WO2014002643A1 - 太陽熱集熱管 - Google Patents

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glass tube
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thermal expansion
central metal
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範仁 竹内
林　裕人
則武　和人
覚央 松戸
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株式会社 豊田自動織機
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    • F24S40/80—Accommodating differential expansion of solar collector elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar heat collecting tube, and more particularly, a central metal tube through which a heat medium flows, and a glass tube surrounding the central metal tube to form an annular space between the central metal tube and the central metal tube
  • the present invention relates to a solar heat collecting pipe connected via a thermal expansion difference absorbing unit that absorbs a thermal expansion difference from a glass tube.
  • the metal tube is surrounded by a glass tube and an annular space is formed between the metal tube and the metal tube to prevent the heat of the metal tube heated by solar heat from being transferred to the atmosphere.
  • the metal tube and the glass tube have a large difference in thermal expansion coefficient, it is necessary to provide a thermal expansion difference absorbing portion that absorbs the thermal expansion difference between the metal tube and the glass tube. Since the temperature of the metal tube reaches several hundred degrees, the thermal expansion differential absorption part is formed of metal.
  • a bellows is generally used as a thermal expansion difference absorbing portion, when the metal bellows and the glass tube are directly connected, the connecting portion of the glass tube with the bellows is easily damaged when the bellows expands and contracts.
  • the range in which the sunlight can enter the central metal tube 31 is the range excluding the range covered with the bellows 33 and the glass / metal connection element 34.
  • the active area is reduced.
  • the active area is defined by the sunlight incident length / the solar heat collector total length.
  • An object of the present invention is to provide a solar heat collecting pipe which can increase the ratio of the sunlight incident length to the total length of the solar heat collecting pipe compared to the prior art.
  • the solar heat collecting pipe which solves the above-mentioned subject covers the perimeter of the central metal pipe so as to form an annular space between the central metal pipe through which the heat medium can flow and the central metal pipe, and has an end having an end face And a thermal expansion difference absorbing portion for absorbing a thermal expansion difference between the central metal pipe and the glass tube, wherein the thermal expansion difference absorbing portion is made of metal and formed in an annular shape, and It has a connection end connected to the end of the glass tube, the connection end being formed to be gradually thinner in thickness, the connection end being the glass tube from the end face of the glass tube It is connected to the glass tube in a state where it enters into the end of the.
  • the thermal expansion difference absorption part is made of metal
  • the thickness of the connection end connected to the end of the glass tube is gradually reduced
  • the connection end is made of glass.
  • the glass tube is connected to the end of the glass tube from the end face of the tube. Therefore, unlike the case where the connection end is fitted to the outer periphery of the end of the glass tube or the connection end is fitted to the inner periphery of the end of the glass tube, the connection end and the end of the glass tube are different. Unreasonable force is less likely to be applied to the joint with the part, and the thermal expansion difference absorption part can be directly connected to the glass tube without using the glass / metal connection element. Therefore, the ratio of the sunlight incident length to the total length of the solar heat collecting tube can be increased as compared with the prior art.
  • the material of the thermal expansion difference absorbing portion preferably has a linear expansion coefficient of 5.0 to 5.2 ⁇ 10 ⁇ 6 (K ⁇ 1 ). According to this configuration, it is possible to configure the solar heat collecting pipe with almost no difference in thermal expansion coefficient between the thermal expansion difference absorbing portion and the glass tube, and the entire length of the solar heat collecting pipe of the thermal expansion difference absorbing means is The proportion of the length occupied becomes smaller.
  • the said thermal expansion difference absorption part is a metal bellows. According to this configuration, it is possible to use the proven bellows as the thermal expansion difference absorbing portion by a simple change of changing the shape of the connection end to the glass tube without affecting the expansion and contraction function of the bellows. .
  • the metal bellows has a cylindrical portion formed at both ends of the bellows portion, and the inner diameter of the bellows portion is formed to be the same as the inner diameter of the cylindrical portion. According to this configuration, it is easy to manufacture the bellows by hydroforming as compared to the bellows in which the inner diameter of the bellows portion and the inner diameter of the cylindrical portion are different.
  • connection between the connection end of the bellows and the end of the glass tube heats the end of the glass tube to a molten state, and the connection end of the bellows is heated to a temperature higher than the temperature of the end of the glass tube
  • the rotation of the bellows is stopped to cool the connecting end of the bellows. At this time, it is easy to chuck the bellows while rotating it while holding the bellows coaxial with the glass tube.
