WO2009133709A1

WO2009133709A1 - 熱交換器及び空調システム

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Publication number: WO2009133709A1
Application number: PCT/JP2009/001969
Authority: WO
Inventors: 浅井英明; 川端克宏; 谷本啓介; 康倫明
Original assignee: ダイキン工業株式会社
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-11-05
Also published as: JPWO2009133709A1; EP2302311A1; AU2009241159A1; CN102016453A; KR20110008278A; US20110048049A1; CN102016453B

Abstract

　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）内に挿入され冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる暖房用伝熱管（80）を設ける。外管（51）内には、熱媒体を封入する。そして、外管（51）と暖房用伝熱管（80）とは、該外管（51）の内面壁と該冷房用伝熱管（52）の外面壁とで、液状の前記熱媒体を案内するように配置する。

Description

熱交換器及び空調システム

　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。

　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。

国際公開第ＷＯ２００４／１１１５５９号パンフレット

　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、従来の熱交換器（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、特許文献１の様に、地表近辺でヒートポンプ側の冷媒の熱交換器を直接導入し、地中熱を熱媒体の相変化を利用して回収しても、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。

　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。

　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の熱交換性能を向上させることを目的としている。

　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）内に挿入され冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる暖房用伝熱管（80）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熱交換する熱交換器であって、
　前記外管（51）と前記暖房用伝熱管（80）とは、該外管（51）の内面壁と該冷房用伝熱管（52）の外面壁とで、液状の前記熱媒体を案内するように配置されていることを特徴とする。

　これにより、熱媒体案内部（52）が、暖房用伝熱管（80）の外面で凝縮した前記熱媒体を、外管（51）の内面壁に案内する。該内壁面に案内された熱媒体は、該内壁面上を上方から下方に向かって流れる過程で、該内壁面の円周方向に付着して広がり、そこで液膜を形成する。

　また、第２の発明は、
　第１の発明の熱交換器において、
　前記暖房用伝熱管（80）は、コイル状に形成されていることを特徴とする。

　これにより、コイル状の暖房用伝熱管（80）が、凝縮した熱媒体を外管（51）の内面壁に案内する。

　また、第３の発明は、
　第１の発明の熱交換器において、
　前記外管（51）内には、該外管（51）の内面壁に沿ってウイック（90）が設けられていることを特徴とする。

　これにより、ウイック（90）が、暖房用伝熱管（80）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。

　また、第４の発明は、
　第１の発明の熱交換器において、
　前記外管（51）の内面壁には、該熱媒体の表面張力を利用、又は内表面での接触角を低減させて前記熱媒体を保持するグルーブ（100）が形成されていることを特徴とする。

　これにより、グルーブ（100）が、外管（51）内の液状の熱媒体を保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させる。

　また、第５の発明は、
　第１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。

　これにより、空調システムにおいて、地熱を熱源としての暖房運転が行われる。この暖房運転時には、暖房用伝熱管（80）の外面で凝縮した前記熱媒体が、外管（51）の内面壁に案内され、該内壁面に案内された熱媒体は、該内壁面上を上方から下方に向かって流れる過程で、該内壁面に付着して広がり、そこで液膜を形成する。液膜を形成した熱媒体は、地中又は水中の熱を壁面から得て再び蒸発する。熱媒体は蒸発凝縮の相変化で地中又は水中の熱を空調の気化部である暖房用伝熱管（80）に伝熱する。

　第１の発明によれば、凝縮した熱媒体が、外管（51）の内壁面の円周方向に付着して広がり、そこで液膜を形成するので、外管（51）内の長さ方向（即ち軸方向）における熱媒体の偏流や濡れの偏りを防止できる。これにより、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、熱交換器の熱交換効率がより向上する。

　また、第２の発明によれば、コイル状の暖房用伝熱管（80）が、凝縮した熱媒体を外管（51）の内面壁に案内するので、熱媒体案内部（52）部分の長さを十分に確保でき、熱交換効率がより向上する。

　また、第３の発明によれば、ウイック（90）が外管（51）内の液状の熱媒体を浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させる。それゆえ、外管（51）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、熱交換性能がより向上する。

