JP5331131B2

JP5331131B2 - ガラスセラミック製中心パイプを備えた太陽熱集熱素子

Info

Publication number: JP5331131B2
Application number: JP2010547626A
Authority: JP
Inventors: エイベルマン，ロバート; ジェイブートン，ウィリアム; ダブリュホール，ダグラス; アイマシューズ，カレン; ウクラインクズィーク，ルジェルカ
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: WO2009105190A3; WO2009105190A2; CN101978224A; JP2011512510A; EP2252840A2; TW201000838A; US8683994B2; US20100313877A1; CN101978224B

Description

関連出願の説明

本願は、２００８年２月２０日付けで提出された米国特許出願第６１／０６６,３７５号の優先権を主張した出願である。

本発明は、太陽熱を利用するためのパイプ状輻射線吸収デバイスである、太陽熱集熱素子（ＨＣＥ）に関するものである。

ＨＣＥは、他の多くの用途の中で、太陽エネルギー変換プラントのためのパラボラ状トラフコレクタに用いられる。図１を参照すると、一対のＨＣＥ１０Ａ，１０Ｂが一体に結合された複数のＨＣＥを備えた従来の集熱構造が示されている。各ＨＣＥは、中心パイプ１２と、この中心パイプ１２を取り囲むガラス製のパイプ状ジャケット（外側パイプ）１４とを備えて、それら間に円筒状の空間（環状断面）を形成している。太陽輻射線は、パラボラ状の追跡ミラー（不図示）によって一点に集められ、ＨＣＥ１０上に合焦されて熱に変換される。従来のＨＣＥ１０は長さが約４メートルで、集熱構造全体の長さは、一体に結合されたＨＣＥ１０の数に左右される。集められた熱は、ＨＣＥ１０の中心パイプ１２を通って流れる熱伝達媒体を通じて伝導され、直接熱処理に用いられ、または電気エネルギーに変換される。

上記中心（または内側）パイプ１２は、一般にステンレス鋼で、かつ（１）太陽輻射線を吸収する、（２）赤外線ミラーとして動作する、（３）動作の最高温度において低い放射率を有する、ように構成された被膜で覆われる。外側パイプ１４は、一般に硼珪酸ガラスから形成されている。内側パイプ１２と外側パイプ１４とはベローズ１８を用いて連結されて、ガラスと鋼との間の熱膨張特性の不一致を補償する。外側パイプ１４は、ガラス・金属接着剤を用いてベローズ１８に接着され、ベローズ１８は内側パイプ１２に溶接されている。ベローズ１８は、ガラス・金属移行素子を提供して、鋼とガラスとの間の長手方向の移動を許容して、それら間の膨張特性の不一致を補償する。

ガラスパイプ１４と鋼パイプ１２との間の空間は、約１０^−４トールまで脱気されて、輻射熱の損失を最少にしている。従来のＨＣＥ構造は、鋼パイプ１２を通る有機熱伝達流体（ＨＴＦ）を用いている。常套的なＨＴＦは、Therminol（登録商標）ＶＰ−１もしくは Dowtherm Ａを含み、各混合物は、約７５％のジフェニルオキシドと２５％のビフェニルとからなる。

ＨＴＦとして合成オイルを用いる従来のＨＣＥ１０が太陽エネルギーを発生させるための動作温度範囲は約３００℃と４００℃の間（最高華氏７５０°）である。最高動作温度の４００℃においては、ガラスパイプ１４が約１００℃まで熱せられる。ＨＴＦとして合成オイルを用いるパイプに対する品質管理および信頼性の要求に適合するためには、ＨＣＥは、０℃未満から４００℃までの反復が２５〜３０年間可能でなければならない。

上記合成オイルＨＴＦの経年劣化によって発生する遊離水素は、鋼パイプ１２を通じて拡散し、円筒状空間１６内の真空に害を及ぼす。透過速度およびオイル劣化速度は、動作温度の上昇とともに増大する。水素ガスは極めて高い熱伝導度を有しているので、空間１６内への水素の漏洩に伴って、著しい熱損失が発生し、かつ真空度の低下を招く。

上記水素拡散問題を緩和するために、ＨＴＦとして超飽和水蒸気および溶融塩を用いることが考慮されている。ＨＴＦとして超飽和水蒸気を用いることに関しては、合成オイルに用いられる圧力に比較して高い圧力が必要なことから、鋼パイプ１２の重量を増大させる必要がある。さらに超飽和水蒸気を用いる構造は、熱水混合蒸気（フラッシュスチーム）、復水、安全予防（例えば現場でのパイプ破裂）等の問題も解決しなければならない。ＨＴＦとして溶融塩を用いる場合の最大関心事は凍結（すなわち塩の凝固）および腐食である。

