JP6023202B2 - 石英ガラス製窓を有する太陽放射受器および窓の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱吸収用の太陽放射吸収体に作動ガスを送るためのチャンバーを備える太陽放射受器であって、吸収体が、チャンバー内に配置されかつ太陽放射のための石英ガラス製ドーム状窓を有し、窓が、吸収体の方向を向きかつ少なくとも９５０℃の公称内部温度Ｔｉを有する内面と、吸収体から離れる方向を向きかつ周囲温度Ｔｕに曝露される外面とを有する、太陽放射受器に関する。

さらに、本発明は、石英ガラス製ドーム状窓の製造方法に関する。

太陽受器とも呼ばれる太陽放射受器は、太陽熱による熱生産に役立ち、工業分野では、たとえば、炭素質化合物をメタンに改質するために使用されたり、または「太陽熱発電設備」としてガスタービン駆動用の空気を加熱するために使用される。

これらのシステムの通常の形態では、集中的太陽放射により加熱される空間と周囲とを分離するために、石英ガラス製窓が提供される。太陽放射は、この窓を介していわゆる吸収体中に進入する。この吸収体は、吸収体を流れる作動ガスを有し、この作動ガスを太陽熱方式で高温に加熱する。

窓は、高温負荷に曝露される。なんら対策を講じなければ、吸収体の方向を向く窓の内面は、ほぼ公称吸収体温度に加熱される。吸収体から離れる方向を向く窓外面が、大気温度と日射とにより規定されるかなり低い周囲温度に曝露されることは事実である。しかしながら、熱伝導により、窓外面もまた、摂氏数１００度の温度まで加熱される。

窓の外面上で高温が支配的になると、石英ガラスの失透を引き起こすおそれがある。この失透は、表面の汚染により、たとえば、アルカリを含有するダストやエアロゾルにより促進されたり、他の周囲の影響により促進される。この結晶化は、破壊的状態にまで光透過の低下をもたらし、最終的には、窓の耐用寿命を決定づける。定期的保守作業さらには交換および補修は、後方業務として複雑かつ高価であり、システムの収益性を制限する。したがって、窓のいかなる失透をも防止するのに、特別な注意が払われている。

結晶化の傾向は、高純度の石英ガラス、特にアルカリフリーの石英ガラスを用いることにより、低減可能である。さらなる技術的対策は、たとえば、頻繁な徹底的清浄化により、または可能であれば、クリーンルーム内などで粒子フリーの環境を確保することにより、窓表面を特に清浄に維持することを目標とする。

その代りとしてまたはそれに加えて、たとえば、上述のタイプの太陽放射受器が開示されている特許文献１にみられるように、低温を利用して窓の結晶化傾向を低減する試みがなされている。吸収体は、チャンバー内に配置され、窓の凸状湾曲表面（「ドーム」）が吸収体内部に突出するドーム状窓により、その外面に完備される。そのドーム状構成により、吸収体からの放射の背面反射が低減される。

窓の温度を８００℃〜８５０℃未満に維持するために、赤外線シールドを利用して吸収体の赤外線から窓を遮蔽すべきであるとの提案がなされている。好ましくは、赤外線シールドは、赤外線吸収石英ガラスで作製される。それに加えて、窓の内面は、誘導された空気流れを利用して強制冷却される。

しかしながら、赤外線シールドによる赤外線の遮蔽は、作動ガスのエネルギー吸収を低減して効率損失を生じ得る。強制冷却は、構成的に複雑であり、空気流れを生成するために追加のエネルギー負担を必要とする。そのため、これらの対策は、全体的に太陽熱加熱の効率を低減し得る。

特許文献２には、吸収体の放射窓の能動冷却をなんら用いない太陽放射受器が記載されている。その代わりに、ＩＲ線を特に強く放射する石英ガラスから放射窓を作製すべきであるとの提案がなされている。石英ガラスの望しいＩＲ放射は、窓の冷却をもたらすはずである。これは、高含有量のヒドロキシル基（ＯＨ基）により達成される。この含有量は、好ましくは、少なくとも６００重量ｐｐｍである。

石英ガラス中のヒドロキシル基が、約２６８０ｎｍ〜２８００ｎｍの小さい赤外波長スペクトル領域で、それぞれ顕著な吸収または放射を呈することは事実である。しかしながら、ヒドロキシル基が不十分な石英ガラスは、やや長波の赤外スペクトル領域で部分的に不透明でもあるので、ヒドロキシル基による吸収が加わり、やや少ない追加の冷却作用が必要となる。さらに、石英ガラスの結晶化傾向は、石英ガラスのヒドロキシル基含有量と共に増大する。

