JP2006329606A

JP2006329606A - 真空平板式太陽熱収集装置

Info

Publication number: JP2006329606A
Application number: JP2005182582A
Authority: JP
Inventors: Shunsaku Nakauchi; 俊作中内
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】筺体と窓ガラスとを数メートルに亙って金属で真空封止して、高真空を長年に亙って維持できる経済的に効率の高い真空平板式太陽熱収集装置を得ることを課題とする。
【解決手段】太陽光の熱を受ける平板状の集熱板８と、集熱板８を収容する容器状の筺体３と、筺体３の上部に設けられた窓ガラス２とを備えた真空平板式太陽熱収集装置において、窓ガラス２を筺体３の外部に対し膨らんだ凸型部１２を有する形状に形成し、筺体３の側壁に窓ガラス２を水平に支持する水平部７と水平部７の外側の端部に形成した垂直部４とを設け、垂直部４と窓ガラス２の端面との隙間に金属充填材６を充填し、大気圧による圧縮応力を金属充填材６に掛けて筐体３と窓ガラス２とを真空封止した。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空平板式太陽熱収集装置、特に、筺体内の真空度を維持して効率の高い太陽熱の収集装置（コレクター）の性能を長期に亙って発揮できるように、窓ガラスと筺体とを真空封止する技術に関するものである。

太陽熱コレクターの効率を上げるためには、集熱板が収集した太陽熱を無駄に外部に逃がさないようにしなければならない。この熱の逃げ道の内、筺体内の空気の熱伝導によるものが大きい。それで真空ガラス管式太陽熱コレクターのようにガラス管式の筺体の内部を真空にして、効率を上げる方法が開発された。
しかし、円筒のガラス管を使用した真空式のコレクターはあまり大きい直径にすると取り扱いが不便であるから、せいぜい直径は２０ｃｍ以下位であって、広い面積のコレクターを作るには多くのガラス管を並べなくてはならない不便があった。

一方、筺体が金属の真空平板式コレクターでは、厚さを２〜３ｃｍ位の薄いコレクターに出来るので、一つのコレクターの面積を１〜４ｍ^２位の大きさにするのが容易であり、工事が楽で安価に出来る長所がある。
しかし、筺体が金属のコレクターの場合では、窓ガラスの外周と金属筺体とを数メートルに亙って真空封止して、例えば、０．１Ｐａ以下の高真空を維持する良い方法が無かったために、非真空式にするか、或いは非特許文献１のように、５０００Ｐａ程度の低い真空度にして内部にクリプトンのような熱伝導度の悪い気体を封じ込めて、実質的には１０Ｐａ程度の真空度と同じ程度の熱伝導度を得るという方法を採用していた。この場合は高真空でないので、太陽熱の収集が効率的ではなかった。

これに対して、本発明者によって、特許文献１に示すように、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成し、筐体の側壁と窓ガラスの端面との間に金属ガスケットを設け、加熱後冷却する筐体の収縮力によって金属ガスケットに圧縮力を掛けて真空封止した真空平板式太陽熱収集装置が提案されている。
しかしながら、この場合は、加熱後冷却する筐体の収縮力を利用しているので、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成しなければならなかった。

書名：ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ，Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．２，ｐｐ．１１１−１１８，１９９９．発行：ＥｌｓｅｖｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅＬｔｄ．論文名：ＨＩＧＨＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹＥＶＡＣＵＡＴＥＤＦＬＡＴ−ＰＬＡＴＥＳＯＬＡＲＣＯＬＬＥＣＴＯＲＦＯＲＰＲＯＣＥＳＳＳＴＥＡＭＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ．著者：Ｎ．ＢＥＮＺＡＮＤＴ．ＢＥＩＫＩＲＣＨＥＲ特開２００３−１９４４１８

窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成しなければならないという制約を受けることなく、金属筐体（以下、筐体という）と窓ガラスとを数メートルに亙って金属で真空封止して、高真空を長年に亙って維持できる真空封止方法を開発し、経済的に効率の高い真空平板式太陽熱収集装置を得ることを課題とする。

