JP2016031172A - 太陽熱集熱管 - Google Patents
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Abstract
【課題】アクティブエリアを拡大した太陽熱集熱管を提供する。
【解決手段】ベローズ4の複数の各山折り形状部4aの直径は、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。同様に、複数の各谷折り形状部4bの直径も、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。つまり、各山折り形状部4aは、隣り合う山折り形状部4aに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとのおおむね中間の位置(中間部)に位置するように形成されている。同様に、各谷折り形状部4bは隣り合う谷折り形状部4bに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとの中間部に位置するように形成されている。
【選択図】図2
【解決手段】ベローズ4の複数の各山折り形状部4aの直径は、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。同様に、複数の各谷折り形状部4bの直径も、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。つまり、各山折り形状部4aは、隣り合う山折り形状部4aに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとのおおむね中間の位置(中間部)に位置するように形成されている。同様に、各谷折り形状部4bは隣り合う谷折り形状部4bに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとの中間部に位置するように形成されている。
【選択図】図2
Description
この発明は、太陽熱集熱管に係り、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置に用いられる太陽熱集熱管に関する。
放物面を有する集光手段を用いて太陽熱を太陽熱集熱管に集光し、太陽熱集熱管の内管の内部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太陽熱集熱管は、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、内管と外管とからなる二重管構造とし、内管と外管との間を真空状態にすることで断熱している。
このような従来の太陽熱集熱管が特許文献1に記載されている。図7に示すように、この太陽熱集熱管111は、熱媒体が流通可能なステンレス鋼(SUS)製の金属管である内管112と、ガラス管である外管114とを備え、内管112と外管114との間に真空空間113が形成されている。内管112と外管114との太陽熱による熱膨張差を吸収するため、熱膨張差吸収手段120が内管112と外管114との間に設けられている。熱膨張差吸収手段120として、SUS製のベローズ115,116がSUS製の接続筒117を介して直列に、且つ径方向に重なる状態で配置されている。ベローズ116はSUS製のフランジ118を介して内管112に接続されている。ベローズ115はコバール金属環119を介して外管114に接続されている。
太陽熱集熱管111の製造時は、ベローズ115,116の隣り合う山折り形状部同士及び谷折り形状部同士が密着している最短寸法で製造される。太陽熱集熱管111を太陽熱集熱装置に設けて使用する場合は、内管112を流れる熱媒体が約400℃に達するため、内管112と外管114との間に熱膨張差が生じてしまう。この熱膨張差を吸収するために、ベローズ115,116は伸びた状態になる。この時、太陽熱集熱管111の集光範囲(アクティブエリア)は、内管112の全長から、デッドスペースであるベローズ115又はベローズ116の最短寸法と熱膨張差を吸収するためのベローズ115又はベローズ116の伸び量との合計を引いた長さとなる。ベローズ115又はベローズ116の伸び量は材質によって決まるので、材質を変えずにアクティブエリアを拡大して太陽熱集熱管111の集熱効率を上げるためには、ベローズ115又はベローズ116の最短寸法を短くする必要がある。
