CN104380007A - 太阳能集热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供太阳能集热管，其具备：能够流通载热体的中心金属管；玻璃管，该玻璃管以在其与中心金属管之间形成环状真空空间的方式覆盖中心金属管的外周，该玻璃管具备端部，且该端部具有端面；以及吸收中心金属管与玻璃管的热膨胀差的金属制的热膨胀差吸收部。热膨胀差吸收部由金属制成且形成为圆环状，并且具有与玻璃管的端部连接的连接端部。连接端部形成为其厚度渐渐变薄。连接端部以从玻璃管的端面进入玻璃管的端部的状态与玻璃管连接。

Description

太阳能集热管

技术领域

本发明涉及太阳能集热管，详细而言涉及如下太阳能集热管，即：流通载热体的中心金属管和包围该中心金属管而在与中心金属管之间形成环状空间的玻璃管，经由吸收中心金属管与玻璃管的热膨胀差的热膨胀差吸收部连接。

背景技术

在如下情况下，即：利用太阳能对供载热体流动的金属管进行加热，由此来加热载热体从而利用该热的情况下，在金属管与大气接触的状态下，被加热的金属管的热会向大气进行热传递，从而无法高效地加热载热体。因此，用玻璃管包围金属管而在玻璃管与金属管之间形成环状空间，从而防止由太阳能加热后的金属管的热向大气进行热传递。但是，由于金属管与玻璃管的热膨胀系数的差较大，所以需要设置吸收金属管与玻璃管的热膨胀差的热膨胀差吸收部。由于金属管的温度会达至数百度，所以热膨胀差吸收部由金属形成。一般情况下，作为热膨胀差吸收部的是波纹管，但若直接连接金属制的波纹管和玻璃管，则当波纹管伸缩时，玻璃管中的与波纹管的连接部容易受到损伤。

以往，如图3所示，提出了使用波纹管33以及玻璃/金属连接元件34来连接中心金属管31和玻璃管32的结构。参照专利文献1。

专利文献1：美国专利第6705311号说明书

然而，太阳能集热管的全长中，太阳光能够向中心金属管31入射的范围是除了由波纹管33以及玻璃/金属连接元件34所覆盖的范围之外的范围，从而在除了波纹管33之外还使用玻璃/金属连接元件34连接中心金属管31和玻璃管32的结构中，有效区域(active area)变小。此处，有效区域是由太阳光能够入射的长度/太阳能集热管全长来定义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能集热管，与以往相比，该太阳能集热管能够增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

用于解决上述课题的太阳能集热管具备：中心金属管，载热体能够在该中心金属管中流通；玻璃管，该玻璃管以在其与上述中心金属管之间形成环状空间的方式覆盖上述中心金属管的外周，该玻璃管具有端部，且该端部具有端面；以及热膨胀差吸收部，该热膨胀差吸收部吸收上述中心金属管与上述玻璃管的热膨胀差，上述热膨胀差吸收部由金属制成且形成为圆环状，并且具有与上述玻璃管的上述端部连接的连接端部，上述连接端部形成为其厚度渐渐变薄，上述连接端部以从上述玻璃管的上述端面进入上述玻璃管的上述端部的状态与上述玻璃管连接。

根据该结构，热膨胀差吸收部虽由金属制成，但形成为与玻璃管的端部连接的连接端部的厚度渐渐变薄，并且连接端部以从玻璃管的端面进入玻璃管的端部的状态与玻璃管连接。因此，与在连接端部嵌合于玻璃管的端部外周的状态下，或者与在连接端部嵌合于玻璃管的端部内周的状态下进行连接的情况不同，难以对连接端部与玻璃管的端部之间的接合部施加过度的力，从而能够不使用玻璃/金属连接元件，而将热膨胀差吸收部与玻璃管直接连接。因此，与以往相比，能够增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

上述热膨胀差吸收部的材质优选其线膨胀系数为5.0～5.2×10^-6(K^-1)。根据该结构，能够在基本消除热膨胀差吸收部以及玻璃管这两者的热膨胀系数的差的状态下构成太阳能集热管，从而能够进一步减小热膨胀差吸收机构相对于太阳能集热管全长所占的长度比例。

上述热膨胀差吸收部优选是金属制的波纹管。根据该结构，能够在对波纹管的伸缩功能不造成影响的情况下，通过变更连接端部相对于玻璃管的形状这一简单的变更，来将具有实际效果的波纹管用作热膨胀差吸收部。

