JP5264011B1

JP5264011B1 - 太陽熱集熱熱交換装置

Info

Publication number: JP5264011B1
Application number: JP2012087990A
Authority: JP
Inventors: 幸夫清水
Original assignee: 有限会社清水冷機
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2032-04-07
Also published as: JP2013217559A

Abstract

【課題】製造組立がし易く安価に提供でき、軽量で設置作業が容易で、且つ耐久性に優れて保守点検の手間を削減する太陽熱集熱熱交換装置の構成を提供する。
【解決手段】有底の外箱体１に断熱材製の有底の内箱体６が外壁面７を整合させて嵌入される。内箱体６には銅板表面に銅管を接合してなる集熱熱交換器２０が内箱体６の底面１１に設けた段部８と支持部９とにより支持される。集熱熱交換器２０の上面の周辺縁部は断熱材製の中枠体３０により挟持され、中枠体３０上部には透明なガラス板３３が接着等により固着されている。外箱体１と内箱体６と中枠体３０に固着されたガラス板３３とは面一に整合すると共に、外箱体１と内箱体６と中枠体３０に固着されたガラス板３３とは、外箱体１に固定されたＬ形止め金具４５により保持されて実質的に外箱体１内で妄動不能に収納されて太陽熱集熱熱交換装置が構成される。
【選択図】図９

Description

本発明は、太陽光から得られるエコエネルギーである太陽熱を、銅板で集熱し銅板に接続される銅管を介して銅管内を流れる水との間で熱交換を行い、水を加温するタイプの太陽熱集熱熱交換装置に関するものである。

平板状の集熱板と導管とから熱交換部を構成して、導管内の液体媒体を加温するものは従来より知られていた。

例えば、特許文献１に記載される発明は、「吸熱部２が吸熱板３と波形状の複数の突起部を有する底板４とから構成される」ものであって、言ってみれば箱型タイプの太陽熱収集装置である。更に筐体８内に多数の柱１２を備えるものであるから、吸熱板３に多数の穴１３を設ける必要が生じ、これに伴い穴１３の穿孔加工が必要となるのみならず、多数の柱１２を用意することによる部品点数の増加とそれに伴う組立工数の増加といった製造面での問題点を抱えている。

また、特許文献２に記載される発明は、真空気密となるフラットパネル太陽熱集熱器（１、１’）に係るものであることに起因して、「外辺のフレーム（８、５０）を含む保持構造体（２、５０）、特に金属製の保持構造体」という構成を採らざるを得ないので質量の増大が避けられず、また、「第一の透明な壁（４、４６）の前記側面の外辺部に、金属コーティングを含み、特に金属コーティングは、第一の金属層、特にプラズマ散布銅層と、第二の金属層、特に錫被覆層とからなり、それによって、前記透明な壁（４、４６）の上に、少なくとも一つの金属被覆された領域を備えていて、前記フラットパネル太陽熱集熱器が、軟質金属リボン（３２）、特に第一の軟質金属リボン、特に鉛及び／又は銅リボンをさらに包含し、前記軟質金属リボン（３２）が、前記第一の透明な壁（４、４６）と前記保持構造体（２、５０）との間の結合部を密閉するようになっていて、前記保持構造体（２、５０）、特に前記外辺のフレーム（８、５０）に、及び前記第一の透明な壁（４、４６）の前記金属被覆された領域に、半田付け、特に軟質半田付けがされるようになっている」という構成を採ることにより、コーティングや半田付けに多くの工程を割かざるを得ないという問題点を抱えている。

また、特許文献３に記載される発明は、特許文献２と同じく箱体内部を真空とした太陽熱コレクターであることに起因して、「多数の微小間隙形成体を用意すること」が必須であり太陽熱コレクターの組み立て精度が強く求められるために組立に手間がかかるという問題点と、「集熱板本体１４Ａに流路１６やスリット１８を設けなければならない」ので加工工数が増加すると共に余分な切粉の発生を招いたり、集熱板１４の厚みが厚くなるので質量の増大を避けることが出来ないといった問題点を抱えている。

