(57)【要約】【課題】集熱板と集熱管との熱伝導効率を向上させることが可能な集熱構造体および集熱パネルを提供することを目的とする。【解決手段】集熱構造体１０は、熱媒体を通す集熱管１２と、支持部材５０の固定面５０ａに固定される固定部２１ｂ、２２ｂと、固定部２１ｂ、２２ｂと集熱管１２とを接続する接続部２１ａ、２２ａとをそれぞれ備える第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を有し、第１の集熱板２１の固定部２１ｂと、第２の集熱板２２の固定部２２ｂとは、集熱管１２の延出方向と交差する方向において集熱管１２を挟む位置に配置されており、第１の集熱板２１の接続部２１ａが集熱管１２に接続される第１の接続箇所２５と、第２の集熱板２２の接続部２２ａが集熱管１２に接続される第２の接続箇所２６とが離間する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を通す集熱管と、
支持部材の固定面に固定される固定部と、前記固定部と前記集熱管とを接続する接続部とをそれぞれ備える第１の集熱板および第２の集熱板を有し、
前記第１の集熱板の前記固定部と、前記第２の集熱板の前記固定部とは、前記集熱管の延出方向と交差する方向において前記集熱管を挟む位置に配置されており、
前記第１の集熱板の前記接続部が前記集熱管に接続される第１の接続箇所と、前記第２の集熱板の前記接続部が前記集熱管に接続される第２の接続箇所とが離間する集熱構造体。
【請求項２】
前記固定部は、前記固定面と平行な面を有し、前記接続部は、前記固定面に対して屈曲または傾斜している請求項１に記載の集熱構造体。
【請求項３】
前記集熱管は、内周面から径方向に突出する複数の突出部を有する請求項１または請求項２に記載の集熱構造体。
【請求項４】
前記複数の突出部は、径方向の突出高さが異なる第１の突出部と第２の突出部とを有する請求項３に記載の集熱構造体。
【請求項５】
前記第１の接続箇所と前記第２の接続箇所とは、前記固定面と直交する方向に延び、前記集熱管の断面中心軸を通る仮想線に対して線対称の位置に配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の集熱構造体。
【請求項６】
前記第１の接続箇所と前記第２の接続箇所とは、前記集熱管の断面中心軸に対して点対称の位置に配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の集熱構造体。
【請求項７】
前記第１の接続箇所および前記第２の接続箇所が、前記集熱管の断面中心軸を通り前記固定面と平行な面内に配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の集熱構造体。
【請求項８】
前記集熱管、前記第１の集熱板および前記第２の集熱板は、アルミニウム押出形材により一体に形成されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の集熱構造体。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の集熱構造体と、
前記集熱管と交差する方向に延び、前記熱媒体を通すヘッダー管とを有し、
複数の前記集熱構造体が配列されて、前記集熱構造体の前記固定部が前記支持部材に固定されており、
複数の前記集熱管の両端が前記ヘッダー管に接続されている集熱パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱温水器等の太陽熱集熱器に使用される集熱構造体および集熱パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱を利用する温水器や冷暖房システムにおいて、太陽光の熱エネルギーを集熱して、水などの熱媒体に熱エネルギーを伝達する集熱構造体が用いられる。下記特許文献１には、太陽電池モジュールの裏面側に集熱構造体を配列した太陽光発電集熱複合パネルについて記載されている。特許文献１に記載の集熱構造体は、板状フィンと、集熱管とを備えている。集熱管は、板状フィンの表面中央に起立するリブを介して、集熱板と接続されている。太陽電池モジュールが受光して得られた熱エネルギーは、板状フィンから集熱管に伝導される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１００９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の集熱構造体は、板状フィンが太陽電池モジュールの裏面側に密着部材を介して貼り合わされており、太陽電池モジュールが受光して得られた熱エネルギーは、板状フィンからリブを介して集熱管に伝導される。ここで、集熱構造体の剛性は、太陽電池モジュールと板状フィンとの密着性を高めるために、太陽電池モジュールの剛性よりも小さく設計されている。そのため、板状フィンと集熱管とを接続するリブが小さく形成されており、板状フィンから集熱管への熱伝導が小さくなる可能性がある。また、特許文献１に記載されている太陽光発電集熱複合パネルに限らず、温水器や冷暖房システムに用いられる集熱構造体においても、熱エネルギーを受ける板状フィン等の集熱板と、集熱管との熱伝導効率の向上が要求されている。
【０００５】
本発明は、集熱板と集熱管との熱伝導効率を向上させることが可能な集熱構造体および集熱パネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る集熱構造体は、熱媒体を通す集熱管と、支持部材の固定面に固定される固定部と、前記固定部と前記集熱管とを接続する接続部とをそれぞれ備える第１の集熱板および第２の集熱板を有し、前記第１の集熱板の前記固定部と、前記第２の集熱板の前記固定部とは、前記集熱管の延出方向と交差する方向において前記集熱管を挟む位置に配置されており、前記第１の集熱板の前記接続部が前記集熱管に接続される第１の接続箇所と、前記第２の集熱板の前記接続部が前記集熱管に接続される第２の接続箇所とが離間する。