したがって、従来の被膜付け技術は、水素拡散問題に対処するために開発されてきた。例えば、ステンレス鋼パイプ上の天然熱酸化物および酸化アルミニウムが水素透過問題を緩和するために用いられる。水素透過問題に対処するのに加えて、従来の鋼製中心パイプ１２は一般に、いくつかの機能すなわち、（１）太陽輻射線の吸収を促進するための被膜、（２）赤外線スペクトル中の太陽輻射線の反射を促進するための被膜、（３）低放射率を促進するための被膜、（４）水素バリヤとして作用させるための機能を達成する被膜をその外表面上に備えている。例えば一般的な被膜構成は、（最内層から最外層に向かって）天然酸化物上に堆積された厚さ約２５ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３からなる水素バリヤ、約１５０ｎｍのＭｏからなる赤外線ミラー、約７０〜１００ｎｍのサーメット（セラミック・メタル、Ｍｏ−Ａｌ_２Ｏ_３）可視光吸収層、およびＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３からなる約1/4波長の厚さの反射防止層を含む。

鋼パイプ１２の被膜付けに加えて、水素を除去するためにゲッター材料が空間１６へ導入される。水素ガスと化合または反応するゲッター材料は、真空を保つ支援を行なう。ゲッター材料の受容能力が飽和すると、再び空間内の圧力が上昇して、空間１６内の遊離水素の分圧が、ＨＴＦ内に溶解されている水素との平衡点に達する。空間１６内の水素の平衡点は、公知の吸収パイプ内において０．３ミリバール（０．３ｈＰａ）と３ミリバール（３ｈＰａ）との間の値である。

従来のＨＣＥの構造には、ベローズ機構の比較的高い複雑性（部品コストおよび組立てコストを伴う）、ベローズ機構を通じた熱損失（１０％もの多さとなり得る）、前述した熱膨張特性のミスマッチおよびそれに伴う温度特性の不安定性、前述した水素の透過性の問題、溶融塩ＨＴＦが採用された場合の腐食問題、複雑かつ高価な被膜取付け技術、比較的大きい重量等を含む多くの問題が存在する。

したがって、上述の課題の一つまたは複数を低減または排除する新規なＨＣＥ機構がこの分野で必要とされている。

本発明の一つまたは複数の実施の形態によれば、太陽熱集熱素子は、ガラスセラミック材料から形成された中心パイプ、およびこの中心パイプに対して同軸的に配置されて上記中心パイプとの間に容積を形成する、ガラス材料から形成された外側パイプを備えている。外側パイプの各端部は中心パイプに結合されている。

上記外側パイプの各端部は、金属ベローズ等の熱膨張補償のための可撓性ジョイントを用いることなしに、上記中心パイプに結合されるのがよい。それに加えて、またはそれの代わりに、上記外側パイプの各端部は、上記中心パイプに直接的に融着されるのがよい。

上記外側パイプの動作温度範囲限界は、上記中心パイプの動作温度範囲限界よりも低い。上記外側パイプおよび中心パイプのそれぞれの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、外側パイプおよび中心パイプのそれぞれの長手方向の膨張が実質的に互いに一致するように選択される（すなわち、外側パイプと中心パイプとの接着または融着は、熱サイクル下で早期不良を示さない）。例えば中心パイプのＣＴＥは、外側パイプのＣＴＥの約１／２と１／６との間である。

熱膨張の差と、より低い外側パイプの動作温度限界のために、ガラスをセラミックに封着するための繋ぎ目において発生する応力を緩和するためには、内外のパイプの間に、ガラスリング（中間的な膨張特性および動作温度を有するガラスで形成されている）または段階的なシールを必要とするであろう。

この太陽熱集熱素子は、上記外側パイプと中心パイプとの間に配置されたゲッター材料をさらに備えている。このゲッター材料は、４０グラム未満、２０グラム未満、５グラム未満、および／または約１グラム等の１グラムと４０グラムとの間であればよい。

上記中心パイプは少なくとも或る程度透明であり、かつその内側表面上に太陽エネルギー吸収被膜を備えているのがよい。赤外線ミラー被膜が上記中心パイプの外表面上に配置されていてもよい。この赤外線ミラー被膜上に反射防止被膜が配置されていてもよい。

あるいは、上記中心パイプが暗い不透明な色素を含んでいてもよい。このような場合、上記中心パイプは、その外表面上に太陽エネルギー吸収被膜を備えている必要はない。赤外線ミラー被膜は、上記中心パイプの外表面上に配置されていればよい。反射防止被膜は上記赤外線ミラー被膜上に配置されていればよい。

あるいは、上記中心パイプは不透光性色素を含んでいてもよい。赤外線ミラー被膜が上記外側パイプの外表面上に配置されていてもよい。太陽エネルギー吸収被膜上に赤外線ミラー被膜が配置されていてもよい。この太陽エネルギー吸収被膜上に反射防止被膜が配置されていてもよい。

上記中心パイプの壁の厚さは、ＨＴＦの動作圧力に左右され、厚さは４ｍｍ未満、約３〜３．５ｍｍ等の５ｍｍ未満である。

本発明のその他の態様、特徴、および効果は、添付図面と関連させてなされる下記の説明から、当業者には明らかであろう。

説明の目的で、好ましい複数の形態が図示されている。しかしながら、本発明は、示された正確な構造および手段に限定されるものではないことを理解すべきである。

ベローズ構造を介して結合された従来技術による熱集熱素子対の側面図である。ガラスセラミック製中心パイプを採用した本発明の一つまたは複数の態様による熱集熱素子の側面図である。ベローズ構造を備えずに結合された、本発明の一つまたは複数のさらなる態様による熱集熱素子対の側面図である。圧力の関数としてプロットされた、外径７０ｍｍの中心パイプに必要な壁の厚さを示すグラフである。本発明の一つまたは複数のさらなる態様による、ガラスセラミック製中心パイプおよび選択的被膜を採用した熱集熱素子の断面側面図である。本発明の一つまたは複数のさらなる態様による、ガラスセラミック製中心パイプおよび選択的被膜を採用した熱集熱素子の別の構造を示す断面側面図である。本発明の一つまたは複数のさらなる態様による、ガラスセラミック製中心パイプおよび選択的被膜を採用した熱集熱素子のさらに別の構造を示す断面側面図である

