JP2014006274A - 反射鏡、および反射鏡の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射鏡を軽量、高強度、高精度、耐候性、かつ量産性に優れるものとする。
【解決手段】
反射鏡１０を、一方の面に反射面部２２を形成した鏡面部材２０と、ポーラスアルミニウムで作成され、回転放物面形状にＮＣ加工した接合面部３１に鏡面部材２０を接合する基材３０とから構成する。鏡面部材２０の反射面部２２と基材３０の接合面部３１との間にエポキシ樹脂製の接着剤５０を配置して組み合わせた状態で、鏡面部材２０および基材３０を密閉袋６０に封入し、密閉袋６０内を排気する。鏡面部材２０と基材３０は大気圧で押し付けられ密着し接着固定される。接着剤５０は、基材３０の気泡部に入り込み、鏡面部材２０の反射面部２２は基材３０の接合面部３１に押し付けられて、接合面部３１に形成した精密な形状となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、反射鏡および反射鏡の製造方法に関し、詳しくは、反射面部を備える鏡面部材を基材に接合して構成した反射鏡、およびこの反射鏡の製造方法に関する。

近年、再生可能エネルギーの利用が促進されており、その中でも太陽エネルギーの利用した発電が注目されている。太陽エネルギーを利用した発電としては、太陽電池を利用して太陽からの光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽光発電や、太陽光を太陽炉で集光して得られる高温を熱源として発電する太陽熱発電等がある。

太陽熱発電では、太陽炉に反射鏡やレンズ等の光学素子を用いて集光を行う。太陽熱発電に使用する反射鏡は、太陽光を大量かつ高効率で集光するため、大型であって、かつその反射面部の形状が高精度であること、太陽を追尾して駆動するため軽量かつ高強度であること、屋外での使用を前提として耐候性に優れること、等が求められる。

また、太陽炉では、得られる数千度の高温を利用して、物質の溶解、還元を行い、さまざまな用途に利用できる。この場合も反射鏡は、太陽熱発電に使用される場合と同様の性能が求められる。

このような反射鏡として、特許文献１は、鏡面を形成する樹脂ミラーと、前記樹脂ミラーを補強する第１の金属板と、前記第１の金属板に発泡材料を介して接合されている第２の金属板とから少なくとも構成した反射ミラーを開示する。

また、特許文献２は、上面が凹面に形成されたアルミニウム合金からなる基台と、前記基台の凹面に設けられた凹面鏡とからなるヘリオスタット用凹面反射鏡として、凹面鏡を、アルミニウム合金薄板の上面に設けた鏡面層と、前記鏡面層の表面を被覆するように設けた耐候性透明皮膜層を有するアルミニウム合金薄板材で構成したものを開示する。
特開２００６−１６２７４６号公報 特開２００２−１５４１７９号公報

しかし、従来の反射鏡にあっては、軽量化、高強度化、反射面部形状の精密化、量産性が不十分であり、さらに高い効率での太陽熱発電を行うため、各性能の向上が望まれている。

本発明は上述した課題にかんがみてなされたものであり、軽量、高強度、高精度、耐候性、かつ量産性に優れる反射鏡、および反射鏡の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、板状に形成された透明材の一方の面に反射面部を形成した鏡面部材と、発泡金属からなり、前記鏡面部材の断面形状に適合する平面形状を有すると共に前記鏡面部材との接合面部を有し、前記接合面部に前記鏡面部材を接合した基材とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、基材を軽量で比強度が高く、高精度の接合面部を形成しやすく、製造が容易な発泡金属で作成したので、反射鏡を高精度、軽量かつ高強度で量産性のあるものとできる。また、基材の強度が高いので、鏡面部材を薄くした場合であっても、鏡面部材が破損したり変形することがない。

同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の反射鏡において、前記鏡面部材を、反射面部側において前記基材の前記接合面部に接着剤を介して接合することを特徴とする。
本発明によれば、接着剤は発泡金属の気泡内に入り込んで鏡面部材を強固に基材に接合する。また、反射面部を基材側に配置して透明部材で覆うようにするので、反射面部が直接暴露させることがなく、耐候性を良好なものとできる。

