JPH05508002A - 太陽熱収集屋根の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 太陽熱収集屋根の改良 本発明は熱運搬または熱除去媒体、例えば、熱交換板において枝部により形成さ れた通路を通って屋根から流れ落ちる水、から成る太陽熱収集屋根の改良に関し 、上記太陽熱収集屋根は上下層として半透明の絶縁カバープレート系を有する。

収集太陽エネルギに関する上記屋根の特徴に加え、本発明による太陽熱収集屋根 は、屋根を載せて固定する垂木／木舞以外に屋根の下に他の構造物を必要としな い意味において「完全１な屋根構造を構成する。それにより上記屋根は強化／封 止層の他の層を必要とすることなく、水密になる。

屋根サミットに水を供給し、かつ入射輻射エネルギを吸収するための板と半透明 の絶縁外カバープレートとの間の通路により水を加熱した後に下型板エツジでこ の水を収集するための手段から成る型の太陽熱収集屋根は既知である。

いくつかの実験が太陽エネルギハウスに関して行われている。その実験の１つは ノルウェー、モスの近くのＪｅｌ）ｉｙにあるツルタンプロジェクトである。こ の住宅団地は田舎の中庭の回りに建てられた７つの家屋で構成されている。この 場合、２層のアルミニウムの屋根コルゲート板が太陽収集器として使用され、上 記２層間に水が流れる。上記板はグリーンハウスに通常使用される形の透明の２ 重ポリカーボネート層により被覆されている。水流系は分配および収集通路で構 成され、かつこのプロジェクト専用に構成されているヨーロッパ特許公告第６９ １０３号から冷却液の表面張力および液体と吸収板との間の凝集力を利用して輻 射熱吸収板の下側上でフィルムとして冷＃液を流す解決法が知られている。それ により良好な熱接触が上記吸収板と液体との間で得られ、かつ同時に上記吸収板 は液体蒸気が上段されたカバープレートに達するの防ぐ。しかし、かかる解決法 は下側上に分離屋根を必要とする、即ち、この解決法はそれ自体で完全な屋根を 構成できない。

更に、ヨーロッパ特許公告第５７０１号から、冷却液が吸収板内に形成された通 路により構成される通路を通って上記吸収板の上面を流れ、土埃界面として上記 吸収板上に密接に設置された半透明のカバープレートを有する装置が知られてい る。でのように、この場合、輻射熱は吸収板へ吸収される前に液体を通過する。

この場合、非常に良好な熱接触が冷却液と吸収板との間で得られる。

これに比較して、本発明では、水が上記導入部で説明した熱交換板内の通路を充 満しないことが基礎となっている。従って、水へ熱を伝達するために、熱は、最 初に、特定設計された吸収板から熱交換板へ伝達されなければならず、そこでは 上記吸収板および熱交換板は相互に金属接触し、その後に熱は上記熱交換板の通 路の壁へ誘導され、その後に上記通路を流れる水へ伝導される。上記液体が吸収 板と直接的、物理的に接触する点で、上記２つの特許公告は良好な熱伝達に関す る解決法を示す。しかし、本発明による解決策では、吸収板から冷却液への熱伝 達は若干問題があ・る。この問題の解決が本発明の基礎になっている。

熱交換については既に解決されているのに、解決策に熱交換の問題のあるを仄め かすことについては当然ながら疑問が提起されるところである。しかし、本発明 に示される型の間接的熱伝達は全体として見た場合に、本発明の解決策に関連し て構成上程々の利点を有し、かつ全体的解決策として本発明の太陽収集原理を上 記２公告の解決法よりも更に効果的かつ好ましいものにすることに注意されなけ ればならない。

