JP2010523930A - 集熱機 - Google Patents

Abstract

熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、この集熱部を取り囲んで集熱部の熱損失を低減させる保温部と、入射光を集熱部に反射及び集中させるように保温部内に形成される反射膜と、を含んでなる集熱機を提供する。このような構成を有する本発明の集熱機によると、集熱機の集熱部周囲に反射膜を設けて集熱部に入射光を集中させ、さらに、集熱機において集熱部と保温部との間に真空部を設けて、集熱部の熱が対流及び伝導により外部に放出されるのを減少させ、全体システムの効率を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、集熱システムに係り、より詳細には、外部の熱を效率的に吸収する集熱機に関するものである。

図１は、一般のチューブ型集熱機を用いた集熱システムを示す概略図であり、同図で、集熱システム２は、給水配管Ｐを通して流入する作動流体を、高温の状態に変換させる集熱機４と、高温の作動流体を貯蔵する蓄熱機６と、作動流体を集熱機４から蓄熱機６に流動させるポンプ８と、を含んで構成される。

そして、図２に示すように、集熱機４は、作動流体が流れる集熱部１０と、集熱部１０を取り囲み、且つ保温気体で満たされる保温部１２と、からなる。作動流体は、入射光から吸収した熱エネルギーを蓄熱機６に伝達する役割を果たし、その種類に制限はないが、水を使用するのが一般的である。この作動流体は、冬季に結氷するのを防止するために不凍液を使用したり、不凍液と水とを一定の割合で混合して使用したりすることもできる。

また、蓄熱機６は、作動流体が持つ熱エネルギーを貯蔵する役割を果たすもので、外部への熱損失が最小化されるように設計される。

かかる従来技術による集熱システムの作動過程について説明すると、下記の通りである。

熱伝逹媒体である作動流体が集熱機４に流入し、作動流体は集熱機内で太陽熱を吸収して高温の状態に変化する。集熱過程を経た高温の作動流体は、集熱機４から排出され、排出された作動流体は、ポンプ８によって蓄熱機６に流入する。蓄熱機６に貯蔵された熱エネルギーは、必要に応じて暖房や温水の用途で使われる。

しかしながら、従来技術の集熱機は、効果的に集熱を行なうことができないという問題があった。これは、集熱のための構造が効果的な集熱構造とされていないためである。

また、集熱機の保温部は、集熱部を効果的に保温し難い構造とされている。

したがって、本発明の目的は、より効果的な集熱が行える集熱機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一実施例に係る集熱機は、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、前記集熱部を取り囲んで前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記保温部の内部に形成される反射膜と、を含んで構成される。

ここで、前記反射膜は、前記集熱部を中心にして丸く形成されることができる。

そして、前記反射膜は、前記集熱部に前記入射光が集中するように反射させる材質からなることができる。

また、前記反射膜は、柔軟な材質からなることができる。

ここで、前記反射膜は前記保温部を２つの空間に区画することができ、これら両空間は互いに異なる圧力を有することができる。

一方、本発明の他の実施例に係る集熱機は、熱伝逹媒体である作動流体が流れつつ外部熱を取り入れる集熱部と、内部には保温気体が満たされ、前記集熱部を包囲するように保温膜が設けられ、入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記保温膜の内側面に反射機能を有する保温部と、を含んで構成されることができる。

そして、本発明のさらに他の実施例に係る集熱機は、熱伝逹媒体である作動流体が流れつつ外部熱を取り入れる集熱部と、内部には保温気体が満たされ且つ前記集熱部の外部を包囲することによって前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲し、内部に負圧が形成される真空部と、を含んで構成されることができる。

ここで、前記真空部は、複数個の空間に区画されることができる。この時、真空部の区画のために複数枚の隔膜が用いられることができる。

そして、これら区画された空間の圧力は、実質的に同一でありうる。

また、前記隔膜は貫通孔を有することができる。

そして、前記真空部の内部に／から外部の空気を注入したり排出したりするように空気出入通路がさらに設けられることができる。

一方、前記真空部の圧力と前記保温部の圧力は互いに異なることができる。

そして、本発明のさらに他の実施例に係る集熱機は、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、前記集熱部を取り囲んで前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲し、且つ内部に負圧が形成される真空部と、入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記真空部または前記保温部のいずれか一方の内部に形成される反射膜と、を含んで構成されることができる。

そして、本発明のさらに他の実施例に係る集熱機は、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、前記集熱部を取り囲むように保温膜が設けられて前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲するように真空膜が形成され、且つ内部に負圧が形成される真空部と、を含み、前記保温膜または真空膜のいずれか一方の集熱部側の面の少なくとも一部は反射機能を有する。

