３４内を流動させるための循環ポンプである。

連結管３１は、連結管２１に関して説明したと同様、外表面に断熱層を形成してなるものが好ましい。このように構成することにより、管表面からの熱の逸散を防ぎ連結管３１内を流動する吸熱媒体の温度の変動を抑制することができる。

ヒートポンプ３３は図３に示すように、循環通路３６を備え、この循環通路３６に第１と第２の熱交換器３７、３８と、膨張弁３９と、圧縮機４０とを連結してなるものである。循環通路３６内には熱媒が流動可能に収納されている。熱媒は第１熱交換器３７から膨張弁３９、膨張弁３９から圧縮機４０、圧縮機４０から第２熱交換器３８、第２熱交換器３８から第１熱交換器３７へと向かう巡回方向に循環流動するように構成されている。第１熱交換器３７には連結管３１が連結され、連結管３１を流れる吸熱媒体と、循環通路３６を流れる熱媒との間で熱交換が行われるように構成されている。循環通路３６を流れる熱媒としては、アンモニア、炭酸ガス、代替フロンなどの従来から一般的に用いられている熱媒を使用することができる。４２は、熱媒を循環通路３６内において流動させるための循環ポンプである。

本実施形態は、吸熱用地中熱交換器３０で採熱された地盤２９の熱をヒートポンプ３３によってさらに温度を高め、このより高温の温熱エネルギーを温熱供給装置３２に供給するものである。温熱供給装置３２は、本実施形態においては、冷凍機１と冷凍室１９を備えた冷凍庫とは別の施設、建物内に設置されるが、冷凍庫の施設内に設置されるようにしてもよい。ヒートポンプ３３で温度が高められた温熱エネルギーを温熱供給装置３２に供給するため、ヒートポンプ３３の第２熱交換器３８に熱供給管４１が連結され、該熱供給管４１を介してヒートポンプ３３に温熱供給装置３２が連結される。熱供給管４１は循環通路を構成し、且つ熱供給管４１内には熱媒が流動可能に収納されており、この熱媒によってヒートポンプ３３からの温熱エネルギーが温熱供給装置３２に伝達されるように構成されている。熱供給管４１内を流れる熱媒としては、水、アンモニア、炭酸ガス、代替フロンなどが挙げられる。４３は、熱媒を熱供給管４１内において流動させるための循環ポンプである。

上記の如く構成される第２実施形態における本発明の作用につき、以下説明する。この第２実施形態における冷熱発生機構および温熱発生機構は、第１実施形態の場合と同様であるので説明を省略する。第１実施形態において説明したように、凝縮器５における作動媒体の高温エネルギーを、放熱側循環路２３を通して放熱用地中熱交換器２０に伝達し、この放熱用地中熱交換器２０と地盤２９との間で熱交換を行って放熱用地中熱交換器２０から地盤２９に熱を放出する。放熱用地中熱交換器２０から放出された熱によって一旦地盤２９は温まるが、放熱用地中熱交換器２０の近傍位置にある吸熱用地中熱交換器３０と地盤２９との間で熱交換が行われ、地盤２９の熱が吸熱用地中熱交換器３０の吸熱媒体に伝達されるので、放熱用地中熱交換器２０の周囲に熱が滞留することはない。従って、放熱用地中熱交換器２０と地盤２９との間の熱交換効率が低下することはなく、一定の熱交換が維持される。地盤２９との熱交換により吸熱用地中熱交換器３０の吸熱媒体に伝達される熱の温度は、５℃〜２５℃である。

吸熱用地中熱交換器３０によって地盤２９から採熱された熱により温度が高まった吸熱媒体は、連結管３１を経由してヒートポンプ３３に送られる。ヒートポンプ３３内の第１熱交換器３７で吸熱媒体は、ヒートポンプ３３の循環通路３６を流れる熱媒に熱を伝達する。このとき熱を受け取る熱媒は液体の相状態にある。温度が高められた熱媒は循環通路３６を流れて膨張弁３９を通る際に膨張し、気化して気体の状態になる。この気体状態の熱媒は圧縮機４０を通る際に圧縮されて圧力が高まり液化（凝縮）する。圧力が高まった熱媒は温度が上昇し、より高温となる。

圧縮されてより高温となった熱媒が第２熱交換器３８を通る際、熱供給管４１内を流れる熱媒と熱交換され、ヒートポンプ３３によってより高温となった温熱エネルギーが熱供給管４１内の熱媒を通して温熱供給装置３２に供給される。このように地盤２９から採熱された熱エネルギーを有する吸熱媒体の当該熱エネルギーは、ヒートポンプ３３の熱媒に伝達され、この熱エネルギーを受け取った熱媒が圧縮機４０によって圧縮されることによりさらに温度が上昇し、より高い熱エネルギーを持つようになる。このようにして生じた温熱エネルギーが熱供給管４１を通して温熱供給装置３２に供給されるものである。ヒートポンプ３３によって熱媒の温度は、３０℃〜６０℃に上昇する。