しかしながら、特許文献1に記載された太陽熱集熱管111は、ベローズ115の各山折り形状部の直径がそれぞれ等しく、ベローズ115の各谷折り形状部の直径がそれぞれ等しい。同様に、ベローズ116の各山折り形状部の直径がそれぞれ等しく、ベローズ116の各谷折り形状部の直径がそれぞれ等しい。このため、ベローズ115,116は隣り合う山折り形状部同士及び隣り合う谷折り形状部同士が接触した状態よりも縮むことができないので、アクティブエリアをさらに拡大することができないという問題点があった。また、特許文献1に記載された太陽熱集熱管111は、ベローズ115,116が接続筒117を介して直列に、且つ径方向に重なる状態で配置されていてベローズの伸び量を稼いでいるが、この方法ではベローズを複数設けるため、コストが増大するという問題点もあった。
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、アクティブエリアを拡大した太陽熱集熱管を提供することを目的とする。
この発明に係る太陽熱集熱管は、外管と、内管と、内管の端部付近の内管の表面に設置され、複数の山折り形状部及び谷折り形状部が交互に配置された伸縮可能な熱膨張差吸収手段とを備え、外管と内管とは熱膨張差吸収手段を介して接続され、複数の山折り形状部及び谷折り形状部のうち、少なくとも二つの隣り合っている山折り形状部同士及び谷折り形状部同士の直径が異なる。
山折り形状部及び谷折り形状部の直径が、内管の端部に向かうに従いテーパ状に変化していてもよい。
山折り形状部及び谷折り形状部の直径が、内管の端部に向かうに従い減少していてもよい。
外管と、熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、ジョイント取付部は、外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が外管に接続され、ジョイントは、ジョイント円環形状部を備え、ジョイント円環形状部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント取付部の他端と、熱膨張差吸収手段とに接続されていてもよい。
外管と、熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、ジョイント取付部は、外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が外管に接続され、ジョイントは、ジョイント最外部と、ジョイント円筒形状部と、ジョイント円環形状部とを備え、ジョイント最外部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント取付部の他端に接続され、ジョイント円筒形状部は、内管と同心円状の円筒形状を有し、熱膨張差吸収手段を取り囲むように設けられており、内管の中心軸方向に対して少なくともジョイント取付部と同じ長さを持ち、一端がジョイント最外部に接続され、ジョイント円環形状部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント円筒形状部の他端と、熱膨張差吸収手段とに接続されていてもよい。
山折り形状部及び谷折り形状部の直径が、内管の端部に向かうに従いテーパ状に変化していてもよい。
山折り形状部及び谷折り形状部の直径が、内管の端部に向かうに従い減少していてもよい。
外管と、熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、ジョイント取付部は、外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が外管に接続され、ジョイントは、ジョイント円環形状部を備え、ジョイント円環形状部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント取付部の他端と、熱膨張差吸収手段とに接続されていてもよい。
外管と、熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、ジョイント取付部は、外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が外管に接続され、ジョイントは、ジョイント最外部と、ジョイント円筒形状部と、ジョイント円環形状部とを備え、ジョイント最外部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント取付部の他端に接続され、ジョイント円筒形状部は、内管と同心円状の円筒形状を有し、熱膨張差吸収手段を取り囲むように設けられており、内管の中心軸方向に対して少なくともジョイント取付部と同じ長さを持ち、一端がジョイント最外部に接続され、ジョイント円環形状部は、内管と同心円状の内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、ジョイント円筒形状部の他端と、熱膨張差吸収手段とに接続されていてもよい。