【０００７】
これによれば、集熱板と集熱管との接続箇所が分散しているため、第１の集熱板および第２の集熱板が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管に伝導される。したがって、集熱板と集熱管との熱伝導効率が向上する。
【０００８】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記固定部は、前記固定面と平行な面を有し、前記接続部は、前記固定面に対して屈曲または傾斜している。これによれば、固定部を支持部材等に固定する際の固定作業が容易である。
【０００９】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記集熱管は、内周面から径方向に突出する複数の突出部を有する。これによれば、集熱管を流れる熱媒体と、集熱管との接触面積が大きくなるため、集熱管と熱媒体との熱伝達効率が向上する。
【００１０】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記複数の突出部は、径方向の突出高さが異なる第１の突出部と第２の突出部とを有する。これによれば、集熱管の断面中心軸の近傍を通る熱媒体および集熱管の内周面の近傍を通る熱媒体に、第１の突出部および第２の突出部から熱が効果的に伝達される。
【００１１】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記第１の接続箇所と前記第２の接続箇所とは、前記固定面と直交する方向に延び、前記集熱管の断面中心軸を通る仮想線に対して線対称の位置に配置される。また、本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記第１の接続箇所と前記第２の接続箇所とは、前記集熱管の断面中心軸に対して点対称の位置に配置される。これによれば、確実に集熱板と集熱管との熱伝導効率が向上する。
【００１２】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記第１の接続箇所および前記第２の接続箇所が、前記集熱管の断面中心軸を通り前記固定面と平行な面内に配置される。これによれば、確実に集熱管と集熱板との熱伝導効率が向上する。
【００１３】
本発明の望ましい態様に係る集熱構造体において、前記集熱管、前記第１の集熱板および前記第２の集熱板は、アルミニウム押出形材により一体に形成されている。これによれば、集熱管と集熱板を別々に形成した場合に比較して、集熱管と集熱板とを接続する工程を省くことができ、製造コストおよび作業コストが低減される。
【００１４】
本発明の一態様に係る集熱パネルは、上記のいずれかの集熱構造体と、前記集熱管と交差する方向に延び、前記熱媒体を通すヘッダー管とを有し、複数の前記集熱構造体が配列されて、前記集熱構造体の前記固定部が前記支持部材に固定されており、複数の前記集熱管の両端が前記ヘッダー管に接続されている。これによれば、各集熱構造体において集熱板と集熱管との熱伝導効率が向上することにより、集熱板が受けた熱エネルギーが効果的に熱媒体に伝達され、熱媒体の温度が上昇する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の集熱構造体および集熱パネルによれば、集熱板と集熱管との熱伝導効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る集熱構造体を備えた、集熱パネルの平面図である。
【図２】図２は、集熱パネルのヘッダー管と集熱管との接続箇所を部分的に拡大して示す斜視図である。
【図３】図３は、集熱パネルおよび支持部材の側面図である。
【図４】図４は、集熱パネルと支持部材との固定構造を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係る集熱構造体の斜視図である。
【図６】図６は、本実施形態の集熱構造体の断面図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る集熱管を拡大して示す断面図である。
【図８】図８は、実施例の集熱構造体および比較例の集熱構造体の熱伝達および熱伝導を解析した結果を示す表である。
【図９】図９は、実施例の集熱構造体の熱伝達係数の分布を示すシミュレーション結果である。
【図１０】図１０は、実施例の集熱構造体の温度分布を示すシミュレーション結果である。
【図１１】図１１は、比較例１の集熱構造体の断面図である。
【図１２】図１２は、比較例２の集熱構造体の断面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態の集熱構造体の断面図である。
【図１４】図１４は、第３の実施形態の集熱構造体の断面図である。
