JP2004511746A - 太陽熱屋根材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽熱屋根材料に関し、これはすなわち、空間または水を加熱するために、太陽光から熱を集める、屋根材料である。
【0002】
太陽エネルギーを使用して熱湯を提供し得ることは周知であり、そしてこのことは、熱帯および亜熱帯の国において通常である。より高緯度においては、利益は少ないが、依然として有利である。例えば、英国において、太陽エネルギーは、夏季の間、平均的な家族に家庭用の熱湯を提供し得、そして一年の残りの間は、(給水を予熱することによって)有用な上乗せ(top−up)を提供する。1年を通じて、英国における南向きの屋根は、約1000kWh/m2を受け、これは明らかに、重要な潜在的なエネルギー源である。
【0003】
代表的に、太陽エネルギーは、しばしば屋根の上に取り付けられる、いわゆる平板集熱器によって捕捉される。この集熱器は、透明なカバーを有する閉じた箱、およびこの箱の内側に、黒く着色されたかまたは入射放射線を吸収するよう他の様式で処理された、吸収材板を備える。この箱の内側のパイプを通過する水が、加熱される。捕捉されるエネルギーの量は、集熱器の大きさに依存し、これは当然、取り扱いおよび美的な考慮によって制限される(特に、この集熱器が屋根に取り付けられる場合)。また、重要なことには、集熱器の有効性は、熱損失の制限に依存し、そして断熱されることだけでなく、この箱は通常閉じられており、対流による熱損失を防止する。従って、使用の際に、静止した空気がブランケット効果を提供し、その結果、熱がこの箱の中に蓄積される。
【0004】
光起電性タイルで屋根を覆って電気を発生させることは、以前から公知であるが、これらは比較的容易に一緒に接続されることが明らかである。しかし、熱システムに関して、従来の平板集熱器を、代表的な屋根のタイルの大きさまで小さくした場合、相互接続には、認容不可能な時間および費用が伴う。従って、種々の以前の提唱は、屋根材料のタイルを、太陽熱を送達するように適合させてきた。
【0005】
OffenlegungsschriftのDE3934719は、アルミニウムタイルがソーラーヒーティングシステムのパイプの上に引っ掛かる形状にされており、これによってこれらのパイプが、タイル用の押縁として働く配置を開示する。これらのタイルはアノード処理されており、そして光沢のない黒色の外側フェイスを有し、これによって、入射太陽放射線を吸収し、そしてこれらのパイプを通って循環する水に熱を伝える。このシステムは、タイルに対するいかなる絶縁被覆をも欠き、これによって、対流によるかなりの熱損失に悩まされ、そして降水に曝露される場合、その後の蒸発に起因して、なおのことそうである。
【0006】
OffenlegungsschriftのDE3218013は、それ自体が熱伝導性金属で作製され、そしてソーラーヒーティングシステムのためのパイプを包み込む、タイル用押縁を有する。しかし、従来の屋根材料のタイルは、これらの押縁から吊り下げられ、このことは、太陽熱獲得を制限することが提唱されている。なぜなら、従来のタイルは、太陽放射線に対して透過性ではないからである。有効性のさらなる低下は、押縁が、太陽熱を収集するために使用され得る屋根の領域の比較的小さな部分のみを覆うという事実から生じる。
【0007】
米国特許第4,202,319号は、大きさが小さくなった平板集熱器の形態の、屋根材料のタイルを開示する。これらのタイルの各々は、押縁内のチャネルに接続する入口および出口を有し、従って、ソーラーヒーティングシステムの流体のための循環経路を提供する。科学の当業者は、各タイルとその周囲の押縁との間の流体密の接続を確実にする必要性があることにより、製造の正確さと屋根職人の熟練との両方が大いに要求されることを理解する。これは、高い費用を意味し、これは、各タイル内のコイルまたは類似の熱収集構造体によって、さらに上昇する。
【0008】
ずっと単純なアプローチが、日本国特許第4 343 963号において提唱されており、これによって、熱交換パイプは、ファイバーボード屋根材料シートに形成された溝の中に配置され、次いで透明なタイルで覆われる。しかし、開示される配置を用いると、静止空気の望ましいブランケットが提供されない。
【0009】
米国特許第4,364,374号は、空気のための複数の空間を有する、タイル様パネルを開示する。しかし、この空気は、ブランケットとして働くよりむしろ、(熱移動の目的で)循環する。さらに、このパネルは、ソーラーヒーティングシステムへの接続が、これらの空間の1つを通って延びるパイプによって提供される様式で、設計および配置されている。このパイプは、このパネルが傾いた屋根の上の他のものに接続される場合に、この屋根の基部から頂点への、空気用の開いた通路を作製する。このことは必然的に、対流によるかなりの熱損失を伴う。
