JPS63501977A - 真空太陽熱集熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ３１太遇づ１隼−熟−１ 本発明は、真空太陽熱集熱管のよどみ点温度若しくは」二限温度を制限するため に、成る条件下で真空度が下げられる真空太陽熱集熱管に関するものである。

集熱管は、従来、熱交換流体が流通されるガラスまたは金属製の内管と、この内 管の全長の少なくとも一部分を取り囲むガラス製の外管とから成っている。２つ の管の間の空間は空気が抜かれ、内管の外面は太陽光選択面被覆で被覆されてい る。この選択面被覆は、太陽放射の高吸収および熱放射の低ふく射を可能とする ように選ばれており、入射した太陽放射の集熱が最大となり、赤外線放射による エネルギ損失の量が最小となるようになっている９選択面被覆の周囲の約１Ｏ− ５Ｔｏｒｒ（１０−’ｍｍＨＨ）という高レベルの真空度は、伝導および対流過 程による当該面からの熱損失をなくす。

特に効果的であると分かつている選択面被覆は、銅の基礎被覆と、その外側の鉄 −クロム−ニッケルー炭素のサーメットとから成る。銅は非反応過程により管上 にスパッタリングで付着され、金属−カーバイドの被覆が、アセチレンのような 反応性ガスの存在する中で、ステンレス鋼の電極から管の表面に金属をスパッタ リングすることによって付着さｈる。形成されたサーメッｌ−が鋼との境界面で は金属が多く、外側では炭素が多くなるように変化が付けられるよう、この反応 性スパッタリング過程は制御される。

効果的な選択面被覆と高真空度の絶縁との組合せによって、非集中太陽光におい て３００℃と同じ程度の温度でよどむ（即ち、損失がエネルギ・ゲインと等しく なる平衡状態に達する）高品質の集熱器が得られる。従って、集熱要素は、十分 に高い温度で作動するように設計された熱装置において、特に有効である。また 、この集熱器は、比較的低温で作動するようになっている装置で用いる場合にも 非常に適している。けだｊ７、低損失および高集熱効率が、比較的ｉ厚い雲で覆 われている場合と含む色々な条件の下でも、高エネルギ収集を可能とするからで ある。

しかしながら、家庭用温水を作るために用いられるような低温用装置の中には、 非常に高い温度（即ち、約３００℃）でよどむ管が重大な問題を生ずることがあ る。装置は、熱が装置の貯液槽のライニングに永久的な損傷を与える可能性があ る場合、高温の流体が貯液槽に入るのを防止するように設計されなければならな い、更に、高温の流体は、装置の使用者に対して安全性の面で危険を及ぼす恐れ がある。従って、成る状況化では、非常に高い温度に達する集熱管の能力を制限 することが望まれる。

但し、制限するために用いられる何如なる方法も、低温での集熱器の高い性能に 影響を与えるべきではない。

低温で高性能を発揮し且つ上限温度を低減する１つの方法が、ノース−ホーラン ド・パブリッシング・カンパニー（Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｃｌ　Ｐｕｂｌｉ ｓｈｉｎｇ　Ｃｏ＋ａｐａｎｙ）が１９８１年に発行したソーラー・エネルギ・ マテリアル４（Ｓｏｌａｒ　ＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌ　４）第４２１頁〜 第４３４頁に掲載されたジー・エル・バーディング（Ｇ、Ｌ、　ｔｌａｒｄｉｎ ｇ）およびビー・ウィンドウ（Ｂ、　Ｗｉｎｄｏｗ）によるタイトル“低圧ガス によって低下された真空集光管式太陽エネルギ集熱器の熱伝導（Ｔｈｅｒｍａ　 ＩＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　、’□、ａｅｕａｔｅｄ　Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉ ｃ　Ｔｕｂｕｌａｒ　ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ　Ｃｏ１１ｅｃｔｏｒｓ　Ｄｅｇ ｒａｄｅｄ　ｂｙ　Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｇａ５）”において提案されて いる。この文献の第４３４頁において、上限温度を制限するために集熱管の真空 空間にガスを用いる可能性についての簡単な説明がある。

