JP2000055481A - 真空保持装置及び真空式太陽熱収集装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 線膨張係数の異なる二つの部材を真空封止す
る場合、真空封止すべき面積が広くて長いと、線膨張係
数の差と周囲温度の変化によって生ずる二つの部材の長
さの差が大きくなって、真空封止が難しくなる。 【解決手段】 線膨張係数が異なる第１の部材と第２の
部材の間に金属薄板３を介在させて接着することにより
真空封止した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスと金属のよ
うに線膨張係数の異なる部材を結合して真空容器を作る
場合の真空保持装置、及び真空保持装置を使用した真空
式太陽熱収集装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスと金属のように線膨張係数
の異なる二つの部材で真空容器を構成する場合の真空封
止は、出来るだけ熱膨張率の近いガラスと金属の組み合
わせを選び、両者の接続部にかかる熱応力を軽減する方
式が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】蛍光灯のように真空封
止すべき面積の少ない場合は、問題が少ないが、真空容
器によっては線膨張係数の異なる二つの部材の、真空封
止すべき面積が広く長い距離に亙るものもある。例えば
平板式太陽熱収集装置などでは、ガラス窓と金属筐体の
間の真空封止すべき長さは数メートルに及ぶ。このよう
な場合は線膨張係数の差と周囲温度の変化によって生ず
る二つの部材の長さの差が大きくなって、真空封止が難
しくなると言う問題を持っている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ため、本発明は真空封止する二つの部材の線膨張係数の
差と温度差によって封止部分に発生する歪に応じて、容
易に変形して大きな応力が封止部分に発生しないように
する手段によって接着部分の破壊を防ぐようにしたもの
で、その一つの手段として二つの部材を直接接着しない
で、薄い金属板を第１の部材と第２の部材の間に介在さ
せて、この金属薄板を仲介として真空封止を行うように
する。

【０００５】更に他の手段として、仲介に使用する金属
薄板の幅方向の一端を第１の部材に金属半田等の接着剤
によって接着し、他端を第２の部材に接着し、その中間
部分はどちらにも接着せず、その部分に弛みを持たせ
て、二つの部材の線膨張係数の差と温度差によって発生
する、二つの部材の全長の差分をこの弛みの部分の伸縮
で吸収して接着部分に大きい力が掛からないようにす
る。更に第１の部材の縁辺部分又は第２の部材の縁辺部
分に接着された金属薄板の接着面の反対側の面と、それ
に対向する第２の部材又は第１の部材との間に、ゴムの
ように容易に変形する材料で出来た緩衝材を装着する。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態を
示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図は真空容
器の真空保持装置を示したもので、線膨張係数の異なる
第１の部材１と第２の部材２を金属薄板３を介在させて
接着することにより真空封止している。

【０００７】第１の部材１は太陽光を通す透明な部材、
例えばガラスで四隅が丸くなった四角形状をしており、
第２の部材２は空気を通さない鋼鉄やアルミニウム等の
金属で、第１の部材１に対応して四隅が丸くなった四角
形状の容器のように構成されている。なお第２の部材２
は勿論十分厚いプラスチックやガラス等のように空気を
通さない材料ならば、必ずしも金属でなくてもよいが、
一般的には金属が推奨される。 金属薄板３は銅板、青
銅板、ステンレス板などの薄い板が使用され、第１の部
材１と第２の部材２の周辺部に対応してフレーム状に形
成される。

【０００８】図２は第１の実施形態の要部である図１の
Ａの部分を拡大した図である。第１の部材１には、周辺
部の接着部分に沿って溝のように形成された窪み１１が
設けられている。１２は窪み１１の丸みを持った肩の部
分である。金属薄板３の幅方向の一端の表面には、金属
薄膜４を付着させた第１の部材１に接着剤５により接着
されている。この接着剤５としてはプラスチックの接着
剤も使えるが、金属半田、金属ろうのような金属材料
が，より推奨される。

【０００９】第１の部材１の接着部分には、真空蒸着、
スパッタリング、或いは鍍金のような周知の技術で、金
属薄膜４を緻密に付着させる処理を施しておいて、ガラ
スと金属半田との接着性を良くしてある。この金属薄膜
４は単一の金属で構成されるとは限らない。例えばガラ
スと相性のよいクロームのような金属を真空蒸着等の技
術によって第１の部材１上に付着させ、その上に金属半
田、或いは金属ろうとの親和性の良い銅のような金属
を、重ねて蒸着して多層の薄膜で金属薄膜４を構成する
ことができる。