　また、第４の発明によれば、グルーブ（100）が外管（51）内の液状の熱媒体を浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させる。それゆえ、外管（51）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、熱交換性能がより向上する。

　また、第５の発明によれば、空調システムにおいて、室外機（空気熱交器）が不要となるとともに、運転も外気温に関わらず霜取りも不要となり、高効率で暖房運転がおこなえる。そして、外管（51）の内部においては液相の熱媒体の循環を潤滑におこなえるので、熱媒体の相変化による伝熱が、暖房用伝熱管（80）と外管（51）の内表面との間で効率的に行われ、暖房時における熱交換器の熱交換性能が向上する。そして、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。

図１は、本発明の実施形態に係る地中熱交換器を含んだ空調システムのシステム図である。図２は、地中熱交換器の構成を示す縦断面図である。図３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４は、熱媒体案内部の構成、及び熱媒体の動きを説明する図である。図５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。図６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７（Ａ）は、外管の他の構成例における横断面であり、図７（Ｂ）は、その一部を切り取った斜視図である。図８は、外管のさらに他の構成例を示す横断面図である。

　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、以下の各実施形態や変形例の説明において、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》
　実施形態１では、本発明の熱交換器の一例として、地中に設置される熱交換器（地中熱交換器）の例を説明する。

　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土壌から熱を集熱する。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。

　＜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熱交換器（50）（地中熱交換器）を含んだ空調システム（1）のシステム図である。本実施形態の空調システム（1）は、図１に示すように、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（作動流体）が充填されている。

　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、吸入ポートが地中熱交換器（50）（詳しくは後述の導出部（80c））に接続され、吐出ポートが室内熱交換器（30）に接続されている。

　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。この空調システム（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（31）が設置されている。室内ファン（31）は、調和空気を室内へ送風する。

　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部（80a））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。

　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に示すように、外管（51）と暖房用伝熱管（80）とを備えている。

　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。

　また、外管（51）内には、熱媒体として、所定の量の二酸化炭素（ＣＯ_２）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）の内壁面を介して土壌から吸熱して蒸発するとともに、暖房用伝熱管（80）の外壁面（詳しくは後述する本体部（80b））において放熱して凝縮する。外管（51）の上方には、この凝縮した熱媒体を、熱媒体の表面張力を利用したり、表面での接触角を低減させたりすることによって外管（51）の内面壁に案内する熱媒体案内部（52）（後述）が形成されている。

　暖房用伝熱管（80）は、導入部（80a）、本体部（80b）、導出部（80c）から形成されている。

　導入部（80a）は、本体部（80b）に対して冷媒を導入するための配管であり、また、導出部（80c）は本体部（80b）から冷媒を導出する配管である。本実施形態では、導入部（80a）及び導出部（80c）は、何れも直状に形成され、外管（51）の上方からその一端が該外管（51）内に挿入されている。そして、導入部（80a）及び導出部（80c）は、何れも外管（51）内において本体部（80b）と接続されている。

　本体部（80b）は、外管（51）内の熱媒体と熱交換を行って、その内部に導入された冷媒を蒸発させる。本実施形態では、本体部（80b）は、コイル状に形成されて、外管（51）内の上方に配置されている。本体部（80b）の外面では、後に詳述するように、暖房運転時に熱媒体（蒸気）が凝縮する。本体部（80b）は、その凝縮した熱媒体を外管（51）の内面壁に案内する熱媒体案内部（52）を形成している。具体的には、図４に示すように、本体部（80b）の外壁面が、外管（51）の内壁面と近接して配置され、両壁面の間で、熱媒体の表面張力を利用したり、表面での接触角を低減させたりすることによって、凝縮した熱媒体を引き寄せて、外管（51）の内壁面にその熱媒体が案内する。本体部（80b）の外壁面と外管（51）の内壁面との間には、隙間を設けてあり、外管（51）の内壁面に案内された熱媒体は、この隙間を経由して該内壁面を伝って、外管（51）の上方から下方に向かって流れる。

