JP2662938B2 - 直接集熱式太陽熱温水装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集熱器に水を直接供給
して集熱し、得られた温水を貯湯槽に溜める直接集熱式
太陽熱温水装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集熱器に水を直接供給して集熱し、得ら
れた温水を貯湯槽に溜める直接集熱式太陽熱温水装置
は、構造が単純で、低コストで装置を構成できるので、
この方式の太陽熱温水装置の開発試作が以前には多くな
されていた。

【０００３】このような直接集熱式太陽熱温水装置で
は、冬の夜間に集熱器内で水が凍結するので、凍結する
ような温度になったら排水弁を開けて前記集熱器内の水
を排出する構造になっている。

【０００４】このような直接集熱式太陽熱温水装置とは
別に、貯湯槽内に熱交換器を設け、この熱交換器と集熱
器との間で不凍液を循環させる不凍液集熱式太陽熱温水
装置も提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな２つのタイプの太陽熱温水装置では、次のような問
題点がある。 直接集熱式太陽熱温水装置の問題点 （ａ）排水弁を開いただけで集熱器内の水を落下させる
ためには、管路がその排水弁の方に下り勾配になってい
なければならないが、工事業者に配管をこのようにさせ
るのを徹底させるのが難しく、量産品では水落下方式は
ほとんど用いられなくなっている。 （ｂ）水落下方式では、集熱器まで水を押し上げられる
圧力の出るポンプが必要になるため、該ポンプの電力消
費が大きくなると共に該ポンプのコストも大となる。 （ｃ）水を集熱器から落下させるために、貯湯槽内が無
圧状態になり、貯湯槽内の湯を蛇口から取り出すには出
湯ポンプが必要となり、低コストの利点が失われる。

【０００６】不凍液集熱式太陽熱温水装置 （ａ）不凍液による集熱方式では、不凍液から水への熱
交換器が必要なため、コストがかさむ。 （ｂ）不凍液から水への熱交換のため、熱交換性能が低
下する。 （ｃ）熱交換器が腐食などして不凍液が漏れると、水中
に不凍液が混入する。 （ｄ）不凍液による集熱方式では、熱交換器が貯湯槽内
に設置されるため、このような構造では貯湯槽内の水全
体の温度が徐々に上昇していくため、夕方にならないと
熱い湯ができず、朝や昼には太陽熱の湯が使えないた
め、太陽熱温水装置の利用効率が悪い。

【０００７】本発明の目的は、直接集熱式の問題点を解
決できる直接集熱式太陽熱温水装置を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、小容量のポンプでも集熱器ま
で水を押し上げることができる直接集熱式太陽熱温水装
置を提供することにある。本発明の他の目的は、コスト
の低減を一層図ることができる直接集熱式太陽熱温水装
置を提供することにある。本発明の他の目的は、集熱器
の水圧による損傷を防止できる直接集熱式太陽熱温水装
置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、集熱器と、前
記集熱器より下に設置された貯湯槽と、前記貯湯槽の下
部と前記集熱器の下部とを接続して前記貯湯槽内の水を
前記集熱器に供給する送水管と、前記集熱器の上部と前
記貯湯槽の上部とを接続して前記集熱器で生成された温
水を前記貯湯槽に供給する温水戻り管と、前記送水管に
接続されて前記貯湯槽内の水を前記集熱器に送り出す循
環ポンプとを備えた直接集熱式太陽熱温水装置を改良の
対象としている。

【０００９】本発明に係る直接集熱式太陽熱温水装置
は、前記循環ポンプの吐出側で前記送水管に第１の電磁
弁が設けられ、前記第１の電磁弁と前記集熱器との間で
該第１の電磁弁寄りの位置で前記送水管に排水管が分岐
接続され、前記排水管に第２の電磁弁が設けられ、前記
温水戻り管を前記送水管に連結する連結管が前記排水管
の分岐接続箇所と前記第１の電磁弁との間で前記送水管
に接続され、前記連結管に第３の電磁弁が設けられ、前
記温水戻り管に対する前記連結管の接続箇所と前記貯湯
槽との間で該温水戻り管には水又は湯の流れを必要に応
じて止める止水手段が設けられていることを特徴とす
る。

【００１０】この場合、前記集熱器の上部には、空気抜
き弁を設けることが好ましい。ここで、集熱器の上部と
は、該集熱器自体の上部のみならず、該集熱器の上部に
つらなる温水戻り管の部分も含まれるものである。

