WO2015068603A1 - 太陽熱集熱管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　フランジ６は、熱媒体流通管３の外径よりも大きな直径の穴１１を有する円環状部分１２と、円環状部分１２の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分１３とを備えている。筒状部分１３は、一方の端部１３ａが穴１１に沿って円環状部分１２に接続され、他端である先端部分１３ｂに向かって内径が低下する形状を有している。筒状部分１３の先端部分１３ｂが熱媒体流通管３の外表面に接触する接触部分１４が構成され、接触部分１４に沿ってレーザー溶接が施されることにより、フランジ６と熱媒体流通管３とが固定されている。

Description

太陽熱集熱管及びその製造方法

　この発明は、太陽熱集熱管及びその製造方法に係り、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置に用いられる太陽熱集熱管及びその製造方法に関する。

　放物面を有する集光手段を用いて太陽光を太陽熱集熱管に集光し、太陽熱集熱管の内管を流通する熱媒体を加熱するトラフ式の太陽熱集熱装置が知られている。この太陽熱集熱装置に用いられる太陽熱集熱管は、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくするために、内管と外管とからなる二重管構造とし、内管と外管との間を真空状態にすることで断熱している。

　このような従来の太陽熱集熱管が特許文献１に記載されている。この太陽熱集熱管の構成を図７に示す。太陽熱集熱管１００には、連結部材１１０が設けられている。連結部材１１０はベローズ１０１を備え、ベローズ１０１の一端は、外管１０２の一端に接続され、ベローズ１０１の他端は、内管１０３の外径よりも大きな直径の穴１０４を有する円環状のフランジ１０５に接続されている。穴１０４には、内管１０３が挿入されている。フランジ１０５は、穴１０４内において一端がフランジ１０５に接続されたリテンションリング１０６の他端が内管１０３の外表面に溶接されることにより（符号１０７は溶接部）、内管１０３に対して固定されている。

　しかし、フランジ１０５と内管１０３との間の隙間の大きさが、その円周方向における位置によって異なると、溶接強度のバラツキや低下、あるいは溶接不良に基づく穴あきの原因となる。そのため、フランジ１０５と内管１０３との同軸精度が非常に重要である。

　太陽熱集熱管の分野における技術ではないが、特許文献２には、同軸精度を向上させたフランジ付きパイプが記載されている。このフランジ付きパイプは、切り欠き部を有するスペーサをパイプとフランジとの間に挿入し、これらを溶接固定することにより構成されている。これらを溶接する溶接部は、スペーサ及びパイプの端面における両者の境界に沿って位置している。

米国特許第６７０５３１１号明細書 特開平１０－１６６１７６号公報

　しかしながら、特許文献２に記載されたフランジ付きパイプは、スペーサ及びパイプの端面における両者の境界に沿って溶接が行われるので、この技術を特許文献１に記載の太陽熱集熱管に適用すると、図７に示されるような、内管１０３がフランジ１０５よりも突出する構成が得られなくなってしまう。この突出した部分は、複数の太陽熱集熱管１００を直列に組み付ける際に必要な部分であるため、この部分がないと、複数の太陽熱集熱管１００を直列に組み付けることができなくなるといった問題点があった。また、特許文献２では、スペーサが必要となるため、部品点数が増加するといった問題点もあった。

　この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、フランジと内管との溶接部分の溶接強度のバラツキを低減させた太陽熱集熱管及びその製造方法を提供することを目的とする。

　この発明に係る太陽熱集熱管は、外管と、内管と、外管の端部に配置される熱膨張差吸収手段と、熱膨張差吸収手段と内管とを接続するフランジとを備え、フランジは、熱膨張差吸収手段に接続されるとともに内管の外径よりも大きな直径の穴を有する円環状部分を含むフランジ本体部と、円環状部分の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分であって、筒状部分の一端がフランジ本体部に接続されると共に筒状部分の内径が一端から筒状部分の他端に向かって減少する筒状部分とを備え、内管が筒状部分に圧入されて、筒状部分の少なくとも一部が内管と接触する接触部分を構成し、接触部分において筒状部分が溶接により内管に固定されている。

