(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底板と側板とを有し上面が開口されたケースと、該ケースの上面開口を覆って設けられガラス板又は透明樹脂板で構成される透過体と、前記ケースの底板と前記透過体の間に配置されて受光した太陽光を熱に変換する集熱板と、該集熱板に熱的に接続された熱媒流路と、該熱媒流路に連通された熱媒の入口管及び出口管とを備え、
前記ケースの少なくとも底板は、真空断熱材で構成され、
前記真空断熱材は、圧縮された断熱素材からなる断熱性及び空隙を有する芯材と、該芯材を挟んで配置された２枚の金属板の周縁は互いに気密に固着された接合部を形成し、前記芯材が充填されてなる外皮とを備え、前記外皮の内部を真空に保持して構成され、
前記２枚の金属板は、それぞれ三角形と円弧と正弦半波の何れか１つの断面を有する複数のスジ溝を有し、該スジ溝の凸側を対向させて前記芯材を挟んで配置されている太陽熱集熱器。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽熱集熱器において、
前記透過体は、一対のガラス板又は透明樹脂板の間にスペーサを挟んで形成された隙間を真空にしてなる真空透過体であることを特徴とする太陽熱集熱器。
【請求項３】
請求項１に記載の太陽熱集熱器において、
前記透過体は、一対のガラス板又は透明樹脂板の間の隙間に気体が封入されたガス封入透過体であることを特徴とする太陽熱集熱器。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の太陽熱集熱器において、
前記透過体を構成するガラス板は、透過率が９０％以上の高透過ガラスで形成されていることを特徴とする太陽熱集熱器。
【請求項５】
請求項４に記載の太陽熱集熱器において、
前記透過体を構成する前記ガラス板は、少なくとも一方の面に３００ｎｍないし２５００ｎｍの波長の光の透過率が８０％以上の反射防止膜が形成されていることを特徴とする太陽熱集熱器。
【請求項６】
請求項１に記載の太陽熱集熱器において、
前記透過体は、ガラス板又は透明樹脂板に隙間を介して対向して設けた透明樹脂フィルムと、前記隙間に気体が封入されたガス封入透過体であることを特徴とする太陽熱集熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱集熱器に係り、特に、放熱を低減して集熱効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱集熱器は、太陽光によって給水などの熱媒を加熱して、例えば、給湯源あるいは熱源として用いられている。このような太陽熱集熱器としては、受光した太陽光を熱に変換する集熱板を箱形のケース内に断熱材等により支持して設置し、ケースの上部開口をガラス板や透明な樹脂板などの透過体で覆い、透過体を通り抜けた太陽光を集熱板で熱に変換し、集熱板に接して設けられた流路に流れる熱媒を加熱する平板タイプのものが知られている。このような平板タイプの太陽熱集熱器の集熱効率を高めるためには、透過体の光の透過率及び集熱板自体の光‐熱変換率（集熱率）を高めるとともに、ケースの側板及び底板からの放熱、及び透過体からの放熱を抑えることが必要である。
【０００３】
ケース等からの放熱を抑えるには、例えば、ケースの側板及び底板に設ける断熱材を厚くすることが考えられるが、集熱器全体が大形になるという問題がある。また、ケース内を真空にして集熱板に集めた熱がケース及び透過体の外表面から大気中に放熱するのを低減することが考えられるが、ケース及び透過体が大気圧に耐えるようにしなければならない。そのため、ケース及び透過体の材料の強化及びスペーサによる補強等が必要になり、集熱器の重量増や有効集熱面積の低下につながるという問題がある。さらに、ケース内を長期間にわたって真空に保つために、透過体とケースとの接合部のシールに課題がある。
【０００４】
このような背景のもとで、平板タイプの太陽熱集熱器のケースからの放熱を抑えるために、例えば、特許文献１によれば、ケースの底板部分にグラスウールなどの断熱材を敷き詰めるとともに、側板を断熱材により形成することが記載されている。また、特許文献２には、ケースの底板及び側板を真空断熱材で形成することにより、ケースの底板及び側板からの放熱を低減することが示唆されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、太陽熱集熱器の技術分野ではないが、冷蔵庫や冷凍庫の冷熱断熱の技術分野において、２枚の金属板を連続する三角波状又は正弦波状の波板に加工し、互いの波板の山線を直交させ、かつ片方の谷線と他方の谷線が点接触するように配設し、２枚の金属板の周縁を溶接等により接着し、２枚の金属板により形成される空間を真空にした真空断熱パネルが提案されている。これによれば、内部負圧に対する剛性と、パネル全体の撓みや歪みに対する剛性を備えることができ、剛性補強のための芯材、補強材、枠材を不要とすることができるとしている。
【０００６】
