(57)【要約】  太陽集光器（solar concentrator）から熱を集める太陽エネルギー収集装置は、細長い空洞を持つ等温体（isothermal body）を有している。その空洞は、円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径に等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記円形の開口は、上記太陽集光器の焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して垂直に設けられている。また、上記空洞の軸と、上記太陽集光器の主軸とは一直線上に並んでいる。上記等温体に集められた熱は、熱吸収源に吸収される。上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から目的のエネルギー量を吸収するのに十分な長さ、かつ、空洞開口の直径の５〜９倍の長さである。上記等温体は、使用される材質によっては、空洞の反射壁の反射率を維持するために還元性気体が密封されていてもよい。
2008523351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光集光器から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達する集熱装置であって、
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い空洞を形成する等温体を備え、
上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶ向きになっており、
上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源と熱的に接続されており、
上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から所望の割合のエネルギーを吸収するのに十分な長さであることを特徴とする集熱装置。
【請求項２】
上記空洞の長さが長くなるにつれて、上記空洞に入射する太陽光線のエネルギーの吸収比率が上がることを特徴とする請求項１に記載の集熱装置。
【請求項３】
上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の約５〜９倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の集熱装置。
【請求項４】
上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の６．５〜７．５倍であることを特徴とする請求項３に記載の集熱装置。
【請求項５】
上記空洞は、略円筒形であることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の集熱装置。
【請求項６】
上記等温体は、上記空洞の壁が反射するように、反射する物質でできていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の集熱装置。
【請求項７】
上記等温体と上記空洞との間に、上記空洞の反射壁を実現するのに有効な、反射する物質でできている裏板を備えていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の集熱装置。
【請求項８】
空洞の開口と上記等温体の外端との間で上記等温体の端を覆う、低放射率のシールドを備えていることを特徴とする請求項７に記載の集熱装置。
【請求項９】
上記空洞の反射壁の酸化をほぼ防止するのに有効な還元性気体を内部に入れて上記等温体を密封する筐体を備え、上記反射壁の反射率を維持することを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の集熱装置。
【請求項１０】
上記反射壁は無酸素銅でできており、上記還元性気体は水素および封入ガスを含んでいることを特徴とする請求項９に記載の集熱装置。
【請求項１１】
上記筐体の壁は断熱材でできていることを特徴とする請求項９または１０に記載の集熱装置。
【請求項１２】
太陽から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達する集熱装置であって、
太陽光集光器と、
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い略円筒状の空洞を形成する等温体とを備え、
上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶ向きになっており、
上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源と熱的に接続されており、
