JP4273497B2

JP4273497B2 - 太陽熱利用温水発生装置

Info

Publication number: JP4273497B2
Application number: JP2004112041A
Authority: JP
Inventors: 鉄哉渕口
Original assignee: 株式会社サンテクノ
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: JP2005299937A

Description

本発明は日中の太陽光による熱を利用して温水を発生させる装置に関し、具体的には透明カバー内に太陽熱を受ける面板を設置し、この面板上で外部から供給した水を加熱し、かつ該面板から溢流させて下部の貯水タンク部より取り出すようにした太陽熱利用温水発生装置に関する。

太陽熱利用の温水発生装置としては従来から、ソーラパネル等と称される受光板を太陽に向けて設置し、日中の太陽光によって直接前記受光板を加熱し、この受光板内を流れる水を加熱、温水化して取り出す構成のソーラシステムが知られている。

例えば、貯水槽を円錐状の透明カバーで覆い、日中の太陽の位置にかかわらず太陽光を全方向から採光できるようにしたものとして、特開平８−２９６９０５号公開公報に示される円錐型太陽温水器がある。これは頂部が半球形で側部が円錐状のステンレス製貯水槽の外側全面に真空層を挟んで該貯水槽と略相似形の透明外壁板を設け、前記貯水槽内に、該貯水槽内の頂部近くで開口する温水取出管を設け、この温水取出管を槽底部から外部へ引き延ばし、太陽熱で加熱された槽内の温水を取り出すようにした構造である。前記貯水槽の外周面と前記透明外壁板との間に空隙を形成し、この部分を真空層とすることにより、集熱した内部の熱が放熱しないようにし、また、貯水層およびその外側の透明外壁板を円錐形とすることで太陽熱の有効収熱時間を確保することとしている。

また建物の日影の影響を受けないように半球状の透明太陽光採光構造とした例として、特開平８−３０３８７５号公開公報に記載された太陽熱集熱装置が提案されている。これによれば、建物の屋上あるいはそれに近い上方部分に太陽光採光装置を設置し、この太陽光採光装置の下方位置で前記建物の外壁に沿って集熱板およびストレージタンクから成る太陽熱集熱器を設置し、前記太陽光採光装置で採光した太陽光を前記太陽熱集熱器の集熱板部に照射して該太陽熱集熱器から温水を得る構造を有している。
特開２００２−８１１８２号公報特開平８−２９６９０５号公報特開平８−３０３８７５号公報

集熱パネルを用いた従来の太陽エネルギー利用システムは、多くは家屋の傾斜した屋根の上に設置される形態のものであって、設置工事が大がかりで、かつ危険な作業となり、簡単に取り外して他の場所に移動させることができない。また屋根の上に設置されているため、補修などメンテナンスには大きな危険が伴ない、一般家庭のユーザが簡単に作業することは不可能である。

上述の特開平８−２９６９０５号公報に記載の円錐型太陽熱温水器は、円錐形の透明外壁板で太陽光を受けるため、日中の時間経過と共に移動する太陽の照射光を万遍なく受光でき、日中の受光面積をほぼ一定にできる利点はあるものの、内側の蓄熱槽に水を充填させた場合、水深が深くなり、蓄熱板の受光面に対して貯水量も大となるので、熱効率が悪い。また蓄熱槽に水を充満させずに槽内の水量を少なくすると、上方に開口している温水取出管に温水が有効に取り込まれず、得られる温水の量が極少となってしまう。

また、特開平８−３０３８７５号公報に記載の太陽熱集熱装置は、最上部のドーム形の透明フードに照射された太陽光をプリズム作用で建物の外壁に並行な光線として下部の集熱板部に照射し、その下側にあるストレージタンク内の水を加熱する構成であり、ドーム形透明フードを建物の屋上に隣接して設置することにより、建物の北側部分の、通常は日影になる部分に太陽熱集熱器を設置しても有効な採光、集熱が可能となる利点がある。しかし、この装置はプリズム板で偏向させた光を集熱器に照射させるものであって、太陽光を蓄熱板上の水に直接当てる構造ではなく、太陽熱による蓄熱板の熱効率が低い。

本発明は、透明カバー内に水を広い領域に張る面板を設け、太陽熱による面板の熱を直接水に伝達するようにすることで、高い熱効率で温水を得ることができ、かつ極めてコンパクトに構成でき、一般家屋の庭先や物置の上、空き地、路地その他太陽光を受光できる任意の場所に簡単にかつ安全に設置できる太陽熱利用温水発生装置を提供することにある。

