JP5115885B2 - 複層ガラス - Google Patents

Description

本発明は、複層ガラスに関し、特に、可視光を透過する平板状の透明多孔体が２枚の板ガラス間に挟まれた積層構造を有する複層ガラスに関する。

住宅やビル等の建物の壁部、床部、天井部等を高断熱化する場合、住宅金融公庫の高断熱住宅の規格では、１００〜２００ｍｍ程度の厚さのロックウールが壁や天井等に対して規定されており、熱貫流率が約０．２〜０．５Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）の断熱性能を有する。これに対して、窓のガラス部は高性能の複層断熱ガラス（代表的空気層の厚み６０ｍｍ）でも、熱貫流率が１．６〜３．０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）と約１桁程度大きいため、換気によるものを除く外部との熱の出入りはその半分以上が窓のガラス部を通過している。従って、ガラス部の遮熱性を高めることは建物を高断熱化して省エネルギ化を図る上で非常に重要である。

一般に、複層断熱ガラスは、２枚の板ガラス間に空気の対流が生じ難い範囲の密閉空気層を形成し断熱層としている。複層断熱ガラスを高断熱化するために、密閉空気層を空気より熱伝導性の低いアルゴンガス等を封入した複層断熱ガラスや、密閉空気層を真空排気した真空複層ガラスがある（例えば、下記特許文献１〜３参照）。また、アルゴンガス等の封入や真空排気により密閉空気層の気密性を確保する必要から、大面積の複層断熱ガラスの作製が困難なため、密閉空気層の空気量を低減する目的として、密閉空気層にシリカ微粒子が鎖状に繋がったエアロゾルを封入して高断熱化を図った複層断熱ガラスがある（例えば、下記特許文献４参照）。また、２枚の板ガラス間の中空層にシリカエアロゲル等の透明多孔質断熱層を設けた複層ガラスがある（例えば、下記特許文献５参照）。

特開平１１−１９９２７７号公報 特開平１１−０９２１８１号公報 特開平１１−０７９７９５号公報 特開平１１−０７１１４１号公報 特開２００６−２８２４６５号公報 国際公開第２００５／１１０９１９号パンフレット Ｋａｚｕｙｏｓｈｉ Ｋａｎａｍｏｒｉ，ｅｔａｌ．，"Ｎｅｗ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｍｅｔｈｙｌｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ Ａｅｒｏｇｅｌｓ ａｎｄ Ｘｅｒｏｇｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ"，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔｅｒｉａｌｓ，２００７，１９，ｐｐ．１５８９−１５９３ "Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：Ｓｉｌｉｃａ Ａｅｒｏｇｅｌｓ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、［ 平成２０年４月４日検索］、インターネット＜URL：http://eande.lbl.gov/ECS/aerogels/sa-physical.html＞

しかしながら、従来の真空複層ガラスでは、２枚の板ガラス間に外側から密閉空気層に加わる大気圧を支えるために２枚の板ガラス間に多くの支持部材を挿入した複雑な構造となり、板ガラスやサッシ部分の構造を頑強なものとする必要から重量化が避けられない。

また、密閉空気層にエアロゾルを封入した複層断熱ガラスでは、粒子間に粒子径より大きな空隙が多く残存し、空気の対流が効果的に抑制されないため、一般的な複層ガラスより断熱化が図れるものの、飛躍的な断熱性能の改善は期待できない。また、粒子間に存在する空隙によって入射光が散乱するため、断熱層の可視光透過性が低下するという問題がある。

また、２枚の板ガラス間の中空層にシリカエアロゲル等の透明多孔質断熱層を設けた複層ガラスの場合では、透明多孔質断熱層の可視光透過性を確保するには、屈折率の変化の周期が光の波長の１／５〜１／１０程度になると急に散乱が大きくなるので、中心細孔径が数ｎｍ〜１００ｎｍで、当該細孔より孔径の大きい貫通孔や隙間や継ぎ目のない平板状の多孔体であることが望ましい。尚、上記特許文献５に開示されている複層ガラスの透明多孔質断熱層が、平板状の多孔体であるか否かはその開示内容からは不明である。また、平板状の多孔体に隙間や継ぎ目が多く存在するとその部分で光が乱反射するため透視性が損なわれるとともに隙間や継ぎ目が容易に目視できるため外観上も問題となる。従って、細孔のみの平板状の透明多孔体を用いることにより、密閉空気層にエアロゾルを封入した複層断熱ガラスと比較して、複層ガラスに要求される断熱性と可視光透過性の両性能の向上が期待される。