上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の約５〜９倍であることを特徴とする集熱装置。
【請求項１３】
空洞の開口と上記等温体の外端との間で上記等温体の端を覆う、低放射率のシールドを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の集熱装置。
【請求項１４】
上記空洞の反射壁の酸化をほぼ防止するのに有効な還元性気体を内部に入れて上記等温体を密封する筐体を備え、上記反射壁の反射率を維持することを特徴とする請求項１２または１３に記載の集熱装置。
【請求項１５】
上記反射壁は無酸素銅でできており、上記還元性気体は水素および封入ガスを含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の集熱装置。
【請求項１６】
太陽光集光器から熱を収集し、熱吸収源に伝達する集熱方法であって、
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い空洞を形成する等温体を設けるステップと、
上記等温体が、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶように、上記等温体を方向付けるステップと、
上記反射壁の第１の接点から反射壁の第２の接点へと反射壁に照射し、その後も、太陽光線に含まれる所望の割合のエネルギーが上記反射壁に吸収されるまで、反射壁の各接点において照射を繰り返す太陽光線を反射するステップと、
上記太陽光線の吸収されたエネルギーによって上記等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源を上記等温体に熱的に接続させるステップとを含む集熱方法。
【請求項１７】
上記空洞の長さが長くなるにつれて、上記空洞に入射する太陽光線のエネルギーの吸収比率が上がることを特徴とする請求項１６に記載の集熱方法。
【請求項１８】
上記空洞は、略円筒状であって、該空洞の長さは、該空洞の開口の直径の約５〜９倍であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の集熱方法。
【請求項１９】
筐体で上記等温体を密封するステップと、
上記筐体内を、上記空洞の反射壁の酸化をほぼ防止するのに有効な還元性気体で満たし、上記反射壁の反射率を維持するステップとを含む請求項１６から１８までのいずれか１項に記載の集熱方法。
【請求項２０】
上記反射壁は無酸素銅でできており、上記還元性気体は水素および封入ガスを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の集熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギーの分野に関するものであり、特に、熱化学処理、熱機械的処理、または、他の熱処理の原動力とするための、太陽放射エネルギー収集に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、再生可能な太陽熱エネルギーを非常に多くの様々な熱駆動処理に活用することについて、かなりの関心が寄せられている。熱駆動処理とは、スターリングエンジンまたは蒸気タービンなどに見られる熱機械発電システム、熱化学再形成、加熱分解、加熱処理、一般加熱処理、材料処理などのことである。一般に、太陽エネルギー収集システムは、太陽光をすぐに取得できるような場所に設置される。一般的なシステムでは、平らにセグメント化された、または、曲げられた鏡が、放物線上に、または、ボウルや桶のような形に配置され、入射する太陽放射エネルギーを収集し、あらかじめ定めたターゲット上に集光させる。トラッキング制御システムまたは前もってプログラムされたアルゴリズムは、鏡を動かすことによって、太陽が空を横断するのに応じて、要求された可視光線の形を維持する。
【０００３】
ターゲットは、たいてい空洞または浅い皿のような形状であり、そこに、光が円錐状に集光される。空洞は、一般に、吸収された熱が稼動中の処理に伝達されるように、中に冷却液を流し込まれた複数の管によって形成される。米国特許公報＃５，１１３，６５９には、いくつかの空洞の設計が掲載されている。空洞の内部に、連結されたホットシュー（a series of hot shoes）が含まれており、複数の自由ピストンスターリング機関（free piston sterling generator）に熱エネルギーを伝達するようになっている。太陽光熱化学処理のいくつかにおいて、太陽の像（the image fireball）は、しばしば局所的な加熱スポット（hotspot）を引き起こす透明の処理チューブ内の熱触媒床に直接使用される。このため、触媒焼結が生じたり、処理温度制御がうまくいかなかったりする。
