JP5266162B2 - 中空パネルを用いた熱回収器とその方法 - Google Patents

Description

本発明は太陽熱、地熱、河川水等環境からの温熱、冷熱回収、エアコンのコンプレッサー、調理、照明器具等の器具、機械由来の温、冷熱回収、更に人体、家畜等の熱回収、調整を行うことが出来る軽量、安価、施工性の高い熱回収器と市販中空パネルを熱交換器にする為の簡易な作成方法に関するものである。

従来、太陽熱等を回収する場合、太陽熱温水器、太陽熱温風器等が主流であった。太陽熱温水器はタンクの付いたものでなくてもかなりの重量があり建物への加重負荷が問題視されていた。当然、壁面、ベランダへの取り付けは重量的に無理であった。また、自由に持ち運べるものではなかった。

特許公開２００９−１６４７５はソーラーパネルの発熱対策用の熱回収機であるが本発明のように流体を用いての熱回収を行うものではない。

特許公開２００８−２６７６１８は樹脂製の板にパイプを張り巡らせた構造となっており、構造が複雑、高コストで実用化に至っていない。

特許公開２００７−１０７２８８はトンネル壁面を含む周辺の熱回収を行うものであるが、パネルはコンクリートの中に中部を埋め込んだ構造となっており、その重量を含め本発明とは一線を画すものである。

特許公開２０００−７４４０３は全体としてパネル構造を呈しているが構成で複雑で低コストでの供給は難しい。
特許公開２００９−１６４７５ 特許公開２００８−２６７６１８ 特許公開２００７−１０７２８８ 特許公開２０００−７４４０３

本発明は太陽熱、地熱、河川水等環境からの温熱、冷熱回収の他、エアコンのコンプレッサー、調理、照明器具等の機械、機器類からの温熱、冷熱回収、更に人体、家畜等の生体熱等広範囲な利用分野での利用できる軽量で物理的強度、耐久性、施工性に優れた熱回収器の提供と身近なところで入手可能な安価な中空パネルを簡易な方法で熱回収器とする制作方法の提供を目的とする。

図１のaからeの様な多様な中空パネル（中空パネル表裏両面を連続する支柱壁面３で囲まれた細長の空洞が続く方向をｙ軸、ｙ軸とパネル上下面垂線に直角に交わる方向をｘ軸とする）を図２に示す様にｘ軸方向に広く、ｙ軸方向に狭く図中上下２カ所以上を同じ幅で且つ、上下切り取り部の左右支柱壁面３が上下の切り取り部で同じとなる様切り取る。

元々の開口面であるパネル上下端をアルミテープ、シリコーン材等で図３、７の様に塞ぎ密閉する。

上下各切り取り部にパネル表裏両面より切り取り部を覆うことの出来る大きさの板状体８を図４の様に上下２カ所張り、流体出し入れ様に少なくとも２カ所以上の開口部を設ける。板状体は切り取り部を覆い被せるサイズで有ればよい。こうする事で切り取られてパネルが無くなった部分は切り取り部上下の開口面、左右の支柱壁面、表裏の板状体で囲まれる空間を構成する。

流体出し入れようの開口部（小孔）は図４の９，１０に示す様に板状体にあって、切り取り部に板状体を張り合わせた際、切り取り部上に前記開口がくるようにする。

流体が気体の場合など開口の１つが板状体にあって、他方（１つ以上で多数の場合もある）がパネル面上や中空パネル開口面（この場合、７，１２，１３何れかの密閉処理が外される事で生まれる。）であっても良い。

機密性をより高めるため、中空パネルの切り取られ無くなった上下の切り取り部の外側の開口面を図５の１２，１３の様にアルミテープ、シリコーン材等で密閉処理する。この部分の密閉処理の際、テープの両端からの漏れを無くすため両端に近いパネル空洞部に直接シリコーン・コーキング材等を注入すると良い。上下の各切り取り部をパネル表裏両面より切り取り部を塞ぐのに十分な大きさの板状体２枚を図４の様に上下２カ所張る。

