(57)【要約】【課題】光熱黒体の集熱加熱器の提供。【解決手段】本発明の提供する光熱黒体の集熱加熱器における主な構造は、最低一つの電磁輻射透明管と黒体材を備え、黒体材は透明管内に配置し、電磁輻射透明管は被加熱流体の流路管とし、前記管には被加熱流体の出入口を設け、透明管内には黒体材と透明管を隔てる黒体材制御構造を備え、黒体材は、棒体状、塊体状、片体状の材料とし、制御構造内に配置し、黒体材は各種有機物を高温酸素欠乏条件の下で生成したカーボンポリマーまたは非導電材の濃厚色のセラミック若しくは濃厚色の高分子ポリマーから選択する。流体は、直接加熱を必要とする何れかの液体とし、電磁輻射透明管は放熱管と連結し、環状路を形成し、環状路上には被加熱流体の循環ポンプを備える。流体を沸点を上昇させ氷点を低下させる塩類または有機溶剤に混入し、これを間接伝熱液体とし、電磁輻射透明管は、紫外線〜マイクロウェーブを通過できる電磁輻射透明管である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
最低一つの電磁輻射透明管と黒体材を備え、黒体材は透明管内に配置し、電磁輻射透明管は被加熱流体の流路管とし、前記管には被加熱流体の出入口を設け、透明管内には黒体材と透明管を隔てる黒体材制御構造を備えることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項２】
請求項１記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記黒体材は棒体状、塊体状、片体状の材料とし、制御構造内に配置することを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項３】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記黒体材は各種有機物を高温酸素欠乏条件の下で生成した非周期性結晶格子配列のカーボンポリマーから選択することを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項４】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記黒体材は非導電素材の濃厚色のセラミックまたは濃厚色の高分子ポリマーとすることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項５】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記電磁輻射透明管は放熱管と連結し、環状路を形成し、環状路上には被加熱流体の循環ポンプを備えることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項６】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記流体は、直接加熱を必要とする何れかの液体であることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項７】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記流体は、沸点を上昇させ氷点を低下させる塩類または有機溶剤を混入する間接伝熱液体であることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項８】
請求項３記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記流体は、直接加熱を必要とする何れかの液体であることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項９】
請求項５記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記流体は、沸点を上昇させ氷点を低下させる塩類または有機溶剤を混入する間接伝熱液体であることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【請求項１０】