本発明によれば、貯水タンク部の上側をドーム形の透明カバーで覆い、前記カバーで覆われた内部に複数枚の外径の異なる水平なトレー状面板を同心状に互いに離隔して、かつ上段側から下段側へ向うにつれて順次外径が大きくなるように配置し、最上段の前記トレー状面板上に給水する送水管を設け、前記送水管から供給された水が最上段の前記トレー状面板から順次下段側のトレー状面板へとそれぞれの面板周縁から溢流して前記貯水タンク部に貯められるようにし、太陽熱を受けて温水となった状態で該タンク部から取り出すようにした太陽熱利用温水発生装置が提供される。

また本発明によれば、請求項１に記載の太陽熱利用温水発生装置において、前記貯水タンク部に貯められた温水の温度を検出する温度センサと、前記貯水タンク部の外部で前記送水管に設けられた開閉弁と、前記開閉弁より下流側（貯水タンク部側）で前記送水管と前記貯水タンク部の底部とを連通するバイパス管と、前記バイパス管に設けられた循環水ポンプと、前記温度センサの温度検出信号によって前記開閉弁および前記循環水ポンプの作動を制御する制御装置とを有し、前記温度センサで検出した温水の温度が必要な温度になるまで前記貯水タンク部内の温水が前記循環水ポンプによって前記バイパス管から前記送水管を経て前記トレー状面板と前記貯水タンク部の底部との間で循環されるようにした太陽熱利用温水発生装置が提供される。

以上説明したように本発明の太陽熱利用温水発生装置によれば、透明カバー内に水を広い領域に張る面板を設け、太陽熱による面板の熱を水に伝達するようにしたので、効率よく温水を得ることができ、特に面板を多層構造に配置して上の面板から下の面板へと順次溢流するようにすることにより、立体的に太陽熱を吸収でき、高い熱効率が得られる。また、従来の太陽熱温水装置と比べてコンパクトに構成でき、一般家屋の庭先や物置の上、空き地、路地その他太陽光を受光できる任意の場所に簡単にかつ安全に設置できる。場合によっては設置場所を移動させることも可能である。面板やタンク部の底部に太陽電池を搭載することで曇り日や雨天においても必要な温度の温水を得ることができる。

また本発明に係る温水発生装置は例えば雪の多い地域では、雪の積もる屋根に温水を直接積雪箇所に散水し、その温水の熱で融雪することもできるなど広い範囲の利用が実現できる。

本発明の１つの形態によれば、貯水タンク部の上側をドーム形透明カバーで覆い、ドーム内部に複数枚のトレー状面板を縦方向に互いに離隔して配置し、前記トレー状面板上に給水する送水管を設け、前記トレー状面板は上側よりも下側の面板の方が順次面積が大とされ、前記送水管から給送される水が最上部の面板上に供給されるようにし、これによって水が上側の面板から下側の面板へと順次溢流して前記貯水タンク部に貯められるようにしたドーム型太陽熱利用温水発生装置が提供される。

次に、本発明を、好適な実施形態につき添付の図面にしたがって説明する。

図１は本発明の１実施形態に係るドーム型温水発生装置の概略的な側部断面図である。適当な台脚２を介して上面視円形状の貯水タンク部１が野外に設置される。貯水タンク部１は上面が開放しかつ底板３および側板４から成る比較的浅底の温水受け容器であり、その側板４の全周縁に被さるように概略半球状あるいは概略半楕円球状の透明なドーム形カバー５がタンク上部に設置される。

外部から貯水タンク部１の底板中央を貫通してタンク上方へ延びる送水管６が設けられている。送水管６の上端は開口しており、かつこの送水管上部にトレー状の面板７が接続されている。面板７の外周縁には高さの小さい側壁８が形成され、これによって送水管６から送られてきた水が面板７上に溜まり、かつ継続的な送水によって面板側壁８を越えて下側へ溢流する。

好ましくは、面板７は上下方向に離隔して複数枚、図示の例では直径の異なる６枚の面板７が配置され、かつそれぞれ上下に隣接した面板７について下側の面板の外径が上側の面板よりも大径となっている。送水管６はこれらの面板の中心を貫通して最上部の面板上で開口している。したがって、最上部の面板７（符号ａ１）の側壁８から溢流した水はその直下の面板（ａ２）に受けられて溜められ、送水管６の送水が続けられることにより、この面板（ａ２）からさらにその下の、具体的には上から３番目の面板（ａ３）に受けられ、このようにして順次下側の面板上に水が溜まり、最下段の面板（ａ６）から貯水タンク部１へ溢流して該タンク部に貯水される。なお、他の実施形態で面板７が１枚のみの場合は、この面板７から直接貯水タンク部１へ溢流することは勿論である。

