JP2004156818A - 高効率低温集熱パネルとその熱輸送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】自然エネルギーである太陽熱を効率的に利用する熱輸送システム、水供給システム、暖冷房・給湯などの建物環境制御システム並びに電子機器等の冷却デバイスを提供する。
【解決手段】集熱板１０１Ａに太陽熱が加えられると、装置内が真空ポンプ１０５Ｈで減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となってヘッダー１０２Ｂへ移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し、液および液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器１０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽１０４Ｄで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。
【選択図】図１
【解決手段】集熱板１０１Ａに太陽熱が加えられると、装置内が真空ポンプ１０５Ｈで減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となってヘッダー１０２Ｂへ移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し、液および液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器１０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽１０４Ｄで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率低温集熱パネルを用いた熱輸送システムおよびこの熱交換システムを用いた蒸留水製造システム、複合的暖冷房・給湯システム並びに冷却デバイスに関する。
【０００２】
【技術の背景と従来技術】
人口の急増、地球環境の悪化に伴い、飲料用や農業用の水資源の汚染や不足は深刻な問題になっている。例えば、Ｋａｍ，Ｓ．Ｋ． ｅｔ ａｌ．， Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔａｌ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＶｏｌ．２８， Ｎｏ．４， ４８３−４９６ （２００１） によると、バングラディシュ西部では、井戸水に砒素が混入しており、住民は有効な対策を殆ど受けられないまま摂取を余儀なくされ、皮膚などに疾患を持つ人々も少なくないことが記されている。安全な水を安定供給できる設備の開発と普及が急務である。
このような地域への水供給プラントとしては化石燃料の搬入や、電源設備などのインフラ整備が不十分なため、自律運転が可能な太陽熱利用蒸留器が好ましい。しかし、従来の太陽熱蒸留器はその蒸留性能や耐久性に難があり、広く普及した実績をもつ設備は無いのが現状である。
【０００３】
一方、地球温暖化が深刻になり、エネルギー消費の低減、二酸化炭素の排出抑制が求められている。大気中の二酸化炭素濃度を調べると、人類が排出している二酸化炭素の量は自然界のバランスを保つことができる許容量を超えている。確かに、生活水準の向上により家庭におけるエネルギー消費量は年々増加しており、その対策として太陽熱、風力、地熱などの自然エネルギーの利用が進められてきている。中でも太陽エネルギーの利用に関しては、太陽光発電や給湯といった形でしか普及しておらず、経済性を考慮してもより有効なエネルギー利用が必要である。そして、一般の住宅における暖冷房・給湯に太陽エネルギーを適用できれば、地球温暖化の防止に大きく寄与できることは明らかである。
【０００４】
太陽エネルギーを利用する淡水化装置およびその運転方法については、公表公報９７／４８６４６において提示されているが、そのシステムは太陽エネルギーを太陽熱集熱器中の熱媒である水により捕捉し、この熱を蒸発缶内の原水と熱交換させて蒸発缶内に水蒸気を発生させて凝縮器に導き、蒸留水を製造する方法である。この際、蒸発缶の内部を減圧状態にして水蒸気の発生を促進するようにしている。
【０００５】
また、提示されている淡水化装置における蒸発缶には、多重効用関係の複数の蒸発缶と協働する凝縮器を備えることにより熱を効率的に捕捉するようになされており、構成の蒸発缶は、缶胴内に伝熱管を傾斜して配置し、伝熱管内で生成した凝縮水が滞留することなく排出されるようになされている。
【０００６】
しかし、このように提示されている太陽熱を利用する淡水化装置においては、太陽熱集熱器中の熱媒である水により太陽熱が捕捉されるため媒体である水と外気との温度差が大きく、温度差が大きければ大きいほどエネルギー損失は大きくなるという問題点がある。したがって、熱媒である水温が高ければ、外気との温度差が大きくなりエネルギー損失が増大し、熱媒である水温が低ければサーモサイフォンシステムの作動が鈍るために蒸発缶への熱エネルギーの移送が減少するというジレンマが存在する。
【０００７】
さらに、太陽熱集熱器で捕捉されたエネルギーは蒸発缶内に傾斜して配置されている缶胴の伝熱管で熱交換されるが、伝熱管の表面積は管の断面積と対比すると最小であるため効率的な熱捕捉をするには伝熱管の管径あるいは長さを大きくする必要があり、必然的に多重効用蒸発缶部は大きくなり、コンパクトな装置とは言い難い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況に鑑みて、本発明の課題は、自然のエネルギー、特に太陽エネルギーの高効率低温集熱パネルを開発し、このパネルを用いた安価で耐久性のある効率的な太陽熱熱交換システムの開発とこの熱輸送システムを利用して輸送・運搬の容易なコンパクトな蒸留装置を確立すること、並びに同様の原理に基づくパネルを用いた効率的な暖房給湯システム、太陽熱等負荷削減システムそしてコンピューター等の電子機器用冷却デバイスを確立することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題について鋭意研究した結果、温度を低く保ちながら集熱するパネルを得ることができ、この集熱パネルを用いて太陽熱の何倍も水の蒸発潜熱として利用できる、すなわち、多重効用といって一度集熱した太陽熱を何回も蒸発・凝縮のサイクルで使う蒸留器を開発した。
そして、このパネルを利用する新しい方法として太陽熱を利用した太陽光集熱熱交換器を暖房・給湯システムに適用した。これによりソーラーパネルを介して、暖房・給湯への太陽エネルギー利用が可能となり、こうしたソーラーシステムとヒートポンプ等を複合化したシステムを発明し、住宅における暖房・給湯需要に対するエネルギー供給シミュレーションにより完成して前記課題が解決されることを見いだし本発明を完成した。
さらに、パネルの低温集熱能力が高いことから、熱負荷を削減することで必要な環境を提供できる。住宅に用いることで、夏季の屋根や壁の太陽熱を効率的に熱輸送することで熱負荷を削減でき、並びに小型化することでコンピューター等の各種電子機器用冷却デバイスとして、エネルギー消費のないシステムが可能である。パネルが数℃の小さな温度差で稼働することを実験的に明らかにしており、本発明を完成した。
（１） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えたことを特徴とする低温集熱熱輸送システム。
（２） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムと多重効用型減圧蒸留器を用いたことを特徴とする太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（３） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムを用いたことを特徴とする複合的暖房・給湯システム。
（４） 多重効用型減圧蒸留器の熱交換器の伝熱板としてハニカム型構造した傾斜平板熱交換器を用いることを特徴とする（２）記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（５） 多重効用型減圧蒸留器が集熱板、蒸発部、凝縮部、蒸留水槽、原水槽、真空ポンプからなることを特徴とする請求項２記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（６） （１）記載の低温集熱熱輸送システム、貯湯槽、蓄熱槽、給湯用ヒートポンプ、空調用ヒートポンプとからなることを特徴とする（３）記載の複合的暖房・給湯システム。
（７） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする電子機器用冷却デバイス。
（８） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする太陽熱等負荷削減システム。
【００１０】
【実施の態様】
温度を低く保ちながら集熱するパネルは、通常の集熱ソーラーパネルの水を少し抜いて真空ポンプで空気を抜き減圧する。このようにすると下記の特徴が生ずる。
（１）太陽光がパネルに少しでも当たるとパネル内の水はすぐに沸騰して、わずかな温度差で潜熱として多くの熱量が凝縮部に運ばれる。太陽の入力熱量はまさに天候次第であるので、この特徴は重要である。
（２）環境温度付近で集熱することから、集熱効率はほぼ１００％となる。凝縮部の温度が環境温度よりも低温である場合は、環境からも付加的に集熱できることから太陽熱以上の熱を集熱することもある。
（３）また、集熱温度が環境温度に近いので断熱しなくても熱損失は小さい。
【００１１】
この減圧蒸発を利用した高効率熱輸送システムの機構を図１で示し、以下に説明する。集熱板１０１Ａに太陽熱が加えられると、装置内が真空ポンプ１０５Ｈで減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となってヘッダー１０２Ｂへ移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し、液および液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器１０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽１０４Ｄで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。また、熱輸送に水の潜熱を利用しているので多量の熱量を輸送することができる。
【００１２】
一方、蒸留器本体は直方体で、屏風状の伝熱板で上部が蒸発部、下部が凝縮部に仕切られている一体型の図２に示す構造とした。この伝熱板は、傾斜平板熱交換器であり、段ボールと同じ構造で、容積と対比して伝熱面積を大きくして効率的な熱伝達を達成できるばかりか蒸留器に加わる負圧に対する補強材でもある。この段ボール状のハニカム構造をサインカーブとする波型にしても同様の効果を期待できる。このように集熱部・蒸発部の液面を在来機より大幅に増やし、蒸発促進を図るようにしている。