このような構成を有する本発明に係る集熱機によると、集熱部周囲に反射膜があるため、該集熱部に入射光が集まることができる。さらに、集熱部と保温部との間に真空部が存在すると、該集熱部内部の熱が外部に放出されて損失するのを減らすことができる。

本発明の集熱機によると、下記のような効果が得られる。

まず、集熱機の集熱部周囲に反射膜を配置することによって集熱部に入射光を集中させることができ、結果として、より高い集熱効率が得られる。

また、集熱部と保温部との間に真空部を設けたため、集熱部内部の熱が外部に放出されることを減少させることができる。

一般の集熱機を用いた集熱システムを示す概略図である。 従来技術による集熱機を示す断面図である。 本発明による集熱機の第１実施例を示す断面図である。 本発明による集熱機の第２実施例を示す断面図である。 本発明による集熱機の第３実施例を示す断面図である。

以下、図３を参照しつつ、本発明による集熱機の第１実施例について説明する。

図３に示すように、本発明による集熱機２０は、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部の熱を取り入れる集熱部２３と、内部には保温気体が満たされ、且つ集熱部２３を取り囲むように設けられた保温膜２４の内部空間であって、集熱部２３の熱損失を低減させる保温部２５と、入射光を集熱部２３に反射及び集中させるように保温部２５内に設けられる反射膜２６と、を含んで構成されることができる。

保温部２５は、集熱部２３中における作動流体の熱エネルギーが外部に放出されるのを減少させる機能を果たし、保温部２５に満たされる保温気体に制限はない。ただし、保温気体は、経済的で且つ容易に入手できる空気とすることが望ましい。

集熱部２３は、外部の熱を取り入れる機能を果たし、集熱膜２２により形成されることができる。そして、保温部２５は、保温気体が満たされるように保温膜２４で構成されることができる。入射光の例には、太陽光などがある。

保温部２５は、隔膜２５ａにより複数の空間に区画されることができる。図３は、保温部２５内に３枚の隔膜２５ａを持つ集熱機が例示されている。隔膜２５ａは、集熱膜２３を保温膜２４と連結させるもので、集熱部２３が内部の作動流体の重さにより重力方向に垂れるのを緩和させる機能を果たす。

隔膜２５ａには複数の貫通孔（図示せず）を開けることによって、隔膜２５ａで仕切られた保温部２５の両側空間を同一圧力状態にさせることができる。

保温膜２４と隔膜２５ａは、外部の光を透過させるように透明な材質で構成することが望ましく、集熱膜２２は光の吸収度を高めるために黒色材質で構成することが望ましい。

また、集熱膜２２、保温膜２４及び隔膜２５ａは、柔軟な材質で構成されることができる。すなわち、集熱膜２２、保温膜２４及び隔膜２５ａは、樹脂材質からなることができ、その例としてビニル系樹脂などが挙げられる。ビニル系樹脂のように柔軟な材質で構成された場合、保温部２５内の圧力が大気圧よりも大きくなるように保温気体を十分に満たして集熱機２０を膨らませ、集熱部２３の作動流体も適当な圧力を持つようにすることで、図３に示すように集熱に必要な所定の断面形態を具現することができる。

上記樹脂は、安価であり、様々な形状に容易に作ることができるというメリットがある。集熱機は、太陽光を受けやすい形態とすることができる。なお、集熱機２０は、広い野原や田畑などの広い場所に設けられることができる。集熱機の形態や設置位置を異ならせることによって、太陽光の入射密度が低い場合にも良好な集熱効果を得ることができる。

そして、集熱機２０には、保温膜２４と隔膜２５ａを通過した光が集熱部２３に流入するように反射膜２６が設けられる。反射膜２６は、保温部２５内に設けられ、より多い入射光が集熱部２３へと流入するように入射光を反射させる。このような反射膜により、集熱効果をより向上させることができる。

また、反射膜２６は、図３に示すように、薄膜とすることができ、光、すなわち、入射光が入射する方向の反対側において集熱部２３を中心にして丸く形成されることができる。反射膜２６が集熱部２３を中心にして丸く形成されることから、反射膜２６により反射される光は集熱部２３に集まることとなる。

一方、反射膜２６は、光が反射されるように反射材質とすることができる。例えば、鏡反射が起きるように、反射膜２６の一側面に水銀などの材質が塗布されることができる。もちろん、反射膜２６は、反射膜２６全体が反射材質からなっても良く、一部のみ反射材質からなっても良い。

そして、反射膜２６は、柔軟な材質からなることができる。例えば、樹脂などで形成し、作業性を容易にすることができる。樹脂を使用する場合、反射面は金属でメッキして形成することができる。

