JP6524420B2 - 地中熱用熱交換器ユニットおよびそれを用いた熱搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設される地中熱用熱交換器ユニットおよびそれを用いた熱搬送装置に関するものである。

地中の温度は、外気温度に比べると、夏は低く、冬は高い。例えば、日本国内の地下１０ｍの地中の温度は、一年を通じて約１５℃程度とほぼ一定である。このため、地中へ地中熱用熱交換器を埋設し、地中熱を熱源として利用することが行われている。

特許文献１に記載の地中熱用熱交換器は、熱交換配管を建築用杭に巻きつけるものである。建築用杭を地中に垂直に埋設し、熱交換配管を介して、地中の熱源と熱交換する。この地中熱用熱交換器を設置するためには、地下１０ｍ以上の垂直穴を掘削する必要がある。

特許文献２に記載の地中熱用熱交換器は、熱交換用配管をループ状に巻いて、ループ部分を水平にずらし、ループ部分を傾斜させて保持するものである。この地中熱用熱交換器を設置するためには、地表から比較的浅い、地下１．０〜２．０ｍの垂直穴を掘削する必要がある。

特開２００３−２０６５２８号公報 特開２００６−２２０４０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された地中熱用熱交換器では、次のような課題がある。建築用杭は建築物を建てる前に施工するため、既築の建物には適応できない。さらに、熱交換用配管は、建築物の基礎として設置される建築用杭の本数分しか設置できないため、必要な熱量が得られない。また、熱交換用配管を設置する場所が制限される場合がある。

また、特許文献２に開示された地中熱用熱交換器では、次のような課題がある。地表から比較的浅い１．０〜２．０ｍの位置に、ループ部状の熱交換用配管を並べて設置しても、地中温度が安定せず効率的な熱交換が難しい。このため、広い範囲に地中熱用熱交換器を設置する必要があり、住宅密集地や狭小地に設置することが困難である。

本発明は、設置場所の制限が緩和され、住宅密集地や狭小地でも必要負荷に応じた能力可変性を持つ地中熱用熱交換器ユニットを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の地中熱用熱交換器ユニットは、直方体状の筐体と、前記筐体の天面に設けられた入口配管および出口配管と、前記筐体の内部に設けられ前記入口配管および前記出口配管に接続された熱交換器と、前記筐体の内部に設けられ、前記熱交換器の周囲に充填された熱媒体と、を備え、前記熱交換器は複数の配管を有し、前記複数の配管のうち最下方の配管は前記天面に対して平行に設けられた水平配管であり、前記出口配管は、前記水平配管と接続された、地中熱用熱交換器ユニットである。

これによれば、地中熱用熱交換器はユニット化されているため、設置場所の制限が緩和され、コンパクトなシステムを提供することができる。

本発明の地中熱用熱交換器ユニットは、設置場所の制限が緩和され、浅層設置、狭小地でも効率的な熱交換ができる。

本発明の実施の形態１に係る地中熱用熱交換器ユニットを用いた熱搬送装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る地中熱用熱交換器ユニットの概略構成図であり、（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）側面図 本発明の実施の形態１に係る地中熱用熱交換器ユニットの変形例の概略構成図であり、（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）側面図 本発明の実施の形態２に係る複数の地中熱用熱交換器ユニットを用いた熱搬送装置の概略構成図 本発明の実施の形態２に係る熱搬送装置の複数の地中熱用熱交換器ユニットの配置の概略を示す上面図 比較例に係る熱搬送装置の複数の地中熱用熱交換器ユニットの配置の概略を示す上面図

第１の発明は、直方体状の筐体と、前記筐体の天面に設けられた入口配管および出口配管と、前記筐体の内部に設けられ前記入口配管および前記出口配管に接続された熱交換器と、前記筐体の内部に設けられ、前記熱交換器の周囲に充填された熱媒体と、を備え、前記熱交換器は複数の配管を有し、前記複数の配管のうち最下方の配管は前記天面に対して平行に設けられた水平配管であり、前記出口配管は、前記水平配管と接続される。

この構成によれば、地中熱用熱交換器ユニットとして、工場等であらかじめ、筐体に熱媒体および熱交換器を組み立て、工場から設備の施工現場へ容易に運搬することが可能である。また、コンパクトに収納された地中熱用熱交換器ユニットは、設置場所に制限されることなく、容易に施工できる。これにより、設備施工現場での必要施工時間を効果的に短縮することができるとともに、施工費用も効果的に低減することが可能となる。

また、熱交換器を構成する配管のうち、少なくとも、最も下方の配管である水平配管は、筐体の底面に対しても水平となるので、地中熱用熱交換器ユニットのうち最も深い底面側に近接する配管の伝熱面積を大きくすることができ、効率のよい熱交換ができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記熱交換器は、複数の水平配管と複数の垂直配管を有し、前記複数の垂直配管のそれぞれの長さは、両端で接続される前記複数の水平配管のそれぞれの長さより短く、前記熱交換器は、前記複数の水平配管と前記複数の垂直配管とで渦巻き状の流路が形成された熱交換器である。

