(57)【要約】【課題】太陽熱コレクターのケーシングと熱媒体を流す配管との間の熱応力を低減する。【解決手段】ケーシング１１と、熱媒体を加熱する加熱器１２と、ケーシングの壁を貫通して取り付けられる接続装置２０と、を備える太陽熱コレクター１０であって、接続装置は２０、高温熱媒体が流れる内管２１と、その外面がケーシング１１の壁に接続され、内管２１の外面との間を低温熱媒体が流れる外管２２と、を含み、外管２２は、ケーシング内部側端２３とケーシング外部側端２４でそれぞれ内管２１の外面に接続され、ケーシング１１の内部側と外部側の外面にそれぞれ低温媒体が流通するノズル２５，２６を有する。【選択図】図２
2012145288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
ケーシングの中に取り付けられ、太陽光からの熱で内部を流れる熱媒体を加熱する加熱器と、
ケーシングの壁を貫通して取り付けられ、加熱器で加熱される前の低温熱媒体と加熱器で加熱された後の高温熱媒体とをケーシングの内部と外部との間で流通させる接続装置と、を備える太陽熱コレクターであって、
接続装置は、
高温熱媒体が流れる内管と、
その外面がケーシングの壁に接続され、内管の外面との間を低温熱媒体が流れる外管と、を含み、
外管は、ケーシング内部側端とケーシング外部側端でそれぞれ内管の外面に接続され、ケーシングの内部側と外部側の外面にそれぞれ低温媒体が流通するノズルを有すること、
を特徴とする太陽熱コレクター。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽熱コレクターであって、
外管は、ケーシング内部側端と外管のケーシング外部側端に向ってその外径がしだいに小さくなり、
外管のケーシング内部側端と外管のケーシング外部側端とは、外管の内面が内管の外面に重ね合わせられるようにして接続されていること、
を特徴とする太陽熱コレクター。
【請求項３】
請求項１または２に記載の太陽熱コレクターであって、
外管は、ケーシングの壁とケーシング内部側端との間またはケーシングの壁とケーシング外部側端との間のいずれか一方または両方に、その長手方向に伸縮可能な伸縮部分を含むこと、
を特徴とする太陽熱コレクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱コレクターの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱を収集し、その熱によって熱媒体を加熱してエネルギーを取り出して利用しようとすることが進められている。太陽熱を収集して高温の熱媒体とするための装置としては、高い塔の上に集熱器を置き、１０００枚程度の平面鏡を用いて太陽光を集光して熱媒体を高温に加熱するタワー方式や、円筒放物面鏡の焦点位置に集熱管を並べ、集熱管を流れる熱媒体を加熱する方法などがあった。しかしこれらの方法は全体のシステムが大掛かりとなったり、特殊な鏡が必要となったりするという問題があった。
【０００３】
このため、内部を真空としたケーシングの中に可視光を中心とした波長帯のエネルギーを吸収する波長選択性のある選択吸収膜が表面に取り付けられた集熱器を配置して、空気による外部への熱伝導による損失と遠赤外線領域の放射損失とを低減した太陽熱収集装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された太陽熱収集装置では、熱収集器に熱媒体である水を流し、水を加熱して外部に熱エネルギーを取り出している。そして、真空のケーシングの壁面を貫通するように水の入口と出口とが設けられ、入口からケーシングの内部の集熱器の中に流入した常温の水は、１２０℃程度から３００℃程度まで加熱されて出口から出てくるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１１５９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
太陽熱コレクターは、昼間は太陽光を集熱して集熱器出口の熱媒体の温度を１２０℃から３００℃まで上昇させるが、夜間になって太陽が沈むと集熱器出口の熱媒体の温度が常温に戻ってしまう。このため、集熱器の熱媒体出口の配管の温度は昼と夜とで大きく変化し、この温度変化によって配管の外径が変化し、ケーシングとの間には大きな繰り返し応力が掛かることとなる。この繰り返し応力によって、ケーシングと熱媒体出口の配管との間あるいはケーシングの壁に破損が生じると、ケーシング内部の真空が破壊され、入り込んだ空気による外部への熱伝導によって熱損失が大きくなり、太陽熱コレクターの集熱効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、太陽熱コレクターのケーシングと熱媒体を流す配管との間の熱応力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の太陽熱コレクターは、ケーシングと、ケーシングの中に取り付けられ、太陽光からの熱で内部を流れる熱媒体を加熱する加熱器と、ケーシングの壁を貫通して取り付けられ、加熱器で加熱される前の低温熱媒体と加熱器で加熱された後の高温熱媒体とをケーシングの内部と外部との間で流通させる接続装置と、を備える太陽熱コレクターであって、接続装置は、高温熱媒体が流れる内管と、その外面がケーシングの壁に接続され、内管の外面との間を低温熱媒体が流れる外管と、を含み、外管は、ケーシング内部側端とケーシング外部側端でそれぞれ内管の外面に接続され、ケーシングの内部側と外部側の外面にそれぞれ低温媒体が流通するノズルを有すること、を特徴とする。
