JP2010266182A

JP2010266182A - 太陽熱コレクター

Info

Publication number: JP2010266182A
Application number: JP2009254170A
Authority: JP
Inventors: Jun Fujiwara; 順藤原
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】簡単な構造で、透明カバーの破損を防止することのできる太陽熱コレクターを提供する。
【解決手段】集熱板１４と箱１２Ａの底面との間、及び集熱板１４と透明カバーとの間に、複数個の微小球２６を配置し、集熱板１４と箱１２Ａの底面との間、及び集熱板１４と透明カバーとの間に隙間を設け、箱内部を真空にする。透明カバーは、大気圧により箱内側へ変形するように力を受けるが、複数の微小球２６を介して透明カバーよりも剛性の高い銅板からなる集熱板１４に支持されるので、透明カバー自身の厚みを厚くする、補強の桟を設置する等を行う必要なく、厚みが薄くても大気圧による変形が抑えられ、太陽熱コレクターを構成する材料の使用量が抑えられ、太陽熱コレクターを低コストで構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱によって水等の媒体を加熱する太陽熱コレクターに関する。

従来、集熱板を、内部を真空とした箱の内部に配置したタイプの太陽熱コレクターがある。箱には、太陽光を集熱板に照射させるため、片面にガラス板等からなる透明カバーが設けられている。

特開２００５−２６５２５１号公報

箱内を真空とすることで、透明カバーには常に大気圧がかかる。したがって、透明カバーは、大気圧がかからない場合に比較して破損に対して弱い。なお、透明カバーにガラス板を用いる場合、ガラス板が破損した際に飛散しない様に、ガラス板に飛散防止フィルムを貼り付けている。

透明カバーの破損を防ぐには、透明カバーが大気圧によって変形しない様に透明カバーを厚くしたり、強度の高い特殊な材料からなる透明カバーを用いたり、透明カバーの内側に桟等を配置して透明カバーを補強せざるを得ず、重量、及びコストの増加を招く問題があった。
また、透明カバーを厚くすると、光の透過率が低下し、桟等を配置すると影ができて効率が落ちる問題もある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、簡単な構造で、透明カバーの破損を防止することのできる太陽熱コレクターを提供することが目的である。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであって、請求項１に記載の太陽熱コレクターは、太陽光を透過する光透過性部材からなる板状の窓部材と、前記窓部材に開口部が覆われ内部が真空とされた箱体と、前記箱体の内部に設けられ、前記窓部材を透過した太陽光が照射される集熱板と、前記集熱板と前記箱体との間、及び前記集熱板と前記窓部材との間に配置され、前記集熱板、前記箱体、及び前記窓部材に点接触して前記集熱板と前記箱体との間、及び前記集熱板と前記窓部材との間に間隙を形成する複数の微小間隙形成体と、を有する。

次に、請求項１に記載の太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項１に記載の太陽熱コレクターでは、集熱板が窓部材を透過した太陽光を受けることで集熱板が加熱される。

集熱板は、真空の箱内に配置されると共に、複数の微小間隙形成体と点接触して箱内に支持されているため、集熱板の熱が箱体、及び窓部材の外へ伝達する経路は、微小間隙形成体との点接触部分のみとなり、集熱板の熱が箱体、及び窓部材の外へ逃げることが抑えられる。

また、箱内部は真空にされているため、窓部材には大気圧が作用して箱内側へ向けて変形しようとするが、窓部材と集熱板との間に複数の微小間隙形成体が配置されているため、複数の微小間隙形成体により大気圧による窓部材の変形が抑えられて窓部材の破損が抑えられる。
なお、ここでの「点接触」とは、接触面積が１ｍｍ^２以下のことを意味している。接触面積が大きくなると、集熱板の熱が微小間隙形成体を介して箱外へ逃げ易くなる。接触面積は、０．５ｍｍ^２以下とすることが更に好ましい。
また、微小間隙形成体の配置密度、即ち、単位面積当たりの微小間隔形成体の接触面積が大きくなり過ぎると、集熱板から箱体へ熱が伝達し易くなる。
したがって、集熱板の面積に対する微小間隙形成体の総接触面積の割合を、１０％以下に設定することが好ましい。
なお、微小間隔形成体は、集熱板と箱体の両方に接触しているが、上記総接触面積は、集熱板と微小間隔形成体との接触面積、及び集熱板と箱体との接触面積の何れか大きい方を選択して求める。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の太陽熱コレクターにおいて、前記微小間隙形成体は、柱体である。

