专利名称：热交换器及空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设置在地下或者水中的热交换器以及利用了该热交换器的空调 系统。
背景技术：
在利用制冷循环进行制热的所谓的热泵式制热系统中具有利用地热、水中的热 作热源让制冷剂蒸发的制热系统。例如在利用地热的热泵式制热系统中使用了从地下回 收地热的地下热交换器(参照例如专利文献1)。在专利文献1中的热交换器中，将内部 具有传热介质的管(在该说明书中称为埋设管)埋设在地下，利用地热让埋设管内的传热 介质蒸发。而且，从该埋设管分支出一个分支管，将热交换器安装在分岐管上，用由该 热交换器回收的热作热泵式制热系统的热源。专利文献1 国际公开第W02004/111559号小册子
发明内容
-发明要解决的技术问题-然而，例如，在是自土壤采热的地下热交换器的情况下，因为土壤的传热阻力 通常较大，所以如果在现有热交换器(地下热交换器)的热交换性能下使用小型热交换 器，则难以获得充分的热量。因此，例如若想利用垂直方向埋设地下热交换器的所谓的 垂直式地下热交换器获得充分的热量，则需要将地下热交换器埋设到相当深的深处。具 体而言，一般家庭用制热系统中的地下热交换器有需要埋设深度在IOOm左右之例。当 地下热交换器这样需要的埋设深度时，设置费用就会成为问题。再就是，即使像专利文 献1那样，将热泵侧制冷剂的热交换器直接设置在地表附近，利用传热介质的相变化回 收地热，也是与用于使管内的工作流体蒸发的面积相比用于使管内的工作流体冷凝的面 积很小，气化与冷凝的热平衡不良。而且，尽管已冷凝的工作流体会自管的上部朝下方 流动，却不会均勻地浸湿很长的管的壁面。也就是说，现有地下热交换器不是一种能够 效率良好地进行来自地热之热的热交换的部件。在应用广泛的让水在地下热交换器内部循环来利用该循环水之热的方式下，需 要让水在埋设于如此深处之管内流动的导管，还需要为了运送在该导管内流动的传热介 质的泵，该泵的功耗将会使得制热系统整体的效率下降，这也是问题。本发明是着眼于上述问题而完成的，其目的在于提高设置在地下、水中的热 交换器的热交换性能。-用以解决技术问题的技术方案_为解决上述技术问题，第一方面的发明是一种热交换器。其具备竖着或者倾 斜着设置在地下或者水中的外管51、插入在所述外管51内将制冷剂引入内部并让该制冷 剂蒸发的制热用传热管80以及被封入在所述外管51内的传热介质，该热交换器利用所述 传热介质的相变化进行热交换。所述外管51和所述制热用传热管80设置为利用该外
3管51的内壁面和该制冷用传热管52的外壁面引导液状的所述传热介质。这样一来，传热介质引导部52就将在制热用传热管80的外面已冷凝的所述传热 介质引导到外管51的内壁面上，已被引导到该内壁面上的传热介质在沿着该内壁面从上 方朝下方流动的过程中，附着在该内壁面的圆周方向上逐渐扩大，在那里形成液膜。第二方面的发明是这样的，在第一方面发明的热交换器中，所述制热用传热管 80形成为螺旋状。这样一来，螺旋状制热用传热管80就将已冷凝的传热介质引导到外管51的内壁 面上。第三方面的发明是这样的，在第一方面发明的热交换器中，在所述外管51内沿 着该外管51的内壁面设置有吸芯90。这样一来，吸芯90就让在制热用传热管80外侧已冷凝的传热介质浸透到其内 部，让已冷凝的传热介质与该外管51的内壁面接触的面积更大。第四方面的发明是这样的，在第一方面发明的热交换器中，在所述外管51的内 壁面上形成有槽100，该槽100利用该传热介质的表面张力或者让在内表面的接触角减小 来保持所述传热介质。这样一来，槽100就既保持外管51内的液状传热介质，又让所保持的液态制冷 剂与外管51的内壁面接触。第五方面的发明是一种空调系统，包括权利要求1所述的热交换器，进行制冷 循环。这样一来就在空调系统中进行以地热为热源的制热运转。在进行该制热运转 时，在制热用传热管80的外面已冷凝的所述传热介质引导到外管51的内壁面上，已被引 导到该内壁面上的传热介质在沿着该内壁面从上方朝下方流动的过程中，附着在该内壁 面的圆周方向上逐渐扩大，在那里形成液膜。该已形成为液膜的传热介质从壁面获得地 下或者水中的热再次蒸发。传热介质利用其蒸发冷凝的相变化将地下或者水中的热传递 给是空调的气化部的制热用传热管80。_发明的效果-根据第一方面的发明，因为已冷凝的传热介质附着并在外管51的内壁面的圆周 方向上逐渐扩大，在那里形成液膜，所以能够防止在外管51内的长度方向(亦即轴向) 上发生传热介质的偏流、浸湿不均勻等。