JP3082046B2 - 断熱ガラスパネル及びその構築方法 - Google Patents

断熱ガラスパネル及びその構築方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、断熱ガラスパネル及び該パネルの構築方法
に関する。特に、本発明は、窓に適した排気(真空)ガ
ラスパネルに関する。
建築物が熱を喪失したり獲得するのは、主として、空
気が建築物から頻繁に出入りし、熱がガラス窓を介して
伝導し放射するからである。窓を介して放射した熱の量
は、どの方向に関しても、ガラスに特殊コーティングを
付着することによって低減することが可能である。ガラ
スを介して伝導する熱の量は、通常ガラス自体の熱伝導
率によっては制限されず、熱がガラスの表面に移動する
率によって制限される。熱は、熱によって発生した浮力
に起因する空気の対流によって、建築物内から窓の表面
に移動する。熱の伝導の比較的無駄な過程である。建築
物の外では自然対流または風に起因する強制対流の両方
が、熱の移動過程を左右する。窓を介しての熱伝導の量
を大幅に低減するには、窓構造自体の熱のインピーダン
スの増加(即ち、熱伝導率の低減)を、2桁(オーダ
ー)の大きさで行う必要がある。
背景技術 気体空間によって分離された2枚または多数枚のガラ
スシートは一枚のガラスシートよりも実質的に低い熱伝
導率を示す。気体空間の厚さは気体を介して伝わる熱量
を低減するには十分に大きいが、対流の発生を防ぐには
十分に小さい。対流を抑制するために気体空間は部分的
に排気されるが、伝導を抑制させるためにはかなり低い
圧力にしなければならない。
低圧力排気窓の設計および生産を扱うにはいくつかの
問題点がある。例えば、非常に低いレベルの真空度を達
成し長い期間に亘って維持するためには、気体浸透性が
非常に低く、長期間に亘って気体を抜く、素材を使用し
て、窓の周囲をシールすることが必要である。ゴムや接
着剤等の通常のガスケットシール材は適さない。
加えて、大気圧による力に耐えるのに十分な機械的強
度を確保するために、支持体をガラスシートの間に配設
する必要がある。これらの支持体は、ガラス及び支持体
自体における機械的な応力集中を誘引し、危険な内部破
裂の原因となる破損の危険を増大させる。更に、機械的
な支持体は、窓を介しての熱伝導の増加を誘引する。
ガラス自体は、長期間に亘って排気(真空)空間に放
射される油溶性ガスを含有している。従って、ガラスに
溶解したガスを除去するために、排気を行う間、高温で
加熱したような窓構造が必要である。しかし、高温にお
いては、ガラスは、室温におけるよりも、かなり弱い。
これが、使用する温度を制限し、結果的に、ガラスに溶
解したガスを除去するのに必要な時間が増加する。
発明の開示 本発明の内、第1の発明によると、断熱ガラスパネル
は、低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガラスの周
辺ジョイントと配列された複数の支柱とによって相互に
連結された、2枚の離間したガラスシートを備え、前記
低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外部の
間を連絡するために使用される排気構造が組み込まれ、
前記支柱が、溶融前にはんだガラスの層で被覆されたプ
レフォームからなり、前記プレフォームの熱膨張係数と
前記ガラスシートの熱膨張係数とが合わせてあることを
特徴とする。
該支柱は、溶解前にはんだガラスの層で完全に被覆さ
れた、ガラス、セラミック、金属または他の材料から成
るプレフォームであることが好ましい。また、支柱は、
その上下部だけが、はんだガラスキャップでできたプレ
フォームであってもよい。
効果的にするには、プレフォームは、ガラスシートと
同じ素材でなければならない。これは、プレフォーム、
シート及びはんだガラスの熱膨張係数を合わせるためで
ある。
低圧空間を形成する間、低圧空間とパネルの外面を連
絡するために使用する排気構造は、パネル内に組み込ま
れていることが望ましい。
排気構造は、その継ぎ目が密閉し、漏れがなく、ガラ
スパネル内から油溶性ガスを除去するに必要な焼却温度
に耐えうる形で、パネルに取り付けられた、ポンプ排気
チューブから構成してもよい。油溶性ガスの除去の焼却
温度は、一般的には、200゜から300゜の間である。
完成したパネルにおける排気チューブは、とかく破損
しやすいのでパネルから突出していないことが望まし
い。
排気チューブは、パネル内で低圧空間と外部間に伸延
した穴を通すようにしてもよい。効果的にするには、チ
ューブを、周辺ジョイントを通して伸延する形で、2つ
の部分、例えば、それぞれのガラスシートに作られた半
分のチャネルから成るチャネル中の、はんだガラス内に
埋め込む。
別の例としては、排気チューブを、パネル内で低圧空
間と外面間に伸延する穴の外面端に配置し、はんだガラ
スによって接着されていてもよい。効果的にするには、
穴を、一方のシートの内面から当該シートの縁部まで貫
通される。別の例としては、穴を、融解はんだガラスの
周辺ジョイント中のギャップによって構成する。
更に別の例としては、チューブを、一方のガラスシー
トの内面から外面に貫通した穴に、シールする。効果的
にするには、穴を、シートの内面からシートの外面中の
凹部の底まで貫通させるとよい。これによって、外面か
ら突出していない突出部(切残部(stub))を残す形
で、チューブを溶融してシールすることが可能である。
他の構成としては、一方のガラスシートの縁部を除去
して、完成した際のパネルの外面に凹部を設ける形にし
て、チューブを収容する。別の例としては、一方または
両方のガラスシートの縁部を傾斜させるようにして、凹
部を設ける。いずれ場合にも、チューブは、凹部のはん
だガラス中に埋め込まれる。
他の好適な構成としては、排気チューブを、パネルの
