JPH0218439Y2

JPH0218439Y2 -

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Publication number: JPH0218439Y2
Application number: JP1984050655U
Authority: JP
Priority date: 1984-04-05
Filing date: 1984-04-05
Publication date: 1990-05-23
Also published as: JPS60162857U

Description

【考案の詳細な説明】

〈技術分野〉本考案は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器
である太陽熱集熱器を順次接続してヒートポンプ
サイクルを構成した太陽熱集熱装置における屋根
一体型太陽熱集熱器に関する。〈従来技術〉従来の太陽熱集熱装置は熱媒に水または空気な
どを用い、これらを建物の屋根上などに設置した
集熱器内に循環させて、太陽熱を吸収し、蓄熱槽
に取り込んで給湯または冷暖房等に利用するもの
であつた。この場合集熱器を通る熱媒の温度は外
気より高くなるため集熱器は集熱中の熱媒からの
放熱をできるだけ少なくするような構造にする必
要がある。従来の一般的な平板型の太陽熱集熱器は、第１
図及び第２図に示すように、アルミ合金又は鋼板
製の上面の開口した箱体１内にグラスウール等の
断熱材２を敷設し、この箱体１内に熱媒管３及び
集熱板４から成る集熱体５を載置して上面開口を
ガラス等の透明板６で封止しているものである。
そして上記集熱板４の表面には選択吸収膜を形成
して集熱板４からの放熱を極力防止している。第３図は、従来の一般的な真空ガラス管型集熱
器の断面図である。真空ガラス管型集熱器におい
ては、熱媒管７を装着した集熱板８を円筒ガラス
管９内に収納し、集熱板８のまわりを真空断熱す
ることにより、集熱板８からの伝導および対流熱
損失を防いでいる。このように従来の平板型太陽熱集熱器では、集
熱体以外にガラス等の透明板６、箱体１、断熱材
２等を必要とし、真空ガラス管型のものにあつて
はガラス管、真空処理などを必要とするため、部
品点数、製作作業性の困難さからなり高価なもの
となる。また容積や重量も大きくなるため設置工
事は大がかりなものとなり、また住宅の屋根等に
取り付けた場合、美観を損なうことも多い。これらの従来の集熱器に対し、熱媒にフロン等
を用いたヒートポンプ式集熱装置が考案されてい
る。この装置では熱媒の蒸発、凝縮を利用した、
いわゆるヒートポンプサイクルを用いているため
集熱器（蒸発器）内の熱媒蒸発温度を外気温度以
下に調節することにより、太陽熱のみならず、外
気の熱も吸収することができ、集熱体の断熱や選
択吸収膜は不要となる。むしろ外気の熱を積極的
に吸収するためには、集熱体と空気との接触面積
を増し、通風の良い構造とする方が好ましい。こ
のため、従来の平板型集熱器や真空ガラス管型集
熱器に比べ、ガラス、ケース、断熱材あるいは真
空処理等が不要となり、集熱器の価格は大幅に低
下する。また軽量化されるため、設置工事費等も
軽減される。またこの装置では太陽熱以外に外気
からの集熱が可能となるため、日射の少い（無
い）場合にも集熱でき、補助熱源がほとんど不要
になり、補助熱源に対する設備費、燃料費が節減
できる。また熱媒にフロン等を使用しているた
め、水を熱媒にする場合のように冬期の凍結ある
いは管内腐食などの対策も不要である。現在のところこの種のヒートポンプ式集熱装置