また、図３に示すように、反射膜２６により区画される保温部２５の入射光側空間と、反対側空間に作用する圧力が異なるように構成されることができる。例えば、入射光側空間の圧力を反対側空間の圧力よりも大きくし、同図のように反射膜２６を常に膨脹状態とすることで、集熱膜２２と接触しないようにすることができる。

そして、反射膜２６を、図３に示すような形状に常に保持することによって、集熱部２３へと光が反射されて集中するようにすることができる。

一方、本実施例では、反射膜２６が別個として設けられたが、反射膜２６が別個として設けられず、保温膜２４の内側面が反射機能を有するようにすることで、集熱部２３近傍に流入する光を反射させ、集熱部２３に集まるようにすることができる。もちろん、必要によって、保温膜２４の内側面の一部または全部が反射機能を有するようにすることができる。

以下、本発明による集熱機の第１実施例の作用について説明する。まず、集熱膜２２内の流路に沿って作動流体が流動する。この時、外部の入射光は保温膜２４を透過し、その一部は集熱部２３に流入し、他は隔膜２５ａを通過する。

隔膜２５ａを通過した光は、反射膜２６に到達する。この反射膜２６に到達した光は、反射膜２６により反射されて再び集熱部２３に流入する。このとき、反射膜２６が集熱部２３を中心にして丸く形成されているため、反射膜２６により反射される光は、集熱部２３へより集まることができる。

次に、図４を参照しつつ、本発明による集熱機の第２実施例について説明する。

図４に示すように、本発明による集熱機３０は、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部の熱を取り入れる集熱部３３と、内部には保温気体が満たされ、且つ集熱部３３を取り囲むように設けられて集熱部３３の熱損失を低減させる保温部３５と、保温部３５と集熱部３３との間で集熱部３３を取り囲むように設けられ、且つ内部に負圧が形成される真空部３７と、を含んで構成されることができる。

集熱部３３と保温部３５は、図３に示す第１実施例と略同様に構成されることができる。ただし、集熱部３３と保温部３５との間に真空部３７がさらに設けられるという点が異なり、これについて以下に詳述する。

真空部３７は、図４に示すように、集熱部３３を完全に包囲し、且つ、内部が大気圧よりも小さい圧力である負圧を持つように設けられる。

真空部３７を負圧にすると、真空部３７の内部では、熱の対流及び伝達が、大気圧よりも大きい圧力である正圧の時に比べて減少する。すなわち、集熱部３３内部の熱が真空部３７により遮断され、外部への放出が減少する。したがって、真空部３７により集熱部３３内部の熱の損失が減少し、集熱機３０全体の熱效率が高まる。

また、真空部３７には、真空部３７の内部と外気が連通する空気出入通路（図示せず）がさらに設けられることができる。空気出入通路は、例えば、真空部３７側と外気側とを連通させるチューブのような構成にしても良い。

そして、真空部３７を構成する真空膜３６は、集熱部３３を構成する集熱膜３２と所定の間隔を有するようにして形成される。すなわち、真空膜３７が集熱膜３２と所定間隔だけ離間して設けられることによって真空部３７が形成され、上述した効果が得られるわけである。

真空部３７内には、真空部３７を区画する多数の隔膜３６ａが設けられることができる。隔膜３６ａは、集熱膜３２を真空膜３６と連結させる部分で、集熱部３３が内部の作動流体の重さにより重力方向に垂れるのを緩和させる機能を果たす。

また、空気出入通路が、隔膜３６ａでそれぞれ区画されている真空部３７にそれぞれ形成されても良いが、それぞれの隔膜３６ａに貫通孔（図示せず）を開け、真空部３７の区画された空間をいずれも同一圧力空間とすることによって、空気出入通路を１個のみ設置しても良い。

一方、保温膜３４が真空膜３６と所定の間隔だけ離間して設けられる。すなわち、保温膜３４が真空膜３６と所定の間隔を有するようにすることによって保温部３５に空気層を形成させ、この空気層が断熱手段として働き、集熱部３３内部の熱が保たれるという効果が得られるわけである。

保温部３５は所定の圧力以上に維持しなければならない。より好ましくは、保温部３５内の圧力を十分に大きくし、図４に示すように、保温膜３４が外部に膨脹し、膨脹した保温膜３４に連結された隔膜３４ａにより真空膜３６が集熱膜３２と接触することなく所定の間隔を保つようにすることができる。

そして、隔膜３４ａには、隔膜３４ａにより区画されたそれぞれの空間の圧力を同一にするために、真空部３７の隔膜と同様に、貫通孔（図示せず）が設けられることができる。

以下、本発明による集熱機の第２実施例の作用について説明する。まず、集熱部３３内部の流路に沿って作動流体が流動する。この時、外部の入射光が保温膜３４と真空膜３６を透過し、集熱部３３に流入する。

