JPH0239707B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、太陽熱と外気熱とを熱源として利
用でき、しかも暖房や給湯のヒートポンプの蒸発
器として利用できる太陽熱コレクターに関する。

従来、この種の太陽熱コレクターとして大別す
ると２種類のものが知られている。その一つは、
太陽熱交換機構としての蒸発器が露出された構成
を備えており、したがつて集熱板の前面には透明
カバーなどの覆いは全く存在せず、しかも裏面に
は断熱材はないか、またはあつても頗る簡素な薄
いものであつた。そして、前記集熱板は、太陽光
線を集熱する金属板と、熱媒体を流通できる金属
管とにより構成され、通常は前記金属板にはアル
ミニウム板を用い、金属管には鋼管を用いたもの
が多い。また、前記アルミニウム板は単なる平板
状のものと、多数のフイン状のものを積み重ねた
ものとがあり、概して板の表面には太陽光線の吸
収率の高い黒色塗装が施されている。

他の１種類は、熱媒体として普通の水を用い運
転される太陽熱システムに用いられていると同様
の太陽熱コレクターである。前記太陽熱コレクタ
ーは、外箱と、前記外箱を覆う透明カバーと、前
記外箱に設けられた断熱材と、前記外箱内に収納
された集熱体とより成り、この透明カバー付太陽
熱コレクターと、一般のヒートポンプ装置の室外
側の熱交換器である室外コイルすなわち外気熱交
換機構との両機構が直列または並列に接続されて
いる。なお、外気熱交換機構の前記室外コイルは
フアンとフインアンドチユーブ形の熱交換器とで
構成されまた、前記ヒートポンプ装置は、熱媒体
の圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次接
続されて冷媒回路を形成している。そして、必要
に応じて四方弁、アキユムレーター、各種切換弁
等が用いられている。

上述の従来の太陽熱コレクターの動作および欠
点、問題について説明する。

まず、露出した構造の太陽熱コレクターを蒸発
器として用いる装置では、圧縮機から吐出された
高温高圧の冷媒ガスは凝縮器で室内空気や貯湯槽
内の水に熱を与え膨張弁で減圧されて低温低圧の
冷媒液となり太陽熱コレクターへ入る。日射量が
十分ある時は、冷媒液は太陽熱コレクターで集め
られた太陽熱により加熱され蒸発し、低温低圧の
冷媒ガスに変わり再び圧縮機へ戻る。日射量が少
ない時や夜間は自然対流により外気から熱をうば
い冷媒液は蒸発させられる。

ところで、この露出構造の太陽熱コレクターを
蒸発器として用いた場合は蒸発器としてはコレク
ターだけであるため冷媒回路の切換手段や制御手
段が簡単であるが、コレクターが裸で露出してい
るため集熱時の放熱損失が多く、これは集熱温度
（蒸発温度）が高くなるほど著しくなる。例えば
集熱温度を外気温より10〜20℃高く設定できれば
成積係数は大幅に向上するが、裸コレクターの集
熱効率は急激に低下する。この温度領域で一定の
熱量を確保するるには広い集熱面積が必要となり
単価の安い裸コネクターのコストも全体では高く
なり、設置面積も広くいる。また、集熱温度を外
気温度程度まで下げると集熱効率は大きく向上す
るが、成積係数は低下し、高いコストをかけて太
陽熱を利用する意味がなくなる。さらに朝晩や曇
天日等日射量の少ない時は自然対流により外気か
ら熱を吸収するため集熱板表面の熱伝達が悪く、
そのためにも広い集熱面積を必要とするという欠
点があつた。

また、透明カバー付太陽熱コレクターと室外コ
イルすなち外気熱交換機構との組合せからなる蒸
発器を備えた装置では、日射量が十分ある時は透
明カバー付太陽熱コレクターを、日射量が少ない
時は、室外コイルを蒸発器として使用、太陽熱や
外気熱を吸収する。なお、日射量が中間的な値の
時には透明カバー付太陽熱コレクターと室外コイ
ルを並用することもある。

ところで、従来のヒートポンプ装置の蒸発器
は、以上のように構成されていたが、熱源を太陽
熱と外気熱に求めるヒートポンプ装置ではいかに
安い初期コストと運転コストを実現させるかが問
題であつた。外気を熱源とする一般のヒートポン
プ装置では、蒸発温度は外気温より必ず低く設定
されるため外気温が下がるほど成積係数（COP）
は小さくなり能力当りの電気入力の割合は大きく
なり経済的でなくなる。ヒートポンプに太陽熱を
組合せる目的は太陽熱により蒸発温度を引き上
げ、成積係数を大幅に向上させることにある。し
かし、太陽熱も外気熱も無料のエネルギーである
ため、太陽熱を利用するために要した追加のコス
トが、成積係数の向上による省エネルギーコスト
により製品寿命中に十分回収され、追加コストが
省エネルギーコストより小さい関係にならなくて
はならないという問題点がある。

