JP2008185299A

JP2008185299A - 集熱器

Info

Publication number: JP2008185299A
Application number: JP2007020824A
Authority: JP
Inventors: Norio Yotsuya; 規夫肆矢; Hideo Tomita; 英夫富田; Katsuzo Konakawa; 勝蔵粉川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】放物面反射鏡の集点に向かう太陽光を夫々の集熱管で受けるようにして、熱媒体の温度を高温に保つことを目的とする。
【解決手段】集熱器２５は、太陽光を集光する放物面反射鏡１と、この放物面反射鏡１の焦点２の周囲に設け、熱媒体６が流通する複数個の集熱管５と、この複数個の集熱管５が一つの経路に構成するように連通している集熱部４と、これらの放物面反射鏡１と集熱部４を収納した外装２２とで構成したので、複数個の集熱管５には、放物面反射鏡１の焦点２に向かう太陽光が集光するので、集熱部４を流通する熱媒体６の温度が高温に加熱されるようになる。また、放物面反射鏡１の焦点２の周囲に複数個の集熱管５を配置して集熱部４を構成するので、複数個の集熱管５には常に太陽光が集光し、集熱部４からの放熱を低減し集熱効率を向上するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を集光して、太陽熱を回収するの集熱器に関するものである。

従来、この種の集熱器は、放射円筒状の反射鏡の焦点と放射円筒状反射鏡面上の中央を通る開口部頂点との間及び焦線上に、放射円筒状反射鏡長手方向に沿って複数本の集熱管を配置し、集熱管列の最上部管が焦線上に位置するように設け、直射日光と散乱光のいずれも集熱するようにしている（例えば特許文献１参照）。
特開昭５５−１０５１４７号公報

しかしながら、前記従来技術では、反射鏡の焦点上に配置される集熱管は、複数本の集熱管の一部であるため、反射鏡で集光する直射日光を受ける集熱管以外には、直射日光が当たらず集熱管内を通過する熱媒体の温度を高温にできないという課題があった。

また、散乱光を受けることができても、焦点上のように集光できないので、焦点上で集光した太陽熱を他の集熱管で放熱し、集熱器の集熱効率を向上できないという課題もあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、放物面反射鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して、常に集点に向かう太陽光を夫々の集熱管で受けるようにして、熱媒体の温度を高温に保つことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の集熱器は、太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成するように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とで構成したものである。

これよって、複数個の集熱管には、放物面反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度が高温に加熱されるようになる。

また、放物面反射鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して集熱部を構成するので、複数個の集熱管には常に太陽光が集光し、集熱部からの放熱を低減し集熱効率を向上するものである。

本発明の集熱器は、複数個の集熱管に放物面鏡の焦点に向かう太陽光を集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を高温に加熱することができる。

また、集熱部からの放熱を防止し、熱媒体を高温に加熱するための熱量を効率良く回収するものである。

第１の発明は、太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成す
るように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とで構成したことにより、複数個の集熱管には、放物面反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を高温に加熱することができる。
また、放物面鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して集熱部を構成するので、複数個の集熱管には常に太陽光が集光し、集熱部からの放熱を低減し集熱効率を向上することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の集熱部において、放物面反射鏡の焦点から均等の距離に複数個の集熱管を配置したことにより、複数個の集熱管に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管の温度を均一に上昇させることができ、集熱管内を流通する熱媒体を均一に加熱することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の集熱部において、放物面反射鏡の太陽光の反射が焦点に集光可能な領域に複数個の集熱管を配置したことにより、集熱管のすべてが放物面反射鏡に反射する集光した太陽光を受けるので、すべての集熱管の温度を高温に上昇させることができる。

第４の発明は、特に、第１または２の発明の集熱部において、複数個の集熱管を奇数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を両端に分けて配置する時に、中間に位置する集熱管を春分（秋分）時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡の開口部の頂点に配置したことにより、入口側の集熱管と出口側の集熱管に放物面反射鏡に反射し、集光した太陽光を中間に位置する集熱管よりも多く当てるので、集熱管内を流通する熱媒体の温度を集熱管の出口まで低下させないで保つことができる。