同じく請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の反射鏡において、前記発泡金属がアルミニウムまたはアルミナを材料とすることを特徴とする。
本発明によれば、基材を製造および加工が容易で安価なアルミニウムまたはアルミナを材料とした発泡金属としたので、反射鏡を容易かつ安価に製造できる。

同じく請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のである、反射鏡において、前記鏡面部材の透明材がガラス材であることを特徴とする。
本発明によれば、反射面部を形成する透明材をガラス材としたので、透明部材による光の吸収、透明部材の温度変化、雨水、氷雪による劣化を少なくすることができる他、透明部材に付着した汚れを清掃しやすいものとでき、反射鏡の反射損失を少なくできる。

同じく請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の反射鏡において、前記鏡面部材及び基材は、横断面円弧状に形成されると共に平面円形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の反射鏡。
本発明によれば、反射面部を球面や、回転放物面、回転楕円面等の凹形状とすることができ、反射鏡を所望の光学特性を備えるものとできる。

同じく請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の反射鏡において、太陽光を集光することを特徴とする。
本発明によれば、高精度、軽量かつ高強度で量産性のある反射鏡で太陽光を集光できる太陽炉を実現でき、太陽熱を利用した発電、その他の用途に高い性能を発揮できる。

同じく請求項７に記載の発明は、発泡金属製の基材に所定形状の接合面部を形成し、前記基材の接合面部に適合する横断面形状を有し反射面部を備えた鏡面部材を、前記反射面部と基材との間に接着剤を配置した状態で接合し、前記基材と前記鏡面部材とを密閉袋に封入し、前記密閉袋内を排気し、前記接着剤を硬化させることを特徴とする反射鏡の製造方法である。
本発明によれば、基材と鏡面部材との間に接着剤を配置したものを密閉袋に封入し、密閉袋を排気するので、基材と鏡面部材とは大気圧で互いに押し付けられる。このため、鏡面部材は基材の接合面部の形状に沿って変形し、高精度の形状となる。さらに、接着材が基材の気泡内に入り込んで、鏡面部材と基材とを強固に接着固定する。

同じく請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の反射鏡の製造方法において、前記鏡面部材は前記基材の表面側に配置され、前記排気は前記基材の裏面側から行われることを特徴とする。
本発明にあっては、前記鏡面部材は前記基材の表面側に配置され、前記排気は前記基材の裏面側から行われることから、前記鏡面部材は排気により基材側へ強く押圧され、確実に基材に接合固定される。
請求項９記載の発明は、前記反射部材の反射面部を前記接合面部に配置することを特徴とする。
本発明によれば、反射面部を高精度に形成した接合面部に接合するので、反射面部を高精度なものとすることができる他、反射面部を基材側に配置して透明部材で覆うようにするので、反射面部が直接暴露されることがなく、耐候性を良好なものとできる。

本発明によれば、反射面部を形成した反射部材を接合する基材として発泡金属を使用しているので、高精度、軽量かつ高強度で量産性のある反射鏡、および反射鏡の製造方法を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る反射鏡を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に相当する断面図である。 本発明の一実施形態に係る反射鏡の製造方法を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る反射鏡の製造方法を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態（以下では単に実施形態と記載する）に係る反射鏡、および反射鏡の製造方法について説明する。

＜第１の実施形態＞
まず第１の実施形態である反射鏡について説明する。
この反射鏡は、集熱器に太陽光を集める太陽炉に使用する凹面鏡として構成されている。このような反射鏡では、集熱器を熱源とし、水蒸気を発生して発電を行ったり、集熱器の高温を利用してマグネシウム電池を還元して再生したりすることもできる。また、マグネシウムを精製する場合に使用することもできる。このような反射鏡は、日周運動する太陽を追跡するヘリオスタットに搭載して常に高い効率で太陽光を集光することができる。