本発明は、疎水性の特性を呈し、且つ、低温（例えば約１５０℃よりも低い温度 ）で選択面被覆に吸着すると共に高温で真空空間内に脱着するガスを使用すると いう提案によって、上記の基本概念を拡張している。

このように、本発明は、太陽エネルギ収集装置において用いられる集熱要素であ って、熱交換流体が導かれる内管（ガラスまたは金属製）と、この内管の全長の 少なくとも一部分を囲むガラス製の外管と、これら２つの管の間の真空空間と、 内管に熱的に接触している太陽光選択面被覆と、集熱要素の上限温度を制限する ために真空空間に導入されたガスとを具備した集熱要素を提供している。ガスは 、空間の空気抜きの後、真空ポンプから集熱要素を取り外す前に、管の間の空間 に導入される。このガスは疎水性の特性を呈し、且つ、所定温度よりも低い温度 で選択面被覆に吸着されるように選択されると共に、所定温度よりも高い温度で 真空空間内に脱着されるがガラス製外管には実質的に吸着されないように選択さ れたものである。

太陽光選択面被覆は、内管に熱的に接触している板に付着され、或は、内管の外 面に直接付着される。

１つのガス、または、２以上のガスの混合体を適宜選ぶことによって、面被覆に 対するガス（ガス混合体）の吸着および脱着は、異なる装置の必要性を満足する ために変更されても良い０例えば、家庭用温水装置の場合において、集熱管が８ ０℃でよどむように決定されても良いが、或は、他の装置においては、集熱管は １５０℃でよどむように望まれるかもしれない０本発明により採られる手段の場 合、集熱管の高温性能は、管の低温性能に影響を与えることなく、相当に低減さ れる。

脱着が始まる温度および脱着が進む割合は、ガスの分子構造を含む多くのファク ターによって決定される。ガスは比較的低温のガラス製外管上に殆ど吸着されな いことが重要である。これを達成するために、ガスは疎水性て′あるべきことが 分かっている。ガスは全体が疎水性である必要はないが、全ての場合において、 親水性である以−ヒに疎水性である必要がある。結合親和力がガスの分−ｆと選 択面被覆との間に存在するという意味で、選択面被覆がガスの分子ζこ幾何学的 に適応されるように、ガスが選ばれるのが好ましい。

最も外側の面では炭素が主構成成分となっている金属−カーバイドの面被覆の場 合、アルカンや芳香族炭化水素のような炭化水素のガスが適していることが分か っている。これらの種類は、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンのような単アルカン 、および、インペンタンのような異性体を含む、適当な芳香族炭化水素は、ベン ゼンや、例えばトルエンのような誘導体を含む９代用される側のグループは、選 択面被覆とガス分子の相互作用の増加を許容するように選ばれると良い、上記の 種類の異性体および同族体もまた、適している。

選択面被覆の大きさ、即ち表面積は、低温でガスまたはガス混合体を完全に吸着 するには不十分であり、また、真空度は低温で自由分子により容認できないほど 低減してしまうことが分かっているならば、この２つの起こり得る手段の一方が 採られると良い、容認できないほど高い上限温度のままとするが、真空空間に取 り入れられるガスの量が減じられても良く、或はまた、吸着作用剤が真空空間に 入れられても良い、このような作用剤は、例えば、選択面被覆の必要性に対１− で過度となる炭布の層や炭素の付着から成る。この布または炭素の付着は、選択 面被覆の集熱効果をあまり減じないように、好適には真空空間の一端にて、内管 の外面に局所的帯状部分に適用されると良い。

本発明の多くの適用において、低温度、高効率と高温度、低効率との作動状態の 間で鋭く遷移することが望まれており、これは、外管に対して近接した離間関係 で太陽光選択面被覆を維持することによって達成されることが分かっている。し かしながら、外管の寸法が面被覆の全体の面積に亘って近接した離間関係を達成 するような程度まで減じられるどするならば、通常の製造許容誤差によって、外 管と面被覆を支持している基体（即ち、内管または板）との間に干渉を生じる場 合がある。従って、本発明の一実施例においては、選択面被覆は、外管内に内管 を偏心して配置することによって外管に隣接して置かれることが、提案されてい る。或は、面被覆が板上に付着され、この板がその面の少なくとも一部分に亘っ て外管に隣接して置かれるような形状となっている場合には、内管は外管内で同 心に配置されても良い。