集熱部３３に流入した光は、集熱部３３の作動流体を加熱するのに使われる。集熱部３３が加熱されて外部よりも温度が高い場合、集熱部３３内の熱が外部に流出する場合がある。

この場合、集熱部３３の外側には所定の空間を持つ真空部３７が設けられているため、外部に流出する熱の量を減少させることができる。真空部３７の内部は負圧とされており、熱を伝達する媒質である空気が少ないため、熱の伝導と対流が少なく発生する。このため、集熱部３３内部の熱が外部に少なく放出され、集熱效率が向上する。

そして、本発明による集熱機の第３実施例として、図５に示すように、集熱機４０に反射膜４８も真空膜４６も設けることができる。

例えば、集熱機４０が、熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部４３と、集熱部４３の外部を取り囲んで集熱部４３の熱損失を低減させる保温部４５と、保温部４５と集熱部４３との間で集熱部４４を包囲し、且つ、内部に負圧が形成される真空部４７と、熱を集熱部４３へ反射及び集中させるように、真空部４７または保温部４５のいずれかの内部に形成される反射膜４８と、を含んで構成されることができる。

もちろん、反射膜４８の代わりに、真空膜４６または保温膜４４のいずれか一方の集熱部側の面の一定区域に反射機能を設け、入射光を集熱部４３に集中させることもできる。

本発明の権利は、以上説明されてきた実施例に限定されず、特許請求の範囲における記載により定義され、本発明の分野における通常の知識を有する者にとっては、特許請求の範囲に記載された権利範囲内で様々な改変ができるということは自明である。

本発明は、集熱システムに係り、特に、外部の熱を効果的に吸収する集熱機に関するものである。本発明の集熱機は、反射面を有する。この反射面は、入射光を集熱部に反射させ、より多量の光を集熱部に集中させることによって、良好な集熱効果が得られるようにする。

２０，３０，４０ 集熱機； ２２，３２，４２ 集熱膜；
２３，３３，４３ 集熱部； ２４，３４，４４ 保温膜；
２５，３５，４５ 保温部； ２６，４８ 反射膜；
３６，４６ 真空膜； ３７，４７ 真空部。

Claims (14)

1. 熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、
   前記集熱部を取り囲んで前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、
   入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記保温部の内部に形成される反射膜と、を含んで構成される集熱機。
2. 前記反射膜は、前記集熱部を中心にして丸く形成されることを特徴とする請求項１に記載の集熱機。
3. 前記反射膜は、前記集熱部に前記入射光が集中するように反射させる材質からなることを特徴とする請求項１または２に記載の集熱機。
4. 前記反射膜は、柔軟な材質からなることを特徴とする請求項３に記載の集熱機。
5. 前記反射膜は前記保温部を２つの空間に区画し、これら両空間は互いに異なる圧力を有することを特徴とする請求項３に記載の集熱機。
6. 熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、
   内部には保温気体が満たされ、前記集熱部を保温膜で包囲するように設けられ、入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記保温膜の内側面に反射機能を備えた保温部と、
   を含む集熱機。
7. 熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、
   内部には保温気体が満たされ且つ前記集熱部の外部を包囲し、前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、
   前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲し、内部に負圧が形成される真空部と、
   を含んで構成される集熱機。
8. 前記真空部は、複数枚の隔膜で区画されていることを特徴とする請求項７に記載の集熱機。
9. 前記隔膜で区画された空間の圧力は、同一であることを特徴とする請求項８に記載の集熱機。
10. 前記隔膜には貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項８または９に記載の集熱機。
11. 前記真空部の内部に／から外部の空気を注入したり排出したりするように空気出入通路がさらに設けられることを特徴とする請求項７に記載の集熱機。
12. 前記真空部と前記保温部の圧力が互いに異なることを特徴とする請求項７に記載の集熱機。
13. 熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、
    前記集熱部を取り囲むように設けられて前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、
    前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲するように形成され、内部に負圧が形成される真空部と、
    入射光を集熱部に反射及び集中させるように前記真空部または前記保温部のいずれか一方の内部に形成される反射膜と、
    を含んで構成される集熱機。
14. 熱伝逹媒体である作動流体が流れながら外部熱を取り入れる集熱部と、
    前記集熱部を取り囲むように保温膜が設けられて前記集熱部の熱損失を低減させる保温部と、
    前記保温部と集熱部との間において前記集熱部を包囲するように真空膜が形成され、内部に負圧が形成される真空部と、
    を含み、
    前記保温膜または真空膜のいずれか一方の集熱部側の面の一定区域が反射機能を有することを特徴とする集熱機。

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