(57)【要約】【課題】地中又は水中に設置される熱交換器における熱交換性能を向上させる。【解決手段】地中又は水中に設置される熱交換器において、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、外管（51）内に挿入されて冷媒が内部に導入された蒸発管（52）とを設け、外管（51）内に熱媒体を封入する。そして、蒸発管（52）の外側には、該蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を外管（51）の内壁面に導くフィン（55）を設ける。【選択図】図２
2009287914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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）内に挿入されて冷媒が内部に導入された蒸発管（52）と、前記外管（51）内に封入された熱媒体とを備え、前記熱媒体の相変化を利用して地熱を回収する熱交換器であって、
前記蒸発管（52）の外側には、該蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を前記外管（51）の内壁面に導くフィン（55）が設けられていることを特徴とする熱熱交換器。
【請求項２】
請求項１の熱熱交換器において、
前記フィン（55）は、傘状に形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１の熱交換器において、
前記フィン（55）は、前記外管（51）の内壁面に向かって傾斜した溝が表面に設けられた板状に形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１の熱交換器において、
前記フィン（55）は、スパイラ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５】
請求項１の熱交換器において、
前記フィン（55）と前記外管（51）の内壁面との間には、蒸発した熱媒体が流通する隙間が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項１の熱交換器において、
前記外管（51）の内壁面には、ウイック（56）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１の熱交換器において、
前記蒸発管（52）の内壁面には、ウイック（57）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項１の熱交換器において、
前記熱媒体は、二酸化炭素（ＣＯ２）であることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちの何れか１項の熱交換器を備えて冷凍サイクルを行うことを特徴とする空調システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のうちの何れか１項の熱交換器において、
冷媒が内部に導入されて冷房運転時に凝縮器となる冷房用伝熱管（70）が、前記外管（51）内に設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
請求項１０の熱交換器を備えて冷凍サイクルを行う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、地中又は水中に設置される熱交換器、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】
冷凍サイクルによって暖房を行ういわゆるヒートポンプ式暖房システムには、熱源として地熱や水中の熱を用いて冷媒を蒸発させるようにしたものがある。例えば、地熱を利用したヒートポンプ式暖房システムには、地中から地熱の回収を行う地中熱交換器が用いられる（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、熱媒体を内部に有したパイプ（本明細書では埋設パイプと呼ぶ）を地中に埋設し、埋設パイプ内の熱媒体を地熱によって蒸発させる。そして、その埋設パイプからパイプを分岐させてその分岐パイプに熱交換器を取り付け、その熱交換器で回収した熱をヒートポンプ式暖房システムの熱源として使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば土壌から採熱する地中熱交換器の場合、一般的に土壌の伝熱抵抗が大きいため、従来の地中熱交換器の熱交換性能では、小型のものを用いると、十分な熱量を得るのが困難であった。そのため、例えば垂直方向に地中熱交換器を埋設するいわゆる垂直式地中熱交換器で十分な熱量を得ようとすると、かなりの深さまで地中熱交換器を埋設する必要がある。具体的には、一般家庭用の暖房システムにおける地中熱交換器で、１００ｍ程度の埋設深さを要する例もある。このように地中熱交換器の埋設深さを要すると、その設置費用が問題となる。また、パイプ内における作動流体の凝縮部の面積が蒸発部の面積に対して小さく、気化と凝縮の熱バランスが悪い。しかも、凝縮した作動流体は、パイプ上部から流れるものの、長いパイプ壁面を均一に濡らすことにはならない、即ち、地中熱からの熱交換を効率よく行なえるものではなかった。
【０００５】
また、広く用いられる、地中熱交換器内部に水を循環させてその循環水の熱を利用する方式では、このような深さに埋設したパイプ内に水を流すチューブラインとそのチューブ内を流れる熱媒体を搬送するためにポンプが必要になり、そのポンプの消費電力が暖房システム全体の効率を低下させるという問題もある。
