JP2018179306A - 集熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の耐久性を向上させることができる集熱管を提供すること。【解決手段】集熱管１０において、ベローズ１６は、ステンレス管１１とガラス管２１の熱膨張差に起因した最大伸長状態及び最大縮長状態のいずれの状態でも圧縮状態にある。第１フランジ１５の第１内面１５ａに対しベローズ１６の第１当接部３１が押し当てられ、第２フランジ２５の第２内面２５ａに対し第２当接部３２が押し当てられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス管の外周面にフランジ及び金属製のベローズを介してガラス管が支持された集熱管に関する。

熱媒体が流通する金属管を太陽熱で加熱することにより熱媒体を加熱し、その熱を発電や化学反応に利用することが考えられている。集熱管は、金属管が大気に露出した状態にあると、金属管の表面から熱が大気中に拡散してしまうため、金属管の内部を流通する熱媒体を効率良く加熱できないという問題がある。

このため、図５に示すように、金属管９１をガラス管９２で囲んで二重管構造とし、金属管９１とガラス管９２との間に密閉空間（真空部）９３を形成して、熱が金属管９１から大気中に拡散することを防止している。しかしながら、金属管９１とガラス管９２とは熱膨張率の差が大きいため、金属管９１とガラス管９２との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段として金属ベローズ９４が使用されている。金属ベローズ９４は、一端がガラス管９２に溶接され、他端がフランジ９５に溶接されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−９０２２０号公報

ところで、金属ベローズ９４の伸縮によって金属管９１とガラス管９２との熱膨張差を吸収しているが、金属ベローズ９４の伸縮に伴い、金属ベローズ９４とフランジ９５との溶接部、及び金属ベローズ９４とガラス管９２との溶接部には応力が発生し、溶接部が破損すると、密閉空間９３の真空度が維持できなくなってしまう。このため、集熱管においては、金属ベローズ９４とフランジ９５の溶接部、及び金属ベローズ９４とガラス管９２の溶接部の耐久性の向上が必要である。

本発明の目的は、溶接部の耐久性を向上させることができる集熱管を提供することにある。

上記問題点を解決するための集熱管は、熱媒体が流通可能な金属管と、前記金属管との間に環状空間を形成する状態で前記金属管の外周側に配置されたガラス管と、前記金属管と一体の第１フランジと、前記ガラス管と一体の第２フランジとを接続した金属製のベローズと、を有する集熱管であって、前記ベローズは、前記金属管と前記ガラス管との熱膨張差に起因した最大伸長状態において前記ベローズの自然長より短くなる圧縮状態となるように配設され、前記ベローズは、前記第１フランジと前記第２フランジの間で伸縮する伸縮部と、前記ベローズの一端部に設けられ、前記第１フランジと溶接される第１溶接部と、前記ベローズの他端部に設けられ、前記第２フランジと溶接される第２溶接部と、前記第１溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第１フランジに圧縮荷重を付与する第１当接部と、前記第２溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第２フランジに圧縮荷重を付与する第２当接部とを有することを要旨とする。

これによれば、集熱管の使用温度範囲では、ベローズは圧縮状態にあり、引っ張り状態になることがない。そして、集熱管の使用時には、圧縮荷重は、第１当接部及び第２当接部によって支持されるため、伸縮部の伸縮方向の荷重が第１溶接部及び第２溶接部に加わることがない。その結果、第１溶接部及び第２溶接部の耐久性を向上させることができる。

また、集熱管について、前記第１溶接部は、前記第１当接部から前記ベローズの伸縮方向に沿って前記ガラス管から離れる方向へ突出した第１環状突起を備えるとともに、前記第１環状突起に前記第１フランジが嵌合され、前記第２溶接部は、前記第２当接部から前記ベローズの伸縮方向に沿って前記ガラス管に近付く方向へ突出した第２環状突起を備えるとともに、前記第２環状突起に前記第２フランジが嵌合されている。