  • the central metal tube is preferably made of stainless steel. Since stainless steel pipes can be connected by welding, it is easy to ensure an airtight state of the connection. In addition, stainless steel pipes are excellent in corrosion resistance and strength, are used in various fields, are easily available, and are advantageous in cost. Therefore, by making the central metal pipe made of stainless steel, the above-mentioned advantages can be utilized.
  • the metal bellows is preferably connected by welding to a flange portion formed on the central metal pipe. Since the diameter of the expansion and contraction part of the metal bellows is larger than the diameter of the central metal pipe, in order to connect both by welding, it is necessary to provide a flange part in either the bellows or the central metal pipe. When the flange portion is formed in the central metal pipe, it can be formed more easily than when provided in the bellows.
  • the glass tube is formed of different materials from the portion connected to the connection end of the thermal expansion difference absorbing portion and the other portion, and the thermal expansion coefficient of the portion is connected to the connection end.
  • a glass is used which has a coefficient of thermal expansion close to that of the metal of the connection end compared to the glass constituting the other part. In this case, since the difference between the thermal expansion coefficient of the end of the glass tube and the thermal expansion coefficient of the connection end in direct contact with the end is small, the stress acting on the end of the glass tube should be small. Can.
  • the present invention it is possible to make the ratio of the sunlight incident possible length to the total length of the solar heat collecting tube larger than in the prior art.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a prior art solar collector tube.
  • the solar heat collecting pipe 11 has a center so as to form an annular vacuum space 13 as an annular space between the central metal pipe 12 through which the heat medium can flow and the central metal pipe 12.
  • the glass tube 14 covers the outer periphery of the metal tube 12 and includes an end portion 14 a having an end surface 14 b, and a thermal expansion difference absorbing portion 15 that absorbs the thermal expansion difference between the central metal tube 12 and the glass tube 14.
  • FIG. 1 (a) shows one end of the solar heat collecting tube 11, and the other end is also configured similarly to the one end. That is, the solar heat collecting tube 11 has a symmetrical configuration at both ends.
  • the glass tube 14 is formed shorter than the central metal tube 12, and the thermal expansion difference absorbing portion 15 is connected between the end of the central metal tube 12 and the end 14 a of the glass tube 14.
  • a metal bellows 16 is used as the thermal expansion difference absorbing portion 15.
  • the central metal pipe 12 and the bellows 16 are made of stainless steel (SUS).
  • the bellows 16 has cylindrical portions 17a and 17b formed at both ends of the bellows portion 16a, and the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b is set to the same size as the inner diameter D2 of the bellows portion 16a.
  • the bellows 16 is connected by welding to the outer peripheral portion of the flange portion 12a formed on the central metal pipe 12 in one cylindrical portion 17a.
  • the flange portion 12 a is formed by welding a circular SUS plate having a hole to the cylindrical surface of the central metal pipe 12.
  • the bellows 16 is connected to the glass tube 14 at the other cylindrical portion 17b, and the connecting end 18 of the cylindrical portion 17b is formed to be gradually thinner as its thickness approaches the tip. That is, the thermal expansion difference absorbing portion 15 is formed in an annular shape made of metal, and is formed so that the thickness of the connection end 18 connected to the end of the glass tube 14 becomes gradually smaller.
  • the connection end 18 is tapered.
  • the connection end 18 is connected to the glass tube 14 in a state where the connection end 18 enters the end 14 a of the glass tube 14 from the end face 14 b of the glass tube 14. That is, the end 14 a of the glass tube 14 and the connection end 18 of the bellows 16 are connected by a so-called house keeper structure.
  • connection of the connection end 18 of the bellows 16 to the glass tube 14 takes place before connecting the bellows 16 to the central metal tube 12.
  • the bellows 16 is rotated while the temperature of the connection end portion 18 is heated to or above the temperature of the end portion 14a of the glass tube 14 A predetermined amount is inserted from the end face 14 b into the end 14 a of the glass tube 14 coaxially with the glass tube 14. Thereafter, the rotation of the bellows 16 is stopped to cool the connection end 18 of the bellows 16. The cooling is done gradually so that no thermal strain is left rather than quenching.
  • the heat medium is heated by the heat conduction from the central metal pipe 12 and heated
  • the heat medium is used for heating devices, water heaters, and power generation.
  • the solar heat collecting tube 11 is disposed in a state where the central metal tube 12 is located at the focal point of a reflecting mirror having a concave reflecting surface.
  • the temperature of the central metal tube 12 rises to about 400 ° C.
  • the temperature of the glass tube 14 is about 100 ° C., although it varies depending on the performance of the reflecting mirror, the environmental temperature, and the moving speed of the heat medium in the central metal tube 12 become. Since the central metal tube 12 is covered by the glass tube 14 via the annular vacuum space 13, the heat of the central metal tube 12 heated by the sunlight incident through the glass tube 14 flows through the central metal tube 12. The medium is heated efficiently.
