(57)【要約】【課題】太陽エネルギー吸収体において、基材上に形成される選択吸収膜が金属酸化物粉末とともにバインダを含むと、このバインダに由来する樹脂が原因となって、放射によるエネルギー損失が比較的大きいという問題がある。また、バインダを含む選択吸収膜は、耐熱性が比較的低いという問題もある。【解決手段】赤外反射基材３の赤外反射性を有する表面２上に、金属粉末５、樹脂６および有機溶剤を分散混合してなる塗料を塗布して、塗膜４を形成し、次いで、塗膜４を乾燥し、乾燥した塗膜４を焼成し、それによって、樹脂６を除去するとともに、金属粉末５を焼結させてなる焼結体からなる選択吸収膜７を得る。選択吸収膜７の少なくとも表面には、太陽光吸収性の高い金属酸化物層８が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が赤外反射性を有する赤外反射基材と、
前記赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に形成される選択吸収膜と
を備え、
前記選択吸収膜は、金属粉末を焼結させてなる焼結体からなるもので、その少なくとも表面が酸化されている、
太陽エネルギー吸収体。
【請求項２】
前記選択吸収膜は、コバルト、ニッケルおよび銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１に記載の太陽エネルギー吸収体。
【請求項３】
表面が赤外反射性を有する赤外反射基材を用意する工程と、
金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料を用意する工程と、
前記赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に前記塗料を塗布することによって、前記塗料からなる塗膜を形成する工程と、
前記塗膜から前記有機溶剤を除去するため、前記塗膜を乾燥させる工程と、
乾燥した前記塗膜を焼成し、それによって、前記樹脂を除去するとともに、前記金属粉末を焼結させ、前記金属粉末の焼結体からなり、かつその少なくとも表面が酸化された、選択吸収膜を前記赤外反射基材上に形成する工程と
を備える、太陽エネルギー吸収体の製造方法。
【請求項４】
前記金属粉末は、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のうちの少なくとも１種を含む、請求項３に記載の太陽エネルギー吸収体の製造方法。
【請求項５】
前記金属粉末の粒径は１．０μｍ以下であり、乾燥した前記塗膜の膜厚が前記金属粉末の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下である、請求項３または４に記載の太陽エネルギー吸収体の製造方法。
【請求項６】
表面が赤外反射性を有する長尺の赤外反射基材を長さ方向に搬送する搬送機構を備えるとともに、
前記搬送機構によって搬送される前記赤外反射基材の搬送方向に沿って順次配置される、塗布装置、乾燥炉および焼成炉を備え、
前記塗布装置において、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料が、前記赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に塗布されることによって、前記塗料からなる塗膜が形成され、
前記乾燥炉において、前記塗膜が乾燥され、
前記焼成炉において、乾燥した前記塗膜が焼成され、それによって、前記樹脂が除去されるとともに、前記金属粉末を焼結させ、前記金属粉末の焼結体からなり、かつその少なくとも表面が酸化された、選択吸収膜が前記赤外反射基材上に形成されるように構成された、
太陽エネルギー吸収体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽エネルギー吸収体ならびにその製造方法および製造装置に関するもので、特に、赤外反射性を有する基材の表面に選択吸収膜が形成された構造を有する、太陽エネルギー吸収体ならびにその製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギーを利用する技術の１つに、太陽熱利用技術がある。すなわち、太陽光を熱エネルギーに変換して、その熱を使って給湯などを行なう技術である。太陽熱利用技術には、集熱器が必要であり、たとえば給湯を目的とした集熱器では、可視ないし近赤外域で高い吸収率を持ち、赤外域で低い放射率を持つ選択吸収材料の開発が重要である。このような選択吸収材料を用いることによって、太陽光を効率良く吸収しながらも、かつ集熱器表面からの熱放射を抑制し得るといった選択吸収性のある太陽エネルギー吸収体を実現することができる。
【０００３】
この発明にとって興味ある太陽エネルギー吸収体として、たとえば特開昭５８−１９５７４５号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１には、金属板上に、コバルト酸化物とバインダとからなる第１の塗膜層を形成し、さらにその上に、黒色顔料とバインダとを主成分とする第２の塗膜層を形成してなる、太陽熱の選択吸収膜が記載されている。すなわち、特許文献１に記載の技術では、太陽光を吸収しながら、近赤外以上の波長の光を透過し得る金属酸化物材料を用い、これと樹脂とを組合せて選択吸収膜を形成している。