窓は、多くの場合、ドーム状であり、上述の先行技術でも同様である。そのような石英ガラス製ドーム状窓は、ガラスブロー成形方法を利用して製造される。出発点は、たとえば、石英ガラス管であり、これを膨らませ、より薄肉の中空体に造形される。石英ガラスの変形性およびその高粘性に起因して（ＳｉＯ_２の昇華温度でも）、通常、所望の最終形状を直接的な方法で達成することはできず、多くの場合、中空体をサブピースに分解して、窓の近似形状のプリフォームが得られるように新たにそれらを集合させなければならない。この場合、サブピースは、溶接され、この方法で得られるプリフォームは、機械仕上げ後、機械的応力が低減されるように高温で最終的方法によりアニールされる。

高い光学品質の石英ガラス製ドーム状部品は、それにより得られる。しかしながら、この製造方法を用いて多くの時間やエネルギーを費やしたとしても、幾何学的および機械的な性質に関して再現性の低い特異なピースの製造が可能であるにすぎないことは明らかである。

特許文献３には、半導体製造時の部品用の透明〜不透明なドープ石英ガラスのいくつかの製造方法が記載されている。この場合、ＳｉＯ_２およびドーパントの供給原料粉末は、層状に積層されて直接ガラス化される。たとえば、供給原料粉末は、回転金属溶融モールド内に連続的に導入または展延され、プラズマバーナを利用して直接ガラス化される。ドープ石英ガラスのインゴットは、それにより得られる。

特許文献４には、石英ガラスるつぼを製造するための標準的真空式溶融方法が記載されている。１２ｍｍの厚さを有する石英砂のＳｉＯ_２粒子層と１２ｍｍの厚さを有する合成顆粒のＳｉＯ_２粒子層とを、それぞれ、金属製溶融モールドの内壁上に層状に逐次積層し、プラズマを利用して真空下で粒子層を焼結する。この場合、内側粒子層は、焼結されて内層の透明石英ガラスとなり、外側粒子層は、不透明石英ガラスとなる。その結果得られるのは、不透明外壁と内層の透明石英ガラスとを有する石英ガラスるつぼである。

欧州特許出願公開第１６１００７３Ａ２ 国際公開第２０１０／０５５４３９Ａ２ 独国特許出願公開第１０２１３５３９Ａ１ 独国特許第１０２００８０３３９４６Ｂ３

通常、太陽放射受器のエネルギー変換効率は、吸収体温度（＝出口温度）と共に増大する。したがって、実際には、非常に高い吸収体温度が目標とされる。一方、窓は、太陽放射受器で適正な使用を可能にすべく高い長期安定性を示さなければならない。この場合、石英ガラス製窓に関しては、周囲の影響に曝露される外面の上述した失透が特に重要である。約８００℃から８５０℃以下までの範囲内の限界温度を超えた温度では、そのような結晶化がますます起こるため、窓の外面上のこの限界温度は、可能な吸収体温度を制限する。

本発明の目的は、高い吸収体温度の設定が可能で、したがって、窓の外面領域の失透リスクを増大させることなく高効率の太陽熱加熱を可能にする石英ガラス製窓を有する太陽放射受器を提供することである。

さらに、本発明の目的は、高い寸法安定性を有するドーム状窓、特に本発明に係る太陽放射受器用のドーム状窓を、低コストで、かつ再現性のある方法で製造することができる方法を示すことである。

太陽放射受器に関しては、上述の種類の太陽放射受器に端を発するこの目的が本発明により達成される。本発明において、窓は、窓外面領域で８５０℃未満の温度Ｔａが得られるようにＴｉおよびＴｕに対応して構成される壁厚ｄを有し、追加条件として、温度差Ｔｉ−Ｔａが、少なくとも１５０℃であり、かつ内部温度Ｔｉの最大の領域での壁厚ｄが、少なくとも７ｍｍである。

太陽放射受器を使用する場合、窓は、主に、吸収体側から加熱される。窓中の熱伝導および窓外面から周囲方向への熱伝達により、定常温度分布が得られる。

本発明は、窓壁厚を利用して非プロセス大気側の窓外面の加熱を制限することを目標とする。したがって、従来から知られている窓に本発明に従って変更を加える場合、窓厚の両側間に１５０℃以上の温度差Ｔｉ−Ｔａを生じる温度勾配が熱い内面から窓壁全体にわたり設定されるように窓厚を構成することにより、より冷たい外面上でいずれにせよ８５０℃未満の温度が定常熱平衡で達成されるようにする。定常平衡での温度Ｔａの調整に関して、壁厚ｄは、これまで注目されてこなかった追加の自由度をもたらす。言い換えれば、温度勾配の調整の自由があるので、窓外面の温度Ｔａは、吸収体の方向を向く窓内面の温度Ｔｉから切り離され、その結果、いずれにせよ８５０℃未満に維持することが可能になる。これにより、結晶化に対する外面の特定の鈍感性がもたらされる。一方、窓厚がより大きくなるので、所与の場合に必要とされる温度差およびフラットな温度勾配を生じ、それにより、窓外面上で限界温度を超える可能性がなくなるという意味で、この切離しは、窓内面上で比較的より高い温度も可能にし、それにより、より高いエネルギー変換効率をもたらす。さらに、よりフラットな温度勾配は、窓を通過するより少ない熱放散、ひいてはより低いエネルギー損失をもたらす。

