JP6043535B2 - 太陽熱集熱管 - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱集熱管に係り、詳しくは熱媒が流通する中心金属管と、その中心金属管を取り囲んで中心金属管との間に環状空間を形成するガラス管とが、中心金属管とガラス管との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段を介して接続されている太陽熱集熱管に関する。

熱媒が流通する金属管を太陽熱で加熱することにより熱媒を加熱してその熱を利用する場合、金属管が大気に接触した状態では、加熱された金属管の熱が大気に熱伝達されるため熱媒が効率良く加熱されない。そのため、金属管をガラス管で囲んで金属管との間に環状空間を形成して、太陽熱で加熱された金属管の熱が大気に熱伝達されることを防止している。しかし、金属管とガラス管とは熱膨張率の差が大きいため、金属管とガラス管との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段を設ける必要がある。金属管の温度は数１００度に達するため、熱膨張差吸収手段は金属で形成される。熱膨張差吸収手段としてベローズが一般的であるが、金属製のベローズとガラス管とを直接接続すると、ベローズが伸縮する際に、ガラス管のベローズとの接続部が損傷し易い。

従来、図６に示すように、中心金属管３１とガラス管３２とをベローズ３３及びガラス金属転移素子３４を使用して接続する構成が提案されている（特許文献１参照）。ベローズ３３は、その内側端部３３ａが連結素子３５を用いて中心金属管３１と連結され、外側端部３３ｂがガラス金属転移素子３４によってガラス管３２に接続されている。

特開２００４−２５１６１２号公報

太陽熱集熱管の全長のうち、太陽光が中心金属管３１に入射できる範囲は、ベローズ３３及びガラス金属転移素子３４で覆われた範囲を除いた範囲になる。特許文献１では、ガラス金属転移素子３４はベローズ３３の外側に設けられているため、太陽光が中心金属管３１に入射できる範囲は、ベローズ３３で覆われた範囲を除いた範囲になる。ベローズ３３は、中心金属管３１及びガラス管３２の熱膨張差の最大量を吸収可能な長さに形成されている。

ところが、ベローズは伸縮前の長さがＬの場合、ストロークに使用できる長さは０．３Ｌ程度であり、それ以上伸縮させると塑性域に入ってしまい、元の状態に戻らなくなる。従来技術では、ベローズは１つ設けられているため、例えば、中心金属管３１及びガラス管３２の熱膨張差の最大量が０．６Ｌであると、ベローズ３３の長さは２Ｌ必要になり、アクティブエリアが小さくなる。ここで、アクティブエリアは、太陽光入射可能長／太陽熱集熱管全長で定義される。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱膨張差吸収手段のベローズによって遮断される太陽熱の入射領域を従来に比べて小さくすることにより、アクティブエリアを大きくすることができる太陽熱集熱管を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、熱媒が流通可能な中心金属管と、前記中心金属管の外周を覆い、前記中心金属管との間に環状空間を形成するガラス管と、一端側が前記中心金属管に接続されているとともに他端側が前記ガラス管に接続されていて前記中心金属管と前記ガラス管との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段とを備え、前記熱膨張差吸収手段は、複数の金属製のベローズが接続筒を介して直列に配置され、かつ前記ベローズが前記接続筒を挟んで径方向に重なって配置されている。ここで、「ベローズが直列に接続されている」とは、複数のベローズが同時に伸長したり収縮したりするとともに、その伸長量あるいは収縮量が加算されて全体の伸長量あるいは収縮量になるように接続されていることを意味する。

