(57)【要約】【課題】  材料素材の寸法制限や運搬手段の制限を超えて形成できる大型のキャビティ型集光太陽光受光・熱交換器を実現する。【解決手段】  材料素材の耐熱性等を維持する寸法制限内、又は運搬制限範囲内の寸法で複数の同一形状・寸法のキャビティ型要素型集光太陽光受光・熱交換器を製作し、これらを互いに平面上あるいは曲面上に連結・集積することによって、大受光面積の集積型集光太陽光受光・熱交換器を構成する。連結する要素型集光太陽光受光・熱交換器が同一形状・寸法であることにより、製造が容易・安価・高信頼性であり、また宇宙の軌道上では組み立てが容易となる。要素型集光太陽光受光・熱交換器のキャビティ型１として、２重または３重の円筒形状を採用し、その円筒外周部の受光面とは反対側に連結のための正４角形または正６角形支持構造部材１０を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大面積に集光された太陽光を受光・熱交換するための集光太陽光受光・熱交換器であって、小面積集光に対応する複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を平面または曲面上に近接結合して、大面積集光に対応する受光・熱交換器を構成することを特徴とする集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【請求項２】
前記要素型集光太陽光受光器が、キャビティ型受光・熱交換器である請求項１に記載の集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【請求項３】
前記複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を近接結合する形態が、隣接する各要素型集光太陽光受光・熱交換器の支持構造同士を互いに連結して全体支持構造を構成する請求項１又は２に記載の集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【請求項４】
前記要素型集光太陽光受光・熱交換器は、受光側が開口し内部を熱交換媒体が通過する２重または３重円筒形状のキャビティ型を有し、該キャビティ型の前記受光側と反対側の外周部に正６角形又は４角形の連結用支持構造部材を設けてなり、前記各要素型集光太陽光受光・熱交換器同士を前記連結用支持構造部材を介して一体に連結して組立てることを特徴とする請求項２又は３に記載の集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【請求項５】
前記要素型集光太陽光受光・熱交換機のキャビティ型が、正３角形、矩形、正６角形、または十字形の２重または３重の筒形形状であり、該キャビティ型が密に接触するように平面連結することによる平面集積、または正５角形と正６角形の組み合わせによるサッカーボール状の曲面上にて密に連結・集積することを特徴とする請求項２又は３に記載の集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【請求項６】
前記要素型集光太陽光受光・熱交換機のキャビティ型が、正３角形、矩形、正６角形、または十字形の２重または３重の筒形形状であり、それら同士を受光・熱交換器として最適の間隙幅にて平面連結することによる平面集積、または正５角形と正６角形の組み合わせによるサッカーボール状の曲面上にて、それら同士を所定の間隙幅にて連結・集積することを特徴とする請求項２又は３に記載の集積型集光太陽光受光・熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光太陽光受光・熱交換器の大型化、大面積型化のために、複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を集積した集積型集光太陽光受光・熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集光太陽光受光・熱交換器としては、線集光に対しては一般に線焦点型太陽集光鏡の線焦点にパイプを配置して、その中に熱交換する液体を通過させる方式が採用されてきた。この線集光型の場合は集光比が数百倍であるので、３００Ｋから１，０００Ｋでの熱交換に使用される。この場合には受光・熱交換器の材料として、耐熱合金の採用で製作には特に問題はない。
【０００３】
より高温での熱交換のためには、点焦点型太陽集光鏡の点焦点に一個の円形キャビティを有する受光・熱交換器を設置することが一般的である。この場合には、集光比は数千〜数万倍に達するので、２０００Ｋ以上の高温での熱交換が可能となり、特に宇宙での太陽熱推進や熱電子発電への応用が有望視されている。また約１５００Ｋまでの温度では、耐熱合金による受光・熱交換器が使用できる可能性があり、宇宙での熱機関発電への応用が期待されているが、それ以上、すなわち１５００Ｋ〜３５００Ｋでは、通常の耐熱合金は使用できず、モリブデン、タングステンなどの高融点金属やセラミックスを用いることになる。
