(57)【要約】【課題】設置現場における作業者の作業負担を軽減するとともに、地中の土壌と熱媒体との熱交換効率を高めることができる地中熱交換器を提供する。【解決手段】地中熱交換器（10）の外管（30）を互いに間隔をあけて地中に複数埋設するとともに、外管（30）にそれぞれ挿入されている内管（20）を互いに並列に接続する。これら複数の地中熱交換器（10）を第１及び第２グループに分類するとともに、各グループに対応する開閉弁（9）を開閉することで、各グループ毎に低圧冷媒を供給する。【選択図】図１
2010145033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管軸方向が鉛直方向に沿うように地中に埋設され且つ管端部が閉塞されて内部に熱媒体が封入された外管（30）と、該外管（30）の管内側に挿入され且つ内部を被熱交換流体が流れる内管（20）とを備え、該外管（30）の熱媒体を介して地中の土壌と該内管（20）の被熱交換流体との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、
前記外管（30）は、互いに間隔をあけて地中に複数埋設され、
前記複数の外管（30）にそれぞれ挿入されている前記内管（20）は、互いに並列に接続されていることを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の外管（30）は、仮想の同一円周上に位置するように、その周方向に互いに間隔をあけて配設されていることを特徴とする地中熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記複数の内管（20）に対して被熱交換流体をそれぞれ独立に供給するための供給手段（9）を備えていることを特徴とする地中熱交換器。
【請求項４】
請求項３において、
前記複数の内管（20）は、複数のグループに分類されており、
前記供給手段（9）は、前記各グループ毎に被熱交換流体を供給するように構成されていることを特徴とする地中熱交換器。
【請求項５】
圧縮機（5）、熱源側熱交換器（10）、膨張機構（6）、及び利用側熱交換器（7）が接続されて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（1）を備えた空調システムであって、
請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の地中熱交換器（10）の前記内管（20）が前記冷媒回路（1）に接続されることで、該地中熱交換器（10）によって前記熱源側熱交換器（10）が構成されることを特徴とする空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被熱交換流体と地中の土壌とを熱交換させる地中熱交換器、及びそれを利用した空調システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、密封された熱媒体を介して被熱交換流体と地中の土壌とを熱交換させる地中熱交換器が知られている。この地中熱交換器は、例えば冷凍サイクルを行う冷媒回路等に利用されている。特許文献１には、暖房運転において、地中熱を利用して冷媒回路の冷媒（被熱交換流体）を加熱する地中熱交換器が開示されている。
【０００３】
特許文献１の地中熱交換器は、外管と、この外管の内側に挿入された内管とからなる二重管式熱交換器で構成されている。内管は、その両端が閉塞されて内側に密閉空間が形成されている。この密閉空間には熱媒体が封入されている。外管は、その内側に冷媒回路の冷媒が流れる冷媒通路が形成されている。
【０００４】
そして、前記内管は、その上下端が外管の内側から管軸方向に突出するように外管の管内側に固定されている。外管から下側へ突出した内管は、その内管の管軸方向が鉛直方向に沿うように地中に埋設される。つまり、内管の下方部分は地中の土壌と接触し、内管の上方部分は外管の冷媒通路を流れる冷媒と接触している。
【０００５】
このような構成において、地中よりも低い温度の冷媒を冷媒通路に流通させると、内管の上側では、地中温度で平衡蒸気圧にあった熱媒体蒸気と外管の冷媒通路を流れる冷たい冷媒とが熱交換して熱媒体が凝縮するとともに、その凝縮熱で冷媒が加熱される。凝縮して液化した冷たい熱媒体は内管内を上側から下側に向かって下降する。内管の下端側では、地中の土壌と熱媒体とが熱交換して該熱媒体が地中温度と平衡な蒸気圧になるように蒸発をする。この蒸発した熱媒体は内管内を下端側から上端側に向かって再び上昇する。つまり、内管がヒートパイプとなって、地中の熱で冷媒配管内の冷媒を加熱することができる。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の地中熱交換器では、地中の土壌との伝熱面積を増やして熱交換能力を高めるために、複数の外管を管軸方向に直列に接続して地中深くに埋設することが行われている。具体的には、設置現場において、規格化された長さの複数の外管を溶接等により直列に接続するとともに外管内部に冷媒を封入することで長尺の地中熱交換器を形成する。そして、この地中熱交換器を設置現場に掘削された掘削孔に挿入するようにしている。