【図１５】図１５は、第４の実施形態の集熱構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。なお、図面は説明をより明確にするため、各部の寸法を適宜変更して示している。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る集熱構造体を備えた、集熱パネルの平面図である。図２は、集熱パネルのヘッダー管と集熱管との接続箇所を部分的に拡大して示す斜視図である。図３は、集熱パネルおよび支持部材の側面図である。本実施形態の集熱構造体および集熱パネルは、温水器や冷暖房システムなどに用いられ、例えば太陽光を受光して得られた熱エネルギーが水などの熱媒体に伝達される。また、本実施形態の集熱構造体および集熱パネルは、太陽電池モジュールと一体に貼り合わせて太陽光発電集熱複合パネルとすることも可能である。この場合、集熱板が受けた太陽電池モジュール等からの熱エネルギーが、熱媒体に伝達される。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の集熱パネル１は、流入側ヘッダー管３と、流出側ヘッダー管５と、複数の集熱構造体１０とを有する。集熱構造体１０はそれぞれ、集熱管１２と、集熱管１２と接続される第１の集熱板２１および第２の集熱板２２とを有する。第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、集熱管１２の延出方向に沿って延びる板状の部材である。集熱管１２は、集熱管１２の延出方向と直交する方向において第１の集熱板２１と第２の集熱板２２とで挟まれている。また、集熱管１２の両端部は、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２よりも外方に延びている。複数の集熱構造体１０は、集熱管１２の延出方向と直交する方向に、互いに隣り合って配列される。
【００２０】
図１および図２に示すように、流入側ヘッダー管３および流出側ヘッダー管５は、複数の集熱構造体１０が配列する方向（集熱管１２の延出方向と直交する方向）に延びており、流入側ヘッダー管３と流出側ヘッダー管５との間に、複数の集熱構造体１０が配置されている。流入側ヘッダー管３および流出側ヘッダー管５は、断面視で矩形状の筒状管本体３ａ、５ａと、筒状管本体３ａ、５ａの両端を覆う蓋部３ｂ、５ｂとを有する。図１に示すように、流入側ヘッダー管３は、熱媒体を流入するための流入部３ｃを有しており、流出側ヘッダー管５は、熱媒体を取り出すための取出し部５ｃを有する。
【００２１】
図２に示すように、流出側ヘッダー管５の筒状管本体５ａには、集熱管１２と接続するための開口部５ｄが複数設けられており、集熱管１２の一端側が流出側ヘッダー管５に接続される。集熱管１２の一端側は、流出側ヘッダー管５の開口部５ｄの周縁と接触した状態、または、筒状管本体５ａの内部に挿通した状態で、溶接等により固定される。また、集熱管１２の他端側は、流入側ヘッダー管３の筒状管本体３ａに設けられた開口部（図１および図２には省略して示す）の周縁と接触した状態、または、筒状管本体３ａの内部に挿通した状態で、溶接等により固定される。
【００２２】
図３に示すように、本実施形態の集熱パネル１は、例えば、骨組み構造を有する支持部材５０に固定される。支持部材５０は、基台６１、６２と、基台６２から鉛直方向に延びる柱部５２と、基台６１と柱部５２とに接続される桁部５１と、桁部５１と直交方向に延びる根太材５９を有する。また、支持部材５０は、桁部５１と基台６２との間を接続する梁部５３を有し、桁部５１は梁部５３に支持される。桁部５１、柱部５２、梁部５３は、それぞれ細長い棒状の部材であり、互いに接続部材５５〜５８を介してボルト等により固定される。桁部５１および根太材５９はそれぞれ複数設けられており、複数の桁部５１と複数の根太材５９とが、平面視で格子状に配置される。
【００２３】
図４は、集熱パネルと支持部材との固定構造を拡大して示す部分拡大断面図である。図３及び図４に示すように、桁部５１は集熱構造体１０の延出方向に延びており、桁部５１と直交方向に延びる根太材５９は、桁部５１にボルト６５、６５で固定される。集熱構造体１０の下側には、Ｃチャンネル部材６０が溶接等により固定されている。Ｃチャンネル部材６０とは、溝部が設けられたアルミニウム押出材であり断面視でＣ形状の部材である。Ｃチャンネル部材６０と根太材５９とがボルト６６で固定されることにより、集熱パネル１が支持部材５０に固定される。
【００２４】
このように、Ｃチャンネル部材６０を介して集熱構造体１０と根太材５９とを固定することにより、集熱構造体１０と根太材５９とを直接固定する場合に比べて、集熱構造体１０を根太材５９に少ない本数のボルト６６で固定することが可能となり、現場における施工性が格段に向上する。なお、集熱構造体１０と根太材５９との間を接続する部材は、Ｃチャンネル部材６０に限定されるものではなく、他の構造の部材等を用いても良い。また、Ｃチャンネル部材６０を介さず、集熱構造体１０と根太材５９とを直接固定しても良い。
【００２５】
図１および図２に示すように、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、それぞれ、支持部材５０等に固定される固定部２１ｂ、２２ｂと、固定部２１ｂ、２２ｂと集熱管１２とを接続する接続部２１ａ、２２ａとを有する。各集熱構造体１０の固定部２１ｂ、２２ｂがボルト等で根太材５９に固定されることによって、集熱パネル１が支持部材５０の固定面５０ａに固定される。なお、集熱構造体１０と支持部材５０との固定方法は特に限定されるものではなく、例えば、固定部２１ｂ、２２ｂと根太材５９とを粘着剤を介して貼り合せてよい。また、本実施形態において、支持部材５０の固定面５０ａは、基台６１、６２に対して傾斜して配置されているが、これに限定されず、太陽光等の熱エネルギーを効率よく受けることが可能な構造であればよい。
【００２６】
本実施形態の集熱パネル１は、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が太陽光等の熱エネルギーを受けて第１の集熱板２１および第２の集熱板２２の温度が上昇する。そして、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２の熱が集熱管１２に伝えられる。水などの熱媒体は、流入側ヘッダー管３の流入部３ｃから導入され、筒状管本体３ａから複数の集熱管１２に分岐する。そして、複数の集熱管１２を通過する際に集熱管１２の内壁から熱媒体に熱が伝達されて、熱媒体の温度が上昇する。熱媒体は、流出側ヘッダー管５の筒状管本体５ａに集められ、取出し部５ｃから取り出されて、例えば温水として利用される。