【０００４】
これらすべての収集スキームにおいて、スポットサイズおよびその形状を、熱交換および空洞のパラメータに合わせて調整する必要がある。局所的な加熱効果を回避するために、太陽像の焦点をぼかしたり、または、複数の太陽像を斜めに照射させたりすることによって、熱交換処理チューブが配置されている場所を、均一の温度で加熱されるゾーンにする。この結果、太陽像が拡大されて、これに伴い、熱放射表面の領域が増加したことが原因で、太陽の上記ターゲット上の焦点は、最適な焦点よりもぼけて、放射損失が増加する。
【０００５】
像の拡大縮小および太陽エネルギー収集技術の損失は、生成物全体の変換効率の大部分に影響する。したがって、太陽エネルギー収集システムの目的は、最小の太陽エネルギー収集可能領域で生産物の最大生産量を目指す点にある。上記目的を達成するための鍵となる要因は、ターゲットからの放熱による寄生損失（parasitic）を最小化することである。
【０００６】
要求される処理温度に応じて、収集手段が決定する。低温熱を利用するためには、桶形の反射体が収集手段となり、より高温を得るためには、放物曲線形の収集装置が収集手段となる。蒸気システムは、８００Kより下の中くらいの温度で稼動する。吸熱反応における高温の平衡定数（high equilibrium constants）を得ようとすると、熱化学反応には、実質それ以上の高温が必要となる。残念なことに、処理温度が増加するにつれ、熱放射などによる寄生放射損失は増加する。シュテファンの法則（Pｒ＝σεＡＴ４）にしたがって、上記処理温度におけるターゲットの絶対温度が２倍になると、寄生放射損失は１６倍も増加する。したがって、放射損失の最小化は、黒体領域がフォーカスされた太陽像と同じになるように構成された、最適化された空洞の受光部と連動して、最小の太陽像または最高の太陽エネルギー収集を実用化することで実現する。
【特許文献１】米国特許公報  US  ５，１１３，６５９（１９９２年５月１９日公開）
【発明の開示】
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明の目的は、従来技術の問題点を克服する太陽熱収集装置および方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の第１の実施形態において、太陽集光器から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源（heat sink）に伝達するための装置を開示する。上記装置は、細長い空洞を持つ等温体（isothermal body）を有している。その空洞は、略円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶような向きになっている。上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように設計されている。上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から目的のエネルギー量を吸収するのに十分な長さである。
【０００９】
本発明の第２の実施形態において、太陽から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達するための装置を開示する。上記装置は、太陽集光器および等温体を備えている。上記等温体は、細長い略円筒状の空洞を有する。その空洞は、略円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶような向きになっている。上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように設計されている。上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の約５〜９倍の長さである。
【００１０】
本発明の第３の実施形態において、太陽集光器から、熱吸収源に伝達するための熱を収集する方法を開示する。上記方法は、略円形の開口を有し、開口の直径が、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しくなる空洞であって、かつ、反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている細長い空洞を持つ等温体（isothermal body）を提供するステップと、上記等温体の向きを、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、かつ、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶように決定するステップと、反射壁に照射される各太陽光線が、上記反射壁における第１の接点から、反射壁における第２の接点、および、上記反射壁における後に続く複数の接点へと反射して、上記太陽光線に含まれる目的のエネルギー量が反射壁に吸収されるまで、各接点において、各太陽光線に含まれるエネルギーを反射壁によって吸収するステップと、上記太陽光線の吸収されたエネルギーにより上記等温体にて生成された熱が、熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源が、熱的に、上記等温体に接続するステップとを含んでいる。
