JPS6040779B2 - ソ−ラコレクタ用熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はソーラコレクタ用熱交換器、さらに詳しくはフ
ィン効率（熱伝達率）の優れた構造を有する熱交換器に
関する。

一般に太陽熱の有効利用を図るために、第１図に示すソ
ーラシステムが用いられている。

このシステムにおいては、ソーラコレクタ１で集熱した
熱を水等の熱交換媒体を介して高温蓄熱槽２に送り、こ
こで補助加熱器３を通して供給される水を加熱し、更に
補助加熱器３で補助的加熱を行った後給傷するようにな
っている。上訪ソーラコレクタ１の熱交換器として、従
来第２図〜第４図に示す構造の集熱体が使用されている
。

第２図に示す熱交換器は、銅製の集熱用フィン４の下面
に一定間隔をもつて設けられた長手凹部４ａに銅製チュ
ーブ５の上面をろう付けにて固定して集熱体を構成した
もので、該チューブ２の管内を熱交換媒体である水が流
通し、上記フィンからの太陽熱を吸収するようになって
いる。

この熱交換器はろう付けにて製造されるため、生産性が
悪く量産できないだけでなく、フィン材とチューブ材の
加熱範囲が広くなるため、強度低下ならびに歪の増大が
避けられない。または、第３図に示すように、フィン４
′をアルミニウム押出製材で形成し、該フィンの下面に
設けられた緩め込み部４′ａに鋼製チューブ５を挿入し
て熱交換器の集熱体を製造したり、第４図に示すように
、ステンレス製フィン４″の下面に鋼製チューブ５の円
周面を突き合せ、抵抗溶接法にて溶接して熱交換器の集
熱体を製造する方法が提供されている。

これらの方法は、いずれも生産性に富み、量産可能であ
るとともにフィン材およびチューブ材の強度低下や歪の
増大を伴わないが「フィン効率（熱伝達率）が充分でな
いという重大な欠点を有している。そこで〜本発明者ら
は、このような事情に鑑み、フィン効率の優れた量産可
能な熱交換器を堤供すべく、種々研究の結果、優れたフ
ィン効率を得るためにはフィンとチューブの接合部は直
嬢溶着され、一定の溶着部中を有する必要があるとの知
見を得、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の目的は、集熱体が、平板状の集熱用
金属フィンと、該フィン長手方向に非消耗電極式溶接法
により溶着中１．５肋以上にて重ね溶接された少なくと
も１本の熱交換媒体流通用の金属チューブとからなるこ
とを特徴とするソーラコレク夕用熱交換器を提供するこ
とにある。

平板状の集熱用金属フィンは太陽熱を巣熱するに適する
素材で製造する必要があり、熱伝達率の優れた鉄、銅、
アルミニウム等の金属または合金製板の表面に通常の表
面処理にて黒色の選択吸収膜が形成されたものが通常使
用される。該金属フィンに重ね溶接されるチューブは、
その中を水等の熱交換媒体が流通するため、熱伝達率に
優れ、かつ耐食性に富む金属素材が使用される。

該チューブは有効なフィン効率を得るため、一定のフィ
ン中に対し１本ずつその長手方向に延びるように並列し
て溶接される。非消耗電極式溶接法としては、フィンと
チューブ間に所定の溶着中が形成されるものでなければ
ならず、溶着部がスポット的で、溶込み中が小さい抵抗
溶接法は適当でなく、通常ＴＩＧ溶接法、ハィパルスＴ
ＩＧ溶鞍法およびプラズマ溶接法と呼ばれる方法が含ま
れる。

重ね溶接部のフィンとチューブの綾着中のフィン効率に
及ぼす影響は、後述するように上記ＴＩＧ溶薮法で溶接
した場合、理論的にはフィンとチューブの熔着中が小さ
くてもほぼ１００％となるが、実際には上記通常のフィ
ンおよびチューブを使用すると、溶着中１．５側を境に
してそれ以下では急激にフィン効率が低下する。

このフィン効率は１％当り水温数度に匹敵するので、フ
ィン効率を最大に近い状態に維持するためには、通常、
溶着中１．５側以上であることが必要である。本発明の
目的は、耐食性の優れた熱交換器を提供することにある
。

ソーラコレクタの構造上、チューブ内には絶えず流水が
存在し、この水温は出側では８５ｑｏ以上にも達する場
合がある。

この関係でチューブ「特に溶接部の耐食性が問題とされ
るため、チューブ材料として銅を使用することが推奨さ
れる。しかしながら、水流途が大きくなったり、溶存酸
素あるいは塩素イオン量が増えると、母村に比べ、溶接
部はとくに粒界に不純物の偏析が生じやすいため、粒界
腐食を生じやすい。特に、本発明のように、非消耗電極
式溶接法により平板状のフィンにチューブを重ね溶接し
て所定の溶着中を維持する必要のある場合、溶融部がフ
ィン内面にまで達し比較的広い範囲にわたって粒界腐食
を生ずるおそれがあるため、この腐食を有効に防止する
ことが必要である。本発明者らは、かかる事情に鑑み、
さらに研究を重ねた結果、溶融部の結晶粒の大きさが４
５〃以上であると、熱交換媒体と接触する溶融部の侵食
が極めて少なくなることを見し、出し、本発明を完成し
た。