コーナーに設ける。この際、コーナーの頂端を切除して
おき、排気チューブの突出部を収容するようにして、突
出部が、パネルのモジュール呼び寸法(norminal dimen
sions)を超えて突出しないようにする。
別の実施例では、排気構造は、一方のガラスシートの
内面から当該シートの外面または外面の凹部の底まで貫
通した穴から成る。
パネルを排気した後、チューブをシールし(先端除去
(tipped−off))、又は穴にキャップをする。穴のキ
ャップは、種々の方法の内いずれで行なってもよく、例
えば、金属または金属被覆したガラスキャップを、穴の
まわりの予め金属被覆した領域にはんだ付することによ
って、シールする。
パネル内に、化学的なゲッターを、装填することも好
ましい。
一方又は両方のガラスシートの内面に、低輻射能コー
ティングを施すことが望ましい。約0.15から0.6Wm-2K-2
又は其れ以下の放射による熱伝導を確保するためには、
コーティングの放射率は、0.05から0.2の間にすべきで
ある。
排気した窓のガラスシート間の好ましい距離は、0.01
mmから1.0mmの範囲内である。この空間の寸法は、はん
だガラス支柱中のプレフォームとして適正な厚さのもの
を選択することによって、制御できる。プレフォームと
しては、ガラス又は金属製のディスク又は球体など、種
々の可能性がある。これらのサイズのガラス球体は簡単
に入手できる。
パネルの内圧は、10-2torr以下にすべきであり、10-3
torr以下が望ましい。こういったことが必要なのは、分
子同士の衝突の平均自由行程が熱が流れる寸法と比較で
きる程度に圧力が低減されるまで、気体の熱伝導率は実
質的には圧力とは独立したものだからである。低圧で
は、熱伝導率は、圧力に比例するようになり、気圧が0
になると0に低下する。空気の熱伝導率は、10-3torrの
圧力において、0.05Wm-2K-1のオーダーであるが、正確
な値は、気体分子と窓の内表面間の相互作用の性質に依
存する。(対流による熱移動は、約1torrの圧力におい
て、無視できるレベルに低減する。) 本発明の内、第2の発明によると、低圧空間を包囲
し、溶融はんだガラスの周囲ジョイントと配列された複
数の支柱とによって相互に連結された、2枚の離間した
ガラスシートから成る断熱ガラスパネルの構築方法は、
以下のステップから成る。
(a)シートの周囲に、はんだガラスの細片を付着する
ステップ、 (b)一方のガラスシートに、点の高い材料のプレフォ
ームを含む所定量のはんだガラスから成る、複数の支柱
を配列して付着するステップ、 (c)ガラスシートを集め、パネルを加熱して、支柱の
はんだガラスを溶解させるステップ、 (d)はんだガラスを溶解させる際に、シートがプレフ
ォームと接触するようになるまで、ガラスシートを互い
に移動させ又は互いの移動を許容するステップ、 (e)はんだガラスを凝固させるために、パネルを冷却
するステップ。
効果的にするには、はんだガラスの量を正確に規制
し、プレフォームを、支柱に関して比較的少量にする。
好ましくは、プレフォームを、支柱の横方向の寸法より
も、かなり小さくする。プレフォームは、支柱の高さだ
けを規制し、横方向寸法は、各支柱の位置に付着された
素材の量によって決定される。排気の後、大気圧による
力が、はんだガラス支柱の傍で生じ、プレフォームは支
柱の機械的強度において比較的小さい役割を担う。
プレフォームとしては、ガラス球体が望ましいが、楕
円、円柱、角柱等の他の形状でもよい。
大きなシートガラスに関しては、平滑度の公差によっ
て、全ての支柱が全表面領域に普通に接触することはな
いが認識されている。しかしながら、溶融接合を行う際
の温度を十分に高くすれば、ガラスシートの変形は非常
に少ない。加熱過程における温度と時間は、この変形が
各プレフォームと接触するのに十分で、支柱間において
ガラスシート同士が接触するほどの大きい撓みを生じる
には不十分となるように、選択することが出来る。余り
一般的ではないが、全ての支柱を接触させる別の技術と
しては、溶融サイクル中に各支柱の上に力を掛けるか、
又は、このサイクル中に排気された窓内を僅かに減圧す
る。後者の方法においては、パネルの外内の圧力差によ
って、シートに、プレフォームを接触させるような力が
掛かる。
本発明による好適な方法では、配列した複数の支柱を
付着するステップの前に、支柱付近のシートの表面に比
較的薄い層のはんだガラスを付着するステップを行う。
このようにして、パネルが構築された後は、各支柱のベ
ースの周囲のガラス領域には欠陥が無い。これによっ
て、支柱のベースの周辺において、ガラスがより強くな
る。
排気チューブは、周辺部のはんだガラスシール材中に
配置してもよい。パネルを熱い状態に保ちながら、この
チューブを介して、気体をポンプで排出して、パネルの
内圧を10-2torr又は其れ以下に低減する。このレベルに
まで減圧した後に、排気チューブを溶融してシールした
方が都合が良い。
内面を排気する間、パネルを低圧領域の環境下に置い
ても良い。これによって、ガラスシートが熱く、強度が
低下している間、ガラスシートに作用する圧力差を低減
することが出来る。
一方のガラスシートの内面に凹部を加工して、シート
を互いにシールする前に、化学ゲッタを該凹部に装填す
ることが好ましい。そして、ゲッターは、パネルの組立
後に、外部から高周波加熱を適用することによって、焼
くことが出来る。別の例としては、焼上中の温度で熱的
に活性化するゲッターを、使用することも出来る。
低輻射能コーティングを、一方又は両方のガラスシー
トの内表面に施しても良い。
図面の簡単な説明 本発明を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明を具体的に示した、パネルの断面図、 図2は、図1のII−II線による断面図、 図3は、支柱を介した部分を含んだ、図1のパネルの