この補強作用により、平板状の多面積を確保できることとなり、多段状に積み重ねて省スペースで小型がになるとともに、上下の蒸留器を連結するパイプを短くすることができ、全体の効率性を向上させることができるものである。
【００１３】
次に、この高効率低温集熱ソーラーパネルを用いた太陽熱利用多重効用減圧蒸留器を図３に示す。密閉した蒸留器に原水を入れ、その飽和蒸気圧力まで真空排気すると、この原水はわずかな熱入力でも沸騰・蒸発し、より低温・低圧の凝縮部へと移動する。減圧式蒸留器は、あらかじめ系内部を減圧することで、環境温度付近での蒸留が可能となるため、熱損失が小さい。さらに、蒸気が凝縮する際に生じる潜熱を再利用する多重効用型へと応用することができる。
減圧蒸留器は、単段でも太陽熱を効率よく利用して蒸留することができるが、集熱板における輻射などの回収困難な損失や、装置自体の費用対効果を考える上で、収量増加のための多重効用化は必要不可欠である。
【００１４】
本研究で開発した減圧蒸留器は非常に高い蒸留性能をもち、耐久性にも優れている。この蒸留器に利用されているサーモサイフォンシステムは水を作動流体としているが、系内が減圧されているのでソーラーパネルで集熱された熱量を低温で効率よく輸送できる。また、より低温の冷却水を用いることでパネル温度を下げる冷却効果も期待できる。
【００１５】
凝集部・冷却部・蒸発部を一体化し、部品点数と熱損失の削減を意図している。
蒸気の流動抵抗を減らすために、蒸発部と凝縮部との間の距離を短くし、原水の飛沫同伴対策にはデミスタではなく返し板を用いた。熱交換器として、安価な鉛直平板を採用し、部材を限界まで薄くして軽量化を図った。
【００１６】
この太陽熱蒸留装置の特徴としては、
（１）海水淡水化を目的としてデザインされているので大型化が可能である。
（２）蒸発器内の洗浄が可能である。
（３）自律システムである。
（４）消耗品がほとんどない。
（５）維持管理が簡単である。
（６）真空脱気および太陽光が入らない構造であるから、海水の生物の発生を防げる。
【００１７】
更にもう一つの利用法としては、暑さを凌ぐ屋根としての利用である。夏は木の葉が影をつくることで涼しい場所を確保することができる。木を植えることができない空間や住宅の屋根に、このパネルを置くことにより、ある程度の涼しい空間を提供できる。ビルや家屋等の建物の壁体や屋根体等として建築部材の一部の使用すると建物内部の温度上昇を緩和でき、又、外部への輻射等の熱放射を減少でき、環境に負荷の小さい建物を提供できる。
住宅に応用すれば冷房負荷を低減でき、商店街に応用すれば、商店の冷房負荷低減にも寄与し、商店街に自然な快適空間を提供できる可能性がある。新宿や渋谷の商店街に設置すれば、ヒートアイランドへの対策としても役立つ。公園の休憩施設、公衆トイレ、駅や停留所などの屋根に応用することも有効である。
【００１８】
凝縮部の冷却は、冷却塔も応用できるが、水道をそのまま利用するなどの方法も考えられる。一方、高温用途にも利用できて便利である。
凝縮部の温度が上昇すると、パネル内部はその温度の水の飽和蒸気圧力となり、蒸発部と凝縮部に水を循環させることで水温は徐々に高くなる。この場合は一般の集熱パネルと同様の効率になると思われる。したがって、一般の給湯用集熱パネルにも低温用集熱パネルとしても、両方に利用できる点も特徴として挙げることができる。
また、このパネルの熱輸送特性向上および水の循環用動力という点で、もう一つの大きな特徴がある。それは、パネル内の減圧下の水に熱エネルギーを与えたとき、とても激しい沸騰が起こり、パネル内で水が飛ばされ自動的に循環が生じる。パネル配管内の内壁が常に濡れる結果にもなり、強制対流効果とともに伝熱が促進されるという点である。
【００１９】
そこで、太陽エネルギーを効率よく集熱可能なソーラーパネルを利用して暖房・給湯への太陽エネルギーの利用が可能となる。このようなソーラーシステムとヒートポンプ等を複合化したシステムを発明し、住宅における暖房・給湯需要に対するエネルギー供給シュミレーションによってその有効性を確認した。
【００２０】
暖房・給湯システムのシステムダイアグラムは、図４に示すようにソーラーパネル４０１Ａ、貯湯槽４０２Ｂ、蓄熱槽４０３Ｃ、給湯用ヒートポンプ４０４Ｄ、空調用ヒートポンプ４０５Ｅからなるシステムで、分散化電源や床暖房は地域により必要になる。
各構成機器の詳細を以下に述べ、仕様一覧を表１に示す。図４に示している分散化電源や床暖房は地域によっては必要となるが、本報ではシステムに取り込んでいない。システム構成について次に説明する。
（１）ソーラーパネル４０１Ａ
蒸発部（ソーラーパネル）と凝縮部からなる閉じた系を、飽和蒸気圧力付近まで減圧することで作動流体（水等）の沸点を降下させる。蒸発部へのわずかな熱入力によって作動流体を蒸発させ、蒸発部と凝縮部のわずかな圧力差により蒸気が凝縮部に移動する。これにより、潜熱として多量の熱をすみやかに凝縮部へ高効率に熱輸送することが可能となる（２）。これを減圧蒸発法と呼ぶ。減圧蒸発法を用いることで、大気温度付近で熱輸送が可能となるため、環境への熱損失も小さく、パネル温度も比較的低く抑えることができるため、太陽電池と組み合わせたハイブリッド化も期待できる。
本シミュレーションにおいて減圧蒸発法における潜熱輸送を制御するために、蒸発側と凝縮側との相互作用を記述した式（１）（２）を作成した。これにより、日射量が入力として与えられた時、ある程度以上の圧力差が存在するときに潜熱輸送が行われ凝縮部に熱を与え、十分な圧力差がないときは顕熱として集熱板の温度上昇に使われる制御を行った。
・パネル温度上昇に使われる場合
Ｐｅ ＜ Ｐｃ ＋△Ｐ 式（１）
→ パネルの温度上昇のため、蒸発側の圧力が上昇
・潜熱輸送が行われる場合
Ｐｅ ＞Ｐｃ ＋△Ｐ 式（２）
→ 凝縮側への熱入力により、凝縮側の圧力が上昇
蒸発側の圧力をＰｅ、凝縮側の圧力をＰｃ、蒸発部―凝縮部間の圧力損失分をΔＰとする。本例ではΔＰを蒸発側が凝縮側温度よりも２ ℃高い温度での飽和蒸気圧力になるように設定した。もっと高温とすることもできるが、低温度差でも蒸発することができ、実用上とても有利な点である。
ソーラーパネルは蓄熱と暖房の２つの効果を得る役割を担っている。その他にも日射遮蔽効果による冷房負荷の低減や積雪時の融雪効果等もある。
減圧蒸発法では凝縮能力の大きさが性能を支配しており、凝縮部の慎重な設計が重要である。本システムでは凝縮部の冷却手段として水と空気の２つの媒体がある。凝縮部内部に配管を通し、その内部に蓄熱槽内の水を循環させ、蒸発部から流入する蒸気とのわずかな温度差で凝縮する。凝縮潜熱を受けた循環水は貯湯槽を経由し熱交換した後（経由しない場合もある）、蓄熱槽に戻り蓄熱される。一方、凝縮部外側をファンを用いて外気による強制冷却効果により蒸気を凝縮させる。この際に凝縮潜熱を得て温められた空気が暖房利用できる場合には室内に取り込み暖房する。
この他にも、ソーラーパネルと屋根との間にある空気層の熱をファンにより室内に取り込むことで暖房として利用することを可能となる。
（２）貯湯槽４０２Ｂ
給湯需要に対する供給は貯湯槽から行われる。
貯湯槽の加熱手段としては凝縮部―蓄熱槽間の循環水の熱を熱交換することで得られる分と、給湯用のヒートポンプによる加熱分とがある。
制御は、例えば、深夜（２時〜５時）に約３００ Ｌの湯を６０℃にまで加熱する運転を行い、それ以外の時間帯は常時、約２００ Ｌの湯を６０℃に保つような運転を行う。
（３）蓄熱槽４０３Ｃ
凝縮部へ蓄熱槽内の水を循環させ、太陽熱を得て蓄熱槽に戻り蓄熱する。効率的に熱交換（凝縮）させるために、ソーラーパネルの温度により流量を変化させた（最大２５ Ｌ／ｍｉｎ）。また、日射がない場合は水の循環を停止する。暖房・給湯需要がない場合でも、蓄熱の必要がある場合は循環させ蓄熱させた。
蓄熱槽に蓄えられた熱は、各ヒートポンプの熱源としても利用される。また、環境水温よりも高い水温で蓄熱している場合は、貯湯槽へ供給することで給湯負荷の低減を図ることが可能である。また、水量は常に５ ｍ３を蓄えるように市水から給水する。貯湯槽同様、蓄熱槽内は完全混合されるとし温度成層はないものとした。
（４）ヒートポンプ（空調用・給湯用）（４０４Ｄ，４０５Ｅ）
空調用はより高いＣＯＰ（成績係数）で運転可能な熱源は限定されないが空気熱源、水熱源が実用上容易である。給湯用は水熱源とした。
図５に過熱度８ ℃、サブクール度５ ℃、圧縮機効率を６５％とした理論計算に基づくＣＯＰ特性を示す。本シミュレーションでは図５のＣＯＰ特性を用い、蒸発部、凝縮部それぞれの熱交換時に１０℃の温度差を考慮して計算した。
【００２１】
【実施例１】
減圧蒸発を利用した高効率低温集熱熱輸送パネルの熱輸送特性を検討する室内実験装置の概要を図６に示す。本実験装置は主に集熱板６０１Ａ、ヘッダー６０２Ｂ、凝縮器６０３Ｃ、冷却箱付きビユレット６０４Ｄ、給水槽６０５Ｅ、循環式恒温槽６０６Ｆ、微少流量ポンプ６０７Ｇから構成されている。ヘッダーと凝縮器とを繋ぐ配管は、距離を短くし、太くすることにより流動抵抗が小さくなるように配慮した。
ａ）集熱板６０１Ａ
集熱板はアルミニウム製の集熱プレート及びリン酸銅管製の通水管（φ９．５２ ｘｔ０．４）から構成されている。１枚の集熱板の面積は ０．１２ ｍ２ であり、熱源として、この集熱板にラバーヒーターを圧着して断熱材で覆っている。
ｂ）ヘッダー６０２Ｂ
ヘッダーはステンレス製で外形が三角柱のようになっている。内部は気液の分離循環経路となっている。集熱板での突沸現象による液体飛沫が凝縮部へ移動できないように邪魔板が取り付けられており、蒸気のみが凝縮器へ移動し凝縮する。凝縮した純水の質量により、樹発熱を用いて熱移動量を求めることが可能となる。
ｃ） 凝縮器６０３Ｃ
凝縮部は円筒の銅配管（φ１５０×ｔ ３）の中に１／４ ｉｎｃｈ管の銅管約７ ｍが螺旋状に封入されている。凝縮能力は、入力熱量１ ｋＷ／ｍ２の条件において蒸発部と凝縮部の温度差が１ °Ｃ以内となるのに十分な能力となるよう銅管長さを設計した。
作動原理は下記の通りである。
集熱板６０１Ａにヒーターの熱が加えられると、装置内が減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となりヘッダー６０２Ｂに移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し液及び液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器６０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽６０６Ｆで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。また熱輸送に水の潜熱を利用しているので多量の熱量を輸送できる。
試験方法では、装置内に作動流体である水を封入し、冷却水を凝縮器および冷却箱付きビュレットの周りに流す。真空ポンプを用いて真空排気した後、各温度、圧力が安定するまで待つ。その後、ヒーターで定量の熱量を与えると同時に測定を開始する。測定を開始してから２時間後に冷却箱付きビュレットにて潜熱による熱移動量を測定し、突沸によりヘッダーから移動した液体量も測定する。