この発明では、熱膨張差吸収手段は、ガラス管及び中心金属管の熱膨張の差の分、伸長あるいは収縮する。一端が接続筒に連結されたベローズは、接続筒を基準にして伸長あるいは収縮する。例えば、太陽熱の照射によりガラス管及び中心金属管が膨張し、ガラス管と中心金属管との熱膨張率の差により、熱膨張差吸収手段に引っ張り力が作用する状態では、各ベローズがそれぞれ同じ方向に伸長する。熱膨張後の状態において、熱膨張差吸収手段の伸長量は、各ベローズの伸長量の和になる。例えば、ベローズが２つの場合、ガラス管を基準にして考えると、ベローズを介してガラス管に接続されている接続筒は、ガラス管に接続されているベローズの伸長量の分、伸長前の状態に比べてガラス管の端部から距離が大きくなるように移動する。また、一端が接続筒に連結され、他端が金属中心管に接続されたベローズは、接続筒を基準にして伸長し、ベローズの他端のガラス管の端部までの距離は、伸長前の状態に比べて、接続管の移動量と、ベローズ自身の伸長量との和になる。したがって、２つのベローズとして同じベローズが使用されていれば、熱膨張差吸収手段の伸長量は、２つのベローズの伸長量の２倍になる。２つのベローズは径方向に重なった状態に配置されているため、熱膨張差吸収手段におけるベローズ部分の長さは、ベローズ１つ分の長さになる。３つ以上のベローズが直列に接続され、かつ径方向に重なって配置されていれば、熱膨張差吸収手段の伸長量は、３倍以上になる。したがって、熱膨張差吸収手段のベローズによって遮断される太陽熱の入射領域を従来に比べて小さくすることにより、アクティブエリアを大きくすることができる太陽熱集熱管を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ベローズは２つである。この発明では、ベローズの数が３つ以上の場合に比べて製造が容易になる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ガラス管より内径側に前記ベローズが配置されている。ここで、「ガラス管より内径側にベローズが配置されている」とは、最も外側に配置されるベローズにガラス管が（径方向に重なる部材を介することなく）接続されていることを意味する。例えば最も外側に配置されるベローズの蛇腹部から延びる円筒部の径が、ガラス管の径と同等であることを意味する。この発明では、最も内側に配置されたベローズが中心金属管に対して接続されるため、ベローズが伸長する際、ベローズの伸長に伴う接続筒の移動が、最も内側に配置されたベローズを中心金属管と接続する部分、例えば、フランジ部と干渉せずに移動し易い。また、ガラス管の径が同じ太陽熱集熱管で比較した場合、ガラス管より外径側にベローズが配置される構成に比べて配置スペースを小さくすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ガラス管より外径側に前記ベローズが配置されている。ここで、「ガラス管より外径側にベローズが配置されている」とは、最も内側に配置されるベローズにガラス管が（径方向に重なる部材を介することなく）接続されていることを意味する。例えば最も内側に配置されるベローズの蛇腹部から延びる円筒部の径が、ガラス管の径と同等であることを意味する。この発明では、ベローズの数が多い場合でも、ガラス管と中心金属管との径の差を大きくせずにベローズを所望の数、設けることが容易になる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記ベローズは、外側に配置されたベローズの方が内側に配置されたベローズより長さが長い。複数のベローズを径方向に重ねて配置する場合、外側に配置されるベローズ、即ち径の大きなベローズの方が強度を高くすることが可能なため、ストロークを大きくすることができる。したがって、外側に配置されたベローズの長さを内側に配置されたベローズの長さより長くすることにより、同じ長さの熱膨張差吸収手段において、熱膨張差吸収能力を高くすることができる。

本発明によれば、熱膨張差吸収手段のベローズによって遮断される太陽熱の入射領域を従来に比べて小さくすることにより、アクティブエリアを大きくすることができる太陽熱集熱管を提供することができる。

一実施形態の太陽熱集熱管の部分断面図。 （ａ），（ｂ）は熱膨張差吸収手段の作用を示す模式図。 別の実施形態の太陽熱集熱管の部分断面図。 別の実施形態の太陽熱集熱管の部分断面図。 別の実施形態の太陽熱集熱管の部分断面図。 従来技術の太陽熱集熱管の部分断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、太陽熱集熱管１１は、熱媒が流通可能な中心金属管１２と、中心金属管１２との間に環状空間としての環状真空空間１３を形成する状態で中心金属管１２の外周を覆うガラス管１４と、中心金属管１２とガラス管１４との熱膨張差を吸収する金属製の熱膨張差吸収手段１５とを備えている。図１は太陽熱集熱管１１の一端側を示しており、太陽熱集熱管１１は他端側も同様（対称）に構成されている。

