JP2013122370A - 太陽熱利用温水器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率に優れ、供給される温水温度の変動を抑制するとともに潜熱蓄熱材の過熱を防止できる太陽熱利用温水器を提供すること。
【解決手段】太陽熱集熱器１０と、太陽熱集熱器１０で集熱される熱を蓄える蓄熱器２０と、蓄熱器２０に蓄えられる熱で水を加熱する熱交換器３０とをケース体３内に備え、蓄熱器２０が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニット２１，２１・・に分かれており、複数の蓄熱ユニット２１間と熱的に接続されたヒートパイプ４０を備え、ヒートパイプ４０の一端部４０Ａがケース体３の外部に配置された。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を受熱し、受熱した太陽熱の熱量を利用して水を加温する太陽熱利用温水器に関するものである。

近年、原油価格の上昇により省エネルギー化のニーズが高まり、再生可能エネルギーである太陽熱を利用して温水を生成する太陽熱利用温水器がますます注目されている。この種の太陽熱利用温水器として、太陽熱を集熱する集熱器と、集熱された熱を蓄える蓄熱器と、蓄えられた熱で水を加熱するための熱交換器とを備えた太陽熱利用給湯システムが提案されている（特許文献１参照）。
この太陽熱利用給湯システムでは、蓄熱器は、断熱構成された底板、側板及び透光板とで箱状に形成され、その内部には略全面にわたり面状に蛇行配列された通水配管と通水配管を挟んで上下に配設した蓄熱ユニットとが設けられており、集熱器で集めた太陽熱により水を加熱し、加熱した水を蓄熱ユニットと熱交換させることで、当該蓄熱ユニットに熱を蓄えるため、温水を蓄えるためのタンクが不要になるという利点がある。

特開２００３−８３６０８号公報

しかし、上記した太陽熱集熱器では、蓄熱器が断熱構成された箱体の内部に、通水配管を挟んで潜熱蓄熱材を有する潜熱蓄熱ユニットを上下に配設した構成となっており、潜熱蓄熱ユニットは熱伝導率が小さいため、素早く熱を蓄えたり、熱を放出させたりすることが困難であるという問題がある。また、従来の構成では、潜熱蓄熱ユニットと通水配管を流通する水との間で熱交換を行うため、通水配管に近接した部分と通水配管から離れた部分とで潜熱蓄熱ユニットの温度にバラつきが生じ、供給される温水温度が変動しやすいといった問題がある。また、潜熱蓄熱材は、使用できる温度に上限があるため、太陽熱によって潜熱蓄熱材が上限温度以上に過熱された場合には、潜熱蓄熱ユニットの信頼性を確保できないといった問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、熱交換効率に優れ、供給される温水温度の変動を抑制するとともに潜熱蓄熱材の過熱を防止できる太陽熱利用温水器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で集熱される熱を蓄える蓄熱器と、前記蓄熱器に蓄えられる熱で水を加熱する熱交換器をケース内に備えた太陽熱利用温水器であって、前記蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれており、複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されたヒートパイプを備え、前記ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されたことを特徴とする。
この構成によれば、蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれて構成されるため、小分けすることにより蓄熱器全体の伝熱面積を大きくすることができ、その分、蓄熱または放熱時の熱交換効率を向上することができる。また、複数の蓄熱ユニット間と熱的に接続されたヒートパイプを備えているため、このヒートパイプにより均熱化された複数の蓄熱ユニットから均等に熱を取り出すことができ、供給される温水温度の変動を抑制できる。更に、ヒートパイプの一端がケースの外部に配置されているため、蓄熱ユニットが過熱された場合には、この熱をヒートパイプを通じてケース体の外部に放出することができ、蓄熱ユニットの過熱が防止される。

この構成において、前記太陽熱集熱器、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置されていても良い。前記蓄熱器が前記集熱器及び前記熱交換器と熱的に接続され、さらに前記集熱器と前記熱交換器が熱的に接続されていても良い。

また、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とが前記ヒートパイプにより熱的に接続されていても良い。また、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とを熱的に接続する第１ヒートパイプと、前記複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されている第２ヒートパイプとを有し、前記第２ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されても良い。

また、前記ヒートパイプの一部または全部が可変コンダクタンス型ヒートパイプで構成されても良い。また、前記ケースの外部に配置された前記ヒートパイプの一端に放熱用フィンを設けても良い。また、前記熱交換器に前記複数の蓄熱ユニットが配置され、各蓄熱ユニット間にそれぞれ伝熱支柱が介在し、前記均熱部材は当該伝熱支柱に熱的に接続されても良い。