類似の要素は類似の符号で示されている図面を参照すると、図２には、太陽熱集熱素子（ＨＣＥ）１００が示されており、この素子は、ガラスセラミック材料から形成された中心パイプ１０２と、ガラス材料から形成された外側パイプ１０４とを備えている。外側パイプ１０４は、中心パイプ１０２に対して同軸的に配置されて、両者間に容積１０６を形成している。中心パイプ１０２および外側パイプ１０４は円筒体であることが好ましく、これにより、円筒形の容積１０６（環状の断面を備えている）が生じている。

本発明のＨＣＥ１００と従来技術のＨＣＥとの間の多くの差異のうちの一つは、ステンレス鋼とは対照的に、セラミックガラスで形成された中心パイプ１０２の採用である。外側パイプ１０４は、Corning社で販売している硼珪酸ガラス等の適当なガラスから形成されたものがよい。このような構造の長所は、少ない部品点数および単純化された組立て、著しく低減された水素透過性、低減された（または皆無になった）ゲッターの数、溶融塩熱伝達流体（ＨＴＦ）に対する耐腐食性、軽量、優れた熱安定性（高温において動作したときの最少化された曲がり）、単純化された被膜構造、および低減された熱損失を含む。これらの長所は、下記に説明され、および／または下記の説明に照らして明らかになるであろう。

本発明の実施の形態のさらなる詳細説明に先立って、ＨＣＥ１００の基本的な構造的および動作的特徴が再検討される。外側パイプ１０４と中心パイプ１０２との間の空間１０６は、約１０^−４トールまで脱気されて、輻射熱損失を最少化している。熱伝達流体（ＨＴＦ）は中心パイプ１０２を通って流れて、集められた熱をさらに利用するために伝導する。ＨＴＦは、Therminol（登録商標）ＶＰ−１等のオイル、水蒸気、溶融塩等から選ばれる。内側パイプ１０２の動作温度範囲は、ＨＴＦにもよるが、約３００℃から５２０℃までの間であり、外側パイプ１０４の動作温度は１００℃である。

特に、ＨＣＥ１００の中心パイプ１０２に対する外側パイプ１０４の各端部の接続部１１０Ａおよび１１０Ｂは、外側パイプ１０４の各端部が直接的に、または間接的に中心パイプ１０２に接続されるように構成されている。中心パイプ１０２に対する外側パイプ１０４の直接融着の場合、各材料が高温に加熱されて、溶融された材料同士融着が達成される。この接続機構は、直接的であろうと間接的であろうと、従来技術の構造のベローズ１８のような熱膨張補償機構の使用を回避し得る利点がある。これは、部品点数を減らし、組立工程を単純化する。

熱膨張補償機構の排除は、外側パイプ１０４および中心パイプ１０２の熱膨張係数（ＣＴＥ）に付随する構造の配慮の重要性を向上させる。融着材料（ガラスおよび／またはガラスセラミック等）に関する従来の考えは、ＣＴＥの一致を確実にすることである。しかしながら、動作時には、外側パイプ１０４と中心パイプ１０２とが異なる温度に昇温するために、ＨＣＥ１００の製造に関して、ＣＴＥを一致させることは許容できない。外側パイプ１０４の動作温度範囲の限界は、中心パイプ１０２の動作温度範囲の限界よりも低い。ＨＣＥ１００の具体的な構造にもよるが、外側パイプ１０４の動作温度範囲は、０℃未満から約１００℃までである。中心パイプ１０２の動作温度範囲は、使用される具体的なＨＴＦ（例えば、Therminol（登録商標）ＶＰ−１、水蒸気、溶融塩等）にもよるが、０℃未満から約５２０℃（ＨＴＦとしての溶融塩に関して）までである。もし接合部における動作温度限界が、外側パイプ１０４の動作温度限界よりも高いか、あるいはその接合部における好ましくない応力の原因になるのであれば、ガラス−セラミック接合は、（中間的な膨張特性および動作温度を有する）ガラスからなる段階的なシールまたはリングを必要とする。