【０００７】
しかしながら、設置現場において、地中熱交換器の各外管を溶接して接続する作業や冷媒の封入作業を行うことは、作業者の作業負担が大きくなり、地中熱交換器の設置コストが増大してしまうという問題があった。
【０００８】
さらに、別の課題として、地中熱交換器の運転を継続していくと、熱交換効率が低下してしまうことが挙げられる。具体的に、地中熱交換器の運転当初は、熱媒体の温度と地中温度との温度差が大きいので熱交換効率が最大となる。しかし、地中熱交換器の運転を継続して熱媒体と地中の土壌とが熱交換を繰り返すことで地中温度が変化していき、熱媒体の温度と地中温度との温度差が徐々に小さくなって熱交換効率が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、設置現場における作業者の作業負担を軽減するとともに、地中の土壌と熱媒体との熱交換効率を高めることができる地中熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明は、複数の外管を互いに間隔をあけて地中に埋設するとともに、内管を互いに並列に接続するようにした。
【００１１】
具体的に、本発明は、管軸方向が鉛直方向に沿うように地中に埋設され且つ管端部が閉塞されて内部に熱媒体が封入された外管（30）と、該外管（30）の管内側に挿入され且つ内部を被熱交換流体が流れる内管（20）とを備え、該外管（30）の熱媒体を介して地中の土壌と該内管（20）の被熱交換流体との間で熱交換を行う地中熱交換器を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１２】
すなわち、第１の発明は、前記外管（30）は、互いに間隔をあけて地中に複数埋設され、
前記複数の外管（30）にそれぞれ挿入されている前記内管（20）は、互いに並列に接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
第１の発明では、内部に熱媒体が封入された複数の外管（30）が互いに間隔をあけて地中に埋設される。そして、複数の外管（30）にそれぞれ挿入されている内管（20）が互いに並列に接続される。
【００１４】
このような構成とすれば、複数の地中熱交換器（10）を用いて空調運転に必要な熱交換能力を十分に確保しつつ、設置現場における作業者の作業負担を軽減することができる。具体的に、複数の外管（30）を直列に接続させた長尺の地中熱交換器を地中に埋設する場合には、設置現場において、複数の外管（30）を溶接して直列に接続する作業や外管（30）に熱媒体を封入する作業を行う必要があり、作業者の作業負担が増大する。また、長尺の地中熱交換器を埋設するための掘削孔（深さ３０ｍ程度）を掘削する作業も大掛かりなものとなっていた。
【００１５】
これに対し、本発明では、規格化された長さで且つ熱媒体が封入された地中熱交換器（10）を予め工場で製造しておき、この地中熱交換器（10）を設置現場まで搬送して複数の掘削孔にそれぞれ挿入するとともに、各地中熱交換器（10）に対して被熱交換流体が供給されるように各内管（20）を並列に接続するだけで、容易に地中熱交換器（10）の設置作業を行うことができ、作業者の作業負担が軽減できる。また、地中熱交換器（10）を埋設するための掘削孔の深さを比較的浅めで且つ地中温度が安定する深さ（５ｍ程度）に設定することができるため、掘削作業が容易で設置コストを大幅に低減することができる。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、
前記複数の外管（30）は、仮想の同一円周上に位置するように、その周方向に互いに間隔をあけて配設されていることを特徴とするものである。
【００１７】
第２の発明では、複数の外管（30）が、仮想の同一円周上に位置するように、その周方向に互いに間隔をあけて配設される。このような構成とすれば、複数の地中熱交換器（10）の設置面積を最小限に抑えながら、地中熱交換器（10）が地中の土壌と熱交換したときの地中温度の変化の影響が、隣接する地中熱交換器（10）に及ばない程度に間隔をあけて配設することができる。
【００１８】
