JP2013122370A - Solar water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽熱を受熱し、受熱した太陽熱の熱量を利用して水を加温する太陽熱利用温水器に関するものである。 The present invention relates to a solar water heater that receives solar heat and heats water using the amount of heat of the received solar heat.
近年、原油価格の上昇により省エネルギー化のニーズが高まり、再生可能エネルギーである太陽熱を利用して温水を生成する太陽熱利用温水器がますます注目されている。この種の太陽熱利用温水器として、太陽熱を集熱する集熱器と、集熱された熱を蓄える蓄熱器と、蓄えられた熱で水を加熱するための熱交換器とを備えた太陽熱利用給湯システムが提案されている(特許文献1参照)。
この太陽熱利用給湯システムでは、蓄熱器は、断熱構成された底板、側板及び透光板とで箱状に形成され、その内部には略全面にわたり面状に蛇行配列された通水配管と通水配管を挟んで上下に配設した蓄熱ユニットとが設けられており、集熱器で集めた太陽熱により水を加熱し、加熱した水を蓄熱ユニットと熱交換させることで、当該蓄熱ユニットに熱を蓄えるため、温水を蓄えるためのタンクが不要になるという利点がある。
In recent years, the need for energy conservation has increased due to the rise in crude oil prices, and solar water heaters that generate hot water using solar heat, which is a renewable energy, have attracted more and more attention. This type of solar water heater uses a solar heat collector that collects solar heat, a heat accumulator that stores the collected heat, and a heat exchanger that heats the water with the accumulated heat. A hot water supply system has been proposed (see Patent Document 1).
In this hot water supply system using solar heat, the heat accumulator is formed in a box shape with a bottom plate, a side plate, and a translucent plate that are heat-insulated. A heat storage unit is installed on the top and bottom of the pipe, and water is heated by solar heat collected by the heat collector, and heat is exchanged with the heat storage unit to heat the heat storage unit. Since it stores, there exists an advantage that the tank for storing warm water becomes unnecessary.
しかし、上記した太陽熱集熱器では、蓄熱器が断熱構成された箱体の内部に、通水配管を挟んで潜熱蓄熱材を有する潜熱蓄熱ユニットを上下に配設した構成となっており、潜熱蓄熱ユニットは熱伝導率が小さいため、素早く熱を蓄えたり、熱を放出させたりすることが困難であるという問題がある。また、従来の構成では、潜熱蓄熱ユニットと通水配管を流通する水との間で熱交換を行うため、通水配管に近接した部分と通水配管から離れた部分とで潜熱蓄熱ユニットの温度にバラつきが生じ、供給される温水温度が変動しやすいといった問題がある。また、潜熱蓄熱材は、使用できる温度に上限があるため、太陽熱によって潜熱蓄熱材が上限温度以上に過熱された場合には、潜熱蓄熱ユニットの信頼性を確保できないといった問題がある。 However, the solar heat collector described above has a configuration in which a latent heat storage unit having a latent heat storage material is disposed vertically inside a box body in which the heat storage unit is thermally insulated, with a water flow pipe interposed therebetween. Since the heat storage unit has a low thermal conductivity, there is a problem that it is difficult to quickly store heat or release heat. Further, in the conventional configuration, since heat is exchanged between the latent heat storage unit and the water flowing through the water passage pipe, the temperature of the latent heat storage unit is divided between a portion close to the water passage pipe and a portion away from the water passage pipe. There is a problem that the hot water temperature is likely to fluctuate. Moreover, since the latent heat storage material has an upper limit on the usable temperature, there is a problem that the reliability of the latent heat storage unit cannot be ensured when the latent heat storage material is overheated to the upper limit temperature or more by solar heat.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、熱交換効率に優れ、供給される温水温度の変動を抑制するとともに潜熱蓄熱材の過熱を防止できる太陽熱利用温水器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a solar water heater that has excellent heat exchange efficiency, can suppress fluctuations in the supplied hot water temperature, and can prevent overheating of the latent heat storage material. .
上記課題を解決するため、本発明は、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で集熱される熱を蓄える蓄熱器と、前記蓄熱器に蓄えられる熱で水を加熱する熱交換器をケース内に備えた太陽熱利用温水器であって、前記蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれており、複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されたヒートパイプを備え、前記ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されたことを特徴とする。
この構成によれば、蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれて構成されるため、小分けすることにより蓄熱器全体の伝熱面積を大きくすることができ、その分、蓄熱または放熱時の熱交換効率を向上することができる。また、複数の蓄熱ユニット間と熱的に接続されたヒートパイプを備えているため、このヒートパイプにより均熱化された複数の蓄熱ユニットから均等に熱を取り出すことができ、供給される温水温度の変動を抑制できる。更に、ヒートパイプの一端がケースの外部に配置されているため、蓄熱ユニットが過熱された場合には、この熱をヒートパイプを通じてケース体の外部に放出することができ、蓄熱ユニットの過熱が防止される。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solar heat collector, a heat accumulator that stores heat collected by the solar heat collector, and a heat exchanger that heats water with heat stored in the heat accumulator. A solar water heater equipped in the heat storage unit, wherein the heat storage unit is divided into a plurality of heat storage units each including a latent heat storage material, and includes a heat pipe thermally connected to the plurality of heat storage units. One end is arranged outside the case.
