(57)【要約】【課題】生産効率が良く、しかも生産コストを低く抑えることのできる高性能な管状部材鋳込み板の製造方法を提供すること。【解決手段】管状部材鋳込み板の製造方法であって、断面凹状の内部空間を有する鋳型と、管状部材と、を用意する工程と、前記用意する工程で用意された前記鋳型と管状部材のうち、少なくとも管状部材を加温手段にて所定の温度まで加温し、加温された管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡して配設する工程と、前記配設する工程で加温された前記管状部材が配設された鋳型の内部空間に、前記管状部材の融点よりも低融点の溶融金属を注入する工程と、前記注入する工程で注入された溶融金属を、前記鋳型の周りに設けられた冷却手段にて急速に冷却する工程と、前記冷却する工程の後、前記鋳型内から、前記管状部材が鋳込まれた管状部材鋳込み板を取り出す工程と、を少なくとも有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材鋳込み板の製造方法であって、
断面凹状の内部空間を有する鋳型と、管状部材と、を用意する工程と、
前記用意する工程で用意された前記鋳型と管状部材のうち、少なくとも管状部材を加温手段にて所定の温度まで加温し、加温された管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡して配設する工程と、
前記配設する工程で加温された前記管状部材が配設された鋳型の内部空間に、前記管状部材の融点よりも低融点の溶融金属を注入する工程と、
前記注入する工程で注入された溶融金属を、前記鋳型の周りに設けられた冷却手段にて急速に冷却する工程と、
前記冷却する工程の後、前記鋳型内から、前記管状部材が鋳込まれた管状部材鋳込み板を取り出す工程と、
を少なくとも有することを特徴とする管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項２】
前記配設する工程において、
前記鋳型と管状部材とを、前記加温手段にて所定の温度まで加温し、前記管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡して配設することを特徴とする請求項１に記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項３】
前記配設する工程において、
前記管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡した後、前記管状部材を配設した鋳型を、前記加温手段にて所定の温度まで加温することを特徴とする請求項１に記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項４】
前記鋳型が、カーボン製であり、耐酸化性処理が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項５】
前記管状部材が、銅製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項６】
前記注入する工程で前記鋳型の内部空間に注入される溶融金属が、アルミニウム溶湯であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項７】
前記加温手段が、電気炉であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項８】
前記冷却手段が、空冷方式であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項９】
前記管状部材鋳込み板が、太陽電池セルの水冷冷却板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【請求項１０】
前記管状部材が、管内に、耐熱性を備えるとともに機械的強度を有する棒状部材を挿通して成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の管状部材鋳込み板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に管状部材が設けられた鋳込み板の製造方法であり、詳しくは太陽電池セルの水冷冷却板として用いられる管状部材鋳込み板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池セルを用いた発電方式は太陽エネルギー利用の本命とされ、市場規模も急拡大している。しかしながら、それでもなお他の化石燃料を使用する発電方式に比べて発電コストが割高とされており、さらなる発電コスト削減が求められている。
【０００３】
また太陽電池による太陽エネルギーの利用効率は現行方式では２０％以下程度であり、これを格段に向上させて有効利用する方式の開発が待たれている。
