(57)【要約】【課題】簡単な構造で、かつ太陽熱を効率的に利用可能な真空平板式太陽熱コレクターを提供する。【解決手段】真空平板式太陽熱コレクター１０は、集熱板１８の裏側に配置される筐体１２に、グラスウール等の断熱材よりも高い断熱性を有した真空断熱層１６を設けることで、集熱板１８で集めた熱が筐体１２の裏側へ漏れ出ることが抑えられ、従来の平板式太陽熱コレクターよりも集熱板１８で集めた熱を効率的に利用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を受ける集熱板と、
前記集熱板で塞がれることで空間を構成する凹部を備える筐体と、
前記空間内に配置され、第１の熱媒体を流通させる管路部材と、
前記筐体に設けられた真空断熱層と、
を有する真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項２】
前記真空断熱層は、前記凹部を構成する外壁と前記筐体の外壁との間に形成された空間を真空とすることで構成される、請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項３】
前記空間に前記管路部材と接触する第２の熱媒体が充填されている、請求項１または請求項２に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項４】
前記集熱板は太陽光を直接受ける、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項５】
前記集熱板の前記太陽光を受ける面に選択吸収膜が形成されている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項６】
前記集熱板の太陽光を受ける表面には、親水処理が施されている、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【請求項７】
前記親水処理は、光触媒を含んでいる、請求項６に記載の真空平板式太陽熱コレクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱によって水等の媒体を加熱する真空平板式太陽熱コレクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水等の媒体を太陽光によって加熱された集熱板からの熱によって太陽熱コレクターが種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
太陽光の当たらない集熱板の裏側には、集熱板で集めた熱の放熱を抑えるため断熱材が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−１３９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では、無料のエネルギーである太陽光エネルギーを簡単な構成で効率的に利用することが求められている。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、簡単な構造で、かつ太陽熱を効率的に利用可能な真空平板式太陽熱コレクターを提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであって、請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクターは、太陽光を受ける集熱板と、前記集熱板で塞がれることで空間を構成する凹部を備える筐体と、前記空間内に配置され、第１の熱媒体を流通させる管路部材と、前記筐体に設けられた真空断熱層と、を有する。
【０００７】
次に、請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクターでは、集熱手段が太陽光を受けることで集熱板が加熱され、集熱板の熱が管路部材内部の第１の熱媒体を加熱するので、管路部材の一端側から第１の熱媒体を供給することで、管路部材の他端側から、暖められた第１の熱媒体を排出することができる。
【０００８】
また、筐体は、筐体の外面と凹部の内面との間に真空断熱層を備えており、グラスウール等の断熱材に比較して高い断熱性能を有しているので、第１の熱媒体の熱が筐体を介して外部に発散することが抑えられ、第１の熱媒体を効率的に加熱することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記真空断熱層は、前記凹部を構成する外壁と前記筐体の外壁との間に形成された空間を真空とすることで構成される。
【００１０】
次に、請求項２に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項２に記載の真空平板式太陽熱コレクターでは、凹部を構成する外壁と筐体の外壁との間に形成された真空断熱層で断熱が行われる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記空間に前記管路部材と接触する第２の熱媒体が充填されている。
