(57)【要約】  複合半透明太陽光集熱器において、上側透明腔胞スラブ（４）と、内側腔胞スラブ（３）と、前記内側腔胞スラブ（３）の後ろに隣接した発泡材料もしくは繊維性材料よりなる第３スラブを一緒に、個々の温度や膨張率によって夫々が膨張するのを許容するように柔軟な手段（５）に収納している。内側腔胞スラブ（３）の下面を黒色不透明にし、他方の上面を澄んだ透明にして、太陽輻射光の赤外領域における可視成分を集熱器内部で「温室」状態で熱変換する。【選択図】        図１
2008531972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々が分離した溝を持つリブを備えた外側断熱領域と内側断熱領域を有するプラスチック材料よりなる太陽光集熱器であって、
a)  市販製品で見られる澄んだ透明材料よりなり、端部にヘッダー（１５）あるいはこれに類する構成を備え、完全な黒色不透明な背面（１１）と可能な限り澄んだ透明な前面を有し、一方が完全な黒色不透明で他方が完全に澄んだ透明を呈する二重着色壁面を共押し出し成形で形成してなり、内部を縦断して水を循環させて全体に水が入るようにした内側腔胞スラブ（３）と、
b)  太陽輻射光の可視領域に対して澄んだ透明な材料よりなり、内部の空気の漏れを防ぐように閉塞された腔胞を有し、スラブ（３）の前面を断熱する前面腔胞スラブ（４）と、
c)  スラブ（３）に背面断熱性を与えるよう前記腔胞スラブ（３）の後ろに隣接させた発泡材料もしくは繊維性材料よりなる第３スラブ（２）と、
c)  前記３つのスラブと背面枠体（１）を緊密に収納しながらも各スラブの温度および膨張率によって異なる膨張を吸収するＵ字状またはＣ字状の柔軟な窓枠ケース（５）からなり、
太陽輻射光の赤外領域における可視成分への変換を外側面で行わず、集熱器の内部で「温室」状態で行うことを特徴とする太陽光集熱器。
【請求項２】
前記スラブの膨張収縮時に相対摺動しやすいように対向する２つの壁面間に画された密閉空間に形成した自己潤滑材料の薄い層で前記スラブ（２、３、４）を離間させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項３】
内側スラブを、温水あるいは他の熱交換流体に対して抵抗性を示すポリプロピレン、ポリカーボネート、プレキシグラスなどで形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項４】
外側スラブをプレキシグラスあるいは紫外線カットポリカーボネート等で形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項５】
手動もしくは電子的に制御可能なモータによって垂直に回転する軸（１９）を更に備え、枠体（１）を前記軸に固定して、太陽光集熱器を簡便に傾斜可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項６】
ヘッダー（１５）は、腔胞スラブ（３）の端部（１７）に取り付けた水密パイプであり、シール鍔部材（１６）で側部を閉塞したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項７】
腔胞スラブの限られた部分のヘッダー（１５）にリブおよび一方の壁部材を切削加工して溝（３６）を設けてスラブの腔胞を相互に連通させ、接着剤や相性のよい材料で薄板状素材（３５）を接合あるいは溶着して前記溝の水密性を維持すると共に、腔胞の開口端を溶着してシールすることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項８】
前記薄板状素材（３５）または鍔部材（１６）に接着もしくは溶着によってパイプ取付具（１８、３３）を取り付けた構造を用いて腔胞スラブ内部の流体循環を実現したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項９】
温水を貯蔵する貯蔵槽に連携して用い、貯蔵槽の水面にプラスチックフィルムを浮かばせたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光エネルギーの活用を実現するためのもので、太陽光エネルギーを有効利用して電力を生み出したり（光起電力効果）、水（あるいは他の液体）を加熱したりする（熱効果）などの技術範疇に属するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な太陽光集熱装置が現実に商品化されており、副次的態様に応じて違いがあるが、それら装置はおしなべて、黒色のパイプに沸点が高く凝固点が低い熱交換効果の高い液体を入れて循環させる構造を採っている。違いと言えば、通常、集熱装置の幾何学的構造にあり、パイプを使用した場合、集熱材料の性質と集熱装置の断熱方法などが挙げられる。これらシステムの効率はかなり低く、他の加熱設備（通常は伝熱器）と併用され、弱日照時（主に曇天時）の問題を解消している。
【０００３】
エネルギー集積の容量限界の理由は主に次の構成上の２要素によって決まる。
【０００４】
ａ）波長（可視領域から赤外領域(IR)）の変換が集熱液体がパイプ内部を循環しながらも集熱装置の外側面で行われるので、集熱体が黒色であっても実質的に不透明であり、重大な熱損失をもたらすこと。その結果、黒色パイプによる反射と輻射により損失が不可避的に生じる。
【０００５】
ｂ）熱交換流体を使用することで効率が低減すること。
