JP2014521586A - 倍強度真空ガラス - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の課題は、断熱性と高強度を満たし、破損時の安定性を期待できる倍強度真空ガラスを提供することである。
【解決手段】本発明にかかる倍強度真空ガラスは、一定間隔離隔されて配置された複数の板ガラス;と、前記板ガラス間に介在して前記板ガラスの間隔を維持する複数のスペーサー；と、前記板ガラスの周縁に沿って配置し前記板ガラスを密封接着するシール材；を含み、前記板ガラスの密封接着後の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空ガラスに関するものであり、より詳しくは表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たす倍強度真空ガラスに関する。
建物の冷暖房のために消費されるエネルギーは、総エネルギー消費量の２５％程度を占めている。
このうち、建具を通じたエネルギーの損失は建物全体のエネルギー使用量の約３５％に至る。これは、建具の熱還流率（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）が壁体や屋根の２倍ないし５倍程度に大きく、建具が建物外皮のうち断熱の面で最も脆弱な部位であるためである。それにより、建物におけるエネルギーの節約はもちろん、国家全体のエネルギーの節約の面でも壁体のような熱還流率を有する断熱性能に優れた建具の開発が要求されている実情にある。
建具は、一般的に、枠を形成するフレームと、フレームに結合されるガラスに分けられるが、建具において熱エネルギーの流出は、建具の大部分の面積を占めているガラスで主に発生し、これを画期的に減らすことができる真空ガラスが脚光を浴びている。
真空ガラスは、二枚の板ガラスの間に真空層を形成したものであり、 Ｌｏｗ―Ｅガラスと共に使用することにより、気体の伝導、対流、輻射による熱損失を最小化したガラスである。
このような真空ガラスは、近年、高い耐風圧性が要求される高層建築物の窓ガラスに使用される場合があるが、この場合は、断熱性能と共に真空ガラスの強度が重要な要素として作用する。
一方、真空ガラスの強度を考慮する際には、破損状態を考慮する必要がある。強度が高いガラスとしては、表面圧縮応力によって強化ガラス（Ｔｅｍｐｅｒｅｄ Ｇｌａｓｓ）と倍強度ガラス（Ｈｅａｔ−Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ Ｇｌａｓｓ）に分けることができるが、前記の強度が高いガラスの破損状態を調べると、強化ガラスは、破損時の破片の数が多いため高層建築物に使用する際は飛散落下の危険があり安定性に問題があるのに対し、倍強度ガラスは、破損時の破片の数が少なくガラスが離脱しないため高層建築物への使用に適している。
特許第５３７３２０２号
本発明の目的は、断熱性と高強度を満たし、破損時の安定性を期待できる倍強度真空ガラスを提供することである。
本発明の一実施例にかかる倍強度真空ガラスは、一定間隔離隔されて配置された複数の板ガラス;と、前記板ガラス間に介在して前記板ガラスの間隔を維持する複数のスペーサー；と、前記板ガラスの周縁に沿って配置し前記板ガラスを密封接着するシール材；を含み、前記板ガラスの密封接着後の表面圧縮応力は２０ＭＰａないし５５ＭＰａであることを特徴とする倍強度真空ガラスを提供する。
前記板ガラスは、密封接着前の表面圧縮応力が４０ＭＰａないし１６０ＭＰａである熱強化板ガラスを用いることが好ましい。
前記シール材は、溶融温度が４４０℃ないし４６０℃である低融点ガラスが好ましく、これはＢｉ２Ｏ３が７０．０重量％ないし８０．０重量％、ＳｉＯ２が５．０重量％以下、Ｂ２Ｏ３が５．０重量％ないし１５．０重量％、Ａｌ２Ｏ３が５．０重量％以下、ＺｎＯ＋ＢａＯが１０．０重量％ないし１５．０重量％、色素が５．０重量％以下の組成からなるガラス粉末を用いることができる。