【００１１】また、前記貯湯槽内に常時所要の水圧をか
けるように該貯湯槽の下部には、減圧弁を介して給水管
を接続することが好ましい。また、前記送水管，前記温
水戻り管，前記連結管は、可撓性プラスチック管で形成
することが好ましい。また、前記集熱器の下部には、該
集熱器に作用する異常水圧を逃がす逃し弁を設けること
が好ましい。

【００１２】

【作用】このように本発明によれば、循環ポンプの吐出
側で送水管に第１の電磁弁を設け、該第１の電磁弁と集
熱器との間で該第１の電磁弁寄りの位置で送水管に排水
管を分岐接続し、該排水管に第２の電磁弁を設け、温水
戻り管を送水管に連結する連結管を排水管の分岐接続箇
所と第１の電磁弁との間で送水管に接続し、該連結管に
第３の電磁弁を設け、温水戻り管に対する連結管の接続
箇所と貯湯槽との間で該温水戻り管に水又は湯の流れを
必要に応じて止める止水手段を設けることにより、集熱
器で凍結のおそれがあるときには、第１の電磁弁を閉じ
て、第２，第３の電磁弁を開くことにより、集熱器，送
水管及び温水戻り管内の水を排水できる。

【００１３】この場合、集熱器の上部に空気抜き弁を設
けると、該集熱器への給水や排水を容易に行わせること
ができる。

【００１４】また、貯湯槽内に給水管から常時所要の水
圧をかけると、この水圧が貯湯槽内の水を集熱器側へ押
し上げる力として働くので、貯湯槽内の水を集熱器に送
り出すポンプの容量を小さくすることができ、コストダ
ウンを図ることができる。また、エアロック現象が起こ
っても、第１，第３の電磁弁を開、第２の電磁弁を閉と
することにより、温水戻り管内及び集熱器内の空気を貯
湯槽内の水圧により押し上げて空気抜き弁から排出する
ことができ、エアロックを解消することができる。

【００１５】また、送水管，温水戻り管，連結管を可撓
性プラスチック管で形成すると、つなぎ目なしで曲げる
ことができ、また急な曲げもなくなるので、細くても流
れの抵抗が小さく、配管の勾配が排水管の方向に下り勾
配なっていない箇所があっても、排水管の位置が排水し
ようとする送水管及び温水戻り管より低い位置にあれ
ば、サイフォンの原理でこれら送水管及び温水戻り管内
の水を排水することができる。

【００１６】また、集熱器の下部に、該集熱器に作用す
る異常水圧を逃がす逃し弁を設けると、該集熱器が水圧
に弱い構造であっても、該集熱器を水圧から保護するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】図１及び図２は、本発明に係る直接集熱式太
陽熱温水装置の一実施例を示したものである。本実施例
の直接集熱式太陽熱温水装置においては、集熱器１が太
陽熱を集熱し易い屋根の上等に傾斜して設置されてい
る。該集熱器１は、２枚のステンレス薄板２ａ，２ｂの
周囲を袋状にシーム溶接して貼り合わせ、且つその中間
の部分に複数の上向きの水路３が幅方向に併設されるよ
うに各ステンレス薄板２ａ，２ｂは波形に屈曲成形され
ている。このようにステンレス薄板２ａ，２ｂを加工し
て形成された集熱器本体４は、上部が開放されたケース
５内に収容されている。該ケース５の底部と集熱器本体
４との間には、断熱材６が配置されている。該ケース５
の開口部にはプラスチック板の如き透明板７が取り付け
られている。

【００１８】このような集熱器１より下の地上等に貯湯
槽８が設置されている。貯湯槽８は保温容器９内に収容
されている。貯湯槽８の下部と集熱器１の下部とは送水
管１０で接続され、これにより貯湯槽８内の水が集熱器
１に供給されるようになっている。また、集熱器１の上
部と貯湯槽８の上部とは温水戻り管１１で接続され、こ
れにより集熱器１で生成された温水が貯湯槽８に供給さ
れるようになっている。貯湯槽８に隣接させて送水管１
０には循環ポンプ１２が接続されていて、貯湯槽８内の
水を集熱器１に送り出すようになっている。

【００１９】循環ポンプ１２の吐出側で送水管１０に
は、第１の電磁弁１３が設けられている。また、第１の
電磁弁１３と集熱器１との間で該第１の電磁弁１３寄り
の位置で送水管１０には排水管１４が分岐接続され、該
排水管１４には第２の電磁弁１５が設けられている。温
水戻り管１１を送水管１０に連結する連結管１６が、排
水管１４の分岐接続箇所１７と第１の電磁弁１３との間
で送水管１０に接続され、該連結管１６には第３の電磁
弁１８が設けられている。温水戻り管１１に対する連結
管１６の接続箇所１９と貯湯槽８との間で該温水戻り管
１１には、水又は湯の流れを必要に応じて止める止水手
段として逆止弁２０が設けられている。逆止弁２０は、
集熱器１から貯湯槽８への温水の流れは許容するが、貯
湯槽８から集熱器１への温水の流れは許容しないように
設けられている。

