JP3952292B2 - 真空太陽熱収集装置の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高真空に保持された平板式の真空太陽熱収集装置の製造方法及びその製造装置に関するもので、特に同じ真空炉内でベーキング処理と真空封止を行うようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】

従来、真空太陽熱収集装置としては、高真空に保たれたガラス二重管式のものと、平板式の構造のものでは、
【非特許文献１】に記載されているように、筐体の内部にクリプトンのような熱伝導の悪いガスを充満させて、低真空でありながら高真空に近い性能を発揮させる形式のものとがあった。
【０００３】
しかし、筐体の内部を１パスカル以下の高真空に長期に亙って保ち、金属筐体と窓ガラスを用いて構成した平板式の真空太陽熱収集装置は、高効率で、理論的性能が良いのにも拘わらず、製造コストが高いという理由で製造されていなかった。
この理由で、平板式の真空太陽熱収集装置が市場に存在しなったのであるが、勿論、それを安く大量に作る技術は開発されていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高真空を長期に亙って維持する真空太陽熱収集装置を得るには、二つの技術を必要とする。
一つは真空封止をできるだけ完全にして、空気の漏れ量を極力少なくすることと、他の一つは装置の壁から放出される気体の量を極力少なくすることである。
真空太陽熱収集装置の大量生産において、上記した二つの技術をできるだけ低いコストで実現する手段を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、太陽光の熱を収集する真空太陽熱収集装置の製造方法において、ガラスより大きい線膨張係数を有する金属材料で形成され、気体を排出するためのパイプを備えた筐体と、前記筐体内に収容された吸熱板と、前記筐体にはめ込まれる窓ガラスと、前記窓ガラスの端面に設けられた接着用金属とを準備し、前記筐体及び窓ガラスを真空炉の中に収容し、前記真空炉を真空にし、加熱してベーキング処理を行うと共に前記接着用金属を溶融させ、前記真空炉を真空に保ったまま、加熱を止めて前記真空炉の温度を下げることにより前記接着用金属を凝固させ、前記筐体の収縮力により前記接着用金属を締め付け、前記筐体と窓ガラスとを真空封止し、前記パイプを押し潰して前記パイプの真空封止を行うようにしたものである。
【０００６】
真空封止を完全にするために、太陽熱収集装置の窓ガラスと金属筐体とを、気体を透過させない半田等の金属製の接着剤で接着する。
ガラスと半田等の金属との接着を更に強固にするために、まず窓ガラスの接着面にガラスと親和性の良い金属、例えばコバール（商品名）のような金属を接着させておく。その後、ガラスと親和性の良い金属と金属筐体との間を接着用金属で溶融接着する。
金属筐体の材料には、その線膨張係数がガラスの線膨張係数より高い材料を用いる。そして接着面は窓ガラスの周縁部の切り口の面（端面）にする。
【０００７】
凝固した接着用金属に強い接着用圧力を掛けるために、金属筐体の線膨張係数をガラスの線膨張係数より大きく選んでおく。
ベーキングは、ガスを追い出すためだけではなく、窓ガラスと金属筐体との接着を強固にするために、接着用金属の融点より高い温度で行う。例えば接着用金属として２７０℃で溶ける高温半田を用いるとすると、ベーキング温度は３００℃位に選ぶ。
【０００８】
そうするとベーキングが終わって、真空炉内の温度が低下し、接着用金属が凝固した後の、更なる温度低下にしたがって、金属筐体の方が窓ガラスより縮み代が大きいために、金属筐体がその収縮力によって、接着用金属を窓ガラスに強い力で圧着するようになり、真空封止が完成する。
金属筐体の底板が収縮する時に発生する収縮力が、効率良く金属筐体の垂直壁に伝わって接着用金属を強く締め付けるように、底板が直角に曲がって垂直壁を形成する所に三角錐状の窪みを作って、底板と垂直壁との直角度を保つための剛性を向上させる。
【０００９】
この作業は０．０１パスカル以下位の真空中で行われるので、接着用金属が凝固するまでに、それが酸化することが防がれ、また窓ガラスや金属筐体の表面の汚染も防止され、接着用金属内部に空洞（ボイド）が形成されることも無く、接着が完全に行われる。
