JP4417354B2 - 集熱板及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光を反射若しくは吸収して太陽エネルギーを熱に変換するための集熱板に関するとともに、この集熱板を用いて太陽エネルギーと流体との熱交換を行ないこの流体の熱を種々の熱源として利用可能な熱交換器に関する。

従来、この種の集熱板を用いた熱交換器としては、例えば、特許文献１（特開２００１−１９４０１１号公報）に記載されたものが知られている。
この熱交換器は、図１４に示すように、箱状の筐体１００と、筐体１００内に設けられ太陽光を受けて反射させる受光面１０１を有した集熱板１０２と、集熱板１０２の裏面側に設けられる断熱材１０３と、集熱板１０２からの熱が伝達される流体が通るパイプ１０４と、筐体１００の開口に取り付けられ集熱板１０２を覆う透光性の覆い板１０５とを備えて構成されている。集熱板１０２は、太陽光を反射するアルミニウムなどの金属板で形成され、受光面１０１を構成する凹曲面１０６を備えている。この凹曲面１０６は、行列状に連続形成されている。凹曲面１０６は、２次元形状の複合放物面集光（Compound Parabolic Concentrator）型（以下「ＣＰＣ」型という）を、軸中心に回転させた３次元ＣＰＣ型の反射鏡に形成されている。また、パイプ１０４は集熱板１０２の裏面側に配設されており、このパイプ１０４には、パイプ１０４に連通し凹曲面１０６内に臨むリング状の集熱部１０７が設けられている。

これにより、太陽光が覆い板１０５を通して集熱板１０２に入射すると、太陽光は集熱板１０２で反射され集熱部１０７に集められ、流体が加温される。この場合、集熱板１０２は、行列状に連続形成された凹曲面１０６を有しているので、平板のものに比較して、集光比も大きいことから、太陽光の入射角度が小さくなったり、太陽光の弱い日射であっても、集熱効率が良いものとなっている。加温された流体はパイプ１０４を流通し、住宅等の暖房用温水等として、種々の熱源として利用される。

特開２００１−１９４０１１号公報

ところで、上記従来の熱交換器においては、パイプ１０４から突設した集熱部１０７を集熱板１０２の凹曲面１０６内に臨ませて集熱効率を向上させようとしてはいるが、パイプ１０４を集熱板１０６の裏面側に配設し、このパイプ１０４から集熱板１０２を貫通させて凹曲面１０６内に集熱部１０７を設けているので、構造が複雑で、製造コストも高くなっているという問題があった。これを解消するために、単にパイプを集熱板１０２の表面側に配置することも考えられるが、集熱板１０２においては、凹曲面１０６になっているので受光面積は大きいものの、凹曲面１０６に反射した光が比較的規則的な指向性を持った反射光になり、そのため、覆い板１０５を通過して外部に逃げ易く、それだけ集熱効率に劣るという問題があった。また、凹曲面１０６のみであることから、太陽の入射角変化に対する追従性にも限界があり、必ずしも、良好とはいえない。

本発明は、この点に鑑みて為されたもので、受光面を曲面にすることにより受光面積を増大させつつ、照射された光をできるだけ不規則に乱反射できるようにし、覆い板を設けた場合に、この覆い板にできるだけ全反射して再び受光面側に照射されるようにして、覆い板から反射光を逃げにくくし、集熱効率の向上を図ることのできる集熱板及びこの集熱板を用いた熱交換器を提供することを目的とする。熱交換器においては、集熱効率の向上を図るとともに、構造を簡単にしてコストダウンを図ることも目的とする。

このような目的を達成するため本発明の集熱板は、太陽光を受ける受光面を有した集熱板において、上記受光面を構成する凹曲面と、上記受光面を構成する凸曲面とを備え、上記凹曲面及び凸曲面を多数形成した構成としている。集熱板としては、太陽光を反射可能に形成したもの、あるいは、太陽熱を吸収可能な材質で形成したものいずれにも適用できる。

これにより、例えば、太陽光を反射可能に形成したものにおいては、照射された太陽光が反射するが、凹曲面及び凸曲面が多数形成されていることから、平板のものに比較して、受光面積が大きくなっている。また、照射された光は、凹曲面と凸曲面に反射するが、凹曲面に照射した光は、焦点に集光するように比較的指向性をもった反射光となる一方、凸曲面に照射した光は、拡散した反射光となる。そのため、この集熱板を透光性の覆い板で覆う熱交換器に用いる場合には、この拡散光は、覆い板を通過して外部に逃げるものあるが、全反射して再び受光面側に照射されるものも多くなり、それだけ、覆い板から反射光が逃げにくくなることから、集熱効率の向上が図られる。更に、凹曲面及び凸曲面の反射の相乗効果により、集熱を行なうことができ、より一層集熱効率の向上が図られる。また、凸曲面を設けたので、太陽光の入射角度が小さくなったり、太陽光の弱い日射であっても、反射が確実に行なわれ、この点でも集熱効率が向上させられる。