熱電対による測定対象および測定箇所は、集熱板における銅管表面を流れ方向に４０ ｍｍ毎２６点、集熱板への流入口直前１点、凝縮器の流出口１点、凝縮器への冷却液流入口および流出口各１点、集熱板表面４点、集熱部表面２点である。圧力計をヘッダー上部に取り付け、装置内圧力を測定している。蒸発温度は、水の国際状態方程式（Ａ． Ｐｒｕβ ａｎｄ Ｗ． Ｗａｇｎｅｒ．， Ｅｉｎｅ ｎｅｕｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｇｌｅｉｃｈｕｎｇ ｆｕｒ ｄａｓ ｆｌｕｉｄｅ Ｚｕｓｔａｎｄｓｇｅｂｉｅｔ ｖｏｎ Ｗａｓｓｅｒ ｆｕｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎ ｖｏｎ ｄｅｒ Ｓｃｈｍｅｌｚｌｉｎｉｅ ｂｉｓ ｚｕ １２７３ Ｋ ｂｅｉ Ｄｒｕｃｋｅｎ ｂｉｓ ｚｕ １０００ ＭＰａ， Ｆｏｒｔｓｈｒ．−Ｂｅｒ． ＶＤＩ ６， Ｎｏ． ３２０ （ＶＤＩ， Ｄｕｓｓｅｌｄｏｒｆ， １９９５）； １９９９年日本機械学会蒸気表， （１９９９）．）を用いて装置内圧力から計算した。今回行った試験条件を表１に示す。
表１ 実験条件
以上の実験の結果をまとめると、
ａ） 各測定について
実験で得られた結果で入力熱量４００ Ｗ／ｍ２、冷却水温度２０ °Ｃの条件で封入率５０％を図７から図９に、封入率７５％を図１０から図１２に示した。図７と図１０は集熱板中央に位置する銅管表面の最上端、最下端および流入口直前の温度、凝縮器出口温度、集熱器表面温度、環境温度と測定開始からの時間との関係を示したものであり、図８と図１０は集熱板最下端からの銅管表面温度と測定時間、図９と図１２は銅管表面５点の１６７分から１７７分までの温度分布を示したものである。図７と図１０より測定開始から約６０分後に各温度が安定し、定常状態では常に集熱板最上端温度よりも集熱板最下端温度の方が高い。また、封入率５０％と比較して７５％の方が集熱板最上端温度及び最下端温度が低く、温度変動の幅が小さく安定している。次に図８と図１１より銅管表面温度は、蒸気側より液側の温度が高い。図９と図１２では、封入率５０％、７５％ともに各測定温度がある一定の割合で上昇し、降下するという挙動が確認された。
これらの結果は、ヒーターの入力熱量により銅管内温度が上昇し、表面の微細なくぼみで発生した気泡が離脱し、急激にパイプの内径いっぱいに膨張し、上方の液層が膜のように薄くなったころで気泡は破裂する、という突沸現象が起因している。突沸により液体が押し上げられ蒸気側は液の薄膜ができ、同時に液が蒸発し潜熱が奪われるので、蒸気側温度が急激に降下し、液側に比べ温度が低いと思われる。また液側は水の存在により蒸気側に比べて温度上昇率が低いが、突沸により集熱板内の液がヘッダーへ移動し、環境温度付近の液が集熱板に循環し、液温度が降下していると思われる。さらに、５０％では約３分に１回突沸が発生し、液１８ｇが移動している。それに比べ７５％では１分間に４、５回発生しており１回の突沸で液４ｇが移動し、安定して突沸が発生しているので温度変動が小さいと考えられる。
また、図８と図１１で液側の温度分布は弧の形で中央部分が最も温度が高く封入率５０％より７５％の方が温度分布は安定しているが、液側の最高温度が高いことが分かる。これは、循環している作動流体の水が、集熱板最下端から流入されると、銅管内は一定の熱量が入力されているので、上部へ移動するほど銅管表面及び液の温度は上昇する。しかし蒸発面付近では、頻繁に沸騰が行われており、入力された熱が潜熱として蒸発に使われるので、蒸発面へ移動するほど銅管表面及び液が冷やされて温度が降下していると思われる。
冷却水温度２０ ℃では初期圧力は２．１ ｋＰａであり、実験開始後すぐに２．３ ｋＰａまで上昇し、測定中は２．３ ｋＰａで安定しており、凝縮器の凝縮能力が十分であることが確認された。
ｂ） 成績係数
以下に成績係数ηを求める式（３）を示す。
式（３）
η：成績係数 Ｔｅｖａ：蒸発温度 ［℃］ ：蒸留質量 ［ｋｇ／ｓ］
Ｔｉｎ：集熱板流入口への直前温度 ［℃］
ＣＰ（Ｔ）：定圧比熱 ［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］ Ｑｉｎ：入力熱量 ［Ｗ］
Δｈ：蒸発温度における蒸発潜熱 ［ｋＪ／ｋｇ］（５）
式（３）を用いて図１３に封入率５０％での冷却水温度の違いによる成績係数の比較を示し、図１４に冷却水温度２０ ℃での封入率の違いによる成績係数の比較を示した。冷却水温度が２５ ℃と比較して２０ ℃の方が各入力熱量において成績係数が高いことが分かる。これは冷却水温度が２５ ℃の条件では、環境温度が２５ ℃のためヘッダー内でも凝縮が行われていて、凝縮器に移動する蒸気量が少ないことが考えられる。冷却水温度が２０ ℃の場合には、冷却水が環境温度よりも低温であることから、環境からも熱を吸収して全体的に高効率であることが分かる。多くの場合で成績係数は１を超えている。また、突沸により蒸気側の銅管表面は液の薄膜が存在しているため、蒸発面からだけではなく、蒸気側銅管内表面からも蒸発が行われていることが考えられる。また、突沸でヘッダー内に残った液が蒸発し、ヘッダー下方の液溜まりでも蒸発が行われていることが考えられる。さらに、突沸により蒸気がヘッダーを通して凝縮器へ押し出されるため、蒸気速度が速くなることも考えられる。
封入率の違いによる成績係数の違いは見られなかったが、５０％に比べて７５％のほうが安定していることが明らかになった。
以上の結果から、下記の結論が得られた。
（１）減圧蒸発を用いたソーラーパネルに関して冷却水温度２０ ℃の条件で９０％以上の効率が得られた。
（２）封入率の違いにより突沸の発生率が異なり、それにより集熱板の温度分布が決定される。
【００２２】
【実施例２】
太陽熱利用多重効用減圧蒸留器では、密閉した蒸留器に原水を入れ、その飽和蒸気圧力まで真空排気すると、この原水はわずかな熱入力でも沸騰・蒸発し、より低温・低圧の凝縮部へと移動する。減圧式蒸留器は、あらかじめ系内部を減圧することで、環境温度付近での蒸留が可能となるため、顕熱損失が小さい。さらに、蒸気が凝縮する際に生じる潜熱を再利用する多重効用型へと応用することができる。
なお、蒸留性能の評価には、蒸留の効率を示す蒸留成績係数（ＣＯＰＤ）および水の導電率（ＥＣ）を用いている。ＣＯＰＤの定義式（４）は下記のとおりである。
式（４）
Ｌ ［ｋＪ・ｋｇ−１］ ： 蒸発潜熱
ΣＭｏｕｔ ［ｋｇ・ｍ−２・ｄａｙ−１］ ： 蒸留収量
ΣＱｉｎ ［ｋＪ・ｍ−２・ｄａｙ−１］ ： 傾斜面全天日射量
操作方法を以下に示す。
（１）集熱部・蒸発部・原水槽へ原水を注入。
（２）密閉して原水の飽和蒸気圧力まで真空排気。
（３）日の出とともに各部の温度・圧力を測定。
（４）適宜、蒸留器内部を真空排気。
（５）運転終了後、蒸留器を大気開放して、蒸留水の収量と電気伝導率を測定。
減圧式蒸留器は、単段でも太陽熱を効率よく利用して蒸留することができる。
集熱板における輻射などの回収困難な損失や、装置自体の費用対効果を考えるうえで、収量増加のための多重効用化を図り、新たに小型２段式蒸留器を開発した。
主な設計は、
（１）蒸発部・凝縮部・冷却部を一体化し、部品点数と熱損失の削減をした。
（２）蒸気の流動抵抗を減らすため、蒸発部と凝縮部との間の距離を短くし、原水の飛沫同伴対策にはデミスタではなく返し板を用いた。
（３）熱交換器として、安価な鉛直平板を採用した。
（４）部材を限界まで薄くして軽量化を図った。
とりわけ、設計において重要となるのは熱交換器の伝熱性能である。
２段式蒸留器の概略を図１５に示す。本システムは集熱板１５０１Ａ、蒸発部１５０２Ｂ、凝縮部１５０３Ｃ、蒸留水槽１５０４Ｄ、原水槽１５０５Ｅ、真空ポンプ１５０６Ｆ、冷却水循環ポンプ１５０７Ｇ、日射計１５０８Ｈ、圧力計１５０９Ｊ、熱電対１５１０Ｋ、データロガー１５１１Ｌで構成される。系の最終冷却部である原水槽では、循環ポンプを用いて冷却水を最終冷却部の上部へ放水し、伝熱を促進させた。また、冷却部の水を循環させることで、冷却部温度成層を少なくしている。原水の飛沫が凝縮部へ入ることを防ぐため、蒸気流路に返し板を設置している。
系内部を減圧するための真空ポンプには、油回転式真空ポンプ（２００ Ｗ， 到達圧力６．７×１０−２ Ｐａ）とダイアフラム式真空ポンプ（１５０ Ｗ， 到達圧力１ ｋＰａ）の２種類を用いた。原水の初期水温が低い冬季には、より低圧まで排気できる前者が有利であるが、オイルフィルトレーション装置の追設、定期的なポンプオイルの交換が必要で、後者のほうが保守は容易である．
各部の容量は、１段目原水１８ Ｌ蒸気３０ Ｌ、２段目原水４７ Ｌ蒸気４２ Ｌで、約２０分で真空排気できる。
本装置を用いた実機試験を、２００１年１１月￣２００２年１月、ならびに２００２年７月に行った。１６に、２００２年７月１２日の運転における日射量および各部の温度の変化を示す。日射の増加に伴い、各段が２￣３ °Ｃの温度差を確保したまま蒸留が行われている。これは、飽和状態における水の温度差が、そのまま圧力差として作用し、蒸気がより低温・低圧である凝縮部へ絶えず移動していることを意味する。しかし、午後になると日射が減り始め、原水槽の温度が上昇して温度差は解消してしまう。
すべての実機試験結果をＵｄａらの２段式蒸留器［３］とともにプロットしたのが図１７である。本装置の蒸留性能は、Ｕｄａらの水平円管群を用いた蒸留器に対し、同等もしくは若干劣る程度の蒸留性能であった。
ダイアフラム式真空ポンプを用いた場合に蒸留性能が低いのは、原水を飽和状態まで減圧することができず、蒸発温度が上がって熱損失を生じるからである。
【００２３】
【実施例３】
小型２段式蒸留器およびガラス製屋内実験装置の実験結果を踏まえ、低コストでより高性能な蒸留システムを開発するため、以下の目標を設定し、多重効用型減圧蒸留器の設計・製作を行った。
（１）蒸留器本体の構造をさらに簡素化し、大型３段式蒸留器（Ｎｉｓｈｉｋａｗａら， １９９７）に近い蒸留性能１０ ｋｇ・ｍ−２・ｄａｙ−１を経済的に達成する。
（２）大量生産に適し、ニーズに合わせた規模の製作が容易なデザインとする。
（３）ガラス製の屋内実験装置で確認された知見を活かし、凝縮能力を大きくとり、さらにそれを最大限に引き出す構造を検討する。
（４）真空に近い条件での使用となるため、軽量かつ負圧に強い構造にする。
多重効用減圧蒸留器の構造を図１８に示す。蒸留器本体の構造は図２に示したとおりである。
多重効用型減圧蒸留器としての基本的な原理や周辺機器については、従来の蒸留システムをほぼ踏襲した。一方で蒸留器本体は直方体で、屏風状の伝熱板で上部が蒸発部、下部が凝縮部に仕切られている一体型の構造に改良した。
この伝熱板は、傾斜平板熱交換器であり、段ボールと同じ構造で、蒸留器に加わる負圧に対する補強材でもある。傾斜平板の有効伝熱面積は２．９ ｍ２と在来機（小型２段式蒸留器、本研究）の２倍以上の伝熱性能を有し、なおかつ２段式蒸留器で問題となっていた運転時の負圧による変形をほぼ完全に抑えることができた。
また、集熱部・蒸発部の液面を在来機より大幅に増やし、蒸発促進を図るようにしている。
本装置は、最終冷却部に冷却塔を用いているが、実用段階では河川などの流水を用いても運転可能となる。
効用段数は２，３，・・・と多段にすることができ、実用に際しては初期投資と効率のバランスから、最終的な効用段数を決定することになる。また、第１段の凝縮器と集熱板底部を直結することで、比較的腐食しやすい集熱部に原水が入ることを避けることができ、海水などの淡水化においては、ループ式へ容易に変更可能である。
