JP2007107867A - 真空平板式太陽熱収集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集熱板等を収容する真空室を窓ガラスと金属筐体とで形成すると、窓ガラスと金属筐体の真空封止を完全にすることが難しく、また大気圧から窓ガラスを支えるために多数の柱を必要としていた。
【解決手段】外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状の窓ガラス１と、窓ガラス１と同じ線拡張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状のガラス筐体２と、窓ガラス１及びガラス筐体２と同じ線拡張率を有し、窓ガラス１の周縁部とガラス筐体２の周縁部との間で両者を融着して真空封止するガラス枠３とを備え、更にガラス枠３の外周に密着して金属枠１３を取り付けてガラス枠３を補強し、ガラスとガラスとの融着により真空封止を完全にし、窓ガラス１をドームのようにして多数の柱を不要にした。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽熱収集装置、特に筐体内の高真空を長期にわたって維持できるようにした真空平板式太陽熱収集装置に関するものである。

真空平板式太陽熱収集装置においては、窓ガラスと金属の筐体を使用し、筐体内を高真空にして真空室を形成することにより効率を高めているが、高真空を長期的に維持することは困難であった。
そこで本共同発明者の１人によって、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成し、筐体の側壁と窓ガラスの端面との間に金属ガスケットを設け、加熱後冷却する筐体の収縮によって金属ガスケットに圧縮力を掛けて真空封止した真空平板式太陽熱収集装置が提案されている（特許文献１参照）。

一方、本共同発明者の１人によって、膨らみを持ったシェル構造のセグメントの集合体で構成した窓ガラスと金属の筐体を使用した真空平板式太陽熱収集装置が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１９４４１８号公報 特開２００１−１６５５０９号公報

従来の技術においては、窓ガラスと金属の筐体を使用するため、窓ガラスと筐体とを全長数メートルにわたって真空封止し、高真空を維持することは容易ではなかった。
これは、ガラスと金属という異質なものを真空封止する困難さに起困するものであり、例えば、特許文献１では、金属半田で溶着するだけでなく、加熱後冷却する金属筐体の収縮力を利用してこの問題を解決している。
そのため、窓ガラスの線膨張率より大きい線膨張率を有する金属で筐体を形成しなければならないという制約があった。
また、大気圧に対して窓ガラスを支える多数の柱が必要であった。

上記課題を解決するため、本発明は、金属筐体を使用せずに、ガラス筐体を使用するものであり、太陽光を透過させ、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状の窓ガラスと、窓ガラスと同じ線膨張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状のガラス筐体と、窓ガラス及びガラス筐体と同じ線膨張率を有し、窓ガラスの周縁部とガラス筐体の周縁部との間で両者を融着して真空封止するガラス枠とを備えたものである。
また、ガラス筐体とガラス枠とを別体に形成することなく、ガラス筐体の周縁部にガラス枠を一体に形成し、窓ガラスの周縁部とガラス枠とを融着して真空封止したものである。
更に、ガラス筐体とガラス枠とを備えたことによって、長年にわたる真空の保持は可能になるが、大気圧によって窓ガラス及びガラス筐体がガラス枠に大きな外向き力を加えるので、場合によってはガラス枠が破壊する恐れがある。そのため、更にガラス枠の外側に密着して金属枠を取り付け、ガラス枠を補強してガラス枠と金属枠との共同作用で長年にわたる真空の保持を確実にした。

本発明は、外部に対し全体として凸型に膨らんだ窓ガラスと、窓ガラスと同じ線膨張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだガラス筐体を、同じ線膨張率を有するガラス枠に融着し、もしくはガラス筐体と一体に形成したガラス枠に窓ガラスを融着することにより、真空封止を完全にすることができる。
また、窓ガラスとガラス筐体が、ドームのように全体として凸型に膨らんだ形状に形成されているので、このようにして作られた容器の内部を真空にして窓ガラスに大気圧をかけると、大気圧によって窓ガラスは平たくなってその直径を大きくしようとするが、ガラス枠と金属枠によってその直径の変化が制限されているので、直径は大きくならずにその代わりに窓ガラスの内部に大きな圧縮応力が生じて、結果として窓ガラスの強度を強化するようになる。そのため窓ガラスが平板の時に必要とした窓ガラスを支える多数の柱を無くすことができ、更に集熱板にその柱を通す穴も不要にすることができる。
また、窓ガラスとガラス筐体が完全に真空封止されるので、真空引きをしながら大気中でベーキングを行うことができ、真空炉を不要にすることが可能となる。

