JPS6166050A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は太陽熱を熱源としたヒートポンプ式の太陽熱
集熱装置に関するものであり、太陽熱を集熱器で集熱し
、ヒートポンプで昇温して暖房や給湯やその他の加熱プ
ロセスに利用するものである。

（ロ）従来の技術 この種の太陽熱集熱装置は例えば特開昭５８−１２７０
７０号公報に開示されているように、圧縮機、凝縮器、
減圧機構、蒸発作用を行なう集熱器を順次連結して閉ル
ープを形成し、この閉ループに単一成分のフロン系冷媒
からなる作動媒体を封入して構成されており、適当な集
熱器と蓄熱槽を用いることにより、空気熱源ヒートポン
プよりも比較的高温で安定した温度を維持することがで
き、成績係数の向上が図れ、安定した出力を確保できる
などの利点を有する。

ところで、集熱器は常時外気温に曝されるわけであるか
ら、冬期においてはマイナス温度で蒸発作用を行ない、
太陽熱を汲上げてヒートポンプ運下で強い日射を受けた
場合、集熱器は７０〜８０℃位まで温度上昇し、蒸発温
度も５０℃以上の高温になる。

このため、太陽熱集熱装置は蒸発温度がマイナス温度か
ら５０〜６０℃という広い範囲に対応したヒートポンプ
運転を行なわなければならず、作動媒体として高沸点媒
体を使用した場合にはマイナス温度時に系内低圧側が負
圧となり、低沸点媒体を使用した場合には高温時に系内
圧力が上昇する問題があった。

すなわち、系内圧力な負圧にすると、系内に外気の漏れ
込みが起こった場合、システムの運転効率が極端に低（
なり、遂にはヒートポンプ運転ができなくなる。一方、
系内圧力が高くなると、圧縮機での圧縮負荷が大きくな
り、運転効率が低下するとともに、集熱器を圧力に対応
した強度設計にしなければならないなど、構成品がコス
ト高になる。

（ハ）　発明が解決しようとする問題点この発明の課題
は上述した従来技術に鑑み、集熱器の蒸発温度が冬期の
マイナス温度から夏期の高温までの広範囲にわたって系
内圧力が負圧にならず、かつ圧力上昇を抑制できるよう
にするとともに、系内の低圧側と高圧側の圧力差を小さ
くし、圧縮機効率を高めることである。

に）　問題点を解決するための手段 上記の課題はこの発明によれば、圧縮機（２）、凝縮器
（３）、減圧機構（６）、蒸発作用を行なう集熱器（７
）を順次連結して閉ループを形成し、この閉ループに気
液２相に変化する作動媒体を封入してなる太陽熱集熱装
置において、作動媒体を高沸点成分のフロンと低沸点成
分のフロンの非共沸混合媒体とし、凝縮器（３）と減圧
機構（６）との間の閉ループには凝縮器（３）通過後の
作動媒体を気液分離する気液分離器（４）と、この気液
分離器（４）の液相の作動媒体を減圧する第２の減圧機
構ｆｉｔ）と、この減圧機構（１０）で減圧された液相
の作動媒体を気液分離器（４）から送られてくる気相の
作動媒体と間接熱交換させる熱交換器（５）とを設け、
この熱交換器（５）の凝縮側の作動媒体を減圧機構（６
）に供給するとともに、蒸発側の作動媒体を集熱器（７
）と圧縮機（２）との間に戻すように構成したことによ
り解決される。

（ホ）　作用 圧縮機（２）で圧縮されて高温高圧ガスとなった作動媒
体は凝縮器（３）に流入し、ここで被加熱媒体に潜熱を
放出して１瞥は凝縮液化する。そして、凝縮器（３）通
過後、気液分離器（４）に入り、気液分離される。作動
媒体は高沸点成分のフロンと低沸点成分のフロンの非共
沸混合媒体であるため、気液分離器（４）では気相側が
液相側より低沸点成分の多い組成となり、逆に液相側は
気相側より高５弗点成分が多い組成になる。そして、気
液分離器（４）の液相の作動媒体は第２の減圧装置０α
で減圧された後、熱交換器（５）へ送られ、気液分離器
（４）の気相の作動媒体は直接、熱交換器（５）へ送ら
れ、ここで間接熱交換を行なう。熱交換器（５）で凝縮
した作動媒体は減圧装置（６）を通って集熱器（７）へ
送られ、太陽熱を吸熱して蒸発ガス化する。一方、熱交
換器（５）で蒸発した作動媒体は集熱器（７）と圧縮器
（２）の間に戻され、集熱器（力で蒸発した作動媒体と
一緒に圧縮機（２）に吸入され１サイクルとなる。

