JPS5936172B2 - 太陽熱捕集用集熱部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽熱捕集用集熱部材に関し、詳しくは、太
陽輻射エネルギーの選択吸収性能を有する膜と金属箔と
の組み合わせによる太陽熱捕集効率の極みて高い集熱部
材に関するものである。

従来市販されてきた集熱部材は、例えば第１図に示すご
とく、集熱基材１１として銅、アルミニウム、ステンレ
ス、あるいはこれらの複合材を用い、該集熱基材１１の
太陽光線１０を吸収する面には黒系統塗膜１２を施し、
その背面には、熱交換媒体として、集熱基材１１と同質
の細いパイプ１３を複数本取り付け、集熱基材１１の上
面には保護ガラス板１４、下面には断熱材１５をセット
したユニット型の構造である。

このようなユニット型集熱部材を用いた太陽熱捕集用集
熱器においては、集熱面積１ｍ２当り約５〜５．５万円
程度の設備費を要し、その半分近くが集熱部材の費用で
あり、特に集熱基材１１、パイプ１３の費用である。

太陽熱利用システムの中心となるものは、何といっても
この集熱器であり、そのコストダウンが太陽熱利用シス
テム普及の鍵を握っているといっても過言ではない。

したがって、集熱器の要部である集熱部材の性能アップ
さ低床な供給こそが大きな課題である゛。

ところが、従来の集熱基材１１については、例えは特開
昭５１−２９７３３号に見られるように、片面に黒色酸
化被膜が密着しているフェライト系またはオーステナイ
ト系のステンレス薄板に、他のステンレス薄板を圧接−
溶接、拡散接合等の手段で接合して用いており、集熱基
材１１の製造が複雑でコストも高いものとなっている。

また、特開昭５３−５０５４１号では、銅板または銅合
金板に、酸化第一銅と酸化第二銅の被膜を重ねた複合銅
酸化膜を形成して集熱基材１１としているが、特開昭５
１−２９７３３号と同様に集熱基材１１の製造が複雑で
コストも高く、しかも耐食性に難点かある。

本発明は、このような従来の太陽熱捕集用集熱器に用い
られている集熱部材の欠陥を解消し、太陽輻射エネルギ
ーの吸収性能を向上させるとともに、廉価に製造される
集熱部材を提供することを目的としたものである。

本発明の特徴と効果を説明するに当り、太陽輻射エネル
ギーを熱源として利用するメカニズトについて説明を加
える。

地上に到達する太陽輻射エネルギーは、平均密度約ｌＫ
Ｗ／ｍ２で、そのスペクトル密度分布は第２図のａに示
すように、波長帯で０．３〜２．５μｍの範囲に亘って
おり、波長λ＝ ０．５μｍ近傍で最高レベルを示して
いる。

黒体温度５，９００’／（に相当する太陽輻射エネルギ
ーは、波長がλ≦２．１２μｍにおいて９９．９％、λ
≦１３μｍで約９０％の比率を示す状態で分布しており
、この丸陽輻射エネルギーを効率よく吸収できれば、極
めて有利な高温熱源として利用できることはいうまでも
ない。

一方、黒体輻射について考えると、例えば第２図のｂに
示すように６００℃の黒体からの輻射エネルギー分布の
ピークは約３μｍ、同様に第２図のＣに示すように４０
０°Ｃの黒体からの輻射エネルギー分布のピークは約５
μｍの波長であり、黒体輻射エネルギーの大部分は波長
λ≧２μｍに分布している。

第２図から判るように、太陽輻射エネルギーを効率よく
吸収し、そして第６図（後述）に示すような、熱として
置き換えられたエネルギーを外部に透過放出しないよう
な、波長の選択とその選択吸収能の適用が考えられなけ
ればならない。

これに関して第３図に示したが、ある波長λ。

を境界として、これより短い波長に対しては吸収率α＝
１００％であり、逆に波長λ。

より長い波長に対しては輻射率ε−〇％である理想的な
特性Ｐを有する選択吸収面あるいは選択吸収膜の存在が
最も望ましいことはいうまでもない。

しかしながら、従来市販の選択吸収膜の一例の特性は、
破線で示すＱのように、境界域の波長λ。

２１３〜１．８μｍ、吸収率α＝８０〜９０％、輻射率
ε＝ｉ。

〜２０％程度のものが多い。

通常、太陽熱捕集用の集熱部材としては、太陽輻射エネ
ルギー吸収率αの大きな黒色塗膜を受光面に形成するが
、これは、太陽光線の全波長域（０，３〜２０μｍ）に
亘って吸収特性及び輻射特性ともに９６％前後の一定値
を示している。

