JP6958600B2 - 真空断熱複層ガラスパネル - Google Patents

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Description

本発明は、真空断熱複層ガラスパネルに関する。
建材用窓ガラス等に適用されている真空断熱複層ガラスパネルでは、二枚のガラス基板の間に多数のスペーサの設置よって空間を有し、その空間を真空状態とし、かつ、その真空状態を長期間保持するために、二枚のガラス基板の周縁が気密に封止されている。これによって、高い断熱性が発現され維持されている。その周縁部の気密封止には、低融点ガラスと低熱膨張フィラー粒子とを含む封止材料が適用されている。
近年、COの排出増による地球温暖化が世界的に大きな問題となっている。先進国では、CO排出量全体の3〜4割を住宅・建築分野(民生部門)が占め、その排出量は、更に増加傾向にある。この分野におけるCO排出削減ポテンシャルは、産業部門に比べ、2〜3倍あるとされ、ZEH(ゼロエネルギーハウス)化やZEB(ゼロエネルギービル)化が世界的に国家規模で推進されようとしている。
ZEHやZEBでは、従来の複層ガラスパネル窓より、断熱性が著しく高い窓ガラスが要求されるようになった。現状の複層ガラス窓では、パネル内部が空気層、アルゴン層、真空層の順番で断熱性が高く、これらの熱貫流率は3.0〜1.4W/m・Kの範囲にある。これらに対し、ZEHやZEBの窓ガラスでは0.7W/m・K以下、国や地域によっては0.4W/m・K以下が要求されている。これを達成にするには、複層ガラス窓内部の高真空化による高断熱化が必須である。そのためには、ガラス基板に風冷強化処理や化学強化処理を施した強化ガラスを採用することが有利である。
強化ガラスは、変形しにくく、割れにくいため、複層ガラス窓内部の高真空化に適している。また、通常では、高真空化に伴って、複層ガラスパネルの内部空間を保つために、スペーサの数を増やす必要があるが、強化ガラスでは増やす必要がなく、逆に減らせることを期待できる。通常、スペーサの材質としては、ステンレス鋼等の金属が使用されるが、スペーサの数を増やすことは、スペーサによる熱伝達によってパネルの熱貫流率が増加してしまうおそれがある。さらに、高真空化による破損防止や防犯等に対する安全や安心のためにも、強化ガラスの採用は有効である。
強化ガラスは、ガラス表面に圧縮強化層を形成することによって高強度化を図っているが、320℃以上に加熱すると、その強化層は減少し、大きな強度低下を招いてしまう。また、320℃未満の温度であっても保持時間等の加熱条件によっては、強度低下が発生するおそれがある。このため、極力低温度で熱処理することが好ましい。このため、強化ガラスをパネルガラス(ガラス基板)に使用する場合には、少なくとも320℃未満での封止が必要である。
しかし、従来の鉛系低融点ガラスやビスマス系低融点ガラスを含む封止材料では、封止温度が400℃以上と高いため、強化ガラスを用いた真空断熱複層ガラスパネルへの適用は難しい。また、世界的にグリーン調達・グリーン設計の流れが強まり、より安全な材料が要求される中、鉛系低融点ガラスは、RoHS指令の禁止物質に指定された鉛を多く含むために、環境上、真空断熱複層ガラスパネルへ適用することは好ましくない。
さらに、このような封止温度の低温化は、スペーサの材質を従来の金属製から熱伝導率が低い樹脂製へ変更できる可能性がある。樹脂製スペーサであれば、その数を増加しても、熱貫流率の増加が非常に小さい。
また、樹脂製スペーサは、金属製スペーサより軟らかいため、パネル内部の高真空化を図っても、スペーサによってパネルガラス(ガラス基板)の摩擦等による損傷を防止し、より信頼性と安全性の高い真空断熱複層ガラスパネルを提供できる可能性がある。樹脂製スペーサが高真空化により押し潰され、大きく変形するようなことがあれば、樹脂中にガラスやセラミックスのフィラー粒子を混合すればよい。
さらに、封止温度を低くすることができれば、急熱急冷が難しい真空断熱複層ガラスパネルの製造タクトを短縮でき、しかも量産設備の導入投資額も削減できると考えられる。これにより、真空断熱複層ガラスパネルを安価に製造できる可能性があり、世界中に普及しやすくなるとも考えられる。
これらによって、CO排出量を低減し、地球温暖化対策に貢献できるものである。
以上より、真空断熱複層ガラスパネルでは、320℃未満の低温度で製造できるようになると、すなわち320℃未満の低温度でパネル周縁部を気密封止できるようになると、非常に大きなメリットがあり、これを実現できる無鉛封止材料及びこれに用いる無鉛低融点ガラスが強く望まれている。
特許文献1には、主要成分としてAgOとVとTeOとを含有し、合計含有量が75質量%以上であり、残部がP、BaO、KO、WO、Fe、MnO、Sb、及びZnOの内の1種以上を含有する無鉛ガラス組成物が開示されている。特許文献1から、この無鉛ガラス組成物は、示差熱分析(DTA)の第二吸熱ピーク温度から求められる軟化点が320℃以下であり、実施例として望ましい結果が得られる試料は、軟化点が268℃以上であることを読み取ることができる。また、特許文献1には、この無鉛ガラス組成物を含むガラスフリット、封着用ガラスペースト、導電性ガラスペースト及びこれらを利用した電気電子部品が記載されている。
特許第5726698号公報
真空断熱複層ガラスパネルでは、高真空化による断熱性の向上、量産性向上と設備投資費削減による製造コストの低減、及び安全性の向上を図るためには、封止温度を320℃未満にする必要があり、極力、低温化することが有効である。
特許文献1で開示された無鉛ガラス組成物を真空断熱複層ガラスパネルの封止部のガラス相として適用できれば、320℃未満での封止が可能となる。しかし、この無鉛低融点ガラスは、真空断熱複層ガラスパネルに使用される一対のガラス基板(パネルガラス)との接着性や密着性が不十分であるために、高い気密性と信頼性を有する封止部が得られず、その改善が必要であった。特に、大面積で重い大型の窓ガラスへの適用が難しかった。