太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、集熱板に固着された集熱パイプとを真空室内に有する真空平板式太陽熱収集装置を円形に構成し、ドームのように外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状の窓ガラスと、窓ガラスと同じ線膨張率を有し、ドームのように外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状で内面に金属を蒸着したガラス筐体と、窓ガラス及びガラス筐体と同じ線膨張率を有し、窓ガラスの周縁部とガラス筐体の周縁部との間で両者を融着して真空封止するガラス枠と、ガラス枠の外周に密着して取り付けた金属枠と、ガラス筐体の下部に弾性材料で形成した保護ケースと、ガラス枠を貫通して固着され、ガラス枠と同じ線膨張率を有する材料で形成された入力管及び出力管と、入力管及び出力管に接続され、両端部に屈曲部を設けた集熱パイプと、集熱板とガラス枠との隙間を塞ぐ遮蔽板とを備え、窓ガラスとガラス筐体とを完全に真空封止して、高真空を長期にわたって維持できる真空平板式太陽熱収集装置を実現した。

図１は本発明の実施例１を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
図１，２において、実施例１に係る真空平板式太陽熱収集装置は、窓ガラス１と、窓ガラス１に対向するガラス筐体２と、窓ガラス１の周縁部とガラス筐体２の周縁部との間で両者を融着するガラス枠３とで真空室を形成し、その中に集熱板４と、集熱板４に固着された集熱パイプ５とを収容して構成されている。
更にガラス枠３にはその外周に密着して金属枠１３が取り付けられている。

また、ガラス枠３には入力管６及び出力管７が貫通し固着されており、集熱パイプ６の両端部には屈曲部８が形成され、屈曲部８の先が入力管６及び出力管７にそれそれ接続される。
集熱板４とガラス枠３との間にできる隙間１４には、集熱板４の背後から出る２次放射の赤外線がこの隙間１４を通って上部に逃げて損失となるのを防ぐために、遮蔽板１５が設けられている。この隙間１４の面積は集熱板４とガラス筐体２の合計面積に比べてごく小さいが、その放射率は空洞放射の放射率である“１”に近い大きな値となっているので、面積が小さい割に逃げる放射量は大きいので、遮蔽板１５の効果は大きい。
図２に示すように、集熱板４はガラス筐体２の周辺部に接着された支柱９によって支持されている。また、ガラス筐体２の下面は弾性材料で構成された保護ケース１０によって支持されている。

窓ガラス１は、ドームのように外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状に形成され、太陽光が入射し、透過するように構成されている。
ガラス筐体２は、窓ガラス１と同じ線膨張率を有し、窓ガラス１とは上下が逆であるが、ドームのように外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状に形成されている。ガラス筐体２の下面は凸型に膨らんでいるので、内部が凹型に形成された保護ケース１０に収容され、安定した状態で支持される。
ガラス筐体２は、窓ガラス１と全く同じ材料で同じ形状に形成した例を示しているが、窓ガラス１とは異なり、落下物への配慮が必要ないので、多少強度を低くした材料や形状であっても良い。
窓ガラス１とガラス筐体２は、開いた凹面側を互いに対向させて、内部に真空室を形成する。

ガラス筐体２は、素材がガラスであるから、遠赤外線を多く吸収するので、集熱板４の裏面からの２次放射を吸収して損失を増加させる。
その損失を防ぐために、ガラス筐体２の内面にアルミニウムや銅のような金属を蒸着したり、あるいはガラス筐体２と集熱板４の間にアルミ箔やステンレス箔のような金属箔を介在させて集熱板４からの遠赤外線を反射させてこのような損失を防ぐ。
この中で、アルミニウムや銅の真空蒸着は赤外線の反射率が高く、更にアルミニウムには真空度を保つのに役立つゲッター作用があるので、アルミニウムの蒸着が特に推奨される。