市販されている太陽電池モジュールの太陽エネルギー利用効率は２０％に満たないものが大半であるが、太陽熱温水器のエネルギー利用効率は５０％を超える高い効率が達成されている。
【０００４】
しかしながら現行の太陽熱温水器では得られた温水の利便性が悪く、普及は停滞してしまっている。太陽電池モジュールによる発電と温水とを同時に得られる方式として集光型太陽電池があるが、市販されている装置は規模も小さく、発電単価も割高なので本格的な普及には至っていない。しかしながら、太陽エネルギーの高効率利用には集光型太陽電池が最も有利であると期待されている。
【０００５】
ところで、集光型太陽電池の本格的普及には幾つかの解決すべき課題があり、その一つとして「安価で高効率な冷却板の製造方法の確立」がある。
集光型太陽電池において太陽電池セルの温度は、数百度以上に加熱されてしまうが、太陽電池セルのエネルギー変換効率は高温になるほどに低下してしまうので、出来るだけ室温程度に冷却しなくてはならない。
【０００６】
安価で熱伝導性の高いアルミニウム材を水冷構造として太陽電池セルの冷却に応用できれば、最も安価で高効率の冷却が可能となる。またアルミニウム板を水冷することによって得られる温水は、農業用や融雪用など様々な用途に有効利用することができる。したがってこのような構成とすれば、極めて効率の高い太陽エネルギー利用機器が実用化され、本格的に普及すると期待されている。
【０００７】
水冷構造のアルミニウム板の製造方法としては、アルミニウム板に水穴を機械加工によって設ける方法や機械加工法によって溝を設け、管状部材を埋め込む方法などがあるが、いずれもコスト高である。
【０００８】
これに対し、鋳造法はコスト的には最も有利であるが、通常の砂型鋳造法では、パイプ鋳込み板の製造は容易ではないため、減圧造型鋳造法（Vacuum Sealed Moulding Process）（Ｖ−プロセス鋳造法ともいう）と呼ばれる方法での生産が必要である。
【０００９】
このＶ−プロセス鋳造法は、図５（ａ）に示したように、まず砂型１００，１０２を成形しておき、次いで図５（ｂ）に示したように、この砂型１００，１０２をそれぞれシート部材１０４で覆い、さらに砂型１００，１０２内部を真空排気して減圧し砂型の強度と熱伝導性を向上させておく。そして図５（ｃ）に示したように、このシート部材１０４で覆われた砂型１００，１０２内に管状部材１０６を配設した後、砂型１００，１０２を閉じ、図６（ａ）に示したように砂型１００，１０２内に溶融金属１０８を注入し、さらに図６（ｂ）に示したように溶融金属１０８が冷却されて固化された後、減圧を解除して大気圧に戻すことにより砂型１００，１０２の型ばらしを行い、管状部材鋳込み板１１０を得るようにしたものである。
【００１０】
このようなＶ−プロセス鋳造法は、精密な砂型とすることができるため、通常の砂型鋳造法と比べてきめ細やかな鋳肌が得られるものであり、より高度な精度が求められる鋳造物に好適に用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このようなＶ−プロセス鋳造法は、生産効率が悪く、生産コストも割高であるため、これに替わる安価で高性能な管状部材鋳込み板の製造方法が求められているのが実情である。
【００１２】
本発明は、このような現状に鑑み、生産効率が良く、しかも生産コストを低く抑えることのできる高性能な管状部材鋳込み板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来の通常の砂型鋳造法では管状部材鋳込み板の製造が困難とされ、Ｖ−プロセス鋳造法では何とか可能となる理由については様々な説が考えられるが、主たる理由は管状部材と溶湯との接触時間の長短に起因するとの説が有力である。
【００１４】
すなわち、通常の砂型鋳造法では注入された溶湯は砂型と接触すると急冷されて接触部では固化するが、砂型の熱伝導性は低いので溶湯全体が完全に固化するにはかなりの時間が必要である。
【００１５】
具体的にどの程度の固化時間になるかは規模、形状などによって様々であり一概には決められないが、Ｖ−プロセス鋳造法では管状部材鋳込み板の製造が可能となることからも、通常の砂型鋳造法では完全固化にかなりの時間が必要であることが実証される。
【００１６】
すなわち、Ｖ−プロセス鋳造法においては砂型は真空排気されているので砂の間に介在する空気が殆ど除かれている。その結果、砂型全体の熱伝導性は通常の砂型鋳造法における空気を内包した砂型に比べて各段に高くなっている。
【００１７】
これにより溶湯の冷却速度が速くなり、結果的に管状部材の素材が溶湯との融合により溶けだす時間が短くなり、安全に管状部材鋳込み板が製造可能となっている。
さらには鋳造に際しては高温の溶湯が注入された瞬間に管状部材が急に加熱されることになるので、熱膨張により変形してしまい正確で精密な管状部材鋳込み板の製造が困難であることも知られている。
