| 【発明の名称】 |
熱交換システム |
| 【発明者】 |
【氏名】宮村 正司
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| 【要約】 |
【課題】屋根の外観を損なわないで、太陽光を利用した熱交換システムを提供することである。
【解決手段】供給側メインパイプ１０と、戻り側メインパイプ１１と、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプ１２で連通させてなる第１熱交換マットＭ１と、この第１熱交換マットＭ１の熱交換パイプを合板に埋め込んでなる野地板２と、上記第１熱交換マットの供給側メインパイプに流体を供給するとともに第１熱交換マットの戻り側メインパイプから流体を排出される流体循環機構とを備え、上記野地板２で屋根を形成し、その上に瓦などの屋根の表面材を固定した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第１熱交換マットと、この第１熱交換マットの熱交換パイプを合板に埋め込んでなる野地板と、上記第１熱交換マットの供給側メインパイプに流体を供給するとともに第１熱交換マットの戻り側メインパイプから流体を排出させる流体循環機構とを備え、上記野地板で屋根を形成し、その上に瓦などの屋根の表面材を固定した熱交換システム。
【請求項２】 第１熱交換マットの流体を循環させる第１回路と、この第１回路とは別の第２回路とを設け、上記第１回路と第２回路との間には、熱交換機構を設け、上記第２回路は、上記熱交換機構を介して第１回路内を循環する流体と熱交換した流体を出力する構成にした請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】 熱交換機構が、供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第２熱交換マットであり、この第２熱交換マットを第１回路中に接続するとともに、第２回路中にタンクを設け、このタンク内の流体と上記第２熱交換マット内の流体とが熱交換する構成にした請求項２に記載の熱交換システム。
【請求項４】 熱交換機構が、供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第２熱交換マットであり、この第２熱交換マットを、第２回路内に接続するとともに、第１回路内にタンクを設け、上記第２熱交換マットの内の流体と上記タンク内の流体とが熱交換する構成にした請求項２に記載の熱交換システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、屋根に照射する太陽光の熱を利用した熱交換システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】太陽熱を利用した熱交換システムとして、太陽熱温水器がある。これは、屋根の上に、周囲を断熱した容器を置き、その中に銅管やガラス管などの集熱コイルを組み入れている。上記集熱コイル内に水を流し、この水を太陽熱で暖めて、屋内の台所や浴室へ給湯するというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記熱交換システムでは、屋根の上に容器を設置しなければならない。そのため、屋根の外観が損なわれるという問題がある。例えば、せっかく色の美しいスレートや、瓦を用いた場合にも、その上に容器を設置したのでは、それが隠れてしまう。
【０００４】また、容器は、屋根の上に露出しているので、紫外線や風雨を直接受けることになる。このように、紫外線や風雨を直接受けることによって、容器が劣化してしまう。この劣化を防ぐためには、容器の材質を、紫外線や風雨によって化学変化しにくい材質にしなければならない。さらに、降雪地域の冬には、容器の上に雪が積もるので、このような地域でも利用できるものにするためには、衝撃や耐荷重に優れた材質を用いなければならない。
【０００５】このように、材質が紫外線や風雨によって劣化しにくく、しかも、耐荷重や耐衝撃性の高いものに限られることにより、製造コストが高くなってしまうという問題があった。また、瓦などの屋根の表面材の上に容器を取り付ける際には、瓦などを部分的に取り除いたり、屋根の形状に合わせた特別な形状の支持部材を取り付けたりして、上記集熱コイルの容器を固定しなければならない。そのため、容器の取り付けに、手間がかかるという問題もあった。