　この発明に係る太陽熱集熱管を製造する方法は、太陽熱集熱管が、外管と、内管と、外管の端部に配置される熱膨張差吸収手段と、熱膨張差吸収手段と内管とを接続するフランジとを備え、熱膨張差吸収手段に接続されるとともに内管の外径よりも大きな直径の穴を有する円環状部分を含むフランジ本体部と、円環状部分の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分であって、筒状部分の一端がフランジ本体部に接続されると共に筒状部分の内径が一端から筒状部分の他端に向かって減少する筒状部分とを備えるフランジを準備するステップと、内管を筒状部分に圧入するステップと、筒状部分の少なくとも一部が内管と接触する接触部分を構成し、接触部分において筒状部分を溶接により内管に固定するステップとを含む。

　この発明によれば、内管を筒状部分に圧入することで、筒状部分の少なくとも一部が内管と接触する接触部分を構成し、この接触部分において筒状部分を内管に溶接することにより、溶接の溶け込み深さが接触部分に沿って一定となるので、溶接強度のバラツキを低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る太陽熱集熱管の一方の端部付近の部分断面図である。 実施の形態１に係る太陽熱集熱管のフランジを製造する方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る太陽熱集熱管を製造する方法において、フランジを熱媒体流通管に取り付けて溶接する工程を説明するための図である。 実施の形態２に係る太陽熱集熱管の一方の端部付近の部分断面図である。 実施の形態２に係る太陽熱集熱管のフランジを製造する方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る太陽熱集熱管のフランジの変形例の断面図である。 従来の太陽熱集熱管の一方の端部付近の部分断面図である。

　以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
　図１に示されるように、太陽熱集熱管１は、外管であるガラス管２と、内管である熱媒体流通管３とを備えた二重管構造を有している。また、太陽熱集熱管１は、ガラス管２の両端に配置される熱膨張差吸収手段であるベローズ４（図１には、一方のベローズのみが図示されている）と、ベローズ４を介してガラス管２を熱媒体流通管３と接続して両者の間に密閉空間５を形成するフランジ６とを備えている。

　ガラス管２の材質としては、特に限定されず、透明な耐熱ガラスを一般に用いることができる。透明な耐熱ガラス製のガラス管としては、例えば、ホウケイ酸ガラス管等が挙げられる。

　熱媒体流通管３の材質としては、特に限定されず、一般に、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。これらの中でも、使用環境（例えば、太陽熱集熱管１の加熱温度）を考慮すると、ステンレス鋼製や耐熱鋼製のものを用いることが好ましい。

　ベローズ４は、ガラス管２と熱媒体流通管３との間の熱膨張の差を吸収するために設けられる。ベローズ４は、一端がガラス管２に接続され、他端がフランジ６に接続されている。ベローズ４とガラス管２及びフランジ６との接続方法は、特に限定されず、例えば、溶接、半田付け、ロウ付け等の公知の接合方法を用いることができる。また、ガラス管２とベローズ４との接続にはハウスキーパー構造を用いてもよい。

　ベローズ４の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。また、ベローズ４の一部、例えば、少なくともガラス管２に接続する端部に、線膨張係数がガラス管２に近い別部材（例えば、コバール等）を用いてもよい。

　フランジ６は、熱媒体流通管３の外径よりも大きな直径の穴１１を有するフランジ本体部である円環状部分１２と、円環状部分１２の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分１３とを備えている。筒状部分１３は、一方の端部１３ａが穴１１に沿って円環状部分１２に接続され、他端である先端部分１３ｂに向かって内径が低下する形状を有している。このような筒状部分１３の形状により、筒状部分１３の先端部分１３ｂが熱媒体流通管３の外表面に接触する接触部分１４が構成されている。接触部分１４に沿ってレーザー溶接が施されることにより、フランジ６と熱媒体流通管３とが固定されている。フランジ６は、ベローズ４を介してガラス管２に対しても固定されているので、フランジ６は、ベローズ４を介して、ガラス管２と熱媒体流通管３とを接続している。

　接触部分１４において、先端部分１３ｂは全周にわたって熱媒体流通管３の外表面に接触している。このため、レーザー溶接の溶け込み深さが接触部分１４に沿って一定となる。その結果、接触部分１４の全周にわたって、溶接強度のバラツキが低減される。

　次に、この実施の形態１に係る太陽熱集熱管を製造する方法について説明する。
　まず、フランジ６を製造する方法について説明する。図２（ａ）に示されるように、円錐台形状の成形穴２２が設けられたダイ２１を準備する。成形穴２２は、下方に向かって直径が低下するようになっている。また、ダイ２１の上方に、円錐台形状の押圧部２４を有するパンチ２３を準備する。押圧部２４は、成形穴２２に挿入可能で、成形穴２２の内周面との間にわずかな隙間が構成される程度の外径を有している。フランジ６（図１参照）が形成される板状の母材２５を、成形穴２２を塞ぐようにしてダイ２１の上面に載置し、成形穴２２の周囲で、円環状の固定部材２６とダイ２１とによって母材２５を固定する。

