JP2013160454A - 太陽集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】不使用時や停電時における集熱管の損傷や破裂を確実に防止できる平板型の太陽集熱器を提供する。
【解決手段】太陽集熱器は、上面が透明な封止板で被われたケーシング１と、当該ケーシング内の底側に配置された断熱材と、封止板との間に空間を介して断熱材の表側に配列された集熱管４とを備え、当該集熱管に循環させた流体を太陽熱で加温する平板型太陽集熱器であり、ケーシング１の側面には、空間に通気するための蓋付きの開口部１５が設けられ、蓋５は、集熱管４の耐熱温度以下の所定温度で作動するアクチュエータ８により、空間の温度が所定温度を超えた場合に開口部１５を開放し、所定温度以下の場合に開口部１５を閉鎖するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽集熱器に関するものであり、詳しくは、集熱管に循環させた流体を太陽熱で加温する平板型の太陽集熱器に関するものである。

屋根や屋上に設置される太陽集熱器は、流体を循環させながら太陽熱を回収する装置であり、生活用水の加熱用、あるいは、空調用のヒートポンプの作動熱源として利用される。太陽集熱器の使用方法としては、水、不凍液などの熱媒体である流体をポンプで強制循環させる方式や、生活用水を直接通水して加温する方式があるが、設置の容易性や集熱効率の点から、平板型の集熱器が普及している。

一般的な平板型太陽集熱器は、扁平な直方体に外形を形成され且つ上面が透明なガラス等の封止板で被われたケーシングと、当該ケーシング内に配置されたシート状の断熱材と、断熱材の表側に配列された集熱管とを備えている。上記の太陽集熱器においては、ケーシングの気密性を高めたり、シート状断熱材の表面に反射板を配置する等、集熱量を高めるための種々の工夫が提案されている（特許文献１参照）。

また、太陽集熱器に関しては、長時間に渡って使用しない場合などにおける流体の過度な温度上昇による部品の損傷を防止するため、ケーシングの底部にダンパを設け、形状記憶合金バネを使用したアクチュエータにより、ケーシング内の温度が上昇した場合にダンパを開放し、集熱管の裏側に外気を通気するようにした技術も開示されている（特許文献２参照）。

特開２００３−３２９３１１号公報 特表２００６−５１５４１３号公報

ところで、上記のような太陽集熱器においては、屋根などに設置されるため、大型化を図るには一層の軽量化が必要であり、また、コストダウンを図るには安価な素材の利用も必要である。そして、これらの観点から、樹脂製の素材を多用することが考えられる。しかしながら、樹脂製の素材を使用した場合、殊に、樹脂製の集熱管を使用した場合には、流体の過度な温度上昇による集熱管の損傷の問題が一層顕著になる。すなわち、長時間に渡って使用しない場合や停電の際、集熱管内部に滞留した流体の温度が集熱管の耐熱温度を超え、集熱管が軟化して破損し易く、また、直接通水方式では集熱管の内部に空気が滞留することがあり、集熱管の軟化および空気の膨張によって集熱管が破裂することがある。集熱管の裏側の外気を通気する場合も、夏季などの日差しが強い時期などは、集熱管上方の空間の温度上昇が抑制し難く、空間の温度降下が遅れ、集熱管が損傷するおそれがある。

本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、その目的は、集熱管に流体を流して太陽熱を回収する平板型太陽集熱器であって、不使用時や停電時における集熱管の損傷や破裂を確実に防止できる太陽集熱器を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、蓋で開放、閉鎖される開口部をケーシングの側面に設けると共に、集熱管の耐熱温度以下の所定温度で作動するアクチュエータによって蓋を操作し、ケーシング内の温度に応じて開口部を開閉することにより、ケーシング内の集熱管上方の空間の温度上昇を抑制するようにした。