本発明によると、一定の溶融温度を有する低融点ガラスを用いて密封された倍強度真空ガラスを通じて、高い耐熱性と高強度は勿論、破損時の安定性を保障できる真空ガラスを提供する。
本発明にかかる倍強度真空ガラスの断面図である。 本発明にかかる倍強度真空ガラスの平面図である。 本発明にかかる倍強度真空ガラスの表面圧縮応力を測定した試験結果を示した図面である。 本発明にかかる加熱工程前後の板ガラス表面圧縮応力の残存率を測定した試験結果を示した図面である。
以下、図面を参照して本発明の倍強度真空ガラスについて説明する。
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて詳しく後述している実施例を参照すると明確になると考える。しかし、本発明は以下で開示する実施例に限定されるものではなく、相違する多様な形態で具現され、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供するものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書全体に亘って同一参照符号は同一構成要素を指す。
また、図面において発明を構成する構成要素の大きさは、明細書の明確性のために誇張して記述したものであり、ある構成要素が別の構成要素の「内部に存在したり、連結して設けられる」と記載した場合、前記のある構成要素が前記の別の構成要素と接して設けられる場合もあり、所定の離隔距離を置いて設けられる場合もあり、離隔距離を置いて設けられる場合は前記のある構成要素を前記の別の構成要素に固定あるいは連結させるための第三の手段に対する説明は省略する場合もある。
図１は本発明にかかる倍強度真空ガラスの断面図で、図２は本発明にかかる倍強度真空ガラスの平面図である。
本発明にかかる倍強度真空ガラスについて説明する前に、真空ガラスの構成を簡単に説明する。
真空ガラスは、複数の板ガラス１００、シール材２００およびスペーサー３００を含む。
前記の複数の板ガラス１００間には、間隔維持のためにスペーサー３００が介在される。そして、外部のガスの侵入を防止するために板ガラス１００の周縁にはシール材２００が塗布されて板ガラス１００の内部空間を密封し、板ガラス１００上部に形成された排気ホール１１０を通じて内部空間を真空排気する。真空排気後、排気ホール１１０を密封して内部を真空状態に維持する。
本発明にかかる倍強度真空ガラスは、密封接着後の板ガラスの表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たすことを特徴とする。
板ガラス１００の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たすことにより、高層建築物において要求される耐風圧性を有すると同時に、予想外の外力によって破損された際にガラスの破片の状態が衝撃点から三角形に割れて、破損しても窓枠から外れにくいため高層建築物への使用時に安全性を図ることができる。
表面圧縮応力が２０ＭＰａ未満の場合は、要求される倍強度ガラスの性能を満たせないため耐風圧性能が低くなり高層建築物への使用に適さなく、表面圧縮応力が５５ＭＰａを超過する場合は、破損時にガラスの破片が小さな欠片の状態で飛散するため歩行者の安全に深刻な問題が発生し得、高層建築物への使用に適さないためである。
前記の密封接着後の板ガラス１００の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たすようにするためには、先ず、倍強度真空ガラスの製造過程を理解する必要がある。
倍強度真空ガラスの製造過程を見てみると、二枚の熱強化処理が施された板ガラス１００を密封するために、シール材２００が熱強化処理が施された板ガラス１００の一面に塗布される。シール材２００が塗布された熱強化処理が施された板ガラス１００上部に別の熱強化処理が施された板ガラス１００を合着させた後、接着密封するためにシール材２００が溶融されるように高温の加熱工程を経る。高温の加熱工程を経る間、熱強化処理が施された板ガラス１００は表面圧縮応力が一部弱まり表面圧縮応力が減少することになる。よって、前記加熱工程は高すぎる温度で行われないようにしなければ、前記の熱強化処理が施された板ガラス１００の密封接着後の表面圧縮応力が少なくとも２０ＭＰａ以上にならない。