これにより、浅層領域かつ狭小地でも地中との熱交換が効率的に行うことができる。

第３の発明は、第１の発明において、前記熱交換器は、複数の水平配管と複数の垂直配管を有し、前記複数の垂直配管のそれぞれの長さは、前記複数の水平配管のそれぞれの長さより短く、前記熱交換器は、前記複数の水平配管と前記複数の垂直配管とで蛇行する流路が形成された熱交換器である。

これにより、浅層領域かつ狭小地でも地中との熱交換が効率的に行うことができる。

第４の発明は、隣接して配置された複数の第１〜３の発明の地中熱用熱交換器ユニットを、備え、前記複数の地中熱用熱交換器ユニットのうち少なくとも１つの地中熱用熱交換器ユニットは、当該地中熱用熱交換器ユニットの前記出口配管を有する側の側面を、当該地中熱用熱交換器ユニットと隣接する地中熱用熱交換器ユニットの前記出口配管を有する側の側面に対向させたものである。

これにより、熱搬送装置の必要負荷に応じ、複数の地中熱用熱交換器ユニットを接続することで、熱交換能力の可変性を持つことができる。

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、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る地中熱用熱交換器ユニットを用いた熱搬送装置の概略構成図である。

図１に示すように、熱搬送装置１０は、地中熱用熱交換器ユニット１００と、熱源機２００と、地中熱用熱交換器ユニット１００と熱源機２００と接続する第１接続配管３００ａおよび第２接続配管３００ｂとを備えている。

地中熱用熱交換器ユニット１００は、地表から地下へ所定の深さおよび所定の広さを有する掘削領域２０に設置され、地中に埋設されている。地中熱用熱交換器ユニット１００は、例えば、地表から１．０ｍ〜５．０ｍで所定の広さを有する掘削領域２０に設置される。

地中熱用熱交換器ユニット１００は、直方体状の筐体１０１と、筐体１０１の天面に設けられた入口配管１０２および出口配管１０３とを備えている。筐体１０１の高さは、天面の短辺より長く、天面の長辺より短いことが望ましい。筐体１０１の高さは、天面の長辺の１／５〜１／３倍であることが望ましい。

また、筐体１０１の高さは、１．０ｍ以下であることが望ましい。これによれば、小型のパワーショベルの１回の掘削深さは１．０ｍ程度であるため、２〜３回の掘削で、地中熱用熱交換器ユニット１００を設置するための、深さ１．０ｍ〜２．０ｍの掘削領域２０を掘削できる。

入口配管１０２は、第１接続配管３００ａを介して、地表に設置された熱源機２００に接続されている。また、出口配管１０３は、第２接続配管３００ｂを介して、熱源機２００に接続されている。つまり、地中熱用熱交換器ユニット１００と、第１接続配管３００ａと、熱源機２００と、第２接続配管３００ｂとは、環状に接続され、作動流体循環回路を構成する。

第１接続配管３００ａおよび第２接続配管３００ｂは、それぞれ、断熱材で覆われていることが望ましい。これによれば、第１接続配管３００ａおよび第２接続配管３００ｂを流れる作動流体が、地中の垂直方向の温度分布や外気の影響を受けることがなく、地中熱用熱交換器ユニット１００と熱源機２００との間で、熱を効率よく搬送できる。

作動流体循環回路には、作動流体が封入されている。作動流体としては、不凍液（ブラ
イン）や、水が用いられる。作動流体循環回路には、ポンプ（図示せず）が設けられている。ポンプは、熱源機２００内に設けても、熱源機２００とは別体に設けても良い。

次に、熱搬送装置１０を用い冷凍サイクル装置（図示せず）について、説明する。冷凍サイクル装置は、熱搬送装置１０と、圧縮機（図示せず）と、利用側熱交換器（図示せず）と、減圧手段（図示せず）などを備えている。

熱搬送装置１０の熱源機２００は、熱源側熱交換器として、圧縮機、利用側熱交換器、減圧手段などと、冷凍サイクル回路を構成する。つまり、熱源機２００は、冷凍サイクル回路の熱源側熱交換器の一部を構成する。または、熱源機２００は、熱源側熱交換器として、圧縮機、利用側熱交換器、減圧手段、熱源側熱交換器とを備えた冷凍サイクル回路と熱的に接続される。つまり、熱源機２００は、冷凍サイクル回路の熱源側熱交換器と熱交換可能に接続される。または、熱源機２００をファンコイルユニットや、融雪用パネルなどと接続してもよい。

冷凍サイクル回路には、冷媒が封入されている。冷媒としては、Ｒ４１０ＡやＲ３２などのフッ化炭化水素や、Ｒ２９０などの炭化水素が用いられる。

［地中熱用熱交換器ユニットの構成］
地中熱用熱交換器ユニット１００の構成について、図２を用いて、さらに説明する。図２は、地中熱用熱交換器ユニット１００の概略構成図であり、（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）側面図である。

