JP2012026714A

JP2012026714A - 架台一体型集熱器

Info

Publication number: JP2012026714A
Application number: JP2011007640A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Shimizu; 敏春清水; Mitsuharu Matsubara; 光治松原; Kazuyuki Kato; 和幸加藤
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】迅速かつ簡単な設置が可能で、ヘッダーの耐久性を確保することができる架台一体型集熱器を提供すること。
【解決手段】架台一体型集熱器１は、日射から集熱する複数本のヒートパイプ４をそれぞれ接続するヘッダー３と、複数のヘッダー３及びヒートパイプ４を配設する架台２とを一体的に組み付けたものである。架台２は、ヘッダー３をジョイント３２を介して直列に接続して複数配設し、各ヘッダー３の接続部３１にそれぞれ接続するヒートパイプ４を複数配設するためのものである。ジョイント３２の少なくともいずれかは、ヘッダー３の長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を利用して水から水蒸気又は温水を作り出す架台一体型集熱器に関する。

複数のヒートパイプにおいて太陽光を吸収して水を加熱させて、温水を作る温水ソーラーシステムがある。
例えば、特許文献１のソーラーコレクタ装置は、太陽熱集熱用のコレクタ管を２列のコレクタ管支え梁の間に搭載支持し、コレクタ管から引き出した集熱管をヘッダパイプに接続してなるコレクタモジュールを複数組み合わせて構成されている。このソーラーコレクタ装置においては、隣り合うコレクタモジュールの相互間でコレクタ管支え梁同士を突き合わせ、このコレクタ管支え梁の間を連結している。これにより、現地据付けに使用する据付架台を省略している。

また、例えば、特許文献２の太陽熱集熱装置は、複数の真空式太陽熱集熱器とヘッダー管とを具備するユニットを複数連結してなり、ヘッダー管の開口端が、ベローズ部を有する屈曲可能な金属製接続管によって連結されている。これにより、金属製接続管の劣化がなく、ヘッダー管の開口端同士の位置関係がずれた場合でも、これらを連結することができる。

特開昭６１−１０５０５５号公報特開平５−２７５５９号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に代表される従来の集熱装置は、主に家庭向けとして開発されており、屋根の上に設置する際に特別な架台を設ける必要がない。また、大型の集熱装置を会社、施設、工場、店舗等の屋上に設置するときには、架台を屋上に施工し、この架台に対して集熱装置を配設する必要があった。従って、集熱装置の設置に手間がかかり作業効率が優れなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、迅速かつ簡単な設置が可能で、ヘッダーの耐久性を確保することができる架台一体型集熱器を提供しようとするものである。

第１の発明は、日射から集熱する複数本のヒートパイプの上端部をそれぞれ接続するための接続部を複数有し、上記複数本のヒートパイプの上端部へ水を供給すると共に該複数本のヒートパイプの上端部から水蒸気又は温水を回収するヘッダーと、
該ヘッダーをジョイントを介して直列に接続して複数配設し、上記各ヘッダーの上記接続部にそれぞれ接続する上記ヒートパイプを複数配設するための架台とを備え、
上記ジョイントの少なくともいずれかは、上記ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものであることを特徴とする架台一体型集熱器にある（請求項１）。

第２の発明は、日射から集熱する複数本のヒートパイプと、
該複数本のヒートパイプの上端部へ水を供給すると共に該複数本のヒートパイプの上端部から水蒸気又は温水を回収するヘッダーと、
該ヘッダーをジョイントを介して直列に接続して複数配設し、上記各ヘッダーの上記接続部にそれぞれ接続した上記ヒートパイプを複数配設してなる架台とを備え、
上記ジョイントの少なくともいずれかは、上記ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものであることを特徴とする架台一体型集熱器にある（請求項３）。

