(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光線を受け入れて熱エネルギーに変換する層状に形成された太陽光線熱変換装置であって、
一方の面側から前記太陽光線を受け入れる第１の層と、
この第１の層は、所定の波長より短い波長の光線を透過すると共に、前記所定の波長以上の光線を反射するものであり、
前記所定の波長は、１５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内の任意の波長に設定するものであり、
前記第１の層の前記太陽光線を受け入れる側と反対の側に設けられ、該第１の層を透過した光線を吸収して昇温する第２の層と、
この第２の層は、前記所定の波長より短い波長の光線を吸収し、それ以上の波長の光線を反射させるものであり、
前記第１の層と前記第２の層との間を流通すると共に、昇温した前記第２の層からの伝熱により加熱される熱媒体とを備えている
ことを特徴とする太陽光線熱変換装置。
【請求項２】
第１の層は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜とを交互に積層した多層膜である
ことを特徴とする請求項１記載の太陽光線熱変換装置。
【請求項３】
第２の層の太陽光線を受け入れる側と反対の側であって該第２の層とは間をあけて設けられ、前記第２の層からの熱放射を少なくともこの第２の層から放射される波長領域において反射する第３の層とを備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載の太陽光線熱変換装置。
【請求項４】
第２の層と第３の層との間は、真空空間であるか、または、前記第２の層からの熱放射を透過しかつ前記第２の層および前記第３の層よりも熱伝導率が低い断熱部材を介在させてあるか、の何れかである
ことを特徴とする請求項３記載の太陽光線熱変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光線を受け入れて熱エネルギーに変換する太陽光線熱変換装置に係り、特に、所定の波長より短い波長の光線を透過すると共に、所定の波長以上の光線を反射する第１の層と、この第１の層を透過した光線を吸収して昇温する第２の層と、第１の層と第２の層との間を流通する熱媒体とを備えさせ、昇温した第２の層からの伝熱により熱媒体を加熱して熱エネルギーに変換するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光線を利用して熱エネルギーに変換するものとして、太陽熱温水器などの技術が開示されている。この太陽熱温水器は、太陽熱により水を温めるものであり、受光した太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換して利用することが可能なもので、例えば特許文献１の図２に示したような太陽熱温水器などが開示されている。
【０００３】
このような太陽熱温水器は、ガラス管の内側に真空断熱層を介して集熱管を収容し、集熱管の内部に注水管を挿入してなる貯湯筒を複数本併設して構成されているものであり、真空断熱層を設けてある分、ガラス管と集熱管との間の熱伝導や対流による熱損失を防ぎ、高い効率で太陽光線を熱エネルギーに変換することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４９５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような太陽熱温水器にあっては、集熱管からの熱伝導および対流による熱損失は低減することができるものの、昇温した集熱管からガラス管を介しての熱放射については遮断することができず、この熱放射により熱損失が生じてしまう分、熱エネルギーの変換効率が低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、太陽光線を受け入れて熱エネルギーに変換する層状に形成された太陽光線熱変換装置であって、一方の面側から前記太陽光線を受け入れる第１の層と、この第１の層は、所定の波長より短い波長の光線を透過すると共に、前記所定の波長以上の光線を反射するものであり、前記所定の波長は、１５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内の任意の波長に設定するものであり、前記第１の層の前記太陽光線を受け入れる側と反対の側に設けられ、該第１の層を透過した光線を吸収して昇温する第２の層と、この第２の層は、前記所定の波長より短い波長の光線を吸収し、それ以上の波長の光線を反射させるものであり、前記第１の層と前記第２の層との間を流通すると共に、昇温した前記第２の層からの伝熱により加熱される熱媒体とを備えている太陽光線熱変換装置である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の太陽光線熱変換装置において、第１の層は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜とを交互に積層した多層膜であるものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の太陽光