第５の発明は、特に、第１または２の発明の集熱部において、複数個の集熱管を偶数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間に位置する集熱管の一部を春分（秋分）時の南中の太陽に正対するときに方物反射面鏡の開口部の頂点に配置したことにより、入口側の集熱管と出口側の集熱管に放物面反射鏡に反射し、集光した太陽光を中間に位置する集熱管よりも多く当てるので、集熱管内を流通する熱媒体の温度を集熱管の出口まで低下させないで高温に保つことができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の集熱部において、複数個の集熱管の端部に複数個の階層仕切られ、夫々の集熱管が連通することで、複数個の集熱管が一つの経路に構成するように入口連通部と出口連通部を設けたことにより、複数個の集熱管を焦点から等距離に配置し、集熱管を潰さないように屈曲するよりもその距離も小さく設定できるので、集熱管のすべてをより焦点に近づけ、放物面反射鏡に反射する太陽光をより集光し、すべての集熱管の温度を高温に上昇させることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の集熱部において、周囲に筒状の透過管を配置し、集熱管の周囲を密閉構造にしたことにより、集熱管の周囲を真空にして空気層を無くすので、集熱管から透過管への対流による放熱を防止し、集熱部の集熱効率を向上することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の集熱部において、複数個の集熱管を焦点の周囲に互いに夫々の集熱管の外壁が接触するよう配置したことにより、複数個の集熱管の放物面反射鏡に反射する集光した太陽光を受けない部分からの放熱を防止するので、集熱部の集熱効率を向上することができる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの発明の集熱部において、放物面反射鏡の焦点を回転の中心として、その周囲を放物面反射鏡が回転できるように支持した回転支
持部と、放物面反射鏡を回転する駆動部と、この駆動部をコントロールする制御部を設け、これらの集熱部と放物面反射鏡と駆動部を収納した外装とで集熱器を構成したことにより、制御部は、太陽の年間の動きをベースに季節や１日の太陽高度に合わせて、駆動部を作動し、放物面反射鏡を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように指示できるので、それにより放物面反射鏡に反射した太陽光が常に焦点に集中し、集熱部の温度を高温に上昇させ、熱媒体を高温に加熱することができる。

（実施の形態１）
図１、図２、図３において、１は、太陽光を集光する放物面反射鏡で、放物面反射鏡１の形状は、太陽光を焦点２に集束させるために放物線で断面を形成され、その方物線を断面とする樋型に構成している。

この樋型の放物面反射鏡１を方位方向（東西方向）に伸ばして一つの放物面反射鏡１を構成している。

放物面反射鏡１の反射面３は、太陽光の反射率を向上させるために、鏡面に仕上げている。反射面３の鏡面仕上げは、放物面反射鏡１を構成する材料によりめっき、蒸着、研磨、塗装等の方法がある。

放物面反射鏡１の加工は、耐熱の樹脂（例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等）を成型、ステンレスをプレス加工、アルミダイカスト成型等の方法がある。またアルミの鏡面仕上げ板を折り曲げる方法もある。

例えば、放物面反射鏡１を耐熱樹脂で成型した時は、鏡面をアルミめっき（蒸着）や塗装で仕上げ、反射面３を形成する。特に、鏡面をアルミめっきする時は、ポリイミド樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリステル樹脂、ポリアミド樹脂等を使用する。また、ステンレスをプレス加工したときは、アルミ電解研磨やバフ研磨等で鏡面を形成することもある。

また、アルミダイカストの成型でもめっき等により鏡面仕上げを行い、アルミダイカスト材料の研磨後の酸化皮膜による反射率の低下を防止することもある。

４は、集熱部で、放物面反射鏡１の放物線の焦点の周囲に配置されている。集熱部４は、複数個の集熱管５（銅管やステンレス管や黄銅管やアルミ管等）で構成され、東西方向に伸ばして構成した樋型の放物面反射鏡１の焦点２（焦線）に沿って配置されている。

複数個の集熱管５は、放物面反射鏡１の焦点２の周囲に焦点２から同一の距離に配置している。放物面反射鏡１の焦点２から均等の距離に複数個の集熱管５を配置して、複数個の集熱管５に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管５の温度を均一に上昇させ、集熱管５内を流通する熱媒体６を均一に加熱している。

複数個の集熱管５は、夫々の端部が順次連結され、一経路に連通するように構成している。これにより、集熱管５内を流通する熱媒体６の流速を低下させないで、集熱管５の集光状態の太陽光を受ける面積を拡大して太陽熱を回収するようにしている。