すなわち、黒色塗膜は選択吸収特性をもたないというこ
とである。

そこで、太陽光線の熱エネルギー吸収効率は極めて高く
、そして吸収した熱量の輻射による熱放出を極力抑える
、所謂選択吸収性能を付加して、集熱部材の集熱効率を
高めるためには、 （１） 可視領域においては黒体に近い黒色で、近赤
外領域まで黒体と同等の熱吸収特性を有し、（２）赤外
線領域においては任意に設定する温度、例えば熱媒体温
度５０〜９０℃に設定したとき、熱放射が極めて少ない
。

という集熱部材の実現が必要である。

この実現には、基材と選択吸収膜との組み合わせ方が肝
要であり、これに関連する諸因子を挙げて見ると、（イ
）基材の材質、（ロ）選択吸収面の粗度、（／→熱的安
定性、に）環境安定性、等があり、これら諸因子との関
連性を踏まえて、本発明の特徴と効果について説明する
。

まず、基材の材質を、軽量で耐食性、熱伝導性に優れた
、そして安価に入手できる金属箔としたことである。

従来の銅、アルミニウム、ステンレス等の、板厚０．５
〜２朋のものは、耐食性、価格のいずれかに難点があり
適していない。

つぎに、選択吸収面を構成する基材の表面粗度であるが
、太陽光線受光面が梨地粗面として露光表面積を広くし
、太陽光線の入射角変化による影響を極力少なくすると
ともに、その背面は光輝鏡面として遠赤外領域に対して
、これを最少限に抑えるごとくしたことである。

特に、背面には更に、４０〜１００℃の温度に対応する
８〜９μｍの波長を透過しない特性をもつ合成樹脂によ
る選択透過フィルムを積層してその効果を高めている。

従来のものにはこのような配慮は見受けられない。

更に、熱安定性、環境安定性であるが、熱衝撃のみなら
ず長期に亘る熱サイクルによる繰返し熱歪みの発生と、
これに起因する疲労現象（膜組成変化、膜剥離等）、あ
るいは空炊きによる異常高温状態での膜破壊、紫外線及
び環境雰囲気による膜特性の変化、集熱機構上膜面に発
生する結露現象の影響等に対して、集熱特性をそこなわ
ないような充分なる配慮がなされていることである。

前述のような本発明の特徴が、太陽輻射エネルギーの効
果的吸収と、吸収した熱エネルギーの輻射を最小限に抑
えて、極めて高い効率の集熱部材を構成したものである
。

以下、本発明の構成を図面に従って詳しく説明する。

第４図に本発明の集熱部材の構成を例示したが、金属箔
２０の受光面を梨地粗面２１として黒色被膜２３を施し
、その背面を光輝鏡面２２とし、該光輝鏡面２２にはそ
の光輝性を失うことなく、かつ変色することのない条件
下で、第６図に示すような、温度４０〜ｌＯＯ℃の輻射
の透過率０であるような選択透過フィルム３０を積層し
て、吸収された熱エネルギーを熱媒体５０に蓄熱すると
ともに、該熱媒体５０の熱エネルギーの輻射を防止する
機能をもたせている。

また、第５図には、第４図に示した集熱部材の耐久性向
」−と、更に、選択吸収性に優れ、赤外線領域での光学
的分光特性が梨地粗面２１の選択吸収性能を助長するご
とく作中する合成樹脂フィルム４０を、梨地粗面２１に
、黒色被膜２３を介して積層したものである。

ここで、金属箔２０は、銅、アルミニウム、鉄系のもの
が考えられるが、製造コスト面から、耐食性を付与した
鉄系あるいは鉄合金系が適している。

そして、その厚みは一般的な箔の厚みの範囲すなをち１
５０μｍ以下ならよいが、取り扱いの面を考慮すれば２
５〜１００μｍの範囲が適当である。

この金属箔は、冷間圧延により得られたものに電気化学
的あるいは化学的処理を施して得る方法もあるが、前述
した表面特性をもつ金属箔を直接、電気化学的に電着さ
せるかあるいは電気鋳造法によって得る方法がより効果
的である。

梨地粗面２１の表面粗度は、選択吸収効果をもたせるた
めに、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に基づく単位で表わせ
ば、２〜３μｍＲ２，０，５〜０．８ μｍＲａの範囲
が好ましく、また、光輝鏡面２２の表面粗度は、０．９
μｍＲｚ以下、０．３ μｍＲａ以下の極力緻密なも
のが望ましい。

