JP2014510839A - 太陽熱コレクターのための熱吸収体を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱吸収体の基材を減圧コーティングライン上に配置し（１２０）、減圧コーティングライン上に配置した基材上に、光を吸収するよう構成した層を、物理蒸着法によって堆積する（１６０）工程を含む、太陽熱コレクターのための熱吸収体を製造する方法（１００）に関する。

Description

本方法は、一般に、太陽熱コレクターのための熱吸収体を製造する方法に関する。

従来の太陽熱コレクターの熱吸収体の製造方法は、銅又はアルミニウム箔などの柔軟な、及び薄い基材物質を、基材物質上に選択的な太陽放射吸収層を提供するために基材物質を被覆する減圧堆積チャンバーを通して連続的に輸送する、ロールツーロールのコーティングプロセスから始まる。

ロールツーロールのコーティングプロセスの後、被覆したアルミニウム又は銅箔（供給形態はコイルである）は、コイルから断片を取り出すための適切な部分を得るためにコイルを開き、被覆した箔を切って所望の箔の断片にし、及びこれらの箔の断片を互いに、又は冷却流体管などの熱吸収体の他の部分と取り付けることによって、特定の形状、及びサイズを有する熱吸収体を得るために処理する。代替として、コイルは、必要性に従って被覆したアルミニウム又は銅箔を処理する購入者に供給される。

たとえロールツーロールプロセスが非常に速いとしても、被覆していない箔から被覆した熱吸収体への製造プロセス全体は、いくつかの作業段階、及び被覆していない又は被覆したコイルの、ある場所から他の場所への多数の移動のため、遅く、また複雑である。更に、例えば溶接による、水管に対する金属箔の取付け工程は高価であり、高度な技術を必要とし、また、そのような伝統的方法によって製造した熱吸収体の接続領域は、腐食により破損する傾向がある。

従って、本発明の一つの目的は、特に平板型太陽熱コレクターの高度な熱吸収体に使用される硬質又は半硬質の基材について、上述の欠点を取り除き、安価な、及びより速い製造方法を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載した方法、請求項５に記載した熱吸収体、及び請求項６に記載した太陽熱コレクターを提供することによって成し遂げられる。

本発明の一実施形態によれば、熱吸収体の完成基材を減圧コーティングライン上に配置し、減圧コーティングライン上に配置した完成基材上に、光を吸収するよう構成した層を、物理蒸着法によって堆積する工程を含む、太陽熱コレクターのための熱吸収体を製造する方法。

用語「熱吸収体」は、少なくともコーティングを含み、熱放射、例えば太陽放射を吸収するために使用される吸収要素を指す。それに加えて、吸収要素は通常、吸収要素を備えた基材を含む。

用語「完成基材」は、本明細書において熱吸収体コーティングを備えた任意の完成した基材を指すために使用する。完成基材は、基材が被覆されたときに熱吸収体が完成すること、及び、基材は太陽熱コレクターの他の構造内に取付けができる状態であることを意味し、すなわち、特定の形状又はサイズを有する所望の熱吸収体を得るために被覆した基材を更に処理する必要はないが、必要に応じて水接続部を適用することを意味する。硬質又は柔軟な基材は、金属又は非金属の基材であることができ、例えばアルミニウム、銅、ステンレススチール、又はプラスチックを含むことができる。基材は、例えば溶接、ハンダ付け、鋲着、接着、ネジ止め、又は熱プレスによって互いに取り付けた一つの断片、又はいくつかの断片で形成することができる。それに加えて、被覆する硬質又は半硬質の基材は、例えばアルミニウム、若しくはプラスチックの押出成形、金属の圧延、及び／又は直接冷却型の吸収体を形成する他の方法によって実現した水路を含むことができる。

用語「物理蒸着法」は、例えば従来のマグネトロンスパッタリング、高出力衝撃マグネトロンスパッタリング、原子層堆積法、パルスレーザー堆積法、又は物理強化化学蒸着法を含むことができる、物理蒸着工程に関する。

本発明の一実施形態によれば、光を吸収するよう構成した基材及び層を含む、太陽熱コレクターのための熱吸収体であって、熱吸収体は、完成基材を減圧コーティングライン上に配置し、減圧コーティングライン上に配置した完成基材上に物理蒸着法によって層を堆積することによって製造された、熱吸収体。