【００１２】
次に、請求項３に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項３に記載の真空平板式太陽熱コレクターでは、集熱板の熱によって第２の熱媒体も加熱される。管路部材内部の第１の熱媒体は、集熱板からの直接受ける熱と、第２の熱媒体から受ける熱の両方の熱を受ける。また、第２の熱媒体は、熱を蓄えことができるので、日射量の変動による配管部材内の第１の熱媒体の温度の急激な変動を抑えることが出来る。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記集熱板は太陽光を直接受ける。
【００１４】
次に、請求項４に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項４に記載の真空平板式太陽熱コレクターは、集熱板が太陽光を直接受けるため、太陽光を効率的に受けることができる。例えば、集熱板の表面がガラス板で覆われていると、集熱板に到達する太陽光がガラス板にて２０％程度減光され、効率が低下する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記集熱板の前記太陽光を受ける面に選択吸収膜が形成されている。
【００１６】
次に、請求項５に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
集熱板の太陽光を受ける面に選択吸収膜を形成することで、太陽光のエネルギーを効率よく吸収し、かつ集熱板自身が放射するエネルギーを抑制することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記集熱板の太陽光を受ける表面には、親水処理が施されている。
【００１８】
次に、請求項６に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
集熱板の太陽光を受ける表面に親水処理が施されているため、表面に付着した雨水は水滴とならず表面に膜状に広がり流れるため、表面に付着した塵等が除去され易くなり、効率低下を抑えることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の真空平板式太陽熱コレクターにおいて、前記親水処理は、光触媒を含んでいる。
【００２０】
次に、請求項７に記載の真空平板式太陽熱コレクターの作用を説明する。
請求項７に記載の真空平板式太陽熱コレクターでは、集熱板の表面が光触媒によって親水化している。光触媒に太陽光が照射されることで、集熱板に付着した汚れ等の異物が分解され、効率低下を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように請求項１に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、簡単な構造で、太陽熱を効率的に利用することができる。
【００２２】
請求項２に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、凹部を構成する外壁と筐体の外壁との間に形成された空間を真空とすることで真空断熱層を構成しているので、部品点数が最小限で済む。
【００２３】
請求項３に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、日射量の変動による配管部材内の第１の熱媒体の温度の急激な変動を抑えることが出来る。
【００２４】
請求項４に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、太陽光を効率的に受けることができる。
【００２５】
請求項５に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、太陽光のエネルギーを効率よく吸収し、かつ集熱板自身が放射するエネルギーを抑制することができるので、第２の熱媒体を効率的に加熱することができる。
【００２６】
請求項６に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、集熱板の表面に付着した塵等が除去され易くなり、効率低下を抑えることができる。
【００２７】
請求項７に記載の真空平板式太陽熱コレクターによれば、集熱板の表面に付着した汚れ等の異物が分解され、効率低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクターの断面図である。
【図２】実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクターの一部を断面にした平面図である。
