(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、
前記各集熱管の真空断熱層に接続された配管と、
前記各集熱管の真空断熱層に前記配管を介して接続された真空タンクと、
前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記配管のそれぞれに設けられ、前記配管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該配管の空気の流通を遮断する防止弁と、
を備えた太陽熱収集装置。
【請求項２】
前記真空タンクは、タンク内の空気を排除する真空ポンプと、前記真空タンク内の圧力が予め定めた上限値以上に上昇したときに前記真空ポンプを作動させる真空度維持手段と、を備えた請求項１に記載の太陽熱収集装置。
【請求項３】
それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、
前記各集熱管の真空断熱層にそれぞれ接続された枝管と、
前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管を介して接続された共通の配管と、
前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管と前記共通の配管とを介して接続された真空タンクと、
前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記枝管のそれぞれに設けられ、前記枝管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該枝管に接続された前記真空断熱層と前記共通の配管との接続を遮断する防止弁と、
を備えた太陽熱収集装置。
【請求項４】
それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、
前記各集熱管の真空断熱層にそれぞれ接続された枝管と、
前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管を介して接続された共通の配管と、
前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管と前記共通の配管とを介して接続された真空タンクと、
前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記枝管のそれぞれに設けられ、前記枝管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該枝管の空気の流通を遮断する防止弁と、
を備えた太陽熱収集装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽熱収集装置に関し、特に真空断熱層を有する太陽熱収集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱媒を収容した吸熱管の周囲を、太陽光を透過する外管で覆い、吸熱管（内管）と外管との間の空隙部内の空気を排除して真空断熱層を形成した太陽熱収集装置が一般に知られている。このような真空断熱層を有する太陽熱収集装置では、太陽熱を受けて高温になった熱媒から、吸熱管外壁を介して伝導や対流により熱が外気に放散することが防止されるため、効率的に太陽熱を収集することが可能となる。
【０００３】
この種の太陽熱収集装置の例としては、例えば特公昭６３−５５６１８号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、太陽熱を収集する集熱管と貯湯槽内に配置された熱交換器との間に熱媒を循環させる熱媒循環回路を備え、集熱管で高温になった熱媒により熱交換器を介して間接的に貯湯槽内の水を加熱する構成とされている。また、上記集熱管は、熱媒が循環する吸熱管（内管）の周囲をガラス製の外管で覆い、内管と外管との間の空隙部内の空気を排除して真空断熱層を形成している。
【０００４】
従来、上記のような真空断熱層を有する太陽熱収集装置では、予め工場内で集熱管内の空隙部を真空にして密封したものを現地に搬入し、組み立て施工を行っていた。しかし、このような密封型の集熱管は、コストが高く、しかも現地での工事が複雑になる問題がある。また、密封型の集熱管は接続部から洩れる空気や内部に吸着されていたガスの放出等により、時間が経過すると内部の真空度が低下するため、断熱効果が低下する問題がある。
【０００５】