　図２（ｂ）に示されるように、パンチ２３をダイ２１に向かって移動させ、押圧部２４で母材２５の一部を下方に押しながら、押圧部２４を成形穴２２内に押し込んでいく。すると、母材２５の一部が押圧部２４とともに成形穴２２内に引きずり込まれて、成形穴２２の内周面と押圧部２４の外周面との間に円錐台形状の部分が形成される。図２（ｃ）に示されるように、この円錐台形状の部分は、母材２５の一部が引き伸ばされて構成されたものであるので、母材２５の他の部分よりも厚さが薄くなっている。その後、この円錐台形状の部分の底を切断して穴を開け、トリミング等を行うことにより、図２（ｄ）に示されるように、円環状部分１２と、円環状部分１２よりも厚さの薄い筒状部分１３とを有するフランジ６が形成される。

　次に、フランジ６を太陽熱集熱管１に取り付ける方法について説明する。
　図３に示されるように、フランジ６を取り付ける前、すなわち、フランジ６の円環状部分１２に形成された穴１１内に熱媒体流通管３を挿入する前の状態では、穴１１の直径は熱媒体流通管３の外径よりも大きいが、筒状部分１３の先端部分１３ｂに開口する先端穴１５の直径は熱媒体流通管３の外径よりも小さい。この状態で、熱媒体流通管３を穴１１及び筒状部分１３に挿入すると、熱媒体流通管３の端部が筒状部分１３の内周面に当接してしまう。

　しかし、筒状部分１３は、円環状部分１２よりも厚さが薄いので、若干ではあるが弾性があり変形可能である。熱媒体流通管３の端部が筒状部分１３の内周面に当接した状態から、熱媒体流通管３を筒状部分１３の先端部分１３ｂに向かってさらに押しこむ、すなわち圧入すると、筒状部分１３がその内径を大きくするように変形し、熱媒体流通管３の端部が筒状部分１３の先端部分１３ｂから突出した状態で、フランジ６が熱媒体流通管３に取り付けられる。

　この状態では、筒状部分１３の先端部分１３ｂが全周にわたって熱媒体流通管３の外表面と接触する接触部分１４が構成されている。この後、接触部分１４に沿ってレーザー溶接を行うが、筒状部分１３の弾性力によってフランジ６が熱媒体流通管３に仮固定された状態で取り付けられているので、レーザー溶接中にフランジ６が動いてしまうことがなく、レーザー溶接がしやすくなる。

　この後、一端がガラス管２に固定されたベローズ４の他端をフランジ６の円環状部分１２に接続、例えばレーザー溶接することにより、フランジ６が、ベローズ４を介して、ガラス管２と熱媒体流通管３とを接続することになる。尚、一端がガラス管２に固定されたベローズ４の他端を円環状部分１２に接続した後に、フランジ６を熱媒体流通管３に取り付けて接触部分１４に沿ってレーザー溶接を行ってもよい。

　このように、熱媒体流通管３を筒状部分１３に圧入することで、筒状部分１３が熱媒体流通管３と接触する接触部分１４を構成し、この接触部分１４において筒状部分１３を熱媒体流通管３に溶接することにより、溶接の溶け込み深さが接触部分１４に沿って一定となるので、溶接強度のバラツキを低減することができる。

実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係る太陽熱集熱管について説明する。尚、実施の形態２において、図１～３の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
　この発明の実施の形態２に係る太陽熱集熱管は、実施の形態１に対して、フランジの形状を変更したものである。

　図４に示すように、実施の形態２に係る太陽熱集熱管３０には、フランジ本体部７０及び筒状部分１３を有するフランジ３６が設けられている。フランジ本体部７０は、円環状部分１２及び円弧状に湾曲した湾曲部４０を有している。湾曲部４０は、円環状部分１２と筒状部分１３との間に設けられ、筒状部分１３の位置を太陽熱集熱管３０の長さ方向にずらす偏向手段である。筒状部分１３と湾曲部４０との接続部分には、穴１１が構成されている。湾曲部４０と筒状部分１３との接続部分が円環状部分１２に対してベローズ４側にずれているので、筒状部分１３の先端部分１３ｂは、円環状部分１２と同一平面状に位置している。すなわち、先端部分１３ｂが、円環状部分１２に対してベローズ４とは反対側に突出していない。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

