JPS5819016B2 - 太陽熱選択吸収面の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱選択吸収面の製法に係り、特にアルミニ
ウム材料を基材としてその表面に太陽エネルギー利用の
ための効果的な選択吸収膜を極めて再現性よく、確実に
、しかも簡単且つ経済的に形成せしめ得る方法を提供す
るものである。

近年の石油危機以来、エネルギー資源、特に化石燃料の
枯渇化が重大な問題となり、このためエネルギー源を多
方面から求めるべく各種の研究が為されているが、その
中でも太陽エネルギーは地球上の何処にも存在する最も
利用し易いエネルギー源の一つきされ、その利用技術の
開発が急がれている。

ところで、この太陽エネルギーは一般に太陽熱として把
握されるものであって、通常黒色化表面にてその吸収が
行なわれることとなるが、従来の、例えば黒色塗料を塗
布してなる表面などにあっては太陽熱の吸収性能におい
ては優れているものの、その輻射能が高いところから、
吸収されたエネルギー（太陽熱）が赤外線として放射さ
れて（放熱されて）その損失を惹起しており、このため
かかる吸収された太陽熱を適当な変換手段、例えば水に
伝導して、その温度を高めようとしても、充分に高め得
ず、それ故その用途には自ずと制限を受けるなど、太陽
熱が未だ効果的に利用され得ない問題を内在しているの
である。

そして、これを解決するには、太陽エネルギー（太陽熱
）、特に太陽スペクトルの大半を占める可視及び近赤外
波長領域のエネルギーの吸収能が高く、シかも長波長（
赤外線）の領域での輻射能が低いという特徴、換言すれ
ば太陽光をよく吸収しく吸収重大）、吸収面からの熱放
射の小さい（放射率率）光学特性をもつ、所謂選択吸収
膜を開発することが重要な課題とされているのである。

かかる事情の下、本発明者らが選択吸収膜に関して種々
検討した結果、アルミニウム基材上に優れた太陽熱選択
吸収性能を有する黒色系皮膜を形成せしめ得る新しい方
法を見い出し、先に特願昭５３−６２４８０号（特公昭
５７−７３３４号、特許第１１１５９７７号）、同５４
−１５９００号（特公昭５６−３２５３６、特許第１０
８５５２７号）として出願した。

なかでも、後者の手法は、マグネシウム（Ｍｇ）を含む
アルミニウム（Ａ［）合金材！料の平滑な表面を化学皮
膜処理してクロム（Ｃｒ）を含む化成皮膜を形成せしめ
た後、４００〜６００℃の温度にて高温酸化処理を施し
、酸化皮膜を生成せしめるものであり、これによって優
れた吸収率、反射率特性を有する、太陽熱の選択的吸収
性。

能の更に高められた黒色系の酸化皮膜が、安価に且つ簡
便に形成され得る特徴を有している。

しかしながら、かくの如き黒色系酸化皮膜の優れた形成
手法について本発明者が更に各種の条件下に検討を進め
た結果、その最終的な高温酸化処４理工程において処理
材たる化学皮膜処理したＡ［合金材料が時として充分に
着色し得す、従って目的とする黒色系酸化皮膜を与えな
い場合があり、それまで考えられていたかかる方法の再
現性がよいとする利点をいくらか減殺する問題があるこ
とシが明らかとなった。

而して、かかる方法に従う太陽熱選択吸収面の工業的生
産を考えると、この高温酸化処理工程における着色不充
分の問題を解消し、所定の手法を採用すれば、確実に黒
色系酸化皮膜が得られるようにして、その再現性をより
−シ層高めることが望ましい。

ここにおいて、本発明者は、かくの如き問題に鑑み、か
かる高温酸化処理工程について更に鋭意検討した結果、
該高温酸化処理工程では一般に加熱効率を高め且つ均一
な加熱を図ること等のため。

に加熱炉内の雰囲気が積極的にファンなどにて循環、流
動計しめられており、このような炉内雰囲気の流動が処
理材の着色に大きな影響をもたらしている事実を見い出
したのである。

