JP2011112237A - 太陽熱温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然循環式の太陽熱温水装置の温水タンク内に熱交換器を内蔵させて水道直結式に構成した場合に、設置対象の屋根勾配の如何に拘わらず、温水タンク内の熱媒体が有する熱を最も効率よく利用し得る太陽熱温水装置を提供する。
【解決手段】 温水タンク２内の温水中に、フロート４４により熱交換器４を温水の最頂部近傍位置の高温領域に浮いた状態に維持させる。熱交換器４に給水する接続管４１と、熱交換加熱後に給湯する接続管４２とに可撓部４３を設けて、熱交換器４の位置変換に追随し得るようにする。太陽熱温水装置の設置対象の屋根の勾配が標準のものよりも緩側・急側であって、屋根勾配の如何に伴い温水タンク２の設置姿勢が変化しても、温水タンク内の温水の最頂部近傍位置に熱交換器を自動的に位置変換させて位置付け得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば屋根上等に設置される自然循環式の太陽熱温水装置に関し、特に温水タンク内に熱交換器を内蔵して上水（水道水）を供給することにより水道直結式（直圧式）に構成された装置に係る。

従来、自然循環式の太陽熱温水装置として、温水タンクと、この温水タンクに下側位置で接続された太陽熱の集熱器とから構成されたものが一般に知られている。このような太陽熱温水装置では、集熱器が昼間の太陽熱を受けて内部水が昇温すると、温水タンク内の水が集熱器と温水タンクとの間で対流作用により自然循環を繰り返す結果、温水タンク内の水が湯に置き換えられるようになっている（例えば特許文献１参照）。

このような自然循環式の温水タンク内の湯を給湯として直接利用しようとすると、設置位置と給湯栓との間の水頭差に基づく給湯となって、特にシャワー等で給湯利用する場合に水圧が不足するおそれがある。これに対処するために水道直結式といわれる熱交換器内蔵の太陽熱温水装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。この水道直結式の太陽熱温水装置は、温水タンク内の温水を熱媒体として利用するのもであり、温水タンク内に配設した熱交換器に水道水（上水）を供給し、その熱媒体により熱交換加熱された上水をシャワー等の給湯栓に給湯しようとするものである。

特許第４０２９２８５号公報 実開平５−５４９６５号公報

しかしながら、従来の自然循環式の太陽熱温水装置に対し熱交換器を内蔵して水道直結式に構成したものでは、温水タンク内に熱交換器が固定されているため、自然循環式により温水タンク内の頂部領域に溜まる最も高温の温水（熱媒体）の熱を有効かつ十分に利用することができず、熱交換効率の低下を招くおそれがある。

すなわち、図８に示すように熱交換器４００が温水タンク２００内に対し例えば温水タンク２００の水補給用の凸部２０１形成位置と同様位置に固定されていると、太陽熱温水装置が標準的な屋根勾配α１（図８（ａ）参照）の屋根Ｒに設置される場合には熱交換器は温水タンク内の高温領域Ｔから少しずれ、より急な屋根勾配α２（図８（ｂ）参照）の屋根Ｒに設置される場合には熱交換器は高温領域Ｔから離れ、より緩い屋根勾配α３（図８（ｃ）参照）の屋根Ｒに設置される場合には熱交換器は高温領域Ｔから僅かにずれた位置に配設されることになる。このため、太陽熱温水装置の設置対象の屋根勾配の如何によって、熱交換器による熱交換加熱の効率が変動することになり、この結果、温水タンク内の高温の熱媒体が有する熱を有効かつ十分に利用することができないことになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、自然循環式の太陽熱温水装置の温水タンク内に熱交換器を内蔵させて水道直結式に構成した場合に、設置対象の屋根勾配の如何に拘わらず、温水タンク内の熱媒体が有する熱を最も効率よく利用し得る太陽熱温水装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、太陽熱の集熱器と温水タンクとの間で自然循環により熱媒体を昇温させ、昇温した熱媒体を上記温水タンクに貯留する自然循環式に構成され、かつ、上記温水タンクに内蔵された熱交換器に対し上水が給水されて、上記温水タンク内に貯留された熱媒体との熱交換により加熱した上で給湯されるように構成された太陽熱温水装置を対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記熱交換器として、上記温水タンク内に貯留された熱媒体中の最頂部近傍位置に浮いた状態を維持し得るように、全体としての比重が上記熱媒体の比重よりも低くなる構成とする。そして、上記温水タンク内において上記熱交換器に対し上水を給水・給湯するために接続される接続管として、上記温水タンクの設置姿勢に応じて定まる上記熱媒体の最頂部近傍位置へ向けて浮力に基づき位置変換する上記熱交換器の動きに追随し得る可撓性を有する構成とした（請求項１）。