ここで、セラミックスやガラス材料の一般的性質として、圧縮限界歪に比べ引っ張り限界歪が極めて小さいという問題がある。これらの材料が引っ張り歪によって破壊しやすい理由として、引っ張り応力を掛けた場合に、表面の小さな傷（イナシャルクラック）に応力が集中し、クラックの進展とともに応力集中係数が大きくなって急速に破壊が進行するためと考えられる。これに対して、圧縮歪の場合には当該応力集中のメカニズムが働かないため、圧縮歪によって破壊しやすいという問題はない。従って、シリカエアロゲル等の透明多孔体は、セラミックスやガラス材料の一種であることから、引っ張り歪によって破壊しやすい特質を有している。このため、シリカエアロゲル等の透明多孔体が複層ガラスに使用された場合、強風等の外圧によってガラス面が湾曲した場合、透明多孔体もガラス面と同様に湾曲が生じ、その湾曲面に沿って引っ張り歪が生じる。シリカエアロゲル等の透明多孔体は、容易に引っ張り限界歪を超える引っ張り歪が生じることにより亀裂が生じ、当該亀裂面で光が乱反射するため、可視光透過性及び透視性が損なわれることになる。従って、シリカエアロゲル等の透明多孔体が引っ張り応力に対して破壊しやすいという欠点を改善できれば、高い断熱性と可視光透過性を具備する複層ガラスを提供できるようになる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複層ガラスに要求される断熱性と可視光透過性の両性能の向上が期待される２枚の板ガラス間に平板状の透明多孔体が挟まれた積層構造を有する複層ガラスであって外圧による変形に対する破壊耐性を強化した複層ガラスを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る複層ガラスは、可視光を透過する平板状の透明多孔体が２枚の板ガラス間に挟まれた積層構造を有する複層ガラスであって、前記透明多孔体が引っ張り限界歪より大きい圧縮限界歪を有し、前記透明多孔体に対して予め圧縮歪が付与されていることを第１の特徴とする。

上記第１の特徴の複層ガラスによれば、透明多孔体の圧縮限界歪が大きいため、外圧による変形が生じて予め付与された圧縮歪に変形による圧縮歪が付加されても、圧縮限界歪以下であれば、透明多孔体は当該合成圧縮歪によって破壊されることはない。一方、透明多孔体の引っ張り限界歪は圧縮限界歪より小さいが、予め付与された圧縮歪と変形によって生じる引っ張り歪が相殺された合成歪では、引っ張り歪が大幅に軽減されるか、或いは、圧縮歪となるため、予め付与する圧縮歪を調整して、当該合成歪を引っ張り限界歪以下に設定することで、変形によって生じる引っ張り歪により透明多孔体が破壊されるのを未然に防止することが可能となる。

以上の結果、セラミックスやガラス材料と同様に引っ張り歪によって破壊しやすい特質を有しているが、可視光透過性及び断熱性の両特性において優れた特性を示すシリカエアロゲルやメチル化シリカキセロゲル等の無機或いは有機無機ハイブリッド非晶質ゲル、或いは、その他同様の特性を有する透明多孔体材料を、複層ガラスの透明多孔体として使用することが可能となり、力学強度特性、可視光透過性、及び、断熱性に優れた複層ガラスを提供できるようになる。

尚、本明細書では、圧縮歪、引っ張り歪、圧縮限界歪、及び、引っ張り限界歪は、以下のように定義して使用している。圧縮歪は、圧縮応力の方向における圧縮による長さの変化（ΔＬ）を圧縮前の物体の長さ（Ｌ）で除した比率（ΔＬ／Ｌ）で表され、引っ張り歪は、引っ張り応力の方向における引っ張りによる長さの変化（ΔＬ）を引っ張り前の物体の長さ（Ｌ）で除した比率（ΔＬ／Ｌ）で表される。圧縮歪は負の引っ張り歪と等価であり、圧縮歪と引っ張り歪は互いに符号が逆転する関係にある。また、圧縮限界歪は、物体が破壊に至る限界の圧縮歪で、引っ張り限界歪は、物体が破壊に至る限界の引っ張り歪である。