【００２７】
図５は、第１の実施形態に係る集熱構造体の斜視図である。図６は、本実施形態の集熱構造体の断面図である。図７は、本実施形態に係る集熱管を拡大して示す断面図である。図５に示すように、第１の実施形態の集熱構造体１０は、熱媒体を通す集熱管１２と、集熱管１２に接続された第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を有する。第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、それぞれ集熱管１２の延出する方向に延びる板状の部材である。集熱管１２は、集熱管１２の延出方向と直交する方向において、第１の集熱板２１と第２の集熱板２２とに挟まれている。
【００２８】
図６に示すように、第１の集熱板２１は、支持部材５０の固定面５０ａに固定される固定部２１ｂと、固定部２１ｂと集熱管１２とを接続する接続部２１ａとを有する。また、第２の集熱板２２も、支持部材５０の固定面５０ａに固定される固定部２２ｂと、固定部２２ｂと集熱管１２とを接続する接続部２２ａとを有する。固定部２１ｂ、２２ｂは、支持部材５０（桁部５１）の固定面５０ａと平行な固定面２１ｃ、２２ｃを有している。支持部材５０の固定面５０ａと、固定面２１ｃ、２２ｃとは、根太材５９を介して対面した状態で、固定部２１ｂ、２２ｂが支持部材５０に固定される。固定部２１ｂ、２２ｂにはあらかじめＣチャンネル部材６０（図６では省略して示す）が溶接等により固定されている。Ｃチャンネル部材６０と根太材５９とが、例えばボルト（図示しない）等によって締結されることにより、固定部２１ｂ、２２ｂが支持部材５０に固定される。
【００２９】
また、接続部２１ａ、２２ａは、固定部２１ｂ、２２ｂと略等しい厚さを有しており、固定面５０ａに対して傾斜して、固定部２１ｂ、２２ｂと集熱管１２とを接続する。支持部材５０の固定面５０ａと、接続部２１ａ、２２ａとの間には、空間が設けられている。また、図６では省略して示すＣチャンネル部材６０が固定部２１ｂ、２２ｂに固定されており、集熱管１２の下側の外周面は、Ｃチャンネル部材６０と当接し、またはＣチャンネル部材６０との間にクリアランスを有している。
【００３０】
第１の集熱板２１の接続部２１ａと集熱管１２とは第１の接続箇所２５で接続されており、第２の集熱板２２の接続部２２ａとは第２の接続箇所２６で接続されている。第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは離間して設けられている。ここで、図６に示すように、集熱管１２の断面中心軸Ｃを通り、固定面５０ａと直交する方向に延びる線を仮想線ＶＬとする。第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは仮想線ＶＬを挟んで配置されており、第１の集熱板２１の接続部２１ａと、第２の集熱板２２の接続部２２ａとは、仮想線ＶＬを挟んで互いに反対方向に、集熱管１２の外周から延出している。
【００３１】
本実施形態において、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは、断面中心軸Ｃを通り固定面５０ａと平行な同一面内に配置される。言い換えると、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは、仮想線ＶＬに対して線対称の位置で、かつ、断面中心軸Ｃに対して点対称の位置に配置される。
【００３２】
このような構成により、第１の集熱板２１と集熱管１２との接続箇所（第１の接続箇所２５）と、第２の集熱板２２と集熱管１２との接続箇所（第２の接続箇所２６）が、仮想線ＶＬを挟んで分散する。このため、平坦な集熱板と集熱管とを１か所のリブを介して接続した場合に比べて、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管１２に伝導される。したがって、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２と、集熱管１２との熱伝導効率が向上する。
【００３３】
本実施形態において、集熱管１２の断面中心軸Ｃを通り固定面５０ａと平行な同一面内において、第１の集熱板２１と集熱管１２とが接続され、第２の集熱板２２と集熱管１２とが接続される。つまり、第１の集熱板２１が受けた熱エネルギーと、第２の集熱板２２が受けた熱エネルギーとが、集熱管１２の断面中心軸Ｃを挟んで対称の位置で集熱管１２に伝導される。よって、確実に第１の集熱板２１および第２の集熱板２２と集熱管１２との熱伝導効率が向上する。
【００３４】
なお、第１の接続箇所２５および第２の接続箇所２６の位置は、図６に示す箇所に限定されず、適宜変更することができる。この場合であっても、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とが離間して設けられるため、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管１２に伝導される。
【００３５】
本実施形態において、固定部２１ｂ、２２ｂは、固定面５０ａに対し平行な面を有しており、集熱管１２の延出方向に延びている。このため、集熱構造体１０を支持部材５０等に固定する際に、固定部２１ｂ、２２ｂの固定可能範囲の自由度が高い。したがって、支持部材５０が図３に示すような骨組み構造体であっても、集熱構造体１０を支持部材５０に容易に取付けることができる。
【００３６】