本発明の一実施形態によれば、光を吸収するよう構成した基材及び層を含む、熱吸収体を含む太陽熱コレクターであって、熱吸収体は、完成基材を減圧コーティングライン上に配置し、減圧コーティングライン上に配置した完成基材上に物理蒸着法によって層を堆積することによって製造される、太陽熱コレクター。

本発明の更なる実施形態は、従属クレームにおいて定める。

本発明方法の実施形態は、例えば、アルミニウム、銅、ステンレススチール、又はポリマーのような物質から圧延、押出、及び溶接のような異なる技術で生産した、異なるマルチチャネル構造に基づくダイレクトフローの原理を利用する、高度な熱吸収体の被膜を可能にする。

動詞「含む（comprise）」は、本明細書において、詳述しない特徴の存在を除外も要求もしない、開いた限定として使用する。動詞「含む（include）」、及び「有する」は、含むものとして定義する。

本明細書において使用する用語、（原文中）「ａ」及び「ａｎ」、並びに「少なくとも一つ」は１以上と定義し、また（原文中）「複数の」は２以上と定義する。

本明細書において使用する用語「他の」は、少なくとも第２以上のものとして定義する。

別途文脈上明確に指示されない限り、用語「又は」は、「及び／又は」を含む意味において一般に使用する。

上記に定義した動詞、及び用語について、異なる定義が請求項に、又はこの明細書のどこかに与えられない限り、これらの定義が適用されるものとする。

最後に、従属項において詳述する特徴は、明確に記述しない限り、相互に自由に結合可能である。

次に、本発明の好ましい実施形態を、以下の添付の図によって開示する。

製造方法の例示的なフローチャートを示す。

熱吸収体を製造するために使用する減圧コーティングラインの例示的な図を示す。

熱吸収体の例示的な図を示す。

太陽熱コレクターの例示的な図を示す。

図１は、減圧コーティングラインによって行われる熱吸収体の製造方法１００を開示するフローチャートを例示する。

工程１１０の方法開始の間、減圧コーティングラインを起動して、減圧コーティングラインが本来の働きをするよう準備するために必要な措置（例えば確認、及び点検操作）を行い、並びに被覆する基材を準備（例えば、硬質若しくは半硬質の基材が所望の最終形状及びサイズを有するよう、金属若しくは非金属の基材物質の断片を互いに取り付け、又は基材をパッケージから拾い上げ、問題ないことを確認）する。この工程において、コーティングプロセスが完了したあとダイレクトフロー吸収体を得るために、基材本体の内部に水路を有する基材（すなわちダイレクトフローストライプ、又は平板）に、例えばハンダ付け、ろう付け、又は溶接により末端管を装着することもできる。

更に、工程１１０の間、熱吸収体コーティングを完成基材上に堆積することができるように、用意した基材を機械的及び／又は化学的に前洗浄する。

次に、工程１２０において、前洗浄した基材を、入口チャンバー、３つのコーティングチャンバー、及び出口チャンバーを含む減圧コーティングラインのチャンバー部内部へと基材を工程１３０において移動する、減圧コーティングラインのコンベア上に持ち上げる。

基材はまずポンプで減圧された入口チャンバーに到着し、工程１４０の間、基材をプラズマイオン洗浄によって更に洗浄する。

本発明の一実施形態によれば、前述の実施形態のいずれかにおいて開示される方法は、完成基材上に層を堆積する前に、減圧コーティングラインの入口チャンバーにおけるプラズマイオン洗浄によって、完成基材を洗浄する工程を含む。

次に、工程１５０において、入口チャンバーをチャンバー部の他の部分から分離しているハッチを開き、更なる洗浄をした基材を、入口チャンバーから、工程１６０の間第１のコーティング層を堆積する第１のコーティングチャンバー内へと運搬する。