【０００４】
このような選択吸収膜によれば、波長約０．３〜０．８μｍの紫外・可視光線は第２の塗膜層で吸収されるが、波長０．８μｍ以上の光は第２の塗膜層を透過し、第１の塗膜層へ入射する。ここで、コバルト酸化物は、波長１．１〜１．７μｍに吸収特性を有するため、第１の塗膜層では入射された光がコバルト酸化物に吸収されることになる。また、大気圏を通過して来た太陽エネルギーは、そのほとんどが波長０．３〜２．０μｍの範囲内に収まるため、第１および第２の塗膜層でそのほとんどが吸収され、その結果、高い吸収率を実現する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、前述のように、選択吸収膜がバインダを構成要素としており、このバインダに由来する樹脂が原因となって、以下のような問題を引き起こす。
【０００６】
まず、放射によるエネルギー損失が比較的大きい。なぜなら、樹脂は、有機物全般が有する性質として、放射光を放出する性質を有しており、そのため、吸収した熱エネルギーを放射光として放出してしまうためである。
【０００７】
また、選択吸収膜は、有機物としての樹脂を構成要素とするため、耐熱性が比較的低く、耐熱限界は２００℃程度であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１９５７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る太陽エネルギー吸収体を提供しようとすることである。
【００１０】
この発明の他の目的は、上述した太陽エネルギー吸収体を製造するための好ましい方法および装置を提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、表面が赤外反射性を有する赤外反射基材と、赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に形成される選択吸収膜とを備える、太陽エネルギー吸収体にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、選択吸収膜は、金属粉末を焼結させてなる焼結体からなるもので、その少なくとも表面が酸化されていることを特徴としている。
【００１２】
選択吸収膜は、コバルト、ニッケルおよび銅のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１３】
この発明は、また、上述したような太陽エネルギー吸収体を製造するための方法にも向けられる。この発明に係る太陽エネルギー吸収体の製造方法は、表面が赤外反射性を有する赤外反射基材を用意する工程と、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料を用意する工程と、赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に塗料を塗布することによって、塗料からなる塗膜を形成する工程と、塗膜から有機溶剤を除去するため、塗膜を乾燥させる工程と、乾燥した塗膜を焼成し、それによって、樹脂を除去するとともに、金属粉末を焼結させ、この金属粉末の焼結体からなり、かつその少なくとも表面が酸化された、選択吸収膜を赤外反射基材上に形成する工程とを備えることを特徴としている。
【００１４】
この製造方法において、金属粉末は、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１５】
また、金属粉末の粒径は１．０μｍ以下であり、乾燥した塗膜の膜厚が金属粉末の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
この発明は、さらに、上述したような太陽エネルギー吸収体を製造するための装置にも向けられる。この発明に係る太陽エネルギー吸収体の製造装置は、表面が赤外反射性を有する長尺の赤外反射基材を長さ方向に搬送する搬送機構を備えるとともに、搬送機構によって搬送される赤外反射基材の搬送方向に沿って順次配置される、塗布装置、乾燥炉および焼成炉を備え、塗布装置において、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料が、赤外反射基材の赤外反射性を有する表面上に塗布されることによって、塗料からなる塗膜が形成され、乾燥炉において、塗膜が乾燥され、焼成炉において、乾燥した塗膜が焼成され、それによって、樹脂が除去されるとともに、金属粉末を焼結させ、この金属粉末の焼結体からなり、かつその少なくとも表面が酸化された、選択吸収膜が赤外反射基材上に形成されるように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、選択吸収膜が、金属粉末を焼結させてなる焼結体からなるので、有機物としての樹脂を含まない。よって、樹脂が原因となって引き起こされる前述の問題はすべて解消される。すなわち、吸収した熱エネルギーが樹脂によって放射光として放出されることがなく、放射によるエネルギー損失を低減することができる。また、焼結体は熱的に安定しているので、耐熱性の高い選択吸収膜とすることができる。