そして、必要に応じ、上記凹曲面及び凸曲面を行列状に、かつ、行方向及び列方向において夫々上記凹曲面及び凸曲面が交互に位置するように該凹曲面及び凸曲面を列設形成した構成としている。凹曲面及び凸曲面が交互に位置するので、凹曲面及び凸曲面の反射の相乗効果を確実に奏することができ、また、受光面積を増大させつつ、広角度からの集光に確実に対応できるようになり、集熱効率をより一層向上させることができる。

そしてまた、必要に応じ、上記凹曲面と上記凸曲面を反転させた凹状の曲面とが、同じ形状で略同じ大きさ（同じ大きさも含む）になるように、上記凹曲面及び凸曲面を形成した構成としている。凹曲面と凸曲面が同形状なので、製造が容易であり、外観品質も向上させられるとともに、光の反射や吸収を均一にすることができる。

また、必要に応じ、上記凹曲面及び凸曲面を、所定厚さの板材により形成した構成としている。板材の型成形やプレス成形により製造できるので、製造が容易で、取り扱いが容易になる。

更に、必要に応じ、上記受光面が太陽光を反射可能に形成した構成としている。
更にまた、必要に応じ、上記受光面から太陽熱を吸収可能な材質で形成した構成としている。この熱の吸収においても、凹曲面及び凸曲面が多数形成されていることから、平板のものに比較して、受光面積が大きくなっており、集熱効率が極めて大きくなる。また、太陽光の入射角度が小さくなったり、太陽光の弱い日射であっても、熱の吸収が確実に行なわれ、集熱効率が向上させられる。

そしてまた、上記目的を達成するため、本発明の熱交換器は、太陽光を受ける受光面を有した集熱板と、該集熱板からの熱が伝達される流体が通る通路とを備えた熱交換器において、上記集熱板を、上記と同様の構成の集熱板で構成している。上記のように、集熱板は、集熱効率が極めてよいので、熱交換効率が向上させられる。また、通路がパイプの場合はその配置も容易になり、構造を簡単にでき、コストダウンを図ることができる。

また、筐体と、該筐体内に設けられ太陽光を受ける受光面を有した集熱板と、該集熱板の裏面側に設けられる断熱材と、該集熱板の受光面に沿って配設され集熱板からの熱が伝達される流体が通るパイプと、上記筐体に取り付けられ上記集熱板及びパイプを覆う透光性の覆い板とを備えた熱交換器において、上記集熱板を、上記と同様の構成の集熱板で構成している。上記のように、集熱板は、集熱効率が極めてよいので、熱交換効率が向上させられる。特に、凹曲面に反射した拡散光は、覆い板を通過して外部に逃げるものあるが、全反射して再び受光面側に照射されるものも多くなり、それだけ、覆い板から反射光が逃げにくくなることから、集熱効率の向上が図られる。更に、凹曲面及び凸曲面の反射の相乗効果により、集熱を行なうことができ、より一層集熱効率の向上が図られる。また、パイプを集熱板の受光面に沿って配設した構造なので、構造が極めて単純であり、そのため、大幅にコストダウンを図ることができる。
この場合、上記覆い板の内側面を、集熱板からの反射光を乱反射可能に凹凸形成したことが有効である。反射光が覆い板の内側面に反射してより一層覆い板から逃げにくくなり、それだけ、より一層集熱効率の向上が図られる。

本発明の集熱板によれば、集熱板の受光面に凹曲面及び凸曲面を多数形成したので、受光面積を増大させることができるとともに、凸曲面を設けたので、これに照射した光を拡散した反射光にすることができ、そのため、この集熱板を透光性の覆い板で覆う熱交換器に用いる場合には、この拡散光は、覆い板を通過して外部に逃げるものあるが、全反射して再び受光面側に照射されるものも多くなり、それだけ、覆い板から反射光が逃げにくくなることから、集熱効率の向上を図ることができる。特に、凹曲面及び凸曲面の反射の相乗効果により、集熱を行なうことができ、より一層集熱効率の向上を図ることができる。また、凸曲面を設けたので、太陽光の入射角度が小さくなったり、太陽光の弱い日射であっても、反射が確実に行なわれ、太陽光の入射角度に対する追従性が増し、この点でも集熱効率を向上させることができる。
また、熱交換器においても、集熱効率が極めてよくなることから、熱交換効率を向上させることができるとともに、通路がパイプの場合その配置も容易になり、構造を簡単にでき、コストダウンを図ることができる。また、太陽光の入射角度に対する追従性が増すことから、熱交換器の取り付けの際、設置角度の自由度が増し、設置場所やレイアウトの制限が緩和され、そのため、種々のパターンに対応可能になり、汎用性を増加させることができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係る集熱板及び熱交換器について詳細に説明する。
図１乃至図３には、本発明の実施の形態に係る集熱板１が示されている。この集熱板１は、所定厚さの板材で形成されており、表側が太陽光を受ける受光面２として構成されているとともに、受光面２が太陽光を反射可能に形成されている。

