JP2009024968A - 太陽熱集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】真空管式太陽熱集熱器は積雪後、除雪作業でガラス管を破損したり、上面が平面でない為、雪を完全に取り払う事が困難である事と、雪の凍結、解凍による膨張、収縮する事により、ガラス管1に応力がかかり、ガラス管１を破損させていた。ヘッダー2に流れる水の熱で融雪するに当たっても、ガラス管１内が真空の為、ヘッダー2以外は熱伝導は期待できず、積雪面、氷結面が凹凸の為、広い面積の雪、氷を溶かす事は困難であった。
【解決手段】従来の真空管式太陽熱集熱器の構造体を、少なくとも上面は板ガラスの直方体ケースの中に入れる事により、雪、氷が滑落し易く除雪作業を容易にし、ガラス管の破損を減少させる。融雪に当たっても、ヘッダー2内の水の熱はケース内にこもり、板ガラスを暖め、融雪を容易にする。本発明の構造にすれば、板ガラス、ガラス管１を破損しても破損片は前述の直方体ケース内にとどまり、屋根から落下の危険を防止する。
【選択図】図1

Description

本発明は屋根の上、屋上、あるいはテラスや陸上に太陽熱を吸収すべく配置させ、水、あるいは熱媒流体を循環させる回路を具備し、太陽光の輻射熱の流入の為、少なくとも上面が板ガラス面で、側面底面は断熱された平板式太陽熱集熱器、およびガラス管内に水、あるいは熱媒流体を循環させる回路を具備する真空管式、或いはガラス管式太陽熱集熱器に関する。

従来の太陽熱集熱器は少なくとも上面がガラス面で構成されているケース内に水、あるいは熱媒流体の循環する回路が収められた直方体ケース状の平板式太陽熱集熱器か、または水、あるいは熱媒流体の循環する回路が中に仕組まれた真空のガラス管が複数本並べられ、ヘッダー部分で連結された真空管式太陽熱集熱器がほとんどであった。
平板式太陽熱集熱器は上面がガラス板になっているため、太陽光輻射エネルギーはガラス面で一部を反射、あるいはガラス面に吸収されるが、その他の輻射エネルギーは直方体ケース内に入り、フィン、あるいはパイプ等を介し、循環回路内の水、または熱媒流体を加熱する。ケース内の構造物は昇温し、ガラス面から再放射、他の面からは熱伝導で放熱されるが、温室効果のためガラス面からの再放射量は少なく、また一般に平板式太陽熱集熱器の底面、および側面は断熱構造になっており、熱リークを減らし、集熱効率を上げている。

真空管式太陽熱集熱器についてはガラス製真空管内に水、あるいは熱媒流体を循環させるパイプにフィンをつけるか、あるいは集光反射面を付す等してパイプ内の水、または熱媒流体に太陽熱輻射エネルギーを熱伝達する。パイプ内に循環する水、または熱媒流体をガラス管内のパイプ全体に流さずガラス管内にヒートパイプを使用し、ヒートパイプ上部でヘッダー内を流れる水、または熱媒流体で凝縮させ、熱交換のシステムを作っているものも従来技術として存在する。

前述した真空管式太陽熱集熱器はガラス管内が真空になっているため、対流、伝導による熱リーク量が少なく、面積あたりの集熱効率は良いが、積雪地方では雪が積もった後、除雪作業でガラス管を破損したり、上面が平面でないため、雪をきれいに取り払う事が困難である事と、ガラス管と屋根瓦の間、ガラス管同士の間、或いはガラス管とヘッダーの間に入り込んだ雪が凍って、凍結による膨張により、ガラス管に応力がかかり、ガラス管を破損させる事が度々起きていた。
また平板式太陽熱集熱器の場合はケース内の水、あるいは熱媒流体を加熱循環させることによりケース上部の雪、あるいは氷を輻射、対流、伝導で溶かして取り除くことも出来たが、真空管式太陽熱集熱器の場合、ガラス管内が真空であるため、対流、伝導は期待できず、輻射のみであることと、積雪面、あるいは氷結面が凹凸のため広い面積の雪、氷を溶かさなければならないというハンディキャップがあった。
以上は積雪地域での従来の問題、課題であるが積雪地帯でない所でもガラス管に異物が当たり破損し、ガラス片が屋根から落下し、けが人を出した例もあり、危険視されていた。