請求項１または２記載の光熱黒体の集熱加熱器において、前記電磁輻射透明管は、紫外線〜マイクロウェーブを通過できる電磁輻射透明管であることを特徴とする光熱黒体の集熱加熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光熱黒体の集熱加熱器に関し、光、熱輻射を熱源とする集熱器と加熱器モジュールに係り、特に、燃焼加熱器、太陽エネルギーの輻射集熱器、加熱器モジュールに応用する構造である。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な集熱器は、通常、伝導熱もしくは赤外線部分の輻射熱を吸収するのみで、可視光線や紫外線に対しては、全く変換不可能であり、提供できる熱源に変化させることはできない。光子を吸収する場合、通常、光吸収物質は粗雑多孔で非導電性の黒体に近似する黒体物質ではなく、吸収率も大幅に低下し、光子吸収能力も非常に低いのが明らかで、集熱工具の効率は低く、加熱器の効率も高くない故に、太陽エネルギーの湯沸かし器の用途にだけしか用いられず、農業、工業、公的機関、学校、公共場所、家庭においては実際の応用例も少ないのが現状である。
【０００３】
公知技術による一般の集熱管は次の二つの方法に分けられる。
１．金属集熱器
１）燃焼加熱集熱装置：伝統的なガス加熱は、通常、銅管を集熱装置としたものを使用し、燃焼火炎上方に置き銅管内径に水を通過させ、銅管が吸収した熱量は伝導方式で水に伝える。例えば、家庭で使用する湯沸かし器はこの形式である。
２）電熱器加熱集熱装置：通常、高インピーダンス抵抗（電熱ワイヤーとセラミック電熱管）を液体中に置き、電流が抵抗を通過すると熱量が発生する（P＝I2×R）、発生したエネルギー形式は、可視光線の他は全て、赤外線と遠赤外線（電磁輻射熱）である。発生した熱量は、伝導方式により液体に伝えられる。この種の加熱方式は通常、水に対する加熱のみであるが、電熱ワイヤーと液体が直接接触する為にいくつかの深刻な問題が発生する。
i．電熱ワイヤーやセラミックの電熱管自身が、酸、塩基、その他腐食性液体に直接接触すると、液体と化学反応または溶解メカニズムを起こして電熱加熱装置を直接損傷させてしまう。
ii．電熱ワイヤーやセラミックの電熱管が有機液体（メチルアルコールやアセトン等）に直接接触して加熱する故、燃焼を起こし易く、火災発生となる危険性がある。
iii．電熱ワイヤーやセラミックの電熱管で魚の水槽やプール等の大型液体槽を加熱した場合、液体槽に亀裂があると槽内の液体が滲み出し、回路にショートや接地問題が発生し、驚くべきことに電流は回路接地の為にロスを生じる。
iv．電熱ワイヤー（セラミックの電熱管）を家庭の湯沸かし器に使用する場合、一般には間接加熱するだけであるが、直接加熱する場合は、前述したiii項のショートや接地問題が発生し、感電の危険性を引き起こすこともある。
v．電熱ワイヤーやセラミックの電熱管の生じる熱量形式は、何れも（遠）赤外線電磁輻射波であり、導体対電磁波は反射体である（鏡が可視光線電磁輻射波を反射するのと同様、これは電磁学の基本定理である）。材料の導電能力が良好である程、反射能力にも優れる。銅管吸熱装置を使用するなら、それは非常に賢くないやり方である。鉄製品はアルミ製品や銅製品より改善する箇所が多く、もし非導電黒体素材を使用するならそれは最良の熱エネルギー吸収物質となる。
３）太陽エネルギー加熱集熱装置は、電気メッキ、スプレーコーティング、エナメルコーティングを経て作製された高集熱効果を有する金属板である。底部はポリウレタンスポンジやガラス綿の保温層で、全集熱器の上方は強化ガラスで被覆する。集熱器の集熱効率を高める為に、日中の太陽光照射の吸収を基本形式とし、表面には黒色の金属板を塗布する（集熱板）。一般には、くすべて黒くするか黒く塗布した銅管を集熱板の下に配列し、ガラス等の簡単装置を被覆する。集熱板は太陽光と接触する面積を拡大する為にあり、ガラス蓋を省略し、金属板を直接、大気中に露出させる形式もある。
伝統的な燃焼器加熱管は燃焼ガス、石英管、或いは電熱ワイヤーを使って直接銅管を加熱する。水は銅管内を流通し、銅管は熱源である熱輻射を吸収した後、更に熱エネルギーを水に伝導し、並びに、水が熱エネルギーを吸収する。加熱源が発生する何れの熱エネルギーを使用したとしても、ソースは(1)（遠）赤外線(2)可視光線(3)近紫外線(4)加熱された空気と燃焼で発生した水蒸気に他ならない。
その内の（遠）赤外線、可視光線、及び近紫外線は全て、電磁波輻射であり、銅管は良導体で、電磁波輻射に対して良好な反射体となる故、この部分の反射ロスは極大で、このロス部分がまた、熱エネルギーの主要ソースである。石英管と電熱ワイヤー（非直接接触式、電熱ワイヤーが直接銅管に接触すると感電の危険性あり）は、元来、輻射に頼って加熱しており、そのロスはこれ程大きい事がわかる。即ち、銅管の吸収する熱源は主に第(4)項の加熱された空気と燃焼で発生した水蒸気であり、銅管は本発明の熱吸収材と比較して効率的ではない。
【０００４】
２．集熱管
