JP2013113521A - 太陽熱温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の不凍熱媒液循環式太陽熱温水装置に起因する問題を解消すると共に、構成が簡単で、装置費が安く、効率良く集熱ができ、且つ人体に安全な太陽熱温水装置を提供する。
【解決手段】太陽熱集熱器は真空ガラス管ヒートパイプ式１０を用いる。本集熱器１０が冬季の冷外気により冷やされ、高温度センサ１２が凍結の恐れがある設定温度に達した場合にはコントローラ１５にて循環ポンプ１１が駆動される凍結防止運転がなされる。
【選択図】図２

Description

本発明は貯湯タンク内の水をポンプにて太陽熱集熱器に循環させて加熱する強制循環式太陽熱温水装置に関するものである。

図４は従来の強制循環式太陽熱温水装置の代表的な構成図であり、集熱器はフラットパネル式が一般的に用いられている。この方式の集熱器は日中の太陽光による赤外線を吸収して内部の液体を加熱するのみならず、夜間・早朝時の冷気をも吸収するので冬季には内部の熱媒液が極めて凍結し易い欠点がある。凍結を防止するために不凍熱媒液を循環ポンプ１１にて集熱管路３５に循環させ、貯湯タンク９内の水を間接的に加熱している方式のものが一般的である。

不凍熱媒液は太陽熱により加熱され熱膨張する。集熱管路３５は密閉構造となっており、膨張容積分を吸収するための膨張タンク２８、熱膨張による不測の高圧から集熱器３４の破損を防止する安全弁２９及び熱媒液充填ユニット２７、循環ポンプ１１等を備え、貯湯タンク９内にはコイルパイプ熱交換器２６が設けられており構造面で複雑となる。

この方式では有毒又は有害な不凍熱媒液が貯湯タンク９内の熱交換器２６に使用されており、事故による不凍熱媒液の温水内への漏洩が危惧されている。

熱交換器２６を使用して間接的にタンク９内の水を加熱するので熱損失が発生する。又、構造が複雑になることから装置価格及びメンテナンス費用が高くなり太陽熱温水装置普及の妨げとなっている。

不凍熱媒液を使って集熱管路を循環させて熱回収している従来例としては特許文献１の図１０に示すような装置がある。
特開２００３−４２５７２号公報

従来の強制循環式太陽熱温水装置は太陽熱集熱器と貯湯タンク間の温水集熱管路に不凍熱媒液を使い、冬季における集熱器の凍結防止を図っているが以下のような問題点が指摘される。

従来の太陽熱温水装置ではフラットパネル式集熱器３４が一般的に使用されており、図５はこの縦断面図である。パネル底部の冷水ヘッダー管３０に冷水が送水され、伝熱管（若しくはプレート）３１で加熱された高温水を上部の高温水ヘッダー管３２から取り出す方式である。パネルの厚さを薄く作ることが出来る利点があるが、伝熱管（若しくはプレート）３１は夜間・早朝時の冷気をも吸収するので冬季に内部の熱媒液が極めて凍結し易い欠点がある。

凍結を防止する為に貯湯タンク９内にコイルパイプ熱交換器２６を設けて不凍熱媒液をポンプにて加圧して集熱管路３５内を循環させている。不凍熱媒液は高熱容量、高温安定性等から人体に有毒又は有害な合成系有機化合物が一般的に使用され
ている。熱交換器から不凍熱媒液の漏洩事故が発生した場合にはタンク内の温水に混入するので、温水の溜飲及び浴槽での皮膚接触による人体への有害性が危惧されている。

従来装置の不凍熱媒液の集熱管路３５は一般的に密閉構造である。このために熱媒液が太陽熱により加熱されることによる熱膨張を吸収するための膨張タンク２８、熱膨張による不測の高圧から集熱器の破損を防止する安全弁２９、熱媒液充填ユニット２７及び循環ポンプ１１等を備え、貯湯タンク９内にはコイルパイプ熱交換器２６を設ける必要がある。構造面で複雑となり、太陽熱温水装置価格が高くなる。又、２〜３年毎に不凍熱媒液の交換が必要とされていることからメンテナンス費用も多大となる。

従来装置は貯湯タンク内の熱交換器を介して間接的に水を加熱するので熱損失が大きくなり太陽熱からの熱回収効率が低下する。

従来装置は装置価格及びメンテナンス費用が高いことから装置導入によるガス等の補助燃料の削減からによる投資額の回収期間が長く、装置寿命内での投資金額の回収が困難なケースが見受けられ普及の妨げとなっている。

本発明では上記課題を解決するために太陽熱集熱器として真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器１０を用い、集熱器出口水温が一定温度以下となった場合に循環ポンプ１１を駆動して貯湯タンク９内の低温水を強制的に集熱器１０に送水することにより凍結を防止している。

貯湯タンク９の循環ポンプ吸込口１８の直下に電気ヒータ１６を、直上に温水ガイドカバー１７を設けて、集熱器が凍結の恐れがある場合に電気ヒータ１６にて加熱された温水を効率良く循環ポンプ吸込口１８に導くことも出来る。

