JP6052286B2 - 真空複層ガラスおよびシール部材並びに真空複層ガラスの製造方法 - Google Patents

真空複層ガラスおよびシール部材並びに真空複層ガラスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、真空複層ガラスおよびそのような真空複層ガラスに使用されるシール部材並びに真空複層ガラスの製造方法に関する。
一対のガラス基板を間隙部を介して積層し、該間隙部を低圧または真空状態に保持して構成される、いわゆる「真空複層ガラス」は、優れた断熱効果を有するため、例えばビルおよび住宅等の建築物用の窓ガラス用途に広く利用されている。
真空複層ガラスにおいては、間隙部を真空状態に保持するため、該間隙部の周囲に設置されるシール部材のシール性能が、真空複層ガラス全体の断熱性に大きな影響を及ぼす。シール部材のシール性が劣る場合、シール部材を介して、大気中の空気および/または水蒸気等の成分が間隙部に容易に侵入し、これにより間隙部の真空度が低下してしまうからである。このため、よりシール性に優れたシール部材の検討が進められている。
特に、最近では、金属部材と非金属部材とで構成されるシール部材、いわゆる「ハイブリッドシール部材」が開発されている。例えば、特許文献1には、真空複層ガラスにおいて、金属部材と低融点セラミックフリットとを組み合わせた「ハイブリッドシール部材」を使用することが開示されている。
欧州特許第2099997号明細書
前述のように、特許文献1には、金属部材と低融点セラミックフリットとを組み合わせた「ハイブリッドシール部材」が開示されている。
しかしながら、特許文献1のようなシール部材を実際に真空複層ガラスに適用しようとした場合、金属部材と低融点セラミックフリットとの間に、良好な結合力が必要となる。両者の間の結合力が低い場合、「ハイブリッドシール部材」が良好なシール性を発揮することができなくなるからである。
特許文献1の「ハイブリッドシール部材」は、そのような結合力については全く考慮されておらず、このため、金属部材と低融点セラミックフリットの組み合わせの仕方によっては、適切な結合力が得られない場合が生じ得る。また、そのような組み合わせを選定した場合、良好なシール性を有する「ハイブリッドシール部材」を構成することができなくなる問題がある。
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、金属部材とガラス固化層との間に良好な結合力を有する「ハイブリッドシール部材」を備える真空複層ガラスを提供することを目的とする。また、そのような「ハイブリッドシール部材」を提供することを目的とする。また、そのような「ハイブリッドシール部材」を備える真空複層ガラスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明では、第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラスであって、
前記間隙部は、シール部材によって密閉され、
前記シール部材は、金属部材と、該金属部材と前記ガラス基板とを接合するガラス固化層とを有し、
前記金属部材は、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されることを特徴とする真空複層ガラスが提供される。
ここで、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記金属部材は、厚さが0.03mm〜0.5mmの範囲であっても良い。
また、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記金属部材は、前記大気中490℃で40分間保持する前の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たさない材料から選定されても良い。
また、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記金属部材は、純アルミニウム、アルミニウム合金、純チタン、およびチタン合金からなる群から選定された少なくとも一つを含んでも良い。
また、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、70×10−7/K以上120×10−7/K以下の範囲の熱膨張係数を有しても良い。
なお、本願おいて、熱膨張係数は、50℃〜250℃の温度範囲における値である。
また、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、ZnO−Bi−B系のガラスであっても良い。
この場合、前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、酸化物換算した場合、質量百分率で、下記の組成を有しても良い:Biが70%〜90%、ZnOが5%〜15%、Bが2%〜8%、Alが0.1%〜5%、SiOが0.1%〜2%、CeOが0.1%〜5%、Feが0.01%〜0.2%、およびCuOが0.01%〜5%。
あるいは、本発明による真空複層ガラスにおいて、前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、ZnO−SnO−P系のガラスであっても良い。
この場合、前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、酸化物換算した場合、質量百分率で、下記の組成を有しても良い:Pが27%〜35%、SnOが25%〜35%、ZnOが25%〜45%、Bが0%〜5%、Gaが0%〜3%、CaOが0%〜10%、SrOが0%〜10%、Alが0%〜3%、Inが0%〜3%、Laが0%〜3%、およびAl+In+Laが0%〜7%。
また、本発明による真空複層ガラスにおいて、
前記金属部材は、第1の部分および第2の部分を有し、
前記金属部材の第1の部分は、前記第1のガラス基板に形成された第1のガラス固化層と結合され、
前記金属部材の第2の部分は、前記第2のガラス基板に形成された第2のガラス固化層と結合され、
これにより前記シール部材が形成されても良い。
