JPH10111026A - 太陽熱コレクター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 金属繊維群層により、熱交換面積等を大幅に
増加して、太陽熱エネルギーの吸収、熱伝導及び熱交換
性能を大幅に高めて、集熱性能を著しく向上せしむる。 【解決手段】 多数本の金属繊維２を綿状に形成した金
属繊維群を金属板１の上面１ａに焼結して、金属繊維２
の間に熱媒体１１の流通間隙ｄを形成し太陽熱エネルギ
ー１０を吸収して熱伝導して熱媒体１１に熱交換する金
属繊維層３を金属板１上に焼結２ａしてなる熱交換モジ
ュールを具備し、前記の太陽熱コレクターにおいて、金
属繊維層３の金属繊維２は、繊維の体積Ｖに対る表面積
Ｓの比率Ｓ／Ｖが大きい丸細線又は異形細線に形成し、
前記の金属繊維層３の金属繊維２をステンレス鋼製の金
属板１に焼結２ａし、前記の金属繊維層３の金属繊維２
を銅製として銅製の金属板１に焼結２ａし、又は銅鉄合
金製あるいはステンレス銅製の金属板１に焼結２ａした
ことを特徴を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽熱エネルギー
を吸収、集熱して給湯や加熱、冷却用等の熱源として供
給する太陽熱コレクターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽熱コレクターは、通常、図２
に示すようなパネルａ１と、パネルに連結したポンプｐ
付き循環路ａ２を有し、例えば、図３に示すような複数
の熱交換モジュールｂをパネルａ１内に組み込み、各熱
交換モジュールのステンレス鋼管ｂ３により、ガラス管
ｂ１及び真空層ｂ２を介し太陽光Ｓを受けて太陽熱エネ
ルギーを効果的に吸収して、ステンレス鋼管ｂ３を流通
する熱媒体（水等）Ｆ１に熱交換し、各熱交換モジュー
ルｂにおいて熱交換を繰り返し次第に高温にして集熱す
る太陽熱コレクターａになつている。また、循環路ａ２
の高温側の一部を熱交換パイプｃ１にした熱交換器ｃを
併設し、熱交換器によつて熱媒体（水等）Ｆ２に熱交換
して、給湯や加熱用、冷房用等の熱源として汎用されて
いる。図中ｂ４は熱媒体Ｆ１の流入パイプ、ｂ５はその
循環路を示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽熱コレクタ
ーは、前記のように熱交換モジュールのステンレス鋼管
によつて太陽熱エネルギーを吸収し、この内面で熱媒体
に熱交換して集熱する構造になつているため、太陽光の
受光面積及び熱媒体との熱交換面積に限界があつて、太
陽熱エネルギーの吸収効率、熱交換効率、即ち集熱性能
に限界がある。また、集熱性能を高めるため多数の熱交
換モジュールを必要とし大型になつてコスト高になるな
どの課題がある。

【０００４】本発明は、前記のような課題を解決するた
めに開発されたものであつて、その目的とする処は、金
属板上に焼結して固着した金属繊維層により、太陽光の
受光面積及び熱媒体との熱交換面積を大幅に増加して、
その吸収、熱伝導及び熱交換性能を高めるなど、集熱性
能、信頼性を向上して小形化した太陽熱コレクターを提
供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、パネル内に組
み込んだ熱交換モジュールによつて太陽熱エネルギーを
吸収し熱媒体に熱交換して集熱する太陽熱コレクターに
おいて、多数本の金属繊維を綿状に形成した金属繊維群
を金属板の上面に焼結して、金属繊維の間に熱媒体の流
通間隙を形成し太陽熱エネルギーを吸収して熱伝導し熱
媒体に熱交換する金属繊維層を金属板上に焼結してなる
熱交換モジュールを具備した太陽熱コレクターに特徴を
有し、この金属繊維層は、多数の金属繊維の広い表面の
ほぼ全域で太陽熱エネルギーを効果的に吸収して熱伝導
するとともに、この広い表面の全域で流通する熱媒体に
効果的に熱交換して、優れた太陽熱エネルギーの吸収、
熱伝導及び熱交換性能を有し、集熱性能、信頼性を大幅
に高めている。

【０００６】また、前記の太陽熱コレクターにおいて、
金属繊維層の金属繊維は、金属繊維の体積に対する表面
積の比率が大きい丸細線又は異形細線に形成して、各金
属繊維における熱吸収とともに熱伝導及び熱交換性能を
さらに高めている。