また、特許文献４に記載された太陽熱集熱器によれば、透過体の放熱を低減するため、二重ガラス板の一方のガラス板の内面側を突出させる角錐溝又は円錐溝を複数形成して、二重ガラス板の間に密封空間を形成し、その密封空間を真空にした真空断熱式の透過体が提案されている。これによれば、外気圧よる内部負圧によって潰れない構造の真空断熱式の透過体を実現できるとしている。
【０００７】
また、特許文献５には、二重ガラス管の内管内に同軸に集熱板兼用の熱媒管を挿入し、二重ガラス管の間を真空にして放熱を抑えたガラス管タイプのものが知られている。また、ガラス管タイプのものでも、一重のガラス管内に同軸に平板状の集熱フィンを有する熱媒管を挿入し、ガラス管の間を真空にして放熱を抑えたものも知られている。
【０００８】
一方、前述した特許文献２には、二重ガラス板の内部の空間を真空にすることに代えて、熱伝導率の低い不活性ガスを充填して透過体からの放熱を低減することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−２９４８４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７８８３７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２７４６３号公報
【特許文献４】特開２００７−２４２９８号公報
【特許文献５】実開平３−８９３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のように、ケースの底板部分に断熱材を敷き詰め、あるいは側板を断熱材で形成すれば、一定の放熱量を低減できるが、さらに断熱性能を向上させて放熱量を低減する余地がある。特に、特許文献１の場合は、ケースの中に水分や雨水が浸入すると、断熱材が吸水して断熱性能が損なわれる。また、吸水した断熱材から蒸発した水分が透過体の内面で凝縮して水滴が付着して透過体が曇り、集熱性能が損なわれるおそれがある。
【００１１】
また、特許文献２に記載のように、ケースの底板及び側板等を真空断熱材で形成することにより、比較的広い表面積（放熱面積）を有する底板及び側板からの放熱を効果的に低減することができる。しかし、特許文献２には、真空断熱材の具体的な構造については何ら記載されていない。すなわち、真空断熱材を構成する例えば金属板などの外包材には、大きな負圧が加わるため、その負圧に耐えるようにするために、特許文献３に記載されているように、補強のための芯材、補強材、枠材などが必要になる。しかし、そのような補強部材の伝熱放熱により真空断熱の効果が害われてしまうおそれがある。
【００１２】
この点、特許文献３に記載の真空断熱材によれば、外包材に金属波板を用い、それらの波板の山線を互いに直交させて重ね合わせているから、十分な剛性を得ることができると認められる。しかしながら、冷熱断熱の分野では、断熱の温度差が小さいだけでなく、絶対温度もマイナス数１０℃ないしプラス１０℃の範囲である。これに対して、太陽熱集熱器の技術分野では、いわゆる空焚き温度が２３０℃に達する場合があり、この場合断熱材の表面では２００℃になる。したがって、特許文献３に記載の真空断熱材を、面積が大きい太陽熱集熱器のケースの底板及び側板に適用すると、強度的には十分な剛性を備えることができるが、２枚の金属波板の谷線と谷線との接触点の数が多いから、その分だけ放熱が大きくなるという問題がある。これに対して、十分な断熱性を確保するために、山線の高さを高くすることが考えられるが、太陽熱集熱器のケースの底板及び側板が厚くなり、重量が重くなるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献４に記載の技術によれば、内部負圧によって潰れない構造の真空断熱式の透過体を実現でき、透過体からの放熱を大幅に低減できる。しかし、ケースの底板及び側板からの放熱量を低減することについては考慮されていない。
【００１４】
また、特許文献５に記載のガラス管タイプのものは、所望の集熱量を得るために、複数本のガラス管を太陽光に向けて間隔をおいて並べると、複数のガラス管の間には集熱板を配置できないから、面積効率が悪いという問題がある。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、平板タイプの太陽熱集熱器のケースの底板や側板からの放熱を低減するとともに、低温集熱から高温集熱までの広範囲にわたって集熱効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するため、本発明の太陽熱集熱器は、底板と側板とを有し上面が開口されたケースと、該ケースの上面開口を覆って設けられガラス板又は透明樹脂板で構成される透過体と、前記ケースの底板と前記透過体の間に配置されて受光した太陽光を熱に変換する集熱板と、該集熱板に熱的に接続された熱媒流路と、該熱媒流路に連通された熱媒の入口管及び出口管とを備え、少なくとも前記ケースの底板が、断熱素材を圧縮して形成した断熱性及び空隙を有する芯材を外皮で包み、該外皮の内部を真空にした真空断熱材で形成され、前記外皮は、前記芯材を挟んで対向配置された２枚の金属板の周縁を溶着して形成され、前記金属板には三角形と円弧と正弦半波の何れか１つの断面を有するスジ溝が複数形成され、前記２枚の金属板は前記スジ溝の凸側を対向させて前記芯材を挟んで配置して形成されていることを特徴とする。
