JP2003166759A - 室内冷暖房機能付きのソーラ給湯器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】給湯はもとより、同時に室内冷暖房も可能なソ
ーラ給湯器の提供。 【解決手段】集熱器１と、熱交換器８ａと、集熱器１の
入口／出口及び熱交換器８ａの出口／入口を各々連結す
る往き管３ａ及び戻り管３ｂとからなり、往き管３ａの
途中には膨張弁５が配され、戻り管３ｂの途中には圧縮
機４が配され、循環経路内には熱媒体が充填されている
ヒートポンプ部１１、並びに、給水配管１２と、貯湯タ
ンク２と、給湯配管１４と、熱交換器８ｂとからなる貯
湯・給湯部１０、で構成されるソーラ給湯器２０におい
て、前記往き管３ａの途中に室内熱交換器６へ繋がる二
つの分岐配管（室内熱交換器入口側配管１９ａ及び室内
熱交換器出口側配管１９ｂ）を設けて、室内冷房又は室
内暖房が可能であり、あるいは室内冷房と室内暖房との
切替が可能なソーラ給湯器２０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室内冷暖房機能付
きのソーラ給湯器に関するものである。更に詳しくは、
（主として）地上に配置された貯湯タンク、（主とし
て）屋根上に配置された集熱器、及びその間を循環配管
で繋ぎ、循環経路内に充填した熱媒体を強制的に循環さ
せる強制循環型のソーラ給湯器の形態をとりつつ、圧縮
式ヒートポンプを利用しながら、温水の貯湯と室内冷暖
房とを同時に行うことのできるソーラ給湯器に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の一例のソーラ給湯器であ
る。ソーラ給湯器は、地上に設置された貯湯タンク２と
屋根上に設置された集熱器１とを備え、その間を循環配
管３（往き管３ａ及び戻り管３ｂ）で連結し、循環経路
が形成されている。循環経路内には熱媒体が充填されて
いて、日射があるときは循環ポンプ９を稼動し、集熱器
１で加熱された熱媒体を循環させ、貯湯タンク２に貯め
た水を間接的に温めるものである（間接加熱方式）。

【０００３】図６は、他の従来例のソーラ給湯器で、太
陽熱及び大気熱を汲み上げて集熱・蓄熱するヒートポン
プ式ソーラ給湯器である。ソーラ給湯器の貯湯・給湯部
１０は、貯湯タンク２と、熱交換器８（ヒートポンプの
凝縮器に相当するもの）と、貯湯タンク内の温水を循環
させる温水配管１２ｃと、循環ポンプ９とを備え、ま
た、熱交換器８と集熱器１（ヒートポンプの蒸発器に相
当するもの）とを繋ぐ循環配管（往き管３ａ及び戻り管
３ｂ）には、熱交換器８の入口側に圧縮機４を、また熱
交換器８の出口側には膨張弁５を設けている。図５のソ
ーラ給湯器と図６ソーラ給湯器とを比較すると、前者で
は電気代（ランニングコスト）が掛からないが日射がな
いときは温水が得られないこと、また、後者では日射が
なくとも温水が得られるが電気代（ランニングコスト）
が掛かる等の一長一短がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図５及び図６に示した
ソーラ給湯器は、上で述べたような一長一短をもってい
るとはいえ給湯は可能である。しかしながら、いずれの
ソーラ給湯器も室内冷暖房の機能はもっていない。本発
明は、太陽熱を利用したソーラ給湯器で、給湯はもとよ
り、同時に室内冷暖房も可能なソーラ給湯器を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では次の構成をとった。すなわち、本発明の
ソーラ給湯器は、太陽エネルギーを集熱する（太陽熱）
集熱器１と、集熱された熱を交換する熱交換器８ａと、
前記集熱器１の入口及び前記熱交換器８ａの出口を連結
する循環配管３（往き管３ａ）と、前記集熱器１の出口
及び前記熱交換器８ａの入口を連結する循環配管３（戻
り管３ｂ）とからなり、更に、往き管３ａの途中には膨
張弁５が配され、戻り管３ｂの途中には圧縮機（コンプ
レッサ）４が配され、循環経路内には熱媒体が充填され
ているヒートポンプ部１１、並びに（入口側）給水配管
１２と、貯湯タンク２と、（出口側）給湯配管１４と、
（熱交換器８ａに対向する）熱交換器８ｂとからなる貯
湯・給湯部１０、で構成されるソーラ給湯器２０であっ
て、前記往き管３ａの途中に、室内熱交換器６へ繋がる
二つの分岐配管（室内熱交換器入口側配管１９ａ及び室
内熱交換器出口側配管１９ｂ）を設け、室内冷房又は室
内暖房が可能であり、あるいは室内冷房と室内暖房との
切替が可能なソーラ給湯器２０である。

