JPS5819014B2 - 太陽熱コレクタ−用ヒ−トパイプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱コレクターに於ける太陽熱エネルギの吸
収構造及び該熱エネルギー移送構造の改善に関するもの
である。

太陽熱コレクターにおける太陽熱エネルギー吸収構造及
び移送構造としては各種のものがあるが何れも熱効率が
悪かったり構造が複雑であったり倒れも一長一短である
。

最も一般的なものとして平板型コレクターがある。

これは金属平板の片側平面に太陽熱吸収膜を形成し、そ
の裏面に金属管を形成又は接着してあり、吸収膜面から
吸収した熱エネルギーを熱伝導に依り金属管を加熱し、
その内壁にて水等の熱媒液と熱交換するものである。

これは受光面のエネルギー密度が小さいから高温度が得
られない。

従って断熱材に依り保温したとしても受光面の背面から
の放散、散失するエネルギーが大きい。

水又は熱媒液を循環させるための循環装置が必須である
。

太陽熱コレクター全体として構造が複雑なため故障が多
い等の問題点かあ・つた。

他の太陽熱コレクターの方式としてプラスチック管受光
型のものがある。

これは太陽熱吸収性の良い大口径管の中に貯水してあり
、プラスチック管表面で吸熱したエネルギーを管の内壁
で直接熱交換し、温水を得る方式で構造が極めて簡単な
利点がある反面、プラスチックの熱伝導率が悪いので受
光開始から熱交換開始迄の応答時間が遅い、熱吸収効率
が低く、受光エネルギー密度が小さいので高温が得られ
ない、等が問題点である。

更に太陽熱コレクターの熱エネルギー吸収構造として真
空硝子管式受光管がある。

これは金属フィン付金属管を真空硝子管中に封じ込めた
構造であり、空気の対流に依る熱損失が無い、受光面の
裏面からの損失も極めて少い上に硝子管内面における再
反射に依る裏面からの熱吸収も追加される等の利点があ
る。

この構造は通常の平板型コレクターに比較して効率が良
く、硝子管のレンズ効果もあり、内面再反射もあるため
受光熱エネルギー密度が高いので・高温度が得られる。

通常の平板型受光面で６０℃位の温水が得られるのに対
し８０℃位の高温水が得られるのでヒートポンプ等の補
助が無くても冷暖房にも利用出来るものである。

然し構造が複雑であり又水又は熱媒液の循環装置も平板
型と同様に必須である。

更に問題点としては真空硝子管は運搬、据付に細心の注
意を要すると共に、太陽熱コレクターシステム稼働後も
常に破損の危険に晒されている点である。

平板型コレクターにおいても保護硝子板を有する構造の
場合、強風時等に飛来する物体に依る破損の危険が伴な
うものであるが保護硝子の破損はシステム稼働上は支障
は無いものである。

然し真空管式の場合は真空硝子管の破損は受光エネルギ
ー密度の減小、対流熱損失の激増を意味するものでシス
テムとしては致命的な傷害となる。

真空硝子管は対流損失が無いので受光面であるフィンに
は何等の断熱保温手段が設けられて居らず従って一旦硝
子真空管が破損した場合は管内の空気対流だけでなく、
コレクター外部からの風の影響も受けて吸収熱エネルギ
ーの殆どが放散して了うに至る。

又真空硝子管の完全破損だけでなく、強風に依る振動、
凍結に依る装着の狂い等に依る真空度の低下だけでも著
しい機能低下の恐れがある。

真空硝子管式熱エネルギー吸収方式の更に改善された構
造としてフィン付ヒートパイプを封入した方式がある。

この場合ヒートパイプの秀れた熱移送能力に依って通常
の真空管式に比較して更に熱効率が向上し、又水又は熱
媒液の循環は装置が簡略化出来る利点がある。

然し強風、台風等に対する脆弱さの点では通常の真空硝
子管式コレクターと同様である。

更に他の方式の太陽熱コレクターとして熱媒液を２００
℃以上の高温に加熱し太陽熱発電等に利用する為のヒー
トパイプを熱エネルギー吸収及び熱移送として用いる太
陽光集束方式の真空硝子管式コレクターがある。