外側パイプ１０４および中心パイプ１０２に関する個々のＣＴＥの望ましい組合せは、それらの動作温度限界内における両パイプに関して実質的に等しい形状変化を可能にする。本発明の一つまたは複数の態様によれば、外側パイプ１０４および中心パイプ１０２の各熱膨張係数（ＣＴＥ）が、外側パイプ１０４および中心パイプ１０２のそれぞれの長さ方向の膨張が、実質的に互いに一致するように選択される。したがって、中心パイプ１０２のＣＴＥは、外側パイプ１０４のＣＴＥの約１／２から１／６の間、例えば１／５であればよい。したがって、もし、例えば外側パイプ１０４が１００℃の温度範囲に亘って動作し、かつ中心パイプ１０２が５００℃の温度範囲に亘って動作するとすれば、中心パイプ１０２のＣＴＥは、外側パイプ１０４のＣＴＥの１／５でなければならない。もし外側パイプ１０４が３．３ ppm/℃のPyrex（登録商標）(パイレックス（登録商標）)で形成されていたとすれば、中心パイプ１０２は、０．６６ ppm/℃のＣＴＥを有するガラスセラミックで形成されなければならない。Corning社から販売されているPyroceram（登録商標）(パイロセラム)および／またはSchott社から販売されているRobax（登録商標）(ローバックス)等の種々のガラスセラミック材料のＣＴＥは、ＨＣＥ１００の目標ＣＴＥに適合させるために、極めて低い値に、場合によっては負の値に調整されなければならない。例えば、中心パイプのＣＴＥは約４ ppm/℃未満であればよい。

ＨＣＥ１００の長さは、如何なる値であってもよいが、約４メートルが適当である。集熱構造体の全体の長さは、一体に結合されるＨＣＥ１００の数に左右される。それぞれが４メートルの長さを有する３本のＨＣＥ１００が直接溶接されると、長さ１２メートルの１本の長い部分を形成する。これは、フレキシブルなホース・ジョイントを必要とせずに達成される。したがって、ガラスセラミック製中心パイプ１０２を用いることの一つの利点は、例えば約６本から９本のＨＣＥ１００を、フレキシブルなホース・ジョイントを必要とせずに接続して、ずっと長い部分が形成されることである。これは、（鋼パイプ構造からなる）１２メートルの組立て体は、各ＨＣＥの動作温度範囲に亘って３インチ（７．６ｃｍ）以上も熱膨張するからである。ガラスセラミック製中心パイプ１０２のＣＴＥは、鋼パイプのＣＴＥの十分の一以上も低いＣＴＥを有する。

図３に示されているように、ＨＣＥ１００Ａの一方の端部１１０Ｂは、別のＨＣＥ１００Ｂの一方の端部１１０Ａに結合されている。これは、それぞれのＨＣＥ１００Ａ，１００Ｂの中心パイプ１０２Ａ，１０２Ｂに接合された金属製カラー１１２Ａ，１１２Ｂを用いて達成される。金属製カラー１１２Ａ、１１２Ｂは、低炭素オーステナイト鋼等の適当な材料から形成することができる。金属製カラー１１２Ａ，１１２Ｂを中心パイプ１０２のガラスセラミック材料に接合する方法は、例えば、I.W.Donald 著「ガラスと金属、およびガラスとガラスセラミックと金属との封止および被覆の前処理、特性および化学」（ジャーナル・オブ・マテリアルサイエンス第２８巻、２８４１-２８８６頁、１９９３年）に記載されている。現場での組立てに際しては、ＨＣＥ１００Ａ，１００Ｂは、金属製カラー１１２Ａ，１１２Ｂ同士の溶接によって互いに結合される。

太陽輻射線は、パラボラ型追跡ミラー（不図示）によって集められかつ合焦されて熱に変換される。適当なパラボラ型追跡ミラー技術は当業者に良く理解されている。集熱された熱は、ＨＣＥ１００の中心パイプ１０２内を通過して流れる熱伝達媒体によって伝達されて、直接的に熱処理に用いられまたは電気エネルギーに変換される。

本発明の実施の形態のさらなる詳細がここに説明されている。ＣＳＰ（太陽光発電）プラントのための中心パイプ１０２の構造は、動力配管に関するＡＳＭＥ（米国機械学会）の規約Ｂ３１．１（中心パイプ１０２に関する寸法および材料の必要条件を規定している）、パラボラ型ミラーの焦点線に関して最大効率および公差を目指した溝の光学的構造、ならびに（１）中心パイプ１０２とＨＴＦとの相性、（２）中心パイプを通じた水素透過の最少化、および（３）アニールをしないで済む各ＨＣＥ１００の溶接の必要性によって決定される材料選択に一部基づく。

総じて、中心パイプ１０２の壁の厚さは、材料の圧力支持特性および梁の曲がり変形特性によって確定される。ＡＳＭＥの規約Ｂ３１．１は、下記の等式を用いてパイプの最大動作圧力を計算している。すなわち

ここで、ｔは最小限必要な壁の厚さ、Ｐは最大許容動作圧力、Ｄは外径、Ｓは材料金属の設計温度における許容応力値、ｙは０．４と０．７との間で変わる温度に依存するパラメータである。高温に関してはｙ＝０．４を用いるべきである。

従来技術の構成においては、中心パイプの材料が鋼であり、６００psi （４．１ＭＰａ）において４００℃の最大動作温度を備え、鋼パイプ１２は、少なくとも１０,０００psi （６９ＭＰａ）の許容応力（または４００℃において１５,０００psi （１０．３ＭＰａ）の耐力）を備えなければならない。従来技術の構成によれば、下記の寸法パラメータが許容されてきている。すなわち、外径＝７０ｍｍ、壁の厚さ＝２ｍｍ（Therminol(登録商標)ＶＰ−１のＨＴＦに対し）、長さ＝４,０６０ｍｍ、最大許容動作圧力＝６００psi （４．１ＭＰａ）（４００℃において）。材料の仕様は、溶接された配管に関するＡ−２４９標準に基づく。上述のパラメータは下記のようにして得られる。