【００１８】
上記選択吸収膜が、コバルト、ニッケルおよび銅のうちの少なくとも１種を含んでいると、コバルト酸化物、ニッケル酸化物および銅酸化物の少なくとも１種を含んでいることになるので、太陽光の吸収性能をより高めることができる。なお、高い吸収性能を得るには、選択吸収膜の表面のみ酸化物で構成されていれば十分である。
【００１９】
この発明に係る太陽エネルギー吸収体の製造方法において、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料を用意する工程は、一般的な塗料の場合と同様の製造方法を適用して実施することができ、また、この塗料を塗布することによって塗膜を形成する工程、塗膜を乾燥させる工程および乾燥した塗膜を焼成する工程は、たとえば積層型セラミック電子部品の製造において既に確立された技術を適用して実施することができる。よって、この発明に係る製造方法によれば、特別な困難を伴うことなく、太陽エネルギー吸収体を製造することができる。
【００２０】
また、上記焼成工程では、塗膜中の樹脂を分解除去すると同時に、金属粉末を焼結させるが、焼結は未酸化段階の金属粉末の状態で達成される。この場合、未酸化の金属の融点は金属酸化物の融点より低いので、比較的低温で焼結体を得ることができる。よって、金属酸化物を焼結させる場合に比べて、焼成のためのエネルギーを節減することができるとともに、焼成炉のための設備コストも低減することができる。
【００２１】
また、焼成工程を経て、選択吸収膜が赤外反射基材上に形成された構造を得るようにしているので、焼成時に赤外反射基材に含まれる成分と選択吸収膜に含まれる成分とが相互に拡散し、これによって、赤外反射基材と選択吸収膜との密着性を高めることができる。その結果、熱膨張および収縮の繰り返しによる赤外反射基材／選択吸収膜間の剥離が生じにくくなり、太陽エネルギー吸収体において高い耐久性を実現することができる。
【００２２】
この発明に係る製造方法において、金属粉末の粒径が１．０μｍ以下であり、乾燥した塗膜の膜厚が上記金属粉末の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下であると、焼結後の選択吸収膜にポアが生じたり、焼結時の応力により選択吸収膜に亀裂が生じたりすることを抑制することができる。
【００２３】
この発明に係る製造装置によれば、長尺の赤外反射基材を長さ方向に搬送しながら、この搬送方向に沿って、塗布装置、乾燥炉および焼成炉が順次配置されているので、太陽エネルギー吸収体を連続的に能率良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施形態による太陽エネルギー吸収体の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図１に示した製造方法を実施する製造装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、太陽エネルギー吸収体の製造方法を説明するためのものであるが、図１（２）に、製造された太陽エネルギー吸収体１が断面図で示されている。以下に、図１を参照しながら、製造方法を説明することによって、太陽エネルギー吸収体１の構造を明らかにする。
【００２６】
図１（１）に示すように、まず、表面２が赤外反射性を有する赤外反射基材３が用意される。赤外反射基材３は、たとえば金属からなる。
【００２７】
他方、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料が用意される。
【００２８】
ここで、高い太陽光吸収性能を得るため、金属粉末としては、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のいずれを用いるかによって、吸収特性が異なってくるため、より好ましくは、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のすべてを含むようにされる。金属粉末の粒径は１．０μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
また、樹脂としては、アクリル系、ブチラール系、またはセルロース系などの樹脂を用いることができる。また、有機溶剤としては、たとえばブタノールのようなアルコール類を用いることができる。
【００３０】
次に、赤外反射基材３の赤外反射性を有する表面２上に上記塗料を塗布することによって、図１（１）に示すように、塗料からなる塗膜４が形成される。図１（１）に示した塗膜４において、塗料に含まれていた金属粉末５および樹脂６が図解的に示されている。
【００３１】
次に、塗膜４から有機溶剤を除去するため、塗膜４が乾燥される。なお、この乾燥工程は、次に実施される焼成工程と連続して実施されるようにしてもよい。この乾燥工程を実施した後において、塗膜４の膜厚は金属粉末５の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