そして、かかる知見を更に発展せしめた結果、高温酸化
皮膜工。

程において処理材を効果的に且つ確実に、再現性高く着
色せしめるには少なくとも該処理材に接する附近の雰囲
気が積極的に流動されないようにして高温酸化処理する
必要があることを更に知見し、本発明を完成させるに至
ったのである。

すなわち、本発明は、Ｍｇを含むｋ１合金材料の平滑な
表面を化学皮膜処理してＣｒを含む化成皮膜を形成せし
めた後、少なくともかかる合金材料に接する附近の雰囲
気を積極的に流動せしめないようにして、４００〜６０
０℃の温度にて高温酸化処理を施し、酸化皮膜を生成せ
しめることを特徴とするものであり、これによって太陽
熱の選択的吸収性能の更に高められた選択吸収面が確実
に、且つ再現性高く、しかも簡単に、経済的に得られる
こととなったのである。

このように、本発明に従えば、Ａｌ材料表面が化学皮膜
処理された後、流動する雰囲気の作用を受けない状態下
において所定の高温酸化処理が施されることにより、該
材料自身内に存在するＭｇと化学皮膜処理にて導入され
たＣｒとの間の作用を効果的に行なわしめ得て、そこに
選択的黒色系皮膜、換言すれば黒色または黒に近い色相
に見える暗色の、太陽光の吸収率の著しく高い、且つ赤
外域の放射率が極めて小さい（反射率大）皮膜が確実に
、再現性高く生成せしめられ得ることとなったのであり
、またこのような皮膜を有する優れた選択吸収面は、先
の出願でも明らかにしたように、基材となるｋ１合金材
料の表面の反射率を９８係以上に特別に調整することな
く、単に工場材として得られる平滑な、充分な光輝性を
有する材料を使用することで充分に提供され得、以てそ
の製造工程の簡略化も図られ得るのである。

ここにおいて、かかる本発明にて用いられる基材は、Ｍ
ｇを含むＡＡ合金材料であって、それのＭｇ含有量は一
般に略０１チ程度から数φ程度、或はそれ以上であり、
該Ｍｇ含有量が高くなればなるほど、Ｃｒ導入割合とも
関連して、後述する高温酸化処理によってより濃色の、
好ましい酸化皮膜が生成せしめられ得る。

しかしながら、Ｍｇ含有量が高くなれば、一般に材質が
硬くなり、加工性が低下するようになるので、基材とな
るｋ１合金材料に要求される加工の程度によって自らそ
の上限は制限を受けることとなろう。

尤も、本発明では、ＭｇとＣｒの相互の作用によって高
温酸化皮膜を濃色化（黒色化）せしめるものであるため
、Ｍｇ含有量の比較的低い、略３係以下程度の材料に対
しても優れた選択的黒色吸収皮膜を生成し得、これが本
発明の大きな特徴となっているのである。

けだし、Ｍｇ含有量が低い材料であれば、またそれは加
工し易いものであるからであり、そしてこれが工場にお
いて冷間圧延で平滑な表面に仕上げられた光輝材料をそ
のまま利用し得ることをも意味しているのである。

なお、Ｍｇを除く他のＡ１合金成分、例えばＣｕ、Ｚｎ
、Ｍｎなどは、本発明に係る選択吸収皮膜の生成に殆ど
影響をもたらさないことが認められている。

また、このようなＭｇ含有Ａ１合金材料は、選択吸収面
として赤外域の放射率εを小さくするために、従来から
認められている如く平滑な表面とされている。

そして、この平滑な表面を得るためには、基材表面の光
輝処理を行なう必要があるが、本発明にあっては従来の
如く反射率９８％以上の厳格な基準が要求されるわけで
はなく、その表面処理程度は６０度鏡面反射率を約５０
係以上、望ましくは６０係以上あればよく、このため工
場での冷間圧延加工による光輝処理によって平滑化され
たＡ７材料（通常６０〜６５係程度の鏡面反射率）であ
っても充分に使用され得ることとなったのである。

即ち、光輝処理として、材料表面をパフ研磨、化学研磨
、電解研磨などの特別の研磨方法を採用して研磨するこ
とが、必ずしも必要ではなくなったのであり、それ数工
程は著しく簡略化され得ることとなったのである。

