KR820001485B1 - Absorbing surface of solar collecting - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 태양광선의 파장(㎛)과 기판면의 조도(粗度)에 따른 선택 흡수면의 반사율(%)의 관계를 나타낸 선도.1 is a diagram showing the relationship between the wavelength of the sunlight (μm) and the reflectance (%) of the selective absorption surface according to the roughness of the substrate surface.
제2도와 제3도는 조도 Ra(㎛), R2(㎛) 각각의 선택 흡수면의 흡수율(α), 복사율(ε)과 효율(η) 사이의 관계를 나타낸 선도.2 and 3 are diagrams showing the relationship between the absorptance (α), the emissivity (ε) and the efficiency (η) of the selective absorption surface of the roughness Ra (µm) and R 2 (µm), respectively.
제4도는 기판의 여러가지 조도에 따른 선택 흡수의 반사율과 파장의 관계를 나타낸 선도.4 is a diagram showing the relationship between reflectance and wavelength of selective absorption according to various illuminances of the substrate.
제5도는 기판으로서 스테인레스강을 이용한 태양열 취집기의 선택 흡수면의 일예를 나타낸 단면도.5 is a cross-sectional view showing an example of a selective absorption surface of a solar collector using stainless steel as a substrate.
제6도는 금속 산화물막의 전도율과 파장(㎛)과의 관계를 나타낸 선도.6 is a diagram showing the relationship between the conductivity of a metal oxide film and a wavelength (占 퐉).
제7도는 간섭효과를 무시한 스테인레스강 기판위에 피복한 금속산화물의 반사율과 파장(㎛)과의 관계를 나타낸 선도.7 is a diagram showing the relationship between the reflectance and the wavelength (占 퐉) of a metal oxide coated on a stainless steel substrate ignoring interference effects.
제8도는 태양열 취집기의 선택 흡수면의 반사율(%)과 파장(㎛)과의 관계를 나타낸 선도.8 is a diagram showing the relationship between the reflectance (%) and the wavelength (μm) of the selective absorption surface of the solar collector.
제9도는 페라이트계 스테인레스강과 오스테나이트계 스테인레스강의 금속산화물의 반사율(%)과 파장(㎛)과의 관계를 나타낸 선도.9 is a graph showing the relationship between reflectance (%) and wavelength (μm) of metal oxides of ferritic stainless steel and austenitic stainless steel.
제10도는 선택 흡수면을 보유하는 태양열 취집기의 횡단면도.10 is a cross-sectional view of a solar collector having a selective absorbing surface.
제11도는 저탄소 페라이트계 스테인레스강의 금속산화물의 반사율(%)과 파장(㎛)의 관계를 나타낸 선도.FIG. 11 is a graph showing the relationship between reflectance (%) and wavelength (μm) of metal oxide of low carbon ferritic stainless steel.
제12도는 태양열 취집기의 선택 흡수표면의 금속산화물층 제조에 있어서 화학 처리시간(분)과 피복층의 두께(Å) 사이의 관계를 나타낸 선도.12 is a diagram showing the relationship between the chemical treatment time (minutes) and the thickness of the coating layer in the preparation of the metal oxide layer on the selective absorption surface of the solar collector.
제13도는 태양열 취집기의 선택 흡수면의 복사율(ε)과 흡수율(α)과 피복층의 두께(Å) 사이의 관계를 나타낸 선도.FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the emissivity (?) And the absorptance? Of the selective absorption surface of the solar collector and the thickness of the coating layer.
본 발명은 태양복사열의 선택적 흡수를 위한 태양열 취집기의 흡수표면에 관한 것이다.The present invention relates to an absorption surface of a solar collector for the selective absorption of solar radiation heat.
특히 본 발명은 일정한 금속 조성으로부터 형성된 금속산화물의 피복층을 그 표면이 경면(鏡面)과 같은 일정한 두께의 기판에 부착한 태양복사열의 선택적인 흡수를 위한 수광면(이하 태양열 취집기의 선택흡수 표면이라 칭함)에 관한 것이다.In particular, the present invention is a light-receiving surface (selective absorption surface of the solar collector hereinafter) for the selective absorption of the solar radiation heat, the surface of the metal oxide coating layer formed from a constant metal composition attached to a substrate of a constant thickness, such as mirror surface It is referred to).
태양복사열을 흡수하는 방법으로는 온실 효과를 이용하는 것이 잘 알려져 있다. 즉, 적외선파장에서는 불투명을 가지며, 가시파장에서는 투명성을 가지는 피복재를 흑색체에 가까운 특성을 가진 물질 예컨대 흑색도료로서 일차 도포한 기판위에 피복하여서 전기한 도재의 온실효과로서 통상적인 열전도에 의한 통상적인 열손실을 감소하는 효과를 나타낼 수 있는 태양복사열 집열의 방법이다.It is well known to use the greenhouse effect as a method of absorbing solar radiation heat. In other words, it is opaque at infrared wavelengths and transparent at visible wavelengths. As a greenhouse effect of a ceramic material coated by coating a material having a characteristic close to that of a black body, such as a black paint, on a first coated substrate, the conventional thermal conductivity is common. It is a method of solar heat collection that can have an effect of reducing heat loss.
전기한 통상적인 종래의 방법은 태양열 취집기의 작동 온도가 약 50℃이하일 때 만족스럽게 사용되지만 작동온도가 약 50℃이상으로 상승할 경우 상기한 방법으로는 태양열 취집기의 집열효율이 대폭 감소되는 결점이 있다.The conventional conventional method described above is satisfactorily used when the operating temperature of the solar collector is about 50 ° C. or lower, but when the operating temperature rises above about 50 ° C., the heat collecting efficiency of the solar collector is drastically reduced. There is a flaw.
상기한 바와 같은 결점을 제거하기 위하여 태양열 취집기의 작용온도와 같은 온도인 100℃의 작용온도에서 3-50㎛의 파장에서는 낮은 복사율을 나타내고 태양복사열의 파장(0.3-2.0㎛)에서 흑색체와 같은 에너지흡수율을 나타내는 분광(分光) 특성을 가진 통상적인 선택 흡수면을 이용한다는 것은 공지의 사실이다.In order to eliminate the above-mentioned defects, at a temperature of 100 ° C., which is the same as the temperature of the solar collector, a low emissivity is shown at a wavelength of 3-50 μm, and a black body at a wavelength (0.3-2.0 μm) of solar radiation It is known to use conventional selective absorption surfaces with spectroscopic properties showing the same energy absorption.
천연적으로 상기와 같은 분광성을 나타내는 태양열 취집기의 선택 흡수면을 얻는다는 것은 어렵다.It is difficult to obtain a selective absorption surface of a solar collector which naturally exhibits such spectroscopy.
충분히 광택을 낸 아연판과 대기중에서 자연히 산화된 등판은 단순히 태양복사열의 선택 흡수성질을 나타내기 때문에 상기한 판들이 태양열 취집기에 사용될지라도 흑색칠 등의 온실 효과를 이용하는 전기한 태양열 취집기의 단점들을 제거하기에는 불충분하다.Fully polished zinc plates and naturally oxidized back plates simply show the optional absorbing properties of solar radiation, eliminating the drawbacks of electric solar collectors using the greenhouse effect such as black paint, even if these plates are used in solar collectors. Insufficient to
따라서 태양열 취집기의 선택흡수 표면을 인공적으로 제조하는 것이 시도되고 있다.Therefore, it has been attempted to artificially manufacture the selective absorption surface of the solar collector.
화학처리에 의하여 산화구리를 입힌 동판면이나 황화니켈을 도금한 양철판면 및 적외선 파장에서 투명성이고 가시 파장에서 불투명 박막과 진공증발법, 스패터링( Spattering) 아크(Arc)방전법에 의하여 태양복사열의 반사를 방지하는 성질을 가진 투명박막으로 거울같은 면을 가진 기판을 피복한 2중 피복면, 예를 들면 태양복사열의 반사를 방지하기 위하여 알루미늄 기판을 실리콘 금속으로 피복하고 다시 산화실리콘으로 피복한 면을 인공적으로 제조한 태양열 취집기의 전기한 선택 흡수면으로 이용되어 왔다.Copper plate coated with copper oxide or tin plate coated with nickel sulfide by chemical treatment, transparent at infrared wavelength, opaque thin film at visible wavelength, vacuum evaporation method, spattering arc discharge method Double-coated surface coated with a mirror-like surface with a transparent thin film having antireflection properties, for example, an aluminum substrate coated with silicon metal and then silicon oxide coated to prevent reflection of solar radiation. Has been used as the selective absorption surface of the solar collector manufactured artificially.
진공 증발법은 피막의 간섭효과에 의해 반사방지 효과를 가진 태양열 취집기의 선택 흡수면을 제조하는 방법 가운데 가장 확실한 방법중의 하나로 고려되어 왔다.Vacuum evaporation has been considered as one of the most reliable methods for producing selective absorbing surfaces of solar collectors with antireflection effect due to the interference effect of the film.
그 이유는 각 피막의 두께가 조절되며, 각 피막의 물질(하나의 물질 또는 혼합물)을 자유로이 선택해야 되고 적당한 굴절율을 가진 각 피막이 기판면에 서로 고착되어야 하기 때문이다.This is because the thickness of each film is controlled, the material (one material or mixture) of each film should be freely selected, and each film having a suitable refractive index should be bonded to each other on the substrate surface.
