JPS5857665B2 - 太陽熱集熱板の選択吸収面 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 太陽熱集熱器の熱吸収板表面を選択吸収処理する方法は
すでに多数開発され、実用化されているが、低処理コス
ト、高性能を両立させる被膜は未だ実用化されておらず
その開発が望まれている。

代表的な例としてステンレス鋼の表面に化成処理法や高
温酸化法などの簡単な着色法を用いて選択吸収面を得る
処理方法がある。

しかしその吸収特性には限界がある。

すなわちこれらの着色法により作られる被膜は均質な酸
化クロム単相被膜であり、この被膜厚みを匍脚して、太
陽エネルギーの集中する波長帯域で吸収特性を改善する
ことができる。

しかし被膜が単相であるために、光の干渉効果により反
射率にうねりを生ずることになり、これが特性に限界を
生ぜしめる。

太陽熱集熱器の選択吸収面の反射率は短波長側では出来
るだけ低く、２μｍ附近から急激に立上るものが好まし
い。

立上り波長を長波長側に移すには酸化膜の厚みを増せば
良い。

しかし均質な単相被膜では先に述べた理由により短波長
側のうねりが無視できず、反射率を低めることが出来な
い。

また逆に短波長側で反射率を低く押えるには被膜厚みを
薄くすれば良いが、立上り波長を１μｍ以上に長くする
ことは困難で、１μｍ以上の波長域の反射率が大きくな
るという欠点を生ずる。

以上の理由により酸化クロム単層被膜では全波長領域に
わたって好ましい光学特性を得ることができず、熱吸収
特性も十分とは云えない。

以上のような欠点を取除くために本発明では酸化クロム
被膜の上に酸化珪素被膜に形成させ２層化した。

本発明の要点は通常の化成処理法等により、１０００〜
２０００Ａ’の酸化クロム被膜を作り反射率曲線の立上
り波長を２μｍ付近に位置せしめた後被膜表面に１００
〜５００Ａ０の酸化珪素被膜を化学的あるいは物理的に
形成させて２層化することにより単相被膜の有する１μ
ｍ以下の短波長域において反射率が上昇する欠点を無（
し、熱吸収特性を著しく向上せしめる点にある。

このように被膜を２層化することで反射率の改善が可能
となる理由は、下層被膜の酸化クロムの屈折率が約２．
５、上層被膜の酸化珪素の屈折率が約１．５と大きい差
があるために複雑な光の干渉を起すことによる。

本発明の選択吸収面の他の利点は化成処理のみにより生
成した被膜に比べ表面が強固な酸化珪素被膜で覆われて
いるために、加工に耐え、又耐摩耗性のみならず耐熱性
、耐候性にも優れた被膜が得られる点にある。

酸化珪素被膜の形成方法としては、蒸着法、珪酸塩含有
溶液中での浸漬電着処理法、酸化珪素溶液の塗布、乾燥
法などの処理方法を用いることができ、低コストでの処
理が可能である。

さらに、基盤となるステンレス鋼表面にあらかじめ化学
的あるいは物理的手段によって微細な凹凸を形成させ、
波長が１μｍ以下の太陽光線の反射率を低下させて、前
述の二層構造の効果と併せて一層の光学特性を改善する
ことができる。

一般的に微細な凹凸のある金属表面の反射率は凹凸の波
長より長い光線に対しては高い反射率を示し、凹凸の波
長より短い光線に対しては低い反射率を示すことは良く
知られている。

一方本発明のように金属酸化物被膜と酸化珪素の薄膜を
用いて選択吸収面を作る場合には被膜厚みは１０００〜
２０００Ａ’程度であり、凹凸の大きさが１μｍ程度あ
れば、その形状をほとんど損なわずに凹凸表面上に選択
吸収面が形成できる。