According to this configuration, since the heat accumulator is configured by being divided into a plurality of heat accumulating units including the latent heat accumulating material, the heat transfer area of the entire heat accumulator can be increased by subdividing the heat accumulator or heat dissipation. The heat exchange efficiency at the time can be improved. In addition, since a heat pipe is provided that is thermally connected between the plurality of heat storage units, heat can be evenly extracted from the plurality of heat storage units that are soaked by the heat pipe, and the supplied hot water temperature Can be suppressed. Furthermore, because one end of the heat pipe is located outside the case, when the heat storage unit is overheated, this heat can be released to the outside of the case body through the heat pipe, preventing overheating of the heat storage unit. Is done.
この構成において、前記太陽熱集熱器、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置されていても良い。前記蓄熱器が前記集熱器及び前記熱交換器と熱的に接続され、さらに前記集熱器と前記熱交換器が熱的に接続されていても良い。 In this configuration, the solar heat collector, the heat accumulator, and the heat exchanger may be stacked. The heat accumulator may be thermally connected to the heat collector and the heat exchanger, and the heat collector and the heat exchanger may be thermally connected.
また、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とが前記ヒートパイプにより熱的に接続されていても良い。また、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とを熱的に接続する第1ヒートパイプと、前記複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されている第2ヒートパイプとを有し、前記第2ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されても良い。 Moreover, the said heat storage and the said heat exchanger are arrange | positioned in piles, the said heat storage and a heat exchanger, the side, and the said solar heat collector are arrange | positioned, and the said solar heat collector and the said heat storage are by the said heat pipe. It may be thermally connected. Further, the heat accumulator and the heat exchanger are arranged to overlap each other, the heat accumulator and the heat exchanger, the side and the solar heat collector are arranged, and the solar heat collector and the heat accumulator are thermally connected. And a second heat pipe thermally connected to the plurality of heat storage units, and one end of the second heat pipe may be disposed outside the case.
また、前記ヒートパイプの一部または全部が可変コンダクタンス型ヒートパイプで構成されても良い。また、前記ケースの外部に配置された前記ヒートパイプの一端に放熱用フィンを設けても良い。また、前記熱交換器に前記複数の蓄熱ユニットが配置され、各蓄熱ユニット間にそれぞれ伝熱支柱が介在し、前記均熱部材は当該伝熱支柱に熱的に接続されても良い。 In addition, a part or all of the heat pipe may be a variable conductance heat pipe. Moreover, you may provide the fin for heat radiation in the end of the said heat pipe arrange | positioned outside the said case. Further, the plurality of heat storage units may be arranged in the heat exchanger, heat transfer columns may be interposed between the heat storage units, and the heat equalizing member may be thermally connected to the heat transfer columns.
本発明によれば、蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれて構成されるため、小分けすることにより蓄熱器全体の伝熱面積を大きくすることができ、その分、蓄熱または放熱時の熱交換効率を向上することができる。また、複数の蓄熱ユニット間の均熱化を図る均熱部材を備えているため、この均熱部材により均熱化された複数の蓄熱ユニットから均等に熱を取り出すことができ、供給される温水温度の変動を抑制できる。
更に、ヒートパイプの一端がケース体の外部に配置されているため、蓄熱ユニットが過熱された場合には、この熱をヒートパイプを通じてケース体の外部に放出することができ、蓄熱ユニットの過熱が防止される。
According to the present invention, the heat accumulator is configured by being divided into a plurality of heat accumulating units each including a latent heat accumulating material, so that the heat transfer area of the entire heat accumulator can be increased by subdividing the heat accumulator or heat dissipation. The heat exchange efficiency at the time can be improved. In addition, since a heat equalizing member that equalizes the temperature between the plurality of heat storage units is provided, the heat can be evenly taken out from the plurality of heat storage units that are temperature-uniformed by the heat equalization member, and the supplied hot water Temperature fluctuation can be suppressed.
Further, since one end of the heat pipe is arranged outside the case body, when the heat storage unit is overheated, this heat can be released to the outside of the case body through the heat pipe, and the heat storage unit is overheated. Is prevented.
