WO2019151289A1 - 熱交換装置の制御方法及び熱交換装置並びに水冷式ヒートポンプ冷暖房装置・水冷式ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源における熱エネルギーを有効活用し得る熱交換装置を提供する。 【解決手段】第２の熱交換部５との間で熱交換を行う第１の熱交換部６を有した熱媒液循環流路７を具え、熱媒液循環流路７には一定量の第１の熱媒液９が循環する。第１の熱媒液９の温度と温度差を有する第２の熱媒液１０を保有する熱源１１と熱媒液循環流路７とを供給管１２で連結する。供給管１２は、前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側に連結すると共に、該第１の熱交換部６の出口端１６が存する側には排出管１９を連結する。出口端１６における第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように、必要量の第２の熱媒液１０を供給管１２を介して、入口端１３が存する側に供給する。排出管１９から、供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９を排出させる。

Description

熱交換装置の制御方法及び熱交換装置並びに水冷式ヒートポンプ冷暖房装置・水冷式ヒートポンプ装置

　本発明は、地中熱等の熱源を効率的に利用し得る熱交換装置の制御方法及び熱交換装置に関するものである。又、該熱交換装置を用いる水冷式ヒートポンプ冷暖房装置と水冷式ヒートポンプ装置に関するものである。

　熱源として地中熱を利用する熱交換装置の一例が特許文献１、特許文献２に記載されている。これらの熱交換装置は、年間を通してほぼ一定温度（例えば、福井県では１５℃程度）に保たれている地中熱を熱源として利用するものであり、特許文献１に係る熱交換装置ａは図１８に示すように、地盤を所要深さに掘削して設けられた孔部の内壁部を、有底の円筒状ケーシングで被覆して形成された熱交換貯留槽ｂに熱媒液ｃが貯留されている。そして、放熱を要する熱交換領域において放熱し又は吸熱を要する熱交換領域において吸熱し得る熱交換部ｄの一方の端部ｅに第１の管体ｆが連結されると共に、該熱交換部ｄの他方の端部ｇに第２の管体ｈが連結されており、該第１の管体ｆの端部分ｊと該第２の管体ｈの端部分ｋは共に、所要間隔を置いて前記熱交換貯留槽ｂ内で配設され、該第１の管体ｆの下端開口ｍが上に位置し、該第２の管体ｈの下端開口ｐが下に位置している。又、前記第１の管体ｆ又は前記第２の管体ｈの中間所要部位に配設されたポンプｑを駆動することによって、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃが前記熱交換部ｄに送られると共に、前記熱媒液ｃが、前記熱交換部ｄから前記熱交換貯留槽ｂ内に戻されるようになされている。

　即ち、熱交換貯留槽ｂと熱交換部ｄとを前記熱媒液ｃが循環する循環流路ｒが形成され、前記ポンプｑの駆動によって、前記熱媒液ｃが該循環流路ｒを循環するようになされている。この循環の向きは、図１８と図１９に示すように、三方弁を用いた流路切り換え装置ｉによって切り換えることができる。

　地下埋設の前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液の温度は、その上側部分ｓが高く下側部分ｔが低いことに鑑み、前記ポンプｑの駆動によって、冬期においては、図１８に示すように、上に位置する前記下端開口ｍを流入口として、温度の高い熱媒液ｃを前記熱交換部ｄに送給すると共に、下に位置する前記下端開口ｐから熱媒液ｃを熱交換貯留槽ｂ内に戻す。逆に夏期においては、図１９に示すように、下に位置する前記下端開口ｐを流入口として、熱交換貯留槽ｂ内の、温度の低い熱媒液ｃを前記熱交換部ｄに送給すると共に、上に位置する前記下端開口ｍを流出口として、熱媒液ｃを熱交換貯留槽ｂ内に戻すようになされている。

　そして特許文献１には、前記熱交換部ｄで、建物の冷暖房等が行われることが記載されている。図１８～１９は、かかる構成を有する熱交換装置ａを水冷式ヒートポンプ冷暖房装置（以下、冷暖房装置ともいう）ｖを構成するために応用した場合を示すものである。

　該冷暖房装置ｖによって、負荷側を暖房する際は、図１８に示すように、前記熱交換貯留槽ｂにおいてその壁部ｗを介して地中熱が吸収されてなる前記熱媒液ｃが、前記ポンプｑの前記駆動によって、ヒートポンプｙの蒸発部としての第１の熱交換器ａ１まで搬送される。該第１の熱交換器ａ１では、搬送された熱媒液ｃから、膨張弁ｂ１を通過した低温度且つ低圧のヒートポンプ熱媒体へ放熱され、これによって該ヒートポンプ熱媒体が加温される。このヒートポンプ熱媒体が圧縮機ａ３で圧縮されて昇温された後、負荷側ｃ１に設置した凝縮部としての第２の熱交換器ｄ１にて、該ヒートポンプ熱媒体と該負荷側ｃ１の空気との間で熱交換が行われ、該負荷側ｃ１に放熱され該負荷側ｃ１を暖房できる。

　逆に、夏期において前記負荷側ｃ１を冷房する際は、図１９に示すように、該負荷側ｃ１の空気の熱が前記第２の熱交換器ｄ１の吸熱管の熱媒体に吸熱され、この熱媒体が圧縮機ａ３で圧縮された後、凝縮部としての第１の熱交換器ａ１で前記熱媒液ｃに放熱される。吸熱した熱媒液ｃは前記ポンプｑの圧力によって前記熱交換貯留槽ｂまで搬送され、該熱交換貯留槽ｂで、その壁部ｗを介して地中へ放熱され、その後、前記第１の熱交換器ａ１に戻る。

　次に、該冷暖房装置ｖの問題点について説明するが、以下の説明においては便宜上、地中熱の年間の平均温度を１５℃と特定する。該冷暖房装置ｖにおいては、前記循環流路ｒを循環する熱媒液ｃの循環量は所定量が定められており、その所定量に満たない熱媒液が注入された場合は該熱媒液が前記熱交換部ｄ内の一部を通過するだけとなり、所定の熱交換効率を発揮できないこととなる。そのため、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃは常に所定量を循環させなければならない。

　しかしながら、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃが、前記冷暖房装置ｖが必要とする液温を不必要に上回る温度を有している場合や不必要に下回る温度を有している場合がある。

　例えば前記冷暖房装置ｖを暖房に使用しているときにおいて、今、前記冷暖房装置ｖが必要とする所定循環量を２０L/min とし、且つ前記熱交換部ｄの入口端ｆ１の必要液温を５℃とし、その出口端ｇ１の液温を０℃と仮定する。この場合は、該必要液温が５℃であるのに対し、地中熱により温められた前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃの温度を１５℃とすれば、１５℃の温度の該熱媒液ｃが前記熱交換部ｄに供給されたときは、該熱媒液ｃの持つ熱エネルギーを使い切らないで、該熱媒液ｃが前記熱交換貯留槽ｂ内に戻されることとなる。その結果、戻された該熱媒液ｃの温度は、該熱媒液ｃが前記循環流路ｒを循環する間における熱エネルギーの無駄な放出がないとすれば１０℃となる。

　前記のように地中熱の年間の平均温度は１５℃であることから、前記熱交換貯留槽ｂに戻された熱媒液ｃの温度と地中熱との温度差は５℃となる。ところで前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃと地中熱との熱交換効率は、両者の温度差が大きいほど高い。前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液の温度が、前記した最低温度０℃であるとすれば、地中熱との温度差が１５℃となるため、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃと地中熱との熱交換効率を向上させ得ることとなるのであるが、従来は該熱交換効率が悪い問題があったのである。