また、第１の集熱板２１において、接続部２１ａは、接続部２１ａと集熱管１２との接続箇所から固定面５０ａに近づく方向に延出し、固定面５０ａに対して傾斜している。そして、固定部２１ｂは、接続部２１ａの延出方向から屈曲して、支持部材５０の固定面５０ａに対して平行な固定面２１ｃを有する。また第２の集熱板２２の接続部２２ａ、固定部２２ｂは、接続部２１ａ、固定部２１ｂと対称の構造を有している。接続部２２ａは固定面５０ａに対して傾斜しており、固定部２２ｂは支持部材５０の固定面５０ａに対して平行な固定面２２ｃを有する。このように、固定部２１ｂ、２２ｂを設けることにより、支持部材５０との固定作業が容易であり、例えば、固定部２１ｂ、２２ｂにあらかじめ溶接されたＣチャンネル部材６０と、根太材５９とをボルトで固定する際に、固定部２１ｂ、２２ｂの上面側から取付け作業を行うこともでき、あるいは、固定部２１ｂ、２２ｂの下面側（支持部材５０側）から取付け作業を行うこともできる。
【００３７】
図７に示すように、集熱管１２は、内周面から径方向に突出する複数の第１の突出部１３ａと、複数の第２の突出部１３ｂ、１３ｃとを有する。図７に示すように、第１の突出部１３ａと第２の突出部１３ｂ、１３ｃとは、径方向の突出高さが異なっており、第１の突出部１３ａは、第２の突出部１３ｂ、１３ｃよりも断面中心軸Ｃに近い位置まで突出している。また、第１の突出部１３ａは、集熱管１２の内周面に４つ設けられており、第１の突出部１３ａはそれぞれ、固定面５０ａ（図７には図示しない）に対して平行方向および直交方向に突出している。
【００３８】
突出高さが異なる第１の突出部１３ａと、第２の突出部１３ｂ、１３ｃとは、集熱管１２の内周面の周方向に沿って交互に配置されている。第２の突出部１３ｂ、１３ｃは、互いに隣り合って集熱管１２の内周面から突出しており、隣り合う第２の突出部１３ｂ、１３ｃは、第１の突出部１３ａ、１３ａの間に配置される。第２の突出部１３ｂと第２の突出部１３ｃとの間の隙間は、第１の突出部１３ａの突出方向に対して４５°傾いている。また、第１の突出部１３ａおよび第２の突出部１３ｂ、１３ｃは、集熱管１２の延出方向に連続して設けられている。
【００３９】
図７に示すように、第１の突出部１３ａは、集熱管１２の内周から断面中心軸Ｃに向かって、一定の幅を有している。また、第２の突出部１３ｂ、１３ｃは、断面中心軸Ｃに向かって先細り形状を有している。周方向に沿って隣り合う第１の突出部１３ａ、第２の突出部１３ｂ、１３ｃの間の隙間は、互いに等しい幅を有しており、径方向の断面中心軸Ｃに向かって一定の幅で形成される。熱媒体は、第１の突出部１３ａ、第２の突出部１３ｂ、１３ｃの隙間を通過して、集熱管１２の内周面、第１の突出部１３ａおよび第２の突出部１３ｂ、１３ｃから熱が伝達される。また、互いに向かい合う方向に延びる第１の突出部１３ａ、１３ａ同士は、断面中心軸Ｃの近傍で間隔を有して離間しており、断面中心軸Ｃの近傍は、集熱管１２の延出方向に熱媒体を通す流路となっている。
【００４０】
このように、集熱管１２の内周面に複数の第１の突出部１３ａおよび複数の第２の突出部１３ｂ、１３ｃを設けることにより、集熱管１２を流れる熱媒体と、集熱管１２との接触面積が大きくなるため、集熱管１２と熱媒体との熱伝達効率が向上する。第１の突出部１３ａと第２の突出部１３ｂ、１３ｃとの突出高さを異ならせることにより、集熱管１２の断面中心軸Ｃの近傍を通る熱媒体および集熱管１２の内周面の近傍を通る熱媒体に集熱管１２から熱が効果的に伝達される。
【００４１】
本実施形態の集熱構造体１０は、アルミニウム押出形材により一体に形成されている。すなわち、集熱管１２、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、加熱されたアルミニウム合金を金型内に通して押出成形することにより、同一工程で一体に形成される。このため、集熱管と集熱板を別々に成形した場合に比較して、集熱管１２と第１の集熱板２１、または集熱管１２と第２の集熱板２２との接触不良による熱伝導の低下が抑制され、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２の熱が効果的に集熱管１２へ伝導される。また、押出用アルミニウム合金としては、好ましくは押出性に優れる６０００系（ＪＩＳ規格）を使用するとよいが、押出が可能であればこれに限定される必要はなく、１０００系〜７０００系までの各種アルミニウム合金を使用してもよい。
【００４２】
また、集熱構造体１０は、アルミニウム押出形材により一体に形成されているため、集熱管１２、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を別々に形成した場合に比較して、集熱管１２と、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２とを接続する工程を省くことができる。したがって、集熱構造体１０は、製造コストおよび作業コストを低減することができる。また、集熱構造体１０は、アルミニウム押出形材により一体に形成されるため、固定部２１ｂ、２２ｂの水平精度が向上し、長尺の集熱管１２および長尺の第１の集熱板２１、第２の集熱板２２に対応することができる。したがって、本実施形態の集熱構造体１０は、支持部材５０への固定範囲が拡大し、また取付け精度が向上するため、例えば骨組み構造を有する支持部材５０への取付けを容易に行うことが可能である。
【００４３】
なお、集熱管１２、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が、アルミニウム押出形材により等しい長さで形成された後、集熱管１２の延出方向における、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２の両端部が切断される。これにより、図５に示すように、集熱管１２が、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２よりも突出して形成される。また、接続部２１ａ、２２ａおよび固定部２１ｂ、２２ｂは所定の厚さで形成することができる。例えば、本実施形態の接続部２１ａ、２２ａおよび固定部２１ｂ、２２ｂの厚さは０．８ｍｍ〜５．０ｍｍ程度である。