优选在上述金属制的波纹管的折皱部的两端形成有圆筒部，且上述折皱部的内径形成为与上述圆筒部的内径相同。根据该结构，与折皱部的内径和圆筒部的内径不相等的波纹管相比，则容易利用液压成形(hydro form)来制造波纹管。另外，波纹管的连接端部与玻璃管的端部之间的连接通过如下方式进行，即：将玻璃管的端部加热至熔融状态，并将波纹管的连接端部加热至玻璃管的端部的温度以上，在该的状态下，使波纹管旋转，并以波纹管与玻璃管同轴的状态，将波纹管从端面向玻璃管的端部插入规定量，之后，停止波纹管的旋转，并冷却波纹管的连接端部。此时，能够容易地将波纹管保持为与玻璃管同轴的状态不变，并以能够一边旋转一边移动地方式进行夹紧。

上述中心金属管优选由不锈钢制成。不锈钢钢管能够通过焊接来进行连接，因此容易确保连接部的气密状态。另外，不锈钢钢管耐腐蚀性、强度优异，在各种领域中使用，容易入手，且对于成本也有利。因此，通过使中心金属管为不锈钢制，能够获得上述的优点。

上述金属制的波纹管优选通过焊接与形成于上述中心金属管的凸缘部连接。金属制的波纹管的伸缩部的直径比中心金属管的直径大，因此，为了利用焊接连接两者，需要在波纹管或者中心金属管中的任意一方设置凸缘部。在中心金属管形成有凸缘部的情况下，与在波纹管设置凸缘部的情况相比，能够容易形成凸缘部。

上述玻璃管优选形成为：与上述热膨胀差吸收部的连接端部连接的部分和其它部分由相互不同的材质形成，作为与连接端部连接的部分的材质使用如下这样的玻璃，即：与构成其它部分的玻璃相比，这种玻璃的热膨胀系数接近连接端部的金属的热膨胀系数。该情况下，玻璃管的端部的热膨胀系数与直接接触端部的连接端部的热膨胀系数的差变小，从而能够减小作用于玻璃管的端部的应力。

根据本发明，与以往相比，能够增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

附图说明

图1(a)是一个实施方式的太阳能集热管的局部剖视图。图1(b)是图1(a)的局部放大图。

图2是使用了其它实施方式的热膨胀差吸收部的太阳能集热管的局部剖视图。

图3是现有技术的太阳能集热管的局部剖视图。

具体实施方式

以下，基于图1(a)以及图1(b)对将本发明具体化了的一个实施方式进行说明。

如图1(a)所示，太阳能集热管11具备：金属管12，其能够供载热体流通；玻璃管14，该玻璃管14以在其与中心金属管12之间形成作为环状空间的环状真空空间13的方式覆盖中心金属管12的外周，且具有端部14a，该端部14a具有端面14b；以及热膨胀差吸收部15，其吸收中心金属管12与玻璃管14的热膨胀差。图1(a)表示太阳能集热管11的一端部，另一端部形成为与一端部相同的构成。即，太阳能集热管11在两端部具有对称的结构。

玻璃管14形成为比中心金属管12短，在中心金属管12的端部与玻璃管14的端部14a之间连接有热膨胀差吸收部15。该实施方式中，作为热膨胀差吸收部15而使用了金属制的波纹管16。中心金属管12以及波纹管16由不锈钢(SUS)制成。波纹管16在其折皱部16a的两端分别形成有圆筒部17a、17b，圆筒部17a、17b的内径D1设定为与折皱部16a的内径D2相同的大小。

波纹管16在一个圆筒部17a处利用焊接与形成于中心金属管12的凸缘部12a的外周部连接。凸缘部12a是通过在中心金属管12的圆筒面利用焊接固定具有孔的圆形的SUS板而形成的。

波纹管16在另一个圆筒部17b处与玻璃管14连接，圆筒部17b的连接端部18形成为其厚度越趋近前端而渐渐变薄。即，热膨胀差吸收部15由金属制成且形成为圆环状，并且形成为与玻璃管14的端部连接的连接端部18的厚度渐渐变薄。连接端部18形成为锥状。而且，连接端部18以从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部14a的状态与玻璃管14连接。即，玻璃管14的端部14a和波纹管16的连接端部18以所谓封接(house keeper)构造连接。