また、特許文献４に記載される発明は、太陽熱集熱パネル構造に関するものであって、太陽熱集熱熱交換装置に関する構成を教えるものではない。

特許第３２３６８９１号公報特許第４５１１５５９号公報特開２０１０−２６６１８２号公報特開２０１２−２４８４号公報

先行例を見ると、熱効率を高めることに主眼が置かれるものが多く、それらの工夫を評価することはできるものの、こと組立や軽量化に関して見ると教えられるものが少ない。本発明が解決しようとする課題は、軽量で部品点数が少なく製造組立がし易く安価に提供できて、且つ耐久性に優れて保守点検の手間を削減する太陽熱集熱熱交換装置の構成を提供することにある。

本発明に係る太陽熱集熱熱交換装置は、底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する外箱体に、断熱材製で底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する内箱体が互いの外壁部同志を整合させて嵌入されると共に、該内箱体には銅板からなる集熱板表面に銅管からなる熱交換用導管を接合してなる集熱熱交換器が該内箱体の底面に設けた段部と支持部とにより支持され、該集熱熱交換器の上面の周辺縁部は断熱材製の中枠体により挟持され、該中枠体上部には透明なガラス板が接着等により固着されてなり、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは面一に整合すると共に、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは、該外箱体に固定された複数のＬ形止め金具により保持されて実質的に該外箱体内で妄動不能に収納されてなることを最も主要な特徴とする。

また、本発明に係る太陽熱集熱熱交換装置は、集熱熱交換器の表面部には酸化銅の被膜が施こされてなることを特徴とする。

また、本発明に係る太陽熱集熱熱交換装置は、内箱体の少なくとも底面部がアルミ箔で積層されていることを特徴とする。

また、本発明に係る太陽熱集熱熱交換装置は、外箱体と内箱体とにそれぞれ設けられた長孔部は互いに整合して熱交換用導管の先端部を外箱体外に導いてなることを特徴とする。

本発明の太陽熱集熱熱交換装置は、外箱体に断熱材製の内箱体を嵌め込み、そこに集熱熱交換器を嵌め込んで更に断熱材製の中枠体を嵌め込み、中枠体にガラス板を接着等により固定したならば、外箱体と内箱体と中枠体に固着されたガラス板とは面一に整合するので、外箱体と内箱体と中枠体に固着されたガラス板とは外箱体に固定された複数のＬ形止め金具により保持されて実質的に外箱体内で妄動不能に収納されることとなり、太陽熱集熱熱交換装置の組立作業の工程数や部品点数が少なくて済むから、製造コストを低く抑えることが出来、耐久性に優れて保守点検の手間をはぶくことが出来るのである。また、集熱熱交換器の表面部には酸化銅の被膜が施こされてなるので、特に赤外線の吸収能力が高まる。また、断熱体製の内箱体の少なくとも底面部がアルミ箔で積層されているので、下部空気室内で赤外線が集熱板に反射されて熱効率が向上する。さらに、外箱体と内箱体とにそれぞれ設けられた長孔部は互いに整合して熱交換用導管を外箱体外に導いてなる構成を採っているので、組立を一層容易に行うことが出来る。

図１は本発明に用いられる外箱体の一例の斜視図である。図２は本発明に用いられる内箱体の一例の斜視図である。図３は本発明に用いられる熱交換用導管の一例の斜視図である。図４は本発明に用いられる集熱板の一例の斜視図である。図５は本発明に用いられる集熱熱交換器の一例の斜視図である。図６は本発明に用いられる集熱熱交換器の一例の半完成図である。図７は本発明に用いられる中枠体とガラス板の一例の斜視図である。図８は本発明の組立状態の一例を説明するための断面図である。図９は本発明の組立後の一例を説明するための断面図である。

本発明を実施するための形態としては、底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する外箱体に、断熱材製で底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する内箱体が互いの外壁部同志を整合させて嵌入されると共に、該内箱体には銅板からなる集熱板表面に銅管からなる熱交換用導管を接合してなる集熱熱交換器が該内箱体の底面に設けた段部と支持部とにより支持され、該集熱熱交換器の上面の周辺縁部は断熱材製の中枠体により挟持され、該中枠体上部には透明なガラス板が接着等により固着されてなり、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは面一に整合すると共に、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは、該外箱体に固定されたＬ形止め金具により保持されて実質的に該外箱体内で妄動不能に収納されてなることを特徴とする太陽熱集熱熱交換装置、とすることが出来る。

