JP2010190498A - プラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】非稼働時に落水することができ、熱膨張を吸収し、且つ構造が簡単で、設置が容易で安価に製造でき、太陽熱集熱効率が良い実用的なプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムを提供する
【解決手段】太陽熱集熱器に水を供給する揚水ポンプと、流量を調節するための流量調節弁と、太陽熱を吸収し水を加温する太陽熱集熱器と、加温された水を貯蔵する貯湯槽と、からなる太陽熱集熱システムに於いて、前記太陽熱集熱器は、プラスチックフィルムのシームレスチューブを平たく押しつぶして袋帯状の２枚重ねシートとし、前記袋帯状の２枚重ねシートの中間部分の上下のフィルム間を部分的に融着し、水が薄層状になって流れるように配備した袋帯状集熱ユニットの両端を、上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプとの間に設けられた複数対の相互に対向するヘッダーパイプ継手に水密に融着してなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽熱集熱器に係り、より詳しくは、プラスチックフィルムを用いて形成した太陽熱集熱器を用いて水を加熱するプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムに関する。

地球温暖化対策の一環として太陽熱利用の拡大が推奨されている。太陽熱の直接的な利用方法の一つとして、太陽熱によって水を温めてそのエネルギーを利用する太陽熱集熱器がある。
従来の強制循環型太陽熱集熱システムは、例えば太陽熱を吸収し水を加温する太陽熱集熱器と、貯湯槽と、揚水管と、揚水ポンプと、太陽熱集熱器で加温された水を貯湯槽に供給する戻りパイプと、を含んで構成され、太陽光を透明な外板を透過させて集熱板を加熱し、中の水を熱媒として用いて収集した太陽エネルギーを、例えばそのまま温水として利用し、或は暖房その他の種々の用途に使用するものである。従来の太陽熱集熱器は金属製やプラスチック製の浅い容器をガラスで覆った堅固なものであり、重量が大きく、高価なものであったため設備投資が高くつき、灯油、ガス等を燃料とするボイラーよりエネルギー単価が高くつくものであった。

太陽熱集熱器の性能はＪＩＳ Ａ ４１１２「太陽集熱器」（非特許文献１を参照）に規定され、その試験方法はＪＩＳ Ａ ４１２５「太陽集熱器の集熱性能試験方法」（非特許文献２を参照）に記載されている。

新しい太陽熱温水器として、透明なプラスチックを用いた太陽熱集熱器が開示されている（例えば特許文献１参照）。しかし、開示されている装置はキャンプなどに使う携帯用のものであり、長期使用できる実用的なものではない。また、透明で大型のプラスチック板は高価なものである。

プラスチック製の熱交換器を用いた太陽熱温水器が報告されている（例えば特許文献２を参照）。しかし、プラスチックは熱伝導率が低いので太陽熱集熱器としての性能は満足いくものではなかった。

太陽熱集熱器は、非稼働時に内部に水が残っていると、冬季は水が凍って太陽熱集熱器が破裂するので、非稼働時には内部を排水しなければならない。又、内部が凍らないようにするために不凍液を使用すると高価になる。更に、プラスチックは金属よりも熱膨張率が大きく、プラスチック製の太陽熱集熱器は、冷却された非稼働時から、稼働して加熱されると熱膨張するので、プラスチック製の太陽熱集熱器はこの膨張を吸収する装置が必要である。

特開平５−７９７０６ 特開２００７−６４５８９

ＪＩＳ Ａ ４１１２−１９９５「太陽集熱器」 ＪＩＳ Ａ ４１２５−２０００「太陽集熱器の集熱性能試験方法」

本発明は、非稼働時に落水し、熱膨張を吸収し、且つ構造が簡単で、安価に製造でき、設置が容易で、太陽熱集熱効率が良い実用的なプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するための本発明のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムは、
太陽熱を吸収し水を加温する太陽熱集熱器と、貯湯槽に貯留された水を揚水管を通じて太陽熱集熱器に供給する揚水ポンプと、水の流量を調節する流量調節弁と、太陽熱集熱器で加温された水を貯湯槽に供給する戻りパイプと、を含んで構成される太陽熱集熱システムに於いて、
太陽熱集熱器は、パネルの上部に設けられたプラスチック製の上部ヘッダーパイプと、パネルの下部に、水を流すための傾斜を持って設けられたプラスチック製の下部ヘッダーパイプと、複数対の、上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプとの間に設けられ相互に対向するヘッダーパイプ継手と、相互に対向するヘッダーパイプ継手を水密に連結する複数の暗色のプラスチックフィルム製の袋帯状集熱ユニットと、を有することを特徴とする。

