JP2015064138A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲッタ材の温度上昇を抑制しつつゲッタ材の量を増大させることにより、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくすることが可能な太陽熱集熱装置を提供する。【解決手段】集光手段１を用いて太陽光を集熱管２に集光することにより前記集熱管２内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、前記集熱管２が、外管３であるガラス管と、内管４である熱媒体流通管と、前記外管３の両端部に配置される熱膨張差吸収手段７と、前記熱膨張差吸収手段７を介して前記外管３を前記内管４と接続して密閉空間を形成するフランジ８と、前記フランジ８間を橋渡しすると共に前記内管４に対して前記集光手段１と反対側の密閉空間９に配置される、ゲッタ材６を保持するゲッタ保持部材５とを有することを特徴とする太陽熱集熱装置とする。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱集熱装置に関し、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置に関する。

放物面を有する集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光し、集熱管内を流通する熱媒体を加熱するトラフ式の太陽熱集熱装置が知られている。この太陽熱集熱装置に用いられる集熱管は、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくするために、外管と内管とからなる二重管構造とし、外管と内管との間を真空状態にした密閉空間を設けている。
ところが、集光によって集熱管が高温になると、外管と内管との間の密閉空間にガスが発生して密閉空間の真空度が低下する結果、断熱性が低下することがある。このガスは、外管や内管に吸着していた水分又は水素ガスの放出、熱媒体から生じる水素ガスの内管透過に主に起因していると考えられている。
そこで、特許文献１及び２では、外管と内管との間の密閉空間に、ガスを吸着するゲッタ材を配置することが提案されている。

国際公開第２００４／０６３６４０号 特表２０１３−５１３０８０号公報

しかしながら、特許文献１では、ゲッタ材を保持する部材が内管に直接固定されているため、集光によって熱媒体が高温になると、該部材に収容されるゲッタ材の温度が高くなり易く、ゲッタ材のガス吸着能力が低下してしまうという問題がある。
また、特許文献２では、集熱管の端部に形成された狭い環状空間内にゲッタ材を配置しているため、配置可能なゲッタ材の量に限界があるという問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ゲッタ材の温度上昇を抑制しつつゲッタ材の量を増大させることにより、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくすることが可能な太陽熱集熱装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、外管及び内管を有する特定の二重管構造の集熱管と集光手段とを備えた太陽熱集熱装置において、フランジ間を橋渡しすると共に内管に対して集光手段と反対側の密閉空間にゲッタ保持部材を配置することにより、ゲッタ材の温度上昇を抑制しつつゲッタ材の量を増大させ、密閉空間に発生するガスを安定して吸着させ得ることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、以下の第（１）項〜第（５）項である。
（１）集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、前記集熱管が、
外管であるガラス管と、
内管である熱媒体流通管と、
前記外管の両端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
前記熱膨張差吸収手段を介して前記外管を前記内管と接続して密閉空間を形成するフランジと、
前記フランジ間を橋渡しすると共に前記内管に対して前記集光手段と反対側の密閉空間に配置される、ゲッタ材を保持するゲッタ保持部材と
を有することを特徴とする太陽熱集熱装置。

（２）前記ゲッタ保持部材がレール状であることを特徴とする第（１）項に記載の太陽熱集熱装置。
（３）前記ゲッタ保持部材が多孔性であることを特徴とする第（１）項又は第（２）項に記載の太陽熱集熱装置。
（４）前記ゲッタ保持部材と前記内管との間に鏡面反射部材が配置されることを特徴とする第（１）項〜第（３）項のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。
（５）外管であるガラス管と、
内管である熱媒体流通管と、
前記外管の両端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
前記熱膨張差吸収手段を介して前記外管を前記内管と接続して密閉空間を形成するフランジと、
前記フランジ間を橋渡しすると共に密閉空間に配置される、ゲッタ材を保持するゲッタ保持部材と
を有することを特徴とする集熱管。

本発明によれば、ゲッタ材の温度上昇を抑制しつつゲッタ材の量を増大させることにより、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくすることが可能な太陽熱集熱装置を提供することができる。