更に、上記第１の特徴の複層ガラスは、前記２枚の板ガラスに加わる外圧による変形によって前記透明多孔体に生じると予測される引っ張り歪の最大値以上の圧縮歪が、前記予測される引っ張り歪の方向に付与されるように、前記透明多孔体に対して予め圧縮歪が付与されていることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴の複層ガラスによれば、外圧による変形によって透明多孔体に生じると予測される引っ張り歪の方向に予め付与する圧縮歪が、その引っ張り歪の予測最大値以上であるので、当該最大位置以内の引っ張り歪が発生しても、当該引っ張り歪の方向に引っ張り歪が発生することが回避されるため、透明多孔体の引っ張り限界歪が如何に小さくても、変形によって生じる引っ張り歪により透明多孔体が破壊されるのを未然に防止することが可能となる。

更に、上記第１または第２の特徴の複層ガラスは、前記２枚の板ガラスから前記透明多孔体に対して前記透明多孔体の厚み方向に加えられる圧力によって、前記透明多孔体に対して前記厚み方向に予め第１の圧縮歪が付与され、前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ拡張するのを抑止された状態で、前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスによって挟持されていることで、前記透明多孔体に対して前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向に第２の圧縮歪が予め付与されていることを第３の特徴とする。

上記第３の特徴の複層ガラスによれば、透明多孔体の厚み方向に加えられる圧力によって、透明多孔体に対して厚み方向に第１の圧縮歪、２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ第２の圧縮歪を予め付与することができる。つまり、透明多孔体には全方向において圧縮歪が予め付与されることになる。複層ガラスの２枚の板ガラスの一方の外側面から強風等の強い圧力を受けると、２枚の板ガラスが他方側に向って湾曲する変形が生じる。この変形によって透明多孔体にも同様の湾曲が生じ、その湾曲面に沿って２枚の板ガラスの表面に平行な方向に引っ張り歪が生じる。従って、２枚の板ガラスの表面に平行な方向に予め付与された圧縮歪と湾曲面に沿って生じる引っ張り歪が相殺するため、引っ張り歪による破壊耐性が改善される。また、透明多孔体には全方向において圧縮歪が予め付与されているので、２枚の板ガラスの表面に平行な方向以外の方向に生じる引っ張り歪に対しても、上記同様に破壊耐性が改善されることになる。

更に、上記第３の特徴の複層ガラスは、前記２枚の板ガラスを前記透明多孔体の厚み方向に挟持する窓枠によって、前記２枚の板ガラスを前記透明多孔体の厚み方向に締め付けることにより、或いは、前記透明多孔体内の気相を減圧することにより、前記２枚の板ガラスの両側から加わる大気圧によって、前記透明多孔体に対して前記第１の圧縮歪が予め付与され、前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ拡張するのを抑止されることで、前記透明多孔体に対して前記第２の圧縮歪が予め付与されていることを第４の特徴とする。

上記第４の特徴の複層ガラスによれば、透明多孔体に対して第１及び第２の圧縮歪を具体的に予め付与することができるため、上記第３の特徴の複層ガラスの作用効果を確実に奏することができる。

更に、上記第３または第４の特徴の複層ガラスは、前記透明多孔体に固有の圧縮限界歪が３．５％より大きく、前記第１の圧縮歪が３．５％以上、前記透明多孔体に固有の圧縮限界歪未満であることを第５の特徴とする。

上記第５の特徴の複層ガラスによれば、例えば、透明多孔体としてメチル化シリカキセロゲルやシリカエアロゲル等の使用を想定した場合、これらの透明多孔体の材料としてのポアッソン比が０．２程度であるので、２枚の板ガラスの表面に平行な方向に第２の圧縮歪は０．７％以上、圧縮限界歪の０．２倍未満となる。ビル用の窓ガラスの限界変形は曲率半径５ｍ程度に設計されているので、板ガラスの最大寸法を２ｍと想定し、板ガラスの当該最大寸法の両端間が２ｍの長さに拘束されているとすると、上記限界変形の湾曲が生じた場合は、上記２ｍの長さの板ガラスは、約２．０１３６ｍに伸張し、０．６８％程度の引っ張り歪が生じることになる。ここで、板ガラスと透明多孔体が摩擦力をもって接触し、両者が接触面において完全に密着して相対的に動かない場合には、透明多孔体板に対し、ガラスの表面に平行な方向に板ガラスと同じく０．６８％程度の引っ張り歪が生じることになる。従って、上記想定内の引っ張り歪は第２の圧縮歪によって相殺されて引っ張り歪として発現しないため、引っ張り限界歪を超えて透明多孔体に亀裂等が生じて破壊するのが未然に防止される。