这样一来，便能够让已成为液体的传热介质与 外管51的内壁面效率良好地接触并蒸发，热交换器的热交换效率就进一步提高。根据第二方面的发明，因为螺旋状制热用传热管80将已冷凝的传热介质引导到 外管51的内壁面上，所以能够充分确保传热介质引导部52部分的长度，热交换效率进一 步提尚。根据第三方面的发明，吸芯90让外管51内的液状传热介质渗透并保持在其中， 并让所保持的液态制冷剂与该外管51的内壁面接触。因此，能够确保对该外管51的内 壁面的均勻的浸湿，热交换性能进一步提高。根据第四方面的发明，槽100让外管51内的液状传热介质渗透并保持在其中， 并让所保持的液态制冷剂与该外管51的内壁面接触。因此，能够确保对该外管51的内 壁面的均勻的浸湿，热交换性能进一步提高。
根据第五方面的发明，在空调系统中，室外机(空气热交换器)不需要了，运转 也与室外气温无关，不需要除霜，因此可高效地进行制热运转；因为在外管51的内部能 够顺利地进行液相传热介质的循环，所以传热介质的相变化所带来的传热在制热用传热 管80和外管51的内表面之间有效地进行，制热时热交换器的热交换性能提高；因该热交 换性能的提高，可实现热交换器的小型化，甚至有望实现制热系统的低成本化。
图1是具备本发明的实施方式所涉及的地下热交换器的空调系统的系统图。图2是表示地下热交换器的结构的纵向剖视图。图3是示意地表示已将地下热交换器设置于地下之状态的图。图4是说明传热介质引导部的结构以及传热介质的流动情况的图。图5是示意地表示已将热交换器50设置于地下之状态的图。图6(A)和图6(B)是示意地表示热交换器50倾斜设置之状态的图。图7 (A)和图7(B)是表示外管的其它结构之例的图，图7 (A)是外管的横截面， 图7(B)是将外管的一部分切掉后的立体图。图8是表示外管的又一其它结构之例的横向剖视图。-符号说明-1 空调系统50热交换器51 外管52传热介质引导部80制热用传热管90 吸芯100 槽
具体实施例方式下面，结合附图对本发明的实施方式进行说明。此外，以下实施方式仅仅是本 质上的优选示例而已，并不意味着要限制本发明、本发明的适用物或本发明的用途等。 在以下对各个实施方式、变形例所做的说明中，用同一符号表示与已说明的构成要素具 有同样功能的构成要素，说明省略。(发明的第一实施方式)在第一实施方式中，作为本发明的热交换器之一例说明设置在地下的热交换器 (地下热交换器)。本发明的实施方式所涉及的地下热交换器例如用于可进行制热运转的热泵式空 调系统中，进行制热运转时发挥蒸发器的作用，从土壤吸热。此外，这里的土壤具有多 个层，除了仅由砂土形成的层以外，还包括砂土和水双方都含有的所谓的带水层以及岩 石连续分布形成的岩盘。也就是说，该地下热交换器根据所设置的场所、深度，不仅有 与砂土进行热交换的时候，还有与地下水、岩盘进行热交换的时候，或者与砂土和地下 水两者都进行热交换的时候。CN 102016453 A <空调系统的整体结构>图1是具备第一实施方式所涉及的热交换器50 (地下热交换器)的空调系统1的 系统图。如图1所示，本实施方式的空调系统1具备制冷剂回路10。在该制冷剂回路 10中，压缩机20、室内热交换器30、膨胀阀40以及地下热交换器50连接在一起。在该 制冷剂回路10填充有制冷剂(工作流体)。压缩机20从吸入口吸入制冷剂后进行压缩，并从喷出口将该已压缩的制冷剂喷 出。具体而言，该压缩机20可采用例如涡旋型压缩机等各种各样的压缩机。在该制冷 剂回路10中，压缩机20的吸入口与地下热交换器50(详细而言，后述的引出部80c)连 接，喷出口与室内热交换器30连接。室内热交换器30是用来让制冷剂与室内空气进行热交换的空气热交换器。在该 空调系统1中，室内热交换器30装在设置于进行制热的室内的所谓的室内机里，向室内 空气释放从压缩机20送来的高压制冷剂的热。具体而言，该室内热交换器30例如可采 用横肋型管片式热交换器等。该室内热交换器30的流出孔与膨胀阀40的流入孔连接， 这样已放热了的制冷剂便会从该流出孔流出，流入膨胀阀40。此外，室内风扇31设置在 该室内热交换器30附近。室内风扇31将已调节了的空气送向室内。膨胀阀40的流出孔与地下热交换器50 (详细而言，后述的引入部80a)相连接， 该膨胀阀40让已从室内热交换器30流入的制冷剂膨胀而减压到规定压力以后，再让该制 冷剂从其中流出，流入该地下热交换器50。地下热交换器50以地热为热源，聚集制热用热。如图2所示，该地下热交换器 50包括外管51和制热用传热管80。