JP2015197266A - パラボリックトラフ式集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱効率を高め、円筒形状に形成された集熱管を有する従来の集熱装置よりも熱媒体の温度を高くすることが可能なパラボリックトラフ式集熱装置を提供する。
【解決手段】樋状に形成された放物面鏡３１の焦線上に熱媒体を通す集熱管３２が設置された集熱装置２であって、集熱管３２が、筒形状に形成された筒部３２ｂと、筒部３２ｂよりも内径が大きい溜部３２ａとを有する。この集熱装置は、集熱管３２の全体が筒状に形成された従来型の集熱装置との比較実験を行ったところ、従来型の集熱装置に比べ熱媒体の温度を高くできることが確認された。しかも、その温度は９０度以上となることがあることが確認された。そのため、集熱管３２に溜部３２ａを設けると、熱効率を高め、従来の集熱装置よりも熱媒体の温度を高くすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、パラボリックトラフ式集熱装置に関する。

従来、パラボリックトラフ式集熱装置は、樋状に延びた放物面鏡の焦線上に、円筒形状に形成された集熱管が設置された装置であり、この集熱管内に熱媒体を通過させ、太陽熱を回収する装置である（特許文献１）。

特開平１０−００９６８０号公報

しかし、従来のパラボリックトラフ式の集熱装置は、熱効率が低いため、熱媒体の温度を所定温度以上上げることができなかった。
本発明は、熱効率を高め、円筒形状に形成された集熱管を有する従来の集熱装置よりも熱媒体の温度を高くすることが可能なパラボリックトラフ式集熱装置を提供すること目的とする。

請求項１に記載の発明に係る集熱装置は、
樋状に形成された放物面鏡の焦線上に熱媒体を通す集熱管が設置された集熱装置であって、前記集熱管が、筒形状に形成された筒部と、前記筒部よりも内径が大きい溜部と
を有する。

この集熱装置は、集熱管の全体が筒状に形成された従来型の集熱装置との比較実験を行ったところ、従来型の集熱装置に比べ熱媒体の温度を高くできることが確認された。
しかも、その温度を、従来型の集熱装置では上げることができなかった９０℃以上とすることができることが確認された。

そのため、本発明のように集熱管に溜部を設けると、熱効率を高め、従来の集熱装置よりも熱媒体の温度を高くすることができる。
尚、樋状に形成された放物面鏡とは、例えば、長板の幅方向の中央部分を長手方向に沿って連続して凹ませ、その凹ませた部分の断面形状が円弧状、半円状その他の放物線状となるように形成し、その内面を鏡面としたものなどが考えられる。焦線は、太陽光を反射したときに焦点となる位置を連続的に通過する線である。

また、熱媒体は、水でも良いし、油でも、どのような物でもよい。
溜部は、請求項２に記載したように、円形状又は楕円体状に形成されていてもよいがこれに限るものではない。

また、請求項３に記載したように、放物面鏡及び集熱管を備えるブロックを複数備え、各ブロックの集熱管を直列につないでもよい。
このようにすると、ブロックが１つだけのものにくらべ、熱媒体の温度をより高くすることができる。

次に、請求項４に記載したように、集熱管以外の熱媒体の経路を断熱材で覆うとよい。
放熱を防止するためである。
断熱材としては、黒曜石パーライトを押し固めた断熱材を用いるとよい。断熱効果が他の断熱材よりも高いからである。

次に、請求項５に記載したように、放物面鏡を時間経過とともに太陽に面するように傾ける制御装置を備えるとよい。集熱を時間経過とともに効率的に行うためである。尚、制御装置の動力として、ゼンマイを利用してもよい。

次に、請求項６に記載した処理ユニットは、集熱装置と、集熱装置で熱せられた熱媒体を濾過する濾過装置と備える。
本発明の集熱装置は、従来の集熱装置と異なり、熱媒体が水であれば沸点近くまで水の温度を上げることができ、十分な殺菌を行えることができるため、化石燃料を用いなくても水の浄化を行うことができる。