【０００６】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、地中又は水中に設置される熱交換器における熱交換性能を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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れる外管（51）と、前記外管（51）内に挿入されて冷媒が内部に導入された蒸発管（52）と、前記外管（51）内に封入された熱媒体とを備え、前記熱媒体の相変化を利用して地熱を回収する熱交換器であって、
前記蒸発管（52）の外側には、該蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を前記外管（51）の内壁面に導くフィン（55）が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、フィン（55）が、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を外管（51）の内壁面に導いて、外管（51）の内壁面に接触させる。
【０００９】
また、第２の発明は、
第１の発明の熱熱交換器において、
前記フィン（55）は、傘状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、傘状のフィン（55）がその上面上を、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を伝わせて、外管（51）の内壁面に導く。
【００１１】
また、第３の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記フィン（55）は、前記外管（51）の内壁面に向かって傾斜した溝が表面に設けられた板状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、フィン（55）に設けられた溝が、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を外管（51）の内壁面に導く。
【００１３】
また、第４の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記フィン（55）は、スパイラル状に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
これにより、スパイラル状に形成されたフィン（55）が、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体を、上方から下方に向かって流しつつ、外管（51）の内壁面に導く。
【００１５】
また、第５の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記フィン（55）と前記外管（51）の内壁面との間には、蒸発した熱媒体が流通する隙間が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、前記外管（51）の内壁面に接触して気化した熱媒体は、フィン（55）と前記外管（51）内壁のすき間から上下いずれの方向にも移動できる。
【００１７】
また、第６の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記外管（51）の内壁面には、ウイック（56）が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、ウイック（56）が、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体をその内部に浸透させて、外管（51）の内壁面に広範にわたり接触させる。
【００１９】
また、第７の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記蒸発管（52）の内壁面には、ウイック（57）が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、ウイック（57）が、蒸発管（52）内の下方に溜まった液体の冷媒をその内部に浸透させて、蒸発管（52）の内壁面に接触させる。
【００２１】
また、第８の発明は、
第１の発明の熱交換器において、
前記熱媒体は、二酸化炭素（ＣＯ２）であることを特徴とする。
【００２２】
これにより、外管（51）内で二酸化炭素が相変化して地熱が回収される。
【００２３】
また、第９の発明は、
第１から第８の発明のうちの何れか１つの熱交換器を備えて冷凍サイクルを行うことを特徴とする空調システムである。
【００２４】
これにより、地熱を熱源として暖房が行われる。この際、熱交換器内の蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体が、フィン（55）によって外管（51）の内壁面に導かれて、外管（51）の内壁面に接触させられる。
【００２５】
また、第１０の発明は、
第１から第８の発明のうちの何れか１つの熱交換器において、
冷媒が内部に導入されて冷房運転時に凝縮器となる冷房用伝熱管（70）が、前記外管（51）内に設けられていることを特徴とする。
【００２６】
これにより、冷房用伝熱管（70）内の冷媒が、熱媒体を介して、地中又は水中に放熱して凝縮する。
【００２７】
また、第１１の発明は、