【００１１】
太陽放射エネルギーは、等温体に形成された反射空洞内の複数の内部反射によって熱に変換される。そして空洞の受光部は、熱的に必要な熱処理または熱吸収源と連動する。上記等温体は、熱機能を統合するための主要部を有し、軽微な断熱材または太陽像の湾曲とは無関係に、ほぼ一定の温度での連動処理を実現する。
【００１２】
空洞の開口は、放物曲線形の太陽集光器の焦点に可視光の主軸上で位置しており、その光円錐における直径が最小になる部分が空洞の入り口にあたるようになっている。
【００１３】
機械的構造は、化学的還元可能物質（a chemically reducible material）に覆われた、または、化学的還元可能物質からなる厚い壁を有する中空円柱と似ている。化学的還元可能物質とは、例えば、銅などであるが、これに限定されない。空洞の端の開口が、太陽集光器からの焦点において光円錐を遮断している間は、等温体は、熱処理と熱的に連動している。太陽エネルギーは、上記空洞に入り、内部反射を繰り返す。この間、均一に分散し、徐々に熱が放射される。熱は、受光部の等温体に吸収されて、処理の実施に活用される。空洞壁の反射率は、内部の空気の不活性化または還元性気体（reducing atmosphere）によって調整される。
【００１４】
〔図の簡単な説明〕
本発明の上述した目的および有利な点、ならびに、さらなる目的および有利な点は、以下に記載の、本発明を構成要素として示した図面を参照して行う、本発明の好ましい実施形態についての詳細な説明によって、より完全に理解される。
【００１５】
図１および図２は、同期変流機（electrical converter）のスターリングを駆動するように構成された、従来の太陽熱収集システムの概略を示す図である。
【００１６】
図３は、従来技術に用いられている太陽集光器であって、エネルギーを活用可能レベルにまで減衰させるために、放射状にゆがめられた太陽集光器における、ターゲットの放射照度の特性（irradiance profile）示す図である。
【００１７】
図４は、従来技術および本発明における径方向配光のグラフである。
【００１８】
図５は、ターゲットの温度および領域と黒体の熱放射損失との関係を表すグラフである。
【００１９】
図６は、本発明における、スターリングエンジン原動力生成システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。
【００２０】
図７は、本発明の加熱の用途における他の実施形態の概略を示す側断面図である。
【００２１】
図８および図９は、本発明における、熱化学反応システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。
【００２２】
図１０は、本発明の同軸の空洞を有する等温体を示す等角投影図であり、ひとつの光線の径路および空洞の作用の基本原理を示す図である。
【００２３】
図１１は、図１０に示す熱伝導体の端面図であり、内部の光線の径路を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
〔発明の詳細な説明〕
図１および図２は、従来技術における、熱エンジンおよび電気生成装置の組み合わせ駆動する太陽熱収集システムの概略を示す図である。太陽熱収集システムは、多種多様な目的で用いられる熱を提供するためのものである。収集された熱は、基本的に熱を消費する図示された熱エンジンのように、熱吸収源に伝達されて用いられる。作動温度は、目的によってさまざまである。また、システムは、作動温度が目的の温度に達したら、収集されたすべての熱が、熱吸収源によって分離されるように設計されており、作動温度は、約１００℃〜１４００℃またはそれ以上であってもよい。
【００２５】
上記の例では、太陽放射光１が太陽集光器２によって反射して生じた、太陽光の光束の中の太陽光線７は、ターゲット８に焦点が合わされる。ターゲット８は、放物曲線形の太陽集光器２の焦点に合わせて、空洞１１上に設けられている。ターゲット８は、複数の金属管３から構成されており、金属管３は、光円錐を遮断するように、放物曲線形の太陽集光器２の主軸９について線対称に配置される。熱伝達損失を低減するために、水晶窓（quartz window）５が、ターゲット８を覆っている。冷却剤は、管３を介して、管３に接する放熱が吸収されることによって生成された熱を取り除くために流れている。そして、その熱を熱伝導によって熱エンジン４に伝える。