ガラス管１４は中心金属管１２より短く形成され、中心金属管１２の端部とガラス管１４の端部との間に熱膨張差吸収手段１５が接続されている。中心金属管１２及び熱膨張差吸収手段１５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製である。熱膨張差吸収手段１５は、複数（この実施形態では２つ）のベローズ１６−１，１６−２が接続筒１７を介して直列に、かつ径方向に重なる状態で配置されている。接続筒１７は、両ベローズ１６−１，１６−２とほぼ同じ長さに形成され、円筒部の一端に外側に突出する外側フランジ１７ａを有し、他端に内側に突出する内側フランジ１７ｂを有する。

両ベローズ１６−１，１６−２は、蛇腹部１８が同じ長さに形成され、蛇腹部１８の両端に円筒部１９ａ，１９ｂが形成されている。外側に配置されたベローズ１６−１は円筒部１９ａ，１９ｂの径がガラス管１４の径と同じに形成されている。ベローズ１６−１は、一方の円筒部１９ａにおいて、コバール製リング２０を介してガラス管１４に接続され、他方の円筒部１９ｂの端部が接続筒１７の外側フランジ１７ａに溶接で接続されている。コバールは鉄にニッケル及びコバルトを配合した合金であり、熱膨張率が金属のなかで低く、硬質ガラスに近い。

内側に配置されたベローズ１６−２は、一方の円筒部１９ａにおいて、接続筒１７の内側フランジ１７ｂに溶接で接続され、他方の円筒部１９ｂの端部が中心金属管１２に形成されたフランジ部１２ａの外周部に溶接で接続されている。フランジ部１２ａは、中心金属管１２の円筒面に、孔を有する円形状のＳＵＳ板が溶接で固着されて形成されている。即ち、この実施形態の熱膨張差吸収手段１５は、ガラス管１４より内径側にベローズ１６−１，１６−２が配置されている。「ガラス管１４より内径側」とは、最も外側に配置されるベローズ１６−１の蛇腹部１８の径、即ち円筒部１９ａ，１９ｂの径が、ガラス管１４の径と同等であることを意味する。

次に前記のように構成された太陽熱集熱管１１の作用を説明する。
太陽熱集熱管１１は、中心金属管１２に一端側から導入された熱媒が、中心金属管１２の他端側から排出される間に中心金属管１２からの熱伝導によって加熱され、加熱された熱媒が暖房装置、温水器、発電等に利用される。

例えば、太陽熱集熱管１１は、反射面が凹面の反射鏡の焦点に中心金属管１２が位置する状態で配設される。反射鏡の性能、環境温度、熱媒の中心金属管１２内の移動速度等によっても異なるが、中心金属管１２の温度は４００℃程度まで上昇し、ガラス管１４の温度は１００℃程度になる。中心金属管１２が環状真空空間１３を介してガラス管１４に覆われているため、ガラス管１４を通して入射した太陽光により加熱された中心金属管１２の熱が、中心金属管１２を流通する熱媒を効率良く加熱する。

ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ１６−１の熱膨張率と、ガラス管１４の熱膨張率とは大きく異なるが、ベローズ１６−１はコバール製リング２０を介してガラス管１４に接続されているため、ベローズ１６−１の伸長、収縮に伴う力が直接ガラス管１４に伝達されず、ベローズ１６−１の伸長、収縮によりガラス管１４が損傷することが抑制される。

