JP2018076977A

JP2018076977A - 太陽熱集熱装置

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Publication number: JP2018076977A
Application number: JP2016217146A
Authority: JP
Inventors: 賢二望月; Kenji Mochizuki; 望月　　賢二
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2016-11-07
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2036-11-07
Also published as: EP3537052A1; EP3537052B1; WO2018083946A1; US20200056813A1; EP3537052A4; JP6686845B2; CN109923353A

Abstract

【課題】環状空間の真空度を確保して熱損失を増加させず、効率の低下を防止できる太陽熱集熱装置を提供する。
【解決手段】熱媒の上流側である集熱管２ａ〜２ｃまでを低温グループＡとし、集熱管２ｄ〜２ｆまでを中間グループＢとし、熱媒の下流側出る集熱管２ｇ〜２ｉまでを高温グループＣとし、グループ毎に第１収容部材２７１に収容されるゲッタ材２８の量を違う量としている。各熱媒流通管２０のゲッタ材２８の量は、熱媒の上流側である低温グループＡに対して中間グループＢの方が多く設けられ、中間グループＢに対して熱媒の下流側である高温グループＣの方が多く設けられる。
【選択図】図３

Description

この発明は、太陽熱集熱装置に関し、特に、気体を吸着するゲッタ材が設けられた太陽熱集熱装置に関する。

太陽熱集熱装置では、各種熱媒が流れる金属製の熱媒流通管を太陽光により加熱することで、熱媒を加熱して熱を利用する。この時、熱媒流通管から大気中に熱伝達されて熱媒から熱が失われないようにするために、熱媒流通管は光を透過するガラス管により覆われており、熱媒流通管とガラス管との間の環状空間は真空状態に保たれている。これにより、熱媒流通管は大気に対して断熱されている。

しかし、例えば熱媒流通管を構成している金属から気体分子が放出されたり、また、熱媒が加熱により分解されて発生した気体分子が熱媒流通管を貫通したり、あるいは、熱媒流通管とガラス管との接合部分から大気の気体分子が侵入すること等により、環状空間内に気体が侵入する。これらの気体は、主として分子の大きさが小さい水素である。気体が環状空間に侵入することで、環状空間の真空度が低下するので、熱媒流通管の大気に対する断熱性が徐々に低下する。これにより、太陽熱集熱装置の熱損失が増大し効率が低下する。

特許文献１に記載の太陽熱集熱装置では、環状空間に気体を吸着するゲッタ材が設けられていることで、環状空間の真空度が確保されている。

特開２０１５−１４４４４号公報

ところで、一般的な太陽熱集熱装置では、複数の熱媒流通管が直列に接続されており、ポンプにより熱媒が複数の熱媒流通管に順次流通されることで、熱媒が上流から下流に流れるにしたがい徐々に熱媒が加熱されていく。したがって、太陽熱集熱装置の上流側よりも下流側の方が熱媒の温度が高くなる。

これにより、太陽熱集熱装置の熱媒の下流側では、上流側に比べて環状空間の真空度を確保することが難しくなるので、太陽熱集熱装置の熱損失が増大し効率が低下するという課題があった。

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、熱媒の上流側よりも高温になる下流側でも、環状空間の真空度を確保して熱損失を増加させず、効率の低下を防止できる太陽熱集熱装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る太陽熱集熱装置は、熱媒が流通可能な熱媒流通管と、熱媒流通管との間に環状空間を形成して、熱媒流通管の外周を覆うガラス管と、環状空間に存在する気体を吸着するゲッタ材とを備える集熱管を複数直列に接続する太陽熱集熱装置であって、各集熱管に設けられる前記ゲッタ材の量は、熱媒の上流側よりも下流側の方が多い。
ゲッタ材を収容し保持する収容部材を備え、収容部材が、複数設けられていてもよい。