本発明の目的は、320℃未満の低温度で信頼性の高い気密封止が可能であり、内部空間の高真空化による断熱性の向上、量産性の向上及び設備投資費の削減による製造コストの低減、並びに安全性の向上を実現した真空断熱複層ガラスパネルを提供することにある。
本発明の真空断熱複層ガラスパネルは、第1ガラス基板と、第2ガラス基板と、を備え、第1ガラス基板と第2ガラス基板との間には、スペーサ及び封止部が挟み込まれ、封止部は、第1ガラス基板及び第2ガラス基板の周縁部に設けられ、スペーサは、第1ガラス基板、第2ガラス基板及び封止部で囲まれた空間に配置され、空間は、減圧された状態であり、封止部は、低融点ガラス相を含み、低融点ガラス相は、酸化バナジウム、酸化テルル及び酸化リチウムを含み、示差熱分析による第二吸熱ピーク温度が300℃以下である。
本発明によれば、320℃未満の低温度で信頼性の高い気密封止が可能であり、内部空間の高真空化による断熱性の向上、量産性の向上及び設備投資費の削減による製造コストの低減、並びに安全性の向上を実現した真空断熱複層ガラスパネルを提供することができる。
代表的な真空断熱複層ガラスパネルを示す概略斜視図である。 図1Aの断面図及びその一部である気密封止部の拡大断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略斜視図である。 図2Aの周縁部を示す拡大断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略斜視図である。 図3Aの断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。 図5Aの封止部近傍を示す拡大断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。 図6Aの封止部近傍を示す拡大断面図である。 ガラス基板に塗布した封止材料ペーストを加熱する工程における温度プロファイルを示すグラフである。 真空排気封止工程における温度プロファイルを示すグラフである。 ガラス特有の代表的な示差熱分析(DTA)の結果を示すグラフである。 ガラス特有の代表的な熱膨張曲線を示すグラフである。 真空断熱複層ガラスパネルの信頼性試験装置を示す概略断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略斜視図である。 真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略斜視図である。 真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略断面図である。 真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の接合強度試験装置の要部を示す概略断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
(真空断熱複層ガラスパネル)
真空断熱複層ガラスパネルは、建材用窓ガラス等に適用されるものであり、二枚のガラス基板(パネルガラス)の間に多数のスペーサが挟み込まれた構成を有する。これにより、二枚のガラス基板(パネルガラス)の間における隙間を維持する。また、二枚のガラス基板の周縁部には、封止部が設けられている。これにより、封止部の内側には、封止された隙間として内部空間が形成される。この内部空間は、真空状態とし、その真空状態が長期間維持されるように、封止部により気密に封止されている。封止部は、低融点ガラス組成物を含む封止材料を用いて形成されている。
また、真空断熱複層ガラスパネルにおいては、二枚のガラス基板(パネルガラス)の間隔、すなわちスペーサの高さや封止部の厚さは、通常100〜300μmの範囲にある。ガラス基板は、熱膨張係数が85×10−7/℃〜90×10−7/℃の範囲にあるソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)が一般に使用される。
なお、本明細書において「真空状態」とは、大気圧よりも減圧された状態をいい、10−1Pa以下が望ましく、10−2Pa以下が更に望ましい。
図1Aは、代表的な真空断熱複層ガラスパネルの全体構成を示したものである。
図1Aにおいて、真空断熱複層ガラスパネルは、第1ガラス基板1と、第2ガラス基板2と、これらの間に挟み込まれたスペーサ3及び封止部4と、を備えている。
図1Bは、図1Aの断面図及びその一部である気密封止部の拡大断面図である。
図1Bに示すように、第1ガラス基板1と第2ガラス基板2との間には、空間5(内部空間)が形成されている。空間5は、パネルの周縁部に形成された封止部4の内側であり、多数のスペーサ3によってその高さが維持されている。また、第2ガラス基板2の内側の面には、熱線反射膜6が形成されている。熱線反射膜6は、断熱性の向上に寄与する。なお、熱線反射膜6は、第1ガラス基板1の内側の面にも設けてもよい。
拡大して示すように、封止部4は、低融点ガラス相7を含むものである。封止部4は、低融点ガラス相7に低熱膨張フィラー粒子8を分散した構成としてもよい。
これにより、空間5を気密に封止し、その真空状態を長期的に維持することができる。スペーサ3の数量は、空間5の真空度や、第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2の板厚等の影響を受ける。真空度が高く、板厚が薄いほど、スペーサ3の数量を増やす必要がある。通常では、スペーサ3は、おおよそ20mm間隔で設置される。
低熱膨張フィラー粒子8は、封止部4の熱膨張と第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2の熱膨張との差が大きくならないように調整する機能を有する。具体的には、封止部4の熱膨張係数は、封止部4に引張応力がかからないように、第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2の熱膨張係数より15〜20%程度小さいこと、すなわちソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)基板に対しては70×10−7/℃前後が有効である。