板状体は切り取り部を覆い被せるサイズで材質は金属、樹脂の他、前記中空パネルを用いる事も出来る。また、開口のない板状体は複数のパネルをシリコーン・コーキング材等で張り合わせる使い方であれば熱回収対象そのものの面を利用することも出来効率的である。例えば図８のｊであれば１７の保温用パネル、同図のiであれば１９のソーラーパネル裏側平坦面、同図のｍの２０であればコンプレッサー等の外壁面である。

この様にして中空パネルの細長い空洞に流体を流しうる構造となる。前記開口にパイプ体１４等を取り付けポンプやファンなどを駆動し、気体、または流体を出し入れし、パネル面周辺の熱を回収する手段とする。

ポリカーボネート製の中空パネル（透明、半透明、色つき）を用いる事により、従来の金属製の熱回収器と異なり軽量で錆びに強く、加工し易い熱回収器を提供することが可能となる。

一般に壁や屋根材などの建築建材として使われている市販の中空パネルで太陽熱、その他、低温の生活系（産業系）廃熱を簡単に回収、再利用する容易に加工方法の提供となる。

倉庫や車庫等の簡易屋根材や簡易壁材（パティション等）として広く普及している図１のaに示す様な中空ハーモニカ構造の畳サイズ（１８２０ｘ９１０ｘ４．５mm）のポリカーボネート製（素材はアクリルやポリエチレンでも良い）パネル（ここではブラウンを用いるが全く光を通さない黒から透明まで利用状況により任意に選ぶことが出来る。）を用意し、図２に示す様に左下を（０，０）とする座標上で（４５５，１００）及び（４５５，１７２０）を図形中心とする７５０ｘ４０mmの横長の長方形をカッター等で切り取る。

次に元々のパネル上下の辺である開口面４を図３の７に示す様にブチルゴム系アルミテープとシリコーン・コーキング材（パネル専用のこの字アングル等でも出来る場合がある）で塞ぎこの部分を密閉する。

空気等の気体を通して熱回収を行う場合はこれだけでよいが水（又は不凍液を含む液体等）を熱回収媒体として使う場合は図５の１２，１３の様に切り取り部の外側に近い開口面を前記と同様に塞ぐ。この際隅の密閉にはシリコーン・コーキング材を隅から数本のパネル空洞部にガンを使い直接流入する。

次に図４の点線位置１１に収まるように２枚のポリカーボネート板で中空パネル切り取り部をアルコール系シリコーン材でパネル表裏両面から挟み外切り取り部を密閉する。ポリカーボネート板のサイズは接着面を十分取れればよく都合上８５０ｘ１４０mm程度とし、厚みは１mmから２mm程度のものを用いる。

前記、板状体の任意の場所で切り取り部の全部、又は一部が露出する位置に２カ所以上の開口（流体出し入れ用の穴）を設け、流体の出入り口とするが簡単説明のため上部開口９と下部開口１０を同一面の対角線上に配置する。

板状体に開けられた開口が切り取り部上に来なければその開口と切り取り部開口面（密閉処理していない内側の辺）との間で流体の出し入れが出来ないことは自明である。図８のｎの２１の様にパネル表裏面上（何れか片面、または両面）に設けた小孔群２１、あるいわ開口面そのものを流体出し入れ何れかに用いる場合（図示せず）は板状体上の開口は一つでも良い。

開口の位置はパネルの設置時の水平関係、つまりパネル横置き、縦置き、水平設置など現場条件により変わるがその基本原則は流入口から入れた流体が出口側で先入れ先出しとなる位置である。

一例として図４の位置の場合、下部開口１０から流体（水等）を入れた場合、流体は下部切り取り部空間を満たし、縦方向に並ぶ中空パネルの連続する空洞部を並列に上昇し、上部切り取り部空間を満たし、上部開口９から排出される。流体はこの間の経路面で周辺の熱を回収する。