また、本発明の袋帯状集熱ユニットは、プラスチックフィルムのシームレスチューブを平たく押しつぶして袋帯状の２枚重ねシートとし、袋帯状の２枚重ねシートの両端を互いに対向するヘッダーパイプ継手に水密に融着し、袋帯状の２枚重ねシートの中間部分を集熱部分とする。集熱部分は上下のフィルム間を部分的に融着し、水が薄層状になって流れるように配備することが好ましい。

また本発明は、上部ヘッダーパイプにの最高位置より位置に開口するエア抜き管をもうけるのがよい。これにより揚水ポンプが停止した場合に、太陽熱集熱器中の水を貯湯槽に落水させ、又、揚水ポンプの稼働時に、太陽熱集熱器にヘッド圧を付与するために十分な長さを有するエア抜き管を上部ヘッダーパイプに垂設することが好ましい。

また本発明は、上部ヘッダーパイプの上流側の末端部は、固定装置によってパネルに固定され、上部ヘッダーパイプの下流側は、複数個所に於いて、太陽熱集熱器の熱膨張時に水平移動が可能な保持装置に保持され、下部ヘッダーパイプは、上部ヘッダーパイプの上流側の末端部に対応する一側でパネルに固定され、他側は袋帯状集熱ユニットによって上部ヘッダーパイプに吊着されることが好ましい。

本発明のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムは、上部ヘッダーパイプと下部ヘッダーパイプとの間に設けられ相互に対向するヘッダーパイプ継手と、相互に対抗するヘッダーパイプ継手を水密に連結する複数の暗色のプラスチックフィルム製の袋帯状集熱ユニットと、を有する。太陽熱集熱器がプラスチックパイプとプラスチックシートから構成されているので軽量であり、構造が簡単で、安価に製造することができる。また容易に大型化することができる。

本発明の太陽熱集熱器は、プラスチックシートを使用し、プラスチックシートに太陽熱を吸収させてプラスシチックシートの温度を上昇させ、その熱で水を効率よく温めることができる。
プラスチックの熱伝導率は銅と比較すると１／１７００であり、プラスチック製太陽熱集熱器は、材料の厚さが集熱効率に直接影響する。従来のプラスチック製の太陽熱集熱器は、厚さ１．５ｍｍのパイプをヘッダー管に熱融着して集熱しているが、本発明の太陽熱集熱器はプラスチックフィルムを使用して集熱効率を上げることができる。例えば、本発明の１実施例によれば、単位面積当たりの集熱量がＪＩＳ基準値の１．７倍を有する太陽熱集熱器を、容易且つ安価に製造できた。

上部ヘッダーパイプにエア抜き管を付けたことによって、揚水ポンプの稼働時に、太陽熱集熱器にヘッド圧を付与し、集熱ユニットに均一に水を流下させ、揚水ポンプが停止した場合に、太陽熱集熱器中の水を貯湯槽に自然落水させて凍結を防ぐことができる。従って、寒冷地においても不凍液や熱交換器を使用せずに太陽熱集熱器を設置することができる。

太陽熱集熱器は、大型になると温度差によって熱膨張する。本発明の太陽熱集熱器は、上部ヘッダーパイプの上流側端末部と、対応する下部ヘッダーパイプの下流側とを固定装置で固定し、上部ヘッダーパイプの下流側と下部ヘッダーパイプの上流側とを移動可能に配備したので、熱膨張による影響を受けなくなった。

従来の太陽熱集熱器は、重く堅牢なものであったので、工場で製造したものをそのまま運搬しなければならず、集熱面積が２〜３ｍ^２以上の太陽熱集熱器を設置するのには困難が伴った。本発明の太陽熱集熱器は、工場で製造した後、上部ヘッダーパイプ１２と下部ヘッダーパイプ１３に袋帯状集熱ユニット１６を巻きつけて出荷し、設置現場で展伸すればよいので、組付け時の材料の輸送と工事が容易になり、太陽熱集熱器の大型化が可能になった。例えば、本発明の１実施例によれば、集熱面積が２４ｍ^２である太陽熱集熱器を、容易且つ安価に製造できた。

本発明の一実施形態に係るプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムの概略を示す模式図である。 （Ａ）は本発明の１実施例に係る袋帯状集熱ユニットの正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ、ａ断面図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係るプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱機を示す概観正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に記載する。この記載は本発明を説明するためのものであって、この記載によって本発明の技術範囲を限定するものではなく、本発明の技術範囲から逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することが可能である。