ＡＳＭＥ規約は、温度の関数としての種々の形式の鋼に関する許容応力を公表している。ＡＳＭＥＢ３１．１によれば、従来技術の中心パイプ１２の時間に無関係な範囲における許容金属応力はまた、（１）動作温度における１．５で割った最低耐力、（２）３．５で割った最低引っ張り強度、（３）動作温度における１．１を掛け、次いで３．５で割った引っ張り強度、（４）室温における１．５で割った最低耐力のうちの最小値を選ぶことによって計算可能である。

図４を参照すると、鋼パイプ１２の壁の厚さは、フープ応力を用いて計算しても、上述のＡＳＭＥＢ３１．１の等式と同様の結果が得られる。図４においては、外径７０ｍｍの鋼パイプの必要な壁の厚さが圧力の関数としてプロットされており、この場合、許容応力（Ｓ）は、ＡＳＭＥＢ３１．１の破壊圧力式およびフープ応力式の双方を用いて計算されている。曲線Ａは、ｙ＝０．４およびＳ＝１０,０００psi （６９ＭＰａ）に対するＡＳＭＥＢ３１．１に対応し、曲線Ｂは、ｙ＝０．４およびＳ＝１２,０００psi （８３ＭＰａ）に対するＡＳＭＥＢ３１．１に対応し、曲線Ｃは、ｙ＝０．４およびＳ＝１５,０００psi （１０３ＭＰａ）に対するＡＳＭＥＢ３１．１に対応し、曲線Ｄは、Ｓ＝１, ０００psi （６.９ＭＰａ）に対するフープ応力に対応し、曲線Ｅは、Ｓ＝１０,０００psi （６９ＭＰａ）に対するフープ応力に対応し、曲線Ｆは、Ｓ＝１５,０００psi （１０３ＭＰａ）に対するフープ応力に対応する。

温度値および圧力値はＨＴＦに依存する。Therminol（登録商標）ＶＰ−１に関しては、動作温度が４００℃、最大動作圧力が６００psi（４．１ＭＰａ）、そしてＳ＝１０,０００〜１２,０００psi（６９〜８３ＭＰａ）における７０ｍｍの鋼パイプの厚さは２ｍｍである。水蒸気に関しては、動作温度が４８０〜５００℃、最大動作圧力が９００〜３,０００psi（６２〜２０７ＭＰａ）、そしてＳ＝１０,０００psi（６９ＭＰａ）における７０ｍｍの鋼パイプの厚さは３〜１０ｍｍであり、Ｓ＝１２,０００psi（８３ＭＰａ）においては２．５〜８ｍｍである。溶融塩に関しては、動作温度が５００〜５２０℃、最大動作圧力が１５０psi（１０．３ＭＰａ）、そしてＳ＝１０,０００〜１２,０００psi（６９〜８３ＭＰａ）における７０ｍｍの鋼パイプの厚さは２．５〜３ｍｍである。溶融塩に関しては、圧力が極めて低いが、高い動作温度故にパイプが曲がるので、壁の厚さは、破壊圧力によるよりも曲がりに関する必要条件によって壁の厚さが決められる（表１参照）。

種々のＨＴＦがＨＣＥに用いられた場合に、温度４００〜５００℃において許容できる応力要求に適合する多くのステンレス鋼がある。しかしながら、低溶接応力および最少水素透過特性に関する必要条件から、Ｌ鋼と呼ばれる低炭素鋼の使用が要求される。約４００℃を超えると弾性率が急激に低下しかつ強度が低下することから、４５０℃を超える温度に対して定格を有するＬ鋼は極めて僅かしかない。それでもなお、選択可能な鋼は、４００℃において１２,０００psi（８３ＭＰａ）、５００℃においては１１,０００psi（７６ＭＰａ）の許容応力を有するＴＰ３１６ＬＮ（１６Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ−Ｎ）、４００℃において１６,０００psi（１１０ＭＰａ）、４８２℃（これはこの鋼の最高動作温度である）においては１５,０００psi（１０３ＭＰａ）の許容応力を有するＴＰ３１０ＭｏＬＮ（２５Ｃｒ−２２Ｎｉ−２Ｍｏ−Ｎ）、ならびにパイプの形態では応力に関するデータはないが、板の形態ではＴＰ３１０ＭｏＬＮと同様の許容応力を有するＴＰ３１７Ｌ（１８Ｃｒ−１３Ｎ−３Ｍｏ）を含む。