同様に、上記２公告は屋根の太陽収集器の形態において太陽熱の技術的／経済的 利用に関して未だ問題を含む解決策を提供しているに注意されなければならない 。

このように、特許公告ＥＰ６９１０３は上記導入部で記載したように完全な屋根 解決法の一部を記載するのみである。この原理は屋根上の太陽熱収集器に採用さ れるときに、太陽熱収集器の下に更に液滴および蒸気の家屋への侵入を防止する もう１つの屋根を設けなければならない。更に、ＥＰ６９１０３による構成の半 透明カバープレートは風および雷荷重の形で、通常、屋根に加わる機械的歪を受 ける。これは上記液体フィルムがかかる場合に下層板からカバープレートへ突出 する機械的支持体によって破れることによる。

更に、その発明者により行われた実験は上記解決法が金属面およびかかる液体フ ィルムを維持するための液体の性質に関する要件の点で非常に危険であることを 証明している。従って、上記構成は数年間の安定操作を維持するのに適さない。

ヨーロッパ特許公告第５７０１号は、液体が吸収板の上を流れ、カバープレート 、吸収板および／または液体が蒸発と凝縮を減少または回避するように処理され る構成を記載している。かかる解決法の欠点はカバープレートが吸収板上に密接 に設置されたときに断熱性に欠ける点である。

更に、透明カバープレートは液体流が外側から見えることを意味する。これはＥ Ｐ５７０１の構成で解決されていない美観の問題である。

同様に、上記解決策では蒸発および凝縮しない冷却液が使用されなければならな い。換言すれば、清水は太陽熱収集器に使用できず、これは熱が熱交換ユニット を介して加熱系の残部へ伝達されなければならないことを意味する。付加的熱交 換ユニットは経済上かつ操作上の問題を持つ。

本発明は上記問題を解消し、かつ同時に上記導入部で説明した種類の改良を行う ことにより特定構築を伴うことなく、いかなる屋根にも容易に適用でき、かつ添 付の特許請求の範囲ｌの特徴部に記載した特徴を有する簡単な構成の太陽熱収集 器を提供する。

そこで、本発明によれば、冷却液は吸収板の下側上を流れ、従って、上／前から 見えない。本発明の吸収板は水蒸気がカバープレートへ達するのを防止するので 、凝縮の問題は解消されている。本発明のカバープレートは絶縁に関して上記吸 収板から最適間隔をおいて設けられることができ、かつ太陽収集器は上記カバー プレート上の負荷をその下の垂木層へ分配および伝達する機械的特徴を有する本 発明の構成に明らかに特有でありかつ上記公告にない他の問題は、熱交換板を介 して上記吸収板から冷却液（水）へ効果的に熱を伝達する能力である。

そこで、本発明の課題は上記熱交換板上に安定した状態で水が流れる方法におい て上記吸収板のできるだけ近くへ水を運ぶことである。これを達成するために、 少量の水は直線的糸で流れず、接触張力、摩擦および表面張力により曲かりくね って流れる傾向がある、即ち、メアンダ模様になる周知特徴そのものを利用する 。

屋根、そしてそれにより水が流れる通路は斜角になっており、水は上記通路を流 れるときにメアンダ模様を維持することに注意されなければならない。適宜形状 （断面）の通路を選択する場合には、その水は上記通路側上の通路の底に部分的 に流れる。水が上記通路側上を流れる時には、水と吸収板との間の間隔は小さく なり、熱伝導抵抗は無くなる。換言すれば、ここで水が上記通路の底に沿って留 まれば、より容易にその熱は伝達される。

本発明による改良が単にカバープレート、吸収板、コルゲート熱交換板、および その下の絶縁板から成るときに、この構成は材料消費に関する上述のものよりも 安い。熱運搬媒体を案内するための通路はコルゲート板により実に蘭単に構成さ れ、水供給通路および水収集通路へそれぞれ屋根のサミットに沿って下エツジで 連結される。上記吸収板が平坦であることは上記カバープレートの支持を簡単に し、かつそれにより改良された絶縁状況が上記吸収板の外側上で達成される。更 に、上記水路は簡単であり、かつ水路が比較的大きい断面を有するので異物によ る停滞の危険が無い。水の表面張力が壊れないような方法で供給水が制御される ことの結果として、水を更に上記コルゲート板と部分接触させる曲がりくねりが 生成され、そのようにして、その水が上記通路に沿って直線的に流れる状況と比 較して付加的熱量を吸収する。

