JP2555567Y2 - ソーラーシステムにおける集熱装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、太陽エネルギーを空気
や水等の熱媒体を用いて熱エネルギーに変換し、一般建
物の暖房装置や給湯装置等へ利用する熱利用のソーラー
システムにおける集熱装置（コレクター）に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術とその問題点】従来より、住宅等の一般建物
における太陽エネルギーを利用したソーラーシステム
は、他のエネルギー源を用いた冷暖房・給湯システムの
補助システムとして、或は、それ等に替わるシステムと
して採用され、近年、経済性等の点で重要視されている
ものである。

【０００３】又、ソーラーシステムには、太陽エネルギ
ーを太陽電池アレイを用いて電気エネルギーに変換する
光利用システムと、空気や水等の熱媒体を用いて熱エネ
ルギーに変換する熱利用システムがあるが、コスト面や
電気系統の技術面の問題で、主として熱エネルギーに変
換する熱利用システムが多く採用されているのが現状で
ある。

【０００４】この種の熱利用システムの概要は、太陽光
の熱エネルギーを熱吸収に適した金属製等の集熱体を用
いて集熱し、次いで、空気や水等の熱媒体を介して蓄熱
槽へ蓄熱し、これを熱源として電気、ボイラー、湯沸器
等の補助熱源と共に屋内の冷暖房・給湯システムにおけ
る暖房装置、給湯装置、或は吸収式冷凍機を用いた冷房
装置等に利用するもので、例えば、熱媒体に空気を用い
た例に、鉄等の金属製の屋根材を集熱体とした非集光固
定型のソーラーハウスシステムが実用化されている。

【０００５】図７に図示のものは、この様なソーラーハ
ウスシステムにおける集熱構造を説明するもので、集熱
体に屋根材１１を利用し、屋根材１１と梁１４の上面に
敷設した断熱材１３との間に通風路１２を設けたもので
あり、先ず、軒下から通風路１２内に流入する外気を加
熱して上方で集約し、次いで、ファンを内蔵したダクト
等の空気流路を介して床下の蓄熱槽に集熱させて床下暖
房や室内暖房等の暖房装置の熱源として利用するもので
ある。

【０００６】然し乍ら、屋根材１１を集熱体とした集熱
構造を採用すると、冬期においては、屋根材１１からの
放熱による熱損失が多いために充分な熱量が得られず、
一方、夏期においては、屋根材１１が過熱するので、例
えば、ダンパー等を設けて空気の流路制御を行い、通風
路１２と屋内側の空気流路を遮断して加熱された通風路
１２内の空気を外気へ強制的に排気させても、梁１４の
上面に敷設した断熱材１３を通過して屋内に熱が伝導す
るので、特に冷房装置等のマイナス要因となって、快適
な居住空間を現出できない等の問題点があった。

【０００７】又、ダクト等の空気流路内に熱交換器を設
置し、通風路１２内で加熱された空気を熱交換器で水等
の熱媒体に伝えて温潟し、これを熱源として給湯装置に
利用するものが知られているが、通風路１２内の空気を
加熱した後に熱交換器で変換する間接集熱は熱効率が極
めて悪く、必要な熱量が得られない等の問題点があっ
た。

【０００８】

【考案の目的】本考案は上記の事由に鑑みて、四季の変
遷に応じた太陽光の位置の変化、つまり固定設置型の集
熱装置における太陽光の入射角の変化に着目し、集熱装
置へリニアフレネルレンズから成る採光板を用いてその
下層に配設した集熱体の上面に太陽光の入射角の変化に
応じて移動する適宜な集光部を形成し、一方、集熱体を
暖房装置へ空気流路を介して接続された通風路内の空気
を加熱する集熱板と、主として給湯装置の管路系の一部
とした集熱管とで形成させ、集熱板と集熱管を所望の集
光部と合致する位置に配置させて太陽光の熱エネルギー
を四季を通じて選択的に有効利用させる目的である。