本発明の太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図である。 本発明の太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の長手方向に平行な断面図である。 本発明においてゲッタ保持部材の端部の固定方法を示す斜視図であり、（ａ）はゲッタ保持部材を支持部材上に配置する例を示す図であり、（ｂ）はゲッタ保持部材を支持部材と嵌合させる例を示す図である。 レール状のゲッタ保持部材の例を示す斜視図である。 本発明の太陽熱集熱装置に用いられる鏡面反射部材を備えた集熱管の断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は本発明の太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図であり、図２は本発明の太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の長手方向に平行な断面図である。
本発明の太陽熱集熱装置は、集光手段１及び集熱管２を備えている。
集光手段１としては、集熱管２に太陽光を集光可能なものであれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。集光手段１の例としては、いわゆるトラフ式の太陽熱集熱装置に一般に用いられる曲面鏡が挙げられる。集光手段１は、一般に、長手方向に沿って放物面の断面を有する形状を有する。また、集光手段１の内面（集熱管２側の表面）は鏡面になっており、その焦点位置において集熱管２が長手方向に沿って支持される。なお、集光手段１としては、トラフ式に限定されず、フレネル式、リニアフレネル式等を用いてもよい。

集熱管２は、外管３であるガラス管と、内管４である熱媒体流通管とを備えた二重管構造を有する。また、集熱管２は、外管３の両端に配置される熱膨張差吸収手段７と、熱膨張差吸収手段７を介して外管３を内管４と接続して密閉空間９を形成するフランジ８と、フランジ８間を橋渡しすると共に、内管４に対して集光手段１と反対側の密閉空間９に配置される、ゲッタ材６を保持するゲッタ保持部材５とを有する。

外管３であるガラス管の材質としては、特に限定されず、透明な耐熱ガラスを一般に用いることができる。透明な耐熱ガラス製のガラス管としては、例えば、ホウケイ酸ガラス管等が挙げられる。
内管４である熱媒体流通管の材質としては、特に限定されず、一般に、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。これらの中でも、使用環境（例えば、集熱管２の加熱温度）を考慮すると、ステンレス鋼製や耐熱鋼製の内管４を用いることが好ましい。
また、内管４である熱媒体流通管は、集熱効率を高める観点から、光学選択膜を外面に形成してもよい。ここで、光学選択膜とは、太陽光の可視光線及び近赤外線を吸収し、熱媒体から輻射される遠赤外線を反射する膜のことを意味する。光学選択膜を設けることにより、効率良く太陽光を吸収すると共に、熱媒体からの熱輻射を抑えることが可能になる。光学選択膜としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。光学選択膜の例としては、黒色クロムめっき膜、黒色ニッケルめっき膜、無電解ニッケル黒化処理膜、四三酸化鉄皮膜等が挙げられる。

内管４である熱媒体流通管を流通する熱媒体としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。熱媒体の例としては、水、油、溶融塩等が挙げられる。

熱膨張差吸収手段７は、外管３と内管４との間の熱膨張の差を吸収するために設けられる。熱膨張差吸収手段７は、一端が外管３に接続され、他端がフランジ８に接続される。熱膨張差吸収手段７と外管３及びフランジ８との接続方法は、特に限定されず、例えば、溶接、半田付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。また、ガラスである外管３と熱膨張差吸収手段７との接続にはハウスキーパー構造を用いてもよい。
熱膨張差吸収手段７としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。熱膨張差吸収手段７の例としては、ベローズ、ダイアフラム等が挙げられる。熱膨張差吸収手段７の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。また、少なくとも外管３側の接続端に線膨張係数が外管３に近い別部材を用いてもよい。

フランジ８は、二重管構造を形成するために、内管４の外周部において外管３を両側から挟むようにして配置される。また、フランジ８は、外熱膨張差吸収手段７を介して外管３を内管４と接続して密閉空間９を形成する。密閉空間９は、真空状態にすることで断熱性を高めることができる。フランジ８と内管４との接続方法は、特に限定されず、例えば、溶接、半田付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。
フランジ８の材質としては、特に限定されず、例えば、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。