　加えて、前記のように不必要に高い温度の熱媒液ｃを前記熱交換部ｄに供給することは、前記熱交換貯留槽ｂの熱媒液ｃに蓄熱されていた熱エネルギーを無駄に放出することにもなっていた。このようなことから従来の冷暖房装置ｖは、全体として熱効率が悪い不経済な冷暖房装置となっていた。

　又、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃの温度が、該熱媒液ｃの循環が進んで仮に５℃に下降したとしたときも、前記冷暖房装置ｖは、その起動から一定時間を過ぎると、負荷側が所定の温度に近づくために、起動時に比し、前記熱交換部ｄでの熱交換量は少なくてもよくなる。そのため、前記と同様のことが起きていた。即ち、起動時には該熱交換部ｄでの必要液温が５℃であったとしても、負荷側ｃ１がある程度暖まってくると、該熱交換部ｄにおける熱交換量は少なくてもよくなるため、前記必要液温が１℃となる場合も生ずる。このように必要液温が１℃であるところへ液温が５℃の熱媒液を供給したとすれば、前記熱交換貯留槽ｂに戻された熱媒液ｃの温度と地中熱との温度差はそれだけ小さくなり、該熱媒液ｃと地中熱との熱交換効率が悪い問題を生じさせることになったのである。

　又、前記冷暖房装置ｖを冷房に使用しているときにおいて、今、該冷暖房装置ｖが必要とする所定循環量を２０L/min とし、且つ前記熱交換部ｄの入口端ｆ１の必要液温を３０℃とし、その出口端ｇ１の液温を３５℃と仮定する。この場合は、該必要液温は３０℃であるのに対し、地中熱により冷やされた前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃの温度が１５℃であるので、１５℃の温度の該熱媒液ｃが前記熱交換部ｄに供給されたときは、該熱媒液ｃの持つ熱エネルギーを使い切らないで、該熱媒液ｃが前記熱交換貯留槽ｂ内に戻されることとなる。その結果、該戻された熱媒液ｃの温度は、該熱媒液ｃが前記循環流路ｒを循環する間における熱エネルギーの無駄な放出がないとすれば２０℃となる。

　前記のように地中熱の年間の平均温度は１５℃であることから、前記熱交換貯留槽ｂに戻された熱媒液ｃの温度と地中熱との温度差は５℃となる。ところで前記熱媒液貯留槽ｂ内の熱媒液ｃと地中熱との熱交換効率は、前記したように、両者の温度差が大きいほど高い。前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃの温度が、前記した最高温度３５℃であるとすれば、地中熱との温度差が２０℃となるため、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃと地中熱との熱交換効率の向上を図り得るのであるが、従来は該熱交換効率が悪い問題があったのである。

　加えて、前記のように不必要に低い温度の熱媒液ｃを前記熱交換部ｄに供給することは、前記熱交換貯留槽ｂの熱媒液ｃに蓄熱されていた熱エネルギーを無駄に放出することにもなっていた。このようなことから従来の冷暖房装置ｖは、全体として熱効率が悪い不経済な冷暖房装置となっていた。

　又、前記熱交換貯留槽ｂ内の熱媒液ｃの温度が、該熱媒液ｃの循環が進んで仮に３０℃に上昇したときも、前記冷暖房装置ｖは、その起動から一定時間を過ぎると、負荷側が所定の温度に近づくために起動時に比し、前記熱交換部ｄでの熱交換量は少なくてもよくなる。そのため、前記と同様のことが起きていた。即ち、起動時には該熱交換部ｄでの必要液温が３０℃であったとしても、負荷側がある程度冷えてくると、該熱交換部ｄにおける熱交換量は少なくてもよくなるため、前記必要液温が３４℃となる場合も生ずる。このように必要液温が３４℃であるところへ液温が３０℃の熱媒液を供給したとすれば、前記熱交換貯留槽ｂに戻された熱媒液ｃの温度と地中熱との温度差はそれだけ小さくなり、該熱媒液ｃと地中熱との熱交換率が悪い問題を生じさせることになったのである。

　又特許文献２に係る熱交換装置ａは、例えば図２０に示すように、熱媒液ｃが内部を流れる管体ｐ１を具え、該管体ｐ１内で熱媒液ｃを循環させるためのポンプｑ１が該管体ｐ１に介在されている。該管体ｐ１は、地中に埋設される地中熱交換用管部ｒ１と、放熱を要する熱交換領域において放熱し又は吸熱を要する熱交換領域において吸熱し得る吸放熱管部ｓ１とを具えている。該地中熱交換用管部ｒ１は、縦方向に長いＵ字状管部を具える如く構成され、該Ｕ字状管部は、地盤を縦方向に掘削して形成された縦孔内に、縦方向に延長する如く収容され、地中に埋設状態とされている。

　かかる熱交換装置ａによるときは、冬期にあっては、相対的に温度の高い周辺地中ｕ１から前記地中熱交換用管部ｒ１への熱移動が生じ、熱媒液が該地中熱交換用管部ｒ１を通過する過程で該熱媒液が昇温される。そして、放熱を要する熱交換領域において、前記吸放熱管部ｓ１で放熱され、該吸放熱管部ｓ１を流れる熱媒液ｃが冷却される。又夏期にあっては、吸熱を要する熱交換領域において、前記吸放熱管部ｓ１を流れる熱媒液ｃが昇温される。又前記地中熱交換用管部ｒ１を通過する過程で、熱媒液の保有熱が周辺地中ｕ１に移動し該熱媒液は冷却される。

　そして特許文献２には、特許文献１におけるのと同様に、前記吸放熱管部ｓ１で、建物の冷暖房等が行われることが記載されている。かかる構成を有する熱交換装置ａを前記冷暖房装置を構成するために応用した場合の問題点は、特許文献１で説明したところと同様である。

特開２０１６－２１７６８８号公報 特開２０１７－３２２１８号公報

　本発明は、第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路に第１の熱媒液を循環させると共に、該第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源より該第２の熱媒液を前記熱媒液循環流路に供給することによって前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換を行わせるに際し、該熱源における熱エネルギーを有効活用できるように構成された熱交換装置の制御方法及び熱交換装置、並びに、該熱交換装置を用いる水冷式ヒートポンプ冷暖房装置と水冷式ヒートポンプ装置の提供を課題とするものである。

　前記課題を解決するため本発明は以下の手段を採用する。
　即ち本発明に係る熱交換装置の制御方法は、熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置の制御方法である。前記熱媒液循環流路には、前記第１の熱交換部の入口端が存する側で、前記第１の熱交換部の出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源より、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を供給する。そして、前記第１の熱交換部の前記出口端が存する側で、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液を排出させることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第１は、熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設されたポンプの駆動によって一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置である。前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されている。又、前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を、前記供給管を介して前記入口端が存する側に供給するように制御されている。又、前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第２は、熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設されたポンプの駆動によって一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置である。又、前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されている。そして、前記熱媒液循環流路に対する前記供給管又は前記排出管の連結部位に混合三方弁が介在されると共に、該混合三方弁と前記入口端との間に、又は該混合三方弁と前記出口端との間に、前記ポンプが介在されている。又、前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を前記供給管を介して前記入口端に流入させるように前記混合三方弁が制御され、前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第３は、熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設された第１のポンプの駆動によって第１の熱媒液が循環するようになされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置である。そして、前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されている。又、前記供給管に付設された第２のポンプの駆動によって、前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を、前記供給管を介して前記第１の熱交換部の入口端が存する側に供給するように制御されている。又、前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第４は、前記第１～第３の何れかの態様において、前記熱源が、前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する地下水としての前記第２の熱媒液を保有する、地盤に埋設され且つ該地下水が常時出入りできる地下水採取用貯留槽であることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第５は、前記第１～第３の何れかの態様において、
前記第1の熱媒液の温度と温度差を有する前記第２の熱媒液を保有する熱源が、地盤に埋設された熱交換貯留槽であることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第６は、前記第１～第３の何れかの態様において、
前記熱源を構成する熱供給源が、地下水、温泉排水、工場排水、下水の廃液、河川水、湖水、海水、雪、氷及びガスの群から選択されることを特徴とするものである。

