JP2017180902A - 空気式太陽熱集熱システム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集熱器のケースに真空断熱材を使って構成することで断熱強化と集熱器の薄型化が得られ、また、真空断熱材による真空断熱ケースを折り曲げ加工で製作することで、集熱器の剛性強化、部品点数の削減およびコストダウンが実現できる。【解決手段】金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材４１で、前後面および上面開口の断面コの字型ケース４２を形成してこのケース４２の空気流路側金属板を集熱板とするとともに、該ケース４２の上面開口を透過ガラス４３で閉塞して空気式太陽集熱器４０を構成した。【選択図】 図１

Description

本発明は、空気によって太陽エネルギーを利用するソーラーシステムハウスの空気式太陽熱集熱システム装置に関する。

下記特許文献にもあるが先に出願人が開発したソーラーシステムハウスについて説明する。
特開２００８−１８０４１４号公報

図１９に示すように、集熱面であるカラー鉄板の金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成し、この空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熟ダクトとしての棟ダクト４に連通させる。屋根板１の一部はガラス２３で覆い、ガラス付き集熱面とする。

内部に逆流防止兼流路切換えダンパー６、ファン７及び流路切換えダンパー８を設けたハンドリングボックス５を屋根裏空間である小屋裏３６に設置し、ハンドリングボックス５の流路切換えダンパー８の流出側の一方は排気ダクト９により屋外に開口する。

また、ハンドリングボックス５の逆流防止兼流路切換えダンパー６の流入側は、前記棟ダクト４に連通させる接続ダクト３５と室内２０からの循環ダクト１８とに選択的に接続し、流路切換えダンパー８の流出側の他の一方を立下りダクト１０の上端に連結する。

立下りダクト１０の下端は床下蓄熱体としての土間コンクリート１１と床パネル１２との間の空気流通空間１３に開口した。さらに、該空気流通空間１３から室内への床吹出口１４を設けた。

ハンドリングボックス５の内部またはハンドリングボックス５と棟ダクト４との間にお湯とりコイル１５を設け、このお湯とりコイル１５は循環配管１６で貯湯槽１７に連結する。図示は省略するが貯湯槽１７は循環ポンプと有し、また、必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーを途中へ設けて、風呂や洗面所、台所へとつながる給湯配管をこの貯湯槽１７に接続する。

このようにして、暖房が必要な冬の昼間は、軒先の空気取入口３から入った冷たい空気は、屋根板１に降り注ぐ太陽の熱によって徐々に暖められる。この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そして、この加熱空気は棟ダクト４に集められてからファン７によりハンドリングボックス５に入り、ハンドリングボックス５から立下りダクト１０内へ流下し、床下に送られる。

空気は床下に広がり、蓄熱土間コンクリート１１に熱を奪われ（蓄えさせ）ながら、床吹出口１４から温風として室内２０へと流れ出る。夕方、外気温が下がり始める頃から、昼間蓄熱土間コンクリート１１に蓄えられた熱が放熱を始め、床を温める。

つまり、太陽エネルギーは昼間に偏在しており、それを集熱してそのまま室内に放熱した場合は、逆に室温が高くなり過ぎてしまうのである。それを避けるために、昼間に集熱した熱を、床下の土間コンクリートに蓄熱、集熱部位と蓄熱部位を分ける。

コンクリートは、熱容量（熱を蓄える量）や熱伝導率（熱の伝わりやすさ）が大きい。コンクリートがもつこの性質は、昼間に蓄熱し夜間に放熱するという、一日のサイクルに適応しており、夜になって外気温が低下するとともに、昼間床下に蓄えられた熱が放熱し始め、室内の暖房用として使われる。

夏の昼間は暖房の不要な期間であり、図２０に示すように、太陽熱で温められた空気は、昼間、貯湯槽１７内の水を温めることに利用される。すなわち、流路切換えダンパー８の流出側を排気ダクト９に接続し、お湯とりコイル１５で湯を作るだけで、前記排気ダクト９から戸外へ捨てられる。

お湯とりコイル１５では、ここに循環配管１６を介して貯湯槽１７から送り込まれる熱媒が加熱され、湯として貯湯槽１７へ蓄えられ、さらにここから必要に応じて追焚き用の給湯ボイラーで再加熱されて給湯配管から各所へ給湯される。