第１の発明の架台一体型集熱器は、架台及び複数のヘッダーを工場等において予め組み立てておき、この架台を会社、施設、工場、事務所等の建物の屋上等に設置することによって、極めて簡単に集熱器を設置することができるものである。
第１の発明においては、建物の屋上等である設置現場において、架台を組み立てる必要がなく、複数のヘッダーの配設を行う必要もない。これにより、集熱器の設置に要する時間を短縮することができ、ヒートパイプを極めて簡単に設置することができる。

また、複数のヘッダーは、ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができるジョイントによって接続してある。これにより、集熱器を使用する際に、ヘッダーが熱伸縮するときには、ジョイントがヘッダーの熱伸縮を吸収し、ヘッダー同士に無理な負荷が加わることを防止することができる。そのため、集熱器を設置した後の長期の使用において、ヘッダーの耐久性を確保することができる。

第２の発明の架台一体型集熱器は、架台、複数のヘッダー及び複数本のヒートパイプを工場等において予め組み立てておき、この架台を会社、施設、工場、事務所等の建物の屋上等に設置することによって、極めて簡単に集熱器を設置することができるものである。
第２の発明においても、建物の屋上等である設置現場において、架台を組み立てる必要がなく、複数のヘッダー及び複数本のヒートパイプの配設を行う必要もない。これにより、集熱器の設置に要する時間を短縮することができ、ヒートパイプを極めて簡単に設置することができる。

また、本発明においても、複数のヘッダーは、ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができるジョイントによって接続してある。これにより、集熱器を使用する際に、ヘッダーが熱伸縮するときには、ジョイントがヘッダーの熱伸縮を吸収し、ヘッダー同士に無理な負荷が加わることを防止することができる。そのため、集熱器を設置した後の長期の使用において、ヘッダーの耐久性を確保することができる。

実施例における、架台一体型集熱器を側方から見た状態で示す断面説明図。実施例における、架台一体型集熱器を上方から見た状態で示す説明図。実施例における、耐熱ホースから構成したジョイントの周辺を拡大して示す断面説明図。実施例における、他の架台一体型集熱器を上方から見た状態で示す説明図。実施例における、金属ベローズ管から構成したジョイントの周辺を拡大して示す断面説明図。実施例における、ヘッダーを、その長手方向の一方側が他方側よりも高くなるよう架台に配設した例を示す説明図。実施例における、ヒートパイプの設置傾斜角度が適切な架台一体型集熱器を複数列に並べて設置する状態を、側方から見た状態で模式的に示す説明図。実施例における、ヒートパイプの設置傾斜角度が大きい架台一体型集熱器を複数列に並べて設置する状態を、側方から見た状態で模式的に示す説明図。

上述した第１、第２の発明の架台一体型集熱器における好ましい実施の形態につき説明する。
第１の発明において、上記ヒートパイプは、真空ガラス管の内部に挿通してあることが好ましい（請求項２）。
この場合には、真空ガラス管の断熱効果によって、太陽熱の回収をより効率的に行うことができる。また、真空ガラス管と一体化したヒートパイプは、設置現場において直接組み付けることにより、架台一体型集熱器の流通段階等において真空ガラス管が割れてしまうことを防止することができる。

第１、第２の発明において、上記ジョイントは、上記ヘッダーの端部同士を繋ぐ金属フレキ管、耐熱ホース、金属ベローズ管のうちのいずれかであることが好ましい（請求項４）。
この場合には、ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができるジョイントを容易に選択することができる。

また、上記金属ベローズ管の外周には、該金属ベローズ管の伸縮を案内する案内外周筒が配設してあることが好ましい（請求項５）。
この場合には、金属ベローズ管が伸縮するときに、案内外周筒によって金属ベローズ管に芯ずれ、屈曲等が生じないようにすることができる。

また、上記ヘッダーは、その長手方向の一方側が高くなる状態で上記架台に配設してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、架台一体型集熱器の構造自体によって、ヘッダー内の熱媒体を抜き出すことができる構造を形成することができる。そのため、設置現場においては、架台一体型集熱器を水平に設置することにより、ヘッダーの長手方向の一方側が高くなるようにすることができ、その設置が簡単である。

