JPS58173344A - 太陽熱集熱装置 - 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】 本発明は太陽熱集熱装置に関するものである。

まず、第１図によって従来の太陽熱集熱装置を説明する
と、１は集熱器、２は蓄熱槽、３は集熱用循環ポンプで
、これらは図の如く直列に配管４゜５でもって連通接続
されている。通常熱媒体としては水が用いられており、
集゛熱器１の出−口（図のＡ点）または平板形集熱器に
おいては集熱器の上部表面に設けられた第１の温度検出
手段（以下温度センサーという）Ｓｌと蓄熱槽２内の下
部（図のＢ点）に設けられた第２の温度センサーＳ２に
より各々の温度を検出し、Ａ点の温度（集熱１度）かＢ
点の温度（蓄熱温度）より高くなっている時に、即ち、
いいかえると差温か生じている時に集熱ポンプ３を運転
して水を強釧循環し、槽２内に蓄熱する。この差温の設
定値を、あまり大きく定めると、日の出抜日照が生じて
あ・ら集熱器１の温度が相当上昇するまで集熱ポンプ３
の運転が始まら′ないため有効集熱量が少なくなるので
、通常差温の設定値はできるだけ小、さ左−値に定めら
れる。ところが差温の設定値が小さいとまた次のような
間鴇点が生じることになる。すなわち集熱器１は通常屋
根の上などに設置され１上の蓄熱槽２と配管にて接続さ
れているので、等に冬期などにおいて午後３時以降日射
が弱まった時に外気温度も低いと、集熱温度、（図のＡ
点温度）は蓄熱温度（図のＢ点温度）より高くて集熱ポ
ンプ３は動くが、蓄熱槽２に送られてくるまでに途中で
放熱して実際に蓄熱槽２に入ってくる水の温度は蓄熱温
度より低くなるという事態が発生する。これは蓄熱槽２
内に貯められた熱が逆に外部に放熱する極めて不経済な
状態である。差温制御でどうしてこのような状態になる
かを、もう少しくわし６く次に説明してみる。第２図は
第１図の各部における温度の関係図で、実線は日射が強
い場合を示し、点線は日射が弱い場合を示している。第
２図において、蓄熱槽２出口Ｂ点の温度がポンプ始動後
もある時間一定であると仮定すると（蓄熱槽２の容量は
集熱器１の容量に比−しかなり大きい）、Ｂ点から集熱
器入口の６点に至るまでの配管５で第２図のような放熱
があるが、この領域は一般に低温域であり、集熱ポンプ
３の運転によるポンプからの熱もあるので、後述のＡ点
からＤ点間における放熱よりも少くない。そして集熱器
入口の６点から集熱器出口のＡ点間で集熱したのち蓄熱
槽入口のＤ点間までの配管４でまた放熱している。図の
点線のようにＡ点丁゛ｒＸ屯間で放熱があってもＡ点と
Ｂ点間の温度性７　　　　　　ノ（大きいときは蓄熱し
ているが、図の点線の場合のように差温か小さくなると
集熱ポンプ３が動いていることによって蓄熱することよ
りもかえって放熱しているという結果にな−）てしまっ
ている。

このため、Ａ点からＤ点に到るまでに下がる温度ΔＴを
考慮して、Ａ点の温度がＢ点の温度よシΔＴ高くなった
時に集熱ポンプ３を運転するようにして上記欠点を除去
しようとする試みがなされている。ところが、この差温
ΔＴは使用する配管４の長さ、径、材質、保温材、配管
内流量、水温。

外気温、あるいは蓄熱槽２の給湯負荷の変動などにより
犬きく影響を受けるので、最適な差温ΔＴ。

を求めることが難しく、これまではでき当に（例えば７
°Ｃ）設定されていた。従って、最適な差温かａＴｌ　
とすると、これに対してΔＴ２＜ΔＴ１＜ΔＴ３　なる
差温ΔＴ２＋　　ΔＴ、を誤まって設定した場合には、
第３図に示す日射量変化に対し蓄熱槽２内の水温はそれ
ぞれ同図の如く変化し、ΔＴ。