この発明によれば、熱膨張差吸収手段の複数の山折り形状部及び谷折り形状部のうち、少なくとも2つの隣り合っている山折り形状部同士又は谷折り形状部同士の直径が異なることで、熱膨張差吸収手段の最短寸法が短くなるので、アクティブエリアを拡大することができる。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1
図1に示すように、太陽熱集熱管1は、外管であるガラス管2と、内管である熱媒体流通管3とを備えた二重管構造を有している。また、太陽熱集熱管1には、ガラス管2の両端に配置される環状の熱膨張差吸収手段であるベローズ4(図1には、一方のベローズ4のみが示されている)と、ベローズ4とガラス管2との間に設けられた環状のジョイント5と、ガラス管2にジョイント5を取付けるためのジョイント取付部でありガラス管2と同心円状に設けられた円筒形状の部材であるコバール金属環6とが設けられている。
実施の形態1
図1に示すように、太陽熱集熱管1は、外管であるガラス管2と、内管である熱媒体流通管3とを備えた二重管構造を有している。また、太陽熱集熱管1には、ガラス管2の両端に配置される環状の熱膨張差吸収手段であるベローズ4(図1には、一方のベローズ4のみが示されている)と、ベローズ4とガラス管2との間に設けられた環状のジョイント5と、ガラス管2にジョイント5を取付けるためのジョイント取付部でありガラス管2と同心円状に設けられた円筒形状の部材であるコバール金属環6とが設けられている。
ガラス管2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。
熱媒体流通管3の材質としては、特に限定されず、一般に、鉄系材料(例えば、SUS、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、太陽熱集熱管1の加熱温度)を考慮すると、SUS製や耐熱鋼製のものを用いることが好ましい。
図2に示すように、ガラス管2と熱媒体流通管3とは中心軸Xを共有している。熱媒体流通管3の一方の端部3a付近の熱媒体流通管3の外周表面にベローズ4の一端が接続されている。ベローズ4の他端はジョイント5に接続されている。ジョイント5はコバール金属環6の一端に接続されており、コバール金属環6の他端はガラス管2の端部に接続されている。コバール金属環6とガラス管2との接続部をガラス金属接合部7と呼ぶ。ベローズ4とジョイント5とコバール金属環6とは中心軸Xを共有している。ベローズ4と、ジョイント5と、コバール金属環6とで、ガラス管2と熱媒体流通管3との間に環状の密閉空間を形成し、該密閉空間を真空状態にすることで真空空間8を形成している。
ベローズ4は、ベローズ4の半径方向外側に向かって折れ目が形成される山折り形状部4aと、ベローズ4の半径方向内側に向かって折れ目が形成される谷折り形状部4bとを交互にそれぞれ複数備えている。複数の各山折り形状部4aの直径は、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。同様に、複数の各谷折り形状部4bの直径も、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少している。つまり、各山折り形状部4aは、隣り合う山折り形状部4aに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとのおおむね中間の位置(中間部)に位置するように形成されている。同様に、各谷折り形状部4bは隣り合う谷折り形状部4bに対してベローズ4の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部4aと隣り合う谷折り形状部4bとの中間部に位置するように形成されている。
ベローズ4の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料(例えばSUS、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、ベローズ4の一部に別部材を用いてもよい。そして、ベローズ4と熱媒体流通管3及びジョイント5との接続方法は特に限定されず、例えば溶接、はんだ付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。
