JP2010002167A

JP2010002167A - 太陽熱集熱器

Info

Publication number: JP2010002167A
Application number: JP2008235241A
Authority: JP
Inventors: Hideji Nishihara; 秀次西原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-01-07
Also published as: EP2123992A2; US20090288657A1

Abstract

【課題】従来の太陽熱温水器は、重量が重く、持ち運びが大変であった。水道直結が出来ず、出湯圧力が弱く、ボイラーと接続する場合は加圧ポンプが必要であった。貯湯槽内部で水が空気に触れ黒かびが発生し、不衛生であった。貯湯槽が飛び出しているのでデザイン的に不恰好であった。このため太陽熱機器の普及を妨げていた。
【解決手段】筒状のステンレス管の両端末に鏡板Ｇを接合した集熱管Ｂを複数本並列に配置し、上下の鏡板Ｇをヘッダー管Ｃで接合する事により一体化し、集熱管Ｂに太陽熱選択吸収膜を処理した通水部を、断熱材で集熱面側を開放して作った保温箱Ｄの中に、集熱管Ｂの集熱面と反対面が保温箱Ｄの断熱材と接触するように収納した後、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体Ａで集熱管Ｂと接触しないように蓋をした構造としたことを特徴とする太陽熱集熱器により課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽エネルギーを温水にする太陽熱集熱器に関するものである。

従来の太陽集熱温水器は図５のごとく、透過体をガラス板３とし、集熱部１をステンレス板９の張り合わせ構造とし、底面及び側面をグラスウール断熱材４で保温し、発泡スチロール断熱材８で保温されたポリエチレン製の貯湯槽５と連結し、金属板２で外装してあった。
従来の太陽集熱温水器の集熱器の断面は図６のごとく、透過体をガラス板３とし、集熱部１はステンレス板９を張り合わせて中空にし、通水できるようにして、集熱面に黒色塗料による太陽熱選択吸収膜を処理し、底面及び側面にグラスウール断熱材４を設け、金属板２で外装していた。

図５のごとく、水道水は水洗トイレで多用されているボールタップ６の給水口７に接続され、集熱部１と貯湯槽５を満水にするように水位調整され、水は集熱部１で太陽エネルギーにより加温され、暖められた温水は貯湯槽５に保存され、冷たい水と入れ替わる自然循環構造となっていた。
出湯は出湯口１０で貯湯槽５の上部から供給され、同量の水がボールタップ６により補給される構造となっていた。

以上のようなタイプの太陽集熱温水器における他の例としては、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる集光式太陽熱温水器が提案されている（特許文献１参照）。この例にあっても、太陽熱集熱器と貯湯槽とが別々に設けられた構成になっている。
特開２００４−２０５０６２号公報（第１頁、第１図）

このような従来の太陽熱温水器を設置した場合、
（１）透過体がガラス板３であるため重量が重く持ち運びが大変であった。
（２）集熱部１は図６のようにステンレス板９の張り合わせのため、水圧に弱く、直接水道圧を加えると変形してしまうのでボールタップ６で水道水を受け、水道水と切り離す必要があった。
（３）ボールタップ６による給水方式であるので、出湯圧力は貯湯槽５の水面と蛇口との高低差のみになり、出湯圧力が弱かった。
（４）出湯圧力が弱いので、シャワーで水道水と混合した場合は水が逆流する危険があり、また、給湯ボイラーと接続する場合は、加圧ポンプを増設する必要があった。
（５）貯湯槽５内部では水面と空気が接触するので黒カビが発生し、太陽熱温水器のお湯は非常に不衛生であった。
（６）貯湯槽５は図５のごとく飛び出しているので設置後のデザインが悪かった。
これらの理由により太陽熱システムの普及を妨げていた。