さらに、本発明では、第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラス用のシール部材であって、
前記間隙部は、当該シール部材によって密閉され、
当該シール部材は、金属部材と、該金属部材と前記ガラス基板とを接合するガラス固化層とを有し、
前記金属部材は、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されることを特徴とするシール部材が提供される。
さらに、本発明では、第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラスの製造方法であって、
前記第1のガラス基板に第1のガラス固化層を形成し、前記第2のガラス基板に第2のガラス固化層を形成するステップと、
大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定される金属部材を、前記第1および前記第2のガラス固化層に接触させるように、前記第1および第2のガラス基板と該金属部材とを組み合わせて前記間隙部を形成させた組立体を構成するステップと、
前記組立体の少なくとも第1および第2のガラス固化層を加熱して前記第1および第2のガラス固化層と前記金属部材とを結合させるステップと、
前記間隙部を減圧処理するステップと、
を有することを特徴とする真空複層ガラスの製造方法が提供される。
また、本発明による真空複層ガラスの製造方法において、前記組立体の少なくとも第1および第2のガラス固化層を加熱させるステップは、470℃〜530℃の温度で、1分〜1時間保持した後、室温まで冷却されても良い。
本発明では、金属部材とガラス固化層との間に良好な結合力を有する「ハイブリッドシール部材」を備える真空複層ガラスを提供することができる。また、そのような「ハイブリッドシール部材」を提供することが可能となる。また、そのような「ハイブリッドシール部材」を備える真空複層ガラスの製造方法を提供することができる。
本発明による真空複層ガラスの構成の一例を概略的に示した図である。 金属部材とガラス固化層とを加熱処理によって結合して、ガラス基板にハイブリッドシール部材を形成する際に生じ得る問題を模式的に示した図である。 本発明による真空複層ガラスの製造方法の一例のフロー図を模式的に示した図である。 実施例1におけるサンプル1〜17の各金属材料の引張試験において得られた引張強度と破断伸びの関係をプロットしたグラフである。 実施例2において使用した評価用試験片の平面図を概略的に示した図である。 結合力評価試験に使用した試験装置の構成を概略的に示した図である。 No.1の評価用試験片における結合力評価試験の際の変位(mm)と荷重(N)の関係を示したグラフである。 No.4の評価用試験片における結合力評価試験の際の変位(mm)と荷重(N)の関係を示したグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の構成を説明する。
図1には、本発明による真空複層ガラスの構成の一例を概略的に示す。
図1に示すように、本発明による真空複層ガラス100は、第1のガラス基板110と、第2のガラス基板120と、両者の間に構成された間隙部130と、間隙部を密閉状態に保持するシール部材150とを有する。
第1のガラス基板110は、第1の表面112および第2の表面114を有する。真空複層ガラス100において、第1のガラス基板110は、第1の表面112の側が外側となるようにして配置される。同様に、第2のガラス基板120は、第1の表面122および第2の表面124を有する。真空複層ガラス100において、第2のガラス基板120は、第1の表面122の側が外側となるようにして配置される。従って、間隙部130は、第1のガラス基板110の第2の表面114と、第2のガラス基板120の第2の表面124との間に形成される。
通常の場合、間隙部130内は、真空状態に維持される。ここで、間隙部130の真空度は、特に限られず、大気圧よりも低いいかなる圧力であっても良い。一般に、間隙部130の圧力は、0.001Pa〜0.2Pa程度である。
なお、間隙部130内には、アルゴンなどの不活性ガスが、大気圧未満の圧力で充填されても良い。すなわち、本願において、「真空複層ガラス」は、間隙部内の圧力が必ずしも真空状態になっている必要はなく、「真空複層ガラス」という用語は、間隙部内の圧力が大気圧未満となっている全ての複層ガラスを意味するものとする。
必要な場合、真空複層ガラス100は、間隙部130内に、1または2以上のスペーサ190を有しても良い。スペーサ190は、間隙部130を所望の形状に保持する役割を有する。ただし、スペーサ190がなくても、間隙部130を所望の形状に維持することができる場合、例えば、間隙部130の真空度が低い場合、または間隙部130に不活性ガスなどがある程度の圧力で充填される場合には、スペーサ190は、省略しても良い。
シール部材150は、間隙部130を密閉状態に保持するための部材であり、図1の例では、シール部材150は、間隙部130の周囲全体にわたって設置されている。
シール部材150は、金属部材155と、第1および第2のガラス固化層160、165とを含む、いわゆる「ハイブリッドシール部材」である。後に詳しく説明するように、ガラス固化層160、165は、ガラスフリットを含むペーストやガラスバルク体(例えばガラスファイバーやガラスリボン等)を熱処理することにより形成された層であり、ガラス成分を含む。
ここで、前述の特許文献1には、真空複層ガラス用のシール部材として、金属部材と低融点セラミックフリットとを組み合わせた「ハイブリッドシール部材」が開示されている。ただし、特許文献1では、金属部材と低融点セラミックフリットとの間の結合力については、全く考慮されていない。
しかしながら、実際に、真空複層ガラスに「ハイブリッドシール部材」を適用することを検討した場合、金属部材と低融点セラミックフリットとの間の結合力は、極めて重要な因子となる。特に、金属部材と低融点セラミックフリットの組み合わせの仕方によっては、両者の間に適切な結合力が得られず、「ハイブリッドシール部材」を真空複層ガラスのシール部材として採用することができなくなるおそれがある。