【００１８】
従って、管状部材を鋳込んだ管状部材鋳込み板を製造するには次のような技術的課題を解決する手段が求められている。
１）  溶湯を出来るだけ速く冷却して管状部材の素材との反応時間を短縮し、管状部材の素材が溶湯中に溶け出すことを抑止する手段。
【００１９】
２）  管状部材の素材が急激な熱膨張により変形するのを抑止する手段。
管状部材の素材に高温の溶湯が接触して急激な熱膨張により変形するのを抑止するには管状部材の素材の温度を予め溶湯の温度と同等に加温しておけば良いことは自明である。
【００２０】
しかしながら管状部材の温度を高温に加温しておくと溶湯との接触により融合してしまう確率が高くなりそのままでは溶湯との反応により管状部材に穴が開いてしまうことになってしまう。溶湯の注入に際する管状部材の熱膨張を抑止するには管状部材の素材の温度を溶湯と同等に加温する必要があるが注入後にはできるだけ早く冷却して溶湯と管状部材の素材との融合時間を短縮できる方法が必要であることが判る。
さらには管状部材が高温で軟化し、自重で変形してしまうことを抑止する手段も高精度品を製造するには有効である。
【００２１】
本発明は、前述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、
本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
断面凹状の内部空間を有する鋳型と、管状部材と、を用意する工程と、
前記用意する工程で用意された前記鋳型と管状部材のうち、少なくとも管状部材を加温手段にて所定の温度まで加温し、加温された管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡して配設する工程と、
前記配設する工程で加温された前記管状部材が配設された鋳型の内部空間に、前記管状部材の融点よりも低融点の溶融金属を注入する工程と、
前記注入する工程で注入された溶融金属を、前記鋳型の周りに設けられた冷却手段にて急速に冷却する工程と、
前記冷却する工程の後、前記鋳型内から、前記管状部材が鋳込まれた管状部材鋳込み板を取り出す工程と、
を少なくとも有することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記配設する工程において、
前記鋳型と管状部材とを、前記加温手段にて所定の温度まで加温し、前記管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡して配設することを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記配設する工程において、
前記管状部材を、前記鋳型の内部空間の一端から他端をそれぞれ超えるように橋渡した後、前記管状部材を配設した鋳型を、前記加温手段にて所定の温度まで加温することを特徴とする。
【００２４】
このような製造方法であれば、鋳型をそのまま再利用することができるため、生産効率が良く、結果的に生産コストを抑えることができる。
さらに、鋳型の内部空間に注入された溶融金属を、冷却手段にて急速に冷却しているため、管状部材が溶融金属によって変形することを防止することができ、精度良く管状部材鋳込み板を製造することができる。
なお、管状部材のみを所定の温度に加温し、これを加温していない鋳型に配置して溶融金属を注入して同様に急速に冷却して製品を製造してもよいものである。
【００２５】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記鋳型が、カーボン製であり、耐酸化性処理が施されていることを特徴とする。
【００２６】
このようにカーボン製であれば、熱伝導率が高く、機械加工が容易であり、熱衝撃に強いため鋳型に好適である。なお、カーボン製の鋳型は、空気中では６００℃前後で酸化が進むおそれがあるため、鋳型の表面に耐酸化性処理を施せば、酸化を防止することができ、繰り返し鋳型を使用することができ、生産コストを抑えることができる。
【００２７】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記管状部材が、銅製であることを特徴とする。
このように銅製の管状部材であれば、熱伝導率が高いため、冷却目的とする管状部材に好適である。
【００２８】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記注入する工程で前記鋳型の内部空間に注入される溶融金属が、アルミニウム溶湯であることを特徴とする。
このように溶融金属がアルミニウム溶湯であれば、熱伝導率が高く、また入手が容易であるため、太陽電池セルの冷却に好適であり、しかも生産コストを抑えることができる。