部分断面図、 図4は、本発明を具体的に示した、分解組立透視図、 図5は、支柱間距離λと支柱半径aの関係を示すグラ
フ、 図6a、b、cは、本発明の別の実施例を示す部分断面
図、 図7a、b、cは、本発明の更に別の実施例を示す部分
平面図、正面図及び断面図、 図8は、本発明の更に別の実施例を示す部分正面図、 図9は、本発明の更に別の実施例を示す部分断面図、 図10は、本発明の更に別の実施例を示す部分断面図、 図11は、本発明の別の実施例を示す部分断面図、 図12a、bは、それぞれ開放状態とシール状態を示
す、本発明の別の実施例を示す部分断面図、 図13a、bは、それぞれ開放状態とシール状態を示
す、本発明の別の実施例を示す部分断面図である。
発明を実行するためのベストモード 図1及び図2に関して、パネル1は、2枚の一定の間
隔をもって形成されたガラスシート2、3から成る。該
シートは、溶融はんだガラス(fused solder glass)の
周縁部シール(周辺ジョイント)4と、多数の支柱5の
配列によって相互に連結されている。一方のシートは、
化学ゲッタ7用の加工済の凹部6を有している。排気構
造(pump−out means)8が、パネルの周囲に配置され
ている。
窓、戸、鏡用の板ガラス(glazing)に使用される最
も安価なソーダ石灰ガラスを含む、いかなるタイプのガ
ラスも使用できる。ガラスの品質および厚さは好みの問
題である。しかし、ガラスは、複数の支柱5がパネルの
全領域に亘って均一に両方のシートと接触する程度に、
平らでなければならない。さもなければ、支持されてい
ない領域において過大な応力が生じる可能性がある。ま
た、支柱間においてシート2、3が互いに接触する可能
性さえあり、その結果、熱の損失が増大する。
支柱5は、はんだガラス10によって完全に被覆され
た、ガラス、セラミック、金属または他の素材でできた
芯部9を有している。図3参照。該芯部9は、円筒形、
楕円形、球形または他の適当な形状で良い。支柱の表面
は、成形加工過程の間に溶融され、支柱5とガラスシー
ト2、3の間に機械的なジョイントを形成する。
排気構造8はチャネル11から成り、該チャネル11は、
2枚のガラスシートのそれぞれの係合面に加工された2
つの半分のチャネル11′からできている。排気チューブ
(ガラスチューブ)12は、窓の周辺部を密閉する周縁部
シール4及び支柱5の少なくとも外面を形成するのに使
用されるものと同一の素材である、はんだガラスを使用
して、このチャネルにシールされている。図4参照。
パネルの内面における空間を排気した後に、チューブ
12のパネルに近い部分を、溶けてシールされるまで加熱
する(先端除去(tipped−off))。図2及び図4に示
すように、チューブはパネル1のコーナー13から突出
し、かつこのコーナーの頂部は切除されている。これ
は、一旦チューブが先端除去されると、チューブがパネ
ルのモジュール呼び寸法(nominal dimensions)を超え
ないようにするためである。これは、パネルが長方形フ
レームに収容されると、チューブ12はフレームによって
ダメージを受けるほどには突出せず、フレームによって
保護されることを意味する。排気チューブ(pump−out
tube)の突出部(stub)は、ダメージ無しに取扱を簡単
にするために、内部に閉じ込めるか、さもなくばフレー
ム内に備え付ける前に保護する。
本発明による2つのシートからなる断熱ガラスパネル
を成形加工する好ましい方法は次の通りである。
まず、ゲッター7用の凹部(空洞)6を、一方または
両方のガラスシートの内側表面に加工する。これはドリ
ル加工または他の好ましい方法で行なう。
チャネルは排気構造(排気チューブアセンブリ)8の
ためにも形成される。図2においては両方のガラスシー
トのコーナーは除去されており、円筒形のチャネル11
が、周縁部シール(はんだガラスシール)4の領域を超
える形で、ガラスシートにドリル加工されている。望ま
しくは、チャネル11は、一方のシートにのみに形成す
る。
そして、ガラスシートを入念に洗浄する。窓内の最終
的な真空状態は、この段階で達成される清浄度に決定的
に左右される。洗浄は単に水や洗剤や溶剤中で洗うこと
も含む。超音波による洗浄方法は、酸によるエッチング
技術も採用することが出来る。しかし、研磨剤に基づい
た技術は、ガラスは表面を損ねると非常に弱められるの
で、避けるべきである。
低輻射能コーティング(low emittance coating)
を、一方または両方のガラスシートの内側表面に付着す
る。これらのコーティングは、適度の透光性および低い
赤外線放射性を有し、かつ、完成したパネルの真空度の
レベルと成形加工過程で採用する高温度に調和しなけれ
ばならない。このコーティングは、酸化インジウムス
ズ、酸化スズ及び非常に薄い金属フィルムを含んでい
る。コーティングは、単一層でも、積層した多数層でも
よい。
そして、はんだガラスのシーリング材を、少なくとも
一方のシートの周囲に付着し、複数の支柱をガラス上に
付着する。はんだガラスは排気チューブ12の外面にも適
用できるし、チャネル11の表面にも適用できる。
はんだガラスは、ガラスフリットにも引合いに出され
るが、エレクトロニクス産業において標準的なシーリン
グ材である。この素材は、通常のガラスよりも低い融点
を有する酸化物の混合物から成り、通常のガラスに極め
て近い熱膨張係数を有するので、比較的応力のかからな
いジョイントを作ることが出来る。はんだガラスは、大
きく分けて、2つのタイプが利用できる。1つは焼成
(firing)後もガラス状態(vitreous)を保つもの、1
つは焼成過程において結晶の転移を経るものである。ガ
ラス状態を保つガラスは、何度も加熱溶融することが可
能であるが、晶化ガラス(crystalline glass)は一度
しか加熱溶融することが出来ない。即ち、晶化ガラス
は、非常に高い融点を有した後、引き続いて相転移を経
るからである。