この発明の場合、太陽熱温水装置の設置対象である屋根の勾配が例えば標準のものと異なり温水タンクの設置姿勢が所期設定のものと異なる結果、温水タンク内の熱媒体の最頂部位置が変化するような場合であっても、熱交換器を、その設置対象の屋根勾配に応じて温水タンク内の熱媒体の最頂部近傍位置まで浮力に基づき自動的に位置変換させ得ることになる。温水タンクの最頂部近傍位置には、自然循環によって最も高温の温水が上昇して高温領域が形成されているため、設置対象の屋根勾配の如何に拘わらず、この高温領域に熱交換器を常に位置付けることが可能となる。従って、熱交換器において、太陽熱を回収した熱媒体により熱交換加熱する上で最も高い効率が得られるようになる。以上により、太陽熱温水装置を設置しようとする屋根の勾配が標準勾配よりも緩・急変化するものであっても、常に高効率で熱交換加熱された給湯使用を行うことが可能となる一方、太陽熱温水装置の設置対象である屋根の勾配の範囲を従来よりも大幅に拡大させることが可能となる。

上記の発明における熱交換器としてはフロートを含んで構成することができる（請求項２）。このようにすることにより、上記の作用を得る上で、熱交換器を簡易に構成することが可能となる。

又、上記の発明において、上記温水タンクの内部に熱媒体を補給するための開閉弁と、この開閉弁を開閉変換作動させるための操作杆とを備えることとし、上記操作杆として、上記熱交換器に対しその上下方向移動に連係して上記開閉弁が開閉変換作動されるように連結され、上記温水タンク内の熱媒体の水位低下に伴う上記熱交換器の下方移動に連係して上記開閉弁が閉状態から開側に変換作動される構成とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、熱媒体の補給のために従来設置されているボールタップ等を用いて所定水位に維持するための部品を省略し得ることになる。つまり、熱交換器自体をボールタップの代用として用いることが可能になる。

以上、説明したように、本発明の太陽熱温水装置によれば、太陽熱温水装置の設置対象である屋根の勾配が例えば標準のものと異なり温水タンクの設置姿勢が所期設定のものと異なる結果、温水タンク内の熱媒体の最頂部位置が変化するような場合であっても、熱交換器を、その設置対象の屋根勾配に応じて温水タンク内の熱媒体の最頂部近傍位置まで浮力に基づき自動的に位置変換させることができるようになる。温水タンクの最頂部近傍位置には、自然循環によって最も高温の温水が上昇して高温領域が形成されているため、設置対象の屋根勾配の如何に拘わらず、この高温領域に熱交換器を常に位置付けることができるようになる。又、温水タンク内の水位がたとえ低下した場合であっても、熱交換器の全てが熱媒体の高温領域に水没しつつ浮いた状態に位置することができるようになる。従って、熱交換器において、太陽熱を回収した熱媒体により熱交換加熱する上で最も高い効率を得ることができるようになる。以上により、太陽熱温水装置を設置しようとする屋根の勾配が標準勾配よりも緩・急変化するものであっても、常に高効率で熱交換加熱された給湯使用を行うことができる一方、太陽熱温水装置の設置対象である屋根の勾配の範囲を従来よりも大幅に拡大させることができるようになる。

