JP2012057836A - 地中熱交換器、及びそれを利用したヒートポンプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】管状に形成されて本体管(22)の内部に熱媒体が封入され、地中においてから採熱を行って熱媒体を相変化させる地中熱交換部(21)を設ける。内部に蓄熱用流体(L)(液状流体)を有した蓄熱槽(26)(熱交換槽)を設ける。また、蓄熱槽(26)内に設けられた第1熱交換部(27)を設ける。また、蓄熱槽(26)の設置状態において第1熱交換部(27)よりも下方となる蓄熱槽(26)内の位置に配置された第2熱交換部(28)を設ける。そして、地中熱交換部(21)を第1及び第2熱交換部(27,28)の何れかに接続する。
【選択図】図1
Description
管状に形成されて本体管(22)の内部に熱媒体が封入され、地中においてから採熱を行って前記熱媒体を相変化させる地中熱交換部(21)と、
内部に液状流体(L)を有した熱交換槽(26)と、
前記熱交換槽(26)内に設けられた第1熱交換部(27)と、
前記熱交換槽(26)の設置状態において前記第1熱交換部(27)よりも下方となる前記熱交換槽(26)内の位置に配置された第2熱交換部(28)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第1及び第2熱交換部(27,28)の何れかに接続され、前記熱媒体が相変化することを特徴とする。
第1の発明の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、
前記本体管(22)の上部に設けられ、液状の前記熱媒体を接続された前記熱交換部(27,28)から該本体管(22)内に導入する液配管(23)と、
前記本体管(22)内の気体状の熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)内に導入するガス配管(24)と、
前記液配管(23)から導入された液状の前記熱媒体を受けて本体管(22)の内周面に拡散させる拡散板(504)と、
を備えていることを特徴とする。
第2の発明の地中熱交換器において、
前記本体管(22)は、内周面に、周方向の溝(507)が形成されていることを特徴とする。
第2の発明の地中熱交換器において、
前記拡散板(504)は、前記本体管(22)の長手方向に間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする。
第1の発明の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、液状の前記熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)から導入する螺旋状の液配管(23)が前記本体管(22)に設けられ、
前記液配管(23)には、液状の前記熱媒体を本体管(22)の内周面に導入する流出孔(502)が複数設けられていることを特徴とする。
第1の発明の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、前記本体管(22)の上部に、液状の前記熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)から前記本体管(22)の内周面に導入する液配管(23)を備え、
前記液配管(23)は、前記本体管(22)内で複数の分岐管(501)に分岐していることを特徴とする。
第6の発明の地中熱交換器において、
前記分岐管(501)には、複数種類の長さのものがあり、
それぞれの分岐管(501)は、先端から液状の前記熱媒体を前記本体管(22)の内周面に導入することを特徴とする。
第6の発明の地中熱交換器において、
それぞれの分岐管(501)は、前記本体管(22)の内周面に沿って該本体管(22)の長手方向に延びる延在部(503)を有し、
それぞれの延在部(503)には、前記本体管(22)の内周面に液状の前記熱媒体を導入する流出孔(502)が複数設けられていることを特徴とする。
第1から第8の発明のうちの何れかの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第2熱交換部(28)に接続され、地中の熱で前記本体管(22)内の前記熱媒体を蒸発させ、
前記第2熱交換部(28)は、前記地中熱交換部(21)で蒸発した前記熱媒体の熱を前記液状流体(L)に放熱させて該熱媒体を凝縮させ、
前記第1熱交換部(27)は、前記冷媒回路(10)に接続されて、前記冷媒を蒸発させることを特徴とする。
第1から第8の発明のうちの何れかの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
気体状の前記熱媒体を搬送する搬送装置(201)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第1熱交換部(27)に接続され、前記本体管(22)内の気体状の前記熱媒体を地中に放熱させて凝縮させ、
前記第1熱交換部(27)は、前記地中熱交換部(21)に接続され、前記地中熱交換部(21)で凝縮した前記熱媒体を蒸発させ、
前記搬送装置(201)は、前記第1熱交換部(27)で蒸発した前記熱媒体を前記本体管(22)に搬送し、
前記第2熱交換部(28)は、前記冷媒回路(10)に接続されて、前記冷媒の熱を前記液状流体(L)に放熱させて凝縮させることを特徴とする。
