JP2018169465A - 光吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長の変化に対する吸収率の変化が急峻で、吸収効率の高い光吸収装置を提供する。【解決手段】開気孔率が５％以下の第１セラミックス５中に、該第１セラミックス５とは組成の異なる第１セラミック粒子７を複数有するセラミック複合体９によって構成されている光吸収部材１と、光吸収部材１上に設けられている波長選択フィルタ３とを備えている。波長選択フィルタ３は、短波長側の光を透過し、長波長側の光を反射する機能を有する。波長選択フィルタ３は光吸収部材１との間に空間４を隔てて配置されている。【選択図】 図１

Description

本開示は、光吸収装置に関する。

太陽熱エネルギーの有効利用を図るために、種々の波長選択性を持つ光吸収材が研究されている。光吸収材としては、例えば、基板の表面に複数のキャビティを周期的に形成したものが提案されている。この場合、そのキャビティは太陽光の特定の波長と実質的に同じ長さの開口径および深さを有する構造となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−３３２６０７号公報

ところが、上記開示された光吸収材の場合、波長の短いスペクトルの領域において吸収率が高くなるという特性を有しているが、波長の変化に対する吸収率の変化がなだらかであり、未だ吸収効率が低いという問題がある。

従って本開示は、波長の変化に対する吸収率の変化が急峻で、吸収効率の高い光吸収装置を提供することを目的とする。

本開示の光吸収装置は、開気孔率が５％以下の第１セラミックス中に、該第１セラミックスとは組成の異なる第１セラミック粒子を複数有するセラミック複合体によって構成されている光吸収部材と、該光吸収部材上に設けられている波長選択フィルタとを備えているものである。

本開示の光吸収装置によれば、波長の変化に対する吸収率の変化を急峻なものにできる。

（ａ）は、本実施形態の光吸収装置を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 図１に示した光吸収装置の放射特性を模式的に示すグラフである。 本実施形態の光吸収装置の他の態様を示す透視斜視図である。

図１（ａ）は、本実施形態の光吸収装置を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図２は、図１に示した光吸収装置の放射特性を模式的に示すグラフである。図２に記した実線の吸収特性は本実施形態の光吸収装置Ａの結果、破線の吸収特性は波長選択フィルタ３を有しない光吸収装置の結果である。本実施形態の光吸収装置Ａは、光吸収部材１と、その上面側に設けられた波長選択フィルタ３とで構成されている。図２に示しているように、波長選択フィルタ３を備えた光吸収装置Ａは、波長選択フィルタ３を有しない構成に比較して、波長の変化に対する吸収率の変化（光の吸収特性）を急峻なものにできる。この場合、光の吸収特性は、図２に示したように、吸収率が変
化している領域における波長（Δｆ）に対する吸収率の変化量（Δａｂｓ．）から求める。

本実施形態の光吸収装置Ａに適用する波長選択フィルタ３としては、図２に示しているように、短波長側の光を透過し、一方、長波長側の光を反射する機能を有するものが良い。

波長選択フィルタ３として短波長側の光を透過し、反対に、長波長側の光を反射する機能を有するものを用いると、長波長側の光による放射の影響を抑えて、短波長側のエネルギーの高い光を光吸収部材１により多く吸収させることができる。

この場合、波長選択フィルタ３としては、光を透過する波長が１５００ｎｍ以下であるものが良い。光の透過する波長が１５００ｎｍ以下であると、放射の抑制効果をより高めることが可能になり、これにより光吸収部材Ａの吸熱量（もしくは温度）を高めることができる。このような特性を有する波長選択フィルタ３としては、例えば、石英ガラスを基材３ａとして、これにＣｄＳ、Ｃｒ_２Ｓ_３などの誘電体膜３ｂをコートしてあるものが良い。この場合、誘電体膜３ｂとしては、ＣｄＳとＣｄＯとが２層積層されたものであるのが良い。

また、本実施形態の光吸収装置Ａでは、波長選択フィルタ３は、光吸収部材１との間に空間４を隔てて配置されているのが良い。波長選択フィルタ３が光吸収部材１に対して所定の間隔をおいて隔てられた位置にあると、光吸収部材１の熱が波長選択フィルタ３側に移動し難いことから光吸収部材１の発熱量の低下を抑えることができる。これにより光吸収部材１の熱効率が高まり、発熱量の高い光吸収装置Ａを得ることができる。

なお、光吸収部材１上に空間４を隔てて波長選択フィルタ３を配置する場合には、光吸収部材１と波長選択フィルタ３との間にスペーサを置くか、または光吸収部材１および波長選択フィルタ３をそれぞれ保持部材等で固定した状態にするのが良い。スペーサとしては光の透過性を低下させないという理由からガラスなどの透明な材料を用いるのが良い。