これによれば、第１環状突起に第１フランジが嵌合することで、ガラス管の重量を第１フランジで支承できる。また、第２環状突起に第２フランジが嵌合することで、ガラス管の重量を第２フランジで支承できる。その結果、第１溶接部及び第２溶接部に作用する鉛直方向下側に向けた荷重が低減され、ベローズの各溶接部を各フランジからせん断する力が低減される結果、第１溶接部及び第２溶接部の耐久性を向上させることができる。

また、集熱管について、前記第２フランジは、前記ガラス管の端部に一端が接続されたリング部材の他端に設けた鍔部と、該鍔部に接合された環状の溶接部材と、によって構成され、前記第２環状突起は前記溶接部材に嵌合していてもよい。

これによれば、溶接部材の厚みを利用して第２溶接部が形成しやすくなるとともに、第２環状突起を嵌合させやすい。

本発明によれば、溶接部の耐久性を向上させることができる。

実施形態の集熱管を示す部分断面図。 （ａ）は未使用状態のベローズを示す部分断面図、（ｂ）は最大伸長状態のベローズを示す部分断面図、（ｃ）は最大縮長状態のベローズを示す部分断面図。 別例の集熱管を示す部分断面図。 別例の集熱管を示す部分断面図。 背景技術を示す図。

以下、集熱管を具体化した一実施形態を図１〜図２にしたがって説明する。
図１に示すように、集熱管（太陽熱集熱装置）１０は、熱媒体が流通可能な金属管としてのステンレス管１１と、ステンレス管１１との間に環状空間としての環状真空空間１２を形成する状態でステンレス管１１の外周を覆うガラス管２１と、を有する。また、集熱管１０は、ステンレス管１１とガラス管２１との熱膨張差を吸収する金属製（本実施形態ではステンレス鋼（ＳＵＳ））のベローズ１６を備えている。なお、図１は集熱管１０の軸方向一端側を示しており、集熱管１０は軸方向他端側も同様（対称）に構成されている。

ステンレス管１１は、ガラス管２１の軸方向両端部から所定量離れた位置に第１フランジ１５を備える。第１フランジ１５はステンレス鋼（ＳＵＳ）製である。第１フランジ１５は、ステンレス管１１の径方向に一定の幅を有する円環状である。

第１フランジ１５は、厚み方向の両端面のうちベローズ１６寄りの端面に第１内面１５ａを備える。また、第１フランジ１５は、中心部にステンレス管１１が嵌挿される嵌挿孔１５ｂを有する。集熱管１０は、環状真空空間１２に存在する自由水素を吸着するゲッタ材１９を備える。ゲッタ材１９を収容保持するゲッタ保持部２０は、ベローズ１６の内側に位置する状態で設けられている。

ガラス管２１の軸方向への長さは、ステンレス管１１の軸方向への長さより短い。ガラス管２１は、軸方向両端（図１では軸方向一端のみ図示）にリング部材としてのコバールリング２２を備える。コバールリング２２は、鉄にニッケル及びコバルトを配合した合金であるコバール製であり、熱膨張率が金属のなかで低く、硬質ガラスに近い。コバールリング２２は円筒状であり、コバールリング２２の軸方向の第１端部２２ａがガラス管２１の端部に接続されている。

図２（ａ）に示すように、コバールリング２２は、軸方向の第２端部２２ｂに円環状の鍔部２３を備える。鍔部２３は、コバールリング２２の径方向に一定の幅を有する。コバールリング２２の鍔部２３には、円環状の溶接部材２４が溶接によって接合されている。溶接部材２４はステンレス鋼（ＳＵＳ）製である。溶接部材２４の外径は、鍔部２３の外径と同じであり、溶接部材２４の外周縁は鍔部２３の外周縁と面一である。溶接部材２４の内径は、鍔部２３の内径より小さく、溶接部材２４の内周縁は、鍔部２３の内周縁よりもステンレス管１１寄りに位置している。

鍔部２３と溶接部材２４とにより、第２フランジ２５が構成され、ガラス管２１は第２フランジ２５を備える。第２フランジ２５は、厚み方向の両端面のうちベローズ１６寄りの端面に第２内面２５ａを備え、この第２内面２５ａは溶接部材２４の円環状の端面によって形成されている。

