JP6155069B2 - 太陽熱利用温水システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱を利用して水を加温する太陽熱利用温水システムに関するものである。

従来、太陽熱利用温水器は、太陽光の方向に向けた上面に透光性を有するガラス板等の板材を備えた箱体と、前記箱体内に設けられた集熱器とを有し、集熱器内に送り込まれて蓄えられた水を、集熱器表面に配置された選択吸収膜で太陽光のエネルギーを熱に変換し、温水とする構成となっている。

従来の太陽熱温水システムは、上面に太陽光を透過するガラス板等の板材を備えたケースと、ケース内部に設けられた集熱器を有し、集熱器で太陽エネルギーを集めて温水を生成している。そして生成した温水を集熱器と一体に構成された貯湯タンクに貯蔵している。この貯湯タンクと集熱パネルが一体となった太陽熱温水システムは建物の屋根の上に設置される場合が多い。従来技術は湯の状態で太陽熱を蓄えており、集熱器と一体となったタンクの貯湯量が大きくなると屋根への荷重が大きくなるため、タンクの容量に制約が生ずるという問題点があった。

別の従来技術では、集熱器によって熱媒を加熱し、集熱器とは分離して設置された貯湯タンクとの間で熱媒をポンプにより循環させ、貯湯タンク中の水を間接的に加熱している。この従来技術では、タンクを地上に設置できるためタンクの重さに関する制約は小さくなるが、集熱器とは別にタンクを設置する土地やスペースが必要になるという問題がある。また湯の状態で太陽熱を蓄熱するため、システムとしての重量が大きくなるという問題点があった。

それらの課題を解決するため、図１１に示すように、太陽熱を利用して水を温め、さらに温めた水を生活に利用する従来技術として、例えば、箱体１０２内に設けられた集熱器と連通して集熱器内に水を供給するための入水管１０３と、集熱器と連通し、集熱器内において太陽光により温められた水を蓄えるための温水貯蔵タンク１０４と、温水貯蔵タンク１０４と連通して温水貯蔵タンク１０４内の温水を住宅内の風呂１０６等に供給するための出水管１０５とを設けた太陽熱利用温水器１０１が開示されている（特許文献１）。

しかし、上記した太陽熱利用温水器１０１は、十分な貯水量を確保するためには、温水貯蔵タンク１０４を大型化する必要がある。他方、太陽熱利用温水器１０１は屋根への設置タイプであり、満水時には重量が増して家屋への負担が大きいことから、十分な温水量を確保できない、または、屋根強度を高める必要があることなどの問題があった。

そこで、温水貯蔵タンクが省略された太陽熱利用給湯システムも開発されている。例えば、図１２（ａ）に示すように、断熱構成された底板３０２、側板３０３および透光板３０４とで箱状に形成され、その内部には略全面にわたり面状に蛇行配列された通水配管３０５と通水配管３０５を挟んで上下に配設した蓄熱体３０６とが設けられた太陽熱集熱器３０１を利用したものである（特許文献２）。そして、太陽熱集熱器３０１を利用した太陽熱利用給湯システム３１０は、図１２（ｂ）に示すように、前記太陽熱集熱器３０１と、給水源３１２から導入された水道水を加熱して出湯する瞬間形ガス湯沸器３１１と、瞬間形ガス湯沸器３１１から出湯される水と太陽熱集熱器３０１から流入する水を混合する手段であって、一方は瞬間形ガス湯沸器３１１に接続され他方は給水源３１２に水道直結された太陽熱集熱器３０１の通水配管３０５の出口と接続されて両者の混合比率を調節する電動混合弁３１３と、電動混合弁３１３の混合比率を調節するために給湯湯温を検出する給湯湯温センサ３１４と、給湯湯温センサ３１４と電動混合弁３１３とに電気的に接続されている制御部３１５と、給水源３１２から太陽熱集熱器３０１を経て電動混合弁３１３に至る太陽熱管路３１６と、太陽熱管路３１６の太陽熱集熱器３０１上流から分岐し給水源３１２から電動混合弁３１３に直接接続されるバイパス管路３１７と、バイパス管路３１７の途中に設けた電磁開閉弁３１８と、給水源３１２からの水道水温を検出する入水温度センサ３１９と、太陽熱集熱器３０１近傍の外気温度を検出する外気温度センサ３２０を設けたものである（特許文献２）。

また、特許文献３には、図２に示すように、太陽熱を集熱する太陽熱集熱器１０が並列に複数配置された太陽熱集熱体２と、太陽熱集熱体２に隣接し、１２個の太陽熱集熱器１０から放出された太陽熱を受熱して蓄熱する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱部２０と、蓄熱部２０に隣接し、蓄熱部２０から放出された太陽熱を受熱して外部（例えば、水道水）へ伝達する熱交換器３０と、太陽熱集熱体２、蓄熱部２０及び熱交換器３０と熱的に接続された１２本のヒートパイプ４０から構成された太陽熱利用温水器が開示されている。特許文献３に記載の技術によれば、温水貯蔵タンクの小型化又は省略が可能としつつ、熱交換に優れ、構造が簡素化された太陽熱利用温水器を提供することが可能になる。

特開平７−９８１５７号公報 特開２００３−８３６０８号公報 特開２０１２−００２４９３号公報

特許文献２及び３に記載された発明のような、潜熱蓄熱材を太陽熱の蓄熱媒体として使用する発明においては、電圧等のトリガー（相変化励起因子）を潜熱蓄熱材に印加することにより、潜熱蓄熱材の相変化による潜熱放熱を励起する。

