JP2005195187A - ソーラーヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを両立させた、エネルギー利用効率の高いソーラーヒートポンプシステムを実現する。
【解決手段】圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁を有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクルと、太陽電池１、太陽電池１が太陽光７から受けた熱を収熱して伝導する太陽電池１の裏面側に配置された太陽熱伝導部３、冷媒が流通する配管５の所定の一部を太陽熱伝導部３の熱によって集中的に加熱するスーパーヒート部４、を有するハイブリッドパネルと、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ手段を用いた太陽光利用のソーラーヒートポンプシステムに関するものである。例えば、二酸化炭素を冷媒とするソーラーヒートポンプシステムに関するものである。

従来、太陽光を利用する冷暖房給湯機では、太陽光熱集熱器（以下、ハイブリッドパネルと記載）の表面に太陽電池を配設し、このハイブリッドパネルによって集めた熱を、水または不凍液等の作動流体を用いて搬送する顕熱による熱搬送の形態を採っており、さらには搬送した熱を一旦蓄熱（貯湯）槽に蓄熱し、給湯または暖房の熱源として利用するといった構成となっている。

しかし、このような構成の冷暖房給湯機においては、蓄熱（貯湯）槽の温度状態によってハイブリッドパネルの温度が上昇し、これによって太陽電池自身の温度も上昇するため、発電効率が低下するといった課題が存在していた。この課題を解決するために、ヒートポンプで用いられているフロン冷媒等の作動流体を、ハイブリッドパネル部に循環させ、太陽電池の温度を低く保つような提案が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載された従来のソーラーヒートポンプシステムを示すものである。図８において、ソーラーヒートポンプ給湯回路を用いた給湯運転及びソーラーヒートポンプ暖房回路を用いた暖房運転時には、ハイブリッドパネル１１０が吸熱の役割をする熱交換器として働くために、冷媒温度が第一電子膨張弁１１８の作動によって大気温度以下に設定される。そのため、ハイブリッドパネル１１０における太陽電池１０１の配設部以外の部分より取り込まれる太陽熱、太陽電池１０１からの排熱、熱交換部におけるフィン１２４を介して得られる大気熱を集熱することができ、得られた熱量を再び大気に放熱することなく全て暖房あるいは給湯のための熱として利用することでシステムの効率を高くすることができる。さらに、太陽電池１０１は、低温の冷媒によって冷却されるために太陽電池１０１自身の発電効率も高めることができるといった特徴を有している。

しかし、この特許文献１のヒートポンプシステムにおいては、太陽光熱の集熱は給湯又は暖房用途に限定されており、例えば夏季の冷房運転時においては太陽電池の温度も上昇し、発電効率が低下するといった課題が存在した。さらには、暖房運転時においても暖房負荷と太陽熱集熱量の量的不整合によって太陽電池の温度が上昇し、発電効率が低下する、あるいは太陽光熱を有効利用できないといった課題を有していた。この課題を解決するために、用途や負荷に応じて、ヒートポンプシステムの中で吸熱及び放熱の役割を担う複数の熱交換器を組み合わせたり、切り替えながら運転をおこなっていくといった提案もなされている（例えば、特許文献２参照）。

図９は、特許文献２に記載された従来のソーラーヒートポンプシステムを示すものである。図９において、バルブ２３５、２３６、第一膨張弁２３７、第二膨張弁２３２の開閉を各々制御することで、太陽光熱のみ、空気（大気）熱のみ、あるいは太陽光熱と空気熱の両方を熱源とするモードで運転することができる。また、暖房運転時または蓄熱槽への蓄熱時に、ハイブリッドパネル２３１のみ、室外熱交換器２１３のみ、あるいはハイブリッドパネル２３１と室外熱交換器２１３の両方を蒸発器として切り替えながら運転することができる。この結果、例えば暖房運転時においてハイブリッドパネル２３１での蒸発熱量が室内熱交換器２１２で要求される凝縮熱量と比較して不足した場合でも空気熱を有効利用することができる。

また、冷房運転時にハイブリッドパネル２３１と室内熱交換器２１２を蒸発器として機能させると共に、室外熱交換器２１３のみ、あるいは室外熱交換器２１３と冷媒水熱交換器２１６の両方を凝縮器として切り替えながら機能させることが可能となる。このため、太陽光熱による余剰熱を貯湯槽２２２に蓄えて太陽光熱を有効に利用すると共に、太陽電池の温度上昇を抑制することにより発電性能の低下を防ぐことができる。