光吸収部材１は、図１（ｂ）に示すように、母相となるセラミックス５（以下、第１セラミックス５と表記する。）中に、第１セラミックス５とは組成の異なるセラミック粒子７（以下、第１セラミック粒子７と表記する。）を含むセラミック複合体９によって構成されている。この場合、第１セラミックス５は開気孔率が５％以下の緻密質であり、絶縁性の高いセラミックスである。一方、第１セラミック粒子７は導電性のキャリア（電子）を有するものである。このキャリア（電子）が光吸収部材１を発熱させる基になっている。

セラミック複合体９では、太陽光を吸収したときに、第１セラミック粒子７の中に存在している電子が表面プラズモン効果を発現する。これによってセラミック複合体９は全体が発熱し高温に加熱された状態となる。

太陽光を吸収することによって発熱するセラミック複合体９によって構成される光吸収部材１を、例えば、水素製造用部材と組み合わせると、水素製造用部材の加熱に太陽光エネルギーを直接利用することができる。

本実施形態の光吸収部材１はいわゆるオールセラミックスのセラミック複合体９によって構成されている。このことから表面プラズモン効果を発現する材料が金属である場合に比較して酸化による材料の劣化が少ない。これにより耐久性の高い光吸収部材Ａを得ることができる。

第１セラミック粒子７は、表面プラズモン効果を高められるという点から、第１セラミックス５中において単一の粒子として孤立した状態で存在しているのが良い。言い換えると、個々の粒子が分散した状態で存在しているのが良い。孤立した状態で存在している割合としては、個数比で９０％以上であるのが良い。

第１セラミックス５の開気孔率が５％より大きい場合には、第１セラミックス５が緻密質では無くなり熱伝導率が低下する。このため組み合わせる部材（水素製造用部材）を高い温度に加熱することが困難になる。

第１セラミック粒子７の材料としては、ＡＢＯ_３として表されるペロブスカイト型の複合酸化物が好適なものとなる。この場合、第１セラミック粒子７としては、ＡＢＯ_３のＡサイトに希土類元素を含み、一方、Ｂサイトに遷移金属元素を含み、さらに、第１セラミック粒子７中に、ＡサイトおよびＢサイトの元素とは価数の異なる元素を微量含むものが良い。例えば、ＡＢＯ_３のＡサイトがランタン（Ｌａ）であり、Ｂサイトがマンガン（Ｍｎ）であり、これに微量のＳｒを含む材料を好適な例として挙げることができる。組成式としては、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３＋δ（ｘ＝０．０１〜０．９、δは任意。）と表される複合酸化物が良い。

この場合、第１セラミック粒子７は、正の抵抗温度特性を示すものが良い。第１セラミック粒子７が正の抵抗温度特性を示すものであると、セラミック複合体９の温度が高くなったときに、伝熱や対流によるエネルギーの損失が少なくなり、これにより光吸収部材１としての機能である蓄熱をも高めることが可能になる。

第１セラミック粒子７のサイズ（平均粒径）としては、微細であるのが良く、表面プラズモン効果を高められるという点から５〜１００ｎｍが良い。

また、第１セラミックス５としては、光の透過性が高いものが良い。例えば、第１セラミックス５の色の明度としてマンセルカラーシステムで区別される明度表示で５以上であるのが良い。

第１セラミックス５としては、クラックなどが生じにくく、耐熱性に優れるという点で酸化ケイ素を主成分とする低熱膨張性のガラス質の材料が好適なものとなる。この場合、セラミック複合体９は熱膨張率が９×１０^−６／℃以下であるものが良い。

さらに、第１セラミック粒子７の表面プラズモン効果を高められるという点から、セラミック複合体９中に含まれる第１セラミック粒子７の割合は体積比で１０〜８０％であるのが良い。

セラミック複合体９の内部に存在する第１セラミック粒子７の割合は、セラミック複合体５の断面を電子顕微鏡およびこれに付設の分析器（ＥＰＭＡ）を用いて求める。例えば、セラミック複合体９を研磨して第１セラミック粒子７を露出させ、その断面に存在する第１セラミック粒子７が３０〜１００個入る所定の領域を指定する。次に、この領域の面積およびこの領域内に存在する第１セラミック粒子７の合計面積を求め、領域の面積に対する第１セラミック粒子７の合計面積を求める。こうして求めた面積割合を体積割合と考える。第１セラミック粒子７が第１セラミックス５中において単一の粒子として孤立した状態で存在しているか否かの判定も上記の観察から個数をカウントして行う。

図３は、本実施形態の光吸収装置の他の態様を示す透視斜視図である。この実施形態の光吸収装置Ｂは、光吸収部材１の外周面１ａが曲面を成しており、波長選択フィルタ３が
光吸収部材１の外周面１ａに沿った形状を有している。