第１０の発明の熱交換器を備えて冷凍サイクルを行うことを特徴とする空調システムである。
【００２８】
これにより、地熱を熱源として暖房が行われる。この際、熱交換器内の蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体が、フィン（55）によって外管（51）の内壁面に導かれて、外管（51）の内壁面に接触させられる。フィン（55）は傘、あるいは、スパイラル状で、凝縮箇所近傍の外管（51）の内壁面に導く。また、２流体（冷媒、熱媒体）それぞれの気化壁面のウイックは、液の壁面のへ導入、及び広範な接触を助ける。即ち、熱交換器を長さ方向に均一、且つ有効に動作させられる。
【発明の効果】
【００２９】
第１、第２、第３、及び第４の発明によれば、蒸発管（52）の外側で凝縮した熱媒体がフィン（55）によって外管（51）の内壁面に導かれて、外管（51）の内壁面に接触させられるので、液体の熱媒体が該内壁面の広範囲にわたって広がって接触させられる。これにより、外管（51）内における熱媒体の偏流や濡れの偏りを防止できる。すなわち、液体となった熱媒体を効率よく蒸発させることができる。また、熱抵抗の大きい地中や水中においての採熱により、外管（51）の外壁面に温度の分布が生じても、このヒートパイプ方式の採熱では蒸気が温度分布を防止する機能をもつ。さらに、外管（51）の内部に蒸発管（52）を深く導入するので、蒸発壁面からの凝縮壁面までの距離が一様に短なり、長さの長い熱交換器を、長さ方向に均一且つ有効に作用させることを可能にした。以上により、熱交換器における熱交換性能が向上し、この熱交換性能の向上により、熱交換器の小型化が可能になる。
【００３０】
また、第５の発明によれば、外管（51）の内壁面に接触して気化した熱媒体が、フィン（55）と前記外管（51）内壁のすき間から上下いずれの方向にも移動できるので、熱交換の効率がさらに向上する。
【００３１】
また、第６の発明によれば、ウイックがその内部に浸透した熱媒体を外管（51）の内壁面に、より広範にわたり接触させるので、より効果的に熱媒体を蒸発させることができる。また、パイプ内を上昇する蒸気流が壁面に接触した液を吹き飛ばすことも防止される。すなわち、熱交換の効率がさらに向上する。
【００３２】
また、第７の発明によれば、ウイック（57）が、蒸発管（52）内の下方に溜まった液体の冷媒をその内部に浸透させて、蒸発管（52）の内壁面に接触させるので、より効果的に熱媒体を蒸発させることができる。また、この際、冷媒が液相と気相とに分離されて熱交換（蒸発）が行われるので、蒸発管（52）内における冷媒の偏流や濡れの偏りを効果的に防止できる。
【００３３】
また、第８の発明によれば、二酸化炭素を熱媒体に用いたことにより、より効率よく、地中又は水中において集熱を行える。
【００３４】
また、第９の発明によれば、暖房システム（空調システム）における熱交換性能が向上する。この熱交換性能の向上により、熱交換器の小型化が可能になり、延いては暖房システムの低コスト化も期待できる。
【００３５】
また、第１０の発明によれば、熱交換器（50）を冷房運転にも使用できる。
【００３６】
また、第１１の発明によれば、地中又は水中において熱交換を行って冷房及び暖房を行う空調システムにおいて、暖房運転時の熱交換性能が向上する。つまり、構造に特徴のある本熱交換器内で、２つの流体の相変化を利用した熱交換は、長い熱交換器を用いて、しかも、熱抵抗の大きい地中又は水中においても、その全長を有効に利用し、熱交換器内部の温度分布が少ない熱採熱が効率よく行なえる。従って、地中や水中の熱を利用しても、長さを最小限にできるので、安価な熱交換器を提供でき、また、ファンやポンプ動力等が不要となるので、高効率で少ない費用での暖房が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態１に係る地中熱交換器を含んだ暖房システムのシステム図である。
【図２】地中熱交換器の構成を示す断面図であり、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図である。
【図３】地中熱交換器を地中に設置した状態を模式的に示す図である。
【図４】傘状のフィンにおける熱媒体の流れを説明する図である。
【図５】フィンの構成例を示す断面図である。
【図６】フィンの他の構成例を示す図であり、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図である。
【図７】フィンの表面に形成された溝形状を示す図である。
【図８】フィン表面溝の他の構成例を示す図である。
【図９】フィンのさらに他の構成例を示す図であり、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図である。
【図１０】外管の他の構成例を示す図である。
【図１１】蒸発管の他の構成例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態４に係る地中熱交換器を含んだ冷暖房システム（空調システム）のシステム図である。
【図１３】本発明の実施形態４に係る地中熱交換器の構成を示す断面図であり、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図である。
【図１４】熱交換器（50）を水中に設置した状態を模式的に示す図である。