特に請求項２によれば、上記の熱交換器としてはフロートを含んで構成することにより、上記の効果を得る上で、熱交換器を簡易に構成することができるようになる。

又、請求項３によれば、熱交換器自体をボールタップの代用として用いることができ、温水タンク内に対し熱媒体の補給のために従来設置されているボールタップ等を用いて所定水位に維持するための部品を省略することができるようになる。

本発明の実施形態の太陽熱温水装置の外観を示す斜視図である。 図１の太陽熱温水装置として第１実施形態を縦断面状態で模式的に示す模式図である。 実施形態の場合の設置状況を断面状態で示す説明図であり、図３（ａ）は標準的な屋根勾配の屋根に設置した状況を示し、図３（ｂ）はより急勾配の屋根に設置した状況を示し、図３（ｃ）はより緩い勾配の屋根に設置した状況を示す。 図４（ａ）は可撓性接続管の他の形態を示す太陽熱温水装置の部分図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）とは異なる可撓性接続管の他の形態を示す部分図であり、図４（ｃ）は熱交換器自体を熱媒体の比重よりも小さく形成した例を示す部分図である。 図５（ａ）は熱交換器のガイド手段を付設した例を示す太陽熱温水装置の部分図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における拡大説明図であり、図５（ｃ）はガイド手段を付設した例として図５（ａ）とは異なる構成を示す部分図である。 第２実施形態の太陽熱温水装置を示す図２対応図である。 第３実施形態の太陽熱温水装置を示す図２対応図である。 従来技術の課題を説明するための図３対応図であり、図８（ａ）は標準的な屋根勾配の屋根に設置した状況を示し、図８（ｂ）はより急勾配の屋根に設置した状況を示し、図８（ｃ）はより緩い勾配の屋根に設置した状況を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱温水装置を示している。自然循環式で水道直結式に構成した太陽熱温水装置を示している。この太陽熱温水装置は温水タンク２と、この温水タンク２から斜め下り勾配を有して設置されて上記温水タンク２に接続される１又は２以上のパネル状の集熱器３，３（図面には２つの場合を図示）とを備えて自然循環式に構成されている。加えて、上記温水タンク２には後述の如く熱交換器４（図２参照）が内蔵されて、水道直結式の太陽熱温水装置に構成されている。以下、温水タンク２内に熱交換器４を熱交換加熱するための熱媒体として水が貯留される場合について説明するが、熱媒体としては水以外の例えば不凍液等を使用してもよい。

上記温水タンク２は、図２に示すように内部に横長の本体空間２１を区画形成する横長のタンク本体２２と、このタンク本体２２の一部（図例では端部）から上方に突出して内部に凸状空間２３を区画形成する水補給用の凸部２４とから構成されている。本体空間２１には上水の熱交換加熱用の熱交換器４が配設され、凸状空間２３には貯留水位を一定に維持するためのボールタップ５０が配設されている。

凸部２４には給水管５１の下流側が分岐した一方の下流端５１１が連結されている。又、タンク本体２２には上記給水管５１の分岐した他方の下流端５１２と、給湯管５２の上流端５２１とが連結されている。給水管５１の上流側には給水元栓５１３が介装され、太陽熱温水装置の使用状態では常時開とされている。給湯管５２の下流端側にはシャワーカラン等の給湯栓５２２が設けられている。上記の給水元栓５１３は太陽熱温水装置の共用開始時に開栓され、これにより、給水管５１の下流端５１１から水道圧等の圧力により温水タンク２内に給水が開始され、各集熱器３内の全て及び温水タンク２内が所定の設定維持水位ＭＬまで水で充満されると、給水が後述の如くボールタップ５０により停止される。そして、昼間の太陽熱を集熱器３，３で集熱して内部の水が加熱されて昇温すると、軽くなって上方に流動して温水タンク２内に戻される一方、温水タンク２内からは相対的に冷たくて重たい水が各集熱器３に落とし込まれる。そして、このような対流作用に基づく自然循環が繰り返されて、温水タンク２内の水温が上昇して温水が貯留された状態（貯湯状態）になる。