【００２０】これら送水管１０，温水戻り管１１，連結
管１６は、例えばポリブテン管等の如き可撓性プラスチ
ック管で形成されている。これら送水管１０，温水戻り
管１１，連結管１６のサイズは、内径13mm以下のものが
好ましい。

【００２１】集熱器１の上部には、空気抜き弁２１と第
１の温度センサ２２とが設けられている。この場合、空
気抜き弁２１は集熱器１の上部に位置する温水戻り管１
１の折り返し部に設けられ、第１の温度センサ２２は集
熱器１の上部でその内部に挿入して設けられている。

【００２２】逆止弁２０と貯湯槽８との間で温水戻り管
１１には、該温水戻り管１１内を通る湯温を検出するた
めに第２の温度センサ２３が取り付けられている。貯湯
槽８の下部には、該貯湯槽８内の水温を検出するために
第３の温度センサ２４が取り付けられている。これら第
１，第２，第３の温度センサ２２，２３，２４からの検
出信号は、制御器２５に入力されるようになっている。
制御器２５は、これらの検出信号をもとに循環ポンプ１
２，第１，第２，第３の電磁弁１３，１５，１８に制御
信号を出すようになっている。

【００２３】集熱器１の下部の送水管１０には、該集熱
器１に作用する異常水圧を逃がす逃し弁２６が設けられ
ている貯湯槽８の下部には、該貯湯槽８内に常時所要の
水圧をかけるように調節減圧弁２７を介して水道に直結
した給水管２８が接続されている。貯湯槽８の上部に
は、出湯管２９が接続されている。該出湯管２９は出湯
蛇口３０に接続されている。また、出湯管２９の上部に
は、空気抜き弁３１と安全弁３２とが設けられている。

【００２４】次に、このような直接集熱式太陽熱温水装
置の動作について説明する。集熱器１に水が入っていな
いときには、制御器２５から水の供給指令を出すと、第
１，第３の電磁弁１３，１８が開、第２の電磁弁１５が
閉になり、貯湯槽８内の水圧により、該貯湯槽８内の水
が循環ポンプ１２（この時点では、まだ動作していな
い。）と第１の電磁弁１３を通り、一方は送水管１０を
経て、他方は連結管１６と第３の電磁弁１８と温水戻り
管１１を経て集熱器１に供給される。このとき、送水管
１０，連結管１６，温水戻り管１１，集熱器１等の内部
に存在していた空気は、水の上昇による押し上げにより
空気抜き弁２１から排出される。

【００２５】１〜２分後に、制御器２５内のタイマーの
指令により第３の電磁弁１８が閉じ、循環ポンプ１２が
運転される。これにより、貯湯槽８内の水が循環ポンプ
１２，第１の電磁弁１３を経て送水管１０を経て集熱器
１に入り、該水は該集熱器１で太陽熱により加熱されて
温水となって温水戻り管１１を通って逆止弁２０を経て
貯湯槽８内の上部に入る。この温水は比重が低くなって
いるので、下部の水と混じることなく層状に貯湯槽８内
の上部に溜まる。

【００２６】このように送水管１０，連結管１６，温水
戻り管１１，集熱器１等の内部に存在していた空気が空
気抜き弁２１から抜けて送水管１０や温水戻り管１１に
水が満たされてから循環ポンプ１２が運転され、そして
給水管２８からかかる水圧が貯湯槽８内の水を集熱器１
側へ押し上げる力として働くので、循環ポンプ１２の圧
力が低くても水は循環されることになる。このような水
の循環が繰り返されて貯湯槽８内の水が順次温水にな
る。

【００２７】第１の温度センサ２２の検出温度が一定値
より低くなるか、第２の温度センサ２３の検出温度より
第１の温度センサ２２の検出温度が低くなると、制御器
２５から指令で循環ポンプ１２の運転が止まり、第１の
電磁弁１３が閉じる。

