(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側の側壁（１）と低壁（２）、上面の太陽光を入射させるガラス面（４）とからなる立方体に、空気入口部（５）と加熱空気をファンにより吸引して取出す縮小ダクト（６）、ファンに接続するパイプ（７）を設けた空気式太陽集熱器において、
空気の流れが遮蔽されつつ通り抜けられるように、２枚の耐熱性網の間に全面に太陽光が当たり太陽熱の吸収蓄熱面となる大きさ１ｍｍ〜１０ｍｍの多孔質セラミックス球体を充填し層状に固定した板状通気層（３）を低壁の平面に対して斜めに３０〜４５度、通気方向へ傾斜させて間隔をおいて集熱器の内部に複数層設置し、
空気が板状通気層（３）を通り抜ける際の流れおよび隣接する板状通気層（３）、（３）間における循環流れによって空気と多孔質セラミックス球体との熱交換を行う空気式太陽集熱器。
【請求項２】
集熱器の空気入口部に金網を設けて空気の流れを整流することを特徴とする請求項１に記載の空気式太陽集熱器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光の集熱材として多孔質セラミックス球体層を用いた空気式太陽集熱器（ソーラーコレクター）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
住宅産業の一つである暖房機器産業または木材乾燥用機器等の各種乾燥機器産業において、温風はほとんど石油の燃焼で賄っている。使用されるエネルギーは大量で、地球温暖化対策とも絡み合って省エネルギー機器あるいは自然エネルギーを利用した機器の開発の重要性が高まっている。
【０００３】
これらの温風を太陽熱エネルギーで賄う機器として太陽集熱器がある。現在、日本で出回っているのは、黒い選択吸収面のステンレス鋼平板または空気が通り抜けられるように細工された黒色塗装された金属集熱板を用い、温風を得る機器である。
【０００４】
従来の空気式太陽集熱器は、太陽熱を蓄熱した伝熱面と空気との熱伝達係数は、伝熱媒体が空気のため小さく集熱効率が低い。このため、アルミナ、ＳｉＣ、ジルコニアなどで作られた円筒状多孔質セラミックを用いた輻射気体加熱器が開発されている（特許第２６９１０４５号公報、特開平６−１１７７０５号公報）。多孔質セラミックスは、内部まで空隙があって表面積が大きく、熱伝達係数が小さい空気側の伝熱を促進させる効果がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
暖められた伝熱板と空気が熱交換する際の熱伝達係数は、空冷が水冷より劣るように、水の場合の熱伝達係数の約１／１０と小さい。そのため、受熱面に当たる太陽エネルギーの何％を熱に変換するかを示す集熱効率は３０％〜５０％と低いのが現状である。経済性を上げ、一層の普及促進を図るためには、年間の稼働率を上げ、しかも、集熱効率の高い太陽集熱器の開発が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、集熱面として、表面積が大きい多孔質のセラミックス球体層を用いることによって太陽熱エネルギーを効率よく吸収蓄熱し、暖められた球体層を空気が通り抜ける際に熱交換するような通気層方式を用いた空気式太陽集熱器であって、送風量を大きくしてさらに集熱効率高めることができる構造の太陽集熱器を提供するものである。
【０００７】
本発明は、太陽集熱器内に多孔質セラミックス球体層からなる板状通気層を傾斜させて間隔をおいて複数層設置したことを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、両側の側壁（１）と低壁（２）、上面の太陽光を入射させるガラス面（４）とからなる立方体に、空気入口部（５）と加熱空気をファンにより吸引して取出す縮小ダクト（６）、ファンに接続するパイプ（７）を設けた空気式太陽集熱器において、