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態にかかる太陽熱利用温水器1を示す図であり、Aは太陽熱利用温水器1の側面図、BはAのB−B断面図、図2は、集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器1の平面図である。
太陽熱利用温水器1は、太陽の日射を受光し易い場所(例えば、屋根)に配置され、図1A及び図1Bに示すように、太陽からの日射を受けて太陽熱を集熱する太陽熱集熱器10と、この太陽熱集熱器10から放出された太陽熱を受けて蓄熱する蓄熱器20と、この蓄熱器20もしくは太陽熱集熱器10から放出された熱を受熱して外部(本実施形態では水道水)へ伝達する熱交換器30とを備え、これら太陽熱集熱器10、蓄熱器20及び熱交換器30を高さ(厚さ)方向に積層して形成されている。この第1実施形態では、熱交換器30の上に蓄熱器20が配置され、この蓄熱器20の上に太陽熱集熱器10が配置されている。このため、太陽熱利用温水器1の設置面積を抑えることができ、当該太陽熱利用温水器1の小型化を図ることができる。
また、太陽熱利用温水器1は、略矩形の箱状に形成されて太陽熱集熱器10、蓄熱器20及び熱交換器30を収容するケース体(ケース)3を備える。このケース体3は、底面3A及び四方の側面3B〜3Eが断熱性の高い材料で形成されるとともに、太陽熱集熱器10に対向する上面3Fがガラス等の透光性を有する部材で形成されている。本実施形態では、ケース体3は、太陽熱集熱器10に対向する上面3Fがガラス等の透光性を有する部材で形成されるため、太陽からの日射を太陽熱集熱器10で確実に受けることができる。
さらに、ケース体3は、底面3A及び四方の側面3B〜3Eが断熱性の高い材料で形成されるため、蓄熱器20に蓄えられた熱がケース体3を通じて外気に放出されることが防止され、熱の有効利用を図ることができる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
Drawing 1 is a figure showing solar water heater 1 concerning a 1st embodiment, A is a side view of solar water heater 1, B is a BB sectional view of A, and
The solar water heater 1 is arranged in a place (for example, a roof) where it is easy to receive solar solar radiation, and as shown in FIGS. 1A and 1B, a solar thermal collector that collects solar heat by receiving solar radiation. 10, a
The solar water heater 1 includes a case body (case) 3 that is formed in a substantially rectangular box shape and accommodates the
Furthermore, since the
熱交換器30は、板状に形成されたベース板31と、このベース板31上に立設された複数の薄板状のフィン(伝熱支柱)32,32・・とを備える。これらベース板31及びフィン32は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、当該ベース板31上に所定の間隔をあけて各フィン32がねじ止め等によって固定されている。なお、ベース板31及びフィン32を一体に形成しても良い。これら各フィン32は、略同一の高さに形成され、当該フィン32の上端部に太陽熱集熱器10が固定されている。
The
熱交換器30は、図2に示すように、上記したフィン32が延びる方向に沿って配置される一対の入口ヘッダ33及び出口ヘッダ34と、これら入口ヘッダ33、出口ヘッダ34間を繋ぐ複数の連結管35,35・・とを備える。これら各連結管35は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、それぞれベース板31の下面に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
また、入口ヘッダ33には給水源である上水道配管が接続され、出口ヘッダ34には給湯口に接続された給湯用配管が接続される。なお、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管に、給水源である上水道から分岐させた混合用配管を接続してもよい。給湯用配管を流れる湯に、混合用配管を通じて上水を混合することで、湯を適温に調整することができる。
The
太陽熱集熱器10は、ベース板31と略同じ大きさの板状に形成され、光吸収率を高める表面処理を行った集熱板11を備え、この集熱板11は熱交換器30のフィン32上に固定されている。この集熱板11は、上記した熱交換器30のベース板31,フィン32及び連結管35と同様に熱伝導性の優れた金属材で形成され、当該集熱板11で集められた太陽熱は、複数のフィン32を介して熱交換器30のベース板31に伝達される。
本実施形態では、フィン32は、ベース板31上に立設されているが、これに限らず、当該フィン32を集熱板11の下面に、所定の間隔をあけてねじ止め等によって固定される構成としても良い。さらに、集熱板11及びフィン32を一体に形成しても良いことは勿論である。
The
In the present embodiment, the
蓄熱器20は、太陽熱集熱器10で集熱され、熱交換器30に伝達された太陽熱を蓄えるものである。この蓄熱器20は、複数に小分けされた蓄熱ユニット21,21・・を備え、これら蓄熱ユニット21が隣接するフィン32,32間に並べて配置されている。各蓄熱ユニット21は、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして形成されたものであり、図1Aに示すように、当該蓄熱ユニット21の上面21A及び下面21Bがそれぞれ集熱板11及びベース板31に接触する高さに形成されている。さらに、集熱板11及びベース板31には、それぞれ蓄熱ユニット21を保持するための突起(図示略)が複数設けられており、当該蓄熱ユニット21を集熱板11とベース板31との間に固定するとともに、当該集熱板11及びベース板31と蓄熱ユニット21との間の熱伝達特性を向上させることができる。従って、集熱板11及びベース板31から伝達される太陽熱を蓄熱ユニット21内の潜熱蓄熱材に効率良く蓄熱することができる。
The
潜熱蓄熱材は、その融解または凝固時の潜熱を利用して蓄熱または放熱する性質を有するものである。本実施形態では、潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウム・3水和塩を用いているが、上記した性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、塩化マグネシウム・6水和塩、水酸化バリウム・8水和塩、チオ硫酸ナトリウム・5水和物、硝酸マグネシウム・6水和物、パラフィン、キシリトール等、及びこれらの混合物等を使用することができる。 The latent heat storage material has a property of storing or radiating heat using latent heat at the time of melting or solidification. In this embodiment, sodium acetate trihydrate is used as the latent heat storage material, but is not particularly limited as long as it has the above-described properties. For example, magnesium chloride hexahydrate, barium hydroxide, Octahydrate, sodium thiosulfate · pentahydrate, magnesium nitrate · hexahydrate, paraffin, xylitol, etc., and mixtures thereof can be used.