さらに、ヒートポンプ装置の冷媒として従来用いられてきたハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）冷媒やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒がオゾン層破壊あるいは地球温暖化といった悪影響を及ぼすために、これらの代替として自然界に存在する炭化水素や二酸化炭素などの自然冷媒の使用が提案されている。
特開平５−６６０６５号公報 特開２０００−１７１１０５号公報

しかしながら、二酸化炭素を冷媒として用いるソーラーヒートポンプシステムにおいては、太陽電池と熱交換機能の役割を果たす冷媒配管から構成されるハイブリッドパネル出口側における冷媒の過熱度が変動し、気液２相状態で圧縮機に送られた場合には、作動圧力が高く液密度も大きいために、従来のＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒使用時と比較して圧縮機の耐久性に与える悪影響は甚大なものとなってしまう。

さらに、ハイブリッドパネルにおいて、置かれている温度が異なる太陽電池を並列に接続すると最大電力が大きく内部インピーダンスが小さいパネルに近い発電電圧となってしまい、最大電力が小さい太陽電池からは最大電力よりも小さな電力しか得ることができず、システム全体としての発電効率は低下してしまうといった課題が存在した。

また、従来の構成においては、冷房運転時において、ハイブリッドパネルと室内熱交換器との両方を蒸発器として並列に、暖房運転及び／または給湯運転時においてハイブリッドパネルでの蒸発熱量が過剰に得られる場合には、ハイブリッドパネルのみを蒸発器として機能させているが、日射量や外気温度が変化するために、常には圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを両立することができない、といった課題が存在した。

本発明は上記課題を解決するもので、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを両立できる、ソーラーヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁を有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクルと、
太陽電池、前記太陽電池が太陽光から受けた熱を収熱して伝導する前記太陽電池の裏面側に配置された太陽熱伝導部、前記冷媒が流通する配管の所定の一部を前記太陽熱伝導部の熱によって集中的に加熱するスーパーヒート部、を有するハイブリッドパネルと、を備えたソーラーヒートポンプシステムである。

第２の本発明は、
前記所定の一部の上流側の配管は、熱的に伝熱しないように前記太陽熱伝導部と離れて配置されている、第１の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第３の本発明は、
さらに、前記ハイブリッドパネルは、前記所定の一部の上流側の前記配管の一部と前記太陽熱伝導部との間に、断熱層を有する、第１の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第４の本発明の、
前記太陽熱伝導部は、前記太陽電池の裏面側に設けられた熱伝導板であり、
前記スーパーヒート部は、前記熱伝導板の、前記配管の所定の一部に接する部分である、第１の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第５の本発明は、
前記熱伝導板の材質は、セラミックス、銅、カーボンのいずれかである、第４の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第６の本発明は、
前記太陽熱伝導部は、前記太陽電池の裏面側に設けられたヒートパイプであり、
前記スーパーヒート部は、前記ヒートパイプの、前記配管の所定の一部に接する部分である、第１の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第７の本発明は、
前記所定の一部の上流側の配管の一部は、前記太陽熱伝導部と熱交換されるようになっており、
前記冷媒は、前記所定の一部の入口部では必ず液相状態が残され、その後に、前記所定の一部において完全に気相状態にされる、第１の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

第８の本発明は、
前記所定の一部の上流側の前記配管の一部は、前記太陽熱伝導部と近接して配置されている、第７の本発明のソーラーヒートポンプシステムである。

本発明により、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを両立できる、ソーラーヒートポンプシステムを提供することができる。

以下、本発明のソーラーヒートポンプシステムの実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示す断面図である。

はじめに、本実施の形態１のハイブリッドパネルの構成について図１を用いて説明する。１は太陽電池、２は複数の太陽電池１を収蔵しユニット化した太陽電池のセルケース、３は熱伝導板である。そして、６はガラス、７は太陽光である。熱伝導板３は、太陽電池１や太陽電池のセルケース２が太陽光７によって受けた熱を吸収すると共に、熱伝導性に優れた材質でできている。なお、熱伝導板３は、本発明の太陽熱伝導部の一例である。