図１に示す通り、１はガラスやその他透明容器、２は流体、３は黒体物質である。伝統的な集熱管は管壁に酸化クロムや窒化アルミニウムをメッキして黒体を形成し、伝導作用によって、太陽光の照度が弱くなった時に、集熱管内の熱湯が収集済みの熱を逆にガラス管に伝導し、ガラス管が更に、黒体メッキ膜に熱伝導する。黒体メッキ膜は熱輻射の最良の吸収体となり、同時に、熱輻射の最良放射体ともなる。熱輻射は管壁の黒体を経て輻射される故、熱エネルギーの巨大な損失を引き起こす。
黒体メッキ膜はガラス管壁に蒸着またはスパッタ法で酸化クロムや窒化アルミニウムの薄膜をメッキし  光子吸収膜とするもので、蒸着またはスパッタ法に関わらず、通常は真空中で操作しなければならず、技術は非常に複雑で不便である。
【０００５】
ここで酸化クロムと窒化アルミニウムの特性及び使用の不便性に関し説明を行う。
酸化クロム（酸化クロムメッキ膜集熱管）：
毒性問題故に、六価クロムを使用禁止物質とする。よって、三酸化クロムだけを使用する。三酸化クロムは通常、エンジ色の傾斜結晶を成し、水、アルコール、硫酸、エーテルに溶解可能であるが、アセトンには溶解せず、潮解し易い。
三酸化クロムは水、アルコール、エーテルに溶解し、潮解し易い故、ガラス管の内壁にメッキすることは出来ない。三酸化クロムがガラス管外壁で吸収した熱輻射は、ガラス管自身と流体（水またはアルコール）間の熱伝導に基づいて達成されなければならないが、ガラス本体が熱伝統に対して良好な熱遮断材となる。三酸化クロムがここで演じる役柄は「黒体」である。「黒体」は熱輻射に対して良好な吸収材となり、これに相対して良好な輻射材でもある。ガラス管が三酸化クロムの吸収する熱輻射を熱伝導メカニズムによって迅速に流体に移動できない為、熱輻射は空間中で素早く放散する。この時、集熱管は放熱管に変化し、熱の損失を引き起こす。
三酸化クロムの致命的な欠点は燃焼爆発特性を有する点である。無水クロム酸自身には可燃性はないが、有機物や易燃物質に出会うと、有機物、可燃物の燃焼を引き起こす。イオウ、リン及びある種の有機物と混合した後、摩擦、衝撃があると、燃焼爆発を起こす危険性があり、柔らかい粉末状の可燃物とは爆発性混合物を組成する。三酸化クロム薄膜をガラス管外壁にメッキすると湿気を吸収する。三酸化クロム薄膜をガラス管内壁にメッキした場合、有機流体にぶつかると反応を起こし、爆発することさえもある。以上は不便な点である。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
三酸化クロムの融点は極端に低く、196℃にしか及ばない。物理性質も不安定である。三酸化クロムの使用が不便である故、窒化アルミニウム薄膜を使用する者が現れた。
【０００８】
窒化アルミニウム（窒化アルミニウムメッキ膜集熱管）：
窒化アルミニウム（AIN）は人工セラミック材である。窒素原子とアルミニウム原子間は主に、共有結合による六方晶系のウルツ鉱（Wurtzite）構造である。即ち、ダイヤモンドに類似し、四面体配置の結合の強い共有結合を成す。強度が非常に強い共有結合によって、窒化アルミニウムは高融点となり、しかも、共有結合の共振によりフォノン熱伝達を形成することから、窒化アルミニウムは同時に、高熱伝導性を備えることができる。それが、(1)低原子量(2)強い原子間結合(3)簡単な結晶構造(4)高い結晶格子振動協調性等の四特徴に符合する故、高熱伝導率を有する数少ない非金属固体となる。窒化アルミニウム単結晶の理論上の熱伝導率は320W/m・Kに達する。窒化アルミニウムの硬度も高く、その破壊強度は5000kg/cm2に達し、マイクロビッカース硬度は約1200 kg/cm2である。また、窒化アルミニウムは直接エネルギーバンドを備え、そのエネルギーバンドギャップ（Energy Band Gap）は6.2eVである。よって、高純度の窒化アルミニウム結晶は、無色で光透過性はあるが（室温での吸収波長は2000Å）、窒化アルミニウムの中に酸素或いは金属不純物が残る場合はその光透過性は失われる。物理及び化学特性は次の表２の通りである。
【０００９】
【表２】
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【００１０】
表２からわかる通り、窒化アルミニウム使用にはいくつかの問題点が存在する。
・窒化アルミニウムの主な吸収波長は2000Åで、濃厚な紫外線波長である。太陽光が地表に輻射される時は殆どにおいてこの波長帯はない。よって窒化アルミニウムは太陽光輻射の吸収に対して良好な材料とは必ずしも言えない。
・窒化アルミニウムは人工で合成されたもので、自然界に存在する材料ではない。窒化アルミニウムの製造と取得は非常に難しい。
・窒化アルミニウムはO2、O3、-OH基において使用する場合、酸化して白色の酸化アルミニウムに変化する可能性がある。よって、窒化アルミニウムは高温使用できず、通常は150℃以下での使用となる。