線熱変換装置において、第２の層の太陽光線を受け入れる側と反対の側であって該第２の層とは間をあけて設けられ、前記第２の層からの熱放射を少なくともこの第２の層から放射される波長領域において反射する第３の層とを備えているものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の太陽光線熱変換装置において、第２の層と第３の層との間は、真空空間であるか、または、前記第２の層からの熱放射を透過しかつ前記第２の層および前記第３の層よりも熱伝導率が低い断熱部材を介在させてあるか、の何れかであるものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の太陽光線熱変換装置によれば、一方の面側から太陽光線を受け入れる第１の層と、この第１の層は、所定の波長より短い波長の光線を透過すると共に、前記所定の波長以上の光線を反射するものであり、前記第１の層の前記太陽光線を受け入れる側と反対の側に設けられ、該第１の層を透過した光線を吸収して昇温する第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間を流通すると共に、昇温した前記第２の層からの伝熱により加熱される熱媒体とを備えているため、太陽光線の内、所定の波長より短い波長の光線を吸収して昇温した第２の層により熱媒体を加熱することができ、しかも、昇温した第２の層からの熱放射の内、第１の層側に放射される所定の波長以上のものを反射させて第２の層に回帰させることができ、該第２の層からの熱放射による熱損失を抑えて太陽光線を効率良く熱エネルギーに変換することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の太陽光線熱変換装置の効果に加え、第１の層は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜とを交互に積層した多層膜であるため、所定の波長より短い波長の太陽光線を透過させると共に、第２の層から放射される所定の波長以上の熱放射を効率良く反射させて第２の層に回帰させることができ、該第２の層からの熱放射による熱損失をより一層低減することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の太陽光線熱変換装置の効果に加え、第２の層の太陽光線を受け入れる側と反対の側であって該第２の層とは間をあけて設けられ、前記第２の層からの熱放射を少なくともこの第２の層４から放射される波長領域において反射する第３の層とを備えているため、昇温した第２の層からの熱放射の内、第３の層側に放射されるものを反射させて第２の層に回帰させることができ、該第２の層からの熱放射による熱損失をより一層低減することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の太陽光線熱変換装置の効果に加え、第２の層と第３の層との間は、真空空間であるか、または、前記第２の層からの熱放射を透過しかつ前記第２の層および前記第３の層よりも熱伝導率が低い断熱部材を介在させてあるか、の何れかであるため、第２の層から第３の層への伝熱にあって、熱放射以外の伝熱、すなわち、熱伝導および対流による伝熱を抑えることができ、第２の層からの熱損失をより一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る太陽光線熱変換装置を示した概略的断面図である。
【図２】図１の第１の層近傍を拡大して示した概略的断面図である。
【図３】黒体の波長λに対する放射強度曲線（最大値で規格化したもの）を示した概略図であり、放射温度をパラメータとしたものである。
【図４】図３の一部を拡大して示した概略図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る太陽光線熱変換装置を示した概略的断面図である。
【図６】図５の変形例を示した概略的断面図である。
【図７】図１、図２、図５および図６の第１の層の波長λに対する透過率および反射率を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の第１の実施例を、図１〜図４を参照して説明する。図１において、Ａは太陽光線熱変換装置を示しており、太陽光線熱変換装置Ａは、太陽光線を受け入れて熱エネルギーに変換するもので、概略的に、第１の層２と、第２の層４と、熱媒体３とにより構成されている。
【００１７】
第１の層２は、図１に示したように、一方の面側から太陽光線Ｙを受け入れ、所定の波長λ0より短い波長の光線を透過光Ｙ１として透過すると共に、所定の波長λ0以上の光線を反射光Ｙ２として反射するものであり、例えば図２に示したような多層膜２０により形成されている。なお、図１および後記する図５、図６において、実際には太陽光線Ｙを第１の層２に対して垂直に入射させるが、透過光Ｙ１と反射光Ｙ２との関係をより判りやすく説明するために、便宜上、太陽光線Ｙの入射を第１の層２に対して斜めに図示している。
【００１８】