  • the connecting end 18 connected to the end of the glass tube 14 is formed to be gradually thinner and the connecting end 18 Are connected to the glass tube 14 in a state where they enter the end 14 a of the glass tube 14 from the end face 14 b of the glass tube 14. Therefore, unlike the case where the connection end 18 is fitted to the outer periphery of the end of the glass tube 14 and the connection end 18 is fitted to the inner periphery of the end of the glass tube 14, the expansion and contraction of the bellows 16 is achieved. Sometimes, it becomes difficult to apply an excessive force to the joint between the connection end 18 and the end 14 a of the glass tube 14.
  • connection end 18 when the connection end 18 is connected at the outer periphery or the inner periphery of the glass tube 14, the contact surface between the two is one annular portion, but the connection end 18 is a glass tube from the end face 14b of the glass tube 14. When they are inserted into the end of 14 and connected, they contact at two contact surfaces, and the two contact surfaces are continuous at one end. Therefore, damage to the glass tube 14 is prevented even if the bellows 16 expands and contracts in a state in which the relative movement of the glass tube 14 with respect to the connection end 18 is restricted. Therefore, the durability is improved even if the thermal expansion difference absorbing portion 15 is directly connected to the glass tube 14 without using the glass / metal connection element. Therefore, the ratio of the sunlight incident length to the total length of the solar heat collecting tube can be increased as compared with the prior art.
  • the solar heat collecting pipe 11 includes the central metal pipe 12 through which the heat medium can flow and the glass pipe 14 covering the outer periphery of the central metal pipe 12 so as to form an annular vacuum space 13 between the central metal pipe 12 and A thermal expansion difference absorbing portion 15 is provided which absorbs the thermal expansion difference between the central metal tube 12 and the glass tube 14.
  • the thermal expansion difference absorbing portion 15 is formed in an annular shape made of metal, and is formed so that the thickness of the connection end 18 connected to the end 14 a of the glass tube 14 becomes gradually smaller.
  • the connection end 18 is connected to the glass tube 14 in a state where the connection end 18 enters the end 14 a of the glass tube 14 from the end face 14 b of the glass tube 14. Therefore, the ratio of the sunlight incident length to the total length of the solar heat collecting tube can be made larger than that of the conventional solar heat collecting tube.
  • a simple modification is to change the shape of the connection end 18 to the glass tube 14 without affecting the expansion and contraction function of the bellows 16 by using a metal bellows 16 as the thermal expansion difference absorbing portion 15, A proven bellows 16 can be used as a thermal expansion differential absorber.
  • the central metal pipe 12 is made of stainless steel, it can be connected to other metal members by welding, so it is easy to ensure the airtight state of the connection portion, and the degree of vacuum of the annular vacuum space 13 is Secured. Also. Stainless steel tubes are excellent in corrosion resistance and strength, are used in various fields, are easily available, and are advantageous in cost.
  • the metal bellows 16 is connected by welding to the flange portion 12 a formed on the central metal pipe 12. Since the diameter of the expansion and contraction part (bellows 16a) of the bellows 16 is larger than the diameter of the central metal pipe 12, it is necessary to provide a flange on either the bellows 16 or the central metal pipe 12 in order to connect both by welding. . In this embodiment, since the flange portion 12 a is formed in the central metal pipe 12, it can be easily formed as compared with the case where the flange portion 12 a is provided in the bellows 16.
  • the bellows 16 has cylindrical portions 17a and 17b formed at both ends of the bellows portion 16a, and the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b is set to the same size as the inner diameter D2 of the bellows portion 16a. Therefore, the bellows 16a of the metal bellows 16 is generally manufactured by, for example, placing a metal pipe in a mold and sealing both ends of the metal pipe from inside using a hydraulic pressure such as water pressure It can be manufactured by a method of expanding a metal pipe by applying pressure (hydroforming). Further, compared to the case where the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b is different from the inner diameter D2 of the bellows portion 16a, hydroforming is facilitated.
  • the bellows 16 when connecting the connection end 18 of the bellows 16 and the end 14 a of the glass tube 14, the bellows 16 may be chucked movably while rotating while maintaining the coaxial state with the glass tube 14.
  • the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b is easier than when the inner diameter D2 of the bellows portion 16a is different.
  • the embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
  • the thermal expansion difference absorbing portion 15 is formed in an annular shape made of metal and formed so that the thickness of the connection end 18 connected to the end 14 a of the glass tube 14 is gradually reduced, and the connection end 18 is not limited to the metal bellows 16 as long as it is connected to the glass tube 14 in a state where it enters the end 14 a of the glass tube 14 from the end face 14 b of the glass tube 14.