図１は第１の実施形態である反射鏡を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に相当する断面図である。反射鏡１０は、反射面部２２を形成した透明材である鏡面部材２０と、この鏡面部材２０に接着した基材３０とにより構成されている。反射鏡１０の底中央部には穴部４０が形成されている。この穴部４０には、焦点位置に配置した集熱器（図示していない）を支持する支持装置や流体循環用の配管を通すことができる。また、穴部を形成しないこともできる。

鏡面部材２０は、所定の位置に焦点を形成する球面の一部、あるいは同じく回転放物面の一部になすよう形成された透明材としてガラス薄板からなる鏡基部２１に反射面部２２を備えている。
この実施例では反射面部２２は、鏡基部２１の外側面（図中下側面）に形成されている。鏡基部２１は、耐候性、温度変化による収縮が少ないガラス材、例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス（パイレックス（登録商標）、テンパックスフロート（登録商標））等を素材として、型成形することができる。なお、鏡基部２１はガラス材の他、透明な合成樹脂素材で形成することができる。

鏡基部２１は、例えば、厚さ２ｍｍ程度の平面扇形状であって横断面円弧状に形成された鏡基部片２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆを８枚組み合わせて所定の横断面が凹面形状となるよう型成形したものである。
反射面部２２は、前記鏡基部２１の外側面に、金属であるアルミニウムを蒸着処理、スパッタリング処理して形成した金属膜として形成することができる。また反射面部２２としては、アルミニウム以外の金属を蒸着できる他、誘電体物質の薄膜を多層に形成した多層膜コーティングを施して形成することができる。さらに、いわゆる一般の鏡を作成する場合に用いられる、いわゆる「銀鏡反応」により形成することもできる。
また、反射面部２２にはさらに数層の誘電体膜をコーティングして、赤外光域で高い反射率が得られるようにすることができる。また、保護層として反射面部２２上にＳｉＯ２の層を真空蒸着やスパッタリングで形成することができる。

次に基材３０について説明する。鏡面部材２０はポーラス金属であるポーラスアルミニウムで構成する。基材３０は、ポーラスアルミニウム製の円板部材を型成形して、鏡面部材２０の反射面部２２の形状と同じ形状の接合面部３１を形成したものである。接合面部３１を数値制御（ＮＣ）工作機によって所望の形状に高精度に切削加工することが望ましい。

ポーラス金属は、多孔質金属、発泡金属とも称され、金属素材中に無数の連続あるいは独立気泡を形成した材料である。本実施形態では連続気泡を備えるものを使用する。また、発泡金属としては、アルミニウムの他、チタン、ステンレス、アルミナを利用したものを使用できる。使用する金属は、求められる強度、質量、価格等の条件に基づいて定める。また、発泡金属の気孔率は求められる強度、質量等に基づいて定める。例えば６０％以上とする。

ポーラス金属の製造方法は問わないが、公知の方法、例えば溶融した金属に発泡材を投入して作成する鋳造法（溶湯法）や、粉末金属と発泡材とを混ぜこれを加圧下で加熱して製造する粉末法（プリカーサ法）などで作成できる。

このようなポーラス金属は、軽量性、比強度、衝撃エネルギー吸収性、切削加工性に優れた素材である。このため、鏡面部材２０の大型化を図った場合であっても軽量にすることができ、また、所定の強度を保持できる。また、基材３０の切削加工を容易に行え、精密な接合面部を形成することができる。さらに、鏡面部材２０の厚さ寸法を小さくしても、鏡面部材２０は高強度の基材３０に接合されるので、破損したり、変形したりするおそれがない。

本実施形態の反射鏡１０は、鏡面部材２０はエポキシ樹脂等の接着剤（図１中には図示していない）を介して基材３０に接着されている。基材３０を構成するポーラスアルミニウムは多孔質であるため、基材３０の気泡に接着剤が入り込んで鏡面部材２０は基材３０に強固に接着固定できる。