【０００４】
高融点金属の一種であるタンタルは強度が低く、熱交換剤の圧力が高くなりがちな高温熱交換器には使用が困難である。またレニウムは高温での使用後の脆性化がなく、溶接すら可能であり、熱交換ガスとして使用されることの多い高温水素とも反応しない極めて優れた材料であるが、極めて高価である。一方、セラミックスは一般に気密性に乏しく、また金属配管との接合部の強度、気密性の確保に問題があり、特に漏れやすい水素の使用が困難である。
他方、安価なモリブデン、タングステンは高温での使用中に結晶粒径が増大して、脆性化する重大な欠点があり、信頼性に極めて乏しく、特に宇宙での使用は極めて困難である。
【０００５】
そこで、モリブデンやタングステンの単結晶材料を使用する方法があり、非特許文献１，２に発表されているが、これらの単結晶材料の素材としての大きさに数ミリメートルから数センチメートルという制限があり、溶接すると単結晶性が多くの場合に失われるので、それ以上の大受光面積の一個のキャビティを有する高温の集光太陽光受光・熱交換器用の製作は困難であった。
【０００６】
また、直径数メートルを超える大受光面積の大型キャビティの製造は、耐熱合金ならば可能であるが、運搬に困難をきたす。特に宇宙用の集光太陽光受光・熱交換器の場合には、宇宙への運搬手段であるロケットやスペースシャトルにおける荷物の外形寸法制限が数メートルであり、将来の太陽発電衛星などのような超大型宇宙構造物用の外径１０メートル以上の大受光面型にて一個のキャビティを有する集光太陽光受光・熱交換器を一体で打ち上げることは、かなりの将来（恐らく２１世紀中頃）まで不可能である。また、分割して宇宙の軌道上で組み立てる方法も、各部品・部材の形状寸法が雑多となり、軌道上での組み立てが複雑となって、地上ロボットよりはるかに制約が厳しい宇宙ロボットなどによる無人組み立ての実施は極めて困難である。また有人による宇宙での組み立て作業は、危険かつ極めて高価である。
【非特許文献１】Morio Shimizu, Hitoshi Naito, Hironori Sahara, Tadayuki Fujii, HirooYugami, Ken-Ichi Okamoto, Shigehiko Takaoka, ”50mm Cavity Diameter SolarThermal Thruster Made of Single Crystal Molybdenum,” AIAA 2001-3733, 2001.
【非特許文献２】佐藤  等、伊藤克也、清水盛生、佐原宏典、藤井忠之、岡本謙一、高岡重彦、中村嘉宏、“超小型（外形8mm）太陽熱スラスタの集光加熱・噴射実験、”平成11年度宇宙輸送シンポジウム、pp.287-290、2000．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように何らかの寸法制限が課されている集光太陽光受光・熱交換器において、その制限を超える集光太陽光受光・熱交換器を効率的に実現することが、本発明が解決しようとする課題である。
第１の寸法制限としては、入手可能な特殊材料素材の寸法制限があり、これを超える受光面積のキャビティ型集光太陽光受光・熱交換器を実現することが課題である。特に宇宙用としては太陽熱推進などにおいて約１５００Ｋ〜３５００Ｋの高温での集光太陽光受光・熱交換器を、例えば数ミリメートルから数センチメートルという特殊高融点材料などの素材寸法制限を大幅に超える大きさで実現することが要求される。
第２の寸法制限として、地上用のみならず宇宙用の運搬手段の寸法制限がある。約１５００Ｋ以下の温度においては、特殊素材ではなく耐熱合金の採用による大型の集光太陽光受光・熱交換器の製造そのものは可能であるが、運搬は極めて困難である。従って、地上用のみならず、特に宇宙用運搬手段の寸法制限を大幅に超える大受光面積の集光太陽光受光・熱交換器の実現が課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する為、本発明の集積型集光太陽光受光・熱交換器においては、寸法制限内の複数の同一形状・寸法の要素型集光太陽光受光・熱交換器を製作し、これらを互いに平面上あるいは曲面上に連結・集積する方法を採用する。
【０００９】