効率を上げるためには、ソーラーパネル製作に高価な材料を使うとパネルの値段が高くなり普及が遅れる。太陽光エネルギー（Ｗ）は地表に普遍的に降り注いでおり、集光エネルギーを高める唯一の方法は太陽光集光表面を大きくすることである。ところが、現在商品化されている高価なソーラーパネルを利用するには不都合があり、つまり、第一に経済的に不利で、第二に集光装置の普及に制限をもたらす技術的な欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は前記の欠点を鑑みて太陽光エネルギーの有効利用を改善し、且つ、容易にすることにある。本発明による太陽光集光器は内部で加熱すべき流体と緊密に接触して可視光波長変換（可視光から赤外領域）を実行することで斯かる目的を実現することができる。下記要素を組み合わせることで特有の効率性を持って斯かる効果をもたらすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１）等間隔のバッフルで離間保持された２枚の平行な壁部材よりなる普通に商品化されている内部気胞ポリプロピレンスラブ（または、他の同様の材料）。２枚の壁部材とバッフルが協働して一連の管状腔胞を形成する。これらのスラブはできるだけ透明な材料で製作すべきである。２枚の壁部材の一方をできるだけ黒色にするように接着剤を用いて共押出成形する。結果としてのシート材は完全な透明な壁部材と完全に不透明の黒色の壁部材とから構成される。スラブ中の腔胞に水を循環させる。そのために、スラブの２つの開口端に２つのヘッダーを取り付ける。これらのヘッダーは管状（スラブ厚より大）になっており、ヘッダーが両スラブ端を覆う長さだけ方向に開いている。スラブ端をヘッダーで閉止したら、スラブと共に適当な接着剤で接着するか熱溶着する。結果的に図２に示す構成が得られる。新たに作製したパイプの両端部が、それらに直交する腔胞と共にパイプ網を形成し、ヘッダーを端部で閉塞し、（４つのうちの）２つにパイプ取付構造を適用している。
【０００８】
２）内側スラブ前に設けられた上部腔胞スラブであって、（紫外光による劣化を防止する外部壁部材と共に）ポリカーボネート、あるいは、より耐久性を持つがより経済的なＰＭＭＥ（ポリメチル・メタクリレート(プレキシグラス)）、あるいは、これに類する他の材料で成形され、前面で断熱エアークッションを形成するために封止された腔胞を有する。
【０００９】
３）ポリスチレン、ポリウレタン、岩綿に類する発泡材料もしくは繊維性材料よりなる第３スラブであって、断熱性を確保するために前記内側透明スラブの裏側に設けられている。
【００１０】
４）構造全体を支持する平坦枠体に一体に欠押したスラブを保持するＣ字状もしくはＵ字状の開放ケースであって、３つの摺動部材に緊密に接しているが、上記の種々の部材が部分毎に構成されても全体に曲げを生じることなくそれらの固有の係数によって個々に伸張可能に設けられている。膨張収縮が生じる際にシートが摺動しやすいように自己潤滑作用を有する薄い枠でシートを離し、２枚の対向するシート間に薄い空間を形成して断熱効果を高めるようにする。
【００１１】
５）全体構造を適宜傾斜できるように手動もしくはモータ（つまり、電子制御）によって垂直に回転駆動される軸を枠体に取り付けている。
【００１２】
各種ソーラーパネルが特許文献に開示されている。たとえば、米国特許第４１１４５９７号公報には、一部が太陽光集熱部で他の部分が太陽光に対して透明もしくは半透明になった単体構成の熱可塑性合成ユニットであるソーラーパネルが開示されている。
【００１３】
本発明のソーラーパネルはこのシステムといくつかの類似点があるが、機能要素を有する基本態様において全く異なる。
【００１４】
第１の根本的差違は、米国特許第４１１４５９７号は名称からも明らかであるが、単体構成の太陽光集熱器であるが、一方、本発明によるソーラーパネルは複合構成の太陽光集熱器であり、２枚の腔胞スラブよりなり、一方の第一のスラブを、欧州特許第１１０２３８号公報あるいは欧州特許第０２８３０７２号公報に開示されているような紫外線カット層との共押し出しポリカーボネート等で成形し、好ましくは、紫外線を輻射する機能を低減させてその影響に耐えるＰＭＭＥで成形するとよい。第二のスラブも同様であるが、黒色ポリプロピレンのみと共押し出し成形された透明ポリプロピレンを用いた点が異なり、一方の壁部材は米国特許第４１１４５９７号公報で見られるバッフルとは異なり、黒色不透明で太陽光エネルギーを吸収するようになっている。米国特許公報との差異は、無腔胞領域と黒色領域とを単一構成で有するパネルの当該２領域の熱膨脹差、つまり、米国特許第４１１４５９７号公報に記載されたようなパネルをかなり長くすると巻き上がりが顕著になるがこの巻き上がりの発生現象に差が生じる。
【００１５】
外部枠体を必要としない米国特許第４１１４５９７号公報との根本的なもう一つの差異は、本発明において２枚の透明スラブの熱膨張差によって起こる巻き上がりを防ぐために２枚の透明スラブと断熱発泡スラブを結合する管状弾性ケースおよび支持枠を備えていることである。更に、上記米国特許第４１１４５９７号公報に記載された第一および第二領域は、本発明において物理的に不連続に離間していることである。断熱空間を付加的に形成するこの不連続構成は、熱膨張時に異なった２枚のスラブ間で起こる摩擦を防止するために有効となる。管状弾性ケースは、支持枠、断熱発泡スラブ、ポリプロピレン、前面透明スラブを一緒に収納する。この方法で、３枚のスラブは、個々の温度に対して固有の温度係数に従って、それらが異なった膨張の影響を受けることなく夫々が自由に膨張できる。こうしたシステムの仕組みによって、各要素は自由な熱膨張が許され、巻き上げ現象を乱すことなく均一に膨張する。
【００１６】
ポリカーボネートは太陽光の紫外線によって劣化し、痛むことが知られており、そのために、外側スラブを外壁部にあたる紫外線から保護する必要がある。
【００１７】
ポリカーボネートのスラブを保護するために様々なシステムが用いられるが、欧州特許第１１０２３８号公報および欧州特許第０２８３０７２号公報には夫々、その方法が提案されている。他に、ＰＭＭＥやこれに類する材料のような紫外線により抵抗力のある異なった材料を使うこともできる。
【００１８】