【０００６】ここで、上記ソーラ給湯器において、室内
熱交換器６へ繋がる二つの分岐配管（１９ａ及び１９
ｂ）の分岐箇所をいずれも熱交換器８／８ａと膨張弁５
の間とすると、室内熱交換器６は室内暖房用になる。

【０００７】また、上記ソーラ給湯器において、室内熱
交換器６へ繋がる二つの分岐配管（１９ａ及び１９ｂ）
の分岐箇所をいずれも膨張弁５と集熱器１との間とする
と、室内熱交換器６は室内冷房用になる。

【０００８】また、上記ソーラ給湯器において、熱交換
器８／８ａと膨張弁５との間及び膨張弁５と集熱器１と
の間に各々、閉止弁１３ａ，１３ｂを配すると共に、室
内熱交換器６へ繋がる二つの分岐配管（１９ａ及び１９
ｂ）には各々、三方弁７ａ，７ｂを配し、目的に合わせ
て熱媒体の流れを制御すれば、一つの室内熱交換器６を
用いて室内冷房と室内暖房とを切り替えることができ
る。

【０００９】本発明で用いる熱媒体（冷凍・冷房を目的
とする場合は、「冷媒」と呼ばれるもの）としては、ヒ
ートポンプに汎用されるＣＦＣ（クロロ・フルオロ・カ
ーボン）、ＨＣＦＣ（ハイドロ・クロロ・フルオロ・カ
ーボン）、ＨＦＣ（ハイドロ・フルオロ・カーボン）等
や、自然冷媒の二酸化炭素、水、アンモニア等がある。

【００１０】

【作用】集熱器１→圧縮機４→熱交換器８ａ→膨張弁５
→集熱器１（戻り）のヒートポンプ循環経路に、更に居
室内に配置した室内熱交換器６を通るように室内熱交換
器入口側配管１９ａ及び室内熱交換器出口側配管１９ｂ
を分岐させ、これに熱媒体を通すことにより、室内の冷
暖房（空調）も可能となる。すなわち、上記分岐配管１
９ａ及び１９ｂを膨張弁５の前に設ければ、室内熱交換
器６に入る熱媒体は膨張弁５を通る前の高温・高圧の液
体であるので室内を暖房し、上記分岐配管１９ａ及び１
９ｂを膨張弁５の後に設ければ、熱媒体は膨張弁５を通
った後の冷たい気体混じりの液体であるので室内を冷房
する。また、メインのヒートポンプ循環経路の膨張弁５
の前および後に各々閉止弁１３ａ，１３ｂを配し、分岐
配管１９ａ，１９ｂに各々三方弁７ａ，７ｂを配して、
流路を目的（暖房・冷房）に合うように切り替えれば、
同一の室内熱交換器６を用いて室内暖房も室内冷房も可
能となる。このようにして、本発明のソーラ給湯器で
は、従来通りの貯湯・給湯を行いうるだけでなく、室内
を冷暖房（空調）することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明を更に具体的に説明する。図１は本発明の室内冷
暖房機能付きソーラ給湯器（システム）の一例である。
このソーラ給湯器２０は、図１に示すように、（太陽
熱）集熱器１を含むヒートポンプ部１１と、ヒートポン
プ部１１から枝分かれした室内熱交換器６と、貯湯・給
湯部１０とで構成されている。貯湯・給湯部１０は、貯
湯タンク２と、その貯湯タンク２への給水配管１２、１
２ａと、循環ポンプ９及び（熱交換器８ａに対向する）
熱交換器８ｂを含む温水配管１２ｃと、湯水混合装置１
８及び分岐水配管１２ｂを含む給湯配管１４等とから成
り、給湯配管１４の末端栓から給湯される。

【００１２】ヒートポンプ部１１は、太陽エネルギーを
集熱する（太陽熱）集熱器１と、集熱された熱を交換す
る（熱交換器８ｂに対向する）熱交換器８ａと、集熱器
１の入口及び熱交換器８ａの出口を連結する往き管３ａ
と、集熱器１の出口及び熱交換器８ａの入口を連結する
戻り管３ｂとからなるほか、往き管３ａの途中には膨張
弁５が配され、戻り管３ｂの途中には圧縮機（コンプレ
ッサ）４が配され、循環経路内には熱媒体が充填されて
いる。ここで、熱交換器８ａと熱交換器８ｂとはペアを
成し、一つの熱交換器（凝縮器）８を形成している。

【００１３】ヒートポンプ部１１の膨張弁５の前後のメ
イン管路には、電動閉止弁１３ａ、１３ｂが各々配置さ
れているとともに、熱媒体を室内熱交換器６側へ出し入
れする分岐管路（往き１９ａ及び戻り１９ｂ）が設けら
れ、更に分岐管路（往き１９ａ及び戻り１９ｂ）には電
動三方弁７ａ，７ｂが配置されていて、流路を切り替え
ることができるようになっている。

