(57)【要約】【課題】外管の破損が防止され、集熱管同士を長手方向に接続しやすい太陽熱集熱装置を提供する。【解決手段】太陽熱集熱装置１００は、曲面鏡１を用いて太陽光Ｌを集熱管２に集光することにより集熱管２内を流通する熱媒体Ｍを加熱し、集熱管２は、熱媒体Ｍが内部を流通する内管４と、内管４の外側に設けられる外管３と、内管４と外管３とを接続するベローズ７、フランジ８ａ，８ｂ及び円筒部材１５とを備え、内管４と外管３との間には断熱空間９が形成され、フランジ８ａには、断熱空間９と連通する排気孔１８が形成され、排気孔１８は、フランジ８ａに溶接される封止部材２０によって封止される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、
前記集熱管は、
前記熱媒体が内部を流通する内管と、
前記内管の外側に設けられる外管と、
前記内管と前記外管とを接続する接続部材とを備え、
前記内管と前記外管との間には断熱空間が形成され、
前記接続部材には、前記断熱空間と連通する排気孔が形成され、
前記排気孔は、前記接続部材に溶接される封止部材によって封止される太陽熱集熱装置。
【請求項２】
前記接続部材は、前記内管に接続するフランジと、前記フランジ及び前記外管の間に設けられる応力緩和部材とを有し、
前記排気孔は前記フランジに形成される請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項３】
前記封止部材は前記接続部材に摩擦圧接によって溶接される請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱集熱装置に関し、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示すように、放物面を有する集熱手段を用いて太陽光を集熱管に集光し、集熱管内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集熱管は、太陽光を効率よく熱に変換して熱損失を少なくするため、ガラス製の外管と金属製の内管とからなる二重管構造をなしている。また、外管と内管との間には、真空状態にした密閉空間が設けられている。
【０００３】
外管と内管との間の密閉空間を真空状態とするためには、排気孔を外管に設け、この排気孔から排気を行った後にガラス製の管を熱し、封着する。しかしながら、排気孔を封止した箇所は凸状に盛り上がるように封止跡が残ってしまう。このようにガラス製の外管の表面に凸状の盛り上がりがあると、太陽熱集熱装置を設置する際やメンテナンス時に集熱管を取り扱う際、封止跡の凸状部分をぶつけて外管が破損するおそれがある。また、木箱等の堅い材質の箱に集熱管を梱包する際も、凸状の盛り上がり部分が箱の壁や隣接する集熱管にぶつかり、外管が破損する危険性がある。そのため、集熱管を箱等に梱包する際には、一つ一つの集熱管の向きや位置を考慮して梱包する必要があり、手間がかかっていた。
【０００４】
ここで、特許文献２では、外管に対して内管を支持するように内管と外管との間に設けられた金属製の支持管に排気チップ管が取り付けられ、この排気チップ管に真空ポンプを接続して排気した後、封着することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７０５３１１号明細書
【特許文献２】特開昭５９−７７２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、集熱管の端部において内管と外管との間に設けられた支持管に取り付けられた排気チップ管は、集熱管の延長方向と同じ方向に突出した状態のまま封着される。ここで、特許文献１の図３Ｂに示すように、集熱管は長手方向に複数本、端部同士が順次接続することにより、延長する。従って、集熱管の端部と端部とを接続する際、排気チップ管が突出していると、長手方向に排気チップ管のためのスペースを取らねばならず、端部同士の接続部分の有効長さがその分短くなり、集熱管同士を接続しづらくなる。
【０００７】
