JP6109830B2 - 光ガイドを有する温熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば温熱モジュールなどの太陽装置に関するものである。本発明は、このような温熱装置を製造する方法にも関するものである。
温熱モジュールの背後にある原理は、太陽放射(日射)を活用して、建造物の加温システムによって使用される熱水を生産すること、及び/又は、その衛生的な熱水を生産することである。温熱モジュールによって生産される熱水に対する必要性は、季節に大いに依存する。具体的に、その必要性は、冬においては特に加温用に大きく、夏においてはその程度がはるかに小さくなる。温熱モジュールを備える既存の温熱装置の欠点は、当該装置が、夏において過剰に多くのエネルギーを蓄積し、このことが、必要以上に熱が貯えられることを招き得、それにより、特に装置の過熱を招き、このことが、装置の大きな温度上昇による当該装置の劣化のリスクを生じる点である。
したがって、上述の欠点の是正を可能にする解決策が求められている。
この目的のために、本発明は、伝熱流体を流通させるための複数の伝熱管を含む温熱部分を備える温熱装置であって、当該温熱装置が、当該温熱部分の上方に配置された光ガイドを備え、この光ガイドが、入射光線の入射角に応じて当該入射光線が様々な方向へ案内されることを可能にする光学的特性を有し、それにより、冬などの低入射時において当該伝熱管上に、夏などの高入射時においてこれらの伝熱管を外して、入射光のほとんどを配向することが注目に値する、温熱装置に関する。
本発明は、請求項によってより明確に規定される。
本発明のこれらの目的、特徴、及び利点については、非限定的な例として提示される特定の実施形態の以下の説明において、及び、以下の図を含む添付の図面に関して、これからより詳細に説明する。
本発明の一実施形態による温熱モジュールを模式的に示す図である。 本発明の実施形態による温熱モジュールの光ガイドの一部分の拡大部を示す図である。 第1の変形体による光ガイドを模式的に示す図である。 第2の変形体による光ガイドを模式的に示す図である。 光ガイドの一部分の拡大部によって、この第2の変形体における光ガイドの動作を模式的に示す図である。 本発明の実施形態による温熱モジュールの、建造物上における実装例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態による温熱モジュールの光ガイドの、図5のその実装例における一部分の拡大部を示す図である。 本発明の実施形態による温熱モジュールの光ガイドの、図5のその実装例における一部分の拡大部を示す図である。 本発明の一実施形態による光ガイドの反射係数の変動を光線の入射角の関数として示す図である。 本発明の一実施形態による光ガイドの鋸歯状のコンポーネントを大局的に模式的に示す図である。 本発明の実施形態による光ガイドの鋸歯状のコンポーネントの側面図を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による光ガイドの動作を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による光ガイドの変形体の動作を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド温熱モジュールを模式的に示す図である。 本発明の実施形態によるハイブリッド温熱モジュールの動作を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド温熱モジュールを製造する方法の様々なステップの一つを示す図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド温熱モジュールを製造する方法の様々なステップの一つを示す図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド温熱モジュールを製造する方法の様々なステップの一つを示す図である。
以下の説明では、理解を容易にするために、様々な図面内の類似する要素に対して同じ参照符号を使用するものとする。