【図１５】熱交換器（50）を傾斜して設置した状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制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る構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
《発明の実施形態１》
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の空気調和装置（暖房システム）において、地熱を熱源として暖房用の熱を集熱する。なお、ここで土壌とは、土砂のみで形成されたものの他に、土砂と水の両方を含んだいわゆる帯水層や、岩石が連続して分布している岩盤も含まれる。すなわち、この地中熱交換器は、設置される場所や深さによっては、土砂の他にも地中の水、岩盤、或いはそれらの全てに渡って熱交換を行う場合がある。
【００４０】
＜暖房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）を含んだ暖房システム（1）のシステム図である。図１に示すように、本実施形態の暖房システム（1）は、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、この冷媒回路（10）には、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）が充填されている。
【００４１】
この圧縮機（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機を採用できる。この冷媒回路（10）では、圧縮機（20）は、吸入管が地中熱交換器（50）（詳しくは後述の導出管（54））に接続され、その吐出ポートが配管を介して室内熱交換器（30）の流入孔に接続されている。
【００４２】
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。この暖房システム（1）では、室内熱交換器（30）は、暖房を行う室内に配置されたいわゆる室内機に組み込まれ、圧縮機（20）から送られた高圧冷媒の熱を室内空気へ放熱させる。室内熱交換器（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）の流入孔に接続され、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、室内ファン（41）が設置されている。室内ファン（41）は、空気調和を行った空気を室内へ送風する。
【００４３】
膨張弁（40）は、流出孔が地中熱交換器（50）（詳しくは後述の導入管（53））に接続され、室内熱交換器（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。
【００４４】
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）は、図２の(A)及び(B)に示すように、外管（51）、蒸発管（52）、及びフィン（55）を備えている。
【００４５】
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）を地中に設置した状態を模式的に示す図である。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）が設置された状態を示しているが、例えば、何れかの地層のみにおいて地中熱交換器（50）が熱交換を行うように設置してもよい。
【００４６】
蒸発管（52）は、両端が閉じた管状に形成され、外管（51）内のほぼ中心に挿入されている。この蒸発管（52）は、例えば銅管などによって形成される。この蒸発管（52）の上方側（外管（51）を埋設した状態で地表側となる側）からは、該蒸発管（52）内に冷媒を導入する導入管（53）が挿入されている。この導入管（53）は、蒸発管（52）の底面付近まで延在して該蒸発管（52）内で開口している。また、蒸発管（52）の上方側には、該蒸発管（52）内のガス冷媒を導出する導出管（54）が接続されている。この導出管（54）は、一端側が蒸発管（52）のほぼ上端付近で蒸発管（52）内に開口し、その他端側が圧縮機（20）の吸入ポートに接続されている。つまり、蒸発管（52）では、冷媒（後述するように二相の冷媒）が導入管（53）によって、該蒸発管（52）内に底面側から導入され、蒸発管（52）内で蒸発した冷媒（すなわちガス冷媒）が蒸発管（52）の上方の導出管（54）から導出される構造になっている。
【００４７】
上記の外管（51）内には、熱媒体として、所定の量の二酸化炭素（ＣＯ２）が封入されている。この熱媒体は後に詳述するように、外管（51）の内壁面から伝導した地熱から吸熱して蒸発するとともに、蒸発管（52）の外壁面において吸熱されて凝縮する。この際、蒸発管（52）では、外壁面から吸熱した熱によって内部の冷媒が蒸発させられる。すなわち、この地中熱交換器（50）では、外管（51）内の熱媒体の相変化を利用して地熱を回収する。なお、封入する熱媒体は、土壌の温度と、熱媒体の実用的な封入量（蒸気圧）を考慮すると、上記の二酸化炭素が熱交換効率に関して有利な熱媒体のひとつであるが、勿論、封入する熱媒体はこの二酸化炭素には限定されない。
【００４８】
また、蒸発管（52）の外側には、該蒸発管（52）の外壁面で凝縮した熱媒体を外管（51）の内壁面に導くフィン（55）が設けられている。本実施形態では図２に示すように、複数のフィン（55）が蒸発管（52）の軸方向に沿って、ほぼ等間隔に設置されている。それぞれのフィン（55）は、本実施形態では傘状に形成されている。この傘状のフィン（55）は、傘の頂点側が設置状態で上になるように、蒸発管（52）の外周面に取り付けられている。この傘状のフィン（55）により、蒸発管（52）の外壁面で凝縮した熱媒体は、図４に示すように、フィン（55）の上面を伝って外管（51）の内壁面に向かって流れる。