集熱部４は、複数個の集熱管５を奇数個設け、集熱部４に流入する熱媒体６の入口側７と出口側８を両端に分けて配置する時に、中間９に位置する集熱管５を春分（秋分）時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡１の開口部１０の頂点に配置して、入口側７の集熱管５と出口側の集熱管５に放物面反射鏡１に反射し、集光した太陽光を中間９に位置する集熱管５よりも多く当て、集熱管５内を流通する熱媒体６の温度を集熱管５の出口側
８まで低下させないで保つようにしている。

放物面反射鏡１は、春分（秋分）時の南中の太陽に正対する位置を基準にすることで、夏至や冬至の時の太陽高度の大きな変化の中で、年間を通して長い期間、日射を受けるようにしている。

集熱管５は、入口側７から中間９に部分と中間９から出口側８に連結する時に集熱管５が潰れないように曲率をもたせて折り返すような構成にしている。この集熱管５の折り返す部分は、放物面反射鏡１の内側に設けるようにしている。

この時、入口側７の集熱管５と出口側８の集熱管５は、放物面反射鏡１内に入る部分と放物面反射鏡１から出る部分は、一本の集熱管５で構成し、焦点２上に配置し、そこに太陽光を集光するようにしている。

放物面反射鏡１では、開口部１０の幅を大きくすることにより焦点２に集光する太陽光の量を増加し、集熱部４の温度を高温に上昇するようにしている。

熱媒体６は、代替フロン（ＨＦＣ：ＨｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｅｄＦｌｕｏｒｏＣａｒｂｏｎ）の１３４Ａや二酸化炭素（ＣＯ2）を使用するか、または熱媒体油（シリコーン油のような鉱物油）を使用している。

放物面反射鏡１は、一方向の太陽光しか焦点２を結ばないので、集熱部４に太陽光を集中させるためには、樋型の放物面反射鏡１に対して垂直の太陽光を当てるかまたは樋型の方位方向に平行の適当な角度の太陽光を当て反射面３に反射させ反対側の集熱部３に同一の角度で跳ね返り集光する必要がある。

この放物面反射鏡１の特性に合わせるために、放物面反射鏡１を固定した集熱部４の周囲に回転させるための駆動部１１とこの駆動部１１により放物面反射鏡１を同一の角度に一体で回転させる作動部１２を設けている。

ただし、集熱部４は、春分（秋分）時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡１の開口部１０内での位置関係を決めて固定しているので、太陽高度に合わせて放物面反射鏡１は、常に太陽に正対するが、集熱部４は、太陽が春分（秋分）時の南中の高度以外は、複数個の集熱管５のどこかに太陽光が当たるようにしている。

駆動部１１は、モーターとギアやカムを組み合わせて軸に装着した駆動部作動板１３を回転し、この駆動部作動板１３に一部に取り付けられた棒状の作動部１２を装着している。また、駆動部１１は、ステッピングモーターを使用して、自在の角度に設定することも可能である。

作動部１２は、駆動部作動板１３にピン１５で固定されるが、自在に回転できるようにしてあり、駆動部作動板１３の回転により押したり引いたりする動作を行うようにしている。

放物面反射鏡１の端部に設けた駆動部作動板１３と同等の形状の反射鏡作動板１４に作動部１２の一方の端部をピン１５で固定し、駆動部作動板１３と同じように自在に回転できるようにしてあり、駆動部作動板１３の回転により押したり引いたりする動作に連動して、反射鏡作動板１４が押されたり引かれたりして集熱部４を軸として放物面反射鏡１が回転するようになっている。

反射鏡作動板１４は、放物面反射鏡１の両端部に装着した端面１６のどちらか一方（両端の端面１６でも可能である）に固定されている。

端面１６は、放物面反射鏡１と同等の材料と表面処理を行うようにしている。この端面１６に開口１７を設け、集熱部４の入口側７と出口側８の集熱管５が挿入されている。端面１６の開口１７を集熱部４に接触しないように延長して筒状の軸受け部１８を設け、その周囲に回転軸受け１９を設けている。

回転軸受け１９は、ベアリング軸受けまたは非接触の流体軸受けを使用している。回転軸受け１９の一方は、回転支持部２０に固定され、これにより放物面反射鏡１は、集熱部４と接触しないように独立した構成に設けられている。

複数個の集熱管５の表面には、選択吸収膜を形成している。（図示なし）選択吸収膜は、集熱管５の表面に黒色の黒クロムまたは無電解ニッケルのめっき処理を行うようにしている。また、めっきの替わりにマンガン系の黒色塗料を塗布することもある。