図１０は流体の流れ方のコントロールに関するものである。流体入り口２９から切り取り部の空洞（中空パネルで支柱壁面と上下両面で囲まれる連続する空間）に入った流体は隔壁体３１（表裏両面と切り取り部上下の開口面との間の仕切で上下、表裏を密閉したもの）により直接流体出口３０に向かうことが出来ず、支柱壁面とパネル表裏両面により仕切られた空洞部を下に移動し、その後、次の隔壁体にぶつかり再び空洞を上昇する。この様に蛇行を繰り返しながら時間を掛けて移動しつつパネル面で周辺の熱回収を行う。隔壁密閉処理部３２は隔壁体にｘ方向の幅がある場合、支柱壁面に挟まれた空洞部に死に水を作らない為にある。

流体の熱回収は専ら上下の切り取り部に挟まれる空間（中空パネル上下両面と支柱壁面で囲まれる多数の細長い空洞の集合面）にて行われる。熱回収の場合は外部からパネルに伝えられた周辺のエネルギー（光も含む）がパネル構成材料の熱振動を引き起こし、その振動がパネル内部の流体に伝達される事により起こる。冷熱回収の場合はこの逆の振動受け渡しとなる。

流体に水などの液体を用いる場合は開口部に水道部品として容易に入手可能な水栓用継ぎ手とバルブソケットを組み合わせホース（又は塩ビパイプ）を介し送水排水を行う。バルブソケットを板状体に取り付ける際、切り取り部の厚みが４．５mmしかないのでこれが内側に来る場合（反対の形状の締め具）などは流体抵抗が増さないよう出来るだけ薄く加工する必要がある。

バルブソケットの取り付け位置はパネル設置法（横置きか縦置きか水平置きか等）、により多様なパターンが考えられるが液体がパネル内の密閉区画に充満し、新たに投入した液体が最初に投入された液体を順番に押し出す位置で、尚かつ水の満たされない空洞が作られない位置とする。

パネル内部に液体を一定時間保持する場合は液体の流入口側に逆止弁などを取り付け、サイフォンによる液体の逆流を止める必要がある。

流体に空気を用いる場合は開口部のダクト管（代わりに縦ドイ管でも良い）を設け、吸引または送風により熱回収パネル内の空気移動を行う。送風手段は開口につながった経路にあっても、直接板状体開口部上にあっても良い。

図６は本発明である熱回収パネルの構造図並びにその断面図である。縦断面図ｆが示す様に上下２カ所の切り取り部はその両面からポリカーボネート板で密閉され、板状体の上であって、前記切り取り部上に上下１カ所ずつのパイプ体の付いた開口がある（ここでは説明を簡単にするため上下のパイプ体の位置を中心線上にしている）。下部の開口から入った流体は流体流１６が示す様に中空パネルが本来よりもつ縦長の流体移動、保持空間１５に入り面的な広がりを持って上部切り取り部の板状体にあるパイプ体より排出される。流体は専ら１５に於いて周辺との熱交換を行う。

図７は図６の片面に別の中空パネルを張り保温パネル１７としている。保温パネルの上下の開口面はアルミテープなどで簡単に塞ぎ密閉すると保温パネル空洞部での熱膨張に使われるエネルギー損出を押さえ、その分熱となる。太陽光などを回収するこの保温パネルには前記以外にも梱包用のプチプチシート、ビニールシートなどでも良い。屋根材と絡めて太陽熱回収を行うので有ればポリカーボネートの屋根用波板を外側材とすることも出来る。この様な別付けの保温、補強材を用いる事で熱回収パネルその物の寿命を延ばすことが出来る。

図８のｊは図６の基本的熱回収パネルの太陽光受光面側に保温パネルを張り、反対側に断熱パネル１８を張り液体または空気を通過させる本発明の太陽熱温水器、太陽熱温風器としての利用法を示す。

図８のｋは図６の基本的熱回収パネル２枚を密着し、両パネルの接合面で熱交換（回収）を行う本発明の利用法である。流体の出し入れに使う配管の取り付け位置は互いに相反する方向でも良いし、前記パネルを上下、または左右にずらして張り合わせるか、一方のパネル面一部を他方のパネル配管が貫通する事により同方向に引き出すことも可能となる。
貫通する際の注意点として貫通部のパネルと配管の間の密閉処理が必要となる。

