以下、本発明の実施形態について図面を� ��照しながら説明する。なお、以下の実施形� ��は、本質的に好ましい例示であって、本発� ��、その適用物、あるいはその用途の範囲を� ��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� ��構成要素については、同一の符号を付して� ��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、地中に設置される熱交換器(地中熱交� �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、暖房運転が可能なヒートポンプ式� ��空調システムに用いられ、暖房運転時に蒸� ��器として機能して土壌から熱を集熱する。� ��お、ここで土壌とは、土砂のみで形成され� ��ものの他に、土砂と水の両方を含んだいわ� ��る帯水層や、岩石が連続して分布している� ��盤も含まれる。すなわち、この地中熱交換� ��は、設置される場所や深さによっては、土� ��の他にも地中の水、岩盤、或いはそれらの� ��てに渡って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熱交換器(50 )(地中熱交換器)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� ��いる。この冷媒回路(10)には、圧縮機(20)、� �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� �路(10)には、冷媒(作動流体)が充填されてい� �。

 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� �を採用できる。この冷媒回路(10)では、圧縮� ��(20)は、吸入ポートが地中熱交換器(50)(詳し� ��は後述の導出部(80c))に接続され、吐出ポー� ��が室内熱交換器(30)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、� �房を行う室内に配置されたいわゆる室内機� �組み込まれ、圧縮機(20)から送られた高圧冷� ��の熱を室内空気へ放熱させる。室内熱交換� ��(30)には、具体的には例えば、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。この室内熱交換器 (30)の流出孔は、膨張弁(40)の流入孔に接続さ� ��、放熱させた冷媒を膨張弁(40)に流出させる 。なお、この室内熱交換器(30)の近傍には、� �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、流出孔が地中熱交換器(50)(� ��しくは後述の導入部(80a))に接続され、室内� ��交換器(30)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、該地中熱交 換器(50)に流出させる。

 地中熱交換器(50)は、地熱を熱源として暖 房用の熱を集熱する。この地中熱交換器(50)� �、図2に示すように、外管(51)と暖房用伝熱管 (80)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。 例えば、図3は、地中熱交換器(50)を地中に設� ��した状態を模式的に示す図である。地層に� ��、主に土砂のみで形成された層、土砂と水� ��含んだ層、主に水を含んだ層、さらには、� ��石が連続して分布している岩盤等がある。� ��の地中熱交換器(50)は何れの地層に設置して もよい。また、図3では、これらの各層に渡� �地中熱交換器(50)が設置された状態を示して� ��るが、例えば、何れかの地層のみにおいて� ��中熱交換器(50)が熱交換を行うように設置し 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� �るように、外管(51)の内壁面を介して土壌か� ��吸熱して蒸発するとともに、暖房用伝熱管( 80)の外壁面(詳しくは後述する本体部(80b))に� �いて放熱して凝縮する。外管(51)の上方には� ��この凝縮した熱媒体を、熱媒体の表面張力� ��利用したり、表面での接触角を低減させた� ��することによって外管(51)の内面壁に案内す る熱媒体案内部(52)(後述)が形成されている。

 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。

 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、また、導出部(80 c)は本体部(80b)から冷媒を導出する配管であ� �。本実施形態では、導入部(80a)及び導出部(80 c)は、何れも直状に形成され、外管(51)の上方 からその一端が該外管(51)内に挿入されてい� �。そして、導入部(80a)及び導出部(80c)は、何� ��も外管(51)内において本体部(80b)と接続され� ��いる。

 本体部(80b)は、外管(51)内の熱媒体と熱交� ��を行って、その内部に導入された冷媒を蒸� ��させる。本実施形態では、本体部(80b)は、� �イル状に形成されて、外管(51)内の上方に配� ��されている。本体部(80b)の外面では、後に� �述するように、暖房運転時に熱媒体(蒸気)が 凝縮する。本体部(80b)は、その凝縮した熱媒� ��を外管(51)の内面壁に案内する熱媒体案内部 (52)を形成している。具体的には、図4に示す� ��うに、本体部(80b)の外壁面が、外管(51)の内� ��面と近接して配置され、両壁面の間で、熱� ��体の表面張力を利用したり、表面での接触� ��を低減させたりすることによって、凝縮し� ��熱媒体を引き寄せて、外管(51)の内壁面にそ の熱媒体が案内する。本体部(80b)の外壁面と� ��管(51)の内壁面との間には、隙間を設けてあ り、外管(51)の内壁面に案内された熱媒体は� �この隙間を経由して該内壁面を伝って、外� �(51)の上方から下方に向かって流れる。

 -運転動作-
 次に、空調システム(1)における暖房運転中� ��動作について説明する。

 まず、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)� �ら吐出された冷媒は、室内熱交換器(30)へ送� ��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� �熱交換器(30)では室内空気が加熱され、加熱� ��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� �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� �圧され、その後に暖房用伝熱管(80)の導入部( 80a)を介して本体部(80b)へ送られる。この導入 された冷媒は、気液二相の状態である。