例えば、特許文献1には、「ハイブリッドシール部材」用の金属として、金属クロムおよびステンレス鋼が例示されている。しかしながら、一般に、金属クロムは、構造部材の一部として適用されることはほとんどない。また、本願発明者らの検討では、以降に詳しく説明するように、「ハイブリッドシール部材」用の金属として、ステンレス鋼を使用した場合、金属部材と低融点セラミックフリットとは、ほとんど結合しないことが見出されている。
このように、真空複層ガラスへの「ハイブリッドシール部材」の適用を考慮した場合、金属部材と低融点セラミックフリットとの間の結合力は、極めて重要である。
これに対して、本発明では、「ハイブリッドシール部材」の金属部材は、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されるという特徴を有する。
なお、金属部材の前述の熱処理条件は、後に詳しく示すように、「ハイブリッドシール部材」を形成するときの典型的な熱処理条件に対応する。
次に、図2を参照して、このような本発明の特徴の効果について説明する。
図2は、金属部材とガラス固化層とを熱処理によって結合して、ガラス基板にハイブリッドシール部材を形成する際の各工程を模式的に示した図である。
ハイブリッドシール部材を形成する場合、まず、図2(a)に示すように、金属部材210とガラス基板250とが準備される。また、金属部材210が、ガラス基板250の少なくとも一部と重なり合うようにして、ガラス基板250の上部に配置される。これにより、組立体260が構成される。
なお、図2(a)からは視認されにくいが、ガラス基板250の表面の一部には、ガラス固化層270が予め設置されている。このガラス固化層270は、ガラス基板250の上部に配置される金属部材210によって覆われる。
次に、図2(b)に示すように、加熱処理のため、組立体260が高温に保持される。加熱処理は、ガラス固化層270を介して金属部材210をガラス基板250に結合させるために実施される。通常の場合、加熱処理の温度は、430℃〜530℃の範囲(例えば490℃)である。
この加熱により、ガラス固化層270は、流動性を有するようになる。また、金属部材210は、流動性のガラス固化層270を介してガラス基板250と仮結合される。
ここで、通常、金属とガラスでは、熱膨張係数が大きく異なる。このため、特に、図のY方向で見た場合、組立体260を加熱すると、金属部材210は、伸びて比較的大きな変形を示すが、ガラス基板250は、あまり大きな伸びは示さない。
その後、図2(c)に示すように、組立体260の温度は、加熱処理温度から低下し始める。これに伴い、ガラス固化層270の流動性が低下し始め、ガラス固化層270が硬化する。これにより、金属部材210がガラス固化層270を介してガラス基板250と結合して、ハイブリッドシール部材が形成される。
その後、組立体260の温度がさらに低下する。この際、図2(c)に示すように、金属部材210は、既にガラス固化層270と結合されているため、降温が進んでも、Y方向において、自由に収縮することはできない。すなわち、金属部材210のガラス固化層270と結合されている箇所は、ガラス固化層270によって拘束されており、降温が進んでも、ガラス基板250の収縮量と同等程度にしか変形することができなくなる。
ここで、金属部材210が十分な変形許容性を有する場合、すなわち、金属部材210が比較的良好な伸び特性(弾性)を有する場合、そのような金属部材210は、ガラス固化層270によって拘束されたままでも、ガラス基板250の収縮挙動に追随することができる。このため、組立体260が室温まで冷却された際には、図2(d)の上図に示すように、金属部材210とガラス固化層270との間に、良好な結合が得られる。その結果、シール性の良好なハイブリッドシール部材が形成される。
一方、金属部材210が十分な変形許容性を有さない場合、すなわち、金属部材210があまり良好な伸び特性(弾性)を有さない場合、そのような金属部材210は、特にガラス固化層270によって拘束されている箇所において、ガラス基板250の小さな収縮挙動に追随することができない。このため、組立体260が室温まで冷却された際には、図2(d)の下図に示すように、金属部材210は、ガラス固化層270から分離してしまい、金属部材210とガラス固化層270との間に、結合が得られなくなる。その結果、ハイブリッドシール部材が得られなくなる。
このように、金属部材210の伸び特性は、金属部材210とガラス固化層270との結合性を左右する大きな因子となり得る。
本願発明者らは、このような考察に基づき、金属部材とガラス固化層の最適な組み合わせについて鋭意研究開発を行ってきた。その結果、金属部材を、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定した場合、金属部材に十分な変形許容性が得られ、加熱処理後に、金属部材とガラス固化層の間に、前述の図2(d)の上側の図のような結合が得られることを見出した(以下、そのような材料選定条件を、単に「条件A」と称することにする)。
すなわち、本発明では、「ハイブリッドシール部材」の金属部材として、前述の条件Aを満たす材料を選定しており、これにより金属部材とガラス固化層との間に、良好な結合性を得ることができる。
従って、本発明では、加熱処理を実施した後であっても、金属部材155とガラス固化層250との間に、良好な結合力を得ることが可能となり、真空複層ガラスに好適に適用することが可能な「ハイブリッドシール部材」を得ることができる。
(シール部材の構成)
次に、シール部材150の構成について、より詳しく説明する。
シール部材150は、金属部材155と、第1および第2のガラス固化層160、165とを有する。
金属部材155は、前述のように、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験が、条件Aを満たす材料から選定される。
ガラス固化層160、165は、ガラスフリットを含むペーストやガラスバルク体(例えばガラスファイバーやガラスリボン等)を焼成することにより形成される。ガラス固化層160、165は、ガラス成分を含むが、さらにセラミック粒子を含んでも良い。
なお、第1のガラス固化層160と第2のガラス固化層165は、同じものであっても、異なるもので構成されても良い。