次に、請求項２に記載の太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項２に記載の太陽熱コレクターでは、窓部材と集熱板との間に配置された複数の柱体により、大気圧による窓部材の変形が抑えられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の太陽熱コレクターにおいて、前記微小間隙形成体は、直径が１〜１００μｍの球体である。

球体の直径が１μｍ未満になると、大気圧による窓部材の変形で、窓部材が集熱板に接触する虞がある。
一方、球体の直径が１００μｍを超えると、箱体内部を真空化するのに手間がかかる、窓部材の変形が大きくなる等の問題が生ずる。
したがって、実用的には、球体の直径は１〜１００μｍの範囲内が好ましい。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の太陽熱コレクターにおいて、前記球体は、セラミックで形成されている。
荷重による変形（潰れ）、強度、熱伝導率等を考慮すると、球体の材質は、合成樹脂、ガラス、金属等よりもセラミックが好ましい。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の太陽熱コレクターにおいて、前記集熱板は、端縁から内方に向けて延びるスリットと、内部に設けられ流体が通過する流路と、前記スリットを挟んで一方の側の第１領域に接続され前記流路の一端が連結されて前記流路内に外部から流体を供給するための第１の配管と、前記スリットを挟んで他方の側の第２領域に接続され前記流路の他端が連結されて加熱された前記流体を排出するための第２の配管と、を備え、前記箱体は、前記第１の配管が貫通する第１の孔と、前記第１の配管と前記第１の孔との間をシールする第１のシール部材と、前記第２の配管が貫通する第２の孔と、前記第２の配管と前記第２の孔との間をシールする第２のシール部材と、を備え、前記第１の配管は前記第１領域のスリット側に接続され、前記第２の配管は前記第２領域のスリット側に接続されている。

次に、請求項５に記載の太陽熱コレクターの作用を説明する。
集熱板において、例えば、日中に、冷たい水を加熱してお湯にする場合、お湯が流出される第２の配管は、加熱される前の冷たい水が流入する第１の配管よりも高温となり、箱体においても、第２の配管の貫通している部分は、第１の配管の貫通している部分よりも高温となり、大きく膨張する。また、夕刻、夜間等では、日中に高温となっていた部分が冷えて収縮する。このため、温度変化が大きい部分では、当然ながら部材の寸法差も大きくなる。部材の寸法が変化することは、シール部分にとってシール性の低下を招く方向となり好ましくなく、万が一隙間が形成されると、箱内に空気が流入し、真空状態を維持できなくなる。

請求項５に記載の太陽熱コレクターの集熱板では、第１の配管が第１領域のスリット側に接続され、第２の配管が第２領域のスリット側に接続されているため、第１の配管（低温）、及び第２の配管（高温）が接近することとなり、箱の第１の孔、及び第２の孔の周辺の温度が平均化（低温＋高温）されるので、例えば、第２の孔の周辺の温度上昇が抑えられ、部材の寸法変化が抑えられるので、シール性にとって良い方向となり、高いシール性能が維持可能となる。

また、集熱板において、第１の配管と第２の配管とを単に接近させて配置すると、第２の配管周辺の温度が、第１の配管から流入される冷たい水によって冷却されてしまい（第２の配管側から第１の配管側へ熱が逃げる。）、排出されるお湯の温度低下を招く方向となるが、請求項４に記載の太陽熱コレクターでは、第１の配管の接続部分と第２の配管の接続部分との間にスリット（隙間）が形成されており、スリット部分で熱伝達が遮断されているので、集熱板に第１の配管と第２の配管とを接近させて接続しても、上記温度低下を抑制することが出来る。

以上説明したように本発明の太陽熱コレクターによれば、簡単な構造で、特殊で高価な材料を用いることなく、透明カバーの破損を防止することができる。

（Ａ）は太陽熱コレクターの断面図であり、（Ｂ）は集熱板の断面図（図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図）である。太陽熱コレクターの全体を表した斜視図である。太陽熱コレクターの縦断面図（図１（Ａ）の３−３線断面図）である。第２の実施形態に係る太陽熱コレクターの要部の断面図である。他の実施形態に係る太陽熱コレクターの要部の断面図である。