集熱板１としては、例えば、高い反射率を有するアルミニウム板等の金属板が用いられる。また、透明及び半透明の透光性ガラスや樹脂板を用い、裏面側に反射膜を被覆して反射可能に形成しても良い。また、耐熱樹脂に高反射率の材料例えばアルミニウムを蒸着などでコーティングしてよい。

そして、集熱板１は、受光面２を構成する凹曲面３と、受光面２を構成する凸曲面４とを備えている。この凹曲面３及び凸曲面４は、板材を型成形あるいはプレス成形することにより、規則的に連続形成されている。詳しくは、凹曲面３及び凸曲面４は、行列状に、かつ、行方向及び列方向において夫々凹曲面３及び凸曲面４が交互に位置するように、連続形成されている。実施の形態では、板材として、厚さＴ＝０．６ｍｍのアルミニウム板をプレス成形している。受光面２は鏡面加工されている。

また、凹曲面３及び凸曲面４は、凹曲面３と凸曲面４を反転させた凹状の曲面とは、同じ形状で略同じ大きさになるように形成されるとともに、凹曲面３及び凸曲面４の境界は滑らかな連続面に形成されている。凹曲面３と凸曲面４が同形状なので、製造が容易であり、外観品質も向上させられるとともに、光の反射を均一にすることができる。

凹曲面３及び凸曲面４は、半球面等の球面の一部、放物面等、どのような曲面でも良い。従来のように複合放物面型に形成しても良い。
実施の形態では、凹曲面３及び凸曲面４は、半球面になっており、例えば、凹曲面の曲率半径Ｒａが、１０ｍｍ≦Ｒａ≦１０００ｍｍに設定される。凸曲面４の曲率半径Ｒｂは、Ｒｂ＝Ｒａ＋Ｔ（板厚）になっている。また、Ｒａ＝Ｒｂに設定してよいことは勿論である。曲率半径Ｒａ，Ｒｂは、装置の取付け角度、取付け方向、利用目的、配管の取付け条件等、種々の条件を考慮して適宜に定めてよい。

次に、本発明の実施の形態に係る熱交換器について説明する。図４乃至図６に示すように、この熱交換器１０は、上記実施の形態に係る集熱板１を用いて構成されている。詳しくは、熱交換器１０は、箱状の筐体１１と、筐体１１内に設けられ太陽光を受ける受光面２を有した上記の集熱板１と、集熱板１の裏面側に設けられる断熱材１２（図６）と、集熱板１の受光面２に沿って配設され集熱板１からの熱が伝達される流体が通る通路としてのパイプ１３と、筐体１１の開口１１ａに取り付けられ集熱板１及びパイプ１３を覆うガラスや樹脂などの透光性の覆い板１４とを備えて構成されている。覆い板１４の内側面１４ａは、集熱板１からの反射光を乱反射可能に凹凸形成されている。

断熱材１２としては、例えば、ポリエチレン系、ポリスチレン、ポリウレタン等が用いられる。パイプ１３は、例えば銅等の熱伝導性の優れた材質のものが望ましい。パイプ１３内の流体は、水などの液体あるいはガス等、用途により適宜選択される。パイプ１３は、凹曲面３に沿って複数本配置され、即ち、行列方向に対して斜めの方向に配置され、筐体１１の内部でメインパイプ１５に集約されている。図４中、符合１５ａは筐体１１から突出しメインパイプ１５の流体の流入口部、１５ｂは流体の流出口部である。パイプ１３を集熱板１の受光面２に沿って配設した構造なので、構造が極めて単純であり、そのため、大幅にコストダウンを図ることができる。