  • a metal (for example, stainless steel) diaphragm may be used as the thermal expansion difference absorbing portion 15.
  • the metal diaphragm 20 is not used as a valve, but is used to absorb the difference between the amount of thermal expansion of the central metal tube 12 and the amount of thermal expansion of the glass tube 14. .
  • the diaphragm 20 is formed continuously with an annular main body 21 larger in diameter than the glass tube 14 and the outer peripheral edge of the main body 21 and has an annular connecting end 22 with the same diameter as the glass tube 14, and an inner peripheral end And the connecting end portion 22 are continuous so as to be bent radially outward, and the outer peripheral end has a continuous portion 23 continuous with the outer peripheral edge of the main body portion 21.
  • the main body portion 21 is formed with an annular recess 21 a for securing flexibility.
  • the connection end 22 is formed so as to be gradually thinner as its thickness approaches the tip, and the connection end 22 is inserted into the end 14 a of the glass tube 14 from the end surface 14 b of the glass tube 14. It is connected to the.
  • the diaphragm 20 is used when the difference between the amount of thermal expansion of the central metal tube 12 and the amount of thermal expansion of the glass tube 14 is small, that is, when the total length of the solar heat collecting tube 11 is short.
  • the glass tube 14 is not limited to one formed entirely of the same material, but the coefficient of thermal expansion of the portion forming the house keeper structure is connected with the connection end 18 of the bellows 16 and the connection end 22 of the diaphragm 20 Alternatively, a glass, such as Kovar glass, which has a thermal expansion coefficient close to that of the metal of the connection end portions 18 and 22 as compared to the glass constituting the other portion of the glass tube 14 may be used. In this case, since the difference between the thermal expansion coefficient of the end 14 a of the glass tube 14 and the thermal expansion coefficient of the connection ends 18 and 22 in direct contact with the end 14 a decreases, stress acting on the end 14 a Becomes smaller.
  • the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b is not limited to the same configuration as the inner diameter D2 of the bellows portion 16a.
  • the inner diameter D1 of the cylindrical portions 17a and 17b may be larger or smaller than the inner diameter D2 of the bellows portion 16a. Good.
  • the bellows 16 is not limited to one having the same diameter of the cylindrical portions 17a and 17b, and the diameter of the cylindrical portion 17a may be larger or smaller than the diameter of the cylindrical portion 17b.
  • the bellows 16 may have a U-shaped fold wall instead of the V-shaped fold wall of the bellows portion 16a.
  • the bellows 16 is not limited to one having the same inner diameter of the connection end 18 as the inner diameter of the bellows 16a, and the projection position of the connection end 18 is an imaginary cylinder having an inner diameter equal to the outer diameter of the bellows 16a. You may form so that it may be located inside.
  • connection between the bellows 16 and the central metal tube 12 is such that the flange portion is formed on the cylindrical portion 17a of the bellows 16 without forming the flange portion 12a on the central metal tube 12, and the flange portion is used as an end of the central metal tube 12 It may be done by welding to the part.
  • the central metal pipe 12, the bellows 16 or the diaphragm 20 may be formed of a metal other than stainless steel.
  • the material of the bellows 16 or the diaphragm 20 as the thermal expansion difference absorbing portion may be a metal having a linear expansion coefficient of 5.0 to 5.2 ⁇ 10 ⁇ 6 (K ⁇ 1 ).
  • this metal Kovar which is an alloy which mix
  • the composition is 29% Ni, 17% Co, 0.2% Si, 0.3% Mn, and 53.5% Fe by weight.
  • the portion forming the house keeper structure of the glass tube 14 of Kovar glass, the thermal expansion coefficient of the thermal expansion difference absorbing portion and the portion forming the house keeper structure of the glass tube 14 can be made the same. It is possible to increase the ratio of the sunlight incident length to the total length of the solar heat collecting tube.
  • Bellows 16 is a method of arranging a metal pipe in a mold and expanding the metal pipe by applying pressure from the inside using hydraulic pressure such as water pressure with both ends of the metal pipe sealed (hydroforming)
  • it may be a welded bellows.
  • the welded bellows has a lower spring constant than the molded bellows, and the amount of expansion and contraction with respect to the acting force is larger than that of the same length bellows made of the same material, and the connecting end 18 and the end 14a of the glass tube 14 Unreasonable force is less likely to be applied to the joint of
  • the flange portion 12 a of the central metal pipe 12 may be formed by bending an end of the central metal pipe 12.
  • the diaphragm 20 may have a configuration in which the connection end 22 protrudes from the outer peripheral portion of the main body 21 without including the continuous portion 23.
