JPH0432301B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は太陽熱コレクタ用選択吸収体に関
し、特に、規則的に配列された貫通孔を有する電
気導伝性薄板を太陽光吸収率の大きな吸収体の前
面に配置することにより、太陽光の波長範囲の電
磁波を吸収し、それより長い波長範囲の電磁波を
反射するようにした選択吸収体に関するものであ
る。 太陽熱コレクタ用吸収体としては太陽光に対し
て大きな吸収率をもち、コレクタの動作温度にお
いて小さな熱放射率をもつもの、換言すれば、太
陽光の波長範囲の電磁波に対して大きな吸収率を
もち、それ以上の長い波長範囲の電磁波に対して
大きな反射率をもつ吸収体がコレクタの集熱効率
を高めるために必要である。このような特性をも
つ吸収体は選択吸収体と呼ばれ、従来から、(1)赤
外域で反射率の大きな金属面上に吸収端が1000〜
3000nm（ナノメータ）の半導体膜を設け、太陽光
吸収率を半導体膜で大きくし、熱放射率を金属面
により小さくしたもの、(2)赤外域で反射率の大き
な金属面上に誘電体膜を設け、その光干渉作用に
より吸収が太陽光波長域に入るように誘電体膜の
厚さを適当にしたもの、(3)金属表面に太陽光のカ
ツトオフ波長程度の凹凸を作り、この波長よりも
短かい波長の光すなわち太陽光をキヤビテイ効果
によつて吸収し、一方、長い波長の光（熱）に対
しては平滑な表面、すなわち熱放射率が小として
働くようにしたものなどが考案されている。 この発明は上記のような従来のものとは異なる
構造と原理に基づく選択吸収体を提案するもので
ある。まず、この発明による選択吸収体の構造と
原理につき、この発明の一実施例を用いて説明す
る。 第１図はこの発明による一実施例の拡大斜視図
で、１は透明カバー、２は透明カバー１の直下に
設けられた電気導伝性薄板で、規則的に配列され
た貫通孔２ａを有するもの、たとえば金属製メツ
シユ板（以後、この薄板またはこれに相当するも
のをメツシユ板と呼ぶ）、３はメツシユ板２に対
面して設けられた太陽光吸収率の大きな吸収体を
それぞれ示す。 透明カバー１を透過した太陽光はメツシユ板２
に入射する。このとき、メツシユ板２を電気導伝
体すなわち赤外域で高い反射率をもつもので作
り、貫通孔２ａの寸法を太陽光の波長範囲程度の
大きさとなし、さらに貫通孔２ａを規則的に配列
させれば、太陽光の大部分はこのメツシユ板２を
透過し、太陽光よりも長い波長範囲の光（熱）の
大部分はメツシユ板２により反射される。すなわ
ち、この発明では金属製のメツシユ板２と吸収体
３とを組合せたものにおいて、メツシユ板２の寸
法を最適化することにより、太陽光吸収率の大き
なそして熱放射率の小さな選択吸収体を得んとす
るものである。 金属メツシユのマイクロ波電波ないし遠赤外光
の透過現象については導波管理論や各種の実験に
より明らかである。たとえば、三石氏らによれば
（Japanise Journal of Applied Physics、第２
巻、ページ574〜577、1963年）82μmの素線で
212μmのくり返し周期の金属メツシユでマイクロ
波電波の透過率は250μmの波長近傍で最大になる
ことを示している。また細かい金属メツシユにつ
いてはRenk氏ら（Applied Optics、第１巻、ペ
ージ643〜648、1962年）は幅12μm、周期50μmの
金属メツシユで約60μmのピーク透過波長を示し
ている。さらに、坂井氏ら（Infrared Physics、
第18巻 ページ137〜140、1978年）は周期
16.9μmの＃1500金属メツシユで18.5μmのピーク
透過波長を示している。 しかし、これらの文献はいずれも、波長の長い
電磁波を対象にして、金属メツシユを透過する電
磁波の透過率の向上と透過電磁波の狭帯域化を計
つたものである。一方、この発明においては、で
きる限り多くの太陽光を透過させて、それより長
い波長の電磁波をできる限り反射させるようにし
た金属メツシユを対象にしたもので、金属メツシ
ユを透過させようとする電磁波の波長は文献のも
のよりも短かく、かつその波長範囲は太陽光の波
長範囲0.3〜2.5μmと広域となつている。 以下に第１図のように構成された選択吸収体に
おいて、メツシユ板２の貫通孔の寸法、形状と太