本発明による解決策は、表面的には、「透明な熱可塑性押出成形シート」を提案する国際特許出願第ＷＯ０３／０８５３２９号公報に記載の構成に若干類似するように見えるが、熱交換流体として作用する「太陽光による熱を吸収する濃色流体」を必要とする技術である。この従来公報では可視光-紫外線変換用の壁部材の背面の内側を暗黒色にすることには触れておらず、内面を暗黒色化することは任意としているが、熱吸収／熱転換の基本的特徴としておらず、基底構造を保護するための補助的絶縁手段として任意に用いている。この従来技術の特有の発想は本発明の機構と完全に異なるところである。更に注目すべきは、当該引用特許の技術では、流体を黒色にしているために流体表面においてのみ熱吸収が行われ、太陽光が透過して黒色背面壁まで到達しにくい。これによって、当該引用技術は、本発明において課題を解決する各種実施態様とは異にし、効率が低いものである。その上、引用特許の技術は集熱の加熱流体への熱交換器を必要とし、結果的に効率の低下を招く。しかも、二重の腔胞シートを用いる可能性を考慮した場合、２枚のシートのうち一方を黒色流体で満たし、他方を空にして単純に半透明にしたことによるシート２枚の熱膨張差のために歪みや巻き上がりを防止する方法が引用特許には何ら示されていない。更なる差異としては、前記引用特許には「最上層の上に太陽熱捕獲層」が設けられており、つまり、黒色熱吸収層で覆ってシステム外へ太陽光を変換（可視光から赤外領域）するようにしていることである。
【００１９】
もう一つ類似すると見られる点は、前記米国特許公報には、底面層を黒色にするか、共押し出し成形の手法から基礎の最上部構造を保護する目的で黒色ライニングもしくはフィルムを貼り付けたり塗布する様々な手法で黒色にすることが記載されていることである。ところが、引用特許の明細書には、黒色流体が太陽光を遮り黒色流体が循環する溝の底面には太陽光が届きにくいことも記載されている。結論としてその差は専門的根拠に基づいている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による太陽光集熱器の断面図である。
図２は、本発明によって改変した単一腔胞の縦断面図である。
図２（２）は、他の実施例におけるヘッダーの図である。
図３は、図１に対応した本発明による太陽光集熱器であって、支持システムと集熱器の勾配態様の概略を示している。
【００２１】
図１において、符号１は枠体であり、集熱器を支持する機能と、後述する図３における軸１９に取り付ける機能を果たすよう連続的もしくは網状を呈している。符号２は、断熱背面パネルの形態を示しており、発泡ポリスチレンもしくはポリウレタンあるいはそれに適応する他の発泡材料、スポンジ材料、繊維材料など断熱性に優れた材料で形成されている。符号３は、０．２５÷０．５０バールの内圧をもたらすように太陽光集熱器の中心を形成する腔胞ポリプロピレンを示している。符号４は、スラブ３を覆う透明な腔胞ポリカーボネートあるいはプレキシグラス（ＰＭＭＥ）よりなるもう一方のスラブを示している。符号５は、本発明の太陽光集熱器の各構成要素を保持する弾性ケースである。前面スラブの腔胞６はリブ７で区画分離されている。符号８は内側スラブ３のリブである。スラブ４の背面壁９はスラブ３の前面壁１０と向き合っている。スラブ３の黒色背面壁は符号１１で示している。符号１２は内側スラブ３の腔胞を示し、符号１３はスラブ４の前面壁を示している。
【００２２】
図２に明示しているように、ヘッダー１５はシール部材１６とスラブ３の共押し出し成形で形成される黒色壁１１で側部が閉塞されている。ヘッダー１５は腔胞スラブ３の端部１７で水密保持されている。４つのシール構造１６のうちの２つにパイプ取付具１８を設けてヘッダーとパイプを外部でパネルに接続している。
【００２３】
図２（２）は別のヘッダー構造を示している。ここでのヘッダーはパイプ利用によらない溝であるが、腔胞スラブの限られた部分に沿ってリブと一方の壁部材を圧延して形成しており、スラブの腔胞を相互に連通させている。そのように開放された溝は、接着剤や相性のよい材料で薄板状素材を接合あるいは溶着するなどして水密性が保たれる。腔胞スラブの内部で流体を循環させる構成は、上記薄板状素材にパイプ取付具を接着あるいは溶着することで実現できる。
【００２４】
この実施例における腔胞スラブは、腔胞スラブの２枚の壁と、これらに介在するリブを一体に溶融して腔胞端をシールすることで水密性を確保している。
【００２５】
図２（２）に示したように、符号３３はパイプ取付具であり、３４は水の損失を防ぐための腔胞端のシールである。符号３６はリブをフライス切削加工して溝を形成する空孔であり、これによってスラブへ水が循環するようにしている。符号３５は前記切削加工した溝の平蓋であり、パイプ頭部３６に変形させている。符号３７は腔胞を摺動させるリブを示しており、符号３８はスラブの２枚の壁である。
【００２６】
図３に、ハンドル２０で太陽光集熱器を回転させる軸の断面を示している。符号２１は軸１９および太陽光集熱器全体を保持する枠体１を支持するスタンドである。符号２２は太陽光集熱器の傾きを調整する手段であり、角度文字や手段２３に対応する文字などを刻印しておく。文字は太陽光の入射角度に対するソーラーパネルの傾斜を最適にするために暦月のイニシャルなどであってもよい。
【００２７】
以下、図面を参照して更に詳細に説明する。
【００２８】
スラブ３は、完全な黒もしくは不透明な一方の壁部材を形成するために木炭粉あるいは他の接着剤との共押し出し成形されたもので、壁部材１１は、光路に対して背面側に位置する。腔胞と前面壁に側面を形成するリブは逆に完全に澄んだ透明にする。腔胞１２は、太陽光で熱せられる水（または、何らかの電熱流体）を収納する。スラブの製作過程で腔胞を閉止しないので、水を循環させる密閉室としての腔胞を形成するために図２および図２（２）にその解決法を示している。
【００２９】
前述したように、符号１７は、市販品スラブの腔胞を示している。符号１５は本発明によるヘッダーであり、このヘッダーをスラブに溶着あるいは接着するために利用される２つの鍔部材の終端となる長さ方向側部で開口している。パイプ１５の両開口端は、パイプ１５に最適に接着あるいは溶着されている栓１６で閉塞している。これらは、各スラブ当たり４つ必要であり、そのうちの２つがパイプ１５の端部を支持している。これら２つの構造の最適な位置は対角状にして、水蒸気がパネル一部に偏りむらにならないようにパネル全体に亘って広がるようにすることが望ましい。
【００３０】