【図３】他の実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクターの断面図である。
【図４】他の実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクターの断面図である。
【図５】他の実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクターの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の一実施形態に係る真空平板式太陽熱コレクター１０を図面にしたがって説明する。
図１、及び図２に示すように、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０は、平面視で矩形状とされた筐体１２を備えている。なお、図１に示す真空平板式太陽熱コレクター１０は、一例として平面視形状が長方形であるが、平面視形状は正方形であっても良く、円形、楕円形等、他の形状であっても良い。例えば、全体を矩形状とし、４つの角部分を大きな円弧形状としても良い。
【００３０】
筐体１２には、表側（太陽光を受ける側）中央に矩形の凹部１４が形成されている。
筐体１２には、外面と凹部内面との間に、内部が真空とされた真空断熱層１６が設けられている。本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０における真空断熱層１６の厚みは、例えば、３〜６ｃｍ程度であるが、この厚さに限定されるものでは無い。
なお、図１において、凹部１４の底面１４Ａ及び側面１４Ｂは、請求項２の凹部を構成する外壁に相当する部分である。また、図１において、筐体１２の裏面１２Ａ及び側面１２Ｂは、請求項２の筐体の外壁に相当する部分である。
【００３１】
筐体１２は、メッキや塗装等で防錆処理された鋼板、黄銅、青銅、ステンレス、アルミニウム等の金属板から形成することができる。筐体１２に用いる金属板の厚みは、例えば、１ｍｍ前後であるが、筐体１２として必要な強度が得られれば特に限定はされない。筐体１２を屋根に設置することを考慮すれば、金属板は薄くて軽量であることが好ましい。
なお、真空断熱層１６の内部を減圧するには、例えば、筐体１２に逆止弁３０を取り付けておき、逆止弁３０に真空ポンプを接続して内部の空気を吸引すれば良い。なお、筐体１２に孔を開け、孔から内部の空気を吸引し、内部を真空をした後に孔を塞ぐようにしても良い。
【００３２】
筐体１２の表側には、凹部１４を塞ぐように集熱板１８が固着されている。筐体１２と集熱板１８とは、半田付け、ロー付け、接着、パッキン等を挟んで螺子止め等、種々の固定方法を採用することができるが、後述する凹部１４に充填する第２の熱媒体２０が漏れないようにすることが肝要である。
【００３３】
集熱板１８は、鋼板等の金属板から形成されており、表面には選択吸収膜（図示せず）が形成されている。選択吸収膜の表面には、酸化チタン等を含む光触媒膜（親水膜）が形成されている。光触媒膜は、太陽光が当たることで、表面が親水性となり、また、表面に付着した汚れを分解することができ、汚れを雨水で流れ易くできる。親水膜としては、光触媒膜以外のものであっても良い。
なお、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、集熱板１８の表面側（太陽側）に太陽光が反射したり吸収されること等によって効率低下の原因となるガラス板等は配置されていない。
【００３４】
筐体１２の凹部１４には、ジグザグ状に屈曲形成された配管２２が配置されている。配管２２は、熱伝達率に優れた金属材料（例えば、銅）等で形成されている。本実施形態では、配管２２が集熱板１８の裏面に固定されているが、配管２２は集熱板１８に接触させなくても良い。配管２２を集熱板１８の裏面に固定する方法としては、半田付け、ロー付け等がある。
配管２２の両端側は、集熱板１８に形成された孔を貫通して外部へ取り出されており、図示しない他の配管に接続される。なお、集熱板１８の孔と配管２２との間の隙間は、半田付け、ロー付け等で塞がれている。
【００３５】
凹部１４を集熱板１８で塞がれることで形成される空間には、液体である第２の熱媒体２０が充填されている。第２の熱媒体２０としては、例えば、オイル、水、不凍液等の液体を用いることができる。
オイルとしては、例えば、綜研テクニックス株式会社の熱媒体、例えば、ＮｅｏＳＫ−ＯＩＬ１７０、ＮｅｏＳＫ−ＯＩＬ１３００等を用いることができるが、他のものを使用しても良い。
【００３６】
筐体１２の内部には真空断熱層１６が設けられているため、面積が大きい部分が大気圧を受けて凹む虞がある。このため、本実施形態では、真空断熱層１６の内部に、凹部１４の底面１４Ａ（請求項２の凹部を形成する外壁）と、この底面１４Ａと対向する筐体１２の裏面１２Ａ（請求項２の筐体の外壁）との間を連結するように、間隔保持用の支持部材２６が複数箇所に配置されている。