はんだガラスは、付着のため薄いスラリーを形成する
ために液体を混合した、微粒状のパウダの形で供給され
る。水、有機溶剤などを含む、多くの液体が適してい
る。ある過程において、溶剤(しばしば酢酸アミル)に
溶解された、ニトロセルロース等の有機結合剤は、ガラ
スパウダを、溶融する前により粘着性の高いものにする
のに役立つ。結合剤は高温では分解する。はんだガラス
は、適宜な大きさに切断してガラス上の所望の位置に配
置できる。柔軟性を有するシートの形をしたもの利用で
きる。はんだガラスは、必要に応じて、窓の組立の前に
予備的に焼成してもよい。
各支柱5は、ガラス球体をコーティングした、明確に
決められた所定量のはんだガラス10から成る。製造中
に、各支柱は一方のガラスシートの表面に付着される。
この仕事を正確に行うには市販のマイクロディスペンサ
ーが役立つ。付着に続いて、はんだガラスの溶剤または
結合剤を取り除くために、支柱アセンブリを予備的に燃
成させる。
そして、2つのガラス板、支柱、ポンプチューブ、ゲ
ッタから成る窓全体を組み立てて、互いに密閉してシー
ルする。この作業は、窓の温度を作業温度にまで上げる
こと、ある特定の時間だけその温度を保持すること、そ
して、冷却することを含む。これによって、パネルの周
囲および支柱の外面上のはんだガラスジョイントを溶融
する。溶融作業中、はんだガラスは、両ガラスパネルに
強く接合する。8467番型のショット(Schott)によって
製造されたはんだガラスと、石灰ソーダガラスパネルと
によって、十分なシールが作られる。はんだガラスが溶
ける間に2枚のガラスシートは互いに向けて移動する
が、該シートが支柱内のガラス球体に溶融するようにな
ると、この動きは止まる。ガラス球体は極めて小さな公
差で製造することが可能なので、ガラスシートの離間に
おいて非常に正確な制御を達成することが出来る。
最も重要なことは、支柱は、どんな取扱作業によって
もダメージを受けていない、新しく凝結したガラスから
構成させるので、支柱とガラスシートの表面のシーリン
グ作業の後、支柱には機械的にきずはない。支柱はこの
ようにとても強いので壊れる前に高い応力に耐えうる。
加えて、機械的に堅固なジョイントが支柱とガラス板の
間に創設される。これによって、支柱内の応力が支柱/
板の界面に均等に拡散し、支柱または支柱付近に割れ目
ができる危険性を最小にする。
支柱の近くの引張応力は大きなレベルに達するので、
ガラスシートに接触したはんだガラスを、各支柱の直径
寸法を超えるある距離だけ伸延させる。これは、高温度
においてガラスシートに対してぬれ(wet)、従って、
支柱から横方向に広がっていく、はんだガラスの自然な
傾向によって、ある程度までは通常起こる。ぬれ領域
(wetted region)の程度を増すためには、はんだガラ
ス19の薄いコーティングが支柱5の付近の2枚のガラス
シート2、3両方に適用される。図3参照。これらのコ
ーティングは、支柱に隣接するガラス上のはんだガラス
の連続膜を形成するためには十分に厚いが、シートが支
柱のモジュール呼び寸法を超えて接触しないためには十
分に薄い。はんだガラスの薄膜の付着に続いて、各支柱
5を通常の方法で付着する。
はんだガラスの薄膜の目的は、支柱のすぐ隣の小さい
表面上の欠陥や割れ目を埋めることである。焼成作業の
後、はんだガラスの新しく凝結した膜は割れ目がなく、
どのようにしても機械的なダメージをこうむることは無
い。このようにして、支柱近くに割れ目をもたない高強
度のガラスが、支柱の近くに形成される。
排気作業の間に、パネルアセンブリを加熱し、ポンピ
ングによって内圧を低減させる。ポンピングによって、
窓内に高レベルの真空度が生み出され、特に良いと10-3
torrよりかなり低い。加熱サイクルに続いて、アセンブ
リを冷却し、ポンプ排出チューブを溶融して密封する。
排気チューブの残っている突出部はかなり短いので、そ
れが窓の全体のモジュール呼び寸法を超えて突出するこ
とはない。言い替えれば、突出部は、完成した窓の形に
相当する長方形を超えて突出することは無い。こわれや
すい突出部は、適宜なカプセリング技術によって保護す
ることが出来る。
加熱及びポンピング作業の間、パネルに作用する静水
(気)圧の力を低減するため、パネル全体を部分的に空
気を抜いた第2の部屋に閉じ込める。低圧の環境にアセ
ンブリを閉じ込めると、より高い温度を使用することが
出来、作業時間も短縮することが出来る。もちろん、第
2の部屋は、パネル内で作り出すようにした圧力と同じ
くらい低い圧力にしなければならないわけではない。
窓周囲の密封シールやポンプ排出の間にこのシステム
内で表面からの溶融したガスの除去とは別に、連続して
ポンピングをするものを窓内に設けることも望ましい。
こういったことは通常「ゲッタ」を使用することで達成
される。ゲッタは、バリウム、アルミニウム等の反応性
の高い物質であり、通常はシーリングが完成した後に、
ガラスシートの内側表面に蒸着させる。
あるタイプのゲッターにおいては、通常、反応物質は
入物(sheath)から成るリングの形で提供され、入物に
は反応物質を収納保護される。リング7はサポート上の
凹部(空洞)6内に設けられ、高周波誘導技術を使用し
て窓の外側から加熱される。高温度では、反応物質は、
入物を通過して拡散し、蒸着し、容器の冷たい壁に付着
する。この状態で、高い真空度を維持するために必要な
ポンピングが、反応物質によって行われる。サポート
は、高周波力と有効に結び付かないように設計されてい
る。そして、サポートは、ゲッターが熱いときに、短期
間な、極僅かな量の熱を冷たいガラス板にサポートを介
して送る。
もう1つのゲッターの例においては、反応物質は、排
気過程中に、焼付作業の温度によって活性化される。こ
の種のゲッターは別の加熱作業は必要ではない。
絶縁排気パネルの設計過程においては、支柱間距離お
よび支柱寸法は各種の要因によって決定される。即ち、