ジョイント5は、ジョイント円環形状部であるジョイント垂直面部5aと、ジョイント円筒形状部5bと、ジョイント最内部5cと、ジョイント最外部5dとを備えている。ジョイント垂直面部5aは、熱媒体流通管3と同心円状に設けられ、中心軸Xに対して垂直な円環板状の部材であり、ベローズ4と接続している。ジョイント円筒形状部5bは、熱媒体流通管3と同心円状の円筒形状の部材であり、ガラス金属接合部7の近傍でベローズ4を取り囲むように設けられており、ジョイント垂直面部5aに接続している。ジョイント最内部5cは、ジョイント垂直面部5aの内周縁に接続するように設けられ、熱媒体流通管3と同心円状の円筒形状の部材である。ジョイント最外部5dは、熱媒体流通管3と同心円状に設けられ、中心軸Xに対して垂直な円環板状の部材であり、ジョイント円筒形状部5bの端部とコバール金属環6とにそれぞれ接続している。ジョイント円筒形状部5bは、中心軸X方向に対して少なくともコバール金属環6と同じ幅を持つ。そして、ジョイント5は全体としてベローズ4を取り囲むように設けられている。また、ジョイント5の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料(例えばSUS、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼)、アルミニウム系材料等の光を透過せず耐熱性を有する金属を用いることができる。そして、ジョイント5とコバール金属環6との接続方法は特に限定されず、例えば溶接、はんだ付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。
コバール金属環6は材質がコバールであり、線膨張係数がガラス管2に近い。コバール金属環6はベローズ4とジョイント5とを取り囲むように設けられる。コバール金属環6はその端部がガラス管2の端部に差し込まれるように接続される。
矢印Aで示されている熱媒体流通管3の端部3aからジョイント最内部5cまでの間の領域は、太陽光の集光に寄与しないので、太陽熱集熱管1の非アクティブエリアである。
以上で説明した構成は太陽熱集熱管1の一方の端部付近の構成であるが、太陽熱集熱管1の他方の端部付近の構成も同じである。
以上で説明した構成は太陽熱集熱管1の一方の端部付近の構成であるが、太陽熱集熱管1の他方の端部付近の構成も同じである。
次に、この発明の実施の形態1に係る太陽熱集熱管の動作を説明する。
太陽熱集熱管1は、加熱されていない時は、図2に示すように、ベローズ4が最も縮んだ状態である。ここで、ベローズ4の各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bと中間部との中心軸X方向に関する長さを各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bと中間部とのそれぞれについての幅と呼ぶと、各山折り形状部4a及び各谷折り形状部4bの幅は、中間部の幅よりも大きい。そして、各山折り形状部4aは、端部3aとは反対側の隣の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bの半径方向に対して、中間部と同じ高さに位置するように形成されているので、端部3aと同じ側の隣の山折り形状部4aを中間部に収めることができる。また、各谷折り形状部4bは、端部3aと同じ側の隣の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bの半径方向に対して、中間部と同じ高さに位置するように形成されているので、端部3aとは反対側の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bを中間部に収めることができる。中間部の幅よりも大きい幅を持つ山折り形状部4a及び谷折り形状部4bを各中間部に収めることができるので、各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bとの直径が均一である場合よりも、ベローズ4の最短寸法が小さくなる。
太陽熱集熱管1は、加熱されていない時は、図2に示すように、ベローズ4が最も縮んだ状態である。ここで、ベローズ4の各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bと中間部との中心軸X方向に関する長さを各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bと中間部とのそれぞれについての幅と呼ぶと、各山折り形状部4a及び各谷折り形状部4bの幅は、中間部の幅よりも大きい。そして、各山折り形状部4aは、端部3aとは反対側の隣の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bの半径方向に対して、中間部と同じ高さに位置するように形成されているので、端部3aと同じ側の隣の山折り形状部4aを中間部に収めることができる。また、各谷折り形状部4bは、端部3aと同じ側の隣の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bの半径方向に対して、中間部と同じ高さに位置するように形成されているので、端部3aとは反対側の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bを中間部に収めることができる。中間部の幅よりも大きい幅を持つ山折り形状部4a及び谷折り形状部4bを各中間部に収めることができるので、各山折り形状部4aと各谷折り形状部4bとの直径が均一である場合よりも、ベローズ4の最短寸法が小さくなる。