すなわちト本発明の他の目的は、集熟体が、平板状の集
熱用金属フィンと、該フィン長手方向に非消耗電極式溶
接法により重ね溶接された少なくとも１本の熱交換媒体
流通用の銅製チューブとからなり、該フィンとチューブ
との溶接部がチューブ内面に達する溶融部を有し、溶着
中が１．５肋以上であり、かつ銅製チュ−ブの溶融部の
結晶粒の大きさが４５仏以上であることを特徴とするソ
ーラコレクタ用熱交換器を提供することにある。

以下、本発明を添付図面に記載の実施例にもとずき、さ
らに詳細に説明する。第５図ＡおよびＢは本発明に係る
ソーラコレクタ用熱交換器の集熱体を示す斜視図である
。

１０は平板状の銅などの金属製フィンで、通常、フィン
中７０〜１４０肌、フィン長１の以上、フィン肉厚０．
３〜０．５側の金属板に表面処理により黒色の選択吸収
膿を形成したものを使用する。

該フィンを複数個中方向に並列に配置して所定面積を有
する集熱板を形成する。そのため、各フィンの両側端を
長手方向に沿って下方に直角に折曲してその折曲部１０
ａを第５図Ａのように当按させるかまたは第５図Ｂのよ
うに両側端から内側にかけて長手方向にギャロール圧延
を施して波形の模様をつけ、その端部をわずかに重ね合
せて接続するのが好ましい。１１は銅などの金属製チュ
ーブで、各フィンの下面にその中中心位置を長手方向に
延びるように非消耗電極式溶接法により重ね溶接される
。

該チューブ内を熱交換媒体が流通し、第１図の高温蓄熱
槽２との間を循環する。通常、上話寸法の平板状のフィ
ンを使用する場合、チューブ肉厚０．３〜１．０肌、チ
ューブ外径９〜１５側でのものを用いるのが適当である
。なお、１２はフィン１０とチューブ１１の溶接部であ
る。実施例 １ 中７０肋、長さ１００仇岬、肉厚０．３側の銅製フィン
にチューブ肉厚０．６肋、チューブ外径１．２雌での鋼
製フィンを第５図に示すように下記ＴＩＣ溶接法にて重
ね溶接して集熱体を構成し、その溶着中のフィン効率に
及ぼす影響を調べた。

結果を第７図に示す。ＴＩＣ溶接の条件 溶接方法：ハィバルスＴＩＧ 溶接電流：１００Ａ アーク電圧：１１．５Ｖ 溶接速度：２ｍ／ｍｉｎ シールドガス：Ｈｅ１５そ／ｍｉｎ 試験法 下記の外的条件下において、前述の黒色選択吸収膜を着
腰したコレクタ（巣熱体）本体にてフィン、チューブの
１分後の上昇温度を実測し、フィン効率を求めた。

フィン面への全天日射量：ｌｔ＝７０皿ｃａｌ／〆ｈｒ
外気温 ：ね＝３０ｑ０風 速
：Ｗｖ＝３ｍ／ｓｅｃ一般に理論的には、フィン
効率と渚着中の関係は次式（１），■で示すことができ
る。

Ｑ＝りＭｒ．Ａ｛Ｑ１ｒ−ｈ（Ｔ○一Ｔａ）｝ …
【１｝ただし、Ｑ：伝熱量〔Ｋｃａｌ／ｈ〕、Ａ：フィ
ンの表面積〔め〕りｅｆｆ：見かけのフィン効率（％）
、１【：日射量〔Ｋｃａｌ／〆ｈ〕Ｑ：吸収率、ｈ：対
流熱伝達係数〔Ｋｃａｌ／〆ｈ℃〕Ｔｏ：フィンの根元
の温度ＣＯ〕、Ｔａ：外気温〔℃〕ｋ：フィンの熱伝達
率〔Ｋｃａｌ／ｍｈ。

Ｃ〕Ｌ，６は第６図に示すようにフィンの半中（肌）、
溶着半中（仇）をそれぞれ示し、ｂはフィン肉厚（机）
を示す。

いま、Ｌ＝０．０３５凧（３５豚）、ｂ＝０．００３肌
（０．３肋）およびｋ＝３０腿ｃａｌ／のｈ℃であると
き、溶着中（の２＝２６）に対する見かけのフィン効率
は落着中に関係なくほぼ１００％となる。