この発明に係る太陽熱集熱装置によれば、熱媒が流通可能な熱媒流通管と、熱媒流通管との間に環状空間を形成して、熱媒流通管の外周を覆うガラス管と、環状空間に存在する気体を吸着するゲッタ材とを備える集熱管を複数直列に接続する太陽熱集熱装置であって、各集熱管に設けられるゲッタ材の量は、熱媒の上流側よりも下流側の方が多いので、上流側よりも高温になる下流側でも、環状空間の真空度を確保して熱損失を増加させず、効率の低下を防止できる。

この発明の実施の形態１に係る太陽熱集熱装置の集熱管の断面概略図である。図１に示すゲッタホルダの概略図である。この発明の実施の形態１に係る太陽熱集熱装置の概略図である。この発明の実施の形態２に係る太陽熱集熱装置の概略図である。この発明の実施の形態１又は２の変形例に係るゲッタホルダの概略図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による太陽熱集熱装置の集熱管の一端を示す断面概略図である。

太陽熱集熱装置１は、複数の集熱管２から形成されている。集熱管２は、例えば溶融塩等の熱媒が流通可能な熱媒流通管２０と、熱媒流通管２０との間に環状空間２１を形成して、熱媒流通管２０の外周を覆うガラス管２２とが設けられている。ガラス管２２の全長は、熱媒流通管２０の全長よりも短くなるように形成されている。

ガラス管２２の端部２２０には、熱媒流通管２０と同心円状に設けられた円筒形状の部材であり、コバールで形成されたコバールリング２３が設けられている。コバールリング２３には、熱媒流通管２０と同心円状に設けられた環状のベローズリング２４が溶接により接続されている。ベローズリング２４には、熱媒流通管２０と同心円状に設けられた環状のベローズ２５の一端が溶接により接続されている。ベローズ２５の他端には、熱媒流通管２０と同心円状に設けられた薄板状で環状の部材であるフランジ２６が溶接により接続されている。フランジ２６の内周は、熱媒流通管２０の端部２００の外周に溶接により接続されている。

熱媒流通管２０と、ベローズリング２４と、ベローズ２５と、フランジ２６とは、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。また、ベローズ２５は、熱媒流通管２０とガラス管２２との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収部材を構成している。

ガラス管２２と、コバールリング２３と、ベローズリング２４と、ベローズ２５と、フランジ２６と、熱媒流通管２０とにより、環状空間２１は太陽熱集熱装置１の周辺の大気に対して密閉されており、真空状態に保たれている。

ベローズリング２４には、熱媒流通管２０と同心円状のゲッタホルダ２７が、ベローズリング２４よりも径方向内側に位置するように取り付けられている。

図２に示すように、ゲッタホルダ２７には、ベローズリング２４に接続される支持部材２７０と、ゲッタ材を収容し保持する第１収容部材２７１が設けられている。第１収容部材２７１は、支持部材２７０に接続されている。

また、ゲッタホルダ２７は周方向の一部が欠けた環状であり、該欠けた部分２７２から第１収容部材２７１に、タブレット状に形成された任意の量のゲッタ材２８が挿入される。

ゲッタ材２８は、例えばジルコニウム系合金やチタン等の任意の金属を形成したものであり、図１に示す環状空間２１内の気体分子を吸着するために設けられている。なお、ゲッタ材２８の材質及び形状は、他の適当な構成であってもよい。また、図１には集熱管２の一端を示したが、他端も同様の構成である。

図３に示すように、各集熱管２ａ〜２ｉの各熱媒流通管２０ａ〜２０ｉは、それぞれ直列に接続され、太陽熱集熱装置１を構成している。図示しないポンプにより、熱媒は、各熱媒流通管２０内を順次流通する。このとき、太陽光が太陽熱集熱装置１の各集熱管２ａ〜２ｉに当たり、ガラス管２２を透過して熱媒流通管２０を加熱する。熱媒は熱媒流通管２０内を順次流通する間に加熱されていくので、例えば上流側が３５０℃に対して下流側が６５０℃である等、上流側より下流側の熱媒の方が熱媒の温度が高くなる。よって熱媒の熱が伝わる熱媒流通管２０においても、例えば図３に示す上流側の熱媒流通管２０ａから順に下流側の熱媒流通管２０ｉに辿るに従い温度は高くなる。