第1から第8の発明のうちの何れか1つの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
前記第1熱交換部(27)を前記地中熱交換部(21)に接続し、且つ第2熱交換部(28)を前記冷媒回路(10)に接続する第1状態と、前記第1熱交換部(27)を前記冷媒回路(10)に接続し、且つ前記第2熱交換部(28)を前記地中熱交換部(21)に接続する第2状態とに切り換える切換部(304)と
前記第1状態の場合に前記第1熱交換部(27)内の気体状の前記熱媒体を前記本体管(22)に搬送する搬送装置(201)と、
を備えたことを特徴とする。
第9の発明のヒートポンプにおいて、
空気と熱交換を行う空気熱交換器(401)と、
前記空気熱交換器(401)を前記冷媒回路(10)に接続する第1状態と、前記第1熱交換部(27)を前記冷媒回路(10)に接続する第2状態と、前記第2状態において、前記空気熱交換器(401)が同時に蒸発器として機能し、且つ前記利用側熱交換器(60)が凝縮器として機能するように冷媒が循環する第3状態に切り換える切換部(304)を備えたことを特徴とする。
第9から第12の発明のうちの何れか1つのヒートポンプにおいて、
前記液状流体(L)に放熱する副熱源部(29)を備えたことを特徴とする。
第9から第13の発明のうちの何れか1つのヒートポンプにおいて、
前記地中熱交換部(21)は、複数設けられ、
それぞれの地中熱交換部(21)は、1つの第1熱交換部(27)又は1つの第2熱交換部(28)に並列に配管接続されていることを特徴とする。
〈全体構成〉
実施形態1では、地中から採熱した熱によって暖房運転を行う空調システムについて説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る空調システム(1)のシステム図である。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(50)、室内熱交換器(60)(利用側熱交換器)、膨張弁(70)、及び地中熱交換器(20)が配管(11)で接続され、冷媒が充填されている。この地中熱交換器(20)が地中から採熱を行う熱交換器である。
圧縮機(50)は、前記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(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。この冷媒回路(10)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、吸入ポートが地中熱交換器(20)(詳しくは後述の第1熱交換部(27))に接続されている。
地中熱交換器(20)は、地中熱交換部(21)、及び蓄熱槽(26)を備えている。この地中熱交換部(21)と蓄熱槽(26)とは、後述するように、互いに配管接続されている。また、この地中熱交換器(20)内には、熱媒体として、所定の量の二酸化炭素が封入されている。この熱媒体は、後述するように、地中熱交換部(21)において地中熱によって蒸発し、蓄熱槽(26)内(より詳しくは後述の第2熱交換部(28))で凝縮する。
地中熱交換部(21)は、地中に埋設されて土壌から採熱する。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、地中熱交換部(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。この地中熱交換部(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部(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部(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(地中熱交換部(21)以外の部分)を示している。
蓄熱槽(26)は、密閉容器(26a)、第1及び第2熱交換部(27,28)を備え、室外機(30)内に設置されている。この蓄熱槽(26)は、本発明の熱交換槽の一例である。
本実施形態では、空調システム(1)の運転開始前(停止状態)は、蓄熱槽(26)に地中熱が蓄熱される。空調システム(1)が停止している状態では、地中熱交換器(20)の本体管(22)内では、本体管(22)の内周面と、液状の熱媒体と熱交換を行うことで、熱媒体が蒸発して気体状になる。すなわち、本体管(22)は、地中において土壌から採熱を行って熱媒体を相変化させるのである。このように熱を熱媒体に奪われた本体管(22)は土壌から採熱し、これにより、本体管(22)の熱が補われる。
以上のように、本実施形態によれば、本体管(22)と第2熱交換部(28)との間で熱媒体が自然循環する。すなわち、土壌から採熱を行う地中熱交換器(20)において、熱媒体を効率よく循環できる。
本発明の実施形態2では、冷房運転が可能な空調システムについて説明する。図3は、本発明の実施形態2に係る空調システム(2)のシステム図である。この空調システム(2)は、実施形態1の空調システム(1)に対してガスポンプ(201)を追加するとともに、地中熱交換部(21)の構成に変更を加えたものである。ガスポンプ(201)は、本発明の搬送装置の一例である。
この空調システム(2)では、運転開始前は、地中熱交換部(21)では、本体管(22)の内周面で熱媒体が冷却されて液体となって本体管(22)の底に溜っている。また、第1熱交換部(27)内には気体状の熱媒体も存在している。ここで、空調システム(2)において冷房運転を行うには、圧縮機(50)とガスポンプ(201)を運転状態にする。