これから説明する本発明の実施形態は、光ガイドの使用に基づくものであり、当該光ガイドは、光線の入射角に依存して当該光線を異なる態様で方向付けるように、特に、たとえば冬において入射角が低いときとたとえば夏において入射角がより高いときとにおいて異なる態様で当該光線を配向するように、当該光ガイドを退出した光線が案内されることを可能にし、それにより、太陽の高さの季節的変動を利用する。したがって、この光ガイドは、太陽装置(solar device)の一つの区域から別の区域に光線が切り替えられることを可能にしながらも、当該太陽装置が最小の大きさを有することを同時に確保する、自動的な季節依存性スイッチとして機能する。
したがって、図1は、本発明の一実施形態による温熱モジュール1を示したものである。この温熱モジュールの上側部分は、当該モジュールの被覆を形成する光ガイド10を備える。当該モジュールは、この光ガイドの下において、50mm以下の一定のピッチpで配設されて空間22によって分離された平行な伝熱管21を含む、温熱部分20を備える。
光ガイド10は、異なる光学的特性を有する二つの重ねられた材料で形成される。第1の材料を含む上側コンポーネント11は、それを介して入射光線が到達する、光ガイドの平坦な上側表面12を形成する。第2の材料を含む下側コンポーネント15は、光ガイドの平坦な下側表面16を形成し、光線は、光ガイド10を通過した後に、温熱部分20の選択された区域の方向へ当該平坦な下側表面16を介して退出する。この実施形態において、これらの二つの材料は、剛性であり、透明であり、透光性を有し、又は半透明であり、たとえば、異なる屈折率を有するPMMAなどのプラスチックである。加えて、これらの二つの材料は、光ガイドの内側に鋸歯状の形状を有する表面を備える。それらの鋸歯状の形状は、光ガイドの二つのコンポーネント11、15の間において連続した内方連結表面19を形成するように相補的であり、当該二つのコンポーネント11、15は、この連結表面19の全てにわたって接触した状態を保つ。各歯の形状が、平坦且つ平行な上側表面12及び下側表面16に対して垂直な部分と傾斜した部分とから構成されることに注目されるであろう。加えて、これらの歯のピッチは、以下でこれから説明する効果を得るために、下側温熱部分20の伝熱管21のピッチと同じピッチpである。
例として、図2は、光ガイド10内の二つの光線の経路を例示したものである。たとえば夏期の状況に対応する入射角を有する第1の入射線30は、光ガイドの上側表面12に到達するとすぐに、光ガイドの第1のコンポーネント11内で屈折されて屈折線31となる。次に、この屈折線31は、当該屈折線31が光ガイドを退出するとすぐに、第1の方向に配向された出力線32を最終的に生じるように反射されるような角度で、光ガイドの二つのコンポーネント11、15の間の傾斜した連結表面19に到達する。たとえば冬期の状況に対応する低入射角を有する第2の入射線34は、光ガイドの上側表面12に到達するとすぐに、光ガイドの第1のコンポーネント11内において屈折されて屈折線35となる。次に、この屈折線35は、光ガイドの二つのコンポーネント11、15の間の連結表面19に到達し、それにより、第2のコンポーネント内において新たな屈折線36を生じ、当該線36は、次いで、第2の方向において光ガイドの下から退出する。したがって、実際に、光ガイド10が、その下側側面16から退出する光線を、それらの入射角に依存して、したがって季節に依存して、異なる態様で配向することが分かる。
このような光ガイドの変形体が利用され得ることに注目されるであろう。この点に関し、図3は、光ガイド10の第1の変形体を例示しており、当該変形体においては、第2のコンポーネント15が除去され、図2に関して説明した動作と等価なように、異なる光学的特性を有する第2の材料として作用する、たとえば空気又は窒素などのガスで充填された空間がその第2のコンポーネント15に置き換わっている。
上記の実施形態による光ガイドは、平坦な上側表面12を備えるという利点を有し、それにより、当該光ガイドが雨によって洗浄されることを可能にし、特に、塵埃の蓄積を防止する。しかしながら、図4は、光ガイド20が単一のコンポーネント11のみを備え、かつ、起伏、たとえば歯を備える上側表面12を有し、それにより、光線の入射角に応じて異なる態様で当該光線を配向する第2の変形体を示す。
図5は、簡単にするために単一の歯を有するこのような変形体の動作を模式的に例示しており、当該変形体は、太陽50の位置に従って、夏季に対応する入射線30と、たとえば冬季に対応するより低い入射線34とを二者択一の態様で受ける。異なる入射角を有するこれらの入射線30、34は、光ガイド10の歯の二つの別個の表面に当たり、このことは、二つの別個の区域をそれぞれ照らす線32、36が、光ガイド10からそれぞれ出力されることを生じる。冬に照射される区域は、当然ながら、伝熱管21が位置付けられている区域に対応するように選択されることになる。