ベローズ１６は、伸縮部としての蛇腹部３０と、ベローズ１６の軸方向一端に位置する円環状の部分であり、蛇腹部３０に連続した第１当接部３１と、ベローズ１６の軸方向他端に位置する円環状の部分であり、蛇腹部３０に連続した第２当接部３２とを有する。

ベローズ１６は、該ベローズ１６の軸方向の一端部に設けられ、第１フランジ１５と溶接される第１溶接部４１と、ベローズ１６の軸方向の他端部に設けられ、第２フランジ２５と溶接される第２溶接部４２とを有する。第１当接部３１は、第１溶接部４１と蛇腹部３０との間に設けられ、第２当接部３２は、第２溶接部４２と蛇腹部３０との間に設けられる。

第１当接部３１は、径方向に一定の幅を有し、第１当接部３１の外径は、第１フランジ１５の外径より僅かに長い。第１溶接部４１は、第１当接部３１の外周縁から突出する第１環状突起３１ａを備える。第１環状突起３１ａは、ベローズ１６の軸方向に沿って蛇腹部３０から離れる方向へ第１当接部３１から突出する。よって、第１環状突起３１ａは、ベローズ１６の軸方向に沿ってガラス管２１から離れる方向へ突出する。

第１溶接部４１は、第１環状突起３１ａと第１フランジ１５の外周縁とを溶接して形成されている。第１環状突起３１ａは、第１フランジ１５の外周縁に嵌合した状態にある。第１当接部３１は、第１環状突起３１ａで囲まれた面に第１当接面３１ｂを備える。この第１当接面３１ｂは、第１フランジ１５の第１内面１５ａに面接触している。

ベローズ１６の第２当接部３２は、径方向に一定の幅を有し、第２当接部３２の外径は、第２フランジ２５の外径より僅かに長い。第２溶接部４２は、第２当接部３２の外周縁から突出する第２環状突起３２ａを備える。第２環状突起３２ａは、ベローズ１６の軸方向に沿って蛇腹部３０から離れる方向へ第２当接部３２から突出する。よって、第２環状突起３２ａは、ベローズ１６の軸方向に沿ってガラス管２１に近付く方向へ突出する。

第２溶接部４２は、第２環状突起３２ａと溶接部材２４の外周縁とを溶接して形成されている。第２環状突起３２ａは第２フランジ２５の外周縁に嵌合した状態にある。第２当接部３２は、第２環状突起３２ａで囲まれた面に第２当接面３２ｂを備える。この第２当接面３２ｂは、第２フランジ２５の第２内面２５ａに面接触している。

ここで、図２（ｂ）の２点鎖線に示すように、ベローズ１６において、軸方向に負荷が掛かっていない状態での軸方向への長さを自然長Ｌとする。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、自然長Ｌよりも軸方向への長さが短くなった状態をベローズ１６の圧縮状態とし、図示はしないが、自然長Ｌよりも軸方向への長さが長くなった状態をベローズ１６の引っ張り状態とする。

ベローズ１６は、集熱管１０の使用温度範囲において、ステンレス管１１とガラス管２１の熱膨張率の差（以下、熱膨張差と記載する）に応じて伸縮する。なお、使用温度範囲とは、集熱管１０が曝される環境下において想定される上限温度から下限温度までの範囲である。

使用温度範囲において、図２（ｂ）に示すように、使用温度範囲の上限温度でベローズ１６の軸方向への長さが最も長くなったときを最大伸長状態とし、図２（ｃ）に示すように、下限温度でベローズ１６の軸方向への長さが最も短くなったときを最大縮長状態とする。