ここで、多層膜２０（２）について詳述すると、この多層膜２０（２）は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜（図２において、ａ１、ａ２、・・・、ａｍは低屈折率薄膜を、ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｍは高屈折率薄膜をそれぞれ示している。）とが交互に積層されているもので、スパッタリング蒸着法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法などの公知の方法を用いて形成されているものである。
【００１９】
これら低屈折率薄膜ａ１、ａ２、・・・、ａｍおよび高屈折率薄膜ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｍを構成する薄膜材料としては、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化珪素（ＳｉＯ)、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3)、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭素（Ｃ）などが挙げられ、これらの中から相対的に高屈性率と低屈折率のものを選定し、それらを組み合わせて用いられる。
【００２０】
ここで、低屈折率薄膜ａ１、ａ２、・・・、ａｍおよび高屈折率薄膜ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｍの光学的膜厚は（２ｎ−１）ラλi／４（λiは反射させたい可視光線の設計中心波長、ｎは自然数）に設定されるが、より薄い膜厚で同じ反射効果を得るためにはλi／４（ｎ＝１）とするのが好ましい。
【００２１】
なお、図１、図２において１は構体であり、構体１は、第１の層２を上述したような多層膜２０としたときに該多層膜２０の基板となるもので、太陽光線Ｙが透過できるように、少なくとも近紫外線から中赤外線領域（太陽光線Ｙの多くを占める波長領域２００ｎｍ〜４μｍのもの）において光学的に透明な材料、具体的には、例えば耐熱ガラス、石英、サファイヤなどの材料で形成されている。
【００２２】
第２の層４は、第１の層２の太陽光線Ｙを受け入れる側と反対の側に設けられ、該第１の層２を透過した光線（透過光Ｙ１）（この透過光Ｙ１は、後記する熱媒体３を透過するものでもある）を吸収して昇温するものであり、所定の波長λ0より短い波長の光線を吸収するものであればよく、例えば、グラファイト（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの材料により形成することができるが、太陽光線Ｙを吸収しつつ第２の層４からの輻射を抑えるため、太陽光線Ｙのほとんどである所定の波長λ0より短い波長の光線（例えば、２００ｎｍ〜１７００ｎｍの光線）を吸収し、それ以上の波長の光線（例えば、２０００ｎｍ〜２００００ｎｍの光線）を反射させるものであるのが好ましい。
【００２３】
熱媒体３は、第１の層２と第２の層４との間を流通すると共に、透過光Ｙ１を吸収して昇温した第２の層４からの伝熱（主として熱伝導）により加熱されるものであり、蓄熱でき、かつ光学的に透過光Ｙ１を透過できる程度に透明であって流動性を有するものであれば何れの材料であってもよく、例えば、水、エチレングリコールなどが用いられる。
【００２４】
なお、この熱媒体３の流通は、図示していないポンプなどの流通手段により行われ、第２の層４による加熱により該熱媒体３が高温蒸気となる場合にあっては、例えばこの高温蒸気によりタービン発電機を駆動させたり、高温液体となる場合にあっては、例えば給湯や暖房などの熱源として利用したりすることができる。
【００２５】
次に、上述したように構成される第１の実施例に係る太陽光線熱変換装置Ａの作用効果について、図１〜図４を参照して説明する。まず、図１に示したように、太陽光線熱変換装置Ａに入射した太陽光線Ｙは、構体１を透過し、その一部は透過光Ｙ１として第１の層２を透過すると共に、残部は反射光Ｙ２として第１の層２により反射される。
【００２６】
ここで、第１の層２の作用について、図２を参照し、高屈折率薄膜ｂ１、ｂ２に挟まれた光学的膜厚がλi／４の低屈折率薄膜ａ１を例にとって説明すると、上側に位置する高屈折率薄膜ｂ１と下側に位置する低屈折率薄膜ａ１との界面ｃにあっては、反射する光線の位相が変わらないものの、上側に位置する低屈折率薄膜ａ１と下側に位置する高屈折率薄膜ｂ２との界面ｄにあっては、反射する光線の位相が反転し、かつ、太陽光線Ｙが第１の層２に垂直に入射する場合にあっては、界面ｃと界面ｄとにより反射する光線の光路差がλi／２（＝（λi／４）×２）だけ異なる分、界面ｃと界面ｄとで反射される光線が同位相となって強め合い、特定の波長λiの反射光Ｙ２を生じるものである。
【００２７】
したがって、異なった光学的膜厚の低屈折率薄膜ａ１、ａ２、・・・、ａｍおよび高屈折率薄膜ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｍを多段に積層することにより、特定の波長（所定の波長λ0）より短い波長の光線を透過光Ｙ１として透過させつつ、所定の波長λ0以上の光線を反射光Ｙ２として反射させることが可能となる。
【００２８】