図８のlはソーラーパネル１９の裏面（受光面の反対側）に本発明の熱回収パネルを張り流体（水、不凍液など）を送水し、ソーラーパネルの電気に変換されなかった光エネルギーを熱として効率よく回収する本発明の利用法である。ここでの熱回収はソーラーパネルの温度上昇による発電効率低下を回避する有効手段ともなる。

図８のｍはコンプレッサー等（冷蔵庫、エアコン等）の発熱体２０の熱をその外周ケースから放出される熱を回収する本発明の実施例である。この様な低温廃熱は膨大な量に上りCO2削減の有効手段となる。また、気化器で有れば冷熱を回収することも出来る。

図８のｎは中空パネル上に多数の小孔群２１を設け、中空パネルの図中左右の開口面をアルミテープ等で密閉し、切り取り部を一つ設け板状体をその表裏両面に張り密閉し、そこに開口を設け空気の吸引手段を取り付ける。この様な中空パネルをベット、布団の下などにひき前記吸引手段で吸引することで夏場の寝汗回収や体温低下手段となる。冬場であれば開口から温風を送風する事も出来る。ここで利用する温熱を例えば冷蔵庫外面に張り付けた別の熱交換パネル等から供給することも出来き、室内にある熱バランスの調整による省エネ手法となる。

図８のoはポリカーボネート樹脂製である中空パネルの柔軟な素材特性を活かした実施例である。図のようにドーム型に曲げハウスなどに利用することが出来る。昼の太陽光をパネル内流体（水など）で暖め保温タンクとに蓄え、夜間の暖房などに利用できる。水の場合、熱容量が大きいので通常のハウスと比べ気温の変動が小さくそのような環境を好む植物の栽培に適している。むろんこのパネルを曲げずにハウスで利用することも出来る。

温度の問題以外、農業利用分野ではパネル素材に透光性の高いものを用い、パネルに送り込む液体の色を変える事で栽培品種に適した光量供給調整が可能となる。また、最近の研究によると光量だけでなく光の波長（スペクトル）が植物の生長に影響を与える報告が公知となりつつある。この様なパネルであれば熱回収だけでなく、パネル空間に色素つきの流体（液体、気体とも）を通し、その成長度合いを調べ、温度、光波長の両方のファクターを効率よくコントロールすることが可能となる。

また、ハウスなどでは日中日差しが強すぎるときなどは遮光シートなどを用いてハウス内部の温度上昇を抑えているが、本発明では遮光性の強い色素を持った流体をポンプ等で投入することで日射を容易に押さえることが可能となる。日射強度や気温により光透過率や吸収量が変わる溶液などをパネル流体に用いる事も出来る。植物工場などでは夏場、照明からの熱を如何に捨てるかが問題となっている。本発明では栽培用の照明器具と植物の間に水（または特定波長を吸収する液体）を通過させる熱回収パネルを設置し、照明熱と使われない波長を容易に取り除くことが出来る。

また、中空パネルの工場渡しの基本サイズは４０００ｘ４０００ｘ４．５mmである。このサイズを図８のoの用にドーム上に曲げた場合、ドーム空間に人間が１人横になる事が出来、前記保温タンクと組み合わせ災害時には太陽熱温水機能のあるテントとして利用することも可能である。

図９の２３の様に土中環境との熱交換器として利用できる。同様に河川、湖沼、水タンクなどとの熱交換に利用することも出来る。

図８のｐは本発明の熱回収パネル２枚を張り合わせその一方に断熱材を組み合わせるものであるが、図右側の２２のパネルは空気の出し入れを行う通気パネルで真ん中が水等液体の出し入れを行い、左側が液体パイプ体取り出しようの穴があいた断熱パネルである。この様な組み合わせパネルを通気パネル２２側を太陽光に当てることにより、温風と温水の両方を回収する太陽熱温風温水器として利用することが可能となる。

この様な組み合わせで張り合わせた複合パネルの通気パネル側を太陽の方（受光側）に向け設置すると比熱の小さい通気パネル内の空気がすぐに暖められ日中の温風での熱回収が出来、真ん中の熱回収パネル内の比熱の大きい水は徐々に暖められ蓄熱体として機能し、日没後の熱利用（風呂、暖房等）が可能となる。