以上の結果から、安価かつ性能の優れた多重効用型減圧蒸留器が可能であることが明らかになった。
【００２４】
【実施例４】
本発明を住宅に応用した場合のシミュレーションを示す。用いた暖冷房・給湯システムの仕様一覧を表２に示す。４人家族の住む戸建住宅を対象とし、エネルギー需要モデルを作成した。設定の詳細を表３および表４に示す。需要作成およびシミュレーション計算の際に使用した環境情報を表４に示す。時季は東京における最寒期の ２０００ 年 ２ 月を対象に１ヶ月間の計算を行った。
なお、日射量や気温などは実測値（ 気象庁年報２０００年）および理論計算式から推算した。地中温度は２０００年の年間平均気温１６．９℃を用いた。
エネルギー需要モデル作成の結果から２月１日における時刻別負荷パターンを図１９に示す。
ここではエネルギー需要モデルの対象住宅を便宜的に一室と考え、エネルギー供給シミュレーションを行った。
１時間毎に与えられるエネルギー需要に対して、システム概要で述べた制御に基づき、１分間毎のシステムシミュレーションを行った。その計算結果を１時間毎に整理した。なお、各要素機器間の配管における熱損失は簡略式を用いて計算している。また、ポンプ動力は軸動力から、ファン動力は風量ごとの消費電力から概算している。
計算の初期条件はソーラーパネルの温度を環境水温とし、貯湯槽に関しては６０℃の湯が２００ Ｌ、蓄熱槽に関しては３０℃の湯が５ ｍ３あるものとした。
以下にシミュレーション結果を示す。システム評価のベースラインとして、本シミュレーションと同じエアコンと熱効率９０％のガス給湯器を想定した。また、電力消費量の一次エネルギー換算は商用電力の利用端発電効率を４０％として一次エネルギー消費量を算出した。
図２０に暖房需要とエアコンによる熱供給量を示す。両者の差が外気を用いたソーラーパネルの凝縮潜熱回収および屋根―ソーラーパネル間の空気層の熱回収による暖房効果であり、太陽エネルギー寄与分に相当する。
日射量の少ない時には太陽エネルギー寄与分は少なく、エアコンによる暖房供給が主となる。しかしながら、太陽エネルギーによって最大で暖房需要の３５％、月平均で２３％の供給ができた。
また、エアコンの熱源として蓄熱槽（ＨＳＴ ： Ｈｅａｔ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔａｎｋ）か大気かを選択できるようにしたが、結果的にはほとんどの場合蓄熱槽に依存した。外気温度よりも１５￣３０℃高い熱源を確保できたことで、エアコンのＣＯＰが最大で１０を超える高効率運転となった。この結果、電力消費量を最大で７８％、月平均で７０％削減できた。
図２１に給湯需要と給湯用ヒートポンプによる熱供給量を示す。図２１の折れ線が示すように蓄熱槽温度が環境水温より平均的に２０℃も高い。このように環境水温よりも高い温度で給水が行われたため、実質の給湯供給熱量が３０￣５０％も削減していることがわかる（図中の需要と供給量の差）。
また、暖房と同様に蓄熱槽をヒートポンプの熱源としているため、ヒートポンプのＣＯＰも３．０以上、最大で４．２といった高効率運転となった。
この結果、一次エネルギー消費量も最大で８１％、月平均で７１％削減できた。
システム評価
本システムを構成する際に、２つのファンと３つのポンプの動力を考慮した。その１ヶ月間の一次エネルギー消費量を算出し、従来システムと本システムとの比較を図２２に示してシステムの評価を行った。この結果、従来システムと比較して最大で７９％、月平均で７０％の削減ができた。
本システム導入による効果を、一次エネルギー消費量、二酸化炭素排出量、運用コストで評価した結果を表５に示した。その際に用いた二酸化炭素排出原単位は、電力に関しては全電源ベースの値０．１０６ ｋｇ−Ｃ／ｋＷｈ、ガスに関しては０．０１３９ ｋｇ−Ｃ／ＭＪを用いた。また、電力を１５．５８円／ｋＷｈ、ガスを２．８円／ＭＪで換算し、運用コストを算出した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明により、自然エネルギーである太陽エネルギーを効率的に利用できる高効率低温集熱ソーラーパネルを開発し、これを用いた多重効用型減圧蒸留器のシステムを確立して飲料用や農業用の水資源の汚染や不足している地域に安全な水を安定供給できるとともに住宅における暖房・給湯システムを確立し並びに同様の原理の低温集熱熱輸送パネルを用いて、夏季の太陽熱や西日等の不快な熱負荷を取り除くなど冷房負荷削減に貢献してエネルギー資源の枯渇および地球温暖化の防止に貢献することができる。
さらに、コンピューター等の小型化で最大の課題となっている冷却デバイスとしても、エネルギー消費のないシステムとすることが可能であり、これからの情報社会構築にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】：減圧蒸発を利用した高効率熱輸送システムの機構
【図２】：凝縮器の構造
【図３】：太陽熱利用多重効用型減圧蒸留器の原理（Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ）
【図４】：高効率低温集熱ソーラーパネルを用いた複合的暖冷房・給湯システム（ Ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ）
【図５】：ヒートポンプの理論特性（ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ＣＯＰ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ）
【図６】：減圧蒸発を利用した高効率低温熱輸送パネルの熱輸送試験装置（Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ａｐｐａｒａｔｕｓ）
【図７】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ （ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図８】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図９】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図１０】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ （ｈｅａ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１１】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２，ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１２】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ （ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１３】：封入率５０％・冷却水温度差異における成績係数比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図１４】：冷却水２０℃の場合の封入率の違いによる成績係数比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ２０゜Ｃ））
【図１５】：２段式蒸留器の概略構成（ Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｔｉｌｌ）
【図１６】：試験日の日射量及び機器の温度計測図（ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ ｉｎ Ｊｕｌｙ １９，２００２）
【図１７】：２段式蒸留器の蒸留成績図（ Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｔｉｌｌｓ）
【図１８】：多重効用型減圧蒸留器の概略構成（Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ）
【図１９】：２０００年２月１日における住宅の１日のエネルギー付加パターン（Ｄｅｍａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎ （ ｏｎ １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０００））
【図２０】：暖房需要をエアコンによる熱供給量（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｕｐｐｌｙ）
【図２１】：給湯需要とヒートポンプによる熱供給量（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒｈｏｔｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）
【図２２】：本システムと従来システムの一次エネルギー比較（ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）
【表１】：図６の装置の試験条件（ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
【表２】：図４のシステムの仕様表（ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ）
【表３】：住宅設定条件表（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ）
【表４】：居住者設定条件表（Ｍｅｍｂｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
【表５】：環境設定条件表（Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
【表６】：本システムによる経済効果（Ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ）
【符号の説明】
１０１Ａ：集熱板、１０５Ｈ真空ポンプ、１０２Ｂ：ヘッダー、１０３Ｃ：凝縮器１０３Ｃ、１０４Ｄ：循環式恒温槽
４０１Ａ：ソーラーパネル、４０２Ｂ：貯湯槽、４０３Ｃ：蓄熱槽、４０４Ｄ：給湯用ヒートポンプ、４０５Ｅ空調用ヒートポンプ
６０１Ａ：集熱板、６０２Ｂ：ヘッダー、６０３Ｃ凝縮器、６０４Ｄ：冷却箱付きビユレット、６０５Ｅ：給水槽、６０６Ｆ：循環式恒温槽、６０７Ｇ：微少流量ポンプ
１５０１Ａ：集熱板，１５０２Ｂ：蒸発部，１５０３Ｃ：凝縮部，１５０４Ｄ：蒸留水槽，１５０５Ｅ：原水槽，１５０６Ｆ：真空ポンプ，１５０７Ｇ：冷却水循環ポンプ，１５０８Ｈ：日射計，１５０９Ｊ：圧力計，１５１０Ｋ：熱電対，１５１１Ｌ：データロガー
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率低温集熱パネルを用いた熱輸送システムおよびこの熱交換システムを用いた蒸留水製造システム、複合的暖冷房・給湯システム並びに冷却デバイスに関する。