の実施例は少なく一部大型ビル用として実用化さ
れているのみである。第４図はこの装置の集熱器
の斜視図であり、第５図は同じく断面図である。
そしてこの集熱器は、熱媒管１０及びフイン１１
から成る複数の集熱体１２を一対の取付板１３で
もつて並設し、隣接する熱媒管１０を順次接合し
て基台１４上に固定するものか、又は第６図の如
く蛇行状に配設された熱媒管１５に直角にフイン
１６を多数取付けたものが考えられる。しかし、これらの形状の集熱器を一般住宅の屋
根に設置した場合、従来の平板型集熱器や真空ガ
ラス管型集熱器以上に建物の美観を損なう可能性
がある。また新築住宅に設置する場合にも、従来
の集熱器と同様、建物（屋根材）以外に集熱器の
コストが当然必要となる。〈目的〉本考案は、上記に鑑み、住宅の美観を良好にし
得、集熱効率を良好にし得る集熱器の提供を目的
とする。〈実施例〉以下、本考案の一実施例を図面に基いて説明す
る。第７図は本考案の屋根一体型太陽熱集熱器の一
実施例を示す断面図であり、第８図は同じく屋根
面上へ設置した状態を示す断面図、第９図は第８
図のＸ−Ｘ断面図である。そして本考案に係る太
陽熱集熱器は、太陽熱を集熱するための集熱体１
７が屋根材とされ、該集熱体が屋根の野地板に棟
側から軒側へ複数枚配列されて成り、前記集熱体
１７は、熱媒を流通させるための熱媒管１８ａ，
１８ｂと、太陽熱を集熱するための集熱板１７ａ
とから構成され、前記熱媒管１８ａ，１８ｂは各
集熱板１７ａに横方向へ二列に平行に配列された
ものである。前記集熱体１７は、日射の当る南面
等に設置され、北面側は同様な形状材質の一般屋
根材が使用される。また集熱体１７は、アルミニ
ウム等の熱伝導の良い材質で構成され、前記熱媒
管１８ａ，１８ｂは集熱板１７ａの裏面に首部１
８ｃを介して固定されている。なお前記熱媒管１
８ａ，１８ｂがアルミニウム製の場合は集熱板１
７ａと一体で押出し成形することも可能である。
また集熱板１７ａの表面は、耐候性、耐久性の良
い暗色系の着色アルマイトまたは塗装などの処理
を行ない、日射の吸収率を良くしている。また、直膨型集熱器の場合、集熱器はヒートポ
ンプサイクルの蒸発器として使用されるため、熱
媒管１８ａ，１８ｂ内を流れるフロン等の熱媒の
温度は一般に外気温度より数度低い温度に設定さ
れ、太陽熱とともに外気の熱も吸収できるように
なつている。このため、外気の湿度条件によつ
て、集熱体１７に露が凝縮する場合が多く、集熱
体１７に付着した露を受け、処理するために野地
板１９に防水紙１９ａを介して露受け板２０が敷
設されている。また空気からも集熱する関係で集熱体１７（屋
根材）と野地板１９との間に空間２１が形成され
通風を可能にし、集熱体１７と空気との熱交換を
良くしている。また図示しないが、この空間２１
の軒側から棟側の端部に通風口が設けられてお
り、集熱運転中、集熱体１７は外気温度より低く
なるので、集熱体１７裏側の空間２１の空気は下
降気流となり、軒側から棟側への方向の気流が生
ずるため、集熱体１７裏側からも集熱が可能とな
る。また２２は集熱体１７を支える心木であり、
この心木の間に空間２１が形成される。２３はネ
オプレンゴム製断熱材で、集熱体１７と心木２２
上の露受け板２０との間を断熱して、露受け板２
０の裏側の露付きを防ぐものである。また、２４
はたる木である。また第７，８図に示すように、前記集熱体１７
は、集熱板１７ａの前端部に下方内向に開口２５
ａを有する断面コ字形の被係合部２５が形成さ
れ、後端部に上方内向に開口２６ａを有する断面
コ字形の係合部２６が形成されている。そしてこ