要素型集光太陽光受光・熱交換器としてキャビティ型を採用する。そして複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を近接結合する形態が、隣接する各要素型集光太陽光受光・熱交換器の支持構造（部材・配管を含む）同士が互いに平面上あるいは曲面上に連結・集積することによって、大受光面積の集積型集光太陽光受光・熱交換器を構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、何らかの寸法制限が課されている集光太陽光受光・熱交換器において、その制限を超える集光太陽光受光・熱交換器を実現することが可能となる。すなわち、寸法制限内の複数の同一形状・寸法のキャビティ型要素型集光太陽光受光・熱交換器を製作し、これらを互いに平面上あるいは曲面上に連結・集積することによって、大受光面積の集積型集光太陽光受光・熱交換器を構成する。連結する要素型集光太陽光受光・熱交換器が同一形状・寸法であることにより、製造が容易・安価・高信頼性であり、また宇宙の軌道上では特に重要な組み立てが容易となる。
【００１１】
まず、１５００Ｋ〜３５００Ｋの高温での使用のために、素材としての寸法に数ミリメートルから数センチメートルという制限があるモリブデンやタングステンの単結晶材料などの特殊素材を使用する場合、その寸法制限内で複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を製作して、それらを連結・集積することによって、制限寸法を超える大面積のキャビティを有する高温の集光太陽光受光・熱交換器用の製作が可能となる。その他の寸法制限のある特殊素材を用いる場合も同様である。
【００１２】
また、直径数メートルを超える大受光面積の大型キャビティの製造は、特殊素材でなく耐熱合金を採用すれば可能であるが、鉄道、トラックなどの地上運搬が困難である。特に宇宙への運搬においては、制限寸法は数メートルであり、これを超えることは極めて困難である。しかし本発明によって、将来の太陽発電衛星などの大規模構造物に必要となりうる直径１０メートル以上の大受光面型のキャビティ型集光太陽光受光・熱交換器は、複数の制限寸法以下の要素型集光太陽光受光・熱交換器を個別に宇宙空間に打ち上げて、それらを宇宙の軌道上にて連結・集積することによって、実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
要素型集光太陽光受光・熱交換器の外形として、２重または３重の円筒形状のキャビティ型を採用した場合、そのキャビティ円筒外周部の受光面とは反対側の外周部に連結のための正４角形または正６角形支持構造部材を設けることが集積に有利である。この場合、必然的に発生するキャビティ円筒外周部と正４角形または正６角形支持構造部材との間隙は受光キャビティとして活用できるので、熱交換器としての効率の向上のためには必ずしもその間隙を極端に狭める必要はない。すなわち、この間隔を受光・熱交換器としての最適な間隙幅を設計することができる。
【００１４】
また、要素型集光太陽光受光・熱交換器のキャビティ型外形として、正３角形、矩形、正６角形、または十字形の２重または３重の筒形形状を採用し、それらを間隙なく密に、あるいは受光・熱交換器として最適の間隙幅にて、平面連結することによる平面集積を採用できる。また、正５角形と正６角形の組み合わせによるサッカーボール状の曲面（球面の一部に内接する多面体の一部）上にて密に、あるいは受光・熱交換器として最適の間隙幅にて、連結・集積することができる。
【００１５】
この最適の間隙幅の設定に際しては、間隙部の底面は隣接する要素型集光太陽光受光・熱交換器同士を連結する部材から構成されるが、この底面にも集光太陽光は到達するので、ここを２重底として熱交換媒体を流すこと、あるいはそのための配管を底面部にできるだけ蜜に設置することが有利となりうる。
【実施例１】
【００１６】
本発明の集積型集光太陽光受光・熱交換器の実施例を、図面を参照して説明する。本発明の実施例における２重円筒キャビティ型の要素型集光太陽光受光・熱交換器の形状を図１に示す。
受光キャビティ型１は外筒２、内筒３、底面４にて受光面となるキャビティ５を構成する。反射鏡（図示せず）からの集光太陽光６は、単独使用の場合にはキャビティ５内に入射する。そして熱交換媒体はその供給管７から供給されて、２重円筒の外筒２と内筒３の間隙を通過する過程で加熱され、排出管８から排出される。太陽熱スラスタの場合にはこの排出管にノズルを設置して、そこから加熱された熱交換媒体である推進剤を噴出して推力を得る。
【００１７】
しかし、集光太陽光の太陽像が上記のキャビティ径より遙かに大きく場合には、複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を連結・集積して、太陽像をカバーすることになる。この場合には、後に図２にて詳しく説明するように、集光太陽光はキャビティ内だけでなく、キャビティ型端面９、さらには各要素キャビティ間の隙間にも入射するので、外筒２の外面、さらには底面４付近に存在する支持構造部材１０の連結部１１をも照射・加熱する。そこで、この連結部での熱交換のために、供給管７または排出管８と連結して熱交換媒体を通過させる熱交換配管１２を設置することが熱交換効率の向上に効果的となる。支持構造部材の連結部１１の連結構造は、適宜の手段が採用でき、特に限定されるものでない。