潜熱蓄熱材の潜熱放熱を途中で中断することはできず、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱が無くなるまで継続する。

住宅の温水需要は一般に散発的に発生することが多いので、潜熱蓄熱材の潜熱放出が完了する前に温水の使用が終了してしまうこともある。その場合には、潜熱蓄熱材の潜熱が無駄になってしまうという問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱を効率的に利用することが可能な太陽熱利用温水システムを提供することにある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その第１の態様は、太陽熱を吸収する集熱部と、前記集熱部を介して吸収された太陽熱を蓄積するための潜熱蓄熱材を備えた蓄熱部と、給水管及び浴槽に連通する配管に接続され、かつ、前記潜熱蓄熱材から放出された太陽熱が前記給水管からの水と熱交換を行う熱交換部と、を供えた太陽熱温水器を使用した太陽熱温水システムであって、さらに、前記潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱の放出を励起する放熱励起手段を備え、ユーザからの前記浴槽への湯張り指示に基づいて、前記放熱励起手段が少なくとも一部の前記潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱の放出を励起すると共に、前記熱交換部で加温された水が前記浴槽に供給されるように構成したことを特徴とする太陽熱利用温水システムである。

また、本発明の第２の態様は、太陽熱を吸収する集熱部と、前記集熱部を介して吸収された太陽熱を蓄積するための潜熱蓄熱材を備えた蓄熱部と、給水管及び浴槽に連通する配管に接続され、かつ、前記潜熱蓄熱材から放出された太陽熱が前記給水管からの水と熱交換を行う熱交換部と、を備えた太陽熱温水器を使用した太陽熱温水システムであって、前記潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱の放出を励起する放熱励起手段と、前記潜熱蓄熱材の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記潜熱蓄熱材の温度が所定温度を超えるか否かを判断する判断手段と、ユーザからの前記浴槽への湯張り指示を入力するための入力手段と電気的に接続された湯張り指示受信手段と前記放熱励起手段を制御する制御手段と、を備え、前記湯張り指示受信手段が前記入力手段から湯張り指示を受けており、かつ、前記判断手段により少なくとも一部の前記潜熱蓄熱材の温度が所定温度を超えたと判断された場合には、前記制御手段が、前記放熱励起手段を稼働させるとともに、前記熱交換部を経た温水が前記浴槽に供給されるように構成したことを特徴とする太陽熱利用温水システムである。また、本発明の態様は、前記入力手段が、湯張り時刻を含めた前記湯張り指示を入力するための手段である太陽熱利用温水システムである。また、本発明の態様は、前記制御手段が、ユーザからの前記湯張り時刻に基づく湯張り開始時間前であっても、前記放熱励起手段を稼働させる太陽熱利用温水システムである。

本発明の第３の態様は、集熱部が太陽熱を吸収する集熱板を供えており、当該集熱板が、前記潜熱蓄熱材と熱的に接続されている、前記太陽熱利用温水システムである。

本発明の第４の態様は、前記集熱部、前記蓄熱部及び前記熱交換部が重ねて配置されていることを特徴とする、前記太陽熱利用温水システムである。

本発明の太陽熱利用温水システムによれば、ユーザからの浴槽への湯張り指示に基づいて、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱を放出し、かつ、熱交換部で加温された水が前記浴槽に供給されることから、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱が無駄になる可能性を低減し、有効な熱利用が可能になる。また、熱媒をポンプにより循環させる必要がないため、ポンプを省略でき、電気代の低減、低コスト化を実現できる。

本発明の太陽熱利用温水システムを含む給湯システムの概略構成図である。 太陽熱利用温水器の斜視図である。 太陽熱利用温水器の断面図である。 （ａ）図は蓄熱部の部分正面図、（ｂ）図は（ａ）図のＩ‐Ｉ線断面図である。 （ａ）図は熱交換部の部分平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＩＩ‐ＩＩ線断面図である。 第１実施形態例に係る太陽熱利用温水器の熱交換部を説明する断面斜視図である。 本発明の第２実施形態例において使用する太陽熱利用温水器の断面図である。 本発明の第３実施形態例において使用する太陽熱利用温水器の側面図及び断面図である。 図８の太陽熱利用温水器の上面図である。 本発明の第４実施形態例に係る太陽熱利用温水システムの概略を説明する断面図である。 従来技術に係る太陽熱温水器の概略構成図である。 従来技術に係る太陽熱温水器及び太陽熱利用温水システムの概略構成図である。