本発明によれば、蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれて構成されるため、小分けすることにより蓄熱器全体の伝熱面積を大きくすることができ、その分、蓄熱または放熱時の熱交換効率を向上することができる。また、複数の蓄熱ユニット間の均熱化を図る均熱部材を備えているため、この均熱部材により均熱化された複数の蓄熱ユニットから均等に熱を取り出すことができ、供給される温水温度の変動を抑制できる。
更に、ヒートパイプの一端がケース体の外部に配置されているため、蓄熱ユニットが過熱された場合には、この熱をヒートパイプを通じてケース体の外部に放出することができ、蓄熱ユニットの過熱が防止される。

本発明の第１実施形態にかかる太陽熱利用温水器を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図である。 集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器の平面図である。 ヒートパイプを説明するための概念図である。 本発明の第２実施形態にかかる太陽熱利用温水器を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図である。 集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器の平面図である。 本発明の第３実施形態にかかる太陽熱利用温水器を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図である。 集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器の平面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態にかかる太陽熱利用温水器１を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器１の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図、図２は、集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器１の平面図である。
太陽熱利用温水器１は、太陽の日射を受光し易い場所（例えば、屋根）に配置され、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、太陽からの日射を受けて太陽熱を集熱する太陽熱集熱器１０と、この太陽熱集熱器１０から放出された太陽熱を受けて蓄熱する蓄熱器２０と、この蓄熱器２０もしくは太陽熱集熱器１０から放出された熱を受熱して外部（本実施形態では水道水）へ伝達する熱交換器３０とを備え、これら太陽熱集熱器１０、蓄熱器２０及び熱交換器３０を高さ（厚さ）方向に積層して形成されている。この第１実施形態では、熱交換器３０の上に蓄熱器２０が配置され、この蓄熱器２０の上に太陽熱集熱器１０が配置されている。このため、太陽熱利用温水器１の設置面積を抑えることができ、当該太陽熱利用温水器１の小型化を図ることができる。
また、太陽熱利用温水器１は、略矩形の箱状に形成されて太陽熱集熱器１０、蓄熱器２０及び熱交換器３０を収容するケース体（ケース）３を備える。このケース体３は、底面３Ａ及び四方の側面３Ｂ〜３Ｅが断熱性の高い材料で形成されるとともに、太陽熱集熱器１０に対向する上面３Ｆがガラス等の透光性を有する部材で形成されている。本実施形態では、ケース体３は、太陽熱集熱器１０に対向する上面３Ｆがガラス等の透光性を有する部材で形成されるため、太陽からの日射を太陽熱集熱器１０で確実に受けることができる。
さらに、ケース体３は、底面３Ａ及び四方の側面３Ｂ〜３Ｅが断熱性の高い材料で形成されるため、蓄熱器２０に蓄えられた熱がケース体３を通じて外気に放出されることが防止され、熱の有効利用を図ることができる。

熱交換器３０は、板状に形成されたベース板３１と、このベース板３１上に立設された複数の薄板状のフィン（伝熱支柱）３２，３２・・とを備える。これらベース板３１及びフィン３２は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、当該ベース板３１上に所定の間隔をあけて各フィン３２がねじ止め等によって固定されている。なお、ベース板３１及びフィン３２を一体に形成しても良い。これら各フィン３２は、略同一の高さに形成され、当該フィン３２の上端部に太陽熱集熱器１０が固定されている。

熱交換器３０は、図２に示すように、上記したフィン３２が延びる方向に沿って配置される一対の入口ヘッダ３３及び出口ヘッダ３４と、これら入口ヘッダ３３、出口ヘッダ３４間を繋ぐ複数の連結管３５，３５・・とを備える。これら各連結管３５は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、それぞれベース板３１の下面に固定されている。

また、入口ヘッダ３３には給水源である上水道配管が接続され、出口ヘッダ３４には給湯口に接続された給湯用配管が接続される。なお、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管に、給水源である上水道から分岐させた混合用配管を接続してもよい。給湯用配管を流れる湯に、混合用配管を通じて上水を混合することで、湯を適温に調整することができる。

太陽熱集熱器１０は、ベース板３１と略同じ大きさの板状に形成され、光吸収率を高める表面処理を行った集熱板１１を備え、この集熱板１１は熱交換器３０のフィン３２上に固定されている。この集熱板１１は、上記した熱交換器３０のベース板３１，フィン３２及び連結管３５と同様に熱伝導性の優れた金属材で形成され、当該集熱板１１で集められた太陽熱は、複数のフィン３２を介して熱交換器３０のベース板３１に伝達される。
本実施形態では、フィン３２は、ベース板３１上に立設されているが、これに限らず、当該フィン３２を集熱板１１の下面に、所定の間隔をあけてねじ止め等によって固定される構成としても良い。さらに、集熱板１１及びフィン３２を一体に形成しても良いことは勿論である。