すなわち、本発明の要旨は、扁平な箱状に形成され且つ上面が透明な封止板で被われたケーシングと、当該ケーシング内の底側に配置されたシート状の断熱材と、前記封止板との間に空間を介して前記の断熱材の表側に配列された集熱管とを備え、当該集熱管に循環させた流体を太陽熱で加温する平板型太陽集熱器であって、前記ケーシングの側面には、前記空間に通気するための蓋付きの開口部が設けられ、前記蓋は、前記集熱管の耐熱温度以下の所定温度で作動するアクチュエータにより、前記空間の温度が前記所定温度を超えた場合に前記開口部を開放し、前記所定温度以下の場合に前記開口部を閉鎖するように構成されていることを特徴とする太陽集熱器に存する。

本発明の太陽集熱器によれば、ケーシング内の温度に応じて開口部を開閉し、ケーシング内の集熱管上方の空間の温度上昇を抑制できるため、不使用時や停電時における集熱管の損傷や破裂を確実に防止することができる。

本発明に係る太陽集熱器の主要な構成を示す平面図である。 本発明に係る太陽集熱器におけるケーシングの開口部の構造を示す縦断面図である。

本発明に係る太陽集熱器（以下、「集熱器」と略記する。）の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施形態に限定されるものではない。

本発明の集熱器は、屋根や屋上に設置される液体集熱式の平板型集熱器であり、流体として水や不凍液をポンプで強制循環させ、貯水槽やヒートポンプで流体の熱を利用するシステム、あるいは、生活用水を直接循環させて給湯設備として利用するシステムにおいて使用される。本発明の集熱器は、図１及び図２に示すように、扁平な箱状に形成され且つ上面が透明な封止板２で被われたケーシング１と、当該ケーシング内の底側に配置されたシート状の断熱材３と、封止板２との間に空間１０を介して断熱材３の表側に配列された樹脂製の集熱管４とを備えており、斯かる集熱管４に循環させた流体を太陽熱で加温するようになされている。

図２に示すように、ケーシング１の外殻部分は、通常、鋼板やアルミニウム合金板によって上端が開放された箱状に構成される。ケーシング１は、その平面形状を各種の形状に形成できるが、一般的には、扁平な直方体に外形を形成される。図１に例示したケーシング１は、平面形状が長方形に形成されている。扁平な直方体に構成された場合、ケーシング１の一辺部の長さは１５０〜５０００ｍｍ程度、ケーシング１の高さ（厚さ）は３０〜１００ｍｍ程度である。

また、図２に示すように、ケーシング１の上面は、透明なガラス板や透明な樹脂板からなる封止板２で封止される。好ましい態様において、封止板２は、ケーシング１に対して、蝶番などを使用して開閉可能に取り付けられる。封止板２が開閉可能に構成されていることにより、ケーシング１内に塵埃などが入り、断熱材３の表側や封止板２が汚れた場合でも、封止板２を開放して簡単に清掃することができる。

ケーシング１の底部には、グラスウール等を成形してなる厚さ６〜７０ｍｍ程度のシート状の断熱材３が配置される。断熱材３の表側には、多数の集熱管４が配列され、これら集熱管４は、図１に示すように、ケーシング１内で例えば対向配置された１組のヘッダー４０，４０に繋ぎ込まれる。すなわち、集熱器においては、当該集熱器を例えば傾斜屋根に配置した場合、下方側のヘッダー４０に供給された流体が各集熱管４を通過して上方側のヘッダー４０から取り出されるように流路構成される。

なお、ヘッダー４０及び集熱管４の配置については、集熱器の施工性、集熱効率の観点から、各種の配置を採用できる。例えば、図示しないが、２つのヘッダー４０，４０、すなわち、流体の入口側ヘッダーと出口側ヘッダーは、ケーシング１内の一内側面近傍に同列に配置され、多数の集熱管４は、断熱材３上において蛇行あるいは湾曲させて配列され、その両端が各ヘッダー４０，４０に繋ぎ込まれてもよい。