本発明は、添付図面に沿って与えられた以下の説明から完全に理解されるであろ う。

第１図は本発明が適用される集熱要素の側面図を示し、第２図は集熱要素内の真 空空間に疎水性ガスを付加した場合に得られる結果のグラフを示し、第３図は別 の集熱要素の側面図を示し、第４図は第３図に示されている集熱要素を第３図の ４−４１１に沿って断面した垂直端面図を示し、第５．６図はそれぞれ他の集熱 要素の断面端面図を示している。

第１図に示されるように、集熱要素は、一端が閉じられた内管１０を具＠してい る。この内管１０は、一般的にはガラスから形成されるが、別の形式の構成が適 用されるとするならば、金属からも同様に形成される得る。ガラス製の外管１１ が内管を取り囲んでおり、内管の開口端部の隣接部で内管に密着されている。空 気が抜かれた真空空間１３が２つの管の間に存在し、内管１０の外面は、太陽選 択面被覆１４により、その全長の大部分に亘って被覆されている。この被覆は色 々な形態を取ることができるが、前述したように、銅の基層と、金属−カーバイ ドのサーメットの外層とから成るものが好適である。

集熱要素の製造において、選択面被覆が、まず、内管１０上に付着され、次いで 内管が、従来のガラス製造技術を用いて、外管１１に組み付けられる（結合され る）、この後、集熱要素は真空ポンプに連結され、管間の空間の空気抜きが行わ れている間、集熱要素全体が高温の焼出しを受ける。空間は、１０−５Ｔｏｒｒ のオーダーの圧力まで空気抜きが行われるのが一般的である。焼出しの目的は、 選択面被覆１４、ガラス、および、空間１３内に配置される管スペーサ（図示し ない）のような他の構成部材から、ガスを除去することにある。

上述の製造技術は、この発明の集熱要素と同様に、従来の集熱要素にも適用可能 であり、焼出し過程は、真空度の（コントロールされない）永続的な低下を起こ すガスを除去するために行われる。従来の製造技術においては、Ｌ熱要素は、焼 出し後であって、真空ポンプから要素を取り外す前に、永久的に封止される。

しかしながら、この発明の集熱要素の製造においては、ベンゼンのような少量の ガスが、焼出しの直後に、管間の空間１３に導入され、その後、封止される。ベ ンゼンや、他の同様な疎水性の炭化水素物は、比較的低い温度（即ち、１００℃ 以下）で、太陽光選択面被覆上に吸着されるが、高温では、殆どガラス製の外管 に吸着されることなく、真空度を低下するよう空間１３内に脱着される。真空空 間１２に導入されるベンゼンの量は、空間の容積それ自体、面被覆の有効表面積 、および、必要とされる真空度低下の度合に左右されるであろう、しかしながら 、一般的には、導入されるガスの量は、ガスの大部分が脱着されるほど十分に太 陽光選択面被覆の温度が高くなった場合に、１０’〜１０−３Ｔｏｒｒのオーダ ーの圧力まで真空レベルを減するのに十分な量である。

集熱要素の作用において、選択面被覆が低温である場合、ベンゼンは選択面被覆 に吸着され、ガス状では殆ど存在しなくなる。従って、空間１３内の真空度は、 高レベルとなり、選択面から周辺への熱損失は非常に低い。従って、管の性能は 、従来の真空管と同様である。

しかしながら、選択面被覆の温度が上昇すると、吸着されたガスの一部分が面被 覆から脱着され、比較的に低温のガラス製外管に殆ど吸着されることはなく、こ の結果、真空度は低くなる。十分に高い圧力（１０−３Ｔｏｒｒ以上）で、不完 全な真空中を通る熱伝導は、集熱器に対して相当な熱損失過程となる。このよう な熱損失は、よどみ状態の丁で選択面被覆が達する最大温度を制限する。