蓄熱器２０は、太陽熱集熱器１０で集熱され、熱交換器３０に伝達された太陽熱を蓄えるものである。この蓄熱器２０は、複数に小分けされた蓄熱ユニット２１，２１・・を備え、これら蓄熱ユニット２１が隣接するフィン３２，３２間に並べて配置されている。各蓄熱ユニット２１は、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして形成されたものであり、図１Ａに示すように、当該蓄熱ユニット２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂがそれぞれ集熱板１１及びベース板３１に接触する高さに形成されている。さらに、集熱板１１及びベース板３１には、それぞれ蓄熱ユニット２１を保持するための突起（図示略）が複数設けられており、当該蓄熱ユニット２１を集熱板１１とベース板３１との間に固定するとともに、当該集熱板１１及びベース板３１と蓄熱ユニット２１との間の熱伝達特性を向上させることができる。従って、集熱板１１及びベース板３１から伝達される太陽熱を蓄熱ユニット２１内の潜熱蓄熱材に効率良く蓄熱することができる。

潜熱蓄熱材は、その融解または凝固時の潜熱を利用して蓄熱または放熱する性質を有するものである。本実施形態では、潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウム・３水和塩を用いているが、上記した性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、塩化マグネシウム・６水和塩、水酸化バリウム・８水和塩、チオ硫酸ナトリウム・５水和物、硝酸マグネシウム・６水和物、パラフィン、キシリトール等、及びこれらの混合物等を使用することができる。

潜熱蓄熱材を利用すると、水などの顕熱を利用する手法よりも蓄熱密度が大きくなるので、蓄熱器２０の小型化を図ることができる。さらに、潜熱蓄熱材をラミネート材でパッキングして小分けされた蓄熱ユニット２１をベース板３１上に並べて配置しているため、蓄熱器２０の高さ（厚さ）を低く抑えることができ、ひいては太陽熱利用温水器１の小型化を実現できる。

潜熱蓄熱材は、太陽熱の蓄熱後に冷却されると、いわゆる過冷却状態となって凝固点以下の温度に冷却されても凝固せず放熱が始まらないという性質を有する。このため、本実施形態では、蓄熱器２０は、蓄熱ユニット２１にそれぞれ刺激を与えて発熱を誘発させる発熱トリガー機構（図示略）が設けられている。この発熱トリガー機構は、各蓄熱ユニットに互いに独立して配置され、蓄熱ユニット２１内に潜熱蓄熱材と接触する通電線と、この通電線を通じて潜熱蓄熱材へ電圧を印加するための操作スイッチとを備える。太陽熱利用温水器１の使用時に、この操作スイッチを作動させて潜熱蓄熱材に刺激を与えることで、蓄熱ユニット２１内の潜熱蓄熱材の過冷却状態が解除され、この潜熱蓄熱材に蓄熱されていた熱が潜熱蓄熱材から熱交換器３０のベース板３１に放出される。なお、蓄熱ユニット２１に刺激を与える手段としては、電圧を印加するものに限らず、例えば、蓄熱ユニット２１にせん断応力を加えるものや、液体状態である潜熱蓄熱材に種結晶を接触させる機構を有するものであっても良い。

ラミネート材は、フィルム状の薄い部材からなる袋状容器であり、例えば、ポロプロピレン（ＰＰ）やポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の樹脂製である。潜熱蓄熱材がフィルム状のラミネート材でパッキングされることにより、蓄熱ユニット２１は集熱板１１及びベース板３１に対して優れた接触性を有するとともに、これら集熱板１１及びベース板３１と潜熱蓄熱材とが直接接触して、集熱板１１及びベース板３１の腐食を防止できる。さらに、蓄熱ユニット２１は、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして小分けされているため、蓄熱時に液化する潜熱蓄熱材の取り扱いを容易にすることができ、ベース板３１上に簡単に蓄熱ユニット２１を配置することができるとともに、蓄熱ユニット２１の伝熱面積を大きく確保することができ、伝熱効率を向上させて素早く熱を取り出すことができる。

