JP2014521047A - 真空太陽熱パネルを製造する方法及び関連する真空太陽熱パネル - Google Patents

Abstract

本願は、真空太陽熱パネルの真空気密エンベロープを製造する信頼性があり安価な方法に関する。この真空気密エンベロープは、太陽放射を透過するガラス前面プレート１と、金属底面プレート２と、金属底面プレート２に接合される周囲枠３と、この周囲枠３をガラス前面プレート１に連結する周囲ベルト４とによって画定される。上記方法は、以下のステップすなわち、バイメタルストリップを形成するために第１の金属ストリップと第２の金属ストリップとの縁同士を接合するとともに、次に閉鎖したループを形成するために上記バイメタルストリップの対向する縁をともに接合するステップと、この接合するステップの後、上記第１の金属ストリップを周囲枠３に形成するとともに、上記第２の金属ストリップを周囲ベルト４に形成するステップと、上記接合するステップ及び上記形成するステップの後、周囲ベルト４の自由縁をガラス前面プレート１に対して封止するステップと、上記接合するステップ及び上記形成するステップの後、金属底面プレート２を周囲枠３に接合するステップと、を含む。

Description

本発明は、真空太陽熱パネルを製造する改善された方法及びそのような方法で製造されるのに適した真空太陽熱パネルに関する。

よく知られているように、真空太陽熱パネルは真空気密エンベロープ(envelope)を備えている。真空気密エンベロープでは、少なくとも前面プレートが太陽放射を透過する。前面プレートは、通常はガラス製である。パネルは、真空エンベロープ内に配置される吸熱体と、伝熱流体を輸送するパイプとを備える。

太陽放射はガラス前面プレートを通って真空エンベロープに入射し、吸熱体によって収集されて熱に変換される。その次に、熱はパイプ内へ流れる伝熱流体に伝達される。

真空気密エンベロープは、特許文献１に開示されているように、底面プレートが周囲枠と一体形成されている容器とするか、そうでなければ、例えば同じ出願人名義の特許文献２として発行されたＰＣＴ出願に記載されているように、２つの部品を溶着することによって得ることができる。

後者の場合、弾性を有する周囲ベルトが周囲枠とガラス前面プレートとの間に介在することが有利である。そのような周囲ベルトが金属枠の片側に溶着され、一方、他方の側には既知のタイプの真空気密ガラス−金属封止によってガラス前面プレートが取り付けられている。周囲ベルトは、ガラス前面プレートの熱膨張率に厳密に一致する熱膨張率を有する金属合金から作製され、ガラス−金属封止部において生じる機械的応力を制限する。

したがって、真空太陽パネルを製造する際、周囲ベルトがガラス前面プレートに対して封止され、次に金属周囲ベルト自体と金属周囲枠との溶着が行われる。
しかしながら、この最後の製造ステップは、先に実現されたガラス−金属封止部に対するいかなる損傷も防止するために、細心の注意を伴って実行されなくてはならない。
実際、封止部の気密性を損なう可能性がある熱応力及び機械的応力の双方は、溶着ステップに起因する場合がある。熱応力は周囲ベルトの加熱に起因し、一方、機械的応力は周囲枠を周囲ベルトに対して押圧することによって生じるが、このことは、２つの部品間の良好な機械的接触を達成して、溶接シームの均一性及び真空気密性を確実にするために必要である。

少なくとも上述の機械的応力を防ぐために、周囲枠の寸法と周囲ベルトの寸法とを非常に正確に一致させることが必要である。このようにして、途切れのない溶接シームが達成され、溶着中に２つの部品を接触させたままにしておくために高い圧力を印加する必要がない。
しかしながら、このように寸法を非常に正確に一致させるには、２つの部品を高精度に機械加工又は成形する必要がある。さらに、このような熱プロセスの非常に正確な温度制御を伴う高精密の焼成ジグの使用によって、ガラス−金属封止部を得る熱プロセス中の周囲ベルトの変形が最小限の範囲に制限される。

ともに溶着される２つの部品の製造精度を増大させること及び高精密の焼成ジグを非常に正確な温度制御プロセスを伴って用いることによって、真空熱パネルの生産のコスト及び複雑性が大幅に増大する。