吸収体の公称温度が高いほど、窓の必要壁厚は大きくなる。しかしながら、これに適した高純度石英ガラスは、高価であり、またその大きい壁厚に起因するさらなる太陽放射の透過損失に耐えなければならない。しかしながら、これらの欠点は、結晶化に対する外面の鈍感性の増大、それに伴う窓のより長い耐用寿命、ならびに保守および交換に必要とされるより少ない労力により補償される。窓の能動空気冷却や赤外線からの遮蔽などの先行技術から公知の冷却対策は、省略可能である。

そのため、本発明に従って先行技術に変更を加えることにより、高い吸収体温度の設定が可能となり、ひいては窓の外面領域の失透リスクを増大させることなく高い太陽熱加熱効率が可能なる。

窓の最小厚は、実質的には、窓内面上の温度Ｔｉに依存する。この温度は、通常、公知であるか、または決定可能であり、少なくとも９５０℃である。窓内面全体にわたり均一温度分布である場合、この温度は、同時に、内部温度Ｔｉの「最高値」に対応する。しかしながら、太陽放射受器の意図された使用中、たとえば、入射太陽放射の中心領域に最大値を有して、窓の内面全体にわたり温度Ｔｉの不均一曲線を生じ得る。

最も簡単な場合、窓は、均一厚を有する。不均一厚の場合、最小厚の値および位置は、窓内面の温度最大値に依存する。

窓外面のできるかぎり低い結晶化傾向に関して、窓は、外面領域で８００℃未満、好ましくは７５０℃未満の温度Ｔａが得られるようにＴｉおよびＴｕに対応して構成される壁厚ｄを有する場合に有用であることが判明した。

ここで、「Ｔｕ」は、太陽放射受器の外側で支配的な周囲温度を表し、最も簡単な場合、標準室温（＝２５℃）であると仮定することが可能である。

好ましくは、壁厚ｄは、最大内部温度Ｔｉの領域で、少なくとも１０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも２０ｍｍである。

窓内面領域の所与の最高温度Ｔｉでは、壁厚ｄが大きいほど、外面領域の温度Ｔａは低くなる。一方、外面領域の所与の温度Ｔａでは、より大きい窓壁厚は、それに対応して内面上でより高い吸収体温度Ｔｉを可能にするので、太陽放射受器のより高い効率を可能とする。

窓の好適な厚さｄは、試験により決定可能である。推定では、最大内部温度Ｔｉの領域の壁厚ｄは、以下の寸法決定規則に基づいて構成される場合に有用であることが判明した。
ｄ＞λ（Ｔｉ−Ｔａ）／α（Ｔａ−Ｔｕ） （１）
式中、
λ＝透明石英ガラスの熱伝導係数、かつ
α＝石英ガラス／対流中空気の熱伝達係数

透明石英ガラスの熱伝導係数に関して、文献では、値λ＝１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）を挙げている。石英ガラス／空気の熱伝達係数は、空気の流速に依存する。１０ｍ／ｓの流速では、式（１）に従って壁厚を推定するのに適したα＝３６Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）の値が得られる。

周囲温度「Ｔｕ」は、およそ標準室温である。「Ｔａ」は、窓の非結晶化および耐用寿命に基づいてなされる特定の要求から得られ、８５０℃以下である。窓内面上の温度「Ｔｉ」は、およそ吸収体温度に対応し、追加条件として、Ｔａよりも少なくとも１５０℃高い。ここで、Ｔａ＝８５０℃、Ｔｉ≧１０００℃である。

この寸法決定規則は、以下の要件から明らかになる。

窓は、主に、吸収体中で熱風との接触により加熱される。さらなる熱源は、窓に入射する吸収体の熱放射である。熱放射のスペクトルプロファイルに基づいて、この熱放射は窓に部分吸収されるので、窓は加熱される。窓の厚さを比較的大きくすることにより、熱伝導および熱放射によるエネルギー損失は低減される。

第一近似として、定常状態では、窓を介して熱伝導により輸送されるのと同一の熱量が外壁から周囲に移動する。それにより、熱伝導の式および熱伝達の式は、等しくなり得るので、その結果、以下のようになる。