快晴の日の雲のない夏の夜は、図２１に示すように、ファン７を駆動して軒先の空気取入口３から外気を空気流路２に取り込み、放射冷却現象（放射冷却で屋根全体が冷える）を利用して、涼しい外気を室内に取り込む。冷房のようには冷えないが、寝苦しくない夏の夜を演出できる。

ところで、前記ソーラーシステムハウスでは集熱部としては、カラー鉄板の金属製屋根板１を集熱面として、その直下に屋根勾配を有する空気流路２を形成し、この空気流路２の一方の端は軒先に空気取入口３として開口し、さらに空気流路２の他方の端は集熟ダクトとしての棟ダクト４に連通させるようにしたが、これに変えて屋根上に集熱器（集熱パネル）を設置することも行われている。

図１７にこの集熱器の一例を示すと、集熱器２４は上面開口とした断面横コ字形の金属ケース２５の内側を断熱材２６で内張りし、上下を仕切る隔壁として金属板による集熱板２７を配し、さらに、上面開口面を透過ガラス２８で閉塞してなる。

断熱材２６は断熱ボードであり、金属ケース２５で底面断熱材２６ａと側面断熱材２６ｂとを組み合わせ、金属箱体２５の底面に接着材２９で固定する。

図中３０は集熱板２７の接続材、３１は集熱板固定ネジである。

前記透過ガラス２８は強化ガラスで、端部はガラスパッキン３２を介して載置され、アングル材によるガラス押え枠３３によりガラス押えねじ３４で固定される。

この集熱器２４は前後面が開口した空気流通箱体であり、前後方向に連接して、かつ、複数が並列して屋根上に置かれ、図１８に示すように前記他集熟ダクトとしての棟ダクト４がこれらに接続される。棟ダクト４は断熱材２６を内張りしたダクトである。

また、図示は省略するが、太陽光発電パネルを現場設置で架台設置して、吸込み空気をプレヒート用集熱器として図17の集熱器と連結して設置される例もある。

前記集熱器２４の集熱板２７の上下部は集熱空気層であり、太陽の熱で屋根面が温まると、宅内でこれらの集熱器と連結された搬送手段(以下ハンドリングボックス)がファン運転して、集熱器２４の外気取り入れ口から集熱空気層へ新鮮な空気が集熱器２４に入る。

この集熱空気が太陽光発電パネルを組み込んだ集熱器２４を通り、さらに透過ガラス２８の集熱器２４で温度を上げ、棟ダクト４に集められる。太陽光発電パネルは発電時に熱を発し、その熱も利用しながら、発電効率の低下も軽減する。表面が強化ガラスの透過ガラス２８の集熱器２４では、温室効果によりさらに空気の温度を高める。

地域や季節により異なるが、冬の快晴の日で、集熱温度は約６０℃ほどにもなる。

棟ダクト４の熱い空気を、ハンドリングボックス５のファンで立下がりダクト１０を介して床下空気層に送る。ハンドリングボックス５は、ファンの動力に太陽光発電パネルを用いた集熱器の電力を利用するものもある。

床下空気層に届いた熱い空気は、蓄熱土間コンクリート１１に熱を貯めながら、床吹出口１４を通って家全体を床から温める。

日が沈んだあとも朝にかけて、蓄熱土間コンクリート１１から放熱を続け、昼と夜、部屋ごと、それぞれの温度差を軽減する。

前記図１７に示す空気集熱器２４は、金属ケース２５の内側に断熱材２６を配置して、断熱材２６と隙間を空けて集熱板２７を配置する。集熱板２７の上に空気層を設けて透過ガラス２８を配置する。透過ガラス２８と集熱板２７の間は静止空気層として温室効果層とする。集熱板２７の下と断熱材２６の間に集熱空気を通過させるものである。

この構成だと、断熱材１７mm、空気流路２５mm、断熱空気層２０mmになり集熱器は６０mmを越えて厚くなる。また剛性を維持するため金属ケース２５を構成するケース材厚も厚くなり、透過ガラス２８の固定方法も集熱器剛性を考慮した構造になるなど、部品点数も多くコストが高い

