JP3881575B2

JP3881575B2 - 太陽熱利用集熱器及びそれを用いた給湯装置

Info

Publication number: JP3881575B2
Application number: JP2002092554A
Authority: JP
Inventors: 満雄山下; 恭一茨木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003287290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集熱板に設けた中空部に作動媒体を入れ、これを太陽熱により気化させた後に、集熱板内に設けた熱媒管により液化させ、集熱板の内外を循環させる熱媒を加熱するように構成した太陽熱利用集熱器、およびそれを用いた給湯装置に関する。
【０００２】
【従来技術及びその課題】
従来、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートパイプ５２を利用した真空管式の太陽熱利用集熱装置Ｊ１が知られている。これは、太陽熱を吸収するのに適した金属製の集熱板５１が取付けられた金属製のヒートパイプ５２が真空のガラス管５３内に設けられ、ガラス管５３の一端に形成された金属とガラスとの融着部５４を介して、ヒートパイプ５２の一端部がガラス管５３の外部へ導出されて構成されている。
【０００３】
ここで、ヒートパイプ５２の内部には熱を移動させるための作動媒体が封入されており、このヒートパイプ５２のガラス管５３の一端から導出された端部５５は、水を加熱させるための熱交換器に相当する凝縮部として作用する。端部５５は水が流れる流路内に配設され、この箇所で水を加熱させるようにしている。すなわち、集熱板５１が太陽熱を吸収し、この熱をヒートパイプ５２に伝達する。ヒートパイプ５２内の作動媒体は、液体から気体に相変化し凝縮部５５へ熱を移動させる。そして、凝縮部５５で流路内の水に熱を奪われ、気体から液体へ相変化することで作動媒体は元に戻る。
【０００４】
このような太陽熱利用集熱装置Ｊ１では、ヒートパイプ５２は金属製であるので、ガラス管５３の一端部の融着部５４においては、金属とガラスとの異種材料の接合が必要となることから、この接合部で真空漏れが生じやすく、ヒートパイプを効果的に加熱できないなどの問題があった。
【０００５】
また、板状のヒートパイプを使用した集熱板を備えた太陽熱利用集熱装置では、集熱板に取付けた管に熱媒を流す方式を採用する。例えば、図１２に示すように、集熱板６０の平面形状が逆台形状の場合、集熱板６０内に設けられた熱媒管６１の熱媒の流れる経路の長さが場所により異なるので、集熱板６０下部に液体として存在する熱媒が加熱されて蒸発すると、熱媒は最も短い経路６１ａに多く流れる。そして上部に位置する経路６１ｂ側に近いほど蒸発した熱媒が流れにくいので、熱媒管６１内の熱媒の流れが不均一になり、その結果、熱媒管入口６２近くでは熱交換が効率よく行なわれるが、熱媒管出口６３近くでは熱交換があまり行なわれず、全体として集熱効率が低下するという不具合がある。
【０００６】
また、前記集熱板６０をヒートパイプを使用した集熱板とした場合においては、熱媒管入口６２から水や熱媒を入れるもの以外に、凝縮部６５自体を熱交換を行なわせるために貯湯漕内に入れているものもある。この場合、集熱板を貯湯漕とセットで設置する必要があり、設置の自由度がなくなるといった問題がある。このような不具合を考慮し、一般に、集熱器の平面形状は、熱媒流路長が均一に出来る四角形が採用されている。
【０００７】
近年では、図１３に示すように、家屋において棟７３が寄った寄棟屋根Ｙへの太陽熱利用集熱装置の設置が要望されている。また、出窓７５などを配したものもある。ところが、多数の集熱装置を設置する場合は、従来の主面平面外形が矩形状の集熱装置Ｊ２のみを配置しようとすれば、屋根の隅部に設置できない空き領域７０，７１，７２ができ、屋根外観が損なうだけでなく、設置場所の有効利用を図ることができない。
【０００８】