前記加熱工程は、前記シール材２００で前記板ガラス１００を接着密封するために前記シール材２００を溶融するための工程として、少なくとも前記シール材２００の溶融温度以上加熱しなければならない。そのため、前記シール材２００の溶融温度を低くすることにより、前記加熱工程の温度を低くすることができる。
図３は、本発明にかかる倍強度真空ガラスの表面圧縮応力を測定した試験結果を示した図面である。図３を参照すると、表面圧縮応力が減少する程度は、加熱温度および板ガラス自体の表面圧縮応力によって変わってくることが分かる。
前記の熱強化処理が施された板ガラス１００の密封接着後の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａになるようにするために、前記加熱工程は４４０℃ないし４６０℃で行うことができ、溶融温度が４４０℃ないし４６０℃の前記シール材２２０を使用してこれを具現することができる。
前記シール材２２０は、溶融温度が４４０℃ないし４６０℃である低融点ガラスであり得る。前記低融点ガラスは、例えば、無機酸化物、金属酸化物、およびこれらの１種以上の組合せからなる群から選ばれた一つを含むガラス組成物が溶融された後凝固して形成されたガラスであり得る。
具体的に、前記ガラス組成物が溶融された後、凝固されて形成されたガラスを再度粉砕して粉末状に製造したガラス粉末を前記シール材２２０に使用できる。例えば、前記ガラス粉末を前記板ガラス１００の一面に塗布するために、前記ガラス粉末が有機溶媒と混合されたペースト組成物形態で塗布できる。続いて、前記板ガラス１００の合着の後、乾燥工程を行って前記ガラス粉末と混合された有機溶媒を除去し、高温の加熱工程を行って前記ガラス粉末を溶融させることができる。
前記シール材２２０の溶融温度が４６０℃を超える場合は、強化処理によって板ガラス１００の表面に残存させた表面圧縮応力が消滅して目的とする強度を得ることができなくなるケースが生じ、溶融点が４４０℃未満の場合は、表面圧縮応力が目的とする強度より大きくなって破損時の安定性が問題になり得た。
他の具現例において、前記シール材２２０は、溶融温度が４４０℃ないし４６０℃でありながら、鉛（Ｐｂ）成分を含まないガラス組成物による低融点ガラスを使用して環境への負荷を抑えることができる。
低融点ガラスを製造するために鉛（Ｐｂ）成分を含む場合、相対的に溶融温度を下げることはできるが、長期間の使用時には鉛成分によって人体に深刻な問題を引き起こす問題が生じ得る。
鉛成分を含まない低融点ガラスのシール材２２０の組成の一例として、Ｂｉ２Ｏ３を７０．０重量％ないし８０．０重量％、ＳｉＯ２を０重量％ないし５．０重量％、Ｂ２Ｏ３を５．０重量％ないし１５．０重量％。Ａｌ２Ｏ３(220)を０重量％ないし５．０重量％、ＺｎＯ＋ＢａＯを１０．０重量％ないし１５．０重量％、および色素を０重量％ないし５．０重量％含むガラス組成物であり得、前記ガラス組成物は、例えば、ガラス粉末の形態で使用することができる。前記組成を有する低融点ガラスの溶融温度は、４４０℃ないし４６０℃になり得る。
前記密封接着後の板ガラス１００の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たすための一例として、板ガラス１００自体の表面圧縮応力、つまり、板ガラス１００の密封接着前の表面圧縮応力が４０ＭＰａないし１６０ＭＰａである熱強化板ガラス１００を使用することが好ましい。
板ガラス１００自体の表面圧縮応力が４０ＭＰａ未満の場合は、高温熱工程を経ることになると、残留する表面圧縮応力が２０ＭＰａ未満になるため要求される強度条件を満たすことができなく、板ガラス１００自体の表面圧縮応力が１６０ＭＰａを超える場合は、板ガラス１００自体の表面処理時間および処理費用が増加するだけでなく、残留する表面圧縮応力が５５ＭＰａを超えることになるため破損時の安定性にも問題が生じ得る。
