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Title:
HEAT EXCHANGER AND AIR CONDITIONING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/133708
Kind Code:
A1
Abstract:
A heat exchanger is provided with an outer tube (51) mounted in the ground or under water in a vertical or a tilted position, and a heat medium is sealed in the outer tube (51).  A heat transfer tube (80) for heating is inserted in the outer tube (51), and the heat transfer tube (80) for heating allows a refrigerant to be introduced therein and evaporates the refrigerant.  Also, a heat transfer tube (52) for cooling is inserted in the outer tube (51), and the heat transfer tube (52) for cooling allows the refrigerant to be introduced therein and dissipates heat of the refrigerant.  The heat transfer tube (52) for cooling and the heat transfer tube (80) for heating are caused to exchange heat with the outer tube (51) through the heat medium the phase of which changes.

Inventors:
KAWABATA KATSUHIRO (JP)
TANIMOTO KEISUKE (JP)
ASAI HIDEAKI (JP)
KANG YOONMYUNG (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/001967
Publication Date:
November 05, 2009
Filing Date:
April 30, 2009
Export Citation:
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Assignee:
DAIKIN IND LTD (JP)
KAWABATA KATSUHIRO (JP)
TANIMOTO KEISUKE (JP)
ASAI HIDEAKI (JP)
KANG YOONMYUNG (JP)
International Classes:
F28D1/06; F25B30/06; F28D7/06
Foreign References:
JPH05118700A1993-05-14
JP2006313034A2006-11-16
JP2000356433A2000-12-26
JP2000227289A2000-08-15
Attorney, Agent or Firm:
MAEDA, Hiroshi et al. (JP)
Hiroshi Maeda (JP)
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Claims:
 縦向き又は傾斜して地中又は水中に設置される外管(51)と、
 前記外管(51)内に封入された熱媒体と、
 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を蒸発させる暖房用伝熱管(80)と、
 前記外管(51)内に挿入され、前記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)を備え、
 前記冷房用伝熱管(52)及び暖房用伝熱管(80)は、相変化する前記熱媒体を介して、前記外管(51)と熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
 請求項1の熱交換器において、
 前記冷房用伝熱管(52)、及び前記暖房用伝熱管(80)の少なくとも一方は、コイル状に形成されていることを特徴とする熱交換器。
 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)の設置状態において、前記外管(51)の下方寄りに配置され、
 前記暖房用伝熱管(80)は、前記外管(51)の設置状態において、前記外管(51)の上方寄りに配置されていることを特徴とする熱交換器。
 請求項1の熱交換器において、
 前記外管(51)と前記冷房用伝熱管(52)とは、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ていることを特徴とする熱交換器。
 請求項1の熱交換器において、
 前記冷房用伝熱管(52)、及び前記暖房用伝熱管(80)の少なくとも一方は、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。
 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)の下端まで延在していることを特徴とする熱交換器。
 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(100)が設けられていることを特徴とする熱交換器。
 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(110)が形成されていることを特徴とする熱交換器。
 蒸気圧縮式の冷凍サイクルにより冷房及び暖房を行う空調システムであって、
 請求項1の熱交換器と、
 冷房運転時に前記冷房用伝熱管(52)に前記冷媒が流れ、暖房運転時に前記暖房用伝熱管(80)に前記冷媒が流れるように前記冷媒の流れを切り替える切替部(72,73)と、
 を備えていることを特徴とする空調システム。
Description:
熱交換器及び空調システム

 本発明は、地中又は水中に設置される熱 換器、及びそれを利用した空調システムに 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 ヒートポンプ式暖房システムには、熱源と て地熱や水中の熱を用いて冷媒を蒸発させ ようにしたものがある。例えば、地熱を利 したヒートポンプ式暖房システムには、地 から地熱の回収を行う地中熱交換器が用い れる(例えば特許文献1を参照)。特許文献1の 地中熱交換器では、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 )を地中に埋設し、埋設パイプ内の熱媒体を 熱によって蒸発させる。そして、その埋設 イプからパイプを分岐させてその分岐パイ に熱交換器を取り付け、その熱交換器で回 した熱をヒートポンプ式暖房システムの熱 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 来の熱交換器は、暖房用に使用できるのみ あり、冷房及び暖房の両方に使用できるも はなかった。

