(57)【要約】【課題】外管内に、被熱交換流体の流れる伝熱管が挿入され且つ熱媒体が封入された地中熱交換器において、熱交換効率を大きく低下させることなく、設置費用の低減を図れるような構成を得る。【解決手段】冷媒が流れる伝熱管（12）が挿入され且つ内部に二酸化炭素が封入された外管（11）が、地表に露出することなく外表面全体が土壌によって覆われるように、地中熱交換器（10）を地中に埋設する。【選択図】図１
2010145022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に縦向きに埋設される外管（11）と、該外管（11）内に挿入されて内部を被熱交換流体が流れる伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備え、該熱媒体（13）の相変化を利用して土壌と熱交換を行うように構成された地中熱交換器であって、
上記外管（11）は、地表面に露出しないように地中に埋設されていて、外表面全体が土壌によって覆わ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に記載の地中熱交換器において、
上記外管（11）は、熱交換器として要求される能力を発揮できるような所定深さに埋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または２に記載の地中熱交換器（10）を備えていて、冷凍サイクルを行う空調システムにおいて、
上記地中熱交換器（10）を複数、備えていて、
上記複数の地中熱交換器（10）は、並列に接続されてい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の間で熱交換を行う地中熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被熱交換流体と地中の土壌との間で熱交換を行うように構成された地中熱交換器が知られている。このような地中熱交換器としては、相変化する熱媒体を介して被熱交換流体と土壌との間で熱交換を行う構成などが知られている。
【０００３】
具体的には、例えば特許文献１に開示されるように、熱媒体が収容されたパイプが地中に埋設されているとともに、地熱によって蒸発するパイプ内の熱媒体と熱交換するように、被熱交換流体の流れる熱交換器が設けられている。これにより、地中に埋設された上記パイプ内で蒸発した熱媒体の熱は、上記熱交換器によって被熱交換流体に伝わり、該被熱交換流体の流れる回路で暖房の熱源として利用される。
【０００４】
また、上述の構成以外にも、地中熱交換器の構成として、地中深くに縦向きに埋設されたチューブ内に被熱交換流体を流して地中の土壌と熱交換を行うチューブ方式や、チューブを地表面近くにループ状に埋設する水平方式などが考えられている。
【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】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に開示される構成では、地中に埋設されるパイプの上部が地表から露出していて、該上部で熱交換器内を流れる被熱交換流体と熱交換するように構成されているため、上記パイプを地中の比較的浅い部分に埋設する必要があり、気温の変化や地表面の温度の変化などの影響を受けやすい。したがって、冷房運転時に地中熱交換器によって地中の土壌へ放熱する夏期では、地表近くの土壌の温度が高くなる一方、暖房運転時に地中熱交換器によって地中の土壌から吸熱する冬期では、地表近くの土壌の温度が低くなり、効率良く熱交換できなくなる可能性がある。
【０００６】
また、細長いチューブを用いる上記チューブ方式では、熱交換性能を確保するためにチューブの長さを長くする必要があり、通常、地中１００ｍぐらいの掘削が必要になるため、設置費用が高くなる一方、上記水平方式では、上記特許文献１の構成と同様、地表面の近くにチューブが埋設され、気温や地表面の温度の影響を大きく受けるため、あまり熱交換効率の良くない構成であった。
【０００７】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外管内に、被熱交換流体の流れる伝熱管が挿入され且つ熱媒体が封入された地中熱交換器において、熱交換効率を大きく低下させることなく、設置費用の低減を図れるような構成を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る地中熱交換器（10）では、伝熱管（12）が挿入され且つ熱媒体が封入される外筒（11）を、地表面に露出することなく外表面全体が土壌によって覆われるように、地中に配置した。
【０００９】