陽光吸収率、熱放射率との関係を説明する。 第２図はメツシユ板の寸法を示す図で、Ｄは格
子の直角２方向の周期（単位ナノメータで以下
nmと表す。）、ｄは孔間距離である線幅または線
径（単位nm）、ｔは厚さを示す。この場合、線幅
ｄと厚さｔは電磁波のエネルギの浸透深さよりも
十分に大きいことが必要であり、またメツシユ板
２は赤外域での反射率の大きな素材すなわち、電
気的導伝体から作る必要がある。吸収体３として
は金属、プラスチツクスなどからなる基板に黒色
ペンキなどを塗着して太陽光吸収率を大きくした
ものを使えばよい。 第３図は以上のように構成した選択吸収体の分
光吸収率を示す。この場合、分光吸収率は波長
λ、メツシユ板２の周期（Ｄ）、線幅（ｄ）など
によつて決まり、線幅（ｄ）を周期（Ｄ）で除し
た値（ｄ／Ｄ）を助変数にして、光の波長を周期
で除した値（λ／Ｄ）の関数として分光吸収率を
表わすのが便利なので、横軸をλ／Ｄで目盛り、
ｄ／Ｄ＝0.20と0.25に対する分光吸収率をそれぞれ 第３図ａおよびｂに示した。ここで、メツシユ板
２としては周期300nmから1000nmの範囲の寸法
のもの、吸収体３はステンレス鋼板面に黒色ペン
キを塗着した太陽光吸収率0.95以上のものを用い
た。なお、吸収体３は太陽光吸収率0.90以上のも
のであればよい。 第３図から明らかなように、λ／Ｄ＝1.2近傍で分

【表】 第１表より明らかなように周期500nmのメツシ
ユ板２が大きな太陽光吸収率と小さな熱放射率を
示し、太陽熱コレクタ用吸収体として好適であ
り、とくに太陽光吸収率と熱放射率の比（α／
ε）は大きく高温度の集熱用吸収体に適してい
る。また、周期300nmから800nmのメツシユ板に
おいても太陽光吸収率ならびにα／ε値が大きく
集熱用吸収体として好適である。しかし、周期
300nmから800nmの範囲外のものでは太陽光吸収
率が大幅に低下するので、集熱用吸収体としては
不適当である。一方、ｄ／Ｄ値に関しては、0.20
から0.25の範囲が大きな太陽光吸収率と小さな熱
放射率を与え、集熱用吸収体として好適である。
ｄ／Ｄ値が0.25以上では太陽光吸収率は急激に低
下し、たとえばｄ／Ｄ＝0.30では周期300nmから 800nmに対して太陽光吸収率は0.4以下となる。
また、ｄ／Ｄが0.20以下では太陽光吸収率は低下
し、かつ熱放射率は上昇する。たとえば、ｄ／Ｄ＝ 0.15では周期300nmから800nmに対して、太陽光
吸収率は0.5以下、熱放射率は0.1以上となり、集
熱用吸収体として不適当である。すなわち、メツ
シユ板２としては周期Ｄが300nmから800nmの範
囲で、線幅(d)と周期の比（ｄ／Ｄ）が0.20から
0.25の範囲のものがこの発明の集熱用吸収体とし
て適当である。 上記実施例では、メツシユ板２の直下に配置し
た吸収体３として、黒色ペンキを塗着した金属板
またはプラスチツクス板を用いた場合を示した
が、吸収体３としてはこれらの他に黒色流体を用
いることもできる。次にその実施例につき説明す
る。 第４図はこの発明による一実施例の拡大斜視図
で、１はガラス板、プラスチツクス板などからな
る透明カバー、２は透明カバー１に対面して設け
られたメツシユ板、３は太陽光吸収体で、容器４
とその中を流通する黒色流体５よりなる。容器４
においては、メツシユ板２に対面する表面は太陽
光反射率の小さな材料、たとえば、ガラス、アク
リル樹脂、ふつ素樹脂などのプラスチツクスなど
で構成されている。黒色流体５としては、太陽光
吸収率の大きなものであればよい、たとえばカー
ボンブラツク、シリコン、ゲルマニウムなどの微
細粉末を水または有機溶媒中に分散させたもの
や、黒色染料で着色した水または有機溶媒などが
適当である。 透明カバー１を透過し、メツシユ板２に入射し
た太陽光は上記実施例にて説明したようにメツシ
ユ板２の寸法で定まる透過率にて、メツシユ板２
を透過して、容器４の表面に入射するが、その太
陽光のほとんどは容器４の表面に吸収またはそれ
を透過する。容器４表面に吸収された太陽光は熱
に変わりその容器４内の黒色流体５に伝達し、ま
た、容器４を透過した太陽光は黒色流体５に吸収
され、ともに、有効に熱として外部系に取り出せ
る。この場合、透明カバー１に厚さ３mmの鉄含有
量の低いソーダガラス、メツシユ板に線幅
0.2μm、くり返し周期0.8μmのニツケルよりなる
もの、容器４を３mmのソーダガラスより製作した