 本発明は、本願発明者が係る現状に鑑み なされたものであり、地中又は水中に設置 れる熱交換器を冷房及び暖房の両方に使用 きるようにす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、
 縦向き又は傾斜して地中又は水中に設置さ る外管(51)と、
 前記外管(51)内に封入された熱媒体と、
 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を蒸発させる暖房用 伝熱管(80)と、
 前記外管(51)内に挿入され、前記冷媒が内部 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)を備え、
 前記冷房用伝熱管(52)及び暖房用伝熱管(80) 、相変化する前記熱媒体を介して、前記外 (51)と熱交換を行うことを特徴とする。

 この構成により、暖房運転時には、熱媒 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 う。これにより熱媒体は凝縮し、暖房用伝 管(80)内の冷媒は蒸発する。すなわち、暖房 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、この熱交換器は蒸発器として機能する。

 また、冷房運転時には、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 を行って凝縮する。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 より熱媒体は蒸発し、冷房用伝熱管(52)内の 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。これにより、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)、及び前記暖房用伝熱 管(80)の少なくとも一方は、コイル状に形成 れていることを特徴とする。

 例えば、冷房用伝熱管(52)がコイル状に構 成されていると、冷房用伝熱管(52)と熱媒体 の接触面積が増大する。また、暖房用伝熱 (80)がコイル状に構成されていると、暖房用 熱管(80)と熱媒体との接触面積が増大する。

 また、第3の発明は、
 第1又は第2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)の設 状態において、前記外管(51)の下方寄りに配 され、
 前記暖房用伝熱管(80)は、前記外管(51)の設 状態において、前記外管(51)の上方寄りに配 され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、暖房 伝熱管(80)によって凝縮させられた熱媒体が 下方に流れて、熱媒体はその過程で外管(51) 熱交換を行う。また、冷房運転時には、外 (51)によって凝縮させられた冷媒が下方に流 て、外管(51)の下方寄りに配置された冷房用 伝熱管(52)と接触する。そして、接触した熱 体と冷房用伝熱管(52)との間で熱交換が行わ る。すなわち、凝縮した熱媒体が、冷房用 熱管(52)又は暖房用伝熱管(80)に効率的に接 する。

 また、第4の発明は、
 第1から第3の発明のうちの何れか1つの熱交 器において、
 前記外管(51)と前記冷房用伝熱管(52)とは、 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 に配置されていることを特徴とする。

 この構成により、熱媒体保持部(60)が、表 面張力によって液状の熱媒体を保持する。そ れにより、冷房用伝熱管(52)の外面壁が液状 熱媒体で均一に濡れる。

 また、第5の発明は、
 第1から第4の発明のうちの何れか1つの熱交 器において、
 前記冷房用伝熱管(52)、及び前記暖房用伝熱 管(80)の少なくとも一方は、前記外管(51)の内 壁と接して熱交換を行うことを特徴とする

 例えば、冷房用伝熱管(52)と、外管(51)が していると、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、暖房用伝熱管(80)と、外管(51)が接してい と、暖房用伝熱管(80)と外管(51)の内面壁と 間で直接的に熱交換が行われる。

 また、第6の発明は、
 第1から第5の発明のうちの何れか1つの熱交 器において、
 前記冷房用伝熱管(52)は、前記外管(51)の下 まで延在していることを特徴とする。

 この構成により、冷房用伝熱管(52)と熱媒 体との接触面積を増大させることが可能にな る。

 また、第7の発明は、
 第1から第6の発明のうちの何れか1つの熱交 器において、
 前記外管(51)内には、該外管(51)の内面壁に ってウイック(100)が設けられていることを特 徴とする。

 この構成により、ウイック(100)が、外管(5 1)内の液状の熱媒体を浸透させて保持すると 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8の発明は、
 第1から第7の発明のうちの何れか1つの熱交 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(110)が形成さ ていることを特徴とする。

