JP2013249974A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】直列に接続された熱源側熱交換器と地中熱利用熱交換器の両方が同時に蒸発器となる加熱運転を行うヒートポンプにおいて、地中熱交換器への着氷を抑制して熱交換効率の低下を抑制する。
【解決手段】空調システム（1）は、冷媒回路（10）と、地中に埋設された地中熱交換器（21）、及び該地中熱交換器（21）と冷媒回路（10）とに接続された地中熱利用熱交換器（25）を有する熱媒体回路（20）とを備え、利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、熱源側熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）とが蒸発器として同時に機能する加熱運転を行う。地中熱利用熱交換器（25）を、冷媒回路（10）の膨張機構（70）と熱源側熱交換器（80）との間に接続し、熱源側熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）との間に減圧機構（71）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱を利用したヒートポンプに関するものである。

従来より、熱源側熱交換器と利用側熱交換器とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えたヒートポンプが用いられている。この種のヒートポンプの中には、室外空気の熱と地中熱とを利用して冷媒回路の冷媒を蒸発させることとしたものがある（例えば、下記特許文献１を参照）。

特許文献１のヒートポンプは、圧縮機と室内熱交換器と膨張機構と室外熱交換器とが接続された冷媒回路と、地中に埋設されて熱媒体に地中熱を吸収させる地中熱交換器と地中熱利用熱交換器とを有する熱媒体回路とを備えている。地中熱利用熱交換器は、地中熱交換器と冷媒回路とに接続されて地中熱交換器から供給される熱媒体と冷媒回路の冷媒とを熱交換させるように構成されている。上記ヒートポンプでは、室内熱交換器が凝縮器となり、室外熱交換器と地中熱利用熱交換器とが同時に蒸発器として機能する加熱運転が行われる。つまり、上記ヒートポンプでは、加熱運転において、室外空気の熱だけでなく、地中熱も利用して冷媒回路の冷媒を蒸発させることにより、冷媒回路における冷媒の蒸発圧力を高くして消費エネルギ量を低減することとしている。

特開２０１０−２１６７７０号公報

しかしながら、上記ヒートポンプでは、外気温度が著しく低い場合など、冷媒回路における冷媒の蒸発温度が著しく低くなる場合に、地中熱交換器の熱媒体の温度も著しく低くなる。そのため、地中熱交換器の周囲の土壌の水分が凍結し、外表面に氷が付着していた（着氷していた）。地中熱交換器の外表面に付着した氷は、周囲の土壌を押しのけながら成長するため、地中温度が上昇する等して氷が融けると、地中熱交換器の周囲に空隙が生じてしまう。地中熱交換器の周囲に空隙が生じると、地中熱交換器の熱媒体と土壌との間の熱交換効率が著しく低下するため、次回の運転の際に地中熱を十分に吸収できなくなるおそれがあった。

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、直列に接続された熱源側熱交換器と地中熱利用熱交換器の両方が同時に蒸発器となる加熱運転を行うヒートポンプにおいて、地中熱交換器への着氷を抑制して熱交換効率の低下を抑制することにある。

第１の発明は、圧縮機構（50）と空気熱交換器によって構成された熱源側熱交換器（80）と膨張機構（70）と利用側熱交換器（60）と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（10）と、地中に埋設され、熱媒体に地中熱を吸収させる地中熱交換器（21）、及び該地中熱交換器（21）に接続される一方、上記冷媒回路（10）に接続され、上記地中熱交換器（21）から供給された熱媒体と上記冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる地中熱利用熱交換器（25）を有する熱媒体回路（20）とを備え、上記利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、上記熱源側熱交換器（80）と上記地中熱利用熱交換器（25）とが蒸発器として同時に機能する加熱運転を行うヒートポンプであって、上記地中熱利用熱交換器（25）は、上記冷媒回路（10）の上記膨張機構（70）と上記熱源側熱交換器（80）との間に接続され、上記冷媒回路（10）の上記熱源側熱交換器（80）と上記地中熱利用熱交換器（25）との間には、冷媒を減圧する減圧機構（71）が設けられている。

第１の発明では、利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、直列に接続された熱源側熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）とが蒸発器として機能する加熱運転が行われる。加熱運転の際には、地中熱利用熱交換器（25）、熱源側熱交換器（80）の順に冷媒が流れ、減圧機構（71）によって地中熱利用熱交換器（25）から流出して熱源側熱交換器（80）に流入する冷媒が減圧される。その結果、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度は、熱源側熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くなる。

第２の発明は、第１の発明において、上記膨張機構（70）及び上記減圧機構（71）は、いずれか一方が開度が調節可能な膨張弁によって構成され、他方がキャピラリーチューブによって構成されている。

第２の発明では、加熱運転において、開度が調節可能な膨張弁と、キャピラリーチューブとによって冷媒が二段階に減圧される。つまり、一方の膨張弁の開度を調節するだけで冷媒が二段階に減圧され、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度が熱源側熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くなる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記熱媒体回路（20）は、地中熱交換器（21）及び上記地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ相変化して熱媒体が自然循環するように構成されている。

