特許ウォッチ

公開番号2025075627
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-15
出願番号2023186926
出願日2023-10-31
発明の名称地中熱ヒートポンプ装置及び地中熱採熱管の取り付け方法
出願人国立大学法人山梨大学
代理人SK弁理士法人,個人,個人
主分類F25B 30/06 20060101AFI20250508BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】地中熱を用いることで、省エネルギー性に優れており、かつ、施工コストが低い地中熱ヒートポンプ装置及び地中熱採熱管の取り付け方法を提供する。
【解決手段】本発明によれば、室外熱交換器、地中熱採熱管、膨張弁、室内熱交換器又は水熱交換器、及び圧縮機を備える地中熱ヒートポンプ装置であって、冷房運転モード、加温運転モードの少なくとも1つを備え、冷房運転モードでは、室外熱交換器、地中熱採熱管、膨張弁、室内熱交換器、圧縮機の順で導管を介して冷媒が循環するように冷房用冷媒循環回路が構成され、加温運転モードでは、室外熱交換器、地中熱採熱管、圧縮機、室内熱交換器又は水熱交換器、膨張弁の順で導管を介して冷媒が循環するように加温用冷媒循環回路が構成される、地中熱ヒートポンプ装置が提供される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
室外熱交換器、地中熱採熱管、膨張弁、室内熱交換器又は水熱交換器、及び圧縮機を備え、
前記室外熱交換器及び前記室内熱交換器は、空気と冷媒とが熱交換するように構成され、
前記水熱交換器は、水と冷媒とが熱交換するように構成され、
前記地中熱採熱管は、地中熱と前記冷媒とが熱交換するように構成され、
前記膨張弁は、前記冷媒を減圧可能に構成され、
前記圧縮機は、前記冷媒を循環させるように構成された地中熱ヒートポンプ装置であって、
冷房運転モード、加温運転モードの少なくとも１つを備え、
前記冷房運転モードでは、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記膨張弁、前記室内熱交換器、前記圧縮機の順で導管を介して前記冷媒が循環するように冷房用冷媒循環回路が構成され、
前記加温運転モードでは、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁の順で前記導管を介して前記冷媒が循環するように加温用冷媒循環回路が構成される、地中熱ヒートポンプ装置。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
請求項１に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、
第１切替手段と第２切替手段とを備え、
前記冷房運転モードにおいて、
第１切替手段は、前記圧縮機と第２切替手段とを接続し、かつ、前記室内熱交換器と前記圧縮機とを接続し、
第２切替手段は、第１切替手段と前記室外熱交換器とを接続し、かつ、前記膨張弁と前記地中熱採熱管とを接続し、
前記加温運転モードにおいて
第１切替手段は、第２切替手段と前記圧縮機とを接続し、かつ、前記圧縮機と前記室内熱交換器又は前記水熱交換器とを接続し、
第２切替手段は、前記室外熱交換器と前記膨張弁とを接続し、かつ、前記地中熱採熱管と第１切替手段とを接続するように構成されており、
運転モードを変更する際、第１切替手段と第２切替手段とは、連動して切り替わる、地中熱ヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、
除霜運転モードをさらに備え、
前記除霜運転モードでは、前記室外熱交換器、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁、前記地中熱採熱管の順で前記導管を介して前記冷媒が循環するように除霜用冷媒循環回路が構成される、地中熱ヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、
第１切替手段と第２切替手段とを備え、
前記除霜運転モードにおいて、
第１切替手段は、前記圧縮機と前記室内熱交換器又は前記水熱交換器とを接続し、かつ、第２切替手段と前記圧縮機とを接続し、
第２切替手段は、前記室外熱交換器と第１切替手段とを接続し、かつ、前記地中熱採熱管と前記膨張弁とを接続し、
前記膨張弁は開放されている、地中熱ヒートポンプ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、
地中熱不使用運転モードをさらに備え、
第３切替手段を備え、
前記冷房運転モード、前記加温運転モードにおいては、
第３切替手段は、前記室外熱交換器と前記地中熱採熱管とを接続し
前記地中熱不使用運転モードにおいては、
第３切替手段は、前記室外熱交換器と第２切替手段とを接続するように構成されている、地中熱ヒートポンプ装置。
【請求項６】
地中熱採熱管の取り付け方法であって、
地中熱採熱管組み込み工程を含み、
前記地中熱採熱管組み込み工程では、室外熱交換器と膨張弁と室内熱交換器又は水熱交換器と圧縮機とを備え、かつ、冷房運転モード、加温運転モードの少なくとも１つを備える地中熱ヒートポンプ装置に、前記冷房運転モードにおいては、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記膨張弁、前記室内熱交換器、前記圧縮機の順で、前記加温運転モードにおいては、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁の順で導管を介して冷媒が循環する冷媒循環回路が構成されるように組み込まれる、地中熱採熱管の取り付け方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱ヒートポンプ装置及び地中熱採熱管の取り付け方法に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、地中熱を用いる直接膨張方式の地中熱ヒートポンプ装置は、冷媒を直接地中熱交換器に導入することで高効率な熱交換が可能である技術として知られている。
【０００３】