 この構成により、グルーブ(110)が、外管(5 1)内の液状の熱媒体を保持するとともに、保 した液冷媒を外管(51)の内面壁に接触させる 。

 また、第9の発明は、
 蒸気圧縮式の冷凍サイクルにより冷房及び 房を行う空調システムであって、
 第1から第3の発明のうちの何れか1つの熱交 器と、
 冷房運転時に前記冷房用伝熱管(52)に前記冷 媒が流れ、暖房運転時に前記暖房用伝熱管(80 )に前記冷媒が流れるように前記冷媒の流れ 切り替える切替部(72,73)と、
 を備えていることを特徴とする。

 この構成により、冷房運転時には冷房用 熱管(52)に冷媒が流れ、暖房運転時には暖房 用伝熱管(80)に冷媒が流れる。

 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及び暖房の両方に使用 することが可能になる。

 また、第2の発明によれば、冷房用伝熱管 (52)及び暖房用伝熱管(80)の少なくとも一方と 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 ことが可能になる。

 また、第3の発明によれば、凝縮した熱媒 体が、冷房用伝熱管(52)又は暖房用伝熱管(80) 効率的に接触するので、冷房及び暖房の効 を向上させることが可能になる。

 また、第4の発明によれば、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 で、冷房用伝熱管(52)と、液状の熱媒体との で効率的に熱交換が行われる。それゆえ、 房用伝熱管(52)内の冷媒を効率よく凝縮させ ることが可能になる。すなわち、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5の発明によれば、冷房用伝熱管 (52)及び暖房用伝熱管(80)の少なくとも一方が 外管(51)の内面壁と直接的に熱交換を行うの で、冷媒をより効率よく凝縮又は蒸発させる ことが可能になる。すなわち、熱交換器の熱 交換性能の向上が可能になる。

 また、第6の発明によれば、冷房用伝熱管 (52)と熱媒体との接触面積を増大させること 可能になるので、冷房用伝熱管(52)内の冷媒 より効率よく凝縮させることが可能になる すなわち、熱交換器の熱交換性能の向上が 能になる。

 また、第7の発明によれば、ウイック(100) 、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 濡れを確保することが可能になる。すなわ 、熱交換器の熱交換性能の向上が可能にな 。

 また、第8の発明によれば、グルーブ(110) 、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 濡れを確保することが可能になる。すなわ 、熱交換器の熱交換性能の向上が可能にな 。

 また、第9の発明によれば、地中又は水中 で熱を放熱する冷房運転、及び地中又は水中 の熱を熱源とした暖房運転が可能になる。

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 図である。 図2は、本実施形態の地中熱交換器(50) 示す縦断面図である。 図3は、地中熱交換器(50)を地中に設置 た状態を模式的に示す図である。 図4は、冷房運転時の熱媒体の動きを説 明する図であり、図4(A)が地中熱交換器の断 図、図4(B)が熱媒体保持部部分の拡大図であ 。 図5は、地中熱交換器(50)の変形例の構 を示す縦断面図である。 図6は、熱交換器(50)を水中に設置した 態を模式的に示す図である。 図7は、熱交換器(50)を傾斜して設置し 状態を模式的に示す図である。 図8は、外管(51)の他の構成例を示す図 あり、図8(A)が外管の横断面、図8(B)が外管の 一部を切り取った斜視図である。 図9は、外管(51)のさらに他の構成例を す横断面図である。

 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。

 《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 地中熱交換器は、例えば、冷房及び暖房運 が可能なヒートポンプ式の空調システムに いられる。そして、冷房運転時には凝縮器 して機能して土壌に対して熱を放熱する。 た、暖房運転時には、蒸発器として機能し 土壌から熱を吸熱する。なお、ここで土壌 は、土砂のみで形成されたものの他に、土 と水の両方を含んだいわゆる帯水層も含ま る。すなわち、この地中熱交換器は、設置 れる場所や深さによっては、土砂の他にも 中の水、或いはそれらの両方とも熱交換を う場合がある。以下では、この地中熱交換 を使用した空調システムの例を説明する。

