JP2007178056A

JP2007178056A - 真空太陽熱収集装置

Info

Publication number: JP2007178056A
Application number: JP2005376848A
Authority: JP
Inventors: Shunsaku Nakauchi; 俊作中内
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】窓ガラスに掛かる大気圧によって窓ガラスが破壊しないように、多数の柱で窓ガラスを支え、集熱板にその柱を通す穴をあけることが必要であった。
【解決手段】太陽光を透過させ、周辺部より中央部が外部に膨らんだドーム状の窓ガラスと、窓ガラスを嵌める金属製の枠と、窓ガラスの外周と枠との間に挿入される金属製のガスケットと、側壁が枠の外周を囲むように形成され、底板が内部に凹んだ容器状の筐体と、筐体に収容され、太陽光の熱を受ける集熱板とを備えることにより、多数の柱と、柱を通す穴を無くして構造を簡単にした。
【選択図】図２

Description

本発明は、長期間にわたり高真空を維持する真空太陽熱収集装置に関するものである。

従来、窓ガラスと金属の筐体を使用し、長期間にわたり高真空を維持する真空太陽熱収集装置として、本発明者により、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ものが提案されている（特許文献１参照）。
また、本発明者によって、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太陽熱収集装置も提案されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１９４４１８号公報特開２００１−１６５５０９号公報

しかしながら、従来の真空太陽熱収集装置では、窓ガラスに掛かる大気圧によって窓ガラスが破壊しないように、分散して設けられた多数の柱によって、窓ガラスを支持し、大気圧を分散して支えるようにしている。
従って、多数の柱が必須であり、更に多数の柱を通す穴を集熱板にあけることが必要であった。
本発明は多数の柱を廃止し、柱を通すために集熱板にあけていた穴を不要にして構造を簡単にした真空太陽熱収集装置を実現することを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明は、太陽光を透過させ、周辺部より中心部が外部に膨らんだドーム状の窓ガラスと、窓ガラスを嵌める金属製の枠と、窓ガラスの外周と枠との間に挿入される金属製のガスケットと、側壁が枠の外周を囲むように形成され、底板が内部に凹んだ容器状の筐体と、筐体に収容され、太陽光の熱を受ける集熱板とを備えたものである。

本発明は、窓ガラスをドーム状に形成し、その窓ガラスを枠に嵌め、窓ガラスの外周と枠との間に金属製のガスケットを挿入し、更にその枠の外周を、底板を内部に凹ませた筐体の側壁で囲むことにより、窓ガラスに掛かる大気圧を利用してガスケットに大きな圧縮応力を掛けて完全に真空封止をしている。
そのため、従来のように大気圧に対して窓ガラスを支える多数の柱を無くし、集熱板にその柱を通すための穴も不要にして構造を簡単にすることができる。
また、ほぼ一定の大気圧を利用して真空封止するので、太陽熱収集装置の真空度を１０年以上の長期間にわたって高く維持することができる。

窓ガラスを周辺部より中心部が外部に向かって膨らんだドーム状に形成し、窓ガラスをループ状で金属性の枠に嵌め、窓ガラスの外周と枠との間に金属製のガスケットを挿入し、更にその枠の外周を筐体の側壁で囲むようにし、筐体の底部を内部に凹んだ形状に形成する。
このように構成することにより、窓ガラスに掛かる大気圧を利用してガスケットに大きな圧縮応力を掛け、変形を起こさせて真空封止を完全にし、多数の柱とその柱を通す穴を不要にして構造を簡単にすることを実現した。

図１は本発明の実施例１を示す平面図、図２は実施例１の断面図である。
図１，２において、実施例１に係る真空太陽熱収集装置は、太陽光を透過させる窓ガラス１と、窓ガラス１を嵌める枠２と、容器状の筐体３と、筐体３に収容され、太陽熱を受ける集熱板４と、窓ガラス１の外周と枠２との間に挿入されるガスケット５と、集熱板４に取付けられた熱媒体の入るパイプ６と、熱媒体の入力口７と、出力口８と、集熱板４と枠２との隙間を塞ぐための遮蔽板９とを備えている。
窓ガラス１、枠２、筐体３及びガスケット５で作られる筐体３内の密閉された室内は０．１パスカル以下の真空度に保たれている。