の係合部２６に被係合部２５が係合することによ
り、前後に隣接する集熱体１７同士が結合され
る。従つて集熱体１７は屋根の前方（軒側）から順
次屋根面上に張つて行き、各集熱体１７はその被
係合部２５を前方に隣接する集熱体１７の係合部
２６に係合し、後端部下向きに成形された取付脚
２７を釘２８等により断熱板２３等を介して心木
２２に打ちつけることにより固定される。第１０図は集熱体１７の接続状態と熱媒管１８
ａ，１８ｂのピツチを示したものであり、集熱体
１７を組み立てた場合に、各熱媒管１８ａ，１８
ｂが等しいピツチＰ（以下パイプピツチという）
で並ぶよう設定されている。この熱媒管１８ａ，
１８ｂのピツチＰは実験及び計算機シユミレーシ
ヨンにより80〜100mmとするのが最適である。各
集熱体１７の幅は隣接との接続部や取付脚２７の
寸法によつて違いは生ずるが、パイプピツチＰの
ほぼ二倍の寸法とすることにより、第１０図の状
態を得ることができる。従つて、この場合集熱体
１７の幅は約160〜200mmとなり、一般の横張りタ
イプの金属製屋根材の幅と同程度となり、屋根材
として良好な外観を示し、何ら異和感を与えるこ
とがない。ところで、各集熱体１７に熱媒管１８ａ，１８
ｂを一本づつ取り付けることも可能であるが、そ
の場合には、集熱体１７の幅をパイプピツチＰと
ほぼ等しい寸法、即ち80〜100mmとする必要があ
る。しかし、この寸法は、横張りタイプの屋根材
としては幅が狭く、この寸法で屋根を張つた場合
には、外観上もむやみに横しまの多いものになり
かねない。また、集熱体１７の接続部が第１０図
等の場合に比べ二倍に増すため、屋根葺き工事に
手間がかかる。また各集熱体１７には取付脚２７
が必要であるため、この場合には取付脚２７の数
が不必要に多くなり、材料費がかさむことにな
る。また逆に一枚の集熱体１７に三本以上の熱媒管
を取り付けることも考えられるが、第１０図等に
示すタイプの集熱体１７は、裏側も空気からの集
熱に利用する関係から、取付脚２７によつて集熱
体１７を支えているため、集熱体１７の幅を広く
し、取付脚２７の間隔を広げすぎると、上部から
の荷重に対する強度が低下する。従つて強度を保
つために板厚を増すなどすると、材料費が上昇す
ることになる。また、集熱体１７の幅が広くなり
すぎると、外観上も違和感を与えたり、アルミニ
ウム製集熱体１７の押し出し成型が困難になるな
どの問題も生ずる。第１１図は、本考案の集熱体の他の実施例を示
すもので、熱媒管１８ａ，１８ｂを集熱体１７ａ
に密着して設けたものである。そして第１１図ａ
は熱媒管１８ａ，１８ｂを集熱板１７ａの下側に
密着して設けたもの、第１１図ｂは同じく上側に
密着して設けたもの、第１１図ｃは熱媒管１８
ａ，１８ｂを集熱板１７ａの中間に設けたもので
ある。第７図〜第１０図に示す実施例では、熱媒
管１８ａ，１８ｂが集熱体１７の下側に一耐の間
隔をもつて設けられているため、端部の配管接続
部および、屋根材との接合部における施行性にす
ぐれるが、熱的性能においては、第１１図に示す
ような熱媒管１８ａ，１８ｂが集熱体１７に密着
した構造の方が有利である。第１２図はさらに別の実施例を示すもので、第
１１図ａの構造は集熱体１７の裏面に断熱材３５
が貼着され、太陽熱の当る外表面のみを集熱に利
用するものである。この場合、集熱体１７裏側の
空気からの集熱は不可能であるが、裏側を密着し
て断熱することにより、集熱体裏側の結露を防
ぎ、露受け板等が不要である。次に、これらの集熱器において、パイプピツチ
Ｐを80〜100mmとするのが最適である理由を以下