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、集熱器のケースに真空断熱材を使って構成することで断熱強化と集熱器の薄型化が得られ、また、真空断熱材による真空断熱ケースを折り曲げ加工で製作することで、切れ目ない断熱と集熱器の剛性強化、部品点数の削減およびコストダウンが実現できる空気式太陽熱集熱システム装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、第１に、金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材で、前後面および上面開放の断面コの字型ケースを形成してこのケースの空気流路側金属板を集熱板とするとともに、該ケース上面開口を透過ガラスもしくは太陽電池モジュールで閉塞して空気式太陽集熱器を構成したことを要旨とするものである。

第２に、並列する空気式太陽集熱器に接続させる集熱ダクトとしての棟ダクトも、金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材で形成することを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、金属ケース内の断熱材や集熱板が不用となり、部品点数が少ないので部品点数が少なく部品コストや製造コストが格段に安くなる。

また、真空断熱ケースにすることで、ケース剛性が上がり、ケース高さが薄くても構造的に強い。

さらに、真空断熱材を断面コの字型に加工することで真空断熱ケースが３方向連続するため、３面に真空断熱材を用意する場合に比べて断熱に切れ目がなくヒートブリッジがないので、熱損失する面がない。したがって、性能が向上する。

通常の断熱材に比べて真空断熱材は熱損失がほとんどないので、集熱面と断熱材表面を同一面としても熱損失がなく高性能で部品点数を大幅に減らせる。

屋根一体に設置されない場合でも、集熱器裏面にほとんど熱損失しないので断熱屋根に一体設置したときと変わらない(それ以上)断熱性能が維持でき、住宅以外の施設建築設置でも高性能を維持できる。

以上述べたように本発明の空気式太陽熱集熱システム装置は、集熱器のケースに真空断熱材を使って一体的に構成することで断熱強化と集熱器の薄型化が得られ、また、真空断熱材による真空断熱ケースを折り曲げ加工で製作することで、集熱器の剛性強化、部品点数の削減およびコストダウンが実現できるものである。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第１実施形態を示す縦断側面図で、本発明の集熱器４０は、真空断熱材４１で形成した前後面および上面開口の断面コの字型ケース４２と、該ケース４２の上面開口を閉塞する強化ガラスによる透過ガラス４３で構成した。

また、本発明の集熱器４０の他例として、図４に示すように、集熱器４０は、真空断熱材４１で形成した前後面および上面開口の断面コの字型ケース４２と、該ケース４２の上面開口を閉塞する太陽電池モジュール５１で構成した。この場合は、集熱だけでなく太陽電池による発電出力も得られるハイブリッド運転ができる。

図７〜図９に真空断熱材４１の製造を示す。図７に示すように、実施例では断熱材体であるホワイトグラスウール４１ｂと金属板であるステンレス板４１ａとからなり、無機繊維綿等の芯材４１ｂを芯材としてその両面を片側に銅パイプ４１ｃを溶接で取付けたステンレス板４１aでプレス加工により上下にはさみ込み、ステンレス板４１a同士の端部は溶接かカシメなどの方法で真空シールする。

このようにしてから真空ポンプを用いて銅パイプ４１ｃから１Ｐａ以下になるように真空引きする（０．１Ｐａ以下が望ましい）。

真空引きの後は真空ポンプで真空引きした状態で、溶接機で溶接しながら銅パイプ４１ｃを切断する。

なお、真空断熱材４１を量産するには図１０に示すようにヘッダー管４４等でつなぎ、複数枚を同時に真空ポンプ４５で真空引きする。

この真空断熱材４１を断面コの字型ケース４２を形成するには、図１１に示すようにたとえば曲げ加工機４６のような加工機で箱曲げ加工をする。この箱曲げ加工に際しては図１２に示すように断面コの字型ケース４２を形成する角部となる部分は曲げ加工しやすいようにプレス加工時にステンレス同士の隙間が薄くなるように凹ませた薄肉部４７とすることもできる、そしてこの部分に曲げ加工機４６をかける。

このように、２重になったステンレス板を折り曲げ加工することで、２枚のステンレス板が一体的に曲がっている形状とし高い剛性を確保できる。

図１２に示すように形成する上面開口の断面コの字型ケース４２の上端はこれを空気流路側に曲げて内向きフランジ４８を形成し、さらにその先端からは外皮金属板のりしろ部分４９を整流板として垂下させた。