太陽熱集熱管1の使用時には、熱媒体流通管3の内部に流通する熱媒体がガラス管2を透過した太陽光の熱によって加熱される。この時、熱媒体の熱によって、ガラス管2及び熱媒体流通管3が熱膨張するが、それらの材質の違いに起因して、ガラス管2と熱媒体流通管3との間に熱膨張差が生じる。ガラス管2よりも熱媒体流通管3の方が熱膨張率は大きいので、図3に示すように熱媒体流通管3がガラス管2よりも端部3a方向により突き出すようになる。この時、ベローズ4が熱媒体流通管3の長手方向に伸びることで、ガラス管2と熱媒体流通管3との熱膨張差を吸収する。また、この時の太陽熱集熱管1の非アクティブエリアは、ベローズ4の最短寸法時の非アクティブエリアである矢印Aで示されている領域と、熱膨張差の吸収のためにベローズ4が伸びた分の領域である矢印Bで示された領域を加えた矢印A’で示された領域となる。
前記したとおり、ベローズ4が縮む際の最小寸法が小さくなるので、矢印Aで示される領域が小さくなり、その結果、非アクティブエリアである矢印A’で示される領域も小さくなる。非アクティブエリアの領域を縮小することでアクティブエリアの領域を拡大して太陽熱集熱管1の集熱効率を上げることができる。
また、太陽熱集熱管1の使用中には、高温の熱媒体流通管3から矢印Cで示されるように輻射熱が輻射される。さらに、太陽光が熱媒体流通管3の表面に対して斜めに反射することにより、矢印Dで示されるような反射光が生じる。ガラス金属接合部7がこれらに直接曝されると、ガラス金属接合部7がこれらの熱によって損傷する等の不具合が発生する可能性がある。またさらに、熱媒体流通管3の表面からの熱がベローズ4とジョイント5とコバール金属環6とを介してガラス金属接合部7に伝わる。この熱が大きすぎると、やはりガラス金属接合部7が損傷する等の不具合が発生する可能性がある。
この実施の形態1では、ジョイント円筒形状部5bが、熱媒体流通管3とガラス金属接合部7との間に配置され、熱媒体流通管3からの矢印Cで示される輻射熱を遮るので、輻射熱がガラス金属接合部7に直接到達することを防ぐ。また、ジョイント円筒形状部5bは、中心軸X方向に対して少なくともコバール金属環6と同じ幅を持つので、ジョイント垂直面部5aは中心軸X方向についてコバール金属環6のガラス管2に接合している側の端と同じ位置かあるいはそれよりもさらに端部3aから遠い側に位置する。それにより、ジョイント垂直面部5aが熱媒体流通管3からの矢印Dで示される反射光を遮るので、反射光がガラス金属接合部7に直接到達することを防ぐ。また、ジョイント垂直面部5aにジョイント円筒形状部5bが接続され、ジョイント円筒形状部5bにジョイント最外部5dが接続されていることにより、ジョイント円筒形状部5bにコバール金属環6が接続されている構成と比較して、熱媒体流通管3の表面からの熱がベローズ4とジョイント5とコバール金属環6とを介してガラス金属接合部7に伝達する経路が、ジョイント円筒形状部5b及びジョイント最外部5dの部分だけ長くなるため、熱媒体流通管3からの熱がガラス金属接合部7に到達しにくくなる。したがって、熱によるガラス金属接合部7の損傷が発生する可能性を小さくすることができる。
また、この実施の形態1では、特許文献1に記載の発明と比較して、フランジ118(図7参照)に相当する部材を設けていない。したがって、フランジ118に相当する部材を設ける場合と比較して部品点数が少なくなり、さらに部品同士の接続箇所が少なくなる。部品同士の接続箇所は、もし故障や製造上の問題で接続に不具合が生じると真空空間8の密閉漏れが発生して真空空間8の真空度が低下し、太陽熱集熱管1の効率低下や機能不全につながる。このため、部品同士の接続箇所は少ないことが望ましい。ゆえにこの実施の形態1のフランジ118に相当する部材を設けないことは、特許文献1に記載の発明と比較して利点となる。
このように、ベローズ4の複数の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bの直径が、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少していることで、ベローズ4の最短寸法が短くなるので、太陽熱集熱管1のアクティブエリアを拡大することができる。
実施の形態2
次に、この発明の実施の形態2に係る太陽熱集熱管を説明する。尚、実施の形態2において、図1〜図3の参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る太陽熱集熱管は、実施の形態1に対して、ベローズの形状を変更したものである。