本発明を実施するための形態としては、該集熱熱交換器の表面部には酸化銅の被膜が施こされてなることを特徴とする請求項１に記載される太陽熱集熱熱交換装置、とすることが出来る。

本発明を実施するための形態としては、該内箱体の少なくとも底面部がアルミ箔で積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載される太陽熱集熱熱交換装置、とすることが出来る。

本発明を実施するための形態としては、該外箱体と該内箱体とにそれぞれ設けられた長孔部は互いに整合して熱交換用導管の先端部を該外箱体外に導いてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載される太陽熱集熱熱交換装置、することができる。

図１は、本発明に用いられる外箱体１の一例の斜視図である。外箱体１は底面部３と底面部３から等長で立ちあがる外壁部２を有している。外壁部２は底面部３の四辺から立ちあがっており、外箱体１の上方は外気に開放されている。外壁部２の適当な箇所には一対の長孔部４が設けられているが、これは以下に説明する集熱熱交換器２０を嵌め込む際に、熱交換用導管１２の先端部１５を外箱体１の外側に導き易くするためのものである。熱交換用導管１２の一対の先端部１５はねじ切りされたり管継ぎ手が接合されたりして、一方は入水口として他方は出水口として使われる。外箱体の材質は木材や合成樹脂等の軽量で加工しやすい材料が好ましい。

図２は、本発明に用いられる内箱体６の一例の斜視図である。内箱体６は底面部１１と底面部１１から等長で立ちあがる外壁部７を有している。外壁部７は底面部１１の四辺から立ちあがっており、内箱体６の上方は外気に開放されている。外壁部７の適当な箇所には一対の長孔部１０が設けられているが、これは以下に説明する集熱熱交換器２０を嵌め込む際に、熱交換用導管１２の先端部１５を外箱体１の外側に導き易くするためのものであって、内箱体６の外壁部７に設けられた長孔部１０は外箱体１の外壁部２に設けられた長孔部４と整合するように加工されている。底面部１１と四方に設けられた外壁部７とが形成する直角部に沿って適当な高さを有する段部８が設けられている。段部８と等しい高さを有する支持部９が底面部１１の短辺方向で段部８間に適当数張り渡されている。以下にも述べるが、支持部９が熱交換用導管１２と干渉する構成を採る場合には、支持部９の上面には干渉を避けるための切欠部を設ける必要がある。内箱体６は全体構成が断熱材製であることが必要である。断熱材の材料としては、発泡ウレタンや発泡スチロールなどが加工性の点からも好ましい。内箱体６の底面部１１にアルミ箔を積層することにより赤外線の反射効果を高めることができる。段部８の側面や支持部９の側面にアルミ箔を積層することもできる。

図３は本発明に用いられる熱交換用導管１２の一例の斜視図である。熱交換用導管１２は金属銅製の銅管である。導管内部に水を通す際に多く用いられている。ここに示す熱交換用導管１２は基本的に直管部１３と湾曲部１４とから構成され、直管部１３の両先端方向には一対の先端部１５を形成している。ここに示す例では熱交換用導管１２の断面形状は同心円状である。なお、図３に示される熱交換用導管１２は４つの直管部１３と３つの湾曲部１４を有するものとして描かれているが、当然のことながらこれに限られるものではなく、以下に述べる集熱板１７の面積にも大いに関係するのであるが、直管部１３同志をより近接させる構造としたり、より離間した構造としたり、直管部の数を増やしたり減らしたりすることにより、必要湯量や必要湯温に適切に対応した構成とすることが出来る。

図４は本発明に用いられる集熱板１７の一例の斜視図である。この例は図３に示される熱交換用導管１２と組み合わせて用いる場合の一例を示している。図４の集熱板１７は０．５ｍｍ以下、適当な厚みを有する銅板つまり、銅製の平板にプレス加工を施して図３に示す直管部１３と湾曲部１４とからなる熱交換用導管１２の形状に対応する加工溝部１９を塑性加工するものである。プレス加工により、平板部１８と加工溝部１９とを有する集熱板１７が出来上がることになる。