具体的には、第１の発明では、地中に縦向きに埋設される外管（11）と、該外管（11）内に挿入されて内部を被熱交換流体が流れる伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備え、該熱媒体（13）の相変化を利用して土壌と熱交換を行うように構成された地中熱交換器を対象とする。そして、上記外管（11）は、地表面に露出しないように地中に埋設されていて、外表面全体が土壌によって覆われているものとする。
【００１０】
以上の構成により、外管（11）が地中に縦向きに埋設され、該外管（11）に挿入される伝熱管（12）内を流れる被熱交換流体が該外管（11）内に封入された熱媒体の相変化を利用して土壌と熱交換を行うように構成された地中熱交換器（10）において、上記外管（11）が地表に露出することなく、その外表面が土壌によって覆われるため、上記伝熱管（12）内の被熱交換流体と土壌との間で熱交換を確実に行うことができる。
【００１１】
しかも、上述のような構成を有する地中熱交換器（10）では、上記熱媒体の相変化を用いて熱交換を行うため、従来のチューブ式に比べて熱交換効率が良く、該チューブ式のように長いチューブを地中の奥深くに埋設する必要もないことから、設置費用を大幅に低減することができる。
【００１２】
また、上記地中熱交換器（10）は、地中に縦向きに埋設されるため、地表面の近くにループ状にチューブを配置する水平式に比べて温度が安定した土壌と熱交換を行うことができ、気温の変化や地表面の温度の変化の影響も受けにくい。
【００１３】
上述の構成において、上記外管（11）は、熱交換器として要求される能力を発揮できるような所定深さに埋設されているのが好ましい（第２の発明）。これにより、気温の変化や地表面の温度の変化などの影響を受けにくく、地中の土壌と熱交換して所定の能力を発揮可能な地中熱交換器（10）を得ることができる。
【００１４】
第３の発明は、上記第１または第２の発明に記載の地中熱交換器（10）を備えていて、冷凍サイクルを行う空調システムを対象とする。そして、上記地中熱交換器（10）を複数、備えていて、上記複数の地中熱交換器（10）は、並列に接続されているものとする。
【００１５】
この構成により、複数の地中熱交換器（10）によって必要な熱交換の性能を得ることができるため、従来の地中熱交換器に比べて地中熱交換器の長さを短くすることが可能になる。したがって、従来のように、地中熱交換器を地中に埋設するために地中深くまで掘削する必要がなくなるので、設置費用の低減を図れる。
【発明の効果】
【００１６】
以上より、第１の発明に係る地中熱交換器（10）において、被熱交換流体が流れる伝熱管（12）が挿入され且つ熱媒体が封入された外管（11）は、地表面に露出することなく、外表面が土壌によって覆われているため、上記被熱交換流体と土壌との熱交換を確実に行うことができる。したがって、熱交換性能が大きく低下することなく、従来の構成に比べて設置費用を低減可能な構成を有する地中熱交換器（10）を実現することができる。
【００１７】
また、第２の発明によれば、上記外管（11）は、熱交換器として要求される能力を発揮できるような所定の深さに配置されているため、熱交換器としての性能を安定して発揮することができる地中熱交換器（10）を得ることができる。
【００１８】
第３の発明に係る空調システムによれば、上記第１または第２の発明に記載の地中熱交換器（10）を複数、備えていて、それらの地中熱交換器（10）は並列に接続されているため、要求される熱交換能力を確保しつつ、設置費用の低減を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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。
【００２０】
本発明の実施形態に係る地中熱交換器は、暖房運転及び冷房運転が可能な空調システムに用いられ、暖房運転時に蒸発器として機能して地中の土壌から熱を回収する一方、冷房運転時に凝縮器として機能して地中の土壌に放熱するように構成されている。
【００２１】
＜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（10）を備えた空調システム（1）の概略構成図である。この空調システム（1）は、圧縮機（3）、四路切換弁（4）、室内熱交換器（5）、膨張弁（6）、及び地中に埋設される複数の地中熱交換器（10）が冷媒配管によって順に接続されてなる冷媒回路（2）を備えている。また、上記冷媒回路（2）には、冷媒（被熱交換流体）が封入されており、該冷媒が冷媒回路（2）内を循環することにより、暖房運転時には上記室内熱交換器（5）が凝縮器になり且つ上記地中熱交換器（10）が蒸発器になる一方、冷房運転時には上記室内熱交換器（5）が蒸発器になり且つ上記地中熱交換器（10）が凝縮器になって、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。なお、本実施形態では、上記複数の地中熱交換器（10）は、冷媒回路（2）に対して並列に接続されていて、それぞれの熱交換器（10）で地中の土壌と熱交換するように構成されている。
【００２２】