第３の発明では、熱媒体回路（20）の熱媒体は、地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ熱交換に伴って相変化して自然循環する。つまり、地中熱交換器（21）において地中熱を吸収した熱媒体が地中熱利用熱交換器（25）へ流れ、地中熱利用熱交換器（25）において冷媒回路（10）の冷媒に吸熱された熱媒体が地中熱交換器（21）へ流れる。その結果、地中熱交換器（21）において熱媒体に吸収された地中熱が、熱媒体の自然循環に伴って地中熱利用熱交換器（25）に搬送されて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に利用されることとなる。

第４の発明は、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、上記冷媒回路（10）には、冷媒の循環方向を可逆に切り換えることにより、少なくとも上記熱源側熱交換器（80）が凝縮器として機能する一方、上記利用側熱交換器（60）が蒸発器として機能する冷却運転と上記加熱運転とを切り換える切換機構（90）が設けられている。

第４の発明では、切換機構（90）によって冷媒回路（10）における冷媒の循環方向を切り換えることにより、加熱運転と冷却運転とが切り換えられる。

第１の発明によれば、加熱運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）、熱源側熱交換器（80）の順に冷媒が流れるように冷媒回路（10）の膨張機構（70）と熱源側熱交換器（80）との間に地中熱利用熱交換器（25）を設けると共に、熱源側熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）との間に減圧機構（71）を設けることとした。そのため、加熱運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を熱源側熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。よって、外気温度が著しく低い場合においても、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度が比較的高い温度に保持されるため、該地中熱交換器（21）への着氷を抑制することができる。従って、地中熱交換器（21）に付着した氷が融けて、該地中熱交換器（21）の周囲に空隙が生じることを抑制することができる。その結果、空隙が生じることによる地中熱交換器（21）の熱交換効率の低下を抑制することができ、次回の運転の際にも地中熱を十分に熱媒体に吸収させることができる。

ところで、加熱運転の際に、膨張機構（70）及び減圧機構（71）の双方に開度が調節可能な膨張弁を用いると、制御が難しくなる。

第２の発明によれば、膨張機構（70）及び減圧機構（71）のいずれか一方に開度が調節可能な膨張弁を採用し、他方にキャピラリーチューブを採用して冷媒を二段階に減圧することとした。そのため、難しい制御を行うことなく、容易に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を熱源側熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。

また、第３の発明によれば、熱媒体が地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ相変化して自然循環するように熱媒体回路（20）が構成されている。そのため、循環ポンプ等の動力を用いることなく地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）との間において熱媒体を循環させることができる。また、地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）のそれぞれにおいて熱媒体が相変化を伴う熱交換を行うため、地中の温度と地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度との温度差が小さい場合であっても、熱媒体に十分に地中熱を吸収させて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に用いることができる。よって、相変化を利用せずに熱媒体を循環させる場合のように、地中における熱媒体の流路を長くして吸熱量を確保する必要がないため、地中熱交換器（21）を小型化することができる。従って、地中熱交換器（21）の製作及び埋設コストを削減することができる。

図１は、実施形態１に係る空調システムのシステム図である。 図２は、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３は、冷媒回路における冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 図４は、実施形態２に係る空調システムのシステム図であり、冷房運転時の状態を示す図である。 図５は、実施形態２に係る空調システムのシステム図であり、暖房運転時の状態を示す図である。 図６は、実施形態３に係る空調システムの配管系統図である。 図７は、実施形態３に係る地中熱利用熱交換器の構成を示す平面図である。 図８は、実施形態３に係る地中熱利用熱交換器の構成を示す側面図である。 図９は、図７のＡ−Ａ断面図である。 図１０は、複数の地中熱交換器を有した空調システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明のヒートポンプの一例として空調システム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。

《発明の実施形態１》
図１に示すように、空調システム（1）は、冷媒回路（10）と熱媒体回路（20）とを備え、地中から吸収した地中熱を利用して暖房運転を行うものである。冷媒回路（10）には冷媒が充填され、冷媒回路（10）では、冷媒が循環することによって蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。一方、熱媒体回路（20）は、地中に埋設された地中熱交換器（21）と、冷媒回路（10）に接続された地中熱利用熱交換器（25）とを有し、二酸化炭素等の相変化する物質が熱媒体として充填されている。熱媒体回路（20）では、熱媒体が循環することにより、地中熱交換器（21）において熱媒体に吸収された地中熱が、地中熱利用熱交換器（25）に搬送されて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に利用される。

〈冷媒回路〉
冷媒回路（10）は、圧縮機（圧縮機構）（50）、室内熱交換器（利用側熱交換器）（60）、膨張弁（膨張機構）（70）、地中熱利用熱交換器（25）、減圧機構（71）及び室外熱交換器（熱源側熱交換器）（80）が順に配管によって接続されている。

圧縮機（50）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、圧縮機（50）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。本実施形態では、圧縮機（50）は、吐出ポートが室内熱交換器（60）に接続され、吸入ポートが室外熱交換器（80）に接続されている。なお、圧縮機（50）には潤滑油が必要なので、圧縮機（50）内には潤滑油が充填されている。潤滑油の一部は、圧縮機（50）の運転に伴って、冷媒回路（10）を循環する。

室内熱交換器（60）は、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器によって構成されている。室内熱交換器（60）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。室内熱交換器（60）は、空気調和を行う室内に配置され、室内熱交換器（60）の近傍には、室内ファン（61）が設置されている。室内熱交換器（60）は、室内ファン（61）によって室内から取り込まれた室内空気と冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる。