潜熱蓄熱材を利用すると、水などの顕熱を利用する手法よりも蓄熱密度が大きくなるので、蓄熱器20の小型化を図ることができる。さらに、潜熱蓄熱材をラミネート材でパッキングして小分けされた蓄熱ユニット21をベース板31上に並べて配置しているため、蓄熱器20の高さ(厚さ)を低く抑えることができ、ひいては太陽熱利用温水器1の小型化を実現できる。
When the latent heat storage material is used, the heat storage density becomes larger than the method using sensible heat such as water, so that the
潜熱蓄熱材は、太陽熱の蓄熱後に冷却されると、いわゆる過冷却状態となって凝固点以下の温度に冷却されても凝固せず放熱が始まらないという性質を有する。このため、本実施形態では、蓄熱器20は、蓄熱ユニット21にそれぞれ刺激を与えて発熱を誘発させる発熱トリガー機構(図示略)が設けられている。この発熱トリガー機構は、各蓄熱ユニットに互いに独立して配置され、蓄熱ユニット21内に潜熱蓄熱材と接触する通電線と、この通電線を通じて潜熱蓄熱材へ電圧を印加するための操作スイッチとを備える。太陽熱利用温水器1の使用時に、この操作スイッチを作動させて潜熱蓄熱材に刺激を与えることで、蓄熱ユニット21内の潜熱蓄熱材の過冷却状態が解除され、この潜熱蓄熱材に蓄熱されていた熱が潜熱蓄熱材から熱交換器30のベース板31に放出される。なお、蓄熱ユニット21に刺激を与える手段としては、電圧を印加するものに限らず、例えば、蓄熱ユニット21にせん断応力を加えるものや、液体状態である潜熱蓄熱材に種結晶を接触させる機構を有するものであっても良い。
When the latent heat storage material is cooled after storing solar heat, the latent heat storage material is in a so-called supercooled state and does not solidify even when cooled to a temperature below the freezing point and does not start to release heat. For this reason, in the present embodiment, the
ラミネート材は、フィルム状の薄い部材からなる袋状容器であり、例えば、ポロプロピレン(PP)やポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリ塩化ビニル(PVC)等の樹脂製である。潜熱蓄熱材がフィルム状のラミネート材でパッキングされることにより、蓄熱ユニット21は集熱板11及びベース板31に対して優れた接触性を有するとともに、これら集熱板11及びベース板31と潜熱蓄熱材とが直接接触して、集熱板11及びベース板31の腐食を防止できる。さらに、蓄熱ユニット21は、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして小分けされているため、蓄熱時に液化する潜熱蓄熱材の取り扱いを容易にすることができ、ベース板31上に簡単に蓄熱ユニット21を配置することができるとともに、蓄熱ユニット21の伝熱面積を大きく確保することができ、伝熱効率を向上させて素早く熱を取り出すことができる。
The laminate material is a bag-like container made of a thin film-like member, and is made of a resin such as polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), or polyvinyl chloride (PVC). By packing the latent heat storage material with a film-like laminate material, the
ところで、複数の蓄熱ユニット21から熱交換器30に熱を伝達し、この熱交換器30で水を加温する場合、各蓄熱ユニット21から均等に熱を取り出すことが難しく、時間とともに熱回収量が減少するという問題が想定される。
また、潜熱蓄熱材は、例えば、約120℃で気化する性質を有するため、この気化する温度(沸点)よりも低い温度を上限温度(例えば、80℃)として使用する必要がある。一方、発明者が行った実験によると、太陽の日射のピーク時には、蓄熱ユニット21内の潜熱蓄熱材の温度が、沸点よりも高い温度(約160℃)に達するおそれがあることが判明した。太陽熱によって潜熱蓄熱材が上限温度以上に過熱された場合には、潜熱蓄熱材が気化することにより、ラミネート材内で膨張して当該ラミネート材を損傷し、蓄熱ユニット21の信頼性を確保できないといった問題が想定される。
このため、本実施形態では、太陽熱利用温水器1は、図2に示すように、蓄熱ユニット21,21間に配置される可変コンダクタンスヒートパイプ(以下、単にヒートパイプという)40を備える。このヒートパイプ40は、蓄熱ユニット21,21間の均熱化を図る均熱作用と、蓄熱ユニット21が所定の上限温度を超えて過熱された場合に、当該蓄熱ユニット21に蓄えられた熱をケース体3の外部に放出する放熱機能とを備える。
これらヒートパイプ40は、熱交換器30の連結管35の延出方向と略平行に配置され、複数のフィン32に形成された貫通孔32Aをそれぞれ貫通して配置されている。これにより、ヒートパイプ40は、フィン32、ベース板31を介して、蓄熱ユニット21,21と熱的に接続される。また、ヒートパイプ40の一端部40Aは、ケース体3の一側面3Eを貫通してケース体3の外部に延在し、当該一端部40Aには、一端部40A間を連結するように放熱用フィン41が設けられている。
なお、ヒートパイプ40は、フィン32と熱的に接続するように配置すればよく、例えば、各フィン32の上端部にそれぞれ切欠きを形成し、この切欠きにヒートパイプを配置する構成としても良い。
By the way, when heat is transmitted from the plurality of
In addition, since the latent heat storage material has a property of vaporizing at about 120 ° C., for example, it is necessary to use a temperature lower than the vaporizing temperature (boiling point) as the upper limit temperature (for example, 80 ° C.). On the other hand, according to experiments conducted by the inventors, it has been found that the temperature of the latent heat storage material in the
For this reason, in this embodiment, the solar water heater 1 includes a variable conductance heat pipe (hereinafter simply referred to as a heat pipe) 40 disposed between the
These
The
次に、ヒートパイプ40について説明する。図3は、ヒートパイプを説明するための概念図である。ヒートパイプ40は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナ4を備える。コンテナ4は、高さ(厚さ)を抑えて接触面積を多く確保するために、扁平な板状に形成されている。なお、コンテナ4の形状は、扁平な板状に限るものではなく、例えば、円柱形状に形成しても良い。