そして、図１に示すように、熱伝導板３の一部が、太陽電池１から離れた位置で、内部を冷媒が流通するヒートポンプサイクルの冷媒配管５と接している。この熱伝導板３の一部と冷媒配管５が接している部分がスーパーヒート部４で、この部分で、冷媒配管５の内部を流通する冷媒を加熱する。冷媒配管５は、スーパーヒート部４と接する部分以外では、ハイブリッドパネル部分の温度の影響を受けないよう、ハイブリッドパネルから離れた位置に配置されている。

なお、図１において、本実施の形態１のソーラーヒートポンプシステムとは直接関係しない、太陽電池１で発生した電気の取り出しに必要な構成要素については記載を省略している。

次に、本実施の形態１のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネル部分の動作について説明する。

スーパーヒート部４に達する直前の冷媒配管５内の冷媒状態は、膨張弁から出て気体及び液体からなる２相流になっている。

一方、太陽光７が照射されたハイブリッドパネルは、時間と共に太陽電池が置かれていない部分の太陽光熱、太陽光発電時のロスによる発熱などによってハイブリッドパネル自身の温度が上昇してくる。ここで、これらの熱を全て熱伝導板３に集熱することで、熱伝導板３を介して熱がハイブリッドパネル全体に拡がり、均温化がなされることになる。

ここで、図１に示すように、熱伝導板３は、スーパーヒート部４の部分を除いて冷媒配管５とは離れて配置されているため、冷媒配管５内を流通する冷媒の温度の影響を受けることがない。したがって、熱伝導板３によるハイブリッドパネル全体の均温化が容易になされることになる。

そして、スーパーヒート部４の部分で、熱伝導板３は冷媒配管５と接しているため、スーパーヒート部４で、熱伝導板３から冷媒配管５内を流通する冷媒への熱移動が起こる。そして、冷媒配管５内を流通する冷媒は、熱を与えられることによって液化していた冷媒が全て気化され、熱を伝えた熱伝導板３の温度は低下する。なお、冷媒配管５内を流通する冷媒が、スーパーヒート部４において液体状態で残らず全て気化されるように、冷媒配管５内の冷媒の流量を調整する。

したがって、ハイブリッドパネル全体は、冷媒によって温度が低下された熱伝導板３により、低温での均温化がなされることになる。

このように、本実施の形態１のソーラーヒートポンプシステムによって、冷媒の気液２相流の状態は熱伝導板３がスーパーヒート部４で全て気化することで解消され、さらに熱伝導板３が配設されていることでハイブリッドパネル全体の均温化を行うことができる。

ここで、熱伝導板３の素材としては、窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックス、カーボンシート、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、シリカなどの酸化物、銅、ニッケル、クロム、マグネシウムなどの金属及びそれらの合金などが挙げられる。

なお、本実施の形態１では、太陽熱伝導部として熱伝導板３を用いたが、熱伝導板３の代わりにヒートパイプを用いる構成としてもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示す断面図である。

はじめに、本実施の形態２におけるソーラーヒートポンプシステムで用いるハイブリッドパネルの構成について図２を参照しながら説明を行う。なお、図１のハイブリッドパネルと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

１は太陽電池、２は複数の太陽電池１を収蔵しユニット化した太陽電池のセルケース、５３は熱伝導板、５４はハイブリッドパネルの裏面に配設されている冷媒配管に熱伝導板５３を通して熱を搬送し、冷媒を全て気化させるスーパーヒート部、５５は冷媒配管、６はガラス、７は太陽光である。図２の、熱伝導板５３と冷媒配管５５の間の部分は、太陽電池のセルケース２の一部である。ここで、熱伝導板５３は、太陽電池１や太陽電池のセルケース２が太陽光７によって受けた熱を吸収すると共に、熱伝導性に優れた材質でできている。

なお、図２において、本実施の形態２にのソーラーヒートポンプシステムとは直接関係しない、太陽電池１で発生した電気の取り出しに必要な構成要素については記載を省略している。

また、図２はハイブリッドパネルに配設された冷媒配管５５内を流れる冷媒流れに対して垂直方向からの断面であり、冷媒配管５５内の冷媒の流路はフィン状態になった流路であっても配管状になった流路であっても構わない。