層厚が１０ｎｍ〜６００ｎｍである層は、チタン、アルミニウム、ケイ素、及び窒素（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＳｉ_ｚ）Ｎ_ａを含み、層は、例えば堆積する層の組成に類似する組成を有する基材からのマグネトロンスパッタリングによって、又は窒素を含む反応性雰囲気における３つの純元素ターゲットからの同時スパッタリングによって、減圧下で堆積する。代替として、ケイ素の代わりにイットリウム、セリウム、又はクロミウムを用いることができる。添字ｘ、ｙ、ｚ、及びａ、並びに後述の添字ｂもまた、コーティング層の化学量論的、又は非化学量論的組成を示す。第１層のｘ、ｙ、ｚ、及びａの値はそれぞれ、例えば０．４、０．５、０．１、及び１．０である。典型的に、ｘの値は０．３〜０．５、ｙの値は０．３〜０．６、ｚの値は０．０３〜０．２、及びａの値は０．９〜１．１である。

工程１７０において堆積すべき更なる層がある場合、手順は、第１のコーティング層を有する基材を、工程１６０において第２層（すなわち中間層）を堆積する第２のコーティングチャンバー内に運搬する工程１５０へと戻る。

１０ｎｍ〜１５０ｎｍの層厚を有する中間層は、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＳｉ_ｚ）Ｎ_ａＯ_ｂを含む。層は、例えば、堆積する中間層の組成と類似する組成を有するターゲットからのマグネトロンスパッタリングによって、又は窒素、及び酸素を含む反応性雰囲気における２つ、又は３つの金属合金ターゲットからの同時スパッタリングによって堆積する。ｘ、ｙ、ｚ、ａ、及びｂの値はそれぞれ、例えば０．４、０．５、０．１、０．８、及び０．３であることができる。典型的に、ｘの値は０．３〜０．５、ｙの値は０．３〜０．６、ｚの値は０．０３〜０．２、ａの値は０．２〜０．８、及びｂの値は０．２〜０．８である。

工程１７０において堆積すべき更なる層がある場合、手順は再び工程１５０に戻り、２つのコーティング層を有する基材を、工程１６０において第３のコーティング層（すなわち上層）を堆積する第３のコーティングチャンバーに運搬する。

上層の厚みは５０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＳｉ_ｚ）Ｎ_ａＯ_ｂを含み、典型的にｘの値は０〜０．２、ｙの値は０〜０．２、ｚの値は０〜１、ａの値は０〜２、及びｂの値は０〜２である。上層は、例えば堆積する上層の組成と類似する組成を有する基材からのマグネトロンスパッタリングによって、又は窒素、及び酸素を含む反応性雰囲気におけるいくつかの純元素ターゲットからの同時スパッタリングによって堆積する。

本発明の一実施形態によれば、前述の実施形態のいずれかにおいて開示される方法は、減圧コーティングラインのチャンバー部のコーティングチャンバー内で３つの層、すなわちチタン、アルミニウム、窒素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の一つを含む組成を有する、完成基材に直接乗った第１層；チタン、アルミニウム、窒素、酸素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の一つを含む組成を有する、第１層の上の第２層；並びに、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素を含む組成を有する、第２層の上の第３層；である３つの層を堆積する工程を含む。

当然に、他の層の組成及び層厚を用いて、及びこの例において示すものとは異なる数の層を堆積することによって、完全に選択的にＰＶＤ及び／又はＰＥＣＶＤコーティングした吸収体を製造することができる。

上層が仕上がり、堆積する層がない場合、第３のコーティングチャンバーと出口チャンバーとの間のハッチを開き、被覆した基材を出口チャンバーに運搬する。出口チャンバーをコーティングチャンバーから分離するためにハッチを閉じ、被覆した基材をチャンバー部の外側へ工程１８０において運搬する前に、出口チャンバーを周囲空気圧力にする。

本発明の一実施形態によれば、前述の実施形態のいずれかにおいて開示される方法は、完成基材がチャンバー部の中に入る前、チャンバー部内部で完成基材の洗浄及び／又は層の堆積の１つが提供された後、並びに完成基材がチャンバー部を出る際に、完成基材を減圧コーティングに沿って運搬する工程を含む。

最後に、減圧コーティングラインでの堆積工程が終了したときに、被覆した基材、すなわち用意された完全な吸収体を減圧コーティングラインから取り除き、方法１００は工程１９０で終了する。