尤も、材料表面の平滑性（反射率）を高めれば高める程
、赤外域の放射率εを小さくし得るので、前記した特別
の研磨方法の採用は本発明でも否定されるものではなく
、特に本発明にあってはそのような特別の研磨方法で光
輝化された表面が特定の酸化皮膜の生成によってその放
射率εに殆ど悪影響を受けないという利点があるのであ
る。

さらに、このＭｇを含むＡ１合金材料は、その表面の汚
れの程度により、必要に応じて脱脂が行なわれることと
なるが、このとき該材料の光輝面を損なわないように中
性洗剤などの如きノンエツチングタイプの脱脂剤を使用
するように配慮されねばならないことは当然である。

脱脂後、表面の薬剤を除去するために、水洗が施される
。

そして、かかる表面の清浄な、且つ平滑なＭｇ含有Ａ１
合金材料には、本発明に従って、化学皮膜処理が施され
、これによってクロムを含む化成皮膜が形成せしめられ
る。

この化学皮膜処理は、一般にＡｌの塗装下地処理として
行なわれているクロム酸を含む浴にて実施される化成処
理、所謂クロメート法、燐酸クロメート法とも呼ばれ、
例えばアロジン系、ボンデライト系などの市販処理浴を
用いて行なわれるものであって、クロム酸化物、燐酸ク
ロムなどの形態にてＣｒを含有せる化成皮膜を与えるも
のである。

また、かかる化成皮膜に含有せしめられるＣｒ量として
は、通常の塗装下地処理程度で充分であるが、表面皮膜
量のうち全クロム量として一般的には１０〜］、 ＯＯ
ｍｔ２７ｒｒｔ程度であり、少ないＣｒ含有量では充分
にその効果を奏し得す、また余りにＣｒの含有量が高い
と反って後述する酸化皮膜の着色に好ましくない影響を
もたらすこととなる。

なお、このような化学皮膜処理が施されたＡＡ合金材料
は水洗され、表面に付着する薬剤が充分に除去せしめら
れた後、風乾或は強制乾燥によって水洗水の除去が行な
われる。

次いで、かくして得られるＣｒを含有する化成皮膜が形
成されたＭｇ含有Ａ１合金材料には、その表面に黒色の
選択吸収皮膜を生成せしめるために、最終的に少なくと
も４００℃の温度での高温酸化処理が施されることとな
るが、本発明では、かかる高温酸化処理を、少なくとも
該ＡＡ合金材料に接する附近の雰囲気を積極的に流動せ
しめないようにして行なうところに大きな特徴がある。

そして、このために、例えば（ａ）化学皮膜処理された
Ａｌ１合金材料の１個或はその複数個をＡｄ箔などの金
属箔で包んだり、（ｂ）かかる材料の１個或は複数個を
ステンレススチールの如き金属材料などからなる箱体内
に収容したりして、これら金属箔被覆内部（空間）また
は箱体内への外部の雰囲気の自由な流通を遮断せしめる
手法や；また（ｃ）かかる材料の複数個を相互の間隙が
可及的に狭くなるようにして積み重ねることにより、該
材料表面附近における雰囲気の流動を抑制する手法や；
更に（ｄ）加熱炉として密閉式のものを用いて、該炉内
の雰囲気を積極的に循環乃至は流通せしめることなく、
そのまま滞留せしめた中で実施する手法などが好適に採
用されるのである。

また、処理されるべきＡ１合金材料の効果的な加熱処理
や均一な加熱などのために、実用的には、炉内雰囲気を
ファンなどにて積極的に循環し或は流通せしめる炉内雰
囲気循環型の加熱炉が好適に用いられることとなるが、
そのような加熱炉が用いられた場合であっても、前記（
ａ）、（ｂ）或は（ｃ）の手法を採用すれば、効果的な
、再現性のよい着色が達成されるものである。

なお、（ｂ）の手法における箱体は必要最小限の大きさ
とすることが望ましく、また（Ｃ）の手法は処理される
Ａ１合金材料が板状のものである場合において好適に採
用されるものであるが、いずれにしても積み重ねられた
一番上の材料は加熱炉内の雰囲気が流動せしめられてい
る場合において（循環型炉のとき）着色が充分でなく、
犠牲となる。