【０００９】即ち、本考案に係る集熱装置の具体的な目
的は、暖房が必要な冬期においては集光部に集熱体のみ
を存在させて集熱させ、加えて、採光板と集熱体との空
間を密閉させて集熱体からの対流空気による放熱を防止
することにより、暖房装置の熱源を効果的に得ると共
に、暖房が不要な夏期等においては集光部に集熱管を存
在させて集熱させ、特に夏期における高熱は、集熱体よ
り比熱の大きい液体等の流体を熱媒体に選び、これを循
環ポンプ等により蓄熱タンクから循環させて集熱体の過
熱を防ぎ乍ら、給湯装置の熱源を効果的に得るものであ
り、又、同時に、従来の問題点となっていた屋根板等の
外壁材の過熱を回避させて、屋内の快適な条件を得るこ
とが可能なソーラーシステムにおける集熱装置を提供す
る目的である。

【００１０】

【考案の構成】本考案の構成は、集熱装置は外壁材の上
面に配設させた断熱層と、断熱層の上方に通風路を介し
て配設させた集熱体と、集熱体の上方へ密閉空間とした
断熱空気層を介して配設させたリニアフレネルレンズか
ら成る採光板とで形設され、集熱体の上面へは採光板の
リニアフレネルレンズにより太陽光の入射角の変化に応
じて移動する複数の集光部を一定間隔で形成させ、集熱
体を所望の集光部に合致する位置に配置させた複数の集
熱板と集熱管とで形設させた構成である。

【００１１】

【実施例】斯る目的を達成させた本考案を以下実施例の
図面によって説明する。 図１は、本考案の集熱装置の
概要図であり、図２は、本考案の集熱装置を用いたソー
ラーシステムハウスの概要図であり、図３は、本考案の
集熱装置を用いたソーラーシステムの一部を省略した機
能説明図であり、図４は、本考案の集熱装置の冬期にお
ける太陽光の集光状態を示す説明図であり、図５は、本
考案の集熱装置の春期及び秋期における太陽光の集光状
態を示す説明図であり、図６は、本考案の集熱装置の夏
期における太陽光の集光状態を示す説明図であり、図７
は、従来の屋根材を集熱体としたソーラーシステムハウ
スの集熱構造を示す概要図である。

【００１２】本考案は、図１及び図２に図示の如く、太
陽エネルギーを空気や水等の熱媒体を用いて熱エネルギ
ーに変換する熱利用のソーラーシステムにおける集熱装
置１に関するものであり、一般建物のソーラーシステム
において屋外構造物として形成される集光固定型の集熱
装置１であって、図１に図示の如く、該集熱装置１は屋
根板等の外壁材Ａの上面に設けた断熱層２と、該断熱層
２の上方に通風路３を介して設けた集熱体４と、該集熱
体４の上方へ密閉空間とした断熱空気層５を介して設け
たリニアフレネルレンズ６ａから成る採光板６とで形設
され、前記集熱体４の上面へは前記採光板６のリニアフ
レネルレンズ６ａにより太陽光Ｓの入射角の変化に応じ
て適宜に移動する複数の集光部を一定間隔で形成させる
と共に、前記集熱体４を所望の集光部に合致する位置に
配置させた複数の集熱板４ａと集熱管４ｂとで形設させ
たものである。

【００１３】即ち、本考案の集熱装置１は、住宅等の一
般建物の冷暖房・給湯システムの図３に示す暖房装置７
及び給湯装置８等へ太陽光の熱エネルギーを供給する熱
利用のソーラーシステムの重要部であり、図２に図示の
如く、住宅等の一般建物へ屋外構造物として設置される
ユニット式平板型の集光固定型の集熱装置１であり、該
集熱装置１はＦＲＰ等の合成樹脂、或は、アルミ、ステ
ンレス等の金属を用いた外装ケーシング（図示せず）で
一体的に形設されると共に単体、或は複数個の集合体で
も使用できるものであり、以下、その細部と作用を説明
するものである。