上記公報の装置では、上記問題を解決するために熱媒循環回路にエジェクタを配置して常時循環する熱媒により真空断熱層内の空気やガスを排除するようにしている。これにより、現地で真空断熱層を形成することが可能となり、しかも常時真空断熱層の排気を行うことが可能となるため、真空断熱層の真空度を常に高く維持することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特公昭６３−５５６１８号公報の装置は熱媒を作動流体とするエジェクタを用いて排気を行うため、必要な真空度を達成するためには常時比較的多量の熱媒を循環させる必要がある。上記公報の装置のように、熱交換器を介して熱媒により貯湯槽内の湯を間接的に加熱する間接加熱型の装置では、常時多量の熱媒を循環させることが可能であるため、エジェクタを用いて真空断熱層の真空度を維持することができる。しかし、集熱管で直接加熱した湯を各所に供給する直接加熱型の装置では、給湯量が一定せず、しかも給湯量自体がそれ程多くないため、上記公報の構成を採用した場合には真空断熱層の真空度を十分に高く維持できない問題が生じる。
【０００７】
一方、エジェクタの代わりに、例えば電動式の真空ポンプを用いて真空断熱層の排気を行うことも可能であるが、この場合には常時真空ポンプを運転すると装置運転コストの上昇や真空ポンプの寿命低下等の問題が生じる。
また、上記公報の装置のように常時真空断熱層内の排気を行う装置では、複数の集熱管を配管を介して１つのエジェクタに接続し、同時に排気を行うような場合には、例えば１つの集熱管が破損して大量の空気が流入したような場合には、配管を通じて空気が他の集熱管にも流入してしまい、全部の集熱管の真空断熱層の真空度が低下してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み、エジェクタや真空ポンプを常時運転することなく常に真空断熱層の真空度を高く維持することが可能な太陽熱収集装置を提供することを目的としている。また、本発明は、更に、複数の集熱管の真空断熱層を同時に排気するような場合に、１部の集熱管における真空の破壊が他の集熱管の真空度の低下を生じることのない太陽熱収集装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、前記各集熱管の真空断熱層に接続された配管と、前記各集熱管の真空断熱層に前記配管を介して接続された真空タンクと、前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記配管のそれぞれに設けられ、前記配管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該配管の空気の流通を遮断する防止弁と、を備えた太陽熱収集装置が提供される。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、前記真空タンクは、タンク内の空気を排除する真空ポンプと、前記真空タンク内の圧力が予め定めた上限値以上に上昇したときに前記真空ポンプを作動させる真空度維持手段と、を備えた請求項１に記載の太陽熱収集装置が提供される。
請求項３に記載の発明によれば、それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、前記各集熱管の真空断熱層にそれぞれ接続された枝管と、前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管を介して接続された共通の配管と、前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管と前記共通の配管とを介して接続された真空タンクと、前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記枝管のそれぞれに設けられ、前記枝管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該枝管に接続された前記真空断熱層と前記共通の配管との接続を遮断する防止弁と、を備えた太陽熱収集装置が提供される。
請求項４に記載の発明によれば、それぞれが太陽光を透過する外管と内部に熱媒を収容した内管と前記外管と内管との間に形成された真空断熱層とから成る複数組の集熱管と、前記各集熱管の真空断熱層にそれぞれ接続された枝管と、前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管を介して接続された共通の配管と、前記各集熱管の真空断熱層に前記各枝管と前記共通の配管とを介して接続された真空タンクと、前記各集熱管の真空断熱層に接続された前記枝管のそれぞれに設けられ、前記枝管を流通する空気流量が所定値以上になったとき当該枝管の空気の流通を遮断する防止弁と、を備えた太陽熱収集装置が提供される。
【００１５】
請求項１の発明では、集熱管が複数配置され、各集熱管の真空断熱層が配管を経由して真空タンクに接続される。また、本発明では、各集熱管の真空断熱層と真空タンクとの間には防止弁が設けられており、真空断熱層から真空タンクに流入する空気流量が所定値以上になった場合に真空断熱層と真空タンクとを遮断するようになっている。これにより、例えば集熱管の破損等により１つの集熱管の真空断熱層に大量の空気が流入したような場合でも、流入した空気が配管を経由して他の集熱管の真空断熱層や真空タンクに流入することが防止される。このため、本発明では、１つの集熱管の真空の破壊により、全体の系の真空度が低下することが防止される。