米国特許第４，４９３，９４０号 国際公開第２０１０／００３６５３号

したがって、本発明の根底にある技術的課題は、高価な高精度製造技術に頼ることなくガラス−金属封止部の損傷を防ぐ、真空太陽熱パネルの代替的な製造方法を提供するという課題である。

上述の技術的課題に対する解決策が、真空太陽熱パネルの真空気密エンベロープを製造する方法によって提供される。真空気密エンベロープは、太陽放射を透過するガラス前面プレートと、金属底面プレートと、金属底面プレートに接合される周囲枠と、この周囲枠をガラス前面プレートに連結する周囲ベルトとによって画定される。
上記方法は、以下のステップすなわち、
バイメタルストリップを形成するために第１の金属ストリップ及び第２の金属ストリップとの縁同士を接合するとともに、次に閉鎖したループを形成するために上記バイメタルストリップの対向する縁をともに接合するステップと、
上記接合するステップの後、上記第１の金属ストリップを周囲枠に形成するとともに、上記第２の金属ストリップを周囲ベルトに形成するステップと、
上記接合するステップ及び上記形成するステップの後、周囲ベルトの自由縁をガラス前面プレートに対して封止するステップと、
上記接合するステップ及び上記形成するステップの後、金属底面プレートを周囲枠に接合するステップと、を含む。

上記方法において特定される金属−金属接合ステップは、溶着ステップ、鑞付けステップ又は半田付けステップとすることができる。

当業者は上記で特定された方法により、ガラス−金属封止部に作用する熱応力及び機械的応力が大幅に減少することを直ちに理解するであろう。

実際、周囲枠及び周囲ベルトは封止部の実現の前に接合され、したがってこの接合ステップはいかようにも封止部に影響を与える可能性がない。

形成するステップ中、結果として得られる周囲枠の自由縁は、接合縁を画定するために、周囲ベルト及び周囲枠が位置する周囲平面に対して傾斜することができ、周囲枠の接合縁の傾斜と一致するように傾斜している接合縁を定めるために金属底面プレートを形成するステップを設けることができることが有利である。そのような場合、金属底面プレートの接合縁は最終接合ステップ中に周囲枠の接合縁に接合され、そのようなステップは封止ステップの後に行うことができる。

実際、周囲枠の接合縁及び金属底面プレートの傾斜のおかげで、（例えば、溶接によって行うことができる）最後の接合ステップ中に、周囲ベルトをガラス前面プレートに対して直角に保ちながら、枠自体と金属底面プレートとを互いに対して押圧することができる。これにより、当該周囲ベルトのリブ（ribbing）によって吸収されにくい接線応力がガラス−金属封止部に印加されることが防がれる。

上述の利点を達成するために、接合縁は、結果として得られる真空気密エンベロープに対して外方に傾斜していることが好ましい。

詳細には、接合縁は、周囲平面に対して５度から４５度の間に含まれる角度、好ましくは３０度で傾斜していることが好ましい。

従来技術の記載において確認したように、周囲枠は剛性とすることができ、一方、周囲ベルトは変形可能とすることができる。

第１の金属ストリップはガラス前面プレートの熱膨張率に一致する熱膨張率を有することが好ましい。これは第１の金属ストリップを膨張制御合金、例えばＮｉＦｅ４８から実現することによって達成することができる。

２つのストリップに異なる特性が要求されることを前提とすると、第１の金属ストリップは第２の金属ストリップよりも厚いことが好ましい。

結果として得られる真空気密エンベロープの外面に相当する第１の金属ストリップ及び第２の金属ストリップの面は、第１の金属ストリップと第２の金属ストリップとの縁同士を接合するステップ中に位置合わせすることができることが有利である。これは、平滑な外表面を有する真空パネルを製造するためである。

上述の形成ステップは、部材の機械的スチフネスを増加させるために、周囲枠に第１の長手方向リブを形作るステップを含むことができる。

この形成ステップは、周囲ベルトに第２の長手方向リブを形作るステップを含むこともでき、この長手方向リブは周囲ベルトの弾性部分を定める。

金属底面プレートを周囲枠に接合する前に、周囲枠の接合縁の傾斜に一致するように傾斜している接合縁を定めるために、上記金属底面プレートの周縁部を形成することができることが有利である。接合縁の傾斜が一致するという表現は、周囲枠と同一の（identified by）平面と底面プレートと同一の平面とによって形成される角度がおおよそ９０度であることを意味する。