ガラスセラミックに関しては、２０,０００psi （１３８ＭＰａ）の許容応力がこの技術分野で認められている。

中心パイプの壁の厚さはまた、梁の曲がり変形算定法を用いて評価され得る構造的剛性要求条件によっても決定可能である。表１は、従来のパイプ設計に利用される温度の関数としてのステンレス鋼の弾性率と、パイプの中央における最大撓み量および応力とを示す。高い強度および温度定格を備えた多くのガラスセラミックが本発明により使用可能であるが、中心パイプ１０２の中央において従来技術のステンレス鋼の撓み量と同じ撓み量を得るのに必要な壁の厚さを評価するために、Corning社のPyroceram（登録商標）９６０６ガラスセラミックが比較のための実施例として選択された。Pyroceram（登録商標）９６０６ガラスセラミックは、長期間の使用における６８０℃の動作温度を有し、かつ報告された弾性率は、９２ＧＰａ（表１に用いられている）から１２２ＧＰａ（試験温度に殆ど関係しない）まで変化する。

表１は、Pyroceram（登録商標）９６０６ガラスセラミックまたはSchott社のRobax（登録商標）と類似の材料を用いて製作されたガラスセラミック・パイプが、４００〜５００℃において鋼パイプと比較できる構造的剛性を確保するためには約３〜３．５ｍｍの壁の厚さを必要とすることを示す。表１はまた、ガラスセラミックからなる中心パイプ１０２が、鋼パイプと比較して、重量が極めて軽いことを示しており（壁の厚さが５ｍｍの鋼パイプとガラスセラミック・パイプを参照）、このことは低コストの追跡システムの使用を可能にする。この効果は、壁の厚さが４〜６ｍｍもの鋼パイプを必要とする高圧水蒸気を直接発生させる場合に特に顕著である。＊は、５００℃におけるこれらの鋼パイプの壁の厚さが、低圧であっても少なくとも２．５ｍｍまで厚くする必要があることを示す。

上述の説明に鑑みて、中心パイプ１０２の壁の厚さは、約３〜３．５ｍｍ等の５ｍｍ以下がよい。

ガラスセラミック等の割れ易い材料に関しては、連続的な荷重の下で予想される寿命を考慮した場合、ゆっくりとした亀裂の成長が重要なパラメータである。下記の論議は、ガラスセラミックからなる中心パイプにおける表面仕上げの重要性に関するものである。確かに、一定の荷重下でのゆっくりとした亀裂の成長は、主要な破壊モードである。パイプ構造を用いた試験データは見当たらないので、ガラスセラミックからなる平板サンプルにおける公表されたデータに基づいて、破壊に至るまでの時間の推定がなされた。粒度２３０〜２７０の粗いダイアモンド粉で研磨された厚さ６ｍｍのガラスセラミックからなるサンプルは、５．５ＭＰａ（７９８psi）の一定の応力が印加された状態で０．００１の破壊確率をもって７３７,０００年の寿命を有すると報告されている。機械加工されたPyro-ceram（登録商標）９６０６ガラスセラミックからなるサンプルと、化学的にエッチングされた（表面を強化された）Pyroceram（登録商標）９６０６ガラスセラミックからなるサンプルと（厚さはそれぞれ２．５ｍｍ）がテストされ、かつ報告された。機械加工されたサンプルのワイブル係数（Weibull modulus）は、粗い表面を備えた割れ易い材料に関して予想されたように９〜１９の範囲内にあり、幅広いクラックサイズ分布を有していた。化学的エッチングによって強化された表面を備えたサンプルは、クラックサイズ分布の幅が狭くかつエッチング処理により表面が治癒されたので、より高い４０〜５０のワイブル係数を有することが報告されている。クラックの成長を許容することによる破壊までの予測時間は、下記の等式を用いて報告されている。すなわち、

ここで、Ｆは破壊の確率であり、σは印加された応力である。応力が印加されている状態（すなわち、パイプ内の流体の圧力が３０００psi(２０ＭＰａ)まで）では、ガラスセラミックの破壊までの時間は実質的に無限大であったことが報告されている。上記の情報は、Choi,S.R.,Gyekenyesi,J.P.著「パイロセラム・ガラスセラミックの機械的試験報告」、NASA/TM 2003-212487 においてさらに討議されている。他の多くのガラスセラミックの研究も、良好かつ一貫した表面仕上げによる高い強度を支持している。

ガラスセラミック製中心パイプ１０２の熱伝導率は、ステンレス鋼の熱伝導率（１４．６Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも低い約１．５〜３．５Ｗ／ｍ・Ｋである。中心パイプ１０２（ガラスセラミック製）の壁の厚さは数ミリメートルに過ぎないので、急速に安定状態の温度に達すると思われる。したがって、もし不透明なガラスセラミック材料が用いられるとしても、ガラスセラミックの、より低い熱伝導率が、パイプ１０２内のＨＴＦへの熱伝達に特に重大な影響を与えることはないであろう。もし中心パイプ１０２の形成に透明なガラスセラミック材料が用いられた場合には、太陽の輻射スペクトルが中心パイプ１０２の内壁に達するまでは効率的には熱に変換されないであろうし、これは極めて高い熱伝達効率を招来するであろう。

本発明におけるベローズ１８の排除は、導体金属部分を通じた熱損失となり得る表面積を大きく低減させることに注目すべきである。その結果、従来のＨＣＥ構造に見られる１０％の熱損失が解消される。本発明におけるベローズ１８の排除は、集熱素子のコスト
を大きく低減させることにも注目すべきである。