　本発明に係る熱交換装置の第７は、前記第１～第３の何れかの態様において、前記第２の熱媒液が、クーリングタワーで冷却された熱媒液であることを特徴とするものである。

　本発明に係る水冷式ヒートポンプ冷暖房装置は、前記第１～第３の何れかの熱交換装置が用いられてなることを特徴とするものである。

　本発明に係る水冷式ヒートポンプ装置は、前記第１～第３の何れかの熱交換装置が用いられてなることを特徴とするものである。

　本発明において、前記流路を流れるものは全てが前記熱媒液であるが、前記第１の熱媒液とは、前記熱媒液の内の、前記熱媒液循環流路を循環する熱媒液をいい、前記第２の熱媒液とは、前記熱媒液の内の、前記第１の熱交換部に供給される熱媒液をいう。

　本発明は、第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路に第１の熱媒液を循環させると共に、該第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源より、該第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の該第２の熱媒液を前記熱媒液循環流路に供給することによって前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部との間で熱交換を行わせるため、該熱源における熱エネルギーを有効活用できる。

１台のポンプを用いて構成した熱交換装置を水冷式ヒートポンプ冷暖房装置を構成するために応用し、該冷暖房装置が暖房運転をしている状態を示す説明図である。 その冷暖房装置が冷房運転をしている状態を示す説明図である。 ２台のポンプを用いて構成した熱交換装置を水冷式ヒートポンプ冷暖房装置を構成するために用い、該冷暖房装置が暖房運転をしている状態を示す説明図である。 その冷暖房装置が冷房運転をしている状態を示す説明図である。 １台のポンプを用いて構成した熱交換装置を、付属熱交換器を用いて冷暖房装置に応用し、暖房運転をしている状態で示す説明図である。 縦方向に長いＵ字状管部を熱交換貯留槽として用いて構成した熱交換装置を、１台のポンプを用いた場合について説明する説明図である。 縦方向に長いＵ字状管部を熱交換貯留槽として用いて構成した熱交換装置を、２台のポンプを用いた場合について説明する説明図である。 密閉水槽を熱源として用いて構成した熱交換装置の他の実施例を示す説明図である。 密閉水槽を熱源として用いて構成した熱交換装置のその他の実施例を示す説明図である。 密閉水槽を熱源として用いて構成した熱交換装置のその他の実施例を示す説明図である。 密閉水槽を熱源として用いて構成した熱交換装置のその他の実施例を示す説明図である。 クーリングタワーを熱源として用いて構成した熱交換装置の実施例を示す説明図である。 クーリングタワーを熱源として用いて構成した熱交換装置の他の実施例を示す説明図である。 クーリングタワーを熱源として用いて構成した熱交換装置のその他の実施例を示す説明図である。 クーリングタワーを熱源として用いて構成した熱交換装置のその他の実施例を示す説明図である。 温泉排水や工場排水、下水等の廃液を、熱源を構成する熱供給源として用いて構成した熱交換装置を説明する説明図である。 撥水コーティング膜で被覆されてなる第１の熱交換部の流路を示す断面図である。 従来の熱交換装置の問題点を説明する説明図である。 従来の熱交換装置の問題点を説明する説明図である。 従来の熱交換装置の問題点を説明する説明図である。

　図１は、本発明に係る熱交換装置の制御方法を実施する熱交換装置１を示すものである。該熱交換装置１は、熱媒液２が内部を流れる流路３が設けられており、該流路３は、負荷側４となる第２の熱交換部５との間で熱交換を行う第１の熱交換部６を有した熱媒液循環流路７を具え、該熱媒液循環流路７には一定量の第１の熱媒液９が循環する如くなされている。そして該熱交換装置１は、前記負荷側４が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部６における熱交換量が変動するように構成されている。又、該第１の熱媒液９の温度と温度差を有する第２の熱媒液１０を保有する熱源１１と前記熱媒液循環流路７とを連通状態とする供給管１２が設けられている。該供給管１２は、前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側１５に連結されると共に、該第１の熱交換部６の出口端１６が存する側１７には排出管１９が連結されている。そして、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部６が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液１０を前記供給管１２を介して前記入口端１３が存する側１５に供給可能とされている。又前記排出管１９から、供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９が排出されるようになされている。ここに、該第１の熱媒液９とは、前記熱媒液２の内の、前記熱媒液循環流路７を循環する熱媒液をいい、該第２の熱媒液１０とは、前記熱媒液２の内の、前記第１の熱交換部６に供給される熱媒液をいう。

　本実施例においては図１に示すように、前記熱媒液循環流路７に第１の熱媒液９を循環させると共に、供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９を排出させるために、前記熱媒液循環流路７に１台のポンプ２０が付設されている。又、前記熱媒液循環流路７に対する前記供給管１２の連結部位２１に、第１、第２、第３の接続口２２，２３，２５を有する混合三方弁２６が介在されると共に、該混合三方弁２６と前記入口端１３との間に前記ポンプ２０が介在されている。本実施例においては、該混合三方弁２６として、電動制御の混合三方弁を用いている。又図１に示すように、該ポンプ２０と前記入口端１３との間に流量調整弁２７が介在されている。

　以下、前記熱交換装置１を、これが水冷式ヒートポンプ冷暖房装置（以下、冷暖房装置ともいう）２９を構成するために用いられた場合を例にとり、具体的に説明する。

　該冷暖房装置２９は、熱源として、年間を通してほぼ一定温度（例えば、福井県では１５℃程度）を保つ地中熱を利用するものである。以下の説明においては便宜上、地中熱の年間の平均温度を１５℃と特定する。

　該熱交換装置１を構成する前記熱源１１は、図１に示す熱交換貯留槽３０を用いて構成されている。該熱交換貯留槽３０は本実施例においては、地盤を所要深さに掘削して（例えば５０～１００ｍの深さに掘削する）設けられた孔部の内壁部を、有底の円筒状ケーシングで被覆して形成されており、該熱交換貯留槽３０に熱媒液２が貯留されている。そして、該熱交換貯留槽３０の壁部３１を介して該熱媒液２が地中熱を吸収し、或いは、該熱媒液２の保有する熱量を該壁部３１を介して地中へ放熱するように構成されている。該熱交換貯留槽３０は本実施例においては図１に示すように、上端開放部が蓋部材３３で閉塞されてなる密閉水槽３４として構成されている。

　前記第１の熱交換部６と前記第２の熱交換部５は、例えば、熱効率のよいプレート式熱交換器としての第１の熱交換器３５に組み込まれている。然して、前記第１の熱媒液９が前記熱媒液循環流路７を循環することにより、該第１の熱交換器３５においては、該第１の熱交換部６を流れる該第１の熱媒液９と該第２の熱交換部５を流れるヒートポンプ熱媒体３６との間で熱交換が行われる。

　前記冷暖房装置２９によって負荷側４を暖房する際は、図１に示すように、前記熱交換貯留槽３０においてその壁部３１を介して地中熱が吸収されてなる前記熱媒液２が、前記ポンプ２０の駆動によって、前記第１の熱交換部６まで搬送される。前記第１の熱交換器３５では、前記第１の熱交換部６内の熱媒液２から、前記第２の熱交換部５内の、膨張弁３８を通過した低温度且つ低圧の前記ヒートポンプ熱媒体３６へ放熱され、これによって該ヒートポンプ熱媒体３６が加温される。該第２の熱交換部５を出た該ヒートポンプ熱媒体３６は、圧縮機３９で圧縮されて昇温された後、前記負荷側４に設けた第２の熱交換器４０で凝縮され、第２の熱交換器４０の前記ヒートポンプ熱媒体３６と前記負荷側４の空気との間で熱交換が行われ、該負荷側４に放熱されて該負荷側を暖房できる。