太陽エネルギーを温水にする箱状の太陽熱集熱器において、筒状のステンレス管の両端末に鏡板（異径金属管を接合する為の部品）を接合した集熱管を複数本並列に配置し、上下の鏡板をヘッダー管（分岐接続管）で接合する事により一体化し、集熱管に太陽熱選択吸収膜（太陽エネルギーを吸収しやすく放熱しにくい特性を持つ薄膜）を処理した通水部を、断熱材で集熱面側を開放して作った保温箱の中に、集熱管の集熱面と反対面が保温箱の断熱材と接触するように収納した後、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体で集熱管と接触しないように蓋をした構造としたことを特徴とする太陽熱集熱器により上記の問題を解決しようとするものである。

また、本発明に係る太陽熱集熱器の一形態によれば、前記集熱管の反対面に接触する断熱材が、真空断熱材であることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る太陽熱集熱器の一形態によれば、空気の対流現象を抑制するように、前記集熱管が並べられて生じる該集熱管同士の隙間が、シール材によって気密されていることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る太陽熱集熱器の一形態によれば、前記集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体によって構成される蓋には、中空の中間層が設けられていることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る太陽熱集熱器の一形態によれば、前記中空の中間層が減圧状態に気密されて設けられていることを特徴とすることができる。

本発明により、
（１）受熱面のガラス板を多層樹脂板にする事により、重量を大幅に削減することができる。また、集熱管Ｂで貯湯するので、従来の貯湯槽が不要になり、全体の重量を大幅に軽減する事ができる。
（２）水道水と接触する通水部が管構造のステンレス集熱管Ｂ、鏡板Ｇ、及びヘッダー管Ｃであるので、水道圧に十分耐えることが出来るようになり、変形の恐れが無くなり、水道直結出来るようになる。
（３）水道直結が出来るようになるので、ボールタップを使う必要が無くなり、出湯圧力は水道圧と同等と強くなる。
（４）水道直結が出来るようになるので圧力不足は解消され、シャワーで水と混合しても逆流は無くなり、加圧ポンプが不要となる。
（５）貯湯槽が不要で、水が空気と触れないので、黒かびは発生せず衛生的になる。
（６）貯湯槽が無くなるのでデザイン的にすっきりし、美観が良くなる。
このように、従来の太陽熱温水器の問題点を全て解決できるようになる。今回の発明の、特に重要な技術は、軽量化、水道直結、保温であり、これらを全て解決する技術内容となっている。

実施の形態は、まず、図２のように、筒状のステンレス管の端末に鏡板Ｇを接合した集熱管Ｂを複数本並列に配置し、上下の鏡板Ｇをヘッダー管Ｃで結合する事により一体化した通水部を造り、集熱管Ｂの集熱面に太陽熱選択吸収膜を処理し、図１のように断熱材で集熱面側を開放して作った保温箱（以下、断熱箱とも記す）Ｄの中に集熱管Ｂの集熱面と反対面が保温箱Ｄの断熱材と接触するように通水部を収納し、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体Ａで集熱管Ｂと接触しないように蓋をすることにより本発明の太陽熱集熱器が完成する。

図１では細部の形態が見えない部分があるので、図３の横断面図で説明すると
集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体Ａがあり、その下が空気層、集熱面側に選択吸収幕を処理した集熱管Ｂ、集熱管の集熱面と反対面を断熱材Ｆに接触させ、断熱箱Ｄに収納した構造になる。

図４は縦断面図で、下部から説明すると、下部ヘッダー管Ｃ、鏡板Ｇが、筒状のステンレス集熱管Ｂ、鏡板Ｇ、上部ヘッダー管Ｃが接合され、通水部を構成している。この集熱管Ｂの集熱面を選択吸収膜処理し、集熱面の反体面を断熱材Ｆと接触するように断熱箱Ｄに収納し、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体Ａで蓋をした構造となっている。