波纹管16的连接端部18相对于玻璃管14的连接在将波纹管16连接于中心金属管12之前进行。例如，在将玻璃管14的端部14a加热至熔融状态的状态下，并在加热波纹管16的连接端部18使其温度处于玻璃管14的端部14a的温度以上的状态下，使波纹管16旋转，并以与玻璃管14同轴的状态从端面14b向玻璃管14的端部14a插入规定量。之后，停止波纹管16的旋转并冷却波纹管16的连接端部18。冷却不是快速冷却，而是渐渐冷却以使得不残留热应变。

接下来对如上述那样构成的太阳能集热管11的作用进行说明。

在太阳能集热管11中，从中心金属管12的一端向该中心金属管12导入的载热体从中心金属管12的另一端排出，在这一期间，利用来自中心金属管12的热传导来加热载热体，并将加热后的载热体用于供热装置、热水器、发电等。

例如，太阳能集热管11以如下状态进行配设，即：使中心金属管12位于具有凹面的反射面的反射镜的焦点的位置。虽然因反射镜的性能、环境温度、载热体在中心金属管12内的移动速度等条件而不同，但中心金属管12的温度上升至400℃左右时，玻璃管14的温度为100℃左右。由于中心金属管12隔着环状真空空间13而被玻璃管14覆盖，所以由通过玻璃管14而入射的太阳光进行加热后的中心金属管12的热会高效地对在中心金属管12流通的载热体进行加热。

作为热膨胀差吸收部15的波纹管16由金属制成，形成为与玻璃管14的端部连接的连接端部18的厚度渐渐变薄，并且以连接端部18从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部14a的状态与玻璃管14连接。因此，与在连接端部18嵌合于玻璃管14的端部外周的状态下、或者与在连接端部18嵌合于玻璃管14的端部内周的状态下进行连接的情况不同，在波纹管16的伸缩时，难以对连接端部18与玻璃管14的端部14a之间的接合部施加过度的力。详细而言，在连接端部18与玻璃管14的外周或者内周连接的情况下，两者的接触面是一个环状部，但在以连接端部18从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部的方式进行连接的情况下，两者以两个接触面接触，并且两个接触面在一端连续。因此，在限制了玻璃管14相对于连接端部18的相对移动的状态下，即便波纹管16伸缩，也能够防止玻璃管14的损伤。因此，即使在不使用玻璃/金属连接元件而将热膨胀差吸收部15与玻璃管14直接连接的情况下，也能够提高耐久性。因此，与以往相比，能够增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

根据该实施方式，能够获得以下所示的效果。

(1)太阳能集热管11具备：中心金属管12，其能够共载热体流通；玻璃管14，该玻璃管14以在其与中心金属管12之间形成环状真空空间13的方式覆盖中心金属管12的外周；以及热膨胀差吸收部15，其吸收中心金属管12与玻璃管14的热膨胀差。热膨胀差吸收部15由金属制成且形成为圆环状，并且形成为与玻璃管14的端部14a连接的连接端部18的厚度渐渐变薄。而且，连接端部18以从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部14a的状态与玻璃管14连接。因此，与以往的太阳能集热管相比，能够增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

(2)使用金属制的波纹管16作为热膨胀差吸收部15，能够在对波纹管16的伸缩功能不产生影响的情况下，通过变更连接端部18相对于玻璃管14的形状这一简单的变更，而将具有实际效果的波纹管16用作热膨胀差吸收部。

(3)由于中心金属管12由不锈钢制成，所以能够通过焊接与其它金属制的部件进行连接，从而容易确保连接部的气密状态，进而确保环状真空空间13的真空度。并且，不锈钢钢管耐腐蚀性且强度优异，在各种领域中使用，由于容易入手而对于成本也有利。

(4)金属制的波纹管16利用焊接与形成于中心金属管12的凸缘部12a连接。由于波纹管16的伸缩部(折皱部16a)的直径比中心金属管12的直径大，所以为了通过焊接连接两者，需要在波纹管16或中心金属管12中任一方设置凸缘部。该实施方式中，由于在中心金属管12形成有凸缘部12a，所以与在波纹管16设置凸缘部12a的情况相比，能够容易地形成凸缘部。