【００１４】貯湯タンク２に貯めた温湯が、希望給湯温
度（設定温度）と同じか高い場合は、そのままに、ある
いは湯水混合装置１８によって適温に（うすめて）調整
した後、出湯する。貯湯タンク２に貯めた温湯が、希望
給湯温度（設定温度）よりも低い場合は、湯水混合装置
１８によって約３０℃程の温水に調整した後、補助熱源
器（図示せず）で追加加熱し、希望給湯温度（設定温
度）と同じか近い温度として出湯する。

【００１５】図２に、本発明で利用するヒートポンプ部
（主経路）の作動原理を説明するＰ−ｈ（圧力−エンタ
ルピー）線図を示した。なお、図２中の記号（丸１）〜
（丸４）は図１中の記号（丸１）〜（丸４）に各々対応
している。低圧に保持された集熱器１中の熱媒体（液
体）（丸１）は、太陽熱及び大気熱によって加熱される
とその熱媒体の飽和圧力及び温度で蒸発し、その潜熱分
の熱を汲み上げながら気体（丸２）となり、その後、圧
縮機４に導かれる。圧縮機４では、気体（丸２）が断熱
圧縮され、高温・高圧の気体（丸３）になる。熱交換器
（凝縮器）８ではその気体（丸３）は潜熱分を貯湯タン
ク２内の水（又は温水）に放出しながら、すなわち、熱
交換器（凝縮器）８にて貯湯タンク２内の水と熱交換し
ながら、それ自体（熱媒体）は高温・高圧を維持した液
体（丸４）へと変化する。その後、熱媒体（液体）は膨
張弁５へと導かれ、膨張して低温・低圧の気体混じりの
液体となって集熱器１に送られサイクルを完結するので
ある。

【００１６】次に、室内暖房及び室内冷房を説明する。
図３は、本発明のソーラ給湯器における熱媒体の流れを
示すものである。居室等の室内を暖房する場合には、図
３（ａ）の矢印の流れとなるように熱媒体を導く。すな
わち、電動閉止弁１３ａを閉じて、高温・高圧の熱媒体
液（丸４、丸５）を膨張弁５の手前で室内熱交換器６側
へ導き、その熱媒体液の顕熱（一部潜熱）を暖房用の熱
源として利用する。その後、（丸６）の状態の熱媒体液
は膨張弁５で断熱膨張させられると、（丸１）の状態の
気体混じりの液体となりサイクルが完結する（図４
（ａ）も参照）。

【００１７】居室等の室内を冷房する場合には、図３
（ｂ）の矢印の流れとなるように熱媒体を導く。すなわ
ち、電動閉止弁１３ａを開け、高温・高圧の熱媒体液
（丸４）を膨張弁５を通して低温・低圧の熱媒体（丸
５）へ変化させた後、室内熱交換器６に導き、その熱媒
体の潜熱を冷房用として利用する。その後、サイクルを
完結させる（図４の（ｂ）も参照）。

【００１８】図４は、以上のヒートポンプの作動原理を
説明するＰ−ｈ線図で、（ａ）は給湯＋室内暖房時、
（ｂ）は給湯＋室内冷房時である。但し、図４中の記号
（丸１）〜（丸６）は図１中の記号（丸１）〜（丸６）
に各々対応している。

【００１９】室内熱交換器６へ熱媒体を導く場合、暖房
用及び冷房用の２台の室内熱交換器６を配置して行うこ
ともできるが、好ましくは、図１で示したように、膨張
弁５の前後から室内熱交換器入口側配管１９ａ及び室内
熱交換器出口側配管１９ｂを取り出して室内熱交換器６
と繋ぎ、各々に電動三方弁７ａ，７ｂを配し、メイン循
環経路の膨張弁５の前後に配した電動閉止弁１３ａ，１
３ｂと連動させることによって、暖房運転・冷房運転を
切り替えるソーラ給湯器（システム）を構築できる。

【００２０】なお、本発明で用いる熱交換器、配管、貯
湯タンク等の材質は、用いる熱媒体にも関係するが、ス
テンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合
金、鉄鋼材等の金属類がある。使用温度・圧力によって
は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブデン、塩化
ビニル等プラスチック類の使用できる。また、圧縮機
は、ヒートポンプで用いられている圧縮機であれば特に
限定されない。ピストン式、ロータリー式、スクロール
式、スクリュー式、遠心式等がある。循環ポンプは、種
々の温水ポンプが使用できるが、メンテナンス性を考慮
するとマグネット式等のシールレスポンプが好ましい。