図１は本発明の一実施形態に係るプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムの概略を示す模式図である。
図１に示すように、本発明のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム１は、太陽熱を吸収して水を加温する太陽熱集熱器２と、貯湯槽４に貯留された水を揚水管７を通じて太陽熱集熱器２に供給する揚水ポンプ６と、水の流量を調節する流量調節弁１９と、太陽熱集熱器２で加温された水を貯湯槽４に供給する戻りパイプ１４と、を含んで構成される。水は揚水ポンプ６により貯湯槽４の下部より太陽熱集熱器２の上部に給水され、自然落下して貯湯槽４に戻る機構である。熱媒として用いる水の水質は特に限定されないが、例えば水道水や地下水を貯湯槽に貯水して用いることが好ましい。
貯湯槽４に水を供給するための給水栓及び／又は温水を取り出すための温水栓を設けることができる。

太陽熱集熱器２は、例えば、所定の傾斜を有するパネル１１に配設された装置であって、上部にプラスチックパイプである上部ヘッダーパイプ１２が設けられ、下部にプラスチックパイプである下部ヘッダーパイプ１３が水を流すための傾斜を持って設けられる。水を流すための傾斜とは、例えば１／５０〜１／１００の傾斜である。

上部ヘッダーパイプ１２と下部ヘッダーパイプ１３との間に相互に対向するように複数のヘッダーパイプ継手２０が突設され、複数のプラスチックフィルム製の袋帯状集熱ユニット１６が水密に連結される。
袋帯状集熱ユニット１６の材質は、耐用温度が１１０℃以上であり、太陽光線を吸収し、紫外線で劣化せず、耐水性のあるプラスチックフィルムであることが好ましい。

図２の（Ａ）は本発明の１実施例に係る袋帯状集熱ユニットの正面図であり、図２の（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ断面図である。
図２（Ａ）に示すように、袋帯状集熱ユニット１６は、インフレーション成型法で製造された熱可塑性プラスチックのシームレスチューブを押しつぶして袋帯状の２枚重ねのシートにし、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように袋帯状の２枚重ねシートの中間部分の上下のフィルム間を部分的に上下に融着して、水が薄層状に流れるように配備したものである。

２枚重ねシートの中間部分の上下のフィルム間を部分的に上下に融着する方法は、水が薄層状に流れるように配備したものであれば形状は任意であるが、例えば、図１、２に示すように、所定の間隔を持って並べられた多数のドット状の融着部を有する形態や、後述する図３に示す多数の線状の融着部を有する形態や、袋帯状集熱ユニット１６側端から一定間隔で所定位置までの線状の融着部を交互に形成して水が蛇行状態で流通する流路を形成した形態（図示しない）を例示することができる。

図２（Ａ）に示すように、袋帯状のチューブと嵌合するような口径のヘッダーパイプ継手２０を上部ヘッダーパイプ１２と下部ヘッダーパイプ１３とに対向するようにバット融着して設け、ヘッダーパイプ継手２０を加熱して表面を融解させ、袋帯状のチューブを熱融着して冠着することによって、ヘッダーパイプ継手２０と袋帯状集熱ユニット１６とを水密に融着することができる。ここで、バット融着とは、融着する双方の樹脂の表面をヒーターで暖めて融解し、突き合わせて圧力を加えることにより接続する方法である。

上部ヘッダーパイプ１２に、揚水ポンプ６が停止した場合に太陽熱集熱器２中の水を貯湯槽４に落水させ、又揚水ポンプ６の稼働時に、太陽熱集熱器２にヘッド圧を付与するための所定の長さを有するエア抜き管１５を垂設することが好ましい。

上部ヘッダーパイプ１２の上流側末端部は、固定装置１７によってパネル１１に固定され、下流側は複数個所に於いて伸縮時の水平移動が可能な保持装置１８に保持されることが好ましい。

下部ヘッダーパイプ１３は、上部ヘッダーパイプ１２に設けられた固定装置１７の下方で固定装置１７によってパネル１１に固定され、他側は袋帯状集熱ユニットによって上部ヘッダーパイプに吊着され、伸縮時の水平移動が可能に設置されることが好ましい。
下部ヘッダーパイプ１３の上流側末端部は封止され、下流側末端部は戻りパイプを介して貯湯槽４に連結されることが好ましい。