図１のように、ポリカーボネートあるいはプレキシグラス（ＰＭＭＥ）のスラブ４をパネルの前面側に張り付け、充填された水の熱の損失を回避するために全ての処理が行われる箇所でスラブ３の断熱機能を備えるようにしている。この機能はポリウレタン製のスラブ２の機能と同じであるが、光路にあって太陽輻射光の可視範囲に対して完全に澄んだ透明にする。ポリカーボネートあるいはプレキシグラスのスラブはこうした要求を満たすものである。腔胞６の境界を適切に密閉して、空気を外部から内部あるいはその逆に通過させて腔胞から熱が逸失するのを防ぐようにする。前面壁１３、背面壁９、リブ７はできるだけ澄んだ透明にすべきである。図１において断面で示した腔胞６は適度に空気を含んでいる。
【００３１】
ポリカーボネートを用いた場合、紫外線カット機能を持つタイプを選び、ＰＭＭＥは紫外線に効果はないが安価である。
【００３２】
スラブ２、３、４を分離するために、自己潤滑性プラスチック材料の薄い層をスラブ対向面周囲に張り付けるとよく、これによってスラブ３の壁１０をスラブ４の壁９から離間させると共に、スラブ２の前面側をスラブ３の壁１１の背面側から離間させ、同時に、対向する壁の周縁部に熱損失を抑えると共に、光伝送品質を損なう表面傷がつかないようにできる。スラブ２、３の間に光学的問題がなくても、膨張が異なる２つのスラブの摺動を容易にできる利点がある。２つのスラブ間に封入された薄い空気層が漏れ出さないので、気密性を維持できる有利性もある。
【００３３】
図３に示す本発明の最良の実施例の詳細を説明する前に、上述した本発明による太陽光集熱器の作用および市販されている太陽光集熱器との差違について触れてみる。
【００３４】
最初に、地球に届く太陽輻射光について詳述すると、地球に届く太陽輻射光は２５０〜３０００ナノメートルの広い波長を持ち、波長によって夫々特徴がある。（約）４２０〜６７０ナノメートルの波長は可視光（つまり、ヒトが視認できる光）である。太陽輻射光が物体に当たると、反射して目で見える波長領域を除く全ての波長領域が吸収されて物体の色を現す。可視波長領域の全てを反射させると物体は白く見え、反対に、物体に当たる光が全ての波長領域で吸収もしくは反射する成分がない場合、または、可視領域が反射されない場合、物体は黒く見える。後者は、太陽輻射光による熱と相関がある。また、黒色物体の熱が高まると周囲に熱を放出する。この熱放出は、赤外領域、つまり、６７０〜３０００ナノメートルの波長領域で起こることが特徴である。ガラス、ポリエチレン、プレキシグラス、ポリカーボネートなどの素材は可視領域に対して透過性を示すが、赤外領域を遮断する。これらの素材のいずれかで囲まれた閉塞領域に概ね黒色の物体に太陽光の可視領域が当たると「温室効果」が生じる。すなわち、黒色物体内部で生じた熱は開放環境に分散できず、結果として、閉塞領域内で温度上昇して熱が溜まる。
【００３５】
現在市販されている旧来の太陽光集熱器は基本的に黒色のパイプで構成されており、太陽光が外面に当たって加熱する。ソーラー技術は黒色のパイプ材料の特質において曲がり角にきていた。ある種の金属は熱をパイプ内の循環流体に効果的に伝達して加熱できるものもあるが、黒色のパイプは熱を放出し、それも外部に熱を散逸させる。こうした理由で、熱損失を制限する目的でパイプの周囲に「温室効果」を封じ込めてパイプ内の循環流体に熱を伝達しやすくするために黒色パイプを透明な材料（ガラス、ポリカーボネート等）で囲繞された空間に収納される。別の製造メーカーでは次のような異なった方法を採っている。有効であるがかなり高価な構成要素の代わりに、能率は劣るが安価な黒色プラスチック基板（ポリプロピレン等）を用いて金属製よりも安価で広い太陽光露光面を形成する。
【００３６】
本発明の技術的発想はそれとは逆で全く異なる。すなわち、太陽輻射光を吸収する黒色表面を外気に曝したりパイプの外側にあるのではなく、腔胞の内側に設けて「温室効果」領域を形成した特徴を有する。ポリカーボネート、ポリプロピレン、プレキシグラスなどの材料が断熱材料として優れている。結果として、腔胞の内面での作用によって生じる熱は、加熱される水が循環する腔胞の外側に殆ど伝わらない。つまり、熱を引き出す全ての部分に水が完全に接触することで斯かる効果的な状態が実現する。しかも、特に水は高い比熱を持つために熱を蓄積しやすい。
【００３７】
図には示していないが、水を循環させるポンプを用いている。適切に設計することで熱サイフォン効果を有効利用できる。
【００３８】
図３に記載の本発明による最良の実施例の評価検証が可能である。上記で図解した特徴と併せて考えると明らかであるが、太陽光エネルギーの有効利用を最適な物にするためにソーラーパネルの配置勾配が重要な要素である。地表に降り注ぐ太陽エネルギーの実際の量は  E = sen α × W  で求められることが知られている。同式におけるＷは太陽から到達する総エネルギー量であり、αは入射角である。残念ながら２つの共通要素のために角度αは連続的に変化する―つまり、日の出位置から日の入り位置への太陽の移動と、季節によって変化する（水平線上の）太陽の高度である。後者の問題を解決するためには図３に示した実施例が最も適している。図１に示したパネルの枠体を回転軸１９に一体に連結する。スタンド２１によって枠体１を載せた要素と共に回転させるのに十分な高さに地面あるいは床面上からうまく離して保持する。傾斜を変えるには、手動でハンドル２０を操作して行うか、あるいは、手動で操作するウォームギアもしくは電子制御のモータを利用して行うことができる。
【００３９】
毎月あるいは隔週ごとに行う調整では、値(sen α = 1)を得るために正午に入射角９０度になるようにする。この調整を簡単に行うには指針２１を回転軸１９に設けておくと都合よい。指針２１には、季節の変遷に従って月毎の朔日を示す固定指標２３をつけておくと便利である。
【００４０】
本発明の最良の実施例によって、太陽光集熱器は温水を貯蔵する貯蔵槽と一緒に利用するが、温水貯蔵槽の大きさはソーラーパネルの表面に比例する。温水の大きな熱量が放散するのを防ぐために水表面が周囲の空気に触れないようにすることが肝要である。この目的を実現するために、プラスチックフィルムを水面に浮かばせておくとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による太陽光集熱器の断面図である。
【図２】本発明によって改変した単一腔胞の縦断面図である。
【図２（２）】他の実施例におけるヘッダーの図である。