図２（ａ）に示すように、ベローズ１６は、最大伸長状態及び最大縮長状態のいずれの状態でも圧縮状態にあるように、ベローズ１６は、圧縮状態で第１フランジ１５と第２フランジ２５の間に配設されている。このため、第１当接部３１の第１当接面３１ｂは、第１フランジ１５の第１内面１５ａに押し当てられている。よって、第１フランジ１５は圧縮状態のベローズ１６によって押圧され、第１フランジ１５には圧縮荷重が付与されているとともに、その圧縮荷重は第１当接部３１に支持されている。また、第２当接部３２の第２当接面３２ｂは、第２フランジ２５の第２内面２５ａに押し当てられている。よって、第２フランジ２５は圧縮状態のベローズ１６によって押圧され、第２フランジ２５には圧縮荷重が付与されているとともに、その圧縮荷重は第２当接部３２に支持されている。

次に、集熱管１０の作用を記載する。
さて、図２（ｂ）に示すように、使用温度が上昇すると、ステンレス管１１とガラス管２１との熱膨張差により、ベローズ１６は伸長し、使用温度が上限温度に達し、最大伸長状態まで変位してもベローズ１６は圧縮状態である。すなわち、ベローズ１６は、ステンレス管１１とガラス管２１の熱膨張差に起因した最大伸長状態にてベローズ１６の自然長Ｌより短くなる圧縮状態となるように配設されている。

このため、ベローズ１６の原形状への復帰力により、第１フランジ１５の第１内面１５ａが第１当接部３１によって押圧され、第２フランジ２５の第２内面２５ａが第２当接部３２によって押圧される。このため、ベローズ１６の蛇腹部３０の伸縮時に第１当接部３１及び第２当接部３２には圧縮荷重が付与され、第１溶接部４１及び第２溶接部４２にはベローズ１６の伸縮方向の荷重は加わらない。

一方、図２（ｃ）に示すように、使用温度が下降すると、ステンレス管１１とガラス管２１との熱膨張差により、ベローズ１６は収縮し、使用温度が下限温度に達し、最大縮長状態にまで変位してもベローズ１６は圧縮状態にある。このため、ベローズ１６の原形状への復帰力により、第１フランジ１５の第１内面１５ａが第１当接部３１によって押圧され、第２フランジ２５の第２内面２５ａが第２当接部３２によって押圧される。このため、ベローズ１６の蛇腹部３０の伸縮時に第１当接部３１及び第２当接部３２には圧縮荷重が付与され、第１溶接部４１及び第２溶接部４２にはベローズ１６の伸縮方向の荷重は加わらない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ベローズ１６は、集熱管１０の使用温度範囲では圧縮状態にあり、引っ張り状態となることがない。圧縮荷重は、第１当接部３１及び第２当接部３２によって支持されるため、蛇腹部３０の伸縮方向の荷重が第１溶接部４１及び第２溶接部４２に加わることがない。このため、例えば、ベローズ１６が、自然長にある状態を、最大伸長状態と最大縮長状態で跨いで使用されている場合のように、伸長状態にあるときには自然長の状態に戻ろうとする力、すなわち、引っ張り荷重が第１溶接部４１及び第２溶接部４２に加わることがない。よって、伸縮が繰り返されるベローズ１６において、第１溶接部４１及び第２溶接部４２の耐久性を向上させることができる。

（２）第１当接部３１の第１当接面３１ｂは、第１フランジ１５の第１内面１５ａに面接触した状態で押し当てられ、第２当接部３２の第２当接面３２ｂは、第２フランジ２５の第２内面２５ａに面接触した状態で押し当てられている。このため、ベローズ１６からの圧縮荷重は分散され、第１フランジ１５及び第２フランジ２５の一部に荷重集中することが抑制される。その結果として、ベローズ１６が常に圧縮状態にあっても第１フランジ１５及び第２フランジ２５が損傷することを抑制できる。

