(57)【要約】      （修正有）【課題】軽く、高効率の循環式太陽熱温水器を提供する。【解決手段】波板状又は平板状の薄い二軸延伸光吸収樹脂シート１０２を、平板状又は波板状の透明樹脂板１０１と裏面樹脂板１０３とで挟んだ板状積層構造を、レーザー溶着法で構築して、二軸延伸光吸収樹脂シートの裏表に水路を形成した太陽光加熱器を作り、太陽熱温水器に用いる。構造及び材料のために、循環式太陽熱温水器を軽くできるし、太陽光によって加熱された光吸収シートの両面が水に接している為に、熱エネルギーを逃がすことなく水が加熱されるので、太陽熱温水器の効率が高い。また、光吸収シートの両面が循環している水によって冷却されるために、樹脂の熱変形及び加水分解の問題が生じ難くなり、装置の信頼性が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波板状又は平面の二軸延伸太陽光吸収樹脂シートと、該光吸収シートの一方の側には透明樹脂板又は透明二軸延伸樹脂シートを接合し、該光吸収シートの他方の側には、通常市販されている樹脂板又は二軸延伸樹脂シートが接合された積層体であって、
前記光吸収シートの裏表両側に水路が形成され、
該光吸収シート全面の９０％程度以上が水と接する構造となっている板状太陽光加熱器によって温水を発生させる循環式の太陽熱温水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、太陽熱温水器の軽量、高効率の太陽熱温水器の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  貯湯槽と太陽光加熱器との間で水が循環する太陽熱温水器が一般家庭用として多く使われてきた。実用化されている太陽熱温水器の多くには、太陽光加熱器として金属やガラスの管または、２枚の金属薄板に凹凸の水路を形成し接合したものが採用されてきた。このため太陽光加熱器、及び太陽熱温水器全体の構造が重くなると共に高価格なものとなっている。そして、同様な構造をもつ小型なものを作ったとしても、移動させることは容易ではないし、高価格となる。【０００３】  構造及び材料の工夫によって軽い太陽光加熱器を作る方法が従来から複数提案されている。【０００４】  例えば特許文献１には、軽い材料として、発泡スチロールを利用した太陽光加熱器を自然循環による太陽熱温水器に用いることが提案されている。ここでは、窪みの底に光吸収物質をつけた発泡スチロール製の裏板の上に透明板を接着した構造をもつ太陽光加熱器が提案されている。【０００５】  また、特許文献２には、軽量化のために多数の隔壁がある二層構造の樹脂プレートを水路とし、該樹脂プレートの上から直接太陽光を照射して水路内の水を温める太陽光加熱器が提案されている。【０００６】  特許文献３及び特許文献４では、光吸収シート及び光吸収シートに対応する受光部を備え、これらの表面全体が水中に浸かるようにすることで太陽光エネルギーから変換された熱エネルギーが効率良く湯のエネルギーへと変換される太陽光加熱器が提案されている。【０００７】  特許文献５は、太陽光ホットエアシステムに関するものであって、太陽光を受ける受熱パネルと、該受熱パネルの上方に設けられた透明ガラスと、該受熱パネルの下方に設けられた蓄熱材とを具備し、空気を該受熱パネルの平面方向上下に沿って上方へと送って温める構造が記載されている。【０００８】  しかしながら、これらの従来手段には、次に述べる幾つかの解決すべき技術的課題がある。
【先行技術文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−４２１８７
【特許文献２】特開２０１１−２７３８５
【特許文献３】特開２０１１−２７２６７
【特許文献４】特開２０１１−８９７４１
【特許文献５】特開２００１−１１６３６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  特許文献１に記載されている太陽光加熱器断面の概略を図７に示した。発泡スチロール製の裏板１０３の窪みに付着させた光吸収物質３２の表面は、太陽光によって昇温し、熱伝導及び熱放射によって水を加熱する。しかしながら、発泡スチロールは他の樹脂と同様に、室温〜１００℃の物体が発する波長５〜１５μｍの熱放射を透過するので、光吸収面で生じた熱の一部は、主に熱放射によって、裏板１０３の水とは反対側から外部に漏れる。このために、水６の温度を上げることに寄与できない、つまり、温水の加熱効率が低下するという問題がある。【００１１】  軽い素材で作られた特許文献２に記載の太陽光加熱器では、光吸収が行われる樹脂プレートの表面が大気と接していることにより、空気への熱伝導と熱放射による熱エネルギーの消失が生じるので、温水の加熱効率が低下するという問題が同様にある。