ところで、複数の蓄熱ユニット２１から熱交換器３０に熱を伝達し、この熱交換器３０で水を加温する場合、各蓄熱ユニット２１から均等に熱を取り出すことが難しく、時間とともに熱回収量が減少するという問題が想定される。
また、潜熱蓄熱材は、例えば、約１２０℃で気化する性質を有するため、この気化する温度（沸点）よりも低い温度を上限温度（例えば、８０℃）として使用する必要がある。一方、発明者が行った実験によると、太陽の日射のピーク時には、蓄熱ユニット２１内の潜熱蓄熱材の温度が、沸点よりも高い温度（約１６０℃）に達するおそれがあることが判明した。太陽熱によって潜熱蓄熱材が上限温度以上に過熱された場合には、潜熱蓄熱材が気化することにより、ラミネート材内で膨張して当該ラミネート材を損傷し、蓄熱ユニット２１の信頼性を確保できないといった問題が想定される。
このため、本実施形態では、太陽熱利用温水器１は、図２に示すように、蓄熱ユニット２１，２１間に配置される可変コンダクタンスヒートパイプ（以下、単にヒートパイプという）４０を備える。このヒートパイプ４０は、蓄熱ユニット２１，２１間の均熱化を図る均熱作用と、蓄熱ユニット２１が所定の上限温度を超えて過熱された場合に、当該蓄熱ユニット２１に蓄えられた熱をケース体３の外部に放出する放熱機能とを備える。
これらヒートパイプ４０は、熱交換器３０の連結管３５の延出方向と略平行に配置され、複数のフィン３２に形成された貫通孔３２Ａをそれぞれ貫通して配置されている。これにより、ヒートパイプ４０は、フィン３２、ベース板３１を介して、蓄熱ユニット２１，２１と熱的に接続される。また、ヒートパイプ４０の一端部４０Ａは、ケース体３の一側面３Ｅを貫通してケース体３の外部に延在し、当該一端部４０Ａには、一端部４０Ａ間を連結するように放熱用フィン４１が設けられている。
なお、ヒートパイプ４０は、フィン３２と熱的に接続するように配置すればよく、例えば、各フィン３２の上端部にそれぞれ切欠きを形成し、この切欠きにヒートパイプを配置する構成としても良い。

次に、ヒートパイプ４０について説明する。図３は、ヒートパイプを説明するための概念図である。ヒートパイプ４０は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属製または上記金属からなる合金製である密閉されたコンテナ４を備える。コンテナ４は、高さ（厚さ）を抑えて接触面積を多く確保するために、扁平な板状に形成されている。なお、コンテナ４の形状は、扁平な板状に限るものではなく、例えば、円柱形状に形成しても良い。
コンテナ４の一端は、ケース体３の外部に露出するとともに上記した放熱用フィン４１が取り付けられている。コンテナ４内には、作動液と不凝縮性ガスとがそれぞれ所定量収容されており、コンテナ４は、ケース体３内に配置されて蓄熱ユニット２１，２１間の均熱化を図る均熱部５と、ケース体３の外部に露出した放熱部７と、これら均熱部５と放熱部７との間に設けられた断熱部６とを備える。また、コンテナ４には、放熱部７に連通するガス溜め部８が設けられている。このガス溜め部８は、不凝縮性ガスを収容する部分であり、コンテナ４内に収容された不凝縮性ガスをすべて収容可能な容積を有する。

コンテナ内部には毛細管力を発揮できるウィックが内壁に密着して配置されるとともに、作動液の流路となる空間が設けられている。この空間に収容された作動液が蒸発・凝縮の相変化とヒートパイプ４０のコンテナ４内部の移動をすることによって、熱輸送が行われる。すなわち、コンテナ４が貫通される各フィン３２間に温度差が生じている場合、高温のフィン３２からコンテナ４の均熱部５へ伝達されてきた熱により、均熱部５の吸熱側において液相状態の作動液が蒸発して気相状態へ相変化し、作動液が蒸発して生成した蒸気が均熱部５の吸熱側から放熱側である低温側のフィン３２へ移動する。放熱側では、この蒸発した蒸気が冷却されることで作動液が気相状態から液相状態へ戻る。液相状態に戻った作動液は放熱側から再び吸熱側へ移動（還流）する。このように、太陽熱利用温水器１では、ヒートパイプ４０を熱交換器３０の複数のフィン３２に貫通させて配置しているため、このヒートパイプ４０を通じて複数のフィン３２間で熱移動が行われ、当該フィン３２の均熱化が行われる。このため、これら複数のフィン３２が設けられている熱交換器３０のベース板３１の均熱化が行われ、ひいては、ベース板３１上に配置されている複数の蓄熱ユニット２１の均熱化が図られる。

ヒートパイプ４０の通常の使用状況下（すなわち、蓄熱ユニット２１の温度が所定の上限使用温度以下）では、作動液の蒸気は、不凝縮性ガスのために放熱部７まで達することができず、この作動液の蒸気が放熱部７で放熱（冷却）されることはない。
一方、蓄熱ユニット２１が過熱されて、当該蓄熱ユニット２１の温度が上限使用温度を超えた場合には、均熱部５で吸熱された熱により、作動液の蒸気圧力が上昇する。このため、作動液の蒸気によって、不凝縮性ガスがガス溜め部８内に押し込まれることにより、作動液の蒸気が放熱部７に至り、この放熱部７で放熱される。従って、蓄熱ユニット２１が上限使用温度以下に冷却されるため、当該蓄熱ユニット２１のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット２１に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニットの信頼性を確保できる。