また、このような透明カバー付太陽熱コレクタ
ーと室外コイルの組合せでは、日射のある時集熱
温度を外気温より10〜20℃高く設定しても太陽熱
コレクターは十分高い集熱効率を維持する。ま
た、日射のない時は、一般のヒートポンプ装置と
同様、室外コイルで外気熱を効率よく吸収でき
る。しかし、蒸発器として高価なコレクターと室
外コイルを別々に設けなければならず、また設置
場所の問題や複雑な冷媒配管、切換弁等の制御、
最適冷媒量の確保など解決しなければならない問
題点があつた。

この発明は、上述のような従来の問題点に着目
し、かつ従来の欠点を除去するためになされたも
ので、透明カバー付の太陽熱を集熱するコレクタ
ー本体にフアンを組み込んで外気の吸入排出を行
なうようにし日射のある時は勿論のこと日射のな
い時でも高い効率でヒートポンプ装置を運転する
ことができるようにしたしかも全体がコンパクト
な太陽熱コレクターを提供することを目的として
いる。

以下、この発明の一実施例について説明する。

第１図ないし第４図において、１は太陽熱を集
熱するコレクター本体ａの外箱で、外殻を形成し
ている。２はこの外箱１の上面に配設されるガラ
ス板などの透明カバー、３はこの透明カバー２の
四辺部を押える押え金具、４はこの押え金具３に
設けられた防水パツキン、５は上記外箱１の底面
と側面に配置された断熱材、６はこの断熱材５の
上方に設置された集熱板を示し、この集熱板６の
主要部を構成する逆Ｌ字形のフイン７が多数枚段
積みされて同一平面状を構成している。８はこの
フイン７の上面を構成する太陽熱吸収面で、表面
に黒色塗装の吸収膜９が施こされている。１０は
上記フイン７の垂直面を構成する外気熱吸収面
で、コレクター本体ａの長手方向にそつて空気ダ
クトＰを形成している。１１は上記フイン７に多
数本挿入配置された銅管製の集熱管で、集熱機構
Ｃを構成し、この集熱管１１は互いに連結されて
冷媒回路を形成している。１２は上記外箱１の底
面下部に配置された例えばラインフロータイプの
ような外気吸排機構Ｄのフアンで、モータは省略
してある。１３は外箱１の底面の上部に開口した
一対の外気の吸込口、１４は同じく下部に開口し
た一対の吹出口、１５は外箱１の２辺部に設けら
れた４個の取付足１６はこの取付足にあけられた
取付穴である。そして、上述の透明カバー２、集
熱板６、フイン７の太陽熱吸収面８および集熱管
１１を含む一連の構成により太陽熱交換機構Ａを
形成しており、また、フイン７の外気熱吸収面１
０、集熱管１１、フアン１２、外気の吸込口１
３、および吹出口１４を含む一連の構成により外
気熱交換機構Ｂを形成している。そして、両機構
Ａ，Ｂはいずれも一箇のコレクター本体ａ内に一
体的に組込まれている。

つぎに、作用を説明する。

日射量が十分あるときは、太陽熱交換機構Ａが
働き太陽熱が集熱板６の太陽熱吸収面８に作用し
て太陽熱による集熱器として動作する。また、日
射量が少ない時は、外気熱交換機構Ｂが働き外気
が集熱板６の外気熱吸収面１０に作用して外気熱
の集熱器として動作する。すなわち、日射がある
時はフアン１２は停止しており、日射光は透明カ
バー２を透過し、フイン７の外気熱吸収面１０を
伝導で伝わり集熱管１１の中を流れる冷媒液を加
熱沸騰蒸発させガスに変える。太陽熱は潜熱の形
で冷媒に移動し、圧縮機をへて凝縮器へ送られ
る。なお、太陽光吸収面８の熱は放射や対流によ
つても一部集熱管１１へ伝えられる。集熱板６
は、蒸発温度が外気温より高くなつても高い集熱
効率が維持される。

また、日射が弱くなると例えばセンサ（図示せ
ず）などの働きにより外気吸排機構Ｄのフアン１
２が運転される。外気は吸収口１３よりコレクタ
ー本体ａ内に取り込まれフイン７の外気熱吸収面
１０の間の空気ダクトＰを通過しフアン１２をへ
て吹出口１４より放出される。外気は外気熱吸収
面１０を通過する過程で主に外気熱吸収面１０か
ら外気温より低い温度に設定された集熱管１１に
吸収される。