また、板ガラス１００は密封接着後の表面圧縮応力残存率が２５％ないし６０％であり得る。
本発明にかかる倍強度真空ガラスの製造方法は、次のような段階を含む。
本発明にかかる真空ガラスの製造方法を説明する前に、通常の真空ガラスの製造方法を簡単に説明する。
真空ガラスは、予め洗浄された板ガラス１００にスペーサー３００を配列し、板ガラス１００の周縁にシール材２００を塗布する。シール材２００が塗布された板ガラス１００上部に他の板ガラス１００を合着させた後、シール材２００を溶融させて板ガラス１００間を密封接着させる。
密封された板ガラス１００の内部空間を真空状態にするために板ガラス１００に形成された排気ホール１１０を通じて内部空間を減圧した後、排気ホール１１０を密封することにより真空ガラスを製造する。
本発明にかかる倍強度真空ガラスの製造方法は、完成した真空ガラスの表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａを満たすように製造するためのものであり、次のような段階を含む。
板ガラスをチャンバ内部に配置した後、板ガラス周縁に沿って低融点ガラスを塗布する（シール材塗布段階）。
シール材塗布段階は、この後シール材２００が特定温度である４４０℃ないし４６０℃の範囲内で溶融されるように溶融温度が４４０℃ないし４６０℃を満たすシール材２００を塗布する。このようなシール材２００として鉛成分を含まない低融点ガラスを使用することができる。鉛（Ｐｂ）成分を使用しないことにより、長期間の使用時にも人体に生じ得る深刻な問題を防ぐことができるためである。
鉛成分を含まないシール材２００としては、Ｂｉ２Ｏ３が７０．０重量％ないし８０．０重量％、ＳｉＯ２が０重量％ないし５．０重量％、Ｂ２Ｏ３が５．０重量％ないし１５．０重量％、Ａｌ２Ｏ３が０重量％ないし５．０重量％、ＺｎＯ＋ＢａＯが１０．０重量％ないし１５．０重量％、色素が０重量％ないし５．０重量％のガラス組成物で形成されたガラス粉末を用いることができる。
前記シール材塗布段階は、塗布されたペースト状のシール材２００を乾燥させてバインダー等の不要な有機成分を除去する段階をさらに含み得る。
次に、前記低融点ガラスが塗布された板ガラス上部に他の板ガラスを配置して合着させる（板ガラス合着段階）。
シール材である低融点ガラスを介して板ガラスどうしが合着された状態で、シール材により密封接着させるために４４０℃ないし４６０℃の範囲で加熱する（密封接着段階）。
板ガラス１００が合着された状態でシール材２００によって密封接着されるようにするために、シール材２００である低融点ガラスを溶融状態に相変形させなければならないが、このとき、温度が上がるほど板ガラス１００の表面圧縮応力が変わることを考慮しなければならない。よって、板ガラス１００の表面圧縮応力およびシール材２００の溶融状態を考慮すると、４４０℃ないし４６０℃で加熱することが好ましい。
前記密封接着段階では、溶融されたシール材２００で板ガラス１００を密封接着した後、板ガラス１００の接着強度を維持するためにシール材２００が固まるように冷却させる段階をさらに含み得る。このとき、冷却温度はシール材２００の組成によって異なり得、前記の鉛成分を含まない低融点ガラスの場合は３６０℃ないし３８０℃に冷却することができる。
実施例
以下、本発明の好ましい実施例を通じて本発明の構成および作用をより詳しく説明する。但し、これは本発明の好ましい例示として提示したものであり、如何なる意味でもこれによって本発明が制限されると解釈することはできない。
ここに記載していない内容は、本技術分野における熟練者であれば十分に技術的に類推できるもののため、その説明は省略する。
実施例１ないし２および比較例１ないし２
本発明にかかる倍強度真空ガラスは次のように製作した。
倍強度真空ガラスは、一対の板ガラス１００を、スペーサー３００を介在して厚さ方向に併設して構成した。一対の板ガラス１００は、周辺部どうし密封接着して気密状態にシールされている。板ガラス１００間の内部空間は１．０×１０−３ｔｏｒｒ以下に設定する。