특별진공증발을 예로 들면 정상적 진공증발에 의하여 제조된 각 피막이 기판과 서로 고착되는데 충분하지 않기 때문에 그후부터 스패터링법 및 아크법등이 개발되어 왔다.For example, the sputtering method and the arc method have been developed since the films produced by the normal vacuum evaporation are not sufficient to adhere to the substrate and to each other.
그러나 증발법 자체가 제조효율과 생산가에 대하여 몇가지 단점을 가지고 있기 때문에 진공 증발법외의 방법 즉 화학적 건습법과 도금법에 의하여 반사방지면을 보유하는 선택 흡수면의 제조를 몇가지 방법으로 시도되어 왔다.However, since the evaporation method itself has some disadvantages in terms of production efficiency and production cost, several methods have been attempted to prepare a selective absorption surface having an antireflection surface by a method other than the vacuum evaporation method, that is, chemical wet and dry method and plating method.
예를 들면, 도금법에서는 피막의 간섭효과에 의한 반사방지 효과와 선택흡수 효과를 가진 선택 흡수면은 알루미늄판이나 양철판위에 황산아연과 황화니켈-아연의 피막이나 황화니켈의 피막을 형성하여 생산된다. 화학처리법에서는 상기한 효과를 가진 선택 흡수면은 상기한 황화니켈법과 동일한 방법에 따라 강판이나 스테인레스 강판위에 금속산화물을 입히므로써 제조된다.For example, in the plating method, the selective absorption surface having antireflection effect and selective absorption effect due to the interference effect of the film is produced by forming a zinc sulfate and nickel sulfide-zinc or nickel sulfide film on an aluminum plate or a tin plate. . In the chemical treatment method, the selective absorbing surface having the above-mentioned effect is produced by coating a metal oxide on a steel sheet or a stainless steel sheet according to the same method as the nickel sulfide method described above.
진공증발법 및 특별진공증발법에 의하여 제조된 피막뿐만 아니라 건습화학법에 의하여 제조된 피막도 선택 흡수성질을 나타내기는 하지만 진공증발과 특별진공증발법에 의하여 제조된 피막과 동일한 선택흡수성질을 갖는 선택 흡수면을 생산하기 위해서는 화학법에 의하여 제조된 피막두께를 적정범위로 선택하는 것이 필요하다.The films prepared by the vacuum evaporation method and the special vacuum evaporation method, as well as the films prepared by the wet and dry chemical method, exhibit selective absorbent properties, but have the same selective absorbent properties as the films prepared by the vacuum evaporation and special vacuum evaporation methods. In order to produce the selective absorption surface, it is necessary to select the film thickness manufactured by the chemical method in an appropriate range.
본 발명의 목적은 상기한 피막의 금속산화물은 선택 흡수 성질을 가지고 피막의 간섭효과로서 태양복사열의 반사를 방지하는 효과를 가진 것중에서 선택되는 소정의 금속조성의 금속산화물로 구성된 피막이 일정한 두께에서 소정조도의 거울같은 표면을 가지는 기판에 밀착된 태양열 취집기의 선택 흡수표면을 제공하는데 관한 것이다.It is an object of the present invention that a film composed of a metal oxide of a predetermined metal composition selected from among the metal oxide of the film having a selective absorption property and having an effect of preventing reflection of solar radiation as an interference effect of the film has a predetermined thickness. It is directed to providing a selective absorption surface of a solar collector that is in close contact with a substrate having a mirror-like surface of roughness.
[금속 화합물][Metal compound]
본 발명에서 사용한 일례의 금속조성은 0.001-0.15%(중량)의 탄소, 0.005-3.00(중량)의 실리콘, 0.005-10.00%(중량)의 망간, 11.00-30.00(중량)의 크롬, 0.005-22.00(중량)의 니켈, 선택적으로 0.75-5.00%(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철의 화합물이다.An example metal composition used in the present invention is 0.001-0.15% (weight) carbon, 0.005-3.00 (weight) silicon, 0.005-10.00% (weight) manganese, 11.00-30.00 (weight) chromium, 0.005-22.00 Nickel by weight, optionally 0.75-5.00% by weight molybdenum and the remainder is a compound of iron.
상기한 금속조성은 흔히 시판되고 있는 스테인레스상의 화합물과 일치하는데 예를 들면 0.005-0.08%(중량)의 탄소, 0.005-1.00%(중량)의 실리콘, 0.005-2.00%(중량)의 망간, 8.00-10.50(중량)의 니켈, 18.00-20.00(중량)의 크롬과 나머지는 철(683/XIII 11(ISO), 304(AISI)인 것.Such metal compositions are often consistent with commercially available stainless phase compounds such as 0.005-0.08% by weight of carbon, 0.005-1.00% by weight of silicon, 0.005-2.00% by weight of manganese, 8.00- 10.50 (weight) nickel, 18.00-20.00 (weight) chromium and the remainder iron (683 / XIII 11 (ISO), 304 (AISI).
0.005-0.008(중량)의 탄소, 0.005-1.00%(중량)의 실리콘, 0.005-2.00%(중량)의 망간, 10.00-14.00%(중량)의 니켈, 16.00-18.00%(중량)의 크롬, 2.00-3.00%(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철(683/XIII 20(ISO), 316(AISI))인 것.0.005-0.008 (weight) carbon, 0.005-1.00% (weight) silicon, 0.005-2.00% (weight) manganese, 10.00-14.00% (weight) nickel, 16.00-18.00% (weight) chromium, 2.00 -3.00% (weight) molybdenum and the remainder is iron (683 / XIII 20 (ISO), 316 (AISI)).
0.005-0.12%(중량)의 탄소, 0.005-0.75%(중량)의 실리콘, 0.005-1.00%(중량)의 망간, 0.005-0.60%(중량)의 니켈, 16.00-18.00%(중량)의 크롬과 나머지는 철(683/XIII 8(ISO), 430(AISI))인 것.0.005-0.12% (weight) carbon, 0.005-0.75% (weight) silicon, 0.005-1.00% (weight) manganese, 0.005-0.60% (weight) nickel, 16.00-18.00% (weight) chromium The remainder is iron (683 / XIII 8 (ISO), 430 (AISI)).
0.005-0.12%(중량)의 탄소, 0.005-1.00%(중량)의 실리콘, 0.005-1.00% (중량)의 망간, 0.005-0.60%(중량)의 니켈, 16.00-18.00%(중량)의 크롬, 0.75-1.25%(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철(434(AISI))인 경우와 전기한 금속 화합물과 유사한 화합물인 기타의 스테인레스강 등이다.0.005-0.12% (weight) carbon, 0.005-1.00% (weight) silicon, 0.005-1.00% (weight) manganese, 0.005-0.60% (weight) nickel, 16.00-18.00% (weight) chromium, 0.75-1.25% (by weight) molybdenum and the rest are iron (434 (AISI)) and other stainless steels that are similar to the metal compounds described above.
스테인레스강을 금속 조성물로서 사용할 때에는 마르덴사이트계 스테인레스강은 적합치 않으며, 페라이트계 스테인레스강과 오스테나이트계 스테인레스강의 용접성의 관점에서 태양열 취집기의 금속조성물로서 사용함이 적합하다.When using stainless steel as a metal composition, mardencite stainless steel is not suitable, and it is suitable to use it as a metal composition of a solar collector from the viewpoint of the weldability of ferritic stainless steel and austenitic stainless steel.
본 발명에서 사용된 또 하나의 금속조성은 내식성, 성형성과 용접성을 증진시키기 위하여 기타의 금속을 화합된 저탄소 스테인레스강인데 예를 들면, 0.001-0.15%(중량)의 탄소, 0.005-3.00%(중량)의 실리콘, 0.005-10.00%(중량)의 망간, 11.00-30.00%(중량)의 크롬과 0.001-5.00%(중량)는 질소, 구리, 알루미늄, 바나디움, 이트리움, 티타늄, 나오비움, 탄타룸, 우라늄, 토리움, 텅스텐, 질코늄 및 아프늄군 중에서 적어도 하나의 원소이며, 선택적으로 0.75-5.00(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철이며 금속/탄소+질소의 비는 5.0 이상인 반면 부가원소로서 나오비움, 탄타룸, 혹은 티타늄을 혼합한 스테인레스강에서는 상기 비율이 8.0 이상인 것이다.Another metal composition used in the present invention is a low carbon stainless steel in which other metals are combined to improve corrosion resistance, formability and weldability. For example, 0.001-0.15% (weight) of carbon, 0.005-3.00% (weight) ) Silicon, 0.005-10.00% (weight) manganese, 11.00-30.00% (weight) chromium and 0.001-5.00% (weight) are nitrogen, copper, aluminum, vanadium, yttrium, titanium, naviorium, tantarum , At least one element from the group of uranium, torium, tungsten, zirconium and afnium, optionally 0.75-5.00 (weight) molybdenum and the remainder is iron, with a metal / carbon + nitrogen ratio of at least 5.0 while In the stainless steel mixed with titanium, tantarum or titanium, the ratio is 8.0 or more.