　－運転動作－
　次に、空調システム（1）における暖房運転中の動作について説明する。

　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（31）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、その後に暖房用伝熱管（80）の導入部（80a）を介して本体部（80b）へ送られる。この導入された冷媒は、気液二相の状態である。

　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、本体部（80b）の外壁面と接すると、本体部（80b）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、熱媒体案内部（52）において、熱媒体の表面張力を利用したり、表面での接触角を低減させたりすることによって、本体部（80b）の外壁面と外管（51）の内壁面との間に引き寄せられる。そして、引き寄せられた熱媒体は、外管（51）の内壁面へ案内され、本体部（80b）の外壁面と外管（51）の内壁面との間の隙間を経由して、該内壁面上を上方から下方に向かって流れる。特に、本実施形態では本体部（80b）がコイル状に形成されているので、熱媒体案内部（52）部分の長さを十分に確保できる。外管（51）内壁面に案内された熱媒体は、該内壁面上を上方から下方に向かって流れる過程で、該内壁面に付着して広がり、そこで液膜を形成する。このように、液膜を形成した熱媒体は、外管（51）の内壁面を介して土壌から地熱を吸熱して蒸発する。

　一方、暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）は、外管（51）内の熱媒体の蒸気と接している。そのため、本体部（80b）内の冷媒は、本体部（80b）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、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。

　暖房用伝熱管（80）の本体部（80b）内で蒸発した冷媒は、導出部（80c）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。この空調システム（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。

　以上のように、本実施形態によれば、暖房用伝熱管（80）（本体部（80b））の外壁面で凝縮した熱媒体が熱媒体案内部（52）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）内の長さ方向（即ち軸方向）における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、空調システム（暖房システム）の低コスト化も期待できる。

　《発明の実施形態２》
　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５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）。

　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。

　《その他の実施形態（変形例）》
　〈１〉なお、各実施形態の熱交換器（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６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６（Ａ）は、熱交換器（50）を傾斜して地中に設置した例を示し、図６（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６（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。

　〈２〉また、外管（51）の内面壁には、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、ウイック（90）を設けてもよい。このウイック（90）は、外管（51）内の液状の熱媒体を浸透させて保持するとともに、保持した液冷媒を外管（51）の内面壁に接触させる。このようなウイック（90）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。このように、外管（51）の内面壁にウイック（90）を設けることで、外管（51）の内面壁に対し、均一な濡れを確保することができ、暖房運転時における熱交換性能が向上する。

　〈３〉また、外管（51）の内面壁には、図８の断面図に示すように、複数のグルーブ（100）を設けてもよい。具体的には、このグルーブ（100）は、外管（51）内の液状の熱媒体を保持するように、幅、深さ、数などを定める。なお、グルーブ（100）の方向は、外管（51）の軸方向に平行なものには限定されない。例えば、円周方向であってもよいし、らせん状であってもよい。このようなグルーブ（100）を外管（51）の内面壁に設けることで、外管（51）の内面壁に対し、やはり均一な濡れを確保することができ、暖房運転時における熱交換性能が向上する。

　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。

　　　１　　　空調システム
　　５０　　　熱交換器
　　５１　　　外管
　　５２　　　熱媒体案内部
　　８０　　　暖房用伝熱管
　　９０　　　ウイック
　１００　　　グルーブ

Claims

　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）内に挿入され冷媒が内部に導入されるとともに該冷媒を蒸発させる暖房用伝熱管（80）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熱交換する熱交換器であって、
　前記外管（51）と前記暖房用伝熱管（80）とは、該外管（51）の内面壁と該冷房用伝熱管（52）の外面壁とで、液状の前記熱媒体を案内するように配置されていることを特徴とする熱交換器。
　請求項１の熱交換器において、
　前記暖房用伝熱管（80）は、コイ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１の熱交換器において、
　前記外管（51）内には、該外管（51）の内面壁に沿ってウイック（90）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
　請求項１の熱交換器において、
　前記外管（51）の内面壁には、該熱媒体の表面張力を利用、又は内表面での接触角を低減させて前記熱媒体を保持するグルーブ（100）が形成されていることを特徴とする熱交換器。
　請求項１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。