膨張弁（70）は、開度が調節可能な電動弁によって構成されている。膨張弁（70）は、冷媒回路（10）の室内熱交換器（60）と地中熱利用熱交換器（25）との間に接続され、後述する暖房運転において室内熱交換器（60）から地中熱利用熱交換器（25）へ流れる高圧の液状態の冷媒を減圧する。

地中熱利用熱交換器（25）は、密閉容器（26）と、熱交管部（27）とを有している。密閉容器（26）には、後述する熱媒体回路（20）の熱媒体が収容されている。一方、熱交管部（27）は、コイル状に形成された冷媒管によって構成され、密閉容器（26）内の上部空間に設けられている。熱交管部（27）の両端部は、それぞれ密閉容器（26）の上面を内側から外側へ貫通し、一方の端部は膨張弁（70）の流出端に接続され、他方の端部は減圧機構（71）の流入端に接続されている。

減圧機構（71）は、冷媒回路（10）の地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）との間に設けられ、後述する暖房運転において地中熱利用熱交換器（25）から室外熱交換器（80）へ流れる中間圧の気液二相状態の冷媒を減圧する。本実施形態では、減圧機構（71）は、キャピラリーチューブによって構成されている。

室外熱交換器（80）は、冷媒と空気とを熱交換させる空気熱交換器によって構成されている。室外熱交換器（80）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。室外熱交換器（80）は、室外に配置され、室外熱交換器（80）の近傍には、室外ファン（81）が設置されている。室外熱交換器（80）は、室外ファン（81）によって取り込まれた室外空気と冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる。

〈熱媒体回路〉
熱媒体回路（20）は、地中熱交換器（21）、地中熱利用熱交換器（25）、液配管（23）及びガス配管（24）を備えている。地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とは、液配管（23）及びガス配管（24）によって互いに接続されている。また、熱媒体回路（20）には、熱媒体として、二酸化炭素等の相変化する物質が充填されている。熱媒体は、後述するように、地中熱交換器（21）において地中熱を吸収して蒸発し、地中熱利用熱交換器（25）において冷媒回路（10）の冷媒に吸熱されて凝縮する。

地中熱交換器（21）は、地中に埋設されて土壌から採熱するものである。ここでの土壌とは、種々の地層を含む概念である。例えば、図２は、地中熱交換器（21）を地中に設置した状態を模式的に示す図である。図２に示すように、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（21）は何れの地層に設置してもよい。図２では、これらの各層に渡り地中熱交換器（21）が設置された状態を示しているが、例えば、何れか一つの地層のみにおいて地中熱交換器（21）が熱交換を行うように設置してもよい。なお、図２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（地中熱交換器（21）以外の部分）を示している。

地中熱交換器（21）は、具体的には、図１に示すように、両端が閉じた管状に形成され、地中に縦向きに埋設されている。本実施形態では、地中熱交換器（21）は、５ｍ程度の長さを有した鋼管によって構成されている。地中熱交換器（21）を埋設する場合は、垂直に地中に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。なお、本実施形態では、地中熱交換器（21）は、その下端が１０ｍ程度に達するように埋設深さが設定されている。また、地中熱交換器（21）の上端部には、液配管（23）及びガス配管（24）が接続されている。地中熱交換器（21）は、液配管（23）を介して供給されて内周面を伝って流下する液状態の熱媒体と、周囲の土壌とを熱交換させる。これにより、地中熱交換器（21）内では、液状態の熱媒体が地中熱を吸収して蒸発してガス状態になる。

地中熱利用熱交換器（25）は、上述のように、密閉容器（26）と、熱交管部（27）とを有している。地中熱利用熱交換器（25）では、密閉容器（26）に、上記液配管（23）及びガス配管（24）が接続されている。つまり、地中熱利用熱交換器（25）では、密閉容器（26）が熱媒体回路（20）に接続され、密閉容器（26）内に収容された熱交管部（27）が冷媒回路（10）に接続されている。このような構成により、地中熱利用熱交換器（25）は、熱交管部（27）の内部を流通する低圧の冷媒と密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体とを熱交換させる。これにより、地中熱利用熱交換器（25）内では、ガス状態の熱媒体が低圧の冷媒に吸熱されて凝縮し、液状態になる。そのため、地中熱利用熱交換器（25）は、密閉容器（26）内の熱交管部（27）の下方に、液状態の熱媒体が溜まるように構成されている。

なお、地中熱利用熱交換器（25）の形式は、特に限定されない。例えば、地中熱利用熱交換器（25）には、いわゆるプレート式熱交換器やダブルチューブ式熱交換器などの種々の形式のものを採用できる。

液配管（23）は、地中熱利用熱交換器（25）内の液状態の熱媒体を地中熱交換器（21）内に送るための配管である。液配管（23）は、上端部が地中熱利用熱交換器（25）の底壁を貫通して該底壁に固定される一方、下端部が地中熱交換器（21）の上部の壁面を貫通して該壁面に固定されている。液配管（23）は、上端が地中熱利用熱交換器（25）内の底面から突出しないように設けられている。そのため、地中熱利用熱交換器（25）に溜まった熱媒体は液配管（23）を介して流出する。また、液配管（23）は、下端が地中熱交換器（21）内の上部空間において開口するように設けられている。より具体的には、液配管（23）の下端は、内部の液状態の熱媒体が地中熱交換器（21）の内周面を伝って流下するように内周面付近に設けられている。

