(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の集熱パネルと、貯湯タンクと、前記集熱パネルと前記貯湯タンクとを接続する循環通路と、前記循環通路に熱媒を循環させる循環ポンプとを有する太陽熱温水システムであって、
前記循環通路は、前記複数の集熱パネルを前記熱媒が並列に流通可能にする分岐部と合流部を有すると共に、前記熱媒の圧力を検知するための圧力検知手段を有し、
前記分岐部に、循環する熱媒を分配するための分配弁を設け、集熱運転時には前記圧力検知手段によって検知された圧力が最小となるように前記分配弁の分配率を調節することを特徴とする太陽熱温水システム。
【請求項２】
複数の集熱パネルと、貯湯タンクと、前記集熱パネルと前記貯湯タンクとを接続する循環通路と、前記循環通路に熱媒を循環させる循環ポンプとを有する太陽熱温水システムであって、
前記循環通路は、前記複数の集熱パネルを前記熱媒が並列に流通可能にする分岐部と合流部を有すると共に、前記熱媒の圧力を検知するための圧力検知手段を有し、
前記合流部に、循環する熱媒を混合するための混合弁を設け、集熱運転時には前記圧力検知手段によって検知された圧力が最小となるように前記混合弁の混合率を調節することを特徴とする太陽熱温水システム。
【請求項３】
前記複数の集熱パネルには夫々の熱媒温度を検知するための温度検知手段が備えられており、これによる検知温度が所定温度以上を検知した場合には、その集熱パネルにのみ熱媒が流れるように前記分配弁または前記混合弁を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱温水システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用して湯水を加熱する太陽熱温水システムに関し、特に複数の集熱パネルに流れる熱媒の流量を制御可能な太陽熱温水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽熱を集める複数の集熱パネルと、この集熱パネルが集めた熱を利用して加熱した熱媒（不凍液）を循環させる循環回路と、この循環回路を流れる熱媒の熱を利用して加熱した湯水を貯留する貯湯タンクを備えた太陽熱温水システムが利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献1の太陽熱温水システムは、循環回路に三方弁が設けられ、この三方弁の操作により複数の集熱パネルから熱媒を循環させる集熱パネルを択一的に切換え可能に構成されている。これにより複数の集熱パネルを異なる向きに設置し、太陽の位置により変わる集熱効率が相対的に高い集熱パネルに熱媒を循環させて湯水を加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２６２４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、集熱パネルの設置場所の状況に応じて、複数の集熱パネルを熱媒が並列に流れるように設置する場合がある。このとき、複数の集熱パネルには同じ仕様のものを使用するが、個体差や設置状況により通水抵抗が異なる場合があり、通水抵抗が高い集熱パネルの熱媒の流量が少なくなって集熱効率が低下することがある。
【０００６】
本発明の目的は、集熱効率の低下を防止可能な複数の集熱パネルを備えた太陽熱温水システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明の太陽熱温水システムは、複数の集熱パネルと、貯湯タンクと、前記集熱パネルと前記貯湯タンクとを接続する循環通路と、前記循環通路に熱媒を循環させる循環ポンプとを有する太陽熱温水システムであって、前記循環通路は、前記複数の集熱パネルを前記熱媒が並列に流通可能にする分岐部と合流部を有すると共に、前記熱媒の圧力を検知するための圧力検知手段を有し、前記分岐部に、循環する熱媒を分配するための分配弁を設け、集熱運転時には前記圧力検知手段によって検知された圧力が最小となるように前記分配弁の分配率を調節することを特徴としている。
【０００８】
第２の発明の太陽熱温水システムは、複数の集熱パネルと、貯湯タンクと、前記集熱パネルと前記貯湯タンクとを接続する循環通路と、前記循環通路に熱媒を循環させる循環ポンプとを有する太陽熱温水システムであって、前記循環通路は、前記複数の集熱パネルを前記熱媒が並列に流通可能にする分岐部と合流部を有すると共に、前記熱媒の圧力を検知するための圧力検知手段を有し、前記合流部に、循環する熱媒を混合するための混合弁を設け、集熱運転時には前記圧力検知手段によって検知された圧力が最小となるように前記混合弁の混合率を調節することを特徴としている。