支柱および支柱付近のガラスシートの機械的強度、支柱
を介しての熱移動の設計値、ガラスシートの厚さ、ガラ
スシートの最大許容曲げ応力および曲げによる撓み、破
損の際の危険回避のためパネル内部の容量を最小にする
ための要求、適当な時間にパネル内部からガスを排出す
ることが可能なことの要求などである。
排気パネルの機械的および熱的な特性をコントロール
するためには、支柱の寸法をコントロールすることが必
要である。
プレフォーム14の量を含む容量Vのはんだガラスをシ
ートの表面に付着すると、円筒形の支柱に関して、形成
された支柱5の半径rは、次の関係に従って、ガラスシ
ート間の距離hに左右される。
πr2h=V 従って、支柱の寸法は分配された、はんだガラスの量
によって決定される。
排気パネルの性能に関して制限されている要因の1つ
は、ガラスシートと支柱の機械的強度である。パネル領
域に比して全体の支柱領域が小さいため、大気圧によっ
て実質的に応力が増大する。実際、支柱を介しての熱の
流れを低減し、視覚的影響を最小にするために、出来る
だけ支柱を小さく作ると利点がある。加えて、ガラスシ
ートの撓み及びこれらのシートの曲げ応力を最小にする
ために、支柱は互いに出来るだけ近付けるべきである。
支柱に近いガラスシートにおける機械的応力に関して
は広範に亘って研究されてきた。支柱のすぐ下では、ガ
ラスは圧縮応力にさらされている。支柱付近では、ガラ
スの表面は放射状に引張応力を受ける。ガラスシートの
表面における接触領域外の点向きの引張応力は、次式に
よって求められる。
ここで、Fは支柱に作用する力、μはガラスのポアソ
ン比、rは支柱の軸からの距離である。
引張応力の領域は支柱の配列の設計に関して特に関係
する。ガラスの破損は引張応力の領域で起こることがよ
く知られている。排気パネルにおける球形の窪み及び支
柱に関して、このような破損は接触領域の端部のまわり
の円錐形の応力破砕になる。ガラスの破損は引張応力の
領域内の欠陥から始まり、該欠陥から固体の残りの部分
に広がっていくと考えられる。
支柱間距離λの複数の支柱の正方形の配列に関して
は、各支柱にかかる力はF=qλとなる。ここで、q
は大気圧(105Pa)である。従って、支柱に隣接して生
じる最大引張応力は、次式によって求められる。
Smaxを安全に適用し得る最大引張応力とすると、 λ≦102aSmax (1) 支柱間距離と支柱半径との第2の関係は、支柱を介して
の熱の流れから導かれる。かなり短い支柱に関しては、
1つの支柱の熱伝導率は2Ka WK1である。支柱間距離λ
の複数の支柱の正方形の配列のに関しては、支柱の配列
の全体の熱伝導率はCpillars=2Ka/λ2Wm-2K-1である。
Cpillars maxを窓に対する支柱の伝導率の最大設計値で
あるとすると、次式が導かれる。
Cpillars max≧2Ka/λ ガラスに関しては(K=0.78Wm-2K-1 ここで、λとaはmmの範囲である。
支柱間距離と支柱半径とのこれら2つの関係によって
使用可能な支柱のサイズと支柱間距離に関する寸法を求
めることが出来る。
例として、 Cpillars max=0.3Wm-2K-1かつ、Smax=3×108Pa とすると、図5の線15、16は、λとaの間の2つの関係
(1)、(2)にそれぞれ等しい。また、斜線部17は、
ガラスにおける最大引張応力に関して、λとa値の領域
および支柱の熱伝導率が特定の値よりも低いことを示し
ている。支柱間距離および支柱半径の最小値は、点18に
示すように、それぞれ30mmと0.2mmである。図に示され
た範囲内でならどの値でもよい。しかし、前に述べたよ
うに、支柱間距離の最小値は構造物内のあらゆるところ
の圧力を低減するために選択される。比較のために、S
max=1×108Paとすると、支柱間距離および支柱半径の
最小値はそれぞれ約50mmと0.5mmである。
前述の解析は、支柱近くのガラスシートをかなり高強
度にすることが重要であることを示している。支持支柱
の構築方法はかなり高強度になることを示している。例
えば、3×108Paを超えるレベルの引張応力が、上記し
たように、破損無く構築された支柱に近接して観察され
た。この応力は球体のインデンタ(indenter)で測定す
ると、通常の大気中の窓ガラスにおいて観察される応力
よりも相当大きい。観察された高強度の第1の理由とし
ては、小さい表面上の欠陥を焼なます前述の高温度によ
る。第2の理由は、応力に誘発される割れ目の広がりを
助長すると知られている水蒸気が無いことである。第3
の理由としては、はんだガラスが支柱近くのガラスシー
トの表面上の欠陥を除去する機械的構造を使用し、それ
によって、かなりの高強度値が達成されるためである。
特定の例に関して本発明を記述したが、本発明は他の
多数の形において具現される。例えば、低輻射能コーテ
ィングの付着、はんだガラスの付着、支柱の配列形態は
別の適当な順序で達成される。
また、排気構造は、各種の方法で形成される。例えば
図6aに示すように、コーナー13の頂部を図4に示すよう
に再び切断する。小孔20を、一方のガラスシート2の切
断端に、シート間の周縁部シール4の幅よりも長い距離
だけドリル加工する。別の穴21を、パネルの内側から外
側までのポンピング用の連結部を設けるために、この穴
に合うようにガラスの内面からドリル加工する。排気チ
ューブ(ガラスチューブ)12を、穴が現われるパネルの
縁に、はんだガラス22によって装着する。排気チューブ
12の先端除去後、残っている突出部はパネルのモジュー
ル呼び寸法を超えて突出することは無い。この配置の利
点は、ガラスシートの2つの係合面は平らなままなの
で、パネル外周のはんだガラス間のシールがうまくいく
ことである。図6b、6cに示す変形においては、ガラスシ
ート2の端部の穴は、排気チューブ12に適合するように
作ることが出来る。これによって排気チューブとガラス
