JPH0356386B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽エネルギーを熱源として利用す
るために必要な集熱管の構造に関するものであ
る。

〔従来技術〕 太陽エネルギーを有効な熱エネルギーとして利
用する集熱器、或いは、集熱装置には大きく分け
て平板状の集熱板に熱媒体流路を設けたもの、集
熱板表面を空気等の熱媒体が流れるもの等の平板
型と、管状、または、フイン付管の表面に太陽光
を受光し集熱する集熱管型の二種類がある（第１
０図、第１１図示）。

本発明は集熱器、或いは、集熱装置に使用され
る集熱管について、従来技術と異なる有効な問題
点解決方法を発明した。

第１２図、第１３図は代表的な従来技術による
集熱器の構造を示した図で、集熱管１とガラス等
の透明な物質で出来た外管４との接続が伸縮管２
を介して構成されているもの、或いは、第１４図
に示す如く耐熱性のＯリング２３等で接触してい
るものがある。また、第１５図、第１６図、第１
７図は他の代表的な集熱器の構造を示した図で、
集熱管１の一点を固定端とし、その他の支持点を
自由端とする支持方法を構成し、摺動軸２７また
はスライドローラ２４等によつて支持点が移動出
来るような構造としたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

太陽エネルギーは本質的に昼夜のサイクルで日
射が変動し、その上、昼間でも曇により日射強度
は変動する。従つて、集熱管１はそれらの入射量
変化に影響を受けて、温度変化が生じ伸縮をす
る。伸縮量は温度と集熱管材質並びに実用的長さ
によつて異なるが、例えば、長さ５ｍで温度の最
大変化巾を−10℃〜300℃まで設計上考慮すると、
約30mmを超える量である。上記の如く各々の使用
温度条件に対処出来る仕様のものではなくては、
実用的にも信頼出来る性能といえない。そこで、
従来技術では、前述の如く 集熱管１に伸縮に対し、集熱管１と外管４の伸
縮量の差を吸収する方法や、集熱管１の支持が移
動可能な構造にする等の方策が取られてきた。

従来技術に於ける問題点は、 第１に、いづれの対応策にあつても集熱管１と
して太陽を受ける部分がそれらの対策のため減じ
られて、集熱器の布設面積当りの集熱面面積が減
少し効率の低下を生じている。

第２に、伸縮管２を熔接する精巧な加工組立部
が、ガラスと金属の接合点と接近し、製作加工時
に熱歪によつて破損する等、歩止りが悪い。ま
た、使用中も熱反応力発生から端部の変形歪が発
生しやすく、ガラスと金属の接点を破壊すること
が多い。更に、直径の大きい伸縮管２を用いる必
要性から素材単価が高い。

第３に、集熱管１の片端を摺動する方策で伸縮
を自由にする型は、支持が不安定であり、不安定
性を防ぐような設計では (1) 摩擦が大きいこと。

(2) 摩擦を少なくするためローラを介する必要が
あること。

(3) 高温で屋外曝露の摺動機構は不錆金属を使用
しなければならないこと。

等の如く、複雑な構造と多数の部品を加工しなけ
れば構成出来ない。

それらは、実用的に高価格で普及を困難なもの
にしている。

比較的使用温度が低いものでも熱媒体の流れが
停止する事故等を考慮した設計においては、相当
仕様の伸縮管２を介することが必要となる（第１
３図示）。

第４に、集熱管１を直列に接続する場合、また
は、片端が摺動する支持の場合、集熱管１相互の
接続点、或いは集熱管１と配管１０との接続点に
は伸縮管２が必要となり、従来方式では、内部の
熱媒体ポンプ圧力による過常伸張を防止する金属
線編組、或いは、ストツパー用の伸縮管保護部材
等の保護覆いを必要とし、かつ、伸縮管２の両端
を移動可能な方法で支持しなければならないた
め、断熱性が低下して効率の向上が望めない等の
技術的問題点が残されていた。