もの、および黒色流体５としてエチレングリコー
ル50重量％水溶液中にカーボンブラツク３重量％
を分散させたもの、などから構成した太陽光コレ
クタ用吸収体において、吸収体の温度60℃に対し
て、太陽光吸収率0.6以上、熱放射率0.01以下を
得た。 また、メツシユ板２として太陽光透過率の大き
い、すなわち透明な誘電体板上に電気導電体より
なる貫通孔を有する薄層を設けたものを用いるこ
ともできる。次にその実施例につき説明する。 第５図はこの発明による一実施例の拡大斜視図
で、１はガラス板、プラスチツク板などからなる
透明カバー、２は透明カバー１に対面して設けら
れたメツシユ板、６はメツシユ板２を保持するた
めの基板の役目をする誘電体板、３は黒色ペンキ
塗装を施こした鉄板などからなる太陽光吸収体を
示す。メツシユ板２を誘電体板６上に形成するた
めには、たとえば、ガラス板、ポリエチレンなど
のプラスチツク板上に通常の蒸着などの方法にて
クロムなどの金属薄膜を形成した後、電子ビーム
描画加工法などを用いて、クロム薄膜に上記メツ
シユ板２のような貫通孔２ａを設ければよい。 一例としてポリエチレン製の誘電体板６上に形
成した線幅0.2μm、くり返し周期0.8μmのクロム
蒸着膜のメツシユ板２と黒色ペンキ塗装の鉄板の
吸収体３を組合せた場合、吸収体３の温度60℃に
おいて、太陽光吸収率0.50以上と熱放射率0.1以
下を実験で得た。 なお、上記実施例では等間隔に規則的に配列さ
れた貫通孔２ａを有する薄板あるいは薄層とし
て、正方形状貫通孔２ａが２次元的に同一周期で
配列されたものを示したが、貫通孔２ａの形状と
しては正方形のほかに六角形などの多角形や円な
どでも同様の効果をもち、またその配列は２次元
的に一定の規則にしたがつて配列されたものであ
ればよい。また、薄板又は薄層として、板状のも
のを示したが、細線を編み合せたような金網状の
ものでもよい。 以上のように、この発明による選択吸収体は大
きな太陽光吸収率と小さな熱放射率をもち、とく
に太陽光吸収率と熱放射率の比（α／ε）は50以
上で、従来の銅に黒色クロムメツキをした選択吸
収体などの10程度に比較し、極めて大きく、高温
度の集熱用コレクタに使用して、極めて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による選択吸収体
を示す拡大斜視図、第２図はそのメツシユ板の斜
視図、第３図はこの発明の一実施例による選択吸
収体の分光吸収特性図、第４図はこの発明の他の
実施例による選択吸収体を示す拡大斜視図、第５
図はこの発明の他の実施例による選択吸収体を示
す拡大斜視図である。 １……透明カバー、２……メツシユ板（電気導
伝性薄板）、３……太陽光吸収体、４……容器、
５……黒色流体、６……誘電体板。なお、図中、
同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周期（Ｄ）を300nmから800nmの範囲とし、
   かつ、孔間距離（dnm）を周期で除した値（ｄ／
   Ｄ）を0.20から0.25の範囲として貫通孔を、面上
   で直交する２方向に等間隔に配列してなる電気導
   伝性薄板を、太陽光吸収率が0.90以上の吸収体の
   前面に配置したことを特徴とする太陽熱コレクタ
   用選択吸収体。 ２ 周期（Ｄ）を300nmから800nmの範囲とし、
   かつ、孔間距離（dnm）を周期で除した値（ｄ／
   Ｄ）を0.20から0.25の範囲として貫通孔を、面上
   で直交する２方向に等間隔に配列してなる電気導
   伝性薄板を、前記電気導伝性薄板に対面し、太陽
   光反射率が小さな材料からなる容器と前記容器に
   充填された太陽光吸収率が0.90以上の黒色流体と
   から構成された吸収体の前面に配置したことを特
   徴とする太陽熱コレクタ用選択吸収体。 ３ 周期（Ｄ）を300nmから800nmの範囲とし、
   かつ、孔間距離（dnm）を周期で除した値（ｄ／
   Ｄ）を0.20から0.25の範囲として貫通孔を、面上
   で直交する２方向に等間隔に配列してなる電気導
   伝性薄層を透明な誘電体薄板上に形成し、かつ、
   前記誘電体薄板を太陽光吸収率が0.90以上の吸収
   体の前面に配置したことを特徴とする太陽熱コレ
   クタ用選択吸収体。