次に熱膨張差吸収手段１５の作用を詳述する。太陽光により加熱された中心金属管１２及びガラス管１４の熱膨張の差により、熱膨張差吸収手段１５に対して伸長方向の力が加わる。中心金属管１２及びガラス管１４の熱膨張前の状態及び最大熱膨張後の端部の位置関係を図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。図２（ａ）に示すように、熱膨張前の中心金属管１２の端部とガラス管１４の端部との間隔をＳ０とし、図２（ｂ）に示すように、最大熱膨張後の中心金属管１２の端部とガラス管１４の端部との間隔をＳ１とすると、Ｓ１とＳ０との差であるＳ１−Ｓ０を、熱膨張差吸収手段１５で吸収する必要がある。伸長前のベローズ１６−１，１６−２の長さをそれぞれＬとして、ベローズ１６−１，１６−２がそのストロークの最大量に伸びたと仮定すると、ベローズ１６−１，１６−２の長さは伸長後に１．３Ｌになる。ガラス管１４の端部を基準に、ベローズ１６−１，１６−２及び接続筒１７の位置関係を、図２（ｂ）に模式的に示す。ベローズ１６−１の長さは１．３Ｌになるため、接続筒１７の位置はベローズ１６−１の伸長前の位置から０．３Ｌだけフランジ部１２ａ側へ移動する。なお、図２（ｂ）に接続筒１７の移動前の内側フランジ１７ｂの位置を二点鎖線で示す。ベローズ１６−２は接続筒１７の内側フランジ１７ｂを基準に１．３Ｌの長さになる。その結果、熱膨張差吸収手段１５の長さは、中心金属管１２及びガラス管１４の熱膨張前の状態から各ベローズ１６−１，１６−２の伸長量０．３Ｌの和である０．６Ｌだけ伸びる。したがって、０．６ＬがＳ１−Ｓ０以上になるように１６−１，１６−２の伸長前の長さＬを設定すれば、熱膨張差吸収手段１５は中心金属管１２及びガラス管１４の熱膨張に伴う両者の熱膨張差を吸収することができる。この長さは、従来のように１つのベローズを使用した場合の１／２になる。なお、接続筒１７の伸びは無視している。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）太陽熱集熱管１１は、熱媒が流通可能な中心金属管１２と、中心金属管１２との間に環状真空空間１３を形成する状態で中心金属管１２の外周を覆うガラス管１４と、中心金属管１２とガラス管１４との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段１５とを備えている。そして、熱膨張差吸収手段１５は、２つの金属製のベローズ１６−１，１６−２が接続筒１７を介して直列に、かつ径方向に重なる状態で配置されている。そのため、熱膨張後の状態において、熱膨張差吸収手段１５の伸長量は、各ベローズ１６−１，１６−２の伸長量の和になる。また、２つのベローズ１６−１，１６−２として同じベローズが使用されており、２つのベローズは径方向に重なった状態に配置されているため、熱膨張差吸収手段１５におけるベローズ部分の長さは、ベローズ１つ分の長さになる。したがって、熱膨張差吸収手段１５のベローズ１６−１，１６−２によって遮断される太陽熱の入射領域を従来に比べて小さくすることにより、アクティブエリアを大きくすることができる太陽熱集熱管を提供することができる。

（２）ベローズ１６−１，１６−２は２つである。したがって、ベローズの数が３つ以上の場合に比べて製造が容易になる。
（３）ガラス管１４より内径側にベローズ１６−１，１６−２が配置されている。最も内側に配置されたベローズ１６−２が中心金属管１２に対して接続されるため、ベローズ１６−１，１６−２が伸長する際、ベローズ１６−１，１６−２の伸長に伴う接続筒１７の移動時に、接続筒１７が最も内側に配置されたベローズ１６−２を中心金属管１２と接続する部分であるフランジ部１２ａと干渉せずに移動し易い。また、ガラス管１４の径が同じ太陽熱集熱管１１で比較した場合、ガラス管１４より外径側にベローズ１６−１，１６−２が配置される構成に比べて配置スペースを小さくすることができる。

（４）中心金属管１２はステンレス鋼製であり、溶接により接続が可能なため、接続部の気密状態を確保し易く、環状真空空間１３の真空度が確保される。また。ステンレス鋼管は、耐蝕性や強度に優れ、種々の分野で使用されており、入手が容易でコスト的にも有利である。

（５）金属製のベローズ１６−２は、中心金属管１２に形成されたフランジ部１２ａに溶接で接続されている。ベローズ１６−２の蛇腹部１８の径は中心金属管１２の径より大径のため、両者を溶接で接続するには、ベローズ１６−２側あるいは中心金属管１２側のいずれかにフランジ部を設ける必要がある。この実施形態では、中心金属管１２側にフランジ部１２ａが形成されているため、ベローズ１６−２側に設ける場合に比べて容易に形成することができる。