間は漏れることなく接合される。
図7a、b、cにおいては、一方のガラスシート2はチ
ューブ12のために凹部29を設けるために切断されたコー
ナー近くに端部を有する。(他方のシート3はより大き
くする。)前述したように、コーナー13の頂部を切断す
る。はんだガラスを、周縁部シール4内にギャップ30を
形成するために凹部に沿った短い長さを除いて、通常の
方法で、両方のガラスに予備的に付着する。小孔31を排
気チューブ12の壁を貫通して形成し、チューブの一端32
を通常の技術でシールする。そして、排気チューブ12
を、小孔31の内側のはんだガラス内のギャップ30に対し
て対向させる形で、凹部29に配置する。更にははんだガ
ラス33を、排気チューブ12がガラスシート2、3に接触
する露出した縁に沿って付着する。はんだガラスを溶か
すと、パネルの周囲全体および排気チューブ30、孔31の
周囲のパネル縁との間に完全なシールが作られる。連絡
通路が、外部から、チューブ12及び孔31を通して、そし
て周縁部シールのギャップ30を通して、パネル内部に達
する形で残る。パネル内の圧力の低減は、この通路を介
して行われる。再びパネルが構築された後に、チューブ
12をシールして先端除去し、パネルのモジュール呼び寸
法を超えて突出しないようにする。
周縁部シールのギャップを介して通路を設ける別の配
置が、図8に示されている。このデザインにおいては、
ガラスシート2、3の隣接する2つの縁部40、41は凹部
42を形成するために傾斜している。この凹部によって、
端部のシーリング作業中に排気チューブ12が位置し得
る、幾何学的に安定した空間が設けられる。この配置の
利点は直、径が大きい排気チューブ12を使用しても、パ
ネルのモジュール呼び厚さを超えて伸延することはない
ということである。
これらのすべての配置の特徴は、チューブ12が、パネ
ルから、コーナー13の頂部が取り除かれた空間に伸延し
ていることである。チューブ12の末端はパネルと接触し
ていないので、排気処理の後に、パネル自体に熱を加え
ずに、該チューブを溶融してシールすることができる。
同時に、チューブのシールされた端部は、パネルのモジ
ュール呼び寸法を超えて伸延することは無い。必要なら
ば、チューブの突出部を、適当な材料でカプセリングし
て更に保護するようにしてもよい。
図7に示す実施例の利点は、ガラスシートに加工を施
す必要が無いことである。更に、図6、7、8の実施例
では、ガラスシート2、3の係合面は平らのままである
ので、はんだガラスを使用して簡単にガラスシート間に
完全なシールをすることが出来るという利点を活かして
いる。
チューブの外表面とガラスシートの表面の間では線接
触が形成されるので、図3及び図4の実施例において
は、パネルの凹部におけるこれら表面間の完全なシール
が、簡単に行われる。チューブとガラスシートに合うよ
うに形成されたコーナーの間のギャップに沿ってシール
することも比較的簡単なことである。何故なら、溶融過
程で、はんだガラスがこのコーナーの向けて流れるよう
にパネルを構成することが出来からである。
一方のガラスシートの面に形成された孔11を介してポ
ンプで排気しても良い。図9には、このように行われる
構成が示されている。チューブ12は、ガラス内の予め加
工された孔11の周囲で、その端部を溶融することによっ
て、はんだガラス51を介してシート2に連結されてい
る。排気サイクルに続いて、チューブ12のシート2に近
い部分を溶融して漏れの無いシールを形成する。この構
成は、ポンプ出チューブの突出部が窓のモジュール呼び
厚さを超えて突出するという欠点を、明らかに有する。
この欠点が無い別の構成が図10に示されている。ガラ
スシート2の表面を加工して、穴11の開口部の外周部に
凹部60を形成する。そして、チューブ12を、シーリング
及び先端除去作業後にチューブ12の突出部の端部をガラ
スシートの表面より下に残す、先端除去ヒータが接近で
きるように、チューブの外部と凹部の壁の間にギャップ
を残す形で、はんだガラス61を介して凹部の底に装着す
る。
これまでに述べた全ての構成において、排気チューブ
12は、直接、排気システムに連結されている。別の排気
の例が図11に示されている。吸出キャップ70とガラスシ
ート2の表面の間を、焼上温度に耐えてシール状態を保
持するOリングを使用して、真空シールを行う。このシ
ステムにおいては、吸出キャップの下にあるガラスシー
ト2の表面に形成された穴11を介して、排気される。排
気に続いて、真空状態を壊さずに、穴11の上部に漏れの
無いシールをする。別の構成としてはパネル全体の周囲
の空間を排気することも考えられる。
このような漏れの無いシールをするには、各種の方法
がある。例えば、図12においては、金属または金属被覆
したガラスキャップ80を、穴の周囲の予め金属被覆した
領域81の上に、はんだ付してシールをする。ガラスに、
粘着性の高い金属コーティングを付着する技術は公知で
ある。融点の低いはんだを使用すると、ガラスシート内
で熱応力を最小にして、このシーリング作業を行なうこ
とが可能である。
図13に示す例では、凹部に取付けられた短いガラスチ
ューブ90を使用している。この取付作業は、周縁部シー
ルや支柱を形成するのと同じ工程中に、はんだガラスを
介して行う。チューブ90の末端は、真空状態の吸出キャ
ップ内で溶解される。これは、近接して配置されたヒー
タによって、真空内で放射加熱または伝導加熱して行
う。別の例として、透明な口を介してエネルギを真空に
入り込ませる形で、熱源を真空の外に配置してもよい。
この場合、レーザや焦点を合わせた光源が、特に適して
いる。
フロントページの続き (31)優先権主張番号 PJ9013 (32)優先日 平成2年3月8日(1990.3.8) (33)優先権主張国 オーストラリア(AU) (56)参考文献 特開 昭54−94155(JP,A) 特公 昭46−40957(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E06B 3/66 C03C 27/06 101 - 27/10 E04B 1/90 E06B 9/264