  • the annular space is not limited to the annular vacuum space 13.
  • a gas whose thermal conductivity is smaller than air is filled in the annular space at a pressure equal to or higher than normal atmospheric pressure, and the thermal conductivity is similar to that of vacuum It may be
  • vacuum means the state of the space filled with the gas of the pressure lower than normal atmospheric pressure.
  • D1, D2 inner diameter
  • 11 solar heat collecting pipe
  • 12 central metal pipe
  • 12a flange portion
  • 13 annular vacuum space as an annular space
  • 14 glass tube
  • 14a end portion
  • 15 thermal expansion difference absorbing portion
  • 16 Bellows 16a Bellows 17a, 17b Cylindrical part 18, 22 Connection end part 20 Diaphragm as a thermal expansion difference absorbing part.

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Abstract

　太陽熱集熱管は、熱媒が流通可能な中心金属管と、中心金属管との間に環状真空空間を形成するように中心金属管の外周を覆い、端面を有する端部を備えるガラス管と、中心金属管とガラス管との熱膨張差を吸収する金属製の熱膨張差吸収部とを備えている。熱膨張差吸収部は、金属製で円環状に形成され、かつガラス管の端部に接続される接続端部を有する。接続端部はその厚さが徐々に薄くなるように形成されている。接続端部がガラス管の端面からガラス管の端部に入り込んだ状態でガラス管に接続されている。

Description

太陽熱集熱管
　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部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部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、熱膨張差吸収部は金属で形成される。熱膨張差吸収部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３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／メタル接続素子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。
米国特許第６７０５３１１号明細書
　ところが、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／メタル接続素子３４で覆われた範囲を除いた範囲になるため、ベローズ３３の他にガラス／メタル接続素子３４を用いて中心金属管３１とガラス管３２とを接続する構成では、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。
　本発明の目的は、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合を従来に比べて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。
　上記課題を解決する太陽熱集熱管は、熱媒が流通可能な中心金属管と、前記中心金属管との間に環状空間を形成するように前記中心金属管の外周を覆い、端面を有する端部を備えるガラス管と、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部とを備え、前記熱膨張差吸収部は、金属製で円環状に形成され、かつ前記ガラス管の前記端部に接続される接続端部を有し、前記接続端部はその厚さが徐々に薄くなるように形成され、前記接続端部が前記ガラス管の前記端面から前記ガラス管の端部に入り込んだ状態で前記ガラス管に接続されている。
　この構成によれば、熱膨張差吸収部は金属製であるが、ガラス管の端部に接続される接続端部の厚さが徐々に薄くなるように形成されるとともに、接続端部がガラス管の端面からガラス管の端部に入り込んだ状態でガラス管に接続されている。そのため、接続端部がガラス管の端部外周に嵌合した状態や、接続端部がガラス管の端部内周に嵌合した状態で接続された場合と異なり、接続端部とガラス管の端部との接合部に無理な力が加わり難くなり、ガラス／メタル接続素子を使用せずに、熱膨張差吸収部をガラス管に直接接続することができる。したがって、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合を従来に比べて大きくすることができる。
　前記熱膨張差吸収部の材質は線膨張係数が５．０～５．２×１０－６（Ｋ－１）であることが好ましい。この構成によれば、熱膨張差吸収部及びガラス管の両者を熱膨張率の差が殆ど無い状態で太陽熱集熱管を構成することができ、熱膨張差吸収手段の太陽熱集熱管全長に対して占める長さの割合がより小さくなる。
　前記熱膨張差吸収部は金属製のベローズであることが好ましい。この構成によれば、ベローズの伸縮機能に影響を与えることなく、ガラス管に対する接続端部の形状を変更するという簡単な変更で、熱膨張差吸収部として実績のあるベローズを使用することができる。