ガラス固化層160、165の50℃〜250℃での熱膨張係数は、例えば、70×10−7/K〜120×10−7/Kの範囲であっても良い。熱膨張係数をこの範囲にすることにより、ガラス固化層とガラス基板との熱膨張係数の差は小さくなり、ガラス固化層とガラス基板の界面での剥離が発生し難くなる。本発明においては、金属部材とガラス固化層との熱膨張係数の差が大きても、ガラス固化層と金属部材との結合力が強いシール部材を提供できるので、ガラス固化層とガラス基板との熱膨張係数の差を小さくすることが好ましい。
ガラス固化層160、165に含まれるガラス成分の組成は、特に限られない。ガラス固化層160、165に含まれるガラス成分は、例えば、ZnO−Bi−B系またはZnO−SnO−P系のガラスであっても良い。
表1には、ガラス固化層160、165に含まれるガラス成分に使用され得る、ZnO−Bi−B系のガラスの組成の一例を示す。また、表2には、ガラス固化層160、165に含まれるガラス成分に使用され得る、ZnO−SnO−P系のガラスの組成の一例を示す。
Figure 0006052286
Figure 0006052286
なお、図1の例では、シール部材150は、金属部材155と、第1のガラス固化層160および第2のガラス固化層165とを有する。また、金属部材155は、略「Z字」状の形態を有する。すなわち、金属部材155は、略「Z字」状の一端が第1のガラス基板110に形成された第1のガラス固化層160と結合され、略「Z字」状の他端が、第2のガラス基板120に形成された第2のガラス固化層165と結合されている。
しかしながら、これは一例であって、シール部材150は、その他の構成を有しても良い。例えば、第1のガラス固化層160は、第1のガラス基板110の第2の表面114の側に、第2のガラス固化層165と対向するように形成され、金属部材は、断面形状がU字型を有し、両者の間に配置されても良い。
また、金属部材は、断面形状がU字型ではなく、板状または箔状であっても良い。例えば、金属部材は、金属板を真空複層ガラスの周縁に沿った額縁状に打ち抜いて形成されても良い。この場合、第1のガラス基板110の第2の表面114側に第1のガラス固化層160を設け、第2のガラス基板120の第2の表面124側に、平面視で第1のガラス固化層160と互いに重ならない位置に第2のガラス固化層165を設ける。金属部材は、第1および第2のガラス固化層160、165の間に配置され、ガラス固化層とともに加熱されることで、第1のガラス基板110の第2の表面114側と結合され、第2のガラス基板120の第2の表面124と結合される。
また、金属部材は、箔または板状であり、0.03mm〜0.5mmの範囲の厚さを有しても良い。金属部材の厚さが0.03mm以上であると、製造時に破断したり、ピンホールが発生したりする可能性が低くなる。また、金属部材の厚さが0.5mm以下であると、金属部材の変形許容性が充分であるため、金属部材がガラス基板の収縮挙動に追従でき、ガラス固化層と良好な結合力が得られる。より好ましい金属部材の厚さは、0.04mm〜0.3mmであり、さらに好ましくは、0.05〜0.2mmである。
シール部材の態様として、その他にも、様々な形態を採用し得ることは当業者には明らかである。
(本発明による真空複層ガラスの製造方法)
次に、図3を参照して、本発明による真空複層ガラスの製造方法の一例について説明する。なお、以下の記載では、図1に示したような構成の真空複層ガラス100を例として、真空複層ガラスの製造方法について説明する。
図3には、本発明による真空複層ガラスの製造方法の一例のフロー図を示す。
図3に示すように、本発明による真空複層ガラスの製造方法は、
(a)第1のガラス基板に第1のガラス固化層を形成し、第2のガラス基板に第2のガラス固化層を形成するステップ(ステップS110)と、
(b)第1および第2のガラス基板と、金属部材とを組み合わせた組立体を構成するステップ(ステップS120)と、
(c)組立体の少なくとも第1および第2のガラス固化層を加熱して、真空複層ガラスを構成する(ステップS130)と、
を有する。
以下、各ステップについて詳しく説明する。
(ステップS110)
まず、第1および第2のガラス基板110、120が準備される。
また、第1のガラス基板110に、第1のガラス固化層160が形成され、第2のガラス基板120に、第2のガラス固化層165が形成される。以下、一例として、第1のガラス基板110の第1の表面112の周囲に、第1のガラス固化層160を形成する場合について説明する。
まず、第1のガラス固化層160用のペーストが調製される。通常、ペーストは、ガラスフリット、セラミック粒子、およびビヒクル(有機バインダおよび有機溶媒)を含む。ただし、セラミック粒子は、省略しても良い。ガラスフリットは、最終的に、第1のガラス固化層160を構成するガラス成分となる。
調製されたペーストは、第1のガラス基板110の第1の表面112の周囲に塗布される。
次に、ペーストを含む第1のガラス基板110が乾燥処理される。乾燥処理の条件は、ペースト中の有機溶媒が除去される条件である限り、特に限られない。乾燥処理は、例えば、第1のガラス基板110を、100℃〜200℃の温度に、1分〜1時間程度保持することにより実施されても良い。
次に、ペーストを仮焼成するため、第1のガラス基板110が高温で熱処理される。熱処理の条件は、ペースト中に含まれる有機バインダが除去される条件である限り、特に限られない。熱処理は、例えば430℃〜470℃の温度範囲に、第1のガラス基板110を1分〜1時間程度保持することにより実施しても良い。これにより、ペーストが仮焼成され、第1のガラス固化層160が形成される。
同様に、第2のガラス基板120の第2の表面124の周囲に、第2のガラス固化層165が形成される。
(ステップS120)
次に、第1および第2のガラス基板110、120と、金属部材155とを組み合わせて、組立体が構成される。この際には、必要に応じて、第1のガラス基板110と第2のガラス基板120の間に、1または2以上のスペーサ190を配置しても良い。