［実施形態１］
図１は、本発明の太陽熱利用温水システムの第１の実施形態を説明する概略構成図である。

図１の太陽熱利用温水システム１００は、集熱部２と、蓄熱部２０と、熱交換部３０とを備えた太陽熱利用温水器１を使用し、放熱励起手段４６を備えている。

太陽熱利用温水器１の具体的な例については、特に制限されるものではないが、本例においては、特開２０１２−２４９３号公報に記載された太陽熱利用温水器を使用している。

特開２０１２−２４９３号公報に記載された太陽熱利用温水器１は、図２に示すように、太陽熱を集熱する太陽熱集熱器１０が並列に複数（図２では１２個）配置された集熱部２と、集熱部２に隣接し、１２個の太陽熱集熱器１０から放出された太陽熱を受熱して蓄熱する蓄熱部２０と、蓄熱部２０に隣接し、蓄熱部２０から放出された太陽熱を受熱して外部（本実施形態例では水道水）へ伝達する熱交換部３０と、集熱部２、蓄熱部２０及び熱交換部３０と熱的に接続された１２本のヒートパイプ４０から構成されている。１個の太陽熱集熱器１０あたり１本のヒートパイプ４０が熱的に接続されており、太陽熱は、１２本のヒートパイプを用いて、１２個の太陽熱集熱器１０から蓄熱部２０へ熱輸送される。そして、蓄熱部２０に輸送された太陽熱は、同じ１２本のヒートパイプを用いて、蓄熱部２０から熱交換部３０へ熱輸送される。上記ヒートパイプ４０は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナの内部に、作動液が減圧状態で封入されている。コンテナの形状には、丸型、板状型、扁平状型等がある。コンテナの内壁にはグルーブが形成されており、グルーブの形成された内壁に毛細管力を備えたウィックが密着して配置されている。ヒートパイプ４０の内部には、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発・凝縮の相変化とヒートパイプ４０内部の移動をすることによって、熱輸送が行われる。すなわち、熱源からヒートパイプ４０を構成するコンテナへ伝達されてきた熱により、ヒートパイプ４０の吸熱側において液相状態の作動液が蒸発して気相状態へ相変化し、作動液が蒸発して生成した蒸気がヒートパイプ４０の吸熱側から放熱側へ移動する。放熱側では、この蒸発した蒸気が冷却されることで作動液が気相状態から液相状態へ戻る。液相状態に戻った作動液は放熱側から再び吸熱側へ移動（還流）する。このように、太陽熱利用温水器１は、集熱した太陽熱の熱輸送にヒートパイプ４０を用いることで、熱輸送性及び熱交換効率に優れ、太陽熱の利用効率が向上し、また太陽熱利用温水器の小型化が可能となる。

図３に示すように、太陽熱集熱器１０と蓄熱部２０と熱交換部３０は、それぞれ同じヒートパイプ４０に連なって配置されている。すなわち、太陽熱集熱器１０と蓄熱部２０と熱交換部３０はヒートパイプ４０に取り付けられて一体化されている。ヒートパイプ４０に取り付けられた太陽熱集熱器１０、蓄熱部２０及び熱交換部３０は、ヒートパイプ４０表面に直接接触または間接的に接することで、ヒートパイプ４０と熱的に接続されている。集熱部２から熱交換部３０へ輸送された太陽熱は、熱交換部３０から外部、すなわち水道水へ放出されて水道水の温度が上昇する。このように、太陽熱集熱器１０、蓄熱部２０及び熱交換部３０が、一本のヒートパイプ４０を介して一体化されるので、太陽熱集熱器１０から熱交換部３０への熱輸送にあたって、熱損失を抑えることができる。

太陽熱集熱器は、太陽熱を集熱できるものであれば特に限定されないが、太陽熱利用温水器１で用いられる太陽熱集熱器１０は、図３に示すように、内部が真空状態である透光性を有するガラス製管状部材１１と、ガラス製管状部材１１の内部に収容された黒色の集熱板１２を備えている。ヒートパイプ４０の外形はガラス製管状部材１１の中空部と嵌合可能な形状となっている。よって、ヒートパイプ４０がガラス製管状部材１１の中空部に挿入されると、太陽熱集熱器１０がヒートパイプ４０に取り付けられ、太陽熱集熱器１０とヒートパイプ４０が熱的に接続される。

太陽熱集熱器１０が太陽の日射を受光すると、ガラス製管状部材１１の壁部１４を通過した太陽熱が集熱板１２に受熱されて太陽熱集熱器１０が昇温する。昇温した太陽熱集熱器１０が、熱的に接続されたヒートパイプ４０の加熱部４１を加熱して、加熱部４１にてヒートパイプ４０の作動液が蒸発し、集熱した太陽熱を太陽熱集熱器１０から蓄熱部２０や熱交換部３０へ輸送する。

蓄熱部２０は、太陽熱集熱器１０で集熱され、太陽熱集熱器１０からヒートパイプ４０を用いて輸送される太陽熱を蓄熱するものである。図３、図４（ａ）に示すように、蓄熱部２０は、ヒートパイプ４０に取り付けられた複数の蓄熱器用プレートフィン２１と蓄熱器用プレートフィン２１に挟持された複数の蓄熱部材２２を備えている。蓄熱器用プレートフィン２１は、ヒートパイプ４０と蓄熱部材２２間で太陽熱を伝達するものである。このように、蓄熱器２０にプレートフィンを用いることで、ヒートパイプ４０・蓄熱部材２２間における熱伝達を効率化できる。蓄熱部材２２は、ヒートパイプ４０を境にして上下に配置され、蓄熱器用プレートフィン２１の略全面と接触した状態となっている。蓄熱部材２２と接する蓄熱器用プレートフィン２１表面には、蓄熱部材２２を保持するための突起２５が複数設けられており、蓄熱部材２２を蓄熱器用プレートフィン２１に固定するとともに、蓄熱器用プレートフィン２１と蓄熱部材２２の間の熱伝達特性を向上させることができる。