に示す。家族４人構成の一般家庭住宅では、給湯量が年
平均60〜65℃で約470を必要としているため、
１時間当りで約3000Kcal／ｈの集熱が必要とな
る。冷凍サイクルの圧縮機を750Wとすると、集
熱器では必要集熱量は2000〜2500Kcal／ｈとな
る。また熱媒管１８ａ，１８ｂの全長が長くなる
と圧力損失が増大するので、全長を50〜60mまで
に抑える必要があり、この制約も含めて集熱部の
集熱面積は４〜６m²、熱媒管１８ａ，１８ｂのピ
ツチＰは80〜100mmとすることが最も望ましい。
また集熱部は２パス方式となつており、これは季
節や気象状態によつて集熱量によつて過不足が生
ずることに対処するためであり、１パス当たりの
集熱面積は２〜３m²ということになる。次に集熱器の条件として、１パス１ユニツト当
たり熱媒管１８ａ，１８ｂのピツチP80〜100mm、
集熱面積２〜３m²、集熱熱量1000〜1250Kcal／
ｈを適正条件として集熱器設計をすることが望ま
しい理由について、実験結果に基いて説明する。［実験］実験は、第１０〜１２図に示す形状の屋根一体
型集熱器について熱媒管１８ａ，１８ｂのパイプ
Ｐ＝80100120mmのものを用意し、第１６図に示す
冷凍サイクルにより集熱部Ｄの集熱熱量を測定し
た。第１６図において２８ａは機械式膨張弁、２
８ｂは手動式膨張弁、２９は循環ポンプ、３０は
熱交換器、４０は圧縮機、４１は自動給水弁を示
す。熱媒蒸発温度は、手動式膨張弁の弁開度によ
つて調整した。測定時の外気条件は、表１の通り
である。

【表】測定に当たつて、集熱部Ｄの１ユニツトを構成
する枚数（以下フイン枚数と呼ぶ）は、枚数が多
くなると全長も長くなり圧力損失も増大する。こ
れに対して熱媒を分流して流す方法を用いると圧
力損失にたいして有利になる。測定結果から全管
長60mを２パスの状態にして熱媒を流すと、圧力
損失は１Kg／cm²以下（但し、管内径は9.5mm以上）
になつて良好となるので、全管長を60m以下とし
てフイン枚数決定の条件の１つとした。そこで測
定は、フイン長さを3m、幅を160〜240mm、また
フイン枚数を10枚とした。［実験結果］以上の条件のもとに、水加熱能力が
3000Kcal／ｈとなるように熱媒管ピツチＰとフ
イン枚数を決める。必要となる集熱部Ｄの能力
は、2000〜2500Kcal／ｈ程度である。手動式膨
張弁ｂの調整により、熱媒蒸発温度を変化させ集
熱能力の変化を測定した結果を第１３図から第１
５図に示す。第１３図から第１５図における集熱
量は、フイン１枚当たりの値を示す。図中のΔT
は、外気温を熱媒蒸発温度で減じた値（ΔT＝外
気温−熱媒蒸発温度）で、日射量240Kcal／ｈm²
（中間日射）の時ΔT＝5deg，10degの２点を設定
し（実線で示す）、日射量500Kcal／ｈm²（高日
射）の時ΔT＝0deg（点線で示す）、日射量
0Kcal／ｈm²（低日射）の時ΔT＝15deg（一点鎖
線で示す）を設定し、集熱量の測定を行なつた。
この設定値は、膨張弁を自動制御にした場合、制
御範囲が過大にならないように制御の簡便性を考
慮して設定した。次に第１３図から第１５図に従つて熱媒管ピツ
チ、Ｐとフイン枚数を決める方法について説明す
る。中間日射量Ｉ＝240Kcal／ｈm²のときのΔTが
5deg〜10degの間の蒸発温度で集熱熱量が2000〜
2500Kcal／ｈ集熱できるものとし、また高日射
量Ｉ＝500Kcal／ｈm²のときのΔTが0deg以上の
熱媒蒸発温度で集熱できるものとする。この場
合、更に高日射になつた時でも所要の集熱量範囲