例えば、図１に示すように、もう１台の要素型集光太陽光受光・熱交換器を横に並べて、支持構造部材１０同士を溶接などにて連結し、また供給管７も同様に連結する。さらに熱交換配管１２同士も連結する。このようにして多数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を連結する。この場合、すべての排出管８から熱交換媒体を排出する必要はなく、その一部は封鎖しても良い。このような方法が採用できる。なお、図１及び図３では、集光太陽光６は個々のキャビティに集光しているが、このためには個別の集光系が必要となる。一般には個別でなく１機の集光系にて集光する場合が想定されるが、その場合には、個々のキャビティには集光されない。しかし、集光太陽光６は各キャビティ円筒外周部の間隙部分を含めて受光されるので、基本的には大差ない。
【００１８】
なお、上記実施例では、７を供給管、８を排出管としたが、条件によっては逆に７を排出管、８を供給管、あるいは７の一方を供給管、その反対側の供給管を排出管として、これを隣接するキャビティの供給管に連結してそこに供給して、さらに加熱する構造とすることが、熱交換効率などにて有利な場合があるので、本発明ではそれを排除しない。
【００１９】
また、本実施例の要素型集光太陽光受光・熱交換器を太陽熱推進装置に適用する場合は、各排出管８にノズルを設置する方法、複数の排出管からの熱交換媒体である推進剤をまとめて気蓄器に導入して、そこにまとめた個数に応じた大きさのノズルを設置する方法、さらにはすべての排出管からの推進剤を一個の気蓄器に導入して、そこに必要な大きさのノズルを設置する方法等が採用できる。
【００２０】
複数の円筒形キャビティ型を有する要素型集光太陽光受光・熱交換器の連結・集積においては、図２（Ａ）に示すように、キャビティ型１の間に間隙２３が必然的に発生する。そこで、太陽光の受光効率を向上するために、この間隙をキャビティとして活用することが望ましい。その場合には、その間隙の面積を最小とすることが受光効率の向上に有利とは限らず、この間隙幅に零でない最適値が存在する可能性がある。これは集光太陽光の集光状況、受光部のキャビティの直径と深さとの比等によって異なるが、有限要素法などによって計算・設計が可能である。そして、その間隙幅が零である場合（即ち、キャビティ型が直接接する場合）には、図２(Ａ)のような集積状況となり、零でない場合には、図１(Ｂ))に示すように、最適の間隙幅を有する連結のための正６角形連結・支持構造が有力である。すなわち、キャビティ型１のための正６角形支持構造部材２５は、キャビティの間の間隙幅２６が最適値となるように設計する。
但し、正６角形連結・支持構造と比較して正４角形連結・支持構造が不利とは限らず、特に連結などの点では正４角形が有利でありうる。従って、正４角形連結・支持構造を排除しない。この点に関しては、受光効率だけでなく、配管類などを含む連結の容易さ、連結・支持構造の製造の容易さ、重量などの総合的な比較が求められる。
【００２１】
また、上記のような平面上での連結・集積だけでなく、曲面（球面の一部）上での連結・集積も可能である。その例として、正５角形の周囲にそれと同じ１辺の長さの５個の正６角形を連結すると、サッカーボール状の球面の一部に内接する多面体の一部が形成される。これを利用して、６個（に限る）の円筒形キャビティをその上に集積できる。この場合、各円筒形キャビティの中心軸は平面状集積の場合のような平行とはならず、一定の放射状角度になる。このことは、集光太陽光受光における高温達成には必ずしも有利ではないが、比較的低温での受光・熱交換においては、集光角度をこの放射状角度より少し大きくできる場合には、受光部を焦点より集光装置側に移動させることによって、キャビティ数が限定した状況で効率的な受光を実現できる。
【実施例２】
【００２２】
本実施例は、３重円筒キャビティ型の要素型集光太陽光受光・熱交換器を採用した場合であり、その断面形状を図３に示す。本実施例では、外筒１５、中間筒１６、内筒１７、底面１８にてキャビティ型１４が構成される。集光太陽光６は、単独使用の場合にはキャビティ１９内に入射する。そして熱交換媒体はその底面１８付近に設置された供給部２０から供給されて、３重円筒の外筒と中間筒、ついで中間筒と内筒の間隙を通過する過程で加熱され、排出管２１から排出される。あるいは供給部２０の反対側に設置された供給部を排出部として、隣接キャビティの供給部に連結することで、そこに供給されて、さらに加熱される。太陽熱スラスタの場合にはこの排出管にノズルを設置して、そこから加熱された熱交換媒体である推進剤を噴出して推力を得る。
【００２３】
