JP2003042572A - 太陽熱利用集熱器及びそれを用いた給湯装置 - Google Patents

太陽熱利用集熱器及びそれを用いた給湯装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のヒートパイプを用いた真空管式の太陽
熱利用集熱装置の問題を解消するとともに、構成が簡便
でしかも効率良く集熱を行うことができ、さらに寄棟等
の各種屋根形状にも設置の対応が可能で設置場所の有効
利用を図ることができる、優れた太陽熱利用集熱器及び
それを利用した給湯装置を提供すること。 【解決手段】 液体の作動媒体Ｌを封入した中空部１ａ
を内部に形成した集熱板１と、集熱板１の中空部１ａに
挿通した少なくとも１本の熱媒管２Ａとを備えるととも
に、作動媒体Ｌを太陽熱により気化させた後に熱媒管２
Ａの外周部で液化させ、集熱板１の内外を循環させる熱
媒管２Ａ内の熱媒を加熱するようにした太陽熱利用集熱
器Ｓ１とする。また、このような太陽熱利用集熱器と、
給湯可能な貯湯槽とを熱媒を循環させる循環配管で接続
するとともに、循環配管内の熱媒を用いて貯湯槽内の水
を加熱するようにした給湯装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集熱板に設けた中
空部に作動媒体を入れ、これを太陽熱により気化させた
後に、集熱板内に設けた熱媒管により液化させ、集熱板
の内外を循環させる熱媒を加熱するように構成した太陽
熱利用集熱器、およびそれを用いた給湯装置に関する。
【０００２】
【従来技術及びその課題】従来、図１１（ａ），（ｂ）
に示すように、ヒートパイプ５２を利用した真空管式の
太陽熱利用集熱装置Ｊ１が知られている。これは、太陽
熱を吸収するのに適した金属製の集熱板５１が取付けら
れた金属製の集熱管５２が真空のガラス管５３内に設け
られ、ガラス管５３の一端に形成された金属とガラスと
の融着部５４を介して、ヒートパイプ５２の一端部がガ
ラス管５３の外部へ導出されて構成されている。
【０００３】ここで、ヒートパイプ５２の内部には熱を
移動させるための作動媒体が封入されており、このヒー
トパイプ５２のガラス管５３の一端から導出された端部
５５は、水を加熱させるための熱交換器に相当する凝縮
部として作用する。端部５５は水が流れる流路内に配設
され、この箇所で水を加熱させるようにしている。すな
わち、集熱板５１が太陽熱を吸収し、この熱をヒートパ
イプ５２に伝達する。ヒートパイプ５２内の作動媒体
は、液体から気体に相変化し凝縮部５５へ熱を移動させ
る。そして、凝縮部５５で流路内の水に熱を奪われ、気
体から液体へ相変化することで作動媒体は元に戻る。
【０００４】このような太陽熱利用集熱装置Ｊ１では、
ヒートパイプ５２は金属製であるので、ガラス管５３の
一端部の融着部５４においては、金属とガラスとの異種
材料の接合が必要となることから、この接合部で真空漏
れが生じやすく、ヒートパイプを効果的に加熱できない
などの問題があった。
【０００５】また、ヒートパイプを使用しない集熱板を
備えた太陽熱利用集熱装置では、集熱板に取付けた管に
熱媒を流す方式を採用する。例えば、図１２に示すよう
に、集熱板６０の平面形状が三角形の場合、集熱板６０
に取付けられた熱媒管６１の熱媒の流れる経路の長さが
場所により異なるので、熱媒の入口６２から出口６３ま
での熱媒流路において、熱媒は最も短い経路６１ａに多
く流れる。これにより、熱媒管６１内の熱媒の流れが不
均一になり、その結果、集熱効率が低下するという不具
合がある。この様な不具合を考慮し、一般に、集熱器の
平面形状は、熱媒流路長が均一に出来る四角形が採用さ
れている。
【０００６】近年では、図１３に示すように、家屋にお
いて棟７３が寄った寄棟屋根（図示されているものは正
確には方形屋根）Ｙへの太陽熱利用集熱装置の設置が要
望されている。ところが、多数の集熱装置を設置する場
合は、従来の主面平面外形が矩形状の集熱装置Ｊ２のみ