２１は、駆動部１１の動作をコントロールする制御部で、制御部２１は、マイコン等に記憶した太陽の年間の動きをベースに季節や１日の太陽高度に合わせて、駆動部１１を作動し、作動部１２を動かして放物面反射鏡１を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように指示している。

それにより放物面反射鏡１に反射した太陽光が集熱部４を焦点２にして集中し、集熱部４の温度を高温に上昇させるようにしている。

２２は、放物面反射鏡１と集熱部４と作動部１２と駆動部１１を収納した外装で、上部に透過体２３の開口を設けた箱状に構成している。

外装２２は、腐食の少ないステンレスや耐候性のある樹脂材料（例えば、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂等）で構成してあり、内部は、放物面反射鏡１や集熱部４の周囲を外装断熱材２４で覆うようにして、外装２２の内壁に沿って充填している。

外装断熱材２４は、耐熱性のロックウール、グラスウール等で構成している。外装断熱材２４の表面は、硬化させて、それだけで壁面を構成するかまたは板で内面を補強して構成するようにしている。

透過体２３は、放物面反射鏡１の上部に設けられ、太陽光を取り込み、放物面反射鏡１の内部に雨やホコリが侵入するのを防止している。

透過体２３は、太陽光を通過させるために透過率の大きな透明ガラスを使用している（このような透明ガラスの日射透過率は、約９０％である）。この透過体２３に向かって外装断熱材２４を傾斜させて、上方に広がるように構成して、太陽の高度に合わせて反射鏡で太陽光を多く受けられるようにしている。

２５は、放物面反射鏡１と集熱部４を外装断熱材２４で囲み、収納するとともに放物面反射鏡１の上部を透過体２３で開口した外装２２で構成した集熱器である。

２６は、熱媒体６の循環ポンプ、２７は、熱媒体６が流れる回路、２８は、熱媒体６からの高温の熱を蓄える蓄熱槽である。蓄熱槽２８は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めるようにしている。

以上のように構成された集熱器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、制御部２１に運転の支持があたえられることにより、制御部２１は、循環ポンプ２６を作動し、熱媒体６を回路２７内に循環させ、集熱器２５に送る。集熱器２５では、制御部２１が、マイコン等に記憶するその日の太陽高度データに合わせて、駆動部１１を回転させ、作動部１２を動かし、集熱部４（複数個の集熱管５）の周囲で放物面反射鏡１を回転させ、太陽光が放物面反射鏡１の開口部１０の頂点に沿ってに垂直に当たるような位置に向ける。

例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して放物面反射鏡１の反射面３にどの方向からも直角に当たり、その反射光は、放物線で反射し、焦点２の周囲に設けた集熱部４に太陽光を集中させて、集熱部４の温度を上昇させる。

図２の（ａ）、（ｂ）のように異なる太陽高度により、太陽光の入射方向が異なっても、放物面反射鏡１の回転により、放物面反射鏡１に太陽光を垂直に当てるようにしている。集熱部４の表面に装着した選択吸収膜により、太陽光の約９０％が集熱部４に吸収され、集熱部４の温度が上昇する。

集熱部４に熱媒体６が送られると、集熱部４の熱を受け、熱媒体６は、高温の液体または蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざったもの等）を形成して蓄熱槽２８に送られる。蓄熱槽２８では、この液体または蒸気を受けて１００℃以上の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体６の液体または蒸気は、蓄熱槽２８で凝縮して液体となり、循環ポンプ２６により再度、集熱器２５に送られ、加熱されるようにしている。

この動作を太陽熱の供給が可能な間、繰り返すことにより、必要な熱量を蓄熱槽２８に維持するようにしている。この時、制御器２１は、太陽の高度の動きに合わせて放物面反射鏡１を随時動かし、太陽が南中から方位が変化していても太陽光が常に放物面反射鏡１に反射して、焦点２に到達するように駆動部１１をコントロールしていく。

以上のように、本実施の形態においては、太陽光を集光する放物面反射鏡１と、この放物面反射鏡１の焦点２の周囲に設け、熱媒体６が流通する複数個の集熱管５と、この複数個の集熱管５が一つの経路に構成するように連通している集熱部４と、これらの放物面反射鏡１と集熱部４を収納した外装２２とで構成したので、複数個の集熱管５には、放物面反射鏡１の焦点２に向かう太陽光が集光するので、集熱部４を流通する熱媒体６の温度を高温に加熱することができる。