ゲッタ保持部材５は、フランジ８間を橋渡しすると共に、内管４に対して集光手段１と反対側の密閉空間９に配置される。つまり、密閉空間９内においてゲッタ保持部材５の両端が、フランジ８によって支持される。
フランジ８間を橋渡しするようにゲッタ保持部材５を配置することにより、ゲッタ保持部材５が内管４と直接接触することを防止することができる。すなわち、ゲッタ保持部材５がフランジ８から分離されているため、内管４を流通する熱媒体が高温になってもゲッタ保持部材５の温度が高くなり難くなり、ゲッタ保持部材５に収容されるゲッタ材６のガス吸着能力を保持することができる。また、このような配置とすることにより、フランジ８間の全長に渡ってゲッタ保持部材５を配置でき、ゲッタ材６を収容し得るゲッタ保持部材５の領域が多くなるため、配置可能なゲッタ材６の量を増大させることができる。その結果、密閉空間９に水分や水素ガス等のガスが発生したとしても、十分な量及びガス吸着能力を有するゲッタ材６によってガスを安定して吸着させることができ、密封空間内の真空度が低下しない。したがって、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくすることが可能になる。また、ゲッタ保持部材５の両端がフランジ８によって支持されているため、一端でゲッタ保持部材５を支持する従来の方法に比べて安定してゲッタ保持部材５を支持することができる。

ここで、ゲッタ保持部材５が、内管４に対して集光手段１と反対側の密閉空間９に配置されるのは、内管４に入射する太陽光Ｌのほとんどが、集光手段１で反射されて集光手段１側から入射するため、内管４に対して集光手段１と反対側の密閉空間９にゲッタ保持部材５を配置しても、内管４における太陽光Ｌの入射に影響が少ないためである。

ゲッタ保持部材５の配置方法は、所定の位置に固定できれば特に限定されない。そのため、フランジ８に支持部材を形成し、この支持部材上にゲッタ保持部材５を配置又は支持部材と嵌合させるようにして固定してもよい。或いは、ゲッタ保持部材５は、溶接、半田付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いてフランジ８に接続してもよい。

ここで、図３（ａ）にゲッタ保持部材を支持部材上に配置する例を、図３（ｂ）にゲッタ保持部材を支持部材と嵌合させる例をそれぞれ示す。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ゲッタ保持部材５の少なくとも一方端を（溶接等の接合ではなく）支持部材１０上に配置又は支持部材１０と嵌合させることにより、ゲッタ保持部材５を所定の位置に固定することが容易になる。また、ゲッタ保持部材５とフランジ８との間に隙間を設けておくことにより、内管４との線膨張係数差や、温度差による膨張差を吸収することもできる。

ゲッタ保持部材５は、レール状であることが好ましい。ゲッタ保持部材５をレール状とすることにより、ゲッタ材６を安定して保持することが可能となる。また、ゲッタ材６がレールの断面形状に対応するタブレット形状であれば、ゲッタ保持部材５の一方側からゲッタ材６を投入しレール内をスライドさせることにより、ゲッタ保持部材５の他方側までゲッタ材６を充填することができるので、製造が容易になる。ここで、レール状とは、所定の断面形状を有し、断面に垂直な方向に沿って細長く延びた形状のこと意味し、例えば、Ｉ字形断面、Ｅ字形断面、Ｕ字形断面，Ｃ字形断面、筒状断面等を有し、この断面に垂直な方向に沿って細長く延びた形状が挙げられる。

ゲッタ保持部材５の材質としては、特に限定されず、例えば、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。
また、ゲッタ保持部材５は、多孔性であることが好ましい。多孔性のゲッタ保持部材５を用いることにより、ゲッタ保持部材５に収容されるゲッタ材６の露出が多くなり、ゲッタ材６のガス吸着能力を高めることができる。また、多孔性のゲッタ保持部材５を用いることにより、フランジ８からの熱伝導に対するゲッタ保持部材５の熱伝導経路が少なくなり、少なくとも集熱管２の中央付近に配置されたゲッタ材６の温度上昇をより一層抑制することができる。ここで、多孔性とは、複数の孔が存在していることを意味し、孔は、ゲッタ材６の脱落を抑制し得る範囲の大きさであれば特に限定されず、スリット等の様々な形状を含む。
多孔性のゲッタ保持部材５は、多孔性の材料を用いて作製することができる。或いは、材料をパンチングすることによって孔を形成してもよい。