次に、この発明の実施の形態2に係る太陽熱集熱管を説明する。尚、実施の形態2において、図1〜図3の参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る太陽熱集熱管は、実施の形態1に対して、ベローズの形状を変更したものである。
図4に示すように、太陽熱集熱管21には、ガラス管2の両端に配置される環状の熱膨張差吸収手段であるベローズ24(図4には、一方のベローズ24のみが示されている)と、円環状のフランジ29と、ベローズ24とガラス管2との間に設けられた環状のジョイント25と、コバール金属環6とが設けられている。
図5に示すようにフランジ29は、フランジ29の外周縁に沿って設けられた円筒形状の外周縁屈折部29aと、フランジ29の内周縁に沿って設けられた円筒形状の内周縁屈折部29bとを備えている。内周縁屈折部29bが、熱媒体流通管3の端部3a付近の熱媒体流通管3の外周表面に接続されている。ベローズ24の一端が外周縁屈折部29aに接続されている。ベローズ24の他端が、ジョイント25に接続されている。ベローズ24は、ベローズ24の半径方向外側に向かって折れ目が形成される山折り形状部24aと、ベローズ24の半径方向内側に向かって折れ目が形成される谷折り形状部24bとを交互にそれぞれ複数備えている。複数の各山折り形状部24aの直径は、熱媒体流通管3の端部3a方向に向かうに従いテーパ状に増大している。同様に、複数の各谷折り形状部24bの直径も、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に増大している。つまり、各山折り形状部24aは、隣り合う山折り形状部24aに対してベローズ24の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部24aと隣り合う谷折り形状部24bとの中間部になるように形成されている。同様に、各谷折り形状部24bは隣り合う谷折り形状部24bに対してベローズ24の半径方向にずれた位置であり、隣り合う山折り形状部24aと隣り合う谷折り形状部24bとの中間部になるように形成されている。
ベローズ24の材質は、実施の形態1のベローズ4と同じである。フランジ29の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料(例えばSUS、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。そして、フランジ29とベローズ24との接続方法は特に限定されず、例えば溶接、はんだ付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。
ジョイント25は、ジョイント円環形状部であるジョイント垂直面部25aと、ジョイント円筒形状部25bと、ジョイント最内部25cと、ジョイント最外部25dと、ジョイント逃げ部25eとを備えている。ジョイント垂直面部25aは、熱媒体流通管3と同心円状に設けられ、中心軸Xに対して垂直な円環板状の部材であり、ベローズ24と接続している。ジョイント円筒形状部25bは、熱媒体流通管3と同心円状の円筒形状であり、ガラス金属接合部7の近傍でベローズ4を取り囲むように設けられており、ジョイント垂直面部25aに接続している。ジョイント最内部25cは、ジョイント垂直面部25aの内周縁に接続するように設けられ、熱媒体流通管3と同心円状の円筒形状の部材である。ジョイント最外部25dは、熱媒体流通管3と同心円状に設けられ、中心軸Xに対して垂直な円環形状の部材であり、ジョイント円筒形状部25bの端部とコバール金属環6とにそれぞれ接続している。ジョイント円筒形状部25bは、中心軸X方向に対して少なくともコバール金属環6と同じ幅を持つ。ジョイント25は全体としてベローズ24を取り囲むように設けられている。ジョイント逃げ部25eは、ベローズ24が縮んだ時に、ジョイント垂直面部25aに最も近い山折り形状部24aが入り込むための凹部である。ジョイント円筒形状部25bは、中心軸X方向に対して少なくともコバール金属環6と同じ幅を持つ。また、ジョイント25の材質は、ジョイント5と同じである。さらに、ジョイント25とコバール金属環6との接続方法はジョイント5とコバール金属環6との接続方法と同じである。
次に、この発明の実施の形態2に係る太陽熱集熱管の動作を説明する。
太陽熱集熱管21は、加熱されていない時は図5に示すようにベローズ24が最短寸法まで縮んでいる。最小寸法まで縮んでいる時のベローズ24は実施の形態1と同様に、山折り形状部24aと谷折り形状部24bとの幅は中間部の幅よりも大きい。そして、中間部の幅よりも大きい幅を持つ山折り形状部24aと谷折り形状部24bとを中間部の位置に収めることができるので、各山折り形状部24aと各谷折り形状部24bとの直径が均一である場合よりもベローズ24が縮む際の最短寸法が小さくなる。