以上のように、冷房を行うように空調システムを構成した場合にも、実施形態1と同様に、地中熱交換器(20)において、熱媒体を効率よく循環できる。
本発明の実施形態3では、暖房運転と冷房運転の両方が可能な空調システムについて説明する。図4は、本発明の実施形態3に係る空調システム(3)のシステム図である。また、図5は、空調システム(3)の暖房運転時の状態を示す図である。
四路切換弁(303)は、第1から第4ポート(P1,…,P4)を備えている。この四路切換弁(303)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)とを切り換えできるようになっている。この例では、四路切換弁(303)は、第1ポート(P1)が室内熱交換器(60)に接続され、第2ポート(P2)が圧縮機(50)の吐出ポートに接続されている。
冷媒切換部(304)は、第1〜第8開閉バルブ(311,…,318)、第1、第2流量調整弁(321,322)を備えている。
空調システム(3)において冷房運転を行うには、四路切換弁(303)を第1状態に切替える。また、冷媒切換部(304)を第1運転モードに切り換える。この状態で、圧縮機(50)及びガスポンプ(201)を運転して冷媒回路(10)内で冷媒を循環させれば、実施形態2の例と同様にして、室内熱交換器(60)が蒸発器として機能し、地中熱交換器(20)が凝縮器して機能する。これにより、室内の空気が冷却される。
以上のように、暖房運転と冷房運転の両方を行うように空調システムを構成した場合にも、地中熱交換器(20)において、熱媒体を効率よく循環できる。また、蓄熱槽(26)に地中熱を蓄熱すればより効率のよい、冷房あるいは暖房運転が可能になる。
本発明の実施形態4でも、暖房運転と冷房運転の両方が可能な空調システムについて説明する。図6は、本発明の実施形態4に係る空調システム(4)のシステム図である。また、図7は、空調システム(4)の暖房運転状態を説明する図である。この空調システム(4)は、図6や図7に示すように、実施形態1の空調システム(1)に空気熱交換器(401)、四路切換弁(303)、及び冷媒切換部(304)を追加したものである。
空調システム(4)において冷房運転を行うには、四路切換弁(303)を第1状態に切替える。また、冷媒切換部(304)を第1運転モードに切り換える。この状態で、圧縮機(50)を運転して冷媒回路(10)内で冷媒を循環させれば、室内熱交換器(60)が蒸発器として機能し、空気熱交換器(401)が凝縮器して機能する。これにより、室内熱交換器(60)によって、室内の空気が冷却される。
以上のように、本実施形態によれば、暖房運転と冷房運転の両方が可能になる。そして、暖房運転時には地中熱交換器(20)が使用され、前記実施形態と同様に、地中熱交換器(20)において、熱媒体を効率よく循環できる。
実施形態5では、地中熱交換器(20)の変形例を説明する。図8は、地中熱交換器(20)の変形例における断面図である。
なお、本発明のヒートポンプは、空調システムには限定されない。例えば利用側熱交換器(60)で水を加熱する給湯システムにも適用できる。
10 冷媒回路
20 地中熱交換器
21 地中熱交換部
22 本体管
23 液配管
26 蓄熱槽(熱交換槽)
27 第1熱交換部
28 第2熱交換部
29 副熱源部
60 室内熱交換器(利用側熱交換器)
201 ガスポンプ(搬送装置)
304 冷媒切換部切換部(切換部)
401 空気熱交換器
501 分岐管
502 流出孔
503 延在部
504 拡散板
507 溝
Claims (14)
- 管状に形成されて本体管(22)の内部に熱媒体が封入され、地中においてから採熱を行って前記熱媒体を相変化させる地中熱交換部(21)と、
内部に液状流体(L)を有した熱交換槽(26)と、
前記熱交換槽(26)内に設けられた第1熱交換部(27)と、
前記熱交換槽(26)の設置状態において前記第1熱交換部(27)よりも下方となる前記熱交換槽(26)内の位置に配置された第2熱交換部(28)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第1及び第2熱交換部(27,28)の何れかに接続され、前記熱媒体が相変化することを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項1の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、
前記本体管(22)の上部に設けられ、液状の前記熱媒体を接続された前記熱交換部(27,28)から該本体管(22)内に導入する液配管(23)と、
前記本体管(22)内の気体状の熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)内に導入するガス配管(24)と、
前記液配管(23)から導入された液状の前記熱媒体を受けて本体管(22)の内周面に拡散させる拡散板(504)と、
を備えていることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項2の地中熱交換器において、
前記本体管(22)は、内周面に、周方向の溝(507)が形成されていることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項2の地中熱交換器において、