【０００６】この発明の目的は、屋根の外観を損なわないで、太陽光を利用した熱交換システムを提供することである。また、別の目的は、太陽光を利用した熱交換システムの施工性を向上させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第１熱交換マットと、この第１熱交換マットの熱交換パイプを合板に埋め込んでなる野地板と、上記第１熱交換マットの供給側メインパイプに流体を供給するとともに第１熱交換マットの戻り側メインパイプから流体を排出される流体循環機構とを備え、上記野地板で屋根を形成し、その上に瓦などの屋根の表面材を固定した点に特徴を有する。
【０００８】第２の発明によれば、第１熱交換マットの流体を循環させる第１回路と、この第１回路とは別の第２回路とを設け、上記第１回路と第２回路との間には、熱交換機構を設け、上記第２回路は、上記熱交換機構を介して第１回路内を循環する流体と熱交換した流体を出力する構成にした点に特徴を有する。
【０００９】第３の発明によれば、熱交換機構が、供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第２熱交換マットであり、この第２熱交換マットを第１回路中に接続するとともに、第２回路中にタンクを設け、このタンク内の流体と上記第２熱交換マット内の流体とが熱交換する構成にした【００１０】第４の発明によれば、熱交換機構が、供給側メインパイプと、戻り側メインパイプと、これら両メインパイプ間を上記メインパイプより細い多数の可撓性を有する熱交換パイプで連通させてなる第２熱交換マットであり、この第２熱交換マットを、第２回路内に接続するとともに、第１回路内にタンクを設け、上記第２熱交換マットの内の流体と上記タンク内の流体とが熱交換する構成にした点に特徴を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１〜図８にこの発明の第１実施例を示す。図１には、この熱交換システムの全体構成を模式的に示している。図１では、スレート１の下には、第１熱交換マットＭ１を埋め込んだ野地板２を設けている。つまり、この野地板２が屋根形状を構成し、その上をスレート１で覆っている。そして、この第１熱交換マットＭ１とタンクＴとを配管３，４で接続している。上記配管３には、ポンプＰを取り付け、タンクＴ内の流体を第１熱交換マットＭ１に供給するととともに、第１熱交換マットＭ１からの戻り流体をタンクＴへ戻すようにしている。この第１実施例では、スレート１が、この発明の屋根の表面材である。また、第１熱交換マットＭ１→配管３→ポンプＰ→配管３→タンクＴ→配管４→第１熱交換マットＭ１が、この発明の第１回路である。
【００１２】一方、タンクＴの外周には、第２熱交換マットＭ２を巻き付けている。この第２熱交換マットＭ２には、供給側ヘッダ５と戻り側ヘッダ６とを接続している。上記のように構成することにより、第１熱交換マットＭ１を介して、外気と熱交換した流体が、タンクＴに戻され、このタンクＴに蓄熱される。次に、タンクＴ内の流体と、第２熱交換マットＭ２内を流れる流体とが熱交換する。第２熱交換マットＭ２で熱交換された流体は、上記戻り側ヘッダ６を介して、外部に取り出すことができる。例えば、上記第１熱交換マットＭ１内の流体が、夏場の外気と熱交換して高温になる場合には、第２熱交換マットＭ２に供給側ヘッダ５から供給した水は、戻り側ヘッダ６から温水として取り出すことができる。
【００１３】なお、上記図１では、配管３，４、タンクＴおよびヘッダ５，６などを屋外に表しているが、実際には、各配管は、壁の中に設けることもできるし、タンクＴおよびヘッダ５，６は、台所や、浴室などの、温水を使う場所に設けることもできる。上記ヘッダ５→第２熱交換マットＭ２→ヘッダ６が、この発明の第２回路である。
【００１４】次に、このシステムの構成について、詳しく説明する。図２に示すように、上記野地板２には、第１熱交換マットＭ１を埋め込んでいる。この熱交換マットＭ１は、図２に示すように、供給側メインパイプ１０と、戻り側メインパイプ１１とを、多数の細い熱交換パイプ１２で連通させたものである。上記両メインパイプ１０，１１および熱交換パイプ１２は、樹脂製であるが、両メインパイプ１０，１１は、熱交換パイプ１２と比べて、径が大きく、ある程度の剛性を保っている。これに対し、熱交換パイプ１２は、細くて可撓性がある。