したがって、酸化物被膜とその上の酸化珪素薄膜による
選択特性と凹凸による選択特性が重畳して総合的に良い
特性が得られる。

ステンレス鋼板表面に凹凸をつげる方法はグロー放電の
ような物理的あるいは化学腐食液による化学的な処理法
がありうる。

これらの処理は、着色工程（被膜生成処理）の前処理工
報の一部で実行できるので、処理工程を複雑化したり、
コストを増すことにはならない。

化学的に凹凸を形成する方法は特に制約をうけることは
ないが最も簡便な方法は、試料を塩酸に浸漬するが、ス
プレーする方法である。

塩酸濃度は通常５〜１０％位が用いられる。

温度は常温でも良いが、処理時間を短くする観点からは
５０℃以上が望ましい。

また塩酸にフッ酸や過酸化水素を添加することも効果が
ある。

また別の方法として硫酸、リン酸、フッ酸溶液に食塩等
の塩化物を添加した液を用いる方法もある。

また別の方法として塩化第二鉄の水溶液に浸漬、あるい
は該水溶液をスプレーする方法もある。

この場合塩化第二鉄の効果を持続させるため、Ｃｌ３
ガスを吹込みつつ処理をすると良い。

凹凸の大きさは、さし渡しが０．３〜２μｍ１深さ０．
３〜１μｍ程度で、さし渡しが１μｍ以下のものが表面
に一様に分布していることが望ましい。

凹部の密度は、化学腐食液の浸漬時間によっても変化す
るし、浸漬時間が長くなると凹部のサイズが大きくなる
ので、１μｍ以上にならないように注意することが必要
である。

グロー放電により凹凸をつげる場合はサイズのコントロ
ールは難しいが、放電時間を長くすることにより穴の底
が鋭くなり１μｍ以下の凹凸が生ずるようになる。

以下に実施例を示す。

実施例 １ オーステナイトステンレス鋼の代表鋼種であるＳＵＳ
３０４の鋼板表面に第１表に示した条件の黒色酸化処理
を施して酸化クロム皮膜を形成させた後に、蒸着法によ
り５ｉ０２を被覆した。

蒸着は酸化クロム皮膜のある試料を１ｘｉｏ ’〜１
×１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空容器中に納め、電子ビームに
より５ｉ０２を溶解蒸発させ、１秒間蒸着した。

第 １ 表 処理浴 Ｃｒｙ３３００ ？／ｌ Ｈ２ＳＯ４５００ｆ／、！ 温度 ８０℃ 浸漬時間 ６分 第１図に、酸化クロムの単相被膜ａとその上に蒸着法に
より酸化珪素を被覆した被膜すを有する試料の光学特性
を示した。

同図から、酸化珪素蒸着により、短波長域での反射率の
低下と立上り波長の長波長側への推移が達成できたこと
が分る。

また、単相被膜の吸収率αは０．８７、放射率は０．１
３であるが、２層被膜の吸収率αは０．９４、放射率は
０．１３であった。

第２図は２層被膜の構造をイオンマイクロアナライザ（
ＩＭＡ）で調べた例で、被膜の表面から深さ方向の組成
分布を示している。

表面に２００Ａ０程度の珪素（Ｓｉ）が付着しているこ
とが分る。

この被膜は光電子分光装置により酸化珪素（Ｓ１０２）
であることが確認できている。

また下層被膜は約１００ＯＡ’のクロム酸化物が形成し
ていることが分る。

実施例 ２ フェライトステンレス鋼のうち最も良く太陽熱吸収板に
使用される１９Ｃｒ−２Ｍｏ鋼の表面を９０℃、１０多
のＨＣ，／、溶液中に１２０秒間浸漬して鋼板表面に第
３図に示すような凹凸面を形成した。

この試料を第１表に示す処理条件で黒色酸化処理を施し
て酸化クロム被膜を形成させた。

この試料を更にケイ酸コロイド水溶液（ＳｉＯ２として
２０ Ｐ／、！ ）中に浸漬して乾燥した。

このようにして得られた処理面の吸収率αは０．９６、
放射率は０．１６であった。

この光学特性を第１図に凹凸面上２層処理試料Ｃとして
示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化クロム単相被膜とその上に酸化珪素を被覆
した被膜を有する試料およびあらかじめ微細な凹凸面を
形成させた面上に酸化クロムと酸化珪素の２層被膜を形
成した試料特性を示すグラフである。 第２図は酸化クロムと酸化珪素の２層被膜の構造るイオ
ンマイクロアナライザで調べた結果である。 第３図はフェライトステンレス鋼上に微細な凹凸を形成
させた表面の顕微鏡写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ステンレス鋼表面に設けた酸化クロム被膜層の上に
   、さらに該酸化クロム被膜層より小さい屈折率を有する
   酸化珪素の薄膜を１００〜５００Ａ″′の厚さで設けた
   ことを特徴とする太陽熱集熱板の選択吸収面。