(57)【要約】【課題】  比較的簡単な構成でソーラーモジュールの廃熱を汲み上げて効率的な加熱／暖房を行うことができ、且つ、ソーラーモジュールの発電効率も向上させることができるヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】  ヒートポンプシステムは、電動圧縮機４、ガスクーラ６、キャピラリチューブ８及び蒸発器１０などを順次環状に配管接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素冷媒を循環して成るヒートポンプ１２と、光により発電を行うソーラーモジュール２２を備える。ソーラーモジュール２２と熱交換した空気を蒸発器１０と熱交換させる。ソーラーモジュール２２の出力を電動圧縮機４に印加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動圧縮機、ガスクーラ、減圧装置及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素冷媒を循環して成るヒートポンプと、光により発電を行うソーラーモジュールとを備え、
該ソーラーモジュールと熱交換した空気を、前記蒸発器と熱交換させると共に、前記ソーラーモジュールの出力を前記電動圧縮機に印加することを特徴とするヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素冷媒を用いるヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりソーラーヒートポンプ暖冷房給湯機が提案されている。このソーラーヒートポンプ暖冷房給湯機は、直接膨脹型熱交換器の表面に装着された太陽電池から構成されたハイブリッドコレクターと、貯湯槽水加熱手段と室内熱交換器手段と室外熱交換器手段とから成るヒートポンプサイクルと、太陽電池の出力と商用電力を電源としてヒートポンプサイクルを動作させる運転制御装置から構成されている。そして、直接膨脹型熱交換器の多穴管に冷媒を流すことにより太陽光で加熱された太陽電池を冷却して太陽電池の発電効率を向上させると共に、太陽電池の排熱を大気へ放熱することなく暖房給湯加熱として利用し、システム効率の向上を図っていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−６６０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように太陽電池を直接膨脹型熱交換器の表面に装着し、直接膨脹型熱交換器に設けた多穴管に冷媒を流すことにより太陽光で加熱された太陽電池と貯湯槽へ循環させる貯湯槽水加熱手段の水とを熱交換させ、貯湯槽に蓄熱するように構成すれば、太陽電池の発電効率を向上させ、太陽電池の排熱を大気へ放熱することなく暖房給湯加熱として利用することができるようになるものの、太陽電池は通常屋根上に設置されるため、膨脹型熱交換器の表面に太陽電池を装着する構造の場合、装置全体が複雑且つ大型化し、据え付け作業も困難となる問題があった。
【０００４】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、比較的簡単な構成でソーラーモジュールの廃熱を汲み上げて効率的な加熱／暖房を行うことができ、且つ、ソーラーモジュールの発電効率も向上させることができるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