に設定した場合に比して集熱効率が悪くなってしまうと
いう欠点があった。（注二ΔＴ２の場合、日射が増加（
及び減少）する時、集熱ポンプ３の運転開始（及び運転
停止）が早やすぎたり（遅すぎたり）するため、その部
分では集熱より放熱が生じる。又、ΔＴ、の場合、日射
が充分であるにもかかわらず集熱ポンプ３の運転を停止
していることになり、実質的な集熱時間が短かくなって
いる。） しかも、最適な差温ｌＴ、は既述の如く同じ装置であっ
ても時々刻々変化していくものであるから差温ΔＴを一
定として集熱すること自体にも無理があり、ΔＴを一定
として集熱を行う場合、−年を通じて効率のよい集熱を
行うことができない。

従来装置の差温制御方式は以上述べたような欠点がある
と同時にまた温度センサー例えばサーミスターを２個も
使用しているため、センサーへの配線数が多くまた各セ
ンサー間の互換性および各センサーと制御回路本体との
互換性にも乏しく、設置時には一対一の対応を必要とし
また交換にあたっては、その都度制御回路の厳密な調整
を必要とするなど、その改善が強く望まれていた。

本発明は上述の如き差温制御式集熱装置の欠点を除去す
るためになされたもので、蓄熱槽２人口付近の環流水温
の変化のみを゛検出して集熱動作の続行、停止を制御す
る全く新しい集熱装置を提供する。以下、本発明一実施
例を図面に従って説明する。

第４図は本発明装置の構成図で、従来と異なる点は集熱
器１の近辺に太陽の日射量を検出するＣｄＳ等の日射セ
ンサ７を設けると共に配管４の蓄熱槽２との連結部付近
（Ｄ点）にサーミスタ等の温度センサ８を設け、この両
センサ７．８の出力に基づいて集熱ポンプ３の運転を制
御する制御部６を設けたことである。第５図は制御部６
のブロック図で、■Ｔは日射センサ８の出力が所定値（
集熱器１での受熱量が集熱運転に充分であると判定され
る日射量に対応する）以上になると増巾器９を介して駆
動されるインターバルタイマである。このタイマＩＴは
予め設定された時間間隔でタイマスイッチＩＴｓをオン
、オフし、集熱ポンプ３の運転を制御する。上記時間間
隔は例えば１分間オン、９分間オフの如くオン時間が極
く短か゛ぐなっているが、１分間のポンプ３運転で集熱
器１内の水を全て蓄熱槽２内に戻すことができる。

１０は温度センサ８からの温度信号を連続的に更新しな
がら記憶する記憶回路で、センサ７に可変抵抗Ｒ，（最
高１５６にΩ）を介して接続された主コンデンサＣ，（
４７０μＦ）と、後述するリレーＲＹのチャタリング的
動作を防止する補助コンデンサＣ２（３３μＦ）と、そ
の時定数用抵抗Ｒ。

（ＬｏｏｋΩ）とから成る。１１は上記温度センサ８か
らの温度信号と、記憶回路６に記憶されたその直前の温
度信号とを常時比較している比較増巾回路で、その時々
における温度信号の方が直前の信号以上の時のみリレー
ＲＹの動作信号を出す。

ＲＹは上述したリレーで、上記動作信号によりリレー接
点ＲＹｓをオンジ、インターバルタイマスインチＩＴｓ
のオン、オフとは無関係にポンプ３に電源を供給しポン
プ３を運転する。なお、上記記憶回路１０は時定数が大
きいため、センサ８からの信号がわずかに低下する位で
は記憶回路１゜から逆に電圧が供給され続け、２時間程
度は増巾器１１をオンし続ける。

次に以上の如き構成の集熱装置の動作を説萌する。まず
午前８時ごろから集熱器１が日射を受は始めて集熱器１
自体の温度が上昇し、集熱動作を行ってもよい頃になる
と日射センサ７の出力が所定値以上となってインターバ
ルタイマＩＴｅ［動する。このため、タイマスイッチＩ
Ｔｓがオンしてポンプ３を駆動し、１分間の運転時間内
に集熱器１内の水を配管４を介して蓄熱槽２内へ環流す
る。