実施例１では装置全体として円形に構成しているので、窓ガラス１も図１の平面図では円形に示されているが、断面を示した図２で明らかなように、外部方向に全体として凸型に膨らんだドーム状に形成されている。
窓ガラス１はその周辺部が枠２で支えられており、中間部分には窓ガラス１を支える柱は存在しない。支柱なしで大気圧に耐えるようにするため、窓ガラス１の形状は平板ではなく、周辺部から中央部にかけて山なりに膨らんだドーム状の形状に構成している。
その際、窓ガラス１の周辺部、具体的には枠２で支えられる最下端の角部が全体として一つの平面上の円になるように、凹凸や歪みがないように形成される。このように形成することにより、ガスケット５を溶融して窓ガラス１の外周と枠２との間に流し込む際に、ガスケット５が内部に流出するのを防ぐことができる。
なお、窓ガラスの外周の端面には親和性の良い金属膜を蒸着等の手段で接着させてガスケット５との密着性を向上させるのも良いことである。

窓ガラス１を嵌める枠２は窓ガラス１の形状に対応して円形のループ状に形成され、内側の上部に窓ガラス１の外周の端面を支持するための段差とテーパー部が形成されている。
枠２は大気圧に抗して窓ガラス１を支持するので、強度が必要であり、所定の幅とその幅の６倍以内の高さになるように設計される。また、材料としては、線膨張率がガラスや鉄とほぼ同じで、強度が大きく価格の安い鋼材が適当である。

筐体３は金属板を加工して、側壁と底板が一体に形成され、内部に集熱板４等を収容できるように容器状に形成されている。
筐体３の側壁は窓ガラス１を嵌めた枠２の外周を囲むように構成され、底板が内部に凹んだ形状に形成される。
筐体３の材料としてはガラスの線拡張率とほぼ同じで、強度が大きく安価な鉄が適当である。アルミもそれ自身が吸着している吸着ガスが少なく、且つベーキングによって吸着ガスを追い出すのも容易であるから、筐体３の材料としてアルミも使用することができる。
アルミを採用するときはその線膨張率がガラスと大きく異なるので、太陽熱で達する温度である８０℃以上に上がった時に筐体３と枠２との隙間ができないように考慮して設計する必要がある。

集熱板４は窓ガラス１がドーム状に形成され、筐体３の底板が内部に凹んで上方に膨らんでいるので、それに合わせてほぼ平行になるようにドーム状に形成され、下側に熱媒体の通るパイプ６が張り巡らされて固着されている。
集熱板４の周辺部と枠２との間にできる隙間には、熱媒体４の裏面から出る２次放射の赤外線がこの隙間を通って上部に逃げて損失となるのを防ぐために、赤外線を反射する金属の薄板で成る遮蔽板９が設けられている。
なお、集熱板４は、図示してないが筐体３に固着された柱によって支持されている。

ガスケット５は窓ガラス１の外周の端面と枠２との間にあって真空封止する機能を有するが、長年にわたって真空度を維持するために、ゴムやプラスチックを材料にせず、金属を材料にする。そのための金属としては、銅、亜鉛、鉛、半田等が使用できるが、一般的には溶融温度が低い方が流し込みによってガスケット５を窓ガラス１と枠２の間に形成できるので使い易い。また塑性変形を起こし易い柔らかな金属は特に使い易い。
窓ガラス１と枠２の間に隙間なく金属ガスケット５を充填して、その後に筐体３内を真空にすると、大気圧が窓ガラス１に掛かるようになり、そのため窓ガラス１は大きな圧縮力をガスケット５に掛けて、それによりガスケット５は塑性変形を起こして真空封止を完全にする。

パイプ６は熱媒体を入力口７から取り入れ、出力口８から排出するもので、入力口７側が上になり、出力口８側が下になるように設置して、熱媒体が重力により入力口７から出力口８に向かうようにする。
このようにすると熱媒体はパイプ６内を通る際、集熱板４が収集した太陽熱を取り込んで、外部に太陽熱エネルギーを効率よく取り出すことができる。