【０００２】
【技術の背景と従来技術】
人口の急増、地球環境の悪化に伴い、飲料用や農業用の水資源の汚染や不足は深刻な問題になっている。例えば、Ｋａｍ，Ｓ．Ｋ． ｅｔ ａｌ．， Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔａｌ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＶｏｌ．２８， Ｎｏ．４， ４８３−４９６ （２００１） によると、バングラディシュ西部では、井戸水に砒素が混入しており、住民は有効な対策を殆ど受けられないまま摂取を余儀なくされ、皮膚などに疾患を持つ人々も少なくないことが記されている。安全な水を安定供給できる設備の開発と普及が急務である。
このような地域への水供給プラントとしては化石燃料の搬入や、電源設備などのインフラ整備が不十分なため、自律運転が可能な太陽熱利用蒸留器が好ましい。しかし、従来の太陽熱蒸留器はその蒸留性能や耐久性に難があり、広く普及した実績をもつ設備は無いのが現状である。
【０００３】
一方、地球温暖化が深刻になり、エネルギー消費の低減、二酸化炭素の排出抑制が求められている。大気中の二酸化炭素濃度を調べると、人類が排出している二酸化炭素の量は自然界のバランスを保つことができる許容量を超えている。確かに、生活水準の向上により家庭におけるエネルギー消費量は年々増加しており、その対策として太陽熱、風力、地熱などの自然エネルギーの利用が進められてきている。中でも太陽エネルギーの利用に関しては、太陽光発電や給湯といった形でしか普及しておらず、経済性を考慮してもより有効なエネルギー利用が必要である。そして、一般の住宅における暖冷房・給湯に太陽エネルギーを適用できれば、地球温暖化の防止に大きく寄与できることは明らかである。
【０００４】
太陽エネルギーを利用する淡水化装置およびその運転方法については、公表公報９７／４８６４６において提示されているが、そのシステムは太陽エネルギーを太陽熱集熱器中の熱媒である水により捕捉し、この熱を蒸発缶内の原水と熱交換させて蒸発缶内に水蒸気を発生させて凝縮器に導き、蒸留水を製造する方法である。この際、蒸発缶の内部を減圧状態にして水蒸気の発生を促進するようにしている。
【０００５】
また、提示されている淡水化装置における蒸発缶には、多重効用関係の複数の蒸発缶と協働する凝縮器を備えることにより熱を効率的に捕捉するようになされており、構成の蒸発缶は、缶胴内に伝熱管を傾斜して配置し、伝熱管内で生成した凝縮水が滞留することなく排出されるようになされている。
【０００６】
しかし、このように提示されている太陽熱を利用する淡水化装置においては、太陽熱集熱器中の熱媒である水により太陽熱が捕捉されるため媒体である水と外気との温度差が大きく、温度差が大きければ大きいほどエネルギー損失は大きくなるという問題点がある。したがって、熱媒である水温が高ければ、外気との温度差が大きくなりエネルギー損失が増大し、熱媒である水温が低ければサーモサイフォンシステムの作動が鈍るために蒸発缶への熱エネルギーの移送が減少するというジレンマが存在する。
【０００７】
さらに、太陽熱集熱器で捕捉されたエネルギーは蒸発缶内に傾斜して配置されている缶胴の伝熱管で熱交換されるが、伝熱管の表面積は管の断面積と対比すると最小であるため効率的な熱捕捉をするには伝熱管の管径あるいは長さを大きくする必要があり、必然的に多重効用蒸発缶部は大きくなり、コンパクトな装置とは言い難い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況に鑑みて、本発明の課題は、自然のエネルギー、特に太陽エネルギーの高効率低温集熱パネルを開発し、このパネルを用いた安価で耐久性のある効率的な太陽熱熱交換システムの開発とこの熱輸送システムを利用して輸送・運搬の容易なコンパクトな蒸留装置を確立すること、並びに同様の原理に基づくパネルを用いた効率的な暖房給湯システム、太陽熱等負荷削減システムそしてコンピューター等の電子機器用冷却デバイスを確立することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題について鋭意研究した結果、温度を低く保ちながら集熱するパネルを得ることができ、この集熱パネルを用いて太陽熱の何倍も水の蒸発潜熱として利用できる、すなわち、多重効用といって一度集熱した太陽熱を何回も蒸発・凝縮のサイクルで使う蒸留器を開発した。
そして、このパネルを利用する新しい方法として太陽熱を利用した太陽光集熱熱交換器を暖房・給湯システムに適用した。これによりソーラーパネルを介して、暖房・給湯への太陽エネルギー利用が可能となり、こうしたソーラーシステムとヒートポンプ等を複合化したシステムを発明し、住宅における暖房・給湯需要に対するエネルギー供給シミュレーションにより完成して前記課題が解決されることを見いだし本発明を完成した。
さらに、パネルの低温集熱能力が高いことから、熱負荷を削減することで必要な環境を提供できる。住宅に用いることで、夏季の屋根や壁の太陽熱を効率的に熱輸送することで熱負荷を削減でき、並びに小型化することでコンピューター等の各種電子機器用冷却デバイスとして、エネルギー消費のないシステムが可能である。パネルが数℃の小さな温度差で稼働することを実験的に明らかにしており、本発明を完成した。
（１） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えたことを特徴とする低温集熱熱輸送システム。
（２） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムと多重効用型減圧蒸留器を用いたことを特徴とする太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（３） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムを用いたことを特徴とする複合的暖房・給湯システム。
（４） 多重効用型減圧蒸留器の熱交換器の伝熱板としてハニカム型構造した傾斜平板熱交換器を用いることを特徴とする（２）記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（５） 多重効用型減圧蒸留器が集熱板、蒸発部、凝縮部、蒸留水槽、原水槽、真空ポンプからなることを特徴とする請求項２記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
（６） （１）記載の低温集熱熱輸送システム、貯湯槽、蓄熱槽、給湯用ヒートポンプ、空調用ヒートポンプとからなることを特徴とする（３）記載の複合的暖房・給湯システム。
（７） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする電子機器用冷却デバイス。
（８） 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする太陽熱等負荷削減システム。
【００１０】
【実施の態様】
温度を低く保ちながら集熱するパネルは、通常の集熱ソーラーパネルの水を少し抜いて真空ポンプで空気を抜き減圧する。このようにすると下記の特徴が生ずる。
（１）太陽光がパネルに少しでも当たるとパネル内の水はすぐに沸騰して、わずかな温度差で潜熱として多くの熱量が凝縮部に運ばれる。太陽の入力熱量はまさに天候次第であるので、この特徴は重要である。
（２）環境温度付近で集熱することから、集熱効率はほぼ１００％となる。凝縮部の温度が環境温度よりも低温である場合は、環境からも付加的に集熱できることから太陽熱以上の熱を集熱することもある。
（３）また、集熱温度が環境温度に近いので断熱しなくても熱損失は小さい。
【００１１】
この減圧蒸発を利用した高効率熱輸送システムの機構を図１で示し、以下に説明する。集熱板１０１Ａに太陽熱が加えられると、装置内が真空ポンプ１０５Ｈで減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となってヘッダー１０２Ｂへ移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し、液および液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器１０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽１０４Ｄで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。また、熱輸送に水の潜熱を利用しているので多量の熱量を輸送することができる。
【００１２】
一方、蒸留器本体は直方体で、屏風状の伝熱板で上部が蒸発部、下部が凝縮部に仕切られている一体型の図２に示す構造とした。この伝熱板は、傾斜平板熱交換器であり、段ボールと同じ構造で、容積と対比して伝熱面積を大きくして効率的な熱伝達を達成できるばかりか蒸留器に加わる負圧に対する補強材でもある。この段ボール状のハニカム構造をサインカーブとする波型にしても同様の効果を期待できる。このように集熱部・蒸発部の液面を在来機より大幅に増やし、蒸発促進を図るようにしている。
この補強作用により、平板状の多面積を確保できることとなり、多段状に積み重ねて省スペースで小型がになるとともに、上下の蒸留器を連結するパイプを短くすることができ、全体の効率性を向上させることができるものである。
【００１３】
次に、この高効率低温集熱ソーラーパネルを用いた太陽熱利用多重効用減圧蒸留器を図３に示す。密閉した蒸留器に原水を入れ、その飽和蒸気圧力まで真空排気すると、この原水はわずかな熱入力でも沸騰・蒸発し、より低温・低圧の凝縮部へと移動する。減圧式蒸留器は、あらかじめ系内部を減圧することで、環境温度付近での蒸留が可能となるため、熱損失が小さい。さらに、蒸気が凝縮する際に生じる潜熱を再利用する多重効用型へと応用することができる。
減圧蒸留器は、単段でも太陽熱を効率よく利用して蒸留することができるが、集熱板における輻射などの回収困難な損失や、装置自体の費用対効果を考える上で、収量増加のための多重効用化は必要不可欠である。
【００１４】
本研究で開発した減圧蒸留器は非常に高い蒸留性能をもち、耐久性にも優れている。この蒸留器に利用されているサーモサイフォンシステムは水を作動流体としているが、系内が減圧されているのでソーラーパネルで集熱された熱量を低温で効率よく輸送できる。また、より低温の冷却水を用いることでパネル温度を下げる冷却効果も期待できる。
【００１５】
凝集部・冷却部・蒸発部を一体化し、部品点数と熱損失の削減を意図している。
蒸気の流動抵抗を減らすために、蒸発部と凝縮部との間の距離を短くし、原水の飛沫同伴対策にはデミスタではなく返し板を用いた。熱交換器として、安価な鉛直平板を採用し、部材を限界まで薄くして軽量化を図った。
【００１６】
この太陽熱蒸留装置の特徴としては、
（１）海水淡水化を目的としてデザインされているので大型化が可能である。
（２）蒸発器内の洗浄が可能である。
（３）自律システムである。
（４）消耗品がほとんどない。
（５）維持管理が簡単である。
（６）真空脱気および太陽光が入らない構造であるから、海水の生物の発生を防げる。