集熱器出口に高温度センサ１２を設け、その温度が凍結の恐れがある設定温度に低下した場合にはコントローラ１５にて循環ポンプ１１を駆動させて貯湯タンク９内の低温水を集熱管路１９に送水して凍結を防止し、高温度センサ１２が凍結の恐れがない設定温度に達した場合には循環ポンプ１１を停止させることも可能である。

集熱器出口の高温度センサ１２の温度が凍結の恐れがある設定温度以下に低下しコントローラ１５にて循環ポンプ１１を駆動させて貯湯タンク９内の低温水を集熱管路１９に送水し続けても高温度センサ１２が凍結の恐れがない設定温度以上に達しない場合にはコントローラ１５によりタンク内の電気ヒータ１６に通電してタンク内の水を加熱し、暖められた温水が温水ガイドカバー１７により効率良く循環ポンプ吸込口１８に導かれ、集熱管路温度を上昇させることにより凍結を防止する。温度センサが凍結の恐れがない設定温度以上に達した場合には循環ポンプ１１及び電気ヒータ１６を停止させるようにしても良い。

本発明によれば貯湯タンク内の水を加熱するのに不凍熱媒液を使用しな
いので漏洩事故の恐れが無く、人体に安全な温水を供給することができる。且つ、非
常時には貯湯タンク内の水を飲料水として不安無く利用できる。本発明が用いるヒー
トパイプ内には揮発性熱媒液（アルコール主成分）が使用されているがヒートパイプは伝熱ヘッダー管の鞘管内に挿入されているので万一破損しても温水回収管路内に混入の恐れは無い。

本発明によれば太陽熱温水装置に構造面で複雑となる不凍熱媒液を用いて無いことから装置を簡略化することが出来、耐久性が向上し、設備費と共にメンテナンス費も低減できる。

本発明によれば貯湯タンク内の水を真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器が直接加熱するので熱交換器による熱損失が無く、高熱回収効率の太陽熱温水装置を提供できる。

真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器の断面図 本発明の実施の形態の構成図 温水ガイドカバーの斜視図 従来の強制循環式太陽熱温水装置の構成図 図４における???線断面図

本発明に係る実施形態について模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。本発明を構成する真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器１０による太陽光からの熱エネルギーを吸収する過程を図１にて説明する。図１は代表的な真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器の断面図である。本集熱器は真空ガラス管１の内部中央にアルミフィン３に包まれた銅管製ヒートパイプ２が配置されており、ヒートパイプ２の底部には揮発性熱媒液（アルコール主成分）４が少量封入されている。ヒートパイプ２の上部は伝熱ヘッダー管５に固定された鞘管６内に挿入されている。伝熱ヘッダー管５は保温材７で保温され防水カバー８がなされている。

太陽光の熱線である赤外線等が真空ガラス管１を透過して管内のアルミフィン３を効率良く加熱し、ヒートパイプ２に伝熱するとヒートパイプ２内の揮発性熱媒液４が気化されて管上部に上昇し、鞘管６を経由して伝熱ヘッダー管５内の循環水を加熱する。

図２は本発明に係る実施形態の構成図である。貯湯タンク９には水道水２３、ポンプ吸込口１８、その上部に温水ガイドカバー１７、ポンプ吸込口１８の下部に電気ヒータ１６、タンク上部に高温水取出口２０、中温度センサ１３、下部に低温度センサ１４が設けられており、真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器１０出口には高温度センサ１２が設けられている。

又、高温度センサ１２、中温度センサ１３、低温度センサ１４、循環ポンプ１１、及び電気ヒータ１６と電気的に接続されマイクロコンピュータが内蔵されたコントローラ１５が設けられており、これにより循環ポンプ１１及び電気ヒータ１６の制御を行っている。

上記構成において太陽熱エネルギーを集熱し、貯湯タンク９内に温水を回収する過程を説明する。集熱器１０出口部の高温度センサ１２の温度?１と貯湯タンク９の低温度センサ１４の温度?２との温度差Δ?が設定温度（例えば８℃）以上となった場合にはコントローラ１５により循環ポンプ１１が駆動され、ポンプ吸込口１８より冷水が太陽熱集熱器１０に送水され、加熱された高温水が貯湯タンク９の中央部に押し出され熱回収される。循環ポンプ１１の連続駆動により温度差Δ?が設定温度（例えば４℃）以下となった場合にはコントローラ１５により循環ポンプ１１が停止される。太陽光が降り注ぐ日中に、この行程が繰り返されて貯湯タンク９内の冷水は効率良く加熱される。

タンク内では熱循環により上部に上がるにつれ高温水が滞留する。浴槽等への給湯弁を開くと減圧弁２２を経由して水道水２３の直圧により高温水取出口
２０から高温水が混合弁２１に送水され、水道水２３と混合されて設定された温度（例えば４５℃）の温水が補助給湯器２５経由にて浴槽等に給湯される。もし、高温水取出口２０からの湯温が混合弁２１の設定温度より低かった場合には補助給湯器２５にて設定温度まで加熱されて給湯される。