送水管６は外部の給水源（図示省略）に連結され、かつ途中に第１のポンプ９および第１の弁１０が設けられている。貯水タンク部１には第２のポンプ１１および温水取出管２８を介して２次貯水槽１２に接続されている。また、第１の弁１０より下流側（先端側）の送水管６と貯水タンク部１との間にバイパス管１３が設けられ、このバイパス管１３に第３のポンプ（循環水ポンプ）１４が設けられている。２次貯水槽１２には第４のポンプ１５を経て必要な温水使用箇所に温水を供給するための温水供給管１６が連結されている。なお、１８はタンク部１につながる温水取出管２８を開閉する第２の弁である。さらに、ドーム形透明カバー５で囲まれた内部空間部に連通する空気圧調整装置１７がカバー下部に設けられている。

この実施形態では上述の各部構成の他に、温度センサ、水位センサ、ヒータ、あるいは各種制御装置等、必要に応じて各種の機器が付属されるが、これらについては以下の細部の構成および動作説明と併せて順次説明する。まず、この温水発生装置を野外の太陽光の当たる場所に設置し、送水管６を給水源に接続するとともに２次貯水槽１２の温水供給管１６を温水使用設備、例えば家庭の風呂、シャワー機器あるいは洗面所、洗い場等の給水機器に連結する。

２次貯水槽１２への温水の送出を制御する第２の弁１８が閉じられた状態で、給水源の水は送水管６の第１のポンプ９によって汲み上げられ、送水管９の上端から最上部の面板７（ａ１）上に貯められ、既述した如く、面板７の側壁８から順次下側の面板７へと水が溢流する。各面板７上の水は透明カバー５を通して照射される太陽光の熱で温められ、温水として貯水タンク部１に貯えられる。このときの貯水タンク部１の温水の温度ｔ1 は内部に設けられた温度センサ２０で検出される。そして必要な温度の温水になるまでバイパス管１３の第３のポンプ１４の作動および各面板７からの溢流により、貯水タンク部１の温水はバイパス管１３から送水管６を経て各面板７とタンク部１との間で循環される。

具体的には、貯水タンク部１の温水の量が水位センサ（図示省略）によって検出されており、装置の運転開始の後、貯水タンク部１の水量が満杯あるいは所定の量になったときに、自動的に制御装置のパソコン機能で第１の弁１０が閉じられ、かつ第１ポンプ９が停止される。同時に第３のポンプ１４が作動し、前述した貯水タンク部１からの温水の汲み上げ、面板７からの溢流が繰り返されて温水が循環する。貯水タンク部１内の温水が必要な温度に達すると、第２の弁１８が開き、かつ第２のポンプ１２によって貯水タンク部１から２次貯水槽１２へ温水が送られ、同時に第１の弁１０が開となり、第１のポンプ９の再作動で面板７上への送水が再開される。貯水タンク部１の水温が下がったときは、第１の弁１０が自動閉止し、第３のポンプ１４によって前述した貯水タンク部１と面板７間の温水の循環がなされる。２次貯水槽１２の温水は第４のポンプ１５によって所望の温水使用箇所へ送られる。

貯水タンク部１および２次貯水槽１２には雨天や曇天の場合を予想して適当な補助加熱機器が付加されてもよい。この加熱機器は通常の商用電源による電熱ヒータなどでもよいが、好ましくは太陽電池、例えばフィルム状太陽電池を電源とするヒータ３０，３１が貯水タンク部１の底部および（または）２次貯水槽１２の底部に設置される。

上述の実施形態では貯水タンク部１に補助加熱装置を付加したが、このほかにも各面板７に対して別途加熱装置を設けてもよい。図２は本発明の他の実施形態を示す面板７の側部断面図である。面板７の表面に太陽電池２１が設けられ、制御盤に表示されるタンク部１内の温度センサによる所定温度に達するまで、太陽光による熱に加えてこの太陽電池２１によるヒータで面板７上の水が加熱される。太陽電池２１の他に通常の電熱ヒータが採用されてもよい。太陽電池としては前述の貯水タンク部１のヒータと同様にフィルム状太陽電池が好適に採用され得る。