【００１７】
更にもう一つの利用法としては、暑さを凌ぐ屋根としての利用である。夏は木の葉が影をつくることで涼しい場所を確保することができる。木を植えることができない空間や住宅の屋根に、このパネルを置くことにより、ある程度の涼しい空間を提供できる。ビルや家屋等の建物の壁体や屋根体等として建築部材の一部の使用すると建物内部の温度上昇を緩和でき、又、外部への輻射等の熱放射を減少でき、環境に負荷の小さい建物を提供できる。
住宅に応用すれば冷房負荷を低減でき、商店街に応用すれば、商店の冷房負荷低減にも寄与し、商店街に自然な快適空間を提供できる可能性がある。新宿や渋谷の商店街に設置すれば、ヒートアイランドへの対策としても役立つ。公園の休憩施設、公衆トイレ、駅や停留所などの屋根に応用することも有効である。
【００１８】
凝縮部の冷却は、冷却塔も応用できるが、水道をそのまま利用するなどの方法も考えられる。一方、高温用途にも利用できて便利である。
凝縮部の温度が上昇すると、パネル内部はその温度の水の飽和蒸気圧力となり、蒸発部と凝縮部に水を循環させることで水温は徐々に高くなる。この場合は一般の集熱パネルと同様の効率になると思われる。したがって、一般の給湯用集熱パネルにも低温用集熱パネルとしても、両方に利用できる点も特徴として挙げることができる。
また、このパネルの熱輸送特性向上および水の循環用動力という点で、もう一つの大きな特徴がある。それは、パネル内の減圧下の水に熱エネルギーを与えたとき、とても激しい沸騰が起こり、パネル内で水が飛ばされ自動的に循環が生じる。パネル配管内の内壁が常に濡れる結果にもなり、強制対流効果とともに伝熱が促進されるという点である。
【００１９】
そこで、太陽エネルギーを効率よく集熱可能なソーラーパネルを利用して暖房・給湯への太陽エネルギーの利用が可能となる。このようなソーラーシステムとヒートポンプ等を複合化したシステムを発明し、住宅における暖房・給湯需要に対するエネルギー供給シュミレーションによってその有効性を確認した。
【００２０】
暖房・給湯システムのシステムダイアグラムは、図４に示すようにソーラーパネル４０１Ａ、貯湯槽４０２Ｂ、蓄熱槽４０３Ｃ、給湯用ヒートポンプ４０４Ｄ、空調用ヒートポンプ４０５Ｅからなるシステムで、分散化電源や床暖房は地域により必要になる。
各構成機器の詳細を以下に述べ、仕様一覧を表１に示す。図４に示している分散化電源や床暖房は地域によっては必要となるが、本報ではシステムに取り込んでいない。システム構成について次に説明する。
（１）ソーラーパネル４０１Ａ
蒸発部（ソーラーパネル）と凝縮部からなる閉じた系を、飽和蒸気圧力付近まで減圧することで作動流体（水等）の沸点を降下させる。蒸発部へのわずかな熱入力によって作動流体を蒸発させ、蒸発部と凝縮部のわずかな圧力差により蒸気が凝縮部に移動する。これにより、潜熱として多量の熱をすみやかに凝縮部へ高効率に熱輸送することが可能となる（２）。これを減圧蒸発法と呼ぶ。減圧蒸発法を用いることで、大気温度付近で熱輸送が可能となるため、環境への熱損失も小さく、パネル温度も比較的低く抑えることができるため、太陽電池と組み合わせたハイブリッド化も期待できる。
本シミュレーションにおいて減圧蒸発法における潜熱輸送を制御するために、蒸発側と凝縮側との相互作用を記述した式（１）（２）を作成した。これにより、日射量が入力として与えられた時、ある程度以上の圧力差が存在するときに潜熱輸送が行われ凝縮部に熱を与え、十分な圧力差がないときは顕熱として集熱板の温度上昇に使われる制御を行った。
・パネル温度上昇に使われる場合
Ｐｅ ＜ Ｐｃ ＋△Ｐ 式（１）
→ パネルの温度上昇のため、蒸発側の圧力が上昇
・潜熱輸送が行われる場合
Ｐｅ ＞Ｐｃ ＋△Ｐ 式（２）
→ 凝縮側への熱入力により、凝縮側の圧力が上昇
蒸発側の圧力をＰｅ、凝縮側の圧力をＰｃ、蒸発部―凝縮部間の圧力損失分をΔＰとする。本例ではΔＰを蒸発側が凝縮側温度よりも２ ℃高い温度での飽和蒸気圧力になるように設定した。もっと高温とすることもできるが、低温度差でも蒸発することができ、実用上とても有利な点である。
ソーラーパネルは蓄熱と暖房の２つの効果を得る役割を担っている。その他にも日射遮蔽効果による冷房負荷の低減や積雪時の融雪効果等もある。
減圧蒸発法では凝縮能力の大きさが性能を支配しており、凝縮部の慎重な設計が重要である。本システムでは凝縮部の冷却手段として水と空気の２つの媒体がある。凝縮部内部に配管を通し、その内部に蓄熱槽内の水を循環させ、蒸発部から流入する蒸気とのわずかな温度差で凝縮する。凝縮潜熱を受けた循環水は貯湯槽を経由し熱交換した後（経由しない場合もある）、蓄熱槽に戻り蓄熱される。一方、凝縮部外側をファンを用いて外気による強制冷却効果により蒸気を凝縮させる。この際に凝縮潜熱を得て温められた空気が暖房利用できる場合には室内に取り込み暖房する。
この他にも、ソーラーパネルと屋根との間にある空気層の熱をファンにより室内に取り込むことで暖房として利用することを可能となる。
（２）貯湯槽４０２Ｂ
給湯需要に対する供給は貯湯槽から行われる。
貯湯槽の加熱手段としては凝縮部―蓄熱槽間の循環水の熱を熱交換することで得られる分と、給湯用のヒートポンプによる加熱分とがある。
制御は、例えば、深夜（２時〜５時）に約３００ Ｌの湯を６０℃にまで加熱する運転を行い、それ以外の時間帯は常時、約２００ Ｌの湯を６０℃に保つような運転を行う。
（３）蓄熱槽４０３Ｃ
凝縮部へ蓄熱槽内の水を循環させ、太陽熱を得て蓄熱槽に戻り蓄熱する。効率的に熱交換（凝縮）させるために、ソーラーパネルの温度により流量を変化させた（最大２５ Ｌ／ｍｉｎ）。また、日射がない場合は水の循環を停止する。暖房・給湯需要がない場合でも、蓄熱の必要がある場合は循環させ蓄熱させた。
蓄熱槽に蓄えられた熱は、各ヒートポンプの熱源としても利用される。また、環境水温よりも高い水温で蓄熱している場合は、貯湯槽へ供給することで給湯負荷の低減を図ることが可能である。また、水量は常に５ ｍ３を蓄えるように市水から給水する。貯湯槽同様、蓄熱槽内は完全混合されるとし温度成層はないものとした。
（４）ヒートポンプ（空調用・給湯用）（４０４Ｄ，４０５Ｅ）
空調用はより高いＣＯＰ（成績係数）で運転可能な熱源は限定されないが空気熱源、水熱源が実用上容易である。給湯用は水熱源とした。
図５に過熱度８ ℃、サブクール度５ ℃、圧縮機効率を６５％とした理論計算に基づくＣＯＰ特性を示す。本シミュレーションでは図５のＣＯＰ特性を用い、蒸発部、凝縮部それぞれの熱交換時に１０℃の温度差を考慮して計算した。
【００２１】
【実施例１】
減圧蒸発を利用した高効率低温集熱熱輸送パネルの熱輸送特性を検討する室内実験装置の概要を図６に示す。本実験装置は主に集熱板６０１Ａ、ヘッダー６０２Ｂ、凝縮器６０３Ｃ、冷却箱付きビユレット６０４Ｄ、給水槽６０５Ｅ、循環式恒温槽６０６Ｆ、微少流量ポンプ６０７Ｇから構成されている。ヘッダーと凝縮器とを繋ぐ配管は、距離を短くし、太くすることにより流動抵抗が小さくなるように配慮した。
ａ）集熱板６０１Ａ
集熱板はアルミニウム製の集熱プレート及びリン酸銅管製の通水管（φ９．５２ ｘｔ０．４）から構成されている。１枚の集熱板の面積は ０．１２ ｍ２ であり、熱源として、この集熱板にラバーヒーターを圧着して断熱材で覆っている。
ｂ）ヘッダー６０２Ｂ
ヘッダーはステンレス製で外形が三角柱のようになっている。内部は気液の分離循環経路となっている。集熱板での突沸現象による液体飛沫が凝縮部へ移動できないように邪魔板が取り付けられており、蒸気のみが凝縮器へ移動し凝縮する。凝縮した純水の質量により、樹発熱を用いて熱移動量を求めることが可能となる。
ｃ） 凝縮器６０３Ｃ
凝縮部は円筒の銅配管（φ１５０×ｔ ３）の中に１／４ ｉｎｃｈ管の銅管約７ ｍが螺旋状に封入されている。凝縮能力は、入力熱量１ ｋＷ／ｍ２の条件において蒸発部と凝縮部の温度差が１ °Ｃ以内となるのに十分な能力となるよう銅管長さを設計した。
作動原理は下記の通りである。
集熱板６０１Ａにヒーターの熱が加えられると、装置内が減圧されているため、作動流体は低温で蒸発し蒸気となりヘッダー６０２Ｂに移動する。また、集熱板銅管内では突沸現象が発生し液及び液に押し出された蒸気がヘッダーへと移動する。液はヘッダー下部から集熱板入口へと循環し、蒸気はヘッダー上部から凝縮器６０３Ｃへ移動し、循環式恒温槽６０６Ｆで温度制御された冷却水により凝縮される。凝縮液は再び集熱板入口へ移動し、液が循環される。このシステムでは装置内の非凝縮気体が排気されており、作動流体の蒸発温度を環境温度近くまで下げられる。作動流体は比較的低温の状態で循環するため、環境への熱損失を抑えることができる。また熱輸送に水の潜熱を利用しているので多量の熱量を輸送できる。
試験方法では、装置内に作動流体である水を封入し、冷却水を凝縮器および冷却箱付きビュレットの周りに流す。真空ポンプを用いて真空排気した後、各温度、圧力が安定するまで待つ。その後、ヒーターで定量の熱量を与えると同時に測定を開始する。測定を開始してから２時間後に冷却箱付きビュレットにて潜熱による熱移動量を測定し、突沸によりヘッダーから移動した液体量も測定する。
熱電対による測定対象および測定箇所は、集熱板における銅管表面を流れ方向に４０ ｍｍ毎２６点、集熱板への流入口直前１点、凝縮器の流出口１点、凝縮器への冷却液流入口および流出口各１点、集熱板表面４点、集熱部表面２点である。圧力計をヘッダー上部に取り付け、装置内圧力を測定している。蒸発温度は、水の国際状態方程式（Ａ． Ｐｒｕβ ａｎｄ Ｗ． Ｗａｇｎｅｒ．， Ｅｉｎｅ ｎｅｕｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｇｌｅｉｃｈｕｎｇ ｆｕｒ ｄａｓ ｆｌｕｉｄｅ Ｚｕｓｔａｎｄｓｇｅｂｉｅｔ ｖｏｎ Ｗａｓｓｅｒ ｆｕｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｎ ｖｏｎ ｄｅｒ Ｓｃｈｍｅｌｚｌｉｎｉｅ ｂｉｓ ｚｕ １２７３ Ｋ ｂｅｉ Ｄｒｕｃｋｅｎ ｂｉｓ ｚｕ １０００ ＭＰａ， Ｆｏｒｔｓｈｒ．−Ｂｅｒ． ＶＤＩ ６， Ｎｏ． ３２０ （ＶＤＩ， Ｄｕｓｓｅｌｄｏｒｆ， １９９５）； １９９９年日本機械学会蒸気表， （１９９９）．）を用いて装置内圧力から計算した。今回行った試験条件を表１に示す。
表１ 実験条件
ａ） 各測定について
実験で得られた結果で入力熱量４００ Ｗ／ｍ２、冷却水温度２０ °Ｃの条件で封入率５０％を図７から図９に、封入率７５％を図１０から図１２に示した。図７と図１０は集熱板中央に位置する銅管表面の最上端、最下端および流入口直前の温度、凝縮器出口温度、集熱器表面温度、環境温度と測定開始からの時間との関係を示したものであり、図８と図１０は集熱板最下端からの銅管表面温度と測定時間、図９と図１２は銅管表面５点の１６７分から１７７分までの温度分布を示したものである。図７と図１０より測定開始から約６０分後に各温度が安定し、定常状態では常に集熱板最上端温度よりも集熱板最下端温度の方が高い。また、封入率５０％と比較して７５％の方が集熱板最上端温度及び最下端温度が低く、温度変動の幅が小さく安定している。次に図８と図１１より銅管表面温度は、蒸気側より液側の温度が高い。図９と図１２では、封入率５０％、７５％ともに各測定温度がある一定の割合で上昇し、降下するという挙動が確認された。