【図３】図１に対応した本発明による太陽光集熱器であって、支持システムと集熱器の勾配態様の概略を示している。
【図１】
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【図２】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月6日(2007.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面断熱スラブ（４）と、内側断熱スラブ（２）と、内側下部二重着色腔胞スラブ（３）を有する温熱のために太陽輻射光の赤外領域における可視成分への変換のための太陽光集熱器において、前記スラブ（３）は
(i)  澄んだ透明な外面（前面）と、
(ii)  黒色不透明な内面（１１）と、
(iii)  腔胞の端部に位置し、前記スラブ内部に水を循環させて全体に水が入らせるスラブヘッダー（１５）を有することを特徴とし、
太陽輻射光の赤外領域における可視成分への変換を前記黒色不透明な内面（１１）で行い、前記黒色不透明な内面（１１）による太陽輻射光の赤外領域における可視成分への斯かる変換を腔胞内で「温室」状態で行い、加熱される水を前記黒色不透明な内面（１１）に完全接触させることを特徴とする太陽光集熱器。
【請求項２】
前記前面腔胞スラブ（４）を太陽輻射光の可視成分に対して澄んだ透明な材料で形成すると共に、内部の空気の漏れを防ぐように閉塞された腔胞を有し、前記スラブ（４）によって内側スラブ（３）の前面を断熱することを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項３】
前記スラブ（２）を、スラブ（３）に背面断熱性を与えるよう前記腔胞スラブ（３）の後ろに隣接させた発泡材料もしくは繊維性材料より形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項４】
柔軟な窓枠ケース（５）に、前記３つのスラブと背面枠体（１）を緊密ながらも、各スラブの温度および膨張率によって異なる膨張を吸収するように収納したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項５】
手動もしくは電子的に制御可能なモータによって垂直に回転する軸（１９）を、簡便に傾斜可能な枠体（１）に更に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項６】
前記スラブ（３）および前記スラブ（４）にスラブを溝状に離間させるリブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項７】
前記内側スラブを、ポリプロピレン、ポリカーボネート、プレキシグラスなどの材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項８】
前記前面スラブを、プレキシグラスあるいは紫外線カットのポリカーボネートなどの材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項９】
前記ヘッダー（１５）が腔胞スラブ（３）の端部（１７）に取り付けた水密パイプであり、シール部材（１６）で側部を閉塞したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項１０】
前記ヘッダー（１５）が、腔胞スラブの限られた部分に沿ってリブと一方の壁部材を切削加工し、スラブの腔胞を相互に連通させるように形成した溝（３６）であり、開放された前記溝を、接着剤や相性のよい材料で薄板状素材を接合あるいは溶着して水密性を確保したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱器。
【請求項１１】
前記薄板状素材（３５）にパイプ取付具（３３）を接着あるいは溶着することで腔胞スラブの内部で流体を循環させるようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の太陽光集熱器。
【請求項１２】
温水を貯蔵する貯蔵槽と共に利用し、貯蔵槽内の水面にプラスチックフィルムを浮かばせたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽光集熱器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  複合透明太陽光集熱器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光エネルギーの活用を実現するためのもので、太陽光エネルギーを有効利用して電力を生み出したり（光起電力効果）、水（あるいは他の液体）を加熱したりする（熱効果）などの技術範疇に属するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な太陽光集熱装置が現実に商品化されており、副次的態様に応じて違いがあるが、それら装置はおしなべて、黒色のパイプに沸点が高く凝固点が低い熱交換効果の高い液体を入れて循環させる構造を採っている。違いと言えば、通常、集熱装置の幾何学的構造にあり、パイプを使用した場合、集熱材料の性質と集熱装置の断熱方法などが挙げられる。これらシステムの効率はかなり低く、他の加熱設備（通常は伝熱器）と併用され、弱日照時（主に曇天時）の問題を解消している。
【０００３】
エネルギー集積の容量限界の理由は主に次の構成上の２要素によって決まる。
【０００４】
ａ）波長（可視領域から赤外領域(IR)）の変換が集熱液体がパイプ内部を循環しながらも集熱装置の外側面で行われるので、集熱体が黒色であっても実質的に不透明であり、重大な熱損失をもたらすこと。その結果、黒色パイプによる反射と輻射により損失が不可避的に生じる。
【０００５】
ｂ）熱交換流体を使用することで効率が低減すること。
効率を上げるためには、ソーラーパネル製作に高価な材料を使うとパネルの値段が高くなり普及が遅れる。太陽光エネルギー（Ｗ）は地表に普遍的に降り注いでおり、集光エネルギーを高める唯一の方法は太陽光集光表面を大きくすることである。ところが、現在商品化されている高価なソーラーパネルを利用するには不都合があり、つまり、第一に経済的に不利で、第二に集光装置の普及に制限をもたらす技術的な欠点がある。
