(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外管と熱媒体を通す内管とを備えた金属製二重管からなり、外管と内管とで構成される空間を減圧にし、該空間に作動熱媒体を太陽熱の授受に必要な量を封入し、且つ外管の内面に全面にわたって不織布又は網状のウイックを貼着してなる二重管式太陽熱集熱管であって、上記内管を作動熱媒体の液体に接触しない位置に配設したことを特徴とする二重管式太陽熱集熱管。
【請求項２】
内管がＵ字形に曲げられて外管内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の二重管式太陽熱集熱管。
【請求項３】
請求項１又は２記載の二重管式太陽熱集熱管の複数本を並置し、該集熱管の内管同士を直列又は並列に結合管で結合し、この内管に熱媒体を通すようにしたことを特徴とする太陽熱集熱器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱媒体を利用して太陽熱を集熱する二重管式太陽熱集熱管及びこれを用いた太陽熱集熱器に関する。
【０００２】
【従来技術】
太陽熱の利用は、エネルギーレベルの低い温水を生成するシステムとして最も適しており、この普及は化石燃料の使用を抑制し、牽いては二酸化炭素の放出削減に寄与し、結果として地球温暖化現象を抑止得る手段となりうる。そして、従来から、例えば屋上に配設した集熱管又は箱に水を通し或いは循環させて、その水を太陽熱で温めて太陽熱を集熱する手法が採用されている。この太陽熱集熱装置には２通りの方式がある。その一つは、集熱器と貯湯槽とが別々の所にあって両者間を循環ポンプにて強制循環させる方式であり、他の一つは、集熱器と貯湯槽とが一体的に組み込まれ自然循環させる方式である。前者は、集熱効率が良く、また希望する集熱量が簡単に得られるという利点がある反面、設置コストが高い。後者は、強制循環方式より集熱効率が悪いが、設置コストが安価である。
【０００３】
ところで、従来、上記の強制循環方式で使用される太陽熱集熱器にあっては、集熱した熱エネルギーを外気の影響で放熱させないように、選択吸収膜や真空断熱ガラス管を使用して、断熱効果を高め吸収エネルギーを逸散させないように工夫している。そのため、この集熱器は集熱規模の大きいシステムか、終日続けて温水を使用する施設や本格的な設備給湯を要する施設に適当とされ設置コストが大きく、個別住宅等の小規模な集熱設備には高価で導入が難しいとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、集熱効果に優れた二重管式太陽熱集熱管を提供し、また個別住宅等の小規模でも利用でき、手軽に低コストで設置でき、また強制循環方式にも適用できる太陽熱集熱器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外管と熱媒体を通す内管とを備えた金属製二重管からなり、外管と内管とで構成される空間を減圧にし、該空間に作動熱媒体を太陽熱の授受に必要な量を封入し、且つ外管の内面に全面にわたって不織布又は網状のウイックを貼着してなる二重管式太陽熱集熱管であって、上記内管を作動熱媒体の液体に接触しない位置に配設したことを特徴とする二重管式太陽熱集熱管である。上記の内管は、Ｕ字形に曲げられて外管内に配置されていてもよい。また、本発明は、上記の二重管式太陽熱集熱管の複数本を並置し、該集熱管の内管同士を直列又は並列に結合管で結合し、この内管に熱媒体を通すようにしたことを特徴とする太陽熱集熱器である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の二重管式太陽熱集熱管の縦断面図であり、図２はその中央部分の横断面である。１０は二重管式太陽熱集熱管であり、１はその外管、２はその内管である。外管１は金属管で構成されている。この金属管は軽量にすべく薄肉金属管が好ましく、また円周方向に凹凸３を形成して剛性及び強度を持たせるようにするのが好ましい。この円周方向の凹凸３は螺旋状であっても、同一円周上に形成されたものでもよい。またその外表面を黒色に着色し熱吸収効率を良くするのが好ましい。４は外管の両端を閉鎖するめくら板である。５は外管１と内管２との間の空間を減圧にするためのいわゆる真空引き口である。この外管１の内壁面には全面にわたって不織布又は網状のウイック(wick)６が貼着されている。このウイックは天然繊維、合成繊維などの繊維製であっても、また金属製であってもよい。
【０００７】