太陽熱集熱管21は、加熱されていない時は図5に示すようにベローズ24が最短寸法まで縮んでいる。最小寸法まで縮んでいる時のベローズ24は実施の形態1と同様に、山折り形状部24aと谷折り形状部24bとの幅は中間部の幅よりも大きい。そして、中間部の幅よりも大きい幅を持つ山折り形状部24aと谷折り形状部24bとを中間部の位置に収めることができるので、各山折り形状部24aと各谷折り形状部24bとの直径が均一である場合よりもベローズ24が縮む際の最短寸法が小さくなる。
太陽熱集熱管21の使用時には実施の形態1と同様に、図6に示すように熱媒体流通管3とガラス管2との熱膨張差により熱媒体流通管3がガラス管2よりも端部3a方向により突き出すようになる。この時、ベローズ24が熱媒体流通管3の長手方向に伸びることで、ガラス管2と熱媒体流通管3との熱膨張差を吸収する。また、この時の太陽熱集熱管21の非アクティブエリアは、ベローズ24の最短寸法時の非アクティブエリアである矢印Eで示されている領域と、熱膨張差の吸収のためにベローズ24が伸びた分の領域である矢印Fで示された領域とを加えた矢印E’で示された領域となる。
前記したとおり、ベローズ24が縮む際の最小寸法が小さくなるので、矢印Eで示される領域が小さくなり、その結果非アクティブエリアである矢印E’で示される領域も小さくなる。非アクティブエリアの領域を縮小することでアクティブエリアの領域を拡大して太陽熱集熱管21の集熱効率を上げることができる。
また、この実施の形態2では、実施の形態1と同様に、ジョイント円筒形状部25bが、熱媒体流通管3からの矢印Cで示される輻射熱がガラス金属接合部7に直接到達することを防ぎ、ジョイント垂直面部25aが熱媒体流通管3からの矢印Dで示される反射光がガラス金属接合部7に直接到達することを防いでいる。さらに、ジョイント垂直面部25aにジョイント円筒形状部25bが接続され、ジョイント円筒形状部25bにジョイント最外部25dが接続されていることにより、ジョイント円筒形状部25bにコバール金属環6が接続された場合と比較して、熱媒体流通管3の表面からの熱がからベローズ24とジョイント25とコバール金属環6とを介してガラス金属接合部7に伝達する経路が、ジョイント円筒形状部25b及びジョイント最外部25dの部分だけ長くなるため、熱媒体流通管3からの熱がガラス金属接合部7に到達しにくくなる。したがって、熱によるガラス金属接合部7の損傷が発生する可能性を小さくすることができる。
このように、ベローズ24の複数の山折り形状部24a及び谷折り形状部24bの直径が、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に増大していることで、ベローズ24の最短寸法が短くなるので、太陽熱集熱管1のアクティブエリアを拡大することができる。
実施の形態1では、ベローズ4の複数の山折り形状部4a及び谷折り形状部4bは、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に減少し、実施の形態2では、ベローズ24の複数の山折り形状部24a及び谷折り形状部24bは、熱媒体流通管3の端部3aに向かうに従いテーパ状に増大していたが、この形態に限定するものではない。ベローズの複数の山折り形状部及び谷折り形状部のうち、少なくとも二つの隣り合っている山折り形状部同士又は谷折り形状部同士の直径が異なっていればよい。例えば、ベローズ複数の山折り形状部及び谷折り形状部のうち、ベローズの一方の端部に設けられた山折り形状部又は谷折り形状部と、他方の端部に設けられた山折り形状部又は谷折り形状部との間に設けられている山折り形状部及び谷折り形状部の直径が一番大きくなるように形成されていてもよい。
実施の形態1では、ジョイント5は、ジョイント垂直面部5aと、ジョイント円筒形状部5bと、ジョイント最内部5cと、ジョイント最外部5dとを備えており、実施の形態2では、ジョイント25は、ジョイント垂直面部25aと、ジョイント円筒形状部25bと、ジョイント最内部25cと、ジョイント最外部25dと、ジョイント逃げ部25eとを備えていたが、この形態に限定するものではない。例えば、実施の形態1において、ジョイント円筒形状部5b及びジョイント最外部5dを設けず、ジョイント垂直面部5aにコバール金属環6を接続してもよい。この場合、ジョイント5はジョイント垂直面部5aとジョイント最内部5cとだけの構成となる。また、実施の形態2において、ジョイント円筒形状部25b及びジョイント最外部25dを設けず、ジョイント垂直面部25aにコバール金属環6を接続してもよい。この場合、ジョイント25はジョイント垂直面部25aとジョイント最内部25cとジョイント逃げ部25eとだけの構成となる。これにより、ジョイント5又はジョイント25の形状が簡単になり、ジョイント5又はジョイント25の製造及び加工が容易になる。