金属部材155は、例えば、板状または箔状に形成される。また、金属部材155は、略「Z字」状の形態を有しても良い。例えば、金属部材155は、第1および第2の端部を有し、両方の端部は、相互に反対向きに折り曲げられていても良い。その場合、金属部材155は、例えば、金属部材155の第1の端部が第1のガラス固化層160と接触し、第2の端部が第2のガラス固化層165と接触するようにして、第1および第2のガラス基板110、120に対して配置されても良い。
なお、前述のように、金属部材155は、「条件A」すなわち大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されることに留意する必要がある。
そのような「条件A」を満たす金属材料としては、例えば、純アルミニウム、アルミニウム合金、純チタン、およびチタン合金等が挙げられる。ここで純アルミニウムとは、99%以上のアルミニウム純度のものをいい、99%未満のアルミニウム純度のものをアルミニウム合金という。その他の金属材料においても、純度が99%以上のものを「純」とし、99%未満のものを「合金」とする。
ただし、金属部材155は、この組み立ての段階(すなわちステップS120の段階)では、逆に「条件A」を満たさない材料から選定されることが好ましい場合がある。
これは、一般に、条件Aを満たす材料は、比較的柔らかいものが多いためである。すなわち、そのような柔らかい金属部材155を、例えば、箔などの態様で使用した場合、金属部材155のハンドリング性が悪くなってしまう。換言すれば、金属部材155を用いて組立体を構成する際には、金属部材155が「条件A」を満たさず、ある程度の剛性を有する方が、ハンドリング性が高まる場合がある。
すなわち、金属部材155は、ガラス固化層との間で結合を形成させ、シール部材として機能させる加熱処理(ステップS130)の後に、条件Aを満たしていれば良い。
そのような材料の一例としては、純アルミニウムおよびアルミニウム合金が挙げられる。純アルミニウムおよびアルミニウム合金の中には、焼きなまし温度が約490℃程度の金属材料があるからである。そのような金属材料は、組立体を構成するハンドリングの際には、ある程度の剛性を有する(すなわち条件Aを満たさない)状態で使用することができる。その後、そのような金属材料は、加熱処理の途中段階で焼きなましが起こり、加熱処理後の状態で、条件Aを満たし、ガラス固化層160、165との間で良好な結合を示すようになる。
(ステップS130)
次に、組立体の少なくともガラス固化層160,165が加熱される。加熱の条件は、金属部材155とガラス固化層160、165の組み合わせ等によっても変化するが、例えば、約470℃〜約530℃(例えば490℃)の温度に、組立体を1分〜1時間ほど(例えば40分)保持した後、室温まで冷却を実施しても良い。組立体の加熱においては、ガラス固化層中に結合力を低下せしめる結晶相の生成を抑えることが重要であり、高温、長時間の保持によって結晶相が析出することになる。そのため、より好ましい温度範囲は、470℃〜520℃、さらに好ましくは470℃〜500℃であり、より好ましい保持時間は、1分〜45分、さらに好ましくは1分〜30分である。
前述のように、金属部材155は、「条件A」を満たす材料から選定されている。このため、組立体の加熱処理および冷却の際に、金属部材155が、ガラス固化層160、165の変形挙動に対応できずに、ガラス固化層160、165から分離してしまうことが有意に抑制される。従って、組立体の加熱処理によって、金属部材155とガラス固化層160、165との間には、良好な結合が得られる。組立体の加熱処理後に、第1および第2のガラス基板110、120の間に、シール部材150で蔽われた間隙部130が形成される。
その後、第1および/または第2のガラス基板に予め設けられている開口を利用して、間隙部130内が減圧処理される。例えば、間隙部130内のガスが不活性ガスで置換され、あるいは間隙部130が減圧処理される。さらに、減圧処理に利用された開口が封止される。これにより、真空複層ガラス100が製造される。
組立体を加熱する時は、真空雰囲気中で行ってもよい。開口を設けることなく、加熱すれば、そのまま間隙部130内が真空で保持されることになり、加熱後の減圧処理を省くことができる。また、組立体を加熱する方法として、全体を加熱する方法以外にガラス固化層を焼成する局所的加熱方法(赤外線加熱、電磁誘導加熱、レーザー照射、等)を用いて実施しても良い。
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
(結合性評価試験)
各種金属部材とガラス固化層の組み合わせについて、両者の結合性を、以下の方法により評価した。
まず、純アルミニウム、アルミニウム合金、純ニッケル、ステンレス鋼、純チタン、鉄ニッケルコバルト合金(コバール)、および銅ニッケル合金(キュプロニッケル)からなる各種金属板を準備した。準備した金属板(サンプル1〜17)の材質、厚さおよびビッカース硬度を、表3にまとめて示す。なお、各種金属部材の表示は、ミルシート(鋼材検査証明書)の記載に従った。
Figure 0006052286
次に、以下の方法で、ガラス固化層を有するガラス基板作製した。
縦50mm×横230mm×厚さ2.8mmのガラス基板(旭硝子製ソーダライムガラス)を準備した。このガラス基板の表面の一つの端部に、以下の方法によりガラス固化層を形成した。
まず、ガラスフリット、セラミック粉末、およびビヒクル(有機バインダおよび有機溶媒)を含むペーストを調製した。ガラスフリットには、表4に示すZnO−Bi−B系の組成のものを使用した。なお、このガラスフリットの熱膨張係数は、約105×10−7/Kである。また、セラミック粉末としてコーディエライト、ビヒクルとしてエチルセルロース、プロピレングリコールジアセテート(1,2−ジアセトキシプロパン)、ターピネオールの混合物を使用した。
Figure 0006052286
次に、このペーストをガラス基板の一方の表面の一端部(約230mm×約15mmの領域)に塗布した。ペーストの乾燥後、ガラス基板を、380℃で30分間熱処理し、ペーストを仮焼成した。これにより、ガラス基板のペーストを塗布した位置に、ガラス固化層が形成された。
次に、ガラス基板上に、前述のサンプル1〜17のいずれかの金属板を配置し、組立体を得た。金属板は、ガラス固化層の部分が完全に覆われるようにして、ガラス基板上に配置された。
