JP2016020761A - 太陽熱マグネシウム還元炉 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレトルトを効率良く加熱することができる太陽熱マグネシウム還元炉を提供する。【解決手段】加熱室６の受熱部９で高温気体を発生させ、その高温気体でレトルト７を加熱する構造にすると共に、加熱室６全体を密閉室４内に入れているため、受熱部９で得られた熱を外に排出することなく繰り返し循環することができる。そのため太陽熱を効率良く利用して、加熱室６内に設置された複数のレトルト７を効率良く加熱することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は太陽熱マグネシウム還元炉に関するものである。

環境に負荷を与えることのないクリーンエネルギーとしての太陽光を集光し、その集光した太陽光を熱エネルギーに変換することで非常に高い温度を作り出し、高温の反応環境が必要とされる太陽熱反応炉が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方でマグネシウム金属を利用したマグネシウム電池が知られている。マグネシウム金属を負極として電解液中に浸漬させることにより起電力を発生させる一次電池である。このマグネシウム電池では使用後に不溶酸化物（水酸化マグネシウム）が生じる。その不溶酸化物を太陽熱により還元して再度マグネシウム金属に復元することで電池として繰り返し利用することが望まれている。

酸化物の還元にはレトルトという筒型の鋼製容器が使用される。このレトルト内にマグネシウムの酸化物と還元剤とを入れて高温（約１２００℃）に加熱することにより還元されて、マグネシウムだけが気化してレトルトの一端の冷却部に凝固し回収される。

特開２０１０-１４４９５６号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、太陽光を直接レトルトに当てて加熱する場合に、一度に多くのレトルトを加熱することができない。また太陽光を直接当てる場合は影が生じる影響で熱のロスが大きく、太陽熱を効率良く利用できる構造になっていない。

本発明はこのような従来の技術に着目してなされたものであり、複数のレトルトを効率良く加熱することができる太陽熱マグネシウム還元炉を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、集光された太陽光が入光する受熱部を上部に有し且つ受熱部を通過した加熱気体が送られる加熱室と、該加熱室の周囲を取り囲むようにスペースを介して設けられ且つ上部に太陽光を透過させる透明窓を備えた密閉室とを備え、加熱室内の加熱気体を前記スペースを介して受熱部へ循環する送風手段を備え、マグネシウム還元用の複数のレトルトを加熱室に設置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、加熱室から取り出してスペースへ戻す送風通路を設け、該送風通路の途中にバックアップ用の加熱手段が設けられたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、加熱室の受熱部で高温気体を発生させ、その高温気体でレトルトを加熱する構造にすると共に、加熱室全体を密閉室内に入れているため、受熱部で得られた熱を外に排出することなく繰り返し循環することができる。そのため太陽熱を効率良く利用して、加熱室内に設置された複数のレトルトを効率良く加熱することができる。

請求項２記載の発明によれば、送風通路の途中にバックアップ用の加熱手段が設けられているため、夜間や雨天でもマグネシウムの還元作業を行うことができる。

本発明の実施形態に係る太陽熱マグネシウム還元炉を示す断面図。 太陽熱マグネシウム還元炉を示す別方向からの断面図。 加熱室の平面図。 加熱パイプの経路を示す概略図。 受熱部の構成部品を示す分解斜視図。 密閉室の圧力調整手段を示す概略説明図。

図１〜図６は本発明の好適な実施形態を示す図である。

ビームダウン式の太陽集光装置の場合上から下向きに太陽光が集光する。その集光点付近に太陽熱マグネシウム還元炉が設置されている。太陽熱マグネシウム還元炉の炉本体１は矩形状で、その炉本体１の上部には円形の開口２が形成されている。

開口２の上部には筒型集光鏡３が設置されている。筒型集光鏡３は上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた構造をしている。この筒型集光鏡３内に太陽光Ｌが取り入れられる。