　前記金属製のベローズは、蛇腹部の両端に円筒部が形成されており、前記蛇腹部の内径は前記円筒部の内径と同じに形成されていることが好ましい。この構成によれば、蛇腹部の内径と円筒部の内径とが異なるベローズに比べて、ベローズをハイドロフォーム成形により製造することが容易である。また、ベローズの接続端部と、ガラス管の端部との接続は、ガラス管の端部を溶融状態に加熱し、ベローズの接続端部をガラス管の端部の温度以上に加熱した状態で、ベローズを回転させつつ、ガラス管と同軸状態でガラス管の端部に端面から所定量挿入した後、ベローズの回転を止めてベローズの接続端部を冷却することで行われる。その際に、ベローズをガラス管との同軸状態を保持したまま、回転させつつ移動可能にチャックすることが容易になる。
　前記中心金属管はステンレス鋼製であることが好ましい。ステンレス鋼管は、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い。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。そのため、中心金属管をステンレス鋼製とすることにより、前述の利点を生かすことができる。
　前記金属製のベローズは、前記中心金属管に形成されたフランジ部に溶接で接続されていることが好ましい。金属製のベローズの伸縮部の径は中心金属管の径より大きいため、両者を溶接で接続するには、ベローズあるいは中心金属管のいずれかにフランジ部を設ける必要がある。中心金属管にフランジ部が形成されている場合、ベローズに設ける場合に比べて容易に形成することができる。
　前記ガラス管は、前記熱膨張差吸収部の接続端部と接続される部分と、他の部分とが互いに異なる材質で形成され、接続端部と接続される部分の材質として、その熱膨張率が他の部分を構成するガラスに比べて接続端部の金属の熱膨張率に近いガラスが使用されていることが好ましい。この場合、ガラス管の端部の熱膨張率と、端部に直接接触している接続端部の熱膨張率との差が小さくなるため、ガラス管の端部に作用する応力を小さくすることができる。
　本発明によれば、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合を従来に比べて大きくすることができる。
（ａ）は一実施形態の太陽熱集熱管の部分断面図。（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 別の実施形態の熱膨張差吸収部を使用した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（ａ）及び図１（ｂ）にしたがって説明する。
　図１（ａ）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を形成するように中心金属管１２の外周を覆い、端面１４ｂを有する端部１４ａを備えるガラス管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部１５とを備えている。図１（ａ）は太陽熱集熱管１１の一端部を示しており、他端部も一端部と同様に構成されている。即ち、太陽熱集熱管１１は両端部において対称的な構成を有する。
　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１４ａとの間に熱膨張差吸収部１５が接続されている。この実施形態では、熱膨張差吸収部１５として金属製のベローズ１６が使用されている。中心金属管１２及びベローズ１６は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製である。ベローズ１６は、蛇腹部１６ａの両端にそれぞれ円筒部１７ａ，１７ｂが形成されており、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１は蛇腹部１６ａの内径Ｄ２と同じ大きさに設定されている。
　ベローズ１６は、一方の円筒部１７ａにおいて中心金属管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。
　ベローズ１６は、他方の円筒部１７ｂにおいてガラス管１４に接続され、円筒部１７ｂの接続端部１８は、その厚さが先端に近づくほど徐々に薄くなるように形成されている。即ち、熱膨張差吸収部１５は、金属製で円環状に形成され、かつガラス管１４の端部に接続される接続端部１８の厚さが徐々に薄くなるように形成されている。接続端部１８はテーパ状に形成されている。そして、接続端部１８がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部１４ａに入り込んだ状態でガラス管１４に接続されている。即ち、ガラス管１４の端部１４ａとベローズ１６の接続端部１８とは、所謂ハウスキーパー構造で接続されている。
　ガラス管１４に対するベローズ１６の接続端部１８の接続は、ベローズ１６を中心金属管１２に接続する前に行われる。例えば、ガラス管１４の端部１４ａを溶融状態となるまで加熱した状態で、ベローズ１６を接続端部１８の温度がガラス管１４の端部１４ａの温度以上に加熱した状態で、回転させつつ、ガラス管１４と同軸状態でガラス管１４の端部１４ａに端面１４ｂから所定量挿入する。その後、ベローズ１６の回転を止めてベローズ１６の接続端部１８を冷却する。冷却は、急冷ではなく熱歪みが残らないように徐々に行われる。
　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において、中心金属管１２に一端から導入された熱媒が、中心金属管１２の他端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熱媒が加熱され、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、凹面の反射面を有する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内の移動速度等の条件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によって覆われているため、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。