【００２６】
上記の例において、熱エンジンによって変換された機械的エネルギーは、シャフト１０によって生成部６に伝送される。生成部６は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。上記の例では、ターゲット８に向けられた配光は、図３に示すとおり、管状の熱交換構造における、環状リングと同じになる。環状リングは、太陽光の光束強度（flux intensity）レベルを熱交換可能限界まで軽減するために、複数の太陽像に歪められたものである。図４において、曲線Wは、図３に示す太陽像が歪められてターゲット８に重畳されたときの、ターゲット８における径方向配光の結果をグラフ化したものである。図３に示すとおり、ターゲットの中心部の略円形の部分は、実質、太陽光線７があたっていない。このように、ターゲットになる領域を広げることによって太陽光線７がターゲット８に集中するのを抑える。
【００２７】
一般に、太陽光の集積度合いは、”suns”という単位を用いて測定される。１sunは、標準となる太陽光の１単位面積あたりの入射エネルギー量を表している。太陽光は、１平方メートルあたり約１０００ワット（W／ｍ２）である。より具体的には、焦点上の太陽光の集積度合いが約５５００sunsだとすると、熱交換管３は、その集積度合いに達したときの熱に持ちこたえることはない。熱交換の熱伝導パラメータに沿って、熱吸収許容量および冷却剤流量を与えると、最大許容太陽光集積度合いは、例えば、約８７７suns、または、約８７７０００W／ｍ２となる。太陽光集積度合いを軽減するためには、機構を以下のように配置する。すなわち、例えば、放物曲線形の集光器２を歪めて、より広い領域に放射されるようにする。太陽光集積度合いがこのように軽減されると、交換温度を許容範囲内に収まるように維持している間は、必要とされる熱伝導を行うことができる。
【００２８】
しかしながら、ターゲットのサイズを大きくすると、所定の温度での放射損失も大きくなってしまい、太陽光収集効率が下がってしまう。図５は、放射率１．０のときにおける、ターゲットの再放射エネルギーが原因となるエネルギー損失の規模は、実質、処理温度およびターゲットの放射面積に影響される。図１および図２に示す上述した例では、ターゲット８の直径は約１５インチで、太陽光の集積度合いは、約１７７平方インチのターゲットの面積（太陽光線７が実質あたっていないターゲットの中心部の円形部分も含む）において８７７sunsとなる。放物曲線形の太陽集光器２を一つの太陽像の焦点にて集光するように再配置することにより、ターゲットの直径は、約６インチとなる。これにより、太陽光集積度合いは、その焦点において、ターゲットの面積約２８平方インチにつき５５００sunsとなる。したがって、ターゲットの面積は、約６．２５分の１に減らされる分、それに応じて、集光度は、約６．２５倍になる。
【００２９】
図５に示すとおり、ターゲットのサイズを１５インチから６インチに減らすことによって、放射損失を、１３％から２％に減らすことができる。このときの処理作動温度は８５０℃である。図５に示すとおり、作動温度が上がるにつれて、小さいターゲットの放射損失は、さほど増加しないが、一方、大きい方のターゲットにおける放射損失は、作動温度が上がるにつれて劇的に増加する。これらのデータは、所定の温度に達するように設計された黒体太陽光受光部であればいずれでも当てはまる、熱力学の真実である。上述のような直径の小さな集光部によって、非常に高い集光度を得ようとすることは解決が困難な課題である。
【００３０】
図６は、太陽集光器から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達するための本発明の装置の一実施形態を示す図である。図示された実施形態において、本発明の収集装置が備える熱吸収源は、スターリングエンジン生成装置であって、図１および図２の収集装置に設けられた熱吸収源と似ている。ここでは、集光器を歪めるのではなく、放物曲線形の太陽集光器２によって集められた太陽放射光１が、はっきりと一つの太陽像が細長い空洞１３の開口入り口にて投影されるように焦点を合わせられている。ここでは、太陽光集積度合いは最も大きく、ターゲット（すなわち、空洞１３の開口入り口）の直径は最も小さい。図４では、曲線Ｓは、太陽像が一つである場合の、ターゲット８における径方向配光の結果をグラフ化したものである。
【００３１】
空洞１３の開口は円形で、その直径は、太陽集光器２の焦点の直径にほぼ等しい。空洞１３は、円形の開口が太陽集光器２の焦点に位置し、かつ、太陽集光器２の主軸９に対して略垂直になるように方向付けられている。さらに、空洞１３の軸が主軸９と略一直線上に並ぶように空洞１３は設けられている。
【００３２】