即ち、本発明のヒートポンプシステムは、電動圧縮機、ガスクーラ、減圧装置及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素冷媒を循環して成るヒートポンプと、光により発電を行うソーラーモジュールとを備え、このソーラーモジュールと熱交換した空気を、蒸発器と熱交換させると共に、ソーラーモジュールの出力を電動圧縮機に印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のヒートポンプシステムでは、電動圧縮機、ガスクーラ、減圧装置及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素冷媒を循環して成るヒートポンプと、光により発電を行うソーラーモジュールとを備えており、このソーラーモジュールと熱交換した空気を、蒸発器と熱交換させるようにしたので、ソーラーモジュールから生じた廃熱を、蒸発器にて汲み上げ、ガスクーラに搬送して効率的な加熱／暖房を行うことができるようになる。一方、ソーラーモジュールの温度上昇も抑えられるので、発電効率の低下も防止若しくは抑制することが可能となる。
【０００７】
特に、ソーラーモジュールと熱交換した空気を蒸発器と熱交換させる構成であるので、装置全体を簡素化することが可能となり、小型化とコストの削減及び据え付け作業性も改善も図ることができる。
【０００８】
また、ソーラーモジュールの出力を電動圧縮機に印加するので、より効率的な加熱／暖房を実現し、一層の省エネ化を実現できるものである。
【０００９】
また、ソーラーモジュールを、表面ガラスと反射板間にソーラーセルを介設したものをフレームに支持することにより構成し、反射板に隣接したダクトを設け、このダクトを通過した空気と蒸発器とを熱交換させるようにすれば、簡単な構成でソーラーモジュールからの廃熱を蒸発器に搬送し、且つ、ソーラーモジュール自体の空冷も円滑に行うことができるようになる。
【００１０】
更に、ダクト内から蒸発器に空気を送給するためのポンプを設ければ、ソーラーモジュールと熱交換した温かい空気を蒸発器に強制的に送給することができるようになり、設置状態を問わず、ソーラーモジュールの廃熱を蒸発器に搬送することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のヒートポンプシステムは、太陽電池パネルのソーラーモジュールの廃熱を汲み上げてヒートポンプにより効率的な加熱／暖房を行うことを特徴とする。効率的な加熱／暖房を行うという目的を、ソーラーモジュールに隣接して設けたダクトを通過した空気と蒸発器とを熱交換させるだけの簡単な構成で実現した。
【００１２】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の一実施例を示すヒートポンプシステム１の構成図、図２は本発明のヒートポンプシステム１を構成する太陽電池パネル２０の平面図、図３は太陽電池パネル２０を構成するソーラーモジュール２２の斜視図をそれぞれ示している。
【００１３】
実施例のヒートポンプシステム１は、図１に示すように太陽電池パネル２０を構成するソーラーモジュール２２と、冷媒回路から構成されたヒートポンプ１２と熱搬送回路１４と温水搬送回路１８等から構成されており、ヒートポンプ１２は電動圧縮機４とガスクーラ６、キャピラリチューブ８及び蒸発器１０などにて冷媒回路が構成されている。電動圧縮機４の吐出側の配管４Ａは、ガスクーラ６、キャピラリチューブ８（本発明の減圧装置に相当）、蒸発器１０と順次配管接続され、蒸発器１０の出口側は電動圧縮機４の吸入側の配管４Ｂに接続されて環状の冷媒回路を構成している。
【００１４】
ここで、ヒートポンプ１２の冷媒回路には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して高低圧差の大きい自然冷媒である二酸化炭素冷媒（ＣＯ2）を使用しており、電動圧縮機４の潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油等既存のオイルが使用される。
【００１５】