　逆に夏期において前記負荷側４を冷房する際は、図２に示すように、該負荷側４の空気の熱が前記第２の熱交換器４０で、前記ヒートポンプ熱媒体３６に吸熱される。このヒートポンプ熱媒体３６が圧縮機３９で圧縮された後、前記第１の熱交換器３５で凝縮され、前記第１の熱交換部６内の前記第１の熱媒液９に放熱される。吸熱した該第１の熱媒液９は、前記ポンプ２０の圧力によって前記熱交換貯留槽３０まで搬送される。該熱交換貯留槽３０では、該熱媒液２の保有熱が、前記壁部３１を介して、該熱交換貯留槽３０の周辺地中４４へ放熱される。

　前記混合三方弁２６は図１（Ａ）（Ｂ）で示すように、前記熱媒液循環流路７に対する前記供給管１２の前記連結部位２１に介在されており、前記の第１、第２、第３の接続口２２，２３，２５を有する。該第１の接続口２２は、該熱媒液循環流路７の循環方向Ｆ１で見た上流端４１に接続され、該第２の接続口２３は、該循環方向Ｆ１で見た下流端４２に接続され、前記第３の接続口２５は、前記供給管１２の供給端４３に接続されている。又前記第２の接続口２３は全開とされる等、所要開度に設定されると共に、前記第１の接続口２２の開度と前記第３の接続口２５の開度は、前記混合三方弁２６に内蔵されている弁体（図示せず）によって電動制御される。

　そして、前記ポンプ２０の駆動によって得られる、前記第１の接続口２２から前記混合三方弁２６内への前記第１の熱媒液９の流入量と前記第３の接続口２５から前記混合三方弁２６内への前記第２の熱媒液１０の流入量の合計量が、前記第２の接続口２３からの前記熱媒液循環流路７への流出量（本実施例においては後述のように、前記流量調整弁２７によって、２０L/min に設定される）に等しくなるように制御される。又、該混合三方弁２６内では前記第１の熱媒液９と前記第２の熱媒液１０が混合されて混合熱媒液となり、該混合熱媒液が前記第２の接続口２３から前記熱媒液循環流路７に流出される。

　そして、前記第３の接続口２５の前記開度は、前記第２の熱媒液１０の前記必要量が前記混合三方弁２６内に流入するように電動制御される。

　前記流量調整弁２７は本実施例においては、前記ポンプ２０の供給量を、前記熱媒液循環流路７で要求される流量に流量調整するためのものであり、本実施例においては２０L/min に調整される。

　そして図１に示すように、前記供給管１２の、前記供給端４３と反対側の連結端４５には、第１の管体４６の上端４７が、流路切り換え用の第１の三方切換弁４９を介して連結されている。該第１の管体４６は、上下方向に延長してその下端開口５０が、前記熱交換貯留槽３０に貯留されている前記熱媒液２の上側部分５１で開口する。又前記排出管１９の、前記熱媒液循環流路７に対する連結端５２と反対側の連結端５３には、第２の管体５５の上端５６が、流路切り換え用の第２の三方切換弁５７を介して連結されている。該第２の管体５５は、前記熱交換貯留槽３０の外面５９に沿って下方に延長し、その下端開口６０が前記熱交換貯留槽３０の下端６１に連結されている。これによって、該下端開口６０が、前記熱交換貯留槽３０内に貯留されている前記熱媒液２の下側部分６２で開口した状態とされている。又、該第２の三方切換弁５７の残りの接続口６３と前記第１の管体４６の上部位６５とが、第１の切り換え用連結管６６で連結されている。且つ、前記第１の三方切換弁４９の残りの接続口５８と前記第２の管体５５の上部位６４とが第２の切り換え用連結管６９で連結されている。

　該第１、第２の三方切換弁４９，５７による流路の切り換え作用によって、前記冷暖房装置２９を暖房に用いる場合と冷房に用いる場合とで、前記第１の管体４６と前記第２の管体５５を流れる前記熱媒液２の流れ方向を、図１と図２に矢印で示すように切り換えることができる。

　この切り換えは、前記熱交換貯留槽３０に収容されている前記熱媒液２の温度が、前記上側部分５１が高く前記下側部分６２が低いことに鑑みて行われるものである。この流路切り換えにより、前記冷暖房装置２９を暖房に用いる場合は、図１に示すように、前記第１の管体４６の下端開口５０で吸引された前記上側部分５１の、温度の高い熱媒液２が、前記第２の熱媒液１０として前記供給端４３に供給される。これと共に、前記排出管１９から排出された温度の低い第１の熱媒液９が、前記下側部分６２において前記第２の管体５５の下端開口６０で吐出される。

　逆に、前記冷暖房装置２９を冷房に用いる場合は、図２に示すように、前記第２の管体５５の下端開口６０で吸引された、前記下側部分６２の温度の低い熱媒液２が前記供給管１２に供給されると共に、前記排出管１９から排出された温度の高い第１の熱媒液９が、前記上側部分５１において前記第１の管体４６の下端開口５０で吐出される。

　このようにして前記第２の熱媒液１０が前記熱媒液循環流路７に供給されると、前記ポンプ２０の熱媒液押し出し作用によって、供給された該第２の熱媒液１０の量と同量の第１の熱媒液９が、前記排出管１９を介して、前記熱媒液循環流路７から前記熱交換貯留槽３０内に戻される。そして、前記ポンプ２０の駆動による前記第２の熱媒液１０の吸引は、前記熱交換貯留槽３０が密閉水槽３４として構成されているために、該熱交換貯留槽３０内への該第１の熱媒液９の流入に伴う該密閉水槽３４内の圧力上昇もあって円滑に行われる。吸引された該第２の熱媒液１０は、前記混合三方弁２６によって、前記第１の接続口２２（図１（Ｂ））から該混合三方弁２６内に流入した前記第１の熱媒液９と混合され、２０L/min の混合熱媒液が、前記第２の接続口２３（図１（Ｂ））から前記熱媒液循環流路７に供給される。

　前記第２の熱媒液１０の前記必要量は、前記第１の熱交換部６の出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように設定される。換言すれば、前記第１の熱交換部５が時々で必要とする熱量を付与できるように前記必要量が設定されるのである。

　この必要量を設定するために、前記出口端１６に設けた温度検出器６７による検出信号により前記混合三方弁２６が電動制御される。例えば、前記冷暖房装置２９を暖房に使用しているときにおいて、該冷暖房装置２９が必要とする所定循環量を２０L/min とし、且つ、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の前記所要設定温度を２℃としたとき、該出口端１６における該第１の熱媒液９の検出温度が該所要設定温度２℃を維持するように、前記第２の熱媒液１０の必要量が前記入口端１３に供給される。

　今、前記冷暖房装置２９の起動時において前記出口端１６における前記所要設定温度２℃を維持するのに必要な前記第１の熱交換部６の入口端１３の必要液温を７℃とする。そのために、地中熱により温められて１５℃の温度を有する、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２を、前記第２の熱媒液１０として、前記熱媒液循環流路７を循環している前記第１の熱媒液９に供給する。これによって、前記入口端１３の必要液温７℃を確保する。