次に、得られた組立体を490℃で40分間保持した後、室温まで冷却した。その後、金属板とガラス固化層が結合しているかどうかを評価した。評価は、金属板とガラス固化層とが接着した状態になっているか剥離する状態になっているかで実施された。
各サンプル1〜17において得られた結果を、前述の表3の「結合性評価」の欄にまとめて示す。なお、結合性評価結果において、「○」は、その金属材料がガラス固化層と結合したことを示しており、「×」は、その金属材料がガラス固化層と結合しなかったことを示している。
結合性評価試験の結果から、純ニッケル、ステンレス鋼、コバール、およびキュプロニッケルは、ガラス固化層との間で良好な結合を形成しないことがわかった。
これに対して、純アルミニウム、純アルミニウム以外のアルミニウム合金および純チタンは、概して、ガラス固化層と結合する傾向にあることがわかった。ただし、アルミニウム合金の中でも、A5052−O(2.5%Mg)は、ガラス固化層との間で良好な結合を形成しないことがわかった。また、純チタンの中でもTR270C−H(硬質チタン)は、ガラス固化層との間で良好な結合を形成しないことがわかった。
このように、結合性評価試験の結果から、金属部材とガラス固化層の組み合わせの仕方によっては、両者の間に適切な結合力が得られない場合があることが確認された。
(室温引張試験)
次に、前述の表1に示した各金属材料の板材を用いて、室温で引張試験を行った。
引張試験は、各金属材料の板材を長方形(縦50mm×横10mm)に切り出して試験片とし、試験片の長手方向の両端を引張試験機に固定して実施された。試験片の両端のチャック間距離を20mmとし、引張速度を1mm/minとして、各金属材料の引張強度および破断伸びが測定された。各試験片の板厚は表3に示すとおりであった。また、試験時の雰囲気温度は、常温であった。
なお、引張試験に供する前に、サンプル1〜17の各金属材料は、以下の条件で熱処理した:昇温速度10℃/分で490℃まで加熱後、40分間保持し、その後10℃/分で室温まで冷却。これは、実際に金属部材がシール部材の一部として適用される際の熱履歴を模擬するためである。
引張試験によって得られたサンプル1〜17の各金属材料の引張強度および破断伸びの値を、前述の表3の「引張試験結果」の欄にまとめて示す。引張強度は、試験片が破断した際の荷重(N)を試験片の断面積(mm)で除して求めた。破断伸びは、試験片の任意の2点間の距離における引張試験前後の伸び率(%)とした。この引張試験結果から、前述の結合性評価試験において、ガラス固化層と結合した金属材料は、引張強度の値に相対して比較的破断伸びが大きい傾向にあり、すなわち比較的延性のある材料であることがわかった。
図4には、サンプル1〜17の各金属材料の引張試験において得られた引張強度と破断伸びの関係をプロットしたグラフを示す。なおプロットのシンボルが「○」のものは、前述の結合性評価試験において、ガラス固化層と結合したサンプルの値を示しており、プロットのシンボルが「×」のものは、結合性評価試験において、ガラス固化層と結合しなかったサンプルの値を示している。
図4から、「○」のプロットと「×」のプロットは、明確に区別することができることがわかる。すなわち、金属材料の引張強度をX(N/mm)とし、破断伸びをY(%)としたとき、「○」のプロットと「×」のプロットの境界は、Y=0.10Xで表すことができる。
このように、図4のようなプロットを利用することにより、その金属材料がガラス固化層と結合する傾向にあるかどうかを評価することができる。すなわち、大気中490℃で40分間保持した金属材料の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係をプロットし、そのプロットがY≧0.10Xを満たすかどうかを判断すること(前述の「条件A」)により、その金属材料がガラス固化層と結合する傾向にあるかどうかを評価することができる。
ここで、ある種の純アルミニウムおよびアルミニウム合金は、約490℃前後の温度域に焼きなまし温度を有する。このような純アルミニウムおよびアルミニウム合金は、大気中490℃で40分間保持する熱処理によって初めて、前述のような「条件A」を満たすようになる。換言すれば、そのような熱処理を実施するまでは、「条件A」を満たさない。
このような純アルミニウムおよびアルミニウム合金は、シール部材用の金属部材として特に好ましい。そのような純アルミニウムおよびアルミニウム合金を使用した場合、金属部材とガラス基板を加熱して「ハイブリッドシール部材」を有する真空複層ガラスを製造する前の段階、すなわち組立体を組み立てる段階において、金属部材のハンドリング性が有意に高まるからである。
前述のように、一般に、「条件A」を満たす材料は、比較的柔らかいという特徴を有する。そのような柔らかい金属部材を使用した場合、金属部材のハンドリング性が悪くなってしまう。しかしながら、約490℃前後の温度域に焼きなまし温度を有するアルミニウム合金の場合、組立体を構成するハンドリングの際には、ある程度の剛性を有する状態で使用され、加熱処理後に、「条件A」を満たすようにすることができる。
加熱処理前は「条件A」を満たさず加熱処理後に「条件A」を満たすような純アルミニウムおよびアルミニウム合金の一例は、表3のサンプル1のA3003−H18、サンプル3のA1050−H24、ならびにサンプル6およびサンプル8のA1N30−H18である。
表5には、これらの純アルミニウムおよびアルミニウム合金の熱処理前後の引張試験結果をまとめて示す。引張試験の条件は、前述の条件と同じである。
Figure 0006052286
この表5から、サンプル1、サンプル3、サンプル6、およびサンプル8のアルミニウム合金は、490℃、40分間の熱処理によって、初めて「条件A」を満たすようになることがわかる。
(実施例2)
次に、前述の結合性評価試験において、「○」の結果が得られた金属材料サンプル、すなわちガラス固化層と結合した金属材料サンプルを用いて、以下の方法により、ガラス固化層との間の結合力を定量的に評価した。
(試験片の作製)
以下の方法で、評価用試験片を作製した。
まず、前述の実施例1と同様の方法により、ガラス固化層を有するガラス基板を作製した。ただし、ガラス基板の寸法は、縦9mm×横50mm×厚さ2.8mmとした。ガラス固化層520のおおよその寸法は、縦5mm×横5mmであった。