［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態に係る太陽熱コレクター１０を図１乃至図３にしたがって説明する。
図２、及び図３に示すように、本実施形態の太陽熱コレクター１０は、内部を真空状態とした矩形のケース１２の内部に集熱板１４を配置したものである。
ケース１２は、太陽に面する側が開口した箱１２Ａと、箱１２Ａの開口部分全体を覆う透明カバー１２Ｂとから構成されている。
なお、箱１２Ａと透明カバー１２Ｂとの間は接着剤、あるいは弾性体からなるパッキンでシールされている。

箱１２Ａは、耐候性に優れ、強度が得られれば材料の種類は問わず、金属や合成樹脂等の金属以外の材料で形成することができる。本実施形態の箱１２Ａは、光沢ニッケルクロムメッキの施された鋼板で形成されている。

透明カバー１２Ｂは、光の透過率に優れ、強度が得られれば材料の種類は問わず、ガラス、合成樹脂等で形成することができる。本実施形態の透明カバー１２Ｂには、厚さ３ｍｍのガラス板（例えば、一般に市販されている、窓ガラス）が用いられている。また、本実施形態の透明カバー１２Ｂの表面には、万が一ガラス板が破損した際に、ガラス片が飛散しないようにするための飛散防止フィルム（図示せず）が貼り付けられている。

本実施形態の集熱板１４は、全体が矩形に形成されており、片面に溝状の流路１６が形成された集熱板本体１４Ａと、集熱板本体１４Ａの片面全体に密着する蓋板１４Ｂとから形成されている。

集熱板本体１４Ａには、一辺１４Ａａの中央部分から、一辺と直交する方向に延びる切り込み状のスリット１８が形成されている。なお、スリット１８を境にして一方側（例えば図面左側）が第１領域２０Ｌ、他方側（例えば、図面右側）が第２領域２０Ｒとされている。

集熱板本体１４Ａ、及び蓋板１４Ｂには、錆びず、熱伝達率に優れた金属材料を用いることが好ましい。本実施形態の集熱板本体１４Ａには、５００ｍｍ×５００ｍｍ×５ｍｍの銅板が用いられている。また、本実施形態の蓋板１４Ｂには、５００ｍｍ×５００ｍｍ×０．５ｍｍの銅板が用いられている。なお、蓋板１４Ｂの表面には、選択吸収膜が蒸着されている。

図１（Ａ）に示すように、流路１６は、各領域内でジグザグ状に形成されており、流路１６の一端は第１領域２０Ｌの一辺１４Ａａのスリット１８の近傍に接続された第１の配管２２に接続されており、流路１６の他端は第２領域２０Ｒの一辺１４Ａａのスリット１８の近傍に接続された第２の配管２４に接続されている。

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の流路１６は、断面矩形状に形成され、幅が２ｍｍ、深さが４ｍｍである。なお、流路１６は、エンドミル等で加工することが出来る。
本実施形態の第１の配管２２、及び第２の配管２４は、共に銅パイプ（直径４ｍｍ、厚さ１ｍｍ）であり、集熱板本体１４Ａに対してロー付けされている。

図１（Ａ）に示すように、箱１２Ａには、第１の配管２２が貫通する第１の孔２５Ａ、及び第２の配管２４の貫通する第２の孔２５Ｂが形成されおり、第１の配管２２と第１の孔２５Ａの間、及び第２の配管２４と第２の孔２５Ｂの間は図示しないシール部材、接着剤等でシールされている。

図３に示すように、集熱板１４と箱１２Ａの底面１２Ａａとの間、及び集熱板１４と透明カバー１２Ｂとの間には、複数個の微小球２６が配置されており、集熱板１４と箱１２Ａの底面１２Ａａとの間、及び集熱板１４と透明カバー１２Ｂとの間に隙間を設けている。

なお、微小球２６は、動かないように集熱板１４、及び箱１２Ａの少なくとも一方に接着することが好ましい。
本実施形態の微小球２６は、直径１００μｍで、材質はセラミック（ジルコニア）である。また、本実施形態では、微小球２６を４ｍｍ間隔でマトリクス状に配置している。