封止するステップは、真空気密封止部を形成するガラス材料の溶融及びその後の固化を誘起する熱プロセスによって行うことができる。

上述の技術的課題に対する解決策が真空太陽熱パネルによっても提供される。
真空太陽熱パネルは、太陽放射を透過するガラス前面プレートと、金属底面プレートと、この金属底面プレートに接合される周囲枠と、周囲枠をガラス前面プレートに連結する周囲ベルトとによって画定される真空気密エンベロープを備える。周囲枠は、周囲ベルト及び周囲枠が位置する周囲平面に対して傾斜している接合縁を有し、金属底面プレートは周囲枠の接合縁に一致する角度で金属底面プレートの平面に対して傾斜している接合縁を有する。金属底面プレートの上記接合縁及び周囲枠の上記接合縁はともに接合される。

周囲枠の上記接合縁は、真空気密エンベロープに対して外方に、周囲平面に対して５度から４５度の間に含まれることができる角度、好ましくは３０度で傾斜していることが好ましい。一方、金属底面プレートの接合縁は周囲枠の接合縁の角度に一致する角度で傾斜している。

周囲枠は第１の長手方向リブを特徴とすることができることが有利であり、一方、周囲ベルトは第２の長手方向リブを特徴とすることができることが有利である。

更なる特徴及び利点は、例示的かつ非限定的な目的で提供される添付の図面を参照して、以下に概説される本発見の好ましいが排他的でない実施形態の詳細な説明からより明らかとなるであろう。

本発明による製造方法の第１のステップの概略図である。 本発明の方法に従って製造された真空太陽熱パネルの細部の概略斜視図である。 図２の細部の概略断面図である。 図３の断面の細部の拡大図である。

本発明による真空太陽熱パネルは、封止された容積を画定するとともに真空化されるときに大気圧に耐えることができる、実質的に平坦な箱状の真空気密エンベロープを備える。

真空気密エンベロープは、吸熱手段と、パイプと、ガラスプレート支持構造体と、可能性としては、本発明に関係せず、したがって添付の図面に表されていない他の機能的要素とを備える。

真空気密エンベロープは、形状が略矩形のガラス前面プレート１と、ガラス前面プレート１に平行でガラス前面プレート１とおおよそ同じサイズの金属底面プレート２とによって画定される。上記２つのプレート１、２は、金属底面プレート２に溶着された周囲枠３により、かつ周囲枠３をガラス前面プレート１に連結する周囲ベルト４により離間関係に保たれる。

周囲枠３及び周囲ベルト４は、好ましくはガラス前面プレート１に対して直交する周囲平面ｘを規定する。

周囲枠３は、０．５ｍｍから５ｍｍの間に含まれる厚さ、好ましくは１．５ｍｍの厚さを有するとともに剛性の性質を呈し、一方、周囲ベルト４は、周囲枠３より薄く（その厚さは０．１ｍｍから１ｍｍの間に含まれる）、弾性の性質を呈する。

ガラス前面プレート１の方を向いている周囲枠３の上縁３３は、対応する周囲ベルト４の下縁４３に長手方向シームＬに沿って溶着される。図４において見て取ることができるように、２つの周囲部材の外面は位置合わせされ、真空気密エンベロープの外表面は長手方向シームＬにおいて平滑になる。内側においては、２つの周囲部材の異なる厚さを前提とすると、エンベロープの表面は長手方向シームＬにおける段差を特徴とする。

以下で接合縁３２と称する周囲枠３の反対縁は、上記で定義した周囲平面ｘに対して僅かに傾斜している。具体的には、接合縁３２は真空気密エンベロープの内部に対して約３０度の角度で外方に傾斜している。

周囲枠３の接合縁３２は、金属底面プレート２の対応する接合縁２２に溶着される。事実上、金属底面プレート２は平坦で、上記周囲接合縁２２はこのプレートの主部分に対して傾斜している。金属底面プレート２の接合縁２２の傾斜は周囲枠３の接合縁３２の傾斜と一致する。すなわち、接合縁２２は金属底面プレート２の主部分に対して約６０度の角度で傾斜している。接合縁の傾斜が一致するという表現は、周囲枠３と同一の平面と、金属底面プレート２と同一の平面とによって形成される角度がおおよそ直角であることを意味する。これにより、接合縁３２の３０度の角度が６０度の金属底面プレート２の接合縁２２に対して一致する角度に相当する理由が説明される。