実施の形態1及び2では、コバール金属環6はコバール金属を材料としていたが、線膨張係数がガラス管2に近い別の材料を用いてもよい。
実施の形態1では、ジョイント垂直面部5aとジョイント最外部5dとは中心軸Xに対して垂直に設けられており、実施の形態2では、ジョイント垂直面部25aとジョイント最外部25dとは中心軸Xに対して垂直に設けられていたが、この形態に限定するものではない。実施の形態1では、ジョイント垂直面部5a及びジョイント最外部5dは、中心軸Xと90度以外のある角度をなして交差するように設けられていてもよい。同様に、実施の形態2でも、ジョイント垂直面部25a及びジョイント最外部25dは、中心軸Xと90度以外のある角度をなして交差するように設けられていてもよい。
1,21 太陽熱集熱管、2 ガラス管(外管)、3 熱媒体流通管(内管)、3a 端部、4,24 ベローズ(熱膨張差吸収手段)、4a,24a 山折り形状部、4b,24b 谷折り形状部、5,25 ジョイント、5a,25a ジョイント垂直面部(ジョイント円環形状部)、5b,25b ジョイント円筒形状部、5d,25d ジョイント最外部、6 コバール金属環(ジョイント取付部)。
Claims (5)
- 外管と、
内管と、
前記内管の端部付近の内管の表面に設置され、複数の山折り形状部及び谷折り形状部が交互に配置された伸縮可能な熱膨張差吸収手段と
を備え、
前記外管と前記内管とは前記熱膨張差吸収手段を介して接続され、
複数の前記山折り形状部及び前記谷折り形状部のうち、少なくとも二つの隣り合っている前記山折り形状部同士及び前記谷折り形状部同士の直径が異なる太陽熱集熱管。 - 前記山折り形状部及び前記谷折り形状部の直径が、前記内管の端部に向かうに従いテーパ状に変化している請求項1に記載の太陽熱集熱管。
- 前記山折り形状部及び前記谷折り形状部の直径が、前記内管の端部に向かうに従い減少している請求項2に記載の太陽熱集熱管。
- 前記外管と、前記熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、
前記ジョイント取付部は、前記外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が前記外管に接続され、
前記ジョイントは、ジョイント円環形状部を備え、
前記ジョイント円環形状部は、前記内管と同心円状の前記内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、前記ジョイント取付部の他端と、前記熱膨張差吸収手段とに接続されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。 - 前記外管と、前記熱膨張差吸収手段とが、ジョイント取付部と、ジョイントとを介して接続され、
前記ジョイント取付部は、前記外管と同心円状の円筒形状を有し、一端が前記外管に接続され、
前記ジョイントは、ジョイント最外部と、ジョイント円筒形状部と、ジョイント円環形状部とを備え、
前記ジョイント最外部は、前記内管と同心円状の前記内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、前記ジョイント取付部の他端に接続され、
前記ジョイント円筒形状部は、前記内管と同心円状の円筒形状を有し、前記熱膨張差吸収手段を取り囲むように設けられており、前記内管の中心軸方向に対して少なくとも前記ジョイント取付部と同じ長さを持ち、一端が前記ジョイント最外部に接続され、
前記ジョイント円環形状部は、前記内管と同心円状の前記内管の中心軸と交差する円環板状の形状を有し、前記ジョイント円筒形状部の他端と、前記熱膨張差吸収手段とに接続されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
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2014
- 2014-07-28 JP JP2014152934A patent/JP2016031172A/ja active Pending
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2015
- 2015-07-08 WO PCT/JP2015/069644 patent/WO2016017384A1/ja active Application Filing
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