筐体１０１の内部には、入口配管１０２および出口配管１０３に接続された熱交換器１０４と、熱交換器１０４の周囲に充填された熱媒体１０５とが設けられている。

筐体１０１の外殻は、薄板の金属板または樹脂板で構成されている。これに限定されることなく、筐体１０１の外殻は、可塑性を有する固体または弾性を有するシート状のもので構成されていてもよい。筐体１０１は、可能な限り肉厚が薄いもので構成することが好ましい。また、筐体１０１を構成する材料は、不透水性を有している必要はなく、むしろ、透水性を有しているほうが望ましい。筐体１０１を構成する材料は、耐候性、耐久性を有し、熱伝導性が良く、取扱いが容易な材質であることが望ましい。

熱媒体１０５は、熱伝導性の高い物質が好ましい。熱媒体１０５は、固体の粒子の集合体またはゲル状の液体が望ましい。例えば、粒径１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度の珪砂または砂利が望ましい。

筐体１０１の天面１０１ａは、矩形状の平面で構成されている。天面１０１ａは、長辺が短辺の３〜５倍の矩形状の平面であることが望ましい。天面１０１ａの短辺は、０．３ｍ以下であることが望ましい。これによれば、小型のパワーショベルのバケット幅は約０．３ｍ程度であるため、１回の掘削で、地中熱用熱交換器ユニット１００を設置するための広さの掘削領域２０を掘削できる。

天面１０１ａは、長手方向の中央部に入口配管１０２を備えている。また、天面１０１ａは、長手方向のいずれか一方の端部に出口配管１０３を備えている。入口配管１０２と出口配管１０３は、それぞれ、天面１０１ａに対して垂直に設けられている。

入口配管１０２は、天面１０１ａの２つの長辺のそれぞれの中点を結ぶ線上に設けることが望ましい。さらに、入口配管１０２は、天面１０１ａの２つの長辺のそれぞれの中点を結ぶ線上であって、天面１０１ａの短手方向の中心ではなく、短手方向のいずれか一方
の端部よりに設けることがより望ましい。

換言すると、入口配管１０２は、天面１０１ａの重心を通る、短辺に平行な線上に設けることが望ましい。さらに、入口配管１０２は、天面１０１ａの重心を通る、短辺に平行な線上であって、天面１０１ａの重心から２つの長辺のいずれか一方側にずらして設けることがより望ましい。

出口配管１０３は、天面１０１ａの２つの短辺のそれぞれの中点を結ぶ線上に設けることが望ましい。換言すると、出口配管１０３は、天面１０１ａの短手方向の中央部に設けることが望ましい。

以上のように構成された地中熱用熱交換器ユニット１００、それを用いた熱搬送装置１０および冷凍サイクル装置の動作について説明する。

ポンプの動作により、作動流体は、第１接続配管３００ａを介して、入口配管１０２から熱交換器１０４へと流れ込む。作動流体は、熱交換器１０４を通過する過程で、熱交換器１０４の周囲に充填された熱媒体１０５と熱交換（放熱または吸熱）する。この熱交換は、作動流体、熱媒体１０５ともに顕熱変化するので、顕熱−顕熱熱交換である。その後、作動流体は、出口配管１０３より排出される。作動流体は、第２接続配管３００ｂを介して、地中から地上へ汲み上げられ、熱源機２００へと流れ込む。

このように、熱搬送装置１０は、地中熱を熱源機２００へと搬送したり、熱源機２００の熱を地中に放熱したりすることができる。

さらに、熱搬送装置１０を利用する冷凍サイクル装置の動作について説明する。熱源機２００の作動流体は、冷媒と熱交換する。この熱交換は、作動流体は顕熱変化し、冷媒は顕熱変化または潜熱変化するので、顕熱−顕熱熱交換または顕熱−潜熱熱交換である。

例えば、冷凍サイクル装置では、作動流体から冷媒に伝えられた地中熱を用いる空気調和機として、冷房運転や暖房運転を行う。冷房運転の場合には、冷媒は圧縮機で圧縮され、高温高圧状態となり、熱源側熱交換器へ流入する。熱源側熱交換器では、冷媒は作動流体に放熱する。その後、冷媒は、減圧手段で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、利用側熱交換器へ流入する。利用側熱交換器では、室内の空気などを冷却する。その後、冷媒は再び圧縮機に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器で吸熱による冷却作用を行う。

暖房運転の場合には、冷媒は圧縮機で圧縮され、高温高圧状態となり、利用側熱交換器へ流入する。利用側熱交換器では、冷媒は室内の空気などに放熱する。その後、冷媒は、減圧手段で減圧されて、低圧の気液二相状態となり、熱源側熱交換器へ流入する。熱源側熱交換器では、冷媒は作動流体から吸熱する。その後、冷媒は再び圧縮機に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器で放熱による加熱作用を行う。なお、利用側熱交換器を床に設けられた放熱パネルとすれば、床暖房を行うこともできる。