【００４９】
このフィン（55）の外縁と外管（51）の内壁面とは、ところどころ接している箇所があってもよいが、外縁と内壁面との間には、隙間を設けて蒸発した熱媒体が流通できるようにしておく。ただし、フィン（55）の外縁全周に渡って隙間を設け際には、隙間は、フィン（55）外縁の熱媒体（液体）が、外管（51）の底に落下せずに外管（51）の内壁面に付着する程度に設定しておく。このような隙間を設けることで、外管（51）の内壁面に接触して気化した熱媒体は、フィン（55）と外管（51）内壁との隙間を通って上下いずれの方向にも移動できる。例えば、図５は、フィン（55）の外縁を歯車型に形成した例である。この例では、歯車の歯に相当する部分が外管（51）の内壁面に接している。そのため、熱媒体（気体）は、歯車の歯に相当する部分では流通が妨げられるが、歯底に相当する部分を通って、上下いずれの方向にも自由に移動できる。また、この例では、接している箇所を伝って熱媒体（液体）が外管（51）の内壁面に向かって流れるし、隙間部分でも、十分に小さな隙間であれば、その部分の熱媒体（液体）が外管（51）の内壁面に付着する。
【００５０】
−運転動作−
次に、暖房システム（1）における暖房運転中の動作について説明する。
【００５１】
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）から吐出された冷媒は、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（30）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（41）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）に流入した冷媒は、膨張弁（40）を通過する際に減圧され、その後に導入管（53）を介して地中熱交換器（50）内の蒸発管（52）へ送られる。この導入された冷媒は、気液二相の状態であり、液冷媒は、蒸発管（52）の底面に一旦溜まる。
【００５２】
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、蒸発管（52）の外壁面と接すると、蒸発管（52）によって吸熱されて、凝縮して液体となる。そして、液体となった熱媒体は、フィン（55）の上面を伝って流れ、外管（51）の内壁面まで案内される。外管（51）の内壁面に案内された熱媒体（液体）は、外管（51）の内壁面に付着して広がり、内壁面を介して地中から地熱を吸熱して蒸発する。一方、蒸発管（52）は、外管（51）内の熱媒体の蒸気と接しているので、蒸発管（52）内の冷媒は、蒸発管（52）を介して蒸気の熱媒体から吸熱して蒸発させられる。このように、この地中熱交換器（50）では、外管（51）内の熱媒体の相変化を利用して地熱を回収する。
【００５３】
蒸発管（52）内で蒸発した冷媒は、導出管（54）から圧縮機（20）に導出される。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）へ吐出する。この暖房システム（1）では、以上の動作が繰り返され、地中熱交換器（50）を熱源として圧縮機（20）で冷媒を圧縮する冷凍サイクル（この例では暖房）が行われる。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、蒸発管（52）の外壁面で凝縮した熱媒体がフィン（55）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）内における長さ即ち軸方向の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させることができる。これにより、地中熱交換器（50）における熱交換性能が向上し、この熱交換性能の向上により、地中熱交換器の小型化が可能になる。また、小型化により、暖房システムの低コスト化も期待できる。
【００５５】
《発明の実施形態２》
実施形態２ではフィン（55）の他の構成例を説明する。
【００５６】
図６はフィンの他の構成例を示すものであり、図６(A)が縦断面図、図６(B)が横断面図である。この例では、フィン（55）は、長方形の板状に形成され、長手方向の一辺が蒸発管（52）の軸方向に沿って該蒸発管（52）の外壁面に取り付けられ、その対辺が外管（51）の内壁面と対向している。このフィン（55）長手方向の長さは、蒸発管（52）の長さとほぼ同じに設定する。また、フィン（55）の幅方向の大きさは、フィン（55）の上記対辺が外管（51）の内壁面に接するように設定してもよいし、隙間ができるように設定してもよい。フィン（55）には側面から見て蒸発管（52）から外管（51）に向けて下りの勾配を持つ溝を設け、蒸発管（52）外壁で凝縮した液を近傍の外管（51）内壁へ速やかに導く効果を持たせても良い。隙間ができるように幅を設定する場合には、上記対辺付近の液体の熱媒体が、外管（51）の底に流れ落ちずに、外管（51）の内壁面に付着する程度に隙間を設定しておく。また、この例では、４枚のフィン（55）が蒸発管（52）の軸直角方向から見て十字型に配置されている。フィン（55）の枚数は例示であり、必ずしも４枚でなくてもよい。
【００５７】
それぞれのフィン（55）には、図７に示すように、蒸発管（52）側から外管（51）の内壁面側に向かって下る溝が表面に複数設けられている。蒸発管（52）の外壁面で凝縮した熱媒体は、フィン（55）に設けられたこれらの溝及び表面を伝って外管（51）の内壁面に向かって流れる。