図４（ｂ）に示すように、蓄熱部材２２は、蓄熱器用プレートフィン２１に左右から狭持されることで、蓄熱器用プレートフィン２１間に保持されている。また、蓄熱部材２２は、内部に潜熱蓄熱材２４を収容している。また、それぞれの蓄熱器用プレートフィン２１には、ヒートパイプ４０を嵌め差し込むための孔部（図示せず）、すなわちヒートパイプ４０の外形に対応した形状を有する孔部が、所定位置（ヒートパイプ４０の配置に対応した位置であって、蓄熱器用プレートフィン２１の高さ方向の略中央部）に所定数量（太陽熱利用温水器１では１２個）設けられている。各孔部に１本のヒートパイプ４０が挿入されることで、各孔部の内壁面と各ヒートパイプ４０表面が直接接触してそれぞれの蓄熱器用プレートフィン２１が１２本のヒートパイプ４０に取り付けられる。これにより、蓄熱器用プレートフィン２１と１２本のヒートパイプ４０は熱的にも接続される。従って、太陽熱集熱器１０からヒートパイプ４０で輸送されてきた太陽熱は、蓄熱器用プレートフィン２１に円滑に伝達される。

蓄熱器用プレートフィン２１のフィンピッチは、ヒートパイプ４０・蓄熱部材２２間の伝熱機能を発揮する範囲であれば特に限定されない。また、蓄熱器用プレートフィン２１の設置枚数も、ヒートパイプ４０・蓄熱部材２２間で熱交換効率が最適となるように設定される範囲であれば特に限定されない。さらに、必要に応じて、孔部にバーリングを設けて、蓄熱器用プレートフィン２１のヒートパイプ４０に対する固定性、熱的接続性を向上させてもよい。蓄熱器用プレートフィン２１は熱伝導性に優れた材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム、銅などの熱伝導性の良い金属材料を挙げることができる。

蓄熱部材２２は、潜熱蓄熱材２４の相変化を用いて蓄熱器用プレートフィン２１に伝達された太陽熱を蓄熱するものであり、蓄熱器用プレートフィン２１に両側から狭持されることで蓄熱器２０に固定され、蓄熱器用プレートフィン２１と熱的に接続される。また、必要に応じて、蓄熱器用プレートフィン２１には、蓄熱部材２２と接触する側の表面に突起２５が設けられている。蓄熱器用プレートフィン２１に狭持された蓄熱部材２２は、突起２５によって、蓄熱器用プレートフィン２１に確実に固定される。また、蓄熱部材２２は、突起２５によって、蓄熱器用プレートフィン２１との接触面積が増加するので、蓄熱器用プレートフィン２１と蓄熱部材２２の間の熱伝達性能を向上させることができる。

蓄熱部材２２は、潜熱蓄熱材２４を袋状のラミネート材２３でパッキングしたものである。潜熱蓄熱材２４は、その融解・凝固時の潜熱を利用して蓄熱・放熱するものであれば特に限定されず、例えば、酢酸ナトリウム・３水和物、塩化マグネシウム・６水和物、水酸化バリウム・８水和物、キシリトール等を挙げることができる。潜熱蓄熱材２４を利用すると、水などの顕熱を利用する手法よりも蓄熱密度が大きくなるので、蓄熱部２０を小型化できる。なお、潜熱蓄熱材２４の使用量は、所要の湯温で十分な湯量が得られるように、適宜設定する。本例では、潜熱蓄熱材２４に酢酸ナトリウム・３水和物を使用し、４２℃のお湯が６７０リットル（一般的な４人家族の一日の使用量）得られるように、潜熱蓄熱材２４の容量を約１０５リットルに設定している。太陽熱の蓄熱後に冷却された潜熱蓄熱材２４は、いわゆる過冷却状態となって、凝固点以下の温度に冷却されても凝固せず放熱が始まらないので、外部から、例えば、電圧、せん断応力などの所定手段で衝撃を与えることによって、潜熱蓄熱材２４の過冷却状態が解除される。その結果、潜熱蓄熱材２４に蓄熱されていた太陽熱が、潜熱蓄熱材２４から蓄熱部材２２を挟持している蓄熱器用プレートフィン２１へ放出される。ラミネート材２３は、フィルム状の薄い部材からなる袋状容器であり、ポリ塩化ビニル等の樹脂製である。潜熱蓄熱材２４がフィルム状のラミネート材２３でパッキングされているので、蓄熱部材２２は蓄熱器用プレートフィン２１に対して優れた接触性を有している。また、蓄熱器用プレートフィン２１が潜熱蓄熱材２４と直接接触して、蓄熱器用プレートフィン２１が腐食するのを防止できる。さらに、ラミネート材２３により、蓄熱時に液化した潜熱蓄熱材２４が蓄熱部２０へ流出するのを防止できるので、ヒートパイプ４０の蓄熱器用プレートフィン２１取り付け部に特別なシーリングを施さなくてもよく、潜熱蓄熱材２４の取り扱いを容易にすることができる。

蓄熱部２０の位置に相当するヒートパイプ４０の部位は熱中継部４２である。すなわち、太陽熱集熱器１０から放出された太陽熱を蓄熱部２０へ伝達し、蓄熱部２０から放出された太陽熱を熱交換部３０へ伝達する。なお、図２に示すように、蓄熱部２０は、蓄熱部材２２を断熱する観点や外力による損傷を防止する観点から、樹脂製等のカバーで覆われた態様が好ましい。

熱交換部３０は、太陽熱集熱器１０または蓄熱部２０からヒートパイプ４０を用いて輸送されてきた太陽熱を水道水へ効率よく熱移動させるものである。図２、図４（ａ）に示すように、熱交換部３０は、ヒートパイプ４０に取り付けられた複数の熱交換器用プレートフィン３１を備えている。このように、熱交換部３０に複数のプレートフィンを用いることにより、ヒートパイプ４０が輸送した熱を水道水に効率よく伝達することができる。