次に、本実施の形態２のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネル部分の動作について説明する。

冷媒配管５５が、ハイブリッドパネルの裏面側に配設されている部分に流入してくる直前の部分における冷媒の状態は、膨張弁から出て気体及び液体からなる２相流になっており、この状態にてハイブリッドパネルの裏面側に入ってくる。

一方、太陽光７が照射されたハイブリッドパネルは、時間と共に太陽電池１が置かれていない部分の太陽光熱、太陽光発電時のロスによる発熱などによってハイブリッドパネル自身の温度が上昇してくる。ここで、これらの熱を全て熱伝導板５３に集熱することで、熱伝導板５３を介して熱がハイブリッドパネル全体に拡がり、均温化がなされることになる。

さらに、熱伝導板５３の一部であるスーパーヒート部５４が冷媒が流れる冷媒配管５５と接続しているため、スーパーヒート部５４を通じて熱伝導板５３から冷媒へと熱移動が起こり、冷媒は熱を与えられることによって液化していた冷媒が全て気化され、熱を伝えた熱伝導板５３の温度は低下することとなる。

このように、本実施の形態２のソーラーヒートポンプシステムによって、冷媒の気液２相流の状態は、熱伝導板５３が冷媒配管５５と接続される部分（スーパーヒート部５４）で全て気化することで解消され、さらに熱伝導板５３があることでハイブリッドパネル全体の均温化を行うことができる。

なお、冷媒配管５５内の冷媒の状態が、スーパーヒート部５４に達する際には液体状態が残り、スーパーヒート部５４で過熱されて完全に気化されるように冷媒流量を調整することで、ハイブリッドパネル全体の均温化と圧縮機への液冷媒流入の防止を両立させることができる。

ここで、熱伝導板５３の素材としては、窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックス、カーボンシート、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、シリカなどの酸化物、銅、ニッケル、クロム、マグネシウムなどの金属及びそれらの合金などが挙げられる。

また、熱伝導板５３の厚みや形状などは特に限定されるものではないが、ハイブリッドパネルにおいて発生する熱量を集熱しやすく、ハイブリッドパネルの裏面に配設されている冷媒配管５５とできる限り圧縮機側で接触していることが好ましい。

次に、本実施の形態２のソーラーヒートポンプシステムの動作内容について、従来例でもある図９を用いて説明を行う。

図９中、２１２は室内熱交換器、２１３は室外熱交換器、２１４は圧縮機、２１６は冷媒水熱交換器、２２２は貯湯槽、２３１はハイブリッドパネル、２３２は第二膨張弁、２３３は四方弁、２３４は三方切り替え弁、２３５、２３６はバルブ、２３７は第一膨張弁である。

太陽熱給湯モード、太陽熱・空気熱併用給湯モード、太陽熱暖房モード、太陽熱・空気熱併用暖房モードの各モードが、太陽熱を利用した際の運転モードである。以下に、これらの各モードにおける冷媒の動きを中心に動作内容について記述する。

（１）太陽熱給湯モード
圧縮機２１４、四方弁２３３（パスは２３３ａ）、三方切り替え弁２３４、冷媒水熱交換器２１６、バルブ２３６、第一膨張弁２３７、ハイブリッドパネル２３１、四方弁２３３（パスは２３３ｂ）を介して圧縮機２１４に戻る回路を構成することによって、太陽熱を用いた給湯システムが可能となる。

このモードの場合には、ハイブリッドパネル２３１を蒸発器、冷媒水熱交換器２１６を凝縮器として用い、ハイブリッドパネル２３１で集めた熱量を用いて湯をわかすエネルギーとしている。また、このモードの時はバルブ２３５は閉じられている。

（２）太陽熱・空気熱併用給湯モード
このモードは、熱源として太陽光熱と空気熱（大気熱）を併用するものであり、圧縮機２１４、四方弁２３３、三方切り替え弁２３４、冷媒水熱交換器２１６を接続し、一方のバルブ２３５、第二膨張弁２３２、室外熱交換器２１３の経路と、他方のバルブ２３６、第一膨張弁２３７、ハイブリッドパネル２３１の経路を並列に接続し、四方弁２３３を介して圧縮機２１４に戻る回路を構成している。そしてこのモードでは、第二膨張弁２３２によって室外熱交換器２１３の過熱制御を行うと共に、第一膨張弁２３７によってハイブリッドパネル２３１の過熱制御を行い、それぞれの出口圧力、温度が等しくなるように制御している。この時、ハイブリッドパネル２３１と室外熱交換器２１３は蒸発器として機能し、冷媒水熱交換器２１６は凝縮器として機能している。