具体的に、地中熱交換器（10）が地中の土壌と熱交換したときに地中温度が変化する領域（R）が、互いに隣接する地中熱交換器（10）同士で重なり合っていた場合には、互いに相手側の地中熱交換器（10）による地中温度の変化の影響を受けてしまい、熱媒体の温度と地中温度との温度差が小さくなって熱交換効率が低下するおそれがある。ここで、この地中温度の変化による影響を回避するためには、隣接する地中熱交換器（10）同士の間隔を大きくすればよいが、その場合には、地中熱交換器（10）の設置面積が大きくなってしまい、設置場所を確保するのが難しくなってしまう。
【００１９】
これに対し、本発明では、複数の地中熱交換器（10）の外管（30）は、仮想の同一円周上に位置するように間隔をあけて配設するようにしたから、設置面積を最小限に抑えつつ、隣接する地中熱交換器（10）同士の間隔を十分に確保する上で有利となる。
【００２０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記複数の内管（20）に対して被熱交換流体をそれぞれ独立に供給するための供給手段（9）を備えていることを特徴とするものである。
【００２１】
第３の発明では、供給手段（9）により、複数の内管（20）に対して被熱交換流体がそれぞれ独立に供給される。このような構成とすれば、地中熱交換器（10）が地中の土壌と熱交換したときの地中温度の変化の影響が、隣接する地中熱交換器（10）に及ぶことを防止することができる。
【００２２】
具体的に、地中熱交換器（10）の運転当初は、熱媒体の温度と地中温度との温度差が大きいので熱交換効率が最大となる。しかし、地中熱交換器（10）の運転を継続して熱媒体と地中の土壌とが熱交換を繰り返すことで地中温度が変化していき、熱媒体の温度と地中温度との温度差が徐々に小さくなって熱交換効率が低下してしまう。また、地中熱交換器（10）が地中の土壌と熱交換したときに地中温度が変化する領域（R）が、互いに隣接する地中熱交換器（10）同士で重なり合っていた場合には、互いに相手側の地中熱交換器（10）による地中温度の変化の影響を受けてしまう。
【００２３】
これに対し、本発明では、複数の地中熱交換器（10）の内管（20）に対して被熱交換流体をそれぞれ独立に供給することができるから、例えば、隣接する地中熱交換器（10）に対しては、何れか一方にしか被熱交換流体を供給しないように制御して、地中温度の変化の影響が隣接する地中熱交換器（10）に及ぶことを防止することができる。
【００２４】
さらに、自然災害等で何れかの外管（30）や内管（20）に亀裂が生じても、供給手段（9）によって、その亀裂が生じた外管（30）や内管（20）に対して被熱交換流体を供給しないようにすれば、被熱交換流体が漏れ出すことを防止できる。そして、残りの地中熱交換器（10）を用いることで、地中熱交換器（10）全体としての熱交換能力の低下を最小限に抑えつつ、引き続き空調運転を継続でき得る。
【００２５】
第４の発明は、第３の発明において、
前記複数の内管（20）は、複数のグループに分類されており、
前記供給手段（9）は、前記各グループ毎に被熱交換流体を供給するように構成されていることを特徴とするものである。
【００２６】
第４の発明では、複数の内管（20）は、複数のグループに分類される。供給手段（9）により、各グループ毎に被熱交換流体が供給される。このような構成とすれば、各グループ毎に地中熱交換器（10）と地中の土壌との熱交換を行うことができ、空調運転を継続した場合であっても、熱交換効率が低下することを防止できる。
【００２７】
具体的に、地中熱交換器（10）の運転当初は、熱媒体の温度と地中温度との温度差が大きいので熱交換効率が最大となる。しかし、地中熱交換器（10）の運転を継続して熱媒体と地中の土壌とが熱交換を繰り返すことで地中温度が変化していき、熱媒体の温度と地中温度との温度差が徐々に小さくなって熱交換効率が低下してしまう。
【００２８】
これに対し、本発明では、複数の地中熱交換器（10）を、例えば第１及び第２グループという２つのグループに分類して、最初に第１グループの地中熱交換器（10）の内管（20）に被熱交換流体を供給して、第１グループのみで熱交換を行うようにする。そして、第１グループの地中熱交換器（10）周辺の地中温度が変化して、地中温度と熱媒体との温度差が少なくなって熱交換効率が低下した場合に、第１グループへの被熱交換流体の供給を停止するとともに、第２グループへの被熱交換流体の供給を開始する。これにより、第１及び第２グループの地中熱交換器（10）をそれぞれ使用するときには、熱媒体と地中温度との温度差が大きく熱交換効率を最大とすることができる。
【００２９】
第５の発明は、圧縮機（5）、熱源側熱交換器（10）、膨張機構（6）、及び利用側熱交換器（7）が接続されて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路（1）を備えた空調システムを対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００３０】