　その後、負荷側４がある程度暖まってくると、該第１の熱交換部６における熱交換量は少なくてもよくなる。そのときにおいて、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度２℃を維持するのに必要な前記入口端１３の必要液温を３℃とすると、前記第２の熱媒液１０の前記必要量は当初に比べて減少させてよいことになる。この必要量は、前記出口端１６に設けた温度検出器６７による温度検出信号により前記混合三方弁２６が電動制御されることによって自動的に設定される。該混合三方弁２６の電動制御は、前記のように、前記第１の接続口２２の開度と前記第３の接続口２５の開度を前記弁体によって電動で制御することを意味する。その後、負荷側４が設定温度に近づくにつれて前記必要量は更に減少するが、この必要量は、同様に、前記混合三方弁の前記電動制御によって所要に設定される。

　又前記冷暖房装置２９を冷房に使用しているときにおいて、該冷暖房装置２９が必要とする所定循環量を２０L/min とし、且つ、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の前記所要設定温度を３５℃としたときは、該出口端１６における該第１の熱媒液９の検出温度が該所要設定温度を維持するように制御された前記第２の熱媒液１０の必要量が、前記入口端１３に供給される。

　今、前記冷暖房装置２９の起動時において前記出口端１６における前記所要設定温度３５℃を維持するのに必要な前記入口端１３の必要液温を３０℃とする。そのために、地中熱により冷されて１５℃の温度を有する、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２を、前記熱媒液循環流路７を循環している前記第１の熱媒液９に供給し、これによって、前記入口端１６の必要液温３０℃を確保する。その後、負荷側４がある程度冷えてくると、前記第１の熱交換部６における熱交換量は少なくてもよくなる。その場合において、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するのに必要な前記入口端１３の必要液温を３４℃とすると、前記第２の熱媒液１０の前記必要量は当初に比べて減少させてよいことになる。この必要量は、前記出口端１６に設けた温度検出器６７による温度検出信号により前記混合三方弁２６が電動制御されることによって自動的に設定される。その後、負荷側４が設定温度に近づくにつれて前記必要量は更に減少するが、この必要量は、同様に、前記混合三方弁の電動制御によって所要に設定される。

　前記熱交換装置１を、前記のように、前記冷暖房装置２９として用いて負荷側を暖房する際において、前記第１の熱媒液９及び前記第２の熱媒液１０として水を用いた場合は、前記所要設定温度を２℃に設定するのがよい。前記構成を有する熱交換装置１の前記制御方法は、前記第１の熱交換部６に対する前記第２の熱媒液１０の必要量の供給によって前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように制御するものではあるが、該検出温度は若干変動する。そのため、前記所要設定温度を０℃や１℃に設定したとすると、この変動によって前記出口端１６における温度が０℃を下回る場合も生ずる。このようになると前記第１の熱交換部６内の前記第１の熱媒液９は凍る恐れがある。そのため前記所要設定温度は、前記第１の熱交換部６から流出する熱媒液２が凍らないように安全をみて２℃に設定するのがよい。なお前記熱媒液として不凍液を用いる場合は、前記所要設定温度を０℃以下に設定することもできる。

　本実施例においては図１に示すように、前記排出管１９から排出された前記第１の熱媒液９は前記熱交換貯留槽３０内に戻されるのであるが、該熱交換貯留槽３０内に流入した第１の熱媒液９である熱媒液２の温度は低い。そのため、流入した熱媒液２の温度と地中熱との温度差は大きく、従って、該熱交換貯留槽３０内の熱媒液２と地中熱との熱交換を効率よく行うことができる。

　ここで、前記熱交換貯留槽３０内に貯留されている前記第２の熱媒液１０が保有する熱量が消費される様子と、該熱交換貯留槽３０内に戻された温度の低い熱媒液２が、該熱交換貯留槽３０の壁部３１を介しての地中熱の熱移動によって徐々に加温される様子、及び、該熱交換貯留槽３０内に戻された温度の高い熱媒液２が、前記壁部３１を介しての前記熱交換貯留槽３０の周辺地中４４への熱移動によって徐々に冷却される様子を説明する。

　前記熱交換装置１が前記冷暖房装置２９に応用され、該冷暖房装置２９が暖房運転をする場合、該冷暖房装置２９が運転停止状態にある例えば夜間においては、相対的に温度の高い周辺地中４４から該熱交換貯留槽３０への熱移動が生じ、該熱交換貯留槽３０内の熱媒液２は徐々に加温される。その結果、前記熱交換装置１が停止状態にある時間が一定時間以上であれば、貯留されている熱媒液２全体の温度が地中温度に等しい１５℃になることができる。この地中熱の採熱は、前記したように、該熱交換貯留槽３０内に前記のように戻った熱媒液２の温度が低いほど、即ち、流入した熱媒液２の温度と地中熱との温度差が大きいほど、効率的に行われる。

　なお、前記冷暖房装置２９が運転停止状態にある夜間において、昼間に使用した熱量を前記周辺地中４４より積極的に取り込むためには、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２に流れがあった方がよい。例えば、循環ポンプの駆動によって前記熱媒液２を循環させることにより、該熱媒液２を前記熱交換貯留槽３０の内面に極力接触させながら該熱媒液２を上昇させたり下降させたりできる。これによって、貯留されている該熱媒液２への地中熱の移動効率や貯留されている該熱媒液２から周辺地中４４への熱移動効率を向上させることができる。

　このようにして前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２に蓄えられた熱量は、昼間における前記熱交換装置１の稼働によって徐々に消費されるのであるが、前記第１の熱交換部６の入口端１３に供給される第２の熱媒液１０の必要量は、前記熱交換部６の出口端１６での前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように設定されるものである。従って、該第１の熱交換部６に供給される第２の熱媒液１０の単位時間当りの量は少なくて済む。

　一例として、前記熱交換装置１が冷暖房装置２９に応用された場合において暖房運転開始から例えば１５分間程度は、暖房の負荷側４への熱供給量が多いために、前記熱交換貯留槽３０から前記第１の熱交換部６に送られる前記第２の熱媒液１０の量が多い。しかしその後、負荷側４がある程度暖まってくると、該第１の熱交換部６における熱交換量は少なくてもよくなる。例えば、当初は前記入口端１３の必要液温７℃を要して前記必要量が２０L/min であったものが、負荷側４がある程度暖まってくると、前記必要量は５L/min で済むということにもなり、更に少ない必要量で済むことにもなる。かかることから、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２を前記流路３に長時間（例えば３～４時間程度）かかって一巡させるということが可能になる。これによって、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２の保有する蓄熱量を長時間かけて消費できることとなる。

　この蓄熱量は徐々に減少するのであるが、前記熱交換貯留槽３０内に戻った熱媒液２の温度は前記のように低く、流入した熱媒液２の温度と地中熱との温度差が大きい。そのため前記のように、該熱交換貯留槽３０内に流入した熱媒液２と地中熱との熱交換を効率よく行うことができる。そして前記のように、前記熱交換貯留槽３０内の熱媒液２が長時間かかって一巡することから、前記下側部分６２で前記熱交換貯留槽３０内に戻った熱媒液２が地中熱を採熱できる時間が長い。かかることから前記熱交換装置１によるときは、蓄熱された熱量を長時間に亘って利用できると共に、前記熱交換貯留槽３０内に戻って長時間をかけて地中熱で加温された熱媒液２の熱量をも利用できることとなる。

　従って、前記熱交換貯留槽３０内の蓄熱量が一巡して消費された後は、地中熱で時間をかけて十分に加温された熱媒液、即ち、地中熱を十分に吸収した状態にある該熱媒液２の熱量を利用できることとなり、該熱交換貯留槽３０内の熱媒液２の有する熱量を長時間に亘って利用できることとなる。

　これらのことは、前記熱交換装置１が前記冷暖房装置２９に応用された場合において該冷暖房装置２９が冷房運転に用いられた場合も同様であり、又、前記熱交換装置１が、例えば、水冷式ヒートポンプを用いる給湯機や冷凍機に用いられた場合においても同様である。