【０００６】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は前記の欠点を鑑みて太陽光エネルギーの有効利用を改善し、且つ、容易にすることにある。本発明による太陽光集光器は内部で加熱すべき流体と緊密に接触して可視光波長変換（可視光から赤外領域）を実行することで斯かる目的を実現することができる。下記要素を組み合わせることで特有の効率性を持って斯かる効果をもたらすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１）等間隔のバッフルで離間保持された２枚の平行な壁部材よりなる普通に商品化されている内部気胞ポリプロピレンスラブ（または、他の同様の材料）。２枚の壁部材とバッフルが協働して一連の管状腔胞を形成する。これらのスラブはできるだけ透明な材料で製作すべきである。２枚の壁部材の一方をできるだけ黒色にするように接着剤を用いて共押出成形する。結果としてのシート材は完全な透明な壁部材と完全に不透明の黒色の壁部材とから構成される。スラブ中の腔胞に水を循環させる。そのために、スラブの２つの開口端に２つのヘッダーを取り付ける。これらのヘッダーは管状（スラブ厚より大）になっており、ヘッダーが両スラブ端を覆う長さだけ方向に開いている。スラブ端をヘッダーで閉止したら、スラブと共に適当な接着剤で接着するか熱溶着する。結果的に図２に示す構成が得られる。新たに作製したパイプの両端部が、それらに直交する腔胞と共にパイプ網を形成し、ヘッダーを端部で閉塞し、（４つのうちの）２つにパイプ取付構造を適用している。
【０００８】
２）内側スラブ前に設けられた上部腔胞スラブであって、（紫外光による劣化を防止する外部壁部材と共に）ポリカーボネート、あるいは、より耐久性を持つがより経済的なＰＭＭＥ（ポリメチル・メタクリレート(プレキシグラス)）、あるいは、これに類する他の材料で成形され、前面で断熱エアークッションを形成するために封止された腔胞を有する。
【０００９】
３）ポリスチレン、ポリウレタン、岩綿に類する発泡材料もしくは繊維性材料よりなる第３スラブであって、断熱性を確保するために前記内側透明スラブの裏側に設けられている。
【００１０】
４）構造全体を支持する平坦枠体に一体に欠押したスラブを保持するＣ字状もしくはＵ字状の開放ケースであって、３つの摺動部材に緊密に接しているが、上記の種々の部材が部分毎に構成されても全体に曲げを生じることなくそれらの固有の係数によって個々に伸張可能に設けられている。
【００１１】
５）全体構造を適宜傾斜できるように手動もしくはモータ（つまり、電子制御）によって垂直に回転駆動される軸を枠体に取り付けている。
【００１２】
各種ソーラーパネルが特許文献に開示されている。たとえば、米国特許第４１１４５９７号公報には、一部が太陽光集熱部で他の部分が太陽光に対して透明もしくは半透明になった単体構成の熱可塑性合成ユニットであるソーラーパネルが開示されている。
【００１３】
本発明のソーラーパネルはこのシステムといくつかの類似点があるが、機能要素を有する基本態様において全く異なる。
【００１４】
第１の根本的差違は、米国特許第４１１４５９７号は名称からも明らかであるが、単体構成の太陽光集熱器であるが、一方、本発明によるソーラーパネルは複合構成の太陽光集熱器であり、２枚の腔胞スラブよりなり、一方の第一のスラブを、欧州特許第１１０２３８号公報あるいは欧州特許第０２８３０７２号公報に開示されているような紫外線カット層との共押し出しポリカーボネート等で成形し、好ましくは、紫外線を輻射する機能を低減させてその影響に耐えるＰＭＭＥで成形するとよい。第二のスラブも同様であるが、黒色ポリプロピレンのみと共押し出し成形された透明ポリプロピレンを用いた点が異なり、一方の壁部材は米国特許第４１１４５９７号公報で見られるバッフルとは異なり、黒色不透明で太陽光エネルギーを吸収するようになっている。米国特許公報との差異は、無腔胞領域と黒色領域とを単一構成で有するパネルの当該２領域の熱膨脹差、つまり、米国特許第４１１４５９７号公報に記載されたようなパネルをかなり長くすると巻き上がりが顕著になるがこの巻き上がりの発生現象に差が生じる。
【００１５】
外部枠体を必要としない米国特許第４１１４５９７号公報との根本的なもう一つの差異は、本発明において２枚の透明スラブの熱膨張差によって起こる巻き上がりを防ぐために２枚の透明スラブと断熱発泡スラブを結合する管状弾性ケースおよび支持枠を備えていることである。更に、上記米国特許第４１１４５９７号公報に記載された第一および第二領域は、本発明において物理的に不連続に離間していることである。断熱空間を付加的に形成するこの不連続構成は、熱膨張時に異なった２枚のスラブ間で起こる摩擦を防止するために有効となる。管状弾性ケースは、支持枠、断熱発泡スラブ、ポリプロピレン、前面透明スラブを一緒に収納する。この方法で、３枚のスラブは、個々の温度に対して固有の温度係数に従って、それらが異なった膨張の影響を受けることなく夫々が自由に膨張できる。こうしたシステムの仕組みによって、各要素は自由な熱膨張が許され、巻き上げ現象を乱すことなく均一に膨張する。
【００１６】
ポリカーボネートは太陽光の紫外線によって劣化し、痛むことが知られており、そのために、外側スラブを外壁部にあたる紫外線から保護する必要がある。
【００１７】
ポリカーボネートのスラブを保護するために様々なシステムが用いられるが、欧州特許第１１０２３８号公報および欧州特許第０２８３０７２号公報には夫々、その方法が提案されている。他に、ＰＭＭＥやこれに類する材料のような紫外線により抵抗力のある異なった材料を使うこともできる。
【００１８】