［熱交換器の構成］
熱交換器１０４の構成について、図２を用いて、さらに説明する。熱交換器１０４は、配管を渦巻状に形成した渦巻状部１０４ａと、渦巻状部１０４ａか突出する入口管接続部１０４ｂと、出口管接続部１０４ｃとを備えている。渦巻状部１０４ａは、天面１０１ａに対して垂直であって、天面１０１ａの長手方向に平行に、筐体１０１に入口配管１０２および出口配管１０３を介して保持されている。つまり、渦巻状部１０４ａを構成する配
管を通る平面が、天面１０１ａと直交するとともに、天面１０１ａの長手方向に平行するように保持されている。

渦巻状部１０４ａは、１本の配管を複数回、曲げて、渦巻状に形成しても、複数の配管を、所定の角度に曲げられた接続管によって接続して、渦巻状に形成してもよい。配管には、鋼管などの金属管、樹脂製管などが適用可能であるが、設置性、耐久性などの観点から樹脂製管が望ましい。樹脂製管の材料はポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどが挙げられる。中でもポリエチレンが好ましい。

入口管接続部１０４ｂの一端は、渦巻状部１０４ａの中央部の配管に接続され、他端は入口配管１０２に接続されている。入口管接続部１０４ｂは、渦巻状部１０４ａを構成する配管を通る平面とは異なる平面に設けられている。入口管接続部１０４ｂは、天面１０１ａに対して垂直方向に設けられた配管を有する垂直部１０４ｂ１と、天面１０１ａに対して水平方向であって垂直部１０４ｂ１に対して垂直方向に設けられた配管を有する水平部１０４ｂ２とを備えている。

垂直部１０４ｂ１は、入口配管１０２の鉛直下方に配置されている。垂直部１０４ｂ１と水平部１０４ｂ２とは、略直角に曲げられた接続管によって接続されている。

渦巻状部１０４ａは、天面１０１ａに垂直な平面上を、筐体１０１の中央部から、筐体１０１の外殻側に向かって、径を拡大しながら広がる渦巻き状の配管である。渦巻状部１０４ａを構成する配管のうち、少なくとも、最も下方の配管は天面１０１ａに対して水平方向に設けられた略直線状の配管である。

より具体的には、渦巻状部１０４ａは、入口管接続部１０４ｂに接続された第１水平配管２０１ａと、第１水平配管２０１ａに接続された第１垂直配管２０２ａと、第１垂直配管２０２ａの上端に接続された第２水平配管２０１ｂと、第２水平配管２０１ｂに接続された第２垂直配管２０２ｂと、第２垂直配管２０２ｂの下端に接続された第３水平配管２０１ｃと、第３水平配管２０１ｃに接続された第３垂直配管２０２ｃと、第３垂直配管２０２ｃの上端に接続された第４水平配管２０１ｄと、第４水平配管２０１ｄに接続された第４垂直配管２０２ｄと、第４垂直配管２０２ｄの下端に接続された第５水平配管２０１ｅと、第５水平配管２０１ｅに接続された出口管接続部１０４ｃとを備えている。

第５水平配管２０１ｅは、渦巻状部１０４ａを構成する配管のうち、最も下方の配管である。第５水平配管２０１ｅは、筐体１０１の内部に収納できる限度で、天面１０１ａの長手方向の長さとほぼ同じ長さを有している。少なくとも、第５水平配管２０１ｅは、他の水平配管２０１や垂直配管２０２より長い。出口管接続部１０４ｃの上端は、出口配管１０３に接続されている。

第１水平配管２０１ａから第５水平配管２０１ｅは、それぞれ、天面１０１ａに対して水平方向で、天面１０１ａの長手方向に平行な方向に設けられた略直線状の配管である。第１垂直配管２０２ａから第４垂直配管２０２ｄは、それぞれ、天面１０１ａに対して垂直方向に設けられた略直線状の配管である。水平配管２０１と垂直配管２０２とは、略直角に曲げられた接続管によって接続されている。

第１垂直配管２０２ａから第４垂直配管２０２ｄのそれぞれの長さは、第１水平配管２０１ａから第５水平配管２０１ｅのいずれの長さよりも短い。

隣接する水平配管２０１どうしは、所定の間隔をあけて設けてある。同様に隣接する垂直配管２０２どうしも、所定の間隔をあけて設けてある。隣接する水平配管２０１どうし
の間隔は、１０ｍｍ以上が好ましい。また、隣接する垂直配管２０２どうしの間隔は、１０ｍｍ以上が望ましい。これによれば、筐体１０１の内部に熱がこもることを防止できる。

このように、渦巻状部１０４ａを、複数の水平配管２０１と複数の垂直配管２０２とを組み合わせた矩形状の渦巻き形状とすることが、より長い配管を筐体１０１の内部に収納できるので、望ましい。これにより、熱交換器１０４の熱交換性能が向上する。より具体的には、矩形状の渦巻き形状とすることで、円状の渦巻き形状に対して、単位設置面積あたりの熱交換量が約１．３倍となる。

なお、渦巻状部１０４ａは、第５水平配管２０１ｅまでの５本の水平配管２０１と、第４垂直配管２０２ｄまでの４本の垂直配管２０２とを備えているが、水平配管２０１および垂直配管２０２をそれぞれ複数の本数、備えていればよく、この本数に限定されるものではない。また、渦巻状部１０４ａを構成する配管のうち、最も下方の配管以外は、必ずしも、水平配管２０１と垂直配管２０２とで構成されていなくてもよく、例えば、一部または全部の配管が、曲線状の配管や、天面１０１ａに対して傾斜した方向の直線状の配管で構成されていてもよい。