【００１４】先ず、本考案の集熱装置１を設置する住宅
等の一般建物の外壁材Ａは、鉄等の金属製の屋根板は勿
論のこと、南面向きの傾斜壁面等の太陽光が充分に照射
される適宜な建築構造物が選択される。

【００１５】一方、前記集熱装置１は、図１に図示の如
く、屋根板等の外壁材Ａの上面に配設させた断熱層２
と、該断熱層２の上方に通風路３を介して配設させた集
熱体４と、該集熱体４の上方へ密閉空間とした断熱空気
層５を介して配設させたリニアフレネルレンズ６ａから
成る透明な採光板６で構成されている。

【００１６】前記断熱層２は通風路３の加熱空気から外
壁材Ａを通過して屋内に熱が伝導することを防止させる
ために集熱装置１の最下層に設けられるもので、前記外
壁材Ａの上面に密着させて敷設させるアルミ箔付ガラス
ウール、ロックウール等のシート状の断熱材から成り、
該断熱層２の機能により集熱装置１全体の伝導による熱
損失を低減させている。

【００１７】前記通風路３は最下層の断熱層２と上層の
集熱体４との間に適宜なスペーサー（図示せず）により
形成されたものであり、該通風路３の、例えば、傾斜設
置状態での下方部位へは外気取入口を形成させると共に
上方部位へは配管口（図示せず）を形成させ、該配管口
へ屋内に配設されたダクト等の空気流路を配管接続さ
せ、該空気流路へはファン等の強制循環手段を内蔵させ
ると共に屋内の床暖房や空調暖房等の暖房装置７と接続
させるものである。尚、前記通風路３内には、実質上、
顕熱型の空気を用いるが、例えば、フロン等の潜熱型の
気体を用いても構わない。

【００１８】前記集熱体４は銅、アルミ、ステンレス、
鋼等の熱伝導率の高い金属製の材質が用いることが好ま
しく、前記通風路３内の空気を加熱する複数の集熱板４
ａと給湯装置８の管路系の一部として水や不凍液等を貯
溜又は循環させる複数の集熱管４ｂとで形設させたもの
であり、該集熱板４ａと集熱管４ｂの夫々は後に詳述す
る所望の集光部と合致する位置に交互に配置される。

【００１９】前記集熱板４ａは熱吸収率を高めるために
黒色塗装された鋼板、選択吸収膜処理されたアルミ、ス
テンレス板を用いるもので、平板は勿論のこと、前記通
風路３内の空気との接触面を増す様に、図示の如く波状
のコルゲート板等を用いても構わないものである。

【００２０】前記集熱管４ｂは集熱板４ａと同様の金属
製の材質が用いられ、内部には水等の液体の流路を有す
るが、特に冬期には凍結防止の目的で水等を入れなくて
も良い。尚、不凍液を用いる場合には、蓄熱槽９内に熱
交換器を設置させて間接集熱を行うことになる。

【００２１】前記断熱空気層５は集熱体４からの放熱を
防止させるためのもので、集熱体４の上面に密閉空間と
して形成させて空気の対流を防止させて断熱効果を生じ
させているものであり、該断熱空気層５の機能により集
熱装置１全体の対流による熱損失を低減させている。

【００２２】前記採光板６は集熱装置１の最上層に形成
され、リニアフレネルレンズ６ａを連続形成させた透明
板であり、該リニアフレネルレンズ６ａは凸レンズを多
数のセグメントに分割して薄く軽量化したものであっ
て、リニア状に複数個の溝を形成させた面状配列に適す
る特殊なレンズ構造である。