ここで、レール状のゲッタ保持部材５の例を図４に示す。このゲッタ保持部材５は、矩形筒状断面でスリット１１を有しており（換言すると、Ｃ字形断面であり）、ゲッタ材６が通過不可能な孔１２がパンチングによって形成されている。このような形状とすることにより、ゲッタ材６の脱落を抑制してゲッタ材６をゲッタ保持部材５に確実に保持しつつ、ゲッタ材６の露出を多くしてガス吸着能力を高めることができる。

ゲッタ保持部材５に収容されるゲッタ材６としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。ゲッタ材６の例としては、チタン、バナジウム、バリウム等を用いることができる。また、市販のゲッタ材６を用いることも可能である。

本発明の太陽熱集熱装置は、上記の構成に加えて、図５に示すように、ゲッタ保持部材５と内管４との間に鏡面反射部材１３を配置してもよい。なお、図５では、鏡面反射部材１３は、ゲッタ保持部材５の支持部材として用いた場合を例示しているが、鏡面反射部材１３を独立した部材として設けてもよい。鏡面反射部材１３を独立した部材として設ける場合、鏡面反射部材１３は、フランジ８間に橋渡しするように配置され、ゲッタ保持部材５と接していなくてもよい。鏡面反射部材１３が直接又は間接的にフランジ８に固定されることで、ガラス管である外管３と接することがなく、外管３の傷付きを防止できる。
ゲッタ保持部材５と内管４との間に鏡面反射部材１３を配置することにより、焦点ずれ等により内管４に入射されなかった太陽光Ｌを鏡面反射部材１３で反射して内管４に入射させることができるため、太陽光Ｌをより一層効率良く利用することが可能になる。また、加熱されて高温になった内管４は、熱輻射を放射する場合があるが、この熱輻射を鏡面反射部材１３で反射して内管４に入射させることができるため、内管４の熱効率も向上する。
鏡面反射部材１３としては、特に限定されないが、銀メッキ等によって鏡面反射膜を形成した材料を用いることができる。

上記のような構造を有する本発明の太陽熱集熱装置では、フランジ８間を橋渡しすると共に内管４に対して集光手段１と反対側の密閉空間９にゲッタ保持部材５を配置することにより、ゲッタ材６の温度上昇を抑制しつつゲッタ材６の量を増大させることができるので、十分な量及びガス吸着能力を有するゲッタ材６によってガスを安定して吸着させることができ、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくすることが可能になる。

１ 集光手段、２ 集熱管、３ 外管、４ 内管、５ ゲッタ保持部材、６ ゲッタ材、７ 熱膨張差吸収手段、８ フランジ、９ 密閉空間、１０ 支持部材、１１ スリット、１２ 孔、１３ 鏡面反射部材。

Claims (5)

1. 集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、前記集熱管が、
   外管であるガラス管と、
   内管である熱媒体流通管と、
   前記外管の両端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
   前記熱膨張差吸収手段を介して前記外管を前記内管と接続して密閉空間を形成するフランジと、
   前記フランジ間を橋渡しすると共に前記内管に対して前記集光手段と反対側の密閉空間に配置される、ゲッタ材を保持するゲッタ保持部材と
   を有することを特徴とする太陽熱集熱装置。
2. 前記ゲッタ保持部材がレール状であることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
3. 前記ゲッタ保持部材が多孔性であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
4. 前記ゲッタ保持部材と前記内管との間に鏡面反射部材が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。
5. 外管であるガラス管と、
   内管である熱媒体流通管と、
   前記外管の両端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
   前記熱膨張差吸収手段を介して前記外管を前記内管と接続して密閉空間を形成するフランジと、
   前記フランジ間を橋渡しすると共に密閉空間に配置される、ゲッタ材を保持するゲッタ保持部材と
   を有することを特徴とする集熱管。

Images