内管２は、外管の中央部に位置しており、薄肉の金属管で構成されている。そして、内管２には外管１との温度差による伸縮差を緩和するため、螺旋管又はベローズ管を使用するのが好ましい。内管２の両端には導入管７、排出管７’が取り付けられ、この導入管７、排出管７’は外管１の両端を閉鎖するめくら板４を貫通し、めくら板４に気密的に固着している。導入管７から水などの熱媒体を内管２に流入させる。この熱媒体は集熱した太陽熱で間接的に熱せられ、そして加熱された状態で排出管７’から流出する。この導入管７、排出管７’は断熱性を良くするため、真空二重管にしておくのが好ましい。８は外管１と内管２の間の空間に注入した液体の作動熱媒体であり、この作動熱媒体は真空引き口５から注入できる。作動熱媒体８には水などの液体を用いることができ、その注入量は太陽熱の授受に必要な量であり、そして熱の授受がない時には、内管２に接触しない量を封入する（図２参照）。また、上記の二重管式太陽熱集熱管の受熱面の背面に平板鏡又は凹面鏡を取り付け、太陽熱を集熱管背面に反射させ受熱面積を増加させることも可能である。
【０００８】
上記の例の二重管式太陽熱集熱管１０の作用を説明する。この集熱管を水平にして、太陽光に曝す。二重管の底部に位置している液体の作動熱媒体８は、外管１の内壁面に貼着したウイック６によって、外管１の内壁に毛管現象で吸い上げられる。この吸い上げられた状態で作動熱媒体８は太陽熱で加熱され蒸気となって二重管の外管１と内管２との間の空間内に充満する。このときに作動熱媒体を蒸気にし易くするため、外管１と内管２の間の空間を減圧にしておく（換言すると、外管１と内管２の間の空間を減圧し、その減圧の程度で作動熱媒体の沸点を調節する）。この充満した蒸気は、内管２の中を流れる水などの熱媒体で冷却され（熱媒体は逆に熱せられ）、内管２の表面に凝縮し、滴下して二重管の底部に還流する。斯くして、結果的に、太陽が放射する輻射熱が二重管の集熱機構によって集熱され、内管２内を流れる熱媒体に熱として蓄えられる。作動熱媒体８について、太陽熱の授受に必要な量とは、上記の作用が十分に発揮されるに必要な量を意味する。そして、上記の熱媒体に蓄えられた熱は、従来既知の種々の方法で利用することができる。例えば、熱媒体に水を用いる場合、加熱された水はそのまま風呂等に利用してもよいし、補助ボイラ、熱交換器等を組み合わせ給湯や暖房システム等に利用してもよい。
【０００９】
また、太陽が隠れた曇天や夜間は、外管１表面に到達している太陽の輻射熱が遮断され、外管１の内面に密着しているウイック６の温度が降下する。その結果、今まで外管１と内管２の間の空間に存在していた作動熱媒体の蒸気は、内管１の表面温度とウイック６の温度とのバランスによって凝縮箇所が移動し、内管２表面から温度の低いウイック６に移動する。これは、二重管式太陽熱集熱管１０の外管１の表面温度が低下すればするほど、管内部の真空度が上がり、内管２の温度変化に対する影響が受け難くなり、恰も外気から保温された状況になる。この二重管式太陽熱集熱管１０は内管１と外管２が外管１の端面で接触しており、折角内管２が保温状態にあっても、この箇所の伝導伝熱により、内管２内の熱媒体温度が降下し、凍結などの現象を惹起する場合もある。この現象を回避するため、上記した如く、外管１の端面と内管２とが接触する両端部分の導入管７、排出管７’は、真空断熱管となして外管の温度変化に影響されない構造とするのが好ましい。
【００１０】
上記の例では、一本の二重管式太陽熱集熱管１０について説明したが、集熱量を増加するため、この二重管式太陽熱集熱管１０を並列に複数本設置し、該集熱管の内管を結合管で直列又は並列に結合してもよい。図３は、二重管式太陽熱集熱管１０を結合管１１で結合したときの一例を示したものである。１２は、内管２に水などの熱媒体を流入させるチューブであり、１３は内管２から熱媒体を排出させるチューブである。ここでは二重管式太陽熱集熱管１０を２本連結した例であるが、２本以上連結してもよい。そして、このように、二重管式太陽熱集熱管１０の複数本を並置し（この例の場合は、各管が水平になるように配置するのが好ましい）、該集熱管の内管同士を直列又は並列に結合管１１で結合し、この内管２内に熱媒体を通すことによって、太陽熱集熱器を作成することができる。この太陽熱集熱器の受熱面の背面に平板鏡又は凹面鏡を取り付け、太陽熱を集熱管背面に反射させ受熱面積を増加させることも可能である。また、上記の結合管１１に真空断熱管を採用することによって、太陽熱集熱システム全体からの放熱を極力抑制し、冬季における凍結等の対策にかかる余計なエネルギーを使用しないシステムにすることができる。
【００１１】