【0010】
米国特許第4,083,360号は、1つ以上の平板集熱器が屋根の垂木の間に、放射線透過タイルの領域の下に配置されている配置を開示する。これらのタイルは、二重桟の様式で形成されて、断熱を提供し得、そして集熱器が屋根の傾斜全体にわたって延び得ることが記載されている。
【0011】
英国特許第2 070 232号は、熱エネルギーを収集するための屋根構造体を開示し、ここで、空気が、屋根のタイルの下の通気要素を通過する。これらのタイルは従来のものであるので、これらは通常の収集器においてのようには太陽放射線を透過せず、そしてこのシステムは、実質的に静止した空気のブランケットよりむしろ、空気の流れを提供する。
【0012】
本発明の課題は、平板集熱器の所望の断熱を有するが、そのさらなる費用および複雑さのない、太陽熱屋根材料(または壁材料;なぜなら本発明は、垂直な表面に対しても等しく適用可能であるから)を提供することである。
【0013】
従って、本発明によれば、屋根または壁のフェイスが提供され、このフェイスは、複数の押縁、複数のタイル、複数のストリップ、および管を備え、これらの複数の押縁は、間隔を空けて配置されて複数の横断列を規定し、これらの複数のタイルは、押縁によって規定される列において、これらの押縁によって支持され、これによって、このフェイスの外側層を提供し、これらのタイルは、太陽放射線に対して透明であり、これらの複数のストリップは、各列に対して1つずつ配置されて、外側層と実質的に同じ広がりの内側層を形成し、これらのストリップは、太陽放射線を吸収性であり、そしてこの管は、ソーラーヒーティングシステムの流体熱移動媒体のためのものであり、ストリップに隣接して延び、その結果、使用の際に、これらのストリップがこれらのタイルを通る太陽放射線入射を吸収する場合にこの流体媒体が加熱され、ここで、各列において、これらの列のストリップの上に沿って、空気が保持される空間が存在する。
【0014】
科学の当業者は、本発明が、効果的なソーラーヒーティング(断熱性空気ブランケットを含む)の利点を、別個の平板集熱器も従来技術の他の複雑さも必要とすることなく提供することを理解する。これらの利点が、屋根または壁のフェイスの実質的に全体にわたって広がり得、従来の集熱器から利用可能な利点を潜在的にはるかに越えることもまた、理解される。
【0015】
各列において、押縁、タイルおよび/またはストリップの間の協働によって、空気が空間に保持され得る。
【0016】
管は、好ましくは、各空間を通って延びる。ストリップは、この管を支持するための(ブラケットまたは上向きの縁部のような)手段を備え得、そしてこの管は、空間全体を通って実質的に連続的に延びる、可撓性パイプを備え得る。
【0017】
連続した1枚あるよりむしろ、屋根を葺く際の好都合のためには、各ストリップが、横断する不連続なセクションを備えることが好ましい。押縁がストリップの上にあり得るか、またはストリップが押縁の上にあり得る。
【0018】
屋根または壁のフェイスは、好ましくは、各空間を通気するための通気手段を備える。この通気手段は、例えば、縁部を波形にし、これによって各ストリップを押縁に固定することによって、ストリップに形成され得る。このストリップはまた、この空間内の水分の流出を提供するように、形成および配置され得る。
【0019】
ストリップは、絶縁材料の層によって裏張りされ得、そして屋根のフェイスもまた、ストリップを裏張りする半多孔質膜を備え得る。
【0020】
屋根または壁のフェイスは、好ましくは、ほぼ赤道に向けて配置される。
【0021】
本発明の他の特徴は、以下の説明から明らかとなる。以下の説明は、添付の概略図を参照して、例示のためにのみなされる。
【0022】
まず図1を参照すると、そこに示される家屋は、屋根フェイス110を有する。本明細書中以下にさらに詳細に記載されるように、屋根フェイス110は、太陽熱収集器として配置される。屋根フェイス110は、(屋根フェイス112、114および116とは対照的に)ほぼ赤道に向いて配置されており、そして(玄関の屋根フェイス118と比較して)大きいので、この目的のために選択される。
【0023】
図1の家屋の配置が(上から見た場合に)時計回りに90°回転される場合、屋根フェイス114が赤道に面し、そしてフェイス110の代わりに太陽集熱器として使用され得ることが、注目され得る。しかし、この配置においては、大きさがより大きいので、壁のフェイス120を使用するほうがよい。(本発明は、屋根フェイスと同様に、壁フェイスに対しても適用可能である)。