　図３～４は、本発明に係る熱交換装置の制御方法を実施する熱交換装置１の他の実施例を示すものである。該熱交換装置１は、熱媒液２が内部を流れる流路３を具えており、該流路３は、第２の熱交換部５との間で熱交換を行う第１の熱交換部６を有した熱媒液循環流路７を具える。該熱媒液循環流路７には、これに付設された第１のポンプ７５の駆動によって前記第１の熱媒液９が循環するようになされている。又、前記第１の熱媒液９の温度と温度差を有する第２の熱媒液１０を保有する熱源１１を具え、該熱源１１と前記熱媒液循環流路７とを連通状態とする供給管１２を具えている。そして、該供給管１２は前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側１５に連結されると共に、該第１の熱交換部６の出口端１６が存する側１７には排出管１９が連結されている。該熱源１１は、実施例１におけると同様に、地盤に埋設した熱交換貯留槽３０を用いて構成されている。

　又、前記供給管１２に付設された第２のポンプ７６の駆動によって、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部６が必要とする熱量を付与し得る必要量の第２の熱媒液１０が、前記供給管１２を介して、前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側１５に供給可能となるように制御される。又、前記排出管１９から、供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９が排出されるようになされている。ここに、前記第１の熱媒液９とは、前記熱媒液２の内の、前記熱媒液循環流路７を循環する熱媒液をいい、前記第２の熱媒液１０とは、前記熱媒液２の内の、前記第１の熱交換部６に供給される熱媒液をいう。

　該熱交換装置１が冷暖房用の水冷式ヒートポンプ装置２９を構成するために用いられた場合を例にとれば、前記実施例１を説明する図１に示されている混合三方弁２６を、インバータ制御された前記第１のポンプ７５と前記第２のポンプ７６に置き換えて実施できる。かかる構成の冷暖房装置２９の作用効果は前記実施例１で説明したところと同様であるため、その具体的な説明は省略する。

　なお図３～４においては、図１と共通する部位に同一の符号が付されている。又図３～４においては、図１における場合とは異なり、熱交換貯留槽３０の上端７９は開放されている。そして、図３～４における符号８０は流量検出器である。本実施例に係る熱交換装置１は、例えば、水冷式ヒートポンプを用いる給湯機や冷凍機にも応用できる。

　図５は、現在一般に販売されている水冷式ヒートポンプ冷暖房装置２９に本発明に係る熱交換装置１を応用した場合の一実施例を示すものである。該水冷式ヒートポンプ冷暖房装置２９は、これを暖房に使用する場合、その効率を最大限に上げるために、ヒートポンプ内に設置した熱交換器の熱媒体の温度を氷点未満に下げて、外部熱源からの熱媒液より採熱していた。そのため、該熱媒液としては、これが該熱交換器の中で凍らないように不凍液を使用しなければならなかった。しかし、一般に不凍液は高価であるためにその使用量は限定せざるを得なかった。又前記外部熱源として、例えば前記熱交換貯留槽３０等の地中熱を利用する地中熱交換器を採用した場合は、該地中熱交換器に大量に不凍液を収容しなければならないために高額のコストを要したばかりか、該不凍液が土中に漏洩したときは土壌汚染につながりかねない問題もあった。かかることから、該地中熱交換器を前記外部熱源として用いる場合は、これに収容される熱媒液２は水であることが好ましい。

　図５は、従来の水冷式ヒートポンプ冷暖房装置３６を使用して暖房を行うために、前記構成の熱交換装置１と該水冷式ヒートポンプ冷暖房装置２９との間に、熱効率のよいプレート式熱交換器等の付属熱交換器８１を設けた場合を示している。該付属熱交換器８１には、本発明に係る前記熱交換装置１の前記第１の熱交換部６と、前記ヒートポンプ内に設置されている熱交換器８３に配設された熱交換部８２を有して構成されてなる不凍液循環流路８４の一部分をなす前記第２の熱交換部５とが配設されている。そして、水が流れる該第１の熱交換部６と不凍液が流れる該第２の熱交換部５との間で熱交換が行われるように構成されている。なお図５においては、例えば前記実施例１で示す１台のポンプ２０を用いる熱交換装置１を応用して構成されているが、例えば前記実施例２で示す２台のポンプを用いる熱交換装置１を応用して構成してもよい。

　このように構成した場合における熱交換は、前記実施例１、前記実施例２で説明したと同様に行われる。例えば、前記不凍液の温度がマイナス温度とならないように前記熱交換装置１の前記第１の熱交換部６の出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が例えば２℃の所要設定温度を維持するように、前記熱源１１より、前記第１の熱交換部６が必要とする必要量の前記第２の熱媒液１０を供給する。これと共に、前記第１の熱交換部６の前記出口端１６が存する側１７で、供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９を排出させる。

　このように構成する場合は、不凍液は前記不凍液循環流路８４にのみ使用されるだけであるために極少量である。従って、前記の不凍液に係るコストの問題点と土壌汚染の問題点の双方を同時に解決できることとなる。本実施例に係る熱交換装置１は、例えば、水冷式ヒートポンプを用いる給湯機や冷凍機にも応用できる。

　図６、図７は、縦方向に長いＵ字状管部８５として構成された前記熱交換貯留槽３０が設けられてなる前記熱源１１を具える熱交換装置１の一例を示すものである。該Ｕ字状管部８５は、地盤を縦方向に掘削して形成された縦孔内に、その長さ方向が縦方向に延長する如く埋設されており、該Ｕ字状管部８５内には前記熱媒液２が貯留されている。そして該Ｕ字状管部８５の一端８６は前記供給管１２の、前記供給端４３と反対側の連結端８７に連結されると共に、該Ｕ字状管部８５の他端８９は前記排出管１９の、前記出口端１６が存する側１７に対する連結端５２と反対側の連結端９０に連結されている。

　図６に係る熱交換装置１にあっては、前記ポンプ２０の駆動によって、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が前記所要設定温度を維持するように、該熱交換貯留槽３０内の熱媒液２の前記必要量を、前記第２の熱媒液１０として前記入口端１３に供給するように構成されている。又図７に係る熱交換装置１にあっては、前記第２のポンプ７６の駆動によって、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が前記所要設定温度を維持するように、該Ｕ字状管部８５内の熱媒液２の前記必要量を前記第２の熱媒液１０として前記入口端１３に供給するように構成されている。

　そして、このように供給された第２の熱媒液１０と同量の第１の熱媒液９が前記排出管１９を介して前記Ｕ字状管部８５に戻される。かかる構成のＵ字状管部８５は、例えば、地盤に埋設された杭に設けた有底孔部に貯留した熱媒液中に沈めた状態とされることもある。この場合は、該Ｕ字状管部８５内の熱媒液と、貯留されている前記熱媒液２との間で所要の熱交換が行われることとなる。かかる熱交換装置１のその他の構成及びその用途、作用効果は、前記実施例１、前記実施例２で説明したところと同様であるため、その具体的な説明は省略する。

　図８～１１は、本発明に係る熱交換装置１のその他の実施例を示すものであり、第２の熱媒液１０を保有する熱源１１を、実施例１で説明した密閉水槽３４としての熱交換貯留槽３０を用いて構成する場合において、前記第２の管体５５と前記ポンプ２０と前記混合三方弁２６、流量調整弁２７の全体又はその一部分の配置状態が変更されている。図８～１１においては、前記第２の管体５５が該密閉水槽３４内で下方に延長している。

　これらの熱交換装置１は共に、図８～１１において、熱媒液２が内部を流れる流路３が設けられており、該流路３は、負荷側４となる第２の熱交換部５との間で熱交換を行う第１の熱交換部６を有した熱媒液循環流路７を具え、該熱媒液循環流路７には、これに付設されたポンプ２０の駆動によって一定量の第１の熱媒液９が循環する如くなされており、前記負荷側４が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部６における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置である。