を配置しようとすれば、屋根の隅部に設置できない空き
領域７０，７１，７２ができ、屋根外観が損なうだけで
なく、設置場所の有効利用を図ることができない。
【０００７】そこで、本発明では従来のヒートパイプを
用いた真空管式の太陽熱利用集熱装置の問題を解消する
とともに、構成が簡便でしかも効率良く集熱を行うこと
ができ、さらに寄棟等の各種屋根形状にも設置の対応が
可能で設置場所の有効利用が図れる、優れた太陽熱利用
集熱器及びそれを利用した給湯装置を提供することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の太陽熱利用集熱器は、液体の作動媒体を封
入した中空部を内部に形成した集熱板と、集熱板の中空
部に挿通した少なくとも１本の熱媒管とを備えるととも
に、作動媒体を太陽熱により気化させた後に熱媒管の外
周部で液化させ、集熱板の内外を循環させる熱媒管内の
熱媒を加熱するようにしたことを特徴とする。
【０００９】特に、前記熱媒管の外周に、液化させた作
動媒体を滴下させる突出部を形成したこと、また、前記
集熱板の主面からみた平面外形が三角形状または台形状
であることを特徴とする。
【００１０】さらに、本発明の給湯装置は、上記太陽熱
利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを熱媒を循環させる
循環配管で接続するとともに、循環配管内の熱媒を用い
て貯湯槽内の水を加熱するようにしたことを特徴とす
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明に係る実施形態について模
式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】図１に本発明の太陽熱利用集熱器Ｓ１の平
面図を示し、図２に図１におけるＡ−Ａ線断面図を示
す。なお、図１において矢印は熱媒の流れる方向の一例
を示す。
【００１３】これら図面に示すように、太陽熱利用集熱
器Ｓ１は液体の作動媒体Ｌを封入した中空部１ａを内部
に密閉状態で形成した集熱板１と、この集熱板１の中空
部１ａに挿通した熱媒管であるヘッダー管２Ａ（熱媒の
流れが図示の場合、熱媒の往き配管），２Ｂ（熱媒の流
れが図示の場合、熱媒の戻り配管）とを備える。
【００１４】ここで、集熱板１は例えばアルミニウム等
の成形性が良好な材料から成る板状体の２枚のそれぞれ
を所定形状に成形した後に、両者を接合して密閉空間内
に作動媒体Ｌを封入するとともに、接合体の一端部にヘ
ッダー管２Ａ，２Ｂを挿通させて構成したものである。
作動媒体Ｌには、アンモニア、フロン、プロピレングリ
コール、液体ＣＯ２等の容易に凍結しない液体を使用す
る。
【００１５】また、ヘッダー管２Ａ，２Ｂは、銅等の伝
熱性に優れた材料から成るパイプを用い、この中に循環
媒体である熱媒を入れている。熱媒には水やプロピレン
グリコール等の不凍液を用いる。
【００１６】このように構成された太陽熱利用集熱器Ｓ
１によれば、前述したヒートパイプと同様な原理で、集
熱板１内の作動媒体Ｌが太陽熱により気化され、この気
化した作動媒体はヘッダー管２Ａ，２Ｂの外周部で液化
し、作動媒体は液体→気体→液体・・・の相変化が繰り
返されることになる。これにより、集熱板１の内外を循
環させる熱媒を加熱することができる。
【００１７】ヘッダー管２Ａ，２Ｂの外周には、ヘッダ
ー管と同様な材料で突出部３を長尺で鉛直方向に形成し
ているので、気化した作動媒体Ｌを効率よく液化（凝
縮）させることができ、ヘッダー管内の熱媒を効率よく
加熱できる。さらに、相変化した液体を集熱板１の下方
へ確実に滴下させることが可能である。なお、図２には
傾斜角度θで傾斜した屋根に集熱板１を配設した場合の
集熱板１の内部における様子を示しており、白矢印は作
動媒体Ｌが気化して、その気体が中空部１ａ内を上昇し
ていく様子を示している。
【００１８】図３に太陽熱利用集熱器Ｓ１を複数を連結