【００１５】また、上記供給側メインパイプ１０は、一端を閉鎖し、他端にジョイント１３を取り付けている。同様に、戻り側メインパイプ１１も、一端を閉鎖し、他端にジョイント１４を取り付けている。上記ジョイント１３を図１の配管３に接続し、上記ジョイント１４を上記配管４に接続している。つまり、上記ポンプＰによって、流体は、タンクＴ→配管３→供給側メインパイプ１０→熱交換パイプ１２→戻り側メインパイプ１１→配管４→タンクＴと循環する。上記循環路内を循環させる流体は、どのようなものでもかまわないが、外気温が零下になるような地域では、不凍液などが好ましい。
【００１６】上記のような第１熱交換マットＭ１は、野地板２に埋め込まれている。この野地板２は、合板製であり、図３に示すように、その表面に、第１熱交換マットＭ１をはめ込むための凹部２ａ〜２ｃを形成している。凹部２ａは、供給側メインパイプ１０と、ジョイント１３およびそれに接続した配管３が収まる大きさの凹部である。凹部２ｂは、戻り側メインパイプ１１と、ジョイント１４およびそれに接続した配管４が収まる大きさの凹部である。
【００１７】さらに、上記凹部２ａと２ｂとの間には、多数の細い凹部２ｃを形成している。そして、これらの凹部２ｃに、上記第１熱交換マットＭ１の熱交換パイプ１２を１本ずつはめ込んでいる。また、上記野地板２の表面には、図２，図４に示すように、第１熱交換マットＭ１をはめ込んだ上に、保護層７を貼り付けている。この保護層７は、合板や金属板などからなり、上記熱交換パイプ１２を保護するためのものであるが、必須のものではない。なお、図２では、この保護層７を２点鎖線で示している。
【００１８】上記のように、第１熱交換マットＭ１をはめ込んだ野地板２を用いて、屋根を形成し、その上に、スレート１を釘３０で止める。スレート１は、図５，図６に示すように、屋根の傾斜の下方から順に、野地板２に止め付けてゆく。このとき、スレート１を止める釘３０を打つ位置を、上記野地板２の表面上に釘打ち印として表示しておくこともできる。このような釘打ち印は、野地板２内に埋め込んだ熱交換パイプ１２の位置を避けて決められている。そこで、上記釘打ち印に合わせて、釘３０を打てば、野地板内の熱交換パイプ１２を傷付けてしまうことがない。
【００１９】一方、第２熱交換マットＭ２は、図７に示すように、供給側メインパイプ１６と、戻り側メインパイプ１７との間を、多数の熱交換パイプ１８で連通したものである。これらの熱交換パイプ１８の長さを長くして、それらを折り返している。このように、熱交換パイプ１８を折り返してマットＭ２を形成した場合には、供給側メインパイプ１６と戻り側メインパイプ１７とが、同じ側に位置することになる。ただし、上記第２熱交換マットＭ２は、熱交換パイプ１８を折り返したものでなくてもかまわない。上記マットＭ２をタンクに巻き付けた場合には、熱交換パイプ１８を折り返さなくても、上記メインパイプ１６と１７とが近くに位置することになるので、外部の配管に不都合は生じない。また、上記供給側メインパイプ１６の一端にはジョイント１９を取り付け、戻り側メインパイプ１７には、ジョイント２０を取り付けている。そして、第２熱交換マットＭ２は、支持シートＳに重ねた状態で、図８に示すように、上記タンクＴの外周に巻き付けて用いるようにしている。
【００２０】上記熱交換パイプ１８は、可撓性を有するため、上記タンクＴの外周に巻き付けることができるが、そのままでは巻き付けた状態を保つことができない。そこで、上記支持シートＳを用いる。上記支持シートＳは、整列シート２１、断熱シート２２および伝熱シート２３を重ね合わせて構成されている。
【００２１】上記整列シート２１は、可撓性を備えた樹脂製で、上記タンクＴの外周に巻き付けることができるものである。さらに、この整列シート２１には、図示しないが、上記熱交換パイプ１８と同じ本数のガイド溝を形成し、このガイド溝に上記熱交換パイプ１８をはめ込んでいる。このようにすれば、熱交換パイプ１８を整列シート２１で支持することができるとともに、ガイド溝のピッチに、熱交換パイプ１８のピッチを保つことができる。
【００２２】上記のように、整列シート２１のガイド溝に全ての熱交換パイプ１８をはめ込んだら、整列シート２１表面に、熱伝導率の高いアルミ箔などからなる伝熱シート２３を貼り付けて熱交換パイプ１８を覆う。この伝熱シート２３によって、熱交換パイプ１８とタンクＴの外表面との間の熱伝導が効率よく行われるようにしている。さらに、上記整列シート２１のガイド溝と伝熱シート２３との間に、シリコーン樹脂などの熱伝導材を注入しておくこともできる。このように熱伝導材を用いれば、熱交換パイプ１８とタンクＴ間の熱伝導効率をより高くすることができる。