本発明は、上記の実情に鑑みなされたもので、
集熱管の一部を二重構造としてその内部に伸縮管
を配管することにより、温度変化による集熱管の
伸縮を吸収するという、構造の単純な方法で従来
技術の問題点をすべて同時に解決すると共に、集
熱効率の向上と信頼性の向上ならびに低コスト化
を実現する集熱管を提供することを目的とする。
以下、本発明について実施例に基づき説明する。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図、第２図は本発明の太陽エネルギー集熱
管の基本的構成の説明図で、集熱管の受光部の一
部、または、受光部の端部を示したものである。
集熱管１の一部を二重にし、同図の如く伸縮管２
の端部を熔接して熱媒体流路３を構成したもので
ある。第３図は本発明による集熱管を要素として
構成した集熱器の一実施例を示したものである。

本発明によつて前述の問題点は次の如く解決す
る。

第１に、集熱して高温の時は第１図(c)，(d)、第
２図〜第８図の実施例の如く伸縮吸収部も黒色、
または、選択吸収面の表面処理された集熱管１と
なつていて太陽エネルギーを有効に集熱出来る。

第２に、温度変化による集熱管１の伸縮を吸収
する部材が、集熱管１の一部の如く組立前に熔接
出来るため、ガラスと金属の接合部に隣接するこ
となく組立加工が容易になり、更に、伸縮管２は
従来の方式より直径の小さい安価なものでよい。

第３に、集熱管１の途中で伸縮量を吸収してい
るため、ガラス管４（第３，６，７図示）との接
合部、或いは、集熱管１の支持部５や、直列に接
続される他の集熱管１との接合部（第３，４，
５，６，８図示）は、簡素にして、かつ、完全な
固定式に組立、施工とすることが出来る。従つ
て、運搬取扱い、施工取付、並びに、使用中の熱
反応等に対し信頼性を大巾に高めることが出来
る。

第４に、集熱管１が直列に接合させた場合の結
合点支持部、並びに、端部の配管接合部（第４，
５，６，８図示）は完全な固定式でよく、集熱管
１の伸縮は集熱管１の一部で吸収してしまい、取
付施工、配管施工時に調整することがなく、断熱
施工を完全にすることが出来る。更に、第１図に
示した集熱管の如く伸縮管２を使用することによ
つて、熱媒体の輸送に必要なポンプ圧力は伸縮管
２に対し径方向の外圧として加わり、長さ方向に
伸縮する力として加圧されないため、伸縮管２の
保護部材を必要としない。

〔作用〕

次に作用について説明する。

(1) 本発明の集熱管１で伸縮管２が中央部付近に
配置されている場合、集熱管１とガラス管４と
の間隔に簡単な支持部品があるとき（第３，
４，５，６，７，８図示）、従来の如く端部に
伸縮管２がある場合に比較し、相互のスライド
する長さが1/2となり、支持部品が簡単なもの
でもよく、また、信頼性が向上する。

(2) 本発明の集熱管１における伸縮管２の取付方
法は、集熱管１の二重になつた間隔に配置して
いるため、伸縮管２を外傷から保護している。

(3) 本発明の集熱管１における伸縮管２の取付状
態は、集熱管１が集熱中高温時の状態（第１図
ｃ，ｄ図示）の伸縮管２の長さを、伸縮管２の
常温自然長の長さにほヾ等しくして、製作時は
圧縮状態に熔接組立を行う。従つて、集熱管１
が夜間の如く低温のときには、伸縮管２が圧縮
されて（第１図ａ，ｂ図示）熔接組立される。
この状態では集熱管１に常温では張力が伸縮管
２の押力だけ働き、集熱管１の温度が上昇する
と、その張力が次第に弱まり、集熱熱１が最高
設計温度になるときは、張力が働くと永久変形
（管長が伸びる）の可能性があるが、そのとき
はすでに伸縮管２は自然長となり集熱管１に張
力を与えない。また、伸縮管２は自然長以上に
伸ばすと変形破壊、疲労破壊を生ずる可能性が
あるが、本発明の集熱管１においては第１図
ｃ，ｄ及び第２図に示した状態で構造上停止さ
れ、特別な防止部品を要しない。