上記面がりくねり現象の基礎を形成するメカニズムは水と上記通路の表面との間 、および水層と水表面（表面張力）との間の摩擦であると考えられる。水と通路 表面との間の摩擦はその層、従って、水の速度が下側上で低下する。上記下層の 上の水は若干早く流れるくねりとなり、かかる曲がりくねりが発展すると直ちに 上記メカニズムがその曲がりくねり現象を増大させようとする。この流れ模様は その表面張力を破壊しない程度に流速が充分小さい限り維持される。

上記水は上記通路壁を這い上がる時に、曲がりくねりと反作用しようとする水の 重量の１成分が上昇する。従って、水の線は揺れ戻って反対通路壁へ向かって広 がる。長時間にわたって上記通路の底と壁の大部分が水と直接接触するような方 法で全波模様か上記通路を下へ移動する。

本発明の他の特徴は装置に関する請求の範囲、およびここで問題とするの型の太 陽熱収集屋根から熱を除去する方法に関する請求の範囲により明らかにされる。

以下に、添付図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。添付図面において、 図１は本発明により構成された太陽熱収集装置を部分断面図で示す。

図２は上記太陽熱収集装置の一部、即ち、吸収板とコルゲート通路板の部分のみ を示す概略図である。

図３は通路内の水トラック模様の略図を示す。

図４は板の湿潤特性を測定するための構成の概略図を示す。

図５は固定形材が一体化されたカバープレートの部分略図、および特に結合方法 を示す詳細略図を示す。

図１は太陽熱屋根の構造態様を示し、ここでは、例えば、アルミニウム製のコル ゲート板２が絶縁層７の上に設けられ、かつコルゲート板２の上には吸収板１が 設置されている。更に、上記吸収板の上にはカバープレート６がある。このカバ ープレート６は、例えば、半透明のポリカーボネート材で構成されてよい。上記 吸収板１はアルミニウムで構成され、かつできるだけ良好に熱を吸収するために 黒色で被覆されていよい。アルミニウム製コルゲート板２はアルミニウム板を僅 かに陽極酸化しかつ塗装することにより比較的平滑に形成された面を具備してよ い。この図示態様１こおいて、枝部は図２に示されたような断面を有する不平行 四辺形を構成する底部５および側壁４を有する通路を形成する。この通路は屋根 最上部の分配通路８によって水を供給し、比重により上記通路を落下する水は収 集バイブ９へ収集される。上記収集バイブ９は、例えば、タンクへ通じ、そこか ら水を汲み上げて再び上記分配通路８へ流してよい。

図１の構造は剛性かつ容易に取扱できる太陽熱屋根構造である。

上記通路の高さＨは、水を吸収板ｌと接触させ、るために起点としてできる限り 小さくすべきであったが、しかし、これは、上記屋根の機械強度が高さＨの増大 により減退するので可能でない。従って、高さＨは屋根強度に関して規定された 要件に依存する。従って、吸収板１により吸収される熱を最大に利用するために は、水が上記全通路を充満することが必要である。しかし、この結果として屋根 は非常に重くなり、むしろ不適当となる。かかる状況を解消するために、上記通 路を通過する水を通路壁４に沿って曲がりくねり運動させ、それにより各通路内 に比較的少量の水しかないときでさえ水は上記吸収板の近くの領域から熱を奪う ことができる。この曲がりくねりメカニズムは水と通路面との間の摩擦、および 表面張力に依存することは上述のとおりである。

上記側面および通路底部は水が僅かにのみ上記面を湿潤すような構成でなければ ならない。使用されるものとして対応する材料のプレー１−１２、本態様におい てフルゲート板、を図４のごとく液体１１を収容する容器ｌＯへ浸漬することに より、所定液体による表面の湿潤程度を別々に測定することができる。この態様 において、上記液体は水である。プレート１２を上記容器内へ水表面に対して垂 直に設置する。表面処理により、水はプレート１２に沿ってそれ自体上昇する。