ガス配管（24）は、地中熱交換器（21）内のガス状態の熱媒体を地中熱利用熱交換器（25）内に送るための配管である。ガス配管（24）は、上端部が地中熱利用熱交換器（25）の底壁を貫通して該底壁に固定される一方、下端部が地中熱交換器（21）の上部（地中熱交換器（21）を埋設した状態での地表側の部分）の壁面を貫通して該壁面に固定されている。ガス配管（24）は、上端が地中熱利用熱交換器（25）に溜まった液状態の熱媒体の液面よりも上方に突出するように設けられている。そのため、地中熱利用熱交換器（25）に液状態の熱媒体が溜まっている状態でも、ガス配管（24）の下端からガス状態の熱媒体が導入される。また、ガス配管（24）は、下端が地中熱交換器（21）内の上部空間において開口するように設けられている。ガス配管（24）の下端は、地中熱交換器（21）内において、液配管（23）よりも径方向の内側寄りに設けられている。

−運転動作−
本実施形態の空調システム（1）の暖房運転（加熱運転）の動作について説明する。暖房運転では、圧縮機（50）、室内ファン（61）、及び室外ファン（81）が駆動される。これにより、冷媒回路（10）では、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。一方、熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とにおいて熱媒体がそれぞれ相変化することによって熱媒体が自然循環する。

〈冷媒回路における動作〉
まず、冷媒回路（10）における冷凍サイクルについて図１及び図３を用いて説明する。冷媒回路（10）では、まず、圧縮機（50）において低圧のガス状態の冷媒が圧縮されて高圧の圧力状態になる（図３の点Ａ→点Ｂ）。

圧縮機（50）の吐出ポートから吐出された高圧のガス状態の冷媒は、室内熱交換器（60）に流入する。室内熱交換器（60）では、高圧のガス状態の冷媒と、室内ファン（61）によって取り込まれた室内空気とが熱交換し、冷媒が室内空気に放熱する。この熱交換により、室内空気が加熱される。加熱された空気は、室内ファン（61）によって室内へ送り返される。これにより、室内が暖房される。一方、上記熱交換により、室内熱交換器（60）に流入した高圧のガス状態の冷媒は、室内空気へ放熱して凝縮し、液状態となる（図３の点Ｂ→点Ｃ）。

室内熱交換器（60）から流出した高圧の液状態の冷媒は、膨張弁（70）に流入する。該膨張弁（70）では、高圧の液状態の冷媒が減圧されて気液二相状態となる（図３の点Ｃ→点Ｄ）。

膨張弁（70）において減圧された中間圧の気液二相状態の冷媒は、地中熱利用熱交換器（25）の熱交管部（27）に流入する。ここで、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）には、後述する熱媒体回路（20）における熱媒体の自然循環により、地中熱交換器（21）において地中熱を吸収することによって蒸発してガス状態となった熱媒体が供給されている。地中熱利用熱交換器（25）では、この密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体と熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒とが熱交換する。この熱交換により、熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒は、密閉容器（26）内のガス状態の熱媒体から吸熱して蒸発する（図３の点Ｄ→点Ｅ）。

地中熱利用熱交換器（25）から流出した気液二相状態の冷媒は、減圧機構（71）を構成するキャピラリーチューブに流入する。該キャピラリーチューブでは、中間圧の気液二相状態の冷媒がさらに減圧され、低圧の圧力状態となる（図３の点Ｅ→点Ｆ）。

キャピラリーチューブにおいて減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器（80）に流入する。室外熱交換器（80）では、低圧の気液二相状態の冷媒と室外空気とが熱交換する。この熱交換により、低圧の気液二相状態の冷媒は、室外空気から吸熱して蒸発し、ガス状態となる（図３の点Ｆ→点Ａ）。

室外熱交換器（80）から流出した低圧のガス状態の冷媒は、吸入ポートから再び圧縮機（50）に吸入されて圧縮される。

以上の動作が冷媒回路（10）において繰り返され、空調システム（1）では、室内熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）とが蒸発器として同時に機能する暖房運転が行われる。

〈熱媒体回路における動作〉
次に、熱媒体回路（20）における動作について図１を用いて説明する。熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とのそれぞれにおいて、熱媒体が相変化する。

具体的には、上記冷媒回路（10）において冷媒が循環することにより、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）内では、上部空間において、熱交管部（27）を流れる中間圧の気液二相状態の冷媒と、熱交管部（27）の外部のガス状態の熱媒体とが熱交換を行う。この熱交換により、ガス状態の熱媒体が、熱交管部（27）を流れる低圧の液状態の冷媒に吸熱されて凝縮し、液状態となる。液状態となった熱媒体は、ガス状態の熱媒体よりも比重が大きいため、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底部へ移動し、該底部に溜まる。地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）の底部に溜まった液状態の熱媒体は、地中熱利用熱交換器（25）と地中熱交換器（21）との高低差に基づく圧力ヘッド差によって液配管（23）を通って下降し、地中熱交換器（21）に流入する。