以上のように構成された地中熱用熱交換器ユニット１００の動作について説明する。

入口配管１０２から筐体１０１の内部に流入した作動流体は、入口管接続部１０４ｂから渦巻状部１０４ａに流入する。渦巻状部１０４ａでは、作動流体は、第１水平配管２０１ａから第１垂直配管２０２ａ、第２水平配管２０１ｂと順に、渦巻状部１０４ａの外周方向へ向かって流れる。複数の水平配管２０１および複数の垂直配管２０２を通過後、最下部の第５水平配管２０１ｅへ到達し、出口管接続部１０４ｃを介して、出口配管１０３から排出される。

作動流体は、熱交換器１０４を通過する過程で、熱交換器１０４の周囲に充填された熱媒体１０５および筐体１０１の外殻を介して、地中熱と熱交換（放熱または吸熱）する。

筐体１０１の外殻が透水性を有している場合には、地中に含まれる水が、外殻を通過して、熱媒体１０５に達することができるため、作動流体と地中熱との熱交換を促進できる。

作動流体が地中熱へ放熱する場合には、作動流体は、高温で入口管接続部１０４ｂへ流入し、渦巻状部１０４ａで中央部から外周方向へと温度を低下させながら流れ、地中温度より若干高く、入口管接続部１０４ｂでの温度より低い温度となり出口管接続部１０４ｃへと流れる。作動流体が地中熱へ放熱する場合、つまり、冷凍サイクル装置が冷房運転する場合には、外気温度が地中温度より高い季節であるため、地中温度は、筐体１０１の天面１０１ａ側より底面側の方が低い。

また、作動流体が地中熱から吸熱する場合には、作動流体は、低温で入口管接続部１０４ｂへ流入し、渦巻状部１０４ａで中央部から外周方向へと温度を上昇させながら流れ、地中温度より若干低く、入口管接続部１０４ｂでの温度より高い温度となり出口管接続部１０４ｃへと流れる。作動流体が地中熱から吸熱する場合、つまり、冷凍サイクル装置が暖房運転する場合には、外気温度が地中温度より低い季節であるため、地中温度は、筐体１０１の天面１０１ａ側より底面側の方が高い。

このように、放熱、吸熱のいずれの場合にも、作動流体を渦巻状部１０４ａの中央部から外周方向へ流すことで、最下方に設けられ最も長さの長い第５水平配管２０１ｅを流れ
る作動流体と地中温度との温度差を確保でき、効率のよい熱交換ができる。

特に、渦巻状部１０４ａを構成する配管のうち、少なくとも、最も下方の配管である第５水平配管２０１ｅは、天面１０１ａに対して水平方向に設けられた略直線状の配管としている。このため、第５水平配管２０１ｅは、直方体状の筐体１０１の底面に対しても水平となる。これによれば、最も地中温度との温度差が大きくなる筐体１０１の底面側に、近接する第５水平配管２０１ｅの伝熱面積を大きくすることができ、効率のよい熱交換ができる。

以上のように、本実施の形態では、直方体状の筐体１０１と、筐体１０１の天面１０１ａに設けられた入口配管１０２および出口配管１０３と、筐体１０１の内部に設けられ入口配管１０２および出口配管１０３に接続された熱交換器１０４と、筐体１０１の内部に設けられ、熱交換器１０４の周囲に充填された熱媒体１０５と、を備え、熱交換器１０４は複数の配管を有し、複数の配管のうち最下方の配管は天面１０１ａに対して平行に設けられた水平配管２０１であり、出口配管１０３は、水平配管２０１と接続される。

これによれば、地中熱用熱交換器ユニット１００を、工場等であらかじめ、筐体１０１に熱媒体１０５および熱交換器１０４を組み立て、工場から設備の施工現場へ容易に運搬することが可能である。

また、地中熱用熱交換器ユニット１００は、作動流体と地中温度との温度差を確保でき、効率のよい熱交換ができる熱交換器１０４を、コンパクトに収納しているので、設置場所に制限されることなく、容易に施工できる。

これにより、設備施工現場での必要施工時間を効果的に短縮することができる。また、施工費用も効果的に低減することが可能となる。また、地表から比較的浅い位置で、狭い設置面積に熱交換器を埋設しても、効率よく地中熱を利用できる。

＜変形例＞
熱交換器１０４の別の構成について、図３を用いて説明する。図３は、別の地中熱用熱交換器ユニットの概略構成図であり、（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）側面図である。地中熱用熱交換器ユニット３００が、上述の地中熱用熱交換器ユニット１００と異なる点は、熱交換器３０４の流路が蛇行状に形成されている点である。以下、異なる点を中心に説明する。

