JPS6014276B2 - 太陽エネルギ−吸収体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽エネルギーを有効に熱吸収し、且つ蓄え
られた熱の放散の少ない太陽エネルギー吸収体に関する
。

一般に、太陽エネルギーを吸収し熱に変換する吸収体で
は、吸収体が接触する空気層の体流及び熱伝導による熱
損失と、吸収体表面からの大気中への放射による熱損失
とを合わせた全熱損失量の大小により、到達限界温度、
即ち、その吸収体が熱吸収と熱放散のバランスを保ちつ
つ到達し得る最高温度が定められる。

そして同一表面積を有する各種の物質からなる吸収体に
おいて、空気層の対流及び熱伝導による熱損失量は、吸
収体を構成する材質、種類等にはあまり依存せず、単に
吸収体の温度と周囲の温度の差に比例するのみである。

これに対して大気中への放射による熱損失量は、吸収体
温度の４乗と周囲の温度の４乗との差に比例し、且つ吸
収体を構成する材質に大きく依在する。したがって放射
による熱損失量の差は吸収体の種類により顕著になるば
かりか高温になると一層大きなものとなる。それ故、吸
収体の到達限界温度は吸収体の形状材質等により異なり
、その熱放射能によって大きく影響される。

つまり、熱放射能の小さい、即ち、熱放射損失量の少な
い物質からなる吸収体は太陽エネルギーをよく吸収し短
時間に高温に達するのである。ところで、物質の熱放射
エネルギーは同温度にある理想黒体、即ち、放射される
電磁波を波長に依在せず完全に吸収する物体からの放射
による熱エネルギーに比して必ずそれよりも小さく、そ
の比は熱の放射率と呼ばれ、熱放射能の大小はこの熱の
放射率の大小で表わされる。又、太陽光は可視及び近赤
外領域の電磁波が大部分であり、一方物体から熱放射さ
れる電磁波は赤外領域中に分布している。

したがって、太陽エネルギー吸収体としては、可視及び
近赤外領域の電磁波を良好に吸収し、しかも赤外領域の
電磁波を放射せず容易に高温に達する条件を具えたもの
が要求されるのである。

従来、太陽熱温水器等に適用される太陽エネルギー吸収
体として、金属材料を基村としその表面を単なる顔料等
で黒色塗装したものや、黒色に着色したプラスチック成
形体等が用いられていた。しかし、これらの吸収体は塗
装面の劣化による剥離や耐膜性、耐熱性等の耐久性が充
分でなかった。

また、この様な方法で黒色化した太陽エネルギー吸収体
は、その熱放射能に於ていわゆる理想黒体に類似してい
るために、太陽光のうち大部を占める可視、近赤外領域
の電磁波を良好に吸収するが、同時に赤外領域に於ける
熱放射能を大きく、為に空気その他への熱伝導のみなら
ず放射による熱損失が大きかった。因って温水器として
上記のような太陽エネルギー吸収体を用いた場合は、高
温水を高効率で且つ多量に得ることが困難であった。

一方このような欠点を除去するものとして、従来一般に
選択吸収体と称されている。

太陽エネルギーの大部を占める波長城の電磁波を良好に
熱吸収し他方吸収体表面からの放射による熱損失が極め
て少ないという太陽エネルギー吸収体もいくつか知られ
ている。例えば、亜塩素酸ナトリウム及び水酸化ナトリ
ウムを含む濃厚溶液を用いて金属鋼の表面を酸化して黒
色化したものや、鋼又はアルミニウム基板上に、ニッケ
ル−亜塩合金を、例えばチオシアン酸アンモニウムを含
む溶液中で、電着により析出させると同時に硫化物に変
化させたものがある。