【００１７】
すなわち、少なくともケースの底板を真空断熱材で形成したことから、底板からの放熱を大幅に低減することができる。ケースの側板は、底板に比べて面積が小さいので、底板からの放熱に比べて側板からの放熱は小さいが、底板と同様の真空断熱材で側板を形成することが望ましい。これにより、高温集熱時の放熱を低減して集熱効率を向上させることができ、また、低日射時の低温集熱においても集熱効率を向上させることができる。しかも、断熱素材を圧縮して形成した断熱性及び空隙を有する芯材が外皮で覆われているから、ケース内部に水が浸入しても断熱性の芯材には吸水されないので断熱性能が損なわれることがない。また、断熱性の芯材に吸水された水分が蒸発して透過体の内面で凝縮する現象を防止できるから、透過体が水滴で曇って集熱性能が損なわれることを防止できる。
【００１８】
特に、真空断熱材の外皮は、芯材を挟んで対向配置された２枚の金属板に、三角形と円弧と正弦半波の何れか１つの断面を有するスジ溝が複数形成されていることから、金属板の剛性を高めることができ、薄い金属板を用いても十分に真空の負圧に耐えることができる。さらに、２枚の金属板のスジ溝の凸側を対向させて芯材を挟んで配置していることから、しかも、芯材は、断熱素材を圧縮して形成していることから、２枚の金属板のスジ溝の凸側を互いに接して配置しなくても、内部負圧の圧縮耐力に十分耐えることができる。その結果、２枚の金属板の間隔を狭くしても断熱性能を確保できるので、真空断熱材を薄く形成でき、太陽熱集熱器を軽量で、かつ小型化することができる。なお、２枚の金属板を対向させて配置するにあたり、互いのスジ溝を同一位置、又は異なる位置に平行に配置してもよい。また、互いに直交させて又は角度（例えば、４５°）を持たせて配置してもよい。
【００１９】
真空断熱材を構成する外皮の金属材には、例えば、厚さ０．１５mm〜０．４mmのステンレス（ＳＵＳ）材を用いることができる。また、スジ溝の凸側の高さ（又は、溝の深さ）は０．１ｍｍ〜２ｍｍ、スジ溝のピッチは３ｍｍ〜５０ｍｍが好ましい。また、２枚の金属板に挟まれる芯材の厚み（スジ溝部は除く）は３ｍｍ〜２５ｍｍが好ましい。なお、ＳＵＳに限らず、アルミニウム板や銅板などの強度を有する金属材を用いれば、真空断熱材をそのままケースの底板又は側板として用いることができる。
【００２０】
一方、真空断熱材の芯材としては、断熱素材を圧縮形成した断熱性及び空隙を有する芯材であることが好ましい。このような芯材としては、グラスウール、シリカ・アルミナウール、ポリエステル、ウレタンから選択する少なくとも１つの繊維状又は発泡材の断熱素材を用いることが好ましい。つまり、熱伝導率が低く、真空断熱に有効な空隙率を上げるために、適度な反発力のある繊維状又は発泡材の断熱素材が好ましい。特に、本発明の真空断熱材は、常圧における断熱素材の厚みを１／１０〜１／２０程度に圧縮して形成した芯材とすることが好ましい。例えば、線径が３．５μｍ〜７．５μｍのホワイトグラスウールを、厚さ２００ｍｍ程度から１０ｍｍまで圧縮して芯材を形成する。
【００２１】
また、本発明の透過体は、従来と同様に、一枚のガラス板又は透明樹脂板を用いて構成することができる。ガラス板は、ソーダガラスなどの普通ガラスの他、透過率が高い高透過率（例えば、９０％以上）の高透過ガラスを用いて形成することができる。また、透明樹脂板は、アクリル、ポリカーボネイト、ＦＥＰ、ＰＴＦＥ，ＰＴＣＦＥ，ＥＶＯＨなどの樹脂を用いて形成することができる。つまり、透過体は、太陽光の透過性、耐熱性、断熱性、ガスバリア性に優れた材料を用いて形成する。
【００２２】
さらに、透過体からの放熱を低減して太陽熱集熱器の集熱効率を向上させるには、真空透過体又はガス封入透過体を用いることが好ましい。真空透過体は、一対のガラス板又は透明樹脂板の間にスペーサを挟んで形成された隙間を真空にして形成する。また、ガス封入透過体は、一対のガラス板又は透明樹脂板の間にスペーサを挟んで形成された隙間に気体を封入して形成する。ここで、封入する気体は、空気、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの伝熱率が小さい気体を単独で、あるいは２以上の気体を混合して用いることができる。
【００２３】
さらに、ガス封入透過体は、断熱気体を一定の圧力で封入することから、一対のガラス板又は透明樹脂板には真空透過体のような外気圧は加わらないので、潰れることはない。そこで、外力が加わるおそれがない裏面側のガラス板又は透明樹脂板に代えて、透明樹脂フィルムを用いることができる。これによれば、ガス封入透過体の重量を軽減することができる。すなわち、表面側のガラス板又は透明樹脂板は、自然の外力が加わる可能性があるから、従来と同様に、適度な厚みの板材で形成する。そして、表面側のガラス板又は透明樹脂板に対向させて隙間を介して透明樹脂フィルムを張り、周囲を密封して、その隙間に気体を封入してガス封入透過体を形成する。したがって、ガラス板又は透明樹脂板と透明樹脂フィルムとの間の隙間を保持するスペーサは不要である。