ガラス枠３は、窓ガラス１及びガラス筐体２と同じ線膨張率を有し、環状（エンドレスにつながった状態を意味する）に形成されている。太陽熱収集装置の形状に合わせて、ガラス枠３は丸い環状や角を丸めた角型の環状に形成される。
ガラス枠３には内周の角部を削り取ったような形状のテーパー部１１，１２が形成されている。
図２に示すように、ガラス枠３は窓ガラス１の周縁部とガラス筐体２の周縁部との間にあって、窓ガラス１の周縁部の切り口である端面と上側のテーパー部１１が対向し、ガラス筐体２の周縁部の切り口である端面と下側のテーパー部１２が対向し、加熱することによって窓ガラス１及びガラス筐体２の端面とテーパー部１１，１２が融着して真空封止される。
なお、ガラス枠３は、ガラス筐体２とは別体に形成した例を示しているが、ガラス筐体２の製造時に、ガラス筐体２の周縁部に垂直壁のように一体に形成しても良い。このようにすると融着工程が１回減少する利点がある。

窓ガラス１、ガラス筐体２及びガラス枠３はすべて同じ線膨張率のガラス材料で形成されているので、融着した部分は全く一体となり、完全に真空封止され、高真空は長期間にわたり維持される。
また、ガラス枠３内を貫通し固着されている入力管６及び出力管７もガラス枠３と同じ線膨張率を有する材料のセラミック、金属等で形成されるので、その固着部分の真空封止も完全である。
なお、窓ガラス１、ガラス筐体２、ガラス枠３等に線膨張率の異なる材料を使用した場合には、温度変化による膨張、収縮により破損したり、真空封止が壊されんりするが、線膨張率を同じにしておけばこのような心配はない。

集熱板４は熱伝導度の良い金属、例えば銅やアルミニウムで形成され、太陽熱を受けて集熱パイプ５内の熱媒体を熱して蒸気にする。
集熱パイプ５は集熱板４と同じく熱伝導度の良い金属、例えば銅やアルミニウムで形成されており、入力管６から熱媒体を供給し、集熱パイプ５内で蒸気となった熱媒体を出力管７から排出して外部にエネルギーを取り出す。

集熱パイプ５の両端部に設けられた図１の屈曲部８は温度変化による集熱パイプ５の伸縮を吸収するためのものである。
集熱板４や集熱パイプ５は通常の場合１５０℃以下であるけれども、何かの事情で空焚きになった時には４００℃程度にもなるが、例えば直径１ｍの集熱板４の場合、集熱板４も集熱パイプ５も数ｍｍ膨張する。このため、数ｍｍになる伸縮を吸収するための屈曲部８が必要となる。
なお、屈曲部８は、集熱板４には固着されず、フリーの状態になっており、集熱板４や集熱パイプ５が高温になって伸長しても、また、冷却されて収縮しても、これらを吸収することができる。

図２に示したように、集熱板４を支持する支柱９は、熱伝導を少なくするために、先端を丸くし、集熱板４と支柱９との接触面積を減らして熱損失を減らす。支柱の材質はガラスやセラミックが適当である。
また、ガラス筐体２を支える保護ケース１０は、例えばゴムやプラスチックのような弾性材料で構成され、ガラス筐体２を安定的に支持するだけでなく、その弾力により太陽熱収集装置に加わる衝撃を緩和する機能を有している。
集熱板４とガラス枠３との間の隙間を塞ぐ遮蔽板１５には、赤外線を反射する金属の薄板が用いられる。

図３は実施例１のガラス枠を示す平面図である。
図２のように窓ガラス１とガラス筐体２とで真空室を形成し、その内部を高真空、例えば０．１パスカル以下にした場合、ガラス枠３は、窓ガラス１及びガラス筐体２に掛かる大気圧による水平方向の力を、窓ガラス１及びガラス筐体２の端面とテーパー部１１を通して矢印Ｂのように受けることになる。
ガラス枠３及び金属枠１３はその幅によって矢印Ｂのような力を吸収する。ガラス枠３だけで吸収する場合は幅を大きくしなければならないので、金属枠１３で補強する。