一方、板ガラスと透明多孔体が摩擦力をもって接触していない場合は、上記ビル用の窓ガラスの限界変形の湾曲によって透明多孔体に生じる歪は、透明多孔体の湾曲にのみ起因して発生するため、湾曲面の凸部側で引っ張り歪となり、凹部側で圧縮歪となる。透明多孔体の厚みが１０ｍｍ程度とすると、曲率半径５ｍの湾曲に対して、２枚の板ガラスの表面に平行な方向に生じる最大の引っ張り歪は０．１％程度となる。従って、板ガラスと透明多孔体が摩擦力をもって接触する場合に比べて、引っ張り歪が大幅に緩和されるので、上記想定内の引っ張り歪は第２の圧縮歪によって相殺されて引っ張り歪として発現しないため、引っ張り限界歪を超えて透明多孔体に亀裂等が生じて破壊するのが未然に防止される。

更に、上記何れかの特徴の複層ガラスは、前記透明多孔体が、無機或いは有機無機ハイブリッド非晶質ゲルであることを第６の特徴とする。尚、上記第６の特徴の複層ガラスにおいて、特に、前記透明多孔体が、骨格構造にケイ素と酸素を含むことが好ましく、更には、前記透明多孔体が、メチル化シリカキセロゲルであることが好ましい。

上記第６の特徴の複層ガラスによれば、可視光透過性、断熱性を兼ね備えた平板状の透明多孔体が実現できるため、当該透明多孔体を使用して予め圧縮歪を付与することで、外圧による変形に対する破壊耐性を強化した可視光透過性、透視性、断熱性を兼ね備えた複層ガラスが実現できる。特に、メチル化シリカキセロゲルは、中心細孔径が数ｎｍ〜６０ｎｍ程度の細孔のみを有する均質な透明多孔体であって、可視光透過性と断熱性を兼ね備えた複層ガラスの中間層として理想的な材料である。例えば、厚み１０ｍｍの十分に注意深く生産されたメチル化キセロゲルは可視光透過率８０％以上、ヘイズ率２％以下と通常のビル用複層ガラスとして十分な光学特性を持つとともに、熱伝導率も１０ｍＷ/ｍＫ以下という低い値を持っている。また、メチル化シリカキセロゲルは、８０％以上の非常に大きな圧縮限界歪を実現できることが分かっているので、複層ガラスの開口面積が大きくなって、変形によって透明多孔体に生じると予測される引っ張り歪の最大値が更に大きくなっても、それに対応可能な十分大きい圧縮歪を予め付与できることになる。

本発明に係る複層ガラスの実施の形態につき、図面に基づいて説明する。

〈第１実施形態〉
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る複層ガラス１は、２枚の板ガラス２と、２枚の板ガラス２に挟持された平板状の透明多孔体３、ストッパ４、及び、窓枠５を備えて構成されている。尚、図１は、２枚の板ガラス２の表面と垂直な断面における複層ガラス１の概略の構造を示す断面図である。尚、以下の説明において、説明の理解の簡単化のために、透明多孔体３の厚み方向（つまり、２枚の板ガラス２と透明多孔体３の積層方向）をＺ方向と称し、板ガラス２の表面に平行な板ガラス２の長辺方向で、Ｚ方向と直交する方向をＸ方向と称し、板ガラス２の表面に平行な板ガラス２の短辺方向で、Ｚ及びＸ両方向と直交する方向をＹ方向と称する。従って、図１の断面図は、Ｚ方向とＸ方向に平行なＸＺ断面、或いは、Ｚ方向とＹ方向に平行なＹＺ断面を示している。

本実施形態では、透明多孔体３は、中心細孔径が数ｎｍ〜６０ｎｍ程度の細孔のみを有するメチル化シリカキセロゲルを使用する。メチル化シリカキセロゲルは、中心細孔径が数ｎｍ〜６０ｎｍ程度の細孔のみを有することで、１０ｍｍ程度の厚みにおいて、可視光透過率８０％以上、ヘイズ率２％以下と、通常のビル用複層ガラスとして十分な光学特性と、熱伝導率も１０ｍＷ／ｍＫ以下という低い値の断熱特性を兼備するものが得られる。しかし、透明多孔体３は光学特性及び断熱特性は上記数値例に限定されるものではなく、製品としての複層ガラス１の仕様に依存して適切な特性のものが使用できる。