【００１２】  図８は、従来の太陽光加熱器の一例である特許文献４に記載の太陽熱温水器の断面を概略的に示した図である。水路が無いので、この種の温水器を循環式太陽熱温水器の太陽光加熱器として使うことはできない。同様の問題が特許文献３に記載の太陽熱温水器にもある。【００１３】  図９は、特許文献５に記載されている太陽光ホットエアシステムつまり大気圧空気の加熱装置に関するものであって、これに水を流して太陽光加熱器として使うためには、受熱パネル（光吸収シートに対応）、透明ガラス、蓄熱材を接合して水路を形成する必要がある。これらの熱膨張係数の違いが大きいものを接合するためには、比較的に軟質の接着剤を使わざるをえない。ところがこのような接着剤は、湯の中にいれていると変質して接合強度が弱くなり、接合が破壊されることが知られている。従って、温水を作る太陽光加熱器としてこのような装置を利用することは難しい。【００１４】  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、軽く、高効率の太陽光加熱器を含む太陽熱温水器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】
【００１５】  溶かすと物性が変化するので、溶着法に二軸延伸樹脂シートの接合は従来困難と考えられてきた。
本発明者は、専用のレーザー溶着装置を試作し、二軸延伸樹脂シートに関して溶着可能性を見出す研究を行った。その結果、レーザー照射条件などを適切に設定することにより、光吸収性のある二軸延伸樹脂シートを他の透明樹脂板及び二軸延伸透明樹脂シートに対して強力にそして二軸延伸樹脂シートとしての特性をほぼ失うことなく数十センチメートル以上の接合が可能なレーザー溶着法を開発することができた。この結果を基盤にして、以下の課題解決の手段を見出すことができたのである。【００１６】  本発明は、波板状又は平面の二軸延伸光吸収樹脂シートと、該光吸収シートの表側と裏側の両面に配置された透明樹脂板又は透明二軸延伸樹脂シートが夫々レーザー溶着法によって接合された積層体であって、前記光吸収シートの裏表両側に水路が形成されて該光吸収シート全面の９０％程度以上が水と接している板状太陽光加熱器によって温水を発生させ、該太陽光加熱器と貯湯槽との間での水を循環させることにより、貯湯槽に湯を溜めこむ太陽熱温水器である。【００１７】  ただし、該板状太陽光加熱器、貯湯槽、供給管、排出管などの温められた水が存在する部分は、ほぼ全て保温するのであるが、ここでは簡単のために、保温部についての記述は省略する。【００１８】  また、本発明における板状太陽光加熱器とは、太陽光照射によって温水を発生させる装置であって、全体として板状とみなせる形態であることを意味し、水路などによる外部の凹凸が形成されている形態も含むものと定義する。【００１９】  本発明によれば、水圧によって壊れる心配のない水路構造を比較的に薄いシート状の樹脂を使って、その９０％以上が樹脂から成る太陽光加熱器を作ることができるので軽い太陽熱温水器を作ることが可能である。【００２０】該太陽光加熱器では、光吸収シートの裏表面の９０％程度以上が水に接しているので太陽光照射によって該光吸収シートに生じた熱エネルギーの９０％以上が水の加熱に使われ、結果的に太陽エネルギーから温水のエネルギーへの変換効率が従来構造の物に比べて飛躍的に高くなる。【００２１】  更に、光吸収シートも水路の一部となっていて、その表面では循環による水流があり常に冷却される。このために、光吸収シート表面の光吸収による昇温は抑えられるので樹脂の熱変形及び加水分解の問題が生じ難くなり、装置の信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００２２】  以上説明したように、本発明による循環式太陽熱温水器は、その構成要素の太陽光加熱装置が主に樹脂板及び薄い樹脂シートで作られており、光吸収シートの裏表の両面に流れる水を加熱する構造となっている。このために、装置全体として軽量であると共に、温水への太陽エネルギー変換効率が従来の高々６０％程度に対して７５％程度と高くすることが可能である。【００２３】  また、比較的に薄い光吸収樹脂シートの両面を流れる水によって冷却する構造となっているために、光吸収シートの表面温度の上昇が抑えられるので該光吸収シートは熱的損傷を受け難くい。このため、装置全体としての寿命を長くすることができる。【００２４】  本発明による太陽熱温水器は軽いので、該温水器を太陽光の射す方向へと容易に移動することができ、温水発生の実効的効率を更に上げることができる。従来、太陽熱温水器は屋根の上に固定する使い方が一般的であったが、本発明に依れば、車載が可能な軽く小型なものを安価に作ることもできるために、自家用車を使って太陽熱温水器を農園、海、川など任意の場所に運んで使うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】循環式太陽熱温水器を概略的に示した斜視図である。