【０００９】
第３の発明の太陽熱温水システムは、第１または第２の発明において、前記複数の集熱パネルには夫々の熱媒温度を検知するための温度検知手段が備えられており、これによる検知温度が所定温度以上を検知した場合には、その集熱パネルにのみ熱媒が流れるように前記分配弁または前記混合弁を調節することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１、第２の発明の太陽熱温水システムによれば、複数の集熱パネル間で夫々の熱媒の流量を均等にすることができるので、集熱効率の低下を防ぐことができる。
【００１１】
第３の発明の太陽熱温水システムによれば、特定の集熱パネルの熱媒温度が所定温度以上に上昇した場合に、その集熱パネルのみに熱媒が循環するように分配弁または混合弁を調節することができるので、熱媒の沸騰を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第1の発明の太陽熱温水システムの概略図である。
【図２】第２の発明の太陽熱温水システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１に示すように、太陽熱温水システム１は、太陽熱を利用して熱媒を加熱する第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂと、熱媒の熱を利用して加熱した湯水を貯留・給湯する貯湯給湯装置３等から構成されている。貯湯給湯装置３は、加熱された湯水を貯留可能な貯湯タンク４と、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂと貯湯タンク４の間で熱媒を循環させる循環通路５と、循環通路５に熱媒を循環させる循環ポンプ６と、アキュームタンク７と、制御ユニット１１等を備えている。尚、第１集熱パネル２ａと第２集熱パネル２ｂは、同じ仕様の集熱パネルである。
【００１５】
この太陽熱温水システム１は、熱媒（例えば、エチレングリコールやプロピレングリコールを添加した不凍液）を循環ポンプ６により循環通路５において循環させ、貯湯タンク４の内部に配置された熱交換器８において、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂで加熱された熱媒との熱交換により貯湯タンク４に貯留された湯水を加熱し、貯湯タンク４から湯水を供給可能に構成されている。
【００１６】
第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂは、太陽熱の吸熱性が良好な材料で形成されることにより、循環通路５を循環する熱媒を太陽熱により加熱可能に構成され、太陽光を受け易い建物の屋根上等に設置されている。
【００１７】
貯湯タンク４は、断熱材（図示略）で被覆された円筒形の密閉タンクであり、その内部に湯水を貯留可能に構成されている。給水通路９は、上水を貯湯タンク４へ給水するために貯湯タンク４の底部に接続されている。給湯通路１０は、貯湯タンク４に貯留された湯水を外部へ給湯するために頂部に接続されている。
【００１８】
貯湯タンク４の外周面には、高さが異なる所定の位置に温度センサ４ａ〜４ｄが設けられており、これら温度センサ４ａ〜４ｄに対応する位置の湯水の温度を検知することができる。
【００１９】
循環通路５は、アキュームタンク７と、このアキュームタンク７から分岐部１２までの流路を形成する往き通路部５ａと、分岐部１２から第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂに至る通路部５ｂ，５ｃと、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂから合流部１３まで流路を形成する通路部５ｄ，５ｅと、合流部１３から熱交換器８に至る第１戻り通路部５ｆと、貯湯タンク４の内部に螺旋状に形成された熱交換器８と、熱交換器８からアキュームタンク７までの流路を形成する第２戻り通路部５ｇとを備えている。
【００２０】
循環ポンプ６の作動により、アキュームタンク７に貯留された熱媒が循環通路５を循環する。第１戻り通路部５ｆには圧力センサ１４が設けられ、循環する熱媒の圧力を検知可能である。熱交換器８は良好な伝熱性を有する銅製の管材により形成されている。尚、圧力センサ１４は、往き通路部５ａに設けられていてもよい。
【００２１】
アキュームタンク７は、金属製のタンクであり、熱媒を貯留可能に、且つ第２戻り通路部５ｇから流入した熱媒を往き通路部５ａへ流通可能に形成されている。このアキュームタンク７は、リザーブタンク１５を有し、貯留された熱媒から気体を分離する気液分離機能と、温度によって膨張・収縮する熱媒の圧力を調整する圧力調整機能を有する。