【００１０】金属薄板３の幅方向の他端の裏面は第２の
部材２に接着剤６により接着されている。この接着剤６
は接着剤５と同じように金属の半田、ろう等が推奨され
る。金属薄板３の中で接着剤５と接着剤６との中間に位
置する部分７は、第１の部材１にも第２の部材２にも、
どちらにも接着されていない自由の状態にある部分であ
る。この幅方向の中間部分７に弛みを持たせて金属薄板
３の両端を接着している。また第１の部材１の縁辺部分
又は第２の部材２の縁辺部分に接着された金属薄板３の
接着面の反対側の面と、それに対向する第２の部材２又
は第１の部材１との間に、ゴムのように容易に変形する
材料で出来た緩衝材８を装着し、前記二つの部分を緩衝
材８に接着することによって連結する。

【００１１】図１についてその作用を説明する。第１の
部材１であるガラスは通常、８〜１０×１０のマイナス
６乗程度の線膨張係数をもっている。これに対して第２
の部材２である金属ははステンレス鋼の場合で、１６×
１０のマイナス６乗程度の線膨張係数をもっている。従
って、第１の部材１と第２の部材２との温度が周囲温度
の変動等によって、１００℃位の温度変動をしたとする
と、両者の膨張量に約６〜８×１０のマイナス４乗程度
の差が生ずる筈で、若し第１の部材１と第２の部材２の
両者を直接接着剤で接続していて、この差を接着剤の接
着力で押さえ込もうとすると、これが原因で両者の接続
部に剪断力がかかり、接続部の接着剤が剥がれ真空が破
れる危険性が生ずる。

【００１２】この接着剤にかかる剪断力は、筐体２と第
１の部材１の両者か或いはその一方が薄ければ、あまり
大きくはならない。しかし第１の部材１も第２の部材２
も大気圧に耐えて真空を保つために十分な厚みを必要と
しているから、この両者を接着剤で直接接着すると、接
着剤に大きい剪断応力がかかる。例えば第２の部材２が
ステンレス製で厚さが１．５ｍｍ、第１の部材１がガラ
スで厚さが５ｍｍであったとし、この両者の膨張量の差
の半分づつを接着剤が押さえ込んで伸びないようにした
とすると、接着面にかかる張力は、約１０ｋｇ／ｍｍ位
になる。この張力によって接着剤と第１部の材１或いは
第２の部材２との境界に剪断力がかかる。

【００１３】この剪断力を弱めるために本発明では、金
属薄板３を用いている。金属薄板３は接着剤５で第１の
部材１に接着されている。このときも温度変動によっ
て、接着剤５に剪断力が掛かるが、その大きさはほぼ金
属薄板３の厚さに逆比例して減少する。第２の部材２と
金属薄板３との接着剤６の所に生ずる剪断力について
も、同じようにその大きさは金属薄板３の厚さにほぼ逆
比例して減少する。

【００１４】例えば金属薄板３の材質を第２の部材２の
材質と同じにして、その厚さを０．１ｍｍにすると、第
１の部材１と金属薄板３とを接着している接着剤５に掛
かる張力は、厚さが１．５ｍｍの第２の部材２と第１の
部材１とを直接接着したときの張力の約１／１５に減少
する。

【００１５】このような考えに基づいて、金属薄板３を
仲介として、第１の部材１と第２の部材２とを真空封止
する。これにより、長期間に亙って確実に真空を保持す
ることができる。なお金属薄板３の厚さは０．３ｍｍ以
下位にするのが適当である。

【００１６】次に、金属薄板３の幅方向に、接着剤５と
接着剤６との間に接着されていない中間部分７を設け
る。またこの中間部分７に対応して、第１の部材１に窪
み１１を設けたが、これらの作用について説明する。常
温では、金属薄板３は図２の実線で示したように、中間
部分７の所で弛みを持つようにして、第２の部材２と第
１の部材１とに接着される。そのように接着された中間
部分７は周囲温度が下がったとき、図２の破線で示した
ように弛みを増加させ、周囲温度が上がった場合は図２
の点線で示したように弛みを減少させて、温度変動によ
る第２の部材２と第１の部材１の伸び縮みの差分を吸収
する。

【００１７】周囲温度が１００℃変動すると、第２の部
材２と第１の部材１の長さに、上記のガラスとステンレ
ス鋼の組み合わせの場合などでは、長さ１ｍにつき１ｍ
ｍ程度の差を生ずる。この温度変動による差によって、
若し中間部分７に弛みが無ければ、金属薄板３に大きな
力がかかり金属薄板３は破損して真空は破れる。しかし
中間部分７に、弱い力で容易に変形する図２に示したよ
うな弛みを持たせると、このような破損の危険を避ける
ことができる。