この発明は、このような問題を解決するためになされ、外管の破損が防止され、集熱管同士を長手方向に接続しやすい太陽熱集熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明に係る太陽熱集熱装置は、集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱し、熱媒体が内部を流通する内管と、内管の外側に設けられる外管と、内管と外管とを接続する接続部材とを備え、内管と外管との間に断熱空間が形成され、接続部材には、断熱空間と連通する排気孔が形成され、排気孔は、接続部材に溶接される封止部材によって封止される。
【０００９】
また、この発明に係る太陽熱集熱装置の接続部材は、内管に接続するフランジと、フランジ及び外管の間に設けられる応力緩和部材とを有し、排気孔はフランジに形成されてもよい。
さらに、封止部材は接続部材に摩擦圧接によって溶接されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る太陽熱集熱装置によれば、外管の破損が防止され、集熱管同士を長手方向に接続しやすくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図である。
【図２】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の長手方向に平行な断面図である。
【図３】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管において、排気孔が形成された接続部材近傍を示す断面拡大図である。
【図４】図１に示す太陽熱集熱装置において、排気孔を封止部材で封止する工程を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る太陽熱集熱装置に用いられる集熱管において、排気孔が形成された接続部材近傍を示す断面拡大図である。
【図６】図６（ｉ）〜（ｉｖ）は、封止部材の形状の変形例である。
【図７】図７（ｉ）及び（ｉｉ）は、排気孔近傍のフランジの形状の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１及び２に示すように、太陽熱集熱装置１００は、集光手段としての曲面鏡１及び曲面鏡１の内側に配置される集熱管２を備えている。曲面鏡１は、長手方向に沿って放物面の断面を有する形状を有する。また、曲面鏡１の内側の表面は鏡面となっており、その焦点位置において集熱管２が長手方向に沿って支持される。これにより、曲面鏡１に入射した太陽光Ｌは曲面鏡１の内側表面で反射して、集熱管２に入射する。
【００１３】
集熱管２は、熱媒体Ｍが内部を流通する金属製の内管４と、内管４の外側に設けられるガラス製の外管３とを備えた二重管構造を有する。内管４と外管３との間には、真空状態の断熱空間９が形成されている。内管４及び外管３の長手方向の長さは約４ｍである。内管４の外側表面には光学選択膜１４が形成されている。光学選択膜１４は、太陽光Ｌの可視光線及び近赤外線を吸収し、熱媒体Ｍから輻射される遠赤外線を反射することができる。
【００１４】
なお、外管３にはホウケイ酸ガラス等のガラスが用いられている。
また、内管４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。
また、光学選択膜１４は、たとえば、金属層、サーメット層、誘電体層の積層体で構成される。
【００１５】
内管４の両端には、一対の略ドーナツ形状の円盤状の部材であるフランジ８ａ、８ｂが取り付けられ、フランジ８ａ，８ｂは、内管４の外周において外管３を両側挟み込むように配置されている。なお、フランジとは、内管４の外周に垂直に取り付けられる部材をいう。フランジ８ａ，８ｂの内側、すなわち内管４に近接する部分は、断熱空間９の内部に向かって略円環状に凹んだ形状となっている。そして、フランジ８ａの内側の略円環状の凹み部分のうち、フランジ８ａが内管４に固定されて取り付けられる略円筒形状の部分を取付部８ａ１とする。なお、光学選択膜１４は断熱空間９にのみ配置されて、取付部８ａ１は内管４に直接とりつけられている。また、フランジ８ａの外側の平坦な略円環形状の部分を平坦部８ａ２とする。取付部８ａ１の端部は、長手方向においてフランジ８ａの平坦部８ａ２と面一になるように位置している。また、フランジ８ａの平坦部８ａ１には、断熱空間９と連通する排気孔１８が形成され、排気孔１８は金属製の封止部材２０によって封止されている。またさらに、フランジ８ａ，８ｂの平坦部８ａ２にはそれぞれ、蛇腹部分を有する略円筒形状のベローズ７の一端が接続している。一対のベローズ７のそれぞれの他端には、略円筒形状の円筒部材１５の一端が接続している。そして、一対の円筒部材１５の他端は、それぞれ外管３の両端に接続する。ここで、図３を参照すると、円筒部材１５の外管３と接続する側の端部１５ａは鋭角をなしており、ハウスキーパ構造によって外管３に食い込むように固定されている。従って、フランジ８ａ，８ｂ、ベローズ７及び円筒部材１５は、内管４と外管３とを接続している。