尤も、この積み重ねられたＡＡ合金材料の上に更に充分
な大きさの保護シート（ダミーシート）を積み重ねたり
或は適当な深さの保護キャップを被せて該積み重ねたＡ
１合金材料群の少なくとも上部を保護するようにすれば
、上記したようなＡ１合金材料の着色不充分による犠牲
は避けられる。

更に、（ｄ）の手法において、好適には、加熱炉はＡ１
合金材料の処理に必要な最小限の大きさとされ、対流な
どによる炉内雰囲気の僅かな流動も極力抑制することが
望ましい。

このように、本発明では、高温酸化処理工程において処
理されるべきＡ［合金材料の少なくとも表面附近の雰囲
気を積極的に流動させないようにすることにより、該材
料の着色の再現性を高めるものであるが、その理由につ
いては未だ明らかにシされていない。

しかし、本発明者が推定したところによると、本発明に
おける化学皮膜処理と高温酸化処理との組合せによる着
色が、材料中のＭｇが加熱により材料表面に拡散し、そ
して化学皮膜処理にて導入されて皮膜内に存在している
Ｃｒと：炉内の雰囲気から供給される酸素と反応するこ
とによって惹起されるものと考えられているところから
、恐らく、材料表面における雰囲気が殆んど流動しない
ことによって、材料内部から表面に拡散してくるＭｇの
拡散速度が抑制されるようにな、るのか、或は前記反応
に必要な酸素量を一定にするようになり、これが材料の
着色の再現性の向上に何等かの寄与を為しているのでは
ないかと考えられている。

なお、かくの如き高温酸化処理工程における処。

理温度が４００℃より低温では所期の選択吸収性能を有
する黒色皮膜を生成せしめることが困難となるのであり
、また温度が６００℃を越えると、選択吸収皮膜の吸収
特性が損われ、且つ表面が荒れてその鏡面性が損われて
放射率εが大きくなる・問題を惹起するので、６００℃
を越える酸化処理は避けなければならない。

特に、好ましい処理温度範囲としては４５０℃乃至５５
０℃である。

また、かかる１合金材料の高温酸化処理に際して、該材
料は前記温度下において一般的には１分間以上保持する
ことが望ましいが、それほど長時間保持する必要はなく
、せいぜい２０．３０分程度までで充分である。

そして、このような高温酸化処理によって、８合金材料
中のＭｇと前記化学皮膜処理にて導入されたＣｒを含む
皮膜との相互の作用に基づき、Ａ１１合金材料の表面に
、選択吸収特性に優れた、充分な着色程度の黒色系皮膜
が再現性よく生成され得るのである。

換言すれば、Ｃｒ・の共存によって、Ｍｇ単独の場合よ
りも遥かに濃色に着色した良好な選択吸収特性の酸化皮
膜が得られるのである。

因みに、かかる本発明に従って得られた酸化皮膜は、そ
の組成分析によって、Ａｊｌ？。

Ｍｇ、Ｃｒ、０などが化学的に結合して形成されたもの
であることが認められており、またその膜厚は一般的に
は大略１μ以下であるものである。

このように、本発明に従えば、Ｍｇと共にＣｒの存在に
よってＡ［合金材料表面上に極めて効果的な選択吸収皮
膜が容易に形成され得るのであり、：しかもその製造に
際しては、高温酸化時における処理材料表面の雰囲気の
流動を抑制せしめることによって、確実に、且つ再現性
高く、所定の太陽熱選択吸収面が得られることとなった
のであり、加えて製造工程が著しく簡略化され得ること
等に；基づくコストダウンも、また本発明の工業的意義
を著しく高めるものである。

以下、実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにす
るが、本発明はこれら実施例の記載によって何等限定的
に解釈されるものでもない。