代替として、完全に被覆した吸収体を作成するために、全ての方法の工程が１つのチャンバー内で起こる、いわゆるバッチ塗工機を減圧コーティングラインとして使用することもできる。したがって、手順が工程１７０にあり、堆積する一つ以上の層がまだある場合、手順は、同じ一つのチャンバー内で次の層を基材上に堆積する工程１６０へと戻る。したがって、バッチ塗工機の場合、運搬工程１３０、１５０を行う必要はなく、また、工程１２０、１８０は、被覆する基材を、それぞれバッチ塗工機の内部へ、及びバッチ塗工機の外側へ配置することに関する。

図２において、コンベア部２１０ａ、２１０ｂ、及びチャンバー部２２０は、減圧コーティングライン２００を通して完成基材を移動するのに適するコンベア２３０、すなわちローラーコンベアを含む、減圧コーティングライン２００を例示する。コンベア２３０はコンベアベルトであることもでき、どちらの場合も、いくつかの基材がコンベア２３０上、及びチャンバー部２２０内部に並ぶことができるよう、減圧コーティングライン２００の全体を設計する。並べてセットすることができる基材の数は、基材のサイズに依存する。

チャンバー部２２０は、ハッチ２４２、２４４を有する、ポンプで減圧され、プラズマイオン洗浄によって基材を洗浄する入口チャンバー２４０、マグネトロンスパッタリングを実行するよう構成した第１の導電管を有する第１のコーティングチャンバー２５０、他のマグネトロンスパッタリングを実行するよう構成した第２の導電管を有する第２のコーティングチャンバー２６０、及び化学蒸着工程を実行するよう構成した第３のコーティングチャンバー２７０を含む。コーティングチャンバー２５０、２６０、２７０の間にハッチはないが、コーティングチャンバー２５０、２６０、２７０を更なるハッチによって各々から分離することもまた可能である。チャンバー部２２０の終わりに、ハッチ２８２、２８４を含む、基材を周囲空気圧力に戻す出口チャンバー２８０を置く。

減圧コーティングラインが稼働している場合、コーティングチャンバー２５０、２６０、２７０の内部は連続的に減圧であるが、基材を入口チャンバー２４０から最初のコーティングチャンバー２５０へと運搬するとき、ハッチ２４２、２４４は閉じ、被覆する新しい基材を受け入れるために入口チャンバー２４０を周囲空気圧力に戻す。被覆した基材を出口チャンバー２８０からチャンバー部２２０の外側へ運搬するとき、ハッチ２８２、２８４は閉じ、次の被覆した基材を受け入れるために出口チャンバー２８０をポンプで減圧するように、出口チャンバー２８０に関しても同様である。

制御ユニット（図示せず）は、減圧コーティングライン２００内に取り付けたセンサ、制御ユニットの少なくとも一つの処理装置によって動作するコンピュータプログラム、及び／又は減圧コーティングライン２００のユーザインタフェース（図示せず）を通じて作業者が提供する指示によって提供される情報によって、減圧コーティングライン２００の作業を管理する。制御ユニットは、例えば少なくともローラーコンベア２３０、入口チャンバー２４０、コーティングチャンバー２５０、２６０、２７０、及び出口チャンバー２８０の作業を制御する。減圧コーティングライン２００の効率を最大化するために、制御ユニットは、同時に、１つの基材、又は基材の列が入口チャンバー２４０内部にあり、１つの基材、又は基材の列がコーティングチャンバー２５０、２６０、２７０の１つの内部にあり、及び１つの基材、又は基材の列が出口チャンバー２８０の内部にあるように、ローラーコンベア２３０、及びチャンバー部２２０を制御することができる。

図３は、減圧コーティングラインによって製造した、完成基材３２０上に熱吸収体コーティング３１０を有する熱吸収体３００の断面図を例示する。完成基材３２０は内部に用意した水路を含むことができる。

多層光学コーティング構造３１０は、光を吸収し、並びに基材３２０からコーティング３１０への、及び環境から基材３２０への元素の拡散を妨げるために基材３２０の表面上に直接第１に堆積した層３３０を含む。中間層３４０は、部分的に入射光を吸収し、及び選択した波長における干渉を強化するため、層３３０上に堆積する。コーティング３１０における上層３５０は、コーティング３１０を部分的に環境気体から分離し、反射防止層として機能させるため、中間層３４０の上に提供する。層３２０が基材の腐食を防止するように、熱吸収体３００を設計することができ、又は代替的に、上層３５０が基材の腐食の防止を提供するように、熱吸収体３００を設計することができる。