上記圧縮機（3）は、例えばスクロール圧縮機からなり、冷媒を吸入ポートから吸入して圧縮し、該圧縮した冷媒を吐出ポートから吐出するように構成されている。上記冷媒回路（2）において、上記圧縮機（3）の吐出ポートが上記四路切換弁（4）の第２ポート（P2）に接続され、該圧縮機（3）の吸入ポートが上記四路器切換弁（4）の第４ポート（P4）に接続されている。
【００２３】
上記四路切換弁（4）は、第１ポート（P1）が上記室内熱交換器（5）に接続され、第２ポート（P2）が上記圧縮機（3）の吐出ポートに接続され、第３ポート（P3）が上記地中熱交換器（10）に接続され、第４ポート（P4）が上記圧縮機（3）の吸入ポートに接続されている。上記四路切換弁（4）は、第１ポート（P1）と第２ポート（P2）とが互いに連通し且つ第３ポート（P3）と第４ポート（P4）とが互いに連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（P1）と第４ポート（P4）とが互いに連通し且つ第２ポート（P2）と第３ポート（P3）とが互いに連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とが切り換え可能になっている。
【００２４】
上記室内熱交換器（5）は、例えばクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器であり、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）において、上記室内熱交換器（5）は、空気調和を行う室内に配置された室内機に組み込まれている。また、上記冷媒回路（2）において、上記室内熱交換器（5）の一端は、膨張弁（6）に接続され、他の一端は、上記四路切換弁（4）の第１ポート（P1）に接続されている。さらに、上記室内熱交換器（5）の近傍には、該室内熱交換器（5）と熱交換した空気を室内へ流すための室内ファン（7）が設けられている。
【００２５】
上記膨張弁（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）の開度を変更することで、上記室内熱交換器（5）または地中熱交換器（10）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ることができる。
【００２６】
上記地中熱交換器（10）は、概略円柱状の外形を有しており、縦方向（鉛直方向）に延びるように地中に埋設されて内部を流れる冷媒と土壌とが熱交換を行うように構成されている。詳しくは後述するが、上記地中熱交換器（10）は、有底筒状の外管（11）と、該外管（11）内に収容されて上記冷媒が流れる伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備えている。上記地中熱交換器（10）では、伝熱管（12）内を流れる冷媒と外管（11）の外方の土壌とが熱媒体（13）を介して熱交換するように構成されている。
【００２７】
以上のような構成を有する空調システム（1）では、四路切換弁（4）が第１状態の場合、暖房運転が行われ、四路切換弁（4）が第２状態の場合、冷房運転が行われる。すなわち、暖房運転では、冷媒回路（2）において、地中熱交換器（10）が蒸発器として機能し且つ室内熱交換器（5）が凝縮器として機能する蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。一方、冷房運転では、冷媒回路（2）において、地中熱交換器（10）が凝縮器として機能し且つ室内熱交換器（5）が蒸発器として機能する蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。
【００２８】
＜地中熱交換器の構成＞
以下で、地中熱交換器（10）の構成について図２に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
上述のとおり、上記地中熱交換器（10）は、外管（11）と、その内部に収容される伝熱管（12）と、上記外管（11）内に封入される熱媒体（13）とを備えている。また、上記地中熱交換器（10）は、外管（11）が地表面に露出しないように地中に埋設されていて、該外管（11）の外表面全体が土壌によって覆われている。具体的には、上記地中熱交換器（10）は、地表面から約５ｍ〜１０ｍの範囲に埋設されている。この深さは、例えば図６に示すように、地表面（図中の地中深さ０ｍ）での温度が大きく変動した場合でも、該地表面の温度変化の影響を受けにくく、熱交換器として要求される能力を発揮できるような深さ（所定深さ）である。したがって、上記地中熱交換器（10）を上記深さに埋設することにより、内部の伝熱管（12）を流れる冷媒と地中の土壌との熱交換を安定して且つ効率良く行うことができる。しかも、従来の構成（チューブ方式）に比べて掘削する深さが浅くなるため、設置費用を低減することができる。なお、上記図６は、地中の土壌の温度変化を計算式によって求めた一例を示したものであり、夏（図の右側）及び冬（図の左側）の場合に、土壌の状態（実線：平均的な水分を含む土壌、破線：湿った土壌、一点鎖線：やや乾燥した土壌）に応じて地中深さによって土壌の温度がどのように変わるのかを示している。