これにより、集熱板１４の裏表面は、箱１２Ａ、及び透明カバー１２Ｂに密着することなく、複数個の微小球２６に対して点接触するのみとなる。

本実施形態の微小球２６の直径は１００μｍであるが、１００μｍに限定されず、１〜１００μｍの範囲内であれば良い。また、本実施形態の微小球２６の材質はセラミックであるが、セラミック以外の材質であっても良い。

なお、箱１２Ａには、内部を真空にする際に真空ポンプと接続するための空気吸引孔２８が形成されており、空気吸引孔２８は栓３０で塞がれている。

（作用）
次に、本実施形態の太陽熱コレクター１０の作用を説明する。
本実施形態の太陽熱コレクター１０は、例えば、図２に示すように屋外に設置し、第１の配管２２を水等の媒体を貯留したタンク３２に接続し、媒体を集熱板１４に供給する。集熱板１４が太陽３４の熱で加熱されることで、集熱板１４の流路１６を通過する水は加熱されてお湯となり、第２の配管２４を介して外部へ排出される。

本実施形態の太陽熱コレクター１０では、ケース１２の内部が真空にされており、しかも集熱板１４の裏表面が複数の微小球２６で点当たりで支持されているので、集熱板１４のケース１２への熱伝達が最小限に抑えられる。

また、透明カバー１２Ｂは、大気圧により箱内側へ変形するように力を受けるが、マトリクス状に配置された複数の微小球２６を介して透明カバー１２Ｂよりも剛性の高い銅板からなる集熱板１４に支持されるので、透明カバー自身の厚みを厚くする、補強の桟を設置する等を行う必要なく、厚みが薄くても大気圧による変形が抑えられ、太陽熱コレクター１０を構成する材料の使用量が抑えられ、太陽熱コレクター１０を低コストで構成することができる。

また、日中に冷たい水を加熱してお湯にする場合、お湯が流出される第２の配管２４は、加熱される前の冷たい水が流入する第１の配管２２よりも高温となるが、第１の配管２２と第２の配管２４とがスリット１８を介して接近して配置されているので、これら配管の貫通している部分の温度上昇が第２の配管２４単独の場合に比較して抑えられ、熱による寸法変化が抑えられるのでシール性にとって良い方向となり、高いシール性能が維持可能となる。

さらに、本実施形態の集熱板１４では、第１の配管２２が接続されている部分と、第２の配管２４が接続されている部分との間にスリット１８が形成されており、スリット部分で熱伝達が遮断されているので、第１の配管２２の接続されている接続部分と第２の配管２４が接続されている接続部分とが接近していても、第２の配管の接続部分周辺の温度が、相対的に低温となっている第１の配管の接続部分の影響を受けて低下することは無い。

このように、本実施形態の太陽熱コレクター１０では、集熱板１４と透明カバー１２Ｂとの間、及び集熱板１４とケース１２との間に微小球２６を複数個配置するという、簡単な構成で、かつ材料使用量も極小な構成でもって、透明カバー１２Ｂの変形を抑えることができ、また、集熱板１４からケース１２へ、及び集熱板１４から透明カバー１２Ｂへの熱伝達を最小限に抑えることができる。また、透明カバー１２Ｂの厚みを薄くすることができるので、軽量化、低コスト化となる。

なお、本実施形態では、集熱板１４に媒体として水を供給したが、水以外の、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール等の他の種類の液体や、気体等を供給するようにしても良い。
本実施形態では、微小球２６を４ｍｍ間隔でマトリクス状に配置したが、間隔は４ｍｍに限らず、また、配置形態もマトリクス状でなくても良く、ランダムに配置しても良い。

微小球２６の配置個数が極端に少ないと、微小球２６の１個当たりに作用する荷重が増大し、微小球２６からの反力により透明カバー１２Ｂに応力が集中し、好ましくない。このため、大気圧を受ける透明カバー１２Ｂの面積に応じて微小球２６の配置個数、及び配置形態を設定することが好ましい。