以下に、本発明の架台一体型集熱器に係る実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の架台一体型集熱器１は、図１、図２に示すごとく、ヘッダー３と架台２とを一体的に組み付けたものである。ヘッダー３は、日射から集熱する複数本のヒートパイプ４の上端部をそれぞれ接続するための接続部３１を複数有し、複数本のヒートパイプ４へ水Ｗ１を供給すると共に複数本のヒートパイプ４から水蒸気又は温水Ｗ２を回収するよう構成されている。架台２は、ヘッダー３をジョイント３２を介して直列に接続して複数配設し、各ヘッダー３の接続部３１にそれぞれ接続するヒートパイプ４を複数配設するためのものである。ジョイント３２の少なくともいずれかは、ヘッダー３の長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものである。

以下に、本例の架台一体型集熱器１につき、図１〜図８を参照して詳説する。
本例の架台一体型集熱器１は、工場内においてヒートパイプ４を除く装置の全体を組み立てた後、運搬車両等によって会社、施設、工場、事務所等の建物の屋上等である設置現場まで運搬して、設置現場の水平面８に設置することにより、極めて簡単に設置を行うことができるものである。

図１に示すごとく、架台２は、ヒートパイプ４の設置傾斜角度θと平行な傾斜角度で配設する傾斜配設フレーム２１と、傾斜配設フレーム２１の傾斜下端部に取り付けた載置プレート２３と、傾斜配設フレーム２１の傾斜上端部の近傍に上端部を取り付けた柱フレーム２２と、柱フレーム２２の下端部に取り付けた載置プレート２３とを用いて構成されている。
なお、傾斜配設フレーム２１において、ヘッダー３を直列に接続する方向を長手方向Ｌといい、これに直交する方向を幅方向Ｂという。

傾斜配設フレーム２１は、複数のヘッダー３を直列に接続する長手方向Ｌに長い四角枠形状を有している。傾斜配設フレーム２１の傾斜下端部は、載置プレート２３に対して回動可能に支持されており、傾斜配設フレーム２１の傾斜上端部は、柱フレーム２２の上端部に対して支持されている。柱フレーム２２の下端部は、載置プレート２３に対して支持されている。柱フレーム２２の下端部近傍と傾斜配設フレーム２１の中間部分との間には、支持フレーム２４が設けてあり、支持フレーム２４により傾斜配設フレーム２１の傾斜角度θが固定される。また、柱フレーム２２は、傾斜配設フレーム２１の長手方向Ｌの複数箇所に設けてあり、長手方向Ｌに並ぶ一対の柱フレーム２２の間には筋交い２５がＸ状に交差して掛け渡してある。

傾斜配設フレーム２１における幅方向Ｂの傾斜下端部には、ヒートパイプ４の下端部を支持する支持部２１１が長手方向Ｌに並んで複数設けてある。
図２に示すごとく、本例の傾斜配設フレーム２１においては、４つのヘッダー３が長手方向Ｌに沿ってジョイント３２を介して直列に配設されており、各ヘッダー３には、それぞれ８本のヒートパイプ４が垂直に接続される。
また、集熱器１の大きさは、運搬を簡単に行うため、トラックの荷台に載る大きさ、すなわち長さが１０ｍ以内で、幅が２．５ｍ以内にすることができる。

図１に示すごとく、本例の集熱器１は、ヒートパイプ４の設置傾斜角度θを簡単に変更することができるようになっている。具体的には、柱フレーム２２を長さの異なるものに変更することにより、ヒートパイプ４の設置傾斜角度θを簡単に変更することができる。
本例のヒートパイプ４は、真空状態を形成する真空ガラス管４１の内部に挿通してある。真空ガラス管４１を用いることにより、その断熱効果によって、太陽熱の回収をより効率的に行うことができる。また、真空ガラス管４１内において、ヒートパイプ４に対する左右両側には、太陽熱を効果的に吸熱するための集熱板が設けてある。