そこで、本発明では従来のヒートパイプを用いた真空管式の太陽熱利用集熱装置の問題を解消するとともに、構成が簡便でしかも効率良く集熱を行うことができ、寄棟等の各種屋根形状にも設置の対応が可能で設置場所の有効利用が図れる、優れた太陽熱利用集熱器及びそれを利用した給湯装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽熱利用集熱器は、平面形状が三角形状、台形状、または平行四辺形状をなす集熱板に、液体の作動媒体を封入した互いに連結し合う複数の中空部を設け、該複数の中空部のうち前記集熱板の上辺部に配された中空部を挿通した少なくとも１本の熱媒管を備え、前記上辺部と鋭角をなす斜辺部に配された中空部と、前記上辺部に配された中空部と、を橋渡しするように設けられた中空部を有し、前記斜辺部に配された中空部に少量の作動媒体が残留する滞留部を設けたことを特徴とする。
また、本発明の他の太陽熱利用集熱器は、前記熱媒管の外周下方に該熱媒管の長手方向に沿って突出部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の給湯装置は、請求項１または２に記載の太陽熱利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを熱媒を循環させる循環配管で接続するとともに、該循環配管内の熱媒を用いて前記貯湯槽内の水を加熱するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態について模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明の太陽熱利用集熱器Ｓ１の平面図を示し、図示上部が太陽熱利用集熱器Ｓ１の上部に位置するものとする。図２に図１におけるＡ−Ａ線断面図を示す。なお、図１において矢印は熱媒の流れる方向の一例を示す。
【００１３】
これら図面に示すように、太陽熱利用集熱器Ｓ１は液体の作動媒体Ｌを封入した中空部１ａを内部に密閉状態で形成した集熱板１と、この集熱板１の中空部１ａに挿通した熱媒管であるヘッダー管２Ａ（熱媒の流れが図示の場合、熱媒の往き配管），２Ｂ（熱媒の流れが図示の場合、熱媒の戻り配管）とを備える。
【００１４】
ここで、集熱板１は例えばアルミニウム等の成形性が良好な材料から成る板状体の２枚のそれぞれを所定形状に成形した後に、両者を接合して密閉空間内に作動媒体Ｌを封入するとともに、接合体の一端部にヘッダー管２Ａ，２Ｂを挿通させて構成したものである。作動媒体Ｌには、アンモニア、フロン、プロピレングリコール、液体ＣＯ２等の容易に凍結しない液体を使用する。
【００１５】
また、ヘッダー管２Ａ，２Ｂは、銅等の伝熱性に優れた材料から成るパイプを用い、この中に循環媒体である熱媒を入れている。熱媒には水やプロピレングリコール等の不凍液を用いる。
【００１６】
このように構成された太陽熱利用集熱器Ｓ１によれば、前述したヒートパイプと同様な原理で、集熱板１内の作動媒体Ｌが太陽熱により気化され、この気化した作動媒体はヘッダー管２Ａ，２Ｂの外周部で液化し、作動媒体は液体→気体→液体・・・の相変化が繰り返されることになる。これにより、集熱板１の内外を循環させる熱媒を加熱することができる。
【００１７】
ヘッダー管２Ａ，２Ｂの外周には、ヘッダー管と同様な材料で突出部３を長尺で鉛直方向に形成しているので、気化した作動媒体Ｌを効率よく液化（凝縮）させることができ、ヘッダー管内の熱媒を効率よく加熱できる。さらに、相変化した液体を集熱板１の下方へ確実に滴下させることが可能である。なお、図２には傾斜角度θで傾斜した屋根に集熱板１を配設した場合の集熱板１の内部における様子を示しており、白矢印は作動媒体Ｌが気化して、その気体が中空部１ａ内を上昇していく様子を示している。
【００１８】
一方、三角形状、台形状、または平行四辺形状の場合、凝縮し液化した作動媒体Ｌは底部Ｕに溜り、再び加熱されて蒸発するが、このとき気化した作動媒体Ｌはヘッダー管への最短距離である中空部１ｂを経路として選択するため、斜辺部Ｒと繋がる中空部１ｃには気化した作動媒体Ｌがほとんど通らず、結果、ヘッダー管２Ａ、２Ｂの中空部１ｃに面した部分はヘッダー管内の熱媒を効率よく加熱することができない。そこで、斜辺部Ｒ上に作動媒体Ｌが滞留する滞留部（滞留構造）１５を設け、底部Ｕの作動媒体Ｌに頼らずとも、ヘッダー管２Ａ、２Ｂの中空部１ｃに面した部分に気化した作動媒体Ｌが当たるようにする。滞留部１５に溜まる作動媒体Ｌの容量は、気化した際に各々の上部中空部１ｃの体積を少し上回る程度が好適である。また、滞留部１５から作動媒体Ｌが蒸発しても、滞りなく補充されるように、ヘッダー管２Ａ、２Ｂで凝縮され、液化した作動媒体Ｌが斜辺部Ｒ側から流れ落ちるよう、集熱板１またはヘッダー管２Ａ、２Ｂを斜辺部Ｒ側に傾けておくとよい。