このように真空断熱材４１を空気流路側（内側）に曲げることで、真空断熱材４１の金属の合わせ部分が空気流路側となって熱ロスがなくなる。また、前記フランジ４８は透過ガラス４３の載置部となる。

透過ガラス４３は図２、図３に示すようにケース４２の上面開口を閉塞するものであり、その端部は接着材５０によりフランジ４８に固定する。この接着材５０としてはポリウレタン系接着剤が好適である。

他の実施形態として図４から図６に示すように、空気式太陽集熱器４０は図４から図６に示すように、前記透過ガラス４３に代えて太陽電池モジュール５１で該ケース４２の上面開口を閉塞した。

太陽電池モジュール５１に付属する電極ボックス５２およびケーブルコネクタ５３は集熱器４０内に位置する。

また、図４中５４は集熱器４０の断面中央部に設けるスペーサーブロックで、これはガラスや太陽電池が施工時などに表面に荷重がかかっても、必要以上にたわんで破損しないように、通風路の中にたわみを支えるものであり、これは図１に示す透過ガラス４３の場合集熱器４０にも設けることもできる。

このスペーサーブロック５４は真空断熱ケース４２と別体でも良いし、真空断熱ケース４２をプレス加工するときに金型で一体加工しても良い。一体加工したほうが部品点数やコスト、耐久性の面で優れている。

スペーサーブロック５４の高さは透過ガラス４３または太陽電池モジュール５１の下面より離れていて、常時はガラスや太陽電池下面と接触していなくても良い。また、このスペーサーブロック５４は形状を工夫して通風空気の乱流を促進して、熱伝達率を促進する形態とするのが望ましい。

このようにして真空断熱材４１で形成した空気式太陽集熱器４０は、３面が真空断熱材、１面がガラスもしくは太陽電池の風洞として作成されるものであり真空断熱材４１を構成するステンレス板４１aのうち、ケース４２の空気流路側のステンレス板４１aが集熱板として作用する。

このケース４２の空気流路側のステンレス板４１aに加工後黒色塗装するか化成処理による黒染め、選択吸収面塗料塗布、選択吸収面加工処理とするようにしてもよい。このようにすることで、集熱効果が向上するとともに、あらかじめ加工前に化成処理して溶接・真空引き処理等をすることで工程を短縮することもできる。

また、ガラスと真空断熱ケースの間に追加の集熱板を配置して、ガラスと追加の集熱板の間を半密閉することで、ガラスと集熱板の間が温室効果が生まれ、集熱板と真空断熱ケースの間の通風路が下方は真空断熱、上面は温室効果により、より効率の高い集熱器を提供することもできる。

前記空気式太陽集熱器４０は、図１３、図１４に示すように屋根等に直列に数段接続して、かつ、それを並列に並べ、棟ダクト４に接続する。

この集熱ダクトとしての棟ダクト４も前記真空断熱材４１で形成した。

直列に数段接続する空気式太陽集熱器４０はその先端は空気取り入れ口であり、外気を導入して、日射をケース４２の空気流路側のステンレス板４１ａによる集熱板で熱に代えて、通過する外気の温度を上昇させる。

そして上部で空気導入空気をヘッダーダクトである棟ダクト４に集合して、屋内の空気搬送手段で吸込み、宅内の床下に加熱された空気を搬送して、床下に導入することで床暖房に供する。

また、ガラスの代わりに太陽電池を空気集熱器４０に配置した場合は太陽電池のガラスの下面の太陽電池セルで太陽光が熱に変わるので、太陽電池のバックシートの面から前記ガラスの集熱器４０の場合と同じように通風空気に熱を伝えて集熱を行う。なおこの場合は、集熱だけでなく太陽電池による発電出力も得られるハイブリッド運転ができる。

図１５に９mm厚真空断熱材の真空度による熱伝導率を示す。なお、真空断熱材の場合は厚みによる熱伝導率の差はほとんどない。また、図１６に各種断熱材の断熱性能(１mの厚み)の比較を示す。(本図で真空断熱材は９mmの試験データ)