（６）ベローズ１６−１とベローズ１６−２とは接続筒１７を介して接続されている。従って、互いの蛇腹部１８が干渉することなく伸縮することが出来る。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 熱膨張差吸収手段１５は、ガラス管１４より外形側にベローズ１６−１，１６−２が配置されている構成であってもよい。具体的には、図３に示すように、ガラス管１４にコバール製リング２０を介して接続されるベローズ１６−１が内側に配置され、中心金属管１２に接続されるベローズ１６−２が外側に配置される。この構成では、ベローズの数が多い場合でも、ガラス管１４と中心金属管１２との径の差を大きくせずにベローズを所望の数、設けることが容易になる。

○ 熱膨張差吸収手段１５を構成するベローズ１６−１，１６−２として長さの異なるベローズを使用してもよい。例えば、図４に示すように、外側に配置されたベローズ１６−１の方が内側に配置されたベローズ１６−２より長さを長くしてもよい。複数のベローズを径方向に重ねて配置する場合、外側に配置されるベローズ、即ち径の大きなベローズの方が強度を高くすることが可能なため、ストロークを大きくすることができる。したがって、外側に配置されたベローズ１６−１の長さを内側に配置されたベローズ１６−２の長さより長くすることにより、同じ長さの熱膨張差吸収手段１５において、熱膨張差吸収能力を高くすることができる。

○ 熱膨張差吸収手段１５を構成するベローズの数は２つに限らず、３つ以上でもよい。例えば、３つのベローズ１６−１，１６−２，１６−３を使用する場合、図５に示すように、３つのベローズ１６−１，１６−２，１６−３と、２つの接続筒１７とを交互に重なる状態で配置する。この構成においても、熱膨張差吸収手段１５の伸縮量は各ベローズ１６−１，１６−２，１６−３の伸縮量の合計になり、１つのベローズの長さで３倍の伸縮量となる。

○ ベローズ１６−１，１６−２，１６−３は、円筒部１９ａ，１９ｂの内径が蛇腹部１８の山部と谷部との中間の径と同じ構成に限らず、それより大きくてもあるいは小さくてもよい。

○ ベローズ１６−１，１６−２，１６−３は、円筒部１９ａ，１９ｂの径が同じに限らず、円筒部１９ａの径が円筒部１９ｂの径より大きくてもあるいは小さくてもよい。
○ ベローズ１６−１，１６−２，１６−３は、蛇腹部１８のひだ壁がＶ形に限らず、Ｕ形のひだ壁を有する構成であってもよい。

○ ベローズ１６−１，１６−２と中心金属管１２との接続は、中心金属管１２にフランジ部１２ａを形成せずに、ベローズ１６−１，１６−２の円筒部１９ｂ側にフランジ部を形成し、そのフランジ部を中心金属管１２の端部に溶接で接続してもよい。

○ 中心金属管１２やベローズ１６−１，１６−２，１６−３あるいは接続筒１７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１３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。

１１…太陽熱集熱管、１２…中心金属管、１３…環状空間としての環状真空空間、１４…ガラス管、１５…熱膨張差吸収手段、１６−１，１６−２，１６−３…ベローズ、１７…接続筒。

Claims (5)

1. 熱媒が流通可能な中心金属管と、前記中心金属管の外周を覆い、前記中心金属管との間に環状空間を形成するガラス管と、一端側が前記中心金属管に接続されているとともに他端側が前記ガラス管に接続されていて前記中心金属管と前記ガラス管との熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収手段とを備え、
   前記熱膨張差吸収手段は、複数の金属製のベローズが接続筒を介して直列に配置され、かつ前記ベローズが前記接続筒を挟んで径方向に重なって配置されていることを特徴とする太陽熱集熱管。
2. 前記ベローズは２つである請求項１に記載の太陽熱集熱管。
3. 前記ガラス管より内径側に前記ベローズが配置されている請求項１又は請求項２に記載の太陽熱集熱管。
4. 前記ガラス管より外径側に前記ベローズが配置されている請求項１又は請求項２に記載の太陽熱集熱管。
5. 前記ベローズは、外側に配置されたベローズの方が内側に配置されたベローズより長さが長い請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱管。