【００２４】
また、ガス封入透過体の場合、太陽熱集熱器の温度が空焚き温度（例えば、２００〜２５０℃）から周囲温度まで大きく変化する。そのため、２重のガラス板（又は透明樹脂板）を用いて形成した場合、封入ガスが１．５倍以上に膨張することがあるので、内部圧力を逃す工夫が必要になる。この点、ガラス板（又は透明樹脂板）と透明樹脂フィルムを用いて構成した場合、透明樹脂フィルムが膨らんで圧力上昇を吸収するので好ましい。特に、透明樹脂フィルムを例えば蛇腹状に形成することにより、内部圧力の変化を吸収しやすくなるので一層効果的である。
【００２５】
また、透過体の表面及び裏面で反射する太陽光は集熱に寄与しないことから、透過体の表面及び裏面に反射防止膜を形成することが望ましい。このような反射防止膜の材料及び形成方法は、周知の材料及び形成方法によることができる。
また、本発明によれば、集熱板周りのケース内の空間は大気圧で形成できるので、ケース及び透過体を補強部材などで補強する必要がない。そのため、集熱板に入射する太陽光が補強部材により遮られることないので、集熱面積の低下がない。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、平板タイプの太陽光集熱器のケースの底板や側板からの放熱を低減するとともに、低温集熱から高温集熱までの広範囲にわたって集熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の太陽熱集熱器の実施例１の概念構成を示す断面図である。
【図２】従来の普通ガラスと対比して実施例１の高透過ガラス、高透過ガラスの１面又は２面に反射防止膜を設けた場合の透過率を示す図である。
【図３】実施例１−３と従来の集熱効率をシミュレーションにより理論的に求めた線図である。
【図４】本発明の太陽熱集熱器の実施例２の概念構成を示す断面図である。
【図５】本発明の太陽熱集熱器の実施例２の変形例である実施例３の一例の要部を示す断面である。
【図６】本発明の太陽熱集熱器の実施例４の要部を示す断面図である。
【図７】本発明の太陽熱集熱器に好適な一実施例の真空断熱材の断面構成を示す図である。
【図８】本発明の太陽熱集熱器に好適な他の実施例の真空断熱材の金属板の断面構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の太陽熱集熱器を実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１に、本発明の実施例１の太陽熱集熱器の概念構成を断面図で示す。図示のように、太陽熱集熱体は、底板１ａと側板１ｂとを有し上面が開口された、例えば箱状に形成されたケース１と、ケース１の内部に配置された集熱板２と、上面開口を覆って設けられた真空透過体３とを備えて構成されている。集熱板２は、受光される太陽光を熱に変換する効率に優れた２枚の板材を張り合わせて形成され、所定の間隔で熱媒が流れる直線状の複数の流路２ａと非流路２ｂが交互に形成されている。各流路２ａの両端はそれぞれ図示していない熱媒入口ヘッダ管と熱媒出口ヘッダ管に連結されている。各ヘッダ管は、熱媒入口管（又は熱媒出口管）４に連通されている。ケース１の集熱板２の周りの空間１０は、周辺の大気に連通されている。
【００３０】
次に、本実施例の特徴部について説明する。まず、本実施例の第１の特徴は、ケース１の断熱構造にあり、本実施例では、底板１ａと側板１ｂを真空断熱材５を用いて形成したことを特徴とする。本実施例の底板１ａと側板１ｂを構成する真空断熱材５は、断熱素材を圧縮して形成した断熱性及び空隙を有する芯材６を２枚の金属材の外皮７（内側外皮７ａと外側外皮７ｂ）で包み、外皮７で包まれた内部、つまり芯材６の周りを真空にして形成されている。側板１ｂの真空断熱材５の内側外皮７ａの上端部を折り曲げて、真空透過体３の下面に対向する鍔部８ａが形成され、これに合わせて外側外皮７ｂの上端部を折り曲げて鍔部８ｂが形成されている。鍔部８ａと８ｂは気密に固着され、側板１ｂの剛性が確保されている。また、鍔部８ａと真空透過体３の下面との間にパッキン９が挟持されている。
【００３１】
真空断熱材５の芯材６としては、断熱素材を圧縮して形成した断熱性及び空隙を有することが好ましい。このような芯材６としては、グラスウール、シリカ・アルミナウール、ポリエステル、ウレタンから選択する少なくとも１つの繊維状又は発泡材の断熱素材を用いることが好ましい。つまり、熱伝導率が低く、真空断熱に有効な空隙率を上げるために、適度な反発力のある繊維状又は発泡材の断熱素材が好ましい。特に、本実施例では、常圧における断熱素材の厚みを１／１０〜１／２０程度に圧縮した芯材６とすることが好ましい。例えば、本実施例の芯材６は、線径が７．５μｍのホワイトグラスウールを、厚さ２００ｍｍ程度から１０ｍｍまで圧縮して用いている。
【００３２】