良好な梨地粗面２１を得るためには、光輝鏡面２１に選
択透過フィルム３０を積層した後に、エツチング、電解
研摩、メッキ等による表面改質処理を施すこともできる
。

選択透過フィルム３０あるいは合成樹脂フィルム４０に
ついては、第６図に例示するような特性を考慮して選ぶ
必要がある。

すなわち、第６図にはＦＥＰ（テトラフルオロエチレン
−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）の透過率特性を
例示したもので、波長λ≦７μｍでは透下率９０％以上
を示し、波長λ二８，８〜１５μｍでは平均透過率５０
％程度となっており、斜線部分域はウィーンの法則によ
り計算して４０〜１００℃の温度に相当する波長λ＝９
２〜７．８μｍ程度で、この領域では透過率０である。

一方、ポリアルキルメタクリレート系フィルムの透過率
を第６図に破線で示したが、ＦＥＰの特性傾向と同様に
４０〜ｌＯＯ℃の温度における波長λ＝９２〜７．８μ
ｍ程度の領域において透過率Ｏであり、ただその前後の
波長の領域では、透過率はＦＥＰの約半分程度である。

さて、光輝鏡面２２に積層する選択透過フィルム３０は
、気体または液体の熱媒体５０に一旦吸収された熱エネ
ルギーの輻射を防止するものであり、積層に際して光輝
鏡面２２の光沢を損なうことなく、また変色することの
ないことが肝要であり、必要に応じて、光輝鏡面２２に
予め錫めっきを施すこともできる。

一方、梨地粗面２１に、黒色被膜２３を介して積層する
合成樹脂フィルム４０は選択吸収性とともに耐候性に優
れ、変色のないものが要求される。

これらのフィルム（３０及び４０）に要求される基本的
特性として、太陽光線の輻射エネルギーの選択吸収性す
なわち、波長λ≦２．５μｍの太陽スペクトル領域及び
波長λ＝２．５〜５μｍの近赤外線領域に対して透過率
が大きく、波長λ〉５μｍの遠赤外線領域（低温輻射領
域）に対しては透過率が０に近いことが挙げられる。

このような要求に適する合成樹脂フィルムとして、（１
）ポリアルキルメタクリレート系、（２）ポリエステル
系、（３）ふっ素糸重合体、等のフィルムがあるが、（
１）は選択透過性、耐候性に優れるも強度面では必ずし
も充分とはいえず、（２） ？ （３）はわずかに選択
透過性で（１）に劣るが耐候性、強度面で優れており、
適用することができる。

ふっ素糸重合体樹脂フィルムには、 ＰＴＥＦ・・・・・・（ポリテトラフルオロエチレン）
ＰＣＴＦＥ・・・（ポリクロロトリフルオロエチレン）
ＰＶＤＦ・・・・・・（ポリぶつ化ビニリデン）ＦＥＰ
・・・・・・・・・（テトラフルオロエチレン−ヘキサ
フルオロプロピレン共重合体） Ｅ−ＴＦＥ・・−（テトラフルオロエチレン−エチレン
共重合体） ＰＦＡ・・・・・・・・・（テトラフルオロエチレン−
クロロアルキルビニルエーテル共重合体） Ｅ−ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン−エチレン
共重合体） 等がある。

これ等の中で前述の機能と特性の優れたもの；加工性の
優れたもの、製造コストの廉価なもの等を綜合的に勘案
すれば、ＦＥＰ、ＰＦＡ。

Ｅ−ＴＦＥ、Ｅ−ＣＴＦＥ、ＰＶＤＦ（７，）適用が好
ましい。

このような観点から、選択透過フィルム３０にはふっ素
糸重合体樹脂フィルムを適用し、梨地粗面２３の上に積
層する合成樹脂フィルム４０にはポリアルキルメタクリ
レート系フィルムを適用するのが効果的である。

フィルム厚みについては、集熱器の操作ミス等による空
炊き等を考慮すると、稼働時の熱媒体５０の温度に安全
を見込んだ１６０℃以上での耐熱性、耐食性が要求され
るので、選択透過フィルム３０、合成樹脂フィルム４０
の厚みを１００μｍ以下とし、その積層に当っては、フ
ィルム材質と金属箔の組み合せを考慮して、接着法また
は熱融着法のいずれかを選ぶ。

しかしながら、フィルム厚みの一般的なものとしては、
加工性、経済性を考慮して２５μｍ程度を標準と考えて
よい。

フィルム積層の手順としては、金属箔２０の光輝鏡面２
２に選択透過フィルム３０を積層した後、梨地粗面２１
に黒色被膜２３を化成処理により施し、その後、合成樹
脂フィルム４０の積層を行なう。

