JPS6011301B2 - 太陽熱コレクタの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は真空断熱層を有する太陽熱コレクタの製造方
法に関するものある。

第１図ないし第３図によって、従来の上述のような太陽
熱コレクタのコレクタチューブ単体を説明する。

これらの図において、１は一端が半球状に閉塞されたガ
ラスなどからなる透明外管、２は透明外管１内に設けら
れたアルミニウム、銅、鉄、ステンレスなどの金属から
なる集熱板であり、この集熱板２の表面には太陽光の吸
収率が高くかつ熱放射率が低い性質を有する選択吸収膜
が施されている。３は上記集熱板２の裏面に密着して設
けられかつ鋼、ステンレスなどの金属からなる熱媒体管
、４は真空断熱のため１０‐４Ｔｏｎ以下の真空度に維
持された上記透明外管１内の真空層、５は上記熱媒体管
３に入れられた水などの熱媒体、６は上記集熱板２を支
持する支持臭、７は銅などからなり、排気後に閉じられ
る排気管、８は上記透明外管１の他端を閉塞する金属製
端板であり、この端板は通常透明外管１と線熱膨張率が
等しいか近似した金属が用いられる。

９は上記透明外管１と金属製端板８との気密封着部、１
０は金属製端板８とこれを貫通する熱媒体管３との気密
封止部、１１は金属製端板８と排気管７との気密封止部
である。

上述のように構成された太陽熱コレクタでは、太陽光は
透明外管１を透過して集熱板２に当り、これの表面に施
された選択吸収膜に吸収されて熱に変換され、熱媒体管
３内を流れる水などの熱媒体を加熱する。

そして、集熱板２からの熱損失は、真空層４により伝導
、対流損失が、選択吸収膜により韓射損失が抑えられる
。ところで、太陽熱コレクタには、大別して平板形と真
空形とがあるが、平板形のものはグラスウール、ウレタ
ンフオームなどの断熱材を用いたり、また真空形の透明
外管に相当する透明板を２重にするなどして熱損失を少
なくしているのに対し、真空形のものは透明外管内を真
空にすることですむので、平板形のものより使用材料が
少ないだけではなく、真空断熱による効果が大きく、高
温集熱ができ給湯だけでなく、冷暖房用の熱源としても
用いることができ、その利用価値が大きい。

しかし、真空形の太陽熱コレクタは、長期間にわたって
高真空を維持するためには、気密封着部の信頼性がまだ
低く、また製造に際して気密封着工程に長時間を要する
ので、価格が高くなり、平板形のものに比べて普及が遅
れているのが現状である。

従来の真空形太陽熱コレクタの封止部の構造を示す第３
図において透明外管１と金属製端板８とは気密封着部９
により接着されている。

また、金属製端板８と熱媒体管３および排気管７とは封
止部１０および１１で封止されており、これらは金属ど
うしの封止であるため、ろう付けなどの方法によって、
比較的容易に封止され、気密の信頼性も高い。しかし、
気密封止部９は、透明外管１としてガラス管が用いられ
るので、金属とガラスという異種材料間の気密シールで
あり、機械的および熱的衝撃に対して比較的弱く気密が
破壊され難い。このため、構造的にも加工上にも十分な
考慮を要する。真空形太陽熱コレクタで、ガラスと金属
板との気密封着の信頼性については、製品そのものの歴
史がまだ浅いためもあり、１０手間から１０玉間という
長期にわたって高真空が維持されるという実証はないが
、加速試験などによって推定は可能である。

そこで、少なくとも初期段階では、より信頼性の高い構
造と、加工条件をみし、だし、製造することが要求され
る。現在一般に行なわれている封着方法としては、いわ
ゆるフリットガラスを介在させて、ガラスと金属板とを
封着する方法である。