一方、真空断熱材５を構成する外皮７の金属材は、薄板（例えば、厚さ０．１５mm〜０．４mm）のステンレス（ＳＵＳ）材を用いることができる。これによれば、平板状の底板１ａ及び側板１ｂは、芯材６を２枚の薄いＳＵＳ材の外皮７で挟んだ構造になるから、真空断熱材５の剛性を高くすることができ、２枚合わせでも真空断熱材５を薄く形成することができる。なお、ＳＵＳに限らず、アルミニウム板や銅板などの強度を有する金属材を用いれば、真空断熱材５をそのままケースの底板又は側板として用いることができる。また、外皮７の金属材の厚みは、厚くすれば強度が向上するが、その分だけ太陽熱集熱器の重量が重くなるので、可能な限り薄い方が好ましい。特に、図７、図８を用いて後述する実施例の真空断熱材を用いることが好ましい。
【００３３】
本実施例の真空透過体３は、一対のガラス板３ａ、３ｂを図示していないスペーサを介して開けて張り合わせ、一対のガラス板３ａ、３ｂ間に形成される隙間３ｃを真空に保持して構成されている。また、隙間３ｃの外周部は、一対のガラス板３ａ、３ｂ間に挟持された真空ガスケット３ｄにより真空シールされている。各ガラス板３ａ、３ｂは、通常のガラスを用いて形成することができるが、透過率が９０％以上の高透過ガラスを用いることができる。例えば、高透過ガラスは９１．５％程度の透過率であるのに対し、普通ガラスの透過率は８６％である。ここで、本実施例１によれば、ガラス板が二重になるので、図２の実施例１−１に示すように、２枚あわせると０．９１５×０．９１５＝０．８３７となり、通常の普通ガラス１枚の８６％より低い透過率になってしまう。しかし、透過体からの放熱損失を加味すると、真空透過体を用いることが好ましい。なお、普通ガラスを用いて真空透過体を形成すると、図２の比較例に示すように、透過率は０．７５７となる。さらに、後述するように、高透過ガラスの両面に反射防止膜を設けることにより、真空透過体の透過率を高くすることができる。
【００３４】
また、ガラス板３ａ、３ｂの厚みは太陽熱集熱器の大きさにより異なるが、例えば３mm厚の板材により形成することができる。また、一対のガラス板３ａ、３ｂに設けられるスペーサは、特に限定されるものではないが、例えば、一方のガラス板３ｂの一方の面にエンボス加工により一定のピッチで、一定の高さの突起を形成してスペーサとすることができる。例えば、２５ｍｍピッチで、高さが０．１〜０．５ｍｍ、裾野が０．５ｍｍ程度の円錐台状又は角錐台状の突起を、エンボス加工により格子状又は千鳥状に配置することができる。
【００３５】
上記の実施例１では、真空透過体３をガラス板を用いて構成したが、本発明はこれに限らず、ガラスに代えて透明樹脂材（アクリル、ポリカーボネイト、ＦＥＰ、ＰＴＦＥ，ＰＴＣＦＥ，ＥＶＯＨ）を用いて構成することができる。要は、太陽光の透過性、耐熱性、断熱性、ガスバリア性に優れた材料であればよい。
【００３６】
また、図には記載していないが、本実施例の真空透過体３を構成する一対のガラス板３ａ、３ｂには、それぞれの両面又はガラス板３ａの外表面とガラス板３ｂのガラス板３ａ側の内表面に反射防止膜を形成することが好ましい。太陽熱集熱器の透過体に用いる反射防止膜は、波長の範囲が３００ｎｍないし１８００ｎｍ、さらに好ましくは３００ｎｍないし２５００ｎｍの波長において、光の透過率が８０％以上のものが好ましい。例えば、周知の液晶表示パネルに用いられている反射防止膜の場合は、対象波長の範囲が４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。また、太陽電池パネルの場合は、紫外線領域の反射を防止することが狙いであるから、短い波長の反射防止を主眼としている。これに対し、太陽熱集熱器の場合は、赤外線領域の反射を防止することも集熱効率向上に寄与することから、上述のように長波長の範囲まで反射を防止する反射防止膜が望ましい。
【００３７】
このように、広い範囲の波長の光の反射を防止する特性を有する反射防止膜を設けることにより、ガラス板３ａ、３ｂのそれぞれの外内表面で反射する太陽光を低減して、集熱効率を向上させることができる。例えば、反射防止膜が片面で約２．５％の透過率が向上できるとすると、図２の実施例１−２に示すように、ガラス板３ａの外表面とガラス板３ｂの内表面に反射防止膜を形成した場合は、１枚の高透過ガラスの透過率９１．５％が実質的に９４％に向上するから、２枚重ねても０．９４×０．９４≒０．８８４＝８８．４（％）の透過率になる。一方、図２の実施例１−３に示すように、ガラス板３ａ、３ｂのそれぞれの外内表面に反射防止膜を形成した場合は、１枚の高透過ガラスの透過率９１．５％が９６．５％になり、２重ガラスでは０．９６５×０．９６５≒０．９３１＝９３．１％の透過率となる。なお、反射防止膜の材料及び形成方法は、周知の材料及び形成方法によることができる。なお、図２において、吸収率は、ガラスに含まれる鉄等の不純物により光が吸収される割合である。
【００３８】
以上説明したように、本実施例によれば、少なくともケース１の底板１ａを真空断熱材５で形成したことから、底板１ａからの放熱を大幅に低減することができる。その結果、高温集熱時の放熱を低減して集熱効率を向上させることができ、また、低日射時の低温集熱においても集熱効率を向上させることができる。例えば、断熱効果が従来に比べて１０倍以上になる。しかも、真空断熱材５を構成する芯材６が金属材の外皮７で覆われているから、ケース１内部に水が浸入しても芯材６には吸水されないから、断熱性能が損なわれることがない。また、芯材６に吸収された水分が蒸発して真空透過体３の内面で凝縮する現象を防止できるから、真空透過体３が水滴で曇って集熱性能が損なわれことを防止できる。