地中熱用熱交換器ユニット３００は、直方体状の筐体３０１と、筐体３０１の天面に設けられた入口配管３０２および出口配管３０３とを備えている。筐体３０１の内部には、入口配管３０２および出口配管３０３に接続された熱交換器３０４と、熱交換器３０４の周囲に充填された熱媒体１０５とが設けられている。

筐体３０１の天面３０１ａは、矩形状の平面で構成されている。天面３０１ａは、長手方向の中央部に入口配管３０２を備えている。また、天面３０１ａは、長手方向のいずれか一方の端部に出口配管３０３を備えている。入口配管３０２と出口配管３０３は、それぞれ、天面３０１ａに対して垂直に設けられている。

入口配管３０２は、天面３０１ａの２つの長辺のそれぞれの中点を結ぶ線上に設けることが望ましい。さらに、入口配管３０２は、天面３０１ａの２つの長辺のそれぞれの中点を結ぶ線上であって、天面３０１ａの短手方向の中心に設けることがより望ましい。換言すると、入口配管３０２は、天面３０１ａの重心を通ることが望ましい。

出口配管３０３は、天面３０１ａの２つの短辺のそれぞれの中点を結ぶ線上に設けることが望ましい。換言すると、出口配管３０３は、天面３０１ａの短手方向の中央部に設けることが望ましい。

熱交換器３０４は、配管を筐体３０１の上部から下部へと蛇行状に形成した蛇行状部３０４ａと、蛇行状部３０４ａの上端から上方に突出する入口管接続部３０４ｂと、蛇行状部３０４ａの下端から上方に突出する出口管接続部３０４ｃとを備えている。蛇行状部３０４ａは、天面３０１ａに対して垂直であって、天面３０１ａの長手方向に平行に、筐体３０１に入口配管３０２および出口配管３０３を介して保持されている。つまり、蛇行状部３０４ａを構成する配管を通る平面が、天面３０１ａと直交するとともに、天面３０１ａの長手方向に平行するように保持されている。

蛇行状部３０４ａは、１本の配管を複数回、曲げて、蛇行状に形成しても、複数の配管を、所定の角度に曲げられた接続管によって接続して、蛇行状に形成してもよい。蛇行状部３０４ａを構成する配管のうち、少なくとも、最も下方の配管は天面３０１ａに対して水平方向に設けられた略直線状の配管である。

より具体的には、蛇行状部３０４ａは、入口管接続部３０４ｂに接続された第１水平配管４０１ａと、第１水平配管４０１ａに接続された第１垂直配管４０２ａと、第１垂直配管４０２ａの下端に接続された第２水平配管４０１ｂと、第２水平配管４０１ｂに接続された第２垂直配管４０２ｂと、第２垂直配管４０２ｂの下端に接続された第３水平配管４０１ｃと、第３水平配管４０１ｃに接続された第３垂直配管４０２ｃと、第３垂直配管４０２ｃの下端に接続された第４水平配管４０１ｄと、第４水平配管４０１ｄに接続された第４垂直配管４０２ｄと、第４垂直配管４０２ｄの下端に接続された第５水平配管４０１ｅと、第５水平配管４０１ｅに接続された第５垂直配管４０２ｅと、第５垂直配管４０２ｅの下端に接続された第６水平配管４０１ｆと、第６水平配管４０１ｆに接続された出口管接続部１０４ｃとを備えている。

入口管接続部３０４ｂは、入口配管３０２の鉛直下方に配置され、天面３０１ａに対して垂直方向に設けられた略直線状の接続部である。出口管接続部３０４ｃは、出口配管３０３の鉛直下方に配置され、天面３０１ａに対して垂直方向に設けられた略直線状の接続部である。

第６水平配管４０１ｆは、蛇行状部３０４ａを構成する配管のうち、最も下方の配管である。第６水平配管４０１ｆは、筐体３０１の内部に収納できる限度で、筐体３０１の長手方向の長さとほぼ同じ長さを有している。少なくとも、第６水平配管４０１ｆは、他の水平配管や垂直配管より長い。

第１水平配管４０１ａから第６水平配管４０１ｆは、それぞれ、天面３０１ａに対して水平方向で、天面３０１ａの長手方向に平行な方向に設けられた略直線状の配管である。第１垂直配管４０２ａから第５垂直配管４０２ｅは、それぞれ、天面３０１ａに対して垂直方向に設けられた略直線状の配管である。水平配管４０１と垂直配管４０２とは、略直角に曲げられた接続管によって接続されている。

第１垂直配管４０２ａから第５垂直配管４０２ｅのそれぞれの長さは、第１水平配管４０１ａから第６水平配管４０１ｆのいずれの長さよりも短い。

隣接する水平配管４０１どうしは、所定の間隔をあけて設けてある。隣接する水平配管４０１どうしの間隔は、１０ｍｍ以上が好ましい。また、第２垂直配管４０２ｂまたは第４垂直配管４０２ｄと、出口管接続部１０４ｃとは、所定の間隔をあけて設けてある。こ
の間隔は、１０ｍｍ以上が望ましい。これによれば、第２垂直配管４０２ｂまたは第４垂直配管４０２ｄを流れる作動流体と、出口管接続部３０４ｃを流れる作動流体とが熱交換することを防止できる。