本発明は、真空封止部分の真空封止を完全にするために、この部分の隙間を埋める金属充填材が、微小な隙間もなく完全に筺体の側壁と窓ガラスの端面（周縁部の切り口の面）に密着するように、大気圧を利用して常に強い圧縮応力を金属充填材に掛けておく。
そのために窓ガラスの外形面の形状を筺体底面に対して凸状になるように、換言すれば窓ガラス面が筺体外部に対して膨らんだ形状にする。そうすると凸状に膨らんでいる窓ガラスは大気圧によって真空の筺体の底面の方向に押され、水平の板状になろうとして外周が増大するようになり、窓ガラスの外周部にある真空維持用の金属充填材を筺体の垂直部の壁の方向に押す力（圧縮力）が窓ガラスに生ずる。この大気圧による圧縮力を金属充填材に常に掛けておくことにより筐体と窓ガラスとの真空封止を完全にすることが出来る。

また、筐体の底面に受ける大気圧によって底面は凹むように変形し、筐体の垂直部は底面の中心部の方に縮むような力を受け、更に、筐体の垂直部そのものに掛かる大気圧によって垂直部が中心部に向かって縮む力を受け、金属充填材を窓ガラスの方向に圧縮する。
このように、大気圧によって、金属充填材は、窓ガラスによりその外径方向に押し出される力を受け、筺体の垂直部により窓ガラスの中心部の方向に縮む力を受ける。
この両者の力によって金属充填材の受ける圧縮応力は金属充填材の気密性を向上させるが、特に、この窓ガラスによって金属充填材が受ける圧縮応力は、金属充填材の真空維持能力にとって大変重要な役割を演じる。

本発明は、大気圧による圧縮応力を金属充填材に掛けて筐体と窓ガラスとを真空封止するので、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成しなければならないという制約はなく、長年に亙って高真空を維持することが出来、効率的な真空平板式太陽熱収集装置を得ることが出来る。

太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、集熱板を収容する容器状の筺体と、筺体の上部に設けられた窓ガラスとを備えた真空平板式太陽熱収集装置において、窓ガラスを筺体の外部に対し膨らんだ凸型部を有する形状に形成し、筺体の側壁に窓ガラスを水平に支持する水平部と水平部の外側の端部に形成した垂直部とを設け、垂直部と窓ガラスの端面との隙間に金属充填材を充填し、大気圧による圧縮応力を金属充填材に掛けて筐体と窓ガラスとを真空封止して真空平板式太陽熱収集装置を実現した。

図１は本発明の実施例１を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２は図１の周辺部分の一部を拡大して示した断面図である。
図１において、１は真空平板式太陽熱収集装置、２は窓ガラス、３は筺体、４は筺体３の端にある垂直部、５は隙間、６は金属充填材、７は窓ガラス２を支える水平部、８は集熱板、９は窓ガラス２を支える柱、１０は柱９を通すために集熱板８に明けられた穴、１１は集熱板を支える柱、１２は窓ガラス２に形成された凸型部である。

窓ガラス２は太陽光が入射されるように筐体３の上部に設けられている。窓ガラス２には、筐体３の外部に対し膨らんだ複数の凸型部１２が形成されている。なお、凸型部１２は、窓ガラス２の中央部に大きめの凸型部１２を一つ設けるようにしても良く、また、窓ガラス２の中央部は平板にし、周辺部にドーナツ型の凸型部１２を形成しても良い。
筐体３は金属板を加工して、側壁と底板が一体に形成されており、内部に集熱板８を収容できるように、皿型の容器状に構成されている。筐体３の側壁には、窓ガラス２を水平に支持する水平部７と、水平部７の外側の端部に形成した垂直部４が設けられており、水平部７に支持された窓ガラス２の周縁部の切り口の面である端面と垂直部４との間には数ｍｍの隙間５が形成されている。
この隙間５には、はんだ等の金属充填材６が図示したように隙間無く充填されている。金属充填材６は、はんだに限らず、融点が低い５００℃以下の金属、例えば黄銅、錫、鉛、亜鉛等を使用することが出来る。

真空平板式太陽熱収集装置１の場合は、筺体３や窓ガラス２等が大気中で吸着した気体が筺体３内に放出されて、筺体３内の真空度が悪化しないように、予め筺体３等を高温度にして、そのときに放出される気体を取り去るためのベーキングと呼ばれる作業を行う。
ベーキングは通常真空炉中で２５０℃〜４００℃にして１０時間〜数１０時間以上行われるが、このベーキングの終期に、筺体３の垂直部４と窓ガラス２との隙間５に、熔融された状態の金属充填材６がこの隙間５を完全に塞ぐように注ぎ込まれる。
そして真空炉内の真空を維持しながら、温度を下げて行き、はんだ等の金属充填材６が固体化した後に、真空炉内に空気を入れ、真空炉内を大気圧に戻す。
このようにすると、筺体３内が真空になって金属充填材６が固体化してから、大気圧が窓ガラス２と筺体３に掛かるようになる。