式（１）による上記の寸法決定規則は、再編成により得られる。窓厚ｄの増大と共に、窓を通過する熱伝導はわずかに減少し、それにより、吸収体の熱損失は低減される。窓外面の温度Ｔａは、壁厚の増大と共に著しく減少する。式（１）の２倍超程度に対応する壁厚から出発すると、重量、コストおよび光透過に関するますます多くの欠点が観測され、これらは、もはや、より低い温度Ｔａの利点により十分に補償されない。

通常、内面全体にわたる温度曲線は、窓の中心に最大値を示す。特にこれに関して、窓の壁厚ｄがドーム中心領域に最大値を有する太陽放射受器の実施形態が有用であることが判明した。

窓の壁は、均一壁厚プロファイルを示さずに、ドーム中心領域に最大値を有する不均一壁厚プロファイルを示し、最も簡単な場合、この最大値は、ほぼ窓中心厚に対応する。材料費および透過損失に関する厚肉窓の上述の欠点は、それにより最小限に抑えられる。

これに関して、最大値の壁厚は、最小領域よりも少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％大きい場合に有用であることが判明した。

特に低結晶化傾向に関して、窓の石英ガラスは、１００重量ｐｐｍ未満、好ましくは３０重量ｐｐｍ未満の平均ヒドロキシル基含有量を有する。

石英ガラスのそのようなドーム状窓、特に太陽放射受器用のドーム状窓の製造方法に関して、上述の技術的目的は、以下の方法工程：
（ａ）多孔性壁を有するドーム状溶融モールドを提供する工程と、
（ｂ）ＳｉＯ_２顆粒を溶融モールド内に導入して、溶融モールドの内壁上に少なくとも１２ｍｍの厚さを有するドーム状ＳｉＯ_２粒子層を形成する工程と、
（ｃ）窓のブランクを形成するために、プラズマの作用下で、かつ粒子層上の多孔性壁を介して外側から作用する負圧を適用することにより、ＳｉＯ_２粒子層を緻密化する工程と、
（ｄ）窓のプリフォームを形成するために、ブランクの外側部分を機械的に除去する工程と、
（ｅ）プリフォームを機械研磨または熱研磨して、透明石英ガラスの窓を得る工程と、
を含む方法により、本発明に従って達成される。

本発明に係る方法は、ドーム形状で、たとえば、球状セグメント、双曲面状セグメント、または楕円放物面状セグメントの形態で、溶接を用いることなく、石英ガラスのワンピース窓を製造することを可能にする。

前者の方法とは対照的に、本発明に係る方法は、既製の石英ガラス部品からではなく、成形およびガラス化方法によりドーム状窓の近似寸法のプリフォームに直接形成されるＳｉＯ_２顆粒から出発する。管を膨らませたり、部品を接合するなどのさらなる成形工程は、必要とされない。

特に石英ガラスの熱伝導容量が低いので、やや厚肉の湾曲石英ガラス部品の再現性のある製造は困難である。本発明に係る方法は、これらの問題を排除する。溶融モールドの使用およびその内面上でのＳｉＯ_２粒子層の形成は、再現性のある造形を保証する。たとえば、ＳｉＯ_２粒子層の内面は、緻密化、ガラス化、および可能な清浄化の工程後、ドーム状窓の内面を形成する。

溶融モールド内へのＳｉＯ_２顆粒の導入は、たとえば、中心軸の周りを回転する溶融モールドの内壁上に顆粒をプレスする型板を用いて、および／または回転溶融モールドの場合には重力の作用下で、行われる。粒子層は、溶融モールドの内壁上に、またはすでにそこに提供されている石英ガラス層の内壁上に、直接適用される。型板は、粒子層の所望の層厚分布が得られるように形成され、最も簡単な場合、均一層厚の粒子層が作製される。また、その代りとして、ＳｉＯ_２顆粒を溶融モールド内に導入または展延すると同時に、プラズマの作用下で軟化させて溶融モールドの内壁に押圧し得る。

ＳｉＯ_２粒子層の厚さは、窓の所望の壁厚に加えて生じ得る許容差をもたらす部分と、ブランクの除去時に溶融モールド内に残留層として残存する追加的部分とで構成される。本発明に係る厚肉窓を製造するために、粒子層は、粒子層の嵩密度または圧縮嵩密度を考慮して、ガラス化および機械仕上げ処理による可能な除去の後、７ｍｍの最小厚の窓が得られるように、それに対応して大きい厚さを有することが重要である。これを保証するために、少なくとも、完成した窓で７ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも２０ｍｍの最小壁厚が生成される領域で、１２ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上の層厚を有する粒子層が、本発明に従って作製される。