なお、上記実施例では外気吸排機構Ｄのフアン
１２を外箱１の下部に設置して空気流をコレクタ
ー本体ａの上部から下部へ流したが、フアン１２
の耐熱性がコレクター本体ａを空焼きした時の温
度を上回つていれば、外箱１の上部へフアン１２
を設置してもよい。また、集熱板６に空気が吸込
まれるように上記実施例ではフアン１２を運転し
ているが、風速分布が良好にとれるならば集熱板
６に対して空気を吹込むようにフアン１２を設定
してもよい。

さらに上記実施列では空気を外気熱吸収面１０
の間にのみ流すように空気ダクトＰを形成してい
たが透明カバー２と集熱板６の間にも空気を流す
ようにしてもよい。

また、上記実施例では太陽熱集熱時、吸込口１
３と吹出口１４を通じて自然対流による若干の熱
損失が考えられるが、吸込口１３などにもモータ
等を使つた自動式の、または風圧を利用して開閉
するダンパなどを設ければ、熱損失を一層低減す
ることができる。なお自然対流による熱損失を低
減させる方法としてコレクター本体ａを横向きに
設置し、吸入口１３と吹出口１４を左右に配置さ
せることをもできる。

第５図は外気吸排機構Ｄの働きで外気が吸引、
排出される空気ダクトＰの設置構造の他の実施態
様を示すもので、吸入口１３と吹出口１４とは縦
型に置かれるコレクタ本体ａの中央に沿つて設け
た仕切板１８を挾んでそれぞれ１つづつ外箱１の
下部両端に設けられており、また外箱１の上部に
は仕切板１８の上部を切欠して得られる空気ダク
トＰのリターン部１７が設けられて構成されてい
る。したがつて外気はコレクター本体ａの下部の
吸込口１３から入り、上部のリターン部１７で折
り返し、再び下部の吹出口１４から出る。外気吸
排機構Ｄのフアン１２は吸込口１３と吹出口１４
どちらかに１台か、あるいは両方に用いることが
できる。したがつて、第５図に示す実施例では空
気の出入口１３，１４が外箱１の下部に集中して
いるため自然対流による熱損失を一層低減するこ
とができる。

上記の実施例では、コレクター本体ａを薄くコ
ンパクトにまとめるフアン１２にラインフロータ
イプのものを使用したが、他の形式のフアンを使
用しても同様の動作を期待できる。

さらに、上記説明では、この発明を暖房や給湯
の用途に供するヒートポンプ装置に利用する場合
について述べたが、蓄熱槽を設けて夏期の夜間に
蓄冷運転を行なう冷房運転時の凝縮器としてもこ
の太陽熱コレクターが利用できることは言うまで
もない。

以上説明したように、この発明によれば、逆Ｌ
字形のフイン多数枚をその上面が同一面になるよ
うに立設し、該上面を太陽熱吸収面としているの
で、太陽に対向する面積のほとんどを太陽熱吸収
面として利用することができ、又、前記フインの
垂直面を外気熱吸収面とし、該フインを強制換気
の際ダクトとして利用しているので、効率よく熱
交換を行うことができる。

また日射量が少ないときは、強制換気により外
気熱を利用することができるので、太陽熱コレク
ターの効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る太陽熱コレクターの平
面図、第２図は第１図の背面図、第３図は第１図
の−線一部省略断面図、第４図は第１図の
−線一部省略断面図、第５図はこの発明の他の
実施例を示す太陽熱コレクターの背面図である。 １……外箱、２……透明カバー、６……集熱
板、８……太陽熱吸収面、１１……集熱管、１２
……フアン、１３……吸込口、１４……吹出口、
ａ……コレクター本体、Ａ……太陽熱交換機構、
Ｂ……外気熱交換機構、Ｃ……集熱機構、Ｄ……
外気吸排機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 太陽熱を集めて熱交換を行う太陽熱交換機構
   と、外気を吸入および排出して外気熱で熱交換を
   行う外気熱交換機構とをコレクター本体内に一体
   に組込んだ太陽熱コレクターであつて、前記太陽
   熱交換機構は、逆Ｌ字形のフイン多数枚をその上
   面が同一面になるように立設して該上面を太陽熱
   吸収面とし、又前記外気熱交換機構は、前記フイ
   ンの垂直面を主たる外気熱吸収面とし日射量が少
   ないとき前記フインをダクトとして、外気を強制
   的に通す強制換気手段を備えていることを特徴と
   する太陽熱コレクター。