本発明のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム１は、太陽熱集熱器２に高温側温度センサー２１を備え、貯湯槽４に低温側温度センサー２２を備え、更に図示しない制御装置を備えることが好ましい。

次に、図１を参照して本発明の１実施形態に係るプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム１の動作を説明する。
太陽熱集熱器２に太陽光が当たり、太陽光は透過フィルム２６を通って袋帯状集熱ユニット１６を加熱し、太陽熱集熱器２に設けた高温側温度センサー２１と貯湯槽４に設けた低温側温度センサー２２との温度差が所定温度以上になると、図示しない制御基板が揚水ポンプ６を始動する。揚水ポンプ６を始動する温度差は任意に決めることができるが、好ましい例として、高温側温度センサー２１と低温側温度センサー２２との温度差が４〜１０℃以上とすることができる。

水は貯湯槽４の下部から、揚水管７を通って上部ヘッダーパイプ１２に送られる。上部ヘッダーパイプ１２に垂設されたエア抜き管１５は、揚水ポンプが停止した場合に太陽熱集熱器２内部の水を貯湯槽４に排水し、外気温度に関係なく太陽熱集熱器２内部に水が残らないようにする。

揚水ポンプ６から供給された水は、上部ヘッダーパイプ１２のエア抜き管１５の中間まで上昇するように、水量を流量調節弁１９で調節されることが好ましい。
エア抜き管１５の中の水面２４が上昇するにつれて、太陽熱集熱器２内部のヘッド圧が上昇し、ヘッド圧が上昇するにつれて水の流量が太陽熱集熱器を流れる水の流量が増加する。水面２４が所定の高さに到達すると、太陽熱集熱器２内部のヘッド圧が均一になって各袋帯状集熱ユニットを流れる水の水量が均一になる。

水は上部ヘッダーパイプ１２の下流に向けて等間隔に設けられたヘッダーパイプ継手２０によって略均等に分流され、袋帯状集熱ユニット１６を通りながら太陽熱によって加温され、対向する下部ヘッダーパイプ１３に設けられたヘッダーパイプ継手２０を通り、下部ヘッダーパイプ１３から戻りパイプ１４を介して貯湯槽４に戻される。

太陽が陰り、太陽熱集熱器２に設けた高温側温度センサー２１と貯湯槽４に設けた低温側温度センサー２２との温度差が所定の温度、例えば２℃〜４℃以下になった場合、制御基板が揚水ポンプ６を停止するように設定することができる。揚水ポンプ６を停止することによって、エア抜き管１５から空気が入って、太陽熱集熱器２中の水が貯湯槽４に流れ落ちて排水され、太陽熱集熱器２の凍結を防止することができる。

図３（Ａ）は本発明の一実施形態に係るプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システムを示す概観正面図であり、（Ｂ）は側面図である。
本実施形態のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム５０は、例えば農業用ビニルハウスの暖房に用いる大型の太陽熱暖房機であって、図３（Ｂ）に示すように、耐食加工した直径４８．６ｍｍの金属パイプを三角形に組んで複数個並設した支持手段５１に太陽熱集熱器２を懸架し、支持手段５１内部に形成された空間に貯湯槽４を設置した。

図３（Ａ）に示すように、中央に揚水管７を立ち上げ、上部ヘッダーパイプ１２を両側の振り分ける構造にした。これによって、下部ヘッダーパイプ１３を傾斜させるために生じる集熱面積の減少を防ぎ、袋帯状集熱ユニット１６の面積を大きくすることができた。

太陽熱集熱器２より低い位置に貯湯槽４を設置し、貯湯槽４の下部と上部ヘッダーパイプ１２との間に揚水ポンプ６と流量調節弁１９とを取り付け、上部ヘッダーパイプ１２にエア抜き管１５を垂設した。

太陽熱集熱器２は、幅５ｃｍで長さ２．８ｍのインフレーション成型した厚さ０．２〜０．２６ｍｍの黒色のフィラーの入った熱可塑性汎用樹脂のフィルム製の袋帯状集熱ユニット１６を上部ヘッダーパイプ１２と下部ヘッダーパイプ１３との間に融着し、太陽熱集熱器２の表面は厚さ１００μｍのポリテトラフロロエチレンフィルム製の透過フィルム２６で覆い、背部は厚さ１５ｍｍの繊維補強されたＦＲＰハニカムサンドイッチパネルで覆い更にアルミ箔で覆った厚さ２０ｍｍの発泡スチレンの断熱材２５を内側に張りパネル１１として用いて、縦３ｍ、横９ｍの太陽熱集熱器２を製造した。温められた温水は戻りパイプ１４を介して貯湯槽４へ到達した。水の流量は揚水ポンプ６に設けた流量調節弁１９で調節した。