【００３０】
上記外管（11）は、金属製の筒状部材の両端が金属製の板部材によって閉塞されたものであり、その内部に空間（S）が形成されている。また、上記外管（11）は、空間（S）内に上記熱媒体（13）として所定量の二酸化炭素（ＣＯ２）を封入可能な密閉構造を有している。さらに、上記外管（11）の空間（S）内には、内部を冷媒が流れる上記伝熱管（12）が収容されている。この伝熱管（12）は、上記外管（11）の一方の端面（地表側の端面）を構成する板部材を貫通して上記冷媒回路（2）の冷媒配管に接続されている。ここで、上記外管（11）は、地中に筒軸方向が略鉛直方向になるように縦向きに埋設される。なお、地中に略鉛直方向に外管（11）を埋設するのが理想であるが、ある程度の傾斜は許容される。
【００３１】
上記伝熱管（12）は、銅製であり、上記冷媒回路（2）の流路の一部を構成するように内部を冷媒が流れる管状の部材からなる。この実施形態では、上記伝熱管（12）は、上記外管（11）の頂部から底部へ延びて該底部で折曲して頂部へ戻るように形成されていて、両端部が上記外管（11）の一方の端面を構成する板部材を貫通して外部へ突出するように上記外管（11）内に収容されている。具体的には、上記伝熱管（12）は、上記膨張弁（6）に一端側で繋がる第１接続部（12a）と、該第１接続部（12a）の他端側に接続される本体部（12c）と、該本体部（12c）に一端側で接続され且つ上記四路切換弁（4）の第３ポート（P3）に他端側で繋がる第２接続部（12b）とを備えている。これらの接続部（12a,12b）は、上記外管（11）の一方の端面（地表側の端面）を構成する板部材を貫通するように設けられている一方、上記本体部（12c）は、上記外管（11）の内面に沿うように配設されている。
【００３２】
上記本体部（12c）は、上記第１接続部（12a）の他端側に接続されて上記外管（11）の底部まで延びる直線状の第１本体部（12d）と、該第１本体部（12d）に接続されて上記外管（11）の頂部まで延びる螺旋状の第２本体部(12e）とからなる。このように、上記第２本体部（12e）を螺旋状に形成することで、該第２本体部（12e）内を流れる冷媒が上記外管（11）内に封入された二酸化炭素（13）と熱交換する部分の表面積を拡大することができ、該冷媒と二酸化炭素（13）との間で効率良く熱交換を行うことができる。
【００３３】
上記螺旋状の第２本体部（12e）は、上記外管（11）の内周面に接触するように配置されていて、螺旋状の第２本体部（12e）の内方に該第２本体部（12e）と接するように上記第１本体部（12d）が配置されている。このように、上記第２本体部（12e）を外管（11）の内周面に接触させることで、後述するように、上記第２本体部（12e）の外周面若しくは外管（11）の内周面で凝縮した二酸化炭素（13）が該外管（11）の内周面若しくは第２本体部（12e）の外周面へ移動することができ、それらの表面で二酸化炭素（13）の蒸発が可能となる。
【００３４】
すなわち、図４に示すように、上記空調システム（1）の暖房運転時には、地中熱交換器（10）の伝熱管（12）内を、地中の土壌の温度よりも飽和温度の低い低圧冷媒が流れるため、上記土壌の温度よりも低く且つ上記低圧冷媒の温度よりも高い飽和温度を有する外管（11）内の二酸化炭素（13）が上記伝熱管（12）の外表面で凝縮する。このとき、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）内を流れる冷媒は、二酸化炭素（13）の凝縮熱によって蒸発し、圧縮機（3）の吸入ポートから吸入される。
【００３５】
上述のように、上記第２本体部（12e）と外管（11）の内周面とは接触しているため、上記凝縮した二酸化炭素（13）は、上記第２本体部（12e）の外周面から上記外管（11）の内周面上へ移動し、該内周面上で地中の土壌の熱によって蒸発（気化）する。気化した二酸化炭素（13）は、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）によって冷却されると再び凝縮する。
【００３６】
一方、図５に示すように、上記空調システム（1）の冷房運転時には、地中熱交換器（10）の伝熱管（12）内を、地中の土壌の温度よりも飽和温度の高い高圧冷媒が流れる。上記外管（11）内の二酸化炭素（13）は、上記土壌の温度よりも高く且つ上記高圧冷媒の温度よりも低い飽和温度を有するため、上記伝熱管（12）の外表面上で気化する一方、上記外管（11）の内周面上では凝縮する。
【００３７】