【００３７】
なお、集熱板１８と凹部１４の底面１４Ａとの間にも、間隔保持用の支持部材２８が複数箇所に配置されている。これら支持部材２６及び支持部材２８としては、例えば、金属パイプを用いることができるが、他の部材であっても良い。なお、支持部材２８は、筐体１２の裏面側への熱伝導を小さくするため、熱伝導率の小さい材料で形成することが好ましい。
集熱板１８の表面（選択吸収膜の下の金属板の表面（太陽側））、及び筐体１２の大気に曝される外表面は、放射率を下げるために表面粗さは可能な限り小さく、鏡面に近い程良い。
【００３８】
（作用）
次に、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０の作用を説明する。
本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０は、一般的に用いられている様に、例えば、建物の屋根等に太陽に向けて設置し、配管２２の一端側を水（第１の熱媒体）供給用の配管に接続し、配管２２の他端側を、水機器と繋がる配管に接続して用いる。
真空平板式太陽熱コレクター１０は、例えば、南側の傾斜した屋根に取り付けられるが、陸屋根の場合には、支持部材を用いて太陽に向けるように取り付ける。
【００３９】
真空平板式太陽熱コレクター１０の集熱板１８が太陽光を受けて加熱されると、集熱板１８によって配管２２、及び第２の熱媒体２０が加熱され、配管内の水が加熱されてお湯となる。
【００４０】
ここで、例えば、建物内の水機器（例えば、お風呂の蛇口、シャワー等）が使用されると、配管２２の一端側（水道側）から水が供給されると共に、真空平板式太陽熱コレクター１０で温められたお湯が他端側から排出され、排出されたお湯が水機器へと供給されることになる。
【００４１】
本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、集熱板１８の裏側に配置される筐体１２に、グラスウール等の断熱材よりも高い断熱性を有した真空断熱層１６を設けているので、第２の熱媒体２０が蓄えた熱が筐体１２の裏側へ漏れ出ることが抑えられ（即ち、熱損失が小）、従来の平板式太陽熱コレクターよりも集熱板１８で集めた熱を効率的に利用することができる。
筐体１２の裏側への熱損失は熱放射によるものだけであるが、この熱損失も、筐体１２の外表面を磨いて凹凸を極小として鏡面の様にすることで、放射率を下げることができ、それによって放射損失も減らすことができる。
【００４２】
また、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、集熱板１８の表面がガラス板で覆われていないので、太陽光を効率的に受けることができる。
さらに、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、集熱板１８の選択吸収膜の上に光触媒を含んだ親水膜が形成されており、表面に付着した汚れが分解され、かつ雨水で流れ易くなっているため、真空平板式太陽熱コレクター１０の効率低下が抑えられる。
【００４３】
本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、凹部１４に充填された第２の熱媒体２０が蓄熱を行うので、日射量の変動による配管内の流体温度の急激な変動を抑えることが出来る。
【００４４】
本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０は、筐体１４、集熱板１８、配管２２（逆止弁３０が含まれる場合もあるが、無くても良い。本発明において逆止弁３０は必須では無い。）、支持部材２６、２８という少ない部品で構成されており、しかも構造が極めて簡素化されている。
【００４５】
ところで、第２の熱媒体２０の温度は、集熱板１８が太陽光にさらされている時間と、その太陽光の強さによって決まる。そして、配管２２の内部の水（第１の熱媒体）の温度は、コレクター内部の第２の熱媒体２０の温度と、配管２２を通過する時の流速によって決まる。ゆっくりした速度で配管内の水を移動させれば、それだけ第２の熱媒体２０から熱を受ける時間が長くなるため、当然、水の温度は第２の熱媒体２０の温度近くまで上昇するが、その代わり、一定時間内に得られる温水の量は減少する。
【００４６】
集熱板１８の面積を大きくすれば、当然それだけ高温で多量の温水を得ることができる。太陽光の熱源温度は約６０００°Ｃであるから、我々が使う通常の温度範囲内では、得られる温水の上限は無いといって良い。上限は技術的より、むしろ用途によってほぼ決められるが、例えば、家庭用では１００°Ｃ前後まで、発電用では５００°Ｃ前後位までである。
【００４７】
選択吸収膜は、例えば、太陽光エネルギーの９０％以上を吸収し、温度の上昇した集熱板１８からの赤外線の放射率を７％以下に抑えることが可能である。