ヘッダー３は、傾斜配設フレーム２１の幅方向Ｂにおける傾斜上端部付近において、長手方向Ｌに沿って配設してある。ヘッダー３における幅方向Ｂの内側には、ヒートパイプ４を接続するための接続部３１が等間隔に複数設けてある。接続部３１は、ヒートパイプ４の上端部を差し込む穴形状に形成してある。
ヘッダー３においては、各ヒートパイプ４の上端部に水Ｗ１を供給するための入水管と、各ヒートパイプ４の上端部から受熱した水蒸気又は温水Ｗ２を取り出すための取出管とが設けてある。ヘッダー３から取り出す水蒸気、温水Ｗ２は、温水タンクに貯蔵され、給湯栓等に供給される。本例の集熱器１は、太陽熱を利用して水Ｗ１から温水Ｗ２を生成する太陽熱温水器として用いる。

また、ヘッダー３は、その長手方向Ｌの一方側が高くなる状態で架台２に配設することができる。この場合には、架台一体型集熱器１の構造自体によって、ヘッダー３内の温水Ｗ２（熱媒体）を抜き出すことができる構造を形成することができる。そのため、設置現場においては、架台一体型集熱器１を水平に設置することにより、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側が高くなるようにすることができ、その設置を簡単にすることができる。
ヘッダー３内の温水Ｗ（熱媒体）を抜き出す場合としては、例えば、夏季に、温水Ｗ２を溜めるタンクの温度が上昇し過ぎたときに集熱を停止する場合、冬季に、凍結防止を行う場合などがある。

上記温水Ｗ２の抜出し構造を実現するために、架台２は、ヘッダー３を配設した幅方向Ｂの一方側が高くなるよう傾斜させると共に、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側が他方側よりも高くなるよう傾斜させて形成することができる。
例えば、傾斜配設フレーム２１を支える柱フレーム２４の長さを、ヘッダー３の長手方向Ｌの他方側に位置する柱フレーム２４に比べて、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側に位置する柱フレーム２４を長くすることによって、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側が他方側よりも高くなるよう傾斜させることができる。

また、例えば、柱フレーム２４をねじ構造によって高さ調整可能にして、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側が他方側よりも高くなるよう傾斜配設フレーム２１を傾斜させることもできる。また、柱フレーム２４に予め高さ調整部材を結合しておくことにより、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側が他方側よりも高くなるよう傾斜配設フレーム２１を傾斜させることもできる。
また、図６に示すごとく、幅方向Ｂの一方側Ｂ１が高くなるよう形成した架台２に対して、ヘッダー３の長手方向Ｌの一方側Ｌ１を他方側Ｌ２よりも、幅方向Ｂの一方側Ｂ１の端部に近い位置に位置させることによって、ヘッダー３を、その長手方向Ｌの一方側Ｌ１が他方側Ｌ２よりも高くなるよう架台２に配設することもできる。同図においては、架台２は模式的に示した。

図３に示すごとく、本例のジョイント３２の少なくともいずれかは、互いに向き合うヘッダー３の端部に設けたタケノコ継ぎ手３２１（接続部分が先端に向かうほど縮径し、この縮径する外周に複数の段差を有する継ぎ手）同士を接続する耐熱ホース３２２である。耐熱ホース３２２が伸縮することにより、ヘッダー３の長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができる。
この耐熱ホース３２２は、すべてのジョイント３２に使用することもでき、図２におけるジョイント３２Ａに適用して、複数（２本等）のヘッダー３の間隔で使用することもできる。なお、各ジョイント３２は、断熱材で覆うことができる。