実施例としては、
まず、図２のように、板厚０．５ｍｍ、直径７０ｍｍの筒状のステンレス管の端末に漏斗（じょうご）のような形状の鏡板Ｇを接合した長さ９００ｍｍの集熱管Ｂを５本用意し、並列に並べ、上下の鏡板Ｇを直径２０ｍｍのヘッダー管Ｃで溶接し、一体化した通水部を作成する。
これにより、通水部全てが筒構造となり、耐圧力が通常水道圧０．５Ｍｐａの２倍の１．０Ｍｐａに耐えうる、貯湯量約２０リットルを持つ通水部が完成する。
集熱管Ｂの集熱面に黒色塗料もしくはクロム系の真空蒸着膜で太陽熱選択吸収膜を処理する。

図３の断面図のように、発泡ウレタン断熱材で底面、側面を囲い、集熱面を開放した、厚さ１０ｍｍ、深さ８０ｍｍ、幅４００ｍｍ、長さ１０００ｍｍの断熱箱Ｄを作成する。
断熱箱Ｄの底部に厚さ３０ｍｍのグラスウール断熱材Ｆを敷きこみ、集熱管Ｂの集熱面の反対面と断熱材Ｆが接触するように収納する。
これにより、集熱管Ｂの裏面外周の対流による放熱を防止できるようになり、対流による放熱を半減する効果がある。

集熱面側に透明な厚さ１０ｍｍ、幅４００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのポリカーボネート複層樹脂板Ａを取り付け、集熱管Ｂに接触しないように蓋をする。
軽量化するために透明なポリカーボネートの樹脂板を採用するにあたり、単層シートでは受熱面の積雪等の圧力に耐える事が出来ないので複層化したポリカーボネート複層樹脂板の透過体Ａにする事により、耐圧力を増した透過体となる。
これにより本発明の太陽熱集熱器が完成する。
また、断熱箱Ｄと断熱材Ｆを発泡ウレタンの一体成型で、集熱管Ｂの裏面と形状を合わせて造る事により集熱管Ｂの裏面に接触させる断熱箱Ｄとすることも出来る。

実際の温水の流れを図２で説明すると、下部ヘッダー管Ｃの入水口Ｈに水道水を接続し下部ヘッダー管Ｃの反対口Ｉをキャップ部品で封印する、上部ヘッダー管Ｃの出湯口Ｋを下部ヘッダー管入水口Ｈと対角線上に設け、上部ヘッダー管Ｃの反対口Ｊをキャップ部品で封印して、出湯口Ｋからお湯を出るように配管し、入水口Ｈから集熱部に水を補給する事により太陽集熱器として使うことが出来るようになる。
集熱管Ｂが太陽熱により温められ、集熱管Ｂの内部でお湯が貯湯されるようになる。出湯口Ｋの蛇口を開ける事により満水だった温水が順次、下部ヘッダー管Ｃ側から上部に水圧により押し出され、効率よく出湯するようになる。

図３および図４のごとく、貯湯した温水の放熱を防止する為に、表面からの放熱は透明のポリカーボネート多層樹脂板の透過体Ａで保温し、底面および側面からの放熱はグラスウールよりも断熱性のある発泡ウレタン断熱材で構成された保温箱Ｄで保温する。さらに、集熱管Ｂの外周の対流による放熱を防止するために集熱管Ｂの集熱面と反対の裏面を断熱材Ｆに接触させて、対流放熱を防止し、温度低下を最小限にするようにしている。
したがって、本発明の太陽集熱器で従来の太陽熱温水器の機能を十分満足することが出来るようになる。
以上のように保温性能を高めることで、集熱管Ｂを主体とする通水部自体を貯湯槽として一体的に用いることができる。このような本発明の構成によれば、太陽熱温水器の軽量化とコンパクト化を実現しつつ、その性能を向上することができる。

次に、図７に基づいて、本発明に係る太陽熱集熱器の他の実施例（実施例２）について説明する。図７は実施例２の横断面図である。
Ｌは真空断熱材であり、集熱管Ｂの反対面に接触する断熱材になっている。
このように集熱管Ｂが、真空断熱材Ｌに接していることで、適切に支持されると共に、接触による伝導伝熱作用を抑えて断熱効果を格段に高めることができる。このため、太陽熱集熱器の保温性能を格段に向上できる。