ここで、圧力ヘッド差Ｈとは、液配管（23）内の熱媒体の液柱が該液柱の下端にもたらす圧力のことであり、熱媒体の液柱の高さに依存するものである。なお、地中熱利用熱交換器（25）と地中熱交換器（21）との高低差は、圧力ヘッド差Ｈが、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）の内部の圧力差ΔＰと液配管（23）内の圧力損失の和よりも大きくなるように設定されている。

液配管（23）は、下端が地中熱交換器（21）の内周面付近に設けられているため、液配管（23）を介して地中熱交換器（21）の上端部から内部へ流入した熱媒体は、地中熱交換器（21）の内周面を伝って流下する。地中熱交換器（21）では、内周面を伝って流下する液状の熱媒体と周囲の土壌とが熱交換を行う。この熱交換により、地中熱交換器（21）の内周面を伝って流下する液状態の熱媒体が、該地中熱交換器（21）の壁面を介して土壌から地中熱を吸収して蒸発し、ガス状態となる。ガス状態となった熱媒体は、地中熱交換器（21）内を上昇する。

このように、地中熱利用熱交換器（25）では、熱媒体が冷媒回路（10）の中間圧の冷媒に吸熱されてガス状態から液状態に相変化する一方、地中熱交換器（21）では、熱媒体が地中熱を吸収して液状態からガス状態に相変化する。そのため、地中熱交換器（21）内の圧力（Ｐｅ）は、地中熱利用熱交換器（25）内の圧力（Ｐｃ）よりも大きくなる。これにより、地中熱交換器（21）内においてガス状態となった熱媒体は、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）の内部の圧力差ΔＰ（＝Ｐｅ−Ｐｃ）によってガス配管（24）を上向きに流れ、地中熱利用熱交換器（25）の密閉容器（26）内に流入する。

このように、熱媒体回路（20）では、地中熱利用熱交換器（25）において相変化して液状態となった熱媒体が圧力ヘッド差によって地中熱交換器（21）に供給され、地中熱交換器（21）において相変化してガス状態となった熱媒体が内部空間の圧力差ΔＰによって地中熱利用熱交換器（25）に供給される。つまり、熱媒体回路（20）では、地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）において熱媒体がそれぞれ相変化することにより、熱媒体が自然循環する。また、この熱媒体の自然循環により、地中熱交換器（21）において熱媒体に吸収された地中熱が、地中熱利用熱交換器（25）に搬送されて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に利用されることとなる。

〈減圧機構の作用〉
上述のように、地中熱利用熱交換器（25）及び室外熱交換器（80）は、暖房運転においていずれも蒸発器として機能する。暖房運転を行う際に、室外空気の温度が著しく低い場合には、減圧機構（70）が設けられていないと、地中熱利用熱交換器（25）及び室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度が著しく低くなり、これに伴って、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度も著しく低くなる。そのため、地中熱交換器（21）の周囲の土壌の水分が凍結して外表面に氷が付着するおそれがあった。地中熱交換器（21）の外表面に付着した氷がやがて融けると、地中熱交換器（21）の周囲に空隙を生じて熱媒体と土壌との熱交換効率を低下させ、次回の運転の際に地中熱を十分に吸収できなくなるおそれがある。

しかしながら、上述のように、本空調システム（1）では、冷媒回路（10）の地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）との間に減圧機構（71）が設けられている。そのため、室内熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、地中熱利用熱交換器（25）及び室外熱交換器（80）が蒸発器として同時に機能する暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）から流出して室外熱交換器（80）に流入する冷媒が減圧機構（71）によって減圧される。これにより、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度は、室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くなる。よって、室外空気の温度が著しく低い場合に、室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度が著しく低下しても、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度は比較的高い温度に保持される。その結果、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度も比較的高い温度に保持されることとなる。

−実施形態１の効果−
本実施形態によれば、暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）、室外熱交換器（80）の順に冷媒が流れるように冷媒回路（10）の膨張弁（70）と室外熱交換器（80）との間に地中熱利用熱交換器（25）を設けると共に、室外熱交換器（80）と地中熱利用熱交換器（25）との間に減圧機構（71）を設けることとした。そのため、暖房運転の際に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。よって、外気温度が著しく低い場合においても、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度が比較的高い温度に保持されるため、該地中熱交換器（21）への着氷を抑制することができる。従って、地中熱交換器（21）に付着した氷が融けて、該地中熱交換器（21）の周囲に空隙が生じることを抑制することができる。その結果、空隙が生じることによる地中熱交換器（21）の熱交換効率の低下を抑制することができ、次回の運転の際にも地中熱を十分に熱媒体に吸収させることができる。

ところで、暖房運転の際に、膨張弁（70）及び減圧機構（71）の双方を開度が調節可能な膨張弁によって構成すると、制御が難しくなる。

本実施形態によれば、膨張弁（70）及び減圧機構（71）のいずれか一方に開度が調節可能な膨張弁を採用し、他方にキャピラリーチューブを採用して冷媒を二段階に減圧することとした。そのため、難しい制御を行うことなく、容易に、地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度を室外熱交換器（80）における冷媒の蒸発温度よりも高くすることができる。