【００２３】又、前記採光板６はリニアフレネルレンズ
６ａの形成を鑑みて、アクリル樹脂等の合成樹脂製の板
材を用いて加工するか、或は、加圧圧縮等の一体成形に
より形成されるが、例えば、硝子等の素材を用いても良
く、又、該採光板６の表面には前記集熱板４ａと同様に
熱吸収率を高めるために表面に選択吸収膜処理を行って
も良い。

【作用】

【００２４】図３は、本考案の集熱装置１を用いたソー
ラーシステムの一部を省略した機能説明図である。屋内
の冷暖房・給湯システムにおいて、前記集熱装置１で集
熱された熱エネルギーは暖房装置７と給湯装置８へ夫々
二系統に別れて供給されるものであり、図１に示す集熱
体４を構成する集熱板４ａは暖房装置７の集熱部とし
て、集熱管４ｂは給湯装置８の集熱部として機能し、
又、通風路３内の空気は暖房装置７の熱媒体として、集
熱管４ｂ内の水等の液体は給湯装置８の熱媒体として機
能する。

【００２５】前記通風路３内の空気は、図３では省略さ
せた集熱板４ａの上面に照射された太陽光により加熱さ
れ、図示しないダンパー等の流路制御手段を有した空気
流路を介して屋内の床下暖房や空調暖房等の暖房装置７
に供給される。又、空調暖房の場合、加熱された空気は
熱媒体であると同時に直接、温風として利用される。

【００２６】前記集熱管４ｂ内の水等の液体は集熱管４
ｂの上面に照射された太陽光により加熱され、循環ポン
プにより蓄熱槽９に蓄熱され、台所や浴室等の給湯装置
８に供給されるものである。又、不凍液を用いる場合に
は熱交換器で間接集熱を行い、加熱された水を直接浴用
等に用いる場合には蓄熱槽９を省略することもできる。

【００２７】本考案の集熱装置１は、図４乃至図６に図
示の如く、集熱体４の上面に採光板６のリニアフレネル
レンズ６ａにより太陽光Ｓの入射角の変化に応じて適宜
に移動する複数の集光部が一定間隔で形成され、又、前
記集熱体４の集熱板４ａと集熱管４ｂは、特に四季にお
ける三種類の太陽光Ｓの入射角に対応する所望の集光部
と合致する位置に配置させるものである。

【００２８】即ち、本考案の実施例では、有効的な実施
例として屋内の冷暖房・給湯システムにおいて主に冬期
に暖房装置７を利用し、夏期に給湯装置８を利用させる
ことを前提としており、従って、所望の集光部とは主に
夏期における集光部と冬期における集光部を意味し、
又、集熱体４の長さ方向において夫々の集光部の巾と各
集光部の間隔の巾、更に、集熱板４ａと集熱管４ｂの巾
を同巾とさせることにより、これを効果的に実現させて
いる。

【００２９】然し乍ら、四季を通じて給湯装置８を利用
する場合等には、冬期においても集光部の一部が集熱管
４ｂを加熱させる必要があり、その際には、集熱板４ａ
と集熱管４ｂの巾を相違させたり、或は、集熱板４ａと
集熱管４ｂの微妙な位置調整を行うものである。

【００３０】前述の条件下において、太陽光Ｓの入射角
は夏期と冬期において最大変化し、又、前記集熱体４の
上面に形成される一定間隔の複数の集光部は、夏期から
冬期にかけて集熱体４の上方から下方に集光部の巾、つ
まり集熱板４ａ及び集熱管４ｂの巾だけ移動する。図４
乃至図６に示すものは、冬期の集光部と集熱板４ａを合
致させると共に夏期の集光部を集熱管４ｂと合致させて
形設させている。

【００３１】図４は、冬期における太陽光Ｓの集光状態
を示すものである。冬期における太陽光Ｓは稍々低い位
置から入射するため、採光板６のリニアフレネルレンズ
６ａを透過した太陽光Ｓは夫々の集熱板４ａの上面に集
光部を形成するものであり、該集熱板４ａにより集熱さ
れた熱エネルギーは通風路３内を通る外気を暖めるもの
である。