【００２３】一方、上記整列シート２１の、熱交換パイプ１８をはめ込んだ面とは反対側の面には、断熱材からなる断熱シート２２を設けている。この断熱シート２２は図７に示すように、整列シート２１よりも長手方向の辺を長くしている。この断熱シート２２の、整列シート２１を重ねた下側からはみ出した部分に、上記供給側メインパイプ１６と、戻り側メインパイプ１７とを位置させている。
【００２４】上記のようにした支持シートＳを、タンクＴの外周とほぼ同じ長さにし、その幅を上記タンクＴの高さとほぼ同じにしている。このようにすることによって、第２熱交換マットＭ２をはめ込んだ支持シートＳによって、タンクＴをすっぽりと覆うことができる（図８参照）。また、上記断熱シート２２には、ベルト２４，２４と、バックル２５，２５とを設け、上記支持シートＳをタンクＴの外周に巻き付けた状態で、上記ベルト２４とバックル２５とを連結するようにしている。
【００２５】上記のようにして、第２熱交換マットＭ２をタンクＴに巻き付けたら、供給側メインパイプ１６に連結しているジョイント１９を供給側ヘッダ５に接続し、もう一方のジョイント２０を戻り側ヘッダ６に接続する。そして、上記供給側ヘッダ５を水道栓など、水の供給手段に接続し、戻り側ヘッダ６を浴室など、屋内の給湯配管に接続する。これで、この発明の熱交換システムが完成する。
【００２６】なお、上記第１実施例では、第２熱交換マットＭ２をタンクＴの外周に巻き付けたが、タンク内周に設けてもかまわないし、流体内に設けてもかまわない。要するに、熱交換パイプ１８内の流体とタンク内の流体とが、熱交換できる構成ならよい。ただし、第２熱交換マットＭ２は、タンク外周に巻き付けた方が、メンテナンス作業がやりやすいというメリットがある。一方、タンクＴの流体内に第２熱交換マットＭ２を設ける場合には、熱交換パイプ１８を長くして、マットＭ２を何重にも巻いて用いることもできる。
【００２７】以下に、上記システムの作用を説明する。外気温が高い時期に、太陽熱を利用して水を温める場合を説明する。先ず、上記ポンプＰによって、第１熱交換マットＭ１内の流体を循環させる。この流体は、スレート１の下に、すなわち、野地板２の中に設けた第１熱交換マットＭ１の熱交換パイプ１２を通過中、太陽熱を吸収し、暖められてタンクＴへ戻る。
【００２８】一方、タンクＴの外周には、第２熱交換マットＭ２が巻き付けられているが、この第２熱交換マットＭ２の供給側メインパイプ１６へ、上記供給側ヘッダ５およびジョイント１９を介して水道水を供給する。上記メインパイプ１６から供給された水道水は、第２熱交換マットＭ２の熱交換パイプ１８を通過して、戻り側メインパイプ１７へ流れ、ジョイント２０を介して、戻り側ヘッダ６に流れる。上記水道水は、上記熱交換パイプ１８を通過する過程で、上記タンクＴ内の高温流体と熱交換して温水となる。したがって、戻り側ヘッダ６から給湯管を介して、温水を取り出して利用することができる。
【００２９】このような熱交換システムでは、太陽熱を収集するための第１熱交換マットＭ１が薄いので、それを野地板２内に設けることができる。野地板２内に熱交換マットＭ１を設けることができるということは、熱交換マットＭ１を、スレートや、瓦などの、屋根の表面材の下側に敷設することができるということである。したがって、従来のように屋根の外観を損なうことがない。また、第１熱交換マットＭ１は、従来の集熱コイル容器のように風雨にさらされたり、雪が積もったりすることがないので、耐久性を考慮した高価な材料を用いなくても、耐久性を確保できる。したがって、高価な材料を用いる必要がなく、製造コストを下げることができる。
【００３０】なお、第１熱交換マットＭ１内の流体が外気と熱交換して、熱を吸収する際には、天井裏の熱も吸収することになる。すなわち、第１熱交換マットＭ１に流体を循環させない場合と比べて、天井裏の温度が下がり、ひいては、夏場の室内の温度を下げることができる。
【００３１】このとき、室内での温水の利用量が多ければ、第２熱交換マットＭ２に供給される水道水の流量が多くなる。そのため、第２熱交換マットＭ２の熱交換パイプ１８を介して、水道水がタンクＴ内の流体から奪う熱量が多くなり、この流体の温度が下がれば、その分第１熱交換的Ｍ１が外気から吸収する熱量も多くなる。すなわち、第２熱交換マット２に供給する水道水の流量を増やしたり、温度を下げたりすることによって、室内の温度を下げることができる。