　熱膨張差吸収部１５としてのベローズ１６は金属製であるが、ガラス管１４の端部に接続される接続端部１８の厚さが徐々に薄くなるように形成されるとともに、接続端部１８がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部１４ａに入り込んだ状態でガラス管１４に接続されている。そのため、接続端部１８がガラス管１４の端部外周に嵌合した状態や、接続端部１８がガラス管１４の端部内周に嵌合した状態で接続された場合と異なり、ベローズ１６の伸縮時に接続端部１８とガラス管１４の端部１４ａとの接合部に無理な力が加わり難くなる。詳述すると、接続端部１８がガラス管１４の外周あるいは内周において接続された場合、両者の接触面が一つの環状部であるが、接続端部１８がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部に入り込んで接続された場合、両者は二つの接触面で接触し、かつ二つの接触面は一端で連続している。そのため、ガラス管１４の接続端部１８に対する相対移動が規制された状態でベローズ１６が伸縮しても、ガラス管１４の損傷が防止される。そのため、ガラス／メタル接続素子を使用せずに、熱膨張差吸収部１５をガラス管１４に直接接続しても耐久性が向上する。したがって、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合を従来に比べて大きくすることができる。
　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を形成するように中心金属管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部１５とを備えている。熱膨張差吸収部１５は、金属製で円環状に形成され、かつガラス管１４の端部１４ａに接続される接続端部１８の厚さが徐々に薄くなるように形成されている。そして、接続端部１８がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部１４ａに入り込んだ状態でガラス管１４に接続されている。したがって、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合を従来の太陽熱集熱管に比べて大きくすることができる。
　（２）熱膨張差吸収部１５として金属製のベローズ１６が使用され、ベローズ１６の伸縮機能に影響を与えることなく、ガラス管１４に対する接続端部１８の形状を変更するという簡単な変更で、熱膨張差吸収部として実績のあるベローズ１６を使用することができる。
　（３）中心金属管１２はステンレス鋼製であるため、溶接により他の金属製の部材に対して接続が可能なため、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。
　（４）金属製のベローズ１６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の伸縮部（蛇腹部１６ａ）の径は中心金属管１２の径より大きいため、両者を溶接で接続するには、ベローズ１６あるいは中心金属管１２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にフランジ部１２ａが形成されているため、ベローズ１６にフランジ部１２ａを設ける場合に比べて容易に形成することができる。
　（５）ベローズ１６は、蛇腹部１６ａの両端にそれぞれ円筒部１７ａ，１７ｂが形成されており、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１は蛇腹部１６ａの内径Ｄ２と同じ大きさに設定されている。したがって、金属製のベローズ１６の蛇腹部１６ａを一般的な製造方法、例えば、金属パイプを金型内に配置し、金属パイプの両端を密閉した状態で水圧等の液圧を利用して内側から圧力を加えて金属パイプを膨張させる方法（ハイドロフォーム成形）で製造することができる。また、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１が蛇腹部１６ａの内径Ｄ２と異なる場合に比べて、ハイドロフォーム成形が容易になる。また、ベローズ１６の接続端部１８と、ガラス管１４の端部１４ａとを接続する場合も、ベローズ１６をガラス管１４との同軸状態を保持したまま、回転させつつ移動可能にチャックすることが、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１が蛇腹部１６ａの内径Ｄ２と異なる場合に比べて容易になる。
　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。
　○　熱膨張差吸収部１５は、金属製で円環状に形成され、かつガラス管１４の端部１４ａに接続される接続端部１８の厚さが徐々に薄くなるように形成され、接続端部１８がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部１４ａに入り込んだ状態でガラス管１４に接続されている構成であればよく、金属製のベローズ１６に限らない。熱膨張差吸収部１５として、金属製（例えば、ステンレス鋼製）のダイヤフラムを使用してもよい。図２に示すように、金属製のダイヤフラム２０は、弁として使用されるのではなく、中心金属管１２の熱膨張量とガラス管１４の熱膨張量との差を吸収するために使用される。ダイヤフラム２０は、ガラス管１４より大径の円環状の本体部２１と、本体部２１の外周縁に連続して形成され、ガラス管１４と同径の環状の接続端部２２と、内周端が接続端部２２に対して径方向外側へ屈曲するように連続し、外周端が本体部２１の外周縁に連続する連続部２３とを有する。本体部２１には可撓性を確保する環状凹部２１ａが形成されている。接続端部２２は、その厚さが先端に近づくほど徐々に薄くなるように形成され、接続端部２２がガラス管１４の端面１４ｂからガラス管１４の端部１４ａに入り込んだ状態でガラス管１４に接続されている。ダイヤフラム２０は、中心金属管１２の熱膨張量とガラス管１４の熱膨張量との差が小さい場合、即ち太陽熱集熱管１１の全長が短い場合に使用される。