給水管５１の下流端５１１は上記のボールタップ５０により開閉変換される開閉弁（図示省略）を備えた給水口を構成している。この給水口は、温水タンク２内の水位が所定の設定維持水位ＭＬに維持されていればボールタップ５０により開閉弁が閉状態に維持される一方、温水タンク２内の水位が蒸発等により設定維持水位ＭＬよりも低下すればボールタップ５０が下方移動することに伴い開閉弁が開状態に変換するようになっている。開状態への変換により給水管５１の下流端５１１から水が補給され、温水タンク２内の水位が元の設定維持水位ＭＬまで上昇すると、上記下流端５１１は再び閉状態に変換されることになる。以上により、温水タンク２内の水位は本体空間２１内を少なくとも満水状態にして水面が凸状空間２３内に位置する設定維持水位ＭＬに維持されるようになっている。

上記の給水管５１の下流端５１２は熱交換器４の入口と可撓性を有する接続管４１を介して連通接続され、熱交換器４の出口は上記の給湯管５２の上流端５２１と可撓性を有する接続管４２を介して連通接続されている（図２等では接続管４１が接続管４２の奥方に重なっている）。各接続管４１，４２は図示のものは途中位置に蛇腹等により構成された可撓部４３を介装して比較的自由に屈曲自在に構成されている。

熱交換器４は、給水管５１及び接続管４１を通して入口から導入される給水を温水タンク２内の温水により熱交換加熱するためのものであり、熱交換加熱後の湯が出口から接続管４２に出湯されて給湯管５２を通して給湯栓５２２に給湯されるようになっている。熱交換器４にはフロート（浮き袋）４４が付設され、熱交換器４はこのフロート４４の浮力によって温水タンク２内の貯留水中に浮遊状態で配設されている。つまり、熱交換器４は内部に給水される上水と、熱交換器４自身と、フロート４４とを含めた全体としての比重が上記熱媒体としての水の比重よりも低くなるように構成されている。フロート４４の設置態様は、詳細には、上記の入口及び出口が熱交換器４の基端側に配置されている場合には、フロート４４は熱交換器４の先端側位置に付設され、熱交換器４の上側部位、好ましくは熱交換器４の上側部位から両横の各部位を覆うように配設されている。このようなフロート４４の付設位置の設定は、熱交換器４が温水タンク２内の貯留水の水面から上に飛び出ない範囲で貯留水の最頂部近傍位置（高温領域）に水没しつつ浮いた状態にし得るようにするためである。これにより、温水タンク２内の水位がたとえ低下した場合であっても、熱交換器４の全てが貯留水の高温領域に水没しつつ浮いた状態に位置することができるようにされている。本実施形態では、通常時に温水タンク２の本体空間２２は満水状態に維持されるため、熱交換器４はタンク本体２２の本体空間２１内の最頂部近傍位置であって、タンク本体２２の内壁面に当接しない範囲で最も高い位置に水没した状態で位置付けられることになる。そして、このような位置に熱交換器４が位置変換する際に、接続管４１，４２が熱交換器４に追随し得るように接続管４１，４２に対し可撓性が付与されているのである。

上記の如き位置変換が可能である点は、太陽熱温水装置の設置対象である屋根の勾配が所期のものとは異なる場合に最も高い効果を発揮する。すなわち、図３に示すように屋根Ｒが標準勾配α１の場合（図３（ａ）の場合）、標準よりも急勾配α２の場合（図３（ｂ）の場合）、標準の場合よりも緩勾配α３の場合（図３（ｃ）の場合）のいずれにおいても、その設置対象の屋根Ｒの勾配に応じて熱交換器４が貯留水の最頂部近傍位置に自動的に位置変換し、この位置変換に各接続管４１，４２が追随することになる。