しかしながら、前者の選択吸収体の調整には１３０午０
以上の高温処理を必要とし、また不安定な亜塩素酸塩を
用いるため副反応を伴い易く、基板上に均一な表面処理
皮膜が形成され難く、従って電磁波吸収及び熱放射能が
不安定であり、更に処理液の廃液処理の際塩素ガスを発
生する如き困難を起す等の欠点があった。また、後者の
選択吸収体の場合は、鰭着により皮膜を生成させるので
基村自身に安定に密着さしめるには、基材の前処理過程
を極めて厳密に行なう必要があり、その故前処理の良否
が皮膜のェネルギ−吸収、熱放射能に影響を及ぼし、為
に均一な性能を得ることが困難であった。本発明は叙上
の如き従来の太陽エネルギー吸収体の欠点を解消し、太
陽エネルギーを有効に熱吸収し且つ蓄えられた熱の放散
の少ない太陽エネルギーの選択的吸収体を提供すること
を目的としてなされたものである。本発明者等はかかる
太陽エネルギー吸収体を見し、出すべく基材および表面
処理の方法について鋭意研究した結果、銅若し〈は鋼合
金からなる基材の表面を特定の処理液で処理することに
より黒色乃至黒褐色に着色した皮膜を密着性よく生成さ
せ、それによって太陽放射エネルギーを有効に熱吸収し
且つ蓄えられた熱の放散の少なし・ト太陽エネルギーの
選択的吸収体が形成されることを見出した。

特定の処理液とは過硫酸又はその塩を含むアルカリ性水
溶液であって、該溶液に活性化の手段が施されてなるも
のである。

本発明の吸収体の基材の材料は金属鋼又は鋼合金であり
、銅合金としては、任意の銅合金、例えば銅と亜鉛、ス
ズ、ニッケル、ケイ素、クロム、鉄、ベリリウム、チタ
ン、アンチモン、リン、カドミウム、ジルコニウム、コ
バルト等との合金である。

銅合金中の銅含有量は５の重量％以上であることが好ま
しい。本発明において上記基材の表面を処理するために
用いられる処理液は、先ず過硫酸又はその塩を含むアル
カリ性水溶液よりなる。

この処理液調製に用いられるアルカリ化合物は、アルカ
リ金属の水酸化物又は炭酸塩であり、例えば水酸化ナト
リウム、水酸化カリウム及び炭酸ナトリウムが好適に用
いられる。過硫酸塩としては、アルカリ金属の過硫酸塩
及び過硫酸アンモニウムが挙げられ「これらのうち、過
硫酸ナトリウム及び過硫酸カリウムが殊に好ましく用い
られる。処理液は、上読過硫酸又はその塩の少なくとも
一種を、上記アルカリ化合物の少なくとも一種を含む水
溶液へ添加することによって調整される。過硫酸を用い
た場合は、それはアルカリ水溶液中でアルカリ金属の塩
になる。処理液がアルカリ性でないと過硫酸塩が前記銅
もし〈は鋼合金基材の表面に対して活発に働かず過硫酸
塩は一般に酸性溶液中ではその分解が進行してしまうの
で、処理液はアルカリ性となすのがよく、好ましくは強
アルカリ性の方がよい。

従ってアルカリ性水溶液としては、水１〆に対し上記ア
ルカリ化合物を１０＃乃至３３０タ含むのが好ましく、
特に好ましくは３０夕〜１００タ含むのがよい。そして
該処理液に含まれる過硫酸又はその塩の量が小な過ぎる
と、処理能力が小さくなり、所要処理時間が長くなりま
た所要処理液温度が高くなり、一方又処理液に含まれる
過硫酸又はその塩の量が多くなり過ぎると、反応速度が
大きくなり過ぎ、その結果形成される皮膜の厚さは却っ
て薄くなり、そして処理むらや処理時間が短かくなり過
ぎて調節が難かしくなる。

又、逆に処理液の温度が室温近く低温になり、強アルカ
リ性では過硫酸塩から生成され、活性酸素源である過酸
化水素が安定であるので「過硫酸塩の濃度は比較的低く
てよく、溶解度も２０夕／ぐ程度である。