また、鏡基部２１は、鏡面部材２０の基材３０側に配置する。このため、反射面部２２がガラス材で覆われることとなる。このため、反射面部２２が直接大気に暴露したり雨水、氷雪に接触したりすることがなく、良好な耐候性を備える。また、鏡面部材２０の内側（鏡基部２１の大気側）が大気中の浮遊物質で汚れたとしても、鏡面部材２０はガラス製であるので容易に拭き取ったり、清掃したりすることができ、太陽光の反射効率の低下を防げることがない。

この実施形態に係る反射鏡１０は、例えば外径１０００〜２０００ｍｍ、高さ寸法２００〜６００ｍｍとすることができる。この例では、鏡面部材２０の底部に穴部４０（〜２００ｍｍ）を形成している。このような特性を備える反射鏡１０は、太陽熱発電に使用する太陽追尾装置に使用するのに好適なものとできる。

なお、反射鏡の寸法、形状は任意であり、所望の大きさ、焦点距離を備えるものとすることができる。例えば、平面反射鏡、断面を弧状とした雨どい型反射鏡、その他所望の形状の反射鏡とすることができる。また、反射鏡は、太陽熱発電に使用するものの他、任意の用途に使用することができる。

＜実施形態２＞
次に発明の第２の実施形態である反射鏡の製造方法について説明する。図２は第２の実施形態である反射鏡の製造方法を示す模式図、図３は同じく反射鏡の製造方法を示すフローチャートである。

実施形態１に係る反射鏡の製造方法では、第１の実施形態で説明した反射鏡１０を以下の手順で製造する。ここでは、反射鏡１０として、直径２０００ｍｍ、高さ６００ｍｍ、焦点距離３００ｍｍ、底部に２００ｍｍの穴部４０を備えた放物面鏡を作成するものとする。なお、球面鏡、平面鏡等他の形状の反射鏡を作成する手順もこの手順と同じである。

まず、図２（ａ）に示すように、鏡面部材２０を作成する。鏡面部材２０は鏡基部２１である８枚の横断面円弧状のガラス板を型形成により一次形成する（ステップＳ１）。鏡面部材２０は、一次成形で型に厚さ約２ｍｍのガラス板を設置して電気炉内で型内を真空にして加熱成型する。

一次成型で鏡面部材２０は、回転放物面形状の反射面部２２を形成するが、反射面部２２の形状は鏡面部材２０自体が薄いため、反射面部２２の形状が正確ではないことがある。また、このとき、鏡面部材２０の底面には鏡面部材穴部２３を開設しておく。

そして、鏡面部材２０が冷めた後、鏡面部材２０の外側面（図２（ａ）中下面）にアルミニウムを蒸着して、反射面部２２を形成する（ステップＳ２）。さらに、反射面部２２の表面に形成したＳｉＯ２を蒸着して保護面を形成する。

さらに、基材３０を作成する。基材３０は、ポーラスアルミニウム製の円板部材を作成し（ステップＳ３）、これをプレス成形して概略形状を形成した後、接合面部３１をＮＣ工作機で所望の形状の回転放物面形状に形成する（ステップＳ４）。また、基材３０には基材穴部３２を開設する。基材３０は、所定の強度を保ちつつ軽量化を図るため、全体の厚さを設定している。
本実施例では、その厚さ寸法を１００ｍｍ程度としている。基材３０は、ポーラスアルミニウムで形成しているので、ＮＣ加工、プレス加工をする際、高精度で加工ができ、高い生産性を備える。なお、基材３０はＮＣ切削加工を施すことなく、接合面部３１を含めて全体を型成形することができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、鏡面部材２０の反射面部２２にエポキシ樹脂からなる接着剤５０を２ｍｍ程度塗布する（ステップＳ５）。そして、図２（ｃ）に示すように、基材３０と鏡面部材２０とを、接着剤５０を介して重ね、これを軟質合成樹脂、例えばポリ塩化ビニール樹脂製の密閉袋６０内に封入する（ステップＳ６）。そして、密閉袋６０を密閉して、基材３０の裏面側に配置された排気口６１から密閉袋６０の内部を排気ポンプで排気する（ステップＳ７）。すると、図２（ｄ）に示すように、密閉袋６０が全体的に大気圧で縮み、鏡面部材２０および基材３０は互いに全面が押され、両者は圧接された状態となる。