次いで、選択面被覆の温度が低下すると、入射した太陽エネルギが不十分なため 、或は、熱が集熱要素から引き出されるので、ガスは再度、選択面被覆に吸着さ れ、管内の真空度は増大する。このようにして、集熱管の性能はその本来の高レ ベルに戻る。

第２図のグラフは、第１図に示される型式の集熱要素における温度に対する熱伝 導損失と放射損失の曲線を示している。放射損失は温度の」−昇に伴って極（僅 かな割合で増加しており、この損失は、選択面被覆の組成および構成の機能とし て含まれている。しかしながら、図示されるように、伝導損失は、温度が約６０ ℃を越えて上昇するにつれて相当に増加し、これはベンゼン・ガスの脱着および 真空度の低下に起因する。

作動温度が所定のレベル（概ね８０℃）を越えて」１昇すると、上限温度が急激 に減少することが一般に望まれるが、これは、管間の空間を小さくするか、或は 、第３図〜第６図に示されるような方法で集熱要素を構成することによって達成 される。尚、これらの図面について説明する前に、低圧でのガス内の熱輸送が２ つの別個の領域によって特徴付けられることを説明しておく、非常に低い圧力で は、ガスの一分子が他の分子に衝突するまでの移動平均距離は、ガスを収容して いる容器の大きさよりも相当に大きい、従って、分子の衝突の多くは、容器の壁 面とで生ずる。非常に低圧で作動する真空太陽熱集熱管においては、ガスの分子 は熱を高温の選択面から低温のガラス製外管まで輸送し、途中で他のガスの分子 と衝突する数は極めて少ない。このような条件下では、２つの面の間の単位エリ ア毎の熱輸送の割合Ｉ（は、次式から理解されるように、圧力ｐに比例している 。

Ｈ＝　Ｋｐ（Ｔｉ−Ｔｏ） ここで、ＴｉとＴｏは、それぞれ、内面と外面の温度である。更に、面の間の熱 輸送の割合は、装置の幾何形状には殆ど左右されず、詳細には、面の間の平均距 離によってはあまり影響されない。

比較的に高圧で、分子と分子の衝突に対するガス分子の平均自由行程は、面の間 の距離と比較した場合、十分に小さい、このような条件下では、面の間の熱輸送 の割合は、次式から理解される通り、本質的に圧力とは無関係である。このよう な条件下で働く管内の熱輸送は、ガスの通常の熱伝導率ににより特徴付けられ、 平行な平面形状に対しては、 で表され、円筒形に対しては、 で表される。これらの式において、Ａは面の面積であり、ｌは面の間の距Ｍ（平 行な平面形状の場合）、ｒ２とｒｌはそれぞれ外側の円筒と内側の円筒の半径、 Ｌは円筒の長さく円筒形状の場合）である、また、ΔＴは面の間の温度差である 。

上述したように、低温でよどむことが必要とされる真空太陽熱集熱管において、 高い真空度、即ち無視できる程の損失の状態から、低い真空度、即ち大きな伝導 損失の状態への遷移は、できる限り狭い温度範囲で生ずることが強く望まれる。

これが達成される場合に満たされなければならない第１の必要性は、管内のガス 圧が温度上昇と共に急速に上昇しなければならない、管内のガス圧は、主に、ガ ス分子が選択面被覆から脱着され、これに再吸着する割合により、決定される。

−最的に、一定時間における面からの一分子の脱着の確率は、次式で表される。

ここで、ＥＯは分子と面のエネルギ特性であり、吸着／脱着の過程に対する活性 化エネルギと称されている。また、Ｙｅｏは定数である。

脱着のこの確率が温度と共に急激に上昇するならば、ガス圧もまた、少なくとも 低圧領域内で、同様な強い温度依存関係を示す、従って、温度に伴う圧力の急激 な上昇を達成するために、可能な限り高い活性化エネルギＥ。