炉本体１内にはスペースＡを介して矩形の密閉室４が形成されている。密閉室４の上部には開口５が形成されている。密閉室４内には更にスペースＢを介して加熱室６が形成されている。加熱室６内には４本のレトルト７を挿入することができる。

炉本体１と密閉室４の開口２、５部分は円形の透明窓８により塞がれている。この透明窓８は耐熱性を有する石英硝子製で二重に形成されており、その間の空間に冷却空気が循環するようになっている。

加熱室６の上部は受熱部９により形成されている。受熱部９は複数個の熱交換部材１０から構成され、それぞれ非金属耐熱材料としての黒色で炭化珪素膜（ＳｉＣ）製の多貫通孔構造をしており１０００℃以上の耐熱性を有している。個々の熱交換部材１０は通過空気を均一化するためのロート状のカバー１１（図５参照）内に収納されている。

加熱室６内部と、加熱室６と密閉室４との間のスペースＢとは、循環パイプ（送風通路）１２にて連通状態となっている。循環パイプ１２はバックアップ用のガスバーナー部（加熱手段）１３内に延長され、そこで加熱できるようになっている。循環パイプ１２の途中には耐熱ファン装置（送風手段）１４が設けられている。加熱室６と密閉室４内には不活性ガス（窒素）が充填されている。

密閉室４と炉本体１の間のスペースＡには加熱パイプ１５が配置されている。加熱パイプ１５はスペースＡ内で蛇行状態で配置され（図４）、その一部が外部へ延長されて、ガスタービン１６と組み合わされている。すなわち本来マグネシウム還元のための熱源装置であるが、そこから排出される熱をガスタービン１６に利用できる構造になっている。

加熱パイプ１５の途中には燃焼室１９が形成されている。ガスタービン１６には吸気パイプ１７と排気パイプ１８も別個に設けられている。排気パイプ１８の一部には加熱パイプ１５の一部を覆うジャケット状の熱交換部２０が形成されている。

すなわち、吸気パイプ１７から空気が供給され、それがガスタービン１６で圧縮されて加熱パイプ１５内を流れ、加熱パイプ１５を通過した空気が燃焼室１９で燃焼ガスに変わり、その燃焼ガスがガスタービン１６を回転させた後に、排気パイプ１８から排出される。排出されるところで加熱パイプ１５の一部と熱交換する。

ガスバーナー部１３の内部には高温ガスパイプ２１が独立した状態で設置されている。高温ガスパイプ２１はガスバーナー部１３の上部に一端が位置し、その一端からガスバーナー部１３内の燃焼ガスを吸気して、炉本体１側のスペースＡに供給し、最終的にスペースＡの反対側に位置する排出口２２から燃焼ガスを排出する。高温ガスパイプ２１の途中にも燃焼ガスを送り出す耐熱ファン装置１４が設けられている。スペースＡには加熱パイプ１５が配されているため、加熱パイプ１５を通過する空気はスペースＡを通過する間に内部を流れる燃焼ガスにより加熱される。

密閉室４には図２に示すように圧力調整手段２３、２４が設けられている。図６に圧力調整手段２３、２４の構造を模式的に示されている。圧力調整手段２３、２４は密閉室４内の圧力を一定に維持して密閉室４内の構造（加熱室６等）を保護するための仕組みである。

図６において密閉室４を透明窓８も含んだ状態で密閉化される１つの密閉ボックスとして図示している。この密閉室４に排気通路２５と吸気通路２６が形成されている。排気通路２５及び吸気通路２６はそれぞれ下部が密閉室４内に開口しており、上部が炉本体１の上部に開口している。

排気通路２５には重量負荷Ｗ１で排気通路２５を上側から塞ぐ排気弁２７が設けられている。従って排気通路２５は排気方向に重量負荷Ｗ１に相応する圧力Ｐｃを超える圧力が加わらないと開かないようになっている。すわなち、排気通路２５内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐｃを越えないように制御される。