特許文献１には直接膨張方式の地中熱ヒートポンプの採放熱管を断熱材で覆うことにより、不必要な熱交換を防ぎ、採放熱管の性能を向上させることができる採放熱管が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１９－１３２４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、直接膨張方式において十分に熱交換を行うためには、数十ｍ程度掘削する必要があり、掘削コストがかかるという問題があった。また、直接膨張方式では、一般的な空気熱方式の地中熱ヒートポンプ装置で用いられる室外熱交換器に替えて採放熱管を用いるため、既存の空気熱方式の制御機構を使用することができず、さらに施工コストがかかる虞があった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、地中熱を用いることで、省エネルギー性に優れており、かつ、施工コストが低い地中熱ヒートポンプ装置及び地中熱採熱管の取り付け方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］室外熱交換器、地中熱採熱管、膨張弁、室内熱交換器又は水熱交換器、及び圧縮機を備え、前記室外熱交換器及び前記室内熱交換器は、空気と冷媒とが熱交換するように構成され、前記水熱交換器は、水と冷媒とが熱交換するように構成され、前記地中熱採熱管は、地中熱と前記冷媒とが熱交換するように構成され、前記膨張弁は、前記冷媒を減圧可能に構成され、前記圧縮機は、前記冷媒を循環させるように構成された地中熱ヒートポンプ装置であって、冷房運転モード、加温運転モードの少なくとも１つを備え、前記冷房運転モードでは、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記膨張弁、前記室内熱交換器、前記圧縮機の順で導管を介して前記冷媒が循環するように冷房用冷媒循環回路が構成され、前記加温運転モードでは、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁の順で前記導管を介して前記冷媒が循環するように加温用冷媒循環回路が構成される、地中熱ヒートポンプ装置。
［２］［１］に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、第１切替手段と第２切替手段とを備え、前記冷房運転モードにおいて、第１切替手段は、前記圧縮機と第２切替手段とを接続し、かつ、前記室内熱交換器と前記圧縮機とを接続し、第２切替手段は、第１切替手段と前記室外熱交換器とを接続し、かつ、前記膨張弁と前記地中熱採熱管とを接続し、前記加温運転モードにおいて第１切替手段は、第２切替手段と前記圧縮機とを接続し、かつ、前記圧縮機と前記室内熱交換器又は前記水熱交換器とを接続し、第２切替手段は、前記室外熱交換器と前記膨張弁とを接続し、かつ、前記地中熱採熱管と第１切替手段とを接続するように構成されており、運転モードを変更する際、第１切替手段と第２切替手段とは、連動して切り替わる、地中熱ヒートポンプ装置。
［３］［１］又は［２］に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、除霜運転モードをさらに備え、前記除霜運転モードでは、前記室外熱交換器、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁、前記地中熱採熱管の順で前記導管を介して前記冷媒が循環するように除霜用冷媒循環回路が構成される、地中熱ヒートポンプ装置。
［４］［３］に記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、第１切替手段と第２切替手段とを備え、前記除霜運転モードにおいて、第１切替手段は、前記圧縮機と前記室内熱交換器又は前記水熱交換器とを接続し、かつ、第２切替手段と前記圧縮機とを接続し、第２切替手段は、前記室外熱交換器と第１切替手段とを接続し、かつ、前記地中熱採熱管と前記膨張弁とを接続し、前記膨張弁は開放されている、地中熱ヒートポンプ装置。
［５］［１］～［４］のいずれか１つに記載の地中熱ヒートポンプ装置であって、地中熱不使用運転モードをさらに備え、第３切替手段を備え、前記冷房運転モード、前記加温運転モードにおいては、第３切替手段は、前記室外熱交換器と前記地中熱採熱管とを接続し前記地中熱不使用運転モードにおいては、第３切替手段は、前記室外熱交換器と第２切替手段とを接続するように構成されている、地中熱ヒートポンプ装置。
［６］地中熱採熱管の取り付け方法であって、地中熱採熱管組み込み工程を含み、前記地中熱採熱管組み込み工程では、室外熱交換器と膨張弁と室内熱交換器又は水熱交換器と圧縮機とを備え、かつ、冷房運転モード、加温運転モードの少なくとも１つを備える地中熱ヒートポンプ装置に、前記冷房運転モードにおいては、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記膨張弁、前記室内熱交換器、前記圧縮機の順で、前記加温運転モードにおいては、前記室外熱交換器、前記地中熱採熱管、前記圧縮機、前記室内熱交換器又は前記水熱交換器、前記膨張弁の順で導管を介して冷媒が循環する冷媒循環回路が構成されるように組み込まれる、地中熱採熱管の取り付け方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る地中熱ヒートポンプ装置１では、空気熱と地中熱とを併用して熱交換する構成により、熱交換効率が向上し、省エネルギー性能を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１実施形態に係る地中熱ヒートポンプ装置１の簡略図である。
第１実施形態に係る制御手段１００のブロック図である。
第１実施形態に係る冷房用冷媒循環回路Ａ１を示す。
第１実施形態に係る加温用冷媒循環回路Ｂ１を示す。
第１実施形態に係る除霜用冷媒循環回路Ｃ１を示す。
図６Ａは、一般的な空気熱ヒートポンプ装置１ａの冷房用冷媒循環回路Ａ１'である。図６Ｂは、一般的な空気熱ヒートポンプ装置１ａに、本発明に係る地中熱採熱管２０の取り付け方法により地中熱採熱ユニットＸを取り付けて構成された、地中熱ヒートポンプ装置１の冷房用冷媒循環回路Ａ１'である。
第２実施形態に係る地中熱不使用運転モードの冷房用冷媒循環回路Ａ２を示す。
第２実施形態に係る地中熱不使用運転モードの加温用冷媒循環回路Ｂ２を示す。
第２実施形態に係る除霜用冷媒循環回路Ｃ１を示す。
第３実施形態に係る地中熱不使用運転モードの加温用冷媒循環回路Ｂ２を示す。
第３実施形態に係る除霜用冷媒循環回路Ｃ１を示す。
変形例に係る冷房運転専用の地中熱ヒートポンプ装置１の冷房用冷媒循環回路Ａ１を示す。
冷媒管内の冷媒温度分布のシミュレーション結果である。
消費電力の時間変化のシミュレーション結果である。
冷房出力の時間変化のシミュレーション結果である。
冷媒管内液相比率分布のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許