しかしながら、実際には、第７図に示すように、溶着中
１．５肋を境にしてそれ以下では急激にフィン効率が低
下するのに対し、１．５肋以上ではフィン効率はほとん
ど変化が見られない。

実施例 ２ フィン材として０．４雌ｔの銅製フィンを用いる以外は
実施例１と同様にして集熱体を構成し、その溶着中のフ
ィン効率に及ぼす影響を調べた結果、実施例１と同様の
結果を得た。

実施例 ３ フィン材として０．６肌ｔの軟鋼製フィンを用いる以外
は実施例１と同様にして集熱体を構成し、その溶着中の
フィン効率に及ぼす影響を調べた結果、実施例１と同様
の結果を得た。

溶着中のフィン効率に及ぼす影響は材質に関係なく同機
の傾向が現われるものと思われ、通常使用される寸法の
フィンとチューブを重ね溶接する場合、少なくとも溶着
中を１．５側以上にすれば、最大のフィン効率が得られ
ると理解される。

実施例 ４溶接電流量を変化させる以外は、実施例１と
同様にして溶接電流量の銅製フィンに対する鋼製チュー
ブの溶着中および溶接部の結晶粒の大きさに及ぼす影響
を調べた。

結果を第８図に示す。この結果から、溶接電流９私以上
で溶着中が１．５肋以上となり、かつ結晶粒の大きさも
４５山を越えることがわかる。また、下記促進試験法に
より溶接部の結晶粒の大きさと侵食度の関係を調べた。

結果を第９図に示す。この結果から、チューブの肉厚０
．６肋において絶対安全城を考慮すると、母材並みの侵
食度０．３肋／３０日が適当と考えられるので、溶接部
の結晶粒の大きさは４５山以上必要であることが理解で
きる。

促進試験法 この試験法は通常使用時の数百倍の促進性があり、被試
験面にＣＩ−濃度５００個のＮａＣＩ水溶液を８ｍ／ｓ
ｅｃの流速で噴き付ける、いわゆるジェット水流促進試
験法を行ない、平均侵食度（侵食深さ）を測定する方法
で、実使用条件を考慮に入れた促進試験として良く知ら
れている。

実施例 ５ 溶接電流量を変化させる以外は、実施例３と同様にして
／・ィパルスＴＩＧ溶接法にて軟鋼製フィンに銅製チュ
ーブを重ね溶接した。

溶接電流１８０Ａの下で港着中２．１６側、Ｃｕ側溶接
部結晶粒８０仏、溶接電流２００Ａの下で溶着中２．１
９肋、Ｃｕ側溶鞍部結晶粒９０Ａの結果を得た。また、
ＸＭＡ線分折の結果、接合部近傍でＣｕ側にＦｅのわず
かな拡散が認められるのみで、チューブ内面にまで及ん
でいない。このため、チューブの耐食性は実施例４の場
合と、すなわち鋼製フィンと銅製チューブを接合する場
合と同様の結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はソーラシステムの概要図、第２図〜第４図はソ
ーラコレクタ用熱交換器に使用される従来の集熱体の部
分斜視図、第５図ＡおよびＢは本発明に係る熱交換器の
集熱体の一例を示す斜視図、第６図は第５図Ａの横断面
図、第７図は溶着中のフィン効率に及ぼす影響を示すグ
ラフ、第８図は溶接電流の港着中および溶接部の平均結
晶粒度に及ぼす影響を示すグラフ、第９図は熔接部の平
均結晶粒度と溶接部の侵食度の関係を示すグラフである
。 １０・・・・・・金属フィン、１１・・・・・・金属チ
ューフ、１２・・・・・・溶接部。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集熱体が、平板状の集熱用金属フインと、該フイン
   長手方向に非消耗電極式溶接法により溶着巾１．５ｍｍ
   以上にて重ね溶接された少なくとも１本の熱交換媒体流
   通用の金属チユーブとからなることを特徴とするソーラ
   コレクタ用熱交換器。 ２ 両端部を長手方向に沿つて直角に折り曲げ、かつ１
   本のチユーブを溶接したフインを各々の折曲部を当接さ
   せて複数並列接続した前記第１項の熱交換器。 ３ 集熱体が、平板状の集熱用金属フインと、該フイン
   長手方向に非消耗電極式溶接法により重ね溶接された少
   くとも１本の熱交換媒体流通用の銅製チユーブとからな
   り、該フインとチユーブとの溶接部がチユーブ内面に達
   する溶融部を有し、溶着巾が１．５ｍｍ以上であり、か
   つ銅製チユーブの溶融部の結晶粒の大きさが４５μ以上
   であることを特徴とするソーラコレクタ用熱交換器。