なお、本実施形態では、膨張弁（70）として開度が調節可能の電動弁を採用し、減圧機構（71）としてキャピラリーチューブを採用することとしているが、膨張弁（70）をキャピラリーチューブによって構成し、減圧機構（71）を開度が調節可能な膨張弁によって構成することとしても同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態によれば、熱媒体が地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ相変化して自然循環するように熱媒体回路（20）が構成されている。そのため、循環ポンプ等の動力を用いることなく地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）との間において熱媒体を循環させることができる。また、地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）のそれぞれにおいて熱媒体が相変化を伴う熱交換を行うため、地中の温度と地中熱利用熱交換器（25）における冷媒の蒸発温度との温度差が小さい場合であっても、熱媒体に十分に地中熱を吸収させて冷媒回路（10）の冷媒の蒸発に用いることができる。よって、相変化を利用せずに熱媒体を循環させる場合のように、地中における熱媒体の流路を長くして吸熱量を確保する必要がないため、地中熱交換器（21）を小型化することができる。従って、地中熱交換器（21）の製作及び埋設コストを削減することができる。

《発明の実施形態２》
実施形態２は、実施形態１の空調システム（1）の冷媒回路（10）の構成を一部変更し、暖房運転と冷房運転の両方を実行可能に構成したものである。

具体的には、図４及び図５に示すように、実施形態２の空調システム（1）は、実施形態１の空調システム（1）に、四路切換弁（90）が追加して設けられている。

四路切換弁（90）は、第１から第４ポート（P1,…,P4）を備えている。第１ポート（P1）は室内熱交換器（60）に接続され、第２ポート（P2）は圧縮機（50）の吐出ポートに接続され、第３ポート（P3）は室外熱交換器（80）に接続され、第４ポート（P3）は圧縮機（50）の吸入ポートに接続されている。

四路切換弁（90）は、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１状態（図４に示す状態）と、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２状態（図５に示す状態）とを切り換えるように構成されている。四路切換弁（90）を第１状態に切り換えると、冷媒回路（10）において図４に示すように冷媒が循環して後述する冷房運転が実行される。一方、四路切換弁（90）を第２状態に切り換えると、冷媒回路（10）において図５に示すように冷房運転とは逆方向に冷媒が循環して実施形態１と同様の暖房運転が実行される。つまり、四路切換弁（90）は、冷媒の循環方向を可逆に切り換えることにより、冷房運転と暖房運転とを切り換える切換機構を構成している。

−運転動作−
〈冷房運転〉
まず、冷房運転の動作について説明する。図４に示すように、冷房運転では四路切換弁（90）が第１状態に切り換えられ、圧縮機（50）、室内ファン（61）、及び室外ファン（81）が駆動される。

冷媒回路（10）では、まず、圧縮機（50）において低圧のガス状態の冷媒が圧縮されて高圧の圧力状態になる。

圧縮機（50）の吐出ポートから吐出された高圧のガス状態の冷媒は、室外熱交換器（80）に流入する。室外熱交換器（80）では、高圧のガス状態の冷媒と、室外ファン（81）によって取り込まれた室外空気とが熱交換し、冷媒が室外空気に放熱する。この熱交換により、室外熱交換器（80）に流入した高圧のガス状態の冷媒は、凝縮して液状態となる。

室外熱交換器（80）から流出した高圧の液状態の冷媒は、減圧機構（71）を構成するキャピラリーチューブに流入し、該キャピラリーチューブを通過する際に僅かに減圧された後、地中熱利用熱交換器（25）の熱交管部（27）に流入する。

地中熱利用熱交換器（25）の熱交管部（27）に流入する高圧の液状態の冷媒の温度は、地中温度よりも高い。そのため、熱媒体回路（20）では、地中熱利用熱交換器（25）の内部の温度が地中熱交換器（21）の内部の温度よりも高くなる。これにより、地中熱利用熱交換器（25）の熱交管部（27）を通過する高圧の液状態の冷媒は熱媒体とほとんど熱交換することがなく、高温高圧状態を維持したまま地中熱利用熱交換器（25）を通過する。このように、地中熱利用熱交換器（25）は、冷房運転時に熱交換器としての機能を殆んど発揮しない。

地中熱利用熱交換器（25）を通過した高圧の液状態の冷媒は、膨張弁（70）に流入する。該膨張弁（70）では、高圧の液状態の冷媒が低圧の圧力状態となるまで減圧され、気液二相状態になる。

膨張弁（70）において減圧された低圧の気液二相状態の冷媒は、室内熱交換器（60）に流入する。室内熱交換器（60）では、低圧の液状態の冷媒と、室内ファン（61）によって取り込まれた室内空気とが熱交換し、冷媒が室内空気から吸熱する。この熱交換により、室内空気が冷却される。冷却された空気は、室内ファン（61）によって室内へ送り返される。これにより、室内が冷房される。一方、上記熱交換により、室内熱交換器（60）に流入した低圧の気液二相状態の冷媒は、室内空気から吸熱して蒸発し、ガス状態となる。

室内熱交換器（60）から流出した低圧のガス状態の冷媒は、吸入ポートから再び圧縮機（50）に吸入されて圧縮される。

以上の動作が冷媒回路（10）において繰り返され、空調システム（1）では、室外熱交換器（80）が凝縮器として機能する一方、室内熱交換器（60）が蒸発器として機能する冷房運転が行われる。

〈暖房運転〉
次に、暖房運転の動作について説明する。図５に示すように、暖房運転では、四路切換弁（90）が第２状態に設定され、圧縮機（50）、室内ファン（61）、及び室外ファン（81）が駆動される。実施形態２においても、実施形態１と同様に、空調システム（1）では、室内熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）とが蒸発器として同時に機能する暖房運転が行われる。

