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、地中に設置される地中熱交換器の例を 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、冷房運転が可能なヒートポ ンプ式の空調システムに用いられ、冷房運転 時に凝縮器として機能して土壌に対して熱を 放熱する。

 なお、ここで土壌とは、土砂のみで形成� ��れたものの他に、土砂と水の両方を含んだ� ��わゆる帯水層も含まれる。すなわち、この� ��中熱交換器は、設置される場所や深さによ� ��ては、土砂の他にも地中の水、或いはそれ� ��の両方とも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地中熱交換 器(50)を含んだ空調システム(1)のシステム図� �ある。本実施形態の空調システム(1)は、図1� ��示すように、冷媒回路(10)を備えている。こ の冷媒回路(10)には、圧縮機(20)、室内熱交換� ��(30)、膨張弁(40)、及び地中熱交換器(50)が接� ��されている。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。この冷媒回路(10)では、圧縮� ��(20)は、吸入ポートが室内熱交換器(30)に接� �され、吐出ポートが地中熱交換器(50)(詳しく は後述の導入部(52a))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、� �気調和を行う室内に配置されたいわゆる室� �機に組み込まれる。この冷媒回路(10)におい� ��は、室内熱交換器(30)の一端は、膨張弁(40)� �接続され、他の一端は既述の通り圧縮機(20)� ��吸入ポートに接続されている。そして、冷� ��運転時には膨張弁(40)から室内熱交換器(30)� �流入した低圧冷媒に室内空気の熱を吸熱さ� �る。この室内熱交換器(30)には、例えば、ク� ��スフィン型のフィン・アンド・チューブ熱� ��換器などを採用することができる。なお、� ��の室内熱交換器(30)の近傍には、室内ファン (31)が設置されている。室内ファン(31)は、調� ��空気を室内へ送風する。

 膨張弁(40)は、流入孔が地中熱交換器(50)(� ��しくは後述の導出部(52b))に接続され、該地� ��熱交換器(50)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、室内熱交 換器(30)に流出させる。

 地中熱交換器(50)は、地中に埋設されて土 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� �して、土壌に対して放熱する。本実施形態� �地中熱交換器(50)は、図2に示すように、外管 (51)と冷房用伝熱管(52)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。地 層には、主に土砂のみで形成された層、土砂 と水を含んだ層、主に水を含んだ層、さらに は、岩石が連続して分布している岩盤等があ る。この地中熱交換器(50)は何れの地層に設� �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)の内壁面から土壌に放熱� ��て凝縮するとともに、冷房用伝熱管(52)の外 壁面において吸熱して蒸発する。

 冷房用伝熱管(52)は、管状に形成され、外 管(51)内に挿入されている。冷媒回路(10)にお� ��ては、この冷房用伝熱管(52)には冷媒が内部 に導入されるとともに、該冷媒から放熱させ る。具体的に、冷媒回路(10)では、冷房用伝� �管(52)の一端は、圧縮機(20)の吐出ポートに接 続され、他の一端は、膨張弁(40)に接続され� �いる。

 本実施形態の冷房用伝熱管(52)は具体的に は、図2に示すように、導入部(52a)、導出部(52 b)、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。

 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、一端が配管を介して圧縮機 (20)の吐出ポートに接続されている。また、� �入部(52a)の他の一端は、外管(51)内の上方に� �いて、導入側本体部(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、該外管(51)内に挿入され、外管(51)の外� ��の一端が、配管を介して膨張弁(40)に接続さ れている。導出部(52b)の他の一端は、外管(51) 内の上方において、導出側本体部(52d)の一端� ��接続されている。

 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)の上方から底部まで延びている。接続部(52e )は、この底部において、該底部を径方向に� �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)の一端と接続してい� ��。