図５（ｂ）に示すように、それぞれの熱交換器用プレートフィン３１には、ヒートパイプ４０を嵌め差し込むための孔部（図示せず）、すなわちヒートパイプ４０の外形に対応した形状を有する孔部が、所定位置（ヒートパイプ４０の配置に対応した位置であって、熱交換器用プレートフィン３１の高さ方向の略中央部）に所定数量（太陽熱利用温水器１では１２個）設けられている。各孔部に１本のヒートパイプ４０が挿入されることで、各孔部の内壁面と各ヒートパイプ４０表面が直接接触して熱交換器用プレートフィン３１が１２本のヒートパイプ４０に取り付けられる。これにより、熱交換器用プレートフィン３１と１２本のヒートパイプ４０は熱的にも接続される。従って、蓄熱部２０からヒートパイプ４０で輸送されてきた太陽熱は、熱交換器用プレートフィン３１に円滑に伝達される。

熱交換器用プレートフィン３１のフィンピッチは、蓄熱部材２２の放熱時の温度、温水システム出口で求められる湯温度、上水の温度及び熱交換部３０を流れる水道水の流量から決定される。例えば、潜熱蓄熱材２４の温度が６０℃付近のときに、水温５℃、毎分２０リットルの水を約５５℃に昇温できるように、５ｍｍの高さの熱交換器用プレートフィン３１にてフィンピッチ２ｍｍとした。なお、熱交換器用プレートフィン３１の高さやフィンピッチについては、所要の熱交換能力が得られる限り、このような例の値に限定されない。さらに、必要に応じて、孔部にバーリングを設けて、熱交換器用プレートフィン３１のヒートパイプ４０に対する固定性、熱的接続性を向上させてもよい。さらに、熱交換器の水密構造を向上させるために、適宜、前記バーリング部分にシーリング用接着剤を塗布してもよい。また、ガスケット等のシール材を、一番外側、すなわち最も蓄熱部２０側の熱交換器用プレートフィン３１と押さえ板とで挟み、ボルトとナット等の固定部材で熱交換器用プレートフィン３１に押しつけてシール材を適度に潰してもよい。また、ヒートパイプ４０と押さえ板にねじ溝を切っておき、シール材を介して押さえ板を一番外側の熱交換器用プレートフィン３１に対して締め付けてもよい。熱交換器用プレートフィン３１は熱伝導性に優れた材料であれば特に限定されず、例えば銅、アルミニウムなどの熱伝導性の良い金属材料を挙げることができる。

熱交換部３０の位置に相当するヒートパイプ４０の部位は冷却部４３である。すなわち、蓄熱部２０から放出され熱中継部４２を通って冷却部４３に伝達された太陽熱は、ヒートパイプ４０内の沸騰した蒸気が熱交換器用プレートフィン３１によって冷却部４３にて冷却されて凝縮することにより、冷却部４３から熱交換器３０へ伝達される。

熱交換部３０は、給水源である水道に直接接続可能である。図６に示すように、水道水が熱交換部３０の一方の端部から供給されると、水道圧によって熱交換部３０内部を熱交換器用プレートフィン３１表面に対して平行方向に水道水が流れる。そして、熱交換器用プレートフィン３１・水道水間の熱交換により水道水が加温されて温水となり、熱交換部３０の他方の端部から出湯される。すなわち、蓄熱部２０に蓄えられた太陽熱は、熱交換部３０へ輸送されて、熱交換器用プレートフィン３１から熱交換部３０内に供給された水道水へ伝達され、熱交換部３０内を通水させている間に水道水が加温されて温水となる。従って、温水貯蔵タンクを省略できる。水道水及び温水の流路を規制しまた外部への漏水を防止するために、熱交換部３０は、通水方向と平行な壁面を有する樹脂製のカバー５０を備え付けた態様としている。カバー５０を熱交換部３０へ設ける手段は特に限定されず、例えば、熱交換器用プレートフィン３１の厚さ方向を形成する側面にカバー５０の内壁面を接触させて、その間を接着剤で固定、シーリングする方法などが挙げられる。

太陽熱利用温水器１で用いるヒートパイプ４０は、加熱部４１、熱中継部４２、冷却部４３からなり、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、長手方向と直交方向の断面形状が円形となっている。凝縮した作動液を還流させて熱輸送を円滑にするために、ヒートパイプ４０内部にウィック等の毛細管力を発生させる機構を設けてもよい。また、夜間や雨天時など太陽熱を受熱できずに太陽熱集熱器１０が冷えた状態となっても蓄熱部２０から太陽熱集熱器１０への熱の逆流を防止するために、加熱部４１内部については、毛細管力を発生させる機構を設けなくてもよい。加熱部４１内部について毛細管力を発生させる機構を設けなければ、加熱部４１から熱中継部４２への作動液の還流が抑制されるので、蓄熱部２０から太陽熱集熱器１０への熱の逆流を抑えることができる。

また、熱中継部４２から加熱部４１への凝縮した作動液の還流及び冷却部４３から熱中継部４１への凝縮した作動液の還流を促進しつつ、加熱部４１から熱中継部４２への凝縮した作動液の還流及び熱中継部４２から冷却部４３への凝縮した作動液の還流を防止するために、加熱部４１よりも冷却部４３が高い位置になるように太陽熱利用温水器１を設置してもよい。