また、図４に示すごとく、複数のジョイント３２の少なくともいずれかは、ヘッダー３の端部同士を繋ぐ金属フレキ管３２３によって構成することもできる。金属フレキ管３２３が伸縮することにより、ヘッダー３の長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができる。この場合、同図に示すごとく、互いに隣接するヘッダー３同士を横にずらし、架台２に対して千鳥状に配設したヘッダー３及び複数本のヒートパイプ４を金属フレキ管３２３によって接続することができる。また、互いに隣接するヘッダー３及び複数本のヒートパイプ４は、ヘッダー３の横方向にずらすだけでなく、ヘッダー３の上下方向にずらすこともできる。

また、図５に示すごとく、複数のジョイント３２の少なくともいずれかは、ヘッダー３の端部同士を繋ぐ金属ベローズ管（金属蛇腹管）３２４によって構成することもできる。金属ベローズ管３２４が伸縮することにより、ヘッダー３の長手方向に生じる熱伸縮を吸収することができる。この場合、金属ベローズ管３２４の端部３２５をヘッダー３の端部に突出する配管３４に嵌合し、これらをろう付けして接合することができる。また、金属ベローズ管３２４の外周は、金属製等のケース３５によって覆うことができる。そして、ケース３５の外周に断熱材３６を巻き付けることにより、金属ベローズ管３２４の伸縮時に、その外周の溝部に断熱材３６が詰まらないようにすることができる。

ケース３５の内径は、金属ベローズ管３２４の外径よりも僅かに大きな内径で形成することができる。これにより、ケース３５は、金属ベローズ管３２４の伸縮を案内する案内外周筒として機能させることができる。この場合には、金属ベローズ管３２４が伸縮するときに、ケース３５によって金属ベローズ管３２４に芯ずれ、屈曲等が生じないようにすることができる。
ケース３５の両端と、金属ベローズ管３２４の両端部３２５との間に隙間を設けておくことにより、ケース３５に対して金属ベローズ管３２４が伸縮できるようにすることができる。また、ケース３５の一端を金属ベローズ管３２４の一方の端部３２５に溶接し、ケース３５の他端と金属ベローズ管３２４の他方の端部３２５との間を開放しておくことにより、ケース３５に対して金属ベローズ管３２４が伸縮できるようにすることもできる。

本例の集熱器１は、傾斜配設フレーム２１の長手方向Ｌを東西方向に向けて、南北方向に複数並列に並べて設置することができる。このとき、ヒートパイプ４の配設傾斜角度θは、５〜２０°の範囲内、より好ましくは約１５°とすることができる。
例えば、図８に示すごとく、傾斜配設フレーム２１の幅方向の寸法Ｂ１が２ｍの集熱器の場合に、比較のために傾斜配設フレーム２１に３５°の傾斜角度θを設けて設置したとき、北側の集熱器９（Ａ）にも有効に太陽光が照射されるためには、集熱器９同士の間に約２．８２ｍの間Ｘ１を空け、北側の集熱器９（Ａ）と南側の集熱器９（Ｂ）とを合わせた全体の横幅Ｘ２が約６．１ｍ必要になる。そのため、複数列に配設する集熱器９が建物の屋上等において占有する面積が大きくなる。

これに対し、図７に示すごとく、傾斜配設フレーム２１の幅方向の寸法Ｂ１が２ｍの集熱器１の場合に、この傾斜配設フレーム２１に１５°の傾斜角度θを設けて設置したとき、北側の集熱器１（Ａ）にも有効に太陽光が照射されるためには、集熱器１同士の間に約１．２４ｍの間Ｘ１を空け、北側の集熱器１（Ａ）と南側の集熱器１（Ｂ）とを合わせた全体の横幅Ｘ２を約５．１ｍとすることができる。これにより、集熱器１を複数列に配設する場合に、建物の屋上等において占有する面積を小さくすることができる。
なお、図７、図８において、太陽光Ｙの照射角度αを考慮し、北側の集熱器１（Ａ）、９（Ａ）が南側の集熱器１（Ｂ）、９（Ｂ）の陰にならないようにして、全体の横幅Ｘ２を決定した。