処理液が８０℃沸騰状態であって、比較的弱アルカリ性
では過酸化水素が不安定であるので、過硫酸塩の濃度は
比較的高くなければならないが、濃度が高過ぎれば、前
記したように、反応が速くなり過ぎ酸化皮膜の最高厚み
が得られないので注意を要する。かくして水１のこ前記
アルカリ化合物が１０多乃至３３０タ含まれているアル
カリ水溶液に、水１夕に対して過硫酸塩が１タ乃至５０
０タ溶解されるのが好ましく、特に好ましくは過硫酸塩
５夕〜１００タ溶解される。更に本発明者らは、上記処
理液に対し更に例えばクロム酸カリウムの如き酸化剤の
少量を添加するか或いは表面処理過程における処理液に
紫外線又は超音波を照射することによって処理液を活性
化すると、皮膜形成速度が大きくなり処理温度を低温側
に移行せしめうろことを見出した。

追加的に添付される該酸化剤の量は、過硫酸塩の重量の
約５％で充分である。

処理液の活性によれば、詳細な解明はなし得てし、ない
が、Ａ２Ｓ２０３十日２０→２ＡＨＳＱ十日２０２（Ａ
はアルカリ金属）に示す反応において、反応中間物の生
成があり、該反応中間物の存在により酸化力の増大と、
そのコントロールが容易になし得るものと考えられる。

処理液の温度は室温乃至１００℃が適当であり殊に好ま
しくは４０こ○〜８０℃の温度範囲が適用される。

処理液それ自体は水溶液であるから、１００００を超え
る温度においては、水の多量の蒸発を伴ない作業性が悪
くなり、一方温度が４０℃より低いと所要時間が長くな
る。処理液の温度が４０℃〜８０ｑｏの場合、処理時間
は約１分乃至約２０分の如き短時間で充分に足り、それ
以上処理時間を長くしても生成される皮膜の厚さには殆
んど影響しない。そして、処理液がクロム酸カリウムの
如き酸化剤の少量添加あるいは紫外線又は超音波の照射
によって活性化されると、処理液の温度は低温側に移行
でき、処理に要するエネルギーを削減でき、取扱いも容
易になるのである。上記処理液を用い銅又は鋼合金の基
材の表面を処理するには、適当温度の処理液を基材表面
に対し、例えば浸・糟又は撒布の如き手段によって、接
舷せしめればよい。

それによって基村表面に、比較的短時間で、黒色乃至黒
褐色の酸化鋼の皮膜が形成されるので、その后、水洗に
よって表面に付着している処理液を除去し、次いで乾燥
する。該皮膜は、大部分が酸化第２銅より成り、少量の
酸第１銅を含んでいる。かくして基材表面上に形成され
る酸化鋼皮膜の厚さは約０．２〜０．６ミクロンであり
、そしてかような範囲の厚さの皮膜を有する太陽エネル
ギー吸収体が所期のすぐれた諸性質を発現することが見
出された。

換言すれば、銅又は銅合金基材の表面に、上記した成分
、濃度範囲そして活性化された処理液を殊に温度約４０
午０〜８０ｑＣにおいて、比較的短時間接触せしめれば
、基村表面上に厚さ約０．２〜０．６ミクロンの酸化鋼
皮膜が形成され、好ましい太陽エネルギー吸収体が得ら
れることが見出された。

皮膜の厚さが０．２ミクロンよりも小さいと、太陽エネ
ルギーの吸収館「たとえば吸収率が低く、そして０．６
ミクロンより大きいと吸収したエネルギーの放出量、た
とえば放射率が大きくなる。酸化鋼皮膜の厚さは殊に好
ましくは０．４ミクロン又はその付近である。該皮膜の
厚さは光学的に測定することができ、従って所望特定の
厚さの皮膜を得ようとするならば、予備的テストにより
、上記所定範囲内で処理液の濃度、その温度、及び適当
な処理時間を予め定めることも可能である。本発明者等
の実験によれば、叙上の如き表面処理の結果得られる太
陽エネルギー吸収体は、可視及び近赤外領域の電磁波の
吸収率が大きく、太陽エネルギーの熱吸収が良好であり
、且つ赤外領域に於ける放射率が小さく放射による熱損
失が少ない。