すなわち、第５の発明は、第１乃至第４の発明のうち何れか１つに記載の地中熱交換器（10）の前記内管（20）が前記冷媒回路（1）に接続されることで、該地中熱交換器（10）によって前記熱源側熱交換器（10）が構成されることを特徴とするものである。
【００３１】
第５の発明では、空調システムにおいて、蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおける熱源側熱交換器（10）として地中熱交換器（10）を利用することができる。このような構成とすれば、空調システムが暖房装置の場合は、地中熱交換器（10）が蒸発器となり、利用側熱交換器（7）が凝縮器となる。そして、この地中熱交換器（10）において、膨張機構（6）を流出した低圧冷媒と地中の土壌とが熱交換を行い、地中の土壌から低圧冷媒が吸熱することにより、低圧冷媒を蒸発させることができる。
【００３２】
一方、空調システムが冷房装置の場合は、地中熱交換器（10）が凝縮器となり、利用側熱交換器（7）が蒸発器となる。そして、この地中熱交換器（10）において、圧縮機（5）から吐出した高圧冷媒と地中の土壌とが熱交換を行い、高圧冷媒が地中の土壌に放熱することにより、高圧冷媒を凝縮させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、規格化された長さで且つ熱媒体が封入された地中熱交換器（10）を工場で製造し、この地中熱交換器（10）を設置現場まで搬送して掘削孔に挿入するとともに、各地中熱交換器（10）を並列に接続するだけで、容易に地中熱交換器（10）の設置作業を行うことができ、作業者の作業負担が軽減できる。さらに、複数の地中熱交換器（10）を用いて空調運転に必要な熱交換能力を十分に確保することができる。
【００３４】
また、複数の地中熱交換器（10）を複数のグループに分類して、各グループ毎に地中熱交換器（10）と地中の土壌との熱交換を行うようにすれば、地中温度の変化の影響が隣接する地中熱交換器（10）に及ぶことを防止でき、空調運転を継続した場合であっても、熱交換効率が低下することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００３６】
＜空調システムの構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る地中熱交換器を用いた空調システムの冷媒回路図である。図１に示すように、この空調システム（A）は、地中の熱を利用して室内を暖房する暖房装置を構成しており、冷媒回路（1）を備えている。
【００３７】
前記冷媒回路（1）は、圧縮機（5）と、膨張機構としての膨張弁（6）と、利用側熱交換器としての室内熱交換器（7）と、熱源側熱交換器としての複数の地中熱交換器（10）とが冷媒配管（1a）で接続されて構成されている。
【００３８】
ここで、前記複数の地中熱交換器（10）は、その外管（30）が互いに間隔をあけて地中に埋設されるとともに、外管（30）内部にそれぞれ挿入されている内管（20）が並列に接続されている。なお、地中熱交換器（10）の具体的な構成及び配置については後述する。
【００３９】
このように、複数の地中熱交換器（10）を用いることで、空調運転に必要な熱交換能力を十分に確保しつつ、設置現場における作業者の作業負担を軽減することができる。すなわち、規格化された長さで且つ熱媒体が封入された地中熱交換器（10）を予め工場で製造しておき、この地中熱交換器（10）を設置現場まで搬送して複数の掘削孔にそれぞれ挿入するとともに、各地中熱交換器（10）に対して被熱交換流体としての冷媒が供給されるように各内管（20）を並列に接続するだけで、容易に地中熱交換器の設置作業を行うことができ、作業者の作業負担が軽減できる。また、地中熱交換器（10）を埋設するための掘削孔の深さを比較的浅めで且つ地中温度が安定する深さ（５ｍ程度）に設定することができるため、掘削作業が容易で設置コストを大幅に低減することができる。
【００４０】
前記膨張弁（6）と地中熱交換器（10）との間の冷媒配管（1a）、及び圧縮機（5）と地中熱交換器（10）との間の冷媒配管（1a）には、供給手段としての開閉弁（9）が設けられている。
【００４１】
前記開閉弁（9）は、複数の地中熱交換器（10）の内管（20）に対して冷媒をそれぞれ独立に供給するためのものである。具体的に、複数の地中熱交換器（10）のうち１つの内管（20）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を開くことで、その地中熱交換器（10）に対してのみ冷媒が供給されるようになっている。
【００４２】