次に、本発明の第１実施形態例に係る太陽熱利用温水システム１００の温水供給の原理について、図１及び図２を用いながら説明する。まず、図２において、太陽熱集熱器１０が太陽の日射を受光すると、太陽熱が集熱されて太陽熱集熱器１０が発熱体となり、太陽熱が太陽熱集熱器１０から太陽熱集熱器１０の位置に相当するヒートパイプ４０の加熱部４１へ熱伝達される。ヒートパイプ４０の加熱部４１へ伝達された太陽熱によりヒートパイプ４０の作動液が蒸発して蒸気となり、ヒートパイプ４０内部の蒸気の圧力差により蓄熱部２０の位置に相当するヒートパイプ４０の熱中継部４２へ流れる。そして、蒸気となった作動液がヒートパイプ４０の熱中継部４２にて冷却され凝縮して潜熱を放出することにより、太陽熱が熱中継部４２へ熱輸送される。熱中継部４２に熱輸送された太陽熱は蓄熱部２０に受熱される。凝縮した作動液は、熱中継部４２から加熱部４１へ戻される。この作動液の蒸発と凝縮を繰り返すことで、太陽熱集熱器１０で集熱された太陽熱は、加熱部４１と熱中継部４２を通って蓄熱部２０へと輸送され、蓄熱される。

次に、図１において、入力手段８１（本例では、浴室内に設置されたコントローラ）により、ユーザからの湯張り指示が入力されると、制御装置（制御部）４５が、放熱励起手段４６（本例では、電圧印加装置）を稼働し、蓄熱部２０にトリガー（潜熱蓄熱材２４が液相から固相へ変化するきっかけとしての電圧）が加えられ、混合弁駆動装置Ｍ１を介して混合弁を開くことにより、供給手段としての配管（浴槽へ連通する配管）１０５を稼動（通水状態）する。図３における、蓄熱部２０に蓄熱されていた太陽熱は、蓄熱部２０から放出されてヒートパイプ４０の熱中継部４２へ伝達される。ヒートパイプ４０の熱中継部４２へ伝達された熱によりヒートパイプ４０の作動液が蒸発する。蒸気となった作動液は、熱中継部４２から熱交換部３０の位置に相当するヒートパイプ４０の冷却部４３へ流れる。そして、蒸気となった作動液がヒートパイプ４０の冷却部４３にて潜熱を放出して凝縮することにより、輸送された太陽熱が冷却部４３で放出される。冷却部４３で放出された太陽熱は熱交換部３０に受熱される。凝縮した作動液は、冷却部４３から熱中継部４２へ戻される。この作動液の蒸発と凝縮を繰り返すことで、蓄熱部２０で蓄熱されていた太陽熱は、熱中継部４２と冷却部４３を通って熱交換部３０へと輸送される。熱交換部３０へ輸送された太陽熱は、熱交換部３０からカバー５０内を通る、給水管１０３から供給された水道水へ熱伝達され、これにより水道水が加温される。図１において、熱交換部３０を経た水道水は、浴槽８０に供給される。このとき、加温された水道水は、通常、水道水圧により浴槽８０に供給されるが、水道水圧が十分でない場合及び加温された水道水がタンク等に一次的に貯湯される場合等には、例えば、ポンプ、弁などをさらに備えた供給手段により供給される様にしても良い。また、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管１０５に、給水源である水道から分岐させた混合用配管１０８を接続し、給湯用配管を流れる湯に混合用配管を通じて上水を混合することで、湯温を調整しても良い。さらに、給湯用配管１０５や混合用配管１０８に加熱装置を設置し、浴槽に供給する水の温度をさらに上昇させることをしてもよい。

一般に、家庭内の温水の使用においては、湯張り時に最も多くの熱量を使用する。また、入浴は通常、日没後等、太陽熱温水器に太陽熱が十分に蓄積されたタイミングで行われる。実施形態１の太陽熱利用温水システム１によれば、ユーザからの浴槽への湯張り指示に基づいて、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱を放出し、かつ、熱交換部で加温された水が前記浴槽に供給される。したがって、手洗等の短時間の温水の利用により潜熱蓄熱材の放熱が励起される場合と比較して、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱が無駄になることを最小限に抑えることができる。

［実施形態２］
次に、図７を用いて、蓄熱部が複数に分割された太陽熱利用温水器を用いた実施形態例について説明する。上記第１実施形態例に係る太陽熱利用温水器１では、１つの蓄熱部２０が取り付けられていたが、これに代えて、図６に示すように、太陽熱集熱器１０と熱交換部３０の間に、複数（図７では３つ）の蓄熱部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを取り付けた太陽熱利用温水器２としてもよい。太陽熱利用温水器２では、太陽熱利用温水器１で用いた蓄熱部２０を３つ取り付けている。この実施形態例では、蓄熱部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、ヒートパイプ４０の長手方向に沿って並列に取り付けられている。この態様では、蓄熱が完了している場合、それぞれ別のタイミングにて、蓄熱部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの過冷却状態を解除することで、放熱のタイミングを複数回（図７では３回）設定できる。従って、一度、蓄熱することで、所定間隔にて断続的に太陽熱利用温水器２を使用できる。

これにより、蓄熱部の一部、例えば蓄熱部２０Ａを湯張り専用とし、他の蓄熱部２０Ｂ及び２０Ｃを他の目的のための給湯に使用することができる。すなわち、図１において、入力手段８１（本例では、浴室内に設置されたコントローラ）により、ユーザからの湯張り指示が入力されると、制御部４５は、図７における蓄熱部の一部である蓄熱部２０Ａの潜熱蓄熱材のみを放熱励起手段４６（本例では、電圧印加装置）により励起する。