なお、面板外周の側壁８の高さΔｔは、装置の容量および太陽熱の吸収効率を考慮して決められるが、通常は数ｃｍの範囲に定めるのが好ましい。また面板７に加えられる熱は面板上の水に吸収されるが、この熱の吸収を高めるために面板７に放射状あるいは螺旋状の微小溝を形成し、水に対する面板７の接触面積ができるだけ広くなるようにするのがよい。さらに、面板の表面あるいは前記微小溝にナノテクノロジー（超微細技術）によるナノ炭素素材のナノチューブを利用して水の湿潤を高め、面板上の水の流れを遅延させることにより太陽熱の吸収効率を上げるようにすることもできる。各面板は熱吸収のよい材料で形成され、また、その表面は太陽熱の吸収を高めるのに有効な色塗装、例えば黒あるいは緑色の塗装を施すのが好ましい。また、ドーム形の透明カバー５はその頂部側をやや厚目にし、これによって例えば凸レンズのような集光レンズ効果を発揮するようにすることにより、一層効果的に太陽光を面板上に照射させることができる。

本発明は主として野外の日当りのよい場所、例えば一般家庭の庭先や軒下近くの地面上に設置されるか、あるいはオフィスビルや集合住宅の屋上、公園の片隅等、任意の場所に設置可能である。また朝陽から夕陽まで長時間太陽光を受け得るように、この温水発生装置を昇降可能な支持体に取り付けてもよい。この場合は送水管や温水供給管の一部をゴムホース等柔軟な素材の管を利用する。

次に、本発明に係るドーム型温水発生装置の清掃、点検のための構造について説明する。前記ドーム形カバー５は一体物で構成されるが、場合によっては特に大形容量のものでは縦中心面で接合した２分割構造とすることも可能である。また面板７はその中心を通る送水管６に脱着可能に支持され、取り外して水垢や錆等を洗浄液で清掃する。この場合、面板７の脱着を容易にするために図３に示すように送水管６の外側部に筒部２２ａとフランジ部２２ｂから成る係止部材２２を取り付け、面板７を送水管６の上端から挿入してフランジ部２２ｂの上面に面板７の内径部を載置、支持するようにする。

図３の実施形態で面板７は図示の如く送水管６が挿通される中心孔を有し、該中心孔の内径部に内径部側壁２３が形成されている。面板７上の水が面板外周から流下するように外径部側壁８は内径部側壁２３より高さが小さくなっている。複数の面板７を用いる場合、上側面板７の中心孔の内径Ｄはその下側の面板７の方が大内径Ｄ′となっており、また面板７を支える係止部材２２のフランジ部２２ｂの外径ｄは、それより下側に位置する面板７の中心孔の内径Ｄより小となっている。これによって各面板７はこの位置より上側に位置する係止部材２２のフランジ部２２ｂと干渉することなく順次上方へ抜き出すことができる。なお、係止部材２２の筒部２２ａはボルト等で送水管６に固定するが、場合によっては面板７もフランジ部２２ｂにボルト止めで固定してもよい。送水管自体も貯水タンク部から取り外せるようにすることは勿論である。

長期日数使用しないときは、貯水タンク部および２次貯水槽は水抜きして温水の汚濁を防止するが、このとき面板上に溜まった水も貯水タンク部に落ちるように閉止可能な水抜き孔が設けられる。図４は面板の水抜き孔およびその閉止蓋の構造例を示した図である。これによれば、各々の面板７の底面に上下に整合した水抜き孔２５が形成され、これらの水抜き孔２５が閉止蓋２６で水密状態に閉塞されるようになっている。閉止蓋２６は各面板７を縦方向に貫通する水抜き操作ロッド２７に保持され、該ロッド２７の所定角度の回転によって各閉止蓋２６はロッド中心まわりに旋回し、これによってすべての水抜き孔２５が開口し、面板７上の水が同時に抜き取られる。ロッド２７は各面板７の下面で適当な軸受によって回転可能に軸支され、かつその下端で１次貯水タンク部に抜差し自在に支持される。なお、図４ではロッド２７の操作ハンドルはロッド上端に設けたが、タンク部１の下方に突出したロッド下端部に設けてもよい。

上述のように水抜き孔を上下に整合させて１本の操作ロッドで同時に水抜き孔の開閉を行う構成とせずに、各々の面板の底部あるいは側部に水抜き孔と可動の閉止蓋を設け、手動で各面板の閉止蓋をスライドさせるなどして水抜き孔を開口し、面板上の水を排出するようにしてもよい。