また、ヒートポンプ１２には交熱的に熱搬送回路１４が接続されている。この熱搬送回路１４は、封入したオイルを循環させてこの循環するオイルにより熱を搬送するもので、オイルを循環させるためのポンプ１５と熱を蓄積する蓄熱槽１６とをオイル管１５Ａによって環状に接続して構成されている。この場合、ポンプ１５を出たオイル管１５Ａはガスクーラ６と交熱的に接続され、ガスクーラ６を出たオイル管１５Ａは蓄熱槽１６を介してポンプ１５に戻る。このオイルの循環回路内には交熱に優れ、熱を効率よく搬送することが可能なオイルが封入されている。
【００１６】
また、蓄熱槽１６内には、熱を蓄積するための蓄熱物質が収容されており、この蓄熱物質に熱が蓄えられる。蓄熱槽１６には蓄熱物質から熱を汲み上げるための温水搬送回路１８が設けられている。この温水搬送回路１８には水が流通する温水配管１８Ａが設けられており、この温水配管１８Ａは蓄熱槽１６内の蓄熱物質と交熱的に設けられている。そして、温水配管１８Ａには図示しない貯湯タンクや暖房器具、ポンプ等が設けられており、ポンプが駆動して温水配管１８Ａ内の水が図中矢印方向に移動すると温水配管１８Ａ内の水は蓄熱槽１６内の蓄熱物質から熱を汲み上げ、温水となって貯湯タンクに蓄えられると共に、給湯や暖房器具による室内暖房に供されるように構成されている。
【００１７】
ここで、前記ソーラーモジュール２２は光、特に太陽光を受けると加熱され、温度が上昇するが、ソーラーモジュール２２が温度上昇すると発電効率が低下してしまうのは既に周知である。従って、ソーラーモジュール２２を冷却して温度上昇を抑えれば、発電効率は低下しない。そこで、ソーラーモジュール２２には、送風機３２を備えたダクト２６を設けている。この送風機３２で送風されてダクト２６内を通過する冷たい外気とソーラーモジュール２２とを熱交換させることにより、太陽光で温まったソーラーモジュール２２を冷却できる。
【００１８】
詳しくは、大気中にダクト２６の入口２６Ａを開口し、このダクト２６を送風機３２を介して後述するソーラーモジュール２２下に形成した空気通路２０Ａ（ダクト）の入口側に接続している。また、ソーラーモジュール２２の下側に形成した空気通路２０Ａの出口側のダクト２６は、前記ヒートポンプ１２の蒸発器１０に交熱的に設けられた熱交換空気通路１０Ａに接続され、ダクト２６の出口２６Ｂは大気中に開口している。
【００１９】
そして、送風機３２が駆動されると図１中矢印で示すように外気（冷気）が入口２６Ａからダクト２６内に吸い込まれ、ダクト２６内に吸い込まれた空気は太陽電池パネル２０を構成する複数のソーラーモジュール２２の下側に形成された空気通路２０Ａ内を通過する過程で太陽光により加熱されたソーラーモジュール２２と熱交換してソーラーモジュール２２を冷却し、逆にソーラーモジュール２２と熱交換して温まった空気は蒸発器１０の熱交換空気通路１０Ａに至り、そこで蒸発器１０内の冷媒と熱交換して冷媒に熱を与える。そして、ダクト２６の出口２６Ｂから大気中に廃棄される。尚、ソーラーモジュール２２の冷却構造については図３で詳しく説明する。
【００２０】
また、ソーラーモジュール２２は、図２中に矢印範囲で示すように横約９００ｍｍ、縦約１３００ｍｍの大きさを呈しており、このソーラーモジュール２２を例えば、縦５列、横３列配置して屋根上などの太陽光の当たる場所に設置される。それら複数のソーラーモジュール２２は、直列或いは並列に接続されて、例えば一般家庭で昼間使用する全体の電力量をまかなえる、約３Ｋｗ〜５Ｋｗ或いはそれ以上の大きな発電を行える太陽電池パネル２０を構成する。
【００２１】
ここで、太陽電池パネル２０は図示しないがＤＣ／ＡＣ変換装置を介して屋内分電盤に接続されている。このＤＣ／ＡＣ変換装置は、太陽電池パネル２０のソーラーモジュール２２で発電された直流電力を昇圧して交流電力に変換して、一般家庭で使用可能な１００Ｖ或いは２００Ｖの交流５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚに変換する。そして、変換された電力で、照明器具、洗濯機、電子レンジ、オーブン、電熱器、エアコン、暖房器具、扇風機、冷蔵庫、テレビ、ビデオなどの音響機器、コピー機器、電話或いは工作機械などの電気機器からなる室内負荷が駆動される。また、屋内分電盤は太陽電池パネル２０で発電されて余った電力を系統商用交流電源に売電し、太陽光不足或いは夜などの太陽光がソーラーモジュール２２に当たらないときは系統商用交流電源から電力を買うように、売電装置及び買電装置を備えている。