　又、前記第１の熱媒液９の温度と温度差を有する第２の熱媒液１０を保有する熱源１１と前記熱媒液循環流路７とを連通状態とする供給管１２を具え、該供給管１２は前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部６の出口端１６が存する側には排出管１９が連結されている。又、前記出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部６が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液１０を、前記供給管１２を介して前記入口端１３が存する側に供給するように制御されている。そして前記排出管１９から、供給された前記第２の熱媒液１０と同量の前記第１の熱媒液９が排出されるようになされている。

　これらの熱交換装置１は、例えば、水冷式ヒートポンプを用いる冷暖房装置や、給湯機、冷凍機に応用できる。本実施例において、前記熱交換貯留槽３０が密閉水槽３４である限り、前記第２の管体５５は該密閉水槽３４内に収容してよい他、該密閉水槽３４の外面５９（図８）に沿って下方に延長し、その下端開口が該密閉水槽３４の下端に連結されてもよい。なお、図８～１１において、図１と共通する部位には、同一の符号が付されている。

　図１２～１５は、本発明に係る熱交換装置１のその他の実施例を示すものであり、水冷式ヒートポンプ冷暖房装置２９を構成するために応用されている。
　本実施例においては、前記熱源１１がクーリングタワー９２を用いて構成され、該クーリングタワー９２で冷却された熱媒液２が前記第２の熱媒液１０とされている。この熱源１１の構成が前記実施例１～５で説明した熱交換装置１における場合と異なる点である。

　図１２～１５に係る夫々の熱交換装置１は、熱媒液２が内部を流れる流路３が設けられており、該流路３は、負荷側４となる第２の熱交換部５との間で熱交換を行う第１の熱交換部６を有した熱媒液循環流路７を具え、該熱媒液循環流路７には、これに付設されたポンプ２０の駆動によって一定量の第１の熱媒液９が循環する如くなされている。そして、前記負荷側４が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部６における熱交換量が変動するように構成されている。又、前記第１の熱媒液９の温度と温度差を有する第２の熱媒液１０を保有する前記熱源１１と前記熱媒液循環流路７とを連通状態とする供給管１２を具え、該供給管１２は前記第１の熱交換部６の入口端１３が存する側に連結されている。又、該第１の熱交換部６の出口端１６が存する側には排出管１９が連結されており、該出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部６が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液１０を、前記供給管１２を介して前記入口端１３が存する側に供給するように制御されており、前記排出管１９から、供給された前記第２の熱媒液１０と同量の前記第１の熱媒液９が排出されるようになされている。

　以下、これをより詳しく説明する。前記クーリングタワー９２とは、水冷式冷房装置や水冷式冷凍機等の熱源として利用されるものであり、水の蒸発熱により、熱媒液を冷やす装置のことである。該クーリングタワー９２は、蒸発熱を利用して冷却するため、湿度が低い場合は、該熱媒液を気温以下に冷却することも可能である。それは乾球温度と湿球温度として表わすことができる。例えば、気温３０℃（乾球温度）で湿度７０％の環境下における水の温度は、最大２５.５℃（湿球温度）まで低下する。該クーリングタワー９２は、この現象を利用して冷房装置や冷凍機等の熱源とされている。

　かかる構成を有する冷房装置や冷凍機により、居室内や冷凍室を冷やす場合、初動期には、設定温度と室内温度との差が大きいために最大出力で稼働する。その後は、該設定温度と該室内温度との温度差が徐々に縮まり、装置の出力は最大出力が必要ではなくなり、室外の環境に奪われる熱量のみの出力となる。今、最大出力の稼働時において、前記クーリングタワー９２から供給される熱媒液の量が２０L/minで水温が３２℃とし、５℃の熱量を該熱媒液に放出し、３７℃で前記クーリングタワー９２に戻しているとする。この場合、前述のように、徐々に設定温度と室温が近づき、前記第１の熱交換部６が、２０L/minで１℃の熱量しか使用しない状態になったとする。この状態における本実施例の熱交換装置１の有利性を、従来のクーリングタワー利用の熱交換装置と対比して以下説明する。

　従来のクーリングタワーによる場合は、今、該クーリングタワーに２０L/minの熱媒液が戻され、空気との間で蒸発により５℃冷却されるとすると、３３℃で戻されるときは２８℃で冷凍機に送られることとなる。更にこれが進むと、例えば、クーリングタワーの周りの環境が、前述の気温３０℃、湿度７０％であった場合、該クーリングタワーから出てくる循環水の水温は湿球温度の２５.５℃まで下がり、２６.５℃で戻されることになる。ここで、気温が３０℃で有れば、熱媒液は気温以上に下がっているため、空気からの熱移動が起こり、蒸発により冷却するために必要な水の量は、増えることになる。

　これに対して本発明によるときは、同様の条件でクーリングタワー９２を使用すれば、ヒートポンプより出てくる熱媒液の水温は３７℃で、クーリングタワーに戻る熱媒液量は４L/minとなる。この３７℃の温度を有する、４L/minの熱媒液を３２℃に冷却する為の蒸発量は、該熱媒液が空気によっても冷却されることから、３３℃の温度を有する、２０L/minの熱媒液を２８℃まで冷却する場合の１/５以下となり、蒸発する水量を大幅に削減でき、又、外気による冷却がプラスされ、効率良く３２℃以下に冷却することができる。このように本発明によるときはクーリングタワー（熱源）における熱エネルギーを有効活用できることとなる。

　本発明は、前記実施例で示したものに限定されるものでは決してなく、「請求の範囲」の記載内で種々の設計変更が可能である。

（１）前記熱交換装置１を水冷式ヒートポンプ冷暖房装置に応用した場合の冷房時においては、冷房効率を更に向上させることが望まれる。この場合は、前記第１の熱交換部６と前記第２の熱交換部５との間の熱交換効率を更に向上させればよい。そのためには、前記第１の熱交換器３５における前記第１の熱媒液９の流れ方向を前記ヒートポンプ熱媒体３６の流れ方向と逆方向にする。このように構成するときは、前記第１の熱交換部６における前記入口端１３と前記出口端１６が逆位置になるので、夫々の出口端１６に前記温度検出器６７を設けることとなる。かかる流れ方向の逆転は、例えば、前記熱媒液循環流路７に三方切換弁を設け、該三方切換弁の所要の切り替え作用によって行うことができる。

　前記熱源１１は、地盤に埋設した杭を用いてなる熱交換貯留槽３０を用い、その杭軸線に沿って設けられている前記有底孔部に前記熱媒液２を貯留して構成することもできる。

（２）本発明において「前記第１の熱交換部６の出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度」とは、出口端１６における前記第１の熱媒液９の検出温度である他、出口端１６における温度と同一の温度を測定できる部位であれば、該出口端１６から離れた部位における前記第１の熱媒液９の検出温度であってもよい。

（３）前記熱交換装置１を構成する前記熱交換貯留槽３０は、地下水が常時出入りできる地下水採取用貯留槽として構成されることもある。この場合は、地下水が常時貯留状態にある該地下水採取用貯留槽そのものが前記熱源１１を構成し、貯留されている地下水が、前記第２の熱媒液１０となり得る熱媒液２である。このように構成する場合は、前記第１の熱交換部６の前記出口端１６が存する側で排出された前記第１の熱媒液９は、例えば還元井戸に戻すことができる。或いは、該第１の熱媒液９を貯水槽に収容しこれを融雪用の水等として利用することもできる。前記熱交換装置１を該地下水採取用貯留槽を用いて構成する場合は、地下水の使用量を低減できるため、地下水の低下による地盤沈下等の環境問題を生じさせにくい。

