JPH11148728A

JPH11148728A - 太陽熱給湯装置及びその運転方法

Info

Publication number: JPH11148728A
Application number: JP9317119A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Sakamoto; 利彦坂本; Tateji Kotani; 立二小谷; Masahiro Ogawa; 正宏小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ポンプのランニングコストを下げ、不凍液の
熱伝導効率を上げると共に、蓄熱槽内での熱交換効率を
向上させる。【解決手段】昼間、蓄熱槽１４内の水温と集熱器１２
との温度差が設定値以上となると、循環ポンプ２０がオ
ンオフ制御されて間欠運転し、不凍液が循環し或いは停
止する。循環ポンプ２０が停止したとき、重力の作用に
よって、貯蔵タンク２２に集熱器１２の中の不凍液が回
収される。このため、集熱器１２内が空の状態となり、
熱容量が小さくなり、太陽熱で集熱器１２が高温とな
る。そして、循環ポンプ２０がオンとなると、再び集熱
器１２内を不凍液が流れ、従来方式より高温となった不
凍液が、熱交換器１６に流れ、蓄熱槽１４内の水と熱交
換される。このため、熱伝達効率が向上し、循環ポンプ
２０を間欠運転することで、運転費を削減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽熱を利用して
給湯する強制循環式の太陽熱給湯装置及びその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に示すように、強制循環式の太陽熱
給湯装置４４は、屋根等に取付けられる集熱器１２を備
えており、この集熱器１２と蓄熱槽１４内に配置された
熱交換器４６とが循環回路４８で結ばれている。

【０００３】この循環回路４８には、熱媒体としての不
凍液が循環しており、集熱器１２で吸収された太陽熱に
よって昇温された不凍液がポンプ５０で熱交換器４６へ
送られる。ここで、蓄熱槽１４内に貯められた水と熱交
換され、水の温度を段階的に高めていくようになってい
る（実開昭５８−１３１３５１号公報参照）。

【０００４】ところで、このような太陽熱給湯装置４４
には、差温サーモ５２が設けられており、この差温サー
モ５２が、高温センサー５４で検出した集熱器１２内の
不凍液の温度と、温度センサー５６で検出した蓄熱槽１
４の下部の水温との差が、設定値以上（例えば１０℃以
上）となると、タイマー５８によってポンプ５０を間欠
運転させ、循環回路４８の中の不凍液をインターバルを
おいて循環させるようになっている。

【０００５】これによって、ポンプ５０の運転費用（電
気代）が、連続運転に比べて安くなり、また、集熱器１
２内に不凍液が滞留するので、循環しているときと比較
すると、平均的集熱温度が高くなる。

【０００６】しかし、集熱器１２内が不凍液で満たされ
ていると、集熱器１２全体の熱容量が大きくなるため、
期待している程、集熱器１２から熱交換器４６へ戻る不
凍液の温度は上昇しない。

【０００７】また、ポンプ５０を停止する時間を長く設
定すると、異常に太陽光が強い日などは、不凍液の温度
が上がり過ぎて放熱損失が発生したり、最悪の場合、不
凍液が沸騰してしまうこともある。

【０００８】一方、従来の太陽熱給湯装置４４では、高
温センサー５４で検出した集熱器１２内の不凍液の温度
と、温度センサー５６で検出した蓄熱槽１４の下部の水
温との差が、設定値以下（例えば２℃以下）となると、
この差温サーモ５２が、ポンプ５０を停止するようにな
っている。

【０００９】しかし、夜間、不凍液が集熱器１２及び循
環回路４８中に残っていると、外気温が低下するに伴っ
て、不凍液を介して熱が放熱され、蓄熱槽１４の内部の
熱エネルギーが減少する。また、不凍液の温度も低下す
るので、朝方の熱交換率が悪く、トータルランニングコ
ストを下げることができなかった。

【００１０】さらに、蓄熱槽１４では、給湯口３６から
湯水が給湯されると、自動的に給水口３４から水が給水
される方式が採用されているため、蓄熱槽１４内で上層
の温水と下層の冷水との間で、水の温度を一定にしよう
とする対流が生じる。このため、蓄熱槽１４の下部に配
置された熱交換器４６による熱交換効率が余り良くな
い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は係る事実を考
慮して、ポンプのランニングコストを下げ、不凍液の熱
伝導効率を上げると共に、蓄熱槽内での熱交換効率を向
上させることを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、太陽光を集熱する集熱器と蓄熱槽内に配置された熱
交換器とが循環経路で結ばれており、この循環経路内を
熱媒体が循環する。

【００１３】そして、昼間、蓄熱槽内の水温と集熱器と
の液温との温度差が設定値以上となると、ポンプがオン
オフ制御されて間欠運転し、熱媒体が循環し或いは停滞
する。