【０００７】前記の金属繊維層の金属繊維をステンレス
鋼製としてステンレス鋼製の金属板に焼結して、金属繊
維及び金属板を耐食性とともに高強度で良好な熱伝導性
にして、太陽熱エネルギーの吸収、熱伝導及び熱交換性
能とともに耐久性を高めている。又は、前記の金属繊維
層の金属繊維を銅製とし銅製の金属板に焼結して、熱吸
収、熱伝導及び熱交換性能を高めている。又は、金属繊
維層の金属繊維を銅鉄合金製として銅鉄合金製又はステ
ンレス鋼製の金属板に焼結して、その銅と鉄の両特性を
発揮せしめ、熱吸収とともに熱伝導及び熱交換性能さら
に耐久性を高めるなどして、総合的に優れた太陽熱エネ
ルギーの吸収、熱伝導及び熱交換性能を有し、集熱性能
を著しく高めている。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１Ａに本発明の太陽熱コレクタ
ーに適用する熱交換モジュールの一実施例の斜視図、図
１ＢにそのＸ−Ｘ部分の拡大縦断面図、図１ＣにＹ−Ｙ
部の拡大横断面図を示している。図中１はステンレス鋼
製や銅製又は銅鉄合金製の金属板、２はステンレス鋼製
や銅製又は銅鉄合金製の金属繊維、２ａは金属板と金属
繊維との焼結、３は多数本の金属繊維で形成した金属繊
維層、ｄは金属繊維層の金属繊維の間に形成された連続
した多数の流通間隙、１０は太陽光、及び１１は熱媒体
である。

【０００９】図示の実施例は、パネル内に組み込んだ熱
交換モジュールによつて太陽熱エネルギーを吸収し熱媒
体に熱交換して集熱する太陽熱コレクターにおいて、多
数本の金属繊維２を綿状に形成した金属繊維群を金属板
１の上面に焼結２ａして、金属繊維２の間に熱媒体１１
の流通間隙ｄを形成し太陽熱エネルギー１０を吸収して
熱伝導し熱媒体１１に熱交換する金属繊維層３を金属板
１上に焼結２ａしてなる熱交換モジュールを具備した太
陽熱コレクターになつている。

【００１０】また、前記の太陽熱コレクターにおいて、
金属繊維層３の金属繊維２は、繊維の体積Ｖに対する表
面積Ｓの比率Ｓ／Ｖが大きい丸細線又は異形細線に形成
したことに特徴を有する太陽熱コレクターになつてい
る。

【００１１】前記の金属繊維層３の金属繊維２をステン
レス鋼製としてステンレス鋼製の金属板１に焼結２ａし
たことを特徴とする太陽熱コレクターになつている。

【００１２】前記の金属繊維層３の金属繊維２を銅製と
して銅製の金属板１に焼結２ａし、又は金属繊維層３の
金属繊維２を銅鉄合金製として銅鉄合金製あるいはステ
ンレス鋼製の金属板１に焼結２ａしたことを特徴とする
太陽熱コレクターになつている。

【００１３】さらに詳述すると、金属板１は、耐食性と
ともに高強度で良好な熱伝導性を有するステンレス鋼製
や、耐食性とともに優れた熱伝導性を有する銅製、又は
耐食性とともに高強度で優れた熱伝導性を有する高い銅
含有率の銅鉄合金製とし適宜の厚さに形成して、金属板
１の上面１ａに金属繊維層３を焼結２ａして支持すると
ともに、金属繊維層が吸収した太陽熱エネルギーを焼結
２ａ部から熱伝導し、この上面１ａにおいても熱媒体１
１に熱交換する構造になつている。

【００１４】また、金属繊維層３を構成する金属繊維
は、前記のような特性を有するステンレス鋼製や、銅
製、又は高い銅含有率の銅鉄合金製とし、流通される熱
媒体１１で格別に振動、損傷されない適度の細径に伸延
加工して、例えば、０．１ｍｍφ前後の細い金属繊維に
加工している。この金属繊維２において断面積をＡ、繊
維の長さをＬとすると、単位当たりの繊維の体積Ｖ＝Ａ
・Ｌ、表面積Ｓ＝周長×Ｌと表わされ、この熱伝導容量
及び熱伝達容量は、 熱伝導容量＝熱伝導率×断面積Ａ×温度傾斜 熱伝達容量＝熱伝導率×表面積Ｓ×温度差 上式によつて算出され、この金属繊維２は、単位当たり
の体積Ｖに対する表面積Ｓの比率Ｓ／Ｖが大きい丸細線
又は異形細線（凹凸表面）に形成して、太陽熱エネルギ
ーの吸収とともに熱伝導及び熱伝達性能（熱交換性能）
を高めている。この優れた熱伝達性能によつて温度傾斜
が大きくなり熱伝導量が増加される。