コンテナ4の一端は、ケース体3の外部に露出するとともに上記した放熱用フィン41が取り付けられている。コンテナ4内には、作動液と不凝縮性ガスとがそれぞれ所定量収容されており、コンテナ4は、ケース体3内に配置されて蓄熱ユニット21,21間の均熱化を図る均熱部5と、ケース体3の外部に露出した放熱部7と、これら均熱部5と放熱部7との間に設けられた断熱部6とを備える。また、コンテナ4には、放熱部7に連通するガス溜め部8が設けられている。このガス溜め部8は、不凝縮性ガスを収容する部分であり、コンテナ4内に収容された不凝縮性ガスをすべて収容可能な容積を有する。
Next, the
One end of the container 4 is exposed to the outside of the
コンテナ内部には毛細管力を発揮できるウィックが内壁に密着して配置されるとともに、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発・凝縮の相変化とヒートパイプ40のコンテナ4内部の移動をすることによって、熱輸送が行われる。すなわち、コンテナ4が貫通される各フィン32間に温度差が生じている場合、高温のフィン32からコンテナ4の均熱部5へ伝達されてきた熱により、均熱部5の吸熱側において液相状態の作動液が蒸発して気相状態へ相変化し、作動液が蒸発して生成した蒸気が均熱部5の吸熱側から放熱側である低温側のフィン32へ移動する。放熱側では、この蒸発した蒸気が冷却されることで作動液が気相状態から液相状態へ戻る。液相状態に戻った作動液は放熱側から再び吸熱側へ移動(還流)する。このように、太陽熱利用温水器1では、ヒートパイプ40を熱交換器30の複数のフィン32に貫通させて配置しているため、このヒートパイプ40を通じて複数のフィン32間で熱移動が行われ、当該フィン32の均熱化が行われる。このため、これら複数のフィン32が設けられている熱交換器30のベース板31の均熱化が行われ、ひいては、ベース板31上に配置されている複数の蓄熱ユニット21の均熱化が図られる。
A wick capable of exerting capillary force is disposed in close contact with the inner wall inside the container, and a space serving as a flow path for the working fluid is provided. The hydraulic fluid accommodated in this space undergoes a phase change of evaporation / condensation and moves inside the container 4 of the
ヒートパイプ40の通常の使用状況下(すなわち、蓄熱ユニット21の温度が所定の上限使用温度以下)では、作動液の蒸気は、不凝縮性ガスのために放熱部7まで達することができず、この作動液の蒸気が放熱部7で放熱(冷却)されることはない。
一方、蓄熱ユニット21が過熱されて、当該蓄熱ユニット21の温度が上限使用温度を超えた場合には、均熱部5で吸熱された熱により、作動液の蒸気圧力が上昇する。このため、作動液の蒸気によって、不凝縮性ガスがガス溜め部8内に押し込まれることにより、作動液の蒸気が放熱部7に至り、この放熱部7で放熱される。従って、蓄熱ユニット21が上限使用温度以下に冷却されるため、当該蓄熱ユニット21のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット21に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニットの信頼性を確保できる。
Under normal use conditions of the heat pipe 40 (that is, the temperature of the
On the other hand, when the
この第1実施形態によれば、熱交換器30のベース板31に立設された複数のフィン32に設けられた貫通孔32Aを貫通させてヒートパイプ40を配置しているため、このヒートパイプ40によって熱交換器30の均熱化が図られる。これにより、熱交換器30のベース板31上に配置された複数の蓄熱ユニット21が均熱化され、当該複数の蓄熱ユニット21に均等に熱を分配し蓄熱することができる。従って、一部の蓄熱ユニット21の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器20の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器30を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ40により複数の蓄熱ユニット21が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット21から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット21が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器30を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。
According to the first embodiment, the
また、第1実施形態によれば、ヒートパイプ40の一端部40Aがケース体3の外部に配置されているため、蓄熱ユニット21が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ40を通じてケース体3の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット21の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット21のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット21に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット21の信頼性を確保できる。
Moreover, according to 1st Embodiment, since the one
また、ヒートパイプ40は、複数の連結管35に沿って並設されているため、連結管35を流れる水の流れ方向と、ヒートパイプ40の熱の移動方向が略平行となる。これによれば、蓄熱ユニット21から熱を取りだす際に、ヒートパイプ40を通じて熱を均等に連結管35内の水に与えることができ、供給される温水温度の時間的な変動をより一層抑制することができる。
Further, since the
<第2実施形態> Second Embodiment
図4は、第2実施形態にかかる太陽熱利用温水器80を示す図であり、Aは太陽熱利用温水器80の側面図、BはAのB−B断面図、図5は、太陽熱利用温水器80の平面図である。
太陽熱利用温水器80は、図4A及び図4Bに示すように、太陽熱集熱器10と、この太陽熱集熱器10から放出された太陽熱を受けて蓄熱する蓄熱器90と、この蓄熱器90から放出された熱を受熱して外部(本実施形態では水道水)へ伝達する熱交換器100とを備え、この熱交換器100の上に蓄熱器90が積層されて配置されるとともに、当該熱交換器100及び蓄熱器90に対して太陽熱集熱器10を横並びに配置して形成されている。この太陽熱集熱器10と熱交換器100とは移送用ヒートパイプ(第1ヒートパイプ)110にて熱的に接続されている。また、太陽熱利用温水器80は、熱交換器100、蓄熱器90及び太陽熱集熱器10を収容するケース体3を備える。
FIG. 4 is a view showing a
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the solar heat