このとき、基材３０を構成するポーラスアルミニウムの連続気泡内も排気されるので、鏡面部材２０が基材３０に押し付けられる。接着剤５０は、基材３０の気泡内に入り込み、鏡面部材２０が基材３０の接合面部３１に押し付けられる、鏡面部材２０は基材３０の接合面部３１に密着して、反射面部２２を基材３０に形成した接合面部３１の精度と同じ精度に形成することができる。

ガラス製の薄板であり、変形しやすい鏡面部材２０は、精密に形成された鏡面部材２０の反射面部２２に押し付けられた状態で全面的に接着固定され、所望形状の精密な放物面となる。

また、薄いガラス製の鏡面部材２０が接着剤５０で強度を備える基材３０に接着固定されるので、鏡面部材２０は破損しにくくなり、また破損したとしても飛散することがなくなる。

本実施形態に係る反射鏡の製造方法によれば、鏡面部材２０の鏡基部２１のガラスを研削、研磨加工で成形するのに比べて、格段にコストを減らし、加工時間を削減することができる。このため、基材３０の加工の容易さとも相まって反射鏡１０を容易に量産することができる。

そして、この状態で接着剤５０を硬化させ（ステップＳ８）、その後、反射鏡１０を取り出し（ステップＳ９）、必要に応じて、はみ出した接着材の除去、その他の仕上げ加工を行う。

以上のように、本実施形態に係る反射鏡の製造方法によれば、高い生産製をもって、軽量、高強度、高精度、耐候性に優れる反射鏡を製造することができる。

なお、前記第２の実施形態では、鏡面部材２０としてガラス製の鏡基部２１にアルミニウム蒸着を行った例について説明したが、鏡面部材２０としは、上述した扇状のものの他、短冊状の平面鏡を複数並べて配置することにより形成することができる。また、鏡面部材２０として金属製その他の素材のフィルム状反射鏡を使用することができる。

１０：反射鏡
２０：鏡面部材
２１：鏡基部
２２：反射面部
２３：鏡面部材穴部
３０：基材
３１：接合面部
３２：基材穴部
４０：穴部
５０：接着剤
６０：密閉袋
６１：排気口

Claims (9)

1. 板状に形成された透明材の一方の面に反射面部を形成した鏡面部材と、発泡金属からなり、前記鏡面部材の断面形状に適合する平面形状を有すると共に前記鏡面部材との接合面部を有し、前記接合面部に前記鏡面部材を接合した基材とを備えることを特徴とする反射鏡。
2. 前記鏡面部材を、反射面部側において前記基材の前記接合面部に接着剤を介して接合することを特徴とする請求項１に記載の反射鏡。
3. 前記発泡金属はアルミニウムまたはアルミナを材料とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反射鏡。
4. 前記鏡面部材の透明材がガラス材であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の反射鏡。
5. 前記鏡面部材及び基材は、横断面円弧状に形成されると共に平面円形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の反射鏡。
6. 太陽光を集光することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の反射鏡。
7. 発泡金属製の基材に所定形状の接合面部を形成し、前記基材の接合面部に適合する横断面形状を有し反射面部を備えた鏡面部材を、前記反射面部と基材との間に接着剤を配置した状態で接合し、前記基材と前記鏡面部材とを密閉袋に封入し、前記密閉袋内を排気し、
   前記接着剤を硬化させることを特徴とする反射鏡の製造方法。
8. 前記鏡面部材は前記基材の表面側に配置され、前記排気は前記基材の裏面側から行われることを特徴とする請求項７記載の反射鏡の製造方法。
9. 前記反射部材の反射面部を前記接合面部に配置することを特徴とする請求項８記載の反射鏡の製造方法。