【００１１】
窒化アルミニウムは-OH基において使用する場合、酸化する可能性がある故、通常はガラス管外壁にメッキ膜をし、窒化アルミニウムが収集した熱は熱伝導が極端に悪いガラスやアクリルを通して水に至る。ガラスやアクリル自身は熱伝導に対して良好な熱遮断材であり、三酸化クロムがここで演じるのは「黒体」の役柄である。「黒体」は熱輻射に対して良好な吸収材となり、これに相対して良好な輻射材でもある。ガラス管が三酸化クロムの吸収する熱輻射を熱伝導メカニズムによって迅速に流体に移動できない為、熱輻射は空間中で素早く放散する。この時、集熱管は放熱管となり、熱損失を引き起こす。
【００１２】
温度は勾配し、輻射発散速度は温度傾度分布により決定される。黒体物質が空気に直接接触し、温度下降が極端に早く、水の温度がガラスを介して黒体に伝導されるだけでなく、輻射作用により黒体物質に直接送られてから空気中に放散される。黒体輻射効果故に、太陽光輻射強度が低下した時、集熱管は放熱管となる。
【００１３】
公知の加熱器は通常、燃焼器もしくは電熱器を使用して直接集熱器を加熱する。例えば、浴室用の湯沸かし器は通常、ガスを使用して銅管を加熱し、魚の水槽には電熱加熱棒を使用して加熱し、鍋には電熱ワイヤー・電熱コンロを使って加熱する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の主な目的は、濃厚色の非導電物質を集熱器及び加熱器モジュールとする構造で、濃厚色の非導電物質をその黒体輻射集熱器及び加熱器モジュールとする光熱黒体の集熱加熱器を提供することにある。
【００１５】
本発明の次の目的は、濃厚色の非導電物質を一般燃焼系統または電熱系統の集熱器及び加熱器モジュールとする構造を提供することにあり、濃厚色の非導電物質またはカーボンポリマーをその黒体輻射集熱器及び加熱器モジュールとする。
【００１６】
本発明の三つ目の目的は、カーボンポリマーを集熱器及び加熱器モジュールとする構造を提供することにあり、カーボンポリマーの多孔特性が水質を浄化し、ガラス管の清浄を保ち、集熱管の使用寿命を延ばす。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の技術方案において、本発明光熱黒体の集熱加熱器の主な構造は次の通りである。最低一つの電磁輻射透明管と黒体材を備え、黒体材は透明管内に配置し、電磁輻射透明管は被加熱流体の流路管とし、前記管には被加熱流体の出入口を設け、透明管内には黒体材料と透明管を隔てる黒体材制御構造を備える。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、黒体材は棒体状、塊体状、片体状とし、制御構造内に配置する。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、黒体材は各種有機物を高温酸素欠乏の条件の下で生成したカーボンポリマーから選択することを特徴とする。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、黒体材は非導電素材の濃厚色のセラミックまたは濃厚色の高分子ポリマーとする。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、電磁輻射透明管は放熱管と連結し、環状路を形成し、環状路上には被加熱流体の循環ポンプを備える。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、流体は直接加熱を必要とする何れかの液体とする。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、流体は、沸点を上昇させ氷点を低下させる塩類または有機溶剤を混入する間接伝熱液体である。
前記の光熱黒体の集熱加熱器において、電磁輻射透明管は、紫外線〜赤外線を通過する電磁輻射透明管である。
【発明の効果】
【００１８】
公知の加熱器と本発明の加熱器を使用して加熱した場合を以下表３に比較する。
【００１９】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】公知の黒体の集熱管構造である。
【図２】本発明の光熱黒体の集熱加熱器に関する加熱管構造図である。
【図３】本発明の光熱黒体の集熱加熱器に関する水槽加熱図である。
【図４】本発明の光熱黒体の集熱加熱器による電気機械ユニットの加熱図である。