（４）前記熱交換装置１を構成する前記熱源１１は、例えば図１６に示すように、温泉排水や工場排水、下水の廃液等の液体９３を貯留した貯留槽９５を熱供給源として用いて構成することもできる。このように構成する場合は、無駄に捨てられていた温泉排水や工場排水、下水の廃液が保有する熱量を、例えば、蛇行管部等としての熱交換貯留槽３０を介して採熱することによって有効活用できることとなる。この場合は、該熱交換貯留槽３０内の熱媒液２が、前記熱源１１が保有する第２の熱媒液１０である。

（５）前記熱源１１を構成するその他の熱供給源としては、前記第１の熱媒液９の温度と温度差を有するものであれば、河川水、湖水、海水、雪、氷、ガス等の液体、固体、気体等であってもよい。かかる熱源を用いる熱交換装置１の応用分野は、前記実施例１や前記実施例２で説明したところと同様であるため、その具体的な説明は省略する。

（６）本発明に係る熱交換装置１を暖房に使用する場合において暖房効率を向上させるためには、例えば図１（Ａ）を参照すれば、ヒートポンプ循環路９６に設置した前記第１の熱交換器（例えばプレート式熱交換器）３５内に設けられた前記第２の熱交換部５を流れる前記ヒートポンプ熱媒体３６の温度を氷点未満に下げて（例えば－１４℃～－１５℃に下げて）、前記第１の熱交換部６を流れる前記熱媒液２より採熱することになる。そのためには、前記第１の熱交換部６を流れる該熱媒液２が該第１の熱交換部６の中で凍らないようにしなければならない。

　そこで、該熱媒液２として不凍液を使用することが考えられる。しかしながら不凍液は高価であり、該不凍液が土中等の環境に漏洩した場合は環境汚染の問題を招くことにもなる。かかる問題点は、該熱媒液２として水を用いることによって解消できると考えられる。しかし水を熱媒液２として用いる場合は、この水が前記第１の熱交換部６の流路３を流れる間に凍結してこれが該流路３を詰まらせる恐れがある。かかることから、該熱媒液２として水を用いる場合は前記第1の熱交換部６の流路で該水を凍結させない手段が求められる。

　その手段の一つとして、例えば図１７に示すような、前記第１の熱交換部６の前記流路３の内面９７を撥水コーティング膜９９で被覆する手段を提供できる。該撥水コーティング膜９９は例えば、フッ素コーティングや疎水性シリカコーティング等の撥水性の樹脂コーティングを施すことによって形成したり、ナノメートルサイズのメッキを施す超撥水コーティングを施すことによって形成できる。

　このようにして前記第１の熱交換部６の前記流路３の内面９７を撥水コーティング膜９９で被覆する場合、該流路３を流れる水（熱媒液２）の温度を０℃よりも高い温度（例えば２℃）に設定すれば、該撥水コーティング膜９９の表面１００で凍結のための核が生成されたとしても、この核を、該水の流速と該撥水コーティング膜９９の撥水性によって該表面１００から剥れやすくできる。そして剥がれた核は水流で流し去られて融ける。

　これによって、前記熱媒液２として水を用いる前記熱交換装置１が暖房運転をしているときにあっても、この水（熱媒液２）が、前記第１の熱交換部６の流路３を流れる間において凍結するのを防止できることとなる。

（７）時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された前記熱交換装置１は、前記した水冷式ヒートポンプ装置２９を構成するために用いることができる。該水冷式ヒートポンプ装置２９は、前記した冷暖房装置の構成に用いることができる他、給湯機や冷凍機を構成するため等に用いることもできる。

　１　熱交換装置
　２　熱媒液
　３　流路
　４　負荷側
　５　第２の熱交換部
　６　第１の熱交換部
　７　熱媒液循環流路
　９　第１の熱媒液　
　１０　第２の熱媒液
　１１　熱源
　１２　供給管
　１３　入口端
　１６　出口端
　１９　排出管
　２０　ポンプ
　２１　連結部位
　２２　第１の接続口
　２３　第２の接続口
　２５　第３の接続口
　２６　混合三方弁
　２７　流量調整弁
　２９　水冷式ヒートポンプ冷暖房装置
　３０　熱交換貯留槽
　３１　壁部
　３４　密閉水槽
　４４　周辺地中
　７５　第１のポンプ
　７６　第２のポンプ
　９２　クーリングタワー
　９９　撥水コーティング膜

 

Claims (11)

1. 　熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置において、
   　前記熱媒液循環流路には、前記第１の熱交換部の入口端が存する側で、前記第１の熱交換部の出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源より、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を供給すると共に、前記第１の熱交換部の前記出口端が存する側で、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液を排出させることを特徴とする熱交換装置の制御方法。
2. 　熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設されたポンプの駆動によって一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置であって、
   　前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されており、
   　前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を、前記供給管を介して前記入口端が存する側に供給するように制御されており、
   　前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とする熱交換装置。
3. 　熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設されたポンプの駆動によって一定量の第１の熱媒液が循環する如くなされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置であって、
   　前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されており、
   　前記熱媒液循環流路に対する、前記供給管又は前記排出管の連結部位に混合三方弁が介在されると共に、該混合三方弁と前記入口端との間に、又は該混合三方弁と前記出口端との間に、前記ポンプが介在されており、
   　前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を前記供給管を介して前記入口端に流入させるように前記混合三方弁が制御されており、
   　又、前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とする熱交換装置。
4. 　熱媒液が内部を流れる流路が設けられており、該流路は、負荷側となる第２の熱交換部との間で熱交換を行う第１の熱交換部を有した熱媒液循環流路を具え、該熱媒液循環流路には、これに付設された第１のポンプの駆動によって第１の熱媒液が循環するようになされており、前記負荷側が必要とする熱量の変動に起因して、時間の経過によって前記第１の熱交換部における熱交換量が変動するように構成された熱交換装置であって、
   　前記第１の熱媒液の温度と温度差を有する第２の熱媒液を保有する熱源と前記熱媒液循環流路とを連通状態とする供給管を具え、該供給管は前記第１の熱交換部の入口端が存する側に連結されると共に、該第１の熱交換部の出口端が存する側には排出管が連結されており、
   　前記供給管に付設された第２のポンプの駆動によって、前記出口端における前記第１の熱媒液の検出温度が所要設定温度を維持するように、前記第１の熱交換部が必要とする熱量を付与し得る必要量の前記第２の熱媒液を、前記供給管を介して前記第１の熱交換部の入口端が存する側に供給するように制御されており、
   　又、前記排出管から、供給された前記第２の熱媒液と同量の前記第１の熱媒液が排出されるようになされていることを特徴とする熱交換装置。
5. 　前記熱源が、前記第1の熱媒液の温度と温度差を有する地下水としての前記第２の熱媒液を保有する、地盤に埋設され且つ該地下水が常時出入りできる地下水採取用貯留槽であることを特徴とする請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置。
6. 　前記第1の熱媒液の温度と温度差を有する前記第２の熱媒液を保有する熱源が、地盤に埋設された熱交換貯留槽であることを特徴とする請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置。
7. 　前記熱源を構成する熱供給源が、地下水、温泉排水、工場排水、下水の廃液、河川水、湖水、海水、雪、氷及びガスの群から選択されることを特徴とする請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置。
8. 　前記第２の熱媒液が、クーリングタワーで冷却された熱媒液であることを特徴とする請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置。
9. 　前記第１の熱交換部の前記流路の内面は撥水コーティング膜で被覆されていることを特徴とする請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置。
10. 　請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置が用いられてなることを特徴とする水冷式ヒートポンプ冷暖房装置。
11. 　請求項２～４の何れかに記載の熱交換装置が用いられてなることを特徴とする水冷式ヒートポンプ装置。
     
    
     
     

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