従って、この実施の形態に係る熱交換器１０は、太陽光が照射される環境に設置されて熱交換を行なう。太陽光が覆い板１４を通して集熱板１に照射されると、集熱板１において反射され、直接光及び反射光により、筐体１１内が加温されるとともにパイプ１３が加温され、パイプ１３内の流体に熱が伝達されて熱交換が行なわれる。この場合、集熱板１においては、凹曲面３及び凸曲面４が規則的に連続形成され、四方へ波状が連続する受光面２となっていることから、平板のものに比較して、受光面積が大きくなっている。また、照射された光は、凹曲面３と凸曲面４に反射するが、凹曲面４に照射した光は、焦点に集光するように比較的指向性をもった反射光となる一方、凸曲面３に照射した光は、拡散した反射光となる。そのため、この拡散光は、覆い板１４を通過して外部に逃げるものあるが、全反射して再び受光面２側に照射されるものも多くなり、それだけ、覆い板１４から反射光が逃げにくくなることから、筐体１１内の加温効率が向上し、それだけ、集熱効率の向上が図られる。更に、凹曲面３及び凸曲面４の反射の相乗効果により、集熱を行なうことができ、より一層集熱効率の向上が図られる。
更に、覆い板１４の内側面１４ａは、集熱板１からの反射光を乱反射可能に凹凸形成されているので、反射光が覆い板１４の内側面１４ａに乱反射してより一層覆い板１４から逃げにくくなり、それだけ、より一層集熱効率の向上が図られる。即ち、筐体１１から熱が再放射してしまう事態が防止され、反射光を再利用して赤外線の持つエネルギーの取得効率が改善され、筐体１１内の温度を効率よく上昇させることができ、パイプ１３からの熱エネルギーの放射ロスも抑止できる。

また、凹曲面３及び凸曲面４が規則的に連続形成されているので、太陽光の入射角度が小さくなったり、太陽光の弱い日射であっても、集熱板１と覆い板１４との間で反射が確実に行なわれ、集熱効率が向上させられる。特に、凹曲面３及び凸曲面４の境界が滑らかに連続形成されているので、受光面積を増大させつつ、広角度からの集光に確実に対応できるようになり、集熱効率がより一層向上させられ、熱交換効率が極めて良いものになる。即ち、筐体１１内に熱を蓄熱しながら増幅させ、熱交換効率を増大させることができるのである。

図７には、集熱板１の別の例を示す。この集熱板１は、裏面が平面に形成され、表面に凹曲面３及び凸曲面４が規則的に連続する受光面２が形成されている。
図８には、また別の集熱板１の例を示している。これは、例えば、ポリスチレン、ポリウレタン等の断熱材２０の表面に凹曲面３及び凸曲面４が規則的に連続形成され、この表面にアルミニウム等の金属２１が蒸着され、蒸着した金属２１を集熱板１として構成している。即ち、集熱板１と断熱材２０とを一体に形成したものである。

図９には、別の実施の形態に係る集熱板１を示している。これは、形状は上記と同様に形成されるが、受光面２から太陽熱を吸収可能な材質で形成されている。集熱板１で吸収した熱を利用する。集熱板１は、例えば、樹脂板に選択吸収膜を塗布して形成される。
図１０には、この集熱板１を用いた熱吸収型の熱交換器１０の例を示す。これは、上記と異なり、パイプ１３を集熱板１と断熱材１２との間に介装してある。

図１１には、この熱吸収型の熱交換器３０の例を示す。これは、流体の通る通路３１を有した盤３２の表面に、凹曲面３及び凸曲面４を形成し、この盤３２の表面を集熱板１として構成したものである。熱の吸収により、流体を加温する。
また、図示しないが、集熱板１は、透光性の部材で構成してもよい。

図１２及び図１３には、集熱板の形状の別の例を示す。これは、凹曲面３及び凸曲面４を半球面等の球面の一部で構成し、凹曲面３及び凸曲面４との境界部に平面部が形成されている。凹曲面３の曲率半径Ｒａは、１０ｍｍ≦Ｒａ≦１０００ｍｍに設定され、凸曲面４の曲率半径Ｒｂは、Ｒｂ＝Ｒａ＋Ｔ（板厚）になっている。また、Ｒａ＝Ｒｂに設定してよいことは勿論である。曲率半径Ｒａ，Ｒｂは、装置の取付け角度、取付け方向、利用目的、配管の取付け条件等、種々の条件を考慮して適宜に定めてよい。
尚、集熱板１の構成及び熱交換器１０の構成は上記に限定されるものではなく、適宜変更して差支えないことは勿論である。
尚また、筺体１１内を真空にし、あるいは、気体や液体を封入してもよく、適宜変更して差支えない。