さて、真空太陽熱収集装置を上記のような構造にすることにより、大気圧によって窓ガラス１に掛かる力は、窓ガラス１の周辺部にあるガスケット５を通して枠２に掛かり、窓ガラス１には圧縮応力が掛かるようになり、窓ガラス１は強化される。
図２のように、窓ガラス１の中央を通る断面が円弧を成している場合、窓ガラス１の周辺部（端面）が固定されているとして、周辺部が形成する平面から窓ガラス１の中央部に至る高さｈと周辺部の直径Ｄによって、窓ガラス１に生ずる大気圧ｐによる圧縮応力の大きさが決まる。
この圧縮応力の大きさをσとして、枠２が円形のリングの場合、σの大きさは窓ガラスの周辺部が水平線となす角度をθとして次式で示される。
σ＝Ｎ／ｔ、ただし、ｔは窓ガラス１の厚さ、Ｎ＝Ｄ×ｐ／４／ｓｉｎθ、ｐ＝大気圧（０．０１ｋｇ／ｍｍ^２）、ｓｉｎθ＝Ｄ／２／Ｒ、Ｒ＝（Ｄ^２／４＋ｈ^２）／２／ｈ。

一例をあげると、窓ガラス１の厚さｔ＝５ｍｍ、Ｄ＝１５００ｍｍ、ｈ＝９０ｍｍの場合、圧縮応力の大きさσ＝約３ｋｇ／ｍｍ^２で、ｔとＤが変わらずに同じで、ｈ＝１２０ｍｍの場合、σ＝約１．４ｋｇ／ｍｍ^２である。
この窓ガラス１に掛かる大きな圧縮応力の反力として、ガスケット５にも大きな圧縮力が掛かる。上例によれば、ｈが９０ｍｍのときは、５ｍｍ×３ｋｇ／ｍｍ^２＝１５ｋｇ／ｍｍとなる。即ち窓ガラス１の円周１ｍｍ当たりに約１５ｋｇの圧縮力が掛かる。
この圧縮力は窓ガラス１が大気圧によって変形してその直径を大きくすると、窓ガラス１内に発生する引っ張り応力によって小さくなるけれども、それでもこの圧縮力によって、金属ガスケット５が塑性変形を起こす程度になるように設計しておくことは容易である。塑性変形を起こしたガスケット５の真空封止能力はほぼ完全であって、数十年にわたって筐体３内の気圧を０．１パスカル以下に保つことができる。大気圧によって生ずるガスケット５にかかる圧縮力は、大気圧がほぼ一定であるから、長年にわたって安定して掛かっている。
上記のように窓ガラス１を円形のドーム状に形成することによって、大気圧を利用して窓ガラス１と枠２との間の真空封止を完全にすることができる。

枠２は窓ガラス１によって外部に膨らむような力を受けるが、図１，２に示したように枠２の外部に筐体３を設けることによって、この力は減殺される。筐体３の側壁は枠２の外部を囲むように設けられ、底板の形状は図２に示したように筐体３の内部に向かって凹んでいる。
その凹み方の形状を窓ガラス１のドーム形とほぼ平行になるような形にすると、窓ガラス１が枠２に掛ける圧縮力とほぼ同じ収縮力を枠２に掛けることになる。一般的にはこのように圧縮力と収縮力とがほぼ同じになるように設計する。
なお、凹みの量が大きい程、筐体３に掛かる大気圧による引っ張り応力の大きさは小さくなる。

上記したように、実施例１によれば、窓ガラスをドーム状に形成し、その窓ガラスを枠に嵌め、窓ガラスの外周と枠との間に金属製のガスケットを挿入し、更にその枠の外周を、底板を凹ませた筐体の側壁で囲むことにより、窓ガラスに掛かる大気圧を利用してガスケットに大きな圧縮応力を掛けて完全に真空封止しているので、多数の柱を無くし、集熱板にその柱を通すための穴も不要にして構造を簡単にすることができる。
また、ほぼ一定の大気圧を利用して真空封止するので太陽熱収集装置の真空度を１０年以上の長期間にわたって高く維持することができる。

図３は本発明の実施例２を示す平面図である。
実施例１の装置が全体として円形のドーム状に構成されているのに対し、実施例２は小判型のドーム状に構成されている。勿論、小判型より丸みを帯びた楕円形であっても良い。
図３では真空太陽熱収集装置として窓ガラス１１、枠１２、筐体１３、入力口１７及び出力口１８を示しているが、実施例１とは全体の形状が異なるだけであるから、省略した構成要素を含めて各構成要素及びその機能は同じである。従って、その断面図は実質的に図２と同様になる。