実施形態２によれば、実施形態１と同様の効果を奏することができると共に、冷媒回路（10）に四路切換弁（90）を設けることにより、暖房運転と冷房運転との両立が可能になる。

《発明の実施形態３》
実施形態３は、実施形態１の空調システム（1）の地中熱利用熱交換器（25）の構成を変更すると共に、地中熱交換器（21）を複数（本実施形態では５つ）設けることとしたものである。

実施形態３では図６〜図９に示すように、地中熱利用熱交換器（25）は、マンホール等に設けられ、冷媒回路（10）に接続された冷媒管（31）と、熱媒体回路（20）に接続された複数の熱媒体管（32）とを備えている。熱媒体管（32）は地中熱交換器（21）と同じ数（本実施形態では５つ）だけ設けられ、一対一に対応して設けられている。

冷媒管（31）は、螺旋状に巻回された本体管部と、該本体管部の一端側に設けられた流入管部（33）と、本体管部の他端側に設けられた流出管部（34）とを有している。冷媒管（31）は、マンホール内において本体管部の巻回軸が上下方向に延在すると共に、流入管部（33）が流出管部（34）よりも下側に位置するように設置されている。流入管部（33）及び流出管部（34）は、それぞれＴ字状に形成され、直進方向に延びる直進部とその直進部の中間位置から直進部に垂直な方向に延びる分岐部とを有している。各直進部の一端側は閉塞され、他端側が本体管部に接続されている。また、流入管部（33）の分岐部には、膨張弁（70）に繋がる配管が接続され、流出管部（34）の分岐部には、減圧機構（71）に繋がる配管が接続されている。

このような構成により、冷媒管（31）は、冷媒回路（10）の膨張弁（70）と減圧機構（71）との間に接続されている。また、冷媒管（31）では、流入管部（33）の分岐部から冷媒回路（10）の冷媒が流入し、流入管部（33）の直進部、本体管部、流出管部（34）の直進部を通過して、流出管部（34）の分岐部から冷媒回路（10）へ流出する。

各熱媒体管（32）は、冷媒管（31）よりも外径の小さい管によって冷媒管（31）と同様の螺旋状に形成され、流入管部（33）から流出管部（34）に亘って冷媒管（31）に挿通されている。各熱媒体管（32）の両端部は、冷媒管（31）の流入管部（33）及び流出管部（34）の直進部の一端を閉塞する壁面を内側から外側へ貫通し、流入管部（33）側の端部は対応する地中熱交換器（20）に接続された液配管（23）に接続され、流出管部（34）側の端部は対応する地中熱交換器（20）に接続されたガス配管（24）に接続されている。

上述のように、各地中熱交換器（20）と熱媒体管（32）とは一対一に対応して接続されている。そのため、各地中熱交換器（20）と対応する熱媒体管（32）との間で、熱媒体は独立に循環する。熱媒体管（32）は冷媒管（31）内に均等に配置され、熱媒体管（32）の管壁を介して、流入したガス状態の熱媒体が冷媒と熱交換するように構成されている。ガス状態の熱媒体は、熱交換によって凝縮し液状態となる。液状態の熱媒体は、熱媒体管（32）の下端部に溜まるようになっている。

本実施形態３の暖房運転では、冷媒回路（10）において、膨張弁（70）で減圧された中間圧の気液二相状態の冷媒が、地中熱利用熱交換器（25）の冷媒管（31）に流入する。一方、熱媒体回路（20）において、各地中熱交換器（21）において蒸発したガス状態の熱媒体は、ガス配管（24）を介して地中熱利用熱交換器（25）の各熱媒体管（32）に流入する。地中熱利用熱交換器（25）では、各熱媒体管（32）の壁面において、ガス状態の熱媒体が冷媒管（31）内の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒は、熱媒体から吸熱して蒸発し、ガス状態となる一方、熱媒体は、冷媒へ放熱して凝縮し、液状態となって各熱媒体管（32）の下端部に貯留される。各熱媒体管（32）の下端部に溜まった液状態の熱媒体は、液配管（23）を介して対応する地中熱交換器（21）内に流入する。各地中熱交換器（21）に流入した液状態の熱媒体は、地中熱を吸収して再び蒸発する。このように、本実施形態３の熱媒体回路（20）においても、地中熱交換器（21）及び地中熱利用熱交換器（25）で熱媒体がそれぞれ相変化することにより、熱媒体が自然循環する。

本実施形態３では、上述したように、熱媒体回路（20）において、地中熱交換器（21）毎に独立した熱媒体の循環流路が形成されている。そのため、地中熱交換器（21）間で熱媒体の偏流を防止することができる。その結果、各地中熱交換器（21）において熱媒体の必要循環量を確保することができるので、各地中熱交換器（21）において必要量の地中熱を確実に採取できる。

また、上述したように地中熱交換器（21）毎に独立した熱媒体の循環流路を形成することにより、熱媒体が循環する流路が一部破損して熱媒体が外部に漏れても、熱媒体の漏洩を地中熱交換器（21）単位で抑えることができる。

また、本実施形態３では、複数の熱媒体管（32）を冷媒管（31）内に形成するようにしたため、冷媒と熱媒体との熱交換が行われる流路壁の面積を大きくでき、熱交換量を増大させることができる。