 このとき、外管(51)内では、熱媒体が地熱 によって蒸発させられて、蒸気として存在し ている。この蒸気の熱媒体は、本体部(80b)の� ��壁面と接すると、本体部(80b)によって吸熱� �れて、凝縮して液体となる。そして、液体� �なった熱媒体は、熱媒体案内部(52)において� ��熱媒体の表面張力を利用したり、表面での� ��触角を低減させたりすることによって、本� ��部(80b)の外壁面と外管(51)の内壁面との間に� ��き寄せられる。そして、引き寄せられた熱� ��体は、外管(51)の内壁面へ案内され、本体部 (80b)の外壁面と外管(51)の内壁面との間の隙間 を経由して、該内壁面上を上方から下方に向 かって流れる。特に、本実施形態では本体部 (80b)がコイル状に形成されているので、熱媒� ��案内部(52)部分の長さを十分に確保できる。 外管(51)内壁面に案内された熱媒体は、該内� �面上を上方から下方に向かって流れる過程� �、該内壁面に付着して広がり、そこで液膜� �形成する。このように、液膜を形成した熱� �体は、外管(51)の内壁面を介して土壌から地� ��を吸熱して蒸発する。

 一方、暖房用伝熱管(80)の本体部(80b)は、� ��管(51)内の熱媒体の蒸気と接している。その ため、本体部(80b)内の冷媒は、本体部(80b)を� �して、蒸気の熱媒体から吸熱して蒸発させ� �れる。このように、地中熱交換器(50)では、� ��管(51)内の熱媒体の相変化を利用して地熱を 回収する。

 暖房用伝熱管(80)の本体部(80b)内で蒸発し� ��冷媒は、導出部(80c)から圧縮機(20)に導出さ� ��る。そして、圧縮機(20)では、この冷媒を吸 入して圧縮し、再び室内熱交換器(30)へ吐出� �る。この空調システム(1)では、以上の動作� �繰り返され、地中熱交換器(50)を熱源として� ��縮機(20)で冷媒を圧縮する冷凍サイクル(こ� �例では暖房)が行われる。

 以上のように、本実施形態によれば、暖� ��用伝熱管(80)(本体部(80b))の外壁面で凝縮し� �熱媒体が熱媒体案内部(52)によって、外管(51) の内壁面に案内されて内壁面に付着して広が る。すなわち、外管(51)内の長さ方向(即ち軸� ��向)における熱媒体の偏流や濡れの偏りを防 止できる。その結果、液体となった熱媒体を 効率よく外管(51)の内壁面に接触させて蒸発� �せることができる。これにより、地中熱交� �器(50)における熱交換性能が向上し、この熱� ��換性能の向上により、地中熱交換器の小型� ��が可能になる。また、小型化により、空調� ��ステム(暖房システム)の低コスト化も期待� �きる。

 《発明の実施形態2》
 なお、上記の熱交換器(50)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5は、熱交換器(50)を水中に� ��置した状態を模式的に示す図である。この� ��では、熱交換器(50)(水中熱交換器)の設置例� ��して2つの例(例1~2)を記載している。例1は、 貯水槽又はプールに熱交換器(50)を設置した� �である。また、例2は、海、湖、又は池に熱� ��換器(50)を設置した例である。なお、同図に おいて、「HP」と記載されているのは、空調� ��ステム(1)の本体部分(熱交換器以外の部分)� �示している(以下同様)。

 上記のように熱交換器(50)を水中に設置し た場合にも、上記の実施形態と同様のメカニ ズムで熱交換が行われる。

 《その他の実施形態(変形例)》
 〈1〉なお、各実施形態の熱交換器(50)、す� �わち外管(51)は、傾斜して地中や水中に設置� ��てもよい。図6は、熱交換器(50)を傾斜して� �置した状態を模式的に示す図である。図6(A)� ��、熱交換器(50)を傾斜して地中に設置した例 を示し、図6(B)は、熱交換器(50)を傾斜して水� ��に設置した例を示している。図6(B)では、 � ��、湖、又は池に熱交換器(50)を傾斜して設置 した例を示しているが、同様に、貯水槽やプ ールなどにも傾斜して配置可能である。

 〈2〉また、外管(51)の内面壁には、図7(A)� ��び図7(B)に示すように、ウイック(90)を設け� �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� �る。このようなウイック(90)としては、例え� ��、金属多孔質体、多孔質セラミック、繊維� ��集合体などが挙げられる。このように、外� ��(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� ��ることができ、暖房運転時における熱交換� ��能が向上する。

 〈3〉また、外管(51)の内面壁には、図8の� ��面図に示すように、複数のグルーブ(100)を� �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� �に、幅、深さ、数などを定める。なお、グ� �ーブ(100)の方向は、外管(51)の軸方向に平行� �ものには限定されない。例えば、円周方向� �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� �設けることで、外管(51)の内面壁に対し、や� ��り均一な濡れを確保することができ、暖房� ��転時における熱交換性能が向上する。