【0024】
ここで図2を参照すると、これは、屋根フェイス110が、断熱層210、および層210の上に固定された複数のカウンター押縁212を有することを示す。カウンター押縁212は、屋根の上下に延び、そして等しく間隔を空けて、複数のアルミニウムストリップ214a、214b、214cなど(これらは、屋根を横切って延び、そしてそれらの縁部において相互に重なって、実質的に連続的な内側層を形成する)を支持する。押縁216a、216bなどは、アルミニウムストリップ214a、214b、214cなどの重なっている縁部の頂部で、屋根構造体に固定され、これらは、つやのない黒色コーティングを有し、そして図3を参照して、本明細書中以下でさらに詳細に説明される。従って、押縁216a、216bなどは、ストリップ214a、214b、214cなどを適所に保持し、そしてまた、タイル218a、218b、218cなどの外側層(これらは各々、ポリカーボネートで作製され、そして太陽放射線に対して透過性である)を支持する。
【0025】
タイル218bを考慮すると、このタイルは、下に隣接するタイル218cのヘッド(上端)を覆って延びるテール(下端)を有して、降水の流出器を提供する。同様に、タイル218bのヘッドは、上に隣接するタイル218aのテールの下にフィットする。雨よけラップ(weather lap)(図示しないが、通常の形状)がまた存在し、これによって、タイルが横方向で互いに重なる。従って、タイルは、一緒になって瓦状になり、その結果、外側層は実質的に連続している。タイル218bのヘッドは、フランジ220を備えて形成され、このフランジは下向きに延びて、押縁216aと係合し、これによって、タイル218bは、そのヘッドにおいて固定される。タイル218bのテールは、通常の形状の屋根用クリップ222(タイル218bの雨よけラップを、周知の様式で把持する)によって保持される。タイル218bのテールはまた、下に隣接するタイル218cと係合するためのリップ224を備えて形成される。
【0026】
屋根の全てのタイルは類似であり、そして同様に並べられて、屋根の基部および頂点ならびに側部において、特別な配置が必要とされる位置を減らす。科学の当業者が理解するように、屋根の基部において、最も下の列のタイルのテールは、鼻隠し板と重なり、頂点において、最も高い列のタイルは、縁部タイルでキャップされ、そして各列における端のタイルは、必要であれば成形された充填片を用いて、適所にモルタルで繋がれるかまたは結合される。
【0027】
図2から明らかに見られるように、屋根の内側層と外側層との間には、空間226が存在し、これらの層は、タイルおよび金属ストリップによって結合されている。ソーラーヒーティングシステムの、水(または別の流体熱移動媒体)のための銅パイプ228は、各空間226を通って延びる。パイプ228は、アルミニウムストリップ214aの下側の縁部で、取り外し可能にクリップ留めされており、この縁部は、230において上向きに曲がって、パイプ228の周囲に、熱伝導接続して巻き付く。
【0028】
使用の際に、太陽が図1の屋根フェイス110を照らす場合、太陽放射線が透明タイル218a、218b、218cなどを通過し、そしてアルミニウムストリップ214a、214b、214cなどに注がれ、これらのストリップは、入射放射線に対して高度に吸収性であり、これによって、強く加熱される。ストリップ214aからの熱は、熱伝導によって、銅パイプ228に伝わり、そこからそれが含む水に伝わり、この水は、空間加熱のためにか、または熱湯として、使用される。パイプ228は、屋根を横切って波形に横たわり(可撓性であるように形成されるか、またはその端部において湾曲したコネクタを有する)、その結果、これが、屋根の第一の層と第二の層との間の各空間226を繰り返し通過する。このようにして、水の温度はさらに上昇する。
【0029】
各空間226は、効果的に閉じられていることにもまた、注目すべきである。タイル218bのヘッドにおけるフランジ220は、押縁216aと協働して、空気の、空間226からの実質的に上向きの対流をいずれも防止し、そしてタイル218bのテールにおいて、類似の配置が存在する。従って、空気は空間226内に保持されて、熱の損失に対するブランケットを提供する。
【0030】
屋根フェイス110の内側層と外側層との間の空間は、通気されて、(特に、例えば凝結から生じ得る)湿気の不利な影響を回避し得る。このための手段を、ここで図3を参照して説明する。
【0031】