【００２１】また、図１の例では、貯湯タンク２内の水
（温水）を循環ポンプ９を含む温水配管１２ｃを用いて
熱交換器（凝縮器）８／８ｂへ導いているが、寒冷地等
での温水配管１２ｃの凍結を避けるために、貯湯タンク
２内に熱交換器８を設け（図５参照）、貯湯タンク２内
の水を温めることもできる。この場合、温水配管１２ｃ
は不要となるが、熱媒体タンクや循環ポンプは必要とな
る。また、図１の例では、貯湯・給湯部１０とヒートポ
ンプ部１１とを各々別々のユニットとして構築している
が、両者を併せて一つのユニットとして構築することも
可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明のソーラ給湯器によれば、ヒート
ポンプを用いているため天候に左右されず温湯を得るこ
とができるほか、同時に室内暖房又は室内冷房も可能で
ある。また、ヒートポンプ循環経路（主経路）の膨張弁
の前後に閉止弁を配し、室内熱交換器に連結する分岐配
管（往き及び戻り）に各々三方弁を配して、熱媒体の流
れを切替制御すれば、一つの室内熱交換器を用いて室内
冷房と室内暖房とを切り替えることができる。また、本
発明のソーラ給湯器によれば、各々、別個に太陽熱温水
器と冷暖房装置とを設けるよりも、設置コスト及びラン
ニングコストを低減し節約できる。省エネルギーに貢献
し、地球環境にやさしい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例のソーラ給湯器の概略図。

【図２】本発明のソーラ給湯器のヒートポンプ部の主経
路における作動原理を説明するＰ−ｈ線図。

【図３】本発明のソーラ給湯器のヒートポンプ部の分岐
経路（室内交換器）における熱媒体の流れ。（ａ）は室
内暖房時、（ｂ）は室内冷房時である。

【図４】本発明のソーラ給湯器のヒートポンプ部の分岐
経路（室内交換器）における作動原理を説明するＰ−ｈ
線図。（ａ）は室内暖房時、（ｂ）は室内冷房時であ
る。

【図５】従来の一例のソーラ給湯器。

【図６】従来の他の例のソーラ給湯器（ヒートポンプ
式）。

【符号の説明】

１：太陽熱集熱器（蒸発器） ２：貯湯タンク ３：循環配管 ３ａ：往き管 ３ｂ：戻り管 ４：圧縮機（コンプレッサ） ５：膨張弁 ６：室内熱交換器 ７ａ，７ｂ：電動三方弁 ８、８ａ、８ｂ：熱交換器（凝縮器） ９：循環ポンプ １０：貯湯・給湯部 １１：ヒートポンプ部 １２：給水配管 １２ａ：給水配管（主） １２ｂ：分岐水配管 １２
ｃ：温水配管 １３ａ，１３ｂ：電動閉止弁 １４：給湯配管 １５：居室 １８：湯水混合装置 １９ａ：室内熱交換器入口側配管 １９ｂ：室内熱交
換器出口側配管 ２０：室内冷暖房機能付きのソーラ給湯器（システム） ２１：オート給湯機 ２２：熱媒体タンク ２
３：熱交換器 Ｐ：圧力 ｈ：エンタルピー ｉ：飽和液線 ii：飽和蒸気線

フロントページの続き (72)発明者 市根井 智 茨城県下館市大字下江連1250番地 株式会 社日立ハウステック結城工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽エネルギーを集熱する太陽熱集熱器
   と、集熱された熱を交換する熱交換器と、前記集熱器の
   入口及び前記熱交換器の出口を連結する循環配管（往き
   管）と、前記集熱器の出口及び前記熱交換器の入口を連
   結する循環配管（戻り管）とからなり、更に、往き管の
   途中には膨張弁が配され、戻り管の途中には圧縮機が配
   され、循環経路内には熱媒体が充填されているヒートポ
   ンプ部、並びに給水配管と、貯湯タンクと、給湯配管
   と、前記熱交換器に対向する熱交換器とからなる貯湯・
   給湯部、で構成されるソーラ給湯器であって、 前記往き管の途中に、室内熱交換器へ繋がる二つの分岐
   配管を設け、室内冷房又は室内暖房が可能か、あるいは
   室内冷房と室内暖房の切替が可能なソーラ給湯器。
2. 【請求項２】室内熱交換器へ繋がる二つの分岐配管の分
   岐箇所はいずれも熱交換器と膨張弁との間で、室内熱交
   換器は室内暖房用である、請求項１のソーラ給湯器。
3. 【請求項３】室内熱交換器へ繋がる二つの分岐配管の分
   岐箇所はいずれも膨張弁と集熱器との間で、室内熱交換
   器は室内冷房用である、請求項１のソーラ給湯器。
4. 【請求項４】熱交換器と膨張弁との間及び膨張弁と集熱
   器との間に各々閉止弁が配されると共に、室内熱交換器
   へ繋がる二つの分岐配管には各々三方弁が配され、一つ
   の室内熱交換器を用いて室内冷房と室内暖房とを切り替
   えることができる、請求項１のソーラ給湯器。