　○　ガラス管１４は、全体が同じ材質で形成されたものに限らず、ベローズ１６の接続端部１８やダイヤフラム２０の接続端部２２と接続されてハウスキーパー構造を構成する部分の熱膨張率が、ガラス管１４の他の部分を構成するガラスに比べて接続端部１８，２２の金属の熱膨張率に近いガラス、例えばコバールガラスを使用した構成としてもよい。この場合、ガラス管１４の端部１４ａの熱膨張率と、端部１４ａに直接接触している接続端部１８，２２の熱膨張率との差が小さくなるため、端部１４ａに作用する応力が小さくなる。
　○　ベローズ１６は、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１が蛇腹部１６ａの内径Ｄ２と同じ構成に限らず、円筒部１７ａ，１７ｂの内径Ｄ１が蛇腹部１６ａの内径Ｄ２より大きくてもあるいは小さくてもよい。
　○　ベローズ１６は、円筒部１７ａ，１７ｂの径が同じ構造を有するものに限らず、円筒部１７ａの径が円筒部１７ｂ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は、蛇腹部１６ａ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は、接続端部１８の内径が蛇腹部１６ａの内径と同じ構造を有するものに限らず、接続端部１８の突出位置が、蛇腹部１６ａの外径に等しい内径を有する仮想円筒の内側に位置するように形成されていてもよい。
　○　ベローズ１６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の円筒部１７ａにフランジ部を形成し、そのフランジ部を中心金属管１２の端部に溶接で行われてもよい。
　○　中心金属管１２、ベローズ１６あるいはダイヤフラム２０をステンレス鋼以外の金属で形成してもよい。
　○　熱膨張差吸収部としてのベローズ１６あるいはダイヤフラム２０の材質を線膨張係数が５．０～５．２×１０－６（Ｋ－１）である金属としてもよい。この金属としては、鉄にニッケル及びコバルト等を配合した合金であるコバールが挙げられる。組成は、重量％でＮｉ２９％、Ｃｏ１７％、Ｓｉ０．２％、Ｍｎ０．３％、Ｆｅ５３．５％である。この場合、ガラス管１４のハウスキーパー構造を構成する部分をコバールガラス製とすることにより、熱膨張差吸収部及びガラス管１４のハウスキーパー構造を構成する部分の熱膨張率を同じにすることができ、太陽熱集熱管全長に対する太陽光入射可能長の割合をより大きくすることができる。
　○　ベローズ１６は、金属パイプを金型内に配置し、金属パイプの両端を密閉した状態で水圧等の液圧を利用して内側から圧力を加えて金属パイプを膨張させる方法（ハイドロフォーム成形）で製造した物に限らず、例えば、溶接ベローズであってもよい。溶接ベローズは成形ベローズに比べてばね定数が低く、同じ材質を用いた同じ長さのベローズに比べて、作用する力に対する伸縮量が大きくなり、接続端部１８とガラス管１４の端部１４ａとの接合部に無理な力が加わり難くなる。
　○　中心金属管１２のフランジ部１２ａは、中心金属管１２の端部の曲げ加工で形成されたものであってもよい。
　○　ダイヤフラム２０は、連続部２３を備えず、本体部２１の外周部から接続端部２２が突出する構成としてもよい。
　○　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。
　Ｄ１，Ｄ２…内径、１１…太陽熱集熱管、１２…中心金属管、１２ａ…フランジ部、１３…環状空間としての環状真空空間、１４…ガラス管、１４ａ…端部、１５…熱膨張差吸収部、１６…ベローズ、１６ａ…蛇腹部、１７ａ，１７ｂ…円筒部、１８，２２…接続端部、２０…熱膨張差吸収部としてのダイヤフラム。

Claims (7)

  1. 　太陽熱集熱管であって、
    　熱媒が流通可能な中心金属管と、
    　前記中心金属管との間に環状空間を形成するように前記中心金属管の外周を覆い、端面を有する端部を備えるガラス管と、
    　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部とを備え、
    　前記熱膨張差吸収部は、金属製で円環状に形成され、かつ前記ガラス管の前記端部に接続される接続端部を有し、前記接続端部はその厚さが徐々に薄くなるように形成され、前記接続端部が前記ガラス管の前記端面から前記ガラス管の前記端部に入り込んだ状態で前記ガラス管に接続されている太陽熱集熱管。
  2. 　前記熱膨張差吸収部の材質は線膨張係数が５．０～５．２×１０－６（Ｋ－１）である請求項１に記載の太陽熱集熱管。
  3. 　前記熱膨張差吸収部は金属製のベローズである請求項１又は請求項２に記載の太陽熱集熱管。
  4. 　前記金属製のベローズは、蛇腹部の両端に円筒部が形成されており、前記蛇腹部の内径は前記円筒部の内径と同じに形成されている請求項３に記載の太陽熱集熱管。
  5. 　前記中心金属管はステンレス鋼製である請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
  6. 　前記金属製のベローズは、前記中心金属管に形成されたフランジ部に溶接で接続されている請求項３～請求項５のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
  7. 　前記ガラス管は、前記熱膨張差吸収部の接続端部と接続される部分と、他の部分とが互いに異なる材質で形成され、接続端部と接続される部分の材質として、その熱膨張率が他の部分を構成するガラスに比べて接続端部の金属の熱膨張率に近いガラスが使用されている請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
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