 上記の導入側本体部(52c)の外面壁と外管(5 1)の内面壁とは、液状の熱媒体を表面張力に� ��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� ��と外管(51)の内面壁とも、熱媒体保持部(60)� �形成している。具体的には、各本体部(52c,52d )のそれぞれの外面壁は、外管(51)の内面壁と� ��接して配置され、図3(A)及び図3(B)に示すよ� �に、外管(51)の内面壁に付着している液状の� ��媒体を、表面張力によってこれらの壁(例え ば導入側本体部(52c)の外面壁と外管(51)の内面 壁)の間に保持する。各本体部(52c,52d)の外面� �は、このように表面張力で液状の熱媒体を� �持できれば、必ずしも外管(51)の内面壁と接� ��している必要はないが、本実施形態では、� ��本体部(52c,52d)のそれぞれの外面壁は、外管( 51)の内面壁と接触するように配置している。 このように、各本体部(52c,52d)のそれぞれの外 面壁が、外管(51)の内面壁と接触するように� �置することで、各本体部(52c,52d)は、外管(51)� ��直接的に熱交換ができる。すなわち、この� ��接的な熱交換により、地中熱交換器(50)にお ける熱交換性能がより向上する。なお、上記 の地中熱交換器(50)では、導入側本体部(52c)及 び導出側本体部(52d)の2本で熱交換を行ってい たが、本体部(52c,52d)の本数は例示であり、こ れに限定されない。

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

 冷房運転が開始されて、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)� ��圧縮機(20)の吐出ポートから吐出される。圧 縮機(20)から吐出されたこの冷媒は、地中熱� �換器(50)の導入部(52a)へ送られ、さらに各本� �部(52c,52d)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、が、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� �伝熱抵抗に制約されるので、一般には、外� �(51)の内面壁と各本体部(52c,52d)と温度勾配を� ��持し、地中内の温度分布も一定を保たれる� ��囲で伝熱がおこなわれるように冷媒の流量� ��操作する。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とによっ て、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)の接触部に� �熱が集中することを回避し、外管(51)の内面� ��全面へ放熱を分散させる働きをする。この� ��状の熱媒体は、熱媒体保持部(60)によって生 じた表面張力によって、図3に示すように、� �管(51)の内面壁と、各本体部(52c,52d)の外面壁� ��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。このように、外管(51)内で凝� �した熱媒体が、熱媒体保持部(60)によって、� ��本体部(52c,52d)の外面壁に引き寄せられるこ� ��により、各本体部(52c,52d)の外面壁が液状の� ��媒体で均一に濡れる。そして、各本体部(52c ,52d)外面壁上の熱媒体は、各本体部(52c,52d)か� ��吸熱して蒸発する。このように蒸発した熱� ��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� ��媒体に放熱し、さらに接触している外管(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)を介して膨張弁(40)に導入され、 膨張弁(40)で減圧されてから室内熱交換器(30)� ��導入される。室内熱交換器(30)に流入した冷 媒は、室内空気から吸熱して蒸発する。これ により、室内熱交換器(30)では室内空気が冷� �され、冷却された室内空気が室内ファン(31)� ��よって室内へ送り返される。室内熱交換器( 30)で蒸発した冷媒は、圧縮機(20)の吸入ポー� �に導入される。圧縮機(20)は、この冷媒を吸� ��して圧縮し地中熱交換器(50)の導入部(52a)へ� ��出する。以上のように、この地中熱交換器( 50)では、冷房用伝熱管(52)が、熱媒体の相変� �を利用して土壌と熱交換を行う。

 この空調システム(1)では、以上の動作が� ��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イクル(こ� ��例では冷房)が行われる。

 上記のように、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� �って、冷房用伝熱管(52)の本体部(52c,52d)の外� ��壁に引き寄せられるので、各本体部(52c,52d)� ��外面壁が液状の熱媒体で均一に濡れる。そ� ��ため、各本体部(52c,52d)の外面壁と、液状の� ��媒体との間で効率的に熱交換が行われ、各� ��房用伝熱管(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 、地中熱交換器の熱交換性能が向上し、地中 熱交換器の小型化が可能になる。この小型化 により、空調システムの低コスト化も期待で きる。