【００１６】
請求項２の発明では、請求項１の真空タンクは、タンク内の真空度が低下したときに自動的に作動してタンク内の真空度を回復する真空ポンプを備えている。これにより、常に系内の真空度が高く維持されるとともに、運転コストの上昇や真空ポンプの寿命低下が防止される。
請求項３及び請求項４の発明では、請求項１の発明と同様集熱管が複数配置され、各集熱管の真空断熱層は共通の配管を経由して真空タンクに接続される。また、本発明では、各集熱管の真空断熱層と共通配管との間には防止弁が設けられており、真空断熱層から共通配管に流入する空気流量が所定値以上になった場合に真空断熱層と共通配管とを遮断するようになっている。これにより、請求項１の発明と同様に、１つの集熱管の真空の破壊により、全体の系の真空度が低下することが防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の太陽熱収集装置の一実施形態の概略構成を示す図である。
図１において、参照符号１は集熱管を示す。集熱管１は、太陽光を透過する例えばガラス製の外管１ａと吸熱管（内管）１ｂとを有する。また、内管１ｂには給水管３ａと給湯管３ｂが接続されており、給水管３ａから供給された水道水等の熱媒が内管１ｂを通過する際に太陽熱により加熱され、給湯管３ｂから流出する。集熱管１の、外管１ａと内管１ｂとの間の環状空隙からなる真空断熱層１ｃには真空配管５を介して真空タンク７に接続されている。
【００１８】
また、真空タンク７には、真空ポンプ９と圧力スイッチ１１とが接続されている。本実施形態では、真空ポンプ９は後述するように比較的排気容量の小さいものが使用でき、１０-5Ｔｏｒｒ程度の到達真空度のものが使用される。また、圧力スイッチ１１は、真空ポンプ９の電源に接続され、真空タンク７内の圧力に応じて真空ポンプ９の発停を行う。本実施形態では、圧力スイッチ１１は例えば真空タンク７の真空度が低下して（圧力が上昇して）１０-3Ｔｏｒｒ程度になると真空ポンプ９を作動させ、真空度が１０-5Ｔｏｒｒ程度まで回復すると真空ポンプ９を停止させる。
【００１９】
本実施形態では、集熱管１の内部は工場出荷時には真空にせず大気圧のままで出荷する。そして、現地では、集熱管１と真空タンク７とを含む系全体の圧力は大気圧のままで組み立て工事を行う。このため、現地での装置の組み立てが容易に行われ、組み立て工数が低減される。組み立てが完了すると、系全体の気密確認後、真空ポンプ９を作動させ、集熱管１、配管５、真空タンク７を含めた系全体の排気を行う。この状態では、排気に要する時間の制限はないため、真空ポンプ９は大きな排気容量のものである必要はなく、比較的長い時間をかけて系内の排気を行う。
【００２０】
系内の排気が完了し、系内真空度が１０-5Ｔｏｒｒ程度になると真空ポンプ９は圧力スイッチ１１に接続され、工事が完了する。一般に真空断熱層１ｃは圧力が１０-3Ｔｏｒｒ以下の場合に大きな断熱効果を発揮する。しかし、集熱管１の各接続部から真空断熱層１ｃ内に侵入する空気や、外管１ａや内管１ｂの壁面に吸着されていた気体分子が圧力低下とともに真空断熱層１ｃ内に放出されるようになるため、系内圧力は徐々に上昇するようになる。本実施形態では、比較的大容量の真空タンク７を設けているため、集熱管１を密封構造とした場合に較べてはるかに系内の圧力上昇速度は遅く、長期間の運転後も十分な真空度を維持することができる。
【００２１】
また、長期間の運転後系内圧力が徐々に上昇して、例えば１０-3Ｔｏｒｒ程度まで真空度が低下すると、圧力スイッチ１１により真空ポンプ９の運転が開始され、１０-5Ｔｏｒｒ程度の真空度が回復するまで真空ポンプ９の運転が継続される。前述したように、本実施形態では真空タンク７を設けたため系内の圧力上昇は極めて緩慢であり、このように真空ポンプ９が作動するのは、数週間から数カ月に１度程度、また作動時の運転時間も数時間程度である。このため、真空ポンプ９の作動頻度が極めて少なくなり、運転コストの上昇やポンプ寿命の低下が防止される。
【００２２】
なお、本実施形態では、真空タンク７に常時真空ポンプ９を接続し、圧力スイッチ１１により真空ポンプを自動発停させているが、上述のように真空ポンプ９の作動頻度は極めて少ないため必ずしも常時真空ポンプ９を真空タンク７に接続する必要はない。例えば、真空ポンプ９用の接続口を真空タンク７に設け、圧力スイッチ１１の代わりにタンク７に真空計を設置し定期的にタンク７内の真空度を人間がチェックするようにしてもよい。この場合、真空度が低下した場合には可搬式の真空ポンプをタンクに接続して系内の排気を行って真空度を回復するようにすれば良い。
【００２３】