(4) 前項に述べた如く、集熱管１の温度に適応す
る張力が集熱管１に加えられることによつて、
温度膨張による管長の伸びが、重力の影響、或
いは、円周面の不均一加熱等の熱応力によつ
て、湾曲しながら管長を伸ばす現象を防止する
作用がある。集熱管１自身の剛性が小さい場合
は特にこの湾曲歪現象が生じやすく、ガラス管
４の破損や、焦点ずれ等によつて障害、或いは
効率の低下を斯す。本発明によれば、適当な張
力によつて集熱管１は伸縮することが出来る。

(5) 本発明の伸縮管２の取付構造を１本の集熱管
１に複数個採用し、その中間点は、集熱管１と
ガラス管４を同芯状、或いは、偏芯位置に安定
した支持をすることが出来る。従つて、集光焦
点位置からずれることのない集熱器を製作出来
る。

(6) 本発明の集熱管１は伸縮管２を内部的に保有
するため、密接して並列配置が可能であり、一
本のガラス管の内部に複数本並列にした集熱器
を製作出来る（第７図示）。従つて、受光面を
巾広く必要なとき、熱伝達が良く、安価な円管
の集熱管１を密接して複数個並べ、両端で分流
ヘツダー１１で一括しても、各々の管の温度差
に合せて各々の管は無理なく伸縮することが出
来る。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について説明する。

第１図は、本発明による第一の実施例の構成略
図で、外表面を黒色吸収面または選択吸収面に加
工された集熱管１の外径を均一にし、貫通型断熱
材や真空シール部材の輪状のものと組み合わせて
構成することが容易であり、かつ、集熱管１が高
温の状態のとき伸縮管２がほヾ自然長となり、伸
縮管２が集熱外側管と二重になつた部分で集熱内
側管を覆つた状態となるように組立調整された構
造となる特徴を備えている。第１図ａ，ｂは夫々
集熱管１が常温の状態で、伸縮管２は圧縮されて
いる状態である。また、第１図ｃ，ｄに示すよう
に、集熱管１が集熱中、高温時の状態では、伸縮
管２は自然長の状態に伸ばされている。

第２図は、本発明の第二の実施例の構成略図
で、集熱管１の内径を均一にし熱媒体流量３の内
面積をほヾ一定にして流路抵抗を変化させないよ
うにした実施例を示す。集熱管１′が集熱中高温
時の状態を示している。

第３図は、本発明の第三の実施例の構成略図で
ある。集熱管１を適用した一実施例で、集熱管１
に受光フインを付加した例である。両端は集熱管
１を固定式に支持出来るため極めて簡素化されて
いる。また、受光面が全体長に対し大きく出来る
等の特徴がある。

第４図は、本発明の第四の実施例で伸縮管２を
含む構成を支持点の両側に配したため、支持点は
安定な方法で、かつ、断熱性のよい支持部品、支
持金具６で支持出来るため支持点からの熱伝導損
失が少なく、信頼性も高い。

第５図は、本発明の第五の実施例で支持点を極
めて熱伝導損失の少ない方法で固定し、かつ、安
定性を良くするため、少面積にて複数の支持点と
する場合に適合するようにした例である。

第６図は、本発明による一実施例が波及する効
果を説明するための図で、第３図に示した実施例
の集熱器を複数個直列にしたものである。

集熱管１を相互に接続する部分は、直接的に接
続可能となり、移動することができないため断熱
性の良い小部品で安定に支持固定出来る。また、
集熱管１と配管１０との接続点も同様に簡素化さ
れて熱損失の少ない接続方法とすることが出来
る。全体の受光面積も損失となる部分が少ない。
従来技術による同様な実施例を第１７図に示す
が、その効果は対比することによつて明らかであ
る。

第７図は、本発明による第七の実施例の構成略
図で、集光型集熱装置の如くエネルギー密度が高
められた場合等に適合する。複数の集熱管１を密
接して配置することは、集熱管１の伸縮等から従
来技術では不可能であり、一本の集熱管１にフイ
ンを付加したものが使用されているが、フイン部
の熱伝達が悪く熱損失の大きいものであつた。本
発明は第７図の如く円管状集熱管で巾のある集光
受光面を形成し、かつ、内部の熱伝達も良好であ
るものを提供する。