前述したように、図１に示すとおり、環状空間２１は密閉されるように構成されている。しかし、熱媒流通管２０を構成している金属に吸着されていた気体や、熱媒流通管２０及びガラス管２２の接合部分から漏れ入った気体が、環状空間２１に放出される。また、熱媒が熱により分解されて生じた気体が、熱媒流通管２０を貫通して環状空間２１に放出される。これらの気体は主として分子の大きさが小さい水素である。気体が環状空間２１に放出されることで、環状空間２１の真空度が低下するので、熱媒流通管２０の大気に対する断熱性が徐々に低下する。これにより、太陽熱集熱装置１の熱損失が増大し効率が低下する。

一般的には、熱媒流通管２０を形成する金属が高温になるほど、金属に吸着されていた気体の環状空間２１への放出量が増加する。また、熱媒流通管２０が高温になるほど、熱媒が分解されることによる水素等の気体の発生量が増加し、気体が熱媒流通管２０を透過して環状空間２１への放出量が増加する。

前述したように、環状空間２１に放出された気体分子が、ゲッタ材２８により吸着されることで、環状空間２１の真空度が維持される。これに対して、一定量あたりのゲッタ材２８の気体の吸着量は、ゲッタ材２８が高温になるほど減少する。ゆえに、図３に示すような太陽熱集熱装置１の全体において各環状空間２１（図１参照）内の真空度の真空度を一定に維持するためには、下流側の集熱管２ｉに近いほどゲッタ材２８（図１参照）の量を増やす必要がある。

そのため、この発明の実施の形態１では、熱媒の上流側である集熱管２ａ〜２ｃまでを低温グループＡとし、集熱管２ｄ〜２ｆまでを中間グループＢとし、熱媒の下流側である集熱管２ｇ〜２ｉまでを高温グループＣとし、グループ毎に第１収容部材２７１に収容されるゲッタ材２８の量を違う量としている。例えば低温グループＡでは熱媒流通管２０ａ〜２０ｃの第１収容部材２７１（図１参照）に各４個のゲッタ材２８が収容され、中間グループＢでは熱媒流通管２０ｄ〜２０ｆの第１収容部材２７１に各１２個のゲッタ材２８が収容され、高温グループＣには熱媒流通管２０ｇ〜２０ｉの第１収容部材２７１に各２０個のゲッタ材２８が収容されている。

こうして、各熱媒流通管２０のゲッタ材２８の量は、熱媒の上流側である低温グループＡに対して中間グループＢの方が多く設けられ、中間グループＢに対して熱媒の下流側である高温グループＣの方が多く設けられている。従って、太陽熱集熱装置１の全体においてゲッタ材２８の気体の吸着量が略一定に保たれる。

このように、熱媒が流通可能な熱媒流通管２０と、熱媒流通管２０との間に環状空間２１を形成して、熱媒流通管２０の外周を覆うガラス管２２と、環状空間２１に存在する気体を吸着するゲッタ材２８とを備える集熱管２を複数直列に接続する太陽熱集熱装置であって、各集熱管２に設けられるゲッタ材２８の量が、熱媒の上流側よりも下流側の方が多いので、熱媒の上流側よりも高温になる下流側でも、環状空間２１の真空度を確保して熱損失を増加させず、太陽熱集熱装置の効率の低下を防止できる。

なお、実施の形態１では、９個の集熱管２ａ〜２ｉを３個ずつ低温グループＡと、中間グループＢと、高温グループＣとにグループ分けしていたが、太陽熱集熱装置１全体における集熱管２の数は、太陽熱集熱装置１を設置するプラントの構成により適宜必要な数であってもよく、また、太陽熱集熱装置１における集熱管２のグループの数、各グループに含まれる集熱管２の数、各グループのゲッタ材２８の数については、それぞれ環状空間２１の真空度を保つためにプラントの構成や周囲環境によって決定される、適当な任意の数であってもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２の構成を説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜図３の参照符号と同一の符号は、同一又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。
実施の形態２は、各集熱管２に配置されるゲッタ材２８の量を、集熱管２毎に変更したものである。