外管51形成为两端封闭的管状，在该例中竖着埋设在地下。例如，图3是示意 地表示已将地下热交换器50设置于地下之状态的图。地层有主要由砂土形成的层、含 砂土和水的层、主要含水的层，以及岩石连续分布而形成的岩盘层等。该地下热交换器 50可以设置在任意一地层中。再就是，在图3中，示出的是跨越各个层设置地下热交换 器50的状态，但除此以外，亦可仅在某一层地层中设置该地下热交换器50，让该地下热 交换器50进行热交换。外管51内作为传热介质封入有规定量的二氧化碳(CO2)。该传热介质如后详 述，经外管51的内壁面从土壤吸热而蒸发，并在制热用传热管80的外壁面(详细而言， 后述的主体部80b)放热而冷凝。在外管51的上方形成有传热介质引导部52 (后述)，该 传热介质引导部52利用传热介质的表面张力，或者减小在表面的接触角，来将该已冷凝 的传热介质引导到外管51的内壁面。该制热用传热管80由引入部80a、主体部80b以及引出部80c构成。引入部80a是用以将制冷剂引入主体部80b的配管；引出部80c是将制冷剂从主 体部80b引出的配管。在本实施方式中，引入部80a及引出部80c皆形成为直线状，引 入部80a及引出部80c的一端自外管51的上方插入该外管51内，而且，引入部80a及引 出部80c都在外管51内与主体部80b相连接。主体部80b与外管51内的传热介质进行热交换，让已被引入其内部的制冷剂蒸 发。在本实施方式中，主体部80b形成为螺旋状，设置在外管51的内上方。如后详述， 在主体部80b外面，在进行制热运转时传热介质(蒸气)冷凝。主体部80b构成将该已冷
6凝的传热介质引导到外管51的内壁面的传热介质引导部52。具体而言，如图4所示，主 体部80b的外壁面接近外管51的内壁面而设，在两壁面之间通过利用传热介质的表面张 力，或者减小在表面的接触角，吸引已冷凝的传热介质，并将该传热介质引导到外管51 的内壁面上。主体部80b的外壁面和外管51的内壁面之间设置有间隙，已被引导到外管 51的内壁面上的传热介质经该间隙在该内壁面上流动，自外管51的上方朝着下方流动。-运转动作-接下来，对空调系统1在制热运转过程中的工作情况进行说明。首先，压缩机20进入运转状态，已压缩的制冷剂(气态制冷剂)从压缩机20的 喷出口喷出。从压缩机20喷出的该制冷剂送向室内热交换器30。已流入室内热交换器 30的制冷剂在室内热交换器30中向室内空气放热。在室内热交换器30中室内空气被加 热，已被加热的室内空气利用室内风扇31返送回室内。已在室内热交换器30放热了的 制冷剂送向膨胀阀40。已流入膨胀阀40的制冷剂在通过膨胀阀40之际被减压，之后经 制热用传热管80的引入部80a送往主体部80b。该已引入的制冷剂是气液两相状态。此时，在外管51内传热介质吸收地热而蒸发，作为蒸气存在。该蒸气状态的传 热介质一与主体部80b的外壁面接触，就被主体部80b吸热而自身冷凝成为液体。该成 为液体的传热介质在传热介质引导部52内利用传热介质的表面张力，或者减小在表面的 接触角而被吸引到主体部80b的外壁面和外管51的内壁面之间。该已被吸引的传热介质 被引向外管51的内壁面，经主体部80b的外壁面和外管51的内壁面之间的间隙，沿着该 内壁面从上方朝下方流动。特别是，在本实施方式中，因为主体部80b形成为螺旋状， 所以能够充分确保传热介质引导部52部分的长度。已被引向外管51的内壁面的传热介 质在沿着该内壁面从上方朝下方流动的过程中，附着在该内壁面上逐渐扩大，在那里形 成液膜。这样已成为液膜的传热介质经外管51的内壁面自土壤吸收地热而蒸发。另一方面，制热用传热管80的主体部80b与外管51内的传热介质的蒸气接触。 因此，主体部80b内的制冷剂经主体部80b从蒸气传热介质吸热而蒸发。就这样，在地 下热交换器50中利用外管51内的传热介质的相变化回收地热。在制热用传热管80的主体部80b内已蒸发的制冷剂被从引出部80c引出后，又 被吸入压缩机20中。在压缩机20中，吸入该制冷剂进行压缩，并再次将制冷剂喷向室 内热交换器30。在空调系统1中重复进行以上动作，进行以地下热交换器50作蒸发器在 压缩机20中压缩制冷剂的制冷循环(该例中为制热)。如上所述，根据本实施方式，已在制热用传热管80 (主体部80b)的外壁面冷凝 了的传热介质由传热介质引导部52引向外管51的内壁面，附着在内壁面上逐渐扩大。 换句话说，能够防止在外管51内的长度方向(亦即轴向)上发生传热介质的偏流、浸湿 不均勻等。其结果是，能够让已成为液体的传热介质与外管51的内壁面效率良好地接触 并蒸发。这样一来，地下热交换器50的热交换性能提高，由于该热交换性能的提高，可 实现地下热交换器的小型化。还可期待由该小型化实现空调系统(制热系统)的低成本 化。(发明的第二实施方式)需要指出的是，上述地下热交换器50除了可设置在地下，还可以设置在水中。 具体的设置场所例如有海、湖泊、池塘、游泳池、贮水槽、河川、下水道等。图5是