ＳｉＯ_２粒子層のガラス化は、その内面から出発して行われる。それに加えて、その外面から出発してガラス化することが可能である。内面からのガラス化（この場合「緻密化」とも呼ばれる）中、プラズマが使用され、プラズマは溶融モールドの内側に導入され、粒子層を高温に加熱するのに利用される。この場合、溶融前線は、ＳｉＯ_２粒子層の内面から外面に徐々に移行する。この溶融前線が溶融モールドの内壁に達する前に、緻密化プロセスは、通常、中断される。

粒状ＳｉＯ_２から開始されるので、本発明に係る方法での特別な取組みは、ＳｉＯ_２顆粒から透明石英ガラスへのガラス化に見られなければならない。これは、ＳｉＯ_２粒子層の緻密化中の負圧の適用により、かなり促進される。この負圧は、ガス透過性の溶融モールド壁を介して粒子層からガスを除去するが、そうしなければ、ガスは、気泡の形成をもたらすおそれがある。

これにより、内面上に実質的に気泡がない、かつ外面の方向にますます多くの細孔を含む、石英ガラスのドーム状ブランクが得られる。このブランクは、光透過に高度な要求が課される用途には未だ適していない。

完全には緻密化されていないブランクの外側領域は、実質的にすでに窓の形状および所望の寸法、特に意図された壁厚および輪郭を示すプリフォームが得られる範囲内で、機械的に除去される。このプロセスで除去される石英ガラスは、完全には緻密化されていないので、除去には、比較的低いエネルギー消費で十分である。しかしながら、それにより得られるプリフォームは、依然として、粗い外側領域を含むので、後続工程で、機械平滑化または熱平滑化（火炎研磨により）される。研磨中、プリフォームの寸法は、ほとんど変化しない。

それにより、透明石英ガラスの窓は、特に太陽吸収体用として、高い寸法安定性を有し、低コストで、かつ再現性のある方法で、製造可能である。

好ましい変法では、方法工程（ｃ）によるＳｉＯ_２粒子層の緻密化は、二段階プロセスを含み、第１のプロセス段階では、ＳｉＯ_２粒子層の内側部分が緻密化され、かつ低い負圧が適用され、第２のプロセス段階では、より高い負圧が適用され、かつＳｉＯ_２粒子層がさらに緻密化される。

焼結活性が比較的高いので、ＳｉＯ_２顆粒の緻密化は、すでに初期段階から開始される。それにより、連続多孔性基材上の規定の薄い壁厚を有する緻密「シール層」が、粒子層の内側に生成される。緻密「シール層」の形成後、負圧の強度が増大されるので、粒子層の多孔性の領域からガスが除去され、次いで、第２の加熱段階で、粒子層の領域は、高温で緻密化される。

不均一壁厚曲線を有する窓を製造するために、方法工程（ｃ）によるＳｉＯ_２粒子層の緻密化中、ドーム中心領域に最小壁厚領域よりも少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％大きい壁厚の最大値を有するドーム状ブランクを形成する手順が有用であることが判明した。

ブランクの外側部分の機械的除去中、好ましくは、内面に対応するドーム状外面を有し、かつ少なくとも７ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも２０ｍｍの範囲内の最大壁厚を有するプリフォームが作製される。

透明石英ガラスの窓を得るためのプリフォームの研磨操作は、燃焼炎を有するバーナを利用して少なくとも１６００℃の温度に加熱することにより行われる場合に有用であることが判明した。

この場合、すでに機械処理されたプリフォームの表面領域（この領域は依然として粗い）は、水素、アセチレン、プロパンなどの燃料が酸素と共に燃焼される１つのバーナまたは複数のバーナを利用して、外側から加熱される。そのようなバーナを利用して、著しい変形をなんら起こすことなく、プリフォームのまだ粗い部分の透明焼結に適切な局所的に高い温度を生成することが可能である。ガラス化中の温度および加熱時間は、ガラス化後、石英ガラスが波長領域３００ｎｍ〜２４００ｎｍで少なくとも９５％の高い内部透過率（１ｍｍの層厚に基づく）を示すように、設定される。

ガス透過性壁がグラファイトで構成される溶融モールドを使用し、かつ方法工程（ｃ）によるＳｉＯ_２粒子層の緻密化をヘリウムおよび／または水素含有雰囲気中で行う好ましい変法によって、高い透明度も促進される。

溶融モールドは、たとえば多孔性グラファイトで構成されるガス透過性壁を有する。その代りとしてまたはそれに加えて、壁は、複数の貫通孔を備える。一方、材料グラファイトは、固化後、ブランクの除去を促進し、また、グラファイト壁は、多孔性形態で特に容易に作製可能であるか、または貫通孔を備える。