次に、乾燥した塗膜４がたとえば４００〜１０００℃の温度で焼成される。なお、この焼成は、塗膜４とともに、赤外反射基材３に対しても実施される。この焼成の結果、図１（２）に示すように、樹脂６が除去されるとともに、金属粉末５を焼結させてなる焼結体からなる選択吸収膜７が赤外反射基材３上に形成される。この選択吸収膜７において、その少なくとも表面が酸化され、金属酸化物層８が形成される。
【００３３】
上記焼成工程による焼結は未酸化段階の金属粉末５の状態で達成される。よって、金属酸化物を焼結させる場合に比べて、より低温での焼結が可能である。それゆえ、焼成のためのエネルギーを節減することができるとともに、焼成炉のための設備コストも低減することができる。
【００３４】
また、前述したように、金属粉末５の粒径が１．０μｍ以下であり、乾燥した塗膜４の膜厚が上記金属粉末５の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下であると、焼結後の選択吸収膜７にポアが生じたり、焼結時の応力により選択吸収膜７に剥離不良などの原因となり得る亀裂が生じたりすることを抑制することができる。これらのことは、後述する実験例において確認されている。
【００３５】
また、赤外反射基材３が酸化され得る金属からなる場合、焼成工程において、この赤外反射基材３が不所望にも酸化されないように、焼成雰囲気を制御することが好ましい。より具体的には、焼成雰囲気を中性ないしは還元性となるように制御することによって、赤外反射基材３の酸化を防ぎながら焼成工程を実施し、焼成工程の最終段階で酸素を選択吸収膜７の表面にのみ限定的に吹き付ける、といった方法を採用することができる。
【００３６】
以上のようにして、太陽エネルギー吸収体１が得られる。この太陽エネルギー吸収体１では、焼成工程を経て、選択吸収膜７が赤外反射基材３上に形成された構造が得られたものであるので、焼成時に赤外反射基材３に含まれる成分と選択吸収膜７に含まれる成分とが相互に拡散し、これによって、赤外反射基材３と選択吸収膜７との間で高い密着性を得ることができる。よって、熱膨張および収縮の繰り返しによる赤外反射基材３と選択吸収膜７との間での剥離が生じにくくなり、太陽エネルギー吸収体１の耐久性を高めることができる。
【００３７】
以上説明した実施形態では、選択吸収膜７を得るための塗料に含まれる金属粉末として、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のすべてを含むことがより好ましいが、この実施形態に代えて、コバルト粉末、ニッケル粉末および銅粉末のそれぞれを含む３種類の塗料を用意し、それぞれの塗料を用いて、塗膜を形成する工程、塗膜を乾燥させる工程、および乾燥した塗膜を焼成する工程を繰り返し実施し、３層からなる選択吸収膜を形成するようにしてもよい。
【００３８】
次に、図２を参照して、上述した製造方法を能率的に実施し得る製造装置１１について説明する。図２において、図１に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
太陽エネルギー吸収体１の製造装置１１において、図示しない搬送ローラ等からなる搬送機構によって、表面２が赤外反射性を有する長尺の赤外反射基材３が長さ方向に搬送される。図２において、搬送方向が矢印１７で示されている。製造装置１１は、このような搬送機構によって搬送される赤外反射基材３の搬送方向に沿って順次配置される、塗布装置１２、乾燥炉１３および焼成炉１４を備えている。この実施形態では、乾燥炉１３および焼成炉１４の双方が１個のトンネル炉１５によって与えられている。
【００４０】
塗布装置１２は、金属粉末、樹脂および有機溶剤を分散混合してなる塗料を収容するタンク１６を備えている。このタンク１６の下方に設けられたスリット（図示せず。）から供給された塗料は、赤外反射基材３の赤外反射性を有する表面２上に塗布され、それによって、塗料からなる塗膜４が赤外反射基材３上に形成される。塗膜４の膜厚は、タンク１６の下方スリットの開口面と赤外反射基材３の表面２との距離によって規定される。
【００４１】
上述した塗布装置１２より下流側にある部分Ａでの中間製品が図１（１）に示した構造物に相当する。
【００４２】
トンネル炉１５の上流側部分に乾燥炉１３が設けられる。ここで、上記塗膜４が乾燥される。
【００４３】
トンネル炉１５の下流側部分に焼成炉１４が設けられる。この焼成炉１４において、乾燥した塗膜４が焼成され、それによって、塗膜４中の樹脂が除去されるとともに、金属粉末を焼結させてなる焼結体からなる選択吸収膜７が得られる。好ましくは、前述したように、この焼成炉１４における焼成雰囲気が中性ないしは還元性となるように制御され、焼成炉１４の出口近傍において、酸素が選択吸収膜７の表面にのみ限定的に吹き付けられ、それによって、選択吸収膜７の少なくとも表面が酸化される。
【００４４】
上述したトンネル炉１５より下流側にある部分Ｂでは、図１（２）に示した太陽エネルギー吸収体１が得られている。
【００４５】
次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。