次に、3種類の金属部材を準備した。第1の金属部材は、純アルミニウムA1050−H24とし、厚さは0.2mmとした。第2の金属部材は、純アルミニウムA1N30−H18とし、厚さは0.1mmとした。第3の金属部材は、純アルミニウムA1N30−H18とし、厚さは0.15mmとした。金属部材の寸法は、縦50mm×横10mmとした。
次に、ガラス基板と金属部材とを、ガラス固化層の部分で重なるようにして熱処理した。これにより、金属部材がガラス固化層を介して、ガラス基板と結合され、評価用試験片(No.1〜No.3)が作製された。熱処理条件は、大気下、490℃で40分間とした。
図5には、得られた評価用試験片の平面図を示す。図5に示すように、評価用試験片500は、ガラス基板510および金属部材530を有し、金属部材530の一端がガラス基板510上に形成されたガラス固化層520と重なるように配置して作製された。
No.1〜No.3の各評価用試験片の仕様を、まとめて表6に示した。
Figure 0006052286
(結合力評価試験)
次に、No.1〜No.3の各評価用試験片を用いて、結合力評価試験を実施した。
結合力評価試験は、室温で、各評価用試験片を破断するまで引っ張ることにより行った。
図6には、試験装置の概要を示す。
試験装置600は、評価用試験片500を保持する冶具610と、評価用試験片500を上方に引っ張るためのホルダー630とを備える。
試験の際には、両面接着テープを用いて、評価用試験片500のガラス基板510の側を冶具610の側面615に貼り付けた。また、評価用試験片500の金属部材530の先端(ガラス固化層520と結合されていない側の端部)を、ホルダー630に取り付けた。さらに、評価用試験片500の金属部材530の所定の位置に、歪みゲージ(図示されていない)を取り付けた。
この状態で、冶具610を固定したまま、ホルダー630を介して評価用試験片500を矢印Fの方向(上方)に引っ張った。引張速度は、1mm/minとした。試験は、評価用試験片500が破断するまで続け、評価用試験片500が破断した際の荷重(N)および変位(mm)を測定した。
図7には、No.1の評価用試験片における測定時の変位(mm)と荷重(N)の関係を示す。
試験後に、評価用試験片500の状態を観察したところ、評価用試験片500は、金属部材530の、ガラス固化層520との結合部以外の位置で破断していることがわかった。
図7における測定時の変位(mm)と荷重(N)の関係が、アルミニウム材単独の引張試験の際に得られる挙動と類似していることから、本結合力評価試験では、評価用試験片500において、金属部材530とガラス固化層520との間には、良好な結合が得られていたことが予想される。すなわち、金属部材530とガラス固化層520との間には良好な結合が得られており、その結果、結合力評価試験において、測定時の変位(mm)と荷重(N)の関係が、金属部材530のみを使用した場合に得られる挙動と一致したものと考えられる。
No.2およびNo.3の評価用試験片においても同様の挙動が観察された。
前述の表6には、No.1〜No.3の各評価用試験片における結合力評価試験の測定結果をまとめて示す。結合力評価試験における破断モードは、評価用試験片の破断が、金属部材の破断によるものか、金属部材とガラス固化層の界面の剥離によるものかを示した。破断時の荷重は、評価用試験片が破断した際の荷重である。
表6に示すように、試験の結果、No.1〜No.3の各評価用試験片における破断時の荷重は、それぞれ、134N、70N、および104Nと十分に大きな値を示した。また、いずれの場合も、破断モードが金属部材の破断であったため、ガラス固化層と金属部材との結合が充分なものであったことがわかる。
(実施例3)
実施例3では、評価用試験片の金属部材として、厚さ0.1mmの純チタン(TR270C−O)を使用した以外は、実施例2と同様の方法で評価用試験片を作製し、この評価用試験片を用いて、結合力評価試験を行った。
評価用試験片(No.4)の仕様を、以下の表7に示した。
Figure 0006052286
No.4の評価用試験片における結合力評価試験の結果を図8に示す。No.4の評価用試験片の破断は、金属部材とガラス固化層との界面の剥離であった。
図8は、No.4の評価用試験片の金属部材とガラス固化層との界面が剥離するまでの変位(mm)と荷重(N)の関係を示したものである。
図8の結果から、No.4の評価用試験片における、金属部材とガラス固化層との界面が剥離するまでの変位(mm)と荷重(N)の関係は、図7に示したNo.1〜No.3の評価用試験片における、金属部材が破断した結果の変位(mm)と荷重(N)の関係とは大きく異なることがわかる。
前述の表7に、No.4の評価用試験片における結合力評価試験の引張強度の値を示す。表7に示すように、試験の結果、No.4の評価用試験片は、金属部材とガラス固化層との界面で剥離したが、剥離時の荷重は、171Nであった。この値は、表6における純アルミニウムの場合よりも大きい値を示した。
このように、No.4の評価用試験片は、No.1〜No.3の評価用試験片の破断モード(金属部材の破断)とは異なり、金属部材とガラス固化層との界面が剥離する破断モードを示すものの、No.4の評価用試験片においても、金属部材とガラス固化層との間には、良好な結合が得られていることが確認された。
以上のように、大気中490℃で40分間保持した金属材料が「条件A」を満たすかどうかを判断の尺度とすることにより、その金属材料がガラス固化層と結合する傾向にあるかどうかを判断することができることが確認された。
(実施例4)
縦10mm×横20mm×厚さ2.8mmのガラス基板(旭硝子製ソーダライムガラス)に、縦5mm×横15mm×厚さ0.1mmのZnO−SnO−P系の組成のガラスリボンを介して、縦10mm×横20mm×厚さ0.1mmの純アルミニウム(A1N30−H18)からなる金属板を積層させた試験片を準備し、熱処理した。熱処理の条件は、450℃で10分間保持とした。なお、ZnO−SnO−P系のガラスリボンの組成は、Pが30%、SnOが32%、ZnOが36%、Bが1%、CaOが0.5%、Alが0.5%であった。