상기한 금속 조성은 시판되는 보편적인 스테인레스강의 조성과 일치하는데 시판되는 스테인레스강은 예를 들면 0.005-0.03%(중량)의 탄소, 0.0005-0.75%(중량)의 실리콘, 0.005-1.00%(중량)의 망간, 16.00-18.00%(중량)의 크롬, 0.1-1.0%(중량)의 티타늄과 나머지는 철인 것.The above metal composition is consistent with the composition of commercially available stainless steels. Commercially available stainless steels include, for example, 0.005-0.03% by weight of carbon, 0.0005-0.75% by weight of silicon, and 0.005-1.00% by weight. Manganese, 16.00-18.00% by weight chromium, 0.1-1.0% by weight titanium and the rest being iron.
0.005-0.03%(중량)의 탄소, 0.005-0.75%(중량)의 실리콘, 0.005-1.00(중량)의 망간, 16.00-18.00%(중량)의 크롬, 0.1-1.0(중량)의 티타늄, 0.75-1.25(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철인 것이다.0.005-0.03% (weight) carbon, 0.005-0.75% (weight) silicon, 0.005-1.00 (weight) manganese, 16.00-18.00% (weight) chromium, 0.1-1.0 (weight) titanium, 0.75- 1.25 (weight) molybdenum and the remainder are iron.
또한 본 발명에서 사용한 또 다른 하나의 금속 조성은 내식성, 성형성과 용접성을 증진시키기 위하여 다른 금속과 혼합하는 저탄소 스테인레스강인데, 예를 들면 0.001-0.15%(중량)의 탄소, 0.005-22.00%(중량)의 니켈, 11.00-30%(중량)의 크롬과 0.001-5.00(중량)는 질소, 구리, 알루미늄, 바나디움, 이트리움, 티타늄, 니바디움, 탄타륨, 우라늄, 토리움, 텅스텐, 질코늄 및 하프늄 군중에서 선택한 적어도 하나의 원소이며 선택적으로 0.75-5.00%(중량)의 몰리브덴과 나머지는 철이며 금속/탄 소+질소 비는 5.0 이상이며, 상기 비율이 부가원소로서 니바디움, 탄타룸 혹은 티타늄을 혼합한 스테인레스강에서는 상기한 비율이 8.0이상인 것이다.In addition, another metal composition used in the present invention is a low carbon stainless steel mixed with other metals to improve corrosion resistance, formability and weldability, for example, 0.001-0.15% (weight) of carbon, 0.005-22.00% (weight) ), 11.00-30% (by weight) of chromium and 0.001-5.00 (by weight) are nitrogen, copper, aluminum, vanadium, yttrium, titanium, nibium, tantalum, uranium, torium, tungsten, zirconium and At least one element selected from the hafnium mass, optionally 0.75-5.00% (by weight) molybdenum and the remainder is iron, with a metal / carbon + nitrogen ratio of at least 5.0, the ratio being an additive element such as nibium, tantarum or In the stainless steel mixed with titanium, the above ratio is 8.0 or more.
[금속 산화물의 제조][Production of Metal Oxide]
금속 조성물로부터 금속 산화물을 제조하는 방법은 다음과 같다.The method for producing a metal oxide from the metal composition is as follows.
1) 건습화학처리에 의하여 금속 산화물을 제조하는 방법.1) A method for producing a metal oxide by wet and dry chemical treatment.
2) 소정의 금속 조성의 스테인레스강을 전기한 스테인레스강과 다른 거울같은 표면을 가진 기판위에 밀착시킨 후 스테인레스강의 금속 산화물을 제조하는 화학 처리방법.2) A chemical treatment method for producing a metal oxide of stainless steel after bringing a stainless steel of a predetermined metal composition into close contact with a substrate having a mirror-like surface different from the stainless steel.
3) 소정의 금속 조성의 스테인레스강을 전기한 스테인레스강과 다른 경면을 보유하는 기판위에 밀착시킨 후 진공 증발법, 스패터링법과 아크방 전법에 의하여 스테인레스강의 금속 산화물을 제조하는 방법.3) A method of producing a metal oxide of stainless steel by vacuum evaporation, sputtering, and arc discharging method after closely contacting stainless steel having a predetermined metal composition on a substrate having a mirror surface different from the stainless steel.
4) 소정의 금속 조성의 스테인레스강을 스테인레스강 이외의 다른 경면의 기판위에 산화시키는 동시에 밀착시킴으로써 스테인레스강의 금속 산화물을 제조하는 방법.4) A method for producing a metal oxide of stainless steel by oxidizing and adhering stainless steel having a predetermined metal composition on a mirror-like substrate other than stainless steel.
상기한 제조법 중에서 가장 좋은 방법은 다음과 같은 산성 및 염기성 산화법이다.The best method among the above production methods is the following acidic and basic oxidation method.
(a) 산성 산화법(a) acidic oxidation
산화조건은 다음과 같다.Oxidation conditions are as follows.
2크롬산 나트륨, 혹은 2크롬산칼륨 100-400g/ℓ, 혹은 3산화크롬 40-700g/ℓ, 황산 150-800g/ℓ 바람직하게는 400-800g/ℓ, 온도 50℃∼비등점, 바람직하게는 70-120℃ 침액시간 3-40분.Sodium dichromate or potassium dichromate 100-400 g / l, or chromium trioxide 40-700 g / l, sulfuric acid 150-800 g / l, preferably 400-800 g / l,
(b) 염기성 산화법(b) basic oxidation
산화조건은 다음과 같다.Oxidation conditions are as follows.
수산화 나트륨 혹은 수산화 칼륨 130-200g/ℓ, 인산 3나트륨(Na3PO4) 혹은 인산 3칼륨(K3PO4) 30-40g/ℓ, 아질산 나트륨(NaNO2) 혹은 아질산칼륨(KNO2) 또는 질산나트륨(NaNO2) 혹은 질산 칼륨(KNO3) 20-30g/ℓ, 수산화제2철(Fe(OH)3) 1-3g/ℓ, 과산화납(PbO3) 20-30g/ℓ, 온도 100-150℃, 침액시간 3-50분.Sodium hydroxide or potassium hydroxide 130-200 g / l, trisodium phosphate (Na 3 PO 4 ) or potassium phosphate (K 3 PO 4 ) 30-40 g / l, sodium nitrite (NaNO 2 ) or potassium nitrite (KNO 2 ) or 20-30 g / l sodium nitrate (NaNO 2 ) or potassium nitrate (KNO 3 ), 1-3 g / l ferric hydroxide (Fe (OH) 3 ), 20-30 g / l lead peroxide (PbO 3 ), temperature 100 -150 ° C, immersion time 3-50 minutes.
기판 표면위를 화학처리하기 전에 이를 전처리 하는 것이 좋다.It is a good idea to pretreat the substrate before chemical treatment.
바람직한 전처리 방법은 기판을 질산과 물의 중량비가 1:1의 혼합액에 1시간 동안 침액시키거나, 30중량%의 과염산과 1중량%의 염화칼륨의 혼합액에 2-3분 동안 침액시키는 방법이다. 스테인레스강에서 나온 상기한 금속산화물은 페라이트계 스테인레스강인 경우 화학 구조식이 FeO(FeCr)2O3로 구성되고 오스테나이트계 스테인레스강인 경우는 화학 구조식이(Fe, Ni)O (Fe, Cr)2O3로 구성되며 양금속산화물은 격자결함을 가진 첨정석(尖晶石) 구조이다.A preferred pretreatment method is a method in which the substrate is immersed in a mixed solution of nitric acid and water for 1: 1 for 1 hour, or immersed in a mixed solution of 30 wt% perchloric acid and 1 wt% potassium chloride for 2-3 minutes. In the case of ferritic stainless steel, the above-described metal oxide is composed of FeO (FeCr) 2 O 3 in the case of ferritic stainless steel, and in the case of austenitic stainless steel, it is represented in the chemical formula (Fe, Ni) O (Fe, Cr) 2 O. It consists of 3 and the bimetal oxide is a spinel structure with lattice defects.
[기판의 조도][Roughness of the board]
거울 같은 표면을 가진 기판의 표면 상태가 다음의 필요조건을 만족시킬 때 기판의 재료의 종류는 그위에 소정의 조성의 금속 산화물을 부착시키는 경우에만 국한되지 않는다.When the surface state of a substrate having a mirror-like surface satisfies the following requirement, the kind of material of the substrate is not limited to attaching a metal oxide of a predetermined composition thereon.
1) 선택 흡수면의 특성 즉 적외선파장에서 높은 반사율을 제공하기 위하여, 금속산화물층은 적외선에 대하여 투과성을 보이는데 이 적외선은 기질위에 밀착된 금속산화물층을 통과하여 기판위에서 반사한다.1) In order to provide high reflectance at the selective absorption surface, that is, infrared wavelength, the metal oxide layer is transparent to infrared rays, which are reflected on the substrate through the metal oxide layer adhered to the substrate.
2) 기판에 대한 금속산화물층의 부착성은 기판면의 조도에 의존한다. 기판의 매끄러운면에 밀착된 피복층은 조밀하게 된다.2) The adhesion of the metal oxide layer to the substrate depends on the roughness of the substrate surface. The coating layer adhered to the smooth surface of the substrate becomes dense.