また、本実施の形態においては、放物面反射鏡１の焦点の周囲に複数個の集熱管５を配置して集熱部４を構成するので、複数個の集熱管５には常に太陽光が集光し、集熱部４からの放熱を低減し集熱効率を向上することができる。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、放物面反射鏡１の焦点２から均等の距離に複数個の集熱管５を配置したので、複数個の集熱管５に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管５の温度を均一に上昇させることができ、集熱５内を流通する熱媒体６を均一に加熱することができる。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、複数個の集熱管５を奇数個（例えば、３本）設け、集熱部４に流入する熱媒体６の入口側７と出口側８を両端に分けて配置する時に、中間９に位置する集熱管５を春分（秋分）時の南中の太陽に正対する位置を基準にして、方物面反射鏡１の開口部１０の頂点に配置したので、入口側７の集熱管５と出口側８
の集熱管５に放物面反射鏡１に反射し、集光した太陽光を中間９に位置する集熱管５よりも多く当てるので、集熱管５内を流通する熱媒体６の温度を集熱管５の出口側８まで低下させないで保つことができる。

また、入口側７の集熱管５では、熱媒体６の温度を急速に上昇させ、中間９の集熱管５での直達日射による加熱での温度上昇の上昇率の低下分を補うことで、熱媒体６の温度を継続的に上昇させることができる。

また、本実施の形態においては、複数個の集熱管５は、夫々の端部が順次連結され、一経路に連通するように構成しているので、集熱管５内を流通する熱媒体６の流速を低下させないで、集熱管５の集光状態の太陽光を受ける面積を拡大して太陽熱を回収し、熱媒体６への太陽熱の授受を効率良く促進することができる。熱媒体６の集熱管５内での流速を低下させないことで、集熱管５から熱媒体６への熱伝達性能の低下を防止することができる。

また、本実施の形態においては、集熱管５は、入口側７から中間９に部分と中間９から出口側８に連結する時に集熱管５に曲率をもたせて折り返すような構成にしているので、熱媒体６の流れを変化させ、集熱管５内の内壁沿いの流れと中央部分の流れの混合を促進し、温度分布を均一化することができる。

また、本実施の形態においては、集熱管５の折り返す部分は、放物面反射鏡１の内側に設けるので、折り返しの部分にも太陽光を集光し、太陽熱の回収量を増加することができる。

また、本実施の形態においては、入口側７の集熱管５と出口側８の集熱管５は、放物面反射鏡１内に入る部分と放物面反射鏡１から出る部分は、一本の集熱管５で構成し、焦点２上に配置し、そこに太陽光を集光するので、熱媒体６の温度低下を起こすことなく、太陽熱を回収し、熱媒体６への太陽熱の授受を効率良く促進することができる。

本実施の形態においては、集熱部４は、放物面反射鏡１の焦点２から均等の距離に複数個の集熱管５を配置したので、焦点２上に１本の集熱管５を設けることよりも組み立て時に焦点２に対して配置がずれても集光された太陽光を受けることができるので、組み立てを容易にすることができる。

また、本実施の形態においては、集熱管５は、表面に赤外線を吸収する選択吸収膜を形成したことにより、集熱管５からの赤外線放射を防止して集熱管５の温度を高温に維持して、熱媒体６にその熱を効率良く伝えることができる。

また、本実施の形態においては、制御部２１は、太陽の年間の動きをベースに季節や１日の太陽高度に合わせて、駆動部１１を作動し、作動部１２を動かして放物面反射鏡１を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように支持しているので、それにより放物面反射鏡１に反射した太陽光が焦点２上の集熱部４に集中し、集熱部４の温度を高温に上昇させることができ、熱媒体６に高温の熱を年間の長い期間、１日の多くの時間帯を使って伝えることができる。

また、本実施の形態においては、放物面反射鏡１は、方物線で構成したので、太陽光を放物面反射鏡１の焦点２に集中でき、エネルギ密度の低い太陽光から必要な熱量と温度を得ることができる。

また、本実施の形態においては、外装２２は、放物面反射鏡１が開口部１０側に透過体
２３を装着したことにより、外装２２内に雨水やホコリが堆積しないので、長期間にわたって集熱効率を良好に維持することができる。また、透過体２３を放物面反射鏡１の上に載置したので、放物面反射鏡１内に熱をこもらせ、集熱管５からの対流による放熱を防止して、集熱管５の温度を高温に維持して、熱媒体６にその熱を効率良く伝えることができる。