【００２８】第１の温度センサ２２の検出温度が凍結温
度に近く、例えば３℃以下になると、制御器２５から指
令で第２の電磁弁１５及び第３の電磁弁１８が開き、空
気抜き弁２１より空気が集熱器１及び温水戻り管１１に
入り、集熱器１，送水管１０，温水戻り管１１及び連結
管１６内の水は排水管１４を経て排出される。この場
合、送水管１０，温水戻り管１１及び連結管１６が比較
的細い可撓性プラスチック管、例えばポリブテン管等で
形成されていると、つなぎ目なしで、急な曲りもなくな
るので、細くても流れの抵抗が小さく、これら配管の勾
配が必ずしも排水管１４の方向に下り勾配になっていな
い箇所があっても、排水管１４の位置が送水管１０及び
温水戻り管１１より低い位置にあれば、いわゆるサイフ
ォンの原理で集熱器１，送水管１０，温水戻り管１１及
び連結管１６内の水が排水管１４を経て排出されること
になる。このとき貯湯槽８内の水圧は、第１の電磁弁１
３及び逆止弁２０により送水管１０及び温水戻り管１１
とは遮断されて保持される。万一、送水管１０，温水戻
り管１１及び連結管１６内に水が残っても可撓性プラス
チック管なら凍結破損される恐れはない。

【００２９】また、集熱器１を２枚のステンレス薄板２
ａ，２ｂをシーム溶接して形成すると、該集熱器１内の
水路３の断面積が容易に伸縮できるので、凍結しても破
損しないことが実証されている。ただし、このように水
路３の断面積が容易に伸縮して凍結破損し難い構造の集
熱器１は、それと裏腹に水圧に対して弱いという難点が
あることは原理的にやむを得ない。そこで、集熱器１を
水圧破損から守るために、集熱器１の破損水圧以下に水
圧を押さえる逃し弁２６を集熱器１の下部に設けておけ
ば、一般に集熱器１は屋根の上に設置され、貯湯槽８は
地上に設置されるので、貯湯槽８内の水圧より集熱器１
にかかる水圧は高さの差の分だけ低くなり、このため集
熱器１にかかる水圧を安全な範囲に保持することができ
る。

【００３０】循環ポンプ１２の運転中に、出湯蛇口３０
より勢い良く湯を出湯させると、調節減圧弁２７より貯
湯槽８内に給水される水量が追い付かず、貯湯槽８内の
水圧が低下し、高い位置に置かれた集熱器１内の水圧が
負圧になり、空気抜き弁２１から空気が集熱器１及び温
水戻り管１１内に入ることが起こり得るので、循環ポン
プ１２の発生圧力が小さいものを用いると、空気が温水
戻り管１１の中に閉じ込められ、ポンプ圧力で空気を温
水戻り管１１の下方へ押し下げることも、空気抜き弁２
１から排出させることもできず、ロック状態になり、水
の循環が止まってしまうエアロック現象が発生する可能
性がある。そうなると、日射があっても集熱ができなく
なる。

【００３１】これを避けるための手段が、図１の実施例
では設けられている。それは、エアロック現象が起こる
と、循環ポンプ１２が運転中であっても集熱されないの
で、第１の温度センサ２２の集熱開始温度以上の温度に
拘らず第３の温度センサ２４の温度が上昇しないことに
なる。そこで第１の温度センサ２２の検出温度と第３の
温度センサ２４の検出温度との差が一定レベル以上にな
っている状態が一定時間続くと、制御器２５はエアロッ
クと判定して指令を出し、循環ポンプ１２の運転を停止
し、第１，第３の電磁弁１３，１８を開とすると、温水
戻り管１１内及び集熱器１内の空気は貯湯槽８内の水圧
により押し上げられ、空気抜き弁２１から排出されるこ
とになる。この状態で一定時間、例えば１〜２分経過し
た後、制御器２５からの指令で再び第３の電磁弁１８を
閉じ、循環ポンプ１２を駆動すると、今度は集熱器１を
経ての水の循環が開始されることになる。この一連の動
作でもまだ空気が抜けなかった場合には、制御器２５か
らの指令で再び同様の動作が繰り返される。

【００３２】なお、逆止弁２０は電磁弁に置換すること
もできる。この場合、該電磁弁は制御器２５からの指令
でその開閉を制御する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る直接集
熱式太陽熱温水装置では、循環ポンプの吐出側で送水管
に第１の電磁弁を設け、該第１の電磁弁と集熱器との間
で該第１の電磁弁寄りの位置で送水管に排水管を分岐接
続し、該排水管に第２の電磁弁を設け、温水戻り管を送
水管に連結する連結管を排水管の分岐接続箇所と第１の
電磁弁との間で送水管に接続し、該連結管に第３の電磁
弁を設け、温水戻り管に対する連結管の接続箇所と貯湯
槽との間で該温水戻り管に水又は湯の流れを必要に応じ
て止める止水手段を設けたので、集熱器で凍結のおそれ
があるときには、第１の電磁弁を閉じて、第２，第３の
電磁弁を開くことにより、集熱器，送水管及び温水戻り
管内の水を排水することができる。