3) 기판의 표면이 가시광선과 적외선 가까운 광선의 파장에서 거울같은 면을 갖는 때는 간접효과가 감소되지 않으며, 이 때문에 반사방지효과가 뚜렷이 나타난다. 기판면이 조잡한 경우 태양복사열의 흡수성은 증가한다. 이와 같이 흡수성의 증가를 선택하거나 반사방지효과를 선택하는 것은 제작자에게 달려 있는 것이다.3) When the surface of the substrate has a mirror-like surface at the wavelength of visible light and near infrared light, the indirect effect is not reduced, and thus the antireflection effect is apparent. If the substrate surface is coarse, the absorption of solar radiation is increased. It is up to the producer to choose the increase in absorbency or the anti-reflective effect.
4) 적외선의 방사를 억제하기 위하여 기판의 거울같은 면을 매끄럽게 제조하는 것이 좋다.4) In order to suppress the radiation of infrared rays, it is better to manufacture the mirror-like surface of the substrate smoothly.
만약 기판이 너무 조잡하게 되면, 선택표면의 분광특성이 선택흡수 표면에서의 태양광선의 흡수파장이 3-8㎛의 적외선 파장에 도달하는 정도까지 억제되기 때문에 이런 조잡한 기판은 적당하지 않다. 여러 종류의 금속판, 스테인레스판이나 플라스틱판을 기질재료로서 사용할 수 있다.If the substrate is too coarse, such a coarse substrate is not suitable because the spectral characteristics of the selective surface are suppressed to the extent that the absorption wavelength of the sunlight at the selective absorption surface reaches an infrared wavelength of 3-8 μm. Various kinds of metal plates, stainless plates and plastic plates can be used as the substrate material.
상기한 문제점에서 보면, 스테인레스강의 금속산화물을 밀착시킬 기판의 표면상태는 태양복사선의 파장에서 흡수율이 크며(즉 반사율이 적음) 한편 적외선 파장에서 복사율이 적은(즉 반사율이 큼) 선택 흡수표면의 분광성을 충분히 나타내는데 가장 중요한 요소라는 것을 알 수 있다. 선택 흡수표면의 효율을 증진시키기 위해서는 상기한 기판의 표면조도의 태양 복사선의 파장보다는 크고 적외선 파장보다는 작은 것이 좋다고 알려져 있다.In view of the above problems, the surface state of the substrate to which the metal oxide of stainless steel is in close contact has a high absorption rate (i.e. a low reflectance) at the wavelength of solar radiation and a low absorption rate (i.e. a high reflectance) at the wavelength of solar radiation. It can be seen that it is the most important factor for showing sufficient light. In order to enhance the efficiency of the selective absorption surface, it is known that the surface roughness of the substrate is larger than the wavelength of solar radiation and smaller than the infrared wavelength.
그러나 이것은 실험 자료에 의한 것으로 확인되지는 않은 것이다. 일반적으로 조잡하게 완성된 기판의 표면은 다중 반사에 의하여 흡수율의 증가효과를 가져오고, 간섭효과로부터 오는 반사방지 효과를 억제시키는 경향이 있는데, 이는 상기한 양효과가 실제 선택 흡수표면의 조도의 제한에 따르기 때문이다.However, this has not been confirmed by experimental data. In general, the surface of the roughly finished substrate has an effect of increasing the absorption rate by multiple reflections and tends to suppress the antireflection effect from the interference effect, which is a limitation of the roughness of the actual selective absorption surface. Because to follow.
본 발명의 다른 목적은 스테인레스강의 금속산화물을 기판의 표면위에 형성할 때 기판의 조도를 결정하는데 있다. 기판의 조도를 결정하기 위하여 다음과 같은 실험이 효과적이었다. 0.005-0.12%(중량)의 탄소, 0.005-0.75%(중량)의 실리콘, 0.005-1.00%(중량)의 망간, 16.00-18.00%(중량)의 크롬, 나머지는 소량의 부가금속과 철(430)(AISI), 683/XIII 8(ISO))의 금속 화합물인 스테인레스강을 30-35분 동안 106-108℃의 온도에서 2크롬산나트륨 100g/ℓ와 황산 400g/ℓ로 구성된 산상액조에서 산화시켜, 상기한 스테인레스강의 표면상에 금속 산화물을 형성시켰다. 태양분관에서 적분된 흡수율(α), 흑체효율(η)의 복사열에서 적분된 복사율(ε)사이의 관계가 각각 조사되었다.Another object of the present invention is to determine the roughness of a substrate when forming a metal oxide of stainless steel on the surface of the substrate. The following experiments were effective to determine the roughness of the substrate. 0.005-0.12% (by weight) of carbon, 0.005-0.75% (by weight) of silicon, 0.005-1.00% (by weight) of manganese, 16.00-18.00% (by weight) of chromium, the remainder being a small amount of addition metals and iron (430 (AISI), 683 / XIII 8 (ISO)), were oxidized in an acid phase bath consisting of 100 g / l sodium dichromate and 400 g / l sulfuric acid at a temperature of 106-108 ° C for 30-35 minutes. The metal oxide was formed on the surface of the stainless steel described above. The relationship between the absorption rate (α) integrated in the solar tube and the radiation rate (ε) integrated in the radiant heat of the black body efficiency (η) was investigated.
효율(η)은 다음 방정식으로 나타낸다.The efficiency η is represented by the following equation.
여기서 σ는 스테판 볼츠만(Stefan BoHzmann)의 상수 4.88×10-8Kcal/m2hoK를 나타내고, γ는 수정기조절 온도를 나타내는데 여기서 우리는 373°K로 추정한다.Where σ represents Stefan BoHzmann's constant 4.88 × 10 −8 Kcal / m 2 h O K and γ represents the crystallization temperature, where we assume 373 ° K.
J는 태양복사열(800Kcal/m2h)을 나타낸다. 기판면의 조도는 ISO에서 선정한 R468 표준치에 따라 산술 평균편차(Ra)와 10포인트 높이(Rz)에 의하여 나타낸다. 실험 결과는 제1도 및 제2도에 표시하였다. 제1도에서 곡선(1)은 표면의 조도가 Ra0.36㎛ 혹은 RI3.3㎛인 경우, 곡선(2)는 Ra0.19㎛ 혹은 RI0.6㎛인 경우, 곡선(3)은 Ra0.12㎛ 혹은 Rz0.5㎛인 경우, 곡선(4)는 Ra0.08㎛ 혹은 Rz0.3㎛인경우, 곡선(5)는 Ra0.04㎛ 혹은 RI0.1㎛인 경우의 반사율과 파장과의 관계를 나타낸 것이다.J represents solar radiation (800 Kcal / m 2 h). The roughness of the substrate surface is represented by the arithmetic mean deviation (R a ) and the 10-point height (R z ) according to the R468 standard selected by ISO. The experimental results are shown in FIGS. 1 and 2. In FIG. 1, curve (1) shows R a 0.36 μm or R I 3.3 μm, while curve (2) shows R a 0.19 μm or R I 0.6 μm, and curve (3) shows R a 0.12 μm. In the case of μm or R z 0.5 μm, the curve 4 shows the relationship between the reflectance and the wavelength in the case of R a 0.04 μm or R i 0.1 μm, when R a 0.08 μm or R z 0.3 μm. It is shown.
여기서 반사율의 변화는 가시 광선의 파장에 대한 태양열 취집기의 선택 흡수면의 조도의 변화에 비하여 적은 반면, 적외선 파장에서는 상기의 변화는 크다는 것을 알 수 있다.Here, it can be seen that the change in reflectance is small compared to the change in illuminance of the selective absorption surface of the solar collector with respect to the wavelength of visible light, while the change is large at the infrared wavelength.
Ra/RI의 비율이 적어질수록 반사율은 크게 된다. 제2도는 Ra치(値), 흡수율(α), 복사율(ε)과 효율(η) 사이의 관계를 표시한 것이다.As the ratio of R a / R I decreases, the reflectance increases. The display is a relationship between a value R 2 (値), absorption (α), emissivity (ε) and the efficiency (η) to turn.
제2도에서 보면 선택 흡수면의 흡수율(α)치는 Ra치에 의하여 많은 영향을 받지 않는다. 복사율(ε)치는 Ra치가 0.07 이하일 때 급격히 저하되는 반면 Ra치 0.07 이상인 경우 비례적으로 복사율치는 증가한다. 효율(η) 치는 Ra치가 0.07이하인 경우 갑자기 상승하며, 75%이상의 효율치를 보여준다.In FIG. 2, the absorbance α value of the selective absorption surface is not much influenced by the Ra value. The emissivity (ε) decreases rapidly when the value of R a is less than 0.07, while the emissivity increases proportionally when the value of R a is greater than 0.07. The efficiency (η) value rises abruptly when the value of R a is less than 0.07, showing an efficiency value of 75% or more.
제2도에서 볼 때 최상의 결과는 0.07 이하의 Ra치를 가진 스테인레스강판의 표면을 화학적으로 산화시켜서 제조한 선택 흡수면에서 나온다는 것을 알 수 있다.In Figure 2, the best results can be seen from the selective absorption surface produced by chemically oxidizing the surface of the stainless steel sheet having a Ra value of 0.07 or less.