これは動物線状曲面の反射板の焦点にヒートパイプを支
持した構造であり、ヒートパイプの全表面には耐熱性太
陽熱吸収膜が形成されである。

この方式は熱効率も良く高温度が容易に得られる利点が
あるが問題点としては受光面積に比較してヒートパイプ
の直径が小さい為、ヒートパイプ表面に太陽光を集光す
る為には抛物線曲面の反射鏡又は反射板の曲面構造を精
密に製作する必要があるので設備費も高価となる。

又有効に太陽光をヒートパイプ表面に集光せしめる為に
は精密に太陽光の方角追尾をする必要があるのも問題点
である。

本発明に係る太陽熱コレクター用ヒートパイプは上述の
如き従来の太陽熱コレクターに用いられた太陽熱吸収及
び移送構造の問題点を改善し、効率の高い且つ簡潔な構
造を提供せんとするものである。

前述の如く平板型コレクターは受光平面から吸収した太
陽熱エネルギーを受光平面の裏面に接着した金属管に伝
導し、金属管内壁に於いてその中を循環する水又は熱媒
液と熱交換するものであり、水又は熱媒液循環の為の複
雑な配管及び加圧ポンプ及び動力を必要とするものであ
った。

これを簡素化する為に金属管の代りにヒートパイプを用
いることに依り少くも太陽熱受光平面の裏配管はこれを
大巾に簡素化することが出来る。

即ちヒートパイプはコンテナー内の作動液の作用に依り
何等の動力や装置の助けも必要とせず極めて効率良く熱
吸収部から放熱部に熱エネルギーを移送することが可能
となる。

然し受光平面の裏面における金属管間又はヒートパイプ
間の金属面からの放射損失を防ぐことは不可能で何れの
場合も同様である。

通常の平板型コレクターの場合この損失を防ぐ為に断熱
材で保温しであるが、如伺に優秀な断熱材を用いたとし
ても相当の損失は免れ難いものである。

この損失を無くする為に真空管式コレクターが考案され
たのであるが、それもなお若干の問題点を残しているの
は前述の通りである。

以下図面に依って本発明に係る太陽熱吸収及び移送構造
である新しい型のヒートパイプについて詳述する。

第１図は本発明に係る太陽熱コレクター用ヒートパイプ
の外観図で第２図はその断面図である。

１はヒートパイプ本体の熱吸収部で本実施例ではコンテ
ナー外周に３枚の熱吸収フィン２が溶接しである。

該熱吸収フィンはヒートパイプの熱吸収部Ａの全長にわ
たり連続的に併動に設けである。

更に該熱吸収フィン２の先端部は隣接するフィンの所定
の位置に気密に熔接されて全体として図面の如く中空円
柱状構造３に成形しである。

該円柱状構造の両端には蓋９，９′が気密に熔接し密封
されである。

又その外周全表面には太陽熱吸収膜４が設けである。

この吸収膜は塗布、焼付、又は化学処理に依り表面に形
成する等何れの方法で設けても良い。

吸収膜４は太陽熱吸収効率の良い黒色ペイントでも良い
が、太陽光の殆んどを吸収し、赤外線を殆んど輻射しな
い選択性吸収膜であれば更に良好な特性を得ることが出
来る。

１は通気孔で太陽熱吸収作動中や作動停止時における中
空柱状構造部内の空気の膨張及び収縮に依る中空柱状構
造の変形を防止する為内外間に僅かな通気性を与える為
の手段として設けであるものである。