このように、蛇行状部３０４ａを、複数の水平配管と複数の垂直配管とを組み合わせた矩形状の蛇行形状とすることが、より長い配管を筐体３０１の内部に収納できるので、望ましい。これにより、熱交換器３０４の熱交換性能が向上する。

なお、蛇行状部３０４ａは、第６水平配管４０１ｆまでの６本の水平配管４０１と、第５垂直配管４０２ｅまでの５本の垂直配管４０２とを備えているが、水平配管４０１および垂直配管４０２をそれぞれ複数の本数、備えていればよく、この本数に限定されるものではない。また、蛇行状部３０４ａを構成する配管のうち、最も下方の配管以外は、必ずしも、水平配管４０１と垂直配管４０２とで構成されていなくてもよく、例えば、一部または全部の配管が、曲線状の配管や、天面３０１ａに対して傾斜した方向の直線状の配管で構成されていてもよい。

以上のように、本変形例の構成では、作動流体を蛇行状部３０４ａの上方から下方へ流すことで、最下方に設けられ最も長さの長い第６水平配管４０１ｆを流れる作動流体と地中温度との温度差を確保でき、効率のよい熱交換ができる。

また、天面３０１ａの長手方向と水平な水平配管が多く配置できるので、熱交換器３０４の配管長が長くなり、伝熱面積を広く確保することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る複数の地中熱用熱交換器ユニットを用いた熱搬送装置の概略構成図である。図５は、複数の地中熱用熱交換器ユニットの配置の概略を示す上面図である。本実施の形態の熱搬送装置３０と実施の形態１の熱搬送装置１０とが異なる点は、複数の地中熱用熱交換器ユニットを接続した点である。地中熱用熱交換器ユニットとしては、実施の形態１で説明した地中熱用熱交換器ユニット１００を用いて説明するが、これに限定されるものはない。例えば、実施の形態１の変形例で説明した地中熱用熱交換器ユニット３００を用いてもよい。

熱搬送装置３０は、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００と、熱源機２００と、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のそれぞれの入口配管１０２と接続される入口分流器５０１と、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のそれぞれの出口配管１０３と接続される出口分流器５０２と、入口分流器５０１と熱源機２００と接続する第１接続配管３００ａと、出口分流器５０２と熱源機２００と接続する第２接続配管３００ｂとを備えている。

複数の入口配管１０２と入口分流器５０１とは、それぞれ、第１分流配管５０３ａで接続され、複数の出口配管１０３と出口分流器５０２とは、それぞれ、第２分流配管５０３ｂで接続されている。地中熱用熱交換器ユニット１００はそれぞれ、第１分流配管５０３ａと、入口分流器５０１と、第１接続配管３００ａと、熱源機２００と、第２接続配管３００ｂと、出口分流器５０２と、第２分流配管５０３ｂとは、環状に接続され、作動流体循環回路を構成する。

第１接続配管３００ａ、第２接続配管３００ｂ、第１分流配管５０３ａ、第２分流配管５０３ｂは、それぞれ、断熱材で覆われていることが望ましい。これによれば、第１接続配管３００ａ、第２接続配管３００ｂ、第１分流配管５０３ａ、第２分流配管５０３ｂを流れる作動流体が、地中の垂直方向の温度分布や外気の影響を受けることがなく、効率よ
く地中熱を、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００と熱源機２００との間で搬送できる。

図５に示すように、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のうち、少なくとも１つの地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂは、地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂの出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂを、当該地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂと隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ａの出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂに対向して配置する。

以上のように構成された熱搬送装置３０の動作について説明する。作動流体循環回路に設けられたポンプの動作により、作動流体は、第１接続配管３００ａを介して、入口分流器５０１へと流れ込む。作動流体は、入口分流器５０１で分流され、複数の第１分流配管５０３ａを介して、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のそれぞれへと流れ込む。作動流体は、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のぞれぞれで、地中熱と熱交換（放熱または吸熱）する。その後、作動流体は、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００のそれぞれから、複数の第２分流配管５０３ｂを介して、出口分流器５０２へと排出される。作動流体は、入口分流器５０１で合流され、第２接続配管３００ｂを介して、地中から地上へ汲み上げられ、熱源機２００へと流れ込む。

本実施の形態では、熱源機２００の必要負荷や、地熱の量に応じて、熱搬送装置３０が備える地中熱用熱交換器ユニット１００の個数を容易に変更できるため、熱搬送装置３０の能力の可変とすることができる。

また、少なくとも１つの地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂは、出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂを、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ａの出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂに対向して配置している。

このため、地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂと隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ａとのそれぞれの隣接する面での熱の移動を抑制できる。これについて、図５および図６を用いて説明する。図６は、比較例に係る複数の地中熱用熱交換器ユニットの配置の概略を示す上面図である。

複数の地中熱用熱交換器ユニット１００をすべて同一方向に並べて配置すると、図６に示すように、出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂと、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００の出口配管１０３を有しない側の側面１０１ｃとが対向して、隣接することとなる。