このような態様によれば、蓄熱部２０Ａに蓄積された太陽熱の有効利用が可能であることに加えて、例えば、湯張りを行う機会の少ない夏期シーズンにおいては、湯張り用の蓄熱部以外の蓄熱部（本例では、蓄熱部２０Ｂ及び蓄熱部２０Ｃ）を使用することにより、太陽熱温水利用システムを有効に利用することができる。また、日中に潜熱蓄熱材温度が所定の温度まで達した際に、自動的に集熱パネルに通水して温水を生成し、浴槽に湯張りを行うことをおこなってもよい。この際、浴槽には断熱性能の高いものを用いると良い。これにより集熱後温水利用までの間の時間により蓄熱材からの自然放熱でエネルギーが失われるのを抑制でき、その結果、太陽エネルギーの利用効率を高めることができる。

［実施形態３］
上述の例においては、特開２０１２−２４９３号公報に記載された太陽熱利用温水器を使用した太陽熱利用温水システムを説明したが、太陽熱利用温水器として、他の装置を使用することも可能である。他の太陽熱利用温水器の一例について、図８及び９を用いて説明する。図８及び９において、上記例と重複する部材については、適宜共通の番号を使用している場合がある。

太陽熱利用温水器１５は、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、太陽からの日射を受けて太陽熱を集熱する集熱部７０と、この集熱部７０から放出された太陽熱を受けて蓄熱する蓄熱部２０と、この蓄熱部２０もしくは集熱部７０から放出された熱を受熱して外部（本実施形態では水道水）へ伝達する熱交換部６０とを備え、これら集熱部７０、蓄熱部２０及び熱交換部６０を高さ（厚さ）方向に積層して形成されている。この形態例では、熱交換部６０の上に蓄熱部２０が配置され、この蓄熱部２０の上に集熱部１０が配置されている。このため、太陽熱利用温水器１５の設置面積を抑えることができ、当該太陽熱利用温水器１５の小型化を図ることができる。

熱交換部６０は、板状に形成されたベース板６６と、このベース板６６上に立設された複数のフィン６２とを備える。これらベース板６６及びフィン６２は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、当該ベース板６６上に所定の間隔をあけて各フィン６２がねじ止め等によって固定されている。なお、ベース板６６及びフィン６２を一体に形成しても良い。これら各フィン６２は、略同一の高さに形成され、当該フィン６２の上端部に太陽熱集熱部７０が固定されている。

熱交換部６０は、図９に示すように、上記したフィン６２が延びる方向に沿って配置される一対の入口ヘッダ６３及び出口ヘッダ６４と、これら入口ヘッダ６３、出口ヘッダ６４間を繋ぐ複数の連結管６５とを備える。これら各連結管６５は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、それぞれベース板６６の下面に固定されている。

また、入口ヘッダ６３には給水源である上水道配管が接続され、出口ヘッダ６４には給湯口に接続された給湯用配管が接続される。なお、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管に、給水源である上水道から分岐させた混合用配管を接続してもよい。給湯用配管を流れる湯に、混合用配管を通じて上水を混合することで、湯を適温に調整することができる。

太陽熱集熱部７０は、ベース板６６と略同じ大きさの板状に形成され、光吸収率を高める表面処理を行った集熱板６１を備え、この集熱板６１は熱交換部６０のフィン６２上に固定されている。この集熱板６１は、上記した熱交換部６０のベース板６６，フィン６２及び連結管６５と同様に熱伝導性の優れた金属材で形成され、当該集熱板６１で集められた太陽熱は、複数のフィン６２を介して熱交換部６０のベース板６６に伝達される。

蓄熱部２０は、太陽熱集熱部７０で集熱された太陽熱を蓄えるものである。この蓄熱部２０は、複数の蓄熱部材２２を備え、これら蓄熱部材２２が隣接するフィン６２間に並べて配置されている。各蓄熱部材２２は、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして形成されたものであり、図８（Ａ）に示すように、当該蓄熱部材２２の上面２２Ａ及び下面２２Ｂがそれぞれ集熱板６１及びベース板６６に接触する高さに形成されている。さらに、集熱板６１及びベース板６６には、それぞれ蓄熱部材２２を保持するための突起（図示略）が複数設けられており、当該蓄熱部材２２を集熱板６１とベース板６６との間に固定するとともに、当該集熱板６１及びベース板６６と蓄熱部材２２との間の熱伝達特性を向上させることができる。従って、集熱板６１及びベース板６６から伝達される太陽熱を蓄熱部材２２内の潜熱蓄熱材に効率良く蓄熱することができる。

本実施形態では、潜熱蓄熱材は、実施形態１で説明したものと同様のものである。蓄熱部２０に、ラミネート材でパッキングして小分けされた蓄熱部材２２をベース板６１上に並べて配置しているため、蓄熱部２０の高さ（厚さ）を低く抑えることができ、ひいては太陽熱利用温水器１５の小型化を実現できる。

また、本実施形態の太陽熱利用温水器１５を用いても、図１に記載したような太陽熱温水利用システムを構成することにより、実施形態１のシステムと同様の効果を得ることができる。すなわち、入力手段８１（本例では、浴室内に設置されたコントローラ）により、ユーザからの湯張り指示が入力されると、制御装置（制御部）４５が、放熱励起手段４６（本例では、電圧印加装置）を稼働し、蓄熱部２０にトリガー（潜熱蓄熱材２４が液相から固相へ変化するきっかけとしての電圧）が加えられ、混合弁駆動装置Ｍ１を介して混合弁を開くことにより、供給手段としての配管（浴槽へ連通する配管）１０５を稼動（通水状態）するように構成すれば、手洗等の短時間の温水の利用により潜熱蓄熱材の放熱が励起される場合と比較して、潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱が無駄になることを最小限に抑えることができる。また、実施形態２において説明したとおり、複数の潜熱蓄熱部材２２のうち、一部の潜熱蓄熱部材２２を湯張り専用とし、他の蓄熱部２２を手洗等他の目的のための給湯に使用しても良い。