図3の平面図に見られるように、アルミニウムストリップ214a、214bおよび214c(ならびに屋根を覆う他の類似のストリップ)の各々は、横断する不連続セグメントから構成され、このセグメントの各々は、約2000mm長×500mm幅である。各セグメントは、横断方向において、タイルの幅より長い。ストリップは全て、その長い縁部に沿って互いに重なり、この縁部は屋根を横切って延び、そして各セグメントの重なっていない部分の幅は、上下の方向で、タイルの深さより大きくはない。各重なりの長さに沿って、重なっているストリップの縁部は、230(図2)におけるように、上向きに曲がってパイプを保持する。この縁部に隣接して、各ストリップは、波形のセクション240を形成されて、ストリップの幅の方向に(すなわち、傾いた屋根の傾斜に沿って)延びるチャネルを提供する。これらのチャネルは、アルミニウムストリップと、その上にあるタイルとの間の空間を通気する。
【0032】
チャネルはまた、任意の水分(例えば、凝結によるもの)がこの空間を通って排液され得る手段を提供する。この排液手段を下向きに続けるために、アルミニウムストリップの上向きに曲がった縁部は、242に示されるように、穿孔される。
【0033】
最後に、排液に関して、タイル218bの下側での任意の凝結が、リップ224によって、空間から流出し、そして排液される。このリップは、下に隣接するタイル218cとのシーリング係合を有さないか、または排液通路を提供するよう特別に形成され得る。これはもちろん、屋根の各タイルに適用される。
【0034】
図2および3の両方に見られるように、アルミニウムストリップ214a、214b、214cなどは、それぞれ、直立するナブ244および246の列を備えて形成され、これによって、これらのストリップは、横たえ、そして押縁216a、216bなどが位置決めされる間、互いに配置される。
【0035】
本発明は、効果的な断熱および通気の利益によって、実質的に全ての屋根フェイス110を、太陽集熱器として働かせ得ることが、ここで理解される。
【0036】
図4は、本発明による傾いた屋根の第二の実施形態を示し、図示を単純にするために、そのタイル(tie)が省略されている。この実施形態は、図2の実施形態と比較して、2つの顕著な改変を有する。第一に、各金属製吸収材ストリップ410が、対応する押縁412aの下ではなく、その頂部に置かれている。(示されるような押縁412aと412bとの間の断熱層414を用いて、ストリップ410は、実質的に平坦であり得る)。第二に、ソーラーヒーティングシステムのためのパイプ416が、各ストリップ410に固定されたブラケット418に保持されている(熱伝導性ペーストが、パイプとブラケットとの間に置かれて、熱移動を改善し得る)。
【0037】
種々の改変が、記載されるような本発明に対してなされ得る。例えば、アルミニウムストリップは、太陽放射線を吸収性の、黒色の合成プラスチック材料で置換され得、これは、費用を削減し、そして単純に横たえられ得るが、熱移動流体のためのパイプへの伝導性カップリングが存在しないことによって、性能ペナルティーを有し得る。ストリップ(金属であれプラスチックであれ)は、管を包み込むように形成され得る。タイルは、ガラス、またはポリカーボネート以外の何らかの材料で作製され得、そして着色され得るか、または屋根の外観を改変するように他の様式で処理され得る(但しもちろん、タイルの層が太陽エネルギーに対して透過性のままである)。タイルの層はまた、例えば、内側に反射するコーティングを有して形成されることによって、外向きへのあらゆる熱の損失をブロックするようにされ得る。タイルは、例えば、フレネルプリズムで形成されて、入射太陽放射線を、加熱用水のためのパイプに収束させ得る。押縁は、従来のように木材でか、または他の任意の適切な材料で作製され得る。押縁はまた、管を包み込み得る。最後に、本発明を使用するシステムは、加熱と同様に、このシステムを夜間に運転することによって、冷却のためにも使用され得ることが、理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、家屋の斜視図である。
【図2】
図2は、図1の家屋の屋根フェイス(この屋根フェイスは、本発明を実現する)の一部の、概略側面立面図である。
【図3】
図3は、図1の屋根のフェイスの第一の層を備える、ストリップの上方からの概略平面図である。
【図4】
図4は、本発明の別の実施形態を示す、概略側面立面図である。
Claims (22)