図５は本発明に用いられる集熱熱交換器２０の一例の斜視図である。図４に示される加工溝部１９を有する集熱板１７に図３に示される熱交換用導管１２をぴたりと嵌め込み、外部から見える接合部２１の適当箇所を、半田付けを包含するろう付けや接着剤を用いた接着により固定することで集熱熱交換器２０が完成する。このような構成を採ることにより、集熱板２０と熱交換用導管１２の接触面積、即ち伝熱面積が増加するので熱交換の効率が上がることとなる。このケースでは熱交換用導管１２の一対の先端部１５が集熱板１７の端部を越えて伸びていることを良く確認することが出来る。熱交換用導管１２の一対の先端部１５はねじ切りされたり管継ぎ手が接合されたりして、一方は入水口として他方は出水口として使われることは既述の通りである。集熱熱交換器２０が完成したならば、適宜銅の表面に酸化銅の被膜を形成することが出来る。更に、熱効率は落ちるが全面にガラス系被膜コーティングを施して腐食防止に役立てても良い。

図６は本発明に用いられる集熱熱交換器２０の一例の半完成図である。この例は熱交換用導管１２を円管ではなく山形状の管でこしらえたものである。山形状の管は一枚の銅板を折り曲げ加工することにより、集熱板１７に平行な天井部２３とこれに直角な左右の側面部２４と集熱板１７に平行して左右に伸びる折曲部２５とを有する構成として得られる。集熱板１７に山形状の管を必要本数セットし、折曲部２５と集熱板１７とを接触部全長に亘り半田付けを包含するろう付けや接着剤を用いた接着により固定することにより、集熱熱交換器２０の一例の半完成図が得られるが、集熱板１７が導管の底部を兼用していることが分かるであろう。集熱板１７の端部と整列する山形状の管の端部２６には適当な管を嵌め込み固定して密封することにより入水口あるいは出水口とする。その他の端部２６同志は適当な湾曲管を嵌め込み固定して密封することにより、熱交換用導管１２の湾曲部１４の機能を持たせることが出来る。集熱熱交換器２０が完成したならば、適宜銅の表面に酸化銅の被膜を形成することが出来る。更に全面にガラス系被膜コーティングを施して腐食防止に役立てても良い。

図７は本発明に用いられる中枠体３０とガラス板３３の一例の斜視図である。中枠体３０は断熱材製であり、四辺形を呈する外壁部３１により構成される。中枠体３０の外形の縦と横の寸法はガラス板３３の外形の縦と横の寸法にそれぞれ一致している。中枠体３０の外壁部３１に設けられた一対の切欠部３２は、熱交換用導管１２の先端部１５を外箱体１の外部に導く際に外壁部３１と先端部１５との干渉を防ぐために設けられている。しかし、後述するが、集熱熱交換器２０が上下共に平面をなす集熱板１７の上面のみに熱交換用導管１２が接合され、集熱板１７の上下をひっくり返して設置する構成を採用する場合は、集熱板１７のガラス板３３側の面は平坦面であるから上記切欠部３２を必要としないこととなる。中枠体３０に予めガラス板３３を接着等により固着する構成を採ることもできるし、中枠体３０を内箱体６に組み込んだ後に接着等により固着しても良い。

図８は本発明の組立状態の一例を説明するための断面図である。このケースは、上下面が平坦な平面をなす集熱板１７の上面に、断面形状が同心円状の銅管たる熱交換用導管１２を半田付けを包含するろう付けや接着剤を用いて接着してなる集熱熱交換器２０を採用した例である。この図に基づいて組立状況の説明を行う。外箱体１に内箱体６を挿入すると外箱体１の底面部３と内箱体６の底面部１１とが密着すると同時に、外箱体１の外壁部２と内箱体６の外壁部７とが密着する。この状態で下面が平坦な集熱板１７からなる集熱熱交換器２０を内箱体６に挿入する。集熱板１７の下面は内箱体６の段部８により支持され、支持部９も設けられているので更に安定状態で支持される。その後、例えばガラス板３３が上面に固着されている中枠体３０を内箱体６に挿入すれば、集熱板１７の下面に下部空気室４１が、上面には上部空気室４０が形成された太陽熱集熱熱交換装置の概略が完成する。中枠体３０を嵌め込んだ後に中枠体３０の上部にガラス板３３を接着等により固着することもできる。外箱体１の外壁部２の上面と内箱体６の外壁部７の上面とガラス板３３の上面との三者は互いに面一に整合する。外箱体１と内箱体６とガラス板３３との接する範囲に亘って塗装やテーピング等により雨水や塵埃に対するシーリングをすることが好ましい。