（３）太陽熱暖房モード
圧縮機２１４、四方弁２３３、三方切り替え弁２３４、室内熱交換器２１２、バルブ２３６、第一膨張弁２３７、ハイブリッドパネル２３１、四方弁２３３を介して圧縮機２１４に戻る回路を構成して、太陽光熱による室内の暖房を行うモードとなる。このモードにおいては、ハイブリッドパネル２３１は蒸発器として機能し、室内熱交換器２１２は凝縮器として機能している。また、本モードの時には、バルブ２３５は閉じられている。

（４）太陽熱・空気熱併用暖房モード
太陽光熱及び空気熱（大気熱）を併用して、室内暖房用のエネルギーを得るモードである。

本モードにおいては、圧縮機２１４、四方弁２３３、三方切り替え弁２３４、室内熱交換器２１２を接続し、一方のバルブ２３５、第二膨張弁２３２、室外熱交換器２１３の経路と、他方のバルブ２３６、第一膨張弁２３７、ハイブリッドパネル２３１の経路を並列に接続し、四方弁３３を介して圧縮機２１４に戻る回路を構成する。さらにこのモードにおいては、第二膨張弁３２によって室外熱交換器２１３の過熱制御を行うと共に、第一膨張弁２３７によってハイブリッドパネル２３１の過熱制御を行い、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。この時、ハイブリッドパネル２３１と室外熱交換器２１３は蒸発器として機能し、室内熱交換器２１２は凝縮器として機能している。

ここで、本実施の形態２のソーラーヒートポンプシステムにおける太陽光利用ヒートポンプの動作内容については、従来のシステムとの変更点が無いため、上記に示したような従来と同じ冷媒の流れ方及び制御の仕方を用いるものとする。本実施の形態以外の他の実施の形態についても同様である。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示す断面図である。

図２に示した実施の形態２のハイブリッドパネルとは、熱伝導板５３と冷媒配管５５との間に断熱層８が配置されている点のみが異なり、その他は、実施の形態２のハイブリッドパネルと同じ構成である。実施の形態２のハイブリッドパネルと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

断熱層８の材料及び方法としては、グラスウール、微粉末シリカ、シリカ繊維、シリカアルミナ繊維等の無機材料やシクロペンタン、硬質ポリウレタン等の有機材料、あるいは内部を中空にした真空断熱といった方法が挙げられ、特に限定されるものではない。

本実施の形態３においては、スーパーヒート部５４以外の熱伝導板５３の部分と、スーパーヒート部５４より上流側の冷媒配管５５の部分との間に断熱層８が設けられているために、熱伝導板５３から直下の冷媒配管５５への熱伝導が抑制され、効率よくスーパーヒート部５４に集熱することができる。

このように、スーパーヒート部５４の単位時間あたりの集熱量が増すことで、ハイブリッドパネルがおかれている外気温や冷媒配管５５中を流れる冷媒の流量といった観点より、さらに広い操作範囲において冷媒配管５５中を流れる冷媒のスーパーヒート部５４における完全気化が行える。さらには、熱の移動が断熱層８によって抑制されていることで、熱伝導板５３の中での熱の移動が優先し、ハイブリッドパネルの均温化を速やかに行うことができる。

断熱層８を設けたことにより、太陽熱の搬送に対してロスが少なくスーパーヒート部５４に集熱することが可能となり、かつハイブリッドパネルの裏側を流れる冷媒に対して加熱する部分が限定されることで、気液混合状態から気相状態への変換を効率的に行うことが可能となる。

また、熱伝導板５３としては、直下に位置する冷媒配管５５方向への熱伝達速度よりもスーパーヒート部５４への熱伝達速度が速いことが条件であり、素材の熱伝導度に異方性があるもの、もしくは大きな値であれば特に限定されるものではないが、特にセラミックス、アルミナ、銅板、カーボンシートより選ばれる１形態のものであることが好ましい。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示す断面図である。

図２に示した実施の形態２のハイブリッドパネルとは、太陽熱伝導部として、熱伝導板５３ではなく、ヒートパイプ９を用いている点のみが異なり、その他は、実施の形態２のハイブリッドパネルと同じ構成である。実施の形態２のハイブリッドパネルと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