- 屋根または壁のフェイスであって、該フェイスは、複数の押縁、複数のタイル、複数のストリップ、および管を備え、該複数の押縁は、間隔を空けて配置されて複数の横断列を規定し、該複数のタイルは、該押縁によって規定される該列において、該押縁によって支持され、これによって、該フェイスの外側層を提供し、該タイルは、太陽放射線に対して透明であり、該複数のストリップは、各列に対して1つずつ配置されて、該外側層と実質的に同じ広がりの内側層を形成し、該ストリップは、太陽放射線を吸収性であり、そして該管は、ソーラーヒーティングシステムの流体熱移動媒体のためのものであり、該ストリップの長手方向に延び、その結果、使用の際に、該ストリップが該タイルを通る太陽放射線入射を吸収する場合に該流体媒体が加熱され、ここで、各列において、該列のストリップの上に沿って、空気が保持される空間が存在する、屋根または壁のフェイス。
- 各列の空気が、前記押縁、前記タイル、および/または前記ストリップの間の協働によって、各空間内に保持されている、請求項1に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記外側層が前記フェイスの実質的に全体を覆って延びている、請求項1または請求項2に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記管が、前記空間の各々を通って延びている、請求項1〜3のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップ上に、前記管を支持するための手段を備える、請求項1〜4のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップに固定された、前記管を支持するためのブラケットを備える、請求項5に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップの縁部が、前記管を支持するように上向きになっている、請求項5に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記管が、前記空間全体を通って実質的に連続的に延びる可撓性パイプを備える、請求項1〜7のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが前記管を包み込むように形成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが、各々、横断する不連続セクションを備える、請求項1〜9のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 各列において、各セクションが、横断方向において、各タイルより大きな全体的寸法である、請求項10に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが、横断縁部に沿って相互に重なり、そして各列において、重なっていない部分の幅が、前記フェイスを横断する方向に対して直行する方向で、各タイル以下の全体的寸法である、請求項1〜11のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記押縁が前記ストリップの上にある、請求項1〜12のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが前記押縁の上にある、請求項1〜12のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記空間の各々を通気するための通気手段を備える、請求項1〜14のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが、前記通気手段を備えて形成されている、請求項15に記載の屋根または壁のフェイス。
- 各ストリップが縁部を有し、該縁部によって、該ストリップが押縁に固定され、該縁部は、前記通気手段を提供するよう波形である、請求項16に記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップが、前記空間における水分の流出を提供するよう形成および配置されている、請求項1〜17のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップを裏張りする断熱材料の層を備える、請求項1〜18のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記ストリップを裏張りする半多孔質膜を備える、請求項1〜19のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 前記フェイスがほぼ赤道に向いて配置される、請求項1〜20のいずれかに記載の屋根または壁のフェイス。
- 実質的に、添付の図面を参照して本明細書中に記載され、そして添付の図面に示されるような、屋根または壁のフェイス。
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