空洞１３は、ステインレススティールなどでできた等温体１２の内部に形成されている。空洞１３の内側は銅などの金属板３２で覆われている。銅は、化学的に還元された状態で良好な反射率を有し、熱伝導率が高い。あるいは、等温体１２はその全体が、化学的に還元可能でかつ熱伝導率が高い材料、例えば銅など（しかしこれに限定されない）でできていてもよい。いずれにしても、空洞１３は、壁に照射された太陽光線７が十分に反射されるように、反射壁を有している。空洞１３内部における光線の複数の反射によって、空洞１３の壁にて、太陽光線から熱へとエネルギーが変換される。熱は、等温体１２への熱伝導によって、温度を上げたり、その熱エネルギーを熱吸収源処理にて利用可能なようにしたりするのに転用される。
【００３３】
太陽光線７を反射させることにより、受光部において光が作用した領域は、空洞の開口の領域から空洞の壁の領域へと増加する。太陽光線７は、反射壁における第１の接点から反射壁における第２の接点へと反射を繰り返し続け、反射壁における非常に多くの接点に照射され反射する。空洞は、空洞の開口と比べて細長いので、壁から壁へと反射して開口を介して出力された吸収される前の太陽光線の割合は小さい。
【００３４】
太陽エネルギーの吸収率は、空洞の長さに比例して増加してもよい。光線の総吸収量は、現実的ではないが、反射空洞１３の長さが空洞入り口開口の直径の約５〜９倍であれば、空洞の長さは、一般に、空洞に入る太陽光を必要十分な割合で吸収するのに十分であるといえる。黒体吸収部の非常に良好な近似値が得られた試験を、最小限の黒体領域によって実現する。ここで、反射空洞１３の長さは、空洞入り口開口の直径の約７倍である。上記構成によれば、約９５％の太陽エネルギーが吸収される。
【００３５】
空洞１３の長さを長くすると、太陽光線の吸収率も上がる。しかしながら、等温体１２の長さもまた長くなる。等温体１２のサイズが大きくなるにつれて、同じように等温体１２からの熱伝導による損失が増加する。そして、放射量低減（radiation reduction）により得たメリットは、等温体１２の細長い表面を介して伝導損失により相殺される。空洞１３の長さを短くすると、光線の大部分が反射して空洞１３から外に出て損失されるので、太陽光線７におけるエネルギー吸収効率が低下する。
【００３６】
空洞１３は、露出した金属の構成要素の化学的還元のための還元性気体で維持される。金属の構成要素は、酸化すると反射率が低下し、そのために装置の有効性が低減されてしまう。
【００３７】
図１０および図１１は、熱抽出手段を除いた本発明の等温体１２および空洞１３を示す図であり、空洞１３の入り口２０を介して太陽光線７のひとつの光線が、空洞１３の反射壁に衝突しながらたどる径路を示す図である。上記の例において、太陽光線７または光子は、最終的に空洞壁によって吸収されるまで何度も反射を繰り返す。空洞壁に吸収されたエネルギーは等温体１２に伝達されて、内部エネルギーが増加または温度が上昇する。図１０および図１１において、光子がたどる径路は、無数に存在するが、説明の目的のためにひとつだけ記載している。空洞の入り口に向けられたガウス光線特性（Gaussian beam profile）を有する、焦点が合わされた光エネルギーは、空洞の内部において熱が均一に分散する範囲内で、あらゆる径路をたどる。
【００３８】
等温体１２の温度が上がるにつれて、露出面１４は、その放射率および面積に応じて、エネルギーを放射する。これが、総合的に寄生損失の原因となる。したがって、図６〜図９に示すとおり、表面放射による熱放射損失を低減する目的で、空洞の開口と等温体の外側の端との間の等温体１２の露出面またはそれ自体を覆うために、銅などの還元可能物質類でできたシールド３０を設けることは、有利な効果がある。化学的に還元可能な保護物類は、処理温度到達時に露出している構成要素のいずれを覆うことに用いてもよい。
【００３９】
図７は、熱処理の蒸気または作動流体に用いられる加熱機構を示す図である。上述の説明では、太陽エネルギーは、空洞内部の複数の反射および吸収の機構によって吸収され、これにより必要な処理温度にまで等温体１２が加熱される。作動流体は、受取部１８から進入し、円柱の中の通路１７を循環する。通路１７は、等温体１２内部に線対称に配置されている。そして、等温体１２からエネルギーが吸収され、必要な処理へと１９から出力される。
【００４０】
図６から図９に示す実施形態では、密封筐体１６が設けられている。密封筐体１６は、必要な断熱の役割を果たすとともに、還元性気体１５を含んでいる。窓５は、反射空洞１３に太陽放射光が入射するのを可能にする一方で、筐体１６を実現するために気体の漏れ口をふさぐ役割を果たす。筐体１６は、例えば、５％の水素と、それと平衡を保つための封入ガスとからなる還元性気体で満たされている。封入ガスは、作動温度にて不活性である。窒素は、安価であり、比較的高温下でも不活性であるので、窒素を選ぶとよい。同様に、アルゴンなどの他の不活性ガスを用いてもよい。還元性気体によって、還元可能金属は、要求された金属的形態を維持することができる。還元可能金属としては、例えば、無酸素銅（OFHC copper；oxygen free high conductivity copper）、あるいは、他の合金が挙げられる。上記の状態において、反射空洞１３の裏板３２の反射表面、および、シールド３０は、低放射率を維持し、これにより本発明の機能が達成される。