【００４４】
以上のように、本実施形態の集熱構造体１０は、熱媒体を通す集熱管１２と、支持部材５０の固定面５０ａに固定される固定部２１ｂ、２２ｂと、固定部２１ｂ、２２ｂと集熱管１２とを接続する接続部２１ａ、２２ａとをそれぞれ備える第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を有し、第１の集熱板２１の固定部２１ｂと、第２の集熱板２２の固定部２２ｂとは、集熱管１２の延出方向と交差する方向において集熱管１２を挟む位置に配置され、第１の集熱板２１の接続部２１ａが集熱管１２に接続される第１の接続箇所２５と、第２の集熱板２２の接続部２２ａが集熱管１２に接続される第２の接続箇所２６とが離間する。
【００４５】
この構成によれば、第１の集熱板２１と集熱管１２との接続箇所（第１の接続箇所２５）と、第２の集熱板２２と集熱管１２との接続箇所（第２の接続箇所２６）とが分散して配置される。このため、平坦な集熱板と集熱管とを１か所のリブを介して接続した場合に比べて、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管１２に伝導される。したがって、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２と、集熱管１２との熱伝導効率が向上する。
【００４６】
本実施形態の集熱構造体１０において、固定部２１ｂ、２２ｂは、固定面５０ａと平行な面を有し、接続部２１ａ、２２ａは、固定面５０ａに対して屈曲または傾斜している。この構成によれば、固定部２１ｂ、２２ｂを支持部材５０等に固定する固定作業が容易である。例えば、固定部２１ｂ、２２ｂを支持部材５０に取付ける際に、集熱管１２側から取付け作業を行うことも可能であり、あるいは、支持部材５０側から取付け作業を行うことも可能である。
【００４７】
本実施形態の集熱構造体１０において、集熱管１２は、内周面から径方向に突出する複数の突出部１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有する。この構造によれば、集熱管１２を流れる熱媒体と、集熱管１２との接触面積が大きくなるため、集熱管１２と熱媒体との熱伝達効率が向上する。
【００４８】
本実施形態の集熱構造体１０において、複数の突出部は、径方向の突出高さが異なる第１の突出部１３ａと第２の突出部１３ｂ、１３ｃとを有する。この構造によれば、集熱管１２の断面中心軸Ｃの近傍を通る熱媒体および集熱管１２の内周面の近傍を通る熱媒体に、第１の突出部１３ａおよび第２の突出部１３ｂ、１３ｃから熱が効果的に伝達される。
【００４９】
また、本実施形態の集熱構造体１０において、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは、固定面５０ａと直交する方向に延び、集熱管１２の断面中心軸Ｃを通る仮想線ＶＬに対して線対称の位置に配置される。また、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６とは、集熱管１２の断面中心軸Ｃに対して点対称の位置に配置される。また、本実施形態において、第１の接続箇所２５および第２の接続箇所２６が、集熱管１２の断面中心軸Ｃを通り固定面５０ａと平行な面内に配置される。この構成によれば、第１の集熱板２１と集熱管１２との接続箇所と、第２の集熱板２２と集熱管１２との接続箇所が分散されるため、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２と、集熱管１２との熱伝導効率が確実に向上する。
【００５０】
本実施形態の集熱構造体１０において、集熱管１２、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、アルミニウム押出形材により一体に形成されている。これによれば、集熱管１２、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を別々に形成した場合に比較して、集熱管１２と、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２を接続する工程を省くことができ、製造コストおよび作業コストを低減することができる。
【００５１】
本実施形態の集熱パネル１は、上述のいずれかの集熱構造体１０と、集熱管１２と交差する方向に延び、熱媒体を通す流入側ヘッダー管３、流出側ヘッダー管５とを有し、複数の集熱構造体１０が配列されて、集熱構造体１０の固定部２１ｂ、２２ｂが支持部材５０に固定されており、複数の集熱管１２の両端が流入側ヘッダー管３および流出側ヘッダー管５に接続されている。この構造によれば、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２が太陽光を受光して得られた熱エネルギーが、効率よく集熱管１２を流れる熱媒体に伝達され、温められた熱媒体を利用することができる。また、固定部２１ｂ、２２ｂを支持部材５０に取付ける際の取付け作業を容易に行うことができる。
【００５２】
（実施例）
図８は、実施例の集熱構造体および比較例の集熱構造体の熱伝達および熱伝導を解析した結果を示す表である。図９は、実施例の集熱構造体の熱伝達係数の分布を示すシミュレーション結果である。図１０は、実施例の集熱構造体の温度分布を示すシミュレーション結果である。本実施例の集熱構造体は、図５〜図７に示す第１の実施形態の集熱構造体１０と同様の構成である。図１１は、比較例１の集熱構造体の断面図である。図１２は、比較例２の集熱構造体の断面図である。