제3도에서 볼 때 선택 흡수면의 흡수율(α)치는 Rz치에 의하여 많은 영향을 받지 않는다. 복사율(ε)치는 Rz치가 0.2이하에서 갑자기 저하되며 효율(η)은 RI치가 0.2 이하일 때 75%이상의 높은 효율치를 나타낸다.As shown in FIG. 3, the absorbance α value of the selective absorption surface is not much influenced by the R z value. The emissivity ε is suddenly lowered when the R z value is 0.2 or less, and the efficiency η represents a high efficiency value of 75% or more when the R I value is 0.2 or less.
최상의 결과는 Rz가 0.2 이하의 조도를 가진 스테인레스강의 표면을 화학적으로 산화시켜 제조한 선택 흡수면에서 나온다는 것을 알 수 있다. 각각 0.07이하의 Ra나 0.2이하의 Rz의 조도를 가진 선택 흡수면은 적외선 파장에서 거의 평활한 면으로 되고 반구 반사율에 대하여 적은 비율의 확산 반사율(거울 반사율과 확산 반사율의 합계)를 나타내면 7㎛이상의 적외선 파장에서 80% 이상의 반구 반사율치를 나타내는 배가된 반사율로부터 반사율의 저하를 방지하여 태양열 취집기의 상기 표면의 선택 흡수성을 특출하게 증진시킨다.The best results can be seen that R z comes from selective absorption produced by chemically oxidizing the surface of stainless steel with roughness below 0.2. Selective absorbing surfaces, each having a roughness of R a of 0.07 or less or R z of 0.2 or less, are almost smooth at infrared wavelengths and exhibit a small percentage of diffuse reflectance (sum of mirror reflectance and diffuse reflectance) with respect to hemispheric reflectivity. The reduction in reflectance is prevented from the doubled reflectance, which exhibits a hemispheric reflectance value of 80% or more at infrared wavelengths of 占 퐉 or more, which significantly enhances the selective absorption of the surface of the solar collector.
스테인레스강의 표면의 산화처리가 효과적으로 된 때 균일하고 안정된 산화물막을 제조하기 위하여 금속판의 표면을 균일하게 완성하는 것이 필요하다. 일반적으로 스테인레스강의 표면은 금속 조직학적 구조, 혼합율, 작업공정, 국부열처리와 내부응력 분포때문에 균질이 되지 않는다. 스테인레스강판의 표면이 균일하지 않으면 그만큼 균일한 산화물막이 형성되지 않는다.When the oxidation treatment of the surface of stainless steel becomes effective, it is necessary to uniformly complete the surface of the metal plate in order to produce a uniform and stable oxide film. In general, stainless steel surfaces are not homogeneous due to the metallographic structure, mixing rate, work process, localized heat treatment and internal stress distribution. If the surface of the stainless steel sheet is not uniform, a uniform oxide film is not formed that much.
본 발명의 효과중 하나는 금속판면이 비균질이기 때문에 야기되는 많은 단점을 제거하여, 기계연마 화학적 마멸과 전해연마에 의하여 0.07이하의 Ra나 0.2이하의 Rz의 조도로서 스테인레스강의 기판면을 완성하므로써 태양열 취집기의 선택흡수표면의 선택 흡수성을 증진시키는데 있다.One of the effects of the present invention eliminates many disadvantages caused by the inhomogeneity of the metal plate, thereby completing the stainless steel substrate surface with a roughness of R a below 0.07 or R z below 0.2 by mechanical polishing and chemical polishing and electropolishing. This is to enhance the selective absorption of the selective absorption surface of the solar collector.
적당한 조도의 태양열 취집기의 선택 흡수표면의 효율을 나타내는 예의 하나가 제4도에 표시되어 있다.One example showing the efficiency of the selective absorption surface of a solar collector of appropriate illuminance is shown in FIG.
본 예에서 스테인레스강(304(AISI) 681/XIII 11(ISO))은 Ra0.2㎛나 Rz1.0㎛의 표면조도의 깨끗한 면을 형성하기 위하여 20-100의 분말 크기인 유리분말을 사용한 액체 호우닝에 의하여 처리하고 다음 전술한 산성 산화법에 따라 상기 표면을 산화 시켰다. 스테인레스강의 산화물막의 분광 반사율은 제4도의 곡선(a)에 표시되었다. 다른 예에서는 스테인레스강을 Ra0.14㎛나 RI0.6㎛의 표면 조도의 깨끗한 면을 형성하기 위하여 10중량%의 질산과 2중량%의 플루오르산을 함유하는 용액속에 침액시키고 다음 산성 산화법으로 그 표면을 산화시켰다.In this example, stainless steel 304 (AISI) 681 / XIII 11 (ISO) is a liquid using glass powder with a powder size of 20-100 to form a clean surface with a surface roughness of R a 0.2 μm or R z 1.0 μm. The surface was oxidized by honing and then oxidized according to the acidic oxidation method described above. The spectral reflectance of the oxide film of stainless steel is shown by the curve (a) of FIG. Another example, a stainless steel immersion in a solution containing hydrofluoric acid of 10 wt% nitric acid and 2% by weight to form a clean surface of the surface roughness of R a or R 0.14㎛ I 0.6㎛ and its surface with the following acid oxidation Was oxidized.
제4도의 곡선(b)도 스테인레스강의 산화막이 분광반사율을 표시한다. 본 발명의 예에서 상기한 스테인레스강은 0.07㎛이하의 Ra나, 0.2㎛이하의 Rz의 조도를 가진 처리된 표면을 형성하기 위하여 전기한 예에서 보여준 바와 같이 기계적 및 화학적 처리 혹은 각각의 처리를 하거나 하지 않은 다음에 광택을 내었고 전술한 산성산화법에 의하여 산화시켰다. 시험결과는 제4도의 곡선(C)으로 표시하였다. 본 발명(곡선(C))의 산화물막은 곡선(a)와 (b)의 산화막보다 적외선 파장에서 높은 반사율을 나타내었다.Curve b of FIG. 4 also shows the spectral reflectance of the oxide film of stainless steel. In the examples of the present invention, the above-described stainless steel is mechanically or chemically treated or each treated as shown in the above examples to form a treated surface having a roughness of R a of 0.07 μm or less or R z of 0.2 μm or less. After or without it, it was polished and oxidized by the acidic oxidation method described above. The test result is shown by the curve (C) of FIG. The oxide film of the present invention (curve (C)) exhibited higher reflectance at infrared wavelengths than the oxide films of curves (a) and (b).
[산화물막의 두께][Thickness of oxide film]
다음의 공정에 따라 기판면에 금속 조성의 금속산화물이 밀착될 때 산화물막의 두께를 어떻게 결정하느냐 하는 문제가 야기된다. 즉,According to the following process, there arises a problem of how to determine the thickness of the oxide film when the metal oxide of the metal composition is in close contact with the substrate surface. In other words,
1) 소정의 금속 조정의 스테인레스강의 표면에 대하여 산성 혹은 염기성 산화를 효과적으로 하는 방법.1) A method of effectively acidic or basic oxidation of the surface of stainless steel of a given metal adjustment.
2) 산화물막과 기판 사이의 밀착성을 증진시키기 위하여 예를 들면 스패터링과 아크 방전법인 분자반응 진공 증발법.2) Molecular reaction vacuum evaporation, for example, sputtering and arc discharge, in order to enhance the adhesion between the oxide film and the substrate.
3) 적외선에 대하여 비교적 투광성인 접착제 예를 들면 폴리에틸렌이나 실리콘수지 등을 사용하여 기판 위에 소정의 금속 조성의 금속산화물 분말을 밀착시키는 방법.3) A method in which a metal oxide powder having a predetermined metal composition is brought into close contact with a substrate by using an adhesive which is relatively transmissive to infrared rays such as polyethylene or silicone resin.
4) 스테인레스강을 제외하고 기판 예를 들면 산화된 크롬화금속 혹은 합금에 밀착된 스테인레스강의 산화처리를 행하는 방법.4) A method of oxidizing stainless steel in close contact with a substrate such as oxidized metal chromium or an alloy except for stainless steel.
태양열 취집기의 선택 흡수표면의 분광성과 산화물막의 반사방지효과는 다음과 같다.Selective absorption surface of solar collector and the antireflection effect of oxide film are as follows.
즉 선택 흡수표면의 분광 특성은 태양 복사선의 파장(0.3-2.5㎛)에서 적게 반사되어야 하고 적외선 파장(3-50㎛)에서 많은 반사를 하여야 한다.That is, the spectral characteristics of the selective absorption surface should reflect less at the wavelength of solar radiation (0.3-2.5㎛) and reflect much at the infrared wavelength (3-50㎛).
제5도는 각각 대기와 산화물막 사이와 막과 기판사이의 접촉면 위에 입사광선의 반사를 보여주기 위하여 거울같은 면의 기판위에 산화물막이 밀착된 태양열 취집기의 흡수기의 단면도를 표시한 것이다.FIG. 5 shows a cross-sectional view of an absorber of a solar collector in which an oxide film is adhered on a mirror-like substrate to show reflection of incident light on the contact surface between the atmosphere and the oxide film and between the film and the substrate, respectively.