試験片は、熱処理によりガラスリボンが軟化して、ガラス基板と金属板とが接合されており、実施例1と同様の結合性評価試験の結果は「○」であった。
以上のように、ガラス固化層がZnO−SnO−P系の組成のものであっても、結合することができることが確認された。
本発明は、建築物の窓ガラス等に使用される真空複層ガラス等に利用することができる。
本願は、2012年4月13日に出願した日本国特許出願2012−092368号に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願の参照として援用する。
100 本発明による真空複層ガラス
110 第1のガラス基板
112 第1の表面
114 第2の表面
120 第2のガラス基板
122 第1の表面
124 第2の表面
130 間隙部
150 シール部材
155 金属部材
160 第1のガラス固化層
165 第2のガラス固化層
190 スペーサ
210 金属部材
250 ガラス基板
260 組立体
270 ガラス固化層
500 評価用試験片
510 ガラス基板
520 ガラス固化層
530 金属部材
600 試験装置
610 冶具
615 側面
630 ホルダー

Claims (13)

  1. 第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラスであって、
    前記間隙部は、シール部材によって密閉され、
    前記シール部材は、金属部材と、該金属部材と前記ガラス基板とを接合するガラス固化層とを有し、
    前記金属部材は、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されることを特徴とする真空複層ガラス。
  2. 前記金属部材は、厚さが0.03mm〜0.5mmの範囲である請求項1に記載の真空複層ガラス。
  3. 前記金属部材は、前記大気中490℃で40分間保持する前の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たさない材料から選定される請求項1または2に記載の真空複層ガラス。
  4. 前記金属部材は、純アルミニウム、アルミニウム合金、純チタンおよびチタン合金からなる群から選定された少なくとも一つを含む請求項1乃至3のいずれか一つに記載の真空複層ガラス。
  5. 前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、50℃〜250℃での熱膨張係数が、70×10−7/K以上120×10−7/K以下である請求項1から4のいずれか一つに記載の真空複層ガラス。
  6. 前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、ZnO−Bi−B系のガラスである請求項1から5のいずれか一つに記載の真空複層ガラス。
  7. 前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、酸化物換算した場合、質量百分率で、下記の組成を有する請求項6に記載の真空複層ガラス:
    Biが70%〜90%、ZnOが5%〜15%、Bが2%〜8%、Alが0.1%〜5%、SiOが0.1%〜2%、CeOが0.1%〜5%、Feが0.01%〜0.2%、およびCuOが0.01%〜5%。
  8. 前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、ZnO−SnO−P系のガラスである請求項1から5のいずれか一つに記載の真空複層ガラス。
  9. 前記ガラス固化層に含まれるガラス成分は、酸化物換算した場合、質量百分率で、下記の組成を有する請求項に記載の真空複層ガラス:
    が27%〜35%、SnOが25%〜35%、ZnOが25%〜45%、Bが0%〜5%、Gaが0%〜3%、CaOが0%〜10%、SrOが0%〜10%、Alが0%〜3%、Inが0%〜3%、Laが0%〜3%、およびAl+In+Laが0%〜7%。
  10. 前記金属部材は、第1の部分および第2の部分を有し、
    前記金属部材の第1の部分は、前記第1のガラス基板に形成された第1のガラス固化層と結合され、
    前記金属部材の第2の部分は、前記第2のガラス基板に形成された第2のガラス固化層と結合され、
    これにより前記シール部材が形成される請求項1から9のいずれか一つに記載の真空複層ガラス。
  11. 第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラス用のシール部材であって、
    前記間隙部は、当該シール部材によって密閉され、
    当該シール部材は、金属部材と、該金属部材と前記ガラス基板とを接合するガラス固化層とを有し、
    前記金属部材は、大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定されることを特徴とするシール部材。
  12. 第1および第2のガラス基板が間隙部を介して積層され、該間隙部を大気圧未満の圧力状態にすることにより構成される真空複層ガラスの製造方法であって、
    前記第1のガラス基板に第1のガラス固化層を形成し、前記第2のガラス基板に第2のガラス固化層を形成するステップと、
    大気中490℃で40分間保持した後の室温引張試験(引張速度:1mm/min)において、引張強度X(N/mm)と破断伸びY(%)の間の関係が、Y≧0.10Xを満たす材料から選定される金属部材を、前記第1および前記第2のガラス固化層に接触させるように、前記第1および第2のガラス基板と該金属部材とを組み合わせて前記間隙部を形成させた組立体を構成するステップと、
    前記組立体の少なくとも前記第1および第2のガラス固化層を加熱して前記第1および第2のガラス固化層と前記金属部材とを結合させるステップと、
    前記間隙部を減圧処理するステップと、
    を有することを特徴とする真空複層ガラスの製造方法。
  13. 前記組立体の少なくとも前記第1および第2のガラス固化層を加熱させるステップは、470℃〜530℃の温度で、1分〜1時間保持した後、室温まで冷却される請求項12に記載の製造方法。
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