前記拡散板(504)は、前記本体管(22)の長手方向に間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項1の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、液状の前記熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)から導入する螺旋状の液配管(23)が前記本体管(22)に設けられ、
前記液配管(23)には、液状の前記熱媒体を本体管(22)の内周面に導入する流出孔(502)が複数設けられていることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項1の地中熱交換器において、
前記地中熱交換部(21)は、前記本体管(22)の上部に、液状の前記熱媒体を、接続された前記熱交換部(27,28)から前記本体管(22)の内周面に導入する液配管(23)を備え、
前記液配管(23)は、前記本体管(22)内で複数の分岐管(501)に分岐していることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項6の地中熱交換器において、
前記分岐管(501)には、複数種類の長さのものがあり、
それぞれの分岐管(501)は、先端から液状の前記熱媒体を前記本体管(22)の内周面に導入することを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項6の地中熱交換器において、
それぞれの分岐管(501)は、前記本体管(22)の内周面に沿って該本体管(22)の長手方向に延びる延在部(503)を有し、
それぞれの延在部(503)には、前記本体管(22)の内周面に液状の前記熱媒体を導入する流出孔(502)が複数設けられていることを特徴とする地中熱交換器。 - 請求項1から請求項8のうちの何れかの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第2熱交換部(28)に接続され、地中の熱で前記本体管(22)内の前記熱媒体を蒸発させ、
前記第2熱交換部(28)は、前記地中熱交換部(21)で蒸発した前記熱媒体の熱を前記液状流体(L)に放熱させて該熱媒体を凝縮させ、
前記第1熱交換部(27)は、前記冷媒回路(10)に接続されて、前記冷媒を蒸発させることを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項1から請求項8のうちの何れかの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
気体状の前記熱媒体を搬送する搬送装置(201)と、
を備え、
前記地中熱交換部(21)は、前記第1熱交換部(27)に接続され、前記本体管(22)内の気体状の前記熱媒体を地中に放熱させて凝縮させ、
前記第1熱交換部(27)は、前記地中熱交換部(21)に接続され、前記地中熱交換部(21)で凝縮した前記熱媒体を蒸発させ、
前記搬送装置(201)は、前記第1熱交換部(27)で蒸発した前記熱媒体を前記本体管(22)に搬送し、
前記第2熱交換部(28)は、前記冷媒回路(10)に接続されて、前記冷媒の熱を前記液状流体(L)に放熱させて凝縮させることを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項1から請求項8のうちの何れか1つの地中熱交換器(20)と、
利用側熱交換器(60)を有して冷媒が循環する冷媒回路(10)と、
前記第1熱交換部(27)を前記地中熱交換部(21)に接続し、且つ第2熱交換部(28)を前記冷媒回路(10)に接続する第1状態と、前記第1熱交換部(27)を前記冷媒回路(10)に接続し、且つ前記第2熱交換部(28)を前記地中熱交換部(21)に接続する第2状態とに切り換える切換部(304)と
前記第1状態の場合に前記第1熱交換部(27)内の気体状の前記熱媒体を前記本体管(22)に搬送する搬送装置(201)と、
を備えたことを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項9のヒートポンプにおいて、
空気と熱交換を行う空気熱交換器(401)と、
前記空気熱交換器(401)を前記冷媒回路(10)に接続する第1状態と、前記第1熱交換部(27)を前記冷媒回路(10)に接続する第2状態と、前記第2状態において、前記空気熱交換器(401)が同時に蒸発器として機能し、且つ前記利用側熱交換器(60)が凝縮器として機能するように冷媒が循環する第3状態に切り換える切換部(304)を備えたことを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項9から請求項12のうちの何れか1つのヒートポンプにおいて、
前記液状流体(L)に放熱する副熱源部(29)を備えたことを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項9から請求項13のうちの何れか1つのヒートポンプにおいて、
前記地中熱交換部(21)は、複数設けられ、
それぞれの地中熱交換部(21)は、1つの第1熱交換部(27)又は1つの第2熱交換部(28)に並列に配管接続されていることを特徴とするヒートポンプ。
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