熱回収パネルに温度センサーを取り付け、日中一定温度に達した場合、ポンプを駆動させ保温機能のある別タンクに移すようにするとより効率よく温水を貯水することが可能となる。

図９は本発明の熱回収パネルでの一般家屋での利用法である。当然、夏と冬異なった熱環境が求められるが夏の涼しさを得るため土中埋設熱回収パネル２３を地中に埋設する。このパネルから流体出し入れ用の２本の配管を天井面に設置した熱回収パネル２６につなぎポンプ２４で循環させる。地中の温度は一年を通して１７〜１８℃程度とされるので２３に温度センサを取り付け、ポンプを駆動させることにより効率的な熱回収を行うことが出来る。

土中埋設熱回収パネルの液温と天井部張り付け熱回収パネルの液温の差が一定以上になった時点でポンプを駆動させる仕組みを導入することも当然可能である。

冬場は地中が外気に比較し暖かいことを利用し、２３の暖められた流体を床下の熱回収パネル２８に接合することも出来る。

屋根面設置熱回収パネル２７で造られた温水を床下部設置熱回収パネルとの間で循環させる方法がある。ここでも温度センサーとポンプを関連付け、効率を上げることも出来る。

前項の形態により造られるお湯は夏、冬関係なく風呂、シャワーなどに利用する事が出来るがその場合、吸水手段と保温タンクが必要になるが既存技術を用いれば難なく実施可能である。

図１０は熱回収パネル内を移動する流体の管理方法を説明するものである。流体入口２９から送られた流体は切り取り部の面と表裏両面の板状態間の高さを掛け合わせた空間に入るが本来の支柱壁面３、上部切り取り部開口面密閉処理部１２、隔壁体３１と隔壁密閉処理部３２より横移動する事なく、図中で上部切り取り部の流体入口２９より入った流体は保持空間１５を下に下がる。次に下部切り取り部に入った流体は表裏板状体、支柱壁面、下部切り取り部開口面密閉処理部により再度、パネル内を上昇する（この場合、上昇するのに十分な水圧が掛かっている）。この上下の蛇行をもう一度行って流体出口３０から排出される。

この様にパネル内部の流体の流れを複数回蛇行させる事が可能となる。蛇行の回数により通過距離、時間、流体量等の調整が可能となる。更に流入、流出パイプの取り付け位置を自由に決めることが出来る。

また、この様に蛇行させることで流体の圧力が分散され漏れにくくなる。

図１１は図１０を横に設置した状体を示す。図中左下の流体入口２９から入った流体（専ら液体）は流体移動、保持空間１５を右に水平移動し右側の切り取り部空間にはいるが垂直に置かれた隔壁体３０にぶつかる。その後、流体面全体が上昇し、隔壁体の最も上の部分を乗り越え流体出口から流出する。この様な手法で流体の流れをコントロールする事で流体入口と流体出口を現場の状況に合わせる事が可能となる。

パネル側の面が図１２の様に中空パネル幅と厚み分だけ開き、開口のある直方体カバー３３を適当な深さまで被せ（流体出入り口までは被せない）隙間部分（直方体カバーの開いた面の縁とパネルの表裏面、左右側面）をシリコーン等で密閉し熱回収器として実施することも出来る。

前項の直方体カバー方式に於ける流体流管理方法は図１０，図１１の同様であるが隔壁体の位置が直方体カバーの内部となる。

本発明は一般家庭、その他、建造物に於ける太陽熱を利用、機械、機器からの温熱、冷熱の回収、農業分野で熱環境改善と光波長調整、植物工場に於ける光由来熱の回収、工業分野に於ける安価な熱供給手段等々熱に関する全ての分野での利用可能性を有する。