例えば、窓ガラス１及びガラス筐体２の直径Ｄを１，３００ｍｍ、窓ガラス１の中央部の高さｈを１５０ｍｍ、窓ガラス１の厚さｔを５ｍｍとした場合、窓ガラス１にかかる圧縮力は１．４８ｋｇ／ｍｍ^２となる。
この圧縮力によってガラス枠３の内周面には１．４８ｋｇ／ｍｍ^２の圧力が掛かり、この圧力のＤ／２ｔ倍の引っ張り力がガラス枠３内に発生する。上例ではＤ／２ｔは１３０であるから約１９２ｋｇ／ｍｍ^２程度の大変大きな引張り力がガラス枠３に掛かる。ガラスは引っ張り力には弱いので、ガラス枠３だけではその幅をかなり大きくしないと、ガラス枠３はこの大きな引っ張り力で破壊することがある。
それで環状の金属枠１３をガラス枠３の外周に密着させて設け、窓ガラス１からの力はその大半を金属枠１３で受け持つようにする。この金属枠１３の必要な幅Ｗは、Ｄ，ｈ，ｔの値によって変化するが、１０ｍｍ前後程度で十分になるようにＤ，ｈ，ｔを選ぶ。この金属枠１３にはガラスとほぼ同じ線膨張率を持つ鉄が望ましい。

なお、空気抜きパイプ１６は金属製又はガラス製で、ガラス枠３を貫通し固着されている。固着部分が真空封止されることは勿論である。
空気抜きパイプ１６は、窓ガラス１及びガラス筐体２とで形成した真空室から空気を抜くためのものである。

窓ガラス１、ガラス筐体２、集熱板４、集熱パイプ５等が吸蔵しているガスを追い出すベーキング処理は、従来、真空炉中で真空室を形成するための真空封止と共に行われるが、実施例１では大気中で窓ガラス１とガラス筐体２の真空封止ができるので、ベーキングも大気中で空気抜きパイプ１６を通して真空ポンプにより真空引きをしながら、電磁誘導等による加熱器で２５０℃〜５００℃加熱して行うことができる。
このようにベーキング処理を終えて真空室内が高真空になったら空気抜きパイプ１６が金属製の場合は圧縮装置で、ガラス製の場合はパイプ１６を高温に加熱して軟化させ、矢印Ｃのように潰して真空封止をする。

図４は実施例１の一部を拡大した断面図で、窓ガラス及びガラス筐体とガラス枠との融着部分を示している。
この融着部分は互いに同じガラスなので、完全に一体になることは説明したが、窓ガラス１及びガラス筐体２にそれぞれ掛かる大気圧による力は、それぞれの端面及びテーパー部１１，１２を通してガラス枠３に加えられる。
その力は垂直方向の力Ｎと水平方向の力Ｆに分解されるが、垂直方向の力Ｎは窓ガラス１からのものとガラス筐体２からのものでは方向が反対で大きさは同じなので互いに打ち消し合い、水平方向の力Ｆがそれぞれ加わることになる。
従って、ガラス枠３及び金属枠１３には、水平方向の力の合計２Ｆが加わるので、特に金属枠１３はそれらの力を吸収できるだけの幅Ｗを有することが求められる。

本発明の実施例１によれば、外部に対し全体として凸型に膨らんだ窓ガラスと、窓ガラスと同じ線膨張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだガラス筐体を、同じ線膨張率を有するガラス枠に融着し、もしくはガラス筐体と一体に形成してガラス枠にガラスを融着するので、真空封止を完全にすることができる。
更に、ガラス枠の外周に密着して金属枠を取り付けることによりガラス枠を補強してガラス枠と金属枠との共同作用で長年にわたる真空の保持を確実にすることができる。
また、窓ガラスとガラス筐体が、ドームのように全体として凸型に膨らんだ形状に形成されているので、窓ガラス、ガラス筐体及びガラス枠には大気圧による強い力が掛かり、ガラスの内部に大きい圧縮応力が発生し、ガラス自体の強度が増加することにより、大気圧を支える多数の柱を無くすことができ、更に柱が無いため、集熱板にその柱を通す穴も不要にすることができる。