このように、ガラスの接着面にガラスと親和性の良いコバール（商品名）のような金属を接着させ、この金属と金属筐体とを接着用金属で溶着すると、ガラスと親和性のない半田を用いても、ガラスと金属筐体とが金属だけで接着されて、しかも接着用金属には常に大きな圧縮力が掛かっているので、真空封止が完全になる。
【００１０】
金属筐体内の気体を抜いて真空にするために、金属筐体に気体を吸引するためのパイプを設ける。
太陽熱収集装置の金属や窓ガラスの吸着ガスを追い出すために、真空炉の中にパイプ付きの太陽熱収集装置を入れてベーキングを行う。このときパイプを通じて、金属筐体内の気体は真空炉の中に出て行く。
【００１１】
真空炉内で、金属筐体内の真空度が十分に向上した後に、高真空の真空炉中で、このパイプを押し潰してパイプを閉鎖する圧縮装置を設ける。
真空炉としては、金属製の大型の炉を用い、電熱で炉内を暖め、非加熱物と炉壁との間に、熱の無駄を省くために、薄い金属の遮蔽板を数枚置いた形式の真空炉を使用する。
大量生産の場合には、通常１回のベーキング作業で数１００個の太陽熱収集装置の真空封止が行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図１において、１は真空炉の本体、２は真空炉の蓋、３は真空太陽熱収集装置の金属製の筐体、４は筐体３内の気体を排出するためのパイプ、５は筐体３の内部に収容された太陽光の熱を受ける吸熱板、６は窓ガラス、７はガラスと親和性の良い金属、８は接着用金属、９は電気による加熱器で例えば電熱器、１０は真空炉内部の気体を排気する吸引口、１１は電熱器９への給電用の電線、１２は電線１１を真空炉内に入れるハーメチックシール端子、１３はパイプ４を押し潰す圧縮装置、１４は筐体３の垂直壁１５と底板１６との接続線上に設けられた三角錐状の窪み、１７は真空炉内に設けられた支柱である。
【００１３】
真空炉の本体１は大気圧に耐えるために側壁は円筒状になっており、底板は平板状或いは谷状に形成されている。円筒状の側壁を垂直に立てて使う場合と水平に寝かせて使う場合があるが、何れの場合でも筐体３は水平に置かれる。
【００１４】
蓋２は平板状或いは山状に形成され、中央近辺に気体の吸引口１０を持っている。本体１及び蓋２は例えばステンレス鋼で形成される。
電熱器９はその上に筐体３が密着して直かに載せられるように構成され、また電熱器９の代わりに赤外線や電磁誘導による加熱器等を使用することもできる。支柱１７は真空炉の本体１内に筐体３と窓ガラス６とを収容する手段で、支柱に限らず、棚などでも良い。
【００１５】
真空太陽熱収集装置は、主として筐体３と、筐体３内に収容され、図示してない支柱等により筐体３に支持された平板の吸熱板５と、筐体３の上部に蓋をする窓ガラス６とで構成されている。
筐体３はガラスより大きい線膨張係数を有する金属材料から成る１枚の金属板を加工して扁平な円形状又は多角形状の皿型容器に形成されており、真空保持能力が非常に高くなるように構成されている。
【００１６】
ガラスと親和性の良い金属７は、窓ガラス６と接着用金属８との接着を更に強固にするために窓ガラス６の端面に予め接着されるもので、例えばコバール（商品名）が考えられる。
接着用金属８は筐体３と窓ガラス６に接着されたガラスと親和性の良い金属７とを接着するためのものである。接着用金属８は予め大気中で溶融して筐体３と窓ガラス６の端面に接着された金属７とを仮止めする状態にしておいても良いし、或いは筐体３と金属７との間に板状にして挿入しておいても良い。
接着用金属８としては、安価な半田を使用することが出来る。
【００１７】
また図示してないが、筐体３には、大気圧を支えるための手段、収集した太陽熱を取り出すための熱媒体を入れるパイプ、このパイプに熱媒体を送り込む入力パイプ、熱せられた熱媒体を外へ出す出力パイプ等が設けられている。
入力パイプ及び出力パイプは筐体３から外部に飛び出していることは勿論である。
【００１８】
次に、第１の実施形態によって真空太陽熱収集装置を製造する工程について説明する。
先ず、真空太陽熱収集装置を構成する内部に吸熱板５を収容した筐体３と、端面にガラスと親和性の良い金属７を予め接着した、筐体３にはめ込まれる窓ガラス６と、窓ガラス６の端面すなわち親和性の良い金属７の外側に設けられた接着用金属８とを準備する。
【００１９】
筐体３及び窓ガラス６を真空炉の本体１の内部に収容し、支柱１７で支持する。そして、蓋２を閉める。
その後、吸引口１０から図示してない真空ポンプによって真空炉内の空気は０．０１パスカル以下になるまで排気される。一般にはそのまま０．０１パスカル以下に保持される。この間真空炉内の温度は常温に保たれる。