【００５３】
図１１に示すように、比較例１の集熱構造体１１０は、間隔を設けて対向する平板状の第１の板部材１１１と第２の板部材１１２とを有している。第１の板部材１１１と第２の板部材１１２とは、両端部１１３、１１３で接続されている。第１の板部材１１１と第２の板部材１１２との間の空間は、複数の壁部１１５で区切られており、熱媒体は、第１の板部材１１１と第２の板部材１１２との間の断面矩形状の流路を通過する。
【００５４】
図１２に示すように、比較例２の集熱構造体２１０は、平板状の集熱板２１１と、集熱板２１１の上方に配置された集熱管２１２とを有し、集熱板２１１と集熱管２１２とはリブ２１４を介して接続されている。
【００５５】
まず、熱媒体（冷媒ブライン）の流量を０．５Ｌ／ｍｉｎ、流速１．５〜２．０ｍ／ｍｉｎとしたときの、平均熱伝達係数を計算により求めた。図８に示すように、本実施例の集熱構造体の平均熱伝達係数は３８０（Ｗ／（ｍ２×℃））であり、比較例１の集熱構造体１１０の平均熱伝達係数は４２０（Ｗ／（ｍ２×℃））であり、比較例２の集熱構造体２１０の平均熱伝達係数は４２１（Ｗ／（ｍ２×℃））である。
【００５６】
なお、本実施例において、計算に用いた熱媒体（冷媒ブライン）の物性値は以下のとおりである。密度ρ＝１０４９．１（ｋｇ／ｍ３）、粘度μ＝０．００２０５（Ｐａ×ｓ）、比熱Ｃｐ＝３４４０（Ｊ／（ｋｇ×℃））、熱伝導率λ＝０．４２（Ｗ／（ｍ×℃））。また、実施例、比較例１および比較例２の集熱構造体に用いたアルミニウム形材の物性値は以下のとおりである。密度ρ＝２７１９（ｋｇ／ｍ３）、比熱Ｃｐ＝８７１（Ｊ／（ｋｇ×℃））、熱伝導率λ＝２０２．４（Ｗ／（ｍ×℃））。
【００５７】
次に、計算により求めた平均熱伝達係数を用いて、熱媒体（冷媒ブライン）の温度を５２℃一定としたときの、集熱管の内壁の温度（図８の表１に示す「管内壁温度」）と、集熱板の最大温度を求めた（図８の表１に示す「受熱部ｍａｘ温度」）。これらの値から、熱伝達による温度差ΔＴｖ＝（集熱管の内壁の温度）−（冷媒の温度）と、熱伝導による温度差ΔＴｄ＝（受熱部ｍａｘ温度）−（管内壁の温度）と、受熱部と冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝ΔＴｖ＋ΔＴｄを求めた。本実施例において、「熱伝達による温度差ΔＴｖ」とは、集熱管の内壁から熱媒体（冷媒ブライン）への熱の伝わり易さを示し、ΔＴｖが小さいほど、効率よく熱が熱媒体に伝達されていることを示す。また。「熱伝導による温度差ΔＴｄ」とは、太陽光を受光して温度が上昇した集熱板から集熱管の内壁までの熱の伝わり易さを示し、ΔＴｄが小さいほど、集熱板の温度上昇が集熱管まで伝導されていることを示す。
【００５８】
図９に示すように、本実施例の集熱構造体の熱伝達係数の分布は、第１の集熱板と集熱管との接続箇所の近傍および第２の集熱板と集熱管との接続箇所の近傍において最大の値を示している。これにより、集熱板と集熱管との接続箇所が分散しているため、集熱板が受光して得られた太陽光からの熱エネルギーが、効果的に集熱管に伝導されることが示された。
【００５９】
また、図１０に示すように、本実施例の集熱構造体の温度分布は、第１の集熱板の端部および第２の集熱板の端部において最大温度を示し、集熱板の端部から集熱管の断面中心軸近傍に向かうにしたがって温度が低下する傾向を示す。ただし、図１０の温度分布は、温度のレンジを３２６（Ｋ）〜３２８（Ｋ）の範囲で示しており、第１の集熱板の端部および第２の集熱板の端部から、集熱管の内壁まで効率よく熱が伝導していることを示している。
【００６０】
図８の表１に示すように、本実施例の集熱構造体は、熱伝達ΔＴｖ＝１℃、熱伝導ΔＴｄ＝２℃、冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝３℃である。比較例１の集熱構造体１１０は、熱伝達ΔＴｖ＝１℃、熱伝導ΔＴｄ＝０℃、冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝１℃である。また、比較例２の集熱構造体２１０は、熱伝達ΔＴｖ＝６℃、熱伝導ΔＴｄ＝１０℃、冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝１６℃である。
【００６１】
比較例２の集熱構造体２１０は、本実施例と同様に、集熱管と集熱板とを有しているが、冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝１６℃と大きな値を示している。これに対し、本実施例は、第１の集熱板と第２の集熱板とを有し、第１の集熱板と集熱管の接続箇所と第２の集熱板と集熱管との接続箇所は、集熱管の断面中心軸を通り、固定面と直交する方向に延びる仮想線を挟む位置に配置される。このような構造により、集熱板と集熱管との接続箇所を分散して、集熱板が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管に伝導され、集熱管の内壁から熱媒体（冷媒ブライン）に伝達されることが示された。
【００６２】
比較例１の集熱構造体１１０は、冷媒との温度差ΔＴｍａｘ＝１℃であり、効率よく太陽光からの熱エネルギーが熱媒体に伝達されている。ただし、比較例１の集熱構造体１１０は、断面矩形状の流路が配列されて集熱構造体１１０の全体が同じ厚さを有する構造であり、支持部材に固定される板状の固定部を有していない。したがって、支持部材に対する集熱構造体１１０の固定範囲や固定方法が限定され、例えば図３に示す骨組み構造を有する支持部材５０に固定することが困難な場合が生じる。
【００６３】