【００４６】
［実験例１］
まず、各々粒径が０．５μｍのＮｉ粉末、Ｃｕ粉末およびＣｏ粉末を用意し、４０重量部のＮｉ粉末と、４０重量部のＣｕ粉末と、２０重量部のＣｏ粉末と、１重量部の分散剤としてのオレイン酸と、１５重量部のブチラール樹脂と、２００重量部の溶剤としてのブタノールとを、ともにボールミルで１０時間分散混合して、塗料を得た。
【００４７】
次に、上記塗料を、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板（株式会社ニラコ製）上に塗布した後、１００℃の温度に設定されたオーブン中で１０分間乾燥し、表１に示す「膜厚を有する乾燥した塗膜を得た。膜厚については、東京精密製膜厚計（サーフコム）を用いて測定した。表１に示した比較例１および２については、この工程を終えた段階のものを試料とした。
【００４８】
実施例１および２については、上記のように乾燥した塗膜を、中性ないしは酸化性の適切な雰囲気下で、８００℃の温度で焼成した。これによって、塗膜中の樹脂を除去すると同時に、金属粉末を焼結させた。このようにして、赤外反射基材としてのＣｕ板上に、金属粉末を焼結させてなる焼結体からなり、かつ少なくとも表面が酸化された選択吸収膜が形成された、実施例１および２に係る試料を得た。
【００４９】
次に、実施例１および２ならびに比較例１および２の各々に係る試料について、太陽光吸収率αおよび赤外放射率εを評価した。
【００５０】
太陽光吸収率αについては、以下の式に基づいて計算した。
【００５１】
【数１】
2011012867.tif 000003
【００５２】
上記式において、Hλは、ＪＩＳ規定太陽光エネルギー分布（ＪＩＳ  Ｃ８９１１）である。また、分光反射率については、分光光度計（島津製作所製「ＭＰＳ−５０００」)に積分球反射装置（ＩＳＲ−２型）を組み合せて測定した。
【００５３】
赤外放射率εについては、Devices ＆ Services社製の放射率計「ＡＲＥＤ」を用いて測定した。
【００５４】
【表１】
2011012867.tif 000004
【００５５】
表１からわかるように、太陽光吸収率αについては、試料間で有意な差が認められなかったが、赤外放射率εについては、実施例１および２によれば、比較例１および２と比較して、赤外放射率εが小さく、選択吸収性に優れていた。
【００５６】
［実験例２］
実験例２では、表２に記載のような試料１〜６を作製した。これら試料のうち、試料４〜６は、金属粉末として、粒径が１μｍのものを用いた点で、実験例１における実施例１および２の場合とは異なっている。また、試料３および６については、乾燥後の塗膜の膜厚を１０μｍとし、実験例１で作製した実施例１および２より膜厚を厚くした。その他の点については、実験例１の場合と同様の操作を経て、実験例２における試料１〜６を作製した。なお、実験例２における試料１および２は、それぞれ、実験例１における実施例１および２と同じである。
【００５７】
また、評価項目については、実験例１の場合と同様、太陽光吸収率αおよび赤外放射率εを評価するとともに、新たに、選択吸収膜の連続性を目視にて評価した。表２において、この選択吸収膜連続性が良好である場合には、「○」で示し、劣る場合には、「×」で示した。
【００５８】
【表２】
2011012867.tif 000005
【００５９】
表２からわかるように、試料１〜６の全体的な傾向として、実験例１における比較例１および２と比較して、赤外放射率εが小さく、選択吸収性に優れていた。
【００６０】
特定的な試料について見ると、膜厚が粒径に対して２倍未満である試料４では、焼結した選択吸収膜にポアが発生していることが認められ、選択吸収膜連続性を「×」と評価した。この場合、選択吸収膜の被覆面積が比較的小さくなるため、太陽光吸収率αが、他の試料に比べて小さくなった。
【００６１】
次に、膜厚が５μｍより大きい試料３および６では、焼結時の応力により、焼結した選択吸収膜の表面に亀裂欠陥が発生し、選択吸収膜連続性を「×」と評価した。
【００６２】
なお、試料１〜３間の比較、または試料４〜６間の比較からわかるように、膜厚が大きくなると、赤外放射率εが大きくなる傾向が認められた。このことから、膜厚は小さい方が好ましいことがわかる。したがって、小さい膜厚で良好な選択吸収膜連続性が得られやすくするためには、金属粉末としては、より微粒であることが好ましいと言える。しかし、膜厚が過度に小さいと、試料４から類推されるように、太陽光吸収率αが小さくなってしまいやすい。
【００６３】
以上の結果より、薄くて連続性の高い選択吸収膜を得るためには、金属粉末として粒径１μｍ以下のものを用い、乾燥後の塗膜の膜厚は、金属粉末の粒径の２倍以上かつ５μｍ以下であることが適当であることがわかる。
【符号の説明】
【００６４】
１  太陽エネルギー吸収体
２  赤外反射性を有する表面
３  赤外反射基材
４  塗膜
５  金属粉末
６  樹脂
７  選択吸収膜
８  金属酸化物層
１１  製造装置
１２  塗布装置
１３  乾燥炉
１４  焼成炉
【図１】
2011012867.tif 000006
【図２】
2011012867.tif 000007