前記板ガラス１００は、軟化温度に近い６７５℃に加熱し圧縮した後、急冷させてガラス表面を圧縮、変形させ、厚さが５ｍｍの数十枚の板ガラス１００を製造した。前記板ガラス１００を使用して製作する倍強度真空ガラスの表面圧縮応力と比較するために、前記のように得られた板ガラス１００の表面圧縮応力を測定し、その結果、前記の製作された板ガラス１００の表面圧縮応力は４０ＭＰａないし１６０ＭＰａの範囲だった。
前記シール材２００は、鉛（Ｐｂ）を含まない材質であり、Ｂｉ２Ｏ３が７５．０重量％、ＳｉＯ２が２．５重量％、Ｂ２Ｏ３が９．０重量％、Ａｌ２Ｏ３が１．０重量％、ＺｎＯ＋ＢａＯが１２．５重量％、色素が０重量％の組成からなる低融点ガラスを用いた。溶融温度は４４０℃であり、ガラス転移温度（Ｔｇ）は３３０℃である。
前記のように準備したシール材が塗布されて合着された板ガラスを４４０℃の加熱温度で加熱工程を行い板ガラスを密封接着した後、倍強度真空ガラスを製造する方法で前記の準備した数十枚の板ガラス１００を使用して１４個の倍強度真空ガラスサンプルを製作した。各倍強度真空ガラスサンプルの表面圧縮応力を測定して、使用された板ガラス１００の表面圧縮応力と対比して図３に示した。
実施例２
４６０℃の加熱温度で加熱工程を行った点を除いては、実施例１と同様に倍強度真空ガラスの１９個のサンプルを製作し、各製作されたサンプルの倍強度真空ガラスサンプルの表面圧縮応力を測定して、使用された板ガラス１００の表面圧縮応力と対比して図３に示した。
比較例１
３９０℃の加熱温度で加熱工程を行った点を除いては、実施例１と同様に倍強度真空ガラスサンプルを複数個製作した。各製作されたサンプルの倍強度真空ガラスサンプルの表面圧縮応力を測定した。
比較例２
５００℃の加熱温度で加熱工程を行った点を除いては、実施例１と同様に倍強度真空ガラスサンプルを複数個製作した。各製作されたサンプルの倍強度真空ガラスサンプルの表面圧縮応力を測定した。
下記表１に、実施例１、実施例２、比較例１および比較例２で製作された各倍強度真空ガラスサンプルに対して測定された表面圧縮応力の値のうち、倍強度真空ガラスの表面圧縮応力の最小および最大値を記載し、且つ各実施例１、実施例２、比較例１および比較例２のサンプル別に測定された倍強度真空ガラスの表面圧縮応力の平均値を計算して記載した。
Figure 2014521586
図４は、図３の結果から実施例１および実施例２で製作された各倍強度真空ガラスのサンプルにおいて、使用された板ガラス表面圧縮応力に対する真空ガラスの表面圧縮応力の程度を％単位で計算して表面圧縮応力残存率（％）で計算して示したグラフである。
図３の実施例１の結果から分かるように、倍強度真空ガラスの表面圧縮応力は加熱工程前の板ガラス１００の表面圧縮応力より減少したが、倍強度真空ガラスサンプルの平均表面圧縮応力が４０ＭＰａと測定され、全体的に真空ガラスの表面圧縮応力が目的とする２０ＭＰａないし５５ＭＰａの範囲内を満たすものであることが分かった。
図３の実施例２の結果から分かるように、倍強度真空ガラスの表面圧縮応力は加熱工程前の板ガラス１００の表面圧縮応力より減少したが、倍強度真空ガラスサンプルの平均表面圧縮応力が３４ＭＰａと測定され、全体的に真空ガラスの表面圧縮応力が目的とする２０ＭＰａないし５５ＭＰａの範囲内を満たすものであることが分かった。
それに対して、比較例１、比較例２では、加熱温度をそれぞれ３９０℃、５００℃にして４０分間加熱した結果、真空ガラスの平均表面圧縮応力がそれぞれ７５ＭＰａ、６ＭＰａと測定され、目的とする範囲を満たさないものであることが分かった。
比較例２は、シール材の融点が５００℃のため、加熱工程の温度を最大限低くしても５００℃未満にできない場合に倍強度真空ガラスの表面圧縮応力を調べるためのものであり、つまり、前記表２の比較例２の結果は、５００℃で加熱工程を行った場合の倍強度真空ガラスの表面圧縮応力を表すと理解することができる。
加熱工程の下記表２は、図４の実験結果を数値でまとめた表である。図４および表２を参照して以下説明する。