제5도에서 보면 대기(1)에서 오는 입사광선은 대기(1)의 산화물막(2)사이의 접촉면에서 부분적으로 반사되어 반사광선(4)이 형성된다.In FIG. 5, incident light coming from the
나머지 입사광선은 감쇄되어서 산화물막(2)을 투과하고 산화물막(2)과 기판( 3) 사이 접촉면에서 반사광선(5)을 형성하며 반사된다.The remaining incident light is attenuated to pass through the
광선(4)와 (5) 사이의 간섭은 산화물막의 두께에 의존하므로 산화물막의 두께는 반사방지 효과를 얻기 위하여 간섭작용을 일으키는 정도에서 선택된다.Since the interference between the
제7도의 곡선(6)은 간섭효과를 무시한 거울같은 표면의 기판면 위에 스테인레스강의 금속 산화물을 밀착시킨 선택 흡수면의 분광성질을 표시한 것이다.
제6도는 스테인레스강의 금속산화물의 분광전도력을 표시한 것이다.6 shows the spectral conductivity of metal oxides of stainless steel.
상기한 스테인레스강은 683/XIII8 (ISO)와 430(AISI)와 같은 금속 조성을 가진다.The stainless steels described above have metal compositions such as 683 / XIII8 (ISO) and 430 (AISI).
주로 산화크롬과 산화철(Fe3O4)(Fe2O3, FeO 혹은 Fe3O4)으로 구성된 산화물막은 2크롬산 나트륨 100g/ℓ와 400g/ℓ산의 산성용액에 106-108℃의 온도에서 30-35분간 침액시켜서 생성된다. 거울같은 면을 기판 위에 부착된 피복층의 적당한 두께를 가진 스테인레스강의 산화물막은, 간섭효과를 무시한 좋은 선택흡수성을 나타낸다.An oxide film composed mainly of chromium oxide and iron oxide (Fe 3 O 4 ) (Fe 2 O 3 , FeO or Fe 3 O 4 ) was used at an acidic solution of 100 g / l sodium dichromate and 400 g / l acid at a temperature of 106-108 ° C. Produced by soaking for 30-35 minutes. An oxide film of stainless steel having an appropriate thickness of a coating layer having a mirror-like surface attached on a substrate exhibits good selective absorbency without neglecting an interference effect.
제7도의 곡선(7)은 간섭효과가 태양복사선의 파장에서 반사율을 감소시키는 범위의 피복층의 두께를 가진 선택 흡수표면의 우수한 분광성질을 나타낸 것이다.
일반적으로는, 유전재(誘電材)사이의 접촉면에서 반사율을 억제시키기 위하여 상이한 광학성질을 가진 상기 재료의 굴절율의 중간치를 가진 유전재의 피복층을 설치하고 있다.Generally, in order to suppress the reflectance in the contact surface between dielectric materials, the coating layer of the dielectric material which has the median of the refractive index of the said material with a different optical property is provided.
만약 상기 재료들이 완전한 투광성을 소유하고 있다면 간섭효과로부터 오는 흡수대(Absorption Band)가 분명히 나타나게 된다.If the materials possess complete transmissivity, the absorption band resulting from the interference effect becomes apparent.
비록 상기재료들이 유전체와 전도체의 중간 성질을 갖고 있다 하더라도, 투과 광선의 존재에 의하여 간섭효과가 나타나게 된다.Although the materials have intermediate properties between the dielectric and the conductor, the interference effect is caused by the presence of transmitted light.
스테인레스강의 금속산화물은 완전한 유전성질을 가지고 있는 것이 아니고 어느 정도의 선택 흡수성만 가지고 있다.Metal oxides in stainless steel do not have complete dielectric properties, but rather have some degree of selective absorption.
따라서 상기한 산화물막은 어느 정도까지 간섭효과를 갖는 선택 흡수성을 나타내는 표면으로 사용할 수 있다.Therefore, the oxide film described above can be used as a surface exhibiting selective absorbency having an interference effect to some extent.
다음의 방정식이 충족된다면 선택 흡수면의 반사율을 최소치로 하는 것이 가능하다.It is possible to minimize the reflectance of the selective absorption surface if the following equation is satisfied.
여기서 n1은 피복재의 굴절율 : n0은 대기의 굴절율(n0=1), n2은 기판의 굴절율, d는 막의 두께, n1d=
만일 스테인레스강을 제5도에 표시한 바와 같이 기판(3)으로 사용하면 타원 계측 분선기의 측정에 의하여 굴절율 n2는 3.5-3.9이며, 굴절율 n1은 2.0-2.5이다.If stainless steel is used as the
비록 스테인레스강의 금속산화물막의 굴절율(2,0-2.5)이 제1방정식을 충족시키지 못하고 일차 흡수파장의 굴절율이, 산화물막의 광학적 두께가 λ/4일 때, 0이 되지 않더라도 제8도의 곡선(8)과 (9)로서 표시한 바와 같이 상기 산화물막은 우수한 흡수 선택성을 나타낸다.Although the refractive index of the metal oxide film of stainless steel (2,0-2.5) does not satisfy the first equation and the refractive index of the primary absorption wavelength is not zero when the optical thickness of the oxide film is λ / 4, the curve of FIG. And (9), the oxide film exhibits excellent absorption selectivity.
제8도에서 곡선(8)과 (9)는 일차 흡수파장이 각각 분광 방사력이 최고치인 약 0.5㎛와 약 0.8㎛인데, 분광반사율을 표시한 것이다.In Fig. 8, curves 8 and 9 show the primary absorption wavelengths of about 0.5 mu m and about 0.8 mu m, respectively, with the highest spectral radiative powers, respectively.
비록 가장 우수한 선택 흡수성이 일차흡수파장(11)이 0.5㎛인 때 나타나고, 선택 흡수표면의 최고 흡수율이, 태양 복사선의 분광분포를 고려하여 0.8㎛의 일차 흡수파장(11)에서 나타난다는 것에 곡선(8)로부터 추정되더라도, 현재 곡선(8)과 (9)의 태양 복사선의 흡수율(α)이 공기질량이 2라는 가정하에서 계산될 때, 곡선(8)과 (9)의 상기 흡수율(α)치는 각각 0.90과 0.94로 측정된다.Although the best selective absorptivity appears when the
제8도의 곡선(8)과 (9)의 복사율(ε)은 장파장에서 약 0.12의 동일치에 달한다.The emissivity ε of
주어진 파장에서 기판과 금속산화물 피복층에 있어 분산의 광학 정수가 각기 다르기 때문에, λ/2의 피복층의 광학적 두께에서 일차 흡수율에서의 최저 반사율(11)과 분광 반사율의 일차 정점(12)에 대응하는 파장은 각각 곡선(8)과 (9)에서 상이하다.Since the optical constants of the dispersions are different for the substrate and the metal oxide cladding layer at a given wavelength, the wavelengths corresponding to the
최상의 선택성은 0.5㎛의 일차 흡수파장보다 0.8㎛의 일차 흡수파장에서 얻게 된다.The best selectivity is obtained at the primary absorption wavelength of 0.8 µm rather than the primary absorption wavelength of 0.5 µm.
왜냐하면, 곡선(9)의 최소 반사율(11)이 곡선(8)의 최소 반사율보다 적은 반면, 곡선(9)의 최고 반사율은 곡선(8)의 최고 반사율보다 적기 때문이다.This is because the
제8도의 선(10)은 작용온도 100℃에서 선택 흡수표면의 이상적인 분광반사율 곡선을 나타내는 것이다.
상기 스테인레스강의 금속산화물의 굴절율을 상세히 설명하면, 상기한 금속산화물은 어떤 방향에서는 스테인레스강의 표면위에 다공성으로 자라나게 된다.When the refractive index of the metal oxide of the stainless steel is described in detail, the metal oxide grows in a porous manner on the surface of the stainless steel in some directions.
일반적으로 다공성이 크면 클수록 굴절율치는 대기의 굴절율에 접근한다. 자철광(Fe3O4)의 굴절율은 가시광선 파장에서 2.4-2.5인 반면, 스테인레스강의 금속산화물의 굴절율은 타원편관 분석기로 측정했을 때 2.0-2.5이다.In general, the greater the porosity, the closer the refractive index approaches the refractive index of the atmosphere. The refractive index of magnetite (Fe 3 O 4 ) is 2.4-2.5 at visible wavelength, while the refractive index of metal oxide of stainless steel is 2.0-2.5 as measured by ellipsoidal analyzer.
그러므로 스테인레스강의 금속산화물의 다공성은 금속산화물층의 기저용적의 0-20%이라고 결론지을 수 있다.Therefore, it can be concluded that the porosity of the metal oxide of stainless steel is 0-20% of the base volume of the metal oxide layer.
상기의 사실은 전도 현미경 측정으로 확인되었다.This fact was confirmed by conducting microscopy.
반사 방지 효과를 가진 스테인레스강의 금속 산화물 피복층의 적정두께(dc)는 전기한 피복층의 광학적 두께(n1d)가 1,250Å-2,5000Å이고 굴절율(n1)이 2.0-2.5일 때 500Å-1,250Å이다.The proper thickness (dc) of the metal oxide cladding layer of the stainless steel having the anti-reflection effect is 500 mW-1,250 when the optical thickness (n 1 d) of the coating layer is 1,250 Å-2,5000 Å and the refractive index (n 1 ) is 2.0-2.5. .