フリットガラスは、酸化鉛を主成分として一種の低融点
ガラスで通常粉末状である。現在、フリットガラスは、
主としてカラーブラウン管などのガラスどうしの封着材
料に用いられ、実績のあるものであるが、ガラスと金属
板とが封着されたものについて、機械的強度と共にとく
に真の信頼性については、まだ実績が乏しいといえる。
この理由としては、フリットガラスを用いる封着は４０
０〜４５０℃の温度で行なわれるが、この温度ではガラ
スおよび金属板とも化学変化を受けず、したがって、強
固な結合を生じさせるもととなる相互拡散、すなわちガ
ラス中の成分原子の金属板への拡散および金属板中の原
子のガラスへの拡散が行なわれないため、機械的、熱的
応力によって封着面が割れたり、剥がれたりして真空洩
れを生ずることになる。また、見かけ上はよく結合して
いるように見えても、封着界面に微少の隙間が存在し、
製造時には検出されなかった真空洩れが長いものでは１
週間から２週間経過した後に初めてわかる、すなわちス
ローリークのようなことにもなる。さらに、フリツトガ
ラスは、普通の透明ガラスに比べると、風化侵食が激し
いので、太陽熱コレクタのように屋外で長期間にわたっ
て使用されるものについては、真空洩れを起す可能性が
多い。次に、真空排気についてであるが、これは太陽熱
コレクタのコレクタチューブ内の気体を排気すると共に
、コレクタチューブ内に入っている例えば集熱板、熱媒
体管、支持ばねなどの一般に金属製の都材の表面ないし
内部に残存するガスの排出を含むものである。

そして、前者のコレクタチューブ内の気体の排気は比較
的容易にできるが、後者のコレクタチューブ内に入って
いる部材の表面ないし内部に残存する気体については、
排気操作中にコレクタチューブを高温に加熱する必要が
ある。これは、金属でも常温ではとくにガス放出の可能
性は少ないが、温度を高くすると、金属内部のガスが表
面に移りガス放出を行なうからである。コレクタチュー
ブを何本か用いて太陽熱コレク夕の集熱ユニットとして
実用に供した場合、コレクタチュープ内の温度、とくに
集熱板の温度は、通常１００℃程度まで、また空焚き状
態、すなわち停電またはポンプの故障などにより熱媒体
管に水などの熱媒体が供給されない状態では２００〜３
００ｑｏ程度まで温度が上がり、この程度の温度になる
と金属からのガス放出も多くなる。したがって、少なく
とも、２５０〜３０び○以上、望ましくは４００ｑ０以
上で、加熱排気を行なう必要があるが、フリットガラス
を用いた封着部は高温排気に対して強度的に弱い。すな
わち、製造上からは、封着を行なった後、排気工程を行
なうが、フリットガラスによる封着品は再加熱に弱く、
このため、４００ｏｏのような高温排気を行なうことが
むずかしい。しかし、上記のような高温排気を行なわな
いと、ガス放出によって真空度の低下を生ずるという問
題がある。さらに、フリットガラスによる封着は、加工
時間が長いという欠点があり、このため、コストが上昇
するという問題がある。

すなわち、フリットガラスによる封着工程の一例につき
説明すると、フリットガラスの粉末をニトロセルロース
を１％程度含んだイソアルミアセテートに重量比で１１
〜１３：１となるようによく混合し、次に金属板に０．
５側程度の厚さに塗布し、室温で１岬ｒあるいは１１０
〜１２０午０でＩＨｒ乾燥させ、その後ガラス管の端面
を金属板のフリツトガラス塗布面に合わせ、５０夕／均
程度の圧力をかけ、この状態を保持して焼成する。この
焼成には厳密な制御が必要であり、加熱速度は５〜１ｏ
ｏ０１分間とし、４３０〜４４０午０にして約１印保温
してフリットガラスを結晶とし、次いで３〜１０００１
分間の速度でゆっくり冷却する。このため、焼成時間だ
けでも２〜乳七かかり、塗布などの前工程に要する時間
を加えると、封着に要する時間が非常に長く生産性が悪
い。前述したように、フリツトガラスによるガラスと金
属板との封着は、気密の維持について信頼性が低く、ま
た加工に長時間を要するため、コストを上昇させるとい
う問題がある。

この発明は、上述した問題を解決するためになされたも
のであって、ガラスからなる透明外管と金属製端板とを
、高周波加熱およびガスフレーム加熱を併用して、直接
封着することにより、真空の信頼性が高く、かつ強度的
にも強い封着部が短時間で得られる、太陽熱コレクタの
製造方法を提供することを目的とするものである。

この発明の製造方法において、ガラスと金属とを気密に
封着するには、まず両者の線熱膨張係数がほぼ同じこと
が必要であるが、種々のガラスに対応した熱線膨張係数
を有する金属が知られているので、これらを選定して使
用すればよい。