真空断熱複層ガラスパネルにおいては、封止部4を気密に形成するための封止温度は、封止部4に含まれる低融点ガラス相7の加熱温度による軟化流動特性によってほぼ決定される。すなわち、封止部4に含まれる低融点ガラス相7の軟化点が低いほど、封止温度を低温化できることになる。
本発明の真空断熱複層ガラスパネルは、低融点ガラス相7が酸化バナジウム(V)、酸化テルル(TeO)及び酸化リチウム(LiO)を含み、低融点ガラス相7の示差熱分析による第二吸熱ピーク温度が300℃以下であることを特徴とする。
これにより、低融点ガラス相7の第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2への接着性や密着性が著しく向上し、強化ガラス製の基板を用いる場合に望ましい温度である320℃未満での気密な封止が可能となる。
第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2に強化ガラスを用いることにより、高真空化が可能となるため、熱線反射膜6との相乗効果により、非常に高い断熱性、具体的には熱貫流率が0.4W/m・K以下の真空断熱複層ガラスパネルを提供できるようになる。
また、強化ガラス基板の採用は、高真空化による破損防止や防犯等にも対応できることから、真空断熱複層ガラスパネルの安全、安心にも貢献することができる。
さらに、スペーサ3には、封止温度の低温化によって、熱伝導率が低い樹脂製のものを採用できるようになる。樹脂は、ポリイミド樹脂のように耐熱性の高い、すなわち320℃未満で変形しにくいものが有効である。
空間5の更なる高真空化によって、スペーサ3が押し潰され、変形する場合は、樹脂製のスペーサ3中に無機フィラー粒子、好ましくは熱伝導率が低い球状ガラス粒子を分散させることによって対応できる。スペーサ3の樹脂としては、耐熱性や耐紫外線性が高く、吸湿や吸水が少なく、しかもすべりのよいフッ素樹脂が特に有効である。フッ素樹脂は、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)等が好適である。
このようにスペーサ3に軟らかい樹脂を用いることによって、第1ガラス基板1、第2ガラス基板2及び熱線反射膜6の損傷、剥離又は破損を防止することができる。
また、封止温度の低温化は、真空断熱複層ガラスパネルの量産性を著しく向上でき、しかも量産設備投資を削減できることから、製造コストの低減にも大きく寄与できるものである。これにより、断熱性や安全性の高い真空断熱複層ガラスパネルを安価に製造し、提供することができる。これにより、世界中の住宅・建築分野への普及が促進される。そして、これにより、CO排出量を低減でき、地球温暖化対策に大きく貢献できる。
また、本発明の真空断熱複層ガラスパネルにおいては、封止部4の低融点ガラス相7は、酸化テルル(TeO)の含有率が25モル%以上42モル%以下、酸化リチウム(LiO)の含有率が3モル%以上20モル%以下であることが好ましい。
すなわち、低融点ガラス相7は、酸化物換算で、次の2つの関係式(1)及び(2)を満たすことが好ましい。
25≦[TeO2]≦42 …(1)
3≦[Li2O]≦20 …(2)
ここで、上記の不等式においては、酸化物Xの含有量を[X]と表している(以下同じ。)。また、その単位は「モル%」である(以下同じ。)。「モル%」は、ガラス組成物に含まれるそれぞれの成分の含有量を、ガラス組成物全体に占める割合として、酸化物換算で算出したものである。
これにより、320℃未満の低温度で高い気密性及び接着性を有する封止部4が得られる。
低融点ガラス相7は、ガラス成分として酸化銀を更に含み、示差熱分析による第二吸熱ピーク温度が280℃以下であることが更に好ましい。これにより、更に低温度の300℃未満で封止部4を形成できるようになる。
すなわち、低融点ガラス相7に含まれる酸化バナジウム、酸化リチウム及び酸化銀の含有率(モル%)は、次の関係式(3)を満たすことが好ましい。
2[V2O5]≧[Li2O]+[Ag2O]≧20 …(3)
ここで、2[V2O5]は、2×[V2O5]すなわち[V2O5]の2倍を意味する。
また、封止部4においては、低融点ガラス相7中に低熱膨張フィラー粒子8が分散していることが好ましい。低熱膨張フィラー粒子8は、封止部4の熱膨張を第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2の熱膨張に合わせるために混合するものである。低熱膨張フィラー粒子8は、リン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)を使用することが有効である。リン酸タングステン酸ジルコニウムは、値が大きい負の熱膨張係数(−38×10−7/℃)を有し、しかも比較的に密度(3.8g/cm)が大きい。さらに、リン酸タングステン酸ジルコニウムは、低融点ガラス相7とのぬれ性や密着性が良好であるため、低融点ガラス相7中に分散しやすく、しかも低熱膨張化の効果が大きく、封止部4の熱膨張を第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2の熱膨張に合わせやすいといった効果が得られる。
以上より、本発明は、320℃未満、好ましくは300℃未満の低温度で信頼性の高い気密封止を実現することによって、高真空化による断熱性の向上、量産性向上と設備投資費削減による製造コストの低減、及び安全性の向上を図った真空断熱複層ガラスパネルを提供できるものである。
また、本発明に係る真空断熱複層ガラスパネルの封止部には、低熱膨張フィラー粒子を含むことが好ましく、その低熱膨張フィラー粒子がリン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)を含むことが有効である。