この場合には、出口管接続部１０４ｃは、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００の第４垂直配管２０２ｄと近接する。さらに、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒は上方に流れるのに対して、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００の第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒は下方に流れるため、対向流となる。このため、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒と、隣接する第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒との温度差が大きくなる。

これにより、作動流体が地中熱へ放熱する場合には、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒は、隣接する第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒によって加熱される虞がある。また、作動流体が地中熱から吸熱する場合には、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒は、隣接する第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒によって冷却される虞がある。このため、熱搬送装置３０の熱搬送の効率が低下する虞がある。

一方、本実施の形態のように、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００を少なくとも１つを、出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂを、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ａの出口配管１０３を有する側の側面１０１ｂと対向させて、隣接させる場合には、出口管接続部１０４ｃは、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ａの出口管接続部１０４ｃと近接する（図５参照）。さらに、近接する出口管接続部１０４ｃのそれぞれを流れる作動冷媒はともに上方に流れるので、並行流となる。このため、近接する出口管接続部１０４ｃのそれぞれを流れる作動冷媒は、互いの熱移動の影響を受け難い。

つまり、作動流体が地中熱へ放熱する場合には、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒は、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂの第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒によって加熱されることを抑制できる。また、作動流体が地中熱から吸熱する場合には、出口管接続部１０４ｃを流れる作動冷媒は、隣接する地中熱用熱交換器ユニット１００Ｂの第４垂直配管２０２ｄ内を流れる作動冷媒によって冷却されることを抑制できる。これによって、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００と熱源機２００との間で、熱を効率よく搬送できる。

なお、本実施の形態では、入口分流器５０１および出口分流器５０２を用いて、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００を熱源機２００に対して、並列に接続する構成として説明したが、複数の地中熱用熱交換器ユニット１００と、熱源機２００とを直列に接続する構成でもよい。

以上のように、本発明に係る地中熱用熱交換器ユニットおよびこれを用いた熱搬送装置は、地中熱を利用した空気調和機、冷凍機などの冷却システム及び加熱システムに対し、広くに適用できる。

１０、３０ 熱搬送装置
２０ 掘削領域
１００、３００ 地中熱用熱交換器ユニット
１０１、３０１ 筐体
１０１ａ、３０１ａ 天面
１０１ｂ、１０１ｃ 側面
１０２、３０２ 入口配管
１０３、３０３ 出口配管
１０４、３０４ 熱交換器
１０４ａ 渦巻状部
１０４ｂ 入口管接続部
１０４ｂ１ 垂直部
１０４ｂ２ 水平部
１０４ｃ 出口管接続部
１０５ 熱媒体
２００ 熱源機
２０１、４０１ 水平配管
２０１ａ 第１水平配管
２０１ｂ 第２水平配管
２０１ｃ 第３水平配管
２０１ｄ 第４水平配管
２０１ｅ 第５水平配管
２０２、４０２ 垂直配管
２０２ａ 第１垂直配管
２０２ｂ 第２垂直配管
２０２ｃ 第３垂直配管
２０２ｄ 第４垂直配管
３００ａ 第１接続配管
３００ｂ 第２接続配管
３０４ａ 蛇行状部
３０４ｂ 入口管接続部
３０４ｃ 出口管接続部
４０１ａ 第１水平配管
４０１ｂ 第２水平配管
４０１ｃ 第３水平配管
４０１ｄ 第４水平配管
４０１ｅ 第５水平配管
４０１ｆ 第６水平配管
４０２ａ 第１垂直配管
４０２ｂ 第２垂直配管
４０２ｃ 第３垂直配管
４０２ｄ 第４垂直配管
４０２ｅ 第５垂直配管
５０１ 入口分流器
５０２ 出口分流器
５０３ａ 第１分流配管
５０３ｂ 第２分流配管

Claims (2)

1. 直方体状の筐体と、前記筐体の天面に設けられた入口配管および出口配管と、前記筐体の内部に設けられ前記入口配管および前記出口配管に接続された熱交換器と、前記筐体の内部に設けられ前記熱交換器の周囲に充填された熱媒体と、を備え、前記熱交換器は複数の水平配管と複数の垂直配管とを有し、前記複数の水平配管と前記複数の垂直配管とでユニットの中心から外郭側へ向かって径を拡大しながら広がる渦巻き状の流路が形成され、前記複数の垂直配管のそれぞれの長さは、両端で接続される前記複数の水平配管のそれぞれの長さより短く、前記複数の配管のうち最下方の配管は前記天面に対して平行に設けられた水平配管であり、尚且つ前記最下方の配管は他のいずれの配管よりも長く、前記出口配管は、前記水平配管と接続された、地中熱用熱交換器ユニット。
2. 隣接して配置された複数の請求項１に記載の地中熱用熱交換器ユニットを、備え、前記複数の地中熱用熱交換器ユニットのうち少なくとも１つの地中熱用熱交換器ユニットは、当該地中熱用熱交換器ユニットの前記出口配管を有する側の側面を、当該地中熱用熱交換器ユニットと隣接する地中熱用熱交換器ユニットの前記出口配管を有する側の側面に対向させた、熱搬送装置。