周囲枠３は断面が半円形である第１の長手方向リブ３１を特徴とし、第１の長手方向リブ３１は周囲平面ｘに対して真空気密エンベロープの外側に向かって突出している。

周囲ベルトは断面が半円形である第２の長手方向リブ４１を特徴とし、第２の長手方向リブ４１は周囲平面ｘに対して真空気密エンベロープの外側に向かって突出している。

真空気密エンベロープは、本明細書において記載されている製造ステップに従って製造される。

予め、第１の金属ストリップ３’及び第２の金属ストリップ４’を準備する。第１の金属ストリップ３’は０．５ｍｍから５ｍｍの間に含まれる厚さを有するより厚い鋼板から得られ、一方、第２のストリップ４’はガラス前面プレート１に用いられるソーダ石灰ガラスと略同じ熱膨張率を有する膨張制御合金（ＮｉＦｅ合金４８が好ましい）のより薄い板（その厚さは０．１ｍｍから１ｍｍの間に含まれる）から得られる。

製造方法の第１のステップにおいて、予備溶接された(pre-welded)バイメタルストリップを形成するために、第１の金属ストリップ３’を第２の金属ストリップ４’と並列して縁同士を溶着する。すなわち、周囲枠３の上縁３３を周囲ベルト４の下縁４３と並列して溶着する。この作業は、少なくとも１分あたり０．５ｍの速度のアーク溶接、又は１分あたり５ｍの速度のレーザー溶接及び電子ビーム溶接によって行うことが好ましい。この溶着ステップは、第１の金属ストリップ３’及び第２の金属ストリップ４’の外表面（すなわち、結果として得られる真空気密エンベロープの外側に最終的に面する表面）を位置合わせするよう注意しながら実行することが好ましい。

次に、結果として得られるバイメタルストリップの２つの対向する端部を、閉鎖したループを形成するために横断方向シームｚに沿ってともに接合されて溶着する。

第２のステップにおいて、ループ状のバイメタルストリップを、既知の金属成形技術によって所望される矩形の形状に形成する。このようなステップにおいて、第１の金属ストリップ３’は上述の周囲枠３の形態に形作られ、一方、第２の金属ストリップ４’は周囲ベルト４の形状をとる。具体的には、周囲枠３の接合縁３２をその最終位置へと曲げるとともに、第１の長手方向リブ３１及び第２の長手方向リブ４１を得る。

溶着ステップの後、結果として得られる周囲ベルト４を、プレートの外縁から短い距離を置いてガラス前面プレート１の内側面に取り付ける。このようなステップにおいて、真空気密ガラス−金属封止部１１が既知の方法で得られる。詳細には、真空気密封止部１１をガラス材料の溶融及びその後の固化を誘起する局所加熱によって形成する。溶融されるガラス材料はガラス前面プレート１自体の一部か、又はそうでなければ異なるフリット材料とすることができる。

一方で、矩形の鋼プレートの周縁部を、傾斜した接合縁２２を有する金属底面プレート２を得るために金属成形によって曲げる。

次に、吸熱手段、パイプ、ガラスプレート支持構造体及び本発明に関係しない他の全ての機能的要素等の他の全てのパネルの構成要素を金属底面プレート２に取り付ける。

最終ステップにおいて、金属底面プレート２の接合縁２２及び周囲枠３の接合縁３２を互いに対して押圧し、真空気密エンベロープの構造体を完成させるために溶着する。

上述した発見は、当業者によって可能な要件及び特定の要件を満たす目的で多数の変更及び変形を行うことができ、その全ては添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の保護の範囲内にあることは明らかである。

Claims (15)