すなわち、上述のように、上記第２本体部（12e）と外管（11）の内周面とは接触しているため、該外管（11）の内周面上で凝縮した二酸化炭素（13）は、上記第２本体部（12e）の外周面へ移動し、該外周面上で冷媒の熱によって気化する。気化した二酸化炭素（13）は、上記外管（11）の内周面によって冷却されると再び凝縮する。上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外表面上で二酸化炭素（13）が気化する際、該第２本体部（12e）内を流れる冷媒は、二酸化炭素（13）の蒸発により熱を奪われて凝縮し、膨張弁（6）へ流れる。
【００３８】
また、本実施形態では、図３に示すように、上記外管（11）の内周面に、該外管（11）の周方向に水平に延びる溝（11a）が長手方向に並んで複数、形成されている。また、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面にも、上記外管（11）の内周面の溝（11a）に対して平行に、且つ、上記伝熱管（12）の周方向に水平に延びる溝（12f）が長手方向に並んで複数、形成されている。
【００３９】
このように、上記外管（11）の内周面及び上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面に、それぞれ溝（11a,12f）を形成することにより、暖房運転時に上記第２本体部（12e）の外周面上で凝縮した二酸化炭素（13）、及び、冷房運転時に上記外管（11）の内周面上で凝縮した二酸化炭素（13）を、それぞれ、上記溝（11a,12f）内で保持することができ、外管（11）の下部に流れ落ちるのを防止することができる。しかも、上述のように、上記溝（11a,12f）は、外管（11）の内周面及び伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面に周方向且つ水平方向に延びるように設けられているため、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上や上記外管（11）内周面上で、凝縮した二酸化炭素（13）を該外管（11）の周方向（水平方向）に拡げることができ（上記図４及び図５参照）、冷媒及び土壌と該二酸化炭素（13）との熱交換を効率良く行うことができる。したがって、上記溝（11a,12f）を設けることによって、二酸化炭素（13）を介して伝熱管（12）内の冷媒と外管（11）の外方の土壌との熱交換を効率良く行うことができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、上記外管（11）の内周面に形成された溝（11a）と上記伝熱管（12）の外周面に形成された溝（12f）とが略平行になるように形成されているが、この限りではなく、溝（11a,12f）同士が交差していてもよく、該溝（11a,12f）が水平方向に対して若干、上下に傾いていてもよい。
【００４１】
−運転動作−
次に、上述のような構成を有する空調システム（1）の動作について図１、図４及び図５に基づいて説明する。
【００４２】
（暖房運転）
図１に示すように、暖房運転の開始時には、まず、四路切換弁（4）を第１状態に切り換える。そして、圧縮機（3）が運転状態になると、圧縮された高圧の冷媒（ガス冷媒）が圧縮機（3）の吐出ポートから吐出され、上記四路切換弁（4）を介して室内熱交換器（5）内に流入する。この室内熱交換器（5）において、上記高圧冷媒は室内空気へ放熱し凝縮する。この凝縮熱によって室内空気は暖められ、室内の暖房が行われる。上記室内熱交換器（5）で凝縮した冷媒は、該室内熱交換器（5）から流出して、膨張弁（6）で減圧され、地中熱交換器（10）へ導入される（図１中の実線矢印）。なお、上記膨張弁（6）では、地中の土壌の温度よりも飽和温度が低くなるように、冷媒を減圧する。
【００４３】
上記地中熱交換器（10）へ流入した低圧冷媒は、外管（11）内の二酸化炭素（13）を介して地中の熱を吸収し、蒸発する。このとき、上記地中熱交換器（10）は、外管（11）の外表面全体が土壌に覆われており且つ周囲の土壌の温度が安定した深さに埋設されているため、地中の土壌との間で熱交換を効率良く行うことができる。上記地中熱交換器（10）で蒸発した冷媒は地中熱交換器（10）を流出し、上記四路切換弁（4）を介して上記圧縮機（3）に再度吸入され、所定圧力まで圧縮されて吐出される。
【００４４】
このように、冷媒回路（2）内を冷媒が循環して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことで、室内の暖房が行われる。
【００４５】
次に、上記地中熱交換器（10）内での冷媒及び二酸化炭素（13）の状態変化について説明する。
【００４６】
上述のように、地中の土壌の温度よりも飽和温度が低い低圧の冷媒が、地中に埋設された地中熱交換器（10）内の伝熱管（12）の本体部（12c）内に流入すると、図４に示すように、該地中熱交換器（10）の外管（11）内に封入され且つ上記冷媒よりも飽和温度の高い二酸化炭素（13）が、上記伝熱管（12）の本体部（12c）上で凝縮する。この二酸化炭素（13）の凝縮熱によって、上記伝熱管（12）内の冷媒が蒸発し、上記地中熱交換器（10）から流出した後、上記圧縮機（3）に吸入される。