【００４１】
熱損失を低減するための、還元ガスを含む筐体１６は断熱してある。
【００４２】
図６から図９では、太陽放射光が空洞１３を熱するので、空洞内に金属壁を形成する金属裏板３２の熱の拡張によって、等温体１２の内部壁に対して高い圧力がかかる。これらの構成要素間の深い結びつきは、裏板３２と等温体１２との間の金属境界の熱抵抗（the thermal resistance）を減少させる。熱を受け取る等温体１２への熱伝導は拡張され、空洞に裏板およびほぼ等温の受取部を形成することによって、空洞の流束密度の最大比率が増加する。
【００４３】
図８および図９は、熱化学太陽エネルギー反応炉（a thermo-chemical solar reactor）を示す図である。反応炉では、集められた太陽光線７は、水晶窓５を介して気体を密封する筐体１６に入射する。そして、何度も空洞反射を繰り返すことによって、太陽光線７のエネルギーは、等温体１２によって吸収され、熱に変換される。反応ガスは、供給ライン２２および予熱チャンネル２４に注入することができる。予熱チャンネル２４から出力される熱い反応物質は、等温体内の反応層（reaction beds）２５に入る。ここで、触媒作用による吸熱反応が生じる。上記の例による生産物は、等温体１２の管２３から出力される。
【００４４】
図６〜図９に示される例における他の実施形態では、還元可能金属またはセラミックでできた固形の等温体が含まれており、したがって、反射空洞の裏板やシールドが不要である。他の還元ガスなどのように、主な構成要素の他の酸化抑制手段、あるいは、上述したあらゆる気体の濃度を変化させる手段は、本発明の範囲内で意図されている。
【００４５】
本発明の装置は、収集された太陽エネルギーの大部分が放射損失となるような高温での処理に好適に用いられる。より低温での処理では、放射損失はそんなに大きくはないので、本装置を用いても一般的には顕著な効果が得られない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
したがって、上述の説明は、単に、本発明の原理を説明するものとして理解されなければならない。さらに、数値の置換や変更は、当業者において容易に行えるので、本発明は、上述したまたは図示した厳密な構成および動作に限定されるものではない。したがって、再現性のある構造や動作におけるすべての適切な置換や変更は、特許請求された本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】同期変流機（electrical converter）のスターリングを駆動するように構成された、従来の太陽熱収集システムの概略を示す図である。
【図２】同期変流機（electrical converter）のスターリングを駆動するように構成された、従来の太陽熱収集システムの概略を示す図である。
【図３】従来技術に用いられている太陽集光器であって、エネルギーを活用可能レベルにまで減衰させるために、放射状にゆがめられた太陽集光器における、ターゲットの放射照度の特性（irradiance profile）示す図である。
【図４】従来技術および本発明における径方向配光（radial flux distribution）のグラフである。
【図５】ターゲットの温度および領域と黒体の熱放射損失との関係を表すグラフである。
【図６】本発明における、スターリングエンジン原動力生成システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。
【図７】本発明の加熱の用途における他の実施形態の概略を示す側断面図である。
【図８】本発明における、熱化学反応システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。
【図９】本発明における、熱化学反応システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。
【図１０】本発明の同軸の空洞を有する等温体を示す等角投影図であり、ひとつの光線の径路および空洞の作用の基本原理を示す図である。
【図１１】図１０に示す熱伝導体の端面図であり、内部の光線の径路を示す図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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