また、請求項７に記載した処理ユニットは、集熱装置と、集熱装置で濾過した熱媒体を冷却する冷却装置とを備える。
上述したように、本発明の集熱装置は、化石燃料を用いなくても水の浄化を行えるので、冷却装置と組み合わせることで、汚れた水から飲料水を作り出すことができるからである。尚、冷却装置を熱交換機とすることで、熱媒体から得た熱をエネルギー源として利用することもできる。

尚、請求項８に記載した処理ユニットのように、集熱装置と、集熱装置で熱せられた熱媒体を濾過する濾過装置と、濾過装置で濾過した熱媒体を冷却する冷却装置とをそなえるようにしてもよい。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

処理ユニット１の模式図である。 （ａ）集熱部を斜視図で示した模式図で、一部透過図で示している。（ｂ）集熱部を側面図で示した模式図で、（ａ）の符号αで囲った部分であって、断熱層内を通る中継管が通る面で切断した断面図である。尚、（ａ）において、筒部３２ｂと溜部３２ａの符号については、それぞれ１つずつ示し、他は省略している。 ブロック正面の斜視図である。 従来の集熱装置と、本実施形態の集熱装置とを比較したグラフである。棒グラフは、従来の集熱装置及び本実施形態の集熱装置の温度、折れ線グラフは外気温を示している。グラフの下辺側には時間を、グラフの左辺側には集熱装置で温められた水の温度を、グラフの右辺側には外気温の温度を示している。 本実施形態の集熱装置を構成する集熱部の他の実施形態で、集熱部の構造を平面図で模式的に示した図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本実施形態の処理ユニット１は、図１に示すように、集熱装置２と、濾過装置６と、冷却装置７とを備えている。

集熱装置２は、集熱部３と、可動部４と、貯留部５とを備えている。
集熱部３は、図２（ａ）に示すように、複数のブロック３０を備えている。
ブロック３０は、図３に示すように、樋状に形成された放物面鏡３１と、この放物面鏡３１の焦線上に配置された集熱管３２とを備えており、この集熱管３２は、本実施形態で用いる熱媒体である水を通す。

集熱管３２は、筒形状に形成された筒部３２ｂと、筒部３２ｂよりも内径が大きい溜部３２ａとを有し、本実施形態では、溜部３２ａが４つ設けられている集熱管３２を用いている。このため、本実施形態では筒部３２ｂが５箇所に形成されていることとなる。

そして、集熱部３を構成する各ブロック３０は、図２（ａ）に示すように横並びに並設され、各ブロック３０の集熱管３２は、一方の端のブロック３０から、他方の端のブロック３０に向かい水がジクザグに移動するように連結される。

また、この集熱装置２では、並設された各ブロック３０の下面側に黒曜石パーライトを手作業で押し固めた保温層３３が形成されている。このため、放物面鏡３１が冷やされて、集熱管３２の熱が奪われることを防止できる。

各集熱管３２をつなぐ中継管３４は、図２（ｂ）に示すように、この保温層３３内を通るように配置されている。このため、各ブロック３０間を温水が移動するとき、その熱が奪われることを防止できる。

可動部４は、台座部４０と、旋回動力部４２と、上下動力部４３とを主に備えている。
台座部４０は、円筒形状に形成されており、その中心軸が上下方向に沿い、かつ、中心軸回りに回転可能に貯留部５上に配置されている。

台座部４０は、中空部４０ａが黒曜石パーライトを手で押し固めた肉厚な保温層４０ｂで囲まれた形状に形成されている。
この台座部４０の中空部４０ａには、貯留部５から集熱部３に水を送る送水管２ａと、集熱部３から貯留部５に温水を送る送水管２ｂとが並列に、台座部４０の軸方向に沿って配置されている。

この台座部４０の外周面上であって下方側の端部には、ギア４０ｃが形成されている。この台座部４０は、旋回動力部４２からギアを介して動力を受けて、中心軸回りに回転する。

この台座部４０の上面上であって、所定の径の一端に、集熱部３を台座部４０に対して揺動可能に支持する支持部４０ｄが固定されている。
また、この台座部４０の上面上であって、支持部４０ｄの設置位置を通る径（台座部４０の径）の他端に、上下動力部４３が設置されている。