 《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。同図に示すように、空調シ ステム(1)は、冷媒回路(10)を備えている。

 この冷媒回路(10)は、圧縮機(20)、室内熱 換器(30)、膨張弁(40)、地中熱交換器(50)、四 切換弁(71)、第1の切り替えバルブ(72)、及び 2の切り替えバルブ(73)を含んでいる。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 を採用できる。

 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、 気調和を行う室内に配置された、いわゆる 内機に組み込まれる。この冷媒回路(10)にお 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、四方切換弁(71)の 4ポート(後述)に接続されている。そして、 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 せる。また、暖房運転時には、圧縮機(20)か 吐出された冷媒の熱を室内空気に放熱させ 。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(3 1)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、一端が第1の切り替えバル (72)に接続され、他端が室内熱交換器(30)に接 続されている。そして、膨張弁(40)は、第1の り替えバルブ(72)又は室内熱交換器(30)から 入した冷媒を膨張させて、所定の圧力まで 圧させてから流出させる。

 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 第1状態(図1に実線で示す状態)と、第1ポー 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1に破線で示 状態)とに切り換え可能となっている。この 媒回路(10)では、第1ポートが圧縮機(20)の吐 ポートに接続され、第2ポートが圧縮機(20) 吸入ポートに接続されている。また、第3ポ 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。

 《地中熱交換器(50)の構成》
 地中熱交換器(50)は、地中に埋設されて、冷 房運転時及び暖房運転時に、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 対して放熱する。また、暖房運転時には、 発器として機能して土壌から熱を吸熱する 図2は、本実施形態の地中熱交換器(50)を示す 縦断面図である。この地中熱交換器(50)は、 2に示すように、外管(51)、冷房用伝熱管(52) 及び暖房用伝熱管(80)を備えている。

 〈外管(51)〉
 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。具 体的に、本実施形態の外管(51)は5m程度の長さ を有し、その全体が例えば、5mから10m程度の さの地中に埋設される。ただし、この深さ 例示である。例えば、図3は、地中熱交換器 (50)を地中に設置した状態を模式的に示す図 ある。地層には、主に土砂のみで形成され 層、土砂と水を含んだ層、主に水を含んだ 、さらには岩石が連続して分布している岩 等がある。この地中熱交換器(50)は何れの地 に設置してもよい。また、図3では、これら の各層に渡り地中熱交換器(50)が設置された 態を示しているが、例えば、何れかの地層 みにおいて地中熱交換器(50)が熱交換を行う うに設置してもよい。

 また、この外管(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、冷房運転時には、外管(51)の内壁 から土壌に放熱して凝縮するとともに、冷 用伝熱管(52)の外壁面において吸熱して蒸発 する。また、暖房運転時には、外管(51)の内 面から土壌の熱を吸熱するとともに、暖房 伝熱管(80)の外壁面に放熱して凝縮する。

 〈冷房用伝熱管(52)〉
 冷房用伝熱管(52)は、外管(51)内に挿入され 、暖房用伝熱管(80)よりも下方寄りに配置さ ている。そして、この冷房用伝熱管(52)には 、冷房運転時に冷媒が導入されるとともに、 該冷媒から放熱させる。

 本実施形態の冷房用伝熱管(52)は、管状に 形成されている。具体的には、冷房用伝熱管 (52)は、図2に示すように、導入部(52a)、導出 (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。この冷 房用伝熱管(52)の材料としては、例えば、銅 アルミニウム、アルミニウム合金、或いは の他の複合材料を採用できる。ただし、熱 導率や耐食性が使用条件に合致するように 択する必要がある。

 導入部(52a)は、外管(51)の上方側(外管(51) 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、一端が第2の切り替えバル (73)に接続されている。また、導入部(52a)の の一端は、外管(51)内の上方において、導入 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 (51)内に挿入され、外管(51)の外側の一端が、 第1の切り替えバルブ(72)に接続されている。 出部(52b)の他の一端は、外管(51)内の上方に いて、導出側本体部(52d)の一端と接続され 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(5 1)の上方から底部(下端)まで延びている。接 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 ている。すなわち、この冷媒回路(10)では、 房用伝熱管(52)は、一端が第1の切り替えバ ブ(72)に接続され、他の一端が、第2の切り替 えバルブ(73)に接続されている。