ｉ実施例 １ 冷間圧延加工によって平滑化されたＡ１合金ＡＡ５２５
２（Ｍｇ含有量；２．５係、６０度鏡面反射率；約６０
係）工場板材を、ノンエツチングタイプの脱脂剤；ディ
プソールｌ＃４７（東栄化、学製）にて脱脂処理した後
、水洗し、つてで燐酸クロメート系処理剤のアロジン４
０１／４５（日本ペイント製）混浴にて４０℃の温度で
５０秒間浸漬処理することにより、Ｃｒを含む化成皮膜
を形成せしめた。

このときの生成皮膜中の全クロム；量は５０ ｍｌ／
ｒｒｌであった。

ついで、この化成皮膜を有するＡ［合金板材を、水洗、
風乾した後、通常の炉内雰囲気がファンによって強制的
に循環せしめられる雰囲気循環式加熱炉内において、大
気下、炉内雰囲気を循環せしめつつ、５００℃の温度に
て２０分間の加熱処理を施したところ、不充分な着色板
材となり、再現性よく黒色の選択吸収皮膜を有する板材
が得られなかった。

この不充分な着色板材は、吸収率α＝０．７５、放射率
ε＝０．３０であり、到底太陽熱選択吸収面として使用
できるものではなかった。

これに対して、前記形成された化成皮膜を有するＡ［合
金板材を水洗し、風乾した後、その複数枚を積み重ねて
Ａ［箔にて包み、上記雰囲気循環式加熱炉内において、
炉内雰囲気を循環せしめつつ、上記と同一の条件下にて
高温酸化処理を施した結果、いずれの板材も効果的に黒
色に着色されており、またこの操作を繰り返しても着色
の不充分な板材の発生は全くなく、著しく再現性よく良
好な黒色着色板材が得られることが明らかとなった。

なお、この得られた黒色着色板材は、吸収率α＝０．９
２、放射率ε−０，０９の優れた太陽熱選択吸収性能を
示すものであった。

実施例 ２ 実施例１において得られた化成皮膜を有するＭ合金板材
を用い、これを、Ａｌ箔にて包むことなく、外部との空
気の出入がなく且つ炉内雰囲気の強制的な循環も行なわ
れない密閉式加熱炉において、実施例１と同一の条件下
に高温酸化処理した結果、吸収率α−〇、９０、放射率
ε＝０．１０の優れた選択吸収性能を示す着色酸化皮膜
を有する板材が再現性よく得られた。

実施例 ３ 実施例１と同様な実験を繰り返したが、化学皮膜処理し
たＡ１合金板材をＡ［箔にて包まずに、その複数枚を積
み重ねて雰囲気循環式加熱炉内に載置して高温酸化処理
を行なった。

その結果、積み重ねた上部の−、二枚が着色の不充分な
板材となった他は、いずれも黒色に着色されて、優れた
選択吸収性能を示す酸化皮膜を有する板材が再現性よく
得られることが認められた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マグネシウムを含むアルミニウム合金材料の平滑な
   表面を化学皮膜処理してクロムを含む化成皮膜を形成せ
   しめた後、少なくともかかる合金材料に接する附近の雰
   囲気を積極的に流動せしめないようにして、４００〜６
   ００℃の温度にて高温。 酸化処理を施し、酸化皮膜を生成せしめることを特徴と
   する太陽熱選択吸収面の製法。 ２ 前記高温酸化処理が、前記化学皮膜処理の施された
   アルミニウム合金材料の１個或はその複数個を、金属箔
   にて包み或は箱体内に収容することにより、雰囲気の自
   由な流通を遮断せしめて行なわれる特許請求の範囲第１
   項記載の製法。 ３ 前記高温酸化処理が、前記化学皮膜処理の施された
   アルミニウム合金材料の複数個を相互の間隔が可及的に
   狭くなるようにして積み重ねて実施される特許請求の範
   囲第１項記載の製法。 ４ 前記高温酸化処理が、炉内雰囲気を積極的に循環乃
   至は流通せしめる加熱炉にて行なわれる特許請求の範囲
   第２項または第３項記載の製法。 ５ 前記高温酸化処理が、炉内雰囲気が積極的に循環乃
   至は流通せしめられない密閉式加熱炉を用いて行なわれ
   る特許請求の範囲第１項記載の製法。