さらに、支持部４０ｄ、上下動力部４３の設置位置を通る径上であって、上下動力部４３の外側には、集熱部３を台座部４０に対して上下方向に位置を移動させる上下位置調整部４４が形成されている。

そして、この上下位置調整部４４を上述した位置に配置するため、台座部４０の側面からは、直角に折れ曲がった支持支柱４０ｅが設置されている。
本実施形態の集熱装置２では、上下位置調整部４４が上下動力部４３から動力を受けて集熱部３との接続点を上下に移動させると、集熱部３が支持部４０ｄを支点に傾く角度を変えるよう構成されている。

また、台座部４０の上面に形成された中空部４０ａからは、集熱部３まで延設された送水管２ａ、２ｂが突きだしており、これら送水管２ａ、２ｂは、円筒形状に形成されたジャバラ４１で囲まれている。

このジャバラ４１は、集熱部３にその上端が固定され、台座部４０にその下端が固定されており、上下位置調整部４４によって集熱部３が傾いて上下方向に移動すると、伸縮する。

送水管２ａ、２ｂは、このジャバラ４１によって外気との間で断熱される。
旋回動力部４２は、モータ４２ａ及び小歯車４２ｂとを備えており、貯留部５の上面上であって可動部４に隣接する位置に固定されている。

小歯車４２ｂは、台座部４０に設けられたギア４０ｃと噛み合っており、モータ４２ａが稼働すると回転して、モータ４２ａから受ける動力を台座部４０に伝達する。
これにより台座部４０、ひいては、集熱部３が上下方向に沿った軸の軸周りに回転する。

上下動力部４３も、モータ４３ａ及び小歯車４３ｂとを備えている。この上下動力部４３は、上述したように台座部４０上に設置されている。
小歯車４３ｂは、上下位置調整部４４が備えている大歯車４４ｂと噛み合っており、モータ４３ａが稼働すると回転して、モータ４３ａから受ける動力を上下位置調整部４４に伝達する。

これにより集熱部３が支持部４０ｄを支点に傾く角度を変える。
上下位置調整部４４は、大歯車４４ｂと、この大歯車４４ｂの回転によって、上下方向に位置を移動させる移動部４４ａとを有している。

集熱部３は、移動部４４ａの上端部に接続されており、上述したように、上下動力部４３のモータ４３ａを稼働すると、その動力が小歯車４３ｂ、大歯車４４ｂを介して移動部４４ａに伝えられ、移動部４４ａが上下に移動するので、これによって角度が変えられる。

貯留部５は、水槽の周囲に、黒曜石パーライトを手で押し固めた断熱層５０が形成されたものである。
この貯留部５の上面上には、台座部４０が回転可能に固定されており、台座部４０の中空部４０ａに対向する位置に送水管２ａ、２ｂを通す孔部５１が形成されている。

そして、送水管２ａ、２ｂは、その端部が貯留部５の内部に位置するように、貯留部５に対して固定されている。尚、固定方法については説明を省略する。
これら送水管２ａ、２ｂのうち、送水管２ａの端部には、ポンプ５２が設けられている。このポンプ５２を稼働させると、貯留部５内の水が組み上げられて送水管２ａによって集熱部３に送られる。そして、その水は集熱部３で熱せられ、送水管２ｂによって貯留部５内に送り変えされる。

貯留部５は、これら送水管２ａ、２ｂの他に、水抜パイプ２ｃ、給水パイプ２ｄ、供給パイプ２ｅを備えている。
このうち水抜パイプ２ｃは、貯留部５内の水を抜くためのパイプであり、この水抜パイプ２ｃに備えられたバルブを緩めると貯留部５内の水を外部に排出することができる。

給水パイプ２ｄは、貯留部５内に水を供給するためのパイプである。
供給パイプ２ｅは、濾過装置６に貯留部５内の水を送水するためのパイプである。
濾過装置６は、その形態はとくに限定されないが、貯留部５内の水を濾過する装置である。この濾過装置６で濾過された水は、冷却装置７に送られる。