また、本発明に係る真空断熱複層ガラスパネルは、第1ガラス基板及び第2ガラス基板の少なくともどちらか一方が、風冷強化処理或いは化学強化処理が施された強化ガラスであることを特徴とする。第1ガラス基板及び第2ガラス基板の材質は、ソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)である。また、第1ガラス基板と第2ガラス基板との間の空間を保つスペーサは、樹脂からなることを特徴とする。その樹脂製のスペーサには、無機フィラー粒子が分散されていることが好ましく、その無機フィラー粒子には球状ガラス粒子が望ましい。また、スペーサの樹脂としては、フッ素樹脂が有効である。
(封止材料ペースト)
図1Bに示す封止部4は、通常、封止材料ペーストを用いて作製される。封止材料ペーストは、固形分として、低融点ガラス相7を構成する無鉛低融点ガラスの粉末と、低熱膨張フィラー粒子とを含み、これにバインダー樹脂及び溶剤を混合したものである。
バインダー樹脂としては、無鉛低融点ガラスの軟化流動特性や結晶化等への影響を考慮し、脂肪族ポリカーボネート、エチルセルロース及びニトロセルロースのうちいずれか1種以上が好適に用いられる。
溶剤としては、カルビトールアセテート、テルペン系溶剤及びプロピレンカーボネートのうちいずれか1種以上が好適に用いられる。
上記の封止材料ペーストを用いることによって、真空断熱複層ガラスパネルを320℃未満、好ましくは300℃未満の低温度で作製することができる。
なお、後段の図8の説明において詳述するが、本発明者は、ガラスの転移点、屈伏点及び軟化点について、示差熱分析(DTA)の結果と粘度による定義に基づく温度とを対比して、DTAによる第二吸熱ピーク温度が、粘度に対応する温度として測定される軟化点とほぼ等しいことを確認した。そこで、本明細書においては、DTAによる第二吸熱ピーク温度を「軟化点T」と定義した。
(真空断熱複層ガラスパネルの製法)
代表的な真空断熱複層ガラスパネルの製法の一例について説明する。
図2Aは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略斜視図であり、第1ガラス基板1の加工について示したものである。
図2Bは、図2Aの周縁部を示す拡大断面図である。
図3Aは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略斜視図であり、第2ガラス基板2の加工について示したものである。
図3Bは、図3Aの断面図である。
図4Aは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。
図4Bは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。
図5Aは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。
図5Bは、図5Aの封止部近傍を示す拡大断面図である。
図6Aは、真空断熱複層ガラスパネルの製法の一部を示す概略断面図である。
図6Bは、図6Aの封止部近傍を示す拡大断面図である。
図7Aは、ガラス基板に塗布した封止材料ペーストを加熱する工程における温度プロファイルを示すグラフである。
図7Bは、真空排気封止工程における温度プロファイルを示すグラフである。
先ずは、図2Aに示すように、排気穴9及び排気管10を設けた第1ガラス基板1の周縁部にディスペンサー11を用いて封止材料ペースト12を塗布する。そして、それをホットプレート上で150℃程度で30分間乾燥し、封止材料ペースト12に含まれる溶剤を揮発させる。
そして、図7Aに示す温度プロファイルでバインダーを除去し、封止材料ペースト12中に含まれる無鉛低融点ガラスの粉末を軟化流動させる。その後、降温し、無鉛低融点ガラスを固化させる。これにより、第1ガラス基板1上において焼成した封止材料13を形成する。
その焼成条件は、次のとおりである。
図7Aに示すように、昇温速度及び降温速度を約2℃/分とし、先ずは封止材料ペースト12に含まれる無鉛低融点ガラスの屈伏点M〜軟化点Tの温度Tとして30分程度保持し、バインダー樹脂を揮発させる。その後、更に加熱して軟化点Tより10〜20℃ほど高い温度Tとして30分間程度保持し、その後、降温する。
次に、図3A及び3Bに示すように、第2ガラス基板2に蒸着法にて熱線反射膜6を形成する。そして、その熱線反射膜6の表面上に多数のスペーサ3を配置する。
上記のとおり加工を施した第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2を、図4Aに示すように対向するように合わせる。
そして、第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2を、図4Bに示すように耐熱クリップ14等で固定する。
これを、図5A及び5Bに示すように、真空排気炉15の内部に設置し、排気管10に電熱ヒーター16を取り付け、排気管10を真空ポンプ17に接続する。真空ポンプ17には、ドライポンプやターボ分子ポンプ等が使われる。
これを、図7Bに示す封止温度プロファイルで、先ずは大気圧で封止材料13に含まれる無鉛低融点ガラスの軟化点T付近の温度Tまで加熱し、30分間程度保持する。その後、図5A及び5Bに示す排気穴9及び排気管10を介して空間5を排気しながら軟化点Tより10〜20℃ほど高い温度Tまで加熱する。これにより、封止材料13によって周縁部に封止部4を形成するとともに、空間5を真空状態とする。
次に、図6A及び6Bに示すように、冷却時或いは冷却後に、電熱ヒーター16により排気管10を焼き切って、空間5を真空状態のまま封止する。このようにして真空断熱複層ガラスパネルは作製される。
以下、本発明について具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施例に限定されることはなく、そのバリエーションを含むものである。
真空断熱複層ガラスパネルを作製するために用いる無鉛低融点ガラスを31種類試作した。
表1は、実施例及び比較例の無鉛低融点ガラスの組成を示したものである。
実施例はGA−01〜GA−20であり、比較例はGB−01〜GB−11である。これらの無鉛低融点ガラスは、実質的に有害な鉛を含まないものであり、環境と安全に配慮したものである。