なお、図７には、所定の波長λ0を約２０００μｍに設定し、低屈折率薄膜ａ１、ａ２、・・・、ａｍとして二酸化珪素（ＳｉＯ2）を、高屈折率薄膜ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｍとして五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を用いて形成した多層膜２０の波長λに対する反射率および透過率の特性を例示した。
【００２９】
そして、第１の層２を透過した透過光Ｙ１は、熱媒体３を透過して第２の層４に吸収されるもので、透過光Ｙ１の吸収により第２の層４は熱的に励起して昇温し、この昇温した第２の層４からは、熱媒体３への伝熱（主として熱伝導）が起こる共に熱放射（放射光）を生じる。そして、この放射光は、再度熱媒体３を透過し、第１の層２において、前述した反射光Ｙ２の生成と同じ作用により、所定の波長λ0以上のものについて反射が起こり、反射光Ｙ３として第２の層４に回帰する。
【００３０】
ところで、図３および図４は、黒体の波長λに対する放射強度曲線（最大値で規格化したもの）を示している。ここで、６０００Ｋの放射強度曲線は、太陽光線Ｙを近似したものである。また、１００℃および３００℃の放射強度曲線は、想定される第２の層４からの熱放射を例示したものであるが、実際の第２の層４からの放射強度曲線は、該第２の層４の輻射率や温度により異なるものであり、これらは第２の層４を構成する材料の比熱等の物性や表面状態、第２の層４から熱媒体３への伝熱速度、周囲温度などにより変化する。
【００３１】
なお、所定の波長λ0は、図４に示した範囲、すなわち、１５００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内の任意の波長に設定するのが好ましい。これは、図４に示したように、第１の層２において、高温で波長の短い光線を多く含む太陽光線Ｙを透過させつつ、太陽光線Ｙに比べて低い温度であって波長の長い光線を多く含む第２の層４からの放射光を反射させ、第２の層４からの熱放射による熱損失を抑えて太陽光線Ｙを効率良く熱エネルギーに変換するためである。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施例を、図５を参照して説明する。なお、第１の実施例と同一の部分については同一の符号を付して示し、その詳細な説明は省略する。本実施例にあっては、第１の実施例の太陽光線熱変換装置Ａの構成に加え、更に第３の層６を備えているものである。
【００３３】
この第３の層６は、図５に示したように、第２の層４の太陽光線Ｙを受け入れる側と反対の側であって該第２の層４とは間５をあけて設けられ、第２の層４からの熱放射を少なくともこの第２の層４から放射される波長領域において反射するものであり、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの金属の表面を研磨して平坦に加工したり、平坦な基板上にこれらの金属を公知の蒸着法により蒸着したりして形成されている。
【００３４】
次に、上述したように構成される第２の実施例に係る太陽光線熱変換装置Ａの作用効果について、図５を参照して説明する。なお、構体１、第１の層２、熱媒体３および第２の層４の構成に基づく太陽光線Ｙへの作用効果は、第１の実施例のものと同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
この例にあっては、第１の実施例と同様に、第１の層２を透過した透過光Ｙ１を吸収して第２の層４が昇温し、この昇温した第２の層４から熱放射（放射光）を生じるものである。
【００３６】
そして、この熱放射は、第２の層４側に向かうものと、第３の層６側に向かうものとに大別されるが、第２の層４からの熱放射の内、第３の層６側に向かうものについて着目すると、放射光は第３の層６により反射光Ｙ４として反射し、第２の層４に回帰するもので、第２の層４からの熱放射と第３の層６からの反射光Ｙ４の回帰とが繰り返され、結果的に放射光が封じ込められて熱放射による熱損失をより一層低減することができる。
【００３７】
ところで、上述して例において、間５は、例えば空気で満たされていてもよいが、第２の層４と第３の層６との間５は、真空空間であるか、または、図６に示したように、第２の層４からの熱放射（放射光）を透過しかつ第２の層４および第３の層６よりも熱伝導率が低い断熱部材５’（例えば、耐熱ガラス、石英、サファイヤなど）を介在させてあるか、の何れかにより構成するのが好ましい。これは、第２の層４から第３の層６への伝熱にあって、熱放射以外の伝熱、すなわち、熱伝導および対流による伝熱を抑えることができ、第２の層４からの熱損失をより一層低減することができからである。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ      太陽光線熱変換装置
Ｙ      太陽光線
２      第１の層
３      熱媒体
４      第２の層
５      間
６      第３の層
【図１】
0005421665.tif 000002
【図２】
0005421665.tif 000003
【図３】
0005421665.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005421665.tif 000008