【００２０】
十分に真空炉内の真空度が上がると、その後に電線１１を通して電熱器９に通電され、筐体３の温度を上昇させる。
真空度が上がってから、加熱するのは真空太陽熱収集装置に使用する金属の酸化を防ぐためである。また、加熱するのは、筐体３や窓ガラス６が吸蔵しているガスを追い出すいわゆるベーキング処理のためと接着用金属８を溶融するためである。
熔けた接着用金属８が筐体３と金属７との間隙を全面に亙って一様に埋めるように、筐体３は真空炉の本体１内で水平に置かれる。
【００２１】
真空炉内の真空度を上げるとき、筐体３に設けたパイプ４を通して筐体３内の気体が真空炉１内に排出され、吸引口１０から外部に吸引され、筐体３内が真空になるようにする。
真空炉１を高真空に保ち且つ高温度にすると効率良く吸蔵ガスが追い出される。ベーキング温度としては２５０℃〜４００℃が推奨される。
数１０時間から数１００時間に及ぶ長時間のベーキングによって、吸蔵ガスが充分に追い出された後、電熱器９への通電を止め、真空炉１の温度を下げる。
【００２２】
その後、真空炉内１の温度を接着用金属８の凝固点より下げていくと、接着用金属８が、筐体３と窓ガラス６とを、金属７を介して凝固して接着し、その後温度が下がるに連れて、筐体３によって接着用金属８は締め付けられ、接着用金属８による太陽熱収集装置の真空封止が完成する。
この際、窪み１４は筐体３の底板１６の収縮時の収縮力を効率良く筐体３の垂直壁１５に伝えるのに役立つ。
その後、真空炉１の中を大気圧に戻して、真空炉１の蓋２を開き、真空太陽熱収集装置を取り出す。
【００２３】
図２は第１の実施形態の圧縮装置を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図ある。
２１は真空太陽熱収集装置のパイプ４を圧着するための台座、２２は台座２１に可動に取り付けられたパイプ４を圧縮するための可動金具、２３は可動金具２２に圧力を掛けて圧縮方向に動かすためのベローズ、２４はベローズ２３に圧搾空気で圧力を送るパイプ、２５は台座２１に取り付けられた固定金具で、可動金具２２のガイドをするものである。
ベーキング工程を終えた後、真空炉１内の真空を保ったままで、パイプ４を圧縮装置１３によって押し潰して、パイプ４の真空封止を行う。
パイプ２３は、図示していないが、真空炉１の外部にある圧搾空気源に、真空炉１の真空を崩さないように、ハーメチックシール端子を経て繋がっている。
【００２４】
筐体３の真空度が所要の値にまで上がって、接着用金属８による接着が完成したら、パイプ２３を通して圧搾空気がベローズ２４に送られ、ベローズ２４は膨張して、可動金具２２を動かし、パイプ４を押し潰す。
パイプ４には銅パイプ或いは黄銅パイプ等を用いる。予めパイプ４の内面に多少の半田を流し込んでおき、押し潰した後のパイプ４の形をＶ字形になるようにしておく。
そうすると、押し潰した後にパイプ４にわずかな隙間が残っても、高温の真空炉で熔けた半田が重力によってＶ字状の溝の所に集まり、その半田が常温になって固まってから隙間を埋めて、気密が保たれる。
【００２５】
半田で気密を保つ方法以外に、パイプ４に水素処理をした無酸素銅を用いておく方法がある。この場合はパイプ４を高真空中で強い力で押し潰した時に、パイプ４の内面の銅が互いに完全な気密の状態で接着（圧着）されるので、この場含は半田を必要としない。
【００２６】
図３は本発明の第２の実施形態を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。
図３は真空太陽熱収集装置を大量生産するための装置を示しており、真空炉の温度をあまり上げずに、真空炉内の真空太陽熱収集装置の温度を上げる形式のものを示している。
【００２７】
３１は真空炉の本体、３２は真空炉の蓋、３３は台車、３４は台車３３の上に数段に亙って縦積みされた棚、３５は棚３４に取り付けられた電熱器、３６は真空太陽熱収集装置、３７は棚４４に電源を供給し、且つ温度制御を行う温度制御装置、３８は真空炉内の気体を排気する排気装置、３９はガスケット、４０はスーパーインシュレーション用の遮蔽板である。
【００２８】
真空炉の構成は上記した第１の実施形態と基本的には同じであり、サイズが大きくなって円筒型の真空炉を横向きに設置し、台車３３に電熱器３５を備えた複数の棚３４が縦積みされ、真空太陽熱収集装置３６が棚３４に載せられて真空炉３１内に搬送されるように構成されている。