本発明の熱交換器１０，３０は、例えば、住宅等の暖房用温水供給器等として利用でき、極めて有用になる。また、給湯・冷房用冷媒の加熱源、エリクソンエンジンの運転エネルギーなどに用いても良い。
また、本発明の集熱板１は、例えば、用途に合わせた規格品、あるいは、規格外で、例えば、建物の屋根、外壁，内壁等の建材としても利用できる。熱電変換素子の効率改善にも利用可能である。

本発明の実施の形態に係る集熱板を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る集熱板を示す図１中Ｘ−Ｘ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る集熱板を示す図１中Ｙ−Ｙ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器を示す部分切欠き斜視図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換器を示す断面図である。 本発明の別の実施の形態に係る集熱板を示す斜視図である。 本発明のまた別の実施の形態に係る集熱板を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る集熱板を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る集熱板を用いた熱交換器を示す断面図である。 本発明の別の実施の形態に係る熱交換器を示す切欠き斜視図である。 本発明の実施の形態に係る集熱板の形状の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る集熱板の形状の変形例を示し、（ａ）は図１２中Ｙ１−Ｙ１線断面図、（ｂ）は図１２中Ｙ２−Ｙ２線断面図である。 従来の熱交換器及び集熱板の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 集熱板
２ 受光面
３ 凹曲面
４ 凸曲面
Ｔ 厚さ
Ｒａ，Ｒｂ 曲率半径
１０ 熱交換器
１１ 筐体
１１ａ 開口
１２ 断熱材
１３ パイプ
１４ 覆い板
１４ａ 内側面
１５ メインパイプ
２０ 断熱材
２１ 金属
３０ 熱交換器
３１ 通路

Claims (11)

1. 太陽光を受ける受光面を有した集熱板において、
   上記受光面を構成する凹曲面と、上記受光面を構成する凸曲面とを備え、上記凹曲面及び凸曲面を多数形成し、
   上記凹曲面及び凸曲面を行列状に、かつ、行方向及び列方向において夫々上記凹曲面及び凸曲面が交互に位置するように該凹曲面及び凸曲面を列設形成したことを特徴とする集熱板。
2. 上記凹曲面と上記凸曲面を反転させた凹状の曲面とが、同じ形状で略同じ大きさになるように、上記凹曲面及び凸曲面を形成したことを特徴とする請求項１記載の集熱板。
3. 上記受光面が太陽光を反射可能に形成したことを特徴とする請求項１または２記載の集熱板。
4. 上記受光面から太陽熱を吸収可能な材質で形成したことを特徴とする請求項１または２記載の集熱板。
5. 太陽光を受ける受光面を有した集熱板において、
   上記受光面を構成する凹曲面と、上記受光面を構成する凸曲面とを備え、上記凹曲面及び凸曲面を多数形成し、
   上記凹曲面と上記凸曲面を反転させた凹状の曲面とが、同じ形状で略同じ大きさになるように、上記凹曲面及び凸曲面を形成したことを特徴とする集熱板。
6. 上記受光面が太陽光を反射可能に形成したことを特徴とする請求項５記載の集熱板。
7. 上記受光面から太陽熱を吸収可能な材質で形成したことを特徴とする請求項５記載の集熱板。
8. 太陽光を受ける受光面を有した集熱板と、該集熱板からの熱が伝達される流体が通る通路とを備えた熱交換器において、
   上記集熱板を、上記請求項１乃至７何れかに記載の集熱板で構成したことを特徴とする熱交換器。
9. 筐体と、該筐体内に設けられ太陽光を受ける受光面を有した集熱板と、該集熱板の裏面側に設けられる断熱材と、該集熱板の受光面に沿って配設され集熱板からの熱が伝達される流体が通るパイプと、上記筐体に取り付けられ上記集熱板及びパイプを覆う透光性の覆い板とを備えた熱交換器において、
   上記集熱板を、上記請求項１乃至７何れかに記載の集熱板で構成したことを特徴とする熱交換器。
10. 上記覆い板の内側面を、集熱板からの反射光を乱反射可能に凹凸形成したことを特徴とする請求項９記載の熱交換器。
11. 筐体と、該筐体内に設けられ太陽光を受ける受光面を有した集熱板と、該集熱板の裏面側に設けられる断熱材と、該集熱板の受光面に沿って配設され集熱板からの熱が伝達される流体が通るパイプと、上記筐体に取り付けられ上記集熱板及びパイプを覆う透光性の覆い板とを備えた熱交換器において、
    上記集熱板を、上記受光面を構成する凹曲面と、上記受光面を構成する凸曲面とを備え、上記凹曲面及び凸曲面を多数形成して構成し、
    上記覆い板の内側面を、集熱板からの反射光を乱反射可能に凹凸形成したことを特徴とする熱交換器。

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