太陽光７の照射と共に温度が上昇してくるハイブリッドパネルにおいて、太陽電池１の太陽照射面とは反対の面にヒートパイプ９を配設することにより、発生もしくは蓄積されてくる熱を速やかにヒートパイプ９にて集熱し、ハイブリッドパネルのスーパーヒート部６４に速やかに集熱させることが行える。実施の形態２の場合と同様に、スーパーヒート部６４で、ヒートパイプ９が冷媒配管５５に接続されている。

ヒートパイプ９内は可能な限り空気や窒素、酸素などが排除され、熱輸送の媒体となる作動液のみが充填されており、ヒートパイプ９各部での温度差はせいぜい数℃の範囲にとどまることから、ヒートパイプ９と接している太陽電池１の温度は速やかに均温化されるものと考えられる。また、太陽電池１の温度よりも冷媒配管５５と接しているヒートパイプ９の部分の方が低温になっているということを前提にした場合には、ヒートパイプ９の熱搬送能力が高いことより、スーパーヒート部６４への集熱が速やかに行われ、効率のよい冷媒の完全気化が行える。

本実施の形態４で用いるヒートパイプ９の形状は、棒状であってもシート状であっても問題はない。さらには、ヒートパイプ９と受熱板とを組み合わせたものを、スーパーヒート部６４を含めた熱搬送する部位として用いても問題はない。

また、本実施の形態４のヒートパイプ９の容器の材質として、鉄、銅など、作動液体として、水、メタノール、エタノール等のアルコール類、アセトンなどが挙げられる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の第５の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示す断面図である。

図４に示した実施の形態４のハイブリッドパネルとは、ヒートパイプ９と冷媒配管５５との間に断熱層６８が配置されている点のみが異なり、その他は、実施の形態４のハイブリッドパネルと同じ構成である。実施の形態４のハイブリッドパネルと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

本実施の形態４においては、スーパーヒート部６４以外のヒートパイプ９と、スーパーヒート部６４より上流側の冷媒配管５５の部分との間に断熱層６８が設けられているために、ヒートパイプ９配設直下の冷媒配管５５への熱伝導が抑制され、効率よくスーパーヒート部６４に集熱することができる。

このように、スーパーヒート部６４の単位時間あたりの集熱量が増すことで、ハイブリッドパネルがおかれている外気温や冷媒配管５５中を流れる冷媒の流量といった観点より、さらに広い操作範囲において、冷媒配管５５中を流れる冷媒のスーパーヒート部６４における完全気化が行える。さらには、熱の移動が断熱層６８によって抑制されていることで、ヒートパイプ９の中での熱の移動が優先し、ハイブリッドパネルの均温化を速やかに行うことができる。

断熱層６８を設けたことにより、太陽熱の搬送に対してロスが少なくスーパーヒート部６４に集熱することが可能となり、かつハイブリッドパネルの裏側の冷媒配管５５内を流れる冷媒に対して加熱する部分が限定されることで、気液混合状態から気相状態への変換を効率的に行うことが可能となる。

（実施の形態６）
図６は、本発明の第６の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの冷媒配管との位置関係を示す図である。図６（ａ）は、ハイブリッドパネルの背面側に配置された冷媒配管の構成を示しており、図６（ｂ）は、ハイブリッドパネルの上面側から見た構成を示している。

本実施の形態６のハイブリッドパネルの側面から見た構成は、実施の形態２のハイブリッドパネルと同じ構成で、図２に示す通りである。但し、図６（ｂ）に示す、熱伝導板７３およびスーパーヒート部７４は、それぞれ、図２の熱伝導板５３およびスーパーヒート部５４に相当する。

図２および図６を用いて、本実施の形態６のハイブリッドパネル部分の構成について説明する。

冷媒配管５５は、ハイブリッドパネルの背面部分では、図６（ａ）に示すように、ハイブリッドパネルの全面からの熱を有効に受熱できるように、複数に分岐され平行に配置される構成となっている。このように配置した構成が、本発明の、太陽熱伝導部と熱交換できるように近接して配置した構成の例である。

そして、熱伝導板７３は、図６（ｂ）に示すように、平行に分岐して配置された冷媒配管５５に沿うように平行な分岐した形状であり、分岐した冷媒配管５５が結合する部分に対応する部分で結合してスーパーヒート部７４を形成している。