を有する分子および面を選ぶ必要がある。

温度による圧力の依存関係は、低圧での管からの熱損失の温度依存関係に直接反 映される。しかしながら、圧力が上昇すると、分子と分子の衝突に対する平均自 由行程が、高温の選択面と管の低温の外壁との間の距離と比較できる点に達する 。従って、より高い温度で、ガス圧が更に増加しても、より急激な熱伝達は生ず ることはなく、前述したように、この領域における熱損失は、圧力と実質的に無 関係となる。

温度に伴う圧力の急激な変化は熱損失における急激な変化に反映されるので、効 率的な集熱器の作動から非効率的な作動までの遷移の鋭さを増すために、−正領 域で作動することが真空管にとり非常に望まれる。管がこの領域で作動する圧力 （および温度）の範囲は、分子と分子の衝突に対する平均自由行程が容器の大き さと比較できるようになる圧力を上げることによって広げられる。これは、選択 面と真空容器のガラス壁面との間の距離を減じることによって達成できる。

選択面とガラス製外管との間の減じられた距離は、低圧での熱損失に全く影響を 及ぼさない、熱損失は、この圧力範囲内で、容器の大きさに実際上無関係である 。ガス圧は、少なくとも、装置内のガス分子が選択面に吸着される（ここで、生 じたように）という状況において、この範囲で容器の大きさによって殆ど影響さ れないことら、理解できるであろう。１７かしながら、面からガラス上での減じ られた距離によって、温度範囲は、圧力（従って、熱損失）が温度と共に急激に 上昇する範囲で増加される。

これは、大きな熱損失が始まる点と、管によって吸収された全エネルギがガスを 介する熱伝導により移動される点との間の温度範囲を減じるという、全体的効果 を有する。

このように、無視できるほどの熱損失から最大の熱損失までの遷移は、内管と外 管との間の間隙が減じられるならば、より小さな温度範囲で生じさせる。：どが できる。

間隙を減じることは、低圧での熱損失に殆ど影響を及ぼさない、しかしながら、 より小さな間隙を有する管は、高圧範囲で、より大きな熱伝導を示し、従って、 大きな間隙を有する管よりも効果的に、よどみ状態の下でエネルギを消費する。

このように、管における作動特性の遷移の鋭さに関する鍵となる要素は、選択面 とガラス製の外被体との間の間隙である。

図面の第１図に示されるような従来の型式の真空集熱管において、内管と外管と の間の間隙の最小寸法は、ガラス管の色々な寸法によって決定される。これらの 管は、図面引きの過程における変更のために、直径、肉厚および直線度を変える ことができる０本発明により必要とされるように間隙を減じるために、従来行わ れていたよりも厳密に管の公差を特定することができると良い、゛或はまた、比 較寸法決め作業が、内管と外管を適合させるために行われても良い。最後に、整 直作業が管の両方または一方になされる。

しかしながら、内管と外管との効果的な間隙を相当に減じる方法は、添付図面の 第３図と第４図に示されるような偏心状態で管を取り付けることによって達成さ れるのが好適である。

集熱要素は一端が閉じられた内管１０を具備し、この内管１０は、−ｉ的にはガ ラスから作られているが、別の構成が適用されるとするならば、金属からも同様 に形成されることが可能である。ガラス製の外管１１が内管を囲んでおり、その 開口端部１２の隣接部で、内管と密着されている。空気抜きされた空間１３が２ つの管の間に存在し、内管１０の外面は、その全長の大部分に亘り、太陽光選択 面被覆１４で被覆されている。

図示された集熱要素に関して注意されるべき重要なファクターは、内管が外管に 対して偏心して配置されていることであり、２つの管が互いに同心に配置された 場合（ご比較して、選択面被覆の一部分が外管に近接して配置されるようになっ ている。管の全ての点での熱伝導は、２つの管の間の半径方向間隙に対して概ね 反比例しているので、間隙が大きくされる点での熱の流れの減少は、間隙が小さ くされる点での増大によって、十二分にバランスされる。