また真空管式太陽熱集熱器のガラス管内を真空にすることは製造コストを高いものにする大きな要因でもあった。

真空のガラス管の中に水、または熱媒流体が入っている、あるいは流れているパイプ、またはフィン付きパイプを具備しているガラス管太陽熱集熱管を複数並べ、ヘッダー部で連結された構造体が直方体のケース内に配置され、少なくとも前述の直方体ケース上面は板ガラス、又は透過体平板面の構造の太陽熱集熱器とすることにより、積雪、氷結はケース上面の板ガラス、又は透過体平板面の上となるため、凍結による膨張、収縮があっても板ガラス、又は透過体平板面には応力はかかり難くする。即ち、上面が板ガラス、又は透過体平板のため雪、氷が滑り落ちやすくなるため積雪量、凍結量も少なくなる効果もあり、積雪地帯での真空管式太陽熱集熱器の破損を減少させる。積雪面、凍結面が平板となるため、前述の積雪面積、凍結面積も従来の真空管式集熱器よりも減らせ、水、あるいは熱媒の熱による融雪、解凍も容易となる。

又、前述したように真空ガラス管の製造に当たり真空引き、封印の余分のコストがかかる問題を解決するに関し、本案の上記の構造であれば、水、あるいは熱媒流体、及びそれを流すパイプは二重のガラスに囲まれて大気に接する事になり、十分な断熱されている事となり、ガラス管内を真空としなくとも、熱リーク量を減らす事もできる。

積雪、氷結はケース上面の板ガラス、又は透過体平板上となるため、凍結による膨張があってもガラス面には応力はかかり難くなる。
即ち、上面が平板のため雪、氷が滑り落ちやすくなるため積雪量、凍結量も少なくなる効果もあり、太陽熱集熱器上に積雪、凍結したものを取り除くにも太陽熱集熱器の上面は板ガラス、又は透過体平板面であるため、容易にすべり落とす事ができ、積雪地帯での真空管式太陽熱集熱器の破損を減少させることが出来るだけでなく除雪作業を容易にする。
積雪面、凍結面が平板となるため、前述の積雪面積、凍結面積も従来の真空管式集熱器よりも減らせる為、パイプ内の水、あるいは熱媒の熱による融雪、解凍も容易となる。
又、積雪と直接関係無く、ガラス管、或いは板ガラス、又は透過体平板が破損しても、前述の構造にすればガラス片、透過体破損片は直方体のケース内にとどまり、ガラス片、透過体破損片が屋根から落下するような事にはいたらない。

前述したように真空ガラス管の製造はコストがかかる問題を解決するのに関し、本案の前述の構造であれば、水、あるいは熱媒流体、及びそれを流すパイプは二重のケースに囲まれて大気に接する事になり、十分な断熱されている事となり、ガラス管内を真空としなくとも、熱リーク量を減らす事ができる為、製造低減することもできる。