この第１実施形態によれば、熱交換器３０のベース板３１に立設された複数のフィン３２に設けられた貫通孔３２Ａを貫通させてヒートパイプ４０を配置しているため、このヒートパイプ４０によって熱交換器３０の均熱化が図られる。これにより、熱交換器３０のベース板３１上に配置された複数の蓄熱ユニット２１が均熱化され、当該複数の蓄熱ユニット２１に均等に熱を分配し蓄熱することができる。従って、一部の蓄熱ユニット２１の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器２０の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器３０を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ４０により複数の蓄熱ユニット２１が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット２１から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット２１が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器３０を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。

また、第１実施形態によれば、ヒートパイプ４０の一端部４０Ａがケース体３の外部に配置されているため、蓄熱ユニット２１が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ４０を通じてケース体３の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット２１の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット２１のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット２１に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット２１の信頼性を確保できる。

また、ヒートパイプ４０は、複数の連結管３５に沿って並設されているため、連結管３５を流れる水の流れ方向と、ヒートパイプ４０の熱の移動方向が略平行となる。これによれば、蓄熱ユニット２１から熱を取りだす際に、ヒートパイプ４０を通じて熱を均等に連結管３５内の水に与えることができ、供給される温水温度の時間的な変動をより一層抑制することができる。

＜第２実施形態＞

図４は、第２実施形態にかかる太陽熱利用温水器８０を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器８０の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図、図５は、太陽熱利用温水器８０の平面図である。
太陽熱利用温水器８０は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、太陽熱集熱器１０と、この太陽熱集熱器１０から放出された太陽熱を受けて蓄熱する蓄熱器９０と、この蓄熱器９０から放出された熱を受熱して外部（本実施形態では水道水）へ伝達する熱交換器１００とを備え、この熱交換器１００の上に蓄熱器９０が積層されて配置されるとともに、当該熱交換器１００及び蓄熱器９０に対して太陽熱集熱器１０を横並びに配置して形成されている。この太陽熱集熱器１０と熱交換器１００とは移送用ヒートパイプ（第１ヒートパイプ）１１０にて熱的に接続されている。また、太陽熱利用温水器８０は、熱交換器１００、蓄熱器９０及び太陽熱集熱器１０を収容するケース体３を備える。

熱交換器１００は、板状に形成されたベース板１０１と、このベース板１０１上に立設された複数のフィン（伝熱支柱）１０２，１０２・・とを備える。これらベース板１０１及びフィン１０２は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、当該ベース板１０１上に所定の間隔をあけて各フィン１０２がねじ止め等によって固定されている。なお、ベース板１０１及びフィン１０２を一体に形成しても良い。
熱交換器１００は、図５に示すように、上記したフィン１０２が延びる方向に沿って配置される一対の入口ヘッダ１０３及び出口ヘッダ１０４と、これら入口ヘッダ１０３、出口ヘッダ１０４間を繋ぐ複数の連結管１０５，１０５・・とを備える。これら各連結管１０５は、例えば、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または上記金属からなる合金で形成され、それぞれベース板１０１の下面に固定されている。また、入口ヘッダ１０３には給水源である上水道配管が接続され、出口ヘッダ１０４には給湯口に接続された給湯用配管が接続される。なお、過度に昇温した湯を適温に調整するために、給湯用配管に、給水源である上水道から分岐させた混合用配管を接続してもよい。給湯用配管を流れる湯に、混合用配管を通じて上水を混合することで、湯を適温に調整することができる。

蓄熱器９０は、太陽熱集熱器１０で集熱され、移送用ヒートパイプ１１０を通じて熱交換器１００に伝達された太陽熱を蓄えるものである。この蓄熱器９０は、複数に小分けされた蓄熱ユニット９１を備え、これら蓄熱ユニット９１が隣接するフィン１０２，１０２間に狭持されている。蓄熱ユニット９１は、上記した実施形態と同様に、潜熱蓄熱材を袋状のラミネート材でパッキングして形成され、図４Ａに示すように、扁平な蓄熱ユニット９１を立てて隣接するフィン１０２，１０２間に配置されている。