プレート１２に沿って上昇する水表面に対するタンジェント１３とプレート１２ との間のリム角βは湿潤測定値である。

この角度βの値に関する決定的パラメータは、上述のごとく、上記プレートの表 面処理である。所望の曲がりくねりを達成するために、コルゲート熱交換板２は 湿潤リム角βが６０’を越えるように表面処理されなけばならない。

更に、上記曲がりくねりは水流速度により調整できる。しかし、異なる屋根構造 には異なる傾斜があり、かつ上記流速は屋根の角度により異なる値により決定さ れる。異なる屋根角度で同一流速を得るために、かつ上記流速が表面張力が壊れ ることを意味するような流速以上にならいなようにするために、水量はその屋根 角度に合わせて供給されなければならない。しかし、上記曲がりくねりは、また 、水と通路底部５との間の摩擦に依存するの七、上記通路の表面処理を考慮して 分配通路８に水量を供給する必要がある。この表面処理は、例えば、アルミニウ ムプレートの僅かな陽極酸化と、塗装に行われてよい。通路底部５の幅は１−Ｌ ｏａｍの範囲であるのが有利であることは判明されている。同様に、水流速度が 各通路に対して０．１−１１／分の範囲であるのが好ましいことが判明されてい る。水温は１０１′から８０°の範囲であってよい。屋根の斜角は広範囲、即ち 、２０’から８５″の範囲で変化させることができる図３に示された所望の曲が りくねり模様を形成するために必要な流速はいくつかのパラメータに依存し、か つそれらパラメータは各特定事例に対して計算することが困難であるこ゛とは上 記から明らかである。従って、最も簡単な方法は屋根を取り付けた後に流速が特 定事例に許容される最高値に近づくように吸い上げ水量を調節することにより上 記流速を調整する。

図５８において上述のごとく熱交換板２の上に吸収板ｌを、その下に有する特定 構成により形成できるカバープレート系の特定態様が示されている。吸収板１か ら屋根最上部側へ向かう熱のｒ漏出ｊを可能な限り防ぐ良好な絶縁を得るために 、スペーサ要素または固定形材１４がカバープレート６の他の部分と同様の絶縁 材料で形成されて、カバープレート６へ一体化されている、即ち、一体物として 形成されている。同時に、対流による熱伝導に関してカバープレート６まで最良 距離を設ける。この最良距離はとりわけ屋根の傾斜角度に依存し、かつ約１０ｍ ｍの範囲に相当する。例えば、ポリカーボネート材により形成された、かかる一 体化された固定形材１４を有するカバープレートは押出成形により直接的かつ簡 単に製造できる。

図５ｂはカバープレート６を一体化した固定形材１４を詳細に示し、ここでは固 定形材１４は中空である。図５０は２つのかかるカバープレート６との間の結合 を示し、ここでは固定形材１４はカバープレートのエツジ上に設置されている。

要約書 太陽熱収集屋根は入射輻射エネルギのための吸収板（１）およびその真下に設置 された熱交換板（２）から成るｂ上記熱交換板は屋根に沿って下へ延びる通路を 有するように波うっており、かつ上記熱交換板（２）はその上の上記吸収板（１ ）と直接的に接触している。熱運搬媒または熱除去媒体、例えば、水、が上記通 路を流れる。上記熱運搬媒体（３）は上記熱交換板（２）から熱を除去し、上記 屋根に沿って上記通路から流れ落ちる流速が上記熱運搬媒体（３）の表面張力が 壊れる速度未満となるような速度で供給され、それにより上記熱運搬媒体（３） が上記通路壁（４）に沿って曲がりくねって移動する流れ模様を形成し、上昇す る。