通気孔７は必ずしも図示の位置に限らず蓋９，９′等に
設けても良い。

５はヒートパイプ本体の放熱部、６は放熱フィンである
。

８は熱移送部からの熱損失を防ぐための断熱層である。

以上本発明に係る太陽熱コレクター用ヒートパイプの一
実施例について述べたのであるが、その断面形状は必ず
しも第２図の如く中空円柱状構造である必要はない。

適用される太陽熱コレクターの設計に応じて各種の形状
の中空柱状構造を採用してもよい。

第３図ａ、ｂ、ｃ、ｄは夫々各種の断面形状を示しであ
る。

ｃ、ｄについては熱吸収フィンの先端部とヒートパイプ
本体に対する溶接部との区別が明瞭でない特殊形状をし
て居るのが特徴である。

第４図は本発明に係るヒートパイプを太陽熱コレクター
に適用した場合の一実施例断面図である。

図に於いて１１は本発明に係るヒートパイプ、１２は太
陽光をヒートパイプの中空柱状構造部に反射投入するた
めの抛物線曲面をした反射板又は反射鏡である。

コレクターの受光平面の面積に比較して中空円柱状構造
部が充分に大きな外面積を占めているので抛物線曲面は
精密な曲面である必要はない。

又同じ理由から矢印で示した太陽光が必ずしも垂直方向
から投射されなくても反射光は確実に中空円柱状構造部
表面に反射投入されるのも大きな特徴となっている。

１３は断熱層、１４は保護硝子板、１５はコレクター保
護板である。

本発明に係る太陽熱コレクター用ヒートパイプは以上の
如き構造であり又第４図使用例の如く使用されるので、
次に述べる如き独特の作用効果を発揮する。

説明の便の為に第４図の如き太陽熱コレクターで冷暖房
給湯システムに応用するものとし、ヒートパイプは銅コ
ンテナー水作動液型としヒートパイプ本体の直径１３ｍ
ｍ、中空円柱状構造部の直径５０−太陽光受光平面の中
即ち反射鏡の入口中を３００ｒｒｒｒｎと想定してその
作用を説明する。

（１）表面温度が必要以上に高くならないので表面から
の放射損失が極めて少ない。

運転中の冷暖房給湯システムでは熱媒体が水の場合は１
００℃以下、熱媒液の場合１５０℃であるからヒートパ
イプ吸熱部の加熱温度は２００°Ｃ〜２５０℃で充分と
考えられる。

宇宙空間における地球表面に対する太陽光の輻射熱量は
電力量換算で毎平方ｍ当り１．３５ＫＷ／ｈ年平均であ
ると言われる。

この熱量は地表に到達する迄に地域、季節に依り異なる
が約５０％が大気、塵挨その他に吸収されて太陽熱コレ
クターに到達する太陽光の輻射熱量は電力量換算で年平
均平方ｍ当りは”６５０ｗ／ｈ位であると推定されてい
る。

平板型太陽熱コレクターに於いて、実効太陽熱吸収量は
一般的には３００Ｗ／ｈ 〜４００Ｗ／ｈ毎平方ｍ位と
考えられる。

これは反射板の有無、反射板の性能、コレクター自身の
熱効率に依って大巾に相異する。

通常の平板型コレクターでは５０°Ｃ〜６５℃前後の温
水を得る運転状態で平板平面の表面温度は８０℃〜９０
℃位になるものと考えられる。

（但し運転停止状態では１８０℃〜１９０℃にも到達す
る。

）太陽光受光平面中３００ｍの場合、ヒートパイプ本体
で直接集束受光する場合の太陽エネル００ ギー密度は「５ ＝ ７．３５倍に達し表面温度は数１
００℃に達することが考えられる。

ヒートパイプ表面に選択吸収膜が形成されている場合吸
収膜が銅の表面に形成された黒色酸化膜である場合１０
０℃以下で太陽光の９０％を吸収し、赤外線の８％を放
射するに過ぎない（米国エネルギー研究開発庁）が温度
が高くなると共に放射損失が増加し４５０℃で損益分岐
温度に達する（同庁）即ち数１００℃に表面温度が達す
ると放射熱損失の方が多くなって太陽光集束の効果を失
って了うに至る。

これを防ぐためにはヒートパイプ拐質、選択吸収膜とし
て極めて高価なニッケルーブラックニッケルの如き組合
わせを必要とする。

又ヒートパイプとしての熱移送性能として銅コンテナー
水作動液型ヒートパイプの場合、２００℃位が最も効率
が良く熱移送量も最大となりそれ以上では急激にその能
力を失い、２５０℃位で全く作動しなくなる。

