JP4517536B2 - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽熱を集熱して給湯、暖房に利用する太陽熱集熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の太陽熱利用のヒートポンプ装置としては、例えば、特開昭５９−１５７７８号公報に記載されているようなものがあった。図８は前記公報に記載された従来の太陽熱利用装置を示すものである。
【０００３】
図８において、１は外箱、２は透明板、６は外箱１内を表側と裏側に仕切るように配置した集熱板、８は外気取入口、９は集熱板６の表側を流れてきた空気を集熱板６の裏側へリターンするリターン口、１０は集熱板６の裏側を流れてきた空気を排気する排気口であり、外気取入口８近傍の外箱１の裏側に配置されている。１２は蒸発器であり、圧縮機１３、凝縮器１４、減圧弁１５と連結してヒートポンプ装置を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、外気から取入れた低温空気を集熱板９の表側に流して徐々に昇温し、昇温した空気をリターンさせて集熱板９の裏側に流すようになっている。しかし、集熱板９に沿って流れる空気は下流の出口に近づくにつれて高温となるため
、比体積が増大する。そして、集熱板９を表側から裏側へ往復するため空気流路が長くなる。そのため、空気流路抵抗が増加して、必要風量が得られないため蒸発器１２での熱交換量が低下する。また、風量不足のために空気温度が異常上昇して外箱から外気へ放熱する量が増加する。よって、熱交換量の低下と放熱量の低下を防止するために送風手段を大型化して必要風量を確保することになる。その結果、消費電力量が大きくなる。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、集熱ユニットと集熱パネルで囲まれた空気通路面積を空気吸込み側の集熱パネル入口側よりも下流の出口側で次第に大きくなるようにして通風抵抗を飛躍的に低減し、送風手段の省電力化をはかる太陽熱集熱装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の太陽熱集熱装置は、太陽熱を集熱する集熱パネルと、太陽光を少なくとも前記集熱パネルへ透過する透過体と、表面に前記透過体と、前記集熱パネルを収納する集熱ユニットと、前記集熱ユニットの内部へ空気を導入する空気吸込み部と、前記集熱パネルを通過する空気が流れる空気熱交換器と、前記空気吸込み部、前記集熱パネル、前記空気熱交換器の順に空気を搬送する送風手段とを備え、空気吸込み側の集熱パネル入口側より出口側の前記集熱パネルの巾を大きくすることで、前記集熱ユニットと前記集熱パネルで囲まれた空気通路面積が、空気吸込み側の集熱パネル入口側から下流の出口側へ次第に大きくなるように構成したことを特徴とするものである。これによって、集熱パネル出口に近づくにつれて空気通路面積を大きくし、高温空気の空気通過風速を低減して、空気流路抵抗の増加を防止するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、太陽熱を集熱する集熱パネルと、太陽光を少なくとも前記集熱パネルへ透過する透過体と、表面に前記透過体と、前記集熱パネルを収納する集熱ユニットと、前記集熱ユニットの内部へ空気を導入する空気吸込み部と、前記集熱パネルを通過する空気が流れる空気熱交換器と、前記空気吸込み部、前記集熱パネル、前記空気熱交換器の順に空気を搬送する送風手段とを備え、空気吸込み側の集熱パネル入口側より出口側の前記集熱パネルの巾を大きくすることで、前記集熱ユニットと前記集熱パネルで囲まれた空気通路面積が、空気吸込み側の集熱パネル入口側から下流の出口側へ次第に大きくなるように構成して、集熱パネル出口に近づくにつれて空気通路面積を大きくし、高温空気の空気通過風速を低減して、空気流路抵抗の増加を防止して、送風手段の省電力化を実現するものである。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をするものについては同一符号を付し、一部説明を省略する。
【０００９】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例における太陽熱集熱装置の構成図を示すものである。また図２はこの太陽熱集熱装置を用いた給湯装置の構成図、図３はこの太陽熱集熱装置を用いた暖房装置の構成図を示すものである。そして、図１、図２、図３において、実線矢印は空気の流れ方向、破線矢印はヒートポンプ装置の冷媒流れ方向、一点鎖線矢印は水流れ方向を表わす。