また、本実施の形態の透過体２３は、選択透過性能を有する耐熱性、耐候性の優れた樹脂材料（例えば、ポリカーボネート等）で構成することにより、集熱器２５の軽量化と低コスト化を行うことができる。

また、本実施の形態の放物面反射鏡１は、複合放物面集光器（ＣＰＣ：ＣｏｍｐｏｕｎｄＰａｒａｂｏｌｉｃＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）の反射鏡を用いることにより、太陽光の所定の傾斜角度（例えば、太陽光の入射可能な角度が天頂より３０°程度なら約３倍の集光比、入射可能な角度が２０°程度に狭くすると、集光比は約７倍に拡大する。集光比が、大きくなれば太陽光がより集束するので、開口部１０で照射する熱量は増加し、温度を上昇するようになる。

しかし、集光比を拡大すると太陽光の入射可能な角度は、天頂を基準に狭くなるので、集光部での集光時間、設置場所等の制約が多くなり、考慮する必要がある。）に対して、集熱部４に集中することができるので、太陽の高度に対して、放物面反射鏡１を回転させる範囲を小さくするか、または回転をする必要が無いように構成し、構成部品や制御の簡略化によりコストダウンを図ることができる。

また、本実施の形態の外装２２は、内部に熱伝導率の小さいガス（例えば、クリプトンガス）を注入し、密封することにより、外装２０内で反射鏡１の可動部分のための空間の空気の対流による放熱を防止するので、外装２２からの放熱を低減させ集熱効率を向上することができる。また、不活性ガスを充填することで、高温の集熱部４を覆い安全性を高め、外装断熱材２４の劣化を防止して、長期間の使用に耐えるようにしている。

また、本実施の形態の集熱器２５は、太陽の高度方向を固定（放物面反射鏡１の並びを南北方向に合わせ、例えば、設置台の傾斜角度は、春分や秋分時の南中に太陽光が垂直に反射鏡１に当たるような角度に設置する）して、太陽の方位の動きに対して放物面反射鏡１を回転することにより、１日の太陽の動きからより多くの太陽光を集熱部４に集中することも可能である。

また、本実施の形態の蓄熱槽２８に熱を蓄えるので、その熱は、夜間に利用したり、あるいは曇りの時に十分な熱が得られない時に補充する形で太陽光の不安定な熱の供給を安定化し、使い勝手を向上することができる。また、常時、蓄熱槽２８に熱を蓄えることができるので、エネルギー密度の少ない太陽熱を効率良く回収することができる。

（実施の形態２）
図４において、集熱部４は、放物面反射鏡１の太陽光の反射が焦点２に集光可能な領域に複数個の集熱管５を配置している。放物面反射鏡１の反射面３の端部から焦点２に集光する太陽光を領域の限界として、その領域内にすべての集熱管５を配置するようにしている。

図４（ａ）は、春分(秋分)の南中時の放物面反射鏡１の傾きと太陽光を、（ｂ）は、夏至の南中時、（ｃ）は、冬至の南中時を示している。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して放物面反射鏡１の反射面３にどの方向からも直角に当たり、その反射光は放物線で反射して焦点２の周囲に設けた集熱部４に太陽光を集中させて、集熱部４の温度を上昇させる。

この南中の位置のときは、放物面反射鏡１に反射した太陽光がすべて焦点２に集中するので、反射面３両端からの反射した太陽光を限界とする領域内に複数個の集熱管５を配置することで、すべての集熱管５に集光した太陽光を当てるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、集熱管５のすべてが放物面反射鏡１に反射する集光した太陽光を受けるので、すべての集熱管５の温度を高温に上昇させることができる。

また、本実施例の集熱部４により、集光した太陽光を受け損なう集熱管５がなくなるので集熱管５からの放熱を低減できるので、集集熱器２５の熱効率を向上することができる。

（実施の形態３）
図５において、集熱部４は、複数個の集熱管５を偶数個設け、集熱部４に流入する熱媒体６の入口側７と出口側８を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間９に位置する集熱管５の一部を春分（秋分）時の南中の太陽に正対する位置を基準にして方物反射面鏡１の開口部１０の頂点に配置している。

このとき、中間９に位置する集熱管５を春分（秋分）時の南中の太陽に正対する位置を基準にして、方物面反射鏡１の開口部１０の頂点に配置したので、入口側７の集熱管５と出口側８の集熱管５に放物面反射鏡１に反射し、集光した太陽光を中間９に位置する集熱管５よりも多く当て、集熱管５内を流通する熱媒体６の温度を集熱管５の出口側８まで低下させないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、入口側７の集熱管５と出口側８の集熱管５に放物面反射鏡１に反射し、集光した太陽光を中間９に位置する集熱管５よりも多く当てるので、集熱管５内を流通する熱媒体６の温度を集熱管５の出口側８まで低下させないで高温に保つことができる。