ヘリウムおよび水素は、石英ガラス中を迅速に拡散するガスに属する。このガスを利用した粒子層中に通常存在する空気の交換は、緻密化中およびガラス化中、粒子層中の気泡生成および気泡成長の両方を低減するであろう。

この場合、ＳｉＯ_２粒子層は、好ましくは、オープンフロー系中で緻密化され、溶融モールドのヘリウムおよび／または水素は、制御されたガス流れとして連続的に供給される。オープンフロー系は、溶融モールド内のガス流れを可能にするだけでなく、さらには、溶融モールドの外に向かうガス流れを可能にする。これは、溶融モールドからの汚染ガスまたは気化材料の排出を促進する。不要な堆積物は、こうして排除され、汚染は、低減される。

また、これとの関連で、ＳｉＯ_２粒子層を造形する方法工程と、緻密化に関する方法工程との間で、ＳｉＯ_２粒子層のガス富化を提供する場合が有用であることも判明した。この場合、溶融モールド内の雰囲気は、ヘリウムおよび／または水素を含有する雰囲気により富化される。

粒子層の緻密化前のこのガス富化に起因して、層中の空気（または窒素、それぞれ）の含有量は低減され、結果的に、緻密化中の比較的高価なガスであるヘリウムおよび／または水素の使用はより効率的になり、それにより、生成される層は、特に低い気泡密度を示す。

図１は、溶融モールド内でのＳｉＯ_２粒子層の形成を示す。 図２は、プラズマを利用したＳｉＯ_２粒子層の緻密化を示す。 図３は、離型後および外面研磨後の窓用緻密化プリフォームを示す。 図４は、バーナを利用した加熱によるプリフォームの透明壁の作製を示す。 図５は、本方法に従って得られた窓を示す。 図６は、公称吸収体温度に対応して窓の必要最小壁厚を決定するための図を示す。

次に、実施形態および図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。図１〜４は、本発明に係る太陽放射受器用の石英ガラス製放物面状窓を製造するための本発明に係る方法を実施する際の方法工程を模式的に示している。

図１は、１００ｃｍの最大内径を有するグラファイト製溶融モールド１を示している。溶融モールド１は、中心軸３の周りを回転可能なキャリヤ２上に外側フランジを用いて位置決めされている。溶融モールド１とキャリヤ２との間の空間４は、減圧可能である。溶融モールド壁は、溶融モールド１の外面に適用された真空が内部７に作用可能になるようにする複数の通路５を有する。

第１の方法工程では、長手軸３の周りを回転する溶融モールド１内に、天然高純度石英粉末の結晶性顆粒を充填する。石英粉末は、多峰粒径分布を有し、粒径の主な極大値は、５０〜１２０μｍの範囲内にあり、平均粒径は、約８５μｍであり、かつ粒径分布の第二極大は、約１μｍの粒径にある。遠心力の作用下で、型板を利用して、機械的に圧縮された石英砂の回転対称放物面状層６を溶融モールド１の内壁上に形成する。層６の平均層厚は、１８ｍｍである。

第２の方法工程では、粒子層６中に含有される空気をヘリウム含有プロセスガスで富化する。この目的のために、ガス透過性粒子層６を介して溶融モールド１内の空気を外部に吸引除去し、同時に、ヘリウムと２０％酸素との混合物を溶融モールド１の内部７に導入する。この場合、溶融モールド１の開放上側部は、ベントギャップ１２を残した状態で遮熱材１１で部分的に覆われる（図２参照）。約１０分間後、ヘリウム含有プロセスガスによる富化を終了する。

図２に模式的に示される追加的な方法工程では、ＳｉＯ_２粒子層６をゾーンごとに緻密化する。この目的のために、ガス富化プロセスの終了後、電極８、９を内部７に導入し、電気アーク（グレイ調領域としてのプラズマゾーン１０により図２中に記される）を、ヘリウムと酸素とで構成される溶融モールド雰囲気中、電極８、９間で点火する。このプロセスでは、３００Ｌ／分でＨｅ／Ｏ_２混合物の一定した調整流れを内部７にさらに供給し、その結果、内部７内で、遮熱材１１中のガス入口（図示せず）とベントギャップ１２と間に、安定したガス流れを形成する。

粒子層６の緻密化は、二段階プロセスで行われる。第１の段階では、電極８、９を内部７の中央位置に移動し、約２７０ｋＷ（２００Ｖ、１３５０Ａ）の出力を作用させる。それによりプロセスガス（８０Ｈｅ／２０Ｏ_２）との組合せで内部７内に発生した熱は、粒子層６の焼結活性粒子を焼結するのに十分であり、その結果、薄いが緻密なシール層がその全内面にわたり形成され、シール層は、溶融モールド内部７内の雰囲気から粒子層６の非溶融部分を分離する。