温水タンク２の最頂部近傍位置には、対流に基づく自然循環によって最も高温の温水が上昇して高温領域Ｔが形成されている。設置対象の屋根勾配の如何に拘わらず、この高温領域Ｔに熱交換器４が常に位置付けられることになるため、太陽熱を回収した熱媒体である温水を用いた熱交換器４による熱交換加熱の効率として最も高いものを得ることができるようになる。以上により、太陽熱温水装置を設置しようとする屋根Ｒの勾配が標準勾配よりも緩・急変化するものであっても、常に高効率で熱交換加熱された給湯使用を行うことができるようになる。換言すると、設置対象の屋根勾配の範囲を従来よりも大幅に拡大させることができるようにもなる。

以下、以上の実施形態の一部を変更した他の形態について説明する。

図４（ａ）に示す形態は、耐熱性と柔軟性を有するゴムホースにより構成した接続管４１ａ，４１ｂを用いたものである。又、図４（ｂ）に示す形態は、ゴムホースよりも硬い管を用いながらコイルループ状にすることにより左右上下の首振りや前後の伸縮がより容易な可撓性管に構成した接続管４１ｂ，４２ｂを用いたものである。図４（ｃ）に示す形態は、熱交換器自体を熱媒体（水）の比重よりも低くなるように構成した熱交換器４ａを用いたものである。例えば、熱交換器形成材料として良好な熱伝導特性を維持しつつも水よりも低比重の材料により形成したり、熱交換器４ａとして内部に水が流通しない空気等の気体のみが充填された密閉空間を区画形成したりすればよい。これにより、フロート４４の付設を省略することができる。

図５（ａ）に示す形態は、熱交換器４の位置変換を案内するガイド手段６，６を付設したものである。ガイド手段６は、図５（ｂ）に示すように、例えば熱交換器４の側に取り付けたガイドローラ６１，６１と、例えばタンク本体２２の側に取り付けられてガイドローラ６１，６１を上下から挟んだ状態で転動方向を規制するためのガイドレール６２とを備えて構成されている。ガイドレール６２としては円弧状に形成すればよく、熱交換器４をタンク本体２２の内壁面に沿って、上記設置対象の屋根勾配の緩・急範囲を考慮して高温領域Ｔになると想定される円弧範囲に対応するようにタンク本体２１の内壁面に固定すればよい。かかるガイド手段６は、図５（ａ）の如くフロート４４を熱交換器４の長手方向の中央位置に設置した場合には、熱交換器４の長手方向両端位置にそれぞれ設けらればよく、又、図５（ｃ）の如くフロート４４を熱交換器４の長手方向両端位置にそれぞれ設置した場合には、熱交換器４の長手方向中央位置付近に１つ又は２つ設ければよい。このようなガイド手段６の付設により、太陽熱温水装置の設置対象の屋根勾配の変化に伴う高温領域Ｔの温水タンク２に対する相対位置変化が生じた場合に、より的確に位置変換の案内をすることができる一方、その位置変換する範囲を所定範囲に確実に規制して位置変換し過ぎないようにすることができる。なお、温水タンク２内の水位が低下した場合には、その水位低下に伴いガイドレール６２の周方向に位置変換することにより水没した状態を維持することができる。

以上の図４又は図５に例示した部分変更に係る形態は、第１実施形態のみならず、以下の各実施形態に対しても適用し得るものである。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態に係る太陽熱温水装置を示し、この第２実施形態は熱交換器４に対し一側から給水し、他側から給湯のために出湯させるように構成したものである。その他の構成は第１実施形態のものと同じであり、第１実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。

第２実施形態では、温水タンク２の凸部２４に対し給水管５１の下流端５１１を接続する一方、給水管５１の他の下流端５１２を凸部２４の形成位置とは異なる側のタンク本体２２に対し接続させている。そして、下流端５１２に接続管４１を接続し、熱交換器４の先端側に形成した入口に対しこの接続管４１を連通接続し、熱交換器４の基端側に形成した出口に連通接続した接続管４２を給湯管５２の上流端５２１に連通接続している。熱交換器４に対しては、１又は２以上の適宜数（図例では２つ）のフロート４４，４４を付設している。