【００２２】
前記太陽電池パネル２０を構成するソーラーモジュール２２は、図３に示すように保護用の表面ガラス２２Ａと、太陽光を受けて発電するためのソーラーセル２２Ｂと、ソーラーセル２２Ｂを通過した光を反射して発電効率を向上させるための裏側の反射板２２Ｃとから構成されており、ソーラーセル２２Ｂは下面の反射板２２Ｃと上面の表面ガラス２２Ａと間に介設されて一体に形成されている。このソーラーモジュール２２の両端には、一対のフレーム２４が対向して設けられており、このフレーム２４はアルミニウムの押し出しにより所定の形状に形成されている。
【００２３】
該フレーム２４には、図４に示すように上部に上溝２４Ａが設けられている。表面ガラス２２Ａ、ソーラーセル２２Ｂ及び反射板２２Ｃが一体化された状態で両上溝２４Ａ内に挿入され、接着剤にて保持固定されることでソーラーモジュール２２は構成されている。また、両フレーム２４には上溝２４Ａと所定の間隔を存して下方に下溝２４Ｂが形成されており、この下溝２４Ｂ内に仕切板２８が挿入された状態で、ソーラーモジュール２２の両フレーム２４と仕切板２８とに囲まれた部分に前記空気通路２０Ａが形成されている。該仕切板２８は、約０．０５ｍｍの薄板アルミニウム板と断熱材（発泡断熱材など）とが貼り合わされた厚さ約３ｍｍ〜１０ｍｍに形成されている。そして、仕切板２８は対向する下溝２４Ｂ内に挿入されて接着剤にて保持固定されている（図３に示す）。
【００２４】
この仕切板２８は断熱材にて構成され、本体２８Ａの一側には図５に示すように仕切板２８と仕切板２８とを重合して接続可能な段差部２８Ｂが設けられている。段差部２８Ｂは、仕切板２８の厚さ寸法或いは仕切板２８の厚さ寸法の約２倍〜５倍の厚さで仕切板２８の本体２８Ａ一側から他側方向に延在すると共に、段差部２８Ｂは仕切板２８の本体２８Ａ厚さと略同等の寸法に形成されている。尚、段差部２８Ｂが挿入される両フレーム２４の下溝２４Ｂ部分は段差部２８Ｂと略同等の厚さの溝に形成されている。
【００２５】
また、仕切板２８は両フレーム２４に設けた下溝２４Ｂより段差部２８Ｂの寸法だけ長い寸法に形成されている。そして、ソーラーモジュール２２とソーラーモジュール２２とをフレーム２４の端面同士で連結すると、図６に示すように仕切板２８の段差部２８Ｂに他方のソーラーモジュール２２の仕切板２８の段差部２８Ｂの反対側が重合される。これによって、仕切板２８の段差部２８Ｂと他方の仕切板２８の本体２８Ａが重合するので、仕切板２８と仕切板２８との接合部分に隙間ができて、その隙間から空気通路２０Ａ内の空気が外部に出てしまうのを防止している。このようにしてソーラーモジュール２２・・・が連結されることで、複数のソーラーモジュール２２・・・の反射板２２Ｃ下面と仕切板２８との間に連続した空気通路２０Ａが形成される。
【００２６】
このように複数のソーラーモジュール２２・・・を連結し、それがフレーム２４の背面を突き合わせるかたちで複数列接続されて太陽電池パネル２０は構成される。そして、太陽電池パネル２０の両端（フレーム２４の端面側の両端）には、図８に示すように入口側ヘッダー部３０Ａと出口側ヘッダー部３０Ｂとから構成されたヘッダー３０が設けられている。両ヘッダー部３０Ａ、３０Ｂ内には空間が形成され、前記ソーラーモジュール２２の各列の中に上述の如く構成された各空気通路２０Ａに連通している。入口側ヘッダー部３０Ａ（図中上側）の一側には前記送風機３２に接続されたダクト２６が接続され、他側は閉塞されている。また、出口側ヘッダー部３０Ｂ（図中下側）の一側には前記蒸発器１０に接続されたダクト２６が接続され、他側は閉塞されている。
【００２７】