した一例を示す集熱器アレイＡ１の平面図を示す。
【００１９】集熱器アレイＡ１は太陽熱利用集熱器Ｓ１
のヘッダー管２Ａ，２Ｂどうしを接続しており、さら
に、いったん集熱板１から出た熱媒が、再度、集熱板１
に戻るように、集熱器アレイＡ１の一端部に配設した太
陽熱利用集熱器Ｓ１のヘッダー管２Ａとヘッダー管２Ｂ
とを、Ｕ字状の接続管４により接続している。このよう
な構成により、ヘッダー管による凝縮部面積を広くとる
ことができ、効率よくヘッダー管内の熱媒の加熱を行わ
せることができる。
【００２０】図４に示すように、太陽熱利用集熱器をよ
り簡便な構成とするため、ヘッダー管２Ａのみを集熱板
１に挿通させるようにしてもよい。そして、この太陽熱
利用集熱器Ｓ２の複数を接続して、集熱器アレイＡ２を
構成してもよい。集熱器アレイＡ２によれば、熱媒が戻
るように集熱器アレイＡ１の一端部に配設した太陽熱利
用集熱器Ｓ２のヘッダー管２Ａと、集熱板の外側に配設
された長い熱媒管５とを、Ｕ字状の接続管４により接続
する構成であるので、個々の太陽熱利用集熱器Ｓ２の構
成が簡単である上に、ヘッダー管どうしの接続箇所が集
熱器アレイＡ１より少なくて済むという利点を有してい
る。ただし、熱媒管５が外部に露出しているので、その
分、集熱器アレイＡ１よりも集熱効率が低下する。
【００２１】図５（ａ），（ｂ）に、集熱板１０，１１
の主面からみた平面外形が三角形状（図示されているよ
うに、正確に幾何学的な三角形でなくともよい）または
台形状（正確に台形でなくともよい）等の非矩形状の太
陽熱利用集熱器Ｓ３，Ｓ４を用いてもよい。このよう
に、集熱板１０，１１の平面外形を非矩形状とすること
で、太陽熱利用集熱器の種々の形状を有する設置場所に
対して空き領域を少なくすることができ有効な配置が行
える。例えば、寄棟屋根に設置するような場合、三角形
状や台形状の屋根形状に応じて、設置箇所の有効利用を
図ることができ、広い面積で集熱を行えしかも外観を損
なうことがない。
【００２２】図５に示すように、太陽熱利用集熱器Ｓ
３，Ｓ４は、集熱板１０，１１の主面からみた平面外形
が略三角形であり、端辺１０ａと１０ｂの成す角度、及
び端辺１１ａ，１１ｂの成す角度を略直角としている。
また、頂部の端辺１０ｃ，１１ｃは、隣の端辺１０ａ、
１１ａと図示のように略直角を成すように形成してもよ
いが、屋根形状に合わせて端辺を形成せず角状にしても
よい。このような非矩形状においても、従来のように熱
媒管が集熱板１０，１１の形状に制約されないので、熱
媒は均一に流れ均一に加熱されることになる。
【００２３】太陽熱利用集熱器Ｓ３，Ｓ４は、図６に示
すように、設置場所の形状に合わせて非矩形状集熱器ど
うしを連結して集熱器アレイを構成してもよいし、ま
た、図７，８に示すように、矩形状集熱器である太陽熱
利用集熱器Ｓ１の一端部や両端部に非矩形状集熱器を配
設・連結して、集熱器アレイＡ３，Ａ４を構成してもよ
い。すなわち、集熱器アレイＡ３においては、太陽熱利
用集熱器Ｓ３の端辺１０ａの側に太陽熱利用集熱器Ｓ１
を複数連結して構成しており、集熱器アレイＡ４におい
ては、太陽熱利用集熱器Ｓ３の端辺１０ａと太陽熱利用
集熱器Ｓ４の端辺１１ａとの間に太陽熱利用集熱器Ｓ１
を複数連結して構成している。
【００２４】かくして、図９に示すような棟が寄った寄
棟屋根Ｙに対しても、これら矩形状集熱器と非矩形状集
熱器を適当に組合せて連結・配設することにより、屋根
上の設置場所に無駄で見栄えの悪い空き領域を形成する
ことがなく、設置場所の有効利用を図ることができる。
【００２５】次に、このようにして構成した太陽熱利用
集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを備えるとともに、太陽
熱利用集熱器を構成する熱媒管により貯湯槽内の水を加
熱するようにした給湯装置の実施形態について説明す
る。
【００２６】図１０に示すように、給湯装置Ｑは後記す
る集熱回路３５と給湯回路３６とから構成されている。