【図５】太陽輻射の電磁波グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の指す集熱器中の光と熱を吸収する黒体材は物理学上での黒体であり、現実には真の黒体材は稀であり、一般の黒色非導電材中の多くの材料が黒体材である。コストと構造簡素化の要望に応える為に、本発明で使用する黒体材は黒体材の代替とし、黒体物質表面を粗くすることにより、その黒体材は更に黒体材に近いものとなる。これが黒体材の定義である。黒炭は黒体に近く、光の最良吸収体である。黒炭は炭素の同質異形体であり、石墨とは異なる。黒炭内は主に炭素の微結晶であり、不連続で散乱する微結晶である故、導電不可能である。電磁波が黒炭表面に輻射照射し反射される比率は小さく、物理化学特性が安定し、無毒で、簡単に取得できる黒体材である。
【００２２】
本発明では非結晶の炭を黒体材とする。一般の炭は、有機の固体物質を無酸素下で高温により作製することを生成条件とする。よく見られる物には、木炭、竹炭、木炭、竹炭と椰子の殻炭があり多孔特性を有する。同時に、水質を浄化可能であり、ガラス管の清浄を保ち、集熱管の使用寿命を延ばす。
説明を必要とするのは、全て黒炭であり、石炭もまた、木炭、竹炭、椰子の殻炭、またはその他植物の木質部分の炭化物に属するが、石炭は良好な黒体材ではない。石炭は高温高圧条件の下、長時間かけてゆっくり生成するものであり、比較的完全な周期性結晶構造を有するものは不適当な黒炭材となる。よって、黒炭材料全てが使用可能なのではない。
【００２３】
石炭と石墨は炭素分子が無酸素高温高圧時にゆっくりベクトル配列し生成されるもので、石墨分子は周期性のある稠密六方格子（hcp）の結晶格子構造を成し、光沢があり、良導体で電磁波に対し良好な反射性と一定能力のシールド力を備える。その結晶格子構造は層と層の間スライド可能で、潤滑材として使用できる。炭は無酸素高温状態の下で迅速生成される。特に注意を払わなければならないのは、迅速生成するカーボンポリマーであり、炭素分子は散乱し非安定的な微結晶配列が出現し、常に繊維状混合物、多孔、絶縁体、無光沢が見られ、これは電磁波に対して良好な吸収体となる。
【００２４】
その内、特に注意するべきなのが、木炭、竹炭、椰子殻炭等の黒炭類材料であり、材質が非常に柔らかく、良好な黒体材であるが、材質が柔らかすぎる故、黒体制御メカニズムを使用しなければならない。濃厚色のセラミック製品もまた非常に脆く亀裂し易い材質であり、直接加熱使用する場合、黒体制御メカニズムを使わなくてはならない。さもなければ、流体が押し流されると亀裂し、酷い場合は、被加熱液体と機械設備を汚染することになる。よって、使用する場合は、棒体状、塊体状、片体状の黒炭類材料とし、固定を加え、制御メカニズムにより柔らかい黒炭類材料を共に一つにすることにより、柔らかい黒炭類材料が移動して相互にぶつかり合い粉砕するのを防止し、材料の砕けた欠片と粉末による液体汚染を低下し、並びに、柔らかい黒炭類材料が液体中に存在する微小な汚染物質に対して吸着能力を生じさせ、水質を浄化し、吸熱管の使用寿命を延長が可能となる。
【００２５】
次に、輻射が黒体（黒体）によって吸収された後の問題点を通常、三方面から討論する。
１．黒体輻射とプランクエネルギー
光はある特定周波数範囲の電磁波である。物体が加熱されると、それが電磁波の形式で赤外線を輻射される。物体が継続的に加熱を続けて行くと、赤色波長部分が可視となる。しかし、大多数の熱輻射は依然として赤外線で、一部黒体スペクトラムを達成し、並びに測定することも可能である。
黒体輻射に関する量子方程式は量子力学の最初の部分である。エネルギーE、輻射周波数f、及び温度Tは、次の数１如し書くことができる。
【数１】
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h＝6.63×10-27エルグ    秒＝6.63×10-34ジュール、秒（プランク定数）
k＝1.3806505(24)×10-23J/K（ボルツマン定数）
【００２６】
２．光と物質の相互作用-黒体輻射：
黒体は理想化した物体であり、それはその上に照射された全ての輻射を吸収し並びに、これらの輻射を熱輻射に変換する。この熱輻射スペクトラムの特徴は、黒体の温度との相関関係だけである。プランクは物体中の原子を微小の振動器の黒体輻射公式に当てはめた。これらの原子振動器のエネルギーは連続的でなく離れ離れである。
En＝n×h×v，  後、方程式は修正される。  En＝（n＋1/2）×h×v
【００２７】
３．輻射熱交換（黒体輻射（Blackbody Radiation））
黒体輻射の法則：Eb＝σbT4
黒度（灰度）：ε＝E/Eb，E＝εEb＝εσbT4
両表面間の輻射熱交換：有効輻射概念：J＝εEb＋RG
その内のJ：有効輻射  εEb：それ自体の輻射  R：反射率  G：投射輻射
【数２】