【００４７】
一方、上記地中熱交換器（10）の外管（11）内では、凝縮した二酸化炭素（13）が上記伝熱管（12）の螺旋状の第２本体部（12e）の外周面に形成された溝（12f）を伝って、該第２本体部（12e）と接触する外管（11）の内周面に移動する。該外管（11）の内周面上では、上記二酸化炭素（13）が該外管（11）の内周面上に形成された溝（11a）内に保持されるとともに、地中の土壌の熱によってに二酸化炭素（13）が気化し、該気化した二酸化炭素（13）は、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）を流れる冷媒によって再び凝縮される。
【００４８】
（冷房運転）
冷房運転の開始時には、まず、四路切換弁（4）を第２状態に切り換える。そして、圧縮機（3）が運転状態になると、圧縮された高圧冷媒が圧縮機（3）の吐出ポートから吐出され、上記四路切換弁（4）を介して地中熱交換器（10）に流入する（図１中の破線矢印）。この地中熱交換器（10）へ流入した高圧冷媒は、外管（11）内の二酸化炭素（13）を介して地中の土壌に放熱し、凝縮する。このときも、外管（11）の外表面全体が土壌に覆われていて且つ周囲の土壌の温度が安定した深さに埋設された地中熱交換器（10）は、地中の土壌との間で効率良く熱交換を行うことができる。該地中熱交換器（10）で凝縮した冷媒は、地中熱交換器（10）から流出して、膨張弁（6）で減圧され、室内熱交換器（5）へ導入される。なお、上記膨張弁（6）では、室内の温度よりも飽和温度が低くなるように、冷媒を減圧する。
【００４９】
上記室内熱交換器（4）へ流入した低圧冷媒は、室内の空気の熱を吸収し、蒸発する。蒸発した冷媒は室内熱交換器（4）を流出し、上記四路切換弁（4）を介して上記圧縮機（3）に再度吸入され、所定圧力まで圧縮されて吐出される。
【００５０】
このように、冷媒回路（2）内を冷媒が循環して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことで、室内の冷房が行われる。
【００５１】
次に、上記地中熱交換器（10）内での冷媒及び二酸化炭素（13）の状態変化について説明する。
【００５２】
図５に示すように、上述のような冷房運転では、上記地中熱交換器（10）の外管（11）内に封入され、上記冷媒の温度よりも飽和温度が低く且つ地中の土壌の温度よりも飽和温度が高い二酸化炭素（13）が、外管（11）の内周面上で地熱によって凝縮する。凝縮した二酸化炭素（13）は、上記外管（11）の内周面に形成された溝（11a）を伝って、該外管（11）の内周面と接触する伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面に移動し、その表面に形成された溝（12f）によって保持される。この伝熱管（12）内には、上記二酸化炭素（13）の飽和温度よりも温度の高い高圧冷媒が流れているため、該伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上で二酸化炭素（13）が気化する。このとき、上記伝熱管（12）内の冷媒は、二酸化炭素（13）に熱を奪われて凝縮し、地中熱交換器（10）から膨張弁（6）へ流出する。
【００５３】
一方、上記伝熱管（12）の第２本体部（12e）の外周面上で蒸発した二酸化炭素（13）は、外管（11）の内周面上で再び凝縮される。
【００５４】
−実施形態の効果−
以上より、この実施形態によれば、地中に縦向きに埋設される外管（11）内に、内部を冷媒が流れる伝熱管（12）が挿入され、且つ、熱媒体としての二酸化炭素（13）が封入されてなる地中熱交換器（10）において、該地中熱交換器（10）を、上記外管（11）が地表面に露出することなく該外管（11）の外表面全体を土壌で覆うように地中に埋設したため、上記外管（11）の外表面全体に土壌が接して、該外管（11）内に封入された二酸化炭素（13）と該外管（11）の周囲の土壌との間で効率良く熱交換を行うことができる。
【００５５】
しかも、上記地中熱交換器（10）は、上記外管（11）の外表面全体が土壌によって覆われているため、熱交換器の一部が地表に露出している場合に比べて地表面の温度の影響を受けにくく、熱交換器としてより高い能力を発揮することができる。
【００５６】
また、上記地中熱交換器（10）を、熱交換器として要求される能力を発揮できるような所定の地中深さに埋設することで、上記地中熱交換器（10）に要求される能力を安定して発揮させることができ、地熱を用いた空調システム（1）をより確実に実現することができる。
【００５７】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００５８】