上記構成において太陽熱集熱器１０と貯湯タンク９間の集熱管路１９内の水の凍結防止策について図１及び図２にて説明する。本発明では集熱装置として真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器１０を用いる。本集熱器は冬季の夜間・早朝等に真空ガラス管１が冷空気に晒されても魔法瓶の原理により真空ガラス管１が冷気を遮断し、アルミフィン３及びヒートパイプ２は殆んど冷却されない、このために伝熱ヘッダー管５内の水は冷却されにくい。

伝熱ヘッダー管５は保温材７にて十分な保温がなされているが冬季の夜間・早朝等の冷気により冷やされ伝熱ヘッダー管５出口部の高温度センサ１２の温度
?１が設定温度（例えば４℃）以下となった場合にはコントローラ１５により循環ポンプ１１が駆動され、貯湯タンク９の下部にあるポンプ吸込口１８より低温水を吸引して伝熱ヘッダー管５内に送水することにより集熱管路１９内の冷水をタンク内の低温水と置換（これを凍結防止運転と称する）させることにより凍結を防止する。この運転により高温度センサ１２の温度?１が設定温度（例えば７℃）以上になった場合にはコントローラ１５により循環ポンプ１１が停止される。水道水は冬季最低温度が６〜８℃あることから冬季温暖地域では凍結防止運転のみで集熱管路１９の凍結を防止することが可能である。

冬季極寒地域等において、上記の凍結防止運転にも関わらず、集熱器１０が外気により冷やされ続け、高温度センサ１２の温度?１が設定温度（例えば７℃）以上にならず、且つ貯湯タンク１の低温度センサ７が設定温度（例えば４℃）以下となった場合にはコントローラ１５により電気ヒータ１６が通電され、タンク内の水を加熱する。電気ヒータ１６の上部には図３に例を示した温水ガイドカバー１７が設けられており、温められた温水は効率良くポンプ吸込口１８に導かれる（これを凍結防止ヒータ運転と称する）。低温度センサ１４の温度?２が設定温度（例えば２０℃）以上に上昇
するか、高温度センサ１２の温度?１が設定温度（例えば７℃）以上となった場合にはコントローラ１５により電気ヒータ１６と循環ポンプ１１への通電が遮断される。本電気ヒータ１６は管路凍結防止が目的であることから発熱容量は?０．５〜１．０KWあれば十分である。又、上記制御により電気ヒータ１６への通電時間は冬季の極めて短時間に限定される。

１ 真空ガラス管
２ ヒートパイプ
３ アルミフィン
４ 揮発性熱媒液
５ 伝熱ヘッダー管
６ 鞘管
７ 保温材
８ 防水カバー
９ 貯湯タンク
１０ 真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器
１１ 循環ポンプ
１２ 高温度センサ
１３ 中温度センサ
１４ 低温度センサ
１５ コントローラ
１６ 電気ヒータ
１７ 温水ガイドカバー
１８ ポンプ吸込口
１９ 集熱管路
２０ 高温水取出口
２１ 混合弁
２２ 減圧弁
２３ 水道水
２４ 温圧弁
２５ 補助給湯器
２６ コイルパイプ熱交換器
２７ 熱媒液充填ユニット
２８ 膨張タンク
２９ 安全弁
３０ 冷水ヘッダー管
３１ 伝熱管（若しくはプレート）
３２ 高温水ヘッダー管
３３ ガラス板
３４ フラットパネル式太陽熱集熱器
３５ 密閉集熱管路

Claims (4)

1. 真空ガラス管ヒートパイプ式太陽熱集熱器を用い、集熱器出口水温が一定温度以下となった場合に循環ポンプを駆動して貯湯タンク内の低温水を強制的に集熱器に送水することにより集熱器の凍結を防止することを特徴とする太陽熱温水装置。
2. 太陽熱温水装置用貯湯タンクにおいて循環ポンプ吸込口の直下に電気ヒータを、直上に温水ガイドカバーを設けて、集熱器が凍結の恐れがある場合に電気ヒータにて加熱された温水が効率良く循環ポンプ吸込口に導かれることを特徴とする請求項１記載の太陽熱温水装置。
3. 太陽熱温水装置の集熱器出口に温度センサを設け、その温度が凍結の恐れがある設定温度以下に低下した場合にはコントローラにて循環ポンプを駆動させて貯湯タンク内の低温水を集熱管路に送水して凍結を防止し、温度センサが凍結の恐れがない設定温度に達した場合には循環ポンプを停止することを特徴とする請求項１から請求項２記載の太陽熱温水装置。
4. 集熱器出口の温度センサ温度が凍結の恐れがある設定温度以下に低下しコントローラにて循環ポンプを駆動させて貯湯タンク内の低温水を集熱管路に送水し続けても温度センサが凍結の恐れがない設定温度以上に達しない場合にはコントローラによりタンク内の電気ヒータに通電してタンク内の水を加熱し、暖められた温水が温水ガイドカバーにより効率良く循環ポンプ吸込口に導かれ、集熱管路温度を上昇させることにより凍結を防止する。温度センサが凍結の恐れがない設定温度以上に達した場合には循環ポンプ及び電気ヒータを停止させることを特徴とする請求項１から請求項３記載の太陽熱温水器。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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