 《発明の実施形態2》
 実施形態2では、冷房運転に加えて暖房運転 が可能な空調システムについて説明する。

 図4は、実施形態2に係る地中熱交換器(50)� ��含んだ空調システム(2)のシステム図である� ��同図に示すように、空調システム(2)は、冷� ��回路(70)を備えている。この冷媒回路(70)は� �実施形態1の冷媒回路(10)に対して、四方切換 弁(71)、第1の切り替えバルブ(72)、及び第2の� �り替えバルブ(73)を追加して構成している。

 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4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4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(70)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。

 本実施形態の地中熱交換器(50)は、図5に� �すように、実施形態1の地中熱交換器(50)に対 し、暖房用伝熱管(80)を追加したものである� �

 この暖房用伝熱管(80)は、導入部(80a)、本� ��部(80b)、導出部(80c)から形成されている。本 体部(80b)は、暖房運転時に熱媒体から吸熱し� ��、導入された冷媒を蒸発させる。本実施形� ��では、本体部(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) を取り囲むように、外管(51)内の上方に配置� �れている。また、導入部(80a)は本体部(80b)に� ��して冷媒を導入するための配管であり、導� ��部(80c)は本体部(80b)から冷媒を導出する配管 である。本実施形態では、導入部(80a)及び導� ��部(80c)は、何れも直状に形成され、外管(51)� ��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)は、空� ��システム(2)で暖房運転を行うか、冷房運転� ��行うかに応じて冷媒の流れを切り替えるバ� ��ブである。第1の切り替えバルブ(72)は、膨� �弁(40)を、冷房用伝熱管(52)の導出部(52b)、又� ��暖房用伝熱管(80)の導入部(80a)の何れかに接� ��する。また、第2の切り替えバルブ(73)は、� �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� �(80c)の何れかに接続する。

 -運転動作-
 次に、空調システム(2)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4に実線で示す状態)。また、第1の切 り替えバルブ(72)は、膨張弁(40)と、冷房用伝� ��管(52)の導出部(52b)とが接続されるように切� ��替えられ、第2の切り替えバルブ(73)は、冷� �用伝熱管(52)の導入部(52a)と、四方切換弁(71)� ��第3ポートとが接続されるように切り替えら れる。これにより、冷媒回路(70)は、実施形� �1の冷媒回路(10)と等価になる。したがって、 この空調システム(2)においても実施形態1の� �調システム(1)と同様の運転動作が行われ、� �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イクル(この例では冷房)� ��行われる。

 (暖房運転)
 次に、空調システム(2)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4に破線で示す状� �)。また、第1の切り替えバルブ(72)は、膨張� �(40)と暖房用伝熱管(80)の導入部(80a)とが接続� ��れるように切り替えられ、第2の切り替えバ ルブ(73)は、暖房用伝熱管(80)の導出部(80c)と� �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。

 この状態で、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)から吐出された冷媒は、四方切換弁(71)� ��介して室内熱交換器(30)へ送られる。室内熱 交換器(30)に流入した冷媒は、室内熱交換器(3 0)で室内空気へ放熱する。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� �。室内熱交換器(30)で放熱した冷媒は、膨張� ��(40)へ送られる。膨張弁(40)に流入した冷媒� �、膨張弁(40)を通過する際に減圧され、その� ��に暖房用伝熱管(80)の導入部(80a)に流入し、� ��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が、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)への放熱量に比例した温度勾配が発� �し、土壌の温度は低下する。外管(51)の内面� ��と暖房用伝熱管(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は操作する。そ して、熱媒体の一部は、外管(51)の内面壁を� �して土壌から吸熱することによって、蒸発� �てガス状になっている。このガス状の熱媒� �は、暖房用伝熱管(80)の本体部(80b)によって� �熱されて凝縮し、液体となる。液体となっ� �熱媒体は、再び内面壁を介して土壌から吸� �することによって蒸発する。

 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。空調システ� �(2)では、以上の動作が繰り返され、地中熱� �換器(50)を蒸発器として圧縮機(20)で冷媒を圧 縮する冷凍サイクル(この例では暖房)が行わ� ��る。