このような構成とすれば、自然災害等で何れかの地中熱交換器（10）の外管（30）や内管（20）に亀裂が生じても、開閉弁（9）によって、その亀裂が生じた外管（30）や内管（20）に対して冷媒を供給しないようにすれば、冷媒が漏れ出すことを防止できる。そして、残りの地中熱交換器（10）を用いることで、地中熱交換器（10）の熱交換能力の低下を最小限に抑えつつ、引き続き空調運転を継続でき得る。
【００４３】
また、前記室内熱交換器（7）は、室内に設置されている。なお、地下に機械室がある場合には、その機械室に空調システム（A）における室内熱交換器（7）及び地中熱交換器（10）以外の要素機器、つまり、圧縮機（5）や膨張弁（6）等が設置されていてもよい。
【００４４】
前記冷媒回路（1）には冷媒が封入されている。この冷媒が冷媒回路（1）を循環することにより、地中熱交換器（10）が蒸発器となり、室内熱交換器（7）が凝縮器となって、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成されている。
【００４５】
前記地中熱交換器（10）は、内部に密封された二酸化炭素（熱媒体）を介して、地中の土壌と冷媒回路を流れる冷媒とを熱交換させるものである。この地中熱交換器（10）の詳細は後述する。
【００４６】
前記圧縮機（5）は、全密閉型であって、圧縮機（5）に電気的に接続されたインバータ（図示省略）により容量可変に構成されている。この圧縮機（5）では、吸入した冷媒を所定圧力まで圧縮して吐出するように構成されている。
【００４７】
前記室内熱交換器（7）は、図示は省略しているが、伝熱管が複数パスに配列されるとともに伝熱管と直交して多数のアルミフィンが配置されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。この室内熱交換器（7）の近傍には室内ファン（8）が設置されている。そして、伝熱管の管内側を冷媒が流れ、伝熱管の管外側にあるアルミフィン間を室内ファン（8）から送風される室内空気が流れ、両者が熱交換を行うように構成されている。
【００４８】
前記膨張弁（6）は、開度可変の電子膨張弁によって構成されている。この膨張弁（6）の開度が変更されて、膨張弁（6）を流れる冷媒の減圧量が調整される。
【００４９】
＜地中熱交換器の構成＞
図２は、地中熱交換器の構成を示す縦断面図である。図２に示すように、この地中熱交換器（10）は、外管（30）と内管（20）とを有し、外管（30）の管内側に内管（20）が挿入された二重管式の熱交換器を構成している。また、地中熱交換器（10）は、外管（30）の管軸方向が鉛直方向に沿うように地中に埋設されている。
【００５０】
前記外管（30）は、その上端部に上側閉塞板（14）、その下端部に下側閉塞板（15）がそれぞれ取り付けられて管端部が閉塞されている。そして、外管（30）の管内側には、密閉空間（17）が形成されている。この密閉空間（17）には、所定量の二酸化炭素（熱媒体）が密封されている。また、外管（30）の内周面（30a）には、円周方向に沿うように複数の円周溝（36）が形成されている（図３参照）。
【００５１】
前記内管（20）はＵ字管で構成されている。この内管（20）は、その２つの直管部分が上側閉塞板（14）を貫くように挿入され、その管端部分は密閉空間（17）から突出している。また、内管（20）は、その外周面（20b）が外管（30）の内周面（30a）に接触するように、外管（30）に固定されている。また、この内管（20）の外周面（20b）には、１００μｍ程度の円周溝（26）が多数形成されている（図３参照）。
【００５２】
このように、前記外管（30）と内管（20）とを接触させることにより、内管（20）の外周面（20b）で凝縮して液化した二酸化炭素を確実に外管（30）の内周面（30a）へ導くことができる。
【００５３】
また、前記内管（20）の外周面（20b）に微細な円周溝（26）を多数形成することにより、内管（20）の伝熱性能を高めることができる、これにより、地中熱交換器（10）の熱交換能力を向上させることができる。
【００５４】
前記内管（20）における管端部分の一方は、圧縮機（5）の吐出側から延びる冷媒配管（1a）に接続され、他方は膨張弁（6）の入口側から延びる冷媒配管（1a）に接続されている。このように接続されることにより、内管（20）の管内側に冷媒回路（1）の冷媒が流れる冷媒通路（20a）が形成されている。
【００５５】
次に、本実施形態に係る地中熱交換器（10）の具体的な配置について、図４を用いて説明する。図４に示すように、複数の地中熱交換器（10）は、仮想の同一円周上に位置するように、その周方向に互いに間隔をあけて配設されている。具体的に、図４に示す例では、仮想の同一円周上に合計８本の地中熱交換器（10）が配設されている。
【００５６】