【００１４】ここで、ポンプが停止したとき、熱媒体回
収手段によって、循環回路に設けられた集熱器の中の熱
媒体が回収される。このため、集熱器内が空の状態とな
り、熱容量が小さくなり、太陽熱で集熱器が高温とな
る。そして、ポンプがオンとなると、再び集熱器内を熱
媒体が流れ、従来方式より高温となった熱媒体が、熱交
換器に流れ、蓄熱槽内の水と熱交換される。

【００１５】このように、ポンプを間欠運転し、ポンプ
が停止している間、熱媒体を集熱器から回収すること
で、熱媒体が高温となり、熱伝達効率が向上する。ま
た、ポンプを間欠運転することで、ポンプの運転費を削
減できる。

【００１６】請求項２に記載の発明では、ポンプが停止
したとき、熱媒体回収手段が、集熱器を含む循環回路の
中の熱媒体を回収するようになっている。

【００１７】従って、ポンプの運転を停止する夜間等の
ように、外気温が低下しても、集熱器及び循環回路の中
に滞留した熱媒体を介して熱が放熱され、蓄熱槽内部の
熱エネルギーが減少することがない。また、熱媒体の温
度低下も防止できるので、朝方、蓄熱槽での熱交換率が
よくなる。なお、熱媒体回収手段の熱媒体の貯留部を断
熱構造とすることにより、熱エネルギーロスをさらに削
減できる。

【００１８】請求項３に記載の発明では、蓄熱槽内にフ
ロートが浮かんでおり、水温の変化（水の比重の変化）
に応じて浮沈する。すなわち、フロートの上下を境にし
て、蓄熱槽内の水を温水層と冷水層の２層に仕切ること
ができる。

【００１９】このフロートにより、温水層と冷水層との
対流が最小限に抑えられるので、給湯口から高温の温水
を取り出すことができ、また、蓄熱槽の下部に配置され
た熱交換器で、冷水層の冷たい水と熱媒体とを熱交換で
きるので（水と熱媒体との温度差が大きくなる）、熱交
換効率が良くなる。

【００２０】なお、冷水層で暖められて温度が上昇した
水は、フロートを通過して、温水層へ移動する。これに
よって、フロートが下降し、蓄熱槽内部が温水で満たさ
れる。

【００２１】請求項４に記載の発明では、夕方から朝方
にかけて、蓄熱槽内の水温と集熱器との温度差が所定以
下になると、ポンプを停止して、熱媒体回収手段で集熱
器を含む循環回路の中の熱媒体を回収する。このため、
熱媒体を介して熱が放熱され、蓄熱槽内部の熱エネルギ
ーが減少することがなく、また、熱媒体の温度低下も防
止できる。

【００２２】さらに、蓄熱槽内の水温と集熱器との温度
差が設定以上になると、タイマー制御でポンプを停止し
て集熱器内の熱媒体を熱媒体回収手段で回収し、一定時
間経過後、ポンプを始動して循環回路内を熱媒体を循環
させる。

【００２３】これにより、ポンプの停止時には、集熱器
の熱容量が小さくなり高温化する。この高温化した集熱
器内へ熱媒体を流すことにより、集熱器から熱交換器に
戻ってくる熱媒体が高温となり、熱伝達効率が向上す
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１に示すように、本形態に係る
太陽熱給湯装置１０は、屋根等の日照条件のよい場所に
取付けられる集熱用の集熱器１２を備えている。この集
熱器１２は、蓄熱槽１４の下部に配置された熱交換器１
６と循環回路１８で結ばれている。

【００２５】この循環回路１８には、循環ポンプ２０が
設けられており、熱媒体としての不凍液を集熱器１２へ
循環させ、太陽熱によって昇温された不凍液を熱交換器
１６へ送るようになっている。

【００２６】また、循環回路１８には、循環ポンプ２０
と熱交換器１６との間に、貯蔵タンク２２が設けられて
いる。この貯蔵タンク２２には、循環ポンプ２０を停止
したとき、重力の作用で集熱器１２内の不凍液が貯蔵さ
れ、また、貯蔵された不凍液は循環ポンプ２０が始動す
ると、再び集熱器１２へ送られるようになっている。な
お、貯蔵タンク２２は、蓄熱槽１４と共にハウジング２
４で覆われいるので、貯蔵された不凍液の温度が下がら
ない。

【００２７】一方、循環ポンプ２０には、集熱器１２の
温度を検出する高温センサー２６と、蓄熱槽１４の下部
の水温を検出する温度センサー２８とを備えた差温サー
モ３０が接続されている。この差温サーモ３０には、タ
イマー３２が接続されており、差温サーモ３０が設定さ
れた温度差（水と集熱器との温度差、本例では、１０℃
に設定）を検知すると、循環ポンプ２０が、予め設定さ
れた間隔で、間欠運転するようになっている。