本明細書の背景技術の欄で論議されたように、Therminol（登録商標）ＶＰ−１等のＨＴＦの使用に伴う重要な関心事は、オイルの劣化と真空空間１０６内への水素の拡散であった。また、ＨＴＦとして水蒸気が用いられた場合の水素の透過にも関心があった。ＨＴＦの経年劣化により生成される遊離水素は、中心パイプ１０２を通して拡散する可能性があり、円筒状空間１０６内の真空度を低下させる可能性がある。透過速度は動作温度の上昇に伴って増大する。水素ガスは極めて高い熱伝導度を有するので、空間１０６内への水素の漏洩に伴って大きな熱損失が生じ、かつ真空度が低下する。

鋼内での水素の拡散度は、低炭素および面心立法結晶構造を備えたオーステナイト鋼に関して最も低い。３００〜６００℃の温度における３０４Ｌステンレス鋼および３０６ステンレス鋼の拡散定数は、それぞれ２．１×１０^−３ｃｍ^２／秒および１．７４×１０^−３ｃｍ^２／秒であり、活性化エネルギーは４６ＫＪ／モルおよび５２．８ＫＪ／モルである。Ｈ_２の透過率は圧力に左右される。１×１０^−４〜０．０３ＭＰａの合成ＨＴＦ内のＨ_２圧力に関して評価された圧力範囲内、および３７３〜６２３Ｋの温度範囲内において、オーステナイト合金におけるＨ_２の透過率は、５６．１ＫＪ／モルの活性化エネルギーをもって、５．３５×１０^−５モルＨ_２／（ｍｓＭＰａ^１／２）であると評価される。このような条件において、ステンレス鋼に対するＨ_２の溶解度は２６６モルＨ_２／（ｍｓＭＰａ^１／２）である。

ガラスセラミック材料は、多くの水素バリヤの中で最良の材料である。ガラス単独における水素の透過度の研究によれば、ステンレス鋼の透過度よりも次数が約４〜６も小さい１０^−７から１０^−６ｃｍ^２／秒台の拡散定数が報告されている。水素はガラス中で高い溶解度を有し、これがガラスセラミック・パイプ外への水素の透過を制限する。ガラスまたはガラスセラミックに関しては、透過度が水素の溶解度と拡散定数との積であり、鋼に関しては、表面状態も重要な役割を演ずる（例えば、酸化された表面は、清純な表面に比較して数次の大きさだけ透過を減らすことができる）。

鋼パイプおよびガラスパイプにおける水素の透過は、膜を透過するＨ_２に関する等式を用いて従来からこの分野で研究されかつ報告されて来ている。鋼を通る水素の透過に関しては、下記の等式が用いられた。すなわち、

そして、ガラスセラミックに関しては、

ここで、ｎ_Ｈ２は輪へ入る水素の流量（モルＨ_２／秒）、ｑ_Ｈ２は輪へ入る水素の流量（ｃｍ^３（ＳＴＰ）／秒）、Ａｒｅａ_ＳＳは透過に利用され得る吸収体の表面積（内径＝０．０６６ｍ、長さ４．０６ｍのパイプに関しては０．８４１８ｍ^２）、φ（Ｔ）およびＫ（Ｔ）はそれぞれステンレス鋼およびガラスの表２に示された単位を備えた透過率（絶対温度における透過速度および活性エネルギーを用いたアレニウスの関係式から計算される）、Ｐ_{Ｈ２，ＨＴＦ}はＨＴＦ中の水素の推定された蒸気圧、Ｐ_{Ｈ２，ａｎｎｕｌｕｓ}は輪内の水素の圧力（１０^−４トール、表２においてはゼロと見做される）、thickness_ＳＳはパイプの厚さである。ｎ_Ｈ２およびｑ_Ｈ２をＬ‐トールＨ_２／時の単位に変換するために理想気体の法則が用いられる。

表２は、ガラスおよびガラスセラミックに特有の透過速度の範囲を用いている。ガラスセラミックにおける透過は、同一条件における鋼の透過に比較して５０分の一〜２，５００分の一である。水素に対して低い透過性を有するガラス組成物を選択することによって、極めて少量のゲッター材料の使用に伴って、空間１０６内の水素の分圧を極めて低く保つことが可能なことを表２における結果が示している。例えば、外側パイプ１０４と中心パイプ１０２との間の容積１０６内に配置されたゲッター材料は２０グラム未満、５グラム未満、特に約１グラム等のように４０グラム未満である。これとは対照的に、従来技術のステンレス鋼製の中心パイプでは、４０〜８０グラムのゲッターが用いられた。ガラスセラミックの弾性率がより低いために（表１）、ガラスセラミック製中心パイプ１０２の壁の厚さが少なくとも約３．５ｍｍであることにより、ガラスセラミック・パイプにおけるＨ_２の透過速度はさらに低下する筈である。

これに加えて、ＨＴＦとして超飽和水蒸気および溶融塩を用いることは、中心パイプ１０２としてガラスセラミックが用いられる場合に、より魅力的である。確かに、鋼パイプ内のＨＴＦとして超飽和水蒸気を用いることに関しては（鋼の重量の故に）、ガラスセラミックが備えている大きな要素はない。さらに、溶融塩ＨＴＦに対するガラスセラミック材料の腐食に関する能力は、鋼パイプの及ぶところではない。