そして短時間のうちに熱エネルギーが蓄積して高温を得
ることができ、又長時間にわたって高温を保持すること
ができ、吸収した太陽エネルギーを有効最大限に利用す
ることができ、太陽熱利用温水器等の太陽エネルギー吸
収体として好適に使用されることが確められたのである
。

表面処理は、基材の必要な表面に対してのみ行なわれ、
不必要な表面は処理液に接触しないように予め、適当に
カバーしておくことができる。表面処理された太陽エネ
ルギー吸収体は表面処理層が剥離することなく耐久性に
鰻れているので太陽エネルギー吸収体として好適に使用
される。次に本発明の実施例及び比較例をあげて本発明
を更に詳細に説明する。

実施例 １ 水１のこ水酸化ナトリウム５０夕、過硫酸カリウム２０
夕を溶解して処理液を作成した。

この処理液を４０『０に保持し、その中に幅５肌、長さ
６節、厚さ０．３伽の純鋼板（純度９９．９％）を１０
０Ｗ水銀ランプを照射しつつ５分間浸澄し、充分に水洗
し乾燥させて太陽エネルギー吸収体とした。形成された
酸化鋼皮膜の厚さは約０．２５仏であった。実施例 ２
実施例１と同じ処理液を４０ｑ０に保持し、この実施例
１と同じ大きさの純鋼板（純度９９．９％）を２雛ＨＺ
の超音波を照射しつつ５分間浸潰した後充分に水洗し乾
燥させて太陽エネルギー吸収体とした。

実施例 ３ 水１のこ水酸化ナトリウム５０夕、過硫酸カリウム２０
夕、クロム酸カリウム１夕を溶解して処理液を作成した
。

この処理液を４０ｑｏに保持し、これに実施例１と同じ
大きさの純鋼板（純度９９．９％）を７分３硯砂浸潰し
た後充分に水洗し乾燥させて太陽エネルギー吸収体とし
た。

比較例 １ 水１そに水酸化ナトリウム１００２、と亜塩素酸ナトリ
ウム５０夕を溶解して処理液を作成した。

この処理液を１３０ｑｏに保持し、これに実施例１と同
じ大きさの純鋼板（純度９９．９％）を１５分間浸潰し
た後充分に水洗し乾燥させて太陽エネルギー吸収体とし
た。比較例 ２ 比較例１と同じ処理液を９０ｑ０に保持し、これに実施
例１と同じ大きさの純鋼板（純度９９．９％）を４５分
間浸潰した後充分に水洗し乾燥させて太陽エネルギー吸
収体とした。

比較例 ３ 実施例１と同じ大きさの純銅板（純度９９．９％）の外
表面を標準黒色塗料（スリーエム■製商品名「ネクステ
ルブラック」）で塗装して太陽エネルギー吸収体とした
。

次に、上記実施例及び比較例の吸収体の諸性能を測定し
た結果を示す。

叙上の各太陽エネルギー吸収体の可視及び近赤外領域で
の吸収率を酸化マグネシウムを標準として積分球式光電
光度計を用いて反射率を測定することにより求めた。

第１表 本発明太陽エネルギー吸収体の吸収率は従釆から知られ
ている亜塩素酸塩溶液で処理した選択吸収体と同等もし
くは優れており、黒色塗装した吸収体に匹敵している。