【０００８】
本発明の太陽熱コレクターにおいて、外管は、ケーシング内部側端とケーシング外部側端に向ってその外径がしだいに小さくなり、外管のケーシング内部側端と外管のケーシング外部側端とは、外管の内面が内管の外面に重ね合わせられるようにして接続されていること、としても好適である。
【０００９】
また、本発明の太陽熱コレクターにおいて、外管は、ケーシングの壁とケーシング内部側端との間またはケーシングの壁とケーシング外部側端との間のいずれか一方または両方に、その長手方向に伸縮可能な伸縮部分を含むこと、としても好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、太陽熱コレクターのケーシングと熱媒体を流す配管との間の熱応力を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における太陽熱コレクターを組み込んだ太陽熱収集システムを示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における太陽熱コレクターを示す説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態における太陽熱コレクターの接続装置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。最初に図１を参照しながら本発明の太陽熱コレクターを組み込んだ太陽熱収集システムについて説明する。図１に示すように、この太陽熱収集システム１００は、太陽熱コレクター１０と、反射鏡４１とを備えている。太陽熱コレクター１０は、内部を真空に保持するケーシング１１と、ケーシング１１の下面に設けられた窓ガラス１４と、ケーシング１１の内部に設けられた集熱器１３と、集熱器１３の裏面に密着した加熱器１２と、加熱器１２に常温の低温熱媒体を供給する熱媒体供給管３３と、加熱器１２で加熱された高温熱媒体を取り出す熱媒体出口管３４とを備えている。熱媒体供給管３３と熱媒体出口管３４はケーシング１１を貫通して低温熱媒体と高温熱媒体をケーシング１１の内部と外部との間で流通させる接続装置２０に接続されている。反射鏡４１は、支持部材４２に取り付けられ、支持部材４２はアーム４３によって回転軸４４に取り付けられている。回転軸４４は、位置調整機５０に接続されている。太陽は、季節、時間によってその角度が変化するので、太陽の位置の変化に合わせて位置調整機５０によって回転軸４４を回転させて、反射鏡４１の位置を変化させて効率良く太陽光の熱エネルギーを収集することができるように構成されている。
【００１３】
ケーシング１１は窓ガラス１４と同様の熱膨張率をもつ例えば鉄などの金属材料で構成されている。また、接続装置２０はケーシング１１と同じ、例えば鉄などの金属材料で構成されている。太陽熱コレクターの集熱器１３の表面には、太陽光１８の可視領域の光エネルギーを効率よく吸収し、温度が上昇した表面からの遠赤外線の放射率が低くその放射損失を抑えることができる選択吸収膜が取り付けられている。また、加熱器１２は熱媒体が流れる細いチューブが集熱器１３の裏面に密着するように取り付けられたものである。
【００１４】
図２は本実施形態の接続装置２０近傍と太陽熱コレクター１０のケーシング１１の内部構造を示す図である。図２ではケーシング内部の構造は模式的に記載してある。図２に示すように、金属製の接続装置２０は、高温熱媒体が流れる円筒状の直管の内管２１と、その外面が金属製のケーシング１１の壁１１ａに接続され、内管２１の外面との間を低温熱媒体が流れる外管２２と、を含む二重管となっている。外管２２は、ケーシング１１の壁１１ａに接続される中央部２２ａは円筒状の直管で、この中央部２２ａのケーシング１１の外部側の外面には熱媒体供給管３３に接続される低温熱媒体入口ノズル２６が設けられ、ケーシング内部側の外面には加熱器１２に低温熱媒体を供給する加熱器入口管１５に接続される低温熱媒体出口ノズル２５が設けられている。また、外管２２は、中央部２２ａからケーシング内部側端２３に向ってその外径がしだいに小さくなるようなテーパー部２７と、その内面が内管２１の外面に嵌合するようなストレート部２９とを含んでいる。同様に、外管２２は、中央部２２ａからケーシング外部側端２４に向ってその外径がしだいに小さくなるようなテーパー部２８と、その内面が内管２１の外面に嵌合するようなストレート部３０とを含んでいる。外管２２はこの２つのストレート部２９，３０で内管２１の外面に固定されている。内管２１のケーシング１１の内部のケーシング内部側端３１には加熱器１２からの高温熱媒体が流れる加熱器出口管１６が接続され、ケーシング１１の外部のケーシング外部側端３２には熱媒体出口管３４が接続されている。
【００１５】