空気の流れが遮蔽されつつ通り抜けられるように、２枚の耐熱性網の間に全面に太陽光が当たり太陽熱の吸収蓄熱面となる大きさ１ｍｍ〜１０ｍｍの多孔質セラミックス球体を充填し層状に固定した板状通気層（３）を低壁の平面に対して斜めに３０〜４５度、通気方向へ傾斜させて間隔をおいて集熱器の内部に複数層設置し、
空気が板状通気層（３）を通り抜ける際の流れおよび隣接する板状通気層（３）、（３）間における循環流れによって空気と多孔質セラミックス球体との熱交換を行う空気式太陽集熱器である。また、本発明は、集熱器の空気入口部に金網を設けて空気の流れを整流することを特徴とする上記の空気式太陽集熱器である。
【０００９】
従来の空気式太陽集熱器は、太陽熱を吸収蓄熱した伝熱面との接触時間が短く、空気が充分加熱されないが、本発明の太陽集熱器では、空気は、まず、多孔質セラミックス球体層からなる板状通気層を通り抜ける際の流れによって太陽熱を吸収蓄熱したセラミックス球体と熱交換する。
【００１０】
次に、１番目の板状通気層を通り抜けた空気は２番目の板状通気層にぶつかる。多孔質セラミックス球体層を空気は通過しにくく、空気の流れが遮蔽されつつ通り抜けるようになるので、１番目と２番目の板状通気層との間において循環流れ（渦）が発生する。その循環流れによって、多孔質セラミックス球体層の表面と空気との間で熱交換が行われる。これにより、空気は、セラミックス球体層と充分な接触が行われ、その結果として、空気が効率的に加温される。空気が加温されれば、セラミックス球体が熱を放熱し、表面温度が下がり、さらに太陽熱を集熱するサイクルが起きる。
【００１１】
セラミックスは、一般に比熱はそれ程大きくないが、密度が大きく、体積比熱が大きい。また、多孔質セラミックス球体は伝熱表面積が大きく、太陽エネルギーの吸収蓄熱に優れ、また、空気との熱交換に優れている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の多孔質セラミックス球体層を集熱通気層とする空気式集熱器の概要を示す斜視図である。図２は、図１に示す空気式集熱器の平面図（ａ）、横から見た側面図（ｂ）、縮小ダクトの出口方向から見た側面図（ｃ）を示す。
【００１３】
図１に示すように、本発明の空気式集熱器は、両側の側壁１と低壁２、上面の太陽光を入射させるガラス面４とからなる立方体に、空気入口部５と加熱空気をファンにより吸引して取出す縮小ダクト６、ファン（図示せず）に接続するパイプ７を設け、該立方体の内部に通気方向へ傾斜させて間隔をおいて複数層を設置した多孔質セラミックス球体層からなる板状通気層３とから構成される。セラミックス球体層からなる板状通気層３を作成するためには、例えば、４角形状の板枠に２枚の金網をスペースを設けて張り、２枚の金網の間に多数のセラミックス球体を充填し層状に固定するとよい。
【００１４】
セラミックス球体層からなる板状通気層３の通気方向への傾斜角度が小さいとセラミックス球体層の全面に太陽光が当たるようにするために、設置できる板状通気層３の枚数が少なくなる。逆に、傾斜角度を大きくすると設置できる板状通気層３の枚数は多くすることができるが、通風圧力損失が大きくなる。太陽受熱面を大きくするために板状通気層３の設置間隔を大きくすることは好ましくない。表面のガラス面４を通過する太陽エネルギー量は変わらないので、圧力損失と集熱効率との兼ね合いから板状通気層３の傾斜角度としては、底壁の平面に対して斜めに３０〜４５度程度の通気方向への傾斜が良い。
【００１５】