本例の集熱器１におけるヒートパイプ４の配設傾斜角度θは、一般的な集熱器を配設する際のヒートパイプ４の配設傾斜角度θに比べて小さくしており、集熱器１の単体での集熱量は一般的な集熱器に比べて減少する。しかし、集熱器１を複数列に並べて配設する場合、配設間隔Ｘ１を小さくすることができ、建物の屋上における水平面８の単位占有面積当たりの集熱量を一般的な集熱器に比べて増加させることができる。

本例の架台一体型集熱器１においては、建物の屋上等である設置現場において、架台２を組み立てる必要がなく、複数のヘッダー３の配設を行う必要もない。これにより、集熱器１の設置に要する時間を短縮することができ、複数本のヒートパイプ４を適切な傾斜角度θで極めて簡単に設置することができる。また、建物の屋上等における高所作業の危険性を低減させることができる。

また、集熱器１を運搬車両によって運搬するときには、真空ガラス管４１と一体化したヒートパイプ４が架台２に取り付いておらず、このヒートパイプ４は、設置現場において直接組み付ける。これにより、集熱器１の流通段階等において真空ガラス管４１が割れてしまうことを防止することができる。

なお、真空ガラス管４１を用いずに複数本のヒートパイプ４を用いて平板型の集熱器１を形成した場合には、この集熱器１は、日射から集熱する複数本のヒートパイプ４をヘッダー３及び架台２に対して、工場内において予め配設して形成することもできる。この場合には、予め組み付けた架台一体型集熱器１を建物の屋上等における水平面に設置することによって、極めて簡単に集熱器１の設置を行うことができる。

１架台一体型集熱器
２架台
３ヘッダー
３１接続部
３２ジョイント
４ヒートパイプ
４１真空ガラス管
８水平面
θ 配設傾斜角度

Claims

日射から集熱する複数本のヒートパイプの上端部をそれぞれ接続するための接続部を複数有し、上記複数本のヒートパイプの上端部へ水を供給すると共に該複数本のヒートパイプの上端部から水蒸気又は温水を回収するヘッダーと、
該ヘッダーをジョイントを介して直列に接続して複数配設し、上記各ヘッダーの上記接続部にそれぞれ接続する上記ヒートパイプを複数配設するための架台とを備え、
上記ジョイントの少なくともいずれかは、上記ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものであることを特徴とする架台一体型集熱器。
請求項１に記載の架台一体型集熱器において、上記ヒートパイプは、真空ガラス管の内部に挿通してあることを特徴とする架台一体型集熱器。
日射から集熱する複数本のヒートパイプと、
該複数本のヒートパイプの上端部へ水を供給すると共に該複数本のヒートパイプの上端部から水蒸気又は温水を回収するヘッダーと、
該ヘッダーをジョイントを介して直列に接続して複数配設し、上記各ヘッダーの上記接続部にそれぞれ接続した上記ヒートパイプを複数配設してなる架台とを備え、
上記ジョイントの少なくともいずれかは、上記ヘッダーの長手方向に生じる熱伸縮を吸収するものであることを特徴とする架台一体型集熱器。
請求項１〜３に記載の架台一体型集熱器において、上記ジョイントは、上記ヘッダーの端部同士を繋ぐ金属フレキ管、耐熱ホース、金属ベローズ管のうちのいずれかであることを特徴とする架台一体型集熱器。
請求項４に記載の架台一体型集熱器において、上記金属ベローズ管の外周には、該金属ベローズ管の伸縮を案内する案内外周筒が配設してあることを特徴とする架台一体型集熱器。
請求項１〜５に記載の架台一体型集熱器において、上記ヘッダーは、その長手方向の一方側が高くなる状態で上記架台に配設してあることを特徴とする架台一体型集熱器。