【００３９】
また、本実施例によれば、図２の実施例１−１、１−２、１−３に示すように、真空透過体３を構成するガラスを透過率が９０％以上の高透過ガラスを用い、さらに２重の高透過ガラスのそれぞれの両面、もしくは外側の高透過ガラスの外表面と打つ側の高透過ガラスの内表面に反射防止膜を設ければ、ガラスを２重にしたことに伴う透過率の低下を補うことができる。その結果、低温集熱から高温集熱にわたって集熱効率を向上させることができる。
【００４０】
実施例１−３の太陽熱集熱器の集熱性能を、従来の太陽熱集熱器の集熱性能と比較して図３に示す。図３において、横軸はΔθ／Ｉを表し、縦軸は瞬時の集熱効率ηを表す。集熱効率ηは、下式（１）に示すように、熱媒の出口管４から流出される熱媒の温度及び流量から求まる集熱量Ｑを、日射量Ｉで割った百分率で表される。また、集熱量Ｑは、集熱温度ｔｏと外気温度ｔａとの差Δθ＝（ｔｏ−ｔａ）に相関する。式（１）において、ｋは、比例定数である。
η＝（Ｑ／Ｉ）×１００  ［％］      
＝（ｋ・Δθ／Ｉ）×１００  ［％］                （１）
ここで、集熱温度ｔｏと外気温度ｔａとの差であるΔθが大きくなると、つまり、集熱温度を高く設定した場合、又は外気温度が低い場合は、放熱損失が増大して集熱効率ηが低下する。同図から明らかなように、本実施例１−３によれば、放熱損失を低減するとともに透過率を向上させた結果、Δθが増大しても瞬時の集熱効率ηの低下が少ない。なお、例えば、給湯に用いる太陽熱集熱器では、Δθ／Ｉ＝０．０３〜０．０５程度であるから、図３の横軸でその範囲の集熱効率ηが高い集熱器が優れていることになる。
【００４１】
図３から明らかなように、集熱効率ηはΔθ／Ｉが大きくなるにつれて低下しているから、基本的には、Δθ＝0における縦軸と切片における集熱効率ηをよくするか、放熱等の熱損失量を低減する必要がある。ところで、Δθ＝0における集熱効率ηは、透過体の透過率と集熱板の吸収率(面積効率を含む)の積になるから、透過体の透過率が大きな鍵になる。一方、放熱による熱損失を少なくすれば、図３の集熱効率ηの直線の傾きが小さくなってΔθの値が大きくなっても効率が高く維持される。本発明のように、ケースの底板や側板を真空断熱材で構成すると、集熱効率ηの直線の傾きが小さくなるが、Δθ＝0における集熱効率ηが０．６程度と低いので実効効率が低くなる。しかし、通常の使用範囲におけるΔθ／Ｉは、０．０３〜０．０５程度であるから、実施例１−３によれば、集熱効率ηを向上させることができる。
【実施例２】
【００４２】
図４に、本発明の実施例２の太陽熱集熱器の概念構成を断面図で示す。本実施例が実施例１と異なる点は、真空透過体３に代えて、ガス封入透過体１３を用いたこと、及びケース１の側板１ｂを構成する真空断熱材５に代えて、側板１ｂを通常の金属板材で形成して内面に断熱材１４を張り付けたことにある。その他の部品は、実施例１と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図４に示すように、ガス封入透過体１３は、一対のガラス板１３ａ，１３ｂの間にパッキン１３ｄを挟んで形成された隙間１３ｃに断熱用の気体を封入して形成する。封入気体には、空気、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの伝熱率が小さい気体を単独で、あるいは２以上の気体を混合して用いることができる。また、ガラス板１３ａ，１３ｂに代えて、透明樹脂板を用いることができる。ガラス板１３ａ，１３ｂは、具体的には、実施例１と同様に、普通ガラス又はこれよりも透過率が高い高透過ガラス（透過率９０％以上）を用いることができる。ガラス板１３ａ，１３ｂとしては、例えば３mm厚の高透過ガラスを用い、パッキン１３ｄの厚みを例えば８ｍｍとし、内部にアルゴンを封入してガス封入透過体１３を形成することができる。
【００４４】
底板１ａの真空断熱材５は、実施例１と同様に形成する。但し、本実施例では、芯材６として線径が３．５μｍのホワイトグラスウールを、厚さ２００ｍｍ程度から１０ｍｍまで圧縮して用いている。また、側板１ｂは例えばＳＵＳの板材で形成され、その内面側に高断熱性を有する断熱材１４が張り付けられている。また、側板１ｂの上端に鍔部１５が形成され、鍔部１５とガス封入透過体１３の下面側のガラス板１３ｂとの間にパッキン９が設けられている。
【００４５】
このように構成される実施例２によれば、ケース１の底板１ａを真空断熱材５で形成したことから、底板１ａからの放熱を大幅に低減することができる。その結果、高温集熱時の放熱を低減して集熱効率を向上させることができ、また、低日射時の低温集熱においても集熱効率を向上させることができる。しかも、真空断熱材５を構成する芯材６が金属材の外皮７で覆われているので、ケース１内部に水が浸入しても芯材６には吸水されないから、断熱性能が損なわれることがない。また、芯材６に吸収された水分が蒸発して真空透過体３の内面で凝縮する現象を防止できるから、真空透過体３が水滴で曇って集熱性能が損なわれことを防止できる。