【００１５】金属繊維層３は、前記の金属繊維２の多数
本を適宜の手段で開繊等して綿状とし、金属繊維の間に
連続した適度の流通間隙ｄを多数形成したマツト状の金
属繊維群にして、この金属繊維群を金属板１上に適宜の
手段で適度に圧接して焼結炉の真空雰囲気で焼結するこ
とにより、この金属繊維群を金属板１の上面１ａに焼結
２ａして固着した構造になつている。また、必要に応じ
金属繊維を予め凹凸つけしたり又は螺旋状等に形成した
後に開繊して綿状に形成することにより、金属繊維層３
の厚さサイズや、熱媒体１１を流通せしめる連続した流
通間隙ｄの形成精度等をさらに高めることができる。

【００１６】図１Ｂ，Ｃに示している金属繊維層３の金
属繊維２は、ほぼ均等な形状とし、繊維相互間の流通間
隙ｄを大きく図示しているが、具体的には、各金属繊維
２の形状は開繊等で多様になり、流通間隙ｄは、熱媒体
１１の流通性を確保するとともに、各金属繊維の表面と
の接触性を高めるように適度に小さく形成している。ま
た、金属繊維２の線径及び開繊密度は、太陽熱エネルギ
ーの吸収に効果的に形成するとともに、吸収した太陽熱
エネルギーに対応させて熱伝導容量を高めている。さら
に、金属繊維群の焼結によつて金属繊維の相互接触部で
も適度の焼結部が形成され、金属繊維層３の層厚や繊維
の形状、流通間隙等が安定した構造になつている。この
金属繊維層３は、多数の金属繊維２の広い表面のほぼ全
域で太陽光１０を受光し太陽熱エネルギーを効果的に吸
収して熱伝導するとともに、広い表面の全域で熱媒体１
１と熱交換して集熱するなど、太陽熱エネルギーの吸
収、熱伝導とともに熱交換性能が大幅に高められ優れた
集熱性能を発揮する。

【００１７】前記の熱交換モジュールは、前記のように
金属板１と、金属板１の上面１ａに焼結２ａして固着し
た金属繊維層３によつて構成され、必要に応じ図示のよ
うに金属板１及び金属繊維層３の両側部にステンレス鋼
製や合成樹脂製の側板５を設けて、両板５の間にガラス
板や合成樹脂の透明板６を配設するなどして太陽熱コレ
クターのパネル部に組み込まれる。この熱交換モジュー
ルの金属繊維層３は、各金属繊維２の表面のほぼ全域で
太陽光１０を受光して、太陽熱エネルギーを効果的に吸
収して熱伝導する。また、熱媒体１１は、矢示のように
金属繊維層３の全域に形成された多数の流通間隙ｄ内を
格別な流通抵抗もなく流通し、多数の金属繊維２の広い
表面の全域で熱交換する。さらに、この優れた熱交換性
能によつて各金属繊維における温度傾斜が増加され、金
属板１は各金属繊維の熱伝導を助長するとともにこの上
面１ａでも熱交換する。従来のパイプ式熱交換モジュー
ルに比べ十数倍以上の熱伝熱面積が確保されて、太陽熱
エネルギーの吸収及び熱伝導とともに熱交換の効率が十
数倍以上に高められるなど、総合的に優れた太陽熱エネ
ルギーの吸収性能、熱交換性能が得られる。従って、熱
媒体１１が急速に加温されて高温に達する。

【００１８】本発明の熱交換モジュールは、図示のよう
に比較的に簡単な機構に形成され、前記のように太陽熱
エネルギーの吸収性能、熱交換性能が大幅に向上されて
いるため、大幅に小形化及びコスト節減される。

【００１９】前記の熱交換モジュールにおいて、ステン
レス鋼製の金属繊維２によつて金属繊維層３を形成した
場合は、この金属繊維層３を同様なステンレス鋼製の金
属板１に焼結２ａして構成される。ステンレス鋼材は、
耐食性とともに高強度で良好な熱吸収、熱伝導とともに
熱交換性能を有し耐久性が高められる。

【００２０】また、銅製の金属繊維２によつて金属繊維
層３を形成した場合は、この金属繊維層３を同様な銅製
の金属板１に焼結２ａして構成される。銅材は、耐食性
とともに優れた熱伝導性を有し、太陽熱エネルギーの吸
収、熱伝導とともに熱交換性能がさらに高められる。ま
た、強度の低下は繊維径の増加等で対処される。

【００２１】また、銅鉄合金製の金属繊維２によつて金
属繊維層３を形成した場合は、この金属繊維層３を同様
な鉄合金製又はステンレス鋼製の金属板１に焼結２ａし
て構成される。この銅鉄合金材は、好ましくは銅含有率
を２０ｗｔ％〜８０ｗｔ％程度に高めた銅鉄合金材が適
用される。従来の銅鉄合金材は銅含有率が１０ｗｔ％程
度になつていたが、前記のように高い銅含有率の銅鉄合
金を溶解して小さいノズルから水中に自然落下させて急
冷する鋳造方法により、高い銅含有率の銅鉄合金の線材
を均質に製造し、さらに延伸加工して前記のような細い
銅鉄合金繊維に製造する技術を開発した。この高い銅含
有率の銅鉄合金繊維は、銅及び鉄の両特性に有し耐食
性、高強度とともに優れた熱吸収、熱伝導性及び熱伝達
性能が得られ、ステンレス鋼材との焼結も可能になるな
ど、太陽熱エネルギーの吸収、熱伝導とともに熱伝達性
能が効果的に高められて、優れた熱交換、集熱性能とと
もに耐久性が得られる。