図示しない高温側温度センサー２１と貯湯槽４に設けた低温側温度センサー２２との温度差が７℃以上になった場合に、揚水ポンプ６の運転を開始し、４℃以下になった場合には揚水ポンプ６の運転を停止して太陽熱集熱器２の中の水を貯湯槽４に落水させた。

本実施例の集熱器に対し、ＪＩＳ−４１１２−１９９５「太陽集熱器」に記載された項目の集熱性能、及びＪＩＳ−４１２５−２０００「太陽集熱器の集熱性能試験方法」に記載された方法に準じて集熱性能試験を行った。
結果は、本実施例のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム５０の集熱特性は、
ｙ＝−１０８．１２ｘ^２−０．１３８５ｘ＋０．７４１６
Ｒ^２＝０．９７４２
であった。
ＪＩＳ−４１１２が規定する集熱量の計算値を表１に示す。

ＪＩＳ−４１１２が規定する太陽集熱装置の規格適合値は、日射量５８１４ｗ・ｈ／ｍ^２、日の評価基準日射量の場合は、集熱量はΔθ＝１０Ｋの条件の時に２３２６ｗ・ｈ／ｍ^２、日である。この条件に於ける本実施例のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム５０の集熱量は、表１によれば３９６５ｗ・ｈ／ｍ^２、日であり、ＪＩＳ規格基準値の１．７倍であり、本実施形態によるプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱装置はＪＩＳ規格に適合するものであった。

１ プラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム
２ 太陽熱集熱器
４ 貯湯槽
６ 揚水ポンプ
７ 揚水管
１１ パネル
１２ 上部ヘッダーパイプ
１３ 下部ヘッダーパイプ
１４ 戻りパイプ
１５ エア抜き管
１６ 袋帯状集熱ユニット
１７ 固定装置
１８ 保持装置
１９ 流量調節弁
２０ ヘッダーパイプ継手
２１ 高温側温度センサー
２２ 低温側温度センサー
２３ 制御装置
２４ 水面
２５ 断熱材
２６ 透過フィルム
５０ プラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム
５１ 支持手段

Claims (4)

1. 太陽熱を吸収し水を加温する太陽熱集熱器と、水を揚水管を通じて前記太陽熱集熱器に供給する揚水ポンプと、水の流量を調節する流量調節弁と、前記太陽熱集熱器で加温された水を貯湯槽に供給する戻りパイプと、を含んで構成される太陽熱集熱システムであって、
   前記太陽熱集熱器は、パネルの上部に設けられたプラスチック製の上部ヘッダーパイプと、前記パネルの下部に、傾斜を持って設けられたプラスチック製の下部ヘッダーパイプと、複数対の、前記上部ヘッダーパイプと前記下部ヘッダーパイプとの間に設けられ相互に対向するヘッダーパイプ継手と、前記相互に対向するヘッダーパイプ継手を水密に連結する複数のプラスチックフィルム製の袋帯状集熱ユニットと、
   を有することを特徴とするプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム。
2. 前記袋帯状集熱ユニットは、プラスチックフィルムのシームレスチューブを平たく押しつぶして袋帯状の２枚重ねシートとし、前記袋帯状の２枚重ねシートの両端を前記互いに対向するヘッダーパイプ継手に水密に融着し、前記袋帯状の２枚重ねシートの中間部分の上下のフィルム間を部分的に融着し、水が薄層状になって流れるように配備したことを特徴とする請求項１記載のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム。
3. 前記揚水ポンプが停止した場合に前記太陽熱集熱器中の水を前記貯湯槽に落水させ、前記揚水ポンプの稼働時に前記太陽熱集熱器にヘッド圧を付与するためのエア抜き管を前記上部ヘッダーパイプに垂設することを特徴とする請求項１又は２記載のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム
4. 前記上部ヘッダーパイプの上流側は末端部が固定装置によって前記パネルに固定され、
   前記上部ヘッダーパイプの下流側は、複数個所に於いて、前記太陽熱集熱器の熱膨張時に水平移動が可能な保持装置に保持され、
   前記下部ヘッダーパイプは、前記上部ヘッダーパイプの上流側に対応する下流側で前記パネルに固定され、上流側は前記袋帯状集熱ユニットによって前記上部ヘッダーパイプに吊着されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のプラスチックフィルムシート状太陽熱集熱システム。
   

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