また、本実施例の集熱部４により、集熱器２５に対して入口側７と出口側８の集熱管５を同一方向に配置するので、集熱器２５を設置する時に回路２７の引き回しが簡素になり、設置を容易に行うことができる。

（実施の形態４）
図６において、集熱部４は、複数個の集熱管５の両端部に複数個の階層仕切られ、夫々
の集熱管５が連通することで、複数個の集熱管５が一つの経路に構成するように入口側連通部２９と出口側連通部３０を設けている。入口側連通部２９と出口側連通部３０は、２重の部屋で仕切られ、熱媒体６が出入りする第一の部屋３１と複数個の集熱管５が連通する第二の部屋３２が設けられている。

入口側連通部２９と出口側連通部３０は、円筒状に構成され、熱伝導の良い材料（例えば、銅、黄銅、アルミ等）で構成され、その表面には、集熱管５と同じ選択吸収膜を形成している。

複数個の集熱管５の連通構成は、入口側７の集熱管５の場合は、集熱管５との入口管３３（入口管３３は、集熱器２５の外部に延長され回路２７と連結している。また、入口管３３の放物面反射鏡１内に露出した部分は、集熱管５と同じ選択吸収膜を形成している。）は、入口側連通部２９の第一の部屋３１で連通している。

この入口側７の集熱管５は、入口側連通部２９の第二の部屋３２と連通することなく貫通して、出口側連通部３０の第二の部屋３２に連通し、この第二の部屋３２から中間９の集熱管５が入口側連通部２９に向けて設けられている。

中間９の集熱管５は、入口側連通部２９の第二の部屋３２で出口側８の集熱管５と連通し、この出口側８の集熱管５が出口側連通部３０に向けて設けられている。

出口側８の集熱管５は、出口側連通部３０の第二の部屋３２に連通することなく貫通し、第一の部屋３１に連通している。

この第一の部屋３１で出口側８の集熱管５と出口管３４（出口管３４は、集熱器２５の外部に延長され回路２７と連結している。

また、出口管３４の放物面反射鏡１内に露出した部分は、集熱管５と同じ選択吸収膜を形成している。）が連通するように構成している。

循環ポンプ２６により、回路２７を介して集熱器２５に送られた熱媒体６は、入口管３３から入口側連通部２９の第一の部屋３１から入口側７の集熱管５を通り、出口側連通部３０の第二の部屋３２から中間９の集熱管５を通り、入口側連通部２９の第二の部屋３２から出口側８の集熱管５に送られ、出口管３４から回路２７へ排出され、この間に集熱器２５で加熱されるようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、複数個の集熱管５を焦点２から等距離に配置し、集熱管５を潰さないように屈曲するよりもその距離も小さく設定できるので、集熱管５のすべてをより焦点２に近づけ、放物面反射鏡１に反射する太陽光をより集光し、集熱管５の温度を高温に上昇させることができる。

また、本実施例の入口側連通部２９と出口側連通部３０により、熱媒体６の流れを変化させて混合を促進し、温度分布を均一化することができる。

（実施例５）
図７において、集熱部４は、周囲に筒状の透過管３５を配置し、集熱管５の周囲を密閉構造にしている。

透過管３５は、日射の透過率が大きい（例えば、透過ガラスや石英ガラスでは、透過率９０％程度である）ガラス管で構成している。透過管３５の内部は、真空に保たれ、対流による集熱管５からの放熱を防止するようにしている。

透過管３５の内部を真空に保つ方法としては、入口側連通部２９と出口側連通部３０を利用しＯリング３６により密閉構造を保つようにしている。

循環ポンプ２６により、回路２７を介して集熱器２５に送られた熱媒体６は、集熱管５の内部を流通する間に、透過管３５により集熱管５の周囲は真空に保たれ、集熱管５からの対流による放熱損失を防止されるので、高温度を保ちながら集熱器２５から回路２７に排出される。

以上のように、本実施の形態においては、集熱管５の周囲を真空にして空気層を無くすので、集熱管５から透過管３５への対流による放熱を防止し、集熱部４の集熱効率を向上することができる。