この場合、光吸収部材１の外周面１ａと波長選択フィルタ３の凹面３ａとの間隔は、波長選択フィルタ３の凹面３ａが覆っている光吸収部材１の外周面１ａの全面において等間隔であるのが良い。これにより波長選択フィルタ３の凹面３ａが覆っている光吸収部材１の外周面１ａの全面において、波長選択フィルタ３を透過してくる光の強度のばらつきを小さくすることが可能になる。これにより光吸収部材１の場所による光の吸収率およびこれに基づく発熱量のばらつきを小さくすることができる。

なお、光吸収部材１の形状が円柱体または円筒体である場合には、波長選択フィルタ３は、光吸収部材１の側面を取り囲む円筒形状であっても良い。光吸収部材１の形状が円柱体または円筒体であり、波長選択フィルタ３の形状が円筒形状である場合には、太陽光を光吸収部材１の側面の全面で受けることが可能になる。このような場合、光吸収装置Ａの太陽光の照射面とは反対側の位置に太陽光を受けるための反射板を設置しておくのが良い。これにより光の吸収率および発熱量のさらに高い光吸収装置Ａを得ることができる。

光吸収部材１の形状が円筒体である場合には、光吸収部材１の内筒側に水素生成部材を挿入して一体型の水素製造装置を形成することができる。

以下、光吸収装置を作製し、光の吸収特性を評価した。光吸収部材用の第１セラミック粒子には、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３を主成分とし、ＭｎサイトにＦｅを０．５モル置換したペロブスカイト材料を用いた。平均粒径は５５ｎｍであった。

次に、ペロブスカイト材料の粉末にガラス粉末（ホウ珪酸ガラス）を混合して複合粉末を調製した。光吸収部材の組成は、ペロブスカイト材料の粉末が５０体積％、ガラス粉末が５０体積％の割合となるようにした。

次に、得られた複合粉末に有機バインダとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を１０質量％添加して、成形体を作製し、脱脂後、大気中、赤外線イメージ炉を用いて最高温度１４００℃、保持時間約１秒の条件にて加熱を行い、光吸収部材となる焼結体を作製した。作製した光吸収部材の開気孔率は０．５％であった。なお、作製した光吸収部材内に含まれている複合酸化物粒子は、９０％が孤立して存在している状態であることを走査型電子顕微鏡を用いた断面観察によって確認した。

作製した焼結体を研磨加工して、長さが２０ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚みが１ｍｍの光吸収部材を作製した。この後、光吸収部材の表面の角の４箇所に直径０．５ｍｍ、高さ１ｍｍのアルミナ磁器をスペーサとして置き、スペーサ上に波長選択フィルタを置いて簡易的な光吸収装置を作製した。比較例は波長選択フィルタを置かない条件とした。波長選択フィルタには、石英ガラスを基材とし、ＣｄＳの誘電体膜を１層コートしたものを用いた。

光の吸収特性を測定したところ、使用した波長選択フィルタは、１２００ｎｍ以上の光を反射し、それよりも波長の短い光を吸収する特性となっていた。

光の吸収特性は、図２に示したように、吸収率が変化している領域における波長（Δｆ）に対する吸収率の変化量（Δａｂｓ．）から求めた。

波長選択フィルタを設置しない条件での光の吸収特性は、吸収率が１０％から９５％まで増加する波長の範囲が１８５０ｎｍであったが（８５％／１８５０ｎｍ）、波長選択フィルタを設置した条件では、吸収率が３％から８０％まで増加する波長の範囲が約１００
ｎｍとなり（７３％／１００ｎｍ）、吸収特性の傾きの急峻な光吸収装置が得られた。

Ａ・・・・・・・・光吸収装置
１・・・・・・・・光吸収部材
３・・・・・・・・波長選択フィルタ
４・・・・・・・・空間
５・・・・・・・・第１セラミックス
７・・・・・・・・第１セラミック粒子
９・・・・・・・・セラミック複合体

Claims (6)

1. 開気孔率が５％以下の第１セラミックス中に、該第１セラミックスとは組成の異なる第１セラミック粒子を複数有するセラミック複合体によって構成されている光吸収部材と、該光吸収部材上に設けられている波長選択フィルタとを備えている、光吸収装置。
2. 前記波長選択フィルタは、短波長側の光を透過し、長波長側の光を反射する機能を有する、請求項１に記載の光吸収装置。
3. 前記波長選択フィルタは光を透過する波長が１５００ｎｍ以下である、請求項２に記載の光吸収装置。
4. 前記波長選択フィルタは、前記光吸収部材との間に空間を隔てて配置されている、請求項１乃至３のうちいずれかに記載の光吸収装置。
5. 前記第１セラミック粒子が正の抵抗温度特性を示すものである、請求項１乃至４のうちいずれかに記載の光吸収装置。
6. 前記光吸収部材は外周面が曲面を成しており、前記波長選択フィルタは前記光吸収部材の前記外周面に沿った形状を有している、請求項１乃至５のうちいずれかに記載の光吸収装置。