ガラス原料としては、実施例及び比較例において必須のV及びTeOは、新興化学工業(株)製、実施例において必須のLiCOは、(株)高純度化学研究所製の粉末を用いた。また、AgOは、田中貴金属工業(株)製の粉末を用いた。
CO、MgO、BaCO、WO、Al、Fe、La、CeO及びZnOは、(株)高純度化学研究所製の粉末を用いた。
Figure 0006958600
実施例及び比較例について、所定の比率のガラス原料を合計で200〜300g程度になるように秤量し、配合し、混合し、石英ルツボに投入した。それをガラス溶融炉(電気炉)内に設置し、約10℃/分の昇温速度で700〜800℃まで加熱し、石英ルツボ内の融液を均一にするためにアルミナ棒で攪拌しながら1時間保持した。その後、石英ルツボをガラス溶融炉から取り出し、ルツボ内の融液をステンレス板へ流し込み、実施例及び比較例の無鉛低融点ガラスとした。
実施例及び比較例の無鉛低融点ガラスについて、密度、特性温度及び熱膨張係数を測定した。以下、それぞれの測定方法について説明する。
(密度の測定)
作製した無鉛低融点ガラスをそれぞれ、スタンプミルで粗く砕いた後に、ジェットミルにて45μmアンダーにまで粉砕した。そのガラス粉末を用い、ヘリウムガス中でのピクノメーター法によって各無鉛低融点ガラスの密度を測定した。
(特性温度の測定)
密度測定に用いたものと同じガラス粉末を用いて、大気中5℃/分の昇温速度でDTAを行うことによって、各無鉛低融点ガラスの特性温度を求めた。ここでは、ガラス特有のDTAカーブの特性点が明確に検出されるように、マクロセルタイプのDTA装置を使用し、標準試料にアルミナ(α−Al)粉末を用いた。
図8は、代表的なガラス特有のDTAカーブの一例である。横軸に標準試料の温度、縦軸に測定対象のガラス試料と標準試料との温度差(電位差)をとっている。
本図において、上記の昇温速度でガラスを加熱すると、転移点Tから吸熱を開始し、第一吸熱ピーク温度に対応する屈伏点Mに達する。そして、一旦、温度差が小さくなり、その後、再び温度差が大きくなり、第二吸熱ピーク温度に対応する軟化点Tに至る。
更に加熱すると、結晶化温度Tcryから発熱を開始し、発熱ピークに達する。この発熱ピークは、結晶化によるものであり、発熱を開始する温度を結晶化温度Tcryと呼ぶ。図示していないが、発熱ピークに対応する温度は、結晶化ピーク温度Tcry−pと呼ぶ。転移点Tは、第一吸熱ピークの開始温度であり、屈伏点Mは、第一吸熱ピーク温度である。なお、それぞれの特性温度は、通常、接線法によって求められる。
厳密には、転移点T、屈伏点M及び軟化点Tは、ガラスの粘度によって定義される。Tは1013.3poise、Mは1011.0poise、Tは107.65poiseに相当する温度である。
結晶化傾向は、軟化点Tと結晶化温度Tcryとの差(絶対値)と、結晶化による発熱ピークの高さすなわちその発熱量とから判定される。
まず、軟化点Tと結晶化温度Tcryとの差(絶対値)が大きければ、ガラスが軟化点Tを超える温度に達しても、Tcryに達しない温度範囲でガラスを軟化流動させることが容易となる。また、結晶化の際の発熱量が小さければ、一定の昇温速度で加熱してTcryに達した場合に、発熱による制御不能な温度上昇が生じてしまうことが少ないため、結晶化の進行を抑制することができる。
よって、Tcryの高温化すなわちTcry−Tの増加と、結晶化発熱量の減少とが結晶化しにくいガラスを示すものと言える。すなわち、結晶化傾向が小さいと判定されるガラスを用いれば、所望の封止部等を形成することが容易となる。
(熱膨張係数の測定)
作製した無鉛低融点ガラスGA−01〜GA−20及びGB−01〜GB−11をDTAによる転移点T〜屈伏点Mの温度範囲で加熱し、徐冷することにより、残留熱歪を除去し、4×4×20mmの角柱に加工した。これを用いて、大気中5℃/分の昇温速度で熱膨張計にて各無鉛低融点ガラスの熱膨張カーブを測定した。なお、標準試料にはφ5×20mmの円柱状石英ガラスを用いた。
図9は、代表的な無鉛ガラス組成物の熱膨張曲線を示すグラフである。なお、図中の縦軸の伸び量は、標準試料である石英ガラスの伸び量を差し引いた値である。
本図に示すように、加熱とともに無鉛ガラス組成物は伸び、転移温度Tで顕著な伸びが始まる。この転移温度Tは、DTAから求められる転移点Tとほぼ一致する。
更に加熱すると、変形温度Aに達する。Aを超えると、無鉛ガラス組成物の熱的変形により、見かけ上収縮する。
ガラスの熱膨張係数は、室温からT未満の温度範囲の勾配から測定されることが一般的である。このため、実施例GA−01〜GA−08及び比較例GB−01〜GB−04の無鉛ガラス組成物は、30〜200℃の温度範囲の勾配から熱膨張係数を算出した。また、これらより転移点Tが低い実施例GA−09〜GA−20及び比較例GB−05〜GB−11の無鉛低融点ガラスは、30〜150℃の温度範囲の勾配から熱膨張係数を測定した。
表2は、密度、特性温度及び熱膨張係数の測定結果を示したものである。
Figure 0006958600
次に、実施例GA−01〜GA−20及び比較例GB−01〜GB−11について、45μmアンダーで、かつ、平均粒径(D50)が10〜15μm程度になるように、ジェットミルにより粉砕し、封止材料ペーストに用いた。
また、低熱膨張フィラー粒子としては、リン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)を用いた。低熱膨張フィラー粒子は、45μmアンダーで、かつ、平均粒径(D50)が15μm程度であった。封止材料ペーストの固形分である無鉛低融点ガラスと低熱膨張フィラー粒子との配合割合は、真空断熱複層ガラスパネルに採用される第1ガラス基板及び第2ガラス基板の熱膨張を考慮して決定した。
表2には、当該配合割合も示している。
当該配合割合は、第1ガラス基板及び第2ガラス基板にソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)基板を使うことを前提にして、封止部の熱膨張係数がおおよそ70×10−7/℃になるようにした。