【００５８】
なお、溝の形状には、種々の形状が考えられるが、例えば、図８に示すように、板状の部材を谷折にして形成してもよい。この際、谷部は、取り付け状態で、谷の線が、蒸発管（52）側から外管（51）側に向かって斜めに下るように形成する。
【００５９】
前記のように構成されたフィン（55）によれば、該フィン（55）に設けられた溝によって、フィン（55）表面の熱媒体が集められて、外管（51）の内壁面に案内される。したがって、本実施形態においても、液体の熱媒体を効率的に外管（51）の内壁面に接触させることができ、地中熱交換器（50）における熱交換性能が向上する。
【００６０】
《その他のフィンの例》
また、フィン（55）は、図９に示すように、蒸発管（52）の外壁面の周りに、スパイラル状に形成してもよい。この場合、フィン（55）の面は、外管（51）に対して垂直となるように形成してもよいが、外管（51）の内壁面に向けて下り勾配となるように形成しておくと、より効果的に熱媒体を外管（51）の内壁面に案内することができる。
【００６１】
前記のように構成されたフィン（55）によれば、やはり、フィン（55）表面の熱媒体が集められて、外管（51）の内壁面に案内されるので、液体の熱媒体を効率的に外管（51）の内壁面に接触させることができる。
【００６２】
また、このように、フィン（55）をスパイラル状にすることで、上記の傘形状に比べてフィン（55）の加工性が向上する。
【００６３】
《発明の実施形態３》
実施形態３では外管（51）及び蒸発管（52）の他の構成例を説明する。
【００６４】
（外管（51）の他の実施形態）
外管（51）の内壁面には、図１０に示すように、ウイック（外管側ウイック（56））を設けてもよい。この外管側ウイック（56）は、フィン（55）外縁上の熱媒体（液体）を浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒などを管の内壁面に接触させる。このような外管側ウイック（56）としては、例えば、金属多孔質体、多孔質セラミック、繊維の集合体などが挙げられる。本実施形態では、図１０に示すように、外管側ウイック（56）を、外管（51）の内壁面に沿うように、且つ外管（51）の中心に空洞ができるように配置している。この空洞内には、蒸発管（52）を挿入する。また、この場合、フィン（55）の外縁は、外管側ウイック（56）の内壁面に接していてもよいし、隙間を設けておいてもよい。外管側ウイック（56）の内壁面にフィン（55）外縁が接する場合は、外管側ウイック（56）の内壁面から発生する熱媒体の蒸気は、フィン（55）と前記外管（51）内壁の間から上下いずれの方向にも移動できる様に、ところどころ接する形状とする。また、外管側ウイック（56）とフィン（55）の接触部に隙間を設ける場合には、該フィン（55）上面を伝って流れた液体の熱媒体が、外管（51）の底に落下せずに外管側ウイック（56）の内壁面に付着する程度に設定しておく。
【００６５】
このように、外管側ウイック（56）を外管（51）内に設けることにより、フィン（55）外縁の液体の熱媒体は、外管側ウイック（56）に浸透して外管（51）の内壁面に導かれる。そして、外管（51）の内壁面と外管側ウイック（56）との界面において液体の熱媒体は蒸発させられて蒸気となる。蒸気となった熱媒体は、外管側ウイック（56）の中を通り抜け、外管（51）内の空洞内に広がる。すなわち、外管側ウイック（56）を外管（51）内に設けることにより、より効果的に液体の熱媒体を外管（51）の内壁面に接触させることができる。また、パイプ内を上昇する蒸気流が壁面に接触した液を吹き飛ばすことも防止される。すなわち、より効果的に熱交換（蒸発）が行われる。
【００６６】
なお、図１０の例では、フィン（55）が傘状であるが、フィン（55）の形状が上記のように板状の場合やスパイラル状の場合にも、この外管側ウイック（56）を設けることができる。
【００６７】
（蒸発管（52）の他の実施形態）
また、図１１に示すように、蒸発管（52）の内壁面にも、ウイック（蒸発管側ウイック（57））を設けてもよい。
【００６８】
この蒸発管側ウイック（57）は、蒸発管（52）底部の液冷媒を内部に浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒などを蒸発管（52）の内壁面に接触させる。このような蒸発管側ウイック（57）としては、例えば、金属多孔質体、多孔質セラミック、繊維の集合体などが挙げられる。本実施形態では、図１１に示すように、蒸発管側ウイック（57）を、蒸発管（52）の内壁面に沿うように、且つ蒸発管（52）の中心に空洞ができるように配置している。この空洞内には、導出管（54）を挿入する。
【００６９】
このように、蒸発管側ウイック（57）を蒸発管（52）内に設けることにより、蒸発管（52）内の液体の熱媒体は、蒸発管側ウイック（57）に浸透して該蒸発管側ウイック（57）内を上昇する。蒸発管側ウイック（57）に浸透した液体の熱媒体の一部は、蒸発管（52）の内壁面と蒸発管側ウイック（57）との界面において、該蒸発管（52）の内壁面に接触する。これにより、内壁面に接触した液冷媒は蒸発させられて蒸気となる。蒸気となった冷媒は、蒸発管側ウイック（57）の中を通り抜け蒸発管（52）内の空洞内に広がり、導出管（54）から導出される。すなわち、蒸発管側ウイック（57）を蒸発管（52）内に設けることにより、冷媒が液相と気相とに分離されて熱交換（蒸発）が行われる。すなわち、蒸発管（52）内における冷媒の偏流や濡れの偏りを効果的に防止できる。したがって、地中熱交換器（50）における熱交換性能がより向上する。