次に、ガラスと金属との漏れの問題があるが、これはガ
ラス中の成分原子が金属板表面の原子と綾合ることであ
り、このためにはガラスを溶融させた方がよく、ガラス
を溶融させることによって原子の移動が容易になり、原
子間の強い結合が保証される。この場合に、金属板は、
これを予め酸化処理して表面に金属酸化膜を析出させた
ものを用いることが必要である。金属板の表面酸化物は
、溶融されたガラス中に拡散され、金属板とガラスの接
触界面の結合力を一層強くしかつガラスと金属との封着
ということで、どうしても生じ易い不安定な歪の高い領
域を緩和する中間ガラス層を形成する。ただし、上記酸
化膜が厚過ぎる場合には、見かけ上はよく封着しいるよ
うでも、ガラスと金属板との間の厚い金属酸化物層を気
体が通ることになるので、実験的に最適な金属酸化膜の
厚さを決めることが大切である。また、真空排気につい
てであるが、ガラスと金属とを直嬢溶着法によって封着
したものは、４００℃程度の高温加熱にも十分に耐えら
れるので、太陽熱コレクタのコレクタチューブ内の金属
部村の脱ガスが十分に行なわれ、空焚状態の２５０〜３
００℃になっても新たにガス放出を行なうことがなく、
したがって真空度の低下の問題がない。

上述したように、直接封着法で得たこの発明による真空
形太陽熱コレクタは、気密封着の信頼性を向上させるこ
とができると共に、十分な脱ガスを行なうことができ、
機械的、熱的強度も強いので、長期間の使用に対しても
その性能を低下することなく発揮させることができる。

次に、この発明による透明外管と金属製端板との直接封
着法を図について説明し、併せて加工時間の短縮効果に
ついて述べる。第４図は、この発明を実施する封着装置
の基本構成を示す。

第４図において１はガラスからなる透明外管、８は透明
外管１と封着される金属製端板、１２は高周波加熱コイ
ルであり、このコイル１２は鋼管でつくられ、かつ両端
が高周波電源に接続され、さらに上記鋼管内には冷却水
が流れるようになっている。１３はガスバーナ、１４は
遮熱円筒であり、この遮熱円筒１４はガスバーナ１３の
フレームによって上記コイル１２が焼損するのを防止す
るためのものである。

高周波誘導加熱は種々の分野で利用されているのは、第
４図に示す封着装贋では、高周波加熱コイル１２によっ
て金属製端板８を加熱し、この熱によって金属製端板８
と接触しているガラスからなる透明外管１を加熱して軟
化させ、これを溶融させて封着を行なうものである。

第４図によってその作用を説明する。上記コイル１２に
高周波電流を流すと、これによって発生する磁束が金属
製端板８を通過するので、この端板内に渦電流が発生し
、この渦電流のためジュ−ル熱によって金属製端板８が
加熱される。しかし、この加熱は金属製端板８のすべて
の領域において一様に行なわれるものではなく、金属製
端板の外周部のみが高温に加熱され、内周部はほとんど
熱伝導に基く加熱だけで温度が低い。また、金属製端板
８の各部の温度分布が均一でないので、熱畑彰銭の差に
よって応力が発生し、金属製端板が大きく変形すること
になる。このため、気密封着はもちろん強度的にも強い
封着を行なうことは困難である。そこで、この発明では
、金属製端板８を均一に加熱するために、高周波誘導加
熱では加熱しにくい金属製端板８内周部をガスバーナ１
３によるガスフレームで加熱する方法を併用した。この
結果、金属製端板の外周部と内周部とで温度勾配はまだ
あるが、温度勾配がなだらかになるため、金属製端板の
変形を防止することができ、温度差自体も高周波のみの
加熱よりも少なくなる。また、加工時間であるが、高周
波加熱の最大の特長として短時間で高温加熱ができるこ
とがあり、このために封着する時間としては、金属製端
板と透明外管をセットしてから加熱封着するまで５分間
程度であり、その後封篭面に歪がほとんど残らない温度
までゆっくり冷却することが必要であるが、この時間は
２０〜２筋ふ間である。

したがって、封着時間は３０分間程度であり、フリット
ガラスを用いる封着の場合の２〜３時間に比べて１′４
〜１′６１こ短縮できる。なお、ガスフレームのみを用
いた加熱封着では、透明外管を構成するガラスを加熱、
溶融させるまでの時間が長くかかり、加工上の効果が少
なくなる。第５図、第６図、第７図および第８図は、第
１図に示した真空形太陽熱コレクタのコレクタチュープ
単体とは異なるその他例を示すものである。