本発明による解決策は、表面的には、「透明な熱可塑性押出成形シート」を提案する国際特許出願第ＷＯ０３／０８５３２９号公報に記載の構成に若干類似するように見えるが、熱交換流体として作用する「太陽光による熱を吸収する濃色流体」を必要とする技術である。この従来公報では可視光-紫外線変換用の壁部材の背面の内側を暗黒色にすることには触れておらず、内面を暗黒色化することは任意としているが、熱吸収／熱転換の基本的特徴としておらず、基底構造を保護するための補助的絶縁手段として任意に用いている。この従来技術の特有の発想は本発明の機構と完全に異なるところである。更に注目すべきは、当該引用特許の技術では、流体を黒色にしているために流体表面においてのみ熱吸収が行われ、太陽光が透過して黒色背面壁まで到達しにくい。これによって、当該引用技術は、本発明において課題を解決する各種実施態様とは異にし、効率が低いものである。その上、引用特許の技術は集熱の加熱流体への熱交換器を必要とし、結果的に効率の低下を招く。しかも、二重の腔胞シートを用いる可能性を考慮した場合、２枚のシートのうち一方を黒色流体で満たし、他方を空にして単純に半透明にしたことによるシート２枚の熱膨張差のために歪みや巻き上がりを防止する方法が引用特許には何ら示されていない。更なる差異としては、前記引用特許には「最上層の上に太陽熱捕獲層」が設けられており、つまり、黒色熱吸収層で覆ってシステム外へ太陽光を変換（可視光から赤外領域）するようにしていることである。
【００１９】
もう一つ類似すると見られる点は、前記米国特許公報には、底面層を黒色にするか、共押し出し成形の手法から基礎の最上部構造を保護する目的で黒色ライニングもしくはフィルムを貼り付けたり塗布する様々な手法で黒色にすることが記載されていることである。ところが、引用特許の明細書には、黒色流体が太陽光を遮り黒色流体が循環する溝の底面には太陽光が届きにくいことも記載されている。結論としてその差は専門的根拠に基づいている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による太陽光集熱器の断面図である。
図２は、本発明によって改変した単一腔胞の縦断面図である。
図２（２）は、他の実施例におけるヘッダーの図である。
図３は、図１に対応した本発明による太陽光集熱器であって、支持システムと集熱器の勾配態様の概略を示している。
【００２１】
図１において、符号１は枠体であり、集熱器を支持する機能と、後述する図３における軸１９に取り付ける機能を果たすよう連続的もしくは網状を呈している。符号２は、断熱背面パネルの形態を示しており、発泡ポリスチレンもしくはポリウレタンあるいはそれに適応する他の発泡材料、スポンジ材料、繊維材料など断熱性に優れた材料で形成されている。符号３は、太陽光集熱器の中心を形成する腔胞ポリプロピレンを示している。符号４は、スラブ３を覆う透明な腔胞ポリカーボネートあるいはプレキシグラス（ＰＭＭＥ）よりなるもう一方のスラブを示している。符号５は、本発明の太陽光集熱器の各構成要素を保持する弾性ケースである。前面スラブの腔胞６はリブ７で区画分離されている。符号８は内側スラブ３のリブである。スラブ４の背面壁９はスラブ３の前面壁１０と向き合っている。スラブ３の黒色背面壁は符号１１で示している。符号１２は内側スラブ３の腔胞を示し、符号１３はスラブ４の前面壁を示している。
【００２２】
図２に明示しているように、ヘッダー１５はシール部材１６とスラブ３の共押し出し成形で形成される黒色壁１１で側部が閉塞されている。ヘッダー１５は腔胞スラブ３の端部１７で水密保持されている。４つのシール構造１６のうちの２つにパイプ取付具１８を設けてヘッダーとパイプを外部でパネルに接続している。
【００２３】
図２（２）は別のヘッダー構造を示している。ここでのヘッダーはパイプ利用によらない溝であるが、腔胞スラブの限られた部分に沿ってリブと一方の壁部材を圧延して形成しており、スラブの腔胞を相互に連通させている。そのように開放された溝は、接着剤や相性のよい材料で薄板状素材を接合あるいは溶着するなどして水密性が保たれる。腔胞スラブの内部で流体を循環させる構成は、上記薄板状素材にパイプ取付具を接着あるいは溶着することで実現できる。
【００２４】
この実施例における腔胞スラブは、腔胞スラブの２枚の壁と、これらに介在するリブを一体に溶融して腔胞端をシールすることで水密性を確保している。
【００２５】
図２（２）に示したように、符号３３はパイプ取付具であり、３４は水の損失を防ぐための腔胞端のシールである。符号３６はリブをフライス切削加工して溝を形成する空孔であり、これによってスラブへ水が循環するようにしている。符号３５は前記切削加工した溝の平蓋であり、パイプ頭部３６に変形させている。符号３７は腔胞を摺動させるリブを示しており、符号３８はスラブの２枚の壁である。
【００２６】
図３に、ハンドル２０で太陽光集熱器を回転させる軸の断面を示している。符号２１は軸１９および太陽光集熱器全体を保持する枠体１を支持するスタンドである。符号２２は太陽光集熱器の傾きを調整する手段であり、角度文字や手段２３に対応する文字などを刻印しておく。文字は太陽光の入射角度に対するソーラーパネルの傾斜を最適にするために暦月のイニシャルなどであってもよい。
【００２７】
以下、図面を参照して更に詳細に説明する。
【００２８】
スラブ３は、完全な黒もしくは不透明な一方の壁部材を形成するために木炭粉あるいは他の接着剤との共押し出し成形されたもので、壁部材１１は、光路に対して背面側に位置する。腔胞と前面壁に側面を形成するリブは逆に完全に澄んだ透明にする。腔胞１２は、太陽光で熱せられる水（または、何らかの電熱流体）を収納する。スラブの製作過程で腔胞を閉止しないので、水を循環させる密閉室としての腔胞を形成するために図２および図２（２）その解決法を示している。
【００２９】
前述したように、符号１７は、市販品スラブの腔胞を示している。符号１５は本発明によるヘッダーであり、このヘッダーをスラブに溶着あるいは接着するために利用される２つの鍔部材の終端となる長さ方向側部で開口している。パイプ１５の両開口端は、パイプ１５に最適に接着あるいは溶着されている栓１６で閉塞している。これらは、各スラブ当たり４つ必要であり、そのうちの２つがパイプ１５の端部を支持している。これら２つの構造の最適な位置は対角状にして、水蒸気がパネル一部に偏りむらにならないようにパネル全体に亘って広がるようにすることが望ましい。
【００３０】