冷却装置７は、熱交換により、貯留部５から濾過装置６を通して供給された温められた水を冷却する装置である。
この冷却装置７は、発電機能を有している。本実施形態では、集熱部３で水が９０度以上にまで温められるので、水道水との間でも６０℃以上の温度差が生じる。このような温度差が生じると発電が可能なので、本実施形態の冷却装置７は発電機を備えている。

この冷却装置７では、飲料に適する温度まで、濾過装置６から送られてきた水の温度を落としている。
この冷却装置７で冷却された水は、必要に応じて外部に排出される。

制御装置８は、冷却装置７で発電された電力を、モータ４２ａ、４３ａ及びポンプ５２に供給するとともに、これらモータ４２ａ、４３ａ及びポンプ５２への電力の供給を制御する。

この制御装置８は、集熱部３が常に太陽の方向を向くように、モータ４２ａ、４３ａを制御するとともに、ポンプ５２を制御し、集熱部３への水の供給量を制御している。
次に、本実施形態の集熱装置２と、従来の集熱装置との比較実験について説明する。

この実験は、本実施形態の集熱装置２を構成する１つのブロック３０に相当する装置を用いて実験を行った。
図４（ａ）は、本実施形態の集熱装置２、及び、従来の集熱装置を南に向けて固定して行った実験結果を示し、（ｂ）は、本実施形態の集熱装置２、及び、従来の集熱装置を常に太陽に向くよう移動させて行った実験結果を示している。

図４において、各時間毎に２本の棒グラフが並べて設けられているが、右側が本実施形態の集熱装置のもので、左側が従来の集熱装置のものである。
この図４を見ると明らかなように、従来の集熱装置は、最高でも７０℃に満たない温度までしか温めることができないが、本実施形態の集熱装置２は、最高９０℃を越える温度まで水を温めることができていることが分かる。

以上説明した処理ユニット１は、以下のような特徴的な作用効果を有する。
この処理ユニット１を構成する集熱装置２は、集熱管の全体が筒状に形成された従来型の集熱装置との比較実験を行ったところ（図４参照）、従来型の集熱装置に比べ水の温度を高くできることが確認された。

しかも、その温度を、従来型の集熱装置では上げることができなかった９０℃以上とすることができることが確認された。
そのため、本実施形態のように集熱管３２に溜部３２ａを設けると、熱効率を高め、従来の集熱装置よりも水の温度を高くすることができる。

また、本実施形態では、複数のブロック３０の集熱管３２を直列につないでいるので、ブロック３０が１つだけのものにくらべ、水の温度をより高くすることができる。そのため、本実施形態の集熱装置２を用いると、水を１００℃近くまで温めることができる。

また、本実施形態では、集熱管以外の水の経路、例えば、中継管３４や、送水管２ａ、２ｂが固められた断熱効果の高い黒曜石パーライト内を通過するようにされているので、温めた水の放熱が防止され、温められた水の温度が低下することが防止される。

また、本実施形態の処理ユニット１は、集熱装置２が、従来の集熱装置と異なり、水の温度を沸点近くまで温度を上げることができるので、十分殺菌を行えることができる。
そのため、濾過装置６と組み合わせることで、化石燃料を用いなくても、水の浄化を行うことができる。

さらに、本実施形態の処理ユニット１は、冷却装置７と組み合わせて、沸点近くまであたためられた水を飲料用に適する温度まで下げているので、汚れた水を浄化して、飲料に適した水を供給することができる。
［他の実施形態］
以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記実施形態で説明した処理ユニット１はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
（２）上記実施形態では、冷却装置７で発電した電力を、制御装置８を用いてモータ４２ａ、４３ａ及びポンプ５２に配電して駆動する例を示したが、外部電源を用いてもよいし、ゼンマイ等の動力発生源を用いてこれらを駆動させてもよい。