本発明の一実施形態によれば、前述の実施形態のいずれかにおいて開示される熱吸収体は、減圧コーティングラインのチャンバー部のコーティングチャンバー内で堆積した３つの層、すなわちチタン、アルミニウム、窒素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の１つを有する組成を含む、完成基材上に直接堆積した第１層；チタン、アルミニウム、窒素、酸素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の一つを含む組成を有する、第１層の上に堆積した第２層；並びに、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素を含む組成を有する、第２層の上に堆積した第３層；という３つの層を含む。

図４は、減圧コーティングラインにおいて提供された熱吸収体４１０を含む、太陽放射を吸収することができる太陽熱コレクター４００の断面を示す。

平板型コレクター４００は、太陽放射が吸収要素４１０へと通過し、吸収要素４１０からの熱損失を減らすこと可能にする透明カバー４２０（例えばガラス、又はポリカーボネートカバー）を有する。それに加えて、平板型コレクター４００は、カバー４２０と合わせて、吸収要素４１０、及び吸収した熱が吸収要素４１０から除去されるよう熱搬送流体（例えば空気、水、又は不凍液）が流れる、吸収要素４１０に接続している管４４０を保護する、コレクターフレーム４３０を含む。水が管４４０内を流れている場合、熱搬送流体は、得られた熱を例えば水槽へ直接輸送する管４４０を通って循環する。平板型コレクター４００の底（管４４０の下）はまた、断熱体４５０である。

本発明の一実施形態によれば、前述の実施形態のいずれかにおいて開示される太陽熱コレクターは、減圧コーティングラインのチャンバー部のコーティングチャンバー内で堆積した３つの層、すなわちチタン、アルミニウム、窒素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の１つを有する組成を含む、完成基材上に直接堆積した第１層；チタン、アルミニウム、窒素、酸素、及び以下の元素（ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウム）の一つを含む組成を有する、第１層の上に堆積した第２層；並びに、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素を含む組成を有する、第２層の上に堆積した第３層；である３つの層を含む熱吸収体を含む。

ここで、本発明は上述した実施形態によって説明され、本発明のいくつかの利点が実証された。本発明はこれらの実施形態に制限されず、また、本発明の思案、及び添付した特許請求の範囲の精神、及び範囲内の全ての可能な実施形態も含むことは明白である。

Claims (6)

1. 減圧コーティングライン上に熱吸収体の完成基材を配置し（１２０）、減圧コーティングライン上に配置した完成基材の上に、光を吸収するよう構成した層を、物理蒸着法によって堆積する（１６０）工程を含む、太陽熱コレクターのための熱吸収体を製造する方法（１００）。
2. 完成基材上に層を堆積する前に、減圧コーティングラインの入口チャンバー内でのプラズマイオン洗浄によって完成基材を洗浄する（１４０）工程を更に含む、請求項１に記載した方法。
3. 減圧コーティングラインのチャンバー部のコーティングチャンバー内で、３つの層を堆積する工程を含む、請求項１又は２のいずれか一項に記載した方法であって、該３つの層は、チタン、アルミニウム、窒素、及び以下の元素：ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウムの一つを含む組成を有する、完成基材上の第１層；チタン、アルミニウム、窒素、酸素、及び以下の元素：ケイ素、イットリウム、セリウム、及びクロミウムの一つを含む組成を有する、第１層の上の第２層；並びに、チタン、アルミニウム、ケイ素、窒素、及び酸素を含む組成を有する、第２層の上の第３層；である、方法。
4. 完成基材をチャンバー部内に入れる前に、チャンバー部内部で完成基材の洗浄又は層の堆積の１つを提供した後に、及び完成基材をチャンバー部から出す際に、完成基材を減圧コーティングに沿って運搬する（１３０、１５０、１８０）工程を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載した方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載した方法によって製造された、太陽熱コレクターのための熱吸収体（３００）。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載した方法によって製造された熱吸収体を含む、太陽熱コレクター（４００）。

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