【図２】太陽光加熱器を概略的に示した斜視図である。
【図３】太陽光加熱器を概略的に示した縦断面図である。
【図４】図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略的な横断面図である。
【図５】第２の実施例に関する図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略的な横断面図である。
【図６】第３の実施例に関する図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略的な横断面図である。
【図７】従来の循環式太陽熱温水器に用いられている太陽光加熱器を概略的に示した断面図である。
【図８】光吸収シートに相当する光吸収体が水に浸かっている従来の太陽熱温水器を概略的に示した断面図である。
【図９】波形の光吸収体を透明ガラス板と蓄熱材との間に入れた従来の空気加熱装置を概略的に示した斜視図である。（［特許文献５］記載の図を転載）
【００２６】  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、軽く、光熱変換効率が大きい太陽熱温水器を提供することが目的である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】  以下、本発明による太陽熱温水器の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２８】〈構造の説明〉
図１は、循環式太陽熱温水器を概略的に示した斜視図である。図２は、太陽光加熱器の内部構造を示す第１の実施例の斜視図である。図３は、図１に示した循環式太陽熱温水器の太陽光加熱器１０のＩ−Ｏ−Ｉ線を含む面に関する第１の実施例の縦断面を概略的に示した図である。図４、図５、図６は、図３に示したＩＩ−ＩＩ線に沿った太陽光加熱器の横断面を概略的に示した夫々第１、第２、第３の実施例の図である。
【００２９】  なお、図面において同一又は相当部分には同一符号を用い、上下左右関係については図面の上下左右に基づくものとする。
【００３０】〈太陽熱温水器の構造〉
図１を用いて循環式太陽熱温水器の構造について概略的な説明を行う。
【００３１】  該太陽熱温水器は、板状太陽光加熱器１０と、該太陽光加熱器より高い位置にあって供給管１２と排出管１３とによって該太陽光加熱器に結合されている貯熱槽Ｗ等から成っている。該貯湯槽は、表示されていない台によって、固定されている。
【００３２】  太陽光加熱器１０は、台Ｄの上に斜めに取り付けられ、その最上部に供給管１２と排出管１３とが取り付けられている。排出管よりは供給管を通じて貯湯槽内の水は、太陽光加熱器１０に流れ込み易いようにするために、貯湯槽Ｗ内での供給管１２の先端を排出管１３の先端よりも低くなるように取り付けてある。
【００３３】〈太陽光加熱器の構造〉
本発明による板状太陽光加熱器１０は、第１の実施例の斜視図である図２に示すように、厚さ３ｍｍの透明なポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂板１０１と同じく厚さ３ｍｍの透明なＰＥＴ樹脂の裏板１０３とに厚さ０．１ｍｍの黒色二軸延伸ＰＥＴシート１０２をレーザー溶着して形成された３層構造がその周りに置かれた黒色のＰＥＴ製結合部材１０４によって厚さ１０ｍｍの板状容器となっているものである。図４にその横断面を示す。
【００３４】  図２及び図３に示すように、隔壁１０２ｄによって領域ＡとＢ夫々の上方部が分離されている。
隔壁１０２ｄは、領域Ａ及び領域Ｂの水路に対して独立に設けることもできる。しかし、図２に示すように、領域Ａ又はＢのどちらか一方の水路の壁を部分的に延長するか、領域ＡとＢの水路を一体で形成し、その一部を延長して二軸延伸光吸収樹脂シートの隔壁１０２ｄ相当部分を作ることも可能である。
【００３５】  透明板１０１と、裏板１０３と、結合部材１０４は、厚さ１ｍｍ以下の二軸延伸樹脂シートであってもよい。
【００３６】〈太陽光加熱器の構造的強度〉
図４に示すように、樹脂製透明板１０１と、波板状の二軸延伸光吸収樹脂シート１０２と、樹脂製裏板１０３との間には、例えば、接合点１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃから成る３角形構造つまりトラス構造が存在し、このトラス構造が横方向に連続的形成されている。波板状のシート１０２は、二軸延伸樹脂シートであるために引張強度が強く、各接合点はレーザー溶着によって強固に接合されているので、太陽光加熱器の透明板１０１と裏板１０３とには外へと膨らまそうとする水圧が働くけれどもトラス構造が変形する可能性は少なく、太陽光加熱器が変形することにより水漏れが生じるという心配は少ない。このように、二軸延伸光吸収樹脂シート１０２は、単に光エネルギーを熱エネルギーに変換するだけでなく、水圧に耐える構造を形成している。