図４は、本発明の二重管式太陽熱集熱管の他の例の縦断面図であり、図５はその中央部分の横断面である。２０は二重管式太陽熱集熱管であり、２１はその外管、２２はその内管である。外管２１は金属管で構成されている。この金属管は軽量にすべく薄肉金属管が好ましく、また円周方向に凹凸２３を形成して剛性及び強度を持たせるようにするのが好ましい。この円周方向の凹凸２３は螺旋状であっても、同一円周上に形成されたものでもよい。またその外表面を黒色に着色し熱吸収効率を良くするのが好ましい。２４は外管の両端を閉鎖するめくら板である。２５は外管２１と内管２２との間の空間を減圧にするためのいわゆる真空引き口である。この外管２１の内壁面には不織布又は網状のウイック２６が貼着されている。
【００１２】
内管２２は、外管２１の中央部に位置しており、薄肉の金属管で構成されている。内管２２は、外管２１の一方の端から入り、他端付近でＵ字形に曲げられ、再び同じ端から出ている。内管２２には、平滑管、螺旋管又はベローズ管が使用できる。この構造の二重管式太陽熱集熱管の場合は、内管２２は、外管２１の一端に固定されているのみであるから、図１の集熱管の場合のように外管と内管の温度差による収縮差を考慮する必要がない。内管２２の両端には導入管２７、排出管２７’が取り付けられ、この導入管２７、排出管２７’は外管２１の端を閉鎖するめくら板２４を貫通し、めくら板２４にそれぞれ気密的に固着している。水などの熱媒体を導入管２７から内管２２に流入させる。この熱媒体は太陽を集熱して温められ、すなわち加熱され、排出管２７’から流出する。この導入管２７、排出管２７’は断熱性を良くするため、真空二重管にしておくのが好ましい。２８は外管２１と内管２２の間の空間に注入した液体の作動熱媒体であり、この作動熱媒体は真空引き口２５から注入できる。作動熱媒体２８は水などであり、その注入量は太陽熱の授受に必要な量であり、そして熱の授受がない時に内管２２に接触しない量（図２参照）である。また、上記の二重管式太陽熱集熱管の受熱面の背面に平板鏡又は凹面鏡を取り付け、太陽熱を集熱管背面に反射させ受熱面積を増加させることも可能である。
【００１３】
図４、図５の二重管式太陽熱集熱管は、図１、２で述べた二重管式太陽熱集熱管と全く同じ作用によって、太陽熱を集熱し、水などの熱媒体に熱として蓄えることができ、したがって、この二重管式太陽熱集熱管を用いて太陽熱集熱器を作成することができる。図４では、一本の二重管式太陽熱集熱管２０について説明したが、集熱量を増加するために、この二重管式太陽熱集熱管２０を並列に複数本設置し、該集熱管の内管を結合管で直列又は並列に結合してもよい。図６は、二重管式太陽熱集熱管２０を結合管１１で結合したときの一例を示したものである。１２は、内管２２に水などの熱媒体を流入させるチューブであり、１３は内管２２から熱媒体を排出させるチューブである。ここでは二重管式太陽熱集熱管２０を２本連結した例であるが、２本以上連結してもよい。このように、二重管式太陽熱集熱管２０の複数本を並置し、該集熱管の内管同士を直列又は並列に結合管１１で結合し、この内管２内に熱媒体を通すことによって、太陽熱集熱器を作成することができる。この太陽熱集熱器の受熱面の背面に平板鏡又は凹面鏡を取り付け、太陽熱を集熱管背面に反射させ受熱面積を増加させることも可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、少量の作動熱媒体に太陽熱を吸収させて発生した作動熱媒体の蒸気を水等の熱媒体で冷却し、作動熱媒体の潜熱を回収して、この熱を冷却用の熱媒体に吸収するシステムであるから、構造が簡単で製作コストが低く、且つ軽量であるため汎用的に使用可能である。このことは、太陽熱利用システムの構築上、規模の制約を受けないことから、小規模システムから大規模システムまで適用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二重管式太陽熱集熱管の縦断面図
【図２】本発明の二重管式太陽熱集熱管の横断面図
【図３】本発明の二重管式太陽熱集熱管を連結したときの断面図
【図４】本発明の二重管式太陽熱集熱管の他の例の縦断面図
【図５】本発明の二重管式太陽熱集熱管の他の例の横断面図
【図６】本発明の二重管式太陽熱集熱管を連結したときの他の例の断面図
【符号の説明】
１，２１  外管、  ２，２２  内管、  ３，２３  凸部、  ４，２４  めくら板、５，２５  真空引き口、  ６，２６  ウイック、  ７，２７  熱媒体導入管、７’，２７’  熱媒体排出管、  ８，２８  作動熱媒体、  １０，２０  二重管式太陽熱集熱管、  １１  結合管、  １２，１３  チューブ
【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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