【００４６】
なお、ケース１の側板１ｂは底板１ａに比べて面積が小さいから、底板１ａからの放熱に比べて側板１ｂからの放熱は小さいため、本実施例では、側板１ｂを真空断熱材で形成していない。しかし、実施例１と同様に、真空断熱材５で側板１ｂを形成することが望ましい。また、本実施例の場合も、実施例１と同様に、ガス封入透過体１３のガラス板１３ａ、１３ｂの両面に、反射防止膜を設けることが集熱性能を向上させる点で望ましい。
【００４７】
ここで、実施例１と実施例２及び従来例の熱収支を表１に示す。従来例は、特許文献１に記載の構成を有する太陽熱集熱器に相当する。表１から明らかなように、実施例１，２によれば、従来例に比べて、集熱率が１０％以上向上している。
【００４８】
【表１】
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【実施例３】
【００４９】
実施例２に示したガス封入透過体１３は、断熱気体を一定の圧力で封入することから、一対のガラス板１３ａ，１３ｂ（又は透明樹脂板）には、実施例１の真空透過体３のような内部負圧による外気圧（例えば、１０ｔ／ｍ２）は加わらないので潰れることはない。そこで、図示していないが、本発明の実施例３のガス封入透過体は、裏面側のガラス板１３ｂ（又は透明樹脂板）に代えて、透明樹脂フィルムを用いることを特徴とする。すなわち、表面側のガラス板１３ａ（又は透明樹脂板）は、自然の外力が加わる可能性があるから、従来と同様に、適度な厚み（例えば３ｍｍ）の板材で形成する。そして、表面側のガラス板１３ａ（又は透明樹脂板）に対向させて隙間（例えば８ｍｍ）を介して透明樹脂フィルムを張り、周囲を密封して、その隙間に気体を封入してガス封入透過体を形成する。これによれば、ガス封入透過体１３の重量を軽減することができる。
【００５０】
実施例２のガス封入透過体の場合、太陽熱集熱器の温度が空焚き温度（例えば、２００〜２５０℃）から周囲温度まで大きく変化する。そのため、２重のガラス板（又は透明樹脂板）を用いて形成した場合、封入ガスが１．５倍以上に膨張することがあるので、内部圧力を逃す工夫が必要になる。この点、本実施例３のガス封入透過体によれば、表面側をガラス板（又は透明樹脂板）で形成し、裏面側を透明樹脂フィルムを用いて形成しているから、透明樹脂フィルムが膨らんで圧力上昇を吸収することができる。
【００５１】
また、本実施例３の場合において、裏面側を透明樹脂又は透明樹脂フィルムを用いて、例えば蛇腹状に形成することにより、内部圧力の変化を吸収しやすくなるので一層効果的である。特に、図５に示すように、裏面側の透明樹脂板（又は透明樹脂フィルム）１６をV字状の波形に形成することが好ましい。これによれば、同図の矢印１７に示すように、透明樹脂板１６の下面側の空間に集熱板で加熱された気体の対流を抑制することができ、ガス封入透過体からの放熱を低減して断熱性能を向上することができる。つまり、実施例１乃至３の真空透過体３又はガス封入透過体１３によれば、真空層又は封入ガス層によりケース１内の対流伝熱による放熱を遮ることができるが、裏面側の透明樹脂板（又は透明樹脂フィルム）１６を図５に示すように形成することにより、対流による放熱を低減することができる。
【実施例４】
【００５２】
図６に、ケース１の底板１ａと側板１ｂを真空断熱材５で構成した実施例４の要部の断面図を示す。図示のように、実施例２と相違する点は、ガス封入透過体１３の周縁部の構造と、底板１ａと側板１ｂの真空断熱材５の構造にある。その他は、実施例２と同様であるから、同一の符号を付して説明を省略する。図示のように、ガス封入透過体１３の一対のガラス板１３ａ，１３ｂの周縁部にはパッキン１３ｄが挟持されている。また、一対のガラス板１３ａ，１３ｂの周縁部は、シール部材１８，１９によってシールされている。
【００５３】
一方、底板１ａを構成する真空断熱材５は、外皮７ａ、７ｂの周縁部を互いに密着させた縁部を有し、芯材６が充填された部分を膨らませた形状に形成されている。一方、側板１ｂの真空断熱材５は、Ｌ字型に曲げた脚部を有する鉛直板を外皮７ｂとし、この外皮７ｂと外皮７ａとにより囲まれた空間に芯材６を充填して形成されている。側板１ｂの外皮７ｂはシール部材１９の外面位置まで延在されてシール部材１９の押え部材として機能している。また、底板１ａを構成する真空断熱材５の縁部は、側板１ｂの真空断熱材５の外皮の一部を兼用して設けられている。底板１ａを構成する真空断熱材５の縁部は、ビス１７によって、側板１ｂの真空断熱材５に固定されている。なお、真空断熱材５の外皮７の接合部は、例えばロウ付けなどにより機密に固着されている。
【実施例５】
【００５４】