【００３７】〈温水の溜めこみ過程〉
次に、太陽熱温水器内の貯湯槽に湯が溜められる過程について図１と、図２と、図３を用いて説明する。
【００３８】  図１の太陽熱温水器全体に水を満たした状態において、太陽光照射が生じている定常状態においては、貯湯槽内の相対的に低温の水が、供給管１２を通って図２の領域Ａの水路に入り、太陽光によって加熱されながら、重力の為に、下方に向かい、領域Ａと領域Ｂとが連結している領域を通って領域Ｂの水路に入り、太陽光によって更に加熱されることによって比重が小さくなった水が上方に向かい、排出管１３を通って、再び貯湯槽Ｗに入る。このような自然循環が繰り返されることで、貯湯槽の中に湯が溜まる。
【００３９】〈水の加熱過程〉
次に、本発明による太陽光加熱器において、水が加熱されて貯湯槽に入るまでの動作について図２を用いて詳細に説明する。
【００４０】  図２において、透明板１０１を透過した太陽光が、光吸収シート１０２の透明板１０１側表面１０２ａで吸収されて熱エネルギーへと変換され、該表面温度が上昇する。貯湯槽から供給管１２を介して太陽光加熱器１０に供給された水のうち、表面１０２ａに接する水が加熱される。
【００４１】  該表面で生じた熱エネルギーのうち表面１０２ａでの水加熱に使われなかった熱エネルギーは、該光吸収シートの裏面に移動し該裏面の温度が上昇する。このために、二軸延伸光吸収樹脂シートの裏面１０２ｂに接する水も加熱される。
【００４２】  従来技術では、光吸収面の裏側で水の加熱に使われることなく消失した熱エネルギーも水の加熱に使うことができたことにより、光吸収面で吸収された太陽エネルギーの略１００％が水を加熱するエネルギーへと変換された。これにより、市販されている太陽熱温水器の太陽エネルギーから湯へのエネルギー変換効率が高々６０％程度と言われているのに対して、本発明による太陽熱温水器の効率は７５％程度へと上がった。
【００４３】  また、光吸収によって生じた熱エネルギーが効率良く水温上昇に使われるということは、両面を流れる水によって光吸収シートの光吸収面側が強く冷却されという事でもあるので、樹脂シートの光吸収面は熱的損傷を受け難く、太陽熱温水器全体としての寿命が長くなった。
【００４４】  以上、図２に示すように、太陽光加熱器の上部に供給管と排出管が取り付けられた例について述べたが、本発明は、太陽光加熱器の下部に供給管１２が取り付けられて、貯湯槽から直接供給された水が温められて上に登り、上に取り付けられた排出管１３から貯湯槽に向かう比較的単純な構造となっている太陽光加熱器についても応用することができることは言うまでもない。このことは、以下の第二及び第三の実施例に関しても同様にあてはまることである。
【００４５】第二の実施例
第１の実施例で用いている図２と図４に示す波板状二軸延伸光吸収樹脂シート１０２の代わりに、図５に示すように、平面状の二軸延伸光吸収樹脂シート１０２を使っても良い。この場合には、透明板１０１及び裏板１０３を図のように、線状の突起がついた板にそれぞれ換え、レーザー溶着することによって水路を形成する。
第三の実施例
【００４６】  第二の実施例で用いている線状の突起がついた透明板及び裏板を夫々波板状の透明板及び裏板に換え、結合部材として独自の光吸収樹脂シートを用いるか、或いは、平面状の二軸延伸光吸収樹脂シート１０２を伸ばして代用することも可能である。
【符号の説明】
【００４６】１０  太陽光集熱器
１０１  透明板
１０２  光吸収シート、光吸収体
１０２ａ  透明板側水路
１０２ｂ  裏板側水路
１０２ｄ  隔壁
１０３  裏板
１０４  結合部材
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ  接合点
１２  供給管
１３  排出管
３２  光吸収物質
３４  接着剤
６  水
７  空気
８  太陽光
Ａ  供給側水路
Ｂ  排出側水路
Ｄ  台
Ｌ  太陽光集光装置
Ｗ  水槽（貯湯槽）
⇒  水流の方向
【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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【図９】
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