図6は、この住居に熱水を提供するための、建造物40の屋根41上における、図1から図3を参照して上で説明したような温熱装置の実装例を示したものである。当該屋根は、水平面を基準にして勾配γを有し、それにより、温熱装置の光ガイドの上側表面12の傾斜角を規定し、当該温熱装置は、図7においてより特定的に示されるように、時刻及び季節、並びに建造物40の緯度に依存する入射角θhで太陽50から発生する光線30を受ける。
図8は、光ガイドの法線に対して或る角度θeで当該光ガイドの上側表面12に当たる光線30の、当該光ガイドの内側における経路を詳しく記載したものである。まず、光ガイドは、当該光ガイドの上側コンポーネント11の下側表面を形成する連結表面19に当たる屈折線31を形成する。この下側表面は、光ガイドの上側表面12に対して角度αで傾斜している。この屈折線31は、この斜めの表面にその法線に対して角度θiで当たる。この角度θiの値に依存して、線31は、この表面を経由して屈折されるか、又は、図示するように、反射されて線32になるかのいずれかとなり、したがって、その入射角に依存する或る配向を有する線33を、光ガイドからの出力として最終的に提供する。
図9に示すように、図3に示す変形体による光ガイドの反射係数は入射角に依存する。光ガイドの第1のコンポーネント11を形成する第1の材料が1.49の屈折率を有し、それに対して第2の材料が1の屈折率を有する、選択された例において、42°のしきい入射角を上回るところで、全ての入射線が反射されていることが分かる。このことは、図8において、角度θiが42°よりも大きい場合に屈折線31が反射されることを意味する。
上の考察は、当該技術における当業者が、想定される特定の実装例に応じて、光ガイドに使用する幾何学的形状を容易に決定し得ることを示す。具体的には、まず第1に、論じている建造物40の屋根41の勾配γと緯度Lを特に考慮して、季節の関数としての太陽放射の入射角が認識される(冬においては、水平面を基準とした光線の入射角θhが容易に推定されるが、その理由は、冬至の正午におけるその値が、式θh=68-Lによってもたらされるためである。同様に、夏至の正午において、この角度はθh=112-Lであることが認識される)。
次に、必要とされる全てのことは、光ガイドの幾何学的形状、特に、その厚さe、鋸歯状の表面(複数可)の傾斜角α、及び、使用される材料(複数可)の屈折率(複数可)を決定し、光線の入射角に応じて、当該光線のための所望の経路を得ることである。たとえば、このガイドの第1のコンポーネント11が図10及び図11に示されており、すなわち、その幾何学的形状が容易に規定され得ること、及び、当該幾何学的形状が、成形、工作機械を用いた溝付け(grooving)、又はPMMAなどのプラスチックの押し出しにより、製造が容易であることが判明する。
したがって、図12は、以下の仮定、すなわち、
- 46°Nの緯度(すなわち、夏は66°、冬は22°の入射角である)、
- 第1のコンポーネント11が、(緑色光において)1.491の屈折率を有するPMMAで作成され、光ガイドが、29°の角度αで傾斜させた歯を有する、6mm厚さのシート(e=6mm)の形態を有し、
- 第2のコンポーネント15が、1の屈折率を有する空気であり、
- 温熱モジュール1が、45°の傾斜を有して配置されている、という仮定がなされた状態で、図1に示したような温熱装置1の挙動を示したものである。
図12において視認され得るように、夏には、出力された光線30が、様々な伝熱管21の間に挿入された区域22に向けて配向される透過線32を形成するように案内され、それにより、当該伝熱管21が最小量の熱を受けることを可能にし、先行技術において直面した過熱の問題を防止する。それとは対照的に、冬には、最も必要性の高い時間に最大量の熱を伝熱管21に伝えるために、出力された光線34が案内されて、具体的には伝熱管21上に方向付けられる光線36になる。