第２の実施形態は真空炉本体３１の外壁は暖めないで、棚３４とその上に載せられた真空太陽熱収集装置３６だけに熱を供給する方式である。
各棚３４に設けられた電熱器３５によって加熱されると、真空太陽熱収集装置３６の温度が上げられ、それが吸蔵しているガスはベーキングによって排出される。
【００２９】
この際、ベーキングすべきものは真空太陽熱収集装置３６であるから、真空太陽熱収集装置３６だけ暖めて、真空炉本体３１の炉壁は暖めないようにして、エネルギーの無駄使いを減らす。
真空太陽熱収集装置３６から真空炉本体３１への熱損失は、残存気体による熱伝導による損失と放射による損失の二つによって成り立っている。
【００３０】
そこで、真空炉内部の高温の所からの放射損失を減らす手段を講ずる。その手段として、真空炉３１の炉壁の放射率を下げる。換言すれば炉壁の反射率を上げる。同時に棚３４の外に面している面の放射率を減らす。
このためには、炉壁に反射率の良い金属処理を施し、棚３４の外面に放射率を減らす処理を施すと良い。
これによって真空太陽熱収集装置３６からの放射による熱損失を減らすことができる。
【００３１】
更に、残存気体による熱伝導による損失と放射による損失の二つを同時に減らすために、真空炉本体３１の内部が高真空に保たれており、残存気体の熱伝導は自由分子条件下の熱伝導になっていることを利用し、遮蔽板４０を数枚、図示したように真空炉本体３１の炉壁と棚３４との間に数ｍｍの間隔をおいて設ける。これによって熱のスーパーインシュレーション作用が発揮され、熱損失が何分の一かに減殺される。
また、遮蔽板４０に赤外線の反射率の高い金属を用いておくと、放射損失も同時に減らすことが出来る。
このような手段は、大量生産するときだけでなく、第１の実施形態などにも適用することができる。
【００３２】
上記のような方法で高温になった真空太陽熱収集装置３６からの熱が真空炉本体３１に殆ど伝わらないので、本体３１の温度はあまり上がらない。
それ故、ガスケット３９には、ゴムやバイトンのような、低温でしか使えないが使い勝手が良い材質のガスケットを利用できてたいへん便利である。
また、真空炉本体３１の外壁の温度が上がらないということは、真空炉本体３１の熱損失が少ないということであって、このことはベーキングに要する電力が少なくて済むということになり、長時間のベーキングの場合大変有利なことである。
なお、ベーキング処理と共に筐体と窓ガラスの真空封止を行うこと等は第１の実施形態と同じである。完成した真空太陽熱収集装置３６が台車３３に載せられて搬出されることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、真空炉内でベーキング処理と真空封止を行うのて、高品質、高効率の真空太陽熱収集装置を製造でき、また大量生産の場合には殆ど自動化された工程で製造できるので、真空太陽熱収集装置を安価に大量に提供することができ、経済面、環境面で多大な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図
【図２】第１の実施形態の圧縮装置を示す図
【図３】本発明の第２の実施形態を示す図
【符号の説明】
１，３１ 真空炉の本体
２，３２ 真空炉の蓋
３ 筐体
４ パイプ
５ 吸熱板
６ 窓ガラス
７ 金属
８ 接着用金属
９，３５ 電熱器
１０ 吸引口
１３ 圧縮装置
１４ 窪み
３３ 台車
３４ 棚
３６ 真空太陽熱収集装置
３７ 温度制御装置
３８ 排気装置
３９ ガスケット
４０ 遮蔽板

Claims (13)

1. 太陽光の熱を収集する真空太陽熱収集装置の製造方法において、
   ガラスより大きい線膨張係数を有する金属材料で形成され、気体を排出するためのパイプを備えた筐体と、前記筐体内に収容された吸熱板と、前記筐体にはめ込まれる窓ガラスと、前記窓ガラスの端面に設けられた接着用金属とを準備する工程と、
   前記筐体及び窓ガラスを真空炉の中に収容し、前記真空炉を真空にし、加熱してベーキング処理を行うと共に前記接着用金属を溶融させる工程と、
   前記真空炉を真空に保ったまま、加熱を止めて前記真空炉の温度を下げることにより前記接着用金属を凝固させ、前記筐体の収縮力により前記接着用金属を締め付け、前記筐体と窓ガラスとを真空封止する工程と、
   前記真空炉を真空に保ったまま、前記パイプを押し潰して前記パイプの真空封止を行う工程と
   を備えたことを特徴とする真空太陽熱収集装置の製造方法。