【００７０】
《発明の実施形態４》
実施形態４では、暖房運転に加え冷房運転が可能な空調システムについて説明する。
【００７１】
図１２は、実施形態４に係る地中熱交換器（50）を含んだ冷暖房システム（2）（空調システム）のシステム図である。同図に示すように、冷暖房システム（2）は、冷媒回路（60）を備えている。この冷媒回路（60）は、実施形態１の冷媒回路（10）に対して、四方切換弁（61）、第１の切り替えバルブ（62）、及び第２の切り替えバルブ（63）を追加して構成している。
【００７２】
四方切換弁（61）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（61）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ポートが連通する第１状態（図１２に実線で示す状態）と、第１ポートと第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１２に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。この冷媒回路（60）では、第１ポートが圧縮機（20）の吐出ポートに接続され、第２ポートが圧縮機（20）の吸入ポートに接続されている。また、第３ポートは、第２の切り替えバルブ（63）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。
【００７３】
本実施形態の地中熱交換器（50）は、図１３に示すように、実施形態１の地中熱交換器（50）に対し、冷房用伝熱管（70）を追加したものである。
【００７４】
この冷房用伝熱管（70）は、導入側本体部（70a）、導出側本体部（70b）、及び接続部（70c）から形成されている。導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）はそれぞれ、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（51）内に挿入され、外管（51）の内面壁に沿って、該外管（51）の底部まで延びている。この際、導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）は、外管（51）の内面壁に付着している熱媒体（液状）と接触できるように該内面壁に近接して配置されている。
【００７５】
また、導入側本体部（70a）の外管（51）外側の一端は、第２の切り替えバルブ（63）に接続され、導出側本体部（70b）の外管（51）外側の一端は、第１の切り替えバルブ（62）に接続されている。また、接続部（70c）は、外管（51）の底部を径方向に横断し、該底部において、導入側本体部（70a）と導出側本体部（70b）とを接続している。なお、本実施形態の地中熱交換器（50）では、冷房用伝熱管（70）の本体部が２本であるが、この本数は例示であり、これに限定されない。
【００７６】
第１及び第２の切り替えバルブ（62,63）は、冷暖房システム（2）で暖房運転を行うか、冷房運転を行うかに応じて冷媒の流れを切り替えるバルブである。第１の切り替えバルブ（62）は、膨張弁（40）を、蒸発管（52）の導入管（53）、又は冷房用伝熱管（70）の導出側本体部（70b）の何れかに接続する。また、第２の切り替えバルブ（63）は、四方切換弁（61）の第３ポートを、蒸発管（52）の導出管（54）、又は冷房用伝熱管（70）の導入側本体部（70a）の何れかに接続する。
【００７７】
−運転動作−
次に、冷暖房システム（2）における運転動作について説明する。
【００７８】
（暖房運転）
まず、冷暖房システム（2）の暖房運転について説明する。暖房運転時には、四方切換弁（61）が第２状態に切り替えられる。すなわち、第１ポートと第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（図１２に破線で示す状態）。また、第１の切り替えバルブ（62）は、膨張弁（40）と蒸発管（52）の導入管（53）とが接続されるように切り替えられ、第２の切り替えバルブ（63）は、蒸発管（52）の導出管（54）と、四方切換弁（61）の第３ポートとが接続されるように切り替えられる。
【００７９】
これにより、冷媒回路（60）は、実施形態１の冷媒回路（10）と等価になる。したがって、この冷暖房システム（2）においても実施形態１の暖房システム（1）と同様の運転動作が行われ、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ル（この例では暖房）が行われる。
【００８０】
（冷房運転）
次に、冷房運転について説明する。冷房運転時には、四方切換弁（61）が第１状態に切り替えられる。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ポートが連通する（図１２に実線で示す状態）。また、第１の切り替えバルブ（62）は、膨張弁（40）と、冷房用伝熱管（70）の導出側本体部（70b）とが接続されるように切り替えられ、第２の切り替えバルブ（63）は、冷房用伝熱管（70）の導入側本体部（70a）と、四方切換弁（61）の第３ポートとが接続されるように切り替えられる。
【００８１】