これは所甜ドライアンプ状態になり作動液の移動が不可
能となることに依る。

更に２５０℃位になると作動液の蒸気圧が高くなりヒー
トパイプの寿命が急激に低下する恐れがある。

従ってヒートパイプの熱吸収部温度は約２００°Ｃ以下
１８０℃以下にすることがあらゆる点から望ましい。

従って本発明に係る構造のヒートパイプの如く、フィン
の先端部を形成して直径５０１ｒｒＩｒＬの中空円柱状
構造とし、一旦この表面で太陽光を受けることに依リヒ
ートパイプの過熱を防ぐことが出来るものである。

中空円柱状構造部表面の選択吸収面の太陽熱エネルギー
密度はその集束度が３００＝３００＝１．９倍である５
０π １５７ から平板型コレクターの吸収する太陽熱エネルギーの約
１．９倍となり、その表面温度は１７０℃位になるもの
と考えられる。

従ってこの程度の温度では表面からの熱放射損失は極め
て少ないものとなる。

（２）平板型コレクターに比較して伝導熱損失が極めて
少ない。

平板型コレクターは受光平面の裏面から断熱材を介して
熱伝導損失が避けられない。

本発明のヒートパイプの中空円柱状構造部はその全表面
が熱吸収平面即ち受光面であって何らの伝導熱損失がな
い。

（３）平板型コレクターに比較して対流熱損失が極めて
少ない。

同等の表面積の平板型に対し円柱体表面からの熱損失は
空気対流量が少なく従ってそのための損失も少ないもの
となる。

（２）項及び（３）項の熱損失の少なさの影響に依り（
１）項記載の中空円柱状構造体の表面温度１７０℃（推
９の実際温度は２００℃を越すことが測定されている。

（４）中空円柱構造部の選択吸収膜で吸収した熱エネル
ギーは極めて効率良く殆んど損失無くヒートパイプに吸
収され殆んど損失無く放熱部に移送される。

その熱エネルギー伝達は次の通りに行なわれる。

［）フィンを通じて直接ヒートパイプに伝導し吸収され
る。

１１）中空柱状構造部の内壁から輻射熱として直接ヒー
トパイプに吸収されるか、輻射熱としてフィンに吸収さ
れた後ヒートパイプに伝導されて吸収される。

面 中空柱状構造部の内壁とヒートパイプの外周の間に
密封状態になっている空気の激しい対流に依り中空柱状
構造部の熱エネルギーは急速Ａこフィン及ヒートパイプ
に吸収される。

ｉＶ）上記の如く殆んど損失なくヒートパイプの熱吸収
部で吸収された熱エネルギーはヒートパイプ独特の熱移
送特性に依り、又銅コンテナー水作動液ヒートパイプの
最大能力を発揮し銅の熱伝導速度の数１００倍の速度で
放熱部に移送される。

この移送には何等の動力も必要とせず従って何等の機械
的損失も生じない。

又平板型コレクター裏面の熱交換用金属細管と異なり最
短距離を、殆んど放熱損失を生ずる暇も無い早さで移送
される。

これはヒートパイプ内が高真空であり作動液は熱エネル
ギーを吸収した状態で放熱部に音速に近い速度で移動す
ることに依る。

以上（１） 、 （２） 、 （３） 、 （４）項を
総合して本発明に係る太陽熱コレクター用ヒートパイプ
はコレクターの熱エネルギーの吸収及び移送構造として
極めて優秀な効率を示すものでその損失は中空柱状構造
外表面に形成した太陽熱吸収膜の吸収損失と放射損失が
殆んどでありその他の損失としては平板型コレクターの
数分の−に過ぎない僅かな対流損失と反射板又は反射鏡
の吸収損失だけである。

従って良好な特性の選択吸収膜と反射鏡の選定がなされ
るならば平板型コレクターよりはるかに効率の良い、真
空硝子管型コレクターに匹敵する効率を示すことが可能
なコレクターを構成することが出来るものである。