本発明においては、軽量化およびコストダウンを図るため、集熱管４は、ポリオレフィン系樹脂で構成される。斯かる樹脂としては、例えば、架橋ポリエチレン、ポリブテン、ポリプロピレン、ポリエチレンが挙げられる。集熱管４の外径は３〜１６ｍｍ程度、内径は２〜１３ｍｍ程度に設計される。図２に示すように、集熱管４は、後述する集熱シート７を介して集められた熱を効率的に流体に伝達するため、金属製伝熱部材６に収容され、断熱材３の表側に一部を埋め込まれた状態に配置される。金属製伝熱部材６は、アルミニウム合金などからなり且つその長さ方向に直交する断面がＵ字状に形成されて上端に鍔が張出された樋状の部材である。そして、断熱材３の上面側には、アルミニウムシートや鋼板からなる集熱シート７が配置される。

集熱器においては、封止板２と集熱シート７との間に蓄熱用の空間１０が設けられるが、斯かる空間１０の熱を集熱管４の流体で十分に回収できない場合、換言すれば、流体の循環が停止している場合、または、集熱管４が一時的に空の状態になった場合には、過度の昇温により集熱管４の損傷を惹起する虞がある。そこで、本発明においては、上記の空間１０に外気を通気するための蓋付きの開口部１５がケーシング１の側面に設けられる。そして、開口部１５の蓋５は、集熱管４の耐熱温度以下の所定温度で作動するアクチュエータ８により、開閉するように構成される。

ケーシング１の開口部１５は、集熱管４が過剰に昇温した場合に上記の空間１０に外気を直接導入するための穴であり、通常はケーシング１の側面に沿わせて細長に形成される。また、空間１０への塵や虫の進入を防止するため、開口部１５には、メッシュ等のフィルターが取り付けられてもよい。

蓋５は、開口部１５を塞ぐに足る面積の細長の板状体であり、後述するアクチュエータ８のロッド８２の一端に取り付けられ、そして、例えばケーシング１の内側の側面に配置される。換言すれば、蓋５は、上記のアクチュエータ８により、空間１０の温度が上記の所定温度を超えた場合に開口部１５を開放し、上記の所定温度以下の場合に開口部１５を閉鎖するように構成される。

また、本発明の好ましい態様においては、ケーシング１内の空間１０の温度が上昇した際、迅速に空間１０に外気を通気するため、ケーシング１の側面の複数個所、例えば２箇所に開口部１５が設けられる。具体的には、開口部１５は、図示しないが、蓄熱器を屋根に配置した状態において、ケーシング１の上方側の側面とケーシング１の下方側の側面と開口部１５が設けられる。あるいは、図１に示すように、開口部１５は、平面視した場合のケーシング１の対角線上で対向する各角部（図１においては右上の角部と左下の角部）の近傍に設けられる。更に、図示しないが、２箇所に開口部１５を設ける場合には、一方の開口部１５に蓋５が付設されてもよい。すなわち、両方の開口部１５を開いたときにケーシング１内の通気効率が高くなるため、２つの開口部１５のうち、一方だけが蓋５で開閉し、他方が常時開放されていてもよい。

また、図示しないが、ケーシング１の開口部１５及び蓋５の形態としては、平面視した場合のケーシング１の対角線上で対向する各角部および当該角部に隣接する２側面に亙って開口部１５が形成され、平面視した場合にＬ字状に形成された板状の蓋５により角部の開口部１５を開閉する構造でもよい。ケーシング１の対角線上に位置する角部を開閉する構造とした場合には、ケーシング１内の空間１０に一層効率的に通気できる。

ところで、従来の集熱器のように金属製の集熱管を使用した場合には、空気溜まりによって集熱管が腐食して破損するため、設置状態での集熱管の配置方向が制約され、ケーシングの平面形状も制限されるのに対し、本発明の集熱器は、集熱管４が樹脂で構成されており、集熱管４の内部に空気溜まりが発生した場合でも腐食することがないため、集熱管４の配置に制約されることがなく、ケーシング１の平面形状を設置場所に対応させて自由に設計できる。そして、前述のようにケーシング１の対角線上で対向する各角部の近傍に開口部１５を設けることにより、設置場所に応じてケーシング１の縦横を変更した場合でも、空間１０に円滑に外気を通気することができる。