また、従来技術では真空炉中で高温加熱をしてベーキング処理を行うと共に、窓ガラスと金属筐体の真空封止を行っているが、実施例１では窓ガラスとガラス筐体が大気中で完全に真空封止されるので、真空引きをしながら大気中でベーキング処理を行うことができ、真空炉を不要にすることが可能となる。

図５は本発明の実施例２の一部を拡大した断面図で、窓ガラス及びガラス筐体とガラス枠との融着部分を示しているが、その他の部分は実施例１と同じである。
窓ガラス２１及びガラス筐体２２は、その周縁部が水平に形成され、ガラス枠２３の上面に窓ガラス２１の周縁部の下面が融着され、ガラス枠２３の下面にガラス筐体２２の上面が融着されている。ガラス枠２３の外周面には補強のための金属枠２４が取り付けられている。
なお、ガラス枠２３は、ガラス筐体２２の製造時に、ガラス筐体２２の周縁部に垂直壁のように一体に形成しても良いことは勿論である。
融着部分は実施例１において説明したようにガラス同士なので完全に一体となり、図４と比較しても分かるようにほとんど同形になる。

窓ガラス２１及びガラス筐体２２に掛かる大気圧による力は実施例１と同じであり、金属枠２４はその水平方向の力の合計２Ｆを吸収できるだけの幅を持つことが必要である。
本発明の実施例２によれば、実施例１と同等の効果を奏する。

なお、上記した実施例１、２では、太陽熱収集装置として円形の場合を説明したが、これに限定されるものではなく、角を丸くした角形であっても本発明を適用することができる。

本発明の実施例１を示す平面図である。 実施例１の断面図である。 実施例１のガラス枠を示す平面図である。 実施例１の一部を拡大した断面図である。 本発明の実施例２の一部を拡大した断面図である。

符号の説明

１ 窓ガラス
２ ガラス筐体
３ ガラス枠
４ 集熱板
５ 集熱パイプ
６ 入力管
７ 出力管
８ 屈曲部
９ 支柱
１０ 保護ケース
１１，１２ テーパー部
１３ 金属枠
１４ 隙間
１５ 遮蔽板
１６ 空気抜きパイプ
２１ 窓ガラス
２２ ガラス筐体
２３ ガラス枠
２４ 金属枠

Claims (9)

1. 太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、前記集熱板に固着された集熱パイプとを真空室内に有する真空平板式太陽熱収集装置において、
   太陽光を透過させ、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状の窓ガラスと、前記窓ガラスと同じ線膨張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状のガラス筐体と、前記窓ガラス及びガラス筐体と同じ線膨張率を有し、前記窓ガラスの周縁部と前記ガラス筐体の周縁部との間で両者を融着して真空封止するガラス枠とを備えたことを特徴とする真空平板式太陽熱収集装置。
2. 太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、前記集熱板に固着された集熱パイプとを真空室内に有する真空平板式太陽熱収集装置において、
   太陽光を透過させ、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状の窓ガラスと、前記窓ガラスと同じ線膨張率を有し、外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状で、周縁部にガラス枠を一体に形成したガラス筐体とを備え、前記窓ガラスの周縁部と前記ガラス枠とを融着して真空封止することを特徴とする真空平板式太陽熱収集装置。
3. 前記ガラス枠の外周に密着して金属枠を取り付けたことを特徴とする請求項１又は２記載の真空平板式太陽熱収集装置。
4. 前記ガラス筐体の内面に金属を蒸着したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空平板式太陽熱収集装置。
5. 前記ガラス筐体の下部に、前記ガラス筐体を支える弾性材料で形成された保護ケースを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空平板式太陽熱収集装置。
6. 前記ガラス枠に、前記ガラス枠と同じ線膨張率を有する材料で形成された入力管及び出力管を貫通し固着したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の真空平板式太陽熱収集装置。
7. 前記入力管及び出力管に接続される前記集熱パイプの両端部に屈曲部を形成したことを特徴とする請求項６記載の真空平板式太陽熱収集装置。
8. 前記ガラス筐体の底面の周辺部に接着した支柱により前記集熱板を支持することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の真空平板式太陽熱収集装置。
9. 前記集熱板とガラス枠との隙間を塞ぐ遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の真空平板式太陽熱収集装置。

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