【００３２】季節により太陽の高さは変動し、春期及び
秋期には、図５に図示の如く、採光板６のリニアフレネ
ルレンズ６ａを透過した太陽光Ｓは集熱板４ａと集熱管
４ｂの間に集光部を形成するものであり、集熱板４ａに
集熱された熱エネルギーは通風路３内を通る外気を暖
め、一方、集熱管４ｂに集熱された熱エネルギーは管内
の水等の液体を直接暖める。

【００３３】図６は、夏期における太陽光Ｓの集光状態
を示すものである。夏期における太陽光Ｓは稍々高い位
置から入射するため、採光板６のリニアフレネルレンズ
６ａを透過した太陽光Ｓは、夫々の集熱管４ｂの上面に
集光部を形成し、直接、管内の液体を加熱するものであ
る。

【００３４】この場合、前記集熱板４ａは断熱空気層５
内の空気により間接的にしか熱せられず、従って、通風
路３内の空気を通して屋根板等の外壁材Ａが過熱するこ
とがなく、更に、通風路３内を通る外気を直接外へ排気
させれば、断熱層２に届く熱を効果的に低減でき、屋内
は快適に保たれるものである。

【考案の効果】本考案の集熱装置は、前述の如く構成し
たものであり、断熱空気層と断熱層の機能により対流と
伝導による熱損失を低減させた極めて熱効率の良い集熱
装置であることは勿論のこと、採光板のリニアフレネル
レンズの集光機能と集熱体の構造により、例えば、冬期
には集熱体の集熱板のみで集熱させて暖房装置に利用
し、夏期には集熱体の集熱管のみで集熱させて給湯装置
に利用させる等の太陽光の熱エネルギーを四季を通じて
選択的に有効利用できる機能性に優れたものであり、特
に、夏期における屋内への熱伝導を防ぐので、四季を通
じて極めて効率の良い冷暖房・給湯システムを実現でき
る画期的な考案である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の集熱装置の概要図である。

【図２】本考案の集熱装置を用いたソーラーシステムハ
ウスの概要図である。

【図３】本考案の集熱装置を用いたソーラーシステムの
一部を省略した機能説明図である。

【図４】本考案の集熱装置の冬期における太陽光の集光
状態を示す説明図である。

【図５】本考案の集熱装置の春期及び秋期における太陽
光の集光状態を示す説明図である。

【図６】本考案の集熱装置の夏期における太陽光の集光
状態を示す説明図である。

【図７】従来の屋根材を集熱体としたソーラーシステム
ハウスの集熱構造を示す概要図である。

【符号の説明】

Ａ 外壁材 Ｓ 太陽光 １ 集熱装置 ２ 断熱層 ３ 通風路 ４ 集熱体 ４ａ 集熱板 ４ｂ 集熱管 ５ 断熱空気層 ６ 採光板 ６ａ リニアフレネルレンズ ７ 暖房装置 ８ 給湯装置 ９ 蓄熱槽 １１ 屋根材 １２ 通風路 １３ 断熱材 １４ 梁

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】一般建物のソーラーシステムにおいて略南
   面向きの屋外構造物として設置される多層構造の集熱装
   置であって、前記集熱装置は屋根板等の外壁材の上面に
   配設させた断熱層と、該断熱層の上方に通風路を介して
   配設させた集熱体と、該集熱体の上方へ密閉空間とした
   断熱空気層を介して配設させたリニアフレネルレンズか
   ら成る採光板とで形設され、前記集熱体の上面へは前記
   採光板のリニアフレネルレンズにより太陽光の入射角の
   変化に応じて適宜に移動する複数の集光部を一定間隔で
   形成させると共に、前記集熱体を所望の集光部に合致す
   る位置に配置させた複数の集熱板と集熱管とで形設させ
   たことを特徴とするソーラーシステムにおける集熱装
   置。