本発明において、集熱管４の耐熱温度とは、使用可能な設計上の最高温度であり、集熱管４がポリオレフィン系樹脂管の場合は８０〜１１０℃である。そして、上記の所定温度、すなわち、アクチュエータ８の作動温度は、集熱管４の耐熱温度よりも１０〜３０℃低い温度に設定される。例えば、上記の作動温度は、通常は５０〜１００℃、好ましくは６０〜９０℃、より好ましくは７０〜８０℃である。例えば、架橋ポリエチレン管の場合は、５０〜９０℃に設定されるのが好ましい。

蓋５を開閉するためのアクチュエータ８としては、形状記憶材料からなるバネを利用したものが使用される。形状記憶材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｕ等を添加したＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金、あるいは、ポリウレタン系樹脂、ポリノルボルネン系樹脂、トランスポリイソプレン系樹脂、スチレン−ブタジエン系樹脂などの形状記憶樹脂が挙げられる。具体的には、図２に示すアクチュエータ８は、形状記憶合金を使用したバイアス式２方向アクチュエータであり、フレーム８１に進退自在に挿通されたロッド８２と、常時一方向へロッド８２を負勢するバイアスバネ８４と、所定温度以上でバイアスバネ８４よりも大きな力で他方向へロッド８２を負勢する形状記憶合金バネ８５とからなる。

フレーム８１は、その長さ方向の両端部が同一方向に折曲された細長の板状体からなり且つ折曲部分にロッド８２の挿通穴を設けて構成される。一方、ロッド８２は、長さの中央部にバネの作用点としての鍔８３が設けられ、当該ロッドの両端部をフレーム８１の各折曲部分の挿通穴に貫通させて配置される。そして、コイルバネとして構成されたバイアスバネ８４は、フレーム８１の一方の折曲部分と鍔８３との間に介装される状態でロッド８２に環装され、コイルバネとして構成された形状記憶合金バネ８５は、フレーム８１の他方の折曲部分と鍔８３との間に介装される状態でロッド８２に環装される。通常、形状記憶合金バネ８５は、配合成分の調整により形状復元温度が設定される。

すなわち、アクチュエータ８は、例えば５０〜１００℃の範囲内の所定温度以下の場合はバイアスバネ８４の負勢力でロッド８２が一方向（図２において左側）へ押し出され（前進し）、上記の所定温度を超えた場合は形状記憶合金バネ８５が復元してその負勢力でロッド８２が他方向（図２において右側）へ押し出される（後退する）ように構成される。

なお、図１に示すように、例えば、アクチュエータ８は、１つの蓋５に対して１組配置され、各アクチュエータ８は、断熱材３の略厚さに相当する長さのシース（図示省略）が装着されたねじを使用し、フレーム８１の両側に張出された鍔部をケーシング１の底部側に固定して装着される。

本発明の集熱器においては、給湯システムやヒートポンプ等の熱源として利用するため、ポンプにより集熱管４に水、不凍液などの熱媒体が供給され、あるいは、給湯用の湯を直接製造するため、ポンプにより集熱管４に生活用水が通水される。そして、集熱器においては、長時間に渡る不使用、停電や回路の不具合などにより、集熱管４の内部に流体が滞留した場合、あるいは、集熱管の内部に空気が滞留した場合、ケーシング１内の熱が回収されないため、ケーシング１の空間１０が昇温する。

その際、本発明の集熱器においては、ケーシング１内の空間１０の温度が所定温度に達した場合、例えば７５℃に達した場合、アクチュエータ８の作動により蓋５が操作され、ケーシング１側面の開口部１５が開放される。具体的には、ケーシング１内が所定温度以上に達すると、アクチュエータ８は、形状記憶合金バネ８５が復元してバイアスバネ８４よりも大きな負勢力を発現し、ロッド８２を他方向（図２において右側）へ押し出すように作用する。そして、蓋５は、図２に鎖線で示すように、ロッド８２に伴ってケーシング１の内側へ後退し、開口部１５を開放する。その結果、本発明の集熱器においては、ケーシング１の集熱管４の上方の空間１０に外気が導入され、空間１０の温度上昇が抑制され、集熱管４の過熱が防止される。なお、ケーシング１内の温度が通常の使用温度まで低下すると、形状記憶合金バネ８５が形状変形し且つバイアスバネ８４の不勢力の方が大きくなり、ロッド８２が一方向（図２において左側）へ押し出され、蓋５によって開口部１５が閉じられる。