添付図面の第５図と第６図は、本発明を実施する別の方法を示している。第５図 は集熱要素の端面図を示しており、この集熱要素は、比較的に大きなガラス製外 管１６内に偏心して配置された小さな径の内管もしくは導管１５を有しており、 外管内であって内管を囲んでいる空間は、空気抜きされている０円弧形の基体１ ７が内管１５に溶接または他の手段で固着され、この基体は、その外面に太陽光 選択面被覆１８を支持している。基体１７は、外管１６内で円弧状に延び、外管 の全長の大部分に亘り長手方向に延びている。

第５図に示される構成は、内管と外管の間、より詳細に説明すると、選択面被覆 １８と外管１６との間に、熱輸送のための非常に小さな間隙が設けられている。

また、これは、内管１５だけがその外面に選択面被覆で被覆された場合よりも相 当に大きな面積の選択面被覆が、太陽熱放射の吸収に寄与されるという利点を有 している。

第６図に示される集熱要素もまた、熱交換流体が導かれる内管１９と、内管を囲 む真空空間２１を画成する相当に大きな外管２０とを有する構成である。しかし ながら、前記の２つの実施例と比較すると、第６図に示される集熱要素は、外管 内に同心に配置された内管を有している。

そして、基体２２によって支持された太陽光選択面被覆と近接するために、基体 は外管を径方向に横切って延びるように、且つ、周方向に延びる房部２４によっ て、外管に近接して配置されるように、配列されている。

上記実施例の各々においては、内管と外管との間の空間は、この空間が真空にさ れている間に、高温の焼出しを受ける。その後、ベンゼンのような少量の疎水性 炭化水素物が管間の空間に導入される。この物質は、前述したように、比較的低 温では、太陽光選択面被覆に吸着され、高温では真空度を低減するために真空空 間内に脱着される。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．太陽エネルギ収集装置において用いられる集熱要素であって、使用時に熱交 換流体を流通させる内管と、該内智の全長の少なくとも一部分を囲むガラス製の 外管と、前記内管の外面および的証外管の内面の間に配置されると共に該外面お よび該内面により画成される真空空間と、前記内管の外面に熱的に接触している 太陽光選択面被覆と、前記集熱要素の上限温度を制限するために前記真空空間に 導入されたガスとを具備し、前記ガスは疎水性であり、且つ、所定温度よりも低 い温度で前記選択面被覆に吸着されるように選択されると共に、前記所定温度よ りも高い温度で前記真空空間内に脱着されるが前記ガラス製外管には実質的に吸 着されないように選択されているものである集熱要素。
2. ２．太陽光選択面被覆は内管の外面に適用される請求の範囲第１項記載の集熱要 素。
3. ３．太陽光選択面被覆は、内管の外面に接着された基体によって支持される請求 の範囲第１項記載の集熱要素。
4. ４．ガスは、ペンタン、ヘキサン、へブタン、これらの異性体および同族体から 選ばれたアルカンから成る請求の範囲第１項記載の集熱要素。
5. ５．ガスは、ベンゼン、その誘導体、異性体および同族体から選ばれた芳香族炭 化水素から成る請求の範囲第１項記載の集熱要素。
6. ６．ガスは、８０℃から１５０℃の範囲内の温度で真空空間内に脱着されるよう に選ばれている請求の範囲第１項記載の集熱要素。
7. ７．ガスの殆どが脱着されるレベルまで太陽光選択面被覆の温度が上昇した場合 に、１０°Ｔｏｒｒから１０−３Ｔｏｒｒのオーダーの圧力に真空度を減じるの に十分な量の前記ガスが、真空空間に導入されている請求の範囲第１項記載の集 熱要素。
8. ８．内管は外管内で偏心して配置されている請求の範囲第２項記載の集熱要素。
9. ９．内管は外管内で偏心して配置され、基体は断面円弧状で、外管の内面に隣接 してこれと平行に配置されている請求の範囲第３項記載の集熱要素。
10. １０．基体は、外管を実質的に径方向に横切って延びると共に、外管の内面に隣 接してこれと実質的に平行に配置された縁端部を有している請求の範囲第３項記 載の集熱要素。