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その内のρｖは輻射エネルギー密度（radiant energy density）であり、vは周波数、Tは絶対温度、αとβは常数、cは光速度である。
【００２８】
１．光電効果
光照射により金属中から電子が飛び出し、これらの電子の運動エネルギーを測量できる。入射光の強度に関わらず、光の周波数が閾値を超過すると電子が射出される。その後、飛び出した電子の運動エネルギーは光の周波数に従い線形性に上昇する。また、光強度は射出する電子数量を決定するだけである。アインシュタインは光量子の理論を提唱しそれによって解釈した。
光量子のエネルギーは、E＝h×v
光電効果において、このエネルギーは金属中の電子射出（仕事関数）や電子加速（運動エネルギー）に使用される。
【数３】
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このmは電子の質量、v はその速度である。光の的周波数が小さ過ぎる場合、光強度がどれ程大きくても、電子は仕事係数を超えることはできない。
【００２９】
ボーアの原子模型：電子は電磁波を放出する場合、マックスウェルの電磁気学に基づかず、二つの定常状態にある“準位”の間で“量子遷移”が起こる。この模型は原子構造と線スペクトラムに理論原理を与えた。ボーアは、電子は一定のエネルギー状態Enの軌道を運動し、ある一つの電子がエネルギーの比較的高い軌道（En）から他のエネルギーの比較的低い軌道（Em）へと遷移する場合、それが放射する光の振動数はhv＝En−Emとなり、同振動数の光電子を吸収することにより、エネルギーの低い軌道からエネルギーの高い軌道へ遷移すると考えた。
【００３０】
２．反転分布（population inversion）
黒体物質が高いエネルギー状態の光子（例えば紫外線）を吸収すると、「自然放出」や「強制誘導放出」が起こる。誘導され高いエネルギー状態にある電子は、電子遷移により赤外線（熱エネルギー）または機械エネルギーに変換する。熱力学第一法則、即ち、エネルギー保存の法則（エネルギー不滅原理）に基づくと、機械エネルギーの成す乱れが最後には完全に熱形態に変換され、変換後の熱は流体によって完全に吸収される。
【００３１】
熱力学第一法則はエネルギー保存の法則（エネルギー不滅原理）である。
各系統には内部エネルギーUがあり、それは仕事Wと熱量Qによってエネルギー形式で変化する。即ち、dU＝δQ＋δW
【００３２】
一つの封鎖系統のエネルギーは変化することがない。異なるエネルギー形式間において相互に変換するが、エネルギーは訳なく、生じることもなければ、訳なく、消失することもない。黒体の吸収する太陽輻射光子は殆ど完全に熱に変換することを十分に説明する。
【００３３】
事実において、あらゆる物質は高いエネルギー状態の光子を吸収すると、赤外線を放射する。「反転分布」この非線形性光学によって、如何にして可視光線と紫外線が熱エネルギーに変換できるのかを解釈することが可能となる（赤外線、遠赤外線、及び機械エネルギーの振動）。
【００３４】
黒体は更に、吸収した光子を熱に変換し、熱は熱交換によって流体に吸収され、極端に良好な熱吸収と交換源となる。黒体物質は流体の中に浸り、黒体物質に加わる輻射エネルギーは殆ど100％が流体によって吸収される。そうでない場合、エネルギーは行き場所を失うことになり、エネルギー保存の法則に反してしまう。よって、高温の黒体材は流体の中に浸る。温度傾度分布の理論に基づき、高温の黒体物質はその温度を迅速に流体に伝導して、フェルミレベルの安定状態（基本状態）により接近し、黒体は高温である故に燃焼することはなく、熱衝撃の為に亀裂することもない。
【００３５】
次に、本発明の構造及び一部実施例に関する説明を行う。
本発明は、湯沸かし器熱交換器等の燃焼器の集熱器及び加熱器に使用するものであり、良好な効果を有し、特に、直接的に集熱加熱器を燃焼させるか間接的に集熱加熱器を燃焼させるものである。
公知の燃焼器加熱管は燃焼ガス、石英管、或いは電熱ワイヤーを使用し直接銅管を加熱する。水は銅管内を流通し、銅管は熱源である熱輻射を吸収した後、更に熱エネルギーを水に伝導し、並びに、水が熱エネルギーを吸収する。加熱源が発生する何れの熱エネルギーを使用したとしても、ソースは（1）（遠）赤外線（2）可視光線（3）近紫外線（4）加熱された空気と燃焼で発生した水蒸気に他ならない。