セラミックス球体としては、粒径が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度で多孔質の度合いが大きく表面積の大きいものが望ましい。粒径が１ｍｍ未満または１０ｍｍより大きくなると板状通気層が形成し難く集熱効率もよくない。集熱効率と板状通気層の形成の容易さからすると好ましくは、粒径２〜５ｍｍ程度、さらに好ましくは粒径２．５〜３．５ｍｍ程度である。このような多孔質セラミックス球体は、種々の用途に用いられ、通常はアルミナ、ジルコニア、ＳｉＣ、ＴｉＮＯなどのセラミックス粉末を球状に造粒したものであり、市販品としても入手できる。一般に、セラミックス球体はセラミックス粉末を転動造粒法により球体に成形し焼成する方法（例えば、特開平５−１３７９９７号公報）によって得られる。セラミックス球体は球状中空体であってもよい。色は特に関係ないが、太陽光の吸収率（輻射率）が大きいものが望ましい。セラミックス球体層の厚さについては、圧力損失の兼ね合いからセラミックス球体の材質、大きさなど種類によって適切な厚さを決める。セラミックス球体層を層状に固定するのに目の細かい金網を使用することが好ましいが、耐熱性が良ければ、他の材質の網でもかまわない。また、セラミックス球体を焼結により一体に成形したパネル等でもよい。
【００１６】
空気は２番目の板状通気層を通過した後からは安定した空気流れとなるが、１番目の板状通気層に入る際に安定した空気流れにするために、空気入口部５からの助走区間で整流面となるようにするのが望ましい。図３は、整流面を形成するために用いた金網の配置を示す斜視図である。金網８は、細かいメッシュのものを用い、図３に透視図で示すように、空気の流れに対して垂直になるように配置するのが好ましい。
【００１７】
図４は、空気式集熱器出口部となる空気を吸引する縮小ダクト（細まり管）の概要を示す斜視図である。縮小ダクトの細まりの角度θが小さく、３０度以内ならば、流れはほとんど乱れないから、摩擦による以外は特に損失はない。
【００１８】
【作用】
図５は、空気と板状通気層３の伝熱で考えられる二つの伝熱形態を模式的に示している。空気は、まず、板状通気層３を通り抜ける際の流れＡによって集熱・蓄熱された多孔質セラミックス球体と熱交換する。次いで、１番目の板状通気層３を通り抜けた空気は、２番目の板状通気層３にぶつかる。空気は多孔質セラミックス球体層を通過しにくく、隣接する１番目の板状通気層３と２番目の板状通気層３との間において循環流れ（渦）Ｂが発生する。その循環流れＢによってセラミックス球体層の表面との間で熱交換が行われる。
【００１９】
図６は、図５で示した二つの伝熱形態による熱交換の割合を示している。風量が０．５（ｍ3 ／ｍｉｎ）より小さい場合には、図５に示す板状通気層を通り抜ける流れＡによる熱交換の割合が大きく、０．４ｍ3 ／ｍｉｎ以下では８０％以上を示している。ところが、風量が０．５（ｍ3 ／ｍｉｎ）より大きい場合には、その割合は逆転し、循環流れ（渦）Ｂによる熱交換の割合が大きくなり、１（ｍ3 ／ｍｉｎ）以上では、ほぼ９０％を占めている。風量が増大すると、集熱効率が増加するメカニズムは、循環流れ（渦）Ｂによる熱交換の割合が大きくなることと説明できる。
【００２０】
このように、複数の多孔質セラミックス球体層を集熱材でかつ通気層とした本発明の空気式太陽集熱器は、多孔質セラミックス球体層を空気が通過する際に熱交換する効果よりも、隣接する板状通気層３との間において循環流れ（渦）を生じさせることによって空気が多孔質セラミックス球体層の表面と熱交換する効果が大きい。
【００２１】
【実施例】
実施例１
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。集熱器の各部の寸法を図２に示すように、全長１９０ｃｍ、横の長さ４９ｃｍ、高さ１９ｃｍとした。助走区間（整流面）と縮小ダクトを除いた実質の集熱器装置内部の寸法は長さ１００ｃｍ、横２５ｃｍ、高さ１４ｃｍであり、助走区間（整流面）は２５ｃｍである。縮小ダクトの細まりの角度θは２５度とした。
【００２２】
整流面を形成する金網８は、線径０．７０ｍｍ、目の開き１．１１ｍｍ、空間率３７．６％のものを用いた。セラミックス球体層を固定する金網は、線径０．３５ｍｍ、目の開き１．４６ｍｍ、空間率６５．１％のものを用いた。
【００２３】