この発明によれば、作動媒体を高沸点成分のフロンと低
沸点成分のフロンの非共沸混合媒体とし、作動媒体の低
沸点成分を低圧側に多く循環させるようにしたので、系
内の低圧側の圧力が高められ、蒸発温度がマイナス温度
のときでも負圧にならないようにできるとともに、系内
圧力の上昇を抑制できる。また、系内の低圧側と高圧側
の圧力差が小さくなり、圧縮比（高圧力／低圧力）が小
さく′なるので、圧縮機負荷が軽減され、圧縮機効率が
高（なる。

（へ）実施例 以下、この発明を図面に示す実施例について説明する。

第１図において、（１）は圧縮機（２）、凝縮器（３）
、気液分離器（４）の気相部（４ａ）、熱交換器（５）
の−次側（５ａ）、減圧膨張弁等の減圧機構（６）、蒸
発作用を行なう集熱器（７）およびアキュムレータ（８
）を順次連結して閉ループを形成する密閉循環回路であ
り、低沸点成分のフロン（Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−１
１５など）と高沸点成分のフロン（Ｒ−１１４、Ｒ−２
１、Ｒ−Ｃ３１８など）の非共沸混合媒体よりなる作動
媒体（９）が封入されている。また、気液分離器（４）
の液相部（４ｂ）は減圧膨張弁等の第２の減圧機構α０
）を介して熱交換器（５）の二次側（５ｂ）に接続され
、熱交換器（５）の二次側（５ｂ）は集熱器（７）とア
キュムレータ（８）との間の循環回路（１）に接続され
ている。（１１）は凝縮器（３）および気液分離器（４
）が収納された蓄熱槽であり、被加熱媒体の往管（１ｚ
と戻り管αＪとが接続されているっ 集熱器（７）は例えば第２図に示すように、選択吸収膜
を形成するなどして太陽熱を効率良く吸収させるととも
に、熱輻射を低く抑えるようにした集熱板（１３）に作
動媒体を流す複数本の蒸発管α荀を熱伝達が良好な状態
に結合させるか、第３図に示すように、同じ（選択吸収
膜処理を施した集熱板（１！１９に蒸発部となる複数の
作動媒体流路（１６）をロールボンド成形で一体形成し
たものを使用する。

次に上述した実施例装置の作用を説明する。圧縮器（２
）で圧縮されて高温高圧となった作動媒体は凝縮器（３
）に流入し、蓄熱槽ｆｌｕに循環供給さｉｌ、る披加熱
媒体疋潜熱を放出して自らは凝縮液化する。

そして凝縮器（３）通過後、気液分離器（４）に入り、
気液分離される。気液分離器（４）は蓄熱槽０］）に収
納されているため、ここでも凝縮ａ熱が放出され、被加
熱媒体が加熱される。作動媒体は高沸点成分のフロンと
低沸点成分のフロンの非共沸混合媒体であることから、
気液分離器（４）の気相部（４ａ）では低沸点成分が多
く、逆に液相部（４ｂ）では高沸点成分が多い組成にな
る。そして、気相部（４ａ）の気相の作動媒体は熱交換
器（５）の−次側（５ａ）へ送られ、液相部（４ｂ）の
液相の作動媒体は第２の減圧装置１Ｇで減圧された後、
熱交換器（５）の二次側（５ｂ）へ送られ、ここで間接
熱交換が行なわれる。

熱交換器（５）の−次側（５ａ）で凝縮した作動媒体は
減圧装置（６）を通って集熱器（力へ送られ、太陽熱を
吸熱して蒸発ガス化する。一方、熱交換器（５）の二次
側（５ｂ）で蒸発した作動媒体は集熱器（力とアキュム
レータ（８）の間の循環回路（１）に戻され、集熱器（
７）で蒸発した作動媒体と一緒にアキエムレータ（８）
を介して圧縮機（２１に吸入され１サイクルとなる。