すなわち、第５図は排気管７が透明外管１と同じガラス
でこれと一体につくられ、第１図とは反対側の位置に配
談されたものである。第６図は直管状の熱媒体管３の両
端部が透明外管１内を鞠方向に貫通した例であり、した
がって、透明外管１はこれの両端で金属製端板８と封着
されている。第７図は熱媒体管３を２重管としてもので
あり、外側熱媒体管３ａと内側熱媒体管３ｂとに分けら
れ、熱媒体が内側熱媒体管３ｂを第７図の矢印のように
流れてその先端関口部に達し、この関口部から内側熱媒
体管３ｂと外側熱媒体管３ａとの空間を遜って戻るよう
にしたものである。第８図はヒートパイプ形真空太陽熱
コレクタを示し、第８図において、１６はヒートパイプ
で、集熱板２に密着して設けられ、ヒートパイプ１５内
を１０‐汀ｏｒｒ程度の真空にした後、フロンなどの熱
媒体１６が規定量封入されている。

１７はヒートパイプ１５内を真空にするための排気管で
ある。

そして、第８図に示すものは、菊熱板２に吸収された太
陽光が熱に変換され、この熱によって熱媒体１６が蒸発
し、ヒートパイプ１５内を凝縮部１８に向って移動し、
ここで熱交換部１９内を流れる水のような熱媒体２０と
の熱交換で冷え、重力または毛細管作用により、もとの
位置に戻る。この繰返しにより熱交換部１９で水のよう
な熱媒体２０を加熱し、その機能を発揮するものである
。なお、第５図ないし第８図に示すコレクタチューブ単
体の上述した以外の構成は第１図に示すものと同様であ
るから、第５図ないし第８図中の第１図と同一また相当
部分は第１図と同一符号をつけて説明を省略する。そし
て、この発明による製造方法は、第１図、第２図および
第５図ないし第８図に示すものに、同様に適用すること
ができる。以上説明しように、この発明は、一端または
両端が金属製端板によって封着されているガラスからな
る透明外管と、この透明外管内に設けられた巣熱板と、
この集熱板に密着して設けられた熱媒体管とを備え、こ
の熱媒体管を上記金属製端板に貫通させて、金属製端板
と熱媒体管とを封止し、金属製端板または透明外管に設
けた排気管により上記透明外管内を真空にする太陽熱コ
レクタの製造方法において、上記透明外管と金属製端板
とを、高周波加熱およびガスフレーム加熱を併用して加
熱し、直接封着するようにしたので、透明外管と金属製
端板との気密封着の信頼性が高く、強度が向上したもの
を、短時間で製造することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は真空形太陽熱コレクタのコレクタチューブ単体
を示す一部を省略した水平断面図、第２図は第台１図の
Ｄ−０線に沿う断面図、第３図は従来のコレクタチュー
ブ単体の金属製端板側様部を示す拡大半裁平面図、第４
図はこの発明に用いる封着装層を示す一部切欠き正面図
、第５図ないし第８図はこの発明による製造方法が適用
される互に異なった太陽熱コレクタのコレクタチュープ
単体をそれぞれ示す一部を省略した水平断面図である。 １・・・透明外管、２・・・集熱板、３・・・熱媒体管
、４…真空層、７・・・排気管、８・・・金属製端板、
９・・・封着部、１０，１１・・・封止部、１２…高周
波加熱コイル、１３…ガスバーナ、１５…ヒートパイプ
（熱媒体管）、なお、図中同一符号は同一または相当部
分を示す。第１図 第２図 第３図 第４．図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端または両端が金属製端板によって封着されてい
   るガラスからなる透明外管と、この透明外管内に設けら
   れた集熱板と、この集熱板に密着して設けられた熱媒体
   管とを備え、この熱媒体管を上記金属製端板に貫通させ
   て、金属製端板と熱媒体管とを封止し、金属製端板また
   は透明外管に設けた排気管により上記透明外管内を真空
   にする太陽熱コレクタの製造方法において、上記透明外
   管と金属製端板とを、高周波加熱およびガスフレーム加
   熱を併用して加熱し、直接封着することを特徴とする太
   陽熱コレクタの製造方法。