なお、積層した選択透過フィルム３０、合成樹脂フィル
ム４０は、必要に応じて無光沢粗面に仕上げてもよい。

前述のように、本発明の集熱部材の構成、作用について
説明を加えたが、ここに具体的な一実施を示して詳しく
説明する。

表面粗さ０．７ μｍＲｚ、０．３ μｍＲａに鏡面仕
上げした厚さ５關のステンレス板を陰極とし、陽極に厚
さ２ｍｍの低炭素鋼板を用い、塩化第一鉄５００ｇ／Ａ
’を含むＰＨ０，８の電解液にて、液温９５℃、電流密
度１０Ａ／ｄｉ’の条件で、前記ステンレス板に厚み２
５μｍの鉄を電着し、この電着した金属箔２０をステン
レス板より剥離した。

得られた金属箔２０の表面粗さは、 梨地粗ｍ２１ ： ２．９μｍＲｚ ２０．８μｍＲａ
光輝鏡面２２ ： ０．７μｍＲｚ 、 ０．３μｍＲ
ａ（ステンレス板表面粗度に同じ） であった。

梨地粗面２１については更に、５％Ｎ１ｔａｌで化学研
摩し、表面粗度１−２ μｍＲｚ 、 ０．３μｍＲ，
ａとした。

このように電着法により製作した金属箔２０について、
その光輝鏡面２２に厚み２５μｍのＦＥＰフィルムを選
択透過フィルム２３として積層し、その後、梨地粗面２
１を黒化処理して黒色被膜２３を形成させ、集熱部材と
した。

この集熱部材を用いて、次の通り吸収率、輻射率及び上
昇温度について測定した。

（１） 吸収率の測定結果 太陽輻射エネルギー吸収性能として波長０６μｍ以下の
領域を、積分球付きの分光光度計により測定したところ
、この領域全般に亘って吸収率α−９３％ の結果が得られた。

（２）輻射率の測定 太陽輻射エネルギーの選択吸収性を調べるため、熱媒体
の作動条件として最も多いと考えられる黒体輻射を分光
輻射率計により測定したところ 輻射率ε＝１５％ の結果が得られた。

（３）上昇温度の測定 内法寸法３０ＣｒＩＩＸ ３０ＣｒＩＬＸ ３０ｃｍの
木箱の上部を開放とし、このフランジ部に本発明の集熱
部材を取り付け、空気を熱媒体として、その表面温度を
連続測定し、その結果を第１表に示した。

なお、比較のために従来市販の集熱部材についても本発
明の集熱部材と同様の条件で測定し、その結果を第１表
に併記した。

測定月日 ：昭和５３年７月２３日 測定場所 二千葉県銚子市（地上１ｍの位置）測定日の
天気：晴天 このように、本発明の太陽熱捕集用集熱部材は、その厚
さ０．１〜０．３ｕ＋に過ぎないが、極めて優秀な太陽
輻射エネルギー吸収効率をもつものであり、しかも、耐
食性、熱的環境的安定性に優れ、かつ廉価であり、更に
極めて軽量コンパクトなものとして提供できるものであ
る。

なお、本発明の集熱部材は、その製造の一貫化が図られ
、工業化に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の集熱部材の構造を示す断面図、第２図は
物体の輻射特性を示す線図、第３図は物体の選択吸収面
に要求される輻射特性を示す線図である。 第４図及び第５図は本発明の実施例を示し、集熱部材の
構造を示す実施態様図である。 第６図は合成樹脂フィルムの赤外線領域における透過率
特性を示す線図である。 １１・・・・・・集熱基材、１２・・・・・・黒系統塗
膜、１３・・・・・・パイプ、１４・・・・・・保護ガ
ラス板、１５・・・・・・断熱材、２０・・・・・・金
属箔、２１・・・・・・梨地籾面、２２・・・・・・光
輝鋼面、２３・・・・・・黒色被膜、３０・・・・・・
選択透過フィルム、４０・・・・・・合成樹脂フィルム
、５０・・・・・・熱媒体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属箔の片面を粗面梨地、他面を光輝鏡面として集
   熱基材とし、前記粗面梨地に黒色被膜を施して太陽光線
   受光面となし、前記光輝鏡面に選択透過フィルムを積層
   してハ島体に接するごとく構成した太陽熱捕集用集熱部
   材。 ２ 金属箔の片面を粗面梨地、他面を光輝鏡面として集
   熱基材とし、前記粗面梨地に黒色被膜を施し、更に選択
   吸収性能を有する合成樹脂フィルムを積層して太陽光線
   受光面となし、前記光輝鏡面に選択透過フィルムを積層
   して熱媒体に接するごとく構成した太陽熱捕集用集熱部
   材。