このような構成にすることで、ハイブリッドパネルの背面部分の分岐された冷媒配管５５を流通する冷媒は、分岐して平行に配置された熱伝導板７３の部分からの熱により加熱される。したがって、ハイブリッドパネルからの出口部分であるスーパーヒート部７４に達するまでに、冷媒配管５５内を流通する冷媒が加熱されているので、その分、スーパーヒート部７４で冷媒を完全に気化させるために必要な熱量が少なくて済むことになる。

このように、ハイブリッドパネルの裏側を流れる冷媒に対して加熱を行う時間が長くなり、かつ効果的に熱を冷媒へと供給することで、冷媒がスーパーヒート部７４を通過する際に、冷媒を気液２相流から全て気相流へと変換し易くなる。

（実施の形態７）
図７は、本発明の第７の実施の形態におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネルの構成を示している。図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態７のハイブリッドパネルの上面および側面から見た構成を示している。他の実施の形態と同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

他の実施の形態１〜３および６で説明したハイブリッドパネルの熱伝導板には、熱伝導の機能と共に熱吸収の機能も兼ね備えたものを使用したが、熱伝導と熱吸収の機能を分けた構成にしてもよい。本実施の形態６のソーラーヒートポンプシステムは、太陽熱伝導部の構成を、熱伝導と熱吸収の機能を分けた構成にしたものである。

図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ハイブリッドパネルで受けた太陽光による熱を有効に吸収できるように、太陽光受熱板８０が、太陽電池１の裏面に接するようにハイブリッドパネルの全面に渡って配置されている。そして、熱伝導板８３が、太陽光受熱板８０の太陽電池１とは反対側の面に接して配置されている。太陽光受熱板８０は、熱の吸収に優れた機能を有しており、熱伝導板８３は、熱の伝導に優れた機能を有している。

次に、本実施の形態７のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドパネル部分の動作について説明する。

太陽電池１、およびハイブリッドパネルの太陽電池１の配置されていない部分が太陽光によって得た熱を、太陽光受熱板８０が吸収する。そして、太陽光受熱板８０で得られた熱を熱伝導板８３がスーパーヒート部８４に伝導し、スーパーヒート部８４で、冷媒配管５５内を流通する気液混合状態の冷媒を完全に気化させる。

それとともに、太陽光受熱板８０が熱伝導板８３と面接触して配置されているので、太陽光受熱板８０上の温度分布が均等化され、ハイブリッドパネル全体が均温化される。

他の実施の形態１〜３および６においても、本実施の形態６の構成と同様に、太陽熱伝導部の構成を、熱伝導と熱吸収の機能を分けた構成にしてもよい。

なお、各実施の形態で用いる冷媒には、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）冷媒やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒の他、炭化水素や二酸化炭素などの自然冷媒を用いることができる。

自然冷媒を用いることにより、オゾン層破壊あるいは地球温暖化といった悪影響のないヒートポンプシステムを構築することが可能となる。さらには、これらの冷媒は操作圧力が高く液密度も高いことから、従来は圧縮機の信頼性確保が困難であったが、本発明のソーラーヒートポンプシステムによって構築することが可能となる。

以上に説明したように、各実施の形態のソーラーヒートポンプシステムを用いると、
太陽電池の太陽熱を集熱したスーパーヒート部を設けたことにより、冷媒配管を流れる冷媒が、スーパーヒート部を通過する際に気液２相流から全て気相流へと変換され、太陽電池温度の均温化と同時に圧縮機への液冷媒の流入防止を両立することが可能となる。

また、時間と共に太陽電池に蓄積される熱量を太陽熱伝導部を介して、速やかにハイブリッドパネルのスーパーヒート部へと伝熱させるために、太陽電池の温度上昇が抑制され、かつ太陽電池の均温化が可能となる。

したがって、本発明のソーラーヒートポンプシステムを用いることにより、システムの運転に対する信頼性が高く、かつ高いエネルギー効率を有するシステムを実現することができる。

本発明に関するソーラーヒートポンプシステムは、信頼性を確保しつつ、高いエネルギー効率を有し、家庭用冷暖房給湯機等として有用である。また、工業用加熱・冷却装置等の用途にも応用が可能である。また、本発明に関するハイブリッドパネルの構造は太陽電池をパネル化した際に効率よく用いる方法等としても有用である。