【００３４】特に、請求項２に記載の発明では、集熱器
の上部に空気抜き弁を設けているので、該集熱器への給
水や排水を容易に行わせることができる。

【００３５】請求項３に記載の発明では、貯湯槽内に給
水管から常時所要の水圧をかけるようにしているので、
この水圧を利用して集熱器へ給水することができ、ポン
プの容量を小さくすることができ、コストダウンを図る
ことができる。また、エアロック現象が起こっても、第
１，第３の電磁弁を開、第２の電磁弁を閉とすることに
より、温水戻り管内及び集熱器内の空気を貯湯槽内の水
圧により押し上げて空気抜き弁から排出することがで
き、エアロックを解消することができる。

【００３６】請求項４に記載の発明では、送水管，温水
戻り管，連結管を可撓性プラスチック管で形成している
ので、つなぎ目なしで曲げることができ、また急な曲げ
もなくなるので、細くても流れの抵抗が小さく、配管の
勾配が排水管の方向に下り勾配なっていない箇所があっ
ても、排水管の位置が排水しようとする送水管及び温水
戻り管より低い位置にあれば、サイフォンの原理でこれ
ら送水管及び温水戻り管内の水を排水することができ
る。

【００３７】請求項５に記載の発明では、集熱器の下部
に、該集熱器に作用する異常水圧を逃がす逃し弁を設け
たので、該集熱器が水圧に弱い構造であっても、該集熱
器を水圧から保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る直接集熱式太陽熱温水装置の一実
施例のシステム構成図である。

【図２】本実施例で用いている集熱器の構成を示す一部
破断斜視図である。

【符号の説明】

１ 集熱器 ２ａ，２ｂ ステンレス薄板 ３ 水路 ４ 集熱器本体 ５ ケース ６ 断熱材 ７ 透明板 ８ 貯湯槽 ９ 保温容器 １０ 送水管 １１ 温水戻り管 １２ 循環ポンプ １３ 第１の電磁弁 １４ 排水管 １５ 第２の電磁弁 １６ 連結管 １７ 分岐接続箇所 １８ 第３の電磁弁 １９ 接続箇所 ２０ 逆止弁 ２１ 空気抜き弁 ２２ 第１の温度センサ ２３ 第２の温度センサ ２４ 第３の温度センサ ２５ 制御器 ２６ 逃し弁 ２７ 調節減圧弁 ２８ 給水管 ２９ 出湯管 ３０ 出湯蛇口 ３１ 空気抜き弁 ３２ 安全弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭51−161641（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−120448（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−134463（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−161442（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−30160（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集熱器と、前記集熱器より下に設置され
   た貯湯槽と、前記貯湯槽の下部と前記集熱器の下部とを
   接続して前記貯湯槽内の水を前記集熱器に供給する送水
   管と、前記集熱器の上部と前記貯湯槽の上部とを接続し
   て前記集熱器で生成された温水を前記貯湯槽に供給する
   温水戻り管と、前記送水管に接続されて前記貯湯槽内の
   水を前記集熱器に送り出す循環ポンプとを備えた直接集
   熱式太陽熱温水装置において、前記循環ポンプの吐出側
   で前記送水管に第１の電磁弁が設けられ、前記第１の電
   磁弁と前記集熱器との間に前記送水管に排水管が分岐接
   続され、前記排水管に第２の電磁弁が設けられ、前記温
   水戻り管を前記送水管に連結する連結管が前記排水管の
   分岐接続箇所と前記第１の電磁弁との間で前記送水管に
   接続され、前記連結管に第３の電磁弁が設けられ、前記
   温水戻り管に対する前記連結管の接続箇所と前記貯湯槽
   との間で該温水戻り管には水又は湯の流れを必要に応じ
   て止める止水手段が設けられ、前記集熱器の上部に空気
   抜き弁が設けられ、更に前記貯湯槽内に常時所要の水圧
   をかけるように該貯湯槽の下部に減圧弁を介して給水管
   が接続されているていることを特徴とする直接集熱式太
   陽熱温水装置。
2. 【請求項２】 前記送水管，前記温水戻り管，前記連結
   管が可撓性プラスチック管で形成されていることを特徴
   とする請求項１に記載の直接集熱式太陽熱温水装置。
3. 【請求項３】 前記集熱器の下部には該集熱器に作用す
   る異常水圧を逃がす逃し弁が設けられていることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の直接集熱式太陽熱温水装
   置。