【００２８】また、蓄熱槽１４の下部側壁には給水口３
４が、上部側壁には給湯口３６が設けられている。給水
口３４は給水源と給水管３８で接続されており、また、
給湯口３６は湯栓と給湯管４０で接続されている。そし
て、湯栓を開くと給湯管４０を通じて蓄熱槽１４の上層
の温かいお湯が流れると共に、蓄熱槽１４に給湯負荷が
発生する。これにより、給水管３８を通じて、給水源か
ら蓄熱槽１４の下層へ冷水が補給される。

【００２９】さらに、蓄熱槽１４に貯水された水には、
断熱フロート４２が浮かべられている。断熱フロート４
２は、円筒状の蓄熱槽１４の内周壁との間に通水可能な
隙間が生じる大きさの円板で、気泡体を有する高分子系
の材料で成形されている。

【００３０】そして、水温の変化（水の比重の変化）に
よって浮沈し、例えば、図１に示すように、蓄熱槽１４
が温水で満たされているときは、下方へ沈み、また、図
２に示すように、蓄熱槽１４が冷水で満たされていると
きは、上方へ浮上して、いずれも場合にも、蓄熱槽１４
内の水を冷水と温水とに仕切る。

【００３１】次に、図３のフローチャートを参照して、
本形態に係る太陽熱給湯装置１０の作用を説明する。

【００３２】朝方、太陽熱が集熱器１２に当たり始める
と、集熱器１２の温度が上昇し、蓄熱槽１４の下層にあ
る冷水との間に温度差がつき始める。

【００３３】ステップ１００で、差温サーモ３０が設定
された温度差Ａ（本例では、１０℃）に達したと判断す
ると、ステップ１０２でタイマー３２が作動する。これ
により、ステップ１０４で、循環ポンプ２０が運転を開
始し、ステップ１０６で設定された運転時間が経過しか
た否か判断される。

【００３４】このように、循環ポンプ２０が運転を開始
すると、貯蔵タンク２２に貯蔵された不凍液が、循環回
路１８内を循環して、集熱器１２で温められ、熱交換器
１６に送られる。ここで、不凍液と冷水とが熱交換さ
れ、冷水は温水となり、不凍液の温度は下降し、貯蔵タ
ンク２２を通過して、再び集熱器１２へ送られ温められ
る。この工程を繰り返すことにより、蓄熱槽１４内の冷
水が熱交換されて温められる。

【００３５】また、ステップ１０６において、設定され
た運転時間を経過したと判断されると、ステップ１０８
で、循環ポンプ２０が停止される。このように、循環ポ
ンプ２０を停止させることで、集熱器１２内の不凍液
が、重力の作用で排出され貯蔵タンク２２に戻る。この
結果、集熱器１２の熱容量が小さくなり、太陽熱で集熱
器１２が高温になる。

【００３６】次に、ステップ１１０で、設定された停止
時間が経過したか否か判断され、停止時間が経過したと
判断されると、ステップ１００へ移行し、温度差Ａであ
れば、再び循環ポンプ２０が運転を始める。これによっ
て、高温化した集熱器１２内へ不凍液が流れ、集熱器１
２から熱交換器１６に戻ってくる不凍液が高温となり、
熱伝達効率が向上する。

【００３７】また、ステップ１１０で、循環ポンプ２０
の停止時間が経過する前に（循環ポンプの停止中）、ス
テップ１１２で、差温サーモ３０が設定された温度差Ｂ
（本例では、２℃）に達したと判断すると、ステップ１
００に移行し、温度差Ａとなるまで判断を繰り返し、循
環ポンプ２０は停止する。

【００３８】さらに、ステップ１０６で、循環ポンプ２
０の運転時間が経過する前に（循環ポンプの運転中）、
ステップ１１４で、差温サーモ３０が設定された温度差
Ｂに達したと判断すると、ステップ１００に移行し、温
度差Ａとなるまで判断を繰り返し、循環ポンプ２０は停
止する。

【００３９】このようにして、夜間等のように、循環ポ
ンプ２０が長い時間停止すると、重力の作用によって、
集熱器１２及び循環回路１８の中の不凍液が全て、貯蔵
タンク２２に回収される。このため、外気温が低下して
も、不凍液を介して熱が放熱され、蓄熱槽１４内部の熱
エネルギーが減少することがない。また、不凍液の温度
低下も防止できるので、朝方の熱交換率がよくなる。