【００１８】図２では、金属薄板３の幅方向における、
第１の部材１と第２の部材２との温度変動による伸び縮
みの差分の吸収の模様を示したが、金属薄板３の長手方
向における、第１の部材１と第２の部材２との温度変動
による伸び縮みの差分の吸収も、ほぼ同様に中間部分７
の弛みの増減によって行われ、大きな応力が金属薄板３
にも接着剤５にも接着剤６にも発生することはない。

【００１９】また中間部分７には、常に大気圧がかかっ
ており、且つ一日の間には多かれ少なかれ必ず温度変動
がある。従って金属薄板３は多かれ少なかれ図２の破線
と点線の間を変形しながら往復する。その時窪み１１が
その肩の部分等で急峻な角度で曲がっている箇所をもっ
ていると、その部分に金属薄板３も大気圧で押し付けら
れて急峻に曲げられ、その部分の金属薄板３内に大きな
繰り返し応力が集中的に発生してその部分で金属薄板３
が破損する可能性がある。

【００２０】それ故その時金属薄板３に発生する繰り返
し応力が特定の一部に集中せずに分散するようにする。
そのために窪み１１は肩１２に示したように、その肩１
２の部分に丸みを持たせて、金属薄板３が曲がる時にこ
の肩１２の部分に沿って、徐々に緩い角度で曲がって応
力が分散するようにする。このように窪み１１を形成す
ることによって金属薄板３の寿命を数１０年以上に延ば
すことができる。

【００２１】このような効果を確実にするために、金属
薄板３と第２の部材または第１の部材１とを接着してい
る部分と、窪み１１の肩の部分との間には、図２のａで
示したような接着していない部分を設ける。ａの長さは
数ｍｍ〜十数ｍｍ位が適当である。このような部分を設
けることによって、窪み１１の丸い肩の部分の効果が十
分に発揮できて長期間に亙って確実に真空を保持するこ
とができる。

【００２２】更に真空の保持を確実にするために、緩衝
材８が用いられる。金属薄板３の接着部分で第１の部材
１と第２の部材２と金属薄板３の三者が直接接触してい
ると、この部分には大気圧による強大な力がかかってい
るから、温度変化によって第１の部材１と第２の部材２
との長さに差ができて、この二つの部材が相対運動を起
こすときに、大きな力のもとで金属薄板３と擦れながら
運動しなければならなくなり、金属薄板３の接着部分が
破壊される危険性がある。

【００２３】このような危険を除くために緩衝材８が用
いられる。適当な厚さと柔軟性をもつ緩衝材８は、図２
に示したように第２の部材２と金属薄板３との間に、こ
れらの両者に接着して設けられる。緩衝材８は、第１の
部材１と第２の部材２の相対運動を、図２の点線、又は
破線でしめしたように変形することによって柔軟に吸収
して、金属薄板３の接着部分に、大きな力のもとにおけ
る擦れのような現象が起こることを防ぐ。又緩衝材８は
第１の部材と第２の部材との相対位置が、振動衝撃等の
ために、ずれることも防いでいる。

【００２４】緩衝材８を設ける場所は図２に示した位置
に限るものではなく、図示されていないが、真空容器内
の第１の部材と金属薄板３の間の位置に設けても良い。
この位置に設けても、金属薄板３の接着部分に擦れによ
る破壊力が掛かったり、第１の部材と第２の部材の相対
位置が衝撃等でずれることは防げる。勿論この場合は図
２に示した第１の部材の形は、緩衝材８を入れるため
に、多少図２の場合と変えねばならない。緩衝材８を設
ける場所は前記のように２カ所あるが、そのどちらか１
カ所または双方に設けても良い。しかし特に高度の真空
を得たいときは、緩衝材８の吸着気体が真空中に放出さ
れて真空を害することの危険を避けるために、図２に示
したように、真空中の場所には設けず、大気中の場所１
カ所だけに設けることが推奨される。

【００２５】図３は本発明の第２の実施形態を示す断面
図で、第１の実施形態である真空保持装置を使用した真
空式太陽熱収集装置を示している。第１の実施形態と同
じ構成要素には同じ符号を付したので、その詳細な説明
は省略する。ガラス窓２１は、太陽光が入り易い透明な
ガラスやプラスチックで構成され、鋼鉄又はアルミニウ
ムのような金属材料で形成された筺体２２に，金属薄板
３を介して接着される。