(5)在波纹管16的折皱部16a的两端分别形成有圆筒部17a、17b，圆筒部17a、17b的内径D1设定为与折皱部16a的内径D2大小相同。因此，能够以一般的制造方法制造金属制的波纹管16的折皱部16a，例如，能够利用如下方法(液压成形)进行制造，即：将金属管配置在金属模具内，在将金属管的两端密封的状态下，利用水压等液压从内侧施加压力而使金属管膨胀。另外，与圆筒部17a、17b的内径D1不同于折皱部16a的内径D2的情况相比，使得液压成形变得容易。另外，在连接波纹管16的连接端部18和玻璃管14的端部14a的情况下，与圆筒部17a、17b的内径D1不同于折皱部16a的内径D2的情况相比，能够容易地将波纹管16保持为与玻璃管14同轴状态不变，并以能够一边旋转一边移动的方式加紧。

实施方式不限定于上述实施方式，例如，也可以如下具体化。

·热膨胀差吸收部15不限定于金属制的波纹管16，只要是形成为如下构成即可：其由金属制成且形成为圆环状，并且形成为与玻璃管14的端部14a连接的连接端部18的厚度渐渐变薄，连接端部18以从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部14a的状态与玻璃管14连接。作为热膨胀差吸收部15，也可以使用金属制(例如，不锈钢制)的隔膜。如图2所示，金属制的隔膜20不作为阀来使用，而用于吸收中心金属管12的热膨胀量与玻璃管14的热膨胀量之间的差。隔膜20具有：圆环状的主体部21，其直径比玻璃管14的直径大；环状的连接端部22，其与主体部21的外周缘连续形成，且直径与玻璃管14的直径相同；以及连续部23，其内周端相对于连接端部22以朝径向外侧弯曲的方式与连接端部22连续，且外周端与主体部21的外周缘连续。在主体部21形成有确保挠性的环状凹部21a。连接端部22形成为其厚度趋近前端而渐渐变薄，连接端部22以从玻璃管14的端面14b进入玻璃管14的端部14a的状态与玻璃管14连接。隔膜20在中心金属管12的热膨胀量与玻璃管14的热膨胀量的差较小的情况下，即在太阳能集热管11的全长较短的情况下使用。

·玻璃管14不限定于整体由相同的材质形成，也可以形成为以下构成，即：使用如下这样的玻璃，该玻璃中的与波纹管16的连接端部18或者与隔膜20的连接端部22连接而构成封接构造的部分的热膨胀系数，与构成玻璃管14的其它部分的玻璃的热膨胀系数相比，更接近连接端部18、22的金属的热膨胀系数，例如可伐合金玻璃。该情况下，由于玻璃管14的端部14a的热膨胀系数与直接接触端部14a的连接端部18、22的热膨胀系数的差变小，所以作用于端部14a的应力变小。

·波纹管16不限定于圆筒部17a、17b的内径D1与折皱部16a的内径D2相同的结构，圆筒部17a、17b的内径D1既可以比折皱部16a的内径D2大，也可以比折皱部16a的内径D2小。

·波纹管16不限定于具有圆筒部17a、17b的直径相同的构造，圆筒部17a的直径既可以比圆筒部17b的直径大，也可以比圆筒部17b的直径小。

·波纹管16的折皱部16a的褶壁不限定于V形，也可以是具有U形的褶壁的结构。

·波纹管16不限定于是具有连接端部18的内径与折皱部16a的内径相同的构造的波纹管，也可以形成为连接端部18的突出位置位于具有与折皱部16a的外径相等的内径的假定圆筒的内侧。

·对于波纹管16与中心金属管12之间的连接而言，也可以不在中心金属管12形成凸缘部12a，而在波纹管16的圆筒部17a形成凸缘部，并通过将该凸缘部焊接于中心金属管12的端部来进行连接。

·也可以由不锈钢以外的金属形成中心金属管12、波纹管16或者隔膜20。

·作为热膨胀差吸收部的波纹管16或者隔膜20的材质也可以是线膨胀系数为5.0～5.2×10^-6(K^-1)的金属。作为该金属，可以例举出在铁中配合有镍以及钴等而成的合金亦即可伐合金。组成是重量％为Ni29％、Co17％、Si0.2％、Mn0.3％、Fe53.5％。该情况下，通过将构成玻璃管14的封接构造的部分设为可伐合金玻璃制，能够使构成热膨胀差吸收部以及玻璃管14的封接构造的部分的热膨胀系数相同，从而能够进一步增大太阳光能够入射的长度相对于太阳能集热管全长的比例。

