JPH0368316B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、晴天日は太陽熱を熱源に、天候の
悪いときは外気熱などを熱源にして運転するソー
ラヒートポンプ装置に関する。

第１図は、たとえば実開昭56−141972号公報な
どに示された従来のソーラヒートポンプ装置を示
す給湯システムの回路図であり、冷媒が循環する
主配管系には圧縮機１、この圧縮機１の吐出側に
接続された凝縮器２、この凝縮器２の出口側に設
けられた膨張弁３、電磁弁４、および蒸発器５が
それぞれ設けられ、蒸発器５の出口側は圧縮機１
の吸入側に連結されている。蒸発器５はフアン６
を備えている。

蒸発器５と電磁弁４との直列回路に並列に、太
陽熱コレクタ７と電磁弁８の直列回路が連結され
ている。なお、９は上記凝縮器２が挿入された貯
湯槽である。

さて、ソーラヒートポンプ装置の運転条件とし
ては、日射量が十分である、日射量が幾分減
少している、日射量が中間的である、日射が
全然ない、の四種類が存在するので、以下これら
の運転条件に即して、上記従来のソーラヒートポ
ンプ装置の動作を説明する。

まず天候が悪く、日射量の少ない日中や、夜間
など、つまり日射量が中間的であるときや、
日射が全然ないときは蒸発器５とフアン６を用い
て外気から熱をくみあげ貯湯槽２内の水を加熱す
る。

電磁弁４は開、電磁弁８は閉にしておく。圧縮
機１から吐出された高温高圧の冷媒ガスは凝縮器
２で貯湯槽９内の水に熱を与え凝縮液化する。

次いで、膨張弁３で減圧されて、低温低圧の液
冷媒となり、電磁弁４を通つて蒸発器５に入り、
フアン６の送風により、外気から熱をもらい沸騰
蒸発して低温低圧のガス冷媒となり圧縮機１へ戻
る。

また、晴天日など、つまり日射量が十分ある
ときや、日射量が幾分減少したときにも、太陽
熱を熱源として水を加熱する。このとき電磁弁４
は閉、電磁弁８は開となる。膨張弁３を通つた液
冷媒は太陽熱コレクタ７で太陽熱により加熱さ
れ、蒸発し、圧縮機１へ戻る。

外気を熱源とする場合と、太陽熱を熱源とする
場合では、蒸発温度が異なり、外気熱利用の場合
は蒸発温度は外気温より数度低く、太陽熱利用の
場合は太陽熱コレクタ７の形成にもよるが、外気
温程度か外気温を数度〜十数度上回る温度とな
る。

したがつて、太陽熱を利用した場合の方が、蒸
発温度と凝縮温度の差が縮まり、同じ熱量を得る
ために消費される圧縮機１の電気入力は小さくな
り、ヒートポンプの成積係数（COP）は向上し、
省エネルギ運転となる。

従来のソーラヒートポンプ装置は以上のように
構成されているので、圧縮機１に要求される能力
は低外気温時と高日射時とでは大きく異なり、イ
ンバータなどを用いて圧縮機１の回転数を変化さ
せて、能力制御を行なつたにしても、すべての運
転条件下において能力とCOPを最適に制御する
ことがむずかしいという欠点があつた。例えば、
日射量が中間的であるときに、蒸発器５と太陽
熱コレクタ７とを併用して運転しようとしても、
後述する理由によつて、実際上不可能であつた。

また、第２図はたとえば特公昭57−60533号に
示されたさらに別の従来のソーラヒートポンプ装
置を示す給湯システムの回路図であり、図中の圧
縮機１、凝縮器２、蒸発器５、フアン６、貯湯槽
９は第１図の従来例と全く同一で、主配管系には
圧縮機１、その吐出側に凝縮器２、蒸発器５、逆
止弁１２が順次配置され、逆止弁１２の出口側は
圧縮機１の吸入側に連結されている。

また、凝縮器２と蒸発器５の中間から分岐した
回路がポンプ１０、太陽熱コレクタ７、逆止弁１
１を介して圧縮機１の吸入側に連結されている。
ポンプ１０は太陽熱コレクタ７の入口側に冷媒液
を搬送するためのものである。

なお、１３は圧縮機１の前後をバイパスする回
路に設けられた逆止弁で、圧縮機１の吐出側から
吸入側へのガスの逆流を阻止する。また図示して
いないが、凝縮器２と蒸発器５の間には膨張弁３
が設けられている。

次に動作について説明する。まず日射が十分
あるときは、太陽熱コレクタ７は日射により加熱
され、液冷媒は蒸発し、高い圧力により、逆止弁
１１を通り、圧縮機１へ至る。