熱回収パネルに使用可能な中空パネルの形状例を示す概念図 熱交換パネルの切り取り部を示す概念図 熱回収パネルの開口面の密閉処理状況を示す概念図 熱回収パネル切り取り部に板状体を両面から張り合わせる状況を示す制作概念図 熱回収パネル切り取り部の開口面の密閉処理状況を示す概念図 熱回収パネルの構造図及び断面図 保温パネルを片面に張った熱回収パネルの構造図及び断面図 熱回収パネルの使用例を示す概念図 熱回収パネルの建物での使用例を示す概念図 熱回収パネル内を移動する流体の管理方法を説明する概念図 横置き設置での熱回収パネル内を移動する流体の管理方法を説明する概念図 直方体カバーを用いた熱回収パネル平面図

・ 中空パネル表面
・ 中空パネル裏面
・ 支柱壁面
・ 開口面
・ 上部切り取り部
・ 下部切り取り部
・ 開口面密閉処理部
・ 板状体
・ 上部開口
・ 下部開口
・ 板状体張り付け外縁ライン
・ 上部切り取り部開口面密閉処理部
・ 下部切り取り部開口面密閉処理部
・ パイプ体
・ 流体移動、保持空間
・ 流体流
・ 保温パネル
・ 断熱パネル
・ ソーラーパネル
・ 温熱発生体（または冷熱発生体）
・ 小孔群
・ 通気パネル
・ 地中埋設熱回収パネル
・ ポンプ
・ 配管
・ 天井部張り付け熱回収パネル
・ 屋根面設置熱回収パネル
・ 床下部設置熱回収パネル
・ 流体入口
・ 流体出口
・ 隔壁体
・ 隔壁密閉処理部
・ 直方体カバー
a：ハーモニカ構造切断開口部を持つパネル概念図
b：ハーモニカ構造に斜め支柱面を足された構造の切断開口部を持つパネル概念図
c：ハーモニカ構造に両方向からのクロスする支柱面を足された構造の切断開口部を持つパネル概念図
d：斜め支柱面の切断開口部を持つ構造のパネル概念図
e：波上支柱面の切断開口部を持つ構造のパネル概念図
f：図６熱回収パネルのa−a’断面図
g：図６熱回収パネルのb−b’断面図
h:図７保温パネルを装着した熱回収パネルのa−a’断面図
i:図７保温パネルを装着した熱回収パネルのb−b’断面図
j:左より断熱材、熱回収パネル、保温パネルを重ねた構造の太陽熱温水器としての熱回収器
k:熱回収パネルを２枚張り合わせた構造の熱回収器
l:ソーラーパネルの裏面に熱回収器を張り付けた構造の太陽電池冷却用熱回収パネル
m: 温熱発生体（または冷熱発生体）外面に張り付けた熱回収パネル利用法
n:流体吸引側（排出側でも良い）が小孔となっている熱回収パネル
o:ドーム状に曲げハウス等にも利用できる熱回収パネル
p:左から断熱パネル、流体パネル、通気パネルを重ねた太陽熱温風、温水器としての熱回収パネル

Claims (2)

1. 上下２枚の板状体の間に１方向に延びる支柱壁面を有する中空パネルであって、空洞が連続する方向をｙ軸、ｙ軸とパネル上下面の垂線と直角に交わる方向をｘ軸とした場合において、ｘ軸方向に広く、ｙ軸方向に狭く、上下２カ所以上を同じ幅で且つ、上下切り取り部に対応する左右支柱壁面が同じとなる様切り取り、開口面である上下の端を塞ぎ、各切り取り部を板状体で覆い上下２カ所を表裏両面から密閉し、パネル上の何れかの場所に開口（９，２１，２９，３０）を２カ所以上設け流体を出し入れする事を特徴とする熱回収器
2. 上下２枚の板状体の間に１方向に延びる支柱壁面を有する中空パネルであって、空洞が連続する方向をｙ軸、ｙ軸とパネル上下面の垂線と直角に交わる方向をｘ軸とした場合において、ｘ軸方向に広く、ｙ軸方向に狭く、上下２カ所以上を同じ幅で且つ、上下切り取り部に対応する左右支柱壁面が同じとなる様切り取り、開口面である上下の端を塞ぎ、各切り取り部を板状体で覆い上下２カ所を表裏両面から密閉し、その上でパネル上の何れかの場所に開口（９，２１，２９，３０）を２カ所以上設け流体を出し入れする事により熱回収を実現する方法

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