【００２９】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記加温手段が、電気炉であることを特徴とする。
このように電気炉であれば、管状部材と鋳型を、所定の温度まで確実に加温することができる。
【００３０】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記冷却手段が、空冷方式であることを特徴とする。
このように空冷方式であれば、溶湯を注入してから管状部材が溶けて破損してしまう前までに、安全な作業環境を維持しつつ急速に冷却して溶湯を凝固させることができる。
【００３１】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記管状部材鋳込み板が、太陽電池セルの水冷冷却板であることを特徴とする。
このように太陽電池セルの水冷冷却板であれば、太陽電池の生産コストを抑えることができ、高性能な太陽電池を安価に提供することができる。
【００３２】
また、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法は、
前記管状部材が、管内に、耐熱性を備えるとともに機械的強度を有する棒状部材を挿通して成ることを特徴とする。
このようにすれば、管状部材が高温下で軟化によって変形することを効果的に抑止することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、鋳型が繰り返し再利用可能であり、生産効率が良いため、生産効率が良く、しかも生産コストを低く抑えることのできる高性能な管状部材鋳込み板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の製造方法にて得られた管状部材鋳込み板の概略図である。
【図２】図２は、本発明の管状部材鋳込み板の製造工程を説明するための工程図である。
【図３】図３は、本発明の管状部材鋳込み板の製造工程を説明するための工程図である。
【図４】図４は、本発明の管状部材鋳込み板の製造現場の概念図である。
【図５】図５は、従来より行われているＶ−プロセス鋳造法による管状部材鋳込み板の製造工程を説明するための工程図である。
【図６】図６は、従来より行われているＶ−プロセス鋳造法による管状部材鋳込み板の製造工程を説明するための工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
本発明は、内部に管状部材が設けられた鋳込み板の製造方法であり、詳しくは太陽電池セルの水冷冷却板として用いられるのに好適な管状部材鋳込み板の製造方法に関するものである。
【００３６】
＜管状部材鋳込み板７０＞
まず、図１に示したように本発明の製造方法にて製造される管状部材鋳込み板７０は、鋳込み板３２の内部に管状部材２０，２０が設けられてなるものである。
【００３７】
このような管状部材鋳込み板７０は、例えば太陽光発電装置などに用いられる太陽電池セル（図示せず）の表面に貼着される水冷冷却板として用いられるものであり、管状部材鋳込み板７０と太陽電池セルとを面状に接触させ、管状部材２０内に水を流すことにより、高温となった太陽電池セルの熱を効率的に放熱するものである。
本発明の管状部材鋳込み板の製造方法では、次のようにして管状部材鋳込み板７０の製造を行っており、製造方法において特徴を有している。
【００３８】
＜管状部材鋳込み板７０の製造方法＞
まず、図２（ａ）に示したように、断面凹状の内部空間１２を有する鋳型１０と、管状部材２０（本実施形態では２本）を用意する。鋳型１０には、予め切欠き部１４が設けられており、この切欠き部１４は管状部材２０に合わせて切欠かれたものである。切欠き部１４の位置は、ちょうど鋳型１０の内部空間１２の下端から上端までの真ん中付近に管状部材２０が位置するように設定されている。
【００３９】
鋳型１０の材質としては、後述する溶融金属３０との反応を抑止でき、熱伝導率が高く、且つ急熱・急冷の繰り返しに耐性を有する耐熱衝撃性の高い材質が望ましく、例えばカーボンを用いることができる。
【００４０】
なお、このようなカーボンは、７００℃近傍では空気と反応して表面が劣化する恐れがある。このため、カーボンからなる鋳型１０を、リン酸カルシウム溶液中に酸化ケイ素および酸化ジルコニウム微粉末を混合した反応液中に浸漬し、５００℃で焼成して表面の耐酸化性を向上させる耐酸化性処理を施すことで、空気中、８００℃の高温下でも安定して使用が可能である。カーボン製の鋳型１０の場合には、鋳型１０の肉厚が１０ｍｍ程度であることが、繰り返しの使用に対する耐性の面、または冷却効率の面で好ましい。
【００４１】
一方、管状部材２０の材質としては、熱伝導率の高い材質であれば良く、例えば銅が好適である。なお管状部材２０は、様々な仕様のものが市販されており、溶融金属３０との関係に合わせて適宜選択することが好ましい。
【００４２】