図９は本発明の組立後の一例を説明するための断面図である。このケースは、上下面が平坦な平面をなす集熱板１７の下面に、断面形状が楕円状の銅管たる熱交換用導管１２を半田付けを包含するろう付けや接着剤を用いて接着してなる集熱熱交換器２０を採用した例であり、その他の主要な構成は図８で説明したものと変わらない。しかし、集熱板１７のガラス板３３に面する上面が平面とされ、集熱板１７の下面に熱交換用導管１２が半田付けを包含するろう付けや接着剤を用いて接着された構成を有している。このような構成を採った場合は、中枠体３０の外壁部３１に一対の切欠部３２を設ける必要がなくなる、と同時に内箱体６に支持部９を設けているので、支持部９の上面に熱交換用導管１２との干渉を回避する切欠部を設ける必要が生ずる。更に、熱交換用導管１２の先端部１５が内箱体６に設けた長孔部１０と外箱体１に設けた長孔部４を介して外箱体１の外部に導かれているので、最終的に長孔部４と長孔部１０の上部空間はパテ等により塞ぐことが好ましい。このようにして太陽熱集熱熱交換装置の組立が完了したならば、最後の仕上げとしてＬ形止め金具４５を面一とされた面にあてがい捻子４６等の固着手段により外箱体１の外壁部２に固定すればよい。これにより、外箱体１と内箱体６と中枠体３０に固着されたガラス板３３とは、外箱体１に固定されたＬ形止め金具４５により保持されて実質的に外箱体１内で妄動不能に収納される事となる。なお、この太陽熱集熱熱交換装置はポンプを用いて強制循環式として用いることにより一層の熱効率アップを図ることができる。

敢えて真空を用いることなく閉鎖空間である下部空気室の蓄熱効果を有効利用した太陽熱集熱熱交換装置を開発したので、熱効率に遜色が無く、組立が容易で安価な太陽熱集熱熱交換装置を供給できることが大いに期待される。

１外箱体
２外壁部
３底面部
４長孔部
６内箱体
７外壁部
８段部
９支持部
１０長孔部
１１底面部
１２熱交換用導管
１３直管部
１４湾曲部
１５先端部
１７集熱板
１８平板部
１９加工溝部
２０集熱熱交換器
２１接合部
２３天井部
２４側面部
２５折曲部
２６端部
３０中枠体
３１外壁部
３２切欠部
３３ガラス板
４０上部空気室
４１下部空気室
４５Ｌ形止め金具
４６捻子

Claims

底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する外箱体に、断熱材製で底面部と該底面部から等長で立ちあがる外壁部を有する内箱体が互いの外壁部同志を整合させて嵌入されると共に、該内箱体には銅板からなる集熱板表面に銅管からなる熱交換用導管を接合してなる集熱熱交換器が該内箱体の底面に設けた段部と支持部とにより支持され、該集熱熱交換器の上面の周辺縁部は断熱材製の中枠体により挟持され、該中枠体上部には透明なガラス板が接着等により固着されてなり、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは面一に整合すると共に、該外箱体と該内箱体と該中枠体に固着された該ガラス板とは、該外箱体に固定されたＬ形止め金具により保持されて実質的に該外箱体内で妄動不能に収納されてなることを特徴とする太陽熱集熱熱交換装置。
該集熱熱交換器の表面部には酸化銅の被膜が施こされてなることを特徴とする請求項１に記載される太陽熱集熱熱交換装置。
該内箱体の少なくとも底面部がアルミ箔で積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載される太陽熱集熱熱交換装置。
該外箱体と該内箱体とにそれぞれ設けられた長孔部は互いに整合して熱交換用導管の先端部を該外箱体外に導いてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載される太陽熱集熱熱交換装置。