비록 피복층의 두께가 상기한 범위 밖일지라도, 표면의 선택 흡수성이 어느 정도 나타나므로 피복층의 적정 두께는 500Å-2000Å가 된다.Although the thickness of the coating layer is outside the above-mentioned range, since the selective absorbency of the surface appears to some extent, the appropriate thickness of the coating layer is 500 kPa-2000 kPa.
산화물피복층의 상기한 적정 두께는 스테인레스강 뿐만 아니라 그 이외의 기판에 대해서도 적용시킬 수 있다.The above-mentioned appropriate thickness of the oxide coating layer can be applied not only to stainless steel but also to other substrates.
만약 기판이 4.0이상의 높은 굴절율을 가진 재료로부터 선택되었다면 상기한 기판으로 제조된 태양열 취집기의 선택 흡수표면은 스테인레스강 기판으로 제조된 것보다 좋다.If the substrate is selected from a material having a high refractive index of 4.0 or higher, the selective absorption surface of the solar collector made of the substrate is better than that made of stainless steel substrate.
[실시예 1]Example 1
683/XIII 8(ISO), 430(AISI)과 638/XIII/ 11(ISO), 304(AISI)인 페라이트계 스테인레스강과 오스테나이트계 스테인레스강을 증크롬산 나트륨 100g/ℓ와 황산 400g/ℓ로 구성되는 배드(Bath)에서 106-108℃의 온도로 30-35분 동안 침지하여 화학적으로 산화시켜, 스테인레스강 표면에 산화물층을 형성하였다.Ferritic stainless steel and austenitic stainless steel of 683 / XIII 8 (ISO), 430 (AISI) and 638 / XIII / 11 (ISO), 304 (AISI) are composed of 100 g / l sodium dichromate and 400 g / l sulfuric acid Chemically oxidized by immersing at a temperature of 106-108 ° C for 30-35 minutes in the bath (Bath) to form an oxide layer on the stainless steel surface.
제9도는 상기와 같이 산화된 스테인레스강의 선택 흡수면의 분광 반사율을 종래의 태양열 취집기의 선택 흡수표면과 비교하여 표시한 것이다.FIG. 9 shows the spectral reflectance of the selective absorption surface of the oxidized stainless steel as compared with the selective absorption surface of the conventional solar collector.
제9도에서, 곡선(1)은 산화된 페라이트계 스테인레스강의 표면의 반사율을 표시한 것이고, 곡선(2)는 산화된 오스테나이트계 스테인레스강 표면의 반사율을 표시한 것이며, 곡선(3)은 동판을 염기성 산화시켜 제조된 산화 구리 피복층의 반사율을 표시한 것이고, 곡선(4)는 강철위에 주조니켈을 도금하고 그 위에 다시 도금한 황산 니켈의 반사율을 표시한 것이며 곡선(5)는 100℃의 작용온도에서 태양열 취집기의 선택흡수표면의 이상적인 분광반사율을 표시한 것이다.In FIG. 9, curve (1) shows the reflectance of the surface of oxidized ferritic stainless steel, curve (2) shows the reflectance of the surface of oxidized austenitic stainless steel, and curve (3) shows copper plate. The reflectivity of the copper oxide coating layer prepared by basic oxidation is shown, and the curve (4) shows the reflectance of nickel sulfate plated on nickel and replated thereon, and the curve (5) shows the effect of 100 ° C. It shows the ideal spectral reflectance of the selective absorption surface of the solar collector at temperature.
산화구리로 피복된 선택 흡수면은 4㎛이상의 긴 파장에서 과도한 높은 반사율을 나타낸다.The selective absorption surface coated with copper oxide shows excessively high reflectance at long wavelengths of 4 mu m or more.
그것은 0.3-2.5㎛의 파장에 있어서, 분산된 반사율을 감안해서 스테인레스강의 산화물막의 선택 흡수표면의 반사율(곡선(1)과 (2))보다 3-5% 높은 반사율을 가진다.It has a reflectance of 3-5% higher than the reflectance (
페라이트계 스테인레스강으로 형성된 흡수표면 곡선(1)의 경우에는, 그 반사율이 2.0㎛이하의 파장에서는 극히 적으며, 2.0㎛이상의 파장에서는 상당히 높다.In the case of the
페라이트계 스테인레스강으로 제조된 선택 흡수표면은 산화 구리 선택면으로 제조된 것과 같은 범위에서 우수하다.The selective absorption surface made of ferritic stainless steel is excellent in the same range as that made of copper oxide selective surface.
제9도의 곡선(2)으로 표시한 바와 같이 오스테나이트계 스테인레스강으로 제조한 선택 흡수표면의 반사율은, 태양열 취집기의 작용온도와 동일한 온도에서 흑체 복사선의 파장에 대해서는 페라이트계 스테인레스강으로 제조한 것에 비하여 열등하다.As indicated by the curve (2) in FIG. 9, the reflectance of the selective absorption surface made of austenitic stainless steel was made of ferritic stainless steel with respect to the wavelength of black body radiation at the same temperature as that of the solar collector. Inferior to that
비록 오스테나이트계 스테인레스강으로 제조한 선택 흡수표면이 분광특성에 있어서는 열등하지만, 이 표면은 용접성과 우수한 내식성을 고려할 때 경제적인 태양열 취집기로서 유용하다.Although the selective absorption surface made of austenitic stainless steel is inferior in spectral characteristics, this surface is useful as an economical solar collector in view of weldability and excellent corrosion resistance.
전기한 바와 같이, 페라이트계나 오스테나이트계 스테인레스강으로 제조한 본 발명의 선택 흡수표면은 스테인레스강의 특성인 우수한 내열성과 내식성 및 양호한 분광특성을 가지고 있기 때문에 태양열 취집기에 사용하면 유리하다.As described above, the selective absorption surface of the present invention made of ferritic or austenitic stainless steel is advantageous for use in solar collectors because it has excellent heat resistance, corrosion resistance and good spectral characteristics, which are properties of stainless steel.
화학적 산화공정에 의하여 페라이트계와 오스테나이트계 스테인레스강으로 제조된 금속산화물 피복층은 스테인레스강의 원래의 내식성이 손상되지 않은 균일하고 안정된 면이다.The metal oxide coating layer made of ferritic and austenitic stainless steel by the chemical oxidation process is a uniform and stable surface in which the original corrosion resistance of stainless steel is not impaired.
본 발명에 의해 제조된 선택 흡수면의 내열성은 만일 스테인레스강 이외의 기판을 사용하더라도 스테인레스강의 내열성과 같은 범주이다.The heat resistance of the selective absorbing surface produced by the present invention is in the same category as the heat resistance of stainless steel even if a substrate other than stainless steel is used.
제10도의 페라이트계와 오스테나이트계 스테인레스강으로 제조한 선택 흡수면을 장치한 태양열 취집기의 횡단면도이다.10 is a cross-sectional view of a solar collector provided with a selective absorption surface made of ferritic and austenitic stainless steels of FIG.
제10도에서, 화살표로 표시한 바와 같이 입사광선은, 태양 복사선과 대기(2)에서 박리되는 것을 보호하고 대류 열손실의 보호를 위하여 설치된 투명 복개재(1-3장의 유리 또는 합성수지판)를 통하여 전도되고 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인레스강의 산화물막(3)에 흡수되므로써 열로 전환된다.In FIG. 10, the incident light, as indicated by the arrow, shows a transparent covering (1-3 sheets of glass or synthetic resin) installed to protect the solar radiation from being separated from the atmosphere and to protect against convective heat loss. It is conducted through and absorbed into the
흡수된 열은 기판(4)을 통하여 물이나 공기같은 가열매체로 전도되거나 기판( 4)에 합판법이나 분산 접착법에 의해 접착된 통상의 재질(4)에 전도된다.The absorbed heat is conducted through a substrate 4 to a heating medium such as water or air, or to a conventional material 4 bonded to the substrate 4 by plywood or dispersion bonding.
제10도에서(6)은 방열체로서 설치된 공기층이고, (7)은 유리털이나 석면 혹은 벌집구조로 구성된 절연재이다.In FIG. 10, 6 is an air layer provided as a heat sink, and 7 is an insulating material composed of glass hair, asbestos, or honeycomb structure.
이상과 같이 페라이트계의 오스테나이트계 스테인레스강으로부터 화학산화법에 의해 제조한 선택 흡수면은 태양열 취집기에 사용했을 때 열을 취집하는데 우수한 효과를 나타낸다.As described above, the selective absorption surface produced by the chemical oxidation method from the ferritic austenitic stainless steel shows an excellent effect of collecting heat when used in a solar collector.
[실시예 2]Example 2
실시예(1)에 의한 페라이트계 스테인레스강으로 형성한 선택 흡수표면은 분광특성이 우수하고 가격이 저렴하지만, 용접성, 성형성, 내식성에 약간의 단점을 가지고 있다.The selective absorption surface formed of the ferritic stainless steel according to Example (1) is excellent in spectral characteristics and inexpensive, but has some disadvantages in weldability, formability and corrosion resistance.
이런 단점을 개선하기 위하여, 스테인레스강을 실시예 비에서와 같은 화학적 산화 조건하에서 처리하였다.To remedy this drawback, stainless steels were treated under the same chemical oxidation conditions as in Example.