しかし、集光太陽光の太陽像が上記のキャビティ径より遙かに大きい場合には、複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を連結・集積して、太陽像をカバーするようにする。この場合には、実施例１と同様に集光太陽光はキャビティ内だけでなく、キャビティ型端面２２、さらには各要素キャビティ間の隙間にも入射するので、外筒１５の外面、さらには底面１８付近に存在する供給部２０をも加熱する。そこで、この供給部２０を、配管ではなく、キャビティ１９の底面部と同様の２重壁構造とすることと、隣接するキャビティとの連結部の機能を持たせることによって、連結したキャビティの間の間隙部分をキャビティと同様の機能を持たせることができるので、熱交換効率の向上に効果的である。
【００２４】
尚、ここでは２０を供給部、２１を排出管としたが、実施例１と同様に、条件によっては逆に２０を排出部、２１を供給管、あるいは２０を供給部、その反対側の供給部を排出部として、これに隣接するキャビティの供給管に連結してそこに供給して、さらに加熱する構造としてもよい。
【００２５】
この３重円筒キャビティ型の要素型集光太陽光受光・熱交換器を用いる場合も、連結・集積方法には実施例１の２重円筒キャビティ型の場合と基本的には変わりはないが、キャビティ底面１８近傍の連結部として、キャビティ１９の底面部と同様の２重壁構造熱交換媒体供給部を兼ねた構造が採用できるので、連結が容易となりうる。図１と同様に、図３に示すように、もう１台の要素型集光太陽光受光・熱交換器を横に並べて、２重壁構造熱交換媒体供給部を兼ねた連結部２０を溶接などにて連結する。このようにして多数の要素型集光太陽光受光・熱交換器を連結する。この場合、すべての排出管２１から熱交換媒体を排出する必要はなく、その一部は封鎖しても良い。また、本実施例の集積型集光太陽光受光・熱交換器は、太陽熱推進装置として、実施例１の場合と同様な方法で適用可能である。
【実施例３】
【００２６】
実施例１及び実施例２では要素型集光太陽光受光・熱交換器のキャビティ形状として円筒形を採用したために、各要素型集光太陽光受光・熱交換器間に間隙が生じた。この間隙を最適にするために、キャビティ型外形として、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、正３角形キャビティ型３０、矩形キャビティ型３１、正６角形キャビティ型３２、または十字形キャビティ型３３の２重または３重の筒形形状を採用し、それらの密に（間隙なく）、あるいは最適の間隙幅にて平面連結することによる平面集積することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、同一形状・寸法の要素型集光太陽光受光・熱交換器を連結することにより、寸法制限を超える集光太陽光受光・熱交換器を実現することが可能となる。そのため、特に宇宙にて使われる太陽熱推進系のスラスタ（受光・熱交換・噴射部）や宇宙用熱発電装置の受光・熱交換器を、特殊素材（単結晶高融点材料など）の寸法制限を超える大受光面積にて構成でき、また将来の宇宙太陽発電衛星用に地上、宇宙への輸送手段の制限を超した大面積の集光太陽光受光・熱交換器（推進用や熱発電用）への利用が可能であるるとともに、地上用の特に大型の集光太陽光受光・熱交換器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る２重内筒型の要素型集光太陽光受光・熱交換器の断面模式図である。
【図２】複数の要素型集光太陽光受光・熱交換器の円筒型キャビティ型の連結形態を示す平面模式図であり、（Ａ）は円筒型キャビティの間の間隙が零である場合、（Ｂ）は円筒型キャビティの間の間隙が零でない場合をそれぞれ示している。
【図３】本発明の他の実施例に係る３重内筒型の要素型集光太陽光受光・熱交換器の断面模式図である。
【図４】本発明の集積型集光太陽光受光・熱交換器の円筒形以外のキャビティ形状をした単位型集光太陽光受光・熱交換器の集積形態の要部平面であり、Ａは正３角形状、Ｂは正方形状、Ｃは正６角形状、そしてＤは正十字形状の例を示している。
【符号の説明】
【００２９】
１、１４  キャビティ型
２、１５  外筒
３、１７  内筒
４、１８  底面
５、１９  キャビティ
６  集光太陽光
７  熱交換媒体の供給管
８、２１  熱交換媒体の排出管
９、２２  キャビティ型端面
１０、２５  支持構造部材
１１  連結部
１２  熱交換配管
１６  中間筒
２３  円筒型キャビティの間の間隙
２６  間隙
３０  正三角形キャビティ型
３１  矩形キャビティ型
３２  正六角形キャビティ型
３３  十字形キャビティ型
【図１】
2005195196.tif 000003
【図２】
2005195196.tif 000004
【図３】
2005195196.tif 000005
【図４】
2005195196.tif 000006