【００２２】
リザーブタンク１５は、大気解放され且つ熱媒を貯留可能に形成され、アキュームタンク７の下方近傍位置に設置されている。アキュームタンク７とリザーブタンク１５とは、連通管１６を介して連通されている。連通管１６は、一端がアキュームタンク７に接続され、他端がリザーブタンク１５内の底部近傍位置に配置されている。熱媒の膨張により圧力が高くなると、熱媒がアキュームタンク７から連通管１６を介してリザーブタンク１５へ移動する。また、熱媒の収縮により負圧になると、熱媒がリザーブタンク１５から連通管１６を介してアキュームタンク７へ移動する。
【００２３】
循環通路５の分岐部１２には、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂに流れる熱媒の流量の比率（流量比）をその開度（分配率）によって調節可能な分配弁１２ａが設けられ、この分配弁１２ａの分配率を制御可能に構成されている。第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂには、夫々の集熱パネルで加熱された熱媒の温度（熱媒温度）を検知する第１，第２熱媒温度センサ１７ａ，１７ｂが設けられている。
【００２４】
制御ユニット１１は、循環ポンプ６、温度センサ４ａ〜４ｄ、分配弁１２ａ、圧力センサ１４、熱媒温度センサ１７ａ，１７ｂと電気的に接続され、各センサの検知信号等に基づいて循環ポンプ６や分配弁１２ａ等を制御可能に構成されている。
【００２５】
次に、太陽熱温水システム１の集熱運転について説明する。
制御ユニット１１は、第１，第２熱媒温度センサ１７ａ，１７ｂで検知された熱媒温度が貯湯タンク４の湯水の温度より設定温度以上高い（例えば、温度センサ３ａの検知温度より６℃以上高い）場合に、熱媒の熱を利用して貯湯タンク４に貯留された湯水を加熱する集熱運転を開始する。集熱運転により循環ポンプ６が作動すると循環通路５を熱媒が循環する。尚、設定温度は太陽熱温水システム１の仕様や設置状況等に応じて適宜設定されるものであり、上記温度に限定されない。
【００２６】
第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂで加熱された熱媒は、夫々通路部５ｄ，５ｅを経由して合流部１３で合流し第１戻り通路部５ｆを通って熱交換器８に至る。熱交換器８において、熱媒と貯湯タンク４に貯留された湯水との間で熱交換が行われ、貯留された湯水が加熱されると共に熱媒は冷却される。熱交換器８を通った熱媒は、アキュームタンク７を経由して再び第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂへ送られる。
【００２７】
制御ユニット１１は、第１、第２熱媒温度センサ１７ａ，１７ｂや温度センサ４ａ〜４ｄにより検知された熱媒温度や貯湯タンク４の湯水の温度等に応じて循環ポンプ６の回転数を調節して循環する熱媒の流量を制御することにより、熱媒温度と貯湯タンク４の湯水の温度との温度差を大きくして熱交換器８での熱交換効率が高くなるように制御している。
【００２８】
循環ポンプ６の回転数の調節と並行して、制御ユニット１１は分配弁１２ａの分配率を制御する。第１集熱パネル２ａと第２集熱パネル２ｂは同じ仕様のものなので、理想的には分配弁１２ａが分岐先に均等に分配するときに流量比が１：１になり、循環通路５を流れる熱媒の流量が最大となる。
【００２９】
しかし、実際には個体差や設置場所の状況等によって、通水抵抗が集熱パネルを含む通路毎に異なって流量比が１：１とはならず、集熱パネルの集熱効率が低下する。このとき、通水抵抗が低い通路と比べて通水抵抗が高い通路の熱媒の流量が少ないので、循環通路５を流れる熱媒の流量が少なくなる。
【００３０】
集熱パネルの集熱効率の低下を防止するため、本発明者は複数の集熱パネルの熱媒の流量を均等化する検討を重ね、複数の集熱パネルの熱媒の流量が均等であるときに、各集熱パネルを通過して合流した熱媒の圧力が最も小さくなることを見出した。これに基づいて、制御ユニット１１は、熱媒の圧力が最も小さくなるように流量比が略１：１になるように分配率を調節し、循環通路５の熱媒の流量を増加させる。
【００３１】
ここで、流量と圧力の関係について説明する。
一般的に通路内を流れる流体の流量は流速に比例する。また、流速と圧力の関係を表すベルヌーイの定理によると、下記の式（１）に示すように、流速が最大（左辺第２項が最大）になると圧力が最小（左辺第１項が最小）になる。Ｐは流体の圧力、ρは流体の密度、ｖは流速である。
【００３２】
【数１】
0006719725.tif 000002
【００３３】