ここで、前記各地中熱交換器（10）は、地中の土壌と熱交換したときの地中温度の変化の影響が、隣接する地中熱交換器（10）に及ばない程度、すなわち、熱交換したときに地中温度が変化する領域（R）が、互いに隣接する地中熱交換器（10）同士で重なり合わないように配設されている。このような構成とすれば、複数の地中熱交換器（10）の設置面積を最小限に抑えつつ、隣接する地中熱交換器（10）同士の間隔を十分に確保する上で有利となる。
【００５７】
そして、前記複数の地中熱交換器（10）は、図４に示す地中熱交換器（10）に付された奇数番号（１，３，５，７）で構成される第１グループと、偶数番号（２，４，６，８）で構成される第２グループとに分類されている。開閉弁（9）の開閉動作は、このグループ単位で連動して行われ、各グループ毎に冷媒が供給されるようになっている。
【００５８】
具体的に、第１グループの地中熱交換器（10）に対して冷媒を供給する場合には、第１グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を開く一方、第２グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を閉じることで、第１グループの地中熱交換器（10）にのみ冷媒を供給するようにしている。
【００５９】
同様に、第２グループの地中熱交換器（10）に対して冷媒を供給する場合には、第２グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を開く一方、第１グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を閉じることで、第２グループの地中熱交換器（10）にのみ冷媒を供給するようにしている。
【００６０】
このような構成とすれば、各グループ毎に地中熱交換器（10）と地中の土壌との熱交換を行うことができ、空調運転を継続した場合であっても、熱交換効率が低下することを防止できる。
【００６１】
具体的に、地中熱交換器（10）の運転当初は、熱媒体の温度と地中温度との温度差が大きいので熱交換効率が最大となる。しかし、地中熱交換器（10）の運転を継続して熱媒体と地中の土壌とが熱交換を繰り返すことで地中温度が変化していき、熱媒体の温度と地中温度との温度差が徐々に小さくなって熱交換効率が低下してしまう。
【００６２】
これに対し、本発明では、複数の地中熱交換器（10）の内管（20）を、第１及び第２グループという２つのグループに分類して、最初に第１グループの内管（20）に冷媒を供給して、第１グループのみで熱交換を行うようにする。そして、第１グループの地中熱交換器（10）周辺の地中温度が変化して、地中温度と熱媒体との温度差が少なくなって熱交換効率が低下した場合に、第１グループへの冷媒の供給を停止するとともに、第２グループへの冷媒の供給を開始する。これにより、第１及び第２グループの地中熱交換器（10）を使用するときには、熱媒体と地中温度との温度差が大きく熱交換効率を最大とすることができる。
【００６３】
なお、前記開閉弁（9）は、地中熱交換器（10）の熱媒体の温度と地中温度との温度差が小さくなって熱交換効率が低下するまでの経過時間に基づいてその切り替え周期が設定されているものとする。また、地中熱交換器（10）のグループ分類は、あくまでも一例に過ぎず、３つのグループに分類する等、グループの数を増やしても良い。
【００６４】
−運転動作−
次に、本実施形態に係る空調システム（A）の動作について説明する。まず、圧縮機（5）で所定圧力まで圧縮された後に吐出された高圧冷媒は、室内熱交換器（7）に流入する。室内熱交換器（7）では、高圧冷媒が室内ファン（8）から送られる室内空気に放熱して凝縮した後で室内熱交換器（7）を流出する。一方、室内空気はこの凝縮熱により暖められる。その結果、室内の暖房が行われる。
【００６５】
前記室内熱交換器（7）を流出した高圧冷媒は、膨張弁（6）に流入する。膨張弁（6）では、高圧冷媒が所定圧力まで減圧されて低圧冷媒になった後で膨張弁（6）を流出する。このとき、この減圧後の低圧冷媒の飽和温度が地中の土壌の温度よりも低くなるように膨張弁（6）で低圧冷媒が減圧される。
【００６６】
ここで、図４に示す第１グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を開く一方、第２グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を閉じるようにする。これにより、膨張弁（6）を流出した低圧冷媒は、第１グループの地中熱交換器（10）にのみ流入する。
【００６７】