【００１９】
かくして、集熱板の中空部に挿通した熱媒管の外周に、液化させた作動媒体を滴下させる突出部を形成し、中空部における相変化を効率良く行わせることができ、滞留部のある側に液化された作動媒体を誘導するよう傾斜をつけることにより、滞留部への作動媒体の補充を滞りなく行なわせることができる。
【００２０】
図３に太陽熱利用集熱器Ｓ１を複数を連結した一例を示す集熱器アレイＡ１の平面図を示す。
【００２１】
集熱器アレイＡ１は太陽熱利用集熱器Ｓ１のヘッダー管２Ａどうし，ヘッダー管２Ｂどうしをそれぞれ接続しており、さらに、いったん集熱板１から出た熱媒が、再度、集熱板１に戻るように、集熱器アレイＡ１の一端部に配設した太陽熱利用集熱器Ｓ１のヘッダー管２Ａとヘッダー管２Ｂとを、Ｕ字状の接続管４により接続している。このような構成により、ヘッダー管による凝縮部面積を広くとることができ、効率よくヘッダー管内の熱媒の加熱を行わせることができる。
【００２２】
図４に示すように、太陽熱利用集熱器をより簡便な構成とするため、ヘッダー管２Ａのみを集熱板１に挿通させるようにしてもよい。そして、この太陽熱利用集熱器Ｓ２の複数を接続して、集熱器アレイＡ２を構成してもよい。集熱器アレイＡ２によれば、熱媒が戻るように集熱器アレイＡ１の一端部に配設した太陽熱利用集熱器Ｓ２のヘッダー管２Ａと、集熱板の外側に配設された長い熱媒管５とを、Ｕ字状の接続管４により接続する構成であるので、個々の太陽熱利用集熱器Ｓ２の構成が簡単である上に、ヘッダー管どうしの接続箇所が集熱器アレイＡ１より少なくて済むという利点を有している。ただし、熱媒管５が外部に露出しているので、その分、集熱器アレイＡ１よりも集熱効率が低下する。
【００２３】
また図５（ａ），（ｂ）に示すように、集熱板１０，１１の主面からみた平面外形は、例えば三角形状（図示されているように、正確に幾何学的な三角形でなくともよい）、台形状、または直角を有しない平行四辺形状（正確に台形状または平行四辺形でなくともよい）等の非矩形状の太陽熱利用集熱器Ｓ３，Ｓ４を用いてもよい。このように、集熱板１０，１１の平面外形を非矩形状とすることで、太陽熱利用集熱器の種々の形状を有する設置場所に対して空き領域を少なくすることができ有効な配置が行える。例えば、寄棟屋根に設置するような場合、三角形状、台形状、または平行四辺形状の屋根形状に応じて、設置箇所の有効利用を図ることができ、広い面積で集熱を行えしかも外観を損なうことがない。
【００２４】
図５に示すように、太陽熱利用集熱器Ｓ３，Ｓ４は、集熱板１０，１１の主面からみた平面外形が略三角形であり、端辺１０ａと１０ｂの成す角度、及び端辺１１ａ，１１ｂの成す角度を略直角としている。このような非矩形状においても、従来のように熱媒管が集熱板１０，１１の形状に制約されないので、熱媒は均一に流れ均一に加熱されることになる。
【００２５】
また、図６に示すように、太陽熱利用集熱器Ｓ３，Ｓ４は、設置場所の形状に合わせて非矩形状集熱器どうしを連結して集熱器アレイを構成してもよいし、また、図７，８に示すように、矩形状集熱器である太陽熱利用集熱器Ｓ５の一端部や両端部に非矩形状集熱器を配設・連結して、集熱器アレイＡ３，Ａ４を構成してもよい。すなわち、集熱器アレイＡ３においては、太陽熱利用集熱器Ｓ４の端辺１０ａの側に太陽熱利用集熱器Ｓ５を複数連結して構成しており、集熱器アレイＡ４においては、太陽熱利用集熱器Ｓ３の端辺１０ａと太陽熱利用集熱器Ｓ４の端辺１１ａとの間に太陽熱利用集熱器Ｓ１を複数連結して構成している。
【００２６】
かくして、図９に示すような棟が寄った寄棟屋根Ｙに対しても、これら矩形状集熱器Ｓ５と非矩形状集熱器Ｓ１，Ｓ４を適当に組合せて連結・配設することにより、屋根上の設置場所に無駄で見栄えの悪い空き領域を形成することがなく、設置場所の有効利用を図ることができる。