図５は本発明に係るドーム型温水発生装置の一使用例を示した概略図である。一般家庭の庭先や公園の片隅に、高さが３〜５メートル程度の中空の支柱３３が設置され、この中空支柱３３の上端に、ドーム形構造物の底板３４が取り付けられ、この底板３４上に透明なドーム形カバー５が装着されている。中空支柱３３の中心には送水管６が配置され、かつ該送水管６はドームの内部へ延在し、その上端およびその下側に第１、第２のトレー状面板７ａ，７ｂが取り付けられている。第２の面板７ｂの外径は送水管上端の第１の面板７ａより大径となっている。前記底板３４はその中心孔の内周部が中空支柱３３の上端外周に取り付けられ、したがってドーム内の空間部３５は底板３４の中心孔を通して支柱３３の内壁と送水管６の外周との間の中空部に連通している。支柱３３の前記中空部は図示しない貯水タンク部に連通し、また送水管６は図示しない給水源にポンプや弁を介して接続されている。

前記給水源から送水管６を通してドーム内へ送られた冷水は最上部の第１のトレー状面板７ａに貯められ、ここで透明カバー５を通して照射された太陽熱で加熱されるとともに、面板７ａの外周縁から下側の第２のトレー状面板７ｂ上へ溢流して該第２の面板７ｂ上に貯められ、同様にしてこの面板７ｂ上でも太陽熱で加熱される。さらに第２のトレー状面板７ｂから底板３４上へ溢流し、中空支柱３３の前記中空部を通って前記貯水タンク部に貯められる。第２の面板７ｂからの溢流温水は底板３４上でも太陽熱による加熱を受ける。

このようにして得られた温水は貯水タンク部から取出管を通して温水使用箇所へ送られるが、場合によっては、ここからさらに、図１でも説明したような２次貯水槽へ導くようにしてもよい。この実施例でも面板７ａ，７ｂや底板３４の上面に太陽電池による補助的なヒータを付加したり、貯水タンク部にもヒータを付加することも可能である。このドーム形構造物に空気圧調整装置を取り付けたり、温度計、水位計、各種の弁、制御装置が付属される。

上述の実施形態は本発明のいくつかの具体的な構成を例示したものであり、この他にも種々の変形、修正構造が採用可能である。例えば、各面板ａ1 ，ａ2 ，ａ3 ，…ａn から溢流する水の量および流速が最も高い熱効率となるように送水管の弁を制御用パソコンの数値に従って自動あるいは手動で制御、調整するようにすることができる。また、組み付ける面板の枚数も設置箇所や仕様によって１枚、あるいは任意の枚数のものに構成可能である。設置場所も平坦な地面上にのみ限定されず、ビルの屋上あるいは樹木の上部に架台を設け、この上に設置することも可能である。

本発明の１実施形態に係るドーム型太陽熱利用温水発生装置の概略的な側面断面図である。本発明の他の実施形態に係る太陽電池を付加した面板の側部断面図である。本発明に係る面板の支持形態の一例を示した部分的な側部断面図である。本発明に係る面板の水抜き構造の一例を示す部分的な側部断面図である。本発明に係るドーム型温水発生装置の一使用例を示した概略図である。

符号の説明

１貯水タンク部
５ドーム形透明カバー
６送水管
７面板
９第１のポンプ
１０第１の弁
１１第２のポンプ
１２２次貯水槽
１３バイパス管
１４第３のポンプ（循環水ポンプ）
１５第４のポンプ
１７空気圧調整装置
１８第２の弁
２１太陽電池
２２係止部材
２５水抜き孔
２６閉止蓋
２７水抜き操作ロッド
３３支柱

Claims

貯水タンク部の上側をドーム形の透明カバーで覆い、前記カバーで覆われた内部に複数枚の外径の異なる水平なトレー状面板を同心状に互いに離隔して、かつ上段側から下段側へ向うにつれて順次外径が大きくなるように配置し、最上段の前記トレー状面板上に給水する送水管を設け、前記送水管から供給された水が最上段の前記トレー状面板から順次下段側のトレー状面板へとそれぞれの面板周縁から溢流して前記貯水タンク部に貯められるようにし、太陽熱を受けて温水となった状態で該タンク部から取り出すようにしたことを特徴とする太陽熱利用温水発生装置。
前記貯水タンク部に貯められた温水の温度を検出する温度センサと、前記貯水タンク部の外部で前記送水管に設けられた開閉弁と、前記開閉弁より下流側（貯水タンク部側）で前記送水管と前記貯水タンク部の底部とを連通するバイパス管と、前記バイパス管に設けられた循環水ポンプと、前記温度センサの温度検出信号によって前記開閉弁および前記循環水ポンプの作動を制御する制御装置とを有し、前記温度センサで検出した温水の温度が必要な温度になるまで前記貯水タンク部内の温水が前記循環水ポンプによって前記バイパス管から前記送水管を経て前記トレー状面板と前記貯水タンク部の底部との間で循環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発生装置。