前記第１グループの地中熱交換器（10）では、低圧冷媒が地中の熱を吸収して蒸発した後で地中熱交換器（10）を流出する。第１グループの地中熱交換器（10）をそれぞれ流出した低圧冷媒は、冷媒配管（1a）の途中で合流して圧縮機（5）に吸入される。圧縮機（5）に吸入された低圧冷媒は、所定圧力まで圧縮された後、再び室内熱交換器（7）に流入する。このように、冷媒が冷媒回路（1）内を循環することにより、室内の暖房が行われる。
【００６８】
そして、空調システム（A）の運転を継続して行うことで、第１グループの地中熱交換器（10）の熱媒体の温度と地中温度との温度差が小さくなって熱交換効率が低下した場合には、第１グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を閉じる一方、第２グループの地中熱交換器（10）の吸入側及び吐出側の開閉弁（9）を開くようにする。これにより、膨張弁（6）を流出した低圧冷媒は、第２グループの地中熱交換器（10）にのみ流入する。
【００６９】
このように、第１グループの地中熱交換器（10）周辺の地中温度が低下したとしても、第１グループの地中熱交換器（10）の運転を停止させて、第２グループの地中熱交換器（10）の運転を開始するようにすれば、低圧冷媒と地中温度との温度差が大きく熱交換効率を最大となるように空調システム（A）の運転を継続することができる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る地中熱交換器（10）の動作について説明する。膨張弁（6）から流出した低圧冷媒は、地中熱交換器（10）の内管（20）に流入する。なお、内管（20）内に地中の土壌の温度よりも低い温度の低圧冷媒が流入するとき、密閉空間（17）内の二酸化炭素の飽和温度は土壌と低圧冷媒との間の温度になるものとする。
【００７１】
この場合、図５に示すように、外管（30）の密閉空間（17）内に封入された二酸化炭素が、二酸化炭素の飽和温度よりも低い温度の内管（20）の外周面（20b）で凝縮する。この二酸化炭素の凝縮熱を冷媒回路（1）の冷媒が吸収して蒸発する。この蒸発した冷媒は、地中熱交換器（10）から流出した後、圧縮機（5）に吸入される。
【００７２】
前記外周面（20b）で凝縮して液化した二酸化炭素は、内管（20）の外周面（20b）の円周溝（26）により、下方へ落ちることなく保持されながら円周溝（26）に沿って円周方向へ広がるように流れる。そして、この液化した二酸化炭素は、外管（30）及び内管（20）の接触部分を介して、外管（30）の内周面（30a）へ導かれる。外管（30）の内周面（30a）へ導かれた二酸化炭素は、外管（30）の円周溝（36）により、下方へ落ちることなく保持されながら円周溝（36）に沿って円周方向へ広がるように流れる。そして、この内周面（30a）で二酸化炭素が蒸発する。
【００７３】
前記外管（30）の内周面（30a）で蒸発してガス化した二酸化炭素は、密閉空間（17）内の二酸化炭素の密度差により、内管（20）の外周面（20b）の方へ移動して、その外周面（20b）で再び凝縮する。このように、二酸化炭素が相変化を繰り返すことにより、その二酸化炭素を介して、外管（30）の外側にある地中の土壌と内管（20）の内側を流れる冷媒とが熱交換する。
【００７４】
以上のように、本発明の実施形態に係る地中熱交換器（10）によれば、規格化された長さで且つ熱媒体が封入された地中熱交換器（10）を工場で製造し、この地中熱交換器（10）を設置現場まで搬送して掘削孔に挿入するとともに、各地中熱交換器（10）を並列に接続するだけで、容易に地中熱交換器（10）の設置作業を行うことができ、作業者の作業負担が軽減できる。さらに、複数の地中熱交換器（10）を用いて空調運転に必要な熱交換能力を十分に確保することができる。
【００７５】
また、複数の地中熱交換器（10）を第１及び第２グループに分類して、各グループ毎に地中熱交換器（10）と地中の土壌との熱交換を行うようにすれば、地中温度の変化の影響が隣接する地中熱交換器（10）に及ぶことを防止でき、空調運転を継続した場合であっても、熱交換効率が低下することを防止できる。
【００７６】
＜変形例＞
図６は、本発明の変形例に係る地中熱交換器の配置を示す平面図である。図６に示すように、複数の地中熱交換器（10）は、仮想の同一円周上に位置するように、その周方向に互いに間隔をあけて配設されている。具体的に、図６に示す例では、仮想の同一円周上に合計４本の地中熱交換器（10）が配設されている。
【００７７】
ここで、前記各地中熱交換器（10）は、地中の土壌と熱交換したときの地中温度の変化の影響が、隣接する地中熱交換器（10）に及ばない程度、すなわち、熱交換したときに地中温度が変化する領域（R）が、互いに隣接する地中熱交換器（10）同士で重なり合わないように配設されている。
【００７８】