国際調査報告 国際調査報告 ＰＣＴ／闇９１１０００７２

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．熱運搬または熱除去媒体（３）、例えば熱交換板（２）内の底部により形成 された通路を通って屋根から流れ落ちる水、を含み、上層として半透明の絶縁カ バープレート系（６）を有するのが好ましい太陽熱収集屋根における改良であっ て、上記熱交換板（２）は入射輻射エネルギのための吸収板（１）により被覆さ れ、上記吸収板（１）は上記熱交換板（２）と直接的に熱伝達接触をすべく配置 され、かつ次のパラメータ：屋根傾斜、上記通路の断面形状、上記通路における 上記熱交換板（２）の表面特性、および屋根サミットでの上記熱運搬媒体（３） の供給量：が上記各通路を通って屋根に沿って流れ落ちる上記媒体の安定した流 速が上記媒体の表面張力の壊れる速度未満であるように共働関数として採用され 、それにより上記熱運搬媒体（３）が上記通路の側壁（４）に沿って曲がりくね り移動する流れ模様を形成し、上昇することを特徴とする太陽熱収集屋根。
2. ２．上記各通路は実質的に不平行四辺形断面を有し、上記不平行四辺形の高さ（ Ｈ）および傾斜角度（α）は上記屋根の強度および機械的特徴に関する特定要件 を考慮して選択されるのがよく、かつ上記不平行四辺形の底部（５）幅は１−１ ０ｃｍの範囲にあるのがよいことを特徴とする、請求項１の太陽熱収集屋根。
3. ３．上記各通路は１−１０ｃｍの範囲にある直径を有する略半円筒形断面を有す ることを特徴とする、請求項１の太陽熱収集屋根。
4. ４．上記吸収板（１）は黒色に塗布されているのが好ましいアルミニウムで形成 されるていることを特徴とする、前記請求項のいずれか１の太陽熱収集屋根。
5. ５．上記熱交換板（２）は陽極酸化／塗装により平滑表面に処理されているのが 好ましいアルミニウムで形成されていることを特徴とする、前記請求項のいずれ か１の太陽熱収集屋根。
6. ６．上記熱交換板（２）の表面は上記表面に対する水に関する湿潤テストが６０ °を越えるリム角（β）となるべく処理されていることを特徴とする、前記請求 項のいずれか１の太陽熱収集屋根。
7. ７．上記熱交換板（２）の真下に絶縁材層（７）が設けられていることを特徴と する、前記請求項のいずれか１の太陽熱収集屋根。
8. ８．上記熱運搬媒体（３）の流速は上記各通路ことに０．１−１１／分の範囲に 調整されていることを特徴とする、前記請求項のいずれか１の太陽熱収集屋根。
9. ９．上記カバープレート系は押出材料により製造されたカバープレート（６）か ら成り、最適調整された絶縁距離をもって下設された吸収板（１）を固定するた めに一体化された固定形材（１４）を上記カバープレートの下側に有することを 特徴とする、前記請求項のいずれか１の太陽熱収集屋根。
10. １０．土記カバープレート（６）はポリカーボネート材により形成されているこ とを特徴とする、請求項９の太陽熱収集屋根。
11. １１．熱運搬または熱除去媒体（３）、例えば熱交換板（２）内の底部により形 成された通路を通って屋根から流れ落ちる水、を含み、上層として半透明の絶縁 カバープレート系（６）を有するのが好ましい太陽熱収集屋根から熱を除去する 方法であって、入射輻射エネルギのための吸収板（１）が上記熱交換板（２）の カバーとして使用され、上記吸収板（１）が上記熱交換板（２）と直接的に熱移 動接触をするように位置決めされ、かつ屋根傾斜、上記通路の断面形状、および 上記通路における上記熱交換板（２）の表面特性のパラメータに依存して、上記 屋根に沿って各通路から流れ落ちる上記媒体（３）の安定した流速が上記媒体の 表面張力の壊れる速度未満となるような流速で上記熱運搬媒体（３）を上記屋根 サミットから供給し、それにより上記通路の側壁（４）に沿って曲がりくねり移 動する流れ模様を上記熱運搬媒体（３）で形成すると共に上昇することを特徴と する太陽熱収集屋根から熱を除去する方法。
12. １２．上記熱運搬媒体（３）の流速を上記各通路ごとに０．１−１１／分の範囲 になるように調整することを特徴とする、請求項１１の方法。