ＨＣＥの中心パイプ１０２は、（１）太陽輻射線を吸収する（約２μｍまで延びる周波数スペクトルの可視光部分にピークがあることが好ましい）、（２）赤外線を反射させる、および低放射率（４００〜５００℃において０．１未満、好ましくは０．０７未満）を有する選択的被膜を備えることができる。従来技術の被膜とは異なり、ガラスセラミック上の被膜は、水素バリヤ特性をいくらかは備えてはいるが、特に水素バリヤとして用いることを目的とする必要はないものである。

図５を参照すると、中心パイプ１０２は少なくとも或る程度透明な構造を有するのがよい（そして極めて透明なのがよい）。太陽エネルギー吸収被膜１２０は、中心パイプ１０２の内表面上（中心パイプ１０２の外表面上ではなく）に配置されているのがよい。このことは、外表面上に上記被膜を必要とする鋼パイプと対照的である。太陽エネルギー吸収被膜１２０は暗青色であるのがよく、貼付け、ゾル・ゲル処理、および／またはその他の従来技術の適当な技法によって施される。上記太陽エネルギー吸収被膜１２０は、波長が約２μｍ以下の可視光スペクトルにおいて吸収ピークを示すものがよい。この構造体は、太陽エネルギー吸収被膜１２０の代わりに、またはそれに加えて、中心パイプ１０２の外表面上に赤外線ミラー被膜１２２を備えているのがよい。この実施例では、赤外線ミラー被膜１２２が中心パイプ１０２自体の外表面に施されている。さらなる反射防止被膜１２４（例えば、１／４波長のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３）が赤外線ミラー被膜１２２を覆っているのがよい。

図６に示された別の実施の形態においては、中心パイプ１０２が黒っぽい不透明な色素を含むガラスセラミックから形成されている。この構造体は、中心パイプ１０２の外表面上に赤外線ミラー被膜１２２を備えている。ガラスセラミック材料が黒っぽいために、太陽エネルギー吸収被膜１２０が外表面上に配置されることを必要としない。さらなる反射防止被膜１２４（例えば、１／４波長のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３）が赤外線ミラー被膜１２２を覆っているのがよい。

図７に示されている別の実施の形態においては、中心パイプ１０２が、不透明な色素を含むガラスセラミックから形成されている。赤外線ミラー被膜１２２が中心パイプ１０２の外表面上に施されている。太陽エネルギー吸収被膜１２６（例えば、厚さ７０〜１００ｎｍのＭｏ−Ａｌ_２Ｏ_３のサーメット）が被膜１２２上に配置されている。さらなる反射防止被膜１２４（例えば、１／４波長のＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３）が太陽エネルギー吸収被膜１２６上を覆っている。

以上、複数の特定の実施の形態を参照して本発明が説明されたが、これらの実施の形態は本発明の原理および用途の説明に過ぎないことを理解すべきである。したがって、添付の請求項によって規定された本発明の精神および範囲から離れることなしに、説明された実施の形態に対する種々の変形が可能であり、かつ別の構成を発明することが可能なことを理解すべきである。

１００太陽熱集熱素子（ＨＣＥ）
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ中心パイプ
１０４外側パイプ
１０６容積（空間）
１１０Ａ，１１０ＢＨＣＥの端部
１１２Ａ，１１２Ｂ金属製カラー
１２０，１２６太陽エネルギー吸収被膜
１２２赤外線ミラー被膜
１２４反射防止被膜

Claims

ガラスセラミック材料から形成された中心パイプ、および
該中心パイプに対して同軸的に配置されて前記中心パイプとの間に容積を形成する、ガラス材料から形成された外側パイプ、
を備え、
該外側パイプの各端部が前記中心パイプに結合されていることを特徴とする、太陽熱集熱素子。
前記外側パイプの各端部が、熱膨張補償のための可撓性ジョイントを用いることなしに、前記中心パイプに結合されていることを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
前記外側パイプの各端部が、ガラス−セラミック・シールを用いて、前記中心パイプに直接的に融着されていることを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
前記中心パイプの両端に融着された鋼鉄製カラーをさらに備え、該鋼鉄製カラーは、前記太陽熱集熱素子に隣接する太陽熱集熱素子に対する溶接を許容するように機能することを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
前記外側パイプと前記中心パイプとの間の前記容積内に配置されたゲッター材料をさらに備えていることを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
前記中心パイプは少なくとも部分的に透明であり、かつその内側表面上に太陽エネルギー吸収被膜を備えており、該太陽エネルギー吸収被膜は、約２μｍ以下の波長の可視光スペクトルに対しピーク吸収を示すことを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
前記中心パイプが非透光性色素を含んでいることを特徴とする、請求項１記載の太陽熱集熱素子。
ガラスセラミック材料から形成された中心パイプ、および
該中心パイプに対して同軸的に配置されて前記中心パイプとの間に容積を形成する、ガラス材料から形成された外側パイプ、
を備えていることを特徴とする太陽熱集熱素子。
前記中心パイプは少なくとも或る程度は透明であり、かつその内側表面上に太陽エネルギー吸収被膜を備えていることを特徴とする、請求項８記載の太陽熱集熱素子。