제11도에서, 곡선(1)은 티타늄, 몰리브덴과 부가금속들을 함유한 저탄소 스테인레스강으로부터 제조된 선택 흡수표면의 반사율과 파장 사이의 관계를 표시한 것이고, 곡선(2)는 티타늄, 몰리브덴과 부가금속들을 함유하지 않은 저탄소 페라이트계 스테인레스강으로부터 제조한 선택 흡수면의 상기한 관계를 표시한 것이며, 곡선(3)은 이의 이상적인 곡선을 표시한 것이다.In FIG. 11, curve (1) shows the relationship between the reflectance and the wavelength of a selective absorption surface made from low carbon stainless steel containing titanium, molybdenum and addition metals, and curve (2) shows the relationship between titanium, molybdenum and addition The above relationship of the selective absorption surface produced from low carbon ferritic stainless steel containing no metals is shown, and
제11도로부터 알 수 있듯이 부가금속들을 함유한 스테인레스강으로부터 제조된 선택 흡수면은 물론 부가금속들을 함유하지 않은 보편적인 페라이트계 스테인레스강의 흡수면도 우수한 분광특성을 가지고 있다.As can be seen from FIG. 11, the selective absorbing surface made from stainless steel containing additional metals as well as the absorbing surface of universal ferritic stainless steel containing no additional metals have excellent spectral characteristics.
[실시예 3]Example 3
다음 실험은 간섭 효과에 의한 반사방지 능력과 우수한 분광반사율을 가진 태양열 취집기의 선택 흡수표면이 스테인레스강의 표면에 500-2000Å의 적정 두께를 가진 산화물막을 형성하는 산화 조건을 선택하므로서 제조된다는 사실을 증명하는데 효과적이었다.The following experiments demonstrate that the selective absorption surface of solar collectors with antireflection capability and good spectral reflectance due to interference effects is produced by selecting the oxidation conditions to form an oxide film with a suitable thickness of 500-2000Å on the surface of stainless steel. It was effective to
683/XIII 8(SIO), 430(AISI)의 스테인레스강판을 하기한 수용액(A) 및 (B)에서 침액시간을 변경하면서 화학적으로 산화시켜 스테인레스강 표면에 산화물 피복층을 형성하였다.683 / XIII 8 (SIO) and 430 (AISI) stainless steel sheets were chemically oxidized in the following aqueous solutions (A) and (B) while changing the immersion time to form an oxide coating layer on the stainless steel surface.
피복층의 두께(Å)와 침액시간 사이의 관계는 제12도에 도시되었으며, 태양광선 분광시의 흡수율(α)(공기무게 2)과 태양열 취집기의 작용온도(50-100℃)로서 흑체복사에 적분된 복사율(ε)과 피복층의 두께(Å) 사이의 관계는 제13도에 도시되어 있다.The relationship between the thickness of the coating layer and the immersion time is shown in FIG. The relationship between the emissivity ε integrated at and the thickness of the coating layer is shown in FIG.
스테인레스강의 표면을 산화시키는 조건(용액과 온도)은 하기와 같다.The conditions (solution and temperature) for oxidizing the surface of stainless steel are as follows.
제12도는 산화물피복층의 두께(Å)와 광학적두께 n1d=
여기서 n1은 전기한 범위 2.0-2.5의 평균치 2.2를 나타낸다.N <1> represents the average value 2.2 of the said range 2.0-2.5 here.
제12도에서, 곡선(13)은 처리조건(A)으로부터 얻어진 피복층에 관한 것이며, 곡선(14)은 처리조건(B)으로부터 얻어진 피복층에 관한 것이다.In FIG. 12,
제13도는 100℃작용 온도에서 복사율(ε)과 흡수율(α)과 산화물 피복층의 두께(Å)사이의 관계를 나타낸 것이다.FIG. 13 shows the relationship between the emissivity (ε), the water absorption (α), and the thickness of the oxide coating layer at an operating temperature of 100 ° C.
제12도에서, 곡선(15)은 피복층의 두께(Å)와 흡수율(α) 사이의 관계이고, 곡선(16)은 복사율(ε)과 피복층의 두께 사이의 관계이다.In FIG. 12, the
곡선(15) 및 (16)에서 알 수 있듯이, 흡수율치(α)는 500-2000Å의 도층의 두께에서는 0.80이상이고, 간섭효과로부터 오는 일차 흡수의 파장이 0.8㎛인 때 약 900Å의 피복층의 두께에서는 0.94이며, 도층의 두께가 1000Å인 경우 점차 감소한다.As can be seen from curves (15) and (16), the absorbance value (α) is 0.80 or more in the thickness of the coating layer of 500-2000 Hz, and the thickness of the coating layer of about 900 Hz when the wavelength of the primary absorption resulting from the interference effect is 0.8 µm. Is 0.94, and gradually decreases when the thickness of the coating layer is 1000 kPa.
곡선(13)로부터 알 수 있듯이 복사율(ε)은 피복층의 두께가 약 1500Å에 달할 때까지 점차 증가하고, 피복층의 두께가 2000Å이상될 때 0.2이상이며, 우수한 선택 흡수성을 가진 선택 흡수면은 스테인레스강의 산화물막의 두께가 500-2000Å될 때 얻어진다.As can be seen from the
이상와 같이 우수한 특성을 가진 선택 흡수면은 산화물 피복층의 두께가 500-2000Å일 때 산화공정에 관계없이 얻어진다는 것을 알 수 있다.It can be seen that the selective absorption surface having the excellent characteristics as described above is obtained regardless of the oxidation process when the thickness of the oxide coating layer is 500-2000 kPa.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 스테인레스강을 기판으로 사용할 때 내구력, 내열성, 내식성과 접착성에서 우수한 성질을 가지는 선택 흡수표면을 얻을 수 있다.As mentioned above, according to this invention, when using stainless steel as a board | substrate, the selective absorption surface which has the outstanding characteristic in durability, heat resistance, corrosion resistance, and adhesiveness can be obtained.
산화구리로 구성된 종래의 선택 흡수면 표면의 경우에는 분광성은 표면색을 변화시킴으로써 180-200℃(24시간)의 온도에서는 변경되지 않으나, 210℃(24시간) 이상의 온도에서는 금속산화물의 표면 구조가 파괴되기 때문에, 분광성이 변경되는 폐단이 있다.In the case of a conventional selective absorbing surface composed of copper oxide, the spectroscopic property is not changed at a temperature of 180-200 ° C. (24 hours) by changing the surface color, but at a temperature of 210 ° C. (24 hours) or more, the surface structure of the metal oxide Since it is destroyed, there is a closed end where the spectroscopy is changed.
전기한 종래의 구리 선택 흡수표면에서, 표면이 빗물에 노출되므로 표면에 의한 적외선의 반사율이 감소된다.In the conventional copper selective absorption surface described above, the surface is exposed to rain water so that the reflectance of infrared rays by the surface is reduced.
본 발명의 태양열 취집기의 선택 흡수표면은 이와 같은 폐단은 없다. 본 발명에 의하면 우수한 분광성을 가지며, 제조가격이 저렴한 선택 흡수면은 페라이트계 스테인레스강을 기판으로서 사용했을 때에도 제조되나, 상기한 표면은 오스테나이트계 스테인레스강을 사용했을 경우와 비교하여 용접성, 성형성 및 내식성이 뒤떨어진다.The selective absorption surface of the solar collector of the present invention does not have such a closed end. According to the present invention, the selective absorption surface having excellent spectroscopic properties and low manufacturing cost is produced even when ferritic stainless steel is used as the substrate, but the above-described surface is weldable and formed as compared with the case where austenitic stainless steel is used. Lack of corrosion resistance and corrosion.
상기한 단점을 개선하기 위하여 저탄소 페라이트계 스테인레스강이나 소량의 특별한 부가금속을 함유한 페라이트계 스테인레스강 또는 소량의 특별한 부가금속을 함유한 저탄소 페라이트계 스테인레스강으로부터 상기한 표면을 제조한다.In order to remedy the above disadvantages, the above-mentioned surfaces are prepared from low carbon ferritic stainless steel, ferritic stainless steel containing a small amount of special additive metal or low carbon ferritic stainless steel containing a small amount of special additive metal.
이러한 강철들은 오스테나이트계 스테인레스강에서 나타나는 응력 부식과 같은 폐단이 없으며, 오스테나이트계 스테인레스강과 거의 같은 기계적 강도를 보유한다.These steels do not have closed ends, such as stress corrosion found in austenitic stainless steels, and have almost the same mechanical strength as austenitic stainless steels.
Claims (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013065921A1 (en) * | 2011-11-02 | 2013-05-10 | 한국에너지기술연구원 | Surface structure of a solar heat absorber |
| KR101698685B1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-20 | 조영봉 | a super precise casting and forging method for a watch case having a fine hole with minimized pin hole |
-
1976
- 1976-09-21 KR KR760002346A patent/KR820001485B1/en active
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| WO2013065921A1 (en) * | 2011-11-02 | 2013-05-10 | 한국에너지기술연구원 | Surface structure of a solar heat absorber |
| KR101698685B1 (en) * | 2015-09-10 | 2017-01-20 | 조영봉 | a super precise casting and forging method for a watch case having a fine hole with minimized pin hole |
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