表2に示す配合割合の無鉛低融点ガラスの粉末及び低熱膨張フィラー粒子(Zr(WO)(PO)を用い、これにバインダー樹脂及び溶剤を加え、混練することによって、封止材料ペーストを作製した。
バインダー樹脂としては、脂肪族ポリカーボネート、エチルセルロース及びニトロセルロースのうちいずれか1種以上を用いた。溶剤としては、カルビトールアセテート、テルペン系溶剤及びプロピレンカーボネートのうちいずれか1種以上を用いた。固形分の含有割合は、80〜85質量%になるようにした。
[実施例1]
表1に示す実施例GA−01〜GA−20及び比較例GB−01〜GB−11の無鉛低融点ガラスと、低熱膨張フィラー粒子であるリン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)とを含む封止材料ペーストを用いて、図1に示す真空断熱複層ガラスパネルを製作し、その断熱性及び信頼性を評価した。
第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2には、300×300×3mmのサイズの化学強化処理を施したソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)基板(強化ガラス基板)を用いた。スペーサ3には、高さ200μm、外径500μmのポリイミド樹脂製スペーサを用いた。
また、実施例及び比較例ともに、上述の製法により、熱貫流率を0.4W/m・K以下を目標にして、真空ポンプ17としてドライポンプ及びターボ分子ポンプの両方を用いて排気し、320℃未満の低温で気密封止することにより、真空断熱複層ガラスパネルを製作した。
製作した実施例及び比較例のすべての真空断熱複層ガラスパネルにおいて、その断熱性は、熱貫流率が0.4W/m・K以下を達成した。
図10は、真空断熱複層ガラスパネルの信頼性試験装置を示す概略断面図である。
本図において、信頼性試験装置は、容器18、19の間にシリコンゴムパッキン20、21を介して、製作した真空断熱複層ガラスパネル100を挟み込み、冷風機51及び温風機52により温度調節が可能な構成を有する。容器18、19は、フッ素樹脂(PTFE:ポリテトラフロロエチレン)で形成されている。真空断熱複層ガラスパネル100は、第1ガラス基板1、第2ガラス基板2、スペーサ3、封止部4及び熱線反射膜6を有する。第1ガラス基板1と第2ガラス基板2との間には、空間5が形成されている。
冷風機51は−50℃の冷風、温風機52は80℃の温風を発生させることができる。開閉弁56、57、58、59を制御することにより、容器18、19の内部に配置された真空断熱複層ガラスパネル100の外面に、冷風又は温風を30L/分の流速で導入することができる。
信頼性試験においては、まず、初期の真空断熱複層ガラスパネル100の熱貫流率を測定した。
つぎに、開閉弁56、57、58、59を切り替え、真空断熱複層ガラスパネル100の一方の面に温風、他方の面に冷風を導入し、60分毎に温風と冷風とを入れ替える工程を100回繰り返した。その後、再度、真空断熱複層ガラスパネル100の熱貫流率を測定した。
比較例GB−01〜GB−11の低融点ガラス相を含む封止部4を有する真空断熱複層ガラスパネル100の場合、いずれも外観上は破損が認められなかったが、熱貫流率は著しく増大し、断熱性が大きく損なわれていた。これは、封止部4の一部が剥離することによって、リークしたことが原因であると考えられる。
これに対して、実施例GA−01〜GA−20の低融点ガラス相を含む封止部4を有する真空断熱複層ガラスパネル100の場合、いずれも初期の熱貫流率をほぼ維持し、高い断熱性が保たれていた。これは、封止部4が第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2に強力に密着した状態が維持されたことを示している。なお、実施例GA−09〜GA−20の低融点ガラス相を含む封止部4を有する真空断熱複層ガラスパネル100の場合、300℃未満で気密封止が可能となることから、実施例の中でも特に望ましい構成である。
[実施例2]
実施例2においても、実施例1と同様にして、図1A及び1Bの真空断熱複層ガラスパネルを製作し、その断熱性及び信頼性を評価した。ここでは、封止部4の低融点ガラス相7として、表1に示す実施例GA−12〜GA−20及び比較例GB−07〜GB−11の無鉛低融点ガラスを用いた。また、スペーサ3として、球状ガラス粒子を分散させたフッ素樹脂をスペーサ3に用いた。
製作した真空断熱複層ガラスパネルの信頼性に関しては、実施例1と同様の結果が得られた。しかし、実施例及び比較例ともに初期の熱貫流率は、本実施例2の方が若干低減されていた。これは、スペーサ3の材質の違いによるものと考えられる。実施例1のスペーサ3では、ポリイミド樹脂を用いたが、本実施例2では、ポリイミド樹脂より吸湿性及び吸水性が低いフッ素樹脂を用いたために、空間5の真空度が実施例1より上がったものと考えられる。
また、フッ素樹脂は、ポリイミド樹脂より摩擦係数が小さいため、第1ガラス基板1、第2ガラス基板2及び熱線反射膜6の摩擦による損傷を防止することができると考えられる。さらに、耐紫外線性等の耐候性にも優れていることから、スペーサ3にはフッ素樹脂が適しているものと考えられる。
[実施例3]
実施例3では、実施例1の効果を更に明確なものとするために、真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体を実施例1と同じ封止材料ペーストを用いて作製し、その接合部の信頼性を評価した。具体的には、表1に示す実施例GA−01〜GA−20及び比較例GB−01〜GB−11の無鉛低融点ガラスと、低熱膨張フィラー粒子であるリン酸タングステン酸ジルコニウムとを含む封止材料ペーストを用いて、2つのガラス基板を接合し、その接合体の接合強度をせん断応力によって評価した。
本実施例3における接合体の作製方法は、次のとおりである。