蓄熱ユニット９１は、図４Ａに示すように、当該蓄熱ユニット９１の一方の面９１Ａ及び他方の面９１Ｂがそれぞれ隣接するフィン１０２，１０２に接触する厚みに形成されている。さらに、各フィン１０２には、それぞれ蓄熱ユニット９１を保持するための突起（図示略）が複数設けられており、当該蓄熱ユニット９１を隣接するフィン１０２，１０２間に固定するとともに、当該フィン１０２と蓄熱ユニット９１との間の熱伝達特性を向上させることができる。従って、フィン１０２から伝達される太陽熱を蓄熱ユニット９１内の潜熱蓄熱材に効率良く蓄熱することができる。

また、この第２実施形態では、太陽熱利用温水器８０は、図５に示すように、太陽熱集熱器１０と熱交換器１００とを熱的に接続する移送用ヒートパイプ（第１ヒートパイプ）１１０と、この移送用ヒートパイプ１１０に並設されたヒートパイプ（第２ヒートパイプ）１２０とを備える。これら移送用ヒートパイプ１１０及びヒートパイプ１２０は、それぞれ上記した可変コンダクタンスヒートパイプで形成されている。
ヒートパイプ１２０は、上記したヒートパイプ４０と同様に、熱交換器１００のフィン１０２に形成された貫通孔１０２Ａを貫通して配置され、熱交換器１００及びこの熱交換器１００のフィン１０２，１０２間にそれぞれ配置される複数の蓄熱ユニット９１の均熱化、及び、蓄熱ユニット９１が所定の上限温度を超えて過熱された場合に、当該蓄熱ユニット９１に蓄えられた熱をケース体３の外部への放出を図るものである。なお、この第２実施形態では、ヒートパイプ１２０を円柱状に形成し、フィン１０２に形成された貫通孔１０２Ａを貫通して配置しているが、このヒートパイプを扁平な板状に形成し、熱交換器１００のベース板１０１下面に配置して良い。

一方、移送用ヒートパイプ１１０は、太陽熱集熱器１０で集熱された太陽熱を蓄熱器９０に移送するためのものであり、円柱状に形成された均熱用の上記ヒートパイプ（均熱部）１２０と、このヒートパイプ１２０に連結された移送部１１０Ａとを備え、移送部１１０Ａが太陽熱集熱器１０の集熱板１１に固定され、ヒートパイプ１２０が熱交換器１００の複数のフィン１０２に貫通して固定される。
これらヒートパイプ１２０の一端部１２０Ａは、それぞれケース体３の一側面３Ｅを貫通してケース体３の外部に延在し、当該一端部１２０Ａにはそれぞれガス溜め部８が設けられている。また、ヒートパイプ１２０の一端部１２０Ａには、当該一端部１２０Ａ間を連結するように放熱用フィン４１が設けられている。ヒートパイプ１２０の構成については、上記ヒートパイプ４０と同一の構成であるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図５では、移送用ヒートパイプ１１０が１本のみの例を示しているが、移送用ヒートパイプ１１０は、当然複数本あって良い。

この第２実施形態では、太陽熱利用温水器８０は、熱交換器１００が太陽熱集熱器１０よりも高さ位置が上方となるように、太陽の日射を受光し易い場所（例えば、屋根）に斜めに配置されることが望ましい。この構成によれば、移送用ヒートパイプ１１０では、ヒートパイプ１２０が移送部１１０Ａよりも上側に位置することにより、重力に逆らって移送部１１０Ａからヒートパイプ１２０への作動液の還流が抑制されるため、夜間等に太陽熱集熱器１０の集熱板１１が冷却された場合であっても、蓄熱器９０から太陽熱集熱器１０への熱の逆流を抑えることができる。
なお、移送用ヒートパイプの移送部からヒートパイプへの作動液の還流が抑制するための構成として、ヒートパイプのコンテナの内部にウィック等の毛細管力を発生させる機構を設けるのに対し、移送部の内部には当該毛細管力を発生させる機構を設けない構成としてもよい。この構成では、熱交換器を太陽熱集熱器よりも上方に配置しなくても、移送部からヒートパイプへの作動液の還流が抑制されるため、例えば、平坦な屋根の上に太陽熱利用温水器を設置することができ、当該太陽熱利用温水器の設置態様の多様化を実現できる。

この構成では、太陽熱集熱器１０と横並びに、蓄熱器９０及び熱交換器１００が上下に積層されて配置され、太陽熱集熱器１０と蓄熱器９０とが移送用ヒートパイプ１１０により熱的に接続されているため、太陽熱集熱器１０から蓄熱器９０への熱輸送を効率良く行うことができる。さらに、熱交換器１００のフィン１０２，１０２間に蓄熱ユニット９１を立てて配置したことにより、熱交換器１００の設置面積の増大を抑えることができ、太陽熱集熱器１０と横並びに、蓄熱器９０及び熱交換器１００が上下に積層されて配置された構成とした場合であっても、太陽熱利用温水器８０の小型化を図ることができる。