·波纹管16不限定于是以如下方向制造的波纹管，即：将金属管配置在金属模内，在密闭了金属管的两端的状态下利用水压等液压从内侧施加压力而使金属管膨胀的方法(液压成形)，例如，也可以是焊接波纹管。焊接波纹管与成形波纹管相比弹簧常量较低，与使用了相同材质的相同长度的波纹管相比，相对于作用的力的伸缩量较大，从而难以对连接端部18与玻璃管14的端部14a之间的接合部施加过度的力。

·中心金属管12的凸缘部12a也可以通过对中心金属管12的端部实施弯曲加工来形成。

·隔膜20也可以不具备连续部23，而是现场为连接端部22从主体部21的外周部突出的结构。

·环状空间不限定于环状真空空间13，例如，也可以以通常的大气压同等以上的压力在环状空间充满热传导率比空气的热传导率小的气体，而成为热传导率与真空相同程度的状态。此外，“真空”是指：以比通常的大气压低的压力的气体充满的空间的状态。

附图标记的说明

D1、D2…内径；11…太阳能集热管；12…中心金属管；12a…凸缘部；13…作为环状空间的环状真空空间；14…玻璃管；14a…端部；15…热膨胀差吸收部；16…波纹管；16a…折皱部；17a、17b…圆筒部；18、22…连接端部；20…作为热膨胀差吸收部的隔膜。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种太阳能集热管，其特征在于，具备：

中心金属管，载热体能够在该中心金属管中流通；

玻璃管，该玻璃管以在其与所述中心金属管之间形成环状空间的方式覆盖所述中心金属管的外周，所述玻璃管具备端部，且该端部具有端面；以及

热膨胀差吸收部，该热膨胀差吸收部吸收所述中心金属管与所述玻璃管之间的热膨胀差，

所述热膨胀差吸收部由金属制成且形成为圆环状，并且具有与所述玻璃管的所述端部连接的连接端部，所述连接端部形成为其厚度渐渐变薄，所述连接端部以从所述玻璃管的所述端面进入所述玻璃管的所述端部的状态与所述玻璃管连接，

所述玻璃管的与所述热膨胀差吸收部的连接端部连接的部分和其它部分由相互不同的材质形成，作为与连接端部连接的部分的材质，使用如下这样的玻璃，即：该玻璃的热膨胀系数与构成其它部分的玻璃相比更接近连接端部的金属的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述热膨胀差吸收部的材质的线膨胀系数为5.0～5.2×10^-6(K^-1)。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述热膨胀差吸收部是金属制的波纹管。

4.根据权利要求3所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述金属制的波纹管在折皱部的两端形成有圆筒部，所述折皱部的内径形成为与所述圆筒部的内径相同。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述中心金属管由不锈钢制成。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述金属制的波纹管通过焊接于形成在所述中心金属管的凸缘部来与所述中心金属管连接。

7.(删除)

Claims (7)

1.一种太阳能集热管，其特征在于，具备：

中心金属管，载热体能够在该中心金属管中流通；

玻璃管，该玻璃管以在其与所述中心金属管之间形成环状空间的方式覆盖所述中心金属管的外周，所述玻璃管具备端部，且该端部具有端面；以及

热膨胀差吸收部，该热膨胀差吸收部吸收所述中心金属管与所述玻璃管之间的热膨胀差，

所述热膨胀差吸收部由金属制成且形成为圆环状，并且具有与所述玻璃管的所述端部连接的连接端部，所述连接端部形成为其厚度渐渐变薄，所述连接端部以从所述玻璃管的所述端面进入所述玻璃管的所述端部的状态与所述玻璃管连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述热膨胀差吸收部的材质的线膨胀系数为5.0～5.2×10^-6(K^-1)。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述热膨胀差吸收部是金属制的波纹管。

4.根据权利要求3所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述金属制的波纹管在折皱部的两端形成有圆筒部，所述折皱部的内径形成为与所述圆筒部的内径相同。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述中心金属管由不锈钢制成。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述金属制的波纹管通过焊接于形成在所述中心金属管的凸缘部来与所述中心金属管连接。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的太阳能集热管，其特征在于，

所述玻璃管的与所述热膨胀差吸收部的连接端部连接的部分和其它部分由相互不同的材质形成，作为与连接端部连接的部分的材质，使用如下这样的玻璃，即：该玻璃的热膨胀系数与构成其它部分的玻璃相比更接近连接端部的金属的热膨胀系数。