温熱供給装置３２に温熱エネルギーが供給されることによって、温熱供給装置３２を使用するに当たって必要とされる熱エネルギーを補給することができる。即ち、温熱供給装置３２の熱源からの熱エネルギーに、ヒートポンプ３３からの温熱エネルギーが加わるので、このようなヒートポンプ３３から供給されるエネルギー補給によって、温熱供給装置３２の熱源からの熱エネルギー供給量を減少することができる。例えば、温熱供給装置３２が給湯器やボイラーである場合、ヒートポンプ３３からの温熱エネルギーを補助熱源として供給すれば、給湯器やボイラーの熱源からの熱エネルギー供給量を減少しても十分な加熱を行うことができ、それによりエネルギーの省力化を実現でき、エネルギーコストを低減できる効果がある。温熱供給装置３２の例としては、前記した給湯器、ボイラーの他に、風呂の湯沸し具、温水プールの加熱具、温水洗浄器などが挙げられる。また温熱供給装置３２から発生する温熱エネルギーを、建築物の床や壁を暖める暖房用熱源として利用することもできる。

上記実施形態において、本発明が冷凍機である場合の冷熱供給装置及び冷熱供給方法の実施形態を説明したが、本発明の冷熱供給装置及び冷熱供給方法は冷凍機に関するものに限定されるものではなく、冷房機に関するものであってもよく、その他、冷熱を供給する目的の装置であればいかなる装置にも適用でき且つそのようないかなる装置に関する冷熱供給方法にも適用できるものである。

１ 冷凍機
２ 作動媒体循環路
１２ 冷熱発生回路
１８ 温熱発生回路
２０ 放熱用地中熱交換器
２３ 放熱側循環路
２９ 地盤

Claims (6)

1. 凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
   作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
   温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
   る作動媒体循環路と、
   地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
   温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
   形成する放熱側循環路と、
   凝縮器に設けた冷却水供給管とからなり、
   温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を地盤に伝達して前記凝縮器の冷却を
   行う前記放熱用地中熱交換器と、冷却水を供給して前記凝縮器の冷却を行う前記冷却水供
   給管とを備えた凝縮器冷却構造を有し、
   前記放熱用地中熱交換器を、地盤中に埋設されている排水管の地盤中における近傍位置に設け、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を排水管に伝達するように構成したことを特徴とする冷熱供給装置。
2. 凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
   作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
   温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
   る作動媒体循環路と、
   地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
   温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
   形成する放熱側循環路と、
   凝縮器に設けた冷却水供給管とからなり、
   温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を地盤に伝達して前記凝縮器の冷却を
   行う前記放熱用地中熱交換器と、冷却水を供給して前記凝縮器の冷却を行う前記冷却水供
   給管とを備えた凝縮器冷却構造を有し、
   前記放熱用地中熱交換器の地盤中における近傍位置に、吸熱用地中熱交換器を埋設し、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を吸熱用地中熱交換器に伝達するように構成したことを特徴とする冷熱供給装置。
3. 吸熱用地中熱交換器を地上に設置されたヒートポンプに連結し、前記ヒートポンプに温
   熱供給装置を連結してなる請求項２に記載の冷熱供給装置。
4. 凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
   作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
   温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
   る作動媒体循環路と、
   地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
   温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
   形成する放熱側循環路とを設けると共に、前記凝縮器に冷却水供給管を設け、
   温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達
   して凝縮器の冷却を行う、放熱用地中熱交換器による冷却と、前記冷却水供給管に冷却水
   を供給して凝縮器の冷却を行う、冷却水による冷却との２つの冷却手段により凝縮器の冷
   却を行い、放熱用地中熱交換器の地盤中における近傍位置に、吸熱用地中熱交換器を埋設
   し、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を吸熱用地中熱交換器に伝達するよう
   にしたことを特徴とする冷熱供給方法。
5. 吸熱用地中熱交換器を地上に設置されたヒートポンプに連結し、前記ヒートポンプに温
   熱供給装置を連結し、温熱エネルギーを温熱供給装置に供給するようにした請求項４に記
   載の冷熱供給方法。
6. 凝縮器を備え、作動媒体の凝縮が行われる温熱発生回路と、
   作動媒体の蒸発が行われる冷熱発生回路と、
   温熱発生回路と冷熱発生回路を結ぶ循環路であって、作動媒体を流通させる通路を形成す
   る作動媒体循環路と、
   地盤中に埋設した放熱用地中熱交換器と、
   温熱発生回路と放熱用地中熱交換器を結ぶ循環路であって、放熱媒体を流通させる通路を
   形成する放熱側循環路とを設けると共に、前記凝縮器に冷却水供給管を設け、
   温熱発生回路における前記凝縮器にて放出される熱を放熱用地中熱交換器から地盤に伝達
   して凝縮器の冷却を行う、放熱用地中熱交換器による冷却と、前記冷却水供給管に冷却水
   を供給して凝縮器の冷却を行う、冷却水による冷却との２つの冷却手段により凝縮器の冷
   却を行い、前記放熱用地中熱交換器を、地盤中に埋設されている排水管の地盤中における
   近傍位置に設け、放熱用地中熱交換器から地盤中に放出された熱を排水管に伝達し、排水
   管を通して熱移動を行うようにしたことを特徴とする冷熱供給方法。

Images