また、熱交換器１００のベース板１０１に立設された複数のフィン１０２に設けられた貫通孔１０２Ａを貫通させてヒートパイプ１２０を配置しているため、これらヒートパイプ１２０によって熱交換器１００の均熱化が図られる。これにより、熱交換器１００のフィン１０２，１０２間に配置された複数の蓄熱ユニット９１が均熱化され、当該複数の蓄熱ユニット９１に均等に熱を分配し蓄熱することができる。従って、一部の蓄熱ユニット９１の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器９０の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器１００を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ１２０により複数の蓄熱ユニット９１が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット９１から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット９１が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器１００を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。
さらに、ヒートパイプ１２０の一端部１２０Ａがケース体３の外部に配置されているため、蓄熱ユニット９１が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ１２０を通じてケース体３の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット９１の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット９１のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット９１に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット９１の信頼性を確保できる。

＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態にかかる太陽熱利用温水器５０を示す図であり、Ａは太陽熱利用温水器５０の側面図、ＢはＡのＢ−Ｂ断面図、図７は、集熱板を取り外した状態の太陽熱利用温水器５０の平面図である。
太陽熱利用温水器５０は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ヒートパイプ４０を熱交換器３０に熱的に接続する態様として、一対のヒートパイプ４０が熱交換器３０の各フィン（伝熱支柱）３２の長手方向の両端に形成された切欠部３２Ｂに取り付けられている点、蓄熱ユニット６１がフィン３２と略半分の長さに一体に形成され、各蓄熱ユニット６１の側面６１Ｃがヒートパイプ４０に当接するよう配置されている点で、上記した第１実施形態にかかる太陽熱利用温水器１と構成を異にしている。
また、太陽熱利用温水器５０では、図６Ｂに示すように、集熱板１１は、ベース板３１よりも小さく形成され、一対のヒートパイプ４０，４０が平面視で露出するようになっている。これにより、集熱板１１から直接、ヒートパイプ４０，４０への伝熱が防止される。
上記した太陽熱利用温水器１と同一の構成のものについては同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態では、ヒートパイプ４０が各フィン３２の長手方向の両端に形成された切欠部に取り付けられることにより、上記した第１実施形態と比べて、ベース板３１の上面側には、その分大きなスペースが生じる。このため、フィン３２，３２間には、当該フィン３２の長さの略半分の長さを有する扁平板状に形成された蓄熱ユニット６１が長手方向に並べて配置されている。この蓄熱ユニット６１は、フィン３２の高さと略同一の高さに形成され、当該蓄熱ユニット６１の上面６１Ａ及び下面６１Ｂがそれぞれ集熱板１１及びベース板３１に接触している。

このため、第１実施形態と比べて、高さ（厚さ）方向に大型化することなく、ベース板３１上に配置される潜熱蓄熱材の量を増大することができ、より長時間にわたり熱交換器３０を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。なお、蓄熱ユニット６１は、第１実施形態にかかる蓄熱ユニット２１と大きさが異なるがその他の構成については同じである。

この第３実施形態によれば、ヒートパイプ４０が各フィン３２の長手方向の両端に配置されるため、熱交換器３０はヒートパイプ４０により均熱化される。これにより、熱交換器３０のベース板３１上に配置される複数の蓄熱ユニット６１は、集熱板１１からの熱を受け取り蓄熱する過程においても常に互いに均熱化されている。このため、各蓄熱ユニット６１に均等に熱を蓄積することが可能となることにより、一部の蓄熱ユニット６１の温度が過剰に上昇し、劣化が進んで蓄熱器６０の蓄熱能力にむらが生じることを防止できる。さらに、熱交換器３０を通じて蓄えられた熱を水に受け渡す際、ヒートパイプ４０により複数の蓄熱ユニット６１が均熱化されているため、当該複数の蓄熱ユニット６１から熱を均等に取り出すことが可能となる。その結果、一部の蓄熱ユニット６１が先に熱の放出を終了してしまい、温水への熱の供給が途中で止まってしまうことが防止され、これにより熱交換器３０を通過して供給される温水温度の時間的な変動を抑制することができる。

また、この第３実施形態においても、ヒートパイプ４０の一端部４０Ａは、ケース体３の一側面３Ｅを貫通してケース体３の外部に延在し、当該一端部４０Ａには、それぞれガス溜め部８が設けられている。また、ヒートパイプ４０の一端部４０Ａには、当該一端部４０Ａ間を連結するように放熱用フィン４１が設けられている。これにより、蓄熱ユニット２１が過熱された場合であっても、この熱をヒートパイプ４０を通じてケース体３の外部に放出することができる。このため、蓄熱ユニット２１の過熱が防止されることにより、当該蓄熱ユニット２１のラミネート材の損傷が防止され、蓄熱ユニット２１に繰り返し熱を蓄えることができ、当該蓄熱ユニット２１の信頼性を確保できる。