　太陽熱集熱管３０においても、フランジ３６に、実施の形態１と同じ筒状部分１３が設けられているので、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。一方、太陽熱集熱管３０では、筒状部分１３の先端部分１３ｂが、円環状部分１２に対してベローズ４とは反対側に突出しない構成となっている。フランジ３６に対してガラス管２と反対側に突出する熱媒体流通管３の部分は、複数の太陽熱集熱管３０を直列に接続するために、所定の長さが必要である。しかし、実施の形態１のように、筒状部分１３が円環状部分１２に対してガラス管２と反対側に突出していると、筒状部分１３の部分はデッドスペースとなるので、前記所定の長さを確保しようとすると、フランジ６に対してガラス管２と反対側に突出する熱媒体流通管３の部分をより長くしなければならなくなる。そうすると、太陽光が有効に照射される範囲（ガラス管２の長さに相当）が小さくなり、集熱効率が低下してしまう。これに対して、実施の形態２に係る太陽熱集熱管３０では、前記デッドスペースが存在しないので、太陽光が有効に照射される範囲を低下することなく、複数の太陽熱集熱管３０を直列に接続するための部分を確保することができる。

　次に、この実施の形態２に係る太陽熱集熱管を製造する方法について説明する。
　まず、フランジ３６を製造する方法について説明する。図５（ａ）に示されるように、上面に円環形状の溝部４２が形成された下型４１を準備する。溝部４２の断面は半円形状である。また、下型４１の上方に、上型４５を準備する。上型４５の下面には、溝部４２内に嵌り込むことのできる円環形状の畝部４６が形成されている。

　フランジ３６（図４参照）が形成される板状の母材２５を下型４１の上面に載置した後、上型４５を下型４１向かって移動させ、図５（ｂ）に示されるように、母材２５を下型４１と上型４５との間に挟み込んでプレスを行う。すると、溝部４２を塞ぐ母材２５の一部が畝部４６とともに溝部４２内に引きずり込まれて、溝部４２と畝部４６との間に、溝部４２の断面形状である半円形状の断面を有した円環状の突出部５０が形成される。

　次に、図５（ｃ）に示されるように、実施の形態１に係る太陽熱集熱管を製造する方法で用いたダイ２１及びパンチ２３を準備する。ダイ２１の上面に、突出部５０が形成された母材２５を、突出部５０が上方を向くように載置する。この際、突出部５０の内側に位置する円形状の平坦な円形部分５１の中心と成形穴２２の中心とが鉛直方向に一致するように母材２５を載置する。この状態で、実施の形態１と同様にして、パンチ２３をダイ２１に向かって移動させ、図５（ｄ）に示されるように、押圧部２４で突出部５０の一部及び円形部分５１を下方に押しながら、押圧部２４を成形穴２２内に押し込んでいく。これにより、円環状部分１２と接続する突出部５０の一端とは反対側の端部側に、円錐形状の部分が形成される。その後、突出部５０が位置している側とは反対側の母材２５の表面に沿ってこの円錐形状の部分を切断し、トリミング等を行うことにより、図５（ｅ）に示されるように、円環状部分１２と、筒状部分１３と、これらの間に設けられた湾曲部４０とを有するフランジ３６が形成される。突出部５０が位置している側とは反対側の母材２５の表面に沿ってこの円錐形状の部分を切断するので、筒状部分１３の先端部分１３ｂは、円環状部分１２と同一面上に位置するようになる。

　次に、このフランジ３６を太陽熱集熱管３０（図４参照）に取り付けるが、実施の形態１と同様に、熱媒体流通管３を穴１１及び筒状部分１３に挿入すると、熱媒体流通管３の端部が筒状部分１３の内周面に当接する。そこで、熱媒体流通管３を筒状部分１３の先端部分１３ｂに向かって圧入することで、筒状部分１３がその内径を大きくするように変形し、熱媒体流通管３の端部が筒状部分１３の先端部分１３ｂから突出した状態で、フランジ６が熱媒体流通管３に取り付けられる。その後の動作は、実施の形態１と同様である。実施の形態２でも、筒状部分１３の弾性力によってフランジ３６が熱媒体流通管３に仮固定された状態で取り付けられるので、レーザー溶接がしやすくなる。