これらの結果は、ヒーターの入力熱量により銅管内温度が上昇し、表面の微細なくぼみで発生した気泡が離脱し、急激にパイプの内径いっぱいに膨張し、上方の液層が膜のように薄くなったころで気泡は破裂する、という突沸現象が起因している。突沸により液体が押し上げられ蒸気側は液の薄膜ができ、同時に液が蒸発し潜熱が奪われるので、蒸気側温度が急激に降下し、液側に比べ温度が低いと思われる。また液側は水の存在により蒸気側に比べて温度上昇率が低いが、突沸により集熱板内の液がヘッダーへ移動し、環境温度付近の液が集熱板に循環し、液温度が降下していると思われる。さらに、５０％では約３分に１回突沸が発生し、液１８ｇが移動している。それに比べ７５％では１分間に４、５回発生しており１回の突沸で液４ｇが移動し、安定して突沸が発生しているので温度変動が小さいと考えられる。
また、図８と図１１で液側の温度分布は弧の形で中央部分が最も温度が高く封入率５０％より７５％の方が温度分布は安定しているが、液側の最高温度が高いことが分かる。これは、循環している作動流体の水が、集熱板最下端から流入されると、銅管内は一定の熱量が入力されているので、上部へ移動するほど銅管表面及び液の温度は上昇する。しかし蒸発面付近では、頻繁に沸騰が行われており、入力された熱が潜熱として蒸発に使われるので、蒸発面へ移動するほど銅管表面及び液が冷やされて温度が降下していると思われる。
冷却水温度２０ ℃では初期圧力は２．１ ｋＰａであり、実験開始後すぐに２．３ ｋＰａまで上昇し、測定中は２．３ ｋＰａで安定しており、凝縮器の凝縮能力が十分であることが確認された。
ｂ） 成績係数
以下に成績係数ηを求める式（３）を示す。
式（３）
Ｔｉｎ：集熱板流入口への直前温度 ［℃］
ＣＰ（Ｔ）：定圧比熱 ［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］ Ｑｉｎ：入力熱量 ［Ｗ］
Δｈ：蒸発温度における蒸発潜熱 ［ｋＪ／ｋｇ］（５）
式（３）を用いて図１３に封入率５０％での冷却水温度の違いによる成績係数の比較を示し、図１４に冷却水温度２０ ℃での封入率の違いによる成績係数の比較を示した。冷却水温度が２５ ℃と比較して２０ ℃の方が各入力熱量において成績係数が高いことが分かる。これは冷却水温度が２５ ℃の条件では、環境温度が２５ ℃のためヘッダー内でも凝縮が行われていて、凝縮器に移動する蒸気量が少ないことが考えられる。冷却水温度が２０ ℃の場合には、冷却水が環境温度よりも低温であることから、環境からも熱を吸収して全体的に高効率であることが分かる。多くの場合で成績係数は１を超えている。また、突沸により蒸気側の銅管表面は液の薄膜が存在しているため、蒸発面からだけではなく、蒸気側銅管内表面からも蒸発が行われていることが考えられる。また、突沸でヘッダー内に残った液が蒸発し、ヘッダー下方の液溜まりでも蒸発が行われていることが考えられる。さらに、突沸により蒸気がヘッダーを通して凝縮器へ押し出されるため、蒸気速度が速くなることも考えられる。
封入率の違いによる成績係数の違いは見られなかったが、５０％に比べて７５％のほうが安定していることが明らかになった。
以上の結果から、下記の結論が得られた。
（１）減圧蒸発を用いたソーラーパネルに関して冷却水温度２０ ℃の条件で９０％以上の効率が得られた。
（２）封入率の違いにより突沸の発生率が異なり、それにより集熱板の温度分布が決定される。
【００２２】
【実施例２】
太陽熱利用多重効用減圧蒸留器では、密閉した蒸留器に原水を入れ、その飽和蒸気圧力まで真空排気すると、この原水はわずかな熱入力でも沸騰・蒸発し、より低温・低圧の凝縮部へと移動する。減圧式蒸留器は、あらかじめ系内部を減圧することで、環境温度付近での蒸留が可能となるため、顕熱損失が小さい。さらに、蒸気が凝縮する際に生じる潜熱を再利用する多重効用型へと応用することができる。
なお、蒸留性能の評価には、蒸留の効率を示す蒸留成績係数（ＣＯＰＤ）および水の導電率（ＥＣ）を用いている。ＣＯＰＤの定義式（４）は下記のとおりである。
式（４）
ΣＭｏｕｔ ［ｋｇ・ｍ−２・ｄａｙ−１］ ： 蒸留収量
ΣＱｉｎ ［ｋＪ・ｍ−２・ｄａｙ−１］ ： 傾斜面全天日射量
操作方法を以下に示す。
（１）集熱部・蒸発部・原水槽へ原水を注入。
（２）密閉して原水の飽和蒸気圧力まで真空排気。
（３）日の出とともに各部の温度・圧力を測定。
（４）適宜、蒸留器内部を真空排気。
（５）運転終了後、蒸留器を大気開放して、蒸留水の収量と電気伝導率を測定。
減圧式蒸留器は、単段でも太陽熱を効率よく利用して蒸留することができる。
集熱板における輻射などの回収困難な損失や、装置自体の費用対効果を考えるうえで、収量増加のための多重効用化を図り、新たに小型２段式蒸留器を開発した。
主な設計は、
（１）蒸発部・凝縮部・冷却部を一体化し、部品点数と熱損失の削減をした。
（２）蒸気の流動抵抗を減らすため、蒸発部と凝縮部との間の距離を短くし、原水の飛沫同伴対策にはデミスタではなく返し板を用いた。
（３）熱交換器として、安価な鉛直平板を採用した。
（４）部材を限界まで薄くして軽量化を図った。
とりわけ、設計において重要となるのは熱交換器の伝熱性能である。
２段式蒸留器の概略を図１５に示す。本システムは集熱板１５０１Ａ、蒸発部１５０２Ｂ、凝縮部１５０３Ｃ、蒸留水槽１５０４Ｄ、原水槽１５０５Ｅ、真空ポンプ１５０６Ｆ、冷却水循環ポンプ１５０７Ｇ、日射計１５０８Ｈ、圧力計１５０９Ｊ、熱電対１５１０Ｋ、データロガー１５１１Ｌで構成される。系の最終冷却部である原水槽では、循環ポンプを用いて冷却水を最終冷却部の上部へ放水し、伝熱を促進させた。また、冷却部の水を循環させることで、冷却部温度成層を少なくしている。原水の飛沫が凝縮部へ入ることを防ぐため、蒸気流路に返し板を設置している。
系内部を減圧するための真空ポンプには、油回転式真空ポンプ（２００ Ｗ， 到達圧力６．７×１０−２ Ｐａ）とダイアフラム式真空ポンプ（１５０ Ｗ， 到達圧力１ ｋＰａ）の２種類を用いた。原水の初期水温が低い冬季には、より低圧まで排気できる前者が有利であるが、オイルフィルトレーション装置の追設、定期的なポンプオイルの交換が必要で、後者のほうが保守は容易である．
各部の容量は、１段目原水１８ Ｌ蒸気３０ Ｌ、２段目原水４７ Ｌ蒸気４２ Ｌで、約２０分で真空排気できる。
本装置を用いた実機試験を、２００１年１１月￣２００２年１月、ならびに２００２年７月に行った。１６に、２００２年７月１２日の運転における日射量および各部の温度の変化を示す。日射の増加に伴い、各段が２￣３ °Ｃの温度差を確保したまま蒸留が行われている。これは、飽和状態における水の温度差が、そのまま圧力差として作用し、蒸気がより低温・低圧である凝縮部へ絶えず移動していることを意味する。しかし、午後になると日射が減り始め、原水槽の温度が上昇して温度差は解消してしまう。
すべての実機試験結果をＵｄａらの２段式蒸留器［３］とともにプロットしたのが図１７である。本装置の蒸留性能は、Ｕｄａらの水平円管群を用いた蒸留器に対し、同等もしくは若干劣る程度の蒸留性能であった。
ダイアフラム式真空ポンプを用いた場合に蒸留性能が低いのは、原水を飽和状態まで減圧することができず、蒸発温度が上がって熱損失を生じるからである。
【００２３】
【実施例３】
小型２段式蒸留器およびガラス製屋内実験装置の実験結果を踏まえ、低コストでより高性能な蒸留システムを開発するため、以下の目標を設定し、多重効用型減圧蒸留器の設計・製作を行った。
（１）蒸留器本体の構造をさらに簡素化し、大型３段式蒸留器（Ｎｉｓｈｉｋａｗａら， １９９７）に近い蒸留性能１０ ｋｇ・ｍ−２・ｄａｙ−１を経済的に達成する。
（２）大量生産に適し、ニーズに合わせた規模の製作が容易なデザインとする。
（３）ガラス製の屋内実験装置で確認された知見を活かし、凝縮能力を大きくとり、さらにそれを最大限に引き出す構造を検討する。
（４）真空に近い条件での使用となるため、軽量かつ負圧に強い構造にする。
多重効用減圧蒸留器の構造を図１８に示す。蒸留器本体の構造は図２に示したとおりである。
多重効用型減圧蒸留器としての基本的な原理や周辺機器については、従来の蒸留システムをほぼ踏襲した。一方で蒸留器本体は直方体で、屏風状の伝熱板で上部が蒸発部、下部が凝縮部に仕切られている一体型の構造に改良した。
この伝熱板は、傾斜平板熱交換器であり、段ボールと同じ構造で、蒸留器に加わる負圧に対する補強材でもある。傾斜平板の有効伝熱面積は２．９ ｍ２と在来機（小型２段式蒸留器、本研究）の２倍以上の伝熱性能を有し、なおかつ２段式蒸留器で問題となっていた運転時の負圧による変形をほぼ完全に抑えることができた。
また、集熱部・蒸発部の液面を在来機より大幅に増やし、蒸発促進を図るようにしている。
本装置は、最終冷却部に冷却塔を用いているが、実用段階では河川などの流水を用いても運転可能となる。
効用段数は２，３，・・・と多段にすることができ、実用に際しては初期投資と効率のバランスから、最終的な効用段数を決定することになる。また、第１段の凝縮器と集熱板底部を直結することで、比較的腐食しやすい集熱部に原水が入ることを避けることができ、海水などの淡水化においては、ループ式へ容易に変更可能である。
以上の結果から、安価かつ性能の優れた多重効用型減圧蒸留器が可能であることが明らかになった。
【００２４】
【実施例４】
本発明を住宅に応用した場合のシミュレーションを示す。用いた暖冷房・給湯システムの仕様一覧を表２に示す。４人家族の住む戸建住宅を対象とし、エネルギー需要モデルを作成した。設定の詳細を表３および表４に示す。需要作成およびシミュレーション計算の際に使用した環境情報を表４に示す。時季は東京における最寒期の ２０００ 年 ２ 月を対象に１ヶ月間の計算を行った。
なお、日射量や気温などは実測値（ 気象庁年報２０００年）および理論計算式から推算した。地中温度は２０００年の年間平均気温１６．９℃を用いた。
エネルギー需要モデル作成の結果から２月１日における時刻別負荷パターンを図１９に示す。
ここではエネルギー需要モデルの対象住宅を便宜的に一室と考え、エネルギー供給シミュレーションを行った。
１時間毎に与えられるエネルギー需要に対して、システム概要で述べた制御に基づき、１分間毎のシステムシミュレーションを行った。その計算結果を１時間毎に整理した。なお、各要素機器間の配管における熱損失は簡略式を用いて計算している。また、ポンプ動力は軸動力から、ファン動力は風量ごとの消費電力から概算している。
計算の初期条件はソーラーパネルの温度を環境水温とし、貯湯槽に関しては６０℃の湯が２００ Ｌ、蓄熱槽に関しては３０℃の湯が５ ｍ３あるものとした。
以下にシミュレーション結果を示す。システム評価のベースラインとして、本シミュレーションと同じエアコンと熱効率９０％のガス給湯器を想定した。また、電力消費量の一次エネルギー換算は商用電力の利用端発電効率を４０％として一次エネルギー消費量を算出した。
図２０に暖房需要とエアコンによる熱供給量を示す。両者の差が外気を用いたソーラーパネルの凝縮潜熱回収および屋根―ソーラーパネル間の空気層の熱回収による暖房効果であり、太陽エネルギー寄与分に相当する。
日射量の少ない時には太陽エネルギー寄与分は少なく、エアコンによる暖房供給が主となる。しかしながら、太陽エネルギーによって最大で暖房需要の３５％、月平均で２３％の供給ができた。