従って、圧力センサ１４によって検知される第１戻り通路部５ｆを流れる熱媒の圧力が最小になるように分配弁１２ａの分配率を調節すると、循環通路５を流れる熱媒の流速が最大になり、流量が最大になる。流量比が１：１のとき循環通路５の流量が最大になるから、圧力が最小になる。こうして、複数の集熱パネル２ａ，２ｂを流れる熱媒の流量が均等化され、集熱パネルの集熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３４】
ところで、集熱運転中には、太陽の位置が刻々と変化するので、近隣の建物の影などにより特定の集熱パネル、例えば第１集熱パネル２ａの集熱効率が低下する場合がある。このとき第１集熱パネル２ａの熱媒温度が低下するため第1戻り通路部５ｆを流れる熱媒の温度が低下するので、制御ユニット１１は循環ポンプ６の回転数を調節して循環流量を減少させる、または循環ポンプ６を停止させる。一方、集熱効率が低下していない第２集熱パネル２ｂでは、循環流量の減少または循環停止により熱媒が過剰に加熱され沸騰に至る虞がある。
【００３５】
しかし、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂは夫々第１，第２熱媒温度センサ１７ａ，１７ｂを備えているので、第２熱媒温度センサ１７ｂが検知した熱媒温度が所定温度（例えば８５℃）以上の場合には、第２集熱パネル２ｂにのみ熱媒が流れるように分配弁１２ａの分配率を調節し、熱媒の沸騰を防止することができる。尚、第２集熱パネル２ｂの集熱効率が低下した場合も同様に、第１熱媒温度センサ１７ａが検知した熱媒温度が所定温度以上の場合には、第１集熱パネル２ａにのみ熱媒が流れるように分配弁１２ａの分配率を調節することにより、熱媒の沸騰を防止することができる。
【実施例２】
【００３６】
図２に示すように、実施例２の太陽熱温水システム１は、実施例１の太陽熱温水システム１の循環通路５の分岐部１２に分配弁１２ａを有せずに合流部１３に混合弁１３ａを備えた構成となっており、これ以外は同一の構成である。以下、実施例１の太陽熱温水システム１と同一の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
集熱運転において、複数の集熱パネル２ａ，２ｂを通過した熱媒が、混合弁１３ａで混合されて第１戻り通路部５ｆを流れる。このとき制御ユニット１１は、第１戻り通路部５ｆを流れる熱媒の圧力が最小になるように混合弁１３ａの開度（混合率）を調節する。圧力センサ１４で検知される圧力は、上述のように、流量比が１：１となったときに最も小さくなる。従って、混合弁１３ａの混合率の調節により、第１，第２集熱パネル２ａ，２ｂを流れる熱媒の流量が均等化されて流量比が略１：１になり、集熱パネルの集熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３８】
また、集熱運転中に近隣の建物等の影響により特定の集熱パネルの集熱効率が低下して循環流量を低下または循環停止させたときに、熱媒温度センサで検知された熱媒温度が所定温度（例えば８５℃）以上の場合には、混合弁１３ａの混合率を調節することにより集熱効率が低下していない集熱パネルのみに熱媒が流れるようにして、熱媒の沸騰を防止することができる。
【００３９】
前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
［１］前記実施例において、複数の集熱パネルとして同じ仕様の集熱パネル２枚を有する構成としたが、集熱パネルの枚数はこれに限定されるものではなく、３枚以上としてもよい。このとき、分岐部の分配弁または合流部の混合弁が複数となる構成としてもよく、１つの分配弁または混合弁が分配率または混合率を調整可能な構成としてもよい。
［２］熱交換器８を貯湯タンク４の外部に設け、この熱交換器８に貯湯タンク４の湯水を循環させて熱媒と熱交換するように構成してもよい。
［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４０】
１    太陽熱温水システム
２ａ  第１集熱パネル
２ｂ  第２集熱パネル
３    貯湯給湯装置
４    貯湯タンク
５    循環通路
６    循環ポンプ
７    アキュームタンク
８    熱交換器
９    給水通路
１０  給湯通路
１１  制御ユニット
１２  分岐部
１２ａ  分配弁
１３  合流部
１３ａ  混合弁
１４  圧力センサ
１５  リザーブタンク
１６  連通管
１７ａ  第１熱媒温度センサ
１７ｂ  第２熱媒温度センサ
【図１】
0006719725.tif 000003
【図２】
0006719725.tif 000004