1. 真空太陽熱パネルの真空気密エンベロープを製造する方法であって、該真空気密エンベロープは、太陽放射を透過するガラス前面プレート（１）と、金属底面プレート（２）と、該金属底面プレート（２）に接合される周囲枠（３）と、該周囲枠（３）を前記ガラス前面プレート（１）に連結する周囲ベルト（４）とによって画定され、該方法は、以下のステップすなわち、
   バイメタルストリップを形成するために第１の金属ストリップ（３’）及び第２の金属ストリップ（４’）の縁同士を接合するとともに、次に閉鎖したループを形成するために前記バイメタルストリップの対向する縁をともに接合するステップと、
   前記接合するステップの後、前記第１の金属ストリップ（３’）を前記周囲枠（３）に形成するとともに、前記第２の金属ストリップ（４’）を前記周囲ベルト（４）に形成するステップと、
   前記接合するステップ及び前記形成するステップの後、前記周囲ベルト（４）の自由縁を前記ガラス前面プレート（１）に対して封止するステップと、
   前記接合するステップ及び前記形成するステップの後、前記金属底面プレート（２）を前記周囲枠（３）に接合するステップと、
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記形成するステップ中、結果として得られる前記周囲枠（３）の前記自由縁は、接合縁（３２）を画定するために、前記周囲ベルト（４）及び前記周囲枠（３）が位置する周囲平面（ｘ）に対して傾斜しており、
   該方法は、前記周囲枠（３）の前記接合縁（３２）の傾斜と一致するように傾斜している接合縁（２２）を定めるために前記金属底面プレート（２）を形成するステップを含み、
   前記金属底面プレート（２）を前記周囲枠（３）に接合する前記ステップは、前記封止するステップの後に行われ、該接合するステップ中、前記金属底面プレート（２）の前記接合縁（２２）は前記周囲枠（３）の前記接合縁（３２）に接合される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記接合縁（３２）は、結果として得られる前記真空気密エンベロープに対して外方に傾斜している、請求項２に記載の方法。
4. 前記接合縁（３２）は、前記周囲平面（ｘ）に対して５度から４５度の間に含まれる角度で傾斜している、請求項３に記載の方法。
5. 前記周囲枠（３）は剛性であり、前記周囲ベルト（４）は変形可能である、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の金属ストリップ（３’）は、前記ガラス前面プレート（１）の熱膨張率と一致する熱膨張率を有する、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１の金属ストリップ（３’）は膨張制御合金から作製される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の金属ストリップ（３’）は前記第２の金属ストリップ（４’）よりも厚く、
   結果として得られる前記真空気密エンベロープの外面に相当する前記第１の金属ストリップ（３’）及び前記第２の金属ストリップ（４’）の面は、前記第１の金属ストリップ（３’）及び前記第２の金属ストリップ（４’）の縁同士を接合するステップ中に位置合わせされる、
   請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記形成するステップは、前記周囲枠（３）に第１の長手方向リブ（３１）を形作るステップを含む、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記形成するステップは、前記周囲ベルト（４）に第２の長手方向リブ（４１）を形作るステップを含む、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記封止するステップは、真空気密封止部（１１）を形成するガラス材料の溶融及びその後の固化を決定する熱プロセスによって行われる、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 太陽放射を透過するガラス前面プレート（１）と、
    金属底面プレート（２）と、
    該金属底面プレート（２）に接合される周囲枠（３）と、
    該周囲枠（３）を前記ガラス前面プレート（１）に連結する周囲ベルト（４）と
    によって画定される真空気密エンベロープを備える真空太陽熱パネルであって、
    前記周囲枠（３）が第１の金属ストリップ（３’）から形成されるとともに、前記周囲ベルト（４）が第２の金属ストリップ（４’）から形成され、
    前記第１の金属ストリップ（３’）及び前記第２の金属ストリップ（４’）はバイメタルストリップを形成するために縁同士が接合され、
    前記周囲枠（３）は、前記周囲ベルト（４）及び前記周囲枠（３）が位置する周囲平面（ｘ）に対して傾斜している接合縁（３２）を有し、
    前記金属底面プレート（２）は、前記周囲枠（３）の前記接合縁（３２）に一致する角度で前記金属底面プレートの平面に対して傾斜している接合縁（２２）を有し、
    前記金属底面プレート（２）の前記接合縁（２２）と前記周囲枠（３）の前記接合縁（３２）とがともに接合されている
    ことを特徴とする、真空太陽熱パネル。
13. 前記接合縁（３２）は、前記真空気密エンベロープに対して外方に、前記周囲平面（ｘ）に対して５度から４５度の間に含まれる角度で傾斜している、請求項１２に記載の真空太陽熱パネル。
14. 前記周囲枠（３）は、第１の長手方向リブ（３１）を特徴とする、請求項１２又は１３に記載の真空太陽熱パネル。
15. 前記周囲ベルト（４）は第２の長手方向リブ（４１）を特徴とする、請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載の真空太陽熱パネル。

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