図１のように、ポリカーボネートあるいはプレキシグラス（ＰＭＭＥ）のスラブ４をパネルの前面側に張り付け、充填された水の熱の損失を回避するために全ての処理が行われる箇所でスラブ３の断熱機能を備えるようにしている。この機能はポリウレタン製のスラブ２の機能と同じであるが、光路にあって太陽輻射光の可視範囲に対して完全に澄んだ透明にする。ポリカーボネートあるいはプレキシグラスのスラブはこうした要求を満たすものである。腔胞６の境界を適切に密閉して、空気を外部から内部あるいはその逆に通過させて腔胞から熱が逸失するのを防ぐようにする。前面壁１３、背面壁９、リブ７はできるだけ澄んだ透明にすべきである。図１において断面で示した腔胞６は適度に空気を含んでいる。
【００３１】
ポリカーボネートを用いた場合、紫外線カット機能を持つタイプを選び、ＰＭＭＥは紫外線に効果はないが安価である。
【００３２】
（削除）
【００３３】
図３に示す本発明の最良の実施例の詳細を説明する前に、上述した本発明による太陽光集熱器の作用および市販されている太陽光集熱器との差違について触れてみる。
【００３４】
最初に、地球に届く太陽輻射光について詳述すると、地球に届く太陽輻射光は２５０〜３０００ナノメートルの広い波長を持ち、波長によって夫々特徴がある。（約）４２０〜６７０ナノメートルの波長は可視光（つまり、ヒトが視認できる光）である。太陽輻射光が物体に当たると、反射して目で見える波長領域を除く全ての波長領域が吸収されて物体の色を現す。可視波長領域の全てを反射させると物体は白く見え、反対に、物体に当たる光が全ての波長領域で吸収もしくは反射する成分がない場合、または、可視領域が反射されない場合、物体は黒く見える。後者は、太陽輻射光による熱と相関がある。また、黒色物体の熱が高まると周囲に熱を放出する。この熱放出は、赤外領域、つまり、６７０〜３０００ナノメートルの波長領域で起こることが特徴である。ガラス、ポリエチレン、プレキシグラス、ポリカーボネートなどの素材は可視領域に対して透過性を示すが、赤外領域を遮断する。これらの素材のいずれかで囲まれた閉塞領域に概ね黒色の物体に太陽光の可視領域が当たると「温室効果」が生じる。すなわち、黒色物体内部で生じた熱は開放環境に分散できず、結果として、閉塞領域内で温度上昇して熱が溜まる。
【００３５】
現在市販されている旧来の太陽光集熱器は基本的に黒色のパイプで構成されており、太陽光が外面に当たって加熱する。ソーラー技術は黒色のパイプ材料の特質において曲がり角にきていた。ある種の金属は熱をパイプ内の循環流体に効果的に伝達して加熱できるものもあるが、黒色のパイプは熱を放出し、それも外部に熱を散逸させる。こうした理由で、熱損失を制限する目的でパイプの周囲に「温室効果」を封じ込めてパイプ内の循環流体に熱を伝達しやすくするために黒色パイプを透明な材料（ガラス、ポリカーボネート等）で囲繞された空間に収納される。別の製造メーカーでは次のような異なった方法を採っている。有効であるがかなり高価な構成要素の代わりに、能率は劣るが安価な黒色プラスチック基板（ポリプロピレン等）を用いて金属製よりも安価で広い太陽光露光面を形成する。
【００３６】
本発明の技術的発想はそれとは逆で全く異なる。すなわち、太陽輻射光を吸収する黒色表面を外気に曝したりパイプの外側にあるのではなく、腔胞の内側に設けて「温室効果」領域を形成した特徴を有する。ポリカーボネート、ポリプロピレン、プレキシグラスなどの材料が断熱材料として優れている。結果として、腔胞の内面での作用によって生じる熱は、加熱される水が循環する腔胞の外側に殆ど伝わらない。つまり、熱を引き出す全ての部分に水が完全に接触することで斯かる効果的な状態が実現する。しかも、特に水は高い比熱を持つために熱を蓄積しやすい。
【００３７】
図には示していないが、水を循環させるポンプを用いている。適切に設計することで熱サイフォン効果を有効利用できる。
【００３８】
図３に記載の本発明による最良の実施例の評価検証が可能である。上記で図解した特徴と併せて考えると明らかであるが、太陽光エネルギーの有効利用を最適な物にするためにソーラーパネルの配置勾配が重要な要素である。地表に降り注ぐ太陽エネルギーの実際の量は  E = sen α ×  W で求められることが知られている。同式におけるＷは太陽から到達する総エネルギー量であり、αは入射角である。残念ながら２つの共通要素のために角度痰ヘ連続的に変化する―つまり、日の出位置から日の入り位置への太陽の移動と、季節によって変化する（水平線上の）太陽の高度である。後者の問題を解決するためには図３に示した実施例が最も適している。図１に示したパネルの枠体を回転軸１９に一体に連結する。スタンド２１によって枠体１を載せた要素と共に回転させるのに十分な高さに地面あるいは床面上からうまく離して保持する。傾斜を変えるには、手動でハンドル２０を操作して行うか、あるいは、手動で操作するウォームギアもしくは電子制御のモータを利用して行うことができる。
【００３９】
毎月あるいは隔週ごとに行う調整では、値(sen α = 1)を得るために正午に入射角９０度になるようにする。この調整を簡単に行うには指針２１を回転軸１９に設けておくと都合よい。指針２１には、季節の変遷に従って月毎の朔日を示す固定指標２３をつけておくと便利である。
【００４０】
本発明の最良の実施例によって、太陽光集熱器は温水を貯蔵する貯蔵槽と一緒に利用するが、温水貯蔵槽の大きさはソーラーパネルの表面に比例する。温水の大きな熱量が放散するのを防ぐために水表面が周囲の空気に触れないようにすることが肝要である。この目的を実現するために、プラスチックフィルムを水面に浮かばせておくとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による太陽光集熱器の断面図である。
【図２】本発明によって改変した単一腔胞の縦断面図である。
【図２（２）】他の実施例におけるヘッダーの図である。
【図３】図１に対応した本発明による太陽光集熱器であって、支持システムと集熱器の勾配態様の概略を示している。
【国際調査報告】
2008531972.tif 000007
2008531972.tif 000008
2008531972.tif 000009