上記実施形態では、地中に埋設された地中熱交換器（10）に対して、冷媒回路（2）を構成する各機器（3,4,6）を地上に設置するようにしているが、この限りではなく、これらの機器（3,4,6）を家の地下室内に設置してもよい。すなわち、図７に示すように、家（21）などの建物の地下室（22）内に、冷媒回路（2）を構成する各機器（3,4,6）を配置して、その地下室（22）を基準にしてそれよりも深い位置に上記地中熱交換器（10）を埋設してもよい。なお、この場合には、上記図７に示すように、上記地中熱交換器（10）の上部を冷媒配管を介して上記各機器（3,4,6）と接続できるように、該上部を地下空間（23）内に露出させるのが好ましい。
【００５９】
また、上記実施形態では、外管（11）内の熱媒体として二酸化炭素（13）を用いているが、この限りではなく、−１０度から４０度の間で相変化する媒体であれば、どのようなものであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、伝熱管（12）の第２本体部（12e）のみを螺旋状に形成し、その外表面に溝（12f）を形成しているが、この限りではなく、第１本体部（12d）も螺旋状に形成して、その外周面に溝を形成してもよい。なお、この場合には、螺旋状の第１本体部（12d）も外管（11）の内周面に接触するように配置する。また、上記第１本体部（12d)及び第２本体部（12e）の一部を螺旋状に形成してもよい。さらに、伝熱管（12）の螺旋状以外の部分が上記外管（11）の内周面に接触していて、該外管（11）の内周面と接触している伝熱管（12）の外周面上に溝を形成してもよい。さらにまた、外管（11）の内周面や伝熱管（12）の外周面に溝を設けない構成であってもよい。
【００６１】
また、上記実施形態では、伝熱管（12）の第２本体部（12e）を螺旋状に形成しているが、この限りではなく、該伝熱管（12）の入口側と出口側との間の圧損が熱交換効率に影響を与えないような形状であれば、どのような形状であってもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では、一つの外管（11）内に１本の伝熱管（12）を収容することによって地中熱交換器（10）を構成しているが、この限りではなく、上記外管を長さ方向に分割するとともに、それに合わせて上記伝熱管も分割し、それらを組み合わせる構成であってもよい。また、上記実施形態では、複数の地中熱交換器（10）を並列に接続しているが、この限りではなく、一部若しくは全部を直列に接続してもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、外管（11）内に挿入される伝熱管（12）を銅製としているが、この限りではなく、アルミ、アルミ合金、鉄、あるいは複合材料など、熱伝導率や耐食性に優れた材料であればどのような材料であってもよい。
【００６４】
また、上記実施形態では、空調システム（1）における冷媒回路（2）内の冷媒の流れ方向を四路切換弁（4）を用いて切り換えるように構成されているが、この限りではなく、冷媒の流れ方向を切り換え可能な構成であればどのような構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、冷媒と地中の土壌との間で熱交換を行う地中熱交換器に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る地中熱交換器を備えた空調システムの概略構成図である。
【図２】図２は、地中熱交換器の概略構成を示す縦断面図である。
【図３】図３は、地中熱交換器の外管及び伝熱管の概略構成を部分的に拡大して示す斜視図である。
【図４】図４は、暖房運転時における地中熱交換器内部での二酸化炭素の相変化を示す部分拡大断面図である。
【図５】図５は、冷房運転時における地中熱交換器内部での二酸化炭素の相変化を示す図４相当図である。
【図６】図６は、土壌の温度と地中深さとの関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、その他の実施形態に係る地中熱交換器の設置例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１    空調システム
２    冷媒回路
３    圧縮機
４    四路切換弁
５    室内熱交換器
６    膨張弁
７    室内ファン
１０    地中熱交換器
１１    外管
１１ａ  溝
１２    伝熱管
１２ａ  第１接続部
１２ｂ  第２接続部
１２ｃ  本体部
１２ｄ  第１本体部
１２ｅ  第２本体部
１２ｆ  溝
１３    二酸化炭素（熱媒体）
２１    家
２２    地下室
２３    地下空間
Ｓ    空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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