そうすると、凸型部１２を有する窓ガラス２は図２（ａ）で垂直の矢印Ｂで示した大気圧と筺体３の真空との圧力差で水平の板状になろうとして、水平方向の矢印Ｃで示した方向に膨張し、隙間５にある金属充填材６にこれを圧縮しようとする力が働く。この力は最外側の凸型部１２で発生し、内側の凸型部１２では柱９の上に矢印で示したように相殺されて発生しない。

一番外側にある柱９と窓ガラス２の端面までの水平方向の距離をＬｃｍとすると、窓ガラス２の端面における外周方向の長さ１ｃｍ当たりに掛かる大気圧による力はほぼＬ／２ｋｇである。そして窓ガラス２の端面からＬ／２ｃｍの所、即ち凸型部１２の頂部でｄｃｍだけ窓ガラス２が水平より上方に膨らんでいるとすると、窓ガラス２の端面に掛かる大気圧による力は、前記のＬ／２ｋｇのほぼＬ／２ｄ倍になって掛かる。今、例えばＬを２０ｃｍ、ｄを０．２ｃｍとすると、窓ガラス２の端面に掛かる前記の力はほぼ１０ｋｇからその５０倍である５００ｋｇの力となり、金属充填材６に十分強い圧縮応力を与えるようになる。

筺体３の底面や垂直部４にも大気圧が働き、この場合は筺体３の垂直部４を窓ガラス２の方向に押し縮めるように力が働く。
結局大気圧によって、金属充填材６には窓ガラス２と筺体３の両方からの圧縮応力を受ける。そのため金属充填材６の気密性が高められる。
筺体３による圧縮応力については、特に筺体３の形態を特別な形にしなくても、垂直部４を設け、水平の底面を形成しておくだけで良く、垂直部４が大気圧で押され、また、底面が大気圧で凹んで自然に金属充填材６に大気圧による圧縮応力を与えるようになる。

大気圧を利用した窓ガラス２による金属充填材６への圧縮応力は、窓ガラス２の形状を図１のように凸型部１２を有する形状に成型しておかなければ掛からない。そして、この窓ガラス２による金属充填材６への圧縮応力は金属充填材６の真空保持力を維持するのに大変重要な役目をする。
その上、窓ガラス２に掛かる圧縮応力によって、窓ガラス２は強化され、割れ難くなる。つまり窓ガラス２を図１に示したような形状に形成することによって、真空の維持と窓ガラス２の強化と言う二つの利点が生ずる。

上記したように、実施例１によれば、窓ガラスを筐体の外部に対し膨らんだ凸型部を有する形状に形成し、筺体の側壁に窓ガラスを水平に支持する水平部と水平部の外側の端部に形成した垂直部とを設け、垂直部と窓ガラスの端面との隙間に金属充填材を充填し、大気圧による圧縮応力を金属充填材に掛けて筐体と窓ガラスとを真空封止しているので、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成しなければならないという制約はなく、金属充填材に半永久的に圧縮応力を掛けることが出来るため、安定的に金属充填材による真空封止の作用を保って高真空を維持することが出来、効率的な真空平板式太陽熱収集装置を安価に得ることが出来る。
更に、大気圧により圧縮応力が窓ガラスに掛かることによって、窓ガラスは強化され、割れ難くなるという効果もある。

図３は本発明の実施例２を示す平面図である。
実施例１は、図１に示すように平面で角型の外形をしているが、実施例２はこれを円形に構成したものである。その他の構成は実質的に実施例１と同じである。
なお、窓ガラス２は透明なので、凸型部は図には表れていないが、実施例１と同様に形成されていることは言うまでもない。
実施例２によれば、実施例１と同等な効果がある。