シール層が形成され次第、第２のガラス化工程が開始されるであろう。真空装置を介した連続吸引作用に起因して、粒子層６の未ガラス化部分に約２００ｍｂａｒ（絶対）の負圧が形成される。この時点で電極８、９を６００ｋＷ（３００Ｖ、２０００Ａ）の出力で動作させ、内壁近傍に移動させ、下方に降下させる。それにより、プラズマゾーン１０さらにはプロセスガス（８０Ｈｅ／２０Ｏ_２）が粒子層６の内側部分に達することが保証される。このプロセスでは、溶融前線が内面から外面に移行し、その結果、グレイ調表面領域１３により概略的に示されるように、粒子層６の内面上に透明低気泡石英ガラスの部分が得られる。透明内側部分１３を覆う薄くて不透明なシール層は、プラズマ１０の作用によりプロセスのさらなる過程で少なくとも部分的に除去され、必要に応じて、製造プロセスの終了時、サンドブラスト処理により十分に排除される。

透明ガラス化内側部分１３が約１１ｍｍの厚さに達し、かつ溶融前線が溶融モールド１の内壁に達する前に、ＳｉＯ_２粒子層の内面から開始された緻密化プロセスを終了する。この場合、元の粒子層６の隣接部分１４（外面から離れて位置する）は、多孔性石英ガラスに緻密化されるが、元の粒子層６の最外層１５は、非緻密化状態を維持する。

溶融モールド１から取り出した後、窓のドーム状ブランク１６（図３に模式的に示される）が得られる。ブランク１６では、内側部分は、１１ｍｍの厚さの石英ガラスの平滑ガラス質低気泡内層１３により形成され、これは、気泡含有石英ガラスの外側部分１４にしっかりと結合され、部分的にまだ緻密化されていない顆粒１５がそれに付着している。付着顆粒１５は、サンドブラスト処理により除去される。気泡含有外側部分１４を十分に研削除去すると、透明石英ガラスの内側部分１３を含む約１１ｍｍの均一壁厚を有する石英ガラスのドーム状プリフォーム１７（図４参照）が得られる。

続いて、図４に模式的に示されるように、研削プロセスにもかかわらずまだ粗いプリフォーム１７の外表面を火炎研磨する。長手軸２０の周りを回転するプリフォーム１７の外壁に沿って酸水素バーナ１８を案内し（矢印１９により概略的に示される）、それにより、外壁を２０００℃超の高温に局所加熱する。この場合、粗い外表面は融合され、このプロセスでは、プリフォームの透明部分１３の軟化および著しい変形を伴わない。

この火炎研磨プロセスの代わりに、粗い外表面は、機械研磨およびホーニングにより平滑化される。この場合、プリフォーム１７の外壁は、ホーニング盤により処理され、研磨度は、ホーニング砥石リテーナーの交換により連続的に精密化される。最終処理は、＃８００ホーニング砥石を用いて行われ、約６０μｍが除去される。

図５に模式的に示されるように、ガラス化後、十分に透明な石英ガラス製ドーム状窓２１が得られる。それは、約１１ｍｍの均一壁厚の壁２２を有する。窓２１の石英ガラスは、５０重量ｐｐｍ未満の平均ヒドロキシル基含有量、および３００〜２４００ｎｍの波長領域で９５％超の内部透過率を有する（１ｍｍの層厚に基づく）。設置状態では、内面２３は、本発明に係る太陽放射受器の吸収体の方向を向いおり、外面２４は、周囲に曝露される。窓２１のドーム中心またはドームの頂部は、参照番号２５により表される。

図６のグラフでは、１０００℃の吸収体温度Ｔｉの場合について、窓２１の外面２４上の［℃］単位の温度Ｔａが、［ｍｍ］単位の壁厚ｄに対してｙ軸上にプロットされている。

結果として、これまで標準とされてきた壁厚の範囲内にほぼ入る６ｍｍの壁厚を有する窓２１の場合、約８７０℃の最高温度が得られる。１１ｍｍの窓壁厚の場合、以上の実施形態のように、約２２０℃の温度勾配が窓壁全体にわたり形成され、その結果、外面２４上の温度は、わずか７７０℃である。標準壁厚と比較して約１００℃のこの差は、窓の長期安定性に決定的に重要であり得る。

逆に、外面２４上の所与の最高温度たとえば８５０℃で１１ｍｍ（または以上）の壁厚を有する特に厚肉の窓２１では、約１００℃高い窓内面２３上のプロセス温度が可能であり、電気エネルギーへの変換効率がかなり向上する。