したがって、例えば、集熱板１ｍ２当たりが１日に受ける太陽光のエネルギーが、例えば、１３ＭＪ／ｍ２（日本において）と仮定  すれば、真空平板式太陽熱コレクター１０は、１３（ＭＪ／ｍ２）×０．９×（１−０．０７）＝１０．８８１ＭＪ／ｍ２のエネルギーを収集することができる（理論値）。
【００４８】
なお、筐体１２の真空となっている内面も、放射損失を軽減するために、ニッケル等でメッキされるか、或いは良く磨いて赤外線を良く反射し、放射を抑制することが好ましい。筐体１２に真空断熱層１６を設けて熱伝導損失を減らし、金属面では表面を磨いて放射率を小さくすることで、筐体１２の熱放射損失を減らすことができる。
【００４９】
例えば、集熱板１８が１ｍ２の真空平板式太陽熱コレクター１０が１日に収集するエネルギーが、仮に１０．９ＭＪ／ｍ２であるとすると、１年間で収集するエネルギーは１０．９×３６５＝３９７８ＭＪである。これは年間の平均値であって、日々のエネルギー量は当然その日の天候に依存する。
【００５０】
天候により日中に受ける単位時間当たりのエネルギーは変動するが、本実施形態の真空平板式太陽熱コレクター１０では、凹部１４に充填された第２の熱媒体２０が蓄熱を行うので、配管内の第１の熱媒体（湯等）の温度変動を抑えることができる。
【００５１】
また、灯油と太陽光エネルギーとの比較を以下に説明する。
灯油のエネルギーは４４〜４７ＭＪ／ｃｃであるが、以下これを４６ＭＪ／ｃｃとして計算すると、集熱板１８が１ｍ２の真空平板式太陽熱コレクター１０は、３９７８÷４６＝８６．５（ｃｃ）相当の灯油を稼ぐことになる。例えば、１件の家の屋根に４ｍ２の真空平板式太陽熱コレクター１０を設置し、真空平板式太陽熱コレクター１０を設置した家が１０００万件であると、集熱板１８の総面積は４０００万ｍ２となり、年間では８６．５×４０００万＝３４６００ｃｃ、即ち３４６０キロリットルの灯油を稼ぐことになり、灯油の使用量（原油の輸入量）が減り、かつ二酸化炭素の発生を大幅に減少することが可能となる。
【００５２】
なお、上記実施形態では、真空平板式太陽熱コレクター１０を一般の住宅に用いて、温水を得るようにしたが、本発明はこれに限らず、配管２２には、水以外の液体を流し、水以外の液体を加熱する用途に用いても良い。第１の熱媒体は、水以外の液体でも良く、場合によっては気体でも良い。
【００５３】
また、上記実施形態では、配管２２の一端から水を供給し、配管２２の他端から温水を排出したが、配管２２をループ状に接続して第１の熱媒体を配管２２内で循環させても良い。この場合、配管２２の途中を熱交換器に接続し、配管２２の熱を熱交換器を介して取り出しても良い。
【００５４】
なお、例えば赤道直下の土地に真空平板式太陽熱コレクター１０を設置した場合、第２の熱媒体２０が高温になる場合が考えられるが、第２の熱媒体２０がコレクター内で沸騰してコレクター内の圧力が高くならないように、沸点の高い第２の熱媒体２０を用いることが好ましい。また、第２の熱媒体２０には、周知の蓄熱剤が含まれていても良い。
【００５５】
上記実施形態では、筐体１２の密閉された内部空間を真空断熱層１６としたが、図１に示す裏面１２Ａ、側面１２Ｂを取り除き、凹部１４の底面１４Ａ及び側面１４Ｂの外面全体を、内部に真空の空間を有したいわゆる真空断熱材で覆う構成としても良い。
【００５６】
なお、筐体１２と集熱板１８とは、缶詰を製造する際の缶蓋を缶胴に接合する際に用いられる巻締法を用い、図５に示すように、筐体１２の縁と集熱板１８の縁とを互いに接合することができる。筐体１２及び集熱板１８の平面視形状が円形、楕円形、全体が矩形であっても角部が円弧形状となっている場合には、巻締法を用いて筐体１２と集熱板１８とを接合することができる。巻締は、液体の漏れを確実に抑える上でも好ましい接合方法である。
【００５７】
上記実施形態では、配管２２を集熱板１８に固着し、かつ凹部１４に第２の熱媒体２０を充填した例を説明したが、図３に示すように、集熱板１８に配管２２を半田付け、ロー付け等によって固着している場合には、集熱板１８の熱を配管２２に直接的に伝えることができるので、凹部１４の内部に第２の熱媒体２０を充填しなくても良い。
【００５８】
また、上記実施形態では、配管２２を集熱板１８に固着した例を説明したが、図４に示すように、配管２２は集熱板１８から離されていても良い。配管２２を集熱板１８から離す場合には、集熱板１８の熱を配管２２に伝えるために、凹部１４に第２の熱媒体２０を充填する必要がある。
【符号の説明】
【００５９】
１０      真空平板式太陽熱コレクター
１２      筐体
１２Ａ    裏面
１４      凹部
１４Ａ    底面
１６      真空断熱層
１８      集熱板
２０      第２の熱媒体
２２      配管（配管部材）
【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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