図11Aは、真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略斜視図である。
図11Bは、真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略斜視図である。
図12Aは、真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略断面図である。
図12Bは、真空断熱複層ガラスパネルの封止部を模擬した接合体の製法の一部を示す概略断面図である。
第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2には、厚さが3mmのソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)基板(強化処理なし)を用いた。第1ガラス基板1は20×20mmとし、第2ガラス基板2は10×10mmとした。
先ず、図11Aに示すように、第1ガラス基板1の上面に封止材料ペースト12を直径5mmで、厚さ約500μm程度に塗布した。そして、高さ200μm、外径500μmのポリイミド樹脂製のスペーサ3を4つ設置した。さらに、これを150℃で30分間乾燥した。
その後、図11Bに示すように、第1ガラス基板1の上面に、スペーサ3を挟んだ状態で第2ガラス基板2を設置した。
その後、図12Aに示すように、荷重をかけながら図7Aに示す温度プロファイルで接合した。その際に、4つのスペーサ3により封止材料13の接合厚が200μmになるように調整した(図12B)。
図13は、上述のように作製した接合体の接合強度試験装置の要部を示す概略断面図である。
本図に示すように、接合体を固定治具61に設置し、第2ガラス基板2の側面部に対してせん断治具62により力を加えることにより、接合強度を測定した。せん断治具62は、第1ガラス基板1の上面から500μm上方にその下端部が位置するように配置した。せん断治具62は、34μm/秒で移動させた。接合強度は、せん断応力の値をもって測定値とした。
接合体は、実施例GA−01〜GA−20及び比較例GB−01〜GB−11について、5個ずつ作製し、それぞれの接合強度を測定し、接合強度の平均値を算出した。
比較例GB−01〜GB−11の接合体の場合いずれも、せん断応力で15〜20MPa程度の平均接合強度であった。比較例の接合体の破壊箇所を観察すると、いずれの接合体においても第1ガラス基板1又は第2ガラス基板2、すなわちソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)基板の接着界面付近で剥離しているような状態で破損していた。
これに対して、実施例GA−01〜GA−20の接合体の場合いずれも、平均せん断応力が25〜30MPaであり、接合強度が高いことがわかった。破壊された箇所を観察すると、いずれの接合体においても、図13に示す封止材料13が上下に破損している状態、すなわち200μmの接合厚のほぼ中央部で破損する場合がほとんどあった。
実施例の接合体と比較例の接合体との違いは、接合部(封止部)に含まれる低融点ガラス相、すなわち無鉛低融点ガラスの組成である。
表1に示すように、実施例GA−01〜GA−20と比較例GB−01〜GB−11との違いは、LiOの有無である。よって、V−TeO系無鉛低融点ガラスにLiOを混合することにより、ソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)等のガラス基板への接着性や密着性が向上することがわかる。
−TeO−LiO系無鉛低融点ガラスのガラス構造は、V及びTeOからなる層状構造を有しており、LiOは一価の陽イオン(Li)の状態で層状構造の層間に存在していることが考えられる。Liは、他の一価の陽イオンよりイオン半径が小さいため、ガラス構造内を移動しやすいことが考えられる。また、Liは、被接合材であるガラス基板にも拡散しやすいことが考えられる。このことより、320℃未満の低温ガラス接合や低温ガラス封止であっても、ガラス基板への接着性や密着性が改善され、接合強度が向上したものと考えられる。
したがって、V−TeO−LiO系無鉛低融点ガラスは、真空断熱複層ガラスの低温気密封止に有効に適用できる。
本実施例3により、本発明の基本的な有効性を確認することができた。
[実施例4]
本実施例4においては、表1に示す実施例GA−06、GA−11、GA−14、GA−20及び比較例GB−08の無鉛低融点ガラスと、低熱膨張フィラー粒子であるリン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)とを含む封止材料ペーストを用いて、実施例1と同様にして、図1A及び1Bに示す真空断熱複層ガラスパネルを製作し、その断熱性及び信頼性を評価した。
第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2には、実施例1よりも大きく、かつ、重い900×900×5mmのサイズの風冷強化処理を施したソーダライムガラス基板(強化ガラス基板)を用いた。スペーサ3には、実施例1と同形状、同サイズであり、球状ガラス粒子が分散した樹脂製スペーサを用いた。
封止部4の低融点ガラス相7が実施例GA−06及びGA−11の無鉛低融点ガラスの場合には、球状ガラス粒子分散ポリイミド樹脂製スペーサ、封止部4の低融点ガラス相7が実施例GA−14、GA−20及び比較例GB−08の低融点ガラスの場合には、球状ガラス粒子分散フッ素樹脂製スペーサとした。
本実施例の大型の真空断熱複層ガラスパネルにおいても、上述の真空断熱複層ガラスパネルの製法により、熱貫流率を0.4W/m・K以下を目標にして、真空ポンプ17としてドライポンプ及びターボ分子ポンプの両方を用いて排気し、320℃未満で気密に封止した。
製作した大型の真空断熱複層ガラスパネルにおいても、実施例及び比較例ともに、その断熱性は、熱貫流率が0.4W/m・K以下を達成した。
実施例2と同様に、スペーサ3にポリイミド樹脂を使用するよりは、フッ素樹脂を使用する方が空間5の真空度を向上でき、熱貫流率を若干低減することができた。