ここで、フランジ８ａ，８ｂ、ベローズ７及び円筒部材１５は接続部材を構成する。
また、フランジ８ａ，８ｂ及び外管３の間に設けられるベローズ７は応力緩和部材を構成する。内管４が熱膨張して長手方向に伸びるとともに、ベローズ７も長手方向に伸び、外管３と内管４との間の熱膨張差を吸収する。
【００１６】
フランジ８ａ，８ｂ及びベローズ７の材質は、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、円筒部材１５には、線膨張係数が外管３のガラスに近いコバール金属が用いられる。
【００１７】
排気孔１８の封止工程を図４に示す。
まず、真空ポンプ（図示せず）によって排気孔１８から断熱空間９内の空気を排気し、断熱空間９の内部を真空状態にする。その後、図４（ｉ）に示すように、封止部材２０として、排気孔１８の直径よりも大きな金属球を排気孔１８に当接して一時的に固定する。次に、図４（ｉｉ）に示すように、回転するロッド３０によって封止部材２０を断熱空間９側に向かって押圧する。ロッド３０との摩擦により封止部材２０は発熱して溶けて変形する。そして、図４（ｉｉｉ）に示すように、封止部材２０の断熱空間９側の一部２０ａは排気孔１８に押し込まれ、残りの一部２０ｂはフランジ８ａ上に押し潰されて広げられ、所定の厚さをもって溶着される。すなわち、排気孔１８は、フランジ８ａに摩擦圧接によって溶接される封止部材２０により封止される。
【００１８】
以上より、この実施の形態１に係る太陽熱集熱装置１００では、外管３に排気孔を形成せずに、フランジ８ａに排気孔１８を形成して封止部材２０により封止するため、排気孔の封止跡を何かにぶつけてガラス管である外管３を破損するという危険性がなくなる。また、排気孔１８の周りのフランジ８ａに直接、封止部材２０を溶接することにより排気孔１８を封止するので、排気孔１８の封止跡が長手方向に突出することもない。従って、複数の集熱管２の端部同士を接続する際に接続箇所の長手方向の有効長さを充分に取ることができ、集熱管２同士を接続しやすくなる。
【００１９】
また、排気孔１８は、封止部材２０をフランジ８ａに摩擦圧接することにより封止されている。ここで、封止部材２０に通電し抵抗溶接することによって排気孔１８を封止するようにしてもよい。しかしこの場合、封止部材２０の電気抵抗が均一であるとは限らないため、封止部材２０の一部２０ｂを均一に変形させることができないことがある。一方、排気孔１８を摩擦圧接により封止する場合は、回転するロッド３０で封止部材２０を押圧すればよいため、封止部材２０の一部２０ｂを均一に変形させ、排気孔１８をより確実に封止することができる。
また、封止部材２０を電子ビーム溶接することによって排気孔１８を封止するようにしてもよい。しかしこの場合、封止部材２０にスパッタが発生するおそれがある。一方、封止部材２０をフランジ８ａに摩擦圧接により溶接する場合は、スパッタは発生せず、排気孔１８の封止部分に欠陥が生じる可能性が低くなる。
【００２０】
なお、この実施の形態において、排気孔１８が形成される位置はフランジ８ａに限定されず、円筒部材１５であってもよい。
【００２１】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る太陽熱集熱装置２００の集熱管２’の構成を図５に示す。なお、図１〜３の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