実施例１，２において、窓ガラス２の端面には、ガラスと親和性の良い金属を取り付けて、窓ガラス２と金属充填材６との密着性を向上させることは良い方法である。
金属充填材６の種類によっては、ガラスとの親和性が良くないものもあるので、このような金属を用いて充填材６とするときは、ガラスと親和性の良い金属、例えばコバール、或いは鉄等の金属の薄い膜を、ガラスに先ず接着しておいて、その後に隙間５に金属充填材６を流し込むようにする。

図４は窓ガラスに金属板を接着する方法の一つを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図４に示したように金属リング４１を窓ガラス２に圧入し、この両者を例えば、超音波によって接着する。或いはこの両者を電磁界内に入れて電磁波の吸収によって金属リング４１の温度を上げることによって両者を溶着する。
超音波による接着は、超音波のエネルギーで、接着部分の温度をあげて二つの物質を溶着する方法であって、異種金属間や金属とセラミックの接着にも使われている良い接着方法である。

図５は窓ガラスの端面を金属化する方法を示す図で、更に別の二つの方法（ａ）と（ｂ）を示す一部省略した断面図である。図５の（ａ）はスパタリングによって窓ガラス２の端面の上に金属膜５１を付けた例で、（ｂ）は真空蒸着で金属膜５２を付けた例を示す。いずれもガラス表面を金属化するための良く知られた方法である。
上記のように窓ガラス２の端面を金属化すると、隙間５は、窓ガラス２に溶着した金属４１，５１，５２と、金属の垂直部４との間で金属間の隙間となり、金属充填材６に通常のはんだを用いた場合でも、容易に隙間５を緻密に充填することができる。特に真空炉中でこの充填を行えば、ボイドと呼ばれる気泡で作られる空間等のない、完全に気密な接着が容易に出来るので、筺体３内の真空度の維持が完全になる。

更に、実施例３として、窓ガラスを筐体の外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状に形成することも出来る。この場合は、窓ガラスを支持する柱や集熱板に柱を通す穴も不要になるので、製造コストを下げることが出来る。
全体として凸型に膨らんだ窓ガラスの場合も、実施例１と同様に金属充填材に大気圧による圧縮応力が掛かることはまったく同じである。
なお、窓ガラスを極端に大きくしない限り、大気圧に耐える強度にすることは技術的には十分可能である。

実施例３によれば、実施例１の効果に加えて、窓ガラスを筐体の外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状に形成するので、窓ガラスを支持する柱がいらなくなって部品が減少し、集熱板に柱を通す穴も不要となり、製造工程も短縮して、製造コストを下げることが出来る。

本発明の実施例１を示す図である。実施例１の周辺部分の一部を拡大して示した断面図である。本発明の実施例２を示す平面図である。窓ガラスに金属板を接着する方法を示す図である。窓ガラスの端面を金属化する方法を示すである。

符号の説明

１真空平板式太陽熱収集装置
２窓ガラス
３筐体
４垂直部
５隙間
６金属充填材
７水平部
８集熱板
９柱
１０穴
１１柱
１２凸型部

Claims

太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、前記集熱板を収容する容器状の筺体と、前記筺体の上部に設けられた窓ガラスとを備えた真空平板式太陽熱収集装置において、
前記窓ガラスを前記筐体の外部に対し膨らんだ凸型部を有する形状に形成し、前記筺体の側壁に前記窓ガラスを水平に支持する水平部と前記水平部の外側の端部に形成した垂直部とを設け、前記垂直部と窓ガラスの端面との隙間に金属充填材を充填し、大気圧による圧縮応力を前記金属充填材に掛けて前記筐体と窓ガラスとを真空封止することを特徴とする真空平板式太陽熱収集装置。
前記凸型部が複数あることを特徴とする請求項１記載の真空平板式太陽熱収集装置。
太陽光の熱を受ける平板状の集熱板と、前記集熱板を収容する容器状の筺体と、前記筺体の上部に設けられた窓ガラスとを備えた真空平板式太陽熱収集装置において、
前記窓ガラスを前記筺体の外部に対し全体として凸型に膨らんだ形状に形成し、前記筐体の側壁に前記窓ガラスを水平に支持する水平部と前記水平部の外側の端部に形成した垂直部とを設け、前記垂直部と窓ガラスの端面との隙間に金属充填材を充填し、大気圧による圧縮応力を前記金属充填材に掛けて前記筐体と窓ガラスとを真空封止することを特徴とする真空平板式太陽熱収集装置。