また、上記した太陽熱利用温水器１５，５５では、太陽熱集熱部１０、蓄熱部２０及び熱交換部６０を上下方向に積層する構成としていたが、これに限るものではなく、これらを、例えば、水平方向に重ねて配置するものであっても良い。さらに、給湯用配管や混合用配管に加熱装置を設置し、浴槽に供給する水の温度をさらに上昇させることをしてもよい。

［実施形態４］
次に、本発明の別の実施形態に係る太陽熱利用温水システムを、図１０を用いて説明する。なお、図１０において、図１と同様の構成要素については、符号を同一のものとし、説明を省略している。

実施形態４に係る太陽熱利用温水システムは、さらに、蓄熱部２０の温度を検知する温度検知手段４７を備えている。また、制御装置４５は、判断部（判断手段）４８と、制御部（制御手段）４５ａと、湯張り指示受信部（湯張り指示受信手段）４９とを備えている。

入力手段８１（本例では、浴室内に設置されたコントローラ）により、ユーザから湯張り時刻を含めた湯張り指示が入力されると、制御装置４５の湯張り指示受信部４９に当該湯張り指示が送信される。

一方、判断部４８が、温度検知手段４７により検知された蓄熱部２０の温度が、所定温度を超えたと判断した場合には、速やかに（好ましくは、直ちに）制御部４５ａが、放熱励起手段４６を稼動し、熱交換部３０を経由した温水が生成されるとともに、混合弁制御装置Ｍ１を介して混合弁を開くことにより、浴槽８０への供給手段を稼動する（通水開始）。閾値となる温度については、使用する潜熱蓄熱材のタイプおよび装置の耐久性を考慮して決定される。浴槽８０への温水供給は、ユーザにより指定された湯張り時刻に基づいて算出される湯張り開始時刻の前であっても行われる。

実施形態４に係る太陽熱利用温水システム１６０によれば、日射量が多く、十分な量の太陽熱が潜熱蓄熱材に蓄積された場合や過度に潜熱蓄熱材の温度が上昇した場合において、ユーザがすでに湯張り予約を行っていた際には、放熱励起手段４６が自動的に稼動され浴槽８０に温水が供給されるので、日没前に蓄熱材が満蓄となった場合に一度熱を浴槽に吐き出すことによって、日射を最大限有効に利用できるという第一のメリットがある。また、第二のメリットとして、太陽熱の集熱後、温水利用までの間の潜熱蓄熱材の自然放熱によるエネルギー損失が避けられ、太陽エネルギーの利用効率を高めることができる。また、第三のメリットとして、潜熱蓄熱材の過度な温度上昇による装置の過熱、ひいては装置の破損も避けることが可能である。なお、太陽熱利用温水システムは、通常、ガス給湯システム等の既存の給湯手段と組み合わせて使用されることから、ユーザは必要に応じて、入浴時に温水の再加熱や足し湯を行うことにより、最適な温度で入浴することが可能である。なお、太陽熱利用温水システム１６０で使用する太陽熱温水器については、実施形態１〜３で使用した太陽熱利用温水器をいずれも好適に使用することができる。

太陽熱温水器 １
太陽熱温水システム １００
集熱部 ２
蓄熱部 ２０
熱交換部 ３０
放熱励起手段 ４６
浴槽 ８０

Claims (5)

1. 太陽熱を吸収する集熱部と、
   前記集熱部を介して吸収された太陽熱を蓄積するための潜熱蓄熱材を備えた蓄熱部と、
   給水管及び浴槽に連通する配管に接続され、かつ、前記潜熱蓄熱材から放出された太陽熱が前記給水管からの水と熱交換を行う熱交換部と、を備えた太陽熱温水器を使用した太陽熱温水システムであって、
   前記潜熱蓄熱材に蓄積された太陽熱の放出を励起する放熱励起手段と、
   前記潜熱蓄熱材の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記潜熱蓄熱材の温度が所定温度を超えるか否かを判断する判断手段と、
   ユーザからの前記浴槽への湯張り指示を入力するための入力手段と電気的に接続された湯張り指示受信手段と
   前記放熱励起手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記湯張り指示受信手段が前記入力手段から湯張り指示を受けており、かつ、前記判断手段により少なくとも一部の前記潜熱蓄熱材の温度が所定温度を超えたと判断された場合には、前記制御手段が、前記放熱励起手段を稼働させるとともに、前記熱交換部を経た温水が前記浴槽に供給されるように構成したことを特徴とする太陽熱利用温水システム。
2. 前記入力手段が、湯張り時刻を含めた前記湯張り指示を入力するための手段である、請求項１に記載の太陽熱利用温水システム。
3. 前記制御手段が、ユーザからの前記湯張り時刻に基づく湯張り開始時間前であっても、前記放熱励起手段を稼働させる、請求項２に記載の太陽熱利用温水システム。
4. 前記集熱部が、太陽熱を吸収する集熱板を備えており、当該集熱板が、前記潜熱蓄熱材と熱的に接続されている、請求項１〜３いずれかに記載の太陽熱利用温水システム。
5. 前記集熱部、前記蓄熱部及び前記熱交換部が重ねて配置されていることを特徴とする、請求項１〜４いずれかに記載の太陽熱利用温水システム。