（３）上記実施形態では、濾過装置６や冷却装置７と組み合わせた集熱装置２について説明したが、集熱装置２を単体で用いてもよく、また、この集熱装置２のうち集熱部３を単体で用いてもよく、さらに、この集熱部３のうち各ブロック３０を単体で用いてもよい。

（４）上記実施形態では、集熱管３２として単管を用いたが、図５に示すような二重管を用いてもよい。内側の管３２ｘは、溜部３２ａ及び筒部３２ｂのいずれの部分においても、ストレート管としてもよい。

この場合、内側の管３２ｘと外側の管３２ｙとの間に水を通して集熱して、この集熱によって温められた水を内側の管３２ｘに通して、貯留部５に送る。
尚、内側の管３２ｘを通す前に、貯留部５に一旦戻し、その温めた水を内側の管３２ｘに通すようにしてもよい。

（５）上記実施形態では、貯留部５から直接水をくみ上げ、集熱部３でその水を温め、再び貯留部５にもどしていたが、集熱部３から貯留部５内を通って再び集熱部３に至る熱媒体を通す経路を設け、貯留部５内に設置された経路中を熱媒体が通過するときに、経路を通過する熱媒体と、貯留部５内に貯留された熱媒体とで熱交換させ、貯留部５内の熱媒体を温めるようにしてもよい。

この場合、集熱部３から貯留部５内を通って再び集熱部３に至る経路内を通る熱媒体は、水でもよいし、油、不凍液、イオン液体等、どのようなものでもよい。
また、貯留部５に貯留される熱媒体も、上述した水でもよいし、油、不凍液、イオン液体等、どのようなものでもよい。

（５）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１… 処理ユニット ２… 集熱装置 ２ａ… 送水管 ２ｂ… 送水管
２ｃ… 水抜パイプ ２ｄ… 給水パイプ ２ｅ… 供給パイプ ３… 集熱部
４… 可動部 ５… 貯留部 ６… 濾過装置 ７… 冷却装置 ８… 制御装置
３０… ブロック ３１… 放物面鏡 ３２… 集熱管 ３２ａ… 溜部 ３２ｂ… 筒部
３３… 保温層 ３４… 中継管 ４０… 台座部 ４０ａ… 中空部 ４０ｂ… 保温層
４０ｃ… ギア ４０ｄ… 支持部 ４０ｅ… 支持支柱 ４１… ジャバラ
４２… 旋回動力部 ４２ａ… モータ ４２ｂ… 小歯車 ４３… 上下動力部
４３ａ… モータ ４３ｂ… 小歯車 ４４… 上下位置調整部 ４４ｂ… 大歯車
４４ａ… 移動部 ５０… 断熱層 ５１… 孔部 ５２… ポンプ

Claims (8)

1. 樋状に形成された放物面鏡の焦線上に熱媒体を通す集熱管が設置された集熱装置であって、
   前記集熱管は、
   筒形状に形成された筒部と、
   前記筒部よりも内径が大きい溜部と
   を有することを特徴とする集熱装置。
2. 請求項１に記載の集熱装置において、
   前記溜部は、円形状又は楕円体状に形成されていることを特徴とする集熱装置。
3. 請求項１〜２のいずれか１項に記載の集熱装置において、
   前記放物面鏡及び前記集熱管を備えるブロックを複数備え、前記各ブロックの前記集熱管を直列につないだことを特徴とする集熱装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の集熱装置において、
   前記集熱管以外の熱媒体の経路を断熱材で覆ったことを特徴とする集熱装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の集熱装置において、
   前記放物面鏡を時間経過とともに太陽に面するように傾ける調整部
   を備えることを特徴とする集熱装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集熱装置と、
   前記集熱装置で熱せられた熱媒体を濾過する濾過装置と
   備えることを特徴とする処理ユニット。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集熱装置と、
   前記集熱装置で濾過した熱媒体を冷却する冷却装置と
   を備えることを特徴とする処理ユニット。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集熱装置と、
   前記集熱装置で熱せられた熱媒体を濾過する濾過装置と、
   前記濾過装置で濾過した熱媒体を冷却する冷却装置と
   備えることを特徴とする処理ユニット。

Images