以上の繰返しにより、集熱器（７）で集熱された太陽熱
が蓄熱槽（１１）に移送され、蓄熱槽圓の被加熱媒体が
加熱されて暖房や給湯などに利用される。

下表は低沸点成分のフロンをＲ−２２、高沸点成分のフ
ロンなＲ−２１とし、これらをＲ−２２／Ｒ−２１〜４
０／６０　（モル比率）の割合で混合したものを作動媒
体として使用する場合と、Ｒ−２２，Ｒ−２１をそれぞ
れ単独で作動媒体として使用する場合について、上記の
構成の太陽熱集熱装置の運転状態を比較したものである
。

表 □ １．１ 一評匈「二相 ヒ　　　　ｊ　　４．４十グ二−−村二４ｉすなわち、
蒸発温度が一１４°Ｃ（入口側）〜４．４℃（出口側）
、凝縮温度５５．６°Ｃ（出口側）〜６６．８℃（入口
側）の条件下において、上述した非共沸混合フロンを使
用すると、蒸発圧力は２＊　ａｂｓ％凝縮圧力は１０〜
ａｂｓとなる。これに対し、Ｒ−２２を単独で使用する
と、蒸発圧力および凝縮圧力は混合フロンを使用し、た
場合よりともに高く、系内圧力が高（なる。一方、Ｒ−
２１を単独で使用すると、蒸発圧力および凝縮圧力は混
合フロンを使用した場合よりとも圧低く、系内圧力を低
くできるが、蒸発圧力が負圧になってしまう。また、圧
縮比についてみると、Ｒ−２２とＲ−２１の混合フロン
のものが５．０であるのに対し、Ｒ−２２では４．９〜
７．２．Ｒ−２１では１０．１〜１２．９となり、いず
れも混合フロンより大ぎ（なる。

このように、上記の構成の太陽熱集熱装置の作動媒体と
してＲ−２２とＲ−２１の非共沸混合媒体を使用すると
、系内の圧力を負圧にせず、かつば、蒸発温度が一３０
°Ｃ（入口側）〜−２°Ｃ（出口側）のときには蒸発圧
力は１．１％ａｂｓとなり、負圧にならない。また、蒸
発温度が３５℃〜６００Ｃのときでは蒸発圧力が８．４
　Ｙ！ａｂｓとなり、集熱器（７）の強度設計を容易に
行なうことができる。もちろん、媒体成分の組合わせや
モル比率を用途や使用地域に応じて変更し、系内圧力を
調整することもできる。また、圧縮比が小さくなり、圧
縮機負荷が軽減されて圧縮機効率が高くなる。

（ト）　　発明の効果 この発明は以上のように構成されているので、集熱器の
蒸発温度が冬期のマイナス温度から夏期の高温までの広
範囲にわたって系内圧力が負圧にならず、かつ圧力上昇
を抑制することができ、系内への外気の漏れ込みを防止
できるとともに、集熱器等の構成品の強度設計を容易に
行なうことができる。また、系内の高圧側と低圧側の圧
力差が小さくなり、圧縮機負荷が軽減されて圧縮機効率
を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例＠置を示す概略構成図、第
２図および第３図はそれぞれこの発明で使用する集熱器
の１例を示す断面図である。 （２）・・・圧縮機、　（３）・・・凝縮器、　（４）
・・・気液分離器、（５）・・・熱交換器、　（６）・
・・減圧機構、　（力・・・集熱器、（９）・・・作動
媒体、　（１０）・・・第２の減圧機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮機、凝縮器、減圧機構、蒸発作用を行なう集
   熱器を順次連結して閉ループを形成し、この閉ループに
   気液２相に変化する作動媒体を封入してなる太陽熱集熱
   装置において、作動媒体を高沸点成分のフロンと低沸点
   成分のフロンの非共沸混合媒体とし、凝縮器と減圧機構
   との間の閉ループには凝縮器通過後の作動媒体を気液分
   離する気液分離器と、この気液分離器の液相の作動媒体
   を減圧する第２の減圧機構と、この減圧機構で減圧され
   た液相の作動媒体を気液分離器から送られてくる気相の
   作動媒体と間接熱交換させる熱交換器とを設け、この熱
   交換器の凝縮側の作動媒体を減圧装置に供給するととも
   に、蒸発側の作動媒体を集熱器と圧縮機との間に戻すよ
   うに構成したことを特徴とする太陽熱集熱装置。