外管３の一方の端部の外周には、略円錐形状の第一連結部材１１が取り付けられている。第一連結部材１１は、断面が略Ｌ字形状の略円筒形状の取付部１１ａと、円錐形の一部を切り取った形状の円錐部１１ｂと、略ドーナツ形状の円環部１１ｃとからなる。円錐部１１ｂの径は集熱管２’の端部から中央に向かって大きくなり、円錐部１１ｂの径の小さい方の一端は取付部１１ａに一体的に接続し、円錐部１１ｂの径の大きい方の一端は円環部１１ｃの内側の縁部に一体的に接続する。また、第一連結部材１１の取付部１１ａの断面の略Ｌ字形状の一辺は集熱管２’の中央側に向かって延び、外管３の外側表面に固定されている。すなわち、第一連結部材１１は取付部１１ａにおいて外管３の外側表面に取り付けられている。さらに、円環部１１ｃにはベローズ７の一端が接続し、ベローズ７の他端には略円筒形状の第二連結部材１６が接続する。第二連結部材１６は、ベローズ７の一端が接続する略ドーナツ形状の円環部１６ａと、円環部１６ａの外側の縁部に接続する略円筒形状の円筒部１６ｂとからなる。円環部１６ａは内管４に対して垂直であり、第一連結部材１１の取付部１１ａは、長手方向において第二連結部材１６の円環部１６ａよりも集熱管２’の中央側に位置する。また、第二連結部材１６の円筒部１６ｂの円環部１６ａと接続しない側の端部、すなわち外管３と接続する側の端部１６ｃは鋭角をなしており、ハウスキーパ構造によって外管３に食い込むように固定されている。以上より、ベローズ７、第一連結部材１１及び第二連結部材１６を介して、外管３と内管４とは接続している。また、第二連結部材１６の円筒部１６ｂには、排気孔２８が形成されている。排気孔２８は、円筒部１６ｂに摩擦圧接によって溶接された封止部材２０によって封止されている。
ここで、ベローズ７、第一連結部材１１及び第二連結部材１６は接続部材を構成する。応力緩和部材としてのベローズ７は、内管４が熱膨張して長手方向に伸びるとともに縮み、外管３と内管４との間の熱膨張差を吸収する。
【００２２】
第一連結部材１１の材質は、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、第二連結部材１６には、線膨張係数が外管３のガラスに近いコバール金属が用いられる。
【００２３】
なお、集熱管２’の反対側の端部にも同様の構成の接続部材が設けられるが排気孔は形成されない。
【００２４】
以上より、この実施の形態２に係る太陽熱集熱装置２００の集熱管２’では、実施の形態１に係る太陽熱集熱装置１００と同様に、接続部材である第二連結部材１６に排気孔２８が形成されるため、外管３の破損の危険性が低くなる。また、集熱管２の側面に位置する第二連結部材１６の円筒部１６ｂに排気孔２８が形成されるため、集熱管２’の長手方向の側には排気孔の封止跡が残らず、集熱管２’同士を長手方向により接続しやすくなる。さらに、封止部材２０を第二連結部材１６に摩擦圧接によって溶接することにより排気孔２８を封止するため、抵抗溶接や電子ビーム溶接と比較して、より確実に排気孔２８を封止することができる。
【００２５】
また、図６に示すように、この発明の実施の形態１及び２において、封止部材の形状は図４（ｉ）に示すような球体形状の封止部材２０に限定されない。すなわち、図６（ｉ）に示すような円柱形状の封止部材２１であってもよい。また、図６（ｉｉ）に示すように円柱と半球を組み合わせた形状の封止部材２２であってもよい。また、図６（ｉｉｉ）に示すように、球体に径が小さい円柱を組み合わせた形状の封止部材２３であってもよい。さらに、図６（ｉｖ）に示すように円柱と円錐を組み合わせた形状の封止部材２４であってもよい。
【００２６】
また、図７に示すように、この発明の実施の形態１及び２において、排気孔１８又は２８が形成される接続部材の形状は図３及び図５に示すような形状に限定されない。すなわち、図７（ｉ）に示すように、排気孔４８が形成されるフランジ３８ａは、略円柱形の凸部を有し、その凸部の中心に排気孔４８が形成されてもよい。また、図７（ｉｉ）に示すように、排気孔６８が形成された箇所のみが突出した形状をなすフランジ５８ａを用いてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  曲面鏡（集光手段）、２，２’  集熱管、３  外管、４  内管、７  ベローズ（応力緩和部材、接続部材）、８ａ，８ｂ，３８ａ，５８ａ  フランジ（接続部材）、９  断熱空間、１１  第一連結部材（接続部材）、１５  円筒部材（接続部材）、１６  第二連結部材（接続部材）、１８，２８，４８，６８  排気孔、２０，２１，２２，２３，２４  封止部材、１００，２００  太陽熱集熱装置、Ｌ  太陽光、Ｍ  熱媒体。
【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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