上記のように、本発明の集熱器においては、樹脂製の集熱管４の採用によって低コスト化および軽量化を図ることができる。そして、本発明の集熱器においては、蓄熱用の空間１０の空気が所定温度を超えた場合、集熱管４が配列された断熱材３の表側（上面側）の空間１０に外気を直接循環させることができるため、集熱管４の過剰な昇温を確実に防止できる。すなわち、本発明の集熱器によれば、ケーシング１内の温度に応じて開口部１５を開閉し、ケーシング１内の集熱管４の上方の空間１０の温度上昇を抑制できるため、不使用時や停電時における集熱管４の損傷や破裂を防止することができる。

ちなみに、外径８ｍｍ、内径５ｍｍの架橋ポリエチレンからなる集熱管４を配置して図１に示す構造の集熱器を作成し、集熱管４に通水をせずに、集熱器内の主な箇所の温度および外気温を測定しながら作動状況を確認した。その結果、外気温が１３℃から１６℃まで上昇した際、ケーシング１内の空間１０の温度は４５℃から約７５℃まで漸次上昇し、集熱管４の表面温度は最大約９１℃まで上昇したが、空間１０の温度が７５℃に達した際にアクチュエータ８が作動し、蓋５が開いて開口部１５が開放されたため、集熱管４の表面温度は９１℃を超えることはなく、集熱管４の破裂や破裂も確認されなかった。また、外気温が下り、空間１０の温度が約６０℃まで低下した際には、アクチュエータ８が作動し、蓋５によって開口部１５が閉じることが確認された。

１ ：ケーシング
１０：空間
１５：開口部
２ ：封止板
３ ：断熱材
４ ：集熱管
４０：ヘッダー
５ ：蓋
６ ：金属製伝熱部材
７ ：集熱シート
８ ：アクチュエータ
８１：フレーム
８２：ロッド
８３：鍔
８４：バイアスバネ
８５：形状記憶合金バネ

Claims (5)

1. 扁平な箱状に形成され且つ上面が透明な封止板で被われたケーシングと、当該ケーシング内の底側に配置されたシート状の断熱材と、前記封止板との間に空間を介して前記の断熱材の表側に配列された集熱管とを備え、当該集熱管に循環させた流体を太陽熱で加温する平板型太陽集熱器であって、前記ケーシングの側面には、前記空間に通気するための蓋付きの開口部が設けられ、前記蓋は、前記集熱管の耐熱温度以下の所定温度で作動するアクチュエータにより、前記空間の温度が前記所定温度を超えた場合に前記開口部を開放し、前記所定温度以下の場合に前記開口部を閉鎖するように構成されていることを特徴とする太陽集熱器。
2. 集熱管が樹脂製の集熱管であり、アクチュエータの作動温度が５０〜１００℃である請求項１に記載の太陽集熱器。
3. ケーシングの側面の２箇所に開口部が設けられている請求項１又は２に記載の太陽集熱器。
4. ケーシングは、扁平な直方体に外形を形成され、開口部は、平面視した場合の前記ケーシングの対角線上で対向する各角部近傍に設けられている請求項３に記載の太陽集熱器。
5. アクチュエータが、フレームに進退自在に挿通されたロッドと、常時一方向へ前記ロッドを負勢するバイアスバネと、所定温度以上で前記バイアスバネよりも大きな力で他方向へロッドを負勢する形状記憶合金バネとからなる請求項１〜４の何れかに記載の太陽集熱器。

Images