ところで、可変コンダクタンスヒートパイプは、所望する温度で作動液が放熱部に達するように、コンテナ内に収容される作動液及び不凝縮性ガスの量、及び圧力が調整される。
上記した第１〜第３実施形態では、蓄熱ユニット２１、６１が上限使用温度を超えた場合に、作動液が放熱部に達する構成としたが、これに限るものではなく、例えば、ヒートパイプ４０の均熱部の温度が常時、潜熱蓄熱材の融点を下回るように調整しても良い。
この構成によれば、ヒートパイプ４０が常時、潜熱蓄熱材の凝固点を下回る温度に保持されることにより、このヒートパイプ４０に接する蓄熱ユニット２１の側面部には、潜熱蓄熱材の結晶（種結晶）が融解しきらずに残存する。このため、蓄熱ユニット２１が凝固点以下に冷却された際には、種結晶をトリガーとして凝固が開始されることにより、蓄熱ユニット２１が発熱する。従って、従来のように、蓄熱ユニットにそれぞれ発熱トリガー機構を設ける必要がなく、蓄熱ユニットの構成を簡素化することが可能となる。

上記した第１実施形態及び第３実施形態では、太陽熱利用温水器１、５０は、太陽熱集熱器１０、蓄熱器２０、６０及び熱交換器３０を上下方向に積層する構成としていたが、これに限るものではなく、これら太陽熱集熱器１０、蓄熱器２０、６０及び熱交換器３０を、例えば、水平方向に重ねて配置するものであっても良い。
また、上記した第１〜第３実施形態では、ヒートパイプ４０、１２０は、いずれも可変コンダクタンスヒートパイプとして説明したが、これに限るものではなく、熱移動に伴う均熱化を実現する通常のヒートパイプを用いても良い。

１、５０、８０ 太陽熱利用温水器
３ ケース体（ケース）
５ 均熱部
７ 放熱部
８ ガス溜め部
１０ 太陽熱集熱器
１１ 集熱板
２０、６０、９０ 蓄熱器
２１、６１、９１ 蓄熱ユニット
３０、１００ 熱交換器
３１、１０１ ベース板
３２、１０２ フィン（伝熱支柱）
３２Ａ、１０２Ａ 貫通孔
３３、１０３ 入口ヘッダ
３４、１０４ 出口ヘッダ
３５、１０５ 連結管
４０、１２０ ヒートパイプ（均熱部材、均熱部、第２ヒートパイプ）
４０Ａ、１２０Ａ 一端部（一端）
４１ 放熱用フィン
１１０ 移送用ヒートパイプ（熱移送部材、第１ヒートパイプ）
１１０Ａ 移送部

Claims (8)

1. 太陽熱集熱器と、
   前記太陽熱集熱器で集熱される熱を蓄える蓄熱器と、
   前記蓄熱器に蓄えられる熱で水を加熱する熱交換器をケース内に備えた太陽熱利用温水器であって、
   前記蓄熱器が潜熱蓄熱材を備える複数の蓄熱ユニットに分かれており、
   複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されたヒートパイプを備え、前記ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されたことを特徴とする太陽熱利用温水器。
2. 前記太陽熱集熱器、前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用温水器。
3. 前記蓄熱器が前記太陽熱集熱器及び前記熱交換器と熱的に接続され、さらに前記太陽熱集熱器と前記熱交換器が熱的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽熱利用温水器。
4. 前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、
   当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、
   前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とが前記ヒートパイプにより熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用温水器。
5. 前記蓄熱器及び前記熱交換器が重ねて配置され、
   当該蓄熱器及び熱交換器と横並びに前記太陽熱集熱器が配置され、
   前記太陽熱集熱器と前記蓄熱器とを熱的に接続する第１ヒートパイプと、
   前記複数の蓄熱ユニットと熱的に接続されている第２ヒートパイプとを有し、
   前記第２ヒートパイプの一端が前記ケースの外部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用温水器。
6. 前記ヒートパイプの一部または全部が可変コンダクタンス型ヒートパイプで構成されていることを特徴とする請求項１から５に記載の太陽熱利用温水器。
7. 前記ケースの外部に配置された前記ヒートパイプの一端に放熱用フィンを設けたことを特徴とする請求項１から６に記載の太陽熱利用温水器。
8. 前記熱交換器に前記複数の蓄熱ユニットが配置され、
   各蓄熱ユニット間にそれぞれ伝熱支柱が介在し、
   前記ヒートパイプは当該伝熱支柱に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１から７に記載の太陽熱利用温水器。

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