図４に示す太陽熱集熱装置１０は、ゲッタ材２８（図１参照）の量以外は図３に示す実施の形態１の太陽熱集熱装置１と同じ構成である。しかし、実施の形態１の太陽熱集熱装置１とは異なり、集熱管２について低温グループＡ、中間グループＢ、高温グループＣのグループ分けはされていない。

太陽熱集熱装置１０では、各集熱管２の各第１収容部材２７１に配置されるゲッタ材２８を、集熱管２毎に熱媒の上流側よりも下流側の方において量が増加するようにそれぞれ配置している。例えば、集熱管２ａにはゲッタ材２８が１個設けられ、集熱管２ｂにはゲッタ材２８が２個設けられ、集熱管２ｃにはゲッタ材２８が３個設けられるというように、熱媒の下流側に近づくに従いゲッタ材２８の量を１個ずつ増加させていき、下流側の集熱管２ｉにはゲッタ材２８が９個設けられている。

このように、集熱管２に配置されるゲッタ材２８の量が、集熱管２毎に熱媒の上流側よりも下流側の方が増加するように配置されているので、実施の形態１よりもさらに細かく、各熱媒流通管２０の温度に対して適当な量のゲッタ材２８を配置することができる。

なお、実施の形態２では、９個の集熱管２ａ〜２ｉが設けられ、集熱管２ａにはゲッタ材２８が１個設けられ、熱媒の下流側に近づくに従いゲッタ材２８の量を１個ずつ増加させて設けられていたが、太陽熱集熱装置１全体における集熱管２の数は、太陽熱集熱装置１を設置するプラントの構成により適宜必要な数であってもよく、また、集熱管２毎のゲッタ材２８の数については、それぞれ環状空間２１の真空度を保つためにプラントの構成や周囲環境によって決定される、適当な任意の数であってもよい。

また、実施の形態１及び２では、第１収容部材２７１を１個有するゲッタホルダ２７が太陽熱集熱装置１及び１０に設けられていたが、図５に示すような、第１収容部材２７１と第２収容部材２７３との２個又は２個以上の収容部材を連ねて有しているゲッタホルダ２７ａを太陽熱集熱装置１及び１０に設けてもよい。これにより、ゲッタホルダ２７を設けた場合よりもゲッタホルダ２７ａを設けた場合の方が収容部材の数が増えるので、ゲッタ材２８の量をより柔軟に調整することができる。

また、実施の形態１及び２では、支持部材２７０と第１収容部材２７１と欠けた部分２７２を有する、熱媒流通管２０と同心円状のゲッタホルダ２７又はゲッタホルダ２７ａを集熱管２に設けていたが、ゲッタホルダ２７又はゲッタホルダ２７ａの構成及び形状はその他の構成及び形状であってもよい。

１，１０太陽熱集熱装置、２，２ａ〜２ｉ集熱管、２０，２０ａ〜２０ｉ熱媒流通管、２１環状空間、２２ガラス管、２８ゲッタ材、２７１第１収容部材（収容部材）、２７３第２収容部材（収容部材）。

Claims

熱媒が流通可能な熱媒流通管と、
前記熱媒流通管との間に環状空間を形成して、前記熱媒流通管の外周を覆うガラス管と、
前記環状空間に存在する気体を吸着するゲッタ材と
を備える集熱管を複数直列に接続する太陽熱集熱装置であって、
前記各集熱管に設けられる前記ゲッタ材の量は、前記熱媒の上流側よりも下流側の方が多い
ことを特徴とする太陽熱集熱装置。
前記ゲッタ材を収容し保持する収容部材を備え、
前記収容部材が、複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。