（３）第１溶接部４１は、ベローズ１６の第１環状突起３１ａが第１フランジ１５の外周縁に嵌合した状態で、第１環状突起３１ａを第１フランジ１５に溶接して形成されている。また、第２溶接部４２は、ベローズ１６の第２環状突起３２ａが第２フランジ２５の外周縁に嵌合した状態で、第２環状突起３２ａを第２フランジ２５に溶接して形成されている。このため、ガラス管２１の重量を第１フランジ１５及び第２フランジ２５に支承させることができる。よって、第１溶接部４１及び第２溶接部４２に作用する鉛直方向下側への荷重（せん断力）を低減できる。したがって、第１溶接部４１及び第２溶接部４２に伸縮方向への荷重が加わるのを抑制しつつ、せん断力も低減でき、第１溶接部４１及び第２溶接部４２の耐久性を向上させることができる。

（４）第２フランジ２５は、コバールリング２２の鍔部２３に溶接部材２４を溶接して形成されている。このため、コバールリング２２の鍔部２３だけで第２フランジ２５を形成する場合と比べると、第２フランジ２５を厚くできる。よって、第２溶接部４２と第２フランジ２５との溶接が行いやすく、また、第２環状突起３２ａを嵌合させやすく、ガラス管２１の重量を支承しやすい。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図３に示すように、ベローズ１６は、第１溶接部４１に第１環状突起３１ａを備えていなくてもよく、この場合は、第１当接部３１の第１当接面３１ｂと第１フランジ１５の第１内面１５ａとを当接させた状態で第１当接部３１の外周縁に第１フランジ１５の外周縁と溶接する第１溶接部４１が形成される。また、ベローズ１６は、第２溶接部４２に第２環状突起３２ａを備えていなくてもよく、この場合は、鍔部２３が第２フランジ２５を構成するとともに、第２当接部３２の第２当接面３２ｂと第２フランジ２５の第２内面２５ａと当接させた状態で第２当接部３２の外周縁に第２フランジ２５の外周縁と溶接する第２溶接部４２が形成される。なお、上記のように環状突起を備えない構成は、第１溶接部４１及び第２溶接部４２のいずれか一方であってもよい。

○ 図４に示すように、ベローズ１６は、ステンレス管１１とガラス管２１との熱膨張差に起因した最大縮長状態においてベローズ１６の自然長Ｌより長くなる引っ張り状態となるように配設されている。すなわち、ベローズ１６は、最大伸長状態及び最大縮長状態のいずれの状態でも引っ張り状態にあるように、引っ張られた状態で第１フランジ１５と第２フランジ２５との間に配設されていてもよい。なお、鍔部２３が第２フランジ２５を構成する。

この場合、ベローズ１６は、上記実施形態と同様に第１フランジ１５と第２フランジ２５との間で伸縮する蛇腹部３０と、ベローズ１６の一端部に設けられ、第１フランジ１５と溶接される第１溶接部４１と、ベローズ１６の他端部に設けられ、第２フランジ２５と溶接される第２溶接部４２と、を有する。上記実施形態と異なり、ベローズ１６は、第１溶接部４１と蛇腹部３０との間に設けられ、蛇腹部３０の伸縮時に第１フランジ１５に引っ張り荷重を付与する第１当接部３１ｃと、第２溶接部４２と蛇腹部３０との間に設けられ、蛇腹部３０の伸縮時に第２フランジ２５に引っ張り荷重を付与する第２当接部３２ｃとを有する。

第１当接部３１ｃは、第１フランジ１５の厚み方向における第１内面１５ａとは反対の面に当接している。また、第２当接部３２ｃは、第２フランジ２５の厚み方向における第２内面２５ａとは反対の面に当接している。第１溶接部４１は、第１当接部３１ｃの内周に有し、第２溶接部４２は、第２当接部３２ｃの内周に有する。

この場合、ベローズ１６は、集熱管１０の使用温度範囲では引っ張り状態にあり、圧縮状態となることがない。引っ張り荷重は、第１当接部３１ｃ及び第２当接部３２ｃによって支持されるため、蛇腹部３０の伸縮方向の荷重が第１溶接部４１及び第２溶接部４２に加わることがない。よって、伸縮が繰り返されるベローズ１６において、第１溶接部４１及び第２溶接部４２の耐久性を向上させることができる。