 《実施形態1,2の変形例》
 なお、実施形態1及び2の地中熱交換器(50)は� ��縦方向以外に傾斜して設置することも可能� ��ある。図6は、地中熱交換器(50)を傾斜して� �置した状態を模式的に示す図である。この� �うに設置しても、上記の各実施形態と同様� �して熱交換が行われる。なお、同図におい� �、「HP」と記載されているのは、空調システ ム(1)(或いは空調システム(2))の本体部分(熱交 換器以外の部分)を示している(以下同様)。

 《発明の実施形態3》
 また、実施形態1の地中熱交換器(50)は、水� �方向に設置することも可能である。本実施� �態の地中熱交換器(50)は、冷房運転に使用す� ��。図7は、地中熱交換器(50)を水平に設置し� �状態を模式的に示す図である。地層には、� �に土砂のみで形成された層、土砂と水を含� �だ層、主に水を含んだ層、さらには、岩石� �連続して分布している岩盤等がある。この� �中熱交換器(50)は何れの地層に、或いは複数� ��層にまたがって設置してもよい。図7では、 例1が土砂のみで形成された層に設置した例� �例2が土砂と水を含んだ層に設置した例、例3 が主に水を含んだ層に設置した例、例4が岩� �に設置した例をそれぞれ示している。

 《発明の実施形態4》
 なお、上記の各実施形態や変形例に係る熱� ��換器は、地中に設置するほかに、水中に設� ��することも可能である。具体的な設置場所� ��しては、例えば、海、湖、池、プール、貯� ��槽、河川、下水道などが上げられる。図8は 、熱交換器(50)を水中に設置した状態を模式� �に示す図である。この図では、熱交換器(50)( 水中熱交換器)の設置例として5つの例(例1~5)� �記載している。例1、2は、貯水槽又はプール に熱交換器(50)を設置した例であり、例1では� ��向きに配置し、例2では水平方向に配置して いる。また、例3、4は、海、湖、又は池に熱� ��換器(50)を設置した例であり、例3では縦向� �に配置し、例4では水平方向に配置している� ��また、例5は下水道に熱交換器(50)を配置し� �例であり、水平方向に配置している。すな� �ち、水中に設置する場合にも、熱交換器(50)� ��、縦向きに配置してもよいし、水平方向に� ��置してもよい。また、水中に設置する場合� ��おいても、熱交換器(50)を傾斜して設置する ことも可能である(図8の例6を参照)。

 このように熱交換器(50)を水中に設置した 場合にも、上記の各実施形態や変形例と同様 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〉外管(51)の内面壁には、図9(A)及び図9(B) に示すように、ウイック(90)を設けてもよい� �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)の内面壁に接触させる。こ� �ようなウイック(90)としては、例えば、金属� ��孔質体、多孔質セラミック、繊維の集合体� ��どが挙げられる。このように、外管(51)の内 面壁にウイック(90)を設けることで、外管(51)� ��内面壁に対し、均一な濡れを確保すること� ��でき、特に暖房運転時における熱交換性能� ��向上する。

 〈2〉また、外管(51)の内面壁には、図10の 断面図に示すように、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 はり均一な濡れを確保することができ、特に 暖房運転時における熱交換性能が向上する。 例えば、図11は、グルーブ(100)を円周方向に� �成した外管(51)の例である。例えば、地中熱� ��換器(50)を水平方向に設置した場合には、こ のようにグルーブ(100)を円周方向に形成する� ��、外管(51)の内面壁に均一な濡れを、より効 果的に確保することが可能になる。

 〈3〉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。

 〈4〉また、各実施形態では、冷房用伝熱 管(52)は、コイル状に形成してもよい。こう� �ることで、冷房用伝熱管(52)と熱媒体との接� ��面積が増大する。それゆえ、この熱交換器� ��は、熱交換効率を向上させることが可能に� ��る。

 〈5〉また、熱交換器(50)は、何れの実施� �態や変形例においても、複数本設置するこ� �も可能である。