におさまるように、ΔTが0degの線図より上の領
域で集熱熱量が2000〜2500Kcal／ｈになるパイ
プピツチＰとフイン枚数を決めるのがよい。ま
た、低日射量Ｉ＝0Kcal／ｈm²のときΔTが15deg
以下の熱媒蒸発温度で所要の集熱熱量が集熱でき
るようにする。この低日射量Ｉ＝0Kcal／ｈm²の
ときでもできる限りΔTを小さくして、熱媒蒸発
温度を高くしたほうが熱媒流量が多くなり、
COPも向上することからΔTが15degの線より下
の領域で集熱量が取れるようにする。以上の条件と全熱媒管長さが60m以下になるよ
うにパイプピツチＰとフイン枚数を決定すると、
第１０図の形状では第１３図よりＩ＝240Kcal／
ｈm²でΔT＝５〜10degの領域でＩ＝500Kcal／ｈ
m²（ΔT＝0deg）とＩ＝０（ΔT＝15deg）の線が
存在する領域は、パイプピツチ80〜100mmのとき
である。よつてこの間で2000〜2500Kcal／ｈ集
熱できるのは、パイプピツチＰを100mm、フイン
枚数10枚のときだけである。パイプピツチＰを
100mmより大きくすると高日射量のときに集熱熱
量が過大になり熱媒が圧縮機に吸入され、吐出ガ
スの温度が非常に高くなり、圧縮機に負担がかか
る。よつてこの形状のフインの場合、パイプピツ
チＰを100mmにするのが適当である。第１４図、第１５図は、それぞれ第１１図ａ，
ｂ，ｃのフイン形状、および第１１図ａのフイン
の裏面に断熱材をつけた形状の集熱特性図を示
す。第１４図において、第１１図ａのフイン形状
を〇印で、第１１図ｂのフイン形状を△印で、第
１１図ｃのフイン形状を●印で夫々示す。第１５
図において、第１１図ａの形状に断熱材を張り合
わせたフイン形状（第１２図）を〇印で、第１１
図ｂのものに断熱材張り合わせたフイン形状（図
示せず）を△印で、第１１図ｃのものに断熱材を
張り合わせたフイン形状（図示せず）を●印で
夫々示す。以上の測定から上記と同様の検討を行なうと、
パイプピツチＰとフイン枚数の決定ができる。ま
た圧力損失低減のため、集熱部Ｄは、２パスに分
流する。この結果いづれのフイン形状についても
１パス１ユニツトとしては、パイプピツチＰ＝80
〜100mm、集熱面積はフイン枚数から２〜３m²、
集熱熱量1000〜1250Kcal／ｈの性能を持つ屋根
一体型集熱器が適当であることがわかる。測定は中間期（10月の平均的な外気条件）の状
態で行なつたが、夏期、冬期には、第１５図の冷
凍サイクルの圧縮機の容量をインバーター周波数
制御などにより変化させて、所定の水加熱能力を
保つことが可能である。即ち、夏期には圧縮機の
容量を小さくし、負担を軽くさせて過剰能力を抑
えかつ、COPを高める。冬期には圧縮機の容量
を増大させて、水加熱能力を所定の値まで高め
る。このようにして年間を通じて気象条件の変化
にかかわらず一定の能力を得ることができる。冬
期には、熱媒蒸発温度が氷点下となり集熱板表面
の露や雨水が氷になることがある。この場合にお
いても、集熱能力は氷の厚さ３mmのとき３％程度
減少する位で、除霜回路を設ける必要はない。〈効果〉以上の説明から明らかな通り、本考案による
と、太陽熱を集熱するための集熱体が屋根材とさ
れ、該集熱体が屋根の野地板に棟側から軒側へ複
数枚配列されて成る屋根一体型太陽熱集熱器にお
いて、前記集熱体は、ヒートポンプサイクル循環
熱媒を流通させるための熱媒管と、太陽熱を集熱
するための平板状の集熱板と、該集熱板の一端部
に下方内向に開口を有する断面コ字形に形成され
た被係合部と、集熱板の他端部に上方内向に開口
を有するよう断面コ字形に形成された係合部と、