管状部材２０の長さは、鋳型１０の内部空間１２の一端から他端をそれぞれ超える長さであり、後述するように管状部材２０を鋳型１０の切欠き部１４に配設した際には、管状部材２０が一方と他方の切欠き部１４，１４に橋渡しされるように設定されている。
【００４３】
なお管状部材２０は、このまま使用することができるが、管内に、耐熱性を備えるとともに機械的強度を有する棒状部材を挿通して成るようにしても良い。
このようにすることにより、管状部材が高温下で軟化によって変形することを効果的に抑止することができる。棒状部材の材質としては、例えばセラミックスが好適である。
【００４４】
次いで、図２（ｂ）に示したように、鋳型１０の切欠き部１４に管状部材２０を配設した後、図２（ｃ）に示したように切欠き部１４の上端を埋めるように、漏出防止片１６を、切欠き部１４にそれぞれ嵌入する。これにより鋳型１０に管状部材２０が嵌め込まれた状態となる。漏出防止片１６は、鋳型１０と同材質から成ることが好ましいが、後述する溶融金属３０よりも融点が高い材質であれば、特に同じでなくても良いものである。
【００４５】
なお、鋳型１０の切欠き部１４と管状部材２０との間にカーボン製布を配設して、切欠き部１４と管状部材２０との間を確実に密閉するようにしても良い。
この状態の鋳型１０を、今度は図４に示したように、加温手段４０内に設置し、所定の温度まで加温する。ここで加温手段４０としては特に限定されるものではないが、例えば電気炉を用いることができる。
【００４６】
加温する温度は、溶融金属注入の際に、管状部材２０が熱膨張して変形することを防止するため、溶融金属の温度と出来るだけ近似した温度まで加温し、保持することが好ましい。
【００４７】
加温が終了した後、加温手段４０より鋳型１０を取り出し、図３（ａ）に示したように速やかに鋳型１０の内部空間１２に溶融金属３０を流し込む。
溶融金属３０の材質としては、融点が管状部材２０よりも低く、熱伝導率の高い材質であれば良く、例えばアルミニウムの溶湯が好適である。
【００４８】
そして、直ぐに図４に示したように、この溶融金属３０が注入された鋳型１０を、上下の冷却手段５０，５２にて急速に冷却し、溶融金属３０の固化を行う。冷却手段５０，５２としては特に空冷方式のものが、安全面から好ましい。
【００４９】
なお図４中、符号６０は、加温手段４０や冷却手段５０，５２の操作盤である。冷却手段５０，５２による送風量は、鋳型１０のサイズによっても異なるが、鋳型１０が例えば横１５００ｍｍ×奥行き５００ｍｍ×高さ３００ｍｍ程度の大きさであれば、２〜１０ｍ3／分程度であることが好ましい。
【００５０】
急速に冷却することにより、溶融金属と管状部材との反応による融点降下を出来るだけ抑制することができる。
溶融金属３０が固化されて鋳込み板３２が形成された後は、図３（ｂ）に示したように、鋳型１０から漏出防止片１６を取り外し、さらに鋳型１０から鋳込み板３２を取り外す。
【００５１】
これにより、図１に示したような管状部材鋳込み板７０が得られる。
本発明の製造方法で用いられる鋳型１０および漏出防止片１６は、図２（ａ）〜図３（ｂ）に示した製造工程にて再利用することができるため、従来のＶ−プロセス鋳造法などのように毎回型ばらしを行う必要がなく、生産効率が良く、しかも生産コストを低く抑えることができるものである。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の管状部材鋳込み板の製造方法はこれに限定されることはなく、例えば管状部材２０の本数も本実施形態のように２本に限定されるものではなく、また管状部材２０の位置も鋳込み板３２の層厚の真中ではなく一方側に偏って配置されていても良いものである。
【００５３】
さらには、上記した実施形態では、まず鋳型１０に管状部材２０を配設してから、これを加温手段４０で加温しているが、これに限定されるものではなく、管状部材２０だけを加温し、これを加温していない鋳型１０に配設したり、鋳型１０と管状部材２０を別々に加温手段４０で加温した後、加温した鋳型１０に加温した管状部材２０を配設するようにしても良く、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００５４】
１０・・・鋳型
１２・・・内部空間
１４・・・切欠き部
１６・・・漏出防止片
２０・・・管状部材
３０・・・溶融金属
３２・・・鋳込み板
４０・・・加温手段
５０・・・冷却手段
５２・・・冷却手段
６０・・・操作盤
７０・・・管状部材鋳込み板
１００・・・砂型
１０２・・・砂型
１０４・・・シート部材
１０６・・・管状部材
１０８・・・溶融金属
１１０・・・管状部材鋳込み板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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