以上のように、本実施例の集熱構造体は、第１の接続箇所および第２の接続箇所が、集熱管の断面中心軸を通り、支持部材の固定面と平行な面内に配置される。つまり、第１の接続箇所と、第２の接続箇所とが、断面中心軸を挟んで分散して配置される。このため、比較例２の集熱構造体２１０と比較して、熱伝導による温度差が、ΔＴｄ＝２℃という小さい値となり、第１の集熱板および第２の集熱板が受けた熱エネルギーが、効果的に集熱管に伝導されることが示された。また、本実施例の集熱構造体は、板状の部材で形成され、集熱管の延出方向に延びる固定部を有しており、固定部は支持部材の固定面と平行な面を有する。このため、集熱管に接続された固定部を有していない比較例１の集熱構造体１１０と比較して、同程度の熱伝達および熱伝導を実現し、かつ、支持部材への取付けを容易に行うことが可能である。
【００６４】
（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態の集熱構造体の断面図である。第２の実施形態の集熱構造体３０は、第１の実施形態の集熱構造体１０と比較して、接続部２１ａ、２２ａの形状が異なっている。本実施形態において、接続部２１ａ、２２ａはそれぞれ、第１の接続箇所２５、第２の接続箇所２６から固定部２１ｂ、２２ｂと平行方向に延出しており、固定部２１ｂ、２２ｂに向かって湾曲している。接続部２１ａ、２２ａは、平板状の部分と湾曲した部分との両方を含む。
【００６５】
この構成によれば、接続部２１ａ、２２ａは湾曲した箇所で弾性変形しやすくなっており、集熱管１２と固定部２１ｂ、２２ｂとは、湾曲する接続部２１ａ、２２ａによって接続される。そのため、集熱構造体３０を支持部材５０に取付ける際に、接続部２１ａ、２２ａを変形させて、固定部２１ｂ、２２ｂの位置をずらした状態で取付けることができる。したがって、集熱構造体３０の固定範囲をより拡大することができる。例えば、図１に示すような、集熱構造体３０が多数配列された集熱パネル１において、製造コストおよび取付け作業のコストが低減される。
【００６６】
（第３の実施形態）
図１４は、第３の実施形態の集熱構造体の断面図である。第３の実施形態の集熱構造体３１は、接続部２１ａ、２２ａが第１の接続箇所２５、第２の接続箇所２６から固定部２１ｂ、２２ｂと平行方向に延出して、下側に凸になるように湾曲して固定部２１ｂ、２２ｂと接続される。本実施形態において、固定部２１ｂ、２２ｂと接続部２１ａ、２２ａとは滑らかに連続して接続されている。
【００６７】
この構成によれば、湾曲する接続部２１ａ、２２ａが弾性変形しやすくなり、固定部２１ｂ、２２ｂの位置をずらした状態で集熱構造体３１を支持部材５０に取付けることができる。したがって、集熱構造体３１の固定範囲をより拡大することができる。また、第１の実施形態および第２の実施形態と比較して、固定部２１ｂ、２２ｂと接続部２１ａ、２２ａとの接続部分の角度が小さくなり、固定部２１ｂ、２２ｂを支持部材５０に取付ける際等に、応力集中の発生が抑制される。
【００６８】
（第４の実施形態）
図１５は、第４の実施形態の集熱構造体の断面図である。第１〜第３の実施形態の集熱構造体１０、３０、３１は、第１の集熱板２１と集熱管１２との接続箇所（第１の接続箇所２５）と、第２の集熱板２２と集熱管１２との接続箇所（第２の接続箇所２６）とが、断面中心軸Ｃを通り固定面５０ａと平行な面内に設けられている。しかし、第１の接続箇所２５および第２の接続箇所２６の配置は、これに限定されない。図１５に示す、第４の実施形態の集熱構造体３２は、第１の接続箇所２５および第２の接続箇所２６が、断面中心軸Ｃに対して、固定面５０ａ側の集熱管１２の外周に接続されている。このような態様であっても、第１の接続箇所２５と第２の接続箇所２６との配置が分散され、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２と、集熱管１２との熱伝導効率が向上する。また、本実施形態において、接続部２１ａ、２２ａの長さ（集熱管１２の外周から固定部２１ｂ、２２ｂまでの長さ）が短く、固定部２１ｂ、２２ｂの幅が長くなっている。このため、支持部材５０に固定する際に、集熱構造体３２の固定範囲がより拡大される。
【００６９】
なお、集熱管１２、突出部１３、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２の形状等は、上述の実施形態に限定されず適宜変更することが可能である。例えば、第１の集熱板２１および第２の集熱板２２は、仮想線ＶＬに対して対称の形状としているが、これに限定されず、非対称の形状としてもよい。集熱構造体１０の取付け位置や取付け角度に応じて熱エネルギーを効率よく受けるように、接続部２１ａ、２２ａの傾斜角度や取付け位置を第１の集熱板２１と第２の集熱板２２とで異ならせることができる。また、集熱管１２の断面の外形形状や、内周面の突出部の形状、突出長さ、本数についても、集熱管１２を流れる熱媒体の性状に応じて適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１  集熱パネル
３  流入側ヘッダー管
３ａ  筒状管本体
３ｂ  蓋部
３ｃ  流入部
３ｄ  開口部
５  流出側ヘッダー管
５ａ  筒状管本体
５ｂ  蓋部
５ｃ  取出し部
１０、３０、３１、３２  集熱構造体
１２  集熱管
１３ａ  第１の突出部
１３ｂ、１３ｃ  第２の突出部
２１  第１の集熱板
２２  第２の集熱板
２１ａ、２２ａ  接続部
２１ｂ、２２ｂ  固定部
２１ｃ、２２ｃ  固定面
２５  第１の接続箇所
２６  第２の接続箇所
５０  支持部材
５０ａ  固定面
５１  桁部
５２  柱部
５３  梁部
５５〜５８  接続部材
６１、６２  基台
Ｃ  断面中心軸
ＶＬ  仮想線
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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