当然ながら、二つの入射光線は、正午における夏至及び冬至に対応する極端な状況を表しており、時刻及び季節に応じて、光ガイドから出力される線の一部分が伝熱管21の真上に割り振られ、その一部分がどこか別のところに割り振られる、あらゆる種類の中間形態が存在する。それでもなお、選択された形態の結果として、伝熱管21は、全体的に見て、夏よりも冬により一層多くの光を受け、このことは、求められている効果によく対応する。出力される線とのこの対応関係を得るために、光ガイドのコンポーネント11、15の歯のピッチpが、伝熱管21が配設されるピッチに対応していることに注目されるであろう。しかしながら、不定のピッチを有する幾何学的形状、及び/若しくは、可変の幾何学的形状を有する歯を備える幾何学的形状などの、他の幾何学的形状が想定でき、又は、歯が、簡単な起伏、溝などによって置き換えられ得る。さらに、このように説明された光ガイドが、放射を増幅するように作用せず、たとえば、或る区域に線を集中させないことに注目されるであろう。当該光ガイドが行うことの全ては、季節に応じて或る区域から別の区域に線を切り替えるために、当該線の配向を変更することである。したがって、選択された実装例において、冬に好まれる伝熱管21によって形成される第1の区域は、夏に好まれる伝熱管と伝熱管との間の空間22によって形成される第2の区域から区別される。これらの二つの区域は、複数の平行な相互貫入する帯板(interpenetrating strips)で構成される。
温熱装置の上記の実装例は、異なっている可能性もあるであろう。しかしながら、この温熱装置は有利にも、水平面を基準にして20から60°の傾斜、延いては30から45°の傾斜を有する、パネルと呼ばれる1以上のモジュールの形態を有する。加えて、各温熱モジュールは有利にも、両端の数値を含む、1.2から1.8の間、延いては1.4から1.7の間に含まれる屈折率を有する材料を含む光ガイドを備える。温熱モジュールは有利にも、厚さが10mm未満であり、延いては厚さが6mm以下であり、これは、完成した装置の厚さの約10%であることを表す。
図13は、(緑色光において)1.6の屈折率を有する材料で第1の材料を置き換えることによって僅かに変更された温熱装置の挙動を示したものである。入射線のいくつかが光ガイド10によって反射されているため、この装置が異なる態様で挙動することに注目されるであろう。反射線37は、たとえば、夏に入射線30から発生することが視認される。このような変形体は、夏において、光の量を、したがって建造物に入る熱の量を減少させるために、たとえば当該建造物のカーテンウォール(curtain wall)上に使用されるときに有利である。
上で説明した本発明は、ハイブリッド太陽装置の有利な実装例を可能にする。
この点に関し、図14は、図1に関して上で説明した要素を備え、加えて、伝熱管21の間に配置された光起電セル(photovoltaic cell)23を備えるハイブリッド温熱モジュールを示したものである。したがって、この装置は、夏に活用されない太陽放射が電気を生産するのに使用されることを可能にする。図15は、図12に適用されたものと同じ仮定を再度使用した状態において、このようなハイブリッドモジュールの動作を示したものである。夏には、出力された光線32が光起電セル23上に案内され、その一方で、冬には、当該出力された光線32が伝熱管21上に方向付けられる。
一つの有利な実施形態によると、この温熱モジュールは、その一体化をより容易にするために、極めて小さな厚さを有する。この厚さは、まず、光ガイドの寸法に依存し、したがって、当該光ガイドの厚さeはできるだけ小さいものでなければならない。しかしながら、上で説明したその光学機能を実現するために、光起電セル23のピッチp及び伝熱管21のピッチpに対応する、そのプリズム状の要素の基部Lは、その厚さeに実質的に等しくなければならない。したがって、極めて小さな厚さeを選択することは、eに実質的に等しい極めて小さなピッチpを要する。
伝熱管の標準的な直径は14mmであり、光起電セルの従来の幅は約156mmである。これらの標準的な寸法を有する要素が使用される場合よりも著しく小さな、極めて小さな厚さが得られることを可能にする、ハイブリッド温熱モジュールを製造する方法について、これから説明する。
第1の実施形態によると、温熱モジュールを製造する方法は、ハイブリッドモジュールに適合される光起電セルの製造で始まる。この方法は、以下のステップを含む。
- 第1のステップにおいて、光起電セル23は、選択された例に従って、所望の幅、すなわち約10mmに適合される帯板に切断される。この切断は、たとえば、レーザ又はダイヤモンド鋸に基づいた切断システムを用いて実施される。