すなわち、集熱回路３５は、太陽光を効率よく集めて集
熱を行う集熱器アレイＡ５、熱交換器３１、膨張タンク
３２、循環ポンプ３３、及び循環配管３４（循環媒体が
貯湯槽４１側へ流すための往き配管３４ａ，循環媒体が
貯湯槽４１側から集熱装置Ｑ側へ流すための戻り配管３
４ｂ）等から成る。
【００２７】ここで、集熱器アレイＡ５は複数の太陽熱
利用集熱器Ｓ２を、ヘッダー管どうしを連結させて集熱
能力を高めたものであり、循環媒体として水や不凍液を
使用している。また、集熱器アレイＡ５の熱媒流路には
循環媒体の温度を検出する高温センサＴ１が設けられて
いる。
【００２８】また、給湯回路３６は、集熱回路３５に設
けられた熱交換器３１と連結された貯湯槽４１、給水配
管４２、及び給湯配管４３等から成る。ここで、貯湯槽
４１には、上部に湯温を検出する沸騰防止センサＴ２、
下部に給水側の温度を検出する低温センサＴ３が設けら
れている。なお、図中４４は給水配管４２に設けられた
減圧弁であり、４６は貯湯槽４１の頂部に設けられた空
気抜き弁である。
【００２９】さらに、給湯装置Ｑには、集熱器アレイＡ
５に設けられた高温センサＴ１、貯湯槽４１に設けられ
た沸騰防止センサＴ２，低温センサＴ３、及び循環ポン
プ３３と電気的に接続されマイクロコンピュータが内蔵
された制御装置４５が設けられており、この制御装置４
５でもって主に循環ポンプ３３の作動の制御を行ってい
る。
【００３０】このようにして構成された給湯装置Ｑは、
制御装置４５により、高温センサＴ１で測定した温度ｔ
１と低温センサＴ３で測定された温度ｔ３との差△ｔ
（℃）が、例えば７℃以上の場合に循環ポンプ３３を駆
動し、循環媒体を集熱回路３５中を循環させるようにし
て熱交換を行うようにし、貯湯槽４１内の水を迅速に加
温し、適温の湯にすることができる。なお、例えば、沸
騰防止センサＴ２が湯温８０℃以上であることを検出し
た場合や、△ｔ≦４℃の場合に循環ポンプ３３を停止し
て集熱回路３５の作動を停止させる。
【００３１】なお、本実施形態の給湯装置は最も簡便な
例に基づいて説明したが、これに限定されるものではな
く、例えば熱交換器３１を用いる代わりに、直接、湯を
貯湯槽４１内に導出するように構成してもよく、また、
ヒートポンプ装置と組み合わせた熱交換システムを構築
するようにしてもよく、各種公知の給湯装置に本発明の
太陽熱利用集熱器を組み込んだものを使用でき、本発明
の要旨を逸脱しない範囲内で適宜の変更により種々の実
施が可能である。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の太陽熱利
用集熱器は、液体の作動媒体を封入した中空部を内部に
形成した集熱板と、この中空部に挿通した熱媒管とを備
え、作動媒体を太陽熱により気化させた後に熱媒管の外
周部で液化させ、集熱板の内外を循環させる熱媒を加熱
するようにしたので、熱交換の面積を従来の集熱器より
広くすることができ、集熱効率が良好である。
【００３３】また、集熱板の中空部に挿通した熱媒管の
外周に、液化させた作動媒体を滴下させる突出部を形成
したので、中空部における相変化を効率良く行わせるこ
とができ、よりいっそう集熱効率を向上させる。
【００３４】さらに、集熱板の主面からみた平面外形が
三角形状または台形状とすることで、各種形状の設置場
所に、太陽熱利用集熱器を好適且つ簡便に施工性良好に
配設することができ、設置場所の有効利用が図れ、設置
場所の外観を損なうことがない優れた太陽熱利用集熱器
及びそれを複数連結した集熱器アレイを提供できる。
【００３５】そして、本発明の太陽熱利用集熱器と、給
湯可能な貯湯槽とを備えるとともに、太陽熱利用集熱器
を構成する熱媒管内の熱媒により前記貯湯槽内の水を加
熱するようにした給湯装置によれば、簡便な構成で迅速
に貯湯槽内の水を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る太陽熱利用集熱器の実施形態を模