このとき、ガス圧が十分高く、凝縮器２で冷媒
が液化する圧力であれば、圧縮機１は停止され、
ガスは逆止弁１３を通り、凝縮器２に至り、液化
し、ポンプ１０で再び太陽熱コレクタ７へ戻る。

次に日射が幾分減少したときは、圧縮機１を
動かし、凝縮器２の温度より低い温度で太陽熱コ
レクタ７で冷媒を蒸発させる。日射が全然ない
ときは、蒸発器５の圧力が太陽熱コレクタ７の圧
力より高くなるため、逆止弁１１は閉じ、逆止弁
１２は開き、通常の空気熱源ヒートポンプとして
動作する。なお圧縮機１の動作中は逆止弁１３は
閉じている。

従来の第２のソーラヒートポンプ装置は以上の
ように構成されているので、日射が十分あると
きはポンプ１０だけで、太陽熱コレクタ７と凝縮
器２間に冷媒がほぼ同一温度・圧力でヒートパイ
プ的に循環し、省エネルギ運転になる。

また、日射が全然ないときは従来の空気熱源
ヒートポンプと同様な運転となるが、日射が中
間的な強さの場合は太陽熱コレクタ７を蒸発器と
して使うため、蒸発器５との併用運転がむずかし
くなる。つまり、太陽熱コレクタ７と蒸発器５は
冷凍サイクル上の低圧側にともに位置するため、
温度と圧力がほぼ等しくなる。

もし、蒸発温度を外気温より高く設定すれば、
蒸発器５からは自然対流による放熱が起こり、熱
損失となり、蒸発温度を外気温より低く設定すれ
ば、蒸発温度と凝縮温度との差が開き、COPが
低下し、ソーラヒートポンプとしての特徴が失な
われると言う欠点があつた。

この欠点は第１の従来例で蒸発器５と太陽熱コ
レクタ７を併用して運転しようとする場合にもあ
てはまる。

この発明は、上記従来の欠点を除去するために
なされたもので、凝縮器に並列に冷媒液搬送用の
ポンプと太陽熱コレクタを設けることにより、
日射量が中間的なときにも効率よく太陽熱と外気
熱の併用利用ができるソーラヒートポンプ装置を
提供することを目的としている。

以下、この発明のソーラヒートポンプ装置の一
実施例を図について説明する。第３図は給湯シス
テムの回路図、第４図は給湯運転時の冷凍サイク
ルのモリエル線図であり、第３図における圧縮機
１、凝縮器２、蒸発器５、貯湯槽９は上記従来例
と全く同一のものである。

主配管系には圧縮機１、その吐出側に逆止弁１
４、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器５が設けられ、
この蒸発器５の出口側は圧縮機１の吸入側に連結
されている。冷媒液搬送用のポンプ１０と太陽熱
コレクタ７とを直列に連結した回路は膨張弁３と
凝縮器２との間の主配管系より分岐し、太陽熱コ
レクタ７の出口側接続導管は逆止弁１４の出口側
における主配管系に接続され、この接続導管には
逆止弁１１が配置されている。これにより、太陽
熱コレクタ７は凝縮器２に対して、並列的な関係
にある。

なお、モリエル線図上で、Ａ点は圧縮機１の出
口、Ｂ点は膨張弁３前、Ｃ点は蒸発器５入口、Ｄ
点は圧縮機１入口を示し、また実線Ａ−Ｂは凝縮
器２内の状態を、破線Ｂ−Ａは太陽熱コレクタ７
内の状態を示している。圧縮機１はインバータな
どによつて能力制御されるものが望ましい。

次に、以上のように構成されたこの発明のソー
ラヒートポンプ装置の動作について説明する。ま
ず、日射量が十分あるときは圧縮機１は停止さ
れ、ポンプ１０が運転される。ポンプ１０から送
られた液冷媒は太陽熱コレクタ７内で日射によつ
て加熱沸騰蒸発され、逆止弁１１を通り、凝縮器
２に入り、ここで凝縮液化して再びポンプ１０へ
戻る。

冷媒の流れは、モリエル線図上の実線Ａ−Ｂと
破線Ｂ−Ａで表わされる。この図によれば、ポン
プ１０の電気入力は無視出来る程小さいことが一
目で理解される。

なお、太陽熱コレクタ７を出た冷媒が圧縮機１
と蒸発器５へ流れるのは逆止弁１４によつて阻止
される。このときの太陽熱コレクタ７と凝縮器２
の温度・圧力はほぼ等しい。

したがつて、貯湯槽９で高温水を得ようとする
場合には、太陽熱コレクタ７に集熱温度が高くな
つても集熱効率の低下の少ない選択吸収膜付コレ
クタや２重グレージングのコレクタあるいは真空
コレクタなどを用いるとよい。