メチル化シリカキセロゲルは、ケイ素と酸素を有する骨格構造にメチル基が固定した構造の有機無機ハイブリッド非晶質ゲルである。キセロゲルは、学術的には「溶媒が除去されたゲル」であり、溶媒を除去するための乾燥法に依存しない広い概念で定義されている。一方、エアロゲルは、乾燥法に超臨界乾燥を用いた低密度ゲルとして定義されている。そこで、本明細書では、キセロゲルという用語は、エアロゲルを含む広い概念として使用するため、メチル化シリカキセロゲルには、メチル化シリカエアロゲルが含まれる。メチル化シリカエアロゲルを含むメチル化シリカキセロゲルは、例えば、上記特許文献６或いは上記非特許文献１に開示されている公知の製造方法を用いて作製される。メチル化シリカキセロゲルに使用する乾燥法として、蒸発乾燥等の超臨界乾燥以外の乾燥法を用いても、メチル化シリカエアロゲルと同様の可視光透過性及び力学強度特性が得られている。本実施形態では、これらのメチル化シリカキセロゲルを使用する。メチル化シリカキセロゲルの力学強度特性の一例として、上記非特許文献１の第２図に、圧縮応力と圧縮歪の関係を示す特性曲線が開示されており、圧縮強度が約１０ＭＰａ、圧縮限界歪として６０％〜８０％程度の特性を想定する。尚、メチル化シリカキセロゲルの引っ張り強度及び引っ張り限界歪は、従来のシリカエアロゲル等と同様に極めて低いという欠点を有している。

尚、本実施形態で使用するメチル化シリカキセロゲルは、上述の通り、上記特許文献６或いは上記非特許文献１に開示されている公知の製造方法を用いて作製されるものを想定しており、気孔率（空隙率）として８０〜９０％程度を想定しているため、従来のシリカエアロゲル等と同様に、ヤング率は、高密度シリカ（例えば、板ガラス２）と比較して４桁程度低い値となる。上記非特許文献１の第２図に示されるように、メチル化シリカキセロゲルの圧縮応力・圧縮歪特性は非線形であるが、圧縮歪が０〜３０％程度の範囲内では略線形な特性を示しており、その場合のヤング率は、概ね従来のシリカエアロゲル等と同程度である。尚、従来のシリカエアロゲルの物理特性については、上記非特許文献２のＵＲＬに開示されている。

尚、板ガラス２及び透明多孔体３の縦横の寸法及び厚さは、光学特性及び断熱特性と同様に、製品としての複層ガラス１の仕様に依存して適切な寸法を選択すれば良い。

ストッパ４は、透明多孔体３が厚み方向（Ｚ方向）に２枚の板ガラス２によって両側から締め付けられ圧縮された場合に、透明多孔体３が板ガラス２の表面に平行な方向（Ｘ及びＹ方向）に伸張するのを抑制するためのものである。尚、また、ストッパ４の材料は、透明多孔体３のＸ及びＹ方向への伸張を抑制する必要から透明多孔体３より十分大きいヤング率を有する材料が好ましく、例えば、合成樹脂、ガラス、木材、金属等が使用可能である。

ストッパ４は、透明多孔体３のＸ及びＹ方向に面した端面の外周部において、２枚の板ガラス２の一方側の内側面２ａに固定されており、２枚の板ガラス２の他方側の内側面２ｂに向って突出している。他方側の板ガラス２の内側面２ｂと対向するストッパ４の先端部に、Ｏリング等のガスケット６を介装するための凹部４ａが形成され、他方側の板ガラス２の内側面２ｂとストッパ４の先端部との間にガスケット６が設けられている。

透明多孔体３が、２枚の板ガラス２によって両側から締め付けられ圧縮された場合に、ストッパ４が無い場合には、Ｘ及びＹ方向（つまり、板ガラス２の表面に平行な全方向）に向って伸張するが、ストッパ４によってその伸張が抑止される。この結果、透明多孔体３には、Ｚ方向に、２枚の板ガラス２からの締め付けによる圧縮歪ＳＣｚが、Ｘ及びＹ方向に、Ｚ方向の圧縮歪ＳＣｚに透明多孔体３のポアッソン比を乗じた圧縮歪ＳＣｘｙが生じることになる。つまり、透明多孔体３には、全方向に圧縮応力が発生する。尚、メチル化シリカキセロゲルのポアッソン比は、上記非特許文献１の実験結果を参照すると、製造方法の細部の違いによって、０．２或いは０．１２（一部のサンプル）となる。