その内の（遠）赤外線、可視光線、及び近紫外線は全て、電磁波輻射であり、銅管は良導体で、電磁波輻射に対して良好な反射体となる故、この部分の反射ロスは極大で、このロス部分がまた、熱エネルギーの主要ソースである。石英管と電熱ワイヤー（非直接接触式、電熱ワイヤーが直接銅管に接触すると感電の危険性あり）は、元来、輻射に頼って加熱しており、そのロスはこれ程大きい事がわかる。即ち、銅管の吸収する熱源は主に第（4）項の加熱された空気と燃焼で発生した水蒸気であり、銅管は本発明の熱吸収材と比較して効率的ではない。
【００３６】
図２に示す通り、本発明は、耐熱電磁輻射透明管１を流体流路管とし、管内に黒炭（木炭または竹炭）等黒体材３を入れ、制御メカニズム１２が黒炭を透明管１の軸心周囲に制御することにより、黒体材３と透明管１の間に間隔を空けて黒体材３が熱量を直接透明管１に伝えるのを防止する。黒体は輻射に対して最良の吸収体となり、黒体は熱輻射を吸収した後、即刻通過した流体に直接伝導（温度が勾配関数である故、高いエネルギーレベルは低いエネルギーレベルに伝導することにより、高いエネルギーレベル物体は更にフェルミレベルにより接近）し、流体の温度を上昇させる。
黒体材は非導電材の濃厚色セラミックまたは濃厚色高分子ポリマーとすることも可能である。濃厚色とは、何れの黒色成分を加えた色を指す。
前記電磁輻射透明管１は、ガラス管、石英管、セラミック管、ファイバー管、高分子ポリマー管の何れか一つとし、電磁輻射波を妨害するものでなければよいとする。
本実施例は流体を直接加熱して使用するもので、太陽エネルギーの湯沸かし器を例とし、流体は直接加熱される水である。本発明は、太陽エネルギー集熱管または太陽エネルギー湯沸かし器を作製することができる。太陽エネルギーの集熱管には電磁輻射透明管及び黒体材を備え、黒体材は前記透明管内に配置し、電磁輻射透明管は被加熱流体の流路管とし、前記管には被加熱流体の出入口を設置し、多数の管を貫通、連結することも可能である。その他の技術は公知技術と同様であり、本発明の要点は、吸熱する黒体材を前記透明管の中に配置することにある。
【００３７】
図３及び図４に示す通り、本発明もまた加熱源となり、間接的にその他対象に加熱を行う。
図３において、１は電磁輻射透明管（ガラス、セラミック、石英、プラスチック、若しくは、その他輻射に対する透明の非導電材容器）、２は流体、３は黒体材、４は黒体光熱吸収器モジュール、５は熱源、６は被加熱流体、７は水槽または化学反応槽、１０は循環ポンプ（pump）。
前記電磁輻射透明管１は補助放熱器１１に連結し、環状路を形成し、環状路上には被加熱流体の循環ポンプ１０を備える。流体２は循環ポンプ１０の作用の下、環状路中において流動し、放熱器１１を経て熱量を水槽７中の被加熱水または流体６に伝える。または、放熱器１１は直接熱量を周囲に放出し、暖房設備とする。
図４は放熱器１１の光熱黒体の集熱加熱器が電気機械ユニットに熱を与えている実施例である。
１は電磁輻射透明管（ガラス又はその他透明容器）、２は流体、３は黒体材、４は黒体光熱吸収器モジュール、８は発電装置またはその他加熱装置、冷却装置、９は吸熱器、１０は循環ポンプ（pump）、１３は熱伝導管。
前記電磁輻射透明管１は放熱器とする熱伝導管１３と連結し、環状路を形成し、環状路上には被加熱流体の循環ポンプ１０を備える。流体２は循環ポンプ１０の作用の下、環状路中において流動し、熱伝導管１３を経て熱量を吸熱器９に伝え、吸熱器９は熱エネルギーを発電装置またはその他加熱装置、冷却装置８に伝える。太陽エネルギー発電、太陽エネルギー冷凍等の各領域に応用可能である。
【００３８】
流体部分について例を挙げて説明を行う。
１．通常の使用には燃焼性の水を備えない。
２．沸点を高め氷点を下げる為に、水溶性のある流体もしくは物質を混入し、間接的な加熱を行う加熱器とする。例えば、塩類または有機溶剤を混入する。
i 塩類：塩水の密度は固定せず（濃度が高ければ密度も高くなる）、且つ、沸騰の沸点は一定点の温度上にはない（温度は継続的に上昇）。大気圧の下、純粋沸点100℃、塩類融点と沸点は何れも高くなければならない。例えば食塩（ナトリウム塩）の融点800℃では沸点は1465℃、臭化リチウム（リチウム塩）の沸点は1265℃である。よって、塩水を加熱した時、流体の沸点を向上させ、集熱器の使用範囲を高め、大幅に水の氷点を低下させることができる。食塩水は導電物質であり、熱の伝導を加速させる。
ii 有機溶剤：グリコールは常温下で無色、無臭、甘味のある粘り気のある液体である。比重1.1132、沸点197.2℃、凝固点-12.6℃、引火点116℃、発火点412℃、爆発極限上限3.2％〜15.3％（体積）。水、エタノールとアセトンの混合溶液は、水の氷点を大幅に低下させる。