なお、本実施例の透過管３５の内部に真空に代わり、空気よりも熱伝導率の小さい、不活性のクリプトンガスを注入しても集熱管５からの放熱を防止することができる。この場合、透過管３５の強度は真空ほど必要ないので、透明度の高い樹脂製の管（例えば、ポリカーボネイト等）を使用することも可能である。

（実施例６）
図８（ａ）、（ｂ）において、集熱部４は、複数個の集熱管５を焦点２の周囲に互いに夫々の集熱管５の外壁３７が接触するよう配置している。入口側７の集熱管５と中間９の集熱管５と出口側８の集熱管５とが放物面反射鏡１の焦点２に近いところで夫々の外壁３６を接触するようにして、焦点２に太陽光がより集光した位置で太陽光を受けるようにしている。図８の（ａ）は、奇数個、（ｂ）は、偶数個の配置を示している。

循環ポンプ２６により、回路２７を介して集熱器２５に送られた熱媒体６は、集熱管５の内部を流通する間に、入口側７の集熱管５と中間９の集熱管５と出口側８の集熱管５とで、太陽光の受け方が異なり温度にばらつきが発生しても接触させた外壁３７を介して熱が伝わり、均一な温度になるようにしている。熱媒体６は、高温を均一に保ちながら集熱器２５から回路２７に排出される。

以上のように、本実施の形態においては、集熱管５の外壁３７を互いに接触させるので複数個の集熱管５の放物面反射鏡１に反射する集光した太陽光を受けない部分の温度低下を防止して、複数個の集熱管５の温度を均一にして集熱部４の集熱効率を向上することができる。

また、本実施例の集熱管５は、集熱管５の外壁３７を接触し、より焦点２に近いところに設置するので、太陽光が集光し、熱媒体６を高温に加熱することができる。

以上のように、本発明にかかる集熱器２５は、放物面反射鏡１の焦点２の周囲に複数個の集熱管５を配置して、常に集点２に向かう太陽光を夫々の集熱管５で受けるようにして、熱媒体６の温度を高温に保つことができるので、住宅の給湯や発電のための加熱装置に
適用することができる。

本発明の実施の形態１における集熱器の正面の断面図本発明の実施の形態１における集熱器の駆動部近傍の側面の断面図（ａ）は本発明の実施の形態１における集熱管の配置を示す平面図、（ｂ）は断面図本発明の実施の形態２における他の集熱器の側面の断面図（ａ）は本発明の実施の形態３における他の集熱器の平面図、（ｂ）は断面図本発明の実施の形態４における他の集熱器の断面図本発明の実施の形態５における他の集熱器の断面図本発明の実施の形態６における他の集熱器の断面図

符号の説明

１放物面反射鏡
２焦点
４集熱部
５集熱管
６熱媒体
１１駆動部
１２作動部
２２外装
２３透過体
２５集熱器

Claims

太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成するように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とを具備した集熱器。
集熱部は、放物面反射鏡の焦点から均等の距離に複数個の集熱管を配置した請求項１に記載の集熱器。
集熱部は、放物面反射鏡の太陽光の反射が焦点に集光可能な領域に複数個の集熱管を配置した請求項１または２に記載の集熱器。
集熱部は、複数個の集熱管を奇数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を両端に分けて配置する時に、中間に位置する集熱管を方物面反射鏡の開口部の頂点に配置した請求項１または２に記載の集熱器。
集熱部は、複数個の集熱管を偶数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間に位置する集熱管を方物面反射鏡の開口部の頂点に配置した請求項１または２に記載の集熱器。
集熱部は、複数個の集熱管の端部に複数個の階層仕切られ、夫々の集熱管が連通することで、複数個の集熱管が一つの経路に構成するように入口連通部と出口連通部を設けた請求項１〜５いずれか１項記載の集熱器。
集熱部は、周囲に筒状の透過管を配置し、集熱管の周囲を密閉構造にした請求項１〜６いずれか１項記載の集熱器。
集熱部は、複数個の集熱管を焦点の周囲に互いに夫々の集熱管の外壁が接触するよう配置した請求項１〜７いずれか１項記載の集熱器。
集熱部と、放物面反射鏡の焦点を回転の中心として、その周囲を放物面反射鏡が回転できるように支持した回転支持部と、放物面反射鏡を回転する駆動部と、この駆動部をコントロールする制御部を設け、これらの集熱部と放物面反射鏡と駆動部を収納した外装とで構成した請求項１〜８いずれか１項記載の集熱器。