JPS5911827B2 - 集熱部の選択吸収面 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽エネルギーなどの電磁波エネルギーを利用
する機器の集熱部における選択吸収面に関するものであ
る。

近年、エネルギー危機に伴って太陽エネルギーを熱とし
て集熱し、各種機器のエネルギー源として供給するため
の太陽熱コレクタの開発が盛んとなっている。

この太陽熱コレクタの１例を第１゜２図に示す。

同図において、１は透明カバー兼箱体の役目を負う外ガ
ラス管である。

２は円筒状フィンであり、たとえばアルミニウム押圧成
型などによって作られる。

３は、円筒状フィン２に熱伝導に密着し、太陽熱で熱せ
られた円筒状フィン２から熱を得ることにより加熱され
る熱媒体の通路となる集熱パイプで、鋼管などによって
作られる。

４は、外ガラス管１の端部のシール板である。

シール板４は、外ガラス管１と固着するために、ガラス
と膨張率の近似している鉄・ニッケル・クロム合金など
で作られ、外ガラス管１とは、たとえば低融点ガラスフ
リットなどの封着材７を用いて融着されている。

また、集熱パイプ３とはロー付けされている。

このようにして、外ガラス管１とシール板４にて真空容
器を形成する。

５は、外ガラス管１とシール板４に囲まれた空間で、チ
ップ管（図示せず。

）から真空ポンプで排気し、チップ管を封止することに
よって形成された真空部である。

６は、円筒状フィン２を外ガラス管１の内部の所定位置
に保持するためのスペーサで、たとえばセラミックなど
によって作られている。

このようなコレクタはガラス管１内のフィン２において
太陽エネルギーを集熱してパイプ３に伝え該パイプ３内
を通過する水等の熱媒体を加熱するよう動作するもので
、フィン２が外界と真空断熱されているため対流、熱伝
導による熱損失が少なく集熱効率がかなりよいという利
点を有している。

しかしながらフィン２が高温になればフィン２からの輻
射による熱損失が大きくなり、集熱効率を一定限度以上
向上させることはできなかった。

そこで上述の如きコレクタにおいては通常、フィン２の
表面に太陽光吸収率αが大きく、長波長エネルギー放射
率εが小さいという特性を持った選択吸収面７を形成し
て集熱効率の改善を計っている。

このような選択吸収面７としては銅表面に黒色酸化被膜
を施こしたもの、亜鉛ひき鉄板上に黒色ニッケルメッキ
を施こしたもの等の光干渉を利用したものと、 いわゆるバルク吸収現象を利用したもの、金属鏡面上に
炭素膜を形成したもの等各種あるが、製作上の問題から
今後は炭素膜を利用したものが有望である。

すなわち、炭素膜を利用した選択吸収面は基板表面にス
パッター等で赤外域の反射率が高い金属膜を形成し、こ
の膜上にスパッター又はアーク法等により炭素膜を形成
するだけでよく、その製作が比較的簡単である。

しかしながらスパッター等で形成される上記炭素膜はそ
の表面が大変軟弱であって、例えば爪などでもって、容
易に傷がつきやすく、又ある程度の選択吸収特性を有す
るものの特に可視域での吸収が充分でないため膜全体と
しては吸収率α＝７５％、放射率ε−１０〜１５％ぐら
いにしかならず、選択吸収面の条件 （１）太陽光は可視光域のエネルギーが高く、それ以外
の領域の光エネルギーが低いので、 波長が０，３μｍ〜１．３μｍの光線（主に可視光）の
吸収率が大きく（換言すれば反射率が小さく）、波長が
２μｍ以上の光線（赤外域）の放射率が小さい（換言す
れば反射率が大きい）こと、 （２）フィン２が長期間、太陽光に曝されるところから
、特性劣化や剥離等がなく、いわゆる耐候性に優れてい
ること、 （３）被膜の形成が容易で、しかもフィン２との密着性
に優れていること、 （４）製作コストが低いことなどの諸条件を充足してい
ること。

のうち、（１） 、 （２）の条件を充分に満たすこと
ができないという欠点があった。

本発明者達は上記問題点を解決すべく研究を重ね、この
程、上記問題点を克服した新しい構成から成る選択吸収
面を作ることができた。

以下その選択吸収面を図面を参照して説明する。

第３図は、本発明による選択吸収面の構造を示す概略断
面図であって、８は基板であり、実際の太陽熱コレクタ
における集熱パイプ３や集熱フィン２等の基材に相当す
るものである。

９は基板上にスパッタ等により形成した第１膜であり、
赤外波長域で高反射率をしめす、いわゆる下地膜として
作用するもので、銀、銅、アルミニウム及びニッケル等
が好適である。