【００２６】ガラス窓２１の周辺部には金属薄膜４が付
着され、金属薄板３の幅方向の一端の表面とガラス窓２
１とを金属薄膜４を介して接着剤５により接着して真空
封止している。金属薄板３の幅方向の他端の裏面は筐体
２２と接着剤６により接着され、真空封止される。この
接着部分の詳細は図２と全く同じなので、説明は省略す
る。

【００２７】ガラス窓２１と筐体２２は柱２３によって
支えられ、柱２３はガラス窓２１にかかる大気圧を分散
して支持している。吸熱板２４はガラス窓２１を通して
太陽熱収集装置内に入ってくる太陽光を吸収して熱エネ
ルギーに変える吸熱用の板である。太陽熱収集装置の内
部に空気がある場合は、吸熱板２４に吸収された熱は、
この空気の対流、伝導によって筐体２２やガラス窓２１
に伝えられ、外部空間に利用されずに無駄に逃げて行く
が、内部が真空に保たれている場合はこれらの熱損失は
無くなり、効率の高い太陽熱収集装置が得られる。吸熱
板２４の穴２５は、柱２３を通して吸熱板２４の熱が逃
げないように、柱２３が貫通するときに吸熱板２４と柱
２３とが直接触れないような大きさになっている。管２
６は吸熱板２４の全面に密着してメアンダ状に設けら
れ、その中には吸収した太陽熱を外部に運ぶ目的を持っ
た熱媒体が入っている。

【００２８】太陽熱収集装置は全体の形状として、四角
形の容器の筐体２２に四角形のガラス窓２１で蓋をし
て、内部を真空にして周辺部を接着剤で真空封止した形
状であるが、この形状に限定されるものではない。以上
のように、第２の実施形態によれば、長期間に亙って高
度の真空を保持できるので、真空による断熱効果によっ
て、太陽熱を効率良く長期間に亙って利用できる。

【００２９】

【発明の効果】上記したように、本発明は第１の部材と
第２の部材の間に金属薄板を介在させて接着することに
より真空封止したので、長期間に亙って確実に真空を保
持することができる。この真空保持装置を太陽熱収集装
置に適用することにより、経済性に優れた太陽熱収集装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図（ａ）と
平面図（ｂ）

【図２】第１の実施形態の要部拡大図

【図３】本発明の第２の実施形態を示す断面図

【符号の説明】

１ 第１の部材 ２ 第２の部材 ３ 金属薄板 ４ 金属薄膜 ５、６ 接着剤 ７ 中間部分 ８ 緩衝材 １１ 窪み １２ 肩 ２１ ガラス窓 ２２ 筐体 ２４ 吸熱板 ２６ 管

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 線膨張係数が異なる第１の部材と第２の
   部材を真空封止する真空保持装置において、 前記第１の部材と第２の部材の間に金属薄板を介在させ
   て接着したことを特徴とする真空保持装置。
2. 【請求項２】 前記金属薄板の幅方向の一端の表面を前
   記第１の部材に接着し、前記金属薄板の幅方向の他端の
   裏面を前記第２の部材に接着し、前記金属薄板の幅方向
   の中間部分に弛みを持たせたことを特徴とする請求項１
   記載の真空保持装置。
3. 【請求項３】 前記金属薄板の弛みの部分に対応する位
   置の前記第１の部分に、肩の部分に丸みを持たせた窪み
   を設けたことを特徴とする請求項２記載の真空保持装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１の部材に金属薄膜を付着させ、
   前記金属薄膜と前記金属薄板の幅方向の一端の表面を金
   属材料で接着したことを特徴とする請求項２又は請求項
   ３記載の真空保持装置。
5. 【請求項５】 前記第１の部材又は前記第２の部材に接
   着された前記金属薄板の接着面の反対側の面と、それに
   対向する第２の部材又は第１の部材との間に緩衝材を装
   着したことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載
   の真空保持装置。
6. 【請求項６】 前記金属薄板の厚さが０．３ｍｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
   真空保持装置。
7. 【請求項７】 ガラス窓から入る太陽熱を吸熱板で吸収
   し、前記吸熱板に密着して設けられた熱媒体を入れる管
   を備えた真空式太陽熱収集装置において、 前記請求項１〜６のいずれかに記載の真空保持装置を使
   用して、第１の部材の前記ガラス窓と第２の部材の筺体
   を真空封止したことを特徴とする真空式太陽熱収集装
   置。