2. 前記窓ガラスの端面に予めガラスと親和性の良い金属を接着したことを特徴とする請求項１記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
3. 前記パイプを銅パイプ又は黄銅パイプとし、予め前記パイプの内面に半田を流し込んでおき、前記パイプを押し潰した後の形がＶ字形になるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
4. 前記パイプを無酸素銅で形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
5. 前記接着用金属を前記筐体と窓ガラスとの間で仮止め状態にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
6. 前記接着用金属を前記筐体と窓ガラスとの間に板状にして挿入しておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
7. 前記真空炉内に電気による加熱器を設けて前記筐体を加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
8. 前記筐体の垂直壁と底板との接続線上に窪みを設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
9. 前記真空炉内に複数組の筐体と窓ガラスを縦積みにして収容し、前記複数組の筐体と窓ガラスのベーキング処理と真空封止及び前記筐体のパイプの真空封止を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造方法。
10. 円筒状の側壁と平板状又は谷状の底板とから成る真空炉の本体と、
    平板状又は山状に形成され、吸引口を有する真空炉の蓋と、
    ガラスより大きい線膨張係数を有する金属材料で形成され、気体を排出するためのパイプを備えた真空太陽熱収集装置の筐体及び窓ガラスを加熱する電気による加熱器と、
    前記パイプを押し潰す圧縮装置と
    を備え、
    前記筐体及び窓ガラスを前記本体内に収容し、前記吸引口から気体を排気して真空にし、前記加熱器により前記筐体及び窓ガラスを加熱してベーキング処理を行うと共に前記接着用金属を溶融させ、前記真空炉を真空に保ったまま、加熱を止めて前記真空炉の温度を下げることにより前記接着用金属を凝固させ、前記筐体の収縮力により前記接着用金属を締め付け、前記筐体と窓ガラスとを真空封止し、前記パイプを押し潰して前記パイプの真空封止を行うことを特徴とする真空太陽熱収集装置の製造装置。
11. 前記加熱器と真空炉の本体の炉壁との間に複数枚のスーパーインシュレーション用の遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１０記載の真空太陽熱収集装置の製造装置。
12. 円筒状の炉壁と底板とから成る真空炉の本体と、
    平板状又は山状に形成された真空炉の蓋と、
    前記真空炉内を真空にするための排気装置と、
    ガラスより大きい線膨張係数を有する金属材料で形成され、気体を排出するためのパイプを備えた真空太陽熱収集装置の筐体及び窓ガラスを加熱する電気による加熱器と、
    前記本体内に積み上げるように複数個設けた、前記筐体及び窓ガラスを収容する棚と、
    前記棚と炉壁との間に設けた複数枚のスーパーインシュレーション用の遮蔽板と、
    前記パイプを押し潰す圧縮装置と
    を備え、
    前記棚にそれぞれ筐体と窓ガラスを収容し、前記排気装置により前記真空炉内を真空にし、前記加熱器により前記筐体及び窓ガラスを加熱してベーキング処理を行うと共に前記筐体と窓ガラスを接着する接着用金属を溶融させ、前記真空炉を真空に保ったまま、加熱を止めて前記真空炉の温度を下げることにより前記接着用金属を凝固させ、前記筐体の収縮力により前記接着用金属を締め付け、前記筐体と窓ガラスとを真空封止し、前記パイプを押し潰して前記パイプの真空封止を行うことを特徴とする真空太陽熱収集装置の製造装置。
13. 前記本体と蓋をステンレス鋼で形成したことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置の製造装置。

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