そして、前記複数の地中熱交換器（10）は、図６に示す右側に配置された地中熱交換器（10）に付された番号（１，２）で構成される第１グループと、左側に配置された番号（３，４）で構成される第２グループとに分類されている。開閉弁（9）の開閉動作は、このグループ単位で連動して行われ、各グループ毎に冷媒が供給されるようになっている。
【００７９】
このような構成とすれば、各グループ毎に地中熱交換器（10）と地中の土壌との熱交換を行うことができ、空調運転を継続した場合であっても、熱交換効率が低下することを防止できる。
【００８０】
＜その他の実施形態＞
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。例えば、本実施形態では、空調システム（A）を暖房装置で構成したが、これに限定される必要はなく、空調システム（A）を冷房装置で構成してもよい。この場合、地中熱交換器（10）が凝縮器を構成し、室内熱交換器（7）が蒸発器を構成するとともに、地中熱交換器（10）には地中の土壌よりも高い温度の冷媒が流入する。これにより、内管（20）の外周面（20b）が蒸発面を構成し、外管（30）の内周面（30a）が凝縮面を構成する。
【００８１】
また、前記外管（30）の管内側に、管軸方向に所定の間隔を保って複数の隔壁を設けるようにして、密閉空間（17）を複数の分割空間に区画するようにしても良い。このような構成とすれば、自然災害等で外管（30）に亀裂が生じても、その亀裂部分に対応する分割空間から熱媒体が地中に漏れるのみで、他の分割空間から熱媒体が地中に漏れるのを防ぐことができる。つまり、密閉空間（17）を区画しない場合に比べて、外管（30）から外側に漏れる二酸化炭素の量を少なくすることができる。そして、外管（30）内の外側に漏れる二酸化炭素の量を少なくできるので、熱媒体が外管（30）の外側へ漏れてしまった場合であっても、地中熱交換器（10）の熱交換能力の低下を最小限に抑えることができる。
【００８２】
また、本実施形態では、複数の地中熱交換器（10）を仮想の同一円周上に互いに間隔をあけて配置するようにしたが、この形態に限定するものではなく、例えば、仮想の三角形や三角形の組み合わせによる多角形の頂点位置に配置したり、仮想の正方形や正方形の組み合わせによる長方形の頂点位置に配置しても良い。
【００８３】
また、本実施形態では、地中熱交換器（10）の熱媒体の温度と地中温度との温度差が小さくなって熱交換効率が低下するまでの経過時間に基づいて地中熱交換器（10）のグループ毎の切り替えを行うようにしているが、この形態に限定するものではない。例えば、昼夜、日、月、季節、又は年単位で切り替えを行うようにしても良い。また、土壌から熱移動させる熱量に応じて切り替え周期を変更しても良い。さらに、地中熱交換器（10）の本数や切り替え周期については、冷暖房の負荷や、日射等による地中温度の回復状態に応じて適宜設定するようにしても良い。
【００８４】
また、本実施形態では、外管（30）の密閉空間（17）内に熱媒体としての二酸化炭素を封入しておき、この二酸化炭素を介して内管（20）内の冷媒と熱交換させる、いわゆる間膨方式の地中熱交換器（10）について説明したが、例えば、内管（20）のみを地中に埋設し、内管（20）内の冷媒と直接熱交換させる、いわゆる直膨方式の地中熱交換器（10）としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上説明したように、本発明は、設置現場における作業者の作業負担を軽減するとともに、地中の土壌と熱媒体との熱交換効率を高めた地中熱交換器を提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施形態に係る地中熱交換器を用いた空調システムの冷媒回路図である。
【図２】地中熱交換器の構成を示す縦断面図である。
【図３】地中熱交換器の内部の詳細図である。
【図４】地中熱交換器の配置を示す平面図である。
【図５】地中熱交換器の動作中の拡大図である。
【図６】本発明の変形例に係る地中熱交換器の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００８７】
A   空調システム
1   冷媒回路
5   圧縮機
6   膨張機構
7   利用側熱交換器
9   開閉弁（供給手段）
10   熱源側熱交換器（地中熱交換器）
20   内管
30   外管
【図１】
2010145033.tif 000003
【図２】
2010145033.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010145033.tif 000006
【図５】
2010145033.tif 000007
【図６】
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