以下、本発明に付いて図示の実施例に基づいて説明する。
図1は本発明の太陽熱集熱器の実施例としてヒートパイプ5をガラス管1の中に配置し、ガラス管1内を真空にした方式の例を示す斜視図である。又、図2は図1の並べられたガラス管1の軸方向に対して垂直面でカットされ、ヘッダー2で連結された側の反対方向から見た断面図である。
図3は図1の板ガラス9、断熱底板10、断熱側板11から構成されるケース内に配置されるガラス管1とヘッダー2で構成される構造体を示し、図4はヒートパイプ5の軸に沿った縦断面での断面図を示す。
積雪地域で雪が積雪した状態を示す図が図5と図6で、図5が本発明の太陽熱集熱器での積雪状態を示し、図6が従来の真空管式太陽熱集熱器での積雪状態を示す図である。
以下に板ガラス9から入った太陽光エネルギーがヘッダー2内を流れる水を加熱するメカニズムを前半で説明し、後半において、積雪地帯で使用された場合の本発明のメカニズム、メリットとその理由について図を用い説明する。
太陽熱集熱器はヘッダー2が斜め上になるように配置され、出来る限り太陽熱を多く、ガラス面から受けるように斜めに配置され、図4に示されるようにガラス管1、及びヒートパイプ5は斜めに傾斜する事となる。
斜め上面の方向から入ってくる太陽光は板ガラス9、断熱側板10、断熱底板11で構成されるケースの板ガラス9を通過し、ガラス管1を通過しヒートパイプ5、或いはヒートパイプフィン12に到達し、加熱する。
ヒートパイプ5、ヒートパイプフィン12の表面から熱はヒートパイプ5の内面に熱伝導し、ヒートパイプ内部に封入されているヒートパイプ熱媒体８を加熱する。
加熱されたヒートパイプ熱媒体８は気化し、ヒートパイプ5内を上部にのぼって行くと、図4に示されているようにヒートパイプ5上部はヘッダー内を流れている水に囲まれている。入口管3から入ってきた水はヒートパイプ熱媒体8を冷却し、即ち、水としては温められ出口管に出てゆくが、ヒートパイプ熱媒体8は冷却される事により凝縮され、液化する。
液化したヒートパイプ熱媒体8は重力の関係でヒートパイプ5内を内面に沿って斜め下の方向に流れて行き、又ガラス管1内で加熱され気化し、斜め上部に上ってゆく事を繰り返し、結果的に太陽光によりヘッダー2内を流れる水7を加熱し続けることとなる。

本発明の太陽熱集熱器に積雪した状態例を図5に示すが、積雪は板ガラス9の上に積雪しても、除雪作業時、上からガラス面に沿って積雪をすべり落とす事は板ガラス面が平らであるため容易である。
又、本発明の太陽熱集熱器はケース上には積もっても、断熱底板10と屋根瓦13の間には雪が入り難いだけでなく、入ってもなんら支障をきたさないのが特徴である。
然るに、従来の真空管式太陽熱集熱器の場合、図6に示すごとく、容易にガラス管1と屋根瓦13の間に積雪し、除雪作業中にガラス管に応力をかけ破損する場合もあるだけでなく、ガラス管1を破損させずに除雪作業を行っても、屋根瓦13は複雑な凹凸面となるため完全に除雪できない場合も多く、ガラス管1と屋根瓦13の間、及びガラス管1同士の間、或いはガラス管1とヘッダー2の間の積雪が凍結すると体積膨張でガラス管１を破損する。

又、本発明の太陽熱集熱器の場合、ヘッダー内に温水を流す事により板ガラス9と断熱底板10と断熱側板11で囲まれる空間に熱がこもり断熱底板10と断熱側板11は断熱されているため、ほとんどの熱は板ガラス9から逃げようとして上部の積雪を溶かし、除雪する事もできる。

自明ゆえ説明は省略

本発明の太陽熱集熱器の斜視図 本発明の太陽熱集熱器のガラス管軸と垂直面での断面図 従来の真空管式太陽熱集熱器 従来の真空管式太陽熱集熱器のガラス管軸を含む垂直面の断面図 本発明の太陽熱集熱器に積雪した状態の例を示す断面図 従来の真空管式太陽熱集熱器に積雪した状態の例を示す断面図

符号の説明

1 ガラス管
2 ヘッダー
3 入口管
4 出口管
5 ヒートパイプ
6 真空スペース
7 水
8 ヒートパイプ熱媒体
9 板ガラス、又は透過体平板
10 断熱底板
11 断熱側板
12 ヒートパイプフィン
13 屋根瓦

Claims (1)

1. ガラス管の中に水、または熱媒流体が入っているフィン付きパイプ、またはフィンを有しない場合は太陽光反射面をガラス管の中、或いは外に具備し、パイプをガラス管内に具備し、パイプとガラス管の間の空間は真空、或いは気体が入っているガラス管太陽熱集熱管を複数並べ、複数並べられたガラス管をヘッダー部で連結したものが直方体のケース内に配置され、少なくとも前述の直方体ケース上面は板ガラス、又は透過体平板面の構造の太陽熱集熱器。

Images