制御部６内の記憶回路１０はその時々のＤ点の水温を記
憶しているから、集熱器１内の水温が充分高くな−）て
おれば、Ｄ点通過時はこの環流開始直前の水温より高温
となり比較増巾回路１１は動作信号を出し、リレーＲＹ
を駆動してリレー接点ＲＹｓｋオンするはずであるが、
日射に比して外気温か低かったりして集熱器１内で水温
が充分高くならず且つ配管４．５内で放熱して温度セン
サ８に到る処では環流開始直前より低温になったり、環
流開始後すぐ温度低下を起す場合はリレーＲＹはオンせ
ずあるいはオンしてもすぐオフする。従って、ポンプ３
はインターバルタイマＩＴの制御に従って１分間運転さ
れるのみで停止され水の環流がストップする。すなわち
日射が充分であっても、配管４．外気温等の関係で集熱
よりも放熱の方が大きい場合は環流を最少限にして放熱
を抑えるわけである。つまり第３図における斜線イ部分
の放熱を防止する。

この間にも日射は強くなって、集熱器１内の水温は上昇
するが、インターバルタイマＩＴによって、９分間はポ
ンプ３は停止しており、９分後に運転を開始する。この
時には蓄熱槽２内の水を連続的に環流しても配管４．５
内での放熱より集熱の方が多くなり水温はセンサ８部分
通過点でも上昇を続けるので、増巾回路１１よりリレー
駆動信号が出てリレー接点ＲＹｓがオンする。従って、
インターバルタイマＩＴによるスイッチ■Ｔｓがオフし
てもポンプ３は運転を続は集熱動作を続行する。

日射が増加し温度センサ８の温度信号が増加している吟
には、その時々の温度信号の方が記憶回路１０からの信
号よシ大きく、この状態を比較増巾回路１１で判断して
リレーＲＹを動作させるので結局集熱ポンプ３は日射の
強い間は連続運転することになる。午後になると日射強
度は低下していくが、集熱器１自体及び配管４の熱の蓄
熱並びに日射強度がまたかなりあることにょる集熱のた
め１５時ごろまでの間は環流水温は微増又は横ばいを続
けるのでポンプ３は運転を続ける。なお、１４時を過ぎ
ると水温は横ばい又は若干低下気味となるが既述したよ
うに記憶回路１ｏの時定数のため、水温の低下勾配にも
よるが１〜２時間近くリレーＲＹはオンし続け、ポンプ
の運転は続行される。

これは、水温がやや下が９気味となっても、蓄熱槽２出
口の水温より高い場合、全体としては放熱よりも集熱の
方が多くなるからで、集熱量が放熱量よりも多いことを
記憶回路１００時定数と温度センサ８の温度信号の低下
勾配との関係で検出するからである。１５時を過ぎ集熱
から放熱に移る転向点は上述したように温度信号の低下
勾配に依存し、比較増巾回路１１からリレー駆動信号が
出なくなった時点であるから、夏季のように水温の低下
が緩やかであると遅くなり、冬季のように水温の低下が
著しいと極めて早くなる。この転向点の検出は午前中の
日射が強い時に突然天候が変り日射が急に少なくなった
時にも行なわれる。

上記転向点に計いて、リレーＲＹはオフとなりリレース
イッチＲＹｓがきれるからポンプ３は停止し、集熱動作
は停止される。これによって放熱は最少限に抑えられる
。つまり第３図の斜線口の放熱が抑えられる。しかし連
続運転の場合は放熱が生じても、集熱器ＩＫはまだかな
りの日射があり、水を環流しない場合は相当高温になる
。従って、日射センサ７が所定値以上の信号を出してイ
ンターバルタイマＩＴを駆動している場合には９分間隔
で１分間だけポンプ３を運転し、集熱器１内の亥を蓄熱
槽２へ環流する。そして日射が更に弱くなり、センサ７
の信号が所定値以下になるとインターバルタイマＩＴも
オフし、ポンプ３は完全に停止する。