 本実施形態では、導入側本体部(52c)の外 壁と外管(51)の内面壁とは、液状の熱媒体を 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 体部(52c,52d)のそれぞれの外面壁は、外管(51) 内面壁と接して配置され、図4の(A)及び(B)に 示すように、外管(51)の内面壁に付着してい 液状の熱媒体を、表面張力によってこれら 壁(例えば導入側本体部(52c)の外面壁と外管(5 1)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 壁と接触している必要はないが、本実施形 では、各本体部(52c,52d)のそれぞれの外面壁 、外管(51)の内面壁と接触するように配置し いる。

 このように、各本体部(52c,52d)のそれぞれ 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、 の直接的な熱交換により、地中熱交換器(50) おける熱交換性能がより向上する。なお、 記の冷房用伝熱管(52)では、2つの本体部(52c, 52d)で熱交換を行っていたが、本体部(52c,52d) 本数は例示であり、この例には限定されな 。例えば、3本以上の本体部を設けてもよい

 また、各本体部(52c,52d)は、外管(51)の内面 壁との間に所定の隙間があってもよい。また 、各本体部(52c,52d)を液状の熱媒体で濡らすこ とができれば、熱媒体保持部(60)は必ずしも 須ではない。

 〈暖房用伝熱管(80)〉
 暖房用伝熱管(80)は、外管(51)内に挿入され いる。そして、暖房用伝熱管(80)は、暖房運 時に、冷媒が内部に導入されるとともに該 媒を蒸発させる。この例では暖房用伝熱管( 80)は、導入部(80a)、本体部(80b)、導出部(80c)か ら形成されている。この暖房用伝熱管(80)の 料としては、例えば、銅、アルミニウム、 ルミニウム合金、或いはその他の複合材料 採用できる。ただし、熱伝導率や耐食性が 用条件に合致するように選択する必要があ 。

 本体部(80b)は、暖房運転時に冷媒が内部 導入され、熱媒体から吸熱して、導入され 冷媒を蒸発させる。本実施形態では、本体 (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 に、外管(51)内の上方寄りに配置されている 。すなわち、本体部(80b)は、外管(51)の埋設状 態において、冷房用伝熱管(52)よりも上方に 置されている。また、本実施形態では、こ 本体部(80b)は、その外周側で、外管(51)の内 面に接触している。ただし、本体部(80b)と外 管(51)の内面壁との間に、所定の隙間を設け おくことも可能である。

 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(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)〉
 第1及び第2の切り替えバルブ(72,73)は、暖房 転を行うか、冷房運転を行うかに応じて冷 の流れを切り替えるバルブである。この第1 及び第2の切り替えバルブ(72,73)は、本発明の 替部の一例である。本実施形態では、第1の 切り替えバルブ(72)は、膨張弁(40)を、冷房用 熱管(52)の導出部(52b)、又は暖房用伝熱管(80) の導入部(80a)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)に接続する。

 《運転動作》
 次に、空調システム(1)における運転動作に 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 時には、四方切換弁(71)が第1状態に切り替 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 する(図1に実線で示す状態)。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 れる。また、第2の切り替えバルブ(73)は、 房用伝熱管(52)の導入部(52a)と、四方切換弁(7 1)の第3ポートとが接続されるように切り替え られる。