Figure 2014521586
実施例１、２のように板ガラス１００を４４０℃、４６０℃で４０分間加熱した結果、板ガラス１００の表面圧縮応力の残存率は２５％以上６０％以下の範囲を満たす相当良好な結果が測定された。
以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、相違する多様な形態に製造でき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せず他の具体的な形態で実施できるということを理解できると考える。そのため、以上で記述した実施例は、全ての面において例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
１００：板ガラス
１１０：排気ホール
２００：シール材
３００：スペーサー

Claims (11)

  1. 一定間隔離隔されて配置された複数の板ガラス；
    前記板ガラス間に介在して前記板ガラスの間隔を維持する複数のスペーサー；
    前記板ガラスの周縁に沿って配置し前記板ガラスを密封接着するシール材；を含み、
    前記板ガラスの密封接着後の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａであることを特徴とする倍強度真空ガラス。
  2. 前記シール材は、溶融温度が４４０℃ないし４６０℃の低融点ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の倍強度真空ガラス。
  3. 前記シール材は、鉛（Ｐｂ）成分を含まないことを特徴とする請求項２に記載の倍強度真空ガラス。
  4. 前記シール材は、Ｂｉ２Ｏ３を７０．０重量％ないし８０．０重量％、ＳｉＯ２を５．０重量％以下、Ｂ２Ｏ３を５．０重量％ないし１５．０重量％、Ａｌ２Ｏ３を５．０重量％以下、ＺｎＯ＋ＢａＯを１０．０重量％ないし１５．０重量％、及び色素を５．０重量％以下含むガラス組成物であることを特徴とする請求項３に記載の倍強度真空ガラス。
  5. 前記板ガラスは、密封接着前の表面圧縮応力が４０ＭＰａないし１６０ＭＰａの熱強化板ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の倍強度真空ガラス。
  6. 前記板ガラスは、密封接着後の表面圧縮応力残存率が２５％ないし６０％であることを特徴とする請求項１に記載の倍強度真空ガラス。
  7. 板ガラス周縁に沿って低融点ガラスを塗布するシール材塗布；
    前記低融点ガラスが塗布された板ガラス上部に別の板ガラスを合着させること；および
    合着された板ガラス間に配置された低融点ガラスを溶融させるために４４０℃ないし４６０℃の範囲で加熱する密封接着；を含み、
    密封接着後の表面圧縮応力が２０ＭＰａないし５５ＭＰａであることを特徴とする倍強度真空ガラスの製造方法。
  8. 前記シール材塗布は、
    シール材として鉛成分を含まない低融点ガラスを塗布することを特徴とする請求項７に記載の倍強度真空ガラスの製造方法。
  9. 前記シール材塗布は、
    シール材として、Ｂｉ２Ｏ３が７０．０重量％ないし８０．０重量％、ＳｉＯ２が５．０重量％以下、Ｂ２Ｏ３が５．０重量％ないし１５．０重量％、Ａｌ２Ｏ３が５．０重量％以下、ＺｎＯ＋ＢａＯが１０．０重量％ないし１５．０重量％、色素が５．０重量％以下の組成からなるガラス粉末を用いることを特徴とする請求項８に記載の倍強度真空ガラスの製造方法。
  10. 前記板ガラスは、密封接着前の表面圧縮応力が４０ＭＰａないし１６０ＭＰａの熱強化板ガラスであることを特徴とする請求項７に記載の倍強度真空ガラスの製造方法。
  11. 前記板ガラスは、密封接着後の表面圧縮応力残存率が２５％ないし６０％であることを特徴とする請求項７に記載の倍強度真空ガラスの製造方法。
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