次に、図２を用いて本発明の別の実施形態について説明する。図２は、本実施形態の装置概略構成を示す図である。図２において、図１と同じ参照符号は図１のものと同一の要素を示している。本実施形態では、図２に示すように複数の集熱管１（図２では４つ）が設けられており、それぞれの集熱管１の真空断熱層１ｃは、枝管５ａを介して共通の真空配管５に接続されている。また、本実施形態では、枝管５ａと各集熱管１の真空断熱層１ｃとの接続部には後述する防止弁２０が配置されている点が図１の実施形態と相違している。
【００２４】
本実施形態では、１つの真空タンク７を用いて複数の集熱管１の真空断熱層の真空度を維持する。この場合、装置の組み立て方法、排気方法及び真空タンク７、真空ポンプ９、圧力スイッチ１１の作用は図１の実施形態で説明したものと同様になる。しかし、本実施形態のように、複数の集熱管を１つの真空タンクに接続する構成を採用した場合には問題が生じる可能性がある。すなわち、このような構成では、１つの集熱管が破損して真空断熱層部分に空気が侵入したような場合には侵入した空気が真空配管５やタンク７を介して他の集熱管の真空断熱層に流入することになり、１つの集熱管で真空が破壊されると全部の集熱管の真空度が低下してしまう問題が生じるのである。しかも、通常の排気による空気の流れ方向（集熱管から真空タンク）と集熱管の破損等により侵入する空気の流れ方向は同一であるため、通常の逆止弁等では系内への空気の侵入を防止することはできない。
【００２５】
そこで、本実施形態では各集熱管１と枝管５ａとの接続部に防止弁２０を設けることにより、上記問題を解決している。
次に、本実施形態の防止弁２０について説明する。本実施形態の防止弁は、集熱管１の外管１ａの破損等により、集熱管１側から枝管５ａに大量の空気が流入した場合にのみ、枝管５ａを閉塞し、系内に大量の空気が流入することを防止するものである。一方、通常の真空断熱層１ｃの排気時には集熱管１から枝管５ａに流入する空気を抵抗なく流通させる必要がある。そこで、本実施形態の防止弁２０は、弁２０を通過する気体流量が所定流量を越えた場合にのみ枝管５ａを閉塞するようにしている。以下、防止弁２０の構成例について説明する。
【００２６】
図３は、防止弁２０の一実施形態を示す概略構成図である。図３において、防止弁２０は通常の電磁遮断弁として構成されている。また、図において２１は、各集熱管の真空断熱層１ｃに設けられた圧力センサ、２３は制御回路、２５は警告灯を示す。本実施形態では、制御回路２３は圧力センサ２１からの圧力信号を入力し、例えば微分回路等により各集熱管１の真空断熱層１ｃ内の圧力上昇速度を常に監視している。例えば、集熱管１の破損等が生じて多量の空気が真空断熱層１ｃに流入すると断熱層内の圧力は急激に上昇する。本実施形態では、制御回路２３は真空断熱層１ｃ内の圧力上昇速度が所定値以上になった場合には、その集熱管１に接続された防止弁（電磁弁）２０を閉弁するとともに、警告灯２５を点灯する。これにより、多量の空気が枝管５ａに流入することが防止され、他の集熱管１の真空度の低下が防止される。なお、通常の排気においては、集熱管１の真空断熱層１ｃ内圧力は低下（真空度が上昇）するため防止弁２０が作動することはない。また、装置運転中には前述したように、接続部からの空気の侵入等により真空断熱層１ｃ内圧力は徐々に上昇するが、この場合の圧力上昇速度は極めて小さいため防止弁２０が作動することはない。更に、図３は、各集熱管１毎に制御回路２３を設けた例を示しているが、制御回路２３としてマイクロコンピュータ等を用いたような場合には、単一の制御回路で順次各集熱管１の圧力センサ２１の出力を監視することが可能となるのはいうまでもない。
【００２７】
図４は、防止弁２０の構成の別の実施形態を説明する断面図である。本実施形態の防止弁２０は、枝管５ａにフランジ２１、２２を介して接続される円筒状ケーシング２５と、該ケーシング２５内に配置された弾性を有する円板状の弁体２７とを備えている。図４に示すように、ケーシング２５内周面には、等間隔に配置された複数の第１の突起２５ａと、該第１の突起２５ａから軸線方向に弁体２７の厚さより大きい間隔を隔てて、同様にケーシング２５内周面に等間隔に配置された第２の突起２５ｂが設けられている。また、通常の状態では、弁体２７は図４に示したように第１と第２の突起によりケーシング２５内に保持されている。
【００２８】
図５は、弁体２７の形状を示す、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施形態では、弁体２７は通常の排気時に空気が通過する孔部２７ａを有している。孔部２７は弁体２７の中心から所定の距離をおいた円周状に配置されている。また、前述の第１と第２の突起の張出長さは、図４の状態でこの孔部２７ａを閉塞しない長さに設定されている。
【００２９】
また、図４において、弁体２７に対して集熱管１側に配置された第１の突起２５ａは真空タンク７側の第２の突起２５ｂより張出長さが大きく設定されている。
前述のように、通常の状態では弁体２７は突起２５ａと２５ｂとに挟まれてケーシング内に保持される。この状態では弁体２７の孔部２７ａは突起２５ａ、２５ｂによっては閉塞されないため、集熱管の真空断熱層１ｃに侵入した空気は、抵抗なく弁体２７の孔部２７ａを通過して枝管５ａ、真空配管５を通って真空タンク７内に流入する。