Claims (12)

1. 熱吸収用の太陽放射吸収体に作動ガスを送るためのチャンバーを備えた太陽放射受器であって、前記吸収体が、前記チャンバー内に配置されかつ太陽放射のための石英ガラス製ドーム状窓（２１）を有し、前記窓（２１）が、前記吸収体の方向を向きかつ少なくとも９５０℃の公称内部温度Ｔｉを有する内面（２３）と、前記吸収体から離れる方向を向きかつ周囲温度Ｔｕに曝露される外面（２４）とを有し、前記窓（２１）が、前記窓外面（２４）の領域で８５０℃未満の温度Ｔａが得られるようにＴｉおよびＴｕに対応して構成される壁厚ｄを有し、追加条件として、温度差Ｔｉ−Ｔａが、少なくとも１５０℃であり、かつ内部温度Ｔｉの最大の領域での壁厚ｄが、少なくとも７ｍｍであり、前記窓（２１）の壁厚ｄがドーム中心（２５）の領域内で最大値を有することを特徴とする太陽放射受器。
2. 前記窓（２１）が、前記外面（２４）の領域で８００℃未満の温度Ｔａが得られるようにＴｉおよびＴｕに対応して構成される壁厚ｄを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽放射受器。
3. 前記壁厚ｄが、最大内部温度Ｔｉの領域で、少なくとも１０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽放射受器。
4. 最大内部温度Ｔｉの領域での壁厚ｄが、以下の寸法決定規則：
   ｄ＞λ（Ｔｉ−Ｔａ）／α（Ｔａ−Ｔｕ） （１）
   （式中、
   λ＝透明石英ガラスの熱伝導係数
   α＝石英ガラス／空気の熱伝達係数）
   に基づいて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽放射受器。
5. 前記壁厚の最大値が、最小領域よりも少なくとも２０％大きいことを特徴とする請求項１に記載の太陽放射受器。
6. 前記窓（２１）の石英ガラスが、１００重量ｐｐｍ未満の平均ヒドロキシル基含有量を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽放射受器。
7. 透明石英ガラス製ドーム状窓（２１）の製造方法であって、以下の方法工程：
   （ａ）多孔性壁を有するドーム状溶融モールド（１）を提供する工程と、
   （ｂ）ＳｉＯ_２顆粒を前記溶融モールド（１）内に導入して、前記溶融モールドの内壁上に少なくとも１２ｍｍの厚さを有するドーム状ＳｉＯ_２粒子層（６）を形成する工程と、
   （ｃ）前記窓（２１）のブランク（１６）を形成するために、プラズマ（１０）の作用下で、かつ前記粒子層（６）上の前記多孔性壁を介して外側から作用する負圧を適用することにより、前記ＳｉＯ_２粒子層（６）を緻密化する工程と、
   （ｄ）前記窓（２１）のプリフォーム（１７）を形成するために、前記ブランク（１６）の外側部分（１４、１５）を機械的に除去する工程と、
   （ｅ）前記プリフォーム（１７）を機械研磨または熱研磨して、透明石英ガラス製窓（２１）を得る工程と
   を含み、
   方法工程（ｃ）による前記ＳｉＯ _２ 粒子層（６）の緻密化が、二段階プロセスを含み、第１のプロセス段階では、前記ＳｉＯ _２ 粒子層（６）の内側部分が緻密化され、かつ低い負圧が適用され、第２のプロセス段階では、より高い負圧が適用され、かつ前記ＳｉＯ _２ 粒子層（６）がさらに緻密化されることを特徴とする透明石英ガラス製ドーム状窓の製造方法。
8. 前記ＳｉＯ_２粒子層が少なくとも２０ｍｍの厚さを有して製造されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 方法工程（ｃ）による前記ＳｉＯ_２粒子層（６）の緻密化中、ドーム中心領域（２５）に最小壁厚領域よりも少なくとも２０％大きい壁厚の最大値を有するドーム状ブランク（１６）が形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記ブランクの外側部分の機械的除去中、前記内面（２３）に対応するドーム状外面（２４）を有し、かつ少なくとも７ｍｍの範囲内の最大壁厚を有するプリフォーム（１７）が、作製されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記透明石英ガラス製窓（２１）を得るための前記プリフォーム（１７）の研磨が、燃焼炎を有するバーナ（１８）を利用して少なくとも１６００℃の温度に加熱することにより行われることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ガス透過性壁がグラファイトで構成される溶融モールド（１）が使用され、かつ方法工程（ｃ）による前記ＳｉＯ_２粒子層（６）の緻密化が、ヘリウムおよび／または水素を含有する雰囲気中で行われることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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