次に叙上の各太陽エネルギー吸収体を５０℃、１００℃
、１５０ｑｏとした試料についての熱の放射率を測定し
た結果を第２表に示す。熱の放射率の測定は、放射率測
定装置（ェミッソメータ）を用い、高温度側標準熱源と
低温度側標準熱源の中間に温度検出器を設置し、このと
き温度検出器の両面と低温度側標準熱源の表面は吸収率
＝放射率＝１であるようにそれらの面を黒色塗装によっ
て処理し、高温度熱源の表面に所定温度の試料を取りつ
け、これらを熱伝導が殆どない高真空中に設置して２岬
時間後、高温度側標準熱源、温度検出器、低温度側標準
熱源の各々の温度、即ちＴ，，Ｔ２，Ｔ３を測定し、求
める試料の放射率ごを次式により求めた。

Ｔ２４−Ｔ２４ ご：ＴこＦ 第２表 第２表から明らかなように、本発明太陽エネルギー吸収
体の５０ｑｏ〜１５ぴ０に於ける熱の放射率の値は他の
吸収体に比べて著しく４・さく、従って本発明太陽エネ
ルギー吸収体は長時間高温を維持することができるので
ある。

次に叙上の各太陽エネルギー吸収体のいくつかについて
赤外部に於ける分光反射率を２．５〜１５〆の波長領域
について、赤外分光光度計に反射スペクトル測定用のア
タッチメントを取り付けて入射角３０ｏにて測定した。

第１図は上記測定結果のグラフである。図中曲線に付し
た数字番号は実施例の番号でありカッコでかこまれた数
字番号は比較例の番号である。

キルヒホッフの法則から不透明物質に於ては、ある波長
入に於ける吸収率Ｑ、放射率ご、反射率ｙとしたときＱ
＝ご＝１一ｙなる関係がある。

即ち、反射率の高い物質は放射率が低いことを意味する
。又、通常１０ぴ○付近の物質表面から熱放射される電
磁波は波長５ム〜８〃の赤外領域に分布している。第１
図から明らかなように、本発明太陽エネルギー吸収体は
、いずれも波長６ム付近で反射率は約０．９以上の値を
示し、従って１００００付近の吸収体からの熱放射はほ
とんど無いか又は極めて小さいことを示している。

したがって本発明の太陽エネルギー吸収体は太陽エネル
ギーを良好に吸収し、しかも熱放射が少ないために従来
の吸収体に比べて熱吸収効率が優れていることは明白で
ある。叙上の如く本発明太陽エネルギー吸収体は、上記
の構成になされているので、表面処理層と基材との密着
性が極めて良好であり、しかも作製方法が容易で安全性
が高く、従来のプラスチック製のものに比べて耐熱性、
耐候性、耐久性のいずれにも優れ且つ熱媒体との熱交換
効率が高い。

又、本発明太陽エネルギー吸収体が、活性化の手段が施
された処理液で処理されたものであるので、処理された
皮膜の形成速度が大きくなり、処理温度をして更に低温
側に移行せしめることができ、処理液を高温に保持する
エネルギーを削減することができ、取扱いも容易になる
のである。

そして本発明太陽エネルギー吸収体は、太陽エネルギー
の熱吸収館が大きく熱放射が少ないので、短時間のうち
に熱エネルギーが蓄積して高温を得ることができ、また
熱放射が少ないので長時間にわたって高温を保持するこ
とができ、太陽エネルギーを有効最大限に利用すること
ができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明太陽エネルギー吸収体と従来の吸収体の
分光反射率を測定したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属銅芳しくは銅合金基材の表面が、過硫酸又はそ
   の塩を含むアルカリ性水溶液であつて該溶液に活性化の
   手段が施されてなる処理液で処理されたことを特徴とす
   る太陽エネルギー吸収体。 ２ 活性化の手段が紫外光の照射である特許請求の範囲
   第１項記載の太陽エネルギー吸収体。 ３ 活性化の手段が超音波の照射である特許請求の範囲
   第１項記載の太陽エネルギー吸収体。 ４ 活性化の手段が酸化剤の添加である特許請求の範囲
   第１項記載の太陽エネルギー吸収体。 ５ 酸化剤がクロム酸カリウムである特許請求の範囲第
   ４項記載の太陽エネルギー吸収体。