本発明はこのように真空断熱材を採用することで集熱器裏面にほとんど熱損失しないので、集熱効率を格段に向上させることができるものとなった。

前記実施形態は屋根設置のものとして説明したが、本発明の集熱器は屋根一体に設置されない場合でも、このように集熱器裏面にほとんど熱損失しないので断熱屋根に一体設置したときと変わらない(それ以上)断熱性能が維持でき、住宅以外の施設建築設置でも高性能を維持できるものである。

本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第1実施形態を示す縦断側面図である。 本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第1実施形態の部材構成を示す斜視図である。 本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第1実施形態の組立状態を示す斜視図である。 本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第２実施形態を示す縦断側面図である。 本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第２実施形態の部材構成を示す斜視図である。 本発明の空気式太陽熱集熱システム装置における空気式太陽集熱器の第２実施形態の組立状態を示す斜視図である。 真空断熱材の製造を示す部材構成の斜視図である。 真空断熱材の製造を示す途中段階の斜視図である。 真空断熱材の製造を示す途中溶接段階の斜視図である。 真空断熱材の製造を示す量産の場合の斜視図である。 真空断熱材の箱曲げ加工の説明図である。 本発明の空気式太陽集熱器の要部の説明図である。 棟ダクトとの接続を示す斜視図である。 棟ダクトとの接続を示す縦断側面図である。 真空断熱材の真空度による熱伝導率を示すグラフである。 各種断熱材の断熱性能の比較を示すグラフである。 従来の集熱器を示す縦断側面図である。 従来の集熱器と棟ダクトの接続を示す縦断側面図である。 ソーラーシステムハウスの全体概要を示す縦断正面図である。 ソーラーシステムハウスの全体概要を示す夏の昼間の説明図である。 ソーラーシステムハウスの全体概要を示す夏の夜間の説明図である。

１…屋根板 ２…空気流路
３…空気取入口 ４…棟ダクト
５…ハンドリングボックス ６…逆流防止兼流路切換えダンパー
７…ファン
８…流路切換えダンパー ９…排気ダクト
１０…立下りダクト １１…土間コンクリート
１２…床パネル １３…空気流通空間
１４…床吹出口 １５…お湯とりコイル
１６…循環配管 １７…貯湯槽
１８…循環ダクト １９…温水ボイラー
２０…室内 ２１…給湯配管
２３…ガラス ２４…集熱器
２５…金属ケース ２６…断熱材
２６ａ…底面断熱材 ２６ｂ…側面断熱材
２７…集熱板 ２８…透過ガラス
２９…接着材 ３０…接続材
３１…回転ネジ ３２…ガラスパッキン
３３…ガラス押え枠 ３４…ガラス押えねじ
３５…接続ダクト ３６…小屋裏
４０…集熱器 ４１…真空断熱材
４１ａ…ステンレス板 ４１ｂ…無機繊維綿等の芯材
４１ｃ…銅パイプ
４２…ケース ４３…透過ガラス
４４…ヘダー管 ４５…真空ポンプ
４６…曲げ加工機 ４７…薄肉部
４８…フランジ ４９…外皮金属板のりしろ部分
５０…接着材 ５１…太陽電池モジュール
５２…電極ボックス ５３…ケーブルコネクタ
５４…スペーサーブロック

Claims (4)

1. 金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材で、前後面および上面開口の断面コの字型ケースを形成してこのケースの空気流路側金属板を集熱板とするとともに、該ケース上面開口を透過ガラスで閉塞して空気式太陽集熱器を構成したことを特徴とした空気式太陽熱集熱システム装置。
2. 金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材で、前後面および上面開口の断面コの字型ケースを形成して該ケース上面開口を太陽電池モジュールで閉塞して太陽電池裏面から空気流路を通る集熱空気への熱移動と、同時に発電出力を得られるハイブリッド型空気式太陽集熱器を構成したことを特徴とした空気式太陽熱集熱システム装置。
3. 並列する空気式太陽集熱器に接続し集熱空気を集合させる集熱ダクトとしての棟ダクトも、金属板で断熱材体の両面をはさみ込み、かつ、真空引きした真空断熱材で形成する請求項１または請求項２記載の空気式太陽熱集熱システム装置。
4. 上面開口のコの字型ケースは、上端を空気流路側に曲げてなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の空気式太陽熱集熱システム装置。
   
   

Images