そして、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）が圧縮機（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、四方切換弁（61）と第２の切り替えバルブ（63）とを介して冷房用伝熱管（70）の導入側本体部（70a）へ送られ、さらに接続部（70c）を介して導出側本体部（70b）に導入される。
【００８２】
このとき、外管（51）の内面壁は、地熱によって、土壌とほぼ同じ温度になっている。そして、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内面壁において液状になっている。この液状の熱媒体は、導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）に接触して吸熱する。これにより熱媒体は蒸発し、蒸発した熱媒体は、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。
【００８３】
一方、導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）は、接触している熱媒体に放熱する。このように、導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）が放熱したことによって、導入側本体部（70a）及び導出側本体部（70b）の内部では、その内部に導入された冷媒が凝縮する。凝縮した冷媒は、第１の切り替えバルブ（62）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）に導入される。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）では室内空気が冷却され、冷却された室内空気が室内ファン（41）に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）の吸入ポートに導入される。圧縮機（20）は、この冷媒を吸入して圧縮し、四方切換弁（61）と第２の切り替えバルブ（63）とを介して、冷房用伝熱管（70）の導入側本体部（70a）へ吐出する。
【００８４】
この冷暖房システム（2）では、以上の動作が繰り返され、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イクル（この例では冷房）が行われる。
【００８５】
《発明の実施形態５》
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１４は、熱交換器（50）を水中に設置した状態を模式的に示す図である。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）を設置した例である。また、例２は、海、湖、又は池に熱交換器（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、空調システム（1）の本体部分（熱交換器以外の部分）を示している（以下同様）。
【００８６】
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。
【００８７】
《その他の実施形態（変形例）》
〈１〉なお、実施形態４では、実施形態１の地中熱交換器（50）と冷房用伝熱管（70）とを組み合わせたが、同様に、実施形態２や実施形態３、或いはその他の変形例として説明した地中熱交換器に対して冷房用伝熱管（70）を組み合わせてもよい。
【００８８】
〈２〉また、各実施形態や変形例の熱交換器（50）、すなわち外管（51）は、傾斜して地中や水中に設置してもよい。図１５は、熱交換器（50）を傾斜して設置した状態を模式的に示す図である。図１５（Ａ）は、熱交換器（50）を傾斜して地中に設置した例を示し、図１５（Ｂ）は、熱交換器（50）を傾斜して水中に設置した例を示している。図１５（Ｂ）では、海、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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、地中又は水中に設置される熱交換器、及びそれを利用した空調システムとして有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１      暖房システム（空調システム）
２      冷暖房システム（空調システム）
５０      熱交換器
５１      外管
５２      蒸発管
５５      フィン
５６      外管側ウイック（ウイック）
５７      蒸発管側ウイック（ウイック）
７０      冷房用伝熱管
【図１】
2009287914.tif 000003
【図２】
2009287914.tif 000004
【図３】
2009287914.tif 000005
【図４】
2009287914.tif 000006
【図５】
2009287914.tif 000007
【図６】
2009287914.tif 000008
【図７】
2009287914.tif 000009
【図８】
2009287914.tif 000010
【図９】
2009287914.tif 000011
【図１０】
2009287914.tif 000012
【図１１】
2009287914.tif 000013
【図１２】
2009287914.tif 000014
【図１３】
2009287914.tif 000015
【図１４】
2009287914.tif 000016
【図１５】
2009287914.tif 000017