7示意地表示将热交换器50设置于水中之状态的图。在该图中，记载了两个(例1、例2) 热交换器50 (水中热交换器)的设置例。例1是将热交换器50设置在贮水槽或者游泳 池中之例。例2是将热交换器50设置在海、湖泊或者池塘中之例。此外，在该图中， “HP”表示空调系统1的主体部分(热交换器以外的部分)(下同)。在如上所述将热交换器50设置于水中的情况下，也能够在与上述实施方式相同 的机理下进行热交换。(其它实施方式(变形例))<1>需要指出的是，各实施方式中的热交换器50亦即外管51可以斜着设置在地 下或者水中。图6(A)和图6(B)是示意地表示热交换器50倾斜设置之状态的图。图 6 (A)示出的是热交换器50倾斜设置于地下之例；图6 (B)示出的是热交换器50倾斜设置 于水中之例。在图6(B)中，示出的是将热交换器50倾斜地设置于海、湖泊或者池塘中 之例。但除此以外，同样可倾斜地设置于贮水槽、游泳池等中。<2>如图7(A)及图7(B)所示，可以在外管51的内壁面上设置吸芯90。该吸 芯90让外管51内的液状的传热介质渗透于其中以保持该液状的传热介质，并让所保持的 液态制冷剂与外管51的内壁面接触。这样的吸芯90例如可由金属多孔质体、多孔质陶 瓷、纤维集合体等制成。通过这样将吸芯90设置在外管51的内壁面上，即可确保对外 管51的内壁面进行均勻的浸湿，制热运转时的热交换性能提高。<3>如图8的剖视图所示，可以在外管51的内壁面上设置多个槽100。具体而 言，决定该槽100的宽度、深度、数量等以保证由该槽100保持外管51内的液状的传热 介质。此外，槽100并不限于与外管51的轴向平行而设。例如还可以沿圆周方向形成 槽，该槽还可以形成为螺旋状。通过将这样的槽100设置在外管51的内壁面上，便能够 确保对外管51的内壁面的均勻浸湿，制热运转时的热交换性能会提高。_产业实用性-本发明作为设置在地下或者水中的热交换器以及利用了该热交换器的空调系统 很有用。
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权利要求
1.一种热交换器，其具备竖着或者倾斜着设置在地下或者水中的外管(51)、插入 在所述外管(51)内将制冷剂引入内部并让该制冷剂蒸发的制热用传热管(80)以及被封入 在所述外管(51)内的传热介质，该热交换器利用所述传热介质的相变化进行热交换，其 特征在于所述外管(51)和所述制热用传热管(80)设置为利用该外管(51)的内壁面和该制 冷用传热管(52)的外壁面引导液状的所述传热介质。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于 所述制热用传热管(80)形成为螺旋状。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于在所述外管(51)内沿着该外管(51)的内壁面设置有吸芯(90)。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于在所述外管(51)的内壁面上形成有槽(100)，该槽(100)利用该传热介质的表面张力 或者让在内表面的接触角减小来保持所述传热介质。
5.—种空调系统，其特征在于包括权利要求1所述的热交换器，进行制冷循环。
全文摘要
本发明公开了一种设置在地下或者水中的热交换器及空调系统。在该热交换器中设置有竖着或者倾斜着设置于地下或者水中的外管(51)；以及插入在外管(51)内，将制冷剂引入内部并让该制冷剂蒸发的制热用传热管(80)。在该外管(51)内封入有传热介质。该外管(51)和制热用传热管(80)设置为利用该外管(51)的内壁面和该制冷用传热管(52)的外壁面对液状的所述传热介质进行引导。
文档编号F28D15/02GK102016453SQ20098011496
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者川端克宏, 康伦明, 浅井英明, 谷本启介 申请人:大金工业株式会社