Claims (32)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガ
    ラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによっ
    て相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを備
    え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記支柱が、溶融前にはんだガラスの層で被覆されたプ
    レフォームからなり、 前記プレフォームの熱膨張係数と前記ガラスシートの熱
    膨張係数とが合わせてある断熱ガラスパネル。
  2. 【請求項2】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガ
    ラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによっ
    て相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを備
    え、 前記支柱が、溶融前にはんだガラスの層で全体を被覆さ
    れた、ガラス、セラミック、金属又は他の材料から作ら
    れたプレフォームからなる断熱ガラスパネル。
  3. 【請求項3】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガ
    ラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによっ
    て相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを備
    え、 前記支柱が、上下にはんだガラスキャップを有する、ガ
    ラス、セラミック、金属又は他の材料から作られたプレ
    フォームからなる断熱ガラスパネル。
  4. 【請求項4】前記排気構造が、前記パネル内において前
    記低圧空間と外部の間で伸延する穴を通っているチュー
    ブを有する請求項1記載の断熱ガラスパネル。
  5. 【請求項5】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガ
    ラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによっ
    て相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを備
    え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、前記パネル内において前記低圧空間と
    外部の間で伸延する穴を通っているチューブを有し、 前記チューブが、前記周辺ジョイントを通して伸延し、
    それぞれの前記ガラスシートに作られた2つの部分チャ
    ネルからなるチャネル内のはんだガラスに埋め込まれて
    いる断熱ガラスパネル。
  6. 【請求項6】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだガ
    ラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによっ
    て相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを備
    え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、前記パネル内において前記低圧空間と
    外部間で伸延する穴の外端部に配置されたチューブから
    なり、前記はんだガラスによって装着されている断熱ガ
    ラスパネル。
  7. 【請求項7】前記穴が、一方の前記シートの内面からこ
    のシートの縁部まで貫通している請求項6記載の断熱ガ
    ラスパネル。
  8. 【請求項8】前記穴が、溶融はんだガラスの周辺ジョイ
    ント中のギャップからなる請求項6記載の断熱ガラスパ
    ネル。
  9. 【請求項9】前記穴が、一方の前記ガラスシートの内面
    からこのガラスシートの外面の凹部の底にまで貫通して
    いる請求項6記載の断熱ガラスパネル。
  10. 【請求項10】前記チューブの突出部が、前記ガラスシ
    ートの外面のレベルより下にある請求項9記載の断熱ガ
    ラスパネル。
  11. 【請求項11】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 一方または両方の前記ガラスシートが、前記排気構造を
    構成するチューブを収容するために完成した前記パネル
    の外面に、凹部を設けるために取り除かれた縁部を有す
    る断熱ガラスパネル。
  12. 【請求項12】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、前記パネル内において前記低圧空間と
    外部の間で伸延する穴を通っているチューブを有し、 一方または両方の前記ガラスシートが、前記排気構造を
    構成するチューブを収容するために完成した前記パネル
    の外面に、凹部を設けるために取り除かれた縁部を有す
    る断熱ガラスパネル。
  13. 【請求項13】一方または両方の前記ガラスシートが、
    前記排気構造を構成するチューブを収容するために完成
    した前記パネルの外面に、凹部を設けるために取り除か