吸気通路２６には吸気方向に所定の圧力Ｐｃを越える圧力が加わらないと開かない吸気弁２８が設けられている。具体的には吸気弁２８自体は重量負荷Ｗ２により下向き（弁を開ける方向）に作用しているが、下向きの重量負荷Ｗ３を有するウェイト２９によりリンク機構３０（第１種てこ）を介して吸気弁２８が上側に吊り上げられた状態になっている。したがって、吸気弁２８は重量負荷Ｗ２およびＷ３によりＰ≧Ｐｃとなるように設定されている。なお、吸気通路２６の上部からは窒素が供給される構造になっている。

以上のような構造から、密閉室４内の圧力Ｐが所定圧力Ｐｃを超えて上昇すると排気弁２７が開いて窒素が排出され、密閉室４内の圧力Ｐが所定圧力Ｐｃよりも下がると吸気弁２８が開いて窒素が供給される。そのため密閉室４内は常に所定負荷Ｗ１に相応した一定の圧力Ｐｃに維持される。

次に作用を説明する。

受熱部９には筒型集光鏡３の下部開口から透明窓８を経て高エネルギーの太陽光Ｌが照射され受熱部９を加熱する。受熱部９は高温になり、そこを窒素が通過することにより高温窒素ガスになる。

この高温窒素ガスが加熱室６を含んだ形で密閉室４内において循環パイプ１２により循環するため、加熱室６の内部のレトルト７を加熱することができる。密閉系の熱循環により加熱するため、複数のレトルト７を効率良く加熱して、確実なマグネシウム還元を行うことができる。

雨天など太陽光Ｌがない場合は、バックアップ用のガスバーナー部１３で循環パイプ１２の窒素ガスを加熱する。そのため雨天などの場合もマグネシウムの還元作業を行うことができる。加熱室６に循環される気体が窒素ガスであるため、気体が接する設備の金属を酸化させない。

スペースＡ中には高温ガスパイプ２１によりガスバーナー部１３の燃焼ガスが循環される。このスペースＡ内に加温パイプ１５が設けられているため、ガスタービン１６の燃焼室１９へ至る空気は更に加温パイプ１５を通過する間に加熱されてる。そのため燃焼室１９から噴射される燃焼ガスの温度が上昇し、ガスタービン１６を回転させる推力が増す。

更に密閉室４には圧力調整手段２３、２４が設けられているため、密閉室４内の圧力は常に所定値に保たれ、透明窓８などが破損する恐れがない。

また循環パイプ１２の途中にバックアップ用のガスバーナー部１３が設けられているため、夜間や雨天でも高温窒素ガスを循環してマグネシウムの還元作業を行うことができる。

以上の実施形態では、ビームダウン式太陽集光装置により太陽光Ｌを受熱部９に対して集光する例を示したが、それに限定されず、どのような集光装置であっても良い。

１ 炉本体
３ 筒型集光鏡
４ 密閉室
６ 加熱室
７ レトルト
８ 透明窓
９ 受熱部
１２ 循環パイプ（送風通路）
１３ ガスバーナー部（加熱手段）
１４ 耐熱ファン装置（送風手段）
２３、２４ 圧力調整手段
Ａ、Ｂ スペース
Ｌ 太陽光

Claims (2)

1. 集光された太陽光が入光する受熱部を上部に有し且つ受熱部を通過した加熱気体が送られる加熱室と、
   該加熱室の周囲を取り囲むようにスペースを介して設けられ且つ上部に太陽光を透過させる透明窓を備えた密閉室とを備え、
   加熱室内の加熱気体を前記スペースを介して受熱部へ循環する送風手段を備え、
   マグネシウム還元用の複数のレトルトを加熱室に設置したことを特徴とする太陽熱マグネシウム還元炉。
2. 加熱室から取り出してスペースへ戻す送風通路を設け、該送風通路の途中にバックアップ用の加熱手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の太陽熱マグネシウム還元炉。

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