図７に、本発明の太陽熱集熱器に用いる真空断熱材５の平面図及び断面図を示す。図７（ｂ）の断面図は、図７（ａ）の矢視（Ｂ）−（Ｂ）における断面である。それらの図に示すように、真空断熱材５を構成する外皮２１は、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂを備えている。内側外皮２１ａは矩形の金属板を用いて形成され、周縁部２３は平坦に形成されているが、周縁部以外の部分に断面が三角形のスジ溝２１ｃが所定のピッチで複数形成されている。また、外側外皮２１ｂは矩形の金属板を用いて絞り加工等により逆角錐台状に形成され、逆角錐台の斜面２２の端部は内側外皮２１ａの周縁部２３に溶着可能に形成されている。この溶着は、空焚き温度（例えば、２００〜２５０℃）に耐える必要がある。また、逆角錐台の底面には、断面が三角形のスジ溝２１ｄが所定のピッチで複数形成されている。また、本実施例では、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂのスジ溝２１ｃ、２１ｄの凸側を内側に向けて、かつスジ溝２１ｃ、２１ｄを直交させて配置されている。内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂで挟まれる空間は、断熱素材を圧縮して形成した断熱性及び空隙を有する芯材２７を内包して真空に形成されている。
【００５５】
このように形成された本実施例の真空断熱材５によれば、芯材２７を挟んで対向配置された２枚の金属板からなる内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂに、三角形の断面を有するスジ溝２１ｃ、２１ｄがそれぞれ複数形成されていることから、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂの剛性を高めることができる。これにより、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂを薄い金属板を用いて形成しても、十分に真空の負圧に耐えることができる。例えば、厚さ０．１５mm〜０．４mmのステンレス（ＳＵＳ）材を用いることができる。
【００５６】
スジ溝２１ｃ、２１ｄの凸側の高さ（又は、溝の深さ）は０．１ｍｍ〜２ｍｍ、スジ溝のピッチは３ｍｍ〜５０ｍｍが好ましい。また、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂに挟まれる芯材２７の厚み（スジ溝部は除く）は３ｍｍ〜２５ｍｍが好ましい。なお、ＳＵＳに限らず、アルミニウム板や銅板などの強度を有する金属材を用いれば、真空断熱材５をそのままケースの底板又は側板として用いることができる。
【００５７】
また、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂのスジ溝２１ｃ、２１ｄの凸側を対向させて、断熱素材を圧縮して形成した芯材２７を挟んで配置していることから、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂのスジ溝２１ｃ、２１ｄの凸側を互いに接して配置しなくても、真空負圧に十分耐えることができる。その結果、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂの間隔を狭くしても断熱性能を確保できるので、真空断熱材５を薄く形成でき、太陽熱集熱器を軽量で、かつ小型化することができる。
【００５８】
しかし、本発明の真空断熱材５は、内側外皮２１ａと外側外皮２１ｂのスジ溝２１ｃ、２１ｄを互いに直交させて配置するものに限られるものではない。例えば、互いのスジ溝２１ｃ、２１ｄを同一位置、又は異なる位置に平行に配置してもよい。さらに、スジ溝２１ｃ、２１ｄを適宜な角度（例えば、４５°）を持たせて配置してもよい。
【００５９】
また、スジ溝の断面形状は三角形に限られるものではなく、例えば図８に示すように、外皮２４（内側外皮又は外側外皮）のスジ溝２６の断面を円弧に形成してもよい。さらに、図示していないが、正弦半波の断面形状のスジ溝を採用してもよい。さらに、図示していないが、外皮２４に挟まれた芯材２７の中間位置にアルミシートなどの輻射熱を遮る層状の輻射熱遮蔽体を設けることが好ましい。これにより、輻射による放熱を遮断して集熱効率を一層向上させることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  ケース
１ａ  底板
１ｂ  側板
２  集熱板
２ａ  流路
２ｂ  非流路
３  真空透過体
３ａ，３ｂ  ガラス板
３ｃ  隙間
３ｄ  真空ガスケット
４  出口管
５  真空断熱材
６  芯材
７，７ａ、７ｂ  外皮
８ａ，８ｂ  鍔部
９  パッキン
１０  空間
１３  ガス封入透過体
１３ａ，１３ｂ  ガラス板
１３ｃ  隙間
１４  断熱材
１５  鍔部
１６  透明樹脂板
１８，１９  シール部材
２１、２４  外皮
２１a   内側外皮
２１ｂ  外側外皮
２１ｃ、２１ｄ、２６  スジ溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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