以上の構成で次にヒートポンプシステム１の動作を説明する。尚、太陽電池パネル２０のソーラーモジュール２２は太陽光を受けて発電し、所定の電力を出力する。また、ヒートポンプ１２の電動圧縮機４、ダクト２６内の送風機３２及び熱搬送回路１４のポンプ１５には発電された太陽電池パネル２０の電力が前記屋内分電盤を介して供給され、駆動される。図１中矢印で示すように送風機３２の駆動によってダクト２６の入口２６Ａから冷たい外気が吸い込まれ、吸い込まれた外気はダクト２６内を通り、入口側ヘッダー部３０Ａ内で分岐して前述した如き太陽電池パネル２０の各ソーラーモジュール２２の列の中に形成した各空気通路２０Ａ内に流入する。
【００２８】
各ソーラーモジュール２２の空気通路２０Ａ内に流入した空気は、空気通路２０Ａ内を通過する過程で太陽光によって温められたソーラーモジュール２２と熱交換し、ソーラーモジュール２２を冷却すると共に、空気自体は温められる。即ち、ダクト２６内に流入した外気は、空気通路２０Ａ内でソーラーモジュール２２と熱交換して温められた後、空気通路２０Ａ内を出て出口側ヘッダー部３０Ｂで集められる。
【００２９】
出口側ヘッダー部３０Ｂ内で集められた温かい空気はダクト２６内を通り、蒸発器１０の熱交換空気通路１０Ａ内に流入する。熱交換空気通路１０Ａ内に流入した温かい空気は、そこで蒸発器１０内の冷媒と熱交換して冷媒を温め（熱を与える）、空気は冷やされてダクト２６の出口２６Ｂから大気中に廃棄される。
【００３０】
そして、温められた蒸発器１０内の二酸化炭素冷媒は電動圧縮機４に吸い込まれ、そこで圧縮されて高温高圧のガス状となり、吐出側の配管４Ａから吐出される。このとき、温められた二酸化炭素冷媒が電動圧縮機４に吸入されるので、冷媒ガスを高効率で高温にすることができる。そして、電動圧縮機４から吐出された高温高圧のガス状二酸化炭素冷媒は、吐出側の配管４Ａからガスクーラ６に流入し、そこで、交熱的に接続された熱搬送回路１４に封入したオイルと熱交換して冷媒ガスは冷却され、オイルは加熱される。ガスクーラ６内で二酸化炭素冷媒は凝縮せず、超臨界の状態で通過するので高効率でオイルを加熱することができる。そして、ガスクーラ６で冷却された冷媒は、キャピラリチューブ８で減圧され、その過程で凝縮した後、蒸発器１０に流入して蒸発し、前述の如く熱交換空気通路１０Ａ内を流れる空気から吸熱して電動圧縮機４に吸い込まれ、再度圧縮されて配管４Ａから吐出される循環を繰り返す。
【００３１】
また、熱搬送回路１４に封入され、ガスクーラ６で熱交換して温められたオイルは、ポンプ１５でオイル管１５Ａ内を搬送され、蓄熱槽１６内で放熱して蓄熱を行う。蓄熱槽１６に蓄えられた熱は、前述した如き温水配管１８Ａ内の水に汲み上げられて図示しない暖房器具等から放熱され、室内の暖房や給湯を行う。
【００３２】
このように、係る太陽電池パネル２０で発電した電力で、ヒートポンプ１２の電動圧縮機４、ダクト２６内の送風機３２及び熱搬送回路１４のポンプ１５を駆動すると共に、加熱された太陽電池パネル２０の熱を、ダクト２６で搬送してヒートポンプ１２で汲み上げ、汲み上げたヒートポンプ１２の熱を熱搬送回路１４で蓄熱槽１６に搬送して蓄熱し、当該蓄熱槽１６に蓄えた熱を温水搬送回路１８で暖房器具等に供給するので、系統商用交流電源からの電力や、ボイラーなどの加熱手段からの熱を利用しなくても暖房や給湯を行うことができる。これにより、大幅な省エネを計ることが可能となる。特に従来のように太陽電池パネルの下面に直接膨脹型熱交換器を設けず、ダクト２６に連通する空気通路２０Ａを設けるだけの簡単な構造で太陽電池パネル２０の廃熱を汲み上げて効率的な加熱／暖房を行っているので、装置が大きくなることがない。従って、太陽電池パネル２０の構造を簡素化することができ、太陽電池パネル２０のメンテナンスや修理を容易に行うことができる。
【００３３】