この第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
図７は第３実施形態に係る太陽熱温水装置を示し、この第３実施形態は第１又は第２実施形態において採用しているボールタップ５０を省略しても温水タンク２内の水位を設定維持水位ＭＬに維持し得るようにしたものである。その他の構成は第１実施形態のものと同じであり、第１実施形態と同じ符号を付して重複した説明を省略する。

第３実施形態では、給水管５１による凸状空間２３に対する水補給用の給水口を構成する下流端５１１に装着された開閉弁（図示省略）を開閉変換作動させるための操作杆７を熱交換器４の適所（例えば基端側）と連結し、水位変動に伴う熱交換器４の上下動に連関させて上記の開閉弁を開閉変換作動させるようにしたものである。例えば、温水タンク２内の水位が設定維持水位ＭＬから例えば下方水位ＬＬまで低下した場合、この水位の下方変位に伴い熱交換器４も下方に変位することになる。すると、熱交換器４に先端が連結された操作杆７の傾きが変化し、この傾きの変化に応じて開閉弁が閉状態から開作動し、給水管５１の下流端５１１から給水されることになる。この給水により温水タンク２内の水位が設定維持水位ＭＬまで上昇すると、この上昇に伴い熱交換器４も上昇して操作杆７の傾きも元に戻るため、この操作杆７の戻り変化に伴い上記の開閉弁も閉状態に戻り給水が停止されることになる。以上の作動の原理によって、温水タンク２内の水位を設定維持水位ＭＬで一定に維持することができ、ボールタップ５０（第１又は第２実施形態参照）を省略することができる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、接続管（例えば４１，４２）としては可撓性を有し熱交換器の位置変換に追随し得るものであれば、本明細書で明示した以外のものを用いることができる。例えば、接続管の基端側と先端側とに揺動自在な自在継手を介装させるようにしてもよい。つまり、接続管の端部が揺動自在に構成されているものでもよい。又、熱交換器４，４ａ，４ｂとしては内部に通される上水を熱交換加熱し得るものであれば、その型式は問わず、いずれの型式のものも用いることができる。

２ 温水タンク
３ 集熱器
４，４ａ，４ｂ 熱交換器
４１，４１ａ，４１ｂ，４２，４２ａ，４２ｂ 接続管
４４ フロート
７ 操作杆

Claims (3)

1. 太陽熱の集熱器と温水タンクとの間で自然循環により熱媒体を昇温させ、昇温した熱媒体を上記温水タンクに貯留する自然循環式に構成され、かつ、上記温水タンクに内蔵された熱交換器に対し上水が給水されて、上記温水タンク内に貯留された熱媒体との熱交換により加熱した上で給湯されるように構成された太陽熱温水装置において、
   上記熱交換器は、全体としての比重が上記熱媒体の比重よりも低くなるように構成され、
   上記温水タンク内において上記熱交換器に対し上水を給水・給湯するために接続される接続管は、上記熱交換器の動きに追随し得る可撓性を有するように構成されている
   ことを特徴とする太陽熱温水装置。
2. 請求項１に記載の太陽熱温水装置であって、
   上記熱交換器はフロートを含んで構成されている、太陽熱温水装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の太陽熱温水装置であって、
   上記温水タンクの内部に熱媒体を補給するための開閉弁と、この開閉弁を開閉変換作動させるための操作杆とを備え、
   上記操作杆は、上記熱交換器に対しその上下方向移動に連係して上記開閉弁が開閉変換作動されるように連結され、上記温水タンク内の熱媒体の水位低下に伴う上記熱交換器の下方移動に連係して上記開閉弁が閉状態から開側に変換作動されるように構成されている、太陽熱温水装置。

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