《その他の実施形態》
上記各実施形態では、減圧機構（71）をキャピラリーチューブによって構成していたが、減圧機構（71）はこれに限られない。例えば、開度調節が可能な電動弁によって構成することとしてもよい。

また、減圧機構（71）を開度調節が可能に構成した場合には、暖房運転（加熱運転）において、外気温度などの条件に応じて、減圧機構（71）の開度を調節して冷媒を減圧する場合と、減圧機構（71）を全開状態に調節して冷媒を減圧しない場合とを切り換えることとしてもよい。具体的には、外気温度が低い場合など、地中熱交換器（21）の周囲にひどい凍結のおそれがある場合には、上記各実施形態と同様に減圧機構（71）の開度を適宜調節して冷媒が減圧されるようにする一方、外気温度が比較的高い場合など、地中熱交換器（21）の周囲にひどい凍結のおそれがない場合には、減圧機構（71）を全開状態に調節して冷媒が減圧されないようにする。減圧機構（71）を全開状態に調節すると、地中熱利用熱交換器（25）と室外熱交換器（80）とにおける冷媒の蒸発温度が等しくなるが、外気温度が比較的高い場合には、冷媒の蒸発温度が比較的高くなるため、地中熱交換器（21）の熱媒体の温度も比較的高くなる。そのため、地中熱交換器（21）の周囲にひどい凍結が生じるおそれがなく、地中熱交換器（21）の熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、上記実施形態１又は２では、熱媒体回路（20）が、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とをそれぞれ１つずつ備えていたが、熱媒体回路（20）は、地中熱交換器（21）を複数備えるものであってもよい。具体的には、図１０に示すように、熱媒体回路（20）は、地中側の端部が複数に分岐した液配管（23）及びガス配管（24）によって、複数の地中熱交換器（21）を１つの地中熱利用熱交換器（25）に並列に接続し、１つの地中熱利用熱交換器（25）を共用するようにしてもよい。

また、地中熱交換器（21）の長さは例示である。上記各実施形態よりもさらに長く（例えば１０ｍ）するなど、利用側熱交換器に必要とされる能力等の諸条件に応じて設定すればよい。

また、上記各実施形態では、熱媒体回路（20）が、地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とにおいて熱媒体がそれぞれ相変化することによって熱媒体が自然循環するように構成されていたが、熱媒体回路（20）はこれに限られない。例えば、熱媒体回路（20）は、熱媒体が相変化することなく冷媒及び土壌とそれぞれ熱交換し、ポンプ等の搬送装置を用いて地中熱交換器（21）と地中熱利用熱交換器（25）とにおいて循環するものであってもよい。

また、本発明のヒートポンプは空調システムに限られず、例えば、利用側熱交換器において水を加熱する給湯システムへの応用も可能である。

本発明は、地中熱を利用したヒートポンプとして有用である。

１ 空調システム
１０ 冷媒回路
２０ 熱媒体回路
２１ 地中熱交換器
２５ 地中熱利用熱交換器
５０ 圧縮機（圧縮機構）
６０ 室内熱交換器（利用側熱交換器）
７０ 膨張弁（膨張機構）
７１ 減圧機構
８０ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
９０ 四路切換弁（切換機構）

Claims (4)

1. 圧縮機構（50）と空気熱交換器によって構成された熱源側熱交換器（80）と膨張機構（70）と利用側熱交換器（60）と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（10）と、
   地中に埋設され、熱媒体に地中熱を吸収させる地中熱交換器（21）、及び該地中熱交換器（21）に接続される一方、上記冷媒回路（10）に接続され、上記地中熱交換器（21）から供給された熱媒体と上記冷媒回路（10）の冷媒とを熱交換させる地中熱利用熱交換器（25）を有する熱媒体回路（20）とを備え、
   上記利用側熱交換器（60）が凝縮器として機能する一方、上記熱源側熱交換器（80）と上記地中熱利用熱交換器（25）とが蒸発器として同時に機能する加熱運転を行うヒートポンプであって、
   上記地中熱利用熱交換器（25）は、上記冷媒回路（10）の上記膨張機構（70）と上記熱源側熱交換器（80）との間に接続され、
   上記冷媒回路（10）の上記熱源側熱交換器（80）と上記地中熱利用熱交換器（25）との間には、冷媒を減圧する減圧機構（71）が設けられている
   ことを特徴とするヒートポンプ。
2. 請求項１において、
   上記膨張機構（70）及び上記減圧機構（71）は、いずれか一方が開度が調節可能な膨張弁によって構成され、他方がキャピラリーチューブによって構成されている
   ことを特徴とするヒートポンプ。
3. 請求項１又は２において、
   上記熱媒体回路（20）は、地中熱交換器（21）及び上記地中熱利用熱交換器（25）においてそれぞれ相変化して熱媒体が自然循環するように構成されている
   ことを特徴とするヒートポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つにおいて、
   上記冷媒回路（10）には、冷媒の循環方向を可逆に切り換えることにより、少なくとも上記熱源側熱交換器（80）が凝縮器として機能する一方、上記利用側熱交換器（60）が蒸発器として機能する冷却運転と上記加熱運転とを切り換える切換機構（90）が設けられている
   ことを特徴とするヒートポンプ。

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