熱交換器100は、板状に形成されたベース板101と、このベース板101上に立設された複数のフィン(伝熱支柱)102,102・・とを備える。これらベース板101及びフィン102は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、当該ベース板101上に所定の間隔をあけて各フィン102がねじ止め等によって固定されている。なお、ベース板101及びフィン102を一体に形成しても良い。
熱交換器100は、図5に示すように、上記したフィン102が延びる方向に沿って配置される一対の入口ヘッダ103及び出口ヘッダ104と、これら入口ヘッダ103、出口ヘッダ104間を繋ぐ複数の連結管105,105・・とを備える。これら各連結管105は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、それぞれベース板101の下面に固定されている。また、入口ヘッダ103には給水源である上水道配管が接続され、出口ヘッダ104には給湯口に接続された給湯用配管が接続される。なお、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管に、給水源である上水道から分岐させた混合用配管を接続してもよい。給湯用配管を流れる湯に、混合用配管を通じて上水を混合することで、湯を適温に調整することができる。
The
As shown in FIG. 5, the
蓄熱器90は、太陽熱集熱器10で集熱され、移送用ヒートパイプ110を通じて熱交換器100に伝達された太陽熱を蓄えるものである。この蓄熱器90は、複数に小分けされた蓄熱ユニット91を備え、これら蓄熱ユニット91が隣接するフィン102,102間に狭持されている。蓄熱ユニット91は、上記した実施形態と同様に、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして形成され、図4Aに示すように、扁平な蓄熱ユニット91を立てて隣接するフィン102,102間に配置されている。
The
蓄熱ユニット91は、図4Aに示すように、当該蓄熱ユニット91の一方の面91A及び他方の面91Bがそれぞれ隣接するフィン102,102に接触する厚みに形成されている。さらに、各フィン102には、それぞれ蓄熱ユニット91を保持するための突起(図示略)が複数設けられており、当該蓄熱ユニット91を隣接するフィン102,102間に固定するとともに、当該フィン102と蓄熱ユニット91との間の熱伝達特性を向上させることができる。従って、フィン102から伝達される太陽熱を蓄熱ユニット91内の潜熱蓄熱材に効率良く蓄熱することができる。
As shown in FIG. 4A, the
また、この第2実施形態では、太陽熱利用温水器80は、図5に示すように、太陽熱集熱器10と熱交換器100とを熱的に接続する移送用ヒートパイプ(第1ヒートパイプ)110と、この移送用ヒートパイプ110に並設されたヒートパイプ(第2ヒートパイプ)120とを備える。これら移送用ヒートパイプ110及びヒートパイプ120は、それぞれ上記した可変コンダクタンスヒートパイプで形成されている。
ヒートパイプ120は、上記したヒートパイプ40と同様に、熱交換器100のフィン102に形成された貫通孔102Aを貫通して配置され、熱交換器100及びこの熱交換器100のフィン102,102間にそれぞれ配置される複数の蓄熱ユニット91の均熱化、及び、蓄熱ユニット91が所定の上限温度を超えて過熱された場合に、当該蓄熱ユニット91に蓄えられた熱をケース体3の外部への放出を図るものである。なお、この第2実施形態では、ヒートパイプ120を円柱状に形成し、フィン102に形成された貫通孔102Aを貫通して配置しているが、このヒートパイプを扁平な板状に形成し、熱交換器100のベース板101下面に配置して良い。
Moreover, in this 2nd Embodiment, as shown in FIG. 5, the solar water
Similarly to the
一方、移送用ヒートパイプ110は、太陽熱集熱器10で集熱された太陽熱を蓄熱器90に移送するためのものであり、円柱状に形成された均熱用の上記ヒートパイプ(均熱部)120と、このヒートパイプ120に連結された移送部110Aとを備え、移送部110Aが太陽熱集熱器10の集熱板11に固定され、ヒートパイプ120が熱交換器100の複数のフィン102に貫通して固定される。
これらヒートパイプ120の一端部120Aは、それぞれケース体3の一側面3Eを貫通してケース体3の外部に延在し、当該一端部120Aにはそれぞれガス溜め部8が設けられている。また、ヒートパイプ120の一端部120Aには、当該一端部120A間を連結するように放熱用フィン41が設けられている。ヒートパイプ120の構成については、上記ヒートパイプ40と同一の構成であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図5では、移送用ヒートパイプ110が1本のみの例を示しているが、移送用ヒートパイプ110は、当然複数本あって良い。
On the other hand, the
One
この第2実施形態では、太陽熱利用温水器80は、熱交換器100が太陽熱集熱器10よりも高さ位置が上方となるように、太陽の日射を受光し易い場所(例えば、屋根)に斜めに配置されることが望ましい。この構成によれば、移送用ヒートパイプ110では、ヒートパイプ120が移送部110Aよりも上側に位置することにより、重力に逆らって移送部110Aからヒートパイプ120への作動液の還流が抑制されるため、夜間等に太陽熱集熱器10の集熱板11が冷却された場合であっても、蓄熱器90から太陽熱集熱器10への熱の逆流を抑えることができる。
なお、移送用ヒートパイプの移送部からヒートパイプへの作動液の還流が抑制するための構成として、ヒートパイプのコンテナの内部にウィック等の毛細管力を発生させる機構を設けるのに対し、移送部の内部には当該毛細管力を発生させる機構を設けない構成としてもよい。この構成では、熱交換器を太陽熱集熱器よりも上方に配置しなくても、移送部からヒートパイプへの作動液の還流が抑制されるため、例えば、平坦な屋根の上に太陽熱利用温水器を設置することができ、当該太陽熱利用温水器の設置態様の多様化を実現できる。
In this second embodiment, the
In addition, as a structure for suppressing the return of the working fluid from the transfer part of the transfer heat pipe to the heat pipe, a mechanism for generating a capillary force such as a wick is provided inside the container of the heat pipe, whereas the transfer part It is good also as a structure which does not provide the mechanism which generate | occur | produces the said capillary force inside. In this configuration, since the return of the working fluid from the transfer unit to the heat pipe is suppressed without arranging the heat exchanger above the solar heat collector, for example, the solar water use hot water is placed on a flat roof. A water heater can be installed, and a variety of installation modes of the solar water heater can be realized.