本発明の実施の形態１にかかるソーラーヒートポンプシステムに用いるハイブリッドパネルの断面図 本発明の実施の形態２にかかるソーラーヒートポンプシステムに用いるハイブリッドパネルの断面図 本発明の実施の形態３にかかるソーラーヒートポンプシステムに用いるハイブリッドパネルの断面図 本発明の実施の形態４にかかるソーラーヒートポンプシステムに用いるハイブリッドパネルの断面図 本発明の実施の形態５にかかるソーラーヒートポンプシステムに用いるハイブリッドパネルの断面図 本発明の実施の形態６にかかるソーラーヒートポンプシステムの、（ａ）ハイブリッドパネルの背面の冷媒配管図、および（ｂ）ハイブリッドパネルの上面図 本発明の実施の形態７にかかるソーラーヒートポンプシステムの、（ａ）ハイブリッドパネルの上面図、および（ｂ）ハイブリッドパネルの断面図 従来のソーラーヒートポンプシステム（特許文献１）の構成図 従来のソーラーヒートポンプシステム（特許文献２）の構成図

符号の説明

１ 太陽電池
２ 太陽電池のセルケース
３ 熱伝導板
４ スーパーヒート部
５ 冷媒配管
６ ガラス
７ 太陽光
８ 断熱層
９ ヒートパイプ
１１０ ハイブリッドパネル
１１１ 貯湯槽加熱手段
１１２ 室内熱交換器手段
１１３ 室外熱交換器手段
１１４ 圧縮機
１１５ 第一四方弁
１１６ 冷媒水熱交換器
１１７ 第一電磁弁
１１８ 第一電子膨張弁
１１９ 第二四方弁
１２０ 第二電子膨張弁
１２１ 第三電子膨張弁
１２２ 貯湯槽
１２３ 循環ポンプ
１２４ フィン
１２５ ヘッダー管
１２６ 電力供給制御装置
１２７ 蓄電池
１２８ 交直変換装置
１２９ インバータ
１３０ サイクル制御装置
２３１ ハイブリッドパネル
２３２ 第二膨張弁
２３３ 四方弁
２３４ 三方切り替え弁
２３５、２３６ バルブ
２３７ 第一膨張弁

Claims (8)

1. 圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁を有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクルと、
   太陽電池、前記太陽電池が太陽光から受けた熱を収熱して伝導する前記太陽電池の裏面側に配置された太陽熱伝導部、前記冷媒が流通する配管の所定の一部を前記太陽熱伝導部の熱によって集中的に加熱するスーパーヒート部、を有するハイブリッドパネルと、を備えたソーラーヒートポンプシステム。
2. 前記所定の一部の上流側の配管は、熱的に伝熱しないように前記太陽熱伝導部と離れて配置されている、請求項１に記載のソーラーヒートポンプシステム。
3. さらに、前記ハイブリッドパネルは、前記所定の一部の上流側の前記配管の一部と前記太陽熱伝導部との間に、断熱層を有する、請求項１に記載のソーラーヒートポンプシステム。
4. 前記太陽熱伝導部は、前記太陽電池の裏面側に設けられた熱伝導板であり、
   前記スーパーヒート部は、前記熱伝導板の、前記配管の所定の一部に接する部分である、請求項１に記載のソーラーヒートポンプシステム。
5. 前記熱伝導板の材質は、セラミックス、銅、カーボンのいずれかである、請求項４に記載のソーラーヒートポンプシステム。
6. 前記太陽熱伝導部は、前記太陽電池の裏面側に設けられたヒートパイプであり、
   前記スーパーヒート部は、前記ヒートパイプの、前記配管の所定の一部に接する部分である、請求項１に記載のソーラーヒートポンプシステム。
7. 前記所定の一部の上流側の配管の一部は、前記太陽熱伝導部と熱交換されるようになっており、
   前記冷媒は、前記所定の一部の入口部では必ず液相状態が残され、その後に、前記所定の一部において完全に気相状態にされる、請求項１に記載のソーラーヒートポンプシステム。
8. 前記所定の一部の上流側の前記配管の一部は、前記太陽熱伝導部と近接して配置されている、請求項７に記載のソーラーヒートポンプシステム。
   

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