 そして、圧縮機(20)が運転状態にされると 、圧縮機(20)は、圧縮した冷媒(ガス冷媒)を吐 出ポートから吐出する。圧縮機(20)から吐出 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 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、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 抵抗に制約されるので、一般には、外管(51) 内面壁と各本体部(52c,52d)と温度勾配を維持 、地中内の温度分布も一定を保たれる範囲 伝熱がおこなわれるように冷媒の流量を操 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。これにより、熱媒 体の一部は、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 触部に伝熱が集中することを回避し、外管(5 1)の内面壁全面へ放熱を分散させる働きをす 。この液状の熱媒体は、外管(51)の内面壁を 伝って、下方に徐々に流れる。そして、熱媒 体保持部(60)によって生じた表面張力によっ 、図4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。すな ち、各本体部(52c,52d)が外管(51)の上方から底 (下端)まで延びているので、液状の熱媒体 各本体部(52c,52d)とをより効率よく接触させ ことが可能になる。

 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、 本体部(52c,52d)の外面壁が液状の熱媒体で均 に濡れる。そして、各本体部(52c,52d)外面壁 の熱媒体は、各本体部(52c,52d)から吸熱して 発する。このように蒸発した熱媒体は、外 (51)内に拡散する。拡散した熱媒体は、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 媒体に放熱する。さらに、各本体部(52c,52d) 、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)と第1の 切り替えバルブ(72)を介して膨張弁(40)に導入 れる。膨張弁(40)は、流入して冷媒を減圧さ れてから室内熱交換器(30)に導入する。室内 交換器(30)に流入した冷媒は、室内空気から 熱して蒸発する。これにより、室内熱交換 (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 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 換器(50)の導入部(52a)へ吐出する。以上のよ に、この地中熱交換器(50)では、冷房用伝熱 (52)が、熱媒体の相変化を利用して土壌と熱 交換を行う。

 そして、この空調システム(1)では、以上 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 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(1)の暖房運転について 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 トと第4ポートが連通すると同時に第2ポー と第3ポートが連通する(図1に破線で示す状 )。第1の切り替えバルブ(72)は、膨張弁(40)と 房用伝熱管(80)の導入部(80a)とが接続される うに切り替えられる。また、第2の切り替え バルブ(73)は、暖房用伝熱管(80)の導出部(80c) 、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。

 そして、圧縮機(20)が運転状態にされると 、圧縮機(20)は、圧縮した冷媒(ガス冷媒)を吐 出ポートから吐出する。圧縮機(20)から吐出 れた冷媒は、四方切換弁(71)を介して室内熱 換器(30)へ送られる。室内熱交換器(30)に流 した冷媒は、室内熱交換器(30)で室内空気へ 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)は、流入した冷 を減圧させる。減圧させられた冷媒は、第1 の切り替えバルブ(72)を介して導入部(80a)に導 入され、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。その状態から 所定時間が経過すると、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) の放熱量に比例した温度勾配が発生し、土 の温度は低下する。外管(51)の内面壁と暖房 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を操作する。これにより 、熱媒体の一部は、外管(51)の内面壁を介し 土壌から吸熱することによって、蒸発して ス状になる。このガス状の熱媒体は、暖房 伝熱管(80)の本体部(80b)において吸熱される これにより、ガス状の熱媒体は凝縮して液 となる。本実施形態では、暖房用伝熱管(80) 本体部(80b)は、外管(51)の上方寄りに配置さ ているので、液体となった熱媒体は、外管( 51)の内壁面を伝って下方に流れ落ちてゆく。 このように熱媒体が地中熱交換器(50)の内壁 を伝っている間に、該熱媒体は再び内面壁 介して土壌から吸熱することによって蒸発 る。

 一方、本体部(80b)内においては、該本体 (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 部(80c)から導出されて、第2の切り替えバル (73)と四方切換弁(71)とを介して圧縮機(20)の 入ポートに導入される。圧縮機(20)は、この 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。以上のよう 、この地中熱交換器(50)では、暖房用伝熱管( 80)が、熱媒体の相変化を利用して土壌と熱交 換を行う。

 そして、空調システム(1)では、以上の動 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 (この例では暖房)が行われる。

 《本実施形態における効果》
 以上のように、本実施形態によれば、地中 交換器(50)によって、暖房運転に加え冷房運 転を行うことも可能になる。

 しかも、本実施形態の暖房用伝熱管(80)は 、外管(51)の埋設状態において、外管(51)の上 寄りに配置されているので、外管(51)内で液 化して流れ落ちる熱媒体が、外管(51)の内壁 接触する時間及び面積を、十分に確保する とが可能になる。すなわち、本実施形態で 、暖房運転時に効率的に熱交換を行うこと 可能になる。