【００２２】前記の実施例において、必要に応じ金属繊
維層３の上部に同様な材質の金属繊維を適度の密度で焼
結したり、又は、必要に応じ金属繊維層３の上部に同様
な材質製の帯状で薄い金属板を適度の間隔で焼結したり
して、金属繊維層３の上部を適度に補強するとともに熱
吸収や熱交換性能等をさらに高めることも可能である
（図示省略）。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、前述のようにパネル内に組み
込んだ熱交換モジュールによつて太陽熱エネルギーを吸
収し熱媒体に熱交換して集熱する太陽熱コレクターにお
いて、多数本の金属繊維を綿状に形成した金属繊維群を
金属板の上面に焼結して固着した金属繊維層によつて、
多数の金属繊維の広い表面のほぼ全域で太陽熱エネルギ
ーを効果的に吸収して熱伝導するとともに、この広い表
面の全域で多数の流通間隙を流通する熱媒体に熱交換
し、金属板は熱伝導を助長し上面で熱媒体に熱交換する
など、太陽熱エネルギーの吸収、熱伝導性能及び熱交換
性能を大幅に高め、集熱性能を格段に向上している。

【００２４】また、前記の金属繊維層の金属繊維は、繊
維の体積に対する表面積の比率が大きい丸細線又は異形
細線に形成して、各金属繊維における熱吸収、熱伝導及
び熱交換性能をさらに高めている。

【００２５】前記の金属繊維層の金属繊維をステンレス
鋼製としてステンレス鋼製の金属板に焼結して、耐食性
とともに高強度で優れた熱伝導性とし、吸収、熱伝導及
び熱交換性能とともに耐久性を高めている。又は、前記
の金属繊維層の金属繊維を銅製として銅製の金属板に焼
結して、熱吸収、熱伝導及び性能、熱交換性能をさらに
高めている。又は、金属繊維層の金属繊維を銅鉄合金製
として銅鉄合金製あるいはステンレス鋼製の金属板に焼
結して、銅と鉄の両特性を有し熱吸収、熱伝導とともに
熱交換性能及び耐久性を高めるなど、総合的に太陽熱エ
ネルギーの吸収性能、熱伝導及び熱交換性能を大幅に高
めて、集熱性能を著しく向上している。従ってまた、大
幅な機構簡素化及び小形化が可能になるとともに低コス
トで提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す太陽熱コレクターの熱
交換モジュールの斜視図（Ａ）とそのＸ−Ｘ部分の拡大
縦断面図（Ｂ）及びＹ−Ｙ部の拡大横断面図（Ｃ）

【図２】太陽熱コレクターの従来例を示す縦断機構図

【図３】太陽熱コレクターの熱交換モジュールの従来例
を示す横断面図である。

【符号の説明】

１ 金属板 １ａ 上面（金属板） ２ 金属繊維 ２ａ 焼結 ３ 金属繊維層 １０ 太陽熱エネルギー（又は太陽光） １１ 熱媒体 ｄ 流通間隙

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パネル内に組み込んだ熱交換モジュール
   によつて太陽熱エネルギーを吸収し熱媒体に熱交換して
   集熱する太陽熱コレクターにおいて、多数本の金属繊維
   を綿状に形成した金属繊維群を金属板の上面に焼結し
   て、金属繊維の間に熱媒体の流通間隙を形成し太陽熱エ
   ネルギーを吸収して熱伝導し熱媒体に熱交換する金属繊
   維層を金属板上に焼結してなる熱交換モジュールを具備
   したことを特徴とする太陽熱コレクター。
2. 【請求項２】 請求項１記載の太陽熱コレクターにおい
   て、前記の金属繊維層の金属繊維は、金属繊維の体積に
   対する表面積の比率が大きい丸細線又は異形細線に形成
   したことを特徴とする太陽熱コレクター。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の太陽熱コレ
   クターにおいて、前記の金属繊維層の金属繊維をステン
   レス鋼製としてステンレス鋼製の金属板に焼結したこと
   を特徴とする太陽熱コレクター。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２記載の太陽熱コレ
   クターにおいて、前記の金属繊維層の金属繊維を銅製と
   して銅製の金属板に焼結し、又は金属繊維層の金属繊維
   を銅鉄合金製として銅鉄合金製あるいはステンレス鋼製
   の金属板に焼結したことを特徴とする太陽熱コレクタ
   ー。