【００４０】一方、蓄熱槽１４に貯水された水には断熱
フロート４２が浮かんでおり、水温の変化（水の比重の
変化）に応じて浮沈する。これにより、蓄熱槽１４の中
は、断熱フロート４２の上下を境にして、温水層Ｈと冷
水層Ｃの２層に仕切られている。

【００４１】この断熱フロート４２により、温水層Ｈと
冷水層Ｃとの対流が最小限に抑えられるので、給湯口３
６から高温の温水を取り出すことができ、また、蓄熱槽
１４の下部に配置された熱交換器１６で、冷水層Ｃの冷
たい水と不凍液とを熱交換できるので（水と不凍液との
温度差が大きくなる）、熱交換効率が良くなる。

【００４２】なお、図１及び図２に示すように、冷水層
Ｃで暖められて温度が上昇した水は、断熱フロート４２
と蓄熱槽１４の内壁との間を通過して、温水層Ｈへ移動
する。これによって、断熱フロート４２が下降し、蓄熱
槽１４の内部が温水で満たされる。

【００４３】また、図４及び図５に示すように、断熱フ
ロート６０の外径を蓄熱槽１４の内径と略同じとし、断
熱フロート６０に複数の貫通孔４４を形成して、この貫
通孔４４から温水が温水層Ｈへ移動できるようにしても
よい。

【００４４】

【発明の効果】本発明は上記構成としたので、ポンプの
ランニングコストを下げることができ、不凍液の熱伝導
効率を上げ、蓄熱槽内の湯温を従来より高温にすること
ができる。また、夜間において、熱媒体を通じて、熱エ
ネルギーの放出を防止することができる。

【００４５】さらに、蓄熱槽内を温水層と冷水層の２層
に分けることで、蓄熱槽内での熱交換効率を向上させ、
トータルランニングコストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本形態に係る太陽熱給湯装置を示す回路図であ
る。

【図２】本形態に係る太陽熱給湯装置の貯蔵タンクを示
す説明図である。

【図３】本形態に係る太陽熱給湯装置のフローチャート
である。

【図４】本形態に係る太陽熱給湯装置の貯蔵タンクの断
熱フロートの変形例を示した説明図である。

【図５】本形態に係る太陽熱給湯装置の貯蔵タンクの断
熱フロートの変形例を示した説明図である。

【図６】従来の太陽熱給湯装置を示す回路図である。

【符号の説明】

１２集熱器１４蓄熱槽１６熱交換器１８循環回路２０循環ポンプ（ポンプ）２２貯蔵タンク（熱媒体回収手段）３０差温サーモ（制御手段）３２タイマー（制御手段）４２断熱フロート（フロート）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水が貯水される蓄熱槽と、前記蓄熱槽内
に配置された熱交換器と、太陽光を集熱する集熱器と、
前記集熱器と前記熱交換器との間に熱媒体が循環する経
路を構成する循環回路と、前記循環回路に配置され前記
熱媒体を循環させるポンプと、前記蓄熱槽下部の水温と
前記集熱器との温度差に応じて、前記ポンプを所定の間
隔でオンオフ制御する制御手段と、前記循環回路に設け
られ前記ポンプがオフしたとき、前記集熱器の中の前記
熱媒体を回収する熱媒体回収手段と、を有することを特
徴とする太陽熱給湯装置。
【請求項２】前記熱媒体回収手段が、前記ポンプがオ
フしたとき、前記集熱器を含む前記循環回路の中の前記
熱媒体を回収することを特徴とする請求項１に記載の太
陽熱給湯装置。
【請求項３】前記蓄熱槽内の水温変化に応じて浮沈す
ると共に、前記熱交換器で昇温した水の通過を許容する
フロートを有することを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の太陽熱給湯装置。
【請求項４】蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に配置された熱
交換器と、太陽光を集熱する集熱器と、前記集熱器と前
記熱交換器との間を熱媒体が循環する経路を構成する循
環回路と、前記循環回路に配置され前記熱媒体を循環さ
せるポンプと、前記循環回路に設けられ前記熱媒体を回
収可能な熱媒体回収手段と、を備えた太陽熱給湯装置に
用いられ、夕方から朝方にかけて、前記蓄熱槽下部の水温と前記集
熱器との温度差が設定以下になると、前記集熱器を含む
前記循環回路の中の前記熱媒体を熱媒体回収手段で回収
し、また、前記蓄熱槽下部の水温と前記集熱器との温度
差が設定以上になると、ポンプをタイマー制御で間欠運
転させ、停止時に集熱器内の熱媒体を熱媒体回収手段で
回収し、運転時に、前記循環回路内を熱媒体を循環させ
ることを特徴とする太陽熱給湯装置の運転方法。