第８図は、本発明による第八の実施例の構成略
図で、集光鏡面１３の成す集光位置に常に集熱管
１が保存されなければ高効率の維持が出来ない場
合、本発明によれば支持点が熱膨張等で移動しな
いため、集光鏡１３と集熱管支持金具１２で固定
することが可能となる。

第９図は、第１図から第８図により説明した実
施例のいづれにも付加出来るもので、本発明によ
る第九の実施例の構成略図である。集熱管１は一
般に熱膨張によつて全長が伸び、支点が完全に抵
抗無く移動出来ないので、その伸びを吸収するた
め湾曲する。また、集熱管１の外周囲に均一な入
射が無いことが多く、或いは熱媒体流速が遅い場
合は管内の熱媒体が均一な温度でなく層流で流れ
る等、集熱管１の円周が不均一温度となる現象に
よつて、管が熱歪のため湾曲する。

本発明によつて、上記の問題点を解決する方法
を実施例をもつて説明する。第９図ａ，ｂ，ｃ，
ｄ，ｅと第９図ｆ，ｇがその実施例である。

第１図の説明にて述べた伸縮管２の伸張力に加
え、集熱管１の円周に沿つた温度を均一化する構
造部材、乱流促進密封管１４を付加したものであ
る。

乱流促進密封管１４は、内部を負圧にて防錆性
の気体を封じて密封し、集熱管１，１′の内側に
それが中芯同軸となるように配置するため、スペ
ーサを熱媒体流路となる間隙を形成するように乱
流促進密封管１４の表面に取付け、かつ、スペー
サの両端を少し捻じつて、熱媒体が旋回して流れ
を形成するような作用を持たせている。この実施
例による集熱管１は、管表面の温度が円周方向で
均一化され、かつ、伸張力が加わり、湾曲するこ
とがない。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明は太陽エネ
ルギーを熱源として利用する集熱装置、或いは、
集熱器において、集熱管を二重構造としその内部
に伸縮管を備えることにより集熱管の温度変化に
対する伸縮を合理的な方法で吸収する構造を提案
したもので、集熱管の受光面積を減ずることなく
伸縮を吸収し、支持端部の簡素化の実現を可能と
し、断熱処理を完全なものとする優れた効果を有
するものである。