また、本実施形態では、集熱板１４と透明カバー１２Ｂとの間、及び集熱板１４とケース１２との間に微小球２６を配置したが、集熱板１４と透明カバー１２Ｂ、及び集熱板１４とケース１２は、各々点接触していれば良く、微小球２６に代えて球形以外の粒体を用いても良い。
ちなみに、本実施形態では、複数の微小球２６を集熱板１４とケース１２に接触させているが、集熱板１４の面積に対する複数の微小球２６の総接触面積の割合は１０％以下であり、グラスウール等の繊維系の断熱材に比較して接触面積は極めて小さくなっている。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る太陽熱コレクター１０を図４にしたがって説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符合を付し、その説明は省略する。
第１の実施形態では、集熱板１４と透明カバー１２Ｂとの間、及び集熱板１４とケース１２との間に微小球２６を配置したが、図４に示すように、本実施形態の太陽熱コレクター１０では、微小柱体３６が用いられている。

微小柱体３６は、例えば、エポキシ樹脂を含む高粘度のインクを用いてシルク印刷にて微小のドットを集熱板１４の表面に複数印刷し、印刷したエポキシ樹脂のドットを集熱板１４の表面で固化させることで形成することができる。

なお、この微小柱体３６の大きさは、径がφ１０〜１００μｍ、高さが１μｍ〜１００μｍの範囲内が好ましい。微小柱体３６の径が上記範囲よりも小さいと強度不足となる場合があり、微小柱体３６の径が上記範囲よりも大きいと微小柱体３６を介して外側ケース１２へ熱が逃げ易くなる。
また、微小柱体３６の高さが上記範囲よりも小さいと、間隙寸法が少なくなりすぎ、箱１２Ａ、及び透明カバー１２Ｂが集熱板１４に接触する虞がある。一方、微小柱体３６の高さが上記範囲よりも高いと、間隙寸法が大きくなりすぎ、箱体内部を真空化するのに手間がかかる、微小柱体３６が座屈し易くなる等の問題を生ずる虞がある。

なお、微小柱体３６を形成するインクは、印刷後に硬化して固化するものであればエポキシ樹脂以外の材料から構成されていても良い。
また、微小柱体３６は、集熱板１４、箱１２Ａ、及び透明カバー１２Ｂの何れに形成しても良い。
［その他の実施形態］
上記実施形態では、微小間隙形成体が球形状または柱形状であったが、微小間隙形成体の形状はこれらに限定されない。例えば、図５に示すような山形状の微小間隙形成体３８であっても良い。

１０太陽熱コレクター
１２ケース
１２Ａ箱
１２Ｂ透明カバー（窓部材）
１４集熱板
２６微小球（球体：微小間隙形成体）
１６流路
１８スリット
２０Ｌ第１領域
２０Ｒ第２領域
２２第１の配管
２４第２の配管
２５Ａ第１の孔
２５Ｂ第２の孔
３６微小柱体（微小間隙形成体）
３８微小間隙形成体

Claims

太陽光を透過する光透過性部材からなる板状の窓部材と、
前記窓部材に開口部が覆われ内部が真空とされた箱体と、
前記箱体の内部に設けられ、前記窓部材を透過した太陽光が照射される集熱板と、
前記集熱板と前記箱体との間、及び前記集熱板と前記窓部材との間に配置され、前記集熱板、前記箱体、及び前記窓部材に点接触して前記集熱板と前記箱体との間、及び前記集熱板と前記窓部材との間に間隙を形成する複数の微小間隙形成体と、
を有する太陽熱コレクター。
前記微小間隙形成体は、柱体である、請求項１に記載の太陽熱コレクター。
前記微小間隙形成体は、直径が１〜１００μｍの球体である、請求項１に記載の太陽熱コレクター。
前記球体は、セラミックで形成されている、請求項２に記載の太陽熱コレクター。
前記集熱板は、端縁から内方に向けて延びるスリットと、内部に設けられ流体が通過する流路と、前記スリットを挟んで一方の側の第１領域に接続され前記流路の一端が連結されて前記流路内に外部から流体を供給するための第１の配管と、前記スリットを挟んで他方の側の第２領域に接続され前記流路の他端が連結されて加熱された前記流体を排出するための第２の配管と、を備え、
前記箱体は、前記第１の配管が貫通する第１の孔と、前記第１の配管と前記第１の孔との間をシールする第１のシール部材と、前記第２の配管が貫通する第２の孔と、前記第２の配管と前記第２の孔との間をシールする第２のシール部材と、を備え、
前記第１の配管は前記第１領域のスリット側に接続され、前記第２の配管は前記第２領域のスリット側に接続されている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の太陽熱コレクター。