なおこの膜９は基板８が金属であって、パフ研磨等によ
り鏡面に近い状態にまで処理し得、これにより高い反射
率を得ることができれば必ずしも必要ではない。

１０は炭素被膜であって、この膜１０が太陽エネルギー
を吸収して、これを熱に変換せしめ熱伝導により基板８
に熱を供給する。

この被膜１０は赤外波長域の光に対しては透明な膜であ
る。

１１は最上層膜であり、下層の炭素膜１０の秒弱性を補
うとともに、可視域での吸収率を向上させる作用をする
。

次に各膜の形成方法をスパッターによる場合について説
明する。

まず基板８としてガラス板を用いる場合は、このガラス
を充分清浄したあと、スパッター装置の真空ペルジャー
内にセットし、１Ｏ−６Ｔｏｒｒ程度まで排気したあと
、アルゴンガスを導入してその雰囲気圧力を１０−２〜
１Ｏ−３Ｔｏｒｒに調整する。

この準備のあと、第１膜９としてアルミニウムを使用す
る場合はアルミニウム以下炭素及び金属酸化物を所定の
厚さに連続的にスパッターして膜を形成する。

アルミ膜厚は１０００λ以上あれば十分であるが、極端
に薄い場合（５００λ以下）では、光が透過してしまい
赤外域での高反射たる下地膜の機能が果せない。

又、吸収膜となる炭素膜は、１０００〜３０００人が好
適である。

最上層膜１１の金属酸化物は、その屈折率が空気の屈折
率（ｎ中１）と下層の炭素膜１０の屈折率ｎ。

の中間に位置するものであればよく、特にＪ］司−なる
屈折率を有する材料が好ましく、かかる観点からＳｉＯ
ｘまたはＡｔ２０３が利用される。

こうしてできた吸収面における可視域から赤外域までの
分光反射率が第４図にしめされている。

図中ａの曲線は通常の黒色塗料膜を設けたもので、非選
択性の膜を設けたものの代表として併記した。

ｂの曲線は従来の炭素膜を設けた面であり、前述したよ
うに、可視域反射率が比較的大きく、十分な吸収ができ
ないでいたものである。

Ｃの曲線が本発明による吸収面の特性であって、可視域
での低反射率及び赤外域での高反射率という優れた選択
吸収特性をしめしていることが判る。

計算によると太陽光吸収率α＝０．９０、放射率ε＝
０．１０であった。

以上の実施例で明らかなように、本発明によれば太陽エ
ネルギーを高効率で吸収でき、しかも昇温時までの熱放
射を極力抑えることのできる選択吸収面を得ることがで
きる。

しかもその最上層膜１１は酸化物被膜で・あるため特性
が安定すると共に機械的強度が強〈従来の炭素膜に見ら
れた膜の軟弱性という欠点を除去することができ、当初
に述べた諸条件（１）〜（４）を満足した選択吸収面を
作ることができる。

以上本発明によれば、金属鏡面を有する基板上に可視域
で吸収し赤外領域で透明となる炭素被膜を設けたものに
おいて、この炭素被膜上に、その屈折率が空気の屈折率
と該炭素被膜の屈折率との中間に位置する金属酸化物被
膜を設けたので、選択吸収性の優れる炭素被膜を上記酸
化物被膜で保護することができ、この比較的製作のし易
い炭素被膜を有する選択吸収面の機械的強度及び耐候性
を向上させることができ長期に亘ってその特性を持続す
ることができる。

しかも、上記金属酸化物被膜はその屈折率が空気と炭素
被膜との間に位置する物質を用いたので、単に炭素被膜
だけの吸血に比べてこの金属酸化物被膜が吸収した光エ
ルギーの放射を抑え、結果として特に可視域で放射を抑
えて吸収率を向上させることができるのであり、炭素膜
における可視域での吸収率の昇から非常に選択吸収性能
に優れた選択吸収面提供することができる。

尚、このエネルギーの高い可視光域での吸収の向上は、
この吸収面を太陽熱コレクタに用い場合に太陽エネルギ
ーを高効率で吸収でき熱放を極力抑える点で非常に有効
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は太陽熱コレクタの断面図、第２図はのＡ−Ａ断
面図、第３図は本発明の選択吸収面構成を示す概略断面
図、第４図は第３図の説明供する特性図である。 符号、８：基板、９：第１膜、１０：炭素膜１１：金属
酸化物膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属鏡面を有する基板上に可視域で吸収し赤外領域
   で透明となる炭素被膜を設けたものにおいて、 この炭素被膜上に、その屈折率が空気の屈折率と該炭素
   被膜の屈折率との中間に位置する金属酸化物被膜を設け
   たことを特徴とする集熱部の選択吸収面。