【００２７】
次に、このようにして構成した太陽熱利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを備えるとともに、太陽熱利用集熱器を構成する熱媒管により貯湯槽内の水を加熱するようにした給湯装置の実施形態について説明する。
【００２８】
図１０に示すように、給湯装置Ｑは後記する集熱回路３５と給湯回路３６とから構成されている。すなわち、集熱回路３５は、太陽光を効率よく集めて集熱を行う集熱器アレイＡ５、熱交換器３１、膨張タンク３２、循環ポンプ３３、及び循環配管３４（循環媒体が貯湯槽４１側へ流すための往き配管３４ａ，循環媒体が貯湯槽４１側から集熱装置Ｑ側へ流すための戻り配管３４ｂ）等から成る。
【００２９】
ここで、集熱器アレイＡ５は複数の太陽熱利用集熱器Ｓ２を、ヘッダー管どうしを連結させて集熱能力を高めたものであり、循環媒体として水や不凍液を使用している。また、集熱器アレイＡ５の熱媒流路には循環媒体の温度を検出する高温センサＴ１が設けられている。
【００３０】
また、給湯回路３６は、集熱回路３５に設けられた熱交換器３１と連結された貯湯槽４１、給水配管４２、及び給湯配管４３等から成る。ここで、貯湯槽４１には、上部に湯温を検出する沸騰防止センサＴ２、下部に給水側の温度を検出する低温センサＴ３が設けられている。なお、図中４４は給水配管４２に設けられた減圧弁であり、４６は貯湯槽４１の頂部に設けられた空気抜き弁である。
【００３１】
さらに、給湯装置Ｑには、集熱器アレイＡ５に設けられた高温センサＴ１、貯湯槽４１に設けられた沸騰防止センサＴ２，低温センサＴ３、及び循環ポンプ３３と電気的に接続されマイクロコンピュータが内蔵された制御装置４５が設けられており、この制御装置４５でもって主に循環ポンプ３３の作動の制御を行っている。
【００３２】
このようにして構成された給湯装置Ｑは、制御装置４５により、高温センサＴ１で測定した温度ｔ１と低温センサＴ３で測定された温度ｔ３との差△ｔ（℃）が、例えば７℃以上の場合に循環ポンプ３３を駆動し、循環媒体を集熱回路３５中を循環させるようにして熱交換を行うようにし、貯湯槽４１内の水を迅速に加温し、適温の湯にすることができる。なお、例えば、沸騰防止センサＴ２が湯温８０℃以上であることを検出した場合や、△ｔ≦４℃の場合に循環ポンプ３３を停止して集熱回路３５の作動を停止させる。
【００３３】
なお、本実施形態の給湯装置は最も簡便な例に基づいて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば熱交換器３１を用いる代わりに、直接、湯を貯湯槽４１内に導出するように構成してもよく、また、ヒートポンプ装置と組み合わせた熱交換システムを構築するようにしてもよく、各種公知の給湯装置に本発明の太陽熱利用集熱器を組み込んだものを使用でき、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜の変更により種々の実施が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の太陽熱利用集熱器によれば、液体の作動媒体を封入した中空部を有する集熱板と、この中空部に挿通した熱媒管とを備え、集熱板の中空部に少量の熱媒が残留する滞留構造を設けたので、集熱板が種々の形状であっても蒸発した熱媒の流れが不均一にならず熱交換が効率的に行なえる。これにより各種形状の集熱板が使用可能であるので、施工性が良好で、設置場所の有効利用が図れ、設置場所の外観を損なうことがない優れた太陽熱利用集熱器及びそれを複数連結した集熱器アレイを提供できる。
【００３５】
また、集熱板自体で熱交換ができるので、貯湯タンクと別体とすることができ、屋根等への配置の自由度、設置の作業性が良い。特にヘッダー管（熱媒管）内に直接、水を流す構成とした場合、貯湯タンクと別体でありながら熱交換を１度で済ますことができる。
【００３６】