式的に説明する平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイの実施形態を模式的に説明する平面図であ
る。
【図４】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図
である。
【図５】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明に係る太陽熱
利用集熱器の他の実施形態を模式的に説明する平面図で
ある。
【図６】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図
である。
【図７】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図
である。
【図８】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図
である。
【図９】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した
集熱器アレイを寄棟屋根に設置した一例を模式的に説明
する斜視図である。
【図１０】本発明に係る給湯装置の実施形態を模式的に
説明する全体構成図である。
【図１１】従来の太陽熱利用集熱装置を模式的に説明す
る図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断側面図
である。
【図１２】三角形状の集熱板に熱媒管を取付けて成る太
陽熱利用集熱装置の熱媒の流れを模式的に説明する平面
図である。
【図１３】矩形状の太陽熱利用集熱装置の複数を寄棟屋
根に設置した例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１０，１１： 集熱板 １ａ：中空部 ２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ：ヘッダー管（熱媒管） ３：突出部 ４，１４：接続管 ５：熱媒管 ３４：循環配管 ４１：貯湯槽 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：太陽熱利用集熱器 Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５：集熱器アレイ Ｑ：給湯装置

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体の作動媒体を封入した中空部を内部
    に形成した集熱板と、該集熱板の中空部に挿通した少な
    くとも１本の熱媒管とを備えるとともに、前記作動媒体
    を太陽熱により気化させた後に前記熱媒管の外周部で液
    化させ、前記集熱板の内外を循環させる前記熱媒管内の
    熱媒を加熱するようにしたことを特徴とする太陽熱利用
    集熱器。
  2. 【請求項２】 前記熱媒管の外周に、液化させた作動媒
    体を滴下させる突出部を形成したことを特徴とする請求
    項１に記載の太陽熱利用集熱器。
  3. 【請求項３】 前記集熱板の主面からみた平面外形が三
    角形状または台形状であることを特徴とする請求項１に
    記載の太陽熱利用集熱器。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽
    熱利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを熱媒を循環させ
    る循環配管で接続するとともに、該循環配管内の熱媒を
    用いて前記貯湯槽内の水を加熱するようにしたことを特
    徴とする給湯装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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