    れた縁部を有する請求項5〜8のいずれか1項記載の断
    熱ガラスパネル。
  14. 【請求項14】一方または両方の前記ガラスシートの縁
    部が、前記凹部を設けるために傾斜している請求項11〜
    13記載の断熱ガラスパネル。
  15. 【請求項15】前記チューブが、前記凹部のはんだガラ
    ス内に埋め込まれている請求項11〜14記載の断熱ガラス
    パネル。
  16. 【請求項16】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、前記パネル内において前記低圧空間と
    外部の間で伸延する穴を通っているチューブを有し、 前記チューブが、前記パネルのコーナーに位置し、この
    コーナーの頂部は前記チューブの突出部を設けるため取
    り除かれていて、それによって前記パネルの呼び寸法を
    超えて突出することがない断熱ガラスパネル。
  17. 【請求項17】前記チューブが、前記パネルのコーナー
    に位置し、このコーナーの頂部は前記チューブの突出部
    を設けるため取り除かれていて、それによって前記パネ
    ルの呼び寸法を超えて突出することがない請求項5〜
    8、14〜15のいずれか1項記載の断熱ガラスパネル。
  18. 【請求項18】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、一方の前記ガラスシートの一方の面か
    らこのガラスシートの他方の面まで貫通する穴からなる
    断熱ガラスパネル。
  19. 【請求項19】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記排気構造が、前記ガラスシートの内面からそのガラ
    スシートの外面の凹部の底まで貫通した穴からなる断熱
    ガラスパネル。
  20. 【請求項20】前記穴が、キャップによってシールされ
    ている請求項18又は19記載の断熱ガラスパネル。
  21. 【請求項21】化学反応性のゲッタから成る蒸着部を、
    ガラスシートの内側に形成してある請求項1〜20のいず
    れか1項記載の断熱ガラスパネル。
  22. 【請求項22】前記ガラスシート間の距離が、0.01mmと
    1.0mmの間である請求項2、3、5〜20のいずれか1項
    記載の断熱ガラスパネル。
  23. 【請求項23】低圧空間を包囲すると共に、溶融はんだ
    ガラスの周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによ
    って相互に連結された、2枚の離間したガラスシートを
    備え、 前記低圧空間を形成する間に、この低圧空間とパネル外
    部の間を連絡するために使用される排気構造が組み込ま
    れ、 前記支柱が、溶融はんたガラスにより外部をコーティン
    グされている断熱ガラスパネル。
  24. 【請求項24】低圧空間を包囲し、溶融はんだガラスの
    周辺ジョイントと配列された複数の支柱とによって相互
    に連結された、2枚の離間したガラスシートからなる断
    熱ガラスパネルの構築方法において、 (a)前記ガラスシートの周辺に、はんだガラスの帯を
    付着するステップ、 (b)融点の高い物質のプレフォームを含有する所定量
    のはんだガラスからなる、配列された複数の前記支柱
    を、一方の前記ガラスシートに付着するステップ、 (c)前記ガラスシートを共に集め、又はそれらを共に
    動かし、前記支柱のはんだガラスを溶かすために前記パ
    ネルを加熱するステップ、 (d)前記ガラスシート間に、前記低圧空間を生成する
    ステップ、 (e)前記はんだガラスを溶かす際、前記ガラスシート
    が前記プレフォームと接触するまで前記ガラスシートを
    共に動かすステップ、 (f)前記はんだガラスを凝固させるために、前記パネ
    ルを冷却するステップからなる断熱ガラスパネルの構築
    方法。
  25. 【請求項25】前記はんだガラスの量を正確に規定し、
    前記プレフォームが前記支柱に対して比較的少量である
    請求項24記載の断熱ガラスパネルの構築方法。
  26. 【請求項26】前記プレフォームが、ガラス球体である
    請求項24又は25記載の断熱ガラスパネルの構築方法。
  27. 【請求項27】比較的薄いはんだガラスの層を前記支柱
    付近の前記ガラスシートの表面に付着するステップを、
    配列された複数の前記支柱を付着する前記ステップの前
    に追加する請求項24〜26のいずれか1項記載の断熱ガラ
    スパネルの構築方法。
  28. 【請求項28】排気チューブを、前記周辺のはんだガラ
    スシーリング材の中に配置する請求項24記載の断熱ガラ
    スパネルの構築方法。
  29. 【請求項29】前記パネルは、その内部空間が排気され
    ている間は、低圧領域によって囲まれる請求項24記載の
    断熱ガラスパネルの構築方法。
  30. 【請求項30】一方の前記ガラスシートの内面に凹部を
    加工し、前記ガラスシートを互いにシールする前に、化
    学ゲッターを前記凹部に装着する請求項24記載の断熱ガ
    ラスパネルの構築方法。
  31. 【請求項31】前記ガラスシートをパネルに組み立てた
    後、外部から作用する高周波加熱により、前記化学ゲッ
    ターを燃やす請求項30記載の断熱ガラスパネルの構築方
    法。
  32. 【請求項32】一方または両方の前記ガラスシートの内
    面に、部分的に透明な低輻射能コーティングを施す請求
    項24記載の断熱ガラスパネルの構築方法。
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