図３に示した窓ガラス１１の両側は、実施例１の円形のドーム状の窓ガラスを半分にした形状になっており、それらの間に窓ガラス１１の直線部分がつながっている。
両側にある半分のドーム状部分で発生する窓ガラスに掛かる大気圧による圧縮力は実施例１の場合と同じである。直線部分ではドーム状の２倍の圧縮力が働いている。

実施例２の場合も、実施例１の筐体と同じく、窓ガラス１１と平行になるように筐体１３の底部が内部に凹んだ形状に形成される。
このように窓ガラス１１と筐体１３の底部を平行にすることによって、枠１２に掛かる窓ガラス１１による圧縮力と同じ大きさで方向が反対の圧縮力（収縮力）を枠１２に掛けるようにし、枠１２に掛かる力をほとんど無くして枠１２の変形を防いでいる。
実施例２によれば実施例１と同等の効果を奏する。

図４は実施例１及び実施例２に使用される枠の断面図である。
実施例１に適用する場合は円形のループ状に形成され、実施例２に適用する場合は小判型又は楕円形のループ状に形状される。
枠の断面から明らかなように、枠の内側の上部には、窓ガラスの外周の端面に対応するテーパー部１０が形成されている。
このテーパー部１０は、図２に示したようにガスケット５を介して窓ガラス１の端面と対向しており、窓ガラス１の端面に発生する大気圧による圧縮力を受け止める役割をする。
また、テーパー部１０の下側には段差が形成されており、窓ガラスの端面の角部と密着して溶融したガスケットの流出を防いでいる。

図５は本発明の実施例３を示す断面図である。
図２とは、窓ガラス２１を支持する枠２２及びその関連部分が異なるだけで他は同じである。
筐体２３の側壁の上部には、枠２２を支える水平部と枠２２の外周を囲む垂直部２７が形成されており、垂直部２７は実施例１における側壁と同じ機能を果たしている。

枠２２は所定の幅を有し、その内周が窓ガラス２１の外周の端面と対向しており、窓ガラス２１の外周と枠２２との間には金属製のガスケット２５が挿入されている。
大気圧による圧縮力を受ける枠２２が筐体２３の上部に位置しているので、垂直部２７の収縮力だけで枠２３を支えるのは困難である。そのため、筐体２３の外周を囲むように鉄等の強固な材料で形成した補強枠２８を設け、筐体２３の垂直部２７と共働して枠２２に収縮力を掛けて枠２２の変形を防止している。

なお、筐体２３内にパイプ２６を固着した集熱板２４を収容しているのは勿論である。
装置として、円形だけでなく、楕円形又は小判型のドーム状に形成しても良いことは言うまでもない。
また、実施例３の場合も実施例１と同等の効果を奏する。

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。本発明の実施例２を示す平面図である。枠の断面図である。本発明の実施例３を示す断面図である。

符号の説明

１，１１，２１窓ガラス
２，１２，２２枠
３，１３，２３筐体
４，２４集熱板
５，２５ガスケット
６，２６パイプ
７，１７入力口
８，１８出力口
９遮蔽板
１０テーパー部
２７垂直部
２８補強枠

Claims

太陽光を透過させ、周辺部より中央部が外部に膨らんだドーム状の窓ガラスと、前記窓ガラスを嵌める金属製の枠と、前記窓ガラスの外周と前記枠との間に挿入される金属製のガスケットと、側壁が前記枠の外周を囲むように形成され、底板が内部に凹んだ容器状の筐体と、前記筐体に収容され、太陽光の熱を受ける集熱板とを備えたことを特徴とする真空太陽熱収集装置。
前記窓ガラスが円形のドーム状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の真空太陽熱収集装置。
前記窓ガラスが楕円形又は小判型のドーム状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の真空太陽熱収集装置。
前記枠の内側に、前記窓ガラスの外周の端面に対応するテーパー部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置。
前記筐体の側壁の垂直部が前記枠の外周を囲むように形成され、前記側壁の外周を囲むように補強枠を設け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太陽熱収集装置。