【００３０】
一方、図６は集熱管１が破損して真空断熱層１ｃに大量の空気が流入した場合の弁体２７の位置を示している。集熱管１が破損して大量の空気が流入すると、弁体２７の両側には大きな圧力差が生じる。弁体２７は弾性を有する材料で形成されているため、この圧力差により撓みを生じ、この撓みのために弁体２７は真空タンク７側の第２の突起２５ｂを乗り越えて移動し、図６に示すようにケーシング２５の真空タンク７側の端面２５ｃに当接する。
【００３１】
ケーシング２５の端面ｃにおける枝管５ａとの接続開口部２５ｄの径は、孔部２７ａと弁体２７の中心との距離より小さく設定されているため、この状態では接続開口部２５ｄは弁体２７の孔部２７ａより内側の部分２７ｅによって閉塞される。この状態では、弁体２７は流入する空気の圧力により端面２５ｃに密着するため、流入した空気は枝管５ａとの接続開口部２５ｄには流入することはできず、破損した集熱管１から真空配管５や真空タンク７を経由して空気が他の集熱管１に流入することが阻止される。このため、１つの集熱管１の破損により、系全体の真空度が低下することが防止される。
【００３２】
次に、防止弁２０の別の実施形態について図７、図８を用いて説明する。本実施形態においても、図３の実施形態と同様に各集熱管１に接続される防止弁２０は電磁遮断弁として構成される。しかし、本実施形態では、図３の実施形態のように各集熱管１に圧力センサを設けることなく、真空タンク７に単一の圧力センサ１３が配置されている。本実施形態の制御回路２３は、この圧力センサ１３により検出された真空タンク７圧力に基づいて、集熱管１の破損等による大量の空気の侵入を検出して各防止弁２０の操作を行う。
【００３３】
図８は、制御回路２３により実行される集熱管１の洩れ検出と防止弁２０制御動作を示すフローチャートである。図８に示すように、本実施形態では制御回路２３は、常時圧力センサ１３により真空タンク７の圧力を監視しており、真空タンク７の圧力が所定値（例えば１０-2Ｔｏｒｒ程度）以上に上昇した場合（ステップ１０）には、一旦全部の防止弁２０を閉弁して（ステップ２０）真空ポンプ９を作動させる（ステップ３０）。真空タンク７圧力が通常の制御範囲（１０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）を越えて大幅に上昇した場合には、いずれかの集熱管１の破損により大量の空気が流入しつつある可能性が高いからである。次いで、制御回路２３は、各集熱管１の防止弁２０を１つずつ開弁し（ステップ４０、５０）、防止弁２０を開弁したときに真空タンク７内の圧力が所定値以上に上昇するものがあれば（ステップ６０）、その防止弁２０が接続されている集熱管１が破損していると判断し、その防止弁２０を閉弁状態に保持する（ステップ７０）。この操作を全部の集熱管１について繰り返すことにより（ステップ４０）、破損等により洩れを生じている集熱管１の防止弁２０のみを閉弁状態に保持することが可能となる。
【００３４】
本実施形態によれば、各集熱管１に圧力センサを設ける必要がなく、簡易に集熱管１からの空気の洩れを検出できる利点がある。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１から４に記載の発明によれば、複数の集熱管を設け、単一の真空タンクにより各集熱管の真空断熱層の真空度を維持する場合に、１つの集熱管の破損等による真空度の低下が生じたときも他の集熱管の真空断熱層の真空度が低下することを防止することが可能となり、更に各集熱管に圧力センサを設ける必要がないため、簡易に真空度の低下を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽熱収集装置の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の太陽熱収集装置の、図１とは異なる実施形態の概略構成を示す図である。
【図３】図２の防止弁の一実施形態を示す図である。
【図４】図２の防止弁の一実施形態を示す断面図である。
【図５】防止弁の弁体の形状を示す、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図６】図４の防止弁の作用を説明する図である。
【図７】図２の防止弁の一実施形態を示す図である。
【図８】図７の防止弁の作用を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…集熱管
１ａ…外管
１ｂ…内管
１ｃ…真空断熱層
５…真空配管
７…真空タンク
９…真空ポンプ
２０…防止弁
２３…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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