○ 実施形態において、溶接部材２４は無くてもよく、この場合、第２当接部３２の第２環状突起３２ａを鍔部２３の外周縁に嵌合させた状態で第２環状突起３２ａが鍔部２３に溶接される。

○ ステンレス管１１やベローズ１６をステンレス鋼以外の金属で形成してもよい。
○ 環状空間は環状真空空間１２に限らず、例えば、熱伝導率が空気より小さい気体が環状空間に通常の大気圧と同等以上の圧力で満たされて、熱伝導率が真空と同程度の状態であってもよい。なお、「真空」とは、通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態を意味する。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）熱媒体が流通可能な金属管と、前記金属管との間に環状空間を形成する状態で前記金属管の外周側に配置されたガラス管と、前記金属管と一体の第１フランジと、前記ガラス管と一体の第２フランジとを接続した金属製のベローズと、を有する集熱管であって、前記ベローズは、前記金属管と前記ガラス管の熱膨張差に起因した最大縮長状態において前記ベローズの自然長より長くなる引っ張り状態となるように配設され、前記ベローズは、前記第１フランジと前記第２フランジの間で伸縮する伸縮部と、前記ベローズの一端部に設けられ、前記第１フランジと溶接される第１溶接部と、前記ベローズの他端部に設けられ、前記第２フランジと溶接される第２溶接部と、前記第１溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第１フランジに引っ張り荷重を付与する第１当接部と、前記第２溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第２フランジに引っ張り荷重を付与する第２当接部とを有することを特徴とする集熱管。

（２）前記第１当接部は、前記第１フランジにおいて前記ベローズ寄りの内面とは反対面に当接し、前記第２当接部は、前記第２フランジにおいて前記ベローズ寄りの内面とは反対面に当接している集熱管。

１０…集熱管、１１…金属管としてのステンレス管、１３…環状空間としての環状真空空間、１５…第１フランジ、１６…ベローズ、１７…リング部材としてのコバールリング、２１…ガラス管、２３…鍔部、２４…溶接部材、２５…第２フランジ、３０…伸縮部としての蛇腹部、３１，３１ｃ…第１当接部、３１ａ…第１環状突起、３２，３２ｃ…第２当接部、３２ａ…第２環状突起、４１…第１溶接部、４２…第２溶接部。

Claims (3)

1. 熱媒体が流通可能な金属管と、
   前記金属管との間に環状空間を形成する状態で前記金属管の外周側に配置されたガラス管と、
   前記金属管と一体の第１フランジと、前記ガラス管と一体の第２フランジとを接続した金属製のベローズと、を有する集熱管であって、
   前記ベローズは、前記金属管と前記ガラス管との熱膨張差に起因した最大伸長状態において前記ベローズの自然長より短くなる圧縮状態となるように配設され、
   前記ベローズは、
   前記第１フランジと前記第２フランジの間で伸縮する伸縮部と、
   前記ベローズの一端部に設けられ、前記第１フランジと溶接される第１溶接部と、
   前記ベローズの他端部に設けられ、前記第２フランジと溶接される第２溶接部と、
   前記第１溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第１フランジに圧縮荷重を付与する第１当接部と、
   前記第２溶接部と前記伸縮部との間に設けられ、前記伸縮部の伸縮時に前記第２フランジに圧縮荷重を付与する第２当接部とを有することを特徴とする集熱管。
2. 前記第１溶接部は、前記第１当接部から前記ベローズの伸縮方向に沿って前記ガラス管から離れる方向へ突出した第１環状突起を備えるとともに、前記第１環状突起に前記第１フランジが嵌合され、前記第２溶接部は、前記第２当接部から前記ベローズの伸縮方向に沿って前記ガラス管に近付く方向へ突出した第２環状突起を備えるとともに、前記第２環状突起に前記第２フランジが嵌合されている請求項１に記載の集熱管。
3. 前記第２フランジは、前記ガラス管の端部に一端が接続されたリング部材の他端に設けた鍔部と、該鍔部に接合された環状の溶接部材と、によって構成され、前記第２環状突起は前記溶接部材に嵌合している請求項２に記載の集熱管。