複数のセラミックス球体層の間隔は、３０ｃｍとし、空気を吸引する縮小ダクトの長さは３８．５ｃｍとした。セラミックス球体の合計の重さ０．９ｋｇ、板枠の重さ０．４ｋｇ、セラミックス球体層の重さ計１．３ｋｇ、セラミックス球体層の厚さ３．０ｃｍからなる板状通気層を集熱器内に３０゜の傾斜角度を付けて５枚設置した。
【００２４】
セラミックス球体としては、大きさ２．５ｍｍ〜３．５ｍｍで、アルミナ、珪藻土、シリカが主要３成分である市販品の白茶色のセラミックス球体を用いた。このセラミックス球体は、比熱１．２２（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、体積比熱９５４（ｋＪ／ｍ3 ・Ｋ）であり、密度が７８２（ｋｇ／ｍ3 ）の多孔質球体であった。
【００２５】
実験室内に太陽の波長に近い陽光ランプを９個取り付けたソーラーシミュレーターを設置し、一定の日射量・温度・湿度の条件で空気式太陽集熱器の集熱効率を求めた。ソーラーシミュレーターは、４５０ｗの９個の陽光ランプからなり、ガラス表面での日射量は快晴時の約１／３であり、上部面での日射量のばらつきは２〜３％以内である。
【００２６】
図７は、日射量が一定の下で風量と入口温度、出口温度と温度差の関係を表したグラフである。入口温度が一定の下で、出口温度は風量が増加するにつれて低下しているが、出口温度は入り口温度よりも最大６．９℃上昇している。
【００２７】
図８は、日射量が一定の下で風量と集熱効率の関係を表したグラフである。風量が増加するにつれて、集熱効率が増加し、風量がｌ．３（ｍ3 ／ｍｉｎ）を越えるとほぼ一定値に達し、７１％と高い値を示した。
【００２８】
上記のとおり、風量を増すにつれて高い集熱量を得ることができた。温風の集熱効率は最大７１％と高い値を示した。この値は、透明板ガラスの日射透過率が平均約９０％（１０％カット）のことを考えると、限界に近い値である。
【００２９】
実施例２
セラミックス球体として、実施例１と同じ成分で、大きさ５ｍｍ〜１０ｍｍのセラミックス球体を用いた以外は実施例１と同様な条件で集熱効果の測定を行った。このセラミックス球体は、比熱１．２５（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、体積比熱１０７９（ｋＪ／ｍ3 ・Ｋ）であり、密度が８６３（ｋｇ／ｍ3 ）であり、実施例１のセラミックス球体よりも緻密な黒色の多孔質球体であった。実施例１と同様に風量を増すにつれて高い集熱量を得ることができたが、集熱効率は、実施例１よりも約２０％小さかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のセラミックス球体層を集熱通気層とする空気式集熱器の概要を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す空気式集熱器の平面図（ａ）、横から見た側面図（ｂ）、縮小ダクトの出口方向から見た側面図（ｃ）を示す。
【図３】図３は、空気式集熱器の空気入口部に整流面を形成するために用いた金網の配置を示す斜視図である。
【図４】図４は、空気式集熱器出口部となる空気を吸引する縮小ダクト（細まり管）の概要を示す斜視図である。
【図５】図５は、空気とセラミックス球体層との伝熱で考えられる二つの伝熱形態を模式的に示す図である。
【図６】図６は、図５で示した二つの伝熱形態による熱交換の割合を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１において、日射量が一定の下で風量と空気の入口温度、出口温度の関係および風量と加熱された空気の上昇温度との関係を表したグラフである。
【図８】図８は、実施例１において、日射量が一定の下で風量と集熱効率の関係を表したグラフである。
【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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