- 第2のステップにおいて、光起電セル23は切断されて、温熱モジュールの一連の長さ(a string of length)に等しい一連の長さを形成するために、たとえばはんだ付けによって共に接続される。
- 第3のステップにおいて、光ガイド10及び光起電セル23は、EVA又はシリコーンバインダーなどの樹脂バインダー53を使用して被覆される。このステップは、温熱モジュールの温熱機能のために、伝熱管21にとって専用の場所51を創出することも含む。このステップの後に得られる結果を図16に例示する。
- 第4のステップにおいて、事前に形成された温熱モジュールに温熱部分が付設される。この温熱部分は、櫛状に又は蛇行して配列された管状の網目の形態をとり得る伝熱管21を備える。この温熱部分は、変形体として、高圧ブロー成形(ロールボンド)によって得られることが考えられ、この実施形態は、光学システムに依存して交換面が調節されることを可能にする。任意に、ポリマー積層体(たとえばTPTで作成される)を付設して裏側面52を形成する。このステップの後に得られる結果を図17に例示する。
第2の実施形態によると、まず、温熱部分が、高圧ブロー成形のステップにおいて製作され得る。この温熱部分は、光起電セル23を位置決めするための場所55を形成する。最後に、後続のステップは、温熱モジュールの上部上に光ガイド10を配置することを本質的に有し、これらは、任意の機械的機構を使用する、又は、接着剤を使用する接着によって連結されて、光ガイドと光起電セルとの間に連結部を形成し得る。
この方法は、直径が12mm以下、延いては直径が10mm以下、たとえば直径が約8mmである伝熱管を有する温熱モジュール、及び/又は、幅が12mm以下、たとえば幅が約10mmである光起電セルが得られることを可能にする。
この原理を活用して、たとえば、光に対して半透明であり、光が通過することを阻止又は許容する、スクリーン又はブラインドと光起電性の電気製品とを組み合わせた装置などの、他のハイブリッド太陽装置を形成できる。具体的に、冬には、最大量の光が当該装置を通過することを可能にし、建造物の最大の照明を得て、したがって、たとえば天窓機能を提供し、夏には、建造物内への光の進入を防止又は制限して、建造物の加温を防止し、その一方で、同時にこの光を光起電セル上に配向することを選択できる。このような変形体において、太陽装置は、図14に示す構成に類似する構成を有し、伝熱管21が、透明な空間により置き換えられている。したがって、このような実装例において、光ガイドは、半透明の装置が形成されることを可能にし、当該装置の透明度は、入射光線の配向の関数として、したがって、時間、特に季節の関数として変動する。
上で説明した製造方法のステップが、有利にも、ハイブリッド温熱モジュールの獲得を可能にすることに注目されるであろう。当然ながら、これらのステップのうちの単にいくつかを使用して、たとえば図1から図3に示すものなどの簡単な温熱モジュールを製造し得る。

Claims (13)

  1. 伝熱流体を流通させるための複数の伝熱管(21)を含む温熱部分(20)を備える温熱装置であって、前記温熱装置が、前記温熱部分(20)の上方に配置された光ガイド(10)を備え、この光ガイド(10)が、入射光線の入射角に応じて該入射光線が様々な退出方向へ案内されることを可能にする光学的特性を有し、それにより、冬などの低入射時において前記伝熱管(21)上に、夏などの高入射時においてこれらの伝熱管(21)を外して、入射光のほとんどを配向するようになっており、
    前記光ガイドが、異なる光学的特性、特に異なる屈折率を有する二つの材料を含有する二つのコンポーネント(11、15)を含んでいることを特徴とする、温熱装置。
  2. 前記光ガイドの前記二つのコンポーネント(11、15)のそれぞれが、連結表面(19)において相互にインターフィットする相補的な鋸歯状の表面を含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の温熱装置。
  3. 前記伝熱管(21)が、実質的に平行に存在し且つ一定のピッチ(p)で間隔を置いて配置され、前記光ガイド(10)が、同じピッチの鋸歯状の表面を含んでいることを特徴とする、請求項1又は2に記載の温熱装置。