また、日射だけでは十分な熱量が得られない天
候のとき、すなわち日射量が幾分減少している
とき、または日射量が中間的であるときには、
圧縮機１とポンプ１０が同時に運転される。圧縮
機１から吐出された冷媒は逆止弁１４、凝縮器
２、膨張弁３、蒸発器５を循環する。この流れは
モリエル線図上の実線Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａで表わ
される。

一方、凝縮器２を出た液冷媒の一部はポンプ１
０で太陽熱コレクタ７へ送られ、蒸発させられ
る。

この流れはモリエル線図上の実線Ａ→Ｂ、破線
Ｂ→Ａで表わされる。太陽熱コレクタ７は冷凍回
路上凝縮側（高圧側）に位置しているが、蒸発器
として作動し、太陽熱を集める。

一方、蒸発器５は通常の蒸発器として作動し、
外気熱を集める。凝縮器２を流れる冷媒循環量に
比べ、圧縮機１が送り出す冷媒量は少なくて済
み、それだけ省エネルギ運転になる。

圧縮機１は日射量や外気温などを考慮して必要
に応じ能力制御される。またポンプ１０の搬送エ
ネルギ量当りの消費電力はごく少ない。

さらに、日射が全然ないときは圧縮機１のみ
が運転され、通常のヒートポンプ運転が行なわれ
る。圧縮機１を出た冷媒が太陽熱コレクタ７へ流
入するのは逆止弁１１によつて阻止される。

なお、上記実施例では、凝縮器２を貯湯槽９内
に設けた給湯システムとしていたが、凝縮器２を
フインアンドチユーブ式の熱交換器とフアンの組
合せとした暖房システムであつてもよい。

第５図は、冷暖房システムの場合の他の実施の
態様を示すもので、圧縮機１の吐出側に冷暖房時
の回路切換をする四方弁１５と、太陽熱コレクタ
７とポンプ１０の間に冷房時の太陽熱コレクタへ
の冷媒流入を阻止する電磁弁１６とが新たに設け
られている。５は室外熱交換器、２はフインアン
ドチユーブ式の室内熱交換器である。

この第５図の実施例の場合は、１台で冷暖房を
行なうことができる。そして、太陽熱コレクタは
暖房時のみに利用される。

また、上記実施例では、冷媒の逆流を阻止する
ため、逆止弁１１，１４を利用していたが、これ
は電磁弁などであつてもよいことは言うまでもな
い。逆止弁１１に相当する電磁弁は、ポンプ１０
が運転される時は開に、停止される時は閉に制御
する。また、逆止弁１４に相当する電磁弁は、圧
縮機１が運転される時は開に、停止される時は閉
に制御する。

以上のように、この発明のソーラヒートポンプ
装置によれば、凝縮器と並列に太陽熱コレクタと
冷媒液搬送用のポンプを設けるように構成したの
で、日射量が十分あるときには少ないポンプ入
力のみで太陽熱を利用し、また、日射量が幾分
減少したときは勿論、日射量が中間的であると
きにも、太陽熱コレクタで太陽熱を、蒸発器で外
気熱を、効率よくかつ省エネルギ的に併用利用す
ることが出来るという、格別の作用効果を奏する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来のソーラヒ
ートポンプ装置の給湯システムを示す冷媒回路
図、第３図はこの発明のソーラヒートポンプ装置
の一実施例を給湯システムに適用した場合の冷媒
回路図、第４図は第３図のソーラヒートポンプ装
置の動作を示すモリエル線図、第５図はこの発明
のソーラヒートポンプ装置の他の実施例を冷暖房
システムに適用した場合の冷媒回路図である。 １……圧縮機、２……凝縮器、３……膨張弁、
５…蒸発器、７……太陽熱コレクタ、１０……ポ
ンプ、１１，１４……逆止弁。（以上第１〜３
図）、２……室内熱交換器、５……室外熱交換器、
１５……四方弁、１６……電磁弁。（以上第５
図）、なお、図中同一符号は同一または相当部分
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を冷
   媒が循環するよう相互に主配管系に接続されたソ
   ーラヒートポンプ装置において、 前記凝縮器に並列に接続導管を設け、この接続
   導管上に、前記凝縮器の出口側から入口側へ冷媒
   液を循環するように、順次ポンプ、太陽熱コレク
   ター、第１の逆止弁ないし電磁弁を設け、 前記圧縮機の吐出側と前記主配管系における前
   記接続導管連結部との間に第２の逆止弁ないし電
   磁弁１４を設けた ことを特徴とするソーラヒートポンプ装置。