iii グリコール及び食塩水等の不凍流体は水の屈折率を向上させることにより光の入射率を高める。水の屈折率は1.33で、容器ガラスの屈折率は1.5、食塩水は水の屈折率を高め、ガラスの屈折率を超えることさえもあり、光輻射の入射率と透過率を大幅に向上させることにより、黒体物質は更に多くの光子を吸収し、太陽エネルギー使用効率をアップさせる。光が光学的に疎な物質（ガラス壁）から光学的に密な物質（食塩水）に入射する場合は高透過で、反対に、光が光学的に密な物質（ガラス壁）から光学的に疎な物質（水）に入射する場合は高反射である。
【００３９】
このような組み合わせによって良好な光吸収率と光熱変換率を得られる。主に、更に高温の熱交換熱源流体を取得可能である。
電磁輻射透明管は紫外線〜赤外線を経た電磁輻射透明管である。
太陽光中の赤外線と遠赤外線は木炭によって直接吸収され、熱交換を通して熱を「塩水＋グリコール」に直接交換することが可能である。「塩水＋グリコール」の沸点は100℃を大幅に超えている故、太陽エネルギー湯沸かし器の熱交換器の熱源用途にできるだけでなく、各種発電機を駆動でき、太陽エネルギー発電用途にも使える。
【００４０】
本発明の黒体と流体は電磁輻射透明管（ガラス管、セラミック管、石英管、プラスチック、或いはその他輻射に対する透明の非導電材容器）中に使用し、黒体は透明管と直接接触せず、熱エネルギー低下は伝導作用によって直接透明管に対し無効な加熱を行ない、黒体は流体の中に浸され、黒体の熱輻射放出は流体によって必然的に受け入れられる。本発明は、黒体が輻射を空気中に直接放出することにより生じる熱エネルギー損失により、熱エネルギーを減少することができる。公知の集熱管は管壁に酸化クロムや窒化アルミニウムをメッキし黒体を作り出したが、その伝導作用により、集熱管内の熱湯が熱をガラス管に伝え、ガラス管が更にその熱を黒体に伝えるもので、黒体は熱輻射の最良吸収体となり、同時に熱輻射の最良放射体でもあり、熱輻射は管壁の黒体を経て放射されて熱エネルギーの巨大な損失を引き起こす。
【００４１】
本発明の太陽エネルギー吸収を実施例として説明を行う。太陽エネルギーは地球表面に伝えられ、それは主に輻射熱である。現在、太陽光を含む各種射線について説明する。
太陽の光度（Luminosity）の光度とは物体の放射する総エネルギーであり、太陽光度は4×1026W。一秒以内にある特定面積が受け取るエネルギーを輻射流量（flux）と呼び、地球が一秒以内に一平方メートルに受け取る太陽輻射流量は1370Wである。地球が受け取るエネルギーを太陽常数（Solar Constant）とも言い、その数値は2cal/cm2/minで、一天文単位の距離において太陽エネルギーは一分間に一立方メートルの水2Kを加熱し、これは単に太陽光度の一部分であることを意味している。
太陽光のスペクトラムは紫外線UV-Bから赤外線までずっと延びており、最長波長は約4,000nmである。
【００４２】
エネルギー分布によって図７を見てみると、
主に、狭い可視光線波帯が44％を占める。
その他紫外線が7％を占める。
赤外線が37％を占める。
遠赤外線部分が11％を占める。
【００４３】
公知の集熱器は通常、赤外線と遠赤外線部分の48％熱輻射を吸収できるだけであり、その他の51％の可視光線と紫外線は全く変換できない故、利用できる熱源に変えて吸収できず、しかも、光子を吸収する場合、光吸収物質は通常、粗く多孔で非導電性の黒体に近似する物質ではない為、吸収率は大幅に低下し、効率の低い集熱工具である。よって、ある面積内に高いエネルギー源を集めることは難しくなる。
【００４４】
本発明は燃焼集熱加熱装置、電熱集熱加熱装置、地熱集熱加熱装置、生物エネルギー集熱加熱、及び太陽エネルギー集熱装置の何れか一つに応用可能である。
【００４５】
本発明は各種鍋やコンロの熱源を受ける部分にも使用可能である。しかし、熱輻射の吸収能力を高められるだけでなく、変換後の熱は流体沸点の制限を受けて、鍋やコンロの受ける温度制御を確保でき、鍋やコンロの使用上の安全性を保障する。沸点の制御により、熱源に恒温状態を保たせる便宜を図る。
【符号の説明】
【００４６】
１      電磁輻射透明管（ガラス又はその他透明容器）
２      流体
３      黒体材
４      黒体光熱吸収器モジュール
５      熱源
６      被加熱水または流体
７      水槽または化学反応槽
８      発電機またはその他加熱、冷却装置
９      吸熱器
１０    循環ポンプ（pump）
１１    放熱器
１２    制御構造
【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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【国際調査報告】
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