この構成では、太陽熱集熱器10と横並びに、蓄熱器90及び熱交換器100が上下に積層されて配置され、太陽熱集熱器10と蓄熱器90とが移送用ヒートパイプ110により熱的に接続されているため、太陽熱集熱器10から蓄熱器90への熱輸送を効率良く行うことができる。さらに、熱交換器100のフィン102,102間に蓄熱ユニット91を立てて配置したことにより、熱交換器100の設置面積の増大を抑えることができ、太陽熱集熱器10と横並びに、蓄熱器90及び熱交換器100が上下に積層されて配置された構成とした場合であっても、太陽熱利用温水器80の小型化を図ることができる。
In this configuration, the
また、熱交換器100のベース板101に立設された複数のフィン102に設けられた貫通孔102Aを貫通させてヒートパイプ120を配置しているため、これらヒートパイプ120によって熱交換器100の均熱化が図られる。これにより、熱交換器100のフィン102,102間に配置された複数の蓄熱ユニット91が均熱化され、当該複数の蓄熱ユニット91に均等に熱を分配し蓄熱することができる。従って、一部の蓄熱ユニット91の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器90の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器100を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ120により複数の蓄熱ユニット91が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット91から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット91が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器100を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。
さらに、ヒートパイプ120の一端部120Aがケース体3の外部に配置されているため、蓄熱ユニット91が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ120を通じてケース体3の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット91の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット91のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット91に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット91の信頼性を確保できる。
Further, since the
Furthermore, since the one
<第3実施形態>
図6は、第3実施形態にかかる太陽熱利用温水器50を示す図であり、Aは太陽熱利用温水器50の側面図、BはAのB−B断面図、図7は、集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器50の平面図である。
太陽熱利用温水器50は、図6A及び図6Bに示すように、ヒートパイプ40を熱交換器30に熱的に接続する態様として、一対のヒートパイプ40が熱交換器30の各フィン(伝熱支柱)32の長手方向の両端に形成された切欠部32Bに取り付けられている点、蓄熱ユニット61がフィン32と略半分の長さに一体に形成され、各蓄熱ユニット61の側面61Cがヒートパイプ40に当接するよう配置されている点で、上記した第1実施形態にかかる太陽熱利用温水器1と構成を異にしている。
また、太陽熱利用温水器50では、図6Bに示すように、集熱板11は、ベース板31よりも小さく形成され、一対のヒートパイプ40,40が平面視で露出するようになっている。これにより、集熱板11から直接、ヒートパイプ40,40への伝熱が防止される。
上記した太陽熱利用温水器1と同一の構成のものについては同一の符号を付して説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a view showing a
As shown in FIG. 6A and FIG. 6B, the
Moreover, in the solar-
The same components as those of the solar water heater 1 described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
第3実施形態では、ヒートパイプ40が各フィン32の長手方向の両端に形成された切欠部に取り付けられることにより、上記した第1実施形態と比べて、ベース板31の上面側には、その分大きなスペースが生じる。このため、フィン32,32間には、当該フィン32の長さの略半分の長さを有する扁平板状に形成された蓄熱ユニット61が長手方向に並べて配置されている。この蓄熱ユニット61は、フィン32の高さと略同一の高さに形成され、当該蓄熱ユニット61の上面61A及び下面61Bがそれぞれ集熱板11及びベース板31に接触している。
In the third embodiment, the
このため、第1実施形態と比べて、高さ(厚さ)方向に大型化することなく、ベース板31上に配置される潜熱蓄熱材の量を増大することができ、より長時間にわたり熱交換器30を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。なお、蓄熱ユニット61は、第1実施形態にかかる蓄熱ユニット21と大きさが異なるがその他の構成については同じである。
For this reason, compared with 1st Embodiment, the quantity of the latent-heat heat storage material arrange | positioned on the
この第3実施形態によれば、ヒートパイプ40が各フィン32の長手方向の両端に配置されるため、熱交換器30はヒートパイプ40により均熱化される。これにより、熱交換器30のベース板31上に配置される複数の蓄熱ユニット61は、集熱板11からの熱を受け取り蓄熱する過程においても常に互いに均熱化されている。このため、各蓄熱ユニット61に均等に熱を蓄積することが可能となることにより、一部の蓄熱ユニット61の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器60の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器30を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ40により複数の蓄熱ユニット61が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット61から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット61が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器30を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。
According to the third embodiment, since the
また、この第3実施形態においても、ヒートパイプ40の一端部40Aは、ケース体3の一側面3Eを貫通してケース体3の外部に延在し、当該一端部40Aには、それぞれガス溜め部8が設けられている。また、ヒートパイプ40の一端部40Aには、当該一端部40A間を連結するように放熱用フィン41が設けられている。これにより、蓄熱ユニット21が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ40を通じてケース体3の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット21の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット21のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット21に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット21の信頼性を確保できる。
Also in the third embodiment, the one