【００３２】反対に、冬季の積雪時には、第２熱交換マットＭ２に、温水を供給することによって、タンクＴ内の流体を暖めて、その流体の熱によって、屋根の上の雪を融かすことも可能である。なお、この発明の熱交換システムでは、第１熱交換マットＭ１を通過する流体の循環路と、第２熱交換マットＭ２内を通過する流体の流路を完全に分離している。このようにすることにより、例えば、戻り側ヘッダ６から温水を取り出して利用する際には、第２熱交換マット２には、水を供給しなければならないが、第１熱交換マットＭ１内には、水よりも熱容量の大きな流体を循環させて、熱交換効率を上げることができる。
【００３３】一方、融雪装置として利用する場合には、第２熱交換マットＭ２内にも、温水以外の熱容量の大きな流体を流すようにしても良い。なお、屋根の表面材としては、スレート以外に、瓦など、どのようなものでもかまわない。ただし、瓦屋根よりも、スレート屋根の方が、野地板２へ、太陽熱が伝わり易いので、第１熱交換マットＭ１の熱吸収量が大きくなる。
【００３４】図９に、第２実施例を示す。この第２実施例では、第１熱交換マットＭ１に接続した配管３，４の間にタンクＴの代わりに、第２熱交換パイプＭ２を接続している。つまり、上記第１熱交換マットＭ１→配管３→ポンプＰ→配管３→熱交換マットＭ２→配管４→第１熱交換マットＭ１が、この発明の第１回路であり、この中を、屋根裏で熱交換された流体が循環する。そして、上記第２熱交換マットＭ２をタンクＴ内に設ける。タンクＴ内へは、ヘッダ５から供給された流体が、貯蔵され、それが、熱交換マットＭ２によって、熱交換され、例えば、暖められて、ヘッダ６から外部へ、取り出すことができる。すなわち、ヘッダ５→タンクＴ→ヘッダ６が、この発明の第２回路である。
【００３５】この第２実施例においても、第１熱交換マットＭ１で、太陽熱を吸収した場合には、暖められた流体が、第２熱交換マットＭ２内を通過する際に、タンクＴ内の流体と熱交換して、タンクＴ内の水を暖める。タンクＴ内の水が暖められて、湯になれば、それを浴室などで、利用できるのは、上記第１実施例と同様である。ただし、タンクＴ内の湯を利用しなければ、タンクＴ内は、上記第１熱交換マットＭ１内の流体とほぼ同じ温度にまで上昇する。つまり、上記タンクＴが、蓄熱タンクとなる。なお、この第２実施例では、熱交換機構である第２熱交換マットＭ２を第２回路に設けたタンクＴ内に設けているが、第１実施例のように、第２熱交換マットＭ２を、タンクＴの外周に巻き付けてもかまわない。
【００３６】
【発明の効果】第１〜第４の発明によれば、屋根の外観を損なわないで、屋根の周囲の外気と熱交換することができる熱交換システムを実現できる。しかも、屋根の表面材の下に設ける野地板の中に第１熱交換マットを組み込んでいるので、第１熱交換マットの設置が簡単である。また、どのような種類の表面材でも、熱交換システムを設けない場合と全く同じ方法で、野地板の上に設置することができる。
【００３７】すなわち、第１熱交換マットを敷くために、屋根裏を特別な形状にしたり、特別な工事をする必要がなく、施工性もよく、経済的でもある。また、熱交換マットが従来の集熱コイルのように風雨にさらされたり、雪が積もったりすることがないので、従来の集熱コイルのように、高価な材料を用いる必要がない。その分製造コストを下げることができる。
【００３８】第２〜第４の発明によれば、第１熱交換マット内を備えた第１回路と、流体を取り出す第２回路とを完全に分離したので、必要に応じて、それぞれに最適な流体を選ぶことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３４５３４
【氏名又は名称】株式会社トヨックス
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| 【出願日】 |
平成１２年１２月５日（２０００．１２．５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７６１６３
【弁理士】
【氏名又は名称】嶋 宣之
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６８５３１（Ｐ２００２−１６８５３１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月１４日（２００２．６．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６９４３２（Ｐ２０００−３６９４３２） |
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