製作した実施例及び比較例の真空断熱複層ガラスパネルの信頼性評価は、−50℃〜+80℃の温度サイクル試験を1500回実施し、熱貫流率を測定することによって、断熱性の変化を評価した。
比較例GB−08の低融点ガラス相7を含む封止部4を有する大型真空断熱複層ガラスパネルでは、外観上、破損が認められなかったが、熱貫流率は著しく増大し、断熱性は大きく損なわれていた。これは、パネルの封止部4の一部が剥離することによって、リークしたことが原因であると考えられる。
これに対して、実施例GA−06、GA−11、GA−14及びGA−20の低融点ガラス相を含む封止部4を有する真空断熱複層ガラスパネル100の場合、いずれも初期の熱貫流率をほぼ維持し、高い断熱性が保たれていた。これは、封止部4が第1ガラス基板1及び第2ガラス基板2に強力に密着した状態が維持されたことを示している。なお、実施例GA−11、GA−14及びGA−20の低融点ガラス相を含む封止部4を有する真空断熱複層ガラスパネル100の場合、300℃未満で気密封止が可能となることから、実施例の中でも特に望ましい構成である。
以上より、本実施例4のように真空断熱複層ガラスパネルを大型化しても、実施例1と同様の効果が得られることがわかった。
以上のように、本発明によれば、真空断熱複層ガラスパネルにおいて、320℃未満の低温度で信頼性の高い気密封止を実現することができ、高真空化による断熱性の向上、量産性向上及び設備投資費削減による製造コストの低減、並びに安全性の向上を達成することができる。この真空断熱複層ガラスパネルは、建材用窓ガラス等へ有効に適用でき、世界中の住宅・建築分野等へ広く普及させていくことによって、エネルギー使用量の削減によるCO排出量を低減し、地球温暖化対策に大きく貢献できるものである。また、車両用窓ガラス、業務用冷蔵庫や冷凍庫の扉等、断熱性が要求される部品や製品にも幅広く適用できる。
1:第1ガラス基板、2:第2ガラス基板、3:スペーサ、4:封止部、5:空間、6:熱線反射膜、7:低融点ガラス相、8:低熱膨張フィラー粒子、9:排気穴、10:排気管、11:ディスペンサー、12:封止材料ペースト、13:封止材料、14:耐熱クリップ、15:真空排気炉、16:電熱ヒーター、17:真空ポンプ、18、19:容器、20、21:シリコンゴムパッキン。

Claims (13)

  1. 第1ガラス基板と、
    第2ガラス基板と、を備え、
    前記第1ガラス基板と前記第2ガラス基板との間には、スペーサ及び封止部が挟み込まれ、
    前記封止部は、前記第1ガラス基板及び前記第2ガラス基板の周縁部に設けられ、
    前記スペーサは、前記第1ガラス基板、前記第2ガラス基板及び前記封止部で囲まれた空間に配置され、
    前記空間は、減圧された状態であり、
    前記封止部は、低融点ガラス相を含み、
    前記低融点ガラス相は、酸化バナジウム、酸化テルル及び酸化リチウムを含み、酸化リン及び酸化ビスマスを含まず、酸化バリウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含まず、示差熱分析による第二吸熱ピーク温度が300℃以下である、真空断熱複層ガラスパネル。
  2. 前記第1ガラス基板及び前記第2ガラス基板のうち少なくとも一方の内面には、熱線反射膜が形成されている、請求項1記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  3. 前記低融点ガラス相は、酸化物換算で、次の2つの関係式(1)及び(2)を満たす、請求項1又は2に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
    25≦[TeO2]≦42 …(1)
    3≦[Li2O]≦20 …(2)
    (式中、[X]は成分Xの含有量を表し、その単位は「モル%」である。以下同じ。)
  4. 前記低融点ガラス相は、酸化銀を更に含み、前記第二吸熱ピーク温度が280℃以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  5. 前記低融点ガラス相は、酸化物換算で、次の関係式(3)を満たす、請求項4記載の真空断熱複層ガラスパネル。
    2[V2O5]≧[Li2O]+[Ag2O]≧20 …(3)
  6. 前記封止部は、低熱膨張フィラー粒子を更に含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  7. 前記低熱膨張フィラー粒子は、リン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO)を含む、請求項6記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  8. 前記第1ガラス基板及び前記第2ガラス基板のうち少なくとも一方は、風冷強化処理又は化学強化処理が施された強化ガラスである、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  9. 前記第1ガラス基板及び前記第2ガラス基板は、ソーダライムガラス(SiO−NaO−CaO系ガラス)で形成されている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  10. 前記スペーサは、樹脂で形成されている、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  11. 前記樹脂には、無機フィラー粒子が分散されている、請求項10記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  12. 前記無機フィラー粒子は、球状ガラス粒子である、請求項11記載の真空断熱複層ガラスパネル。
  13. 前記樹脂は、フッ素樹脂である、請求項10乃至12のいずれか一項に記載の真空断熱複層ガラスパネル。
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