  4. 前記温熱装置が、前記伝熱管(21)の間に挿入される光起電セル(23)を備え、それにより、低入射時において前記伝熱管(21)上に、高入射時において前記光起電セル(23)上に、光が主として配向されるようになっていることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の温熱装置。
  5. 伝熱流体を流通させるための複数の伝熱管(21)を含む温熱部分(20)を備える温熱装置であって、前記温熱装置が、前記温熱部分(20)の上方に配置された光ガイド(10)を備え、この光ガイド(10)が、入射光線の入射角に応じて該入射光線が様々な退出方向へ案内されることを可能にする光学的特性を有し、それにより、冬などの低入射時において前記伝熱管(21)上に、夏などの高入射時においてこれらの伝熱管(21)を外して、入射光のほとんどを配向するようになっており、
    前記伝熱管(21)が、実質的に平行に存在し且つ一定のピッチ(p)で間隔を置いて配置され、前記光ガイド(10)が、同じピッチの鋸歯状の表面を含んでいることを特徴とする、温熱装置。
  6. 前記温熱装置が、前記伝熱管(21)の間に挿入される光起電セル(23)を備え、それにより、低入射時において前記伝熱管(21)上に、高入射時において前記光起電セル(23)上に、光が主として配向されるようになっていることを特徴とする、請求項5に記載の温熱装置。
  7. 伝熱流体を流通させるための複数の伝熱管(21)を含む温熱部分(20)を備える温熱装置であって、前記温熱装置が、前記温熱部分(20)の上方に配置された光ガイド(10)を備え、この光ガイド(10)が、入射光線の入射角に応じて該入射光線が様々な退出方向へ案内されることを可能にする光学的特性を有し、それにより、冬などの低入射時において前記伝熱管(21)上に、夏などの高入射時においてこれらの伝熱管(21)を外して、入射光のほとんどを配向するようになっており、
    前記温熱装置が、前記伝熱管(21)の間に挿入される光起電セル(23)を備え、それにより、低入射時において前記伝熱管(21)上に、高入射時において前記光起電セル(23)上に、光が主として配向されるようになっていることを特徴とする、温熱装置。
  8. 前記伝熱管(21)は、直径が12mm以下若しくは直径が10mm以下である、及び/又は、前記光起電セル(23)は、幅が12mm以下であることを特徴とする、請求項4、6、又は7に記載の温熱装置。
  9. 前記光ガイド(10)が、鋸歯状の表面を有する少なくとも一つのコンポーネント(11、15)を含んでいることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の温熱装置。
  10. 前記光ガイド(10)が、前記入射光を受けることが意図された平坦な上側表面(12)を含んでいることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の温熱装置。
  11. 前記光ガイドが、PMMAなどのプラスチックで作成された少なくとも一つのコンポーネントを含んでいる、及び/又は、前記光ガイドが、1.2から1.8の間に含まれる屈折率を有する少なくとも一つの材料を含んでいる、及び/又は、その厚さ(e)が、5から10mmの間であることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の温熱装置。
  12. 櫛状に若しくは蛇行して配列された管状の網目の形態を有するタイプの伝熱管(21)を含む温熱部分を製造する、又は、高圧ブロー成形のステップにおいてこの温熱部分を製作するステップと、前記温熱部分の上部上に光ガイド(10)を固定するステップと、を含むことを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の温熱装置を製造する方法。
  13. 前記温熱装置がハイブリッド装置であり、前記方法が、
    光起電セル(23)を帯板に切断するステップと、
    温熱モジュールの一連の長さに等しい一連の長さを形成するために、光起電セル(23)を共に接続するステップと、
    温熱部分の伝熱管(21)を受ける場所(51)を創出する、又は、前記光起電セル(23)を受ける場所(55)を前記温熱部分上に創出するステップと、を含むことを特徴とする、請求項12に記載の温熱装置を製造する方法。
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