集熱板の他端部に下向に形成され屋根の心木等に
固定するための取付脚とから一体的に形成されて
成り、集熱体をヒートポンプサイクル蒸発器とし
て使用しており、太陽熱のみならず外気の熱も吸
収でき、その集熱効率も向上し得るので、年間を
通じて過不足のない集熱能力を有する安定な集熱
システムを得ることができる。また、取付脚を設けて集熱体と心木との間に空
間を形成し、この空間部からも集熱しているが、
熱媒管は、各集熱板に横方向へ二列に平行に配列
され、各集熱体の幅は、各集熱板の熱媒管のピツ
チのほぼ２倍の寸法に設定され、かつ複数の集熱
体の屋根配列状態で熱媒管が等ピツチに配列され
るよう設定されているので、各熱媒管ごとに集熱
板を取り付けたものと比して集熱体の接続部が少
なくなり、屋根葺き工事の手間も少なくなり、屋
根材としての外観も良好であり、施工性や材料コ
ストも適正なものとし得る。さらに、一枚の集熱体に３本以上の熱媒管を取
り付ける場合にくらべて、集熱体の幅の狭くで
き、上部からかかる荷重に対する強度も十分に保
つことができ、従つて板厚も薄くして材料費を軽
減することができる。また、各集熱体の幅は、各集熱板の熱媒管のピ
ツチのほぼ２倍の寸法に設定され、かつ複数の集
熱体の屋根配列状態で熱媒管が等ピツチに配列さ
れるよう設定されているので、熱媒管の端部同志
をＵ字管で接続して蛇行状の熱媒流通路を配管形
成する場合、接続するＵ字管は同一寸法のものを
使用でき、その配管施工性にも優れ、かつ材料コ
ストも低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は従来例を示すもので、第１
図は平板型集熱器の外観斜視図、第２図はその断
面図、第３図は真空ガラス管型集熱器の断面図、
第４図は直膨型集熱器の外観斜視図、第５図はそ
の要部の拡大断面図、第６図は直膨型集熱器の他
の例の正面図、第７図乃至第１６図は本考案の一
実施例を示すもので、第７図は本考案に係る集熱
体の断面図、第８図は第７図の集熱体の設置状態
を示す断面図、第９図は第８図のＸ−Ｘ断面図、
第１０図はその設置状態における熱媒管ピツチを
示す断面図、第１１図は本考案の他の実施例を示
す断面図、第１２図は第１１図ａの裏面を断熱し
た場合の設置断面図、第１３図乃至第１５図は集
熱量に関する測定結果を示す図、第１６図は測定
に用いた冷凍サイクルの構成図である。１７……集熱体、１７ａ……集熱板、１８ａ，
１８ｂ……熱媒管、Ｄ……集熱器、Ｐ……熱媒管
ピツチ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

太陽熱を集熱するための集熱体が屋根材とさ
れ、該集熱体が屋根の野地板に棟側から軒側へ複
数枚配列されて成る屋根一体型太陽熱集熱器にお
いて、前記集熱体は、ヒートポンプサイクル循環
熱媒を流通させるための熱媒管と、太陽熱を集熱
するための平板状の集熱板と、該集熱板の一端部
に下方内向に開口を有する断面コ字形に形成され
た被係合部と、集熱板の他端部に上方内向に開口
を有するよう断面コ字形に形成された係合部と、
集熱板の他端部に下向に形成され屋根の心木等に
固定するための取付脚とから一体的に形成されて
成り、該係合部に、隣接する集熱体の被係合部が
係合することにより隣接する集熱体同士が結合さ
れ、前記熱媒管は、各集熱板に横方向へ二列に平
行に配列され、各集熱体の幅は、各集熱板の熱媒
管のピツチのほぼ２倍の寸法に設定され、かつ複
数の集熱体の屋根配列状態で熱媒管が等ピツチに
配列されるよう設定されたことを特徴とする屋根
一体型太陽熱集熱器。