また、エアコンの熱源として蓄熱槽（ＨＳＴ ： Ｈｅａｔ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔａｎｋ）か大気かを選択できるようにしたが、結果的にはほとんどの場合蓄熱槽に依存した。外気温度よりも１５￣３０℃高い熱源を確保できたことで、エアコンのＣＯＰが最大で１０を超える高効率運転となった。この結果、電力消費量を最大で７８％、月平均で７０％削減できた。
図２１に給湯需要と給湯用ヒートポンプによる熱供給量を示す。図２１の折れ線が示すように蓄熱槽温度が環境水温より平均的に２０℃も高い。このように環境水温よりも高い温度で給水が行われたため、実質の給湯供給熱量が３０￣５０％も削減していることがわかる（図中の需要と供給量の差）。
また、暖房と同様に蓄熱槽をヒートポンプの熱源としているため、ヒートポンプのＣＯＰも３．０以上、最大で４．２といった高効率運転となった。
この結果、一次エネルギー消費量も最大で８１％、月平均で７１％削減できた。
システム評価
本システムを構成する際に、２つのファンと３つのポンプの動力を考慮した。その１ヶ月間の一次エネルギー消費量を算出し、従来システムと本システムとの比較を図２２に示してシステムの評価を行った。この結果、従来システムと比較して最大で７９％、月平均で７０％の削減ができた。
本システム導入による効果を、一次エネルギー消費量、二酸化炭素排出量、運用コストで評価した結果を表５に示した。その際に用いた二酸化炭素排出原単位は、電力に関しては全電源ベースの値０．１０６ ｋｇ−Ｃ／ｋＷｈ、ガスに関しては０．０１３９ ｋｇ−Ｃ／ＭＪを用いた。また、電力を１５．５８円／ｋＷｈ、ガスを２．８円／ＭＪで換算し、運用コストを算出した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明により、自然エネルギーである太陽エネルギーを効率的に利用できる高効率低温集熱ソーラーパネルを開発し、これを用いた多重効用型減圧蒸留器のシステムを確立して飲料用や農業用の水資源の汚染や不足している地域に安全な水を安定供給できるとともに住宅における暖房・給湯システムを確立し並びに同様の原理の低温集熱熱輸送パネルを用いて、夏季の太陽熱や西日等の不快な熱負荷を取り除くなど冷房負荷削減に貢献してエネルギー資源の枯渇および地球温暖化の防止に貢献することができる。
さらに、コンピューター等の小型化で最大の課題となっている冷却デバイスとしても、エネルギー消費のないシステムとすることが可能であり、これからの情報社会構築にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】：減圧蒸発を利用した高効率熱輸送システムの機構
【図２】：凝縮器の構造
【図３】：太陽熱利用多重効用型減圧蒸留器の原理（Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ）
【図４】：高効率低温集熱ソーラーパネルを用いた複合的暖冷房・給湯システム（ Ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ）
【図５】：ヒートポンプの理論特性（ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ＣＯＰ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ）
【図６】：減圧蒸発を利用した高効率低温熱輸送パネルの熱輸送試験装置（Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ａｐｐａｒａｔｕｓ）
【図７】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ （ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図８】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図９】：図６の装置の封入率５０％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図１０】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ （ｈｅａ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１１】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ（ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２，ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１２】：図６の装置の封入率７５％時の各部の測定温度図（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ （ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ４００ Ｗ／ｍ２， ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ７５％））
【図１３】：封入率５０％・冷却水温度差異における成績係数比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ５０％））
【図１４】：冷却水２０℃の場合の封入率の違いによる成績係数比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ （ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ２０゜Ｃ））
【図１５】：２段式蒸留器の概略構成（ Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｔｉｌｌ）
【図１６】：試験日の日射量及び機器の温度計測図（ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ ｉｎ Ｊｕｌｙ １９，２００２）
【図１７】：２段式蒸留器の蒸留成績図（ Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｔｉｌｌｓ）
【図１８】：多重効用型減圧蒸留器の概略構成（Ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ｅｆｆｅｃｔ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ）
【図１９】：２０００年２月１日における住宅の１日のエネルギー付加パターン（Ｄｅｍａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎ （ ｏｎ １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０００））
【図２０】：暖房需要をエアコンによる熱供給量（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｕｐｐｌｙ）
【図２１】：給湯需要とヒートポンプによる熱供給量（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒｈｏｔｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）
【図２２】：本システムと従来システムの一次エネルギー比較（ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）
【表１】：図６の装置の試験条件（ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
【表２】：図４のシステムの仕様表（ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ）
【表３】：住宅設定条件表（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ）
【表４】：居住者設定条件表（Ｍｅｍｂｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
【表５】：環境設定条件表（Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
【表６】：本システムによる経済効果（Ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ）
【符号の説明】
１０１Ａ：集熱板、１０５Ｈ真空ポンプ、１０２Ｂ：ヘッダー、１０３Ｃ：凝縮器１０３Ｃ、１０４Ｄ：循環式恒温槽
４０１Ａ：ソーラーパネル、４０２Ｂ：貯湯槽、４０３Ｃ：蓄熱槽、４０４Ｄ：給湯用ヒートポンプ、４０５Ｅ空調用ヒートポンプ
６０１Ａ：集熱板、６０２Ｂ：ヘッダー、６０３Ｃ凝縮器、６０４Ｄ：冷却箱付きビユレット、６０５Ｅ：給水槽、６０６Ｆ：循環式恒温槽、６０７Ｇ：微少流量ポンプ
１５０１Ａ：集熱板，１５０２Ｂ：蒸発部，１５０３Ｃ：凝縮部，１５０４Ｄ：蒸留水槽，１５０５Ｅ：原水槽，１５０６Ｆ：真空ポンプ，１５０７Ｇ：冷却水循環ポンプ，１５０８Ｈ：日射計，１５０９Ｊ：圧力計，１５１０Ｋ：熱電対，１５１１Ｌ：データロガー
Claims (8)
- 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えたことを特徴とする低温集熱熱輸送システム。
- 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムと多重効用型減圧蒸留器を用いたことを特徴とする太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
- 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送システムを用いたことを特徴とする複合的暖房・給湯システム。
- 多重効用型減圧蒸留器の熱交換器の伝熱板としてハニカム型構造した傾斜平板熱交換器を用いることを特徴とする請求項２記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
- 多重効用型減圧蒸留器が集熱板、蒸発部、凝縮部、蒸留水槽、原水槽、真空ポンプからなることを特徴とする請求項２記載の太陽熱利用多重効用型減圧蒸留システム。
- 請求項１記載の低温集熱熱輸送システム、貯湯槽、蓄熱槽、給湯用ヒートポンプ、空調用ヒートポンプとからなることを特徴とする請求項３記載の複合的暖房・給湯システム。
- 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする電子機器用冷却デバイス。
- 熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えた低温集熱熱輸送パネルを用いたことを特徴とする太陽熱等負荷削減システム。
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