さらに、本発明の太陽熱利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを備えるとともに、太陽熱利用集熱器を構成する熱媒管内の熱媒により前記貯湯槽内の水を加熱するようにした給湯装置によれば、簡便な構成で迅速に貯湯槽内の水を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽熱利用集熱器の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイの実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図４】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明に係る太陽熱利用集熱器の他の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図６】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図７】本発明に係る太陽熱利用集熱器と矩形太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図８】本発明に係る太陽熱利用集熱器と矩形太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイの他の実施形態を模式的に説明する平面図である。
【図９】本発明に係る太陽熱利用集熱器を複数接続した集熱器アレイを寄棟屋根に設置した一例を模式的に説明する斜視図である。
【図１０】本発明に係る給湯装置の実施形態を模式的に説明する全体構成図である。
【図１１】従来の太陽熱利用集熱装置を模式的に説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部破断側面図である。
【図１２】従来の三角形状の集熱板に熱媒管を取付けて成る太陽熱利用集熱装置の熱媒の流れを模式的に説明する平面図である。
【図１３】従来の矩形状の太陽熱利用集熱装置の複数を寄棟屋根に設置した例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１０，１１：集熱板
１ａ，１ｃ：中空部
２Ａ，２Ｂ：ヘッダー管（熱媒管）
３：突出部
４：接続管
５：熱媒管
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ：端辺
１５：滞留部（滞留構造）
３１：熱交換器
３２：膨張タンク
３３：循環ポンプ
３４：循環配管
３４ａ：往き配管
３４ｂ：戻り配管
３５：集熱回路
３６：給湯回路
４１：貯湯槽
４２：給水配管
４３：給湯配管
４４：減圧弁
４５：制御装置
４６：空気抜き弁
５１：集熱板
５２：ヒートパイプ
５３：ガラス管
５４：融着部
５５：端部
６０：集熱板
６１：熱媒管
６１ａ：熱媒管経路
６１ｂ：熱媒管経路
６２：熱媒管入口
６３：熱媒管出口
６５：凝縮部
７０，７１，７２：空き領域
７３：棟
７５：出窓
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５：太陽熱利用集熱器
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５：集熱器アレイ
Ｒ：斜辺部
Ｕ：底部
Ｌ：作動媒体
Ｊ１：太陽熱利用集熱装置
Ｊ２：矩形状の集熱装置
Ｑ：給湯装置
Ｔ１：高温センサ
Ｔ２：沸騰防止センサ
Ｔ３：低温センサ

Claims

平面形状が三角形状、台形状、または平行四辺形状をなす集熱板に、
液体の作動媒体を封入した互いに連結し合う複数の中空部を設け、
該複数の中空部のうち前記集熱板の上辺部に配された中空部を挿通した少なくとも１本の熱媒管を備え、
前記上辺部と鋭角をなす斜辺部に配された中空部と、前記上辺部に配された中空部と、を橋渡しするように設けられた中空部を有し、
前記斜辺部に配された中空部に少量の作動媒体が残留する滞留部を設けたことを特徴とする太陽熱利用集熱器。
前記熱媒管の外周下方に該熱媒管の長手方向に沿って突出部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用集熱器。
請求項１または２に記載の太陽熱利用集熱器と、給湯可能な貯湯槽とを熱媒を循環させる循環配管で接続するとともに、該循環配管内の熱媒を用いて前記貯湯槽内の水を加熱するようにしたことを特徴とする給湯装置。