【００１０】
図１において、２０は集熱パネルであり、太陽熱を集熱する。２１は透過体であり、ガラス材料からなり太陽光を少なくとも集熱パネル２０へ透過する。２２は集熱ユニットであり、表面に透過体２１を備え、集熱パネル２０を収納する。２３は空気吸込み部であり、集熱ユニット２２の内部へ空気を導入する。２４は空気熱交換器であり、フィンチューブ型構成として、集熱パネル２０を介して集熱した空気が流れ、空気熱交換器２４内部を流れる集熱媒体と熱交換する。２５は送風手段であり、空気吸込み部２３、集熱パネル２０、空気熱交換器２４の順に空気を搬送する。そして、集熱ユニット２２と集熱パネル２０で囲まれた空気通路面積を空気吸込み２３側の集熱パネル入口側よりも下流の出口側で次第に大きくなるように構成する。
【００１１】
そして、図１のように空気が集熱パネル２０の表裏の両面を流れて空気熱交換器２４へ流入する構成では、集熱ユニット２２と集熱パネル２０で囲まれた空気の流れる空間距離を集熱パネル２０の入口側ｈａ１（表側）、ｈｂ１（裏側）、集熱パネル２０の出口側ｈａ２（表側）、ｈｂ２（裏側）とすると、ｈａ２をｈａ１より大きく、ｈｂ２をｈｂ１より大きくするように構成したものであり、集熱ユニット２２のユニット巾を入口側と出口側で同じサイズで構成する。２６は空気吐出部であり、空気熱交換器２４から流出する空気を外気へ排気する箇所である。２７は保温材であり、透過体２１と反対側の集熱ユニット２２外装に設けられている。
【００１２】
図２おいて、２８はヒートポンプ装置であり、空気熱交換器２４、圧縮機２９、凝縮器３０、減圧手段３１を順次連結して空気熱交換器２４を蒸発器として作用させる。３２は貯湯槽、３３は循環ポンプ、３４は給湯熱交換器であり、凝縮器３０と熱交換関係を有する。そして、貯湯槽３２、循環ポンプ３３、給湯熱交換器３４で給湯回路３５を構成する。図３において、３６は室内器、３７はヒートポンプ装置であり、空気熱交換器２４、圧縮機２９、室内器３６、減圧手段３１を順次連結して空気熱交換器２４を蒸発器として作用させ、室内器３６を凝縮器として作用させる。
【００１３】
以上のように構成された太陽熱集熱装置について、以下その動作、作用を説明する。図１において、空気吸込み部２３から流入した空気を集熱ユニット２２と集熱パネル２０で囲まれた集熱パネル２０の表裏両面の空間へ流す。そして、空間を流れる空気は太陽光熱で高温に加熱されている集熱パネル２０から集熱して昇温しながら流れる。そして、昇温しながら集熱パネル２０の出口側へ流れ、空気熱交換器２４の外部フィン間を流れ、その時、空気熱交換器２４の内部を流れる集熱媒体と熱交換して、集熱媒体を加熱する。
【００１４】
この動作において、集熱パネル２０に沿って流れる空気は下流の出口側へ流れるにつれて温度上昇するため、空気の比体積が大きくなって、通風抵抗が増大して必要風量が確保できない。そのため空気温度が異常に上昇して集熱ユニットから放熱したり、風量不足のため空気熱交換器２４と集熱媒体の熱交換量が低下する。しかし、下流側になるにつれて空気通路面積を集熱パネル２０表側でｈａ１からｈａ２へ、裏側でｈｂ１からｈｂ２へ大きくしているため、通風抵抗の増加がない。従って、送風手段の大型化を防止して、効率よく集熱して効率よく空気熱交換と熱交換する必要風量を確保することができる。よって、送風手段の省電力化を達成して高効率化を実現する。
【００１５】
また、空気が集熱パネル２０の表裏の両面を流れて空気熱交換器２４へ流入する構成にして、集熱ユニット２２と集熱パネル２０で囲まれた空気の流れる空間距離を集熱パネル２０の入口側ｈａ１（表側）、ｈｂ１（裏側）、集熱パネル２０の出口側ｈａ２（表側）、ｈｂ２（裏側）とすると、ｈａ２をｈａ１より大きく、ｈｂ２をｈｂ１より大きくするように構成することによって、集熱ユニット２２のユニット巾を入口側と出口側で同じサイズで構成することができる。
【００１６】
次に、この太陽熱集熱装置を用いた給湯装置について説明する。図２において、集熱パネル２０から集熱して高温となった空気をフィンチューブ型の空気熱交換器２４のフィン間に流して、空気熱交換器２４内部を流れるヒートポンプ装置２８の冷媒と熱交換して冷媒を蒸発ガス化させる。そして、蒸発ガス化した低温低圧ガスの冷媒を圧縮機３３で圧縮して高温高圧ガスとして凝縮器３４へ流し、冷媒の凝縮熱で給湯熱交換器３４を介して循環ポンプ３３によって送られてきた貯湯槽３２の水を加熱する。
【００１７】