窓枠５は、透明多孔体３を両側から締め付けている状態の２枚の板ガラス２の間隔を固定するためのもので、各板ガラス２の外周部のＺ方向外側面２ｃ、２ｄをＺ方向に挟み込む構造となっている。従って、図１に示す状態の複層ガラス１では、透明多孔体３には、全方向に予め圧縮歪が付与されている。窓枠５の材料としては、透明多孔体３のＺ方向の圧縮歪を固定する必要から透明多孔体３より十分大きいヤング率を有する材料が好ましく、例えば、合成樹脂、ガラス、木材、金属等、種々のものが使用可能であるが、金属等の板ガラス２との熱膨張率の差が大きい材料を使用する場合には、熱膨張或いは熱収縮後において適正な圧縮歪が確保されるように予め大き目の圧縮歪を付与する必要がある。但し、アルミ材の場合でも、アルミの熱膨張率が０．２３×１０^−４／Ｋであるので、周囲温度が設計温度から５０℃変化しても圧縮歪の変動は０．１％程度であり、過度な圧縮歪を付与する必要はない。

次に、図１に示す複層ガラス１の組立方法について、図２を参照して簡単に説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、夫々図１と同じ断面における透明多孔体３に対する圧縮歪付与前と付与後の複層ガラス１の断面構造を示す図である。図２（ａ）に示すように、２枚の板ガラス２の一方を固定して、他方に対してＺ方向外側（図中上側）から圧力Ｆを加えて、透明多孔体３をＺ方向に押し込む。この結果、図２（ｂ）に示すように、圧縮歪付与前に厚さＴであった透明多孔体３が、厚さ（Ｔ−ΔＴ）に変化すると、透明多孔体３を両側から締め付けている状態の２枚の板ガラス２の外周部に、窓枠５をＸ及びＹ方向外側から嵌め込み、各板ガラス２の外周部のＺ方向外側面２ｃ、２ｄをＺ方向に挟み込んで、透明多孔体３の厚さ（Ｔ−ΔＴ）を固定する。ここで、板ガラス２と透明多孔体３では、ヤング率に大きな差があり、透明多孔体３のヤング率が板ガラス２より４桁程度小さいので、板ガラス２の外周部を窓枠５で固定するだけで、透明多孔体３の全面をＺ方向に締め付けることができる。以上により、透明多孔体３には、Ｚ方向に圧縮歪ＳＣｚ（第１の圧縮歪に相当）が、Ｘ及びＹ方向に圧縮歪ＳＣｘｙ（第２の圧縮歪に相当）が予め付与されることになる。

図２に示す場合、Ｚ方向の圧縮歪ＳＣｚは、以下の数１で与えられる。また、Ｚ方向の圧縮歪ＳＣｚによって、ストッパ４によってＸ及びＹ方向の伸張ΔＬｘ、ΔＬｙが抑止されなければ、ポアッソン比をＲｐとして、伸張ΔＬｘ、ΔＬｙと圧縮歪ＳＣｚとポアッソン比Ｒｐの関係は、以下の数２のようになる。ここで、Ｌｘ、Ｌｙは圧縮前のＸ及びＹ方向の透明多孔体３の長さである。

（数１）
ＳＣｚ＝ΔＴ／Ｔ
（数２）
Ｒｐ＝（ΔＬ／Ｌ）／（ΔＴ／Ｔ）
ΔＬ／Ｌ＝ΔＬｘ／Ｌｘ＝ΔＬｙ／Ｌｙ

従って、Ｘ及びＹ方向に発生する圧縮歪ＳＣｘｙは、ΔＬ／Ｌが小さい場合には、近似的に以下の数３で与えられることになる。

（数３）
ＳＣｘｙ＝ΔＬ／（ΔＬ＋Ｌ）≒ΔＬ／Ｌ＝Ｒｐ・ＳＣｚ

次に、図１に示す複層ガラス１の透明多孔体３に予め付与する圧縮歪の大きさについて説明する。ここで、複層ガラス１に要求される力学的性能として、以下を想定する。つまり、板ガラス２のＸ方向の長さを２ｍとした場合に、外圧によって曲率半径５ｍの湾曲が生じた場合に、透明多孔体３に生じる引っ張り歪が、予め付与する圧縮歪によって相殺されて、透明多孔体３に引っ張り歪による破壊が生じないことを要件とする。