　実施の形態２では、筒状部分１３の先端部分１３ｂが、円環状部分１２と同一平面状に位置していたが、この形態に限定するものではない。先端部分１３ｂが、円環状部分１２に対してベローズ４とは反対側に突出していなければいいので、先端部分１３ｂが、円環状部分１２に対してベローズ４側に位置してもよい。また、円環状部分１２は、偏向手段として円弧状に湾曲した湾曲部４０を有していたが、円弧状に湾曲した形状に限定するものではない。筒状部分１３の位置をずらすことができればよいので、一か所または複数個所で折れ曲がった形態の屈曲部等であってもよい。

　実施の形態１及び２では、フランジ６及び３６の成形時に、筒状部分１３の厚さが円環状部分１２の厚さよりも薄くなるようにしていたが、この形態に限定するものではない。例えば図６に示されるように、円環状部分１２と筒状部分１３とを有するように成形加工後、円環状部分１２の表面に円環状の補強部材６０を固定して、円環状部分１２と補強部材６０との合計の厚さを筒状部分１３の厚さよりも大きくしてもよい。補強部材６０は、円環状部分１２のどちらの表面に固定してもよく、また、両方の表面に固定してもよい。また、図示しないが、円環状部分１２と筒状部分１３と湾曲部４０（図４参照）とを有するように成形加工をして、円環状部分１２のどちらかの表面または両方の表面に補強部材６０を固定してもよい。この場合、円環状部分１２及び補強部材６０がフランジ本体部を構成する。

　実施の形態１及び２では、熱膨張差吸収手段としてベローズ４を用いているが、これに限定するものではない。当該技術分野において公知のもの、例えばダイアフラム等を用いてもよい。

　実施の形態１及び２では、溶接としてレーザー溶接を行っているが、これに限定するものではなく、公知の様々な溶接を用いることもできる。ただし、レーザー溶接は加工速度が速いので、レーザー溶接を行うことで、太陽熱集熱管１，３０の生産性を向上することができる。特に、熱膨張差吸収手段としてベローズ４を用いる場合、ベローズ４が薄い部材であることから、ベローズ４とフランジ６，３６との接続を溶接で行う場合には、レーザー溶接が最も適切となる。この場合、筒状部分１３と熱媒体流通管３の外表面との接触部分１４の溶接もレーザー溶接で行うことで、製造作業がさらに効率的になる。

Claims (5)

1. 　外管と、
   　内管と、
   　前記外管の端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
   　前記熱膨張差吸収手段と前記内管とを接続するフランジと
   を備え、
   　該フランジは、
   　前記熱膨張差吸収手段に接続されるとともに前記内管の外径よりも大きな直径の穴を有する円環状部分を含むフランジ本体部と、
   　前記円環状部分の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分であって、前記筒状部分の一端が前記フランジ本体部に接続されると共に前記筒状部分の内径が前記一端から前記筒状部分の他端に向かって減少する筒状部分と
   を備え、
   　前記内管が前記筒状部分に圧入されて、前記筒状部分の少なくとも一部が前記内管と接触する接触部分を構成し、該接触部分において前記筒状部分が溶接により前記内管に固定されている太陽熱集熱管。
2. 　前記筒状部分の前記他端は、前記円環状部分と同一面上に位置するか、または、前記円環状部分に対して前記熱膨張差吸収手段側に位置する、請求項１に記載の太陽熱集熱管。
3. 　前記溶接はレーザー溶接である、請求項１または２に記載の太陽熱集熱管。
4. 　外管と、
   　内管と、
   　前記外管の端部に配置される熱膨張差吸収手段と、
   　前記熱膨張差吸収手段と前記内管とを接続するフランジと
   を備えた太陽熱集熱管を製造する方法であって、
   　前記熱膨張差吸収手段に接続されるとともに前記内管の外径よりも大きな直径の穴を有する円環状部分を含むフランジ本体部と、前記円環状部分の厚さよりも薄い厚さを有する筒状部分であって、前記筒状部分の一端が前記フランジ本体部に接続されると共に前記筒状部分の内径が前記一端から前記筒状部分の他端に向かって減少する筒状部分とを備える前記フランジを準備するステップと、
   　前記内管を前記筒状部分に圧入するステップと、
   　前記筒状部分の少なくとも一部が前記内管と接触する接触部分を構成し、該接触部分において前記筒状部分を溶接により前記内管に固定するステップと
   を含む方法。
5. 　前記溶接はレーザー溶接である、請求項４に記載の方法。

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