そして、給湯回路３５の水を湯にして貯湯槽３６で貯湯する。一方、凝縮器３４で放熱して液化した液冷媒を減圧手段３１で減圧して空気熱交換器２４へ再び流入させるヒートポンプサイクルで動作する。従って、大気熱利用のヒートポンプ装置では実現できない、外気温度より飛躍的に高温な空気を吸熱源とするため、高能力高効率の給湯装置を実現する。そして、貯湯槽３２内部の湯が不足した時、短時間で追焚きできる。
【００１８】
次に、この太陽熱集熱装置を用いた暖房装置について説明する。図３において、凝縮器３０を室内器３６として用い、ヒートポンプ装置３７の冷媒を室内器３０へ循環して室内空気と熱交換する際にヒートポンプ装置３７の凝縮作用で凝縮熱を室内へ放熱して室内暖房する。従って、冬季などにおいて、高能力高効率で暖房運転することができる。
【００１９】
そして、この太陽熱集熱装置を図２、図３のヒートポンプ装置と接続して利用する場合に、太陽日射量が少ない時、あるいは雨天時に大気熱を利用して運転することができる。その運転時に、集熱ユニット２２を流れる空気の流路抵抗が少ないため、空気熱交換器の通過風量を増加してヒートポンプ装置の運転効率を高めることができる。
【００２０】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の太陽熱集熱装置の構成図である。図４において、３８は集熱パネルであり、空気入口側の巾（Ｗ１）より空気出口側の巾（Ｗ２）を大きくする構成である。３９は集熱ユニットであり、集熱パネル３８を収納する形態である。
【００２１】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。集熱パネル３８に沿って流れる空気が下流になるにつれて温度上昇する。その結果、空気の比体積が大きく。それに対して、集熱パネル３８の巾が下流側になるにつれて大きくなっているため、空気通路面積が大きくなって空気の通過風速が低下する。そのため、通風抵抗の増加が防止でき、送風手段の省電力化を実現する。
【００２２】
そして、空気熱交換器へ近づくにつれて太陽熱の受熱面を大きくして空気を昇温するため集熱ユニットから外気への放熱ロスが少なく、高効率化を実現する。
【００２３】
また、集熱ユニットと集熱パネルの空間距離を小さくして集熱パネル表面の温度境界層を少なくするように最適距離に保持して集熱パネルと空気の熱交換効率を高めることができる。それによって、集熱ユニットの薄型化が実現する。
【００２４】
また、入口側の巾Ｗ１から出口側の巾Ｗ２へ連続的に拡大する構成にすれば、空気流れの縮流などが発生しないため、音、通路抵抗はさらに低減する。
【００２５】
（参考例１）
図５は本発明の参考例１の太陽熱集熱装置の構成図である。図５において、４０は集熱パネルであり、多孔４１が設けられている。４２は集熱ユニットであり、集熱パネル４０を集熱ユニット４２内に傾斜して、空気吸込み部２３と空気熱交換器２４を間仕切り、空気吸込み部２３から多孔４１、空気熱交換器２４と空気が流れるようにして、集熱パネル４０から空気熱交換器２４へ流れる方向に次第に空気通路面積を大きくするようにした構成したものであり、集熱パネル４０と集熱ユニット４２裏側の距離を入口側ｈ１より、出口側ｈ２を大きくする。
【００２６】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。空気吸込み部２３から流入した空気が集熱パネル４０の一面から集熱し、集熱パネル４０の多孔４１を通過して集熱パネル４０の他方の面側へ流れ出る。そして、多孔４１を通過する際に集熱パネル４０から熱を奪い温度上昇する。そして、集熱パネル４０の他方の面側へ流れ出た空気が集熱パネル４０に沿って流れ、温度上昇しながら空気熱交換器２４へ流れる。その際に、温度上昇にともない空気の比体積が増大する。しかし、空気熱交換器２４へ流れるにつれて空気通路面積が増大するため通風風速が少なくなり、通風抵抗の増加を抑制する。従って、送風手段の省電力化を達成する。そして、集熱ユニット４２の高さおよび巾のサイズを一定にして送風手段の省電力化を実現できる効果がある。
【００２７】
（参考例２）
図６は本発明の参考例２の太陽熱集熱装置の構成図である。図６において、４３は集熱ユニットであり、集熱パネル４０を集熱ユニット４３内に傾斜して、空気吸込み部２３と空気熱交換器２４を間仕切り、空気吸込み部２３を透過体２１と反対側にあたる集熱パネル４０の裏面側に設け、空気吸込み部２３、集熱パネル４０の裏面側、多孔４１、集熱パネル４０の表面側、空気熱交換器２４と空気が流れるようにする。そして、集熱パネル４０の表面側の空気通路面積を空気熱交換器２４へ流れるにつれて次第に大きくなるように構成したものであり、集熱パネル４０と集熱ユニット４３の透過体２１の距離を入口側ｈ１より、出口側ｈ２を大きくする。