以上のように構成された太陽熱コレクター１０の動作について説明する。太陽光１８は図１に示す反射鏡４１の表面で反射し、図２に示すように、太陽熱コレクター１０の下面の窓ガラス１４を通して内部に入り集熱器１３に当たる。集熱器１３は表面の選択吸収膜により太陽光１８の熱を効率よく集熱して温度が上昇する。そして、この熱は集熱器１３の裏面に密着した加熱器１２の温度を上昇させる。一方、熱媒体供給管３３から供給された常温の低温熱媒体は、矢印Ａのようにケーシング１１の外部にある接続装置２０の低温熱媒体入口ノズル２６から外管２２の中央部２２ａと内管２１との間の環状の流路に流入する。そして、低温熱媒体は環状の流路をケーシング１１の外部から内部に向って流れ、矢印Ａのようにケーシング１１の内部にある低温熱媒体出口ノズル２５から加熱器入口管１５に流出する。加熱器入口管１５によって低温熱媒体は加熱器１２に導入され、温度が上昇している加熱器１２でその温度が上昇し、例えば、１２０℃程度の高温熱媒体となって加熱器１２から加熱器出口管１６に流出する。高温熱媒体は加熱器出口管１６から接続装置２０の内管２１のケーシング内部側端３１から矢印Ｂに示すようにケーシング１１の外部に流出し、ケーシング外部側端３２に接続されている熱媒体出口管３４に流出する。熱媒体出口管３４に流出した高温熱媒体は図示しない熱交換機などの外部機器に熱を伝達することによって太陽熱のエネルギーを外部機器に供給する。
【００１６】
本実施形態の接続装置２０は高温熱媒体が内管２１の中を流れ、低温熱媒体が内管２１の外面と外管２２の内面との環状流路を流れるので、ケーシング１１の壁１１ａに取り付けられている外管２２の中央部２２ａの外径は高温熱媒体の温度にほとんど関係せず、略一定となっている。このため、外管２２とケーシング１１の壁１１ａとの間にはほとんど熱応力が発生しない。このため、ケーシング１１の損傷が抑制され、ケーシング１１内部の真空状態も良好に保持される。
【００１７】
一方、高温熱媒体が流れる内管２１の温度は外管２２の温度よりも高くなるが、外面を低温熱媒体が流れているので、金属製の内管２１の金属部分の平均温度は高温熱媒体の温度よりも低い温度となるが、低温熱媒体が流れている外管２２の金属部分の平均温度よりも高い温度となる。このため、内管２１の長手方向の熱膨張量は外管２２の長手方向の熱膨張量よりも多くなる。この結果、内管２１と外管２２との間に長手方向の熱応力が発生する。温度が高くなる内管２１には圧縮応力が掛かり、温度が低い外管２２には長手方向に引っ張り応力が掛かる。しかし、外管２２はその両端２３，２４近傍のストレート部２９，３０の内面が内管２１の外面に重なるように嵌合して固定されており、ストレート部２９，３０と中央部２２ａとの間には外径が長手方向にしだいに変化するテーパー部２７，２８が設けられていることから、発生した熱応力が内管２１と外管２２との接続部分に集中することがないように構成されている。従って、実施形態では、低温熱媒体の温度が例えば２０℃程度の常温で、高温熱媒体の温度が例えば１２０℃程度である場合でも、内管２１と外管２２との接続部分に熱応力が集中せず、内管２１の金属部分の平均温度と外管２２の金属部分の平均温度の温度差は低温熱媒体と高温熱媒体との温度差よりも小さくなるので、最大熱応力を小さく抑えることができる。このため、高温熱媒体の温度が２０℃程度の常温と１２０℃程度の高温の間で変化してもその繰り返しによる疲労によって接続装置２０の内管２１や外管２２が損傷を受けることが抑制される。
【００１８】
図３を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。先に図１、図２を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付けて説明は省略する。本実施形態は、接続装置２０の外管２２の中央部２２ａと各テーパー部２７，２８との間にそれぞれ接続装置２０の長手方向に対して伸縮できるような一山の蛇腹部３５，３６を設けたものである。図３の点線で示すように、内管２１が外管２２よりも大きく長手方向に伸びた場合には、この蛇腹部３５，３６は山が低くなるように変形して外管２２の中央部２２ａと各端２３，２４との間の距離が長くなるので、内管２１と外管２２との間の熱応力はより緩和される。本実施形態は、高温熱媒体の温度が先に説明した１２０℃程度よりもより高温になった場合に内管２１と外管２２との間の熱応力を緩和するのに有効である。本実施形態では、蛇腹部３５，３６は一山であることとして説明したが、山数は二山以上の複数でもよく、また、蛇腹部３５，３６を薄い金属材料あるいは非金属材料で構成してより大きな熱膨張差を吸収できるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００１９】
１０  太陽熱コレクター、１１  ケーシング、１１ａ  壁、１２  加熱器、１３  集熱器、１４  窓ガラス、１５  加熱器入口管、１６  加熱器出口管、１８  太陽光、２０  接続装置、２１  内管、２２  外管、２２ａ  中央部、２３，３１  ケーシング内部側端、２４，３２  ケーシング外部側端、２５  低温熱媒体出口ノズル、２６  低温熱媒体入口ノズル、２７，２８  テーパー部、２９，３０  ストレート部、３３  熱媒体供給管、３４  熱媒体出口管、３５，３６  蛇腹部、４１  反射鏡、４２  支持部材、４３  アーム、４４  回転軸、５０  位置調整機、１００  太陽熱収集システム。
【図１】
2012145288.tif 000003
【図２】
2012145288.tif 000004
【図３】
2012145288.tif 000005