複層ガラス１の窓枠５のＸ及びＹ方向の位置が固定され、板ガラス２のＸ及びＹ方向の両端が窓枠５に固定されていると、板ガラス２のＸ方向の両端間の間隔は２ｍに拘束される。この状態で、板ガラス２に曲率半径５ｍの湾曲が生じると、図３に模式的に示すように、その湾曲面に沿った板ガラス２の長さは、約２．０１３６ｍに伸長する。つまり、板ガラス２には、湾曲面に沿って約０．６８％の引っ張り歪が生じる。同様に、２枚の板ガラス２に挟まれた透明多孔体３にも曲率半径５ｍの湾曲が生じる。

板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力によって、透明多孔体３の動きが、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている場合は、透明多孔体３には、板ガラス２の湾曲面に沿って、板ガラス２と同じ引っ張り歪が生じる。つまり、湾曲状態のＸ方向に約０．６８％の引っ張り歪ＳＴｘが生じる。尚、湾曲状態のＹ方向にも、板ガラス２のＹ方向の長さに応じた引っ張り歪ＳＴｙが生じるが、Ｙ方向の長さの方がＸ方向の長さより短いので、引っ張り歪ＳＴｙは引っ張り歪ＳＴｘより小さい。

本実施形態では、この引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙをＸ及びＹ方向に予め付与した圧縮歪ＳＣｘｙで相殺するために、圧縮歪ＳＣｘｙを引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙ以上の値、例えば０．７％に設定する。ここで、ポアッソン比Ｒｐが０．２の場合を想定すると、上記数３より、Ｚ方向に予め付与すべき圧縮歪ＳＣｚは、３．５％となる。本実施形態で使用するメチル化シリカキセロゲルは、上述の通り、圧縮限界歪が８０％と非常に大きな値を示すので、３．５％の圧縮歪ＳＣｚで破壊することはない。ここで、熱膨張または収縮によってＺ方向に予め付与した圧縮歪ＳＣｚが０．１％変化しても、Ｘ及びＹ方向に予め付与した圧縮歪ＳＣｘｙは、０．０２％の変化にしかならないので、約０．６８％の引っ張り歪ＳＴｘに対して十分である。

板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力がなく、透明多孔体３の動きが、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに拘束されない場合は、湾曲した透明多孔体に生じる歪は、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂからの拘束を受けないため、湾曲面の凸部側で引っ張り歪となり、凹部側で圧縮歪となる。透明多孔体３の厚みが１０ｍｍ程度とすると、曲率半径５ｍの湾曲に対して、２枚の板ガラス２の表面に平行な方向に生じる最大の引っ張り歪は０．１％程度となる。当該引っ張り歪は、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている場合の引っ張り歪ＳＴｘ（０．６８％）と比較して小さな値となっている。実際に、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の接触状態は、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている状態、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに拘束されていない状態、或いは、その中間状態の何れかであるので、予測される最大の引っ張り歪としては、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている場合を想定すれば十分である。

尚、板ガラス２のＸ及びＹ方向の長さが２ｍより長くなると、その長さに応じてＺ方向に予め付与すべき圧縮歪ＳＣｚを大きくする必要が生じる。また、板ガラス２のＸ及びＹ方向の長さが２ｍより短くなると、その長さに応じてＺ方向に予め付与すべき圧縮歪ＳＣｚを小さくすることができる。しかし、板ガラス２のＸ及びＹ方向の長さが短くなると、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに拘束されていない状態における２枚の板ガラス２の表面に平行な方向に生じる最大の引っ張り歪の方が、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている場合の引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙより大きくなる場合があるので、何れか大きい方の引っ張り歪を予測される最大の引っ張り歪として扱うことになる。

〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態に係る複層ガラス７について説明する。図４に示すように、本発明の第２実施形態に係る複層ガラス７は、２枚の板ガラス２と、２枚の板ガラス２に挟持された平板状の透明多孔体３、ストッパ４、スペーサー部材８、封止材９、及び、窓枠５を備えて構成されている。尚、図４は、２枚の板ガラス２の表面と垂直な断面（ＸＺ断面またはＹＺ断面）における複層ガラス１の概略の構造を示す断面図である。尚、図４において、図１の第１実施形態に係る複層ガラス１と共通する部位については共通の符号を付して説明する。

第２実施形態に係る複層ガラス７と第１実施形態に係る複層ガラス１との相違点は、複層ガラス７の組立方法と、透明多孔体３に対してＺ方向に予め付与する圧縮歪ＳＣｚの掛け方、及び、スペーサー部材８と封止材９を備えている点の３つであり、これらの相違点は、相互に関連している。２枚の板ガラス２とストッパ４と窓枠５については、第１実施形態に係る複層ガラス１と同じであるので、重複する説明は割愛する。