ところで、可変コンダクタンスヒートパイプは、所望する温度で作動液が放熱部に達するように、コンテナ内に収容される作動液及び不凝縮性ガスの量、及び圧力が調整される。
上記した第1〜第3実施形態では、蓄熱ユニット21、61が上限使用温度を超えた場合に、作動液が放熱部に達する構成としたが、これに限るものではなく、例えば、ヒートパイプ40の均熱部の温度が常時、潜熱蓄熱材の融点を下回るように調整しても良い。
この構成によれば、ヒートパイプ40が常時、潜熱蓄熱材の凝固点を下回る温度に保持されることにより、このヒートパイプ40に接する蓄熱ユニット21の側面部には、潜熱蓄熱材の結晶(種結晶)が融解しきらずに残存する。このため、蓄熱ユニット21が凝固点以下に冷却された際には、種結晶をトリガーとして凝固が開始されることにより、蓄熱ユニット21が発熱する。従って、従来のように、蓄熱ユニットにそれぞれ発熱トリガー機構を設ける必要がなく、蓄熱ユニットの構成を簡素化することが可能となる。
By the way, in the variable conductance heat pipe, the amount of hydraulic fluid and non-condensable gas contained in the container and the pressure are adjusted so that the hydraulic fluid reaches the heat radiating portion at a desired temperature.
In the first to third embodiments described above, when the
According to this configuration, since the
上記した第1実施形態及び第3実施形態では、太陽熱利用温水器1、50は、太陽熱集熱器10、蓄熱器20、60及び熱交換器30を上下方向に積層する構成としていたが、これに限るものではなく、これら太陽熱集熱器10、蓄熱器20、60及び熱交換器30を、例えば、水平方向に重ねて配置するものであっても良い。
また、上記した第1〜第3実施形態では、ヒートパイプ40、120は、いずれも可変コンダクタンスヒートパイプとして説明したが、これに限るものではなく、熱移動に伴う均熱化を実現する通常のヒートパイプを用いても良い。
In the first embodiment and the third embodiment described above, the
In the first to third embodiments described above, the
1、50、80 太陽熱利用温水器
3 ケース体(ケース)
5 均熱部
7 放熱部
8 ガス溜め部
10 太陽熱集熱器
11 集熱板
20、60、90 蓄熱器
21、61、91 蓄熱ユニット
30、100 熱交換器
31、101 ベース板
32、102 フィン(伝熱支柱)
32A、102A 貫通孔
33、103 入口ヘッダ
34、104 出口ヘッダ
35、105 連結管
40、120 ヒートパイプ(均熱部材、均熱部、第2ヒートパイプ)
40A、120A 一端部(一端)
41 放熱用フィン
110 移送用ヒートパイプ(熱移送部材、第1ヒートパイプ)
110A 移送部
1, 50, 80
5 Heat equalizing portion 7
32A, 102A Through-
40A, 120A One end (one end)
41
110A transfer section
Claims (8)
前記太陽熱集熱器で集熱される熱を蓄える蓄熱器と、
前記蓄熱器に蓄えられる熱で水を加熱する熱交換器をケース内に備えた太陽熱利用温水器であって、
前記蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれており、
複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されたヒートパイプを備え、前記ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されたことを特徴とする太陽熱利用温水器。 A solar collector,
A heat accumulator for storing heat collected by the solar heat collector;
A solar water heater with a heat exchanger that heats water with heat stored in the heat accumulator,
The heat accumulator is divided into a plurality of heat storage units including a latent heat storage material,
A solar water heater comprising a heat pipe thermally connected to a plurality of heat storage units, wherein one end of the heat pipe is disposed outside the case.
当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、
前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とが前記ヒートパイプにより熱的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の太陽熱利用温水器。 The heat accumulator and the heat exchanger are arranged to overlap,
The solar heat collector is disposed side by side with the heat storage and heat exchanger,
The solar water heater according to claim 1, wherein the solar heat collector and the heat accumulator are thermally connected by the heat pipe.
当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、
前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とを熱的に接続する第1ヒートパイプと、
前記複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されている第2ヒートパイプとを有し、
前記第2ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されることを特徴とする請求項1に記載の太陽熱利用温水器。 The heat accumulator and the heat exchanger are arranged to overlap,
The solar heat collector is disposed side by side with the heat storage and heat exchanger,
A first heat pipe that thermally connects the solar heat collector and the regenerator;
A second heat pipe thermally connected to the plurality of heat storage units;
The solar water heater according to claim 1, wherein one end of the second heat pipe is disposed outside the case.
各蓄熱ユニット間にそれぞれ伝熱支柱が介在し、
前記ヒートパイプは当該伝熱支柱に熱的に接続されていることを特徴とする請求項1から7に記載の太陽熱利用温水器。 The plurality of heat storage units are arranged in the heat exchanger,
A heat transfer column is interposed between each heat storage unit,
The solar water heater according to claim 1, wherein the heat pipe is thermally connected to the heat transfer column.
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