また、この実施例２では、断熱箱Ｄの底面の断熱材が、上層の真空断熱材Ｌと下層の一般的なグラスウール断熱材（断熱箱Ｄ）の二層に設けられている。さらに、矩形外枠の上下左右の内側面に、一般的なグラスウール断熱材が張られているが、これに限定されるものではなく、前述の底面と同様に真空断熱材を利用してもよい。

また、図７に示すように、空気の対流現象を抑制するように、集熱管Ｂが並べられて生じるその集熱管Ｂ同士の隙間が、シール材Ｍによって気密されている。なお、集熱管Ｂの上下の端部である鏡板Ｇが位置する断熱箱Ｄ内の上下の部分であって、隣り合う鏡板Ｇ同士の間のスペースと、鏡板Ｇと断熱箱Ｄの内側面との間のスペースについては、空気の流通を阻止するように、例えば図４に示すような状態に断熱材Ｆによって塞がれた形態になっているとよい。
これによれば、隣り合う集熱管Ｂ同士、シール材Ｍ及び真空断熱材Ｌによって囲まれた部分が閉空間になるため、空気の対流現象が抑制され、断熱性能を向上できる。

さらに、図７に示すように、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体Ａによって構成される蓋には、中空の中間層Ａ１が設けられている。これによれば、太陽光の透過による集熱効果を妨げず、伝熱作用を抑制して保温効果を高め、太陽熱集熱器の性能を向上できる。
また、中空の中間層Ａ１が減圧状態に気密されて設けられていることで、その保温効果をさらに高めることができる。

以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

本発明の太陽熱集熱器の構造図である。本発明の太陽熱集熱器の通水部の外形図である。本発明の太陽集熱器の横断面図である。本発明の太陽熱集熱器の縦断面図である。従来の太陽熱温水器の構造図である。従来の太陽熱温水器の集熱器の横断面図である。本発明の太陽集熱器に係る他の形態例を示す横断面図である。

符号の説明

Ａ透明なポリカーボネート多層樹脂板の透過体
Ａ１中空の中間層
Ｂ集熱管
Ｃヘッダー管
Ｄ断熱箱
Ｅ外枠
Ｆ断熱材
Ｇ鏡板
Ｈ下部ヘッダー管Ｃの入水口
Ｉ下部ヘッダー管Ｃのキャップ
Ｊ上部ヘッダー管Ｃのキャップ
Ｋ上部ヘッダー管Ｃの出湯口
Ｌ真空断熱材
Ｍシール材
１集熱部
２金属板
３集熱透過体
４グラスウール断熱材
５貯湯槽
６ボールタップ
７給水口
８発泡スチロール断熱材
９ステンレス板
１０出湯口

Claims

太陽エネルギーを温水にする箱状の太陽熱集熱器において、
筒状のステンレス管の両端末に鏡板（異径金属管を接合する為の部品）を接合した集熱管を複数本並列に配置し、上下の鏡板をヘッダー管（分岐接続管）で接合する事により一体化し、集熱管に太陽熱選択吸収膜（太陽エネルギーを吸収しやすく放熱しにくい特性を持つ薄膜）を処理した通水部を、断熱材で集熱面側を開放して作った保温箱の中に、集熱管の集熱面と反対面が保温箱の断熱材と接触するように収納した後、集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体で集熱管と接触しないように蓋をした構造としたことを特徴とする太陽熱集熱器。
前記集熱管の反対面に接触する断熱材が、真空断熱材であることを特徴とする請求項１記載の太陽熱集熱器。
空気の対流現象を抑制するように、前記集熱管が並べられて生じる該集熱管同士の隙間が、シール材によって気密されていることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽熱集熱器。
前記集熱面側に透明な複層樹脂板の透過体によって構成される蓋には、中空の中間層が設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の太陽熱集熱器。
前記中空の中間層が、減圧状態に気密されて設けられていることを特徴とする請求項４記載の太陽熱集熱器。