また、太陽電池パネル２０で発電した電力でヒートポンプシステム１の電動圧縮機４や送風機３２及びポンプ１５を駆動し、太陽光で加熱された太陽電池パネル２０の熱を大気中へ放出することなく、暖房用熱源として利用することができるので、極めて効率的な暖房を行うことができる。これにより、ヒートポンプシステム１の効率を大幅に向上させることができるので、更に省エネを図ることができるようになる。一方で太陽電池パネル２０のソーラーモジュール２２を冷たい外気で冷却するので、太陽電池パネル２０の温度上昇を防止することができ、太陽電池パネル２０の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３４】
また、太陽電池パネル２０は、表面ガラス２２Ａと反射板２２Ｃ間にソーラーセル２２Ｂを介設したものをフレーム２４に支持することによりソーラーモジュール２２を構成している。そして、ソーラーモジュール２２の反射板２２Ｃの下面に隣接してダクト２６を設けると共に、このダクト２６を通過した空気と蒸発器１０内の冷媒とを熱交換させているので、簡単な構成でソーラーモジュール２２からの廃熱を蒸発器１０に搬送してヒートポンプ１２に汲み上げることができ、且つ、ソーラーモジュール２２自体の空冷も円滑に行い太陽電池パネル２０の発電効率の低下を防止することができる。
【００３５】
また、ダクト２６内から蒸発器１０に空気を送給するための送風機３２を設けているので、ソーラーモジュール２２と熱交換した温かい空気を蒸発器１０に強制的に送給することができる。これにより、通常屋根上に設けられる太陽電池パネル２０（ソーラーモジュール２２）の設置状態を問わず、円滑にソーラーモジュール２２の廃熱を蒸発器１０に搬送してヒートポンプ１２に汲み上げることができるようになる。
【００３６】
尚、実施例ではソーラーモジュール２２を構成するフレーム２４に下溝２４Ｂを設け、この下溝２４に仕切板２８を挿入して、ソーラーモジュール２２と両フレーム２４と仕切板２８とに囲まれた部分に空気通路２０Ａを形成したが、仕切板２８の代わりにフレーム２４の下面に断熱材からなる底板（図示せず）を固定し、ソーラーモジュール２２と両フレーム２４と底板とに囲まれた部分に空気通路２０Ａを設けても本発明は有効である。この場合、フレーム２４に下溝２４Ｂを設けなくても良いので、フレーム２４のコストを低減させることができる。また、フレーム２４に下溝２４Ｂを設けなくても良いので、ソーラーモジュール２２の厚さを薄くすることができる。従って、ソーラーモジュール２２の持ち運び易さや外観を向上させることができるようになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例を示すヒートポンプシステムの構成図である。
【図２】本発明のヒートポンプシステムを構成する太陽電池パネルの平面図である。
【図３】図２の太陽電池パネルを構成するソーラーモジュールの斜視図である。
【図４】図３のソーラーモジュールを構成するフレームの正面図である。
【図５】図３のソーラーモジュールを構成するフレームに取り付ける仕切板の斜視図である。
【図６】図５のソーラーモジュールを構成するフレームに取り付ける仕切板を連結した斜視図である。
【図７】図６の仕切板を挿入する状態のフレームの斜視図である。
【図８】ダクトを取り付けた図２の太陽電池パネルの正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ヒートポンプシステム
４  電動圧縮機
６  ガスクーラ
８  キャピラリチューブ
１０  蒸発器
１０Ａ  熱交換空気通路
１２  ヒートポンプ
１４  熱搬送回路
１５  ポンプ
１８  温水搬送回路
２０  太陽電池パネル
２０Ａ  空気通路
２２  ソーラーモジュール
２２Ａ  表面ガラス
２２Ｂ  ソーラーセル
２２Ｃ  反射板
２４  フレーム
２４Ａ  上溝
２４Ｂ  下溝
２６  ダクト
２８  仕切板
３０  ヘッダー
３２  送風機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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