【００２８】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。集熱パネル４０の裏面側の空気吸込み部２３から流入した空気が多孔４１を通過して集熱パネル４０の表面側へ流れ出る。そして、多孔４１を通過する際に集熱パネル４０から熱を奪い温度上昇する。そして、集熱パネル４０の表面側へ流れ出た空気が集熱パネル４０の表面側に沿って流れ、太陽照射熱を受けながら高温まで温度上昇して空気熱交換器２４へ流れる。その際に、温度上昇にともない空気の比体積が増大する。しかし、空気熱交換器２４側へ流れるにつれて空気通路面積が増大するため通過風速が少なくなり、通風抵抗の増加を抑制する。従って、送風手段の省電力化を達成するとともに高温風を実現する。
【００２９】
（参考例３）
図７は本発明の参考例３の太陽熱集熱装置の構成図である。図７において、４４は集熱パネルであり、中央部の多孔４５ａの通過面積より空気吸込み部２３近傍および空気熱交換器２４側の多孔４５ａの通過面積を大きくする、あるいは１つの多孔面積を同じにして多孔４５ａ間の孔ピッチを小さくする構成である。
【００３０】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。空気吸込み部２３から流入した空気が集熱パネル４４の一面から多孔４５ａを通過して集熱パネル４４の他方の面側へ流れ出る際、集熱パネル４４の一面に沿って流れる空気の空気通路面積が下流になるにつれて、すなわち空気熱交換器２４へ近づくにつれてしだいに小さくなる。一方、集熱パネル４４の他方の面側の空気通路面積は空気吸込み部２３側が小さくて空気熱交換器２４側が大きくなる。そのため、集熱パネル４４の空気吸込み部２３近傍および空気熱交換器２４近傍の多孔４５ｂを通過する空気量が少なく、集熱パネル４４の中央部の多孔４５ａを通って他面側へ流れやすくなる。
【００３１】
そのため、通過する空気は中央の多孔４５ａに集中するため、流路抵抗が増加する。しかし、空気吸込み部２３近傍および空気熱交換器２４側の多孔４５ｂの通過面積を大きくして抵抗を少なくした構成であるため、集熱パネル４４の空気吸込み部２３近傍および空気熱交換器２４近傍の多孔４５ｂを空気が通過しやすくなり、集熱パネル４４の多孔を通過する空気量が多孔４５ａと多孔４５ｂで均一になるため流路抵抗が減少する。従って、送風手段の省電力化を実現する。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、集熱パネルに沿って流れる高温空気の空気流路抵抗の増加を防止して、送風手段の省電力化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の太陽熱集熱装置の構成図
【図２】 本発明の実施例１の太陽熱集熱装置を用いた暖房装置の構成図
【図３】 本発明の実施例１の太陽熱集熱装置を用いた給湯装置の構成図
【図４】 本発明の実施例２の太陽熱集熱装置の構成図
【図５】 本発明の参考例１の太陽熱集熱装置の構成図
【図６】 本発明の参考例２の太陽熱集熱装置の構成図
【図７】 本発明の参考例３の太陽熱集熱装置の構成図
【図８】 従来の太陽熱集熱装置の構成図
【符号の説明】
２０、３８、４０、４４ 集熱パネル
２１ 透過体
２２、３９、４２、４３ 集熱ユニット
２３ 空気吸込み部
２４ 空気熱交換器
２５ 送風手段
２６ 空気吐出部
２７ 保温材
２８、３７ ヒートポンプ装置
２９ 圧縮機
３０ 凝縮器
３１ 減圧手段
３２ 貯湯槽
３３ 循環ポンプ
３４ 給湯熱交換器
３５ 給湯回路
３６ 室内器
４１、４５ａ、４５ｂ 多孔

Claims (1)

1. 太陽熱を集熱する集熱パネルと、太陽光を少なくとも前記集熱パネルへ透過する透過体と、表面に前記透過体と、前記集熱パネルを収納する集熱ユニットと、前記集熱ユニットの内部へ空気を導入する空気吸込み部と、前記集熱パネルを通過する空気が流れる空気熱交換器と、前記空気吸込み部、前記集熱パネル、前記空気熱交換器の順に空気を搬送する送風手段とを備え、空気吸込み側の集熱パネル入口側より出口側の前記集熱パネルの巾を大きくすることで、前記集熱ユニットと前記集熱パネルで囲まれた空気通路面積が、空気吸込み側の集熱パネル入口側から下流の出口側へ次第に大きくなるように構成したことを特徴とする太陽熱集熱装置。

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