 さらに、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 き寄せられるので、各本体部(52c,52d)の外面 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 の間で効率的に熱交換が行われ、各冷房用 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、冷房 運転時においても地中熱交換器の熱交換性能 の向上が可能になる。

 そして、冷暖房運転時の熱交換性能の向 により、地中熱交換器の小型化が可能にな 。この小型化により、空調システムの低コ ト化も期待できる。

 《本実施形態の変形例》
 次に、上記の空調システム(1)において、冷 用伝熱管の構成を変更した例を説明する。

 図5は上記実施形態の変形例に係る地中熱 交換器(50)の構成を示す縦断面図である。こ 地中熱交換器(50)は、外管(51)、暖房用伝熱管 (80)、及び冷房用伝熱管(90)を備えている。そ て、本変形例の冷房用伝熱管(90)は、導入部 (91)、導出部(92)、及び本体部(93)を備えている 。

 導入部(91)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(5 1)内に挿入され、一端が第2の切り替えバルブ (73)に接続されている。また、導入部(91)の他 一端は、外管(51)内の下方において、本体部 (93)の一端と接続されている。導出部(92)は、 管(51)の上方側から、該外管(51)内に挿入さ 、外管(51)の外側の一端が、第1の切り替えバ ルブ(72)に接続されている。導出部(92)の他の 端は、外管(51)内の下方において本体部(93) 他の一端と接続されている。

 また、本体部(93)は、コイル状に形成され て、外管(51)の下方寄りに配置されている。 実施形態では、この本体部(93)は、その外周 で、外管(51)の内壁面に接触している。また 、この変形例においても、本体部(93)の外面 と外管(51)の内面壁とは、液状の熱媒体を表 張力によって保持する熱媒体保持部(60)を形 成している。

 このように本体部(93)をコイル状にするこ とで、液状の熱媒体との接触面積を上記暖房 用伝熱管(80)よりも増大させることが可能に る。すなわち、この変形例では、冷房効率 向上させることが可能になる。

 しかも、この冷房用伝熱管(90)は、外管(51 )の下方寄りにあるので、液状の熱媒体と本 部(93)をより効率よく接触させることも可能 なる。すなわち、凝縮した熱媒体は、外管( 51)の内面壁を流れて底部に向かって流れるの で、本変形例の暖房用伝熱管(80)は、その熱 体を外管(51)の下方寄りで効率よく受け止め ことができるのである。

 《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6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7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7(A) 、熱交換器(50)を傾斜して地中に設置した例 を示し、図7(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7(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8(A) び(B)に示すように、ウイック(100)を設けて よい。このウイック(100)は、外管(51)内の液 の熱媒体を浸透させて保持するとともに、 持した液冷媒を外管(51)の内面壁に接触させ 。このようなウイック(100)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(100)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、特に暖房運転時における熱 換性能が向上する。

 〈3〉また、外管(51)の内面壁には、図9の 面図に示すように、複数のグルーブ(110)を けてもよい。具体的には、このグルーブ(110) 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(110)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(110)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、特に 房運転時における熱交換性能が向上する。

 〈4〉また、暖房用伝熱管(80)は、暖房用 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。

 〈5〉また、熱媒体として使用した二酸化 炭素も例示である。熱媒体には、冷媒回路の 冷媒の温度範囲(例えば10℃から+40℃程度)で 変化するものを採用できる。具体的には、 えばアンモニアなどを採用できる。

 〈6〉また、所望の熱交換効率を得られる のであれば、熱媒体保持部(60)は必須ではな 。

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

   1   空調システム
  50   熱交換器
  51   外管
  52   冷房用伝熱管
  60   熱媒体保持部
  72   第1の切り替えバルブ(切替部)
  73   第2の切り替えバルブ(切替部)
  80   暖房用伝熱管
 100   ウイック
 110   グルーブ