本発明に係るヒートパイプは更に次の如き作用効果があ
る。

（５）ヒートパイプの外表面で直接に集束太陽光を受光
する場合より焦点が大きいので反射板又は反射鏡の反射
曲面は高精度を要求しないので製作が容易で安価である
。

（６）上記と同理由で太陽入射角度にも高い精度を要求
しないので太陽方向を追尾する場合の追尾装置も簡易な
装置で良い。

（７）熱膨張、収縮、其他外部からの衝撃、凍結等に依
る破損、特性低下の恐れが無い、真空硝子管型コレクタ
ーは優秀な特性を有するが、これ等の点が問題点として
残されていた。

この利点は又運搬時に破損の恐れが無いと言う利点をも
発揮するものである。

以上の如く本発明に係る新しい構造のヒートパイプは太
陽熱コレクターに適用してコレクターの性能改善に多く
の卓越した作用効果を発揮するもので太陽熱利用技術の
向上に貢献する所が大きいものと信じられる。

本発明は必ずしも特許請求の範囲１に記載の構造に限定
するものではない。

特許請求の範囲１では金属薄板製フィンをヒートパイプ
のコンテナーに溶接し、その先端部の成形に依って中空
柱状構造部を構成したのであるが、実用上は他の方法に
依っても同様な構造性能のヒートパイプを得ることが出
来る。

即ち金属薄板を成形し中空柱状構造体を先づ製作して置
き、又別途に単数又は複数本の周囲又は長手方向又はス
パイラル状の金属フィンを熱吸収部外周の全長にわたり
連続的又は非連続的に形成したヒートパイプを製作し、
該ヒートパイプを中空柱状構造体の内部に圧入又は挿入
し然る後中空柱状構造体の両端を封止することに依り特
許請求の範囲１に係るヒートパイプと全く同じ性能作用
効果を示すヒートパイプを得ることが出来る。

この場合も何等かの手段に依って中空柱状構造体の内外
間に僅かな通気性を与える必要があることは云うまでも
ない。

この場合は中空柱状構造体内壁とフィン外縁との間に熱
抵抗が生じ伝導熱量が減少する。

然しそれと同量の熱エネルギー量だけ中空柱状構造体内
壁から輻射する熱エネルギー及び内部空気の対流に依る
熱伝達量が増加して、全体的には特許請求の範囲１に係
る構造のヒートパイプと全く同一性能を発揮することが
出来る。

又他の応用実施例としては第３図ｃ、ｄの如く金属フィ
ンを省略し、中空柱状構造体の内部にヒートパイプを挿
入した構造であっても本発明の目的ははゾ達成すること
が出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明する一部破断側面図、
第２図は縦断正面図、第３図ａ−ｄはヒートパイプの異
なった構造例を説明する断面図、第４図はコレクターに
適用した場合の構造例を示す縦断側面図、第５図はコレ
クターに適用した場合の他の構造例を説明する断面図で
ある。 １・・・・・・ヒートパイプ本体、２・・・・・・熱吸
収フィン、３・・・・・・熱吸収フィンの中空柱状構造
部、４・・・・・・太陽熱吸収膜、５・・・・・七−ト
パイプ本体放熱部、６・・・・・・放熱フィン、１・・
・・・・通気孔、Ａ・・・・・・熱吸収部、Ｂ・・・・
・・熱移送部、Ｃ・・・・・・放熱部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 太陽熱コレクターに用いる太陽熱吸収用及び移送用
   のヒートパイプであってそのコンテナーの外周には熱吸
   収部の全長にわたり連続した複数の金属薄板製熱吸収フ
   ィンが設けてあり、この熱吸収フィンのそれぞれの先端
   部は折曲され、その折曲端部はそれぞれ所定の部分と溶
   接又は接着し、全体として中空な柱状構造体に形成する
   とともにその両端開口部は封止されてあり、又該中空柱
   状構造体はその内外間に僅かな通気性を与える手段が設
   けられてあり、さらにその外周面には全面にわたって塗
   装焼付け、又は化学処理等の方法により太陽熱吸収膜を
   形成しであることを特徴とする太陽熱コレクター用ヒー
   トパイプ。