このように連続運転時においても集熱が放熱を乍まわる
場合をＤ点における水温の上昇で検出して集熱運転を行
い、連続運転では放熱の方が多い場合は間欠運転により
、集熱を行うことにより集熱効率を更にか率的にするこ
とができる。なお、日射センサ７かない時は２４時間タ
イマを設け、午前８時ごろ以後１６時ごろまでは集熱ポ
ンプ３を１分間運転、９分間停止の如く間欠駆動し、１
６時以後８時まではポンプ３の運転を停止するようにし
てもよい。この場合、日射センサ７を用いる場合に比し
て若干効率は落るが、温度センサ８による集熱制御を受
けるので、集熱効率は従来に比してず−〕と良好である
。

以−ト、本発明太陽熱集熱装置に用いた集熱装置の制御
動作を従来の差温制御の場合と比較し々から説明したが
、前極となる日射条件を快晴時の理想的な場合について
吟味していた。しかし実際には雲などの影響により日射
条件は様々に変化する。

この場合日がかげって日射が弱くなったりなくなったり
すると今まで日射を受けて温度上昇していた集熱器は逆
に通過媒体によって冷却されることになるので、第３図
におけるＤ点温度は上昇から反転して下降とな９、この
温度下降信号によって集熱ポンプの運転は停止する。そ
の後日射が回復するとまたＤ点温度は上昇に向かうので
集熱ポンプの運転は再開される。すなわち日射条件の変
化により集熱ポンプは断続運転をしなから集熱動作を行
なうことになる。このことは従来の差温制御においても
日射条件の変化によって差温の幅が大きくなったり小さ
くなったりなくなったりして集熱ポンプを断続運転する
ことと同様である。

量を検出するようにしてもよい。すなわち、集熱器１が
日射を受けてその中の水温が上昇すると体積が膨張し、
配管４を介しＤ点の圧カスイソチを作動させるので、日
射を検出することができるからである。この場合、集熱
器１までの配線が不要となるというメリットを有する。

以上のように本発明の太陽熱集熱装置は［Ｆ］　外気温
が変化しても、有効な集熱制御をおこなう為、年間を通
じての集熱効率が高い。

■　設置条件（配管長さ）、配管材料が異なっても、そ
れぞれの条件に左右されず最適な制御をおこない有効な
集熱をおこなう事が可能。

■　有効な集熱制御をおこなう為、ポンプ消費電力の無
駄がない。

■　１個の温度センサを設けるだけでよいので従来のも
のに比して構成が簡単である。

等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図二太陽熱集熱装置の一例を示す構成図、第２図：
第１図の各部における温度の状況を示す関係図、 第３図：第１図の動作説明に供する日射量と蓄熱槽内温
度との関係図、 第４図二本発明太陽熱集熱装置の構成図、第５図：その
制御部のブロック図。 符号 １・・・集熱器、　２・・・蓄熱槽、　３　集熱ポンプ
、　　４．訃・・配管、　６：制御部、　７・・・日射
センサ、　８・・・温度センサー、　■Ｔ・インターバ
ルタイマー、　１ｏ・・・記憶回路、　１１・・・比較
増巾回路、　ＲＹ・・・集熱ポンプ運転用リレー、　　
■Ｔｓ・・・インターバルタイマーによって駆動される
スイッチ。 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名、）が 第１図 第２図 第３　図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集熱器と蓄熱槽との間に集熱用の熱媒体を強制循環
   手段により循環させて太陽熱を蓄熱する形式の太陽熱集
   熱装置において、 上記蓄熱噛の熱媒体入口付近に熱媒体の温度を検出する
   温度検出手段を設け、この温度検出手段によって検出さ
   れた検出温度を繰り返えし記憶しなおす更新記憶手段を
   設け、この更新記憶手段の記憶温度と上記温度検出手段
   の検出温゛　度とを比較し、該検出温度が上記更新記憶
   手段の記憶温度以上の時、上記強制循環手段を作動させ
   る集熱制御装置を設けたことを特徴とする太陽熱集熱装
   置。