さらに、集熱管の支持部を固定化できることな
どの技術的向上が実施出来ると共に、集熱管の湾
曲歪を防止する効果と合わせて、信頼性の向上を
実現する利点をも有する。従つて、本発明の太陽
エネルギー集熱管は集熱効率の向上と経済的コス
ト低下に寄与すること極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは、夫々、本発明の第一の実施例
で低温時組立調整された状態の外観図及び縦断面
図、第１図ｃ，ｄは、夫々、第一の実施例で集熱
中、高温時の状態の外観図及び縦断面図、第１図
ｅ，ｆ，ｇは、夫々、第一の実施例の横断面図、
第２図ａ，ｂは、夫々、本発明の第二の実施例で
集熱中、高温時の状態の外観図及び縦断面図、第
３図は、本発明の第三の実施例の構成説明図、第
４図ａ，ｂは、夫々、本発明の第四の実施例で集
熱中、高温時の状態の外観図及び縦断面図、第５
図ａ，ｂは、夫々、本発明の第五の実施例で集熱
中、高温時の状態の外観図及び縦断面図、第６図
は、本発明の第六の実施例の構成説明図、第７図
ａ，ｂは、夫々、本発明の第七の実施例で集熱
中、高温時の状態の縦断面図及び横断面図、第８
図ａ，ｂは、夫々、本発明の第八の実施例で集熱
中、高温時の状態の縦断面図及び横断面図、第９
図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、夫々、本発明の第九の
実施例で低温時組立調整された状態の外観図、縦
断面図、横断面図、第９図ｆ，ｇは、夫々、第９
図ａ，ｂの実施例の集熱管の外径を異にする場合
の集熱中、高温時の状態の外観図、縦断面図、第
１０図ａ，ｂ，ｃは、夫々、従来技術による第一
の実施例の斜視図、横断面、及び集熱管部の拡大
構造図、第１１ａ，ｂ，ｃは、夫々、従来技術に
よる第二の実施例の斜視図、集熱管端部縦断面
図、集熱管中央支持部の縦断面図、第１２図ａ，
ｂは、夫々、従来技術による第三の実施例で真空
容器型集熱器の外観図、縦断面図、第１３図ａ，
ｂは、夫々、従来技術による第四の実施例の真空
容器型集熱器の外観図、縦断面図、第１４図は、
従来技術による第五の実施例の縦断面図、第１５
図ａ，ｂ，ｃは、夫々、従来技術による第六の実
施例で東西型集光集熱装置の外観図、集熱管接続
部の拡大外観図及び集熱管接続部横断面図、第１
６図は従来技術による第七の実施例の斜視図、第
１７図は、従来技術による第八の実施例の外観図
である。 図中、１は集熱管、１′は集熱管の内管、２は
伸縮管、３は熱媒体流路、４はガラス容器、５は
集熱管支持固定金具、６，７，８は集熱管支持金
具、９は配管支持金具、１０は熱媒体配管、１１
は分流用ヘツダー、１２は集熱管支持金具、１３
は集光鏡、１４は乱流促進密封管、１５はスペー
サ、１６は断熱材、１７は円弧状樋型鏡、１８は
保護ガラス板、１９は集熱器、２０は放物面鏡、
２１は集熱管支持金具、２２は集熱器の支持台、
２３は耐熱性ゴムＯリング、２４はスライドロー
ラ、２５はスライドリング、２６はスライドガイ
ド、２７は摺動軸、２８はローラ付集熱管支持
台、２９は角度自在型配管支持金具、３０は伸縮
管保護部材、Ｌは太陽光である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽エネルギーを管の外表面に受け、この管
   内に適当な熱媒体を流して熱エネルギーを取り出
   す集熱管において、この集熱管の一部を二重構造
   とし、その間〓に伸縮管を同軸に配管し、前記伸
   縮管の一方の端を前記集熱管の外側管と溶接し、
   前記伸縮管の他の端を前記集熱管の内側管と溶接
   した部分を設けたことを特徴とする太陽エネルギ
   ー集熱管。 ２ 伸縮管を集熱管の受光部分に配置し、前記集
   熱管が高温になつているとき、伸縮管がほぼ自然
   長となり、かつ前記伸縮管が前記集熱外側管と二
   重になつた部分で集熱内側管を覆つた状態となる
   ように組立調節されたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の太陽エネルギー集熱管。 ３ 伸縮管を集熱管の受光部分に配置し、前記集
   熱管と貫通型支持部品とを組み合わせるために、
   伸縮を調整する部分を前記集熱管とを同等径とし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   太陽エネルギー集熱管。 ４ 集熱管を透明な材質の容器、または真空カプ
   セルに組み込む構成の集熱器において、伸縮管を
   前記集熱器の固定支持点の内側に配してなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の太陽エ
   ネルギー集熱管。 ５ 伸縮管を、集熱管を支持固定する点の両側に
   配してなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の太陽エネルギー集熱管。 ６ 複数の集熱管を並列に密接して配置し、この
   複数の集熱管の両端を共通の分流用ヘツダーに接
   続した集熱器において、伸縮管を前記各集熱管の
   一部に配置したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の太陽エネルギー集熱管。 ７ 伸縮管を配置した集熱管において、前記伸縮
   管を前記集熱管の中央部に配置したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第
   ４項、第５項又は第６項記載の太陽エネルギー集
   熱管。 ８ 伸縮管を配置した集熱管において、この集熱
   管内部に負圧の乱流促進密封管を同軸位置に配し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
   項、第３項、第４項、第５項、第６項又は第７項
   記載の太陽エネルギー集熱管。