スペーサー部材８は、ストッパ４と窓枠５の間の２枚の板ガラス２間に設けられ、２枚の板ガラス２の内側面２ａ、２ｂとスペーサー部材８の間には、気密封止用の封止材９が設けられている。スペーサー部材８と封止材９により、２枚の板ガラス２とスペーサー部材８で囲まれた内部空間を気密封止するため、スペーサー部材８は気密な材料である必要があり、例えば、合成樹脂、ガラス、金属等が利用可能である。封止材９は、２枚の板ガラス２の内側面２ａ、２ｂとスペーサー部材８の間を気密封止可能な材料の中から適宜選択すればよく、例えば、ガラスフリット、エポキシ樹脂等の樹脂接着封止剤、ブチルゴム等が利用可能である。

次に、図４に示す複層ガラス７の組立方法について、図５を参照して簡単に説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、夫々図４と同じ断面における窓枠５を取り付ける前の透明多孔体３に対する圧縮歪付与前と付与後の複層ガラス７の断面構造を示す図である。図５（ａ）に示すように、２枚の板ガラス２とスペーサー部材８で囲まれた内部空間を真空引きして透明多孔体３の気相部分を減圧する。当該気相部分の内圧と２枚の板ガラス２の外側の大気圧の差により、２枚の板ガラス２の両側から圧力Ｆを加えて、透明多孔体３をＺ方向に押し込む。この結果、図２（ｂ）に示すように、圧縮歪付与前に厚さＴであった透明多孔体３が、厚さ（Ｔ−ΔＴ）に変化すると、封止材９を硬化させて、２枚の板ガラス２とスペーサー部材８で囲まれた内部空間を気密封止する。これにより、圧力Ｆの印加状態が維持される。引き続き、透明多孔体３が両側から大気圧で締め付けている状態の２枚の板ガラス２の外周部に、窓枠５をＸ及びＹ方向外側から嵌め込み、各板ガラス２の外周部のＺ方向外側面２ｃ、２ｄをＺ方向に挟み込んで、透明多孔体３の厚さ（Ｔ−ΔＴ）を固定することで、図４に示す複層ガラス７が得られる。

以上の組立方法により組み立てられた複層ガラス７は、第１実施形態の場合と同様に、透明多孔体３に対して、Ｚ方向に数１で与えられる圧縮歪ＳＣｚ（第１の圧縮歪に相当）が、Ｘ及びＹ方向に数３で与えられる圧縮歪ＳＣｘｙ（第２の圧縮歪に相当）が予め付与されることになる。

２枚の板ガラス２とスペーサー部材８で囲まれた内部空間の真空度は、数１で与えられる圧縮歪ＳＣｚが付与される圧縮応力Ｆｃと釣り合う圧力Ｆとなるように設定すればよい。圧縮応力Ｆｃは、使用する透明多孔体３の圧縮歪ＳＣｚと圧縮応力Ｆｃ間の特性に導出される。また、大気圧は気象条件によって変動するため、気圧低下によって圧力Ｆが減少するのを見越して透明多孔体３の気相部分を減圧すれば良い。尚、複層ガラス１に要求される力学的性能として、第１実施形態の場合と同様の要件を想定した場合、Ｚ方向に予め３．５％以上の圧縮歪ＳＣｚを付与するのに、上記真空度としては、０．５ａｔａ（≒０．０４９ＭＰａＡ）程度で十分である。

以下に、別の実施形態につき説明する。
〈１〉上記第１及び第２実施形態では、ストッパ４は、図１及び図４に示すように、透明多孔体３のＸ及びＹ方向に面した端面の外周部において、２枚の板ガラス２の一方側の内側面２ａに固定され、２枚の板ガラス２の他方側の内側面２ｂに向って突出し、板ガラス２の内側面２ｂとストッパ４の先端部との間にガスケット６を備えた構造としたが、ストッパ４の構造は、図１及び図４に示す構造に限定されるものではない。

ストッパ４は、透明多孔体３にＺ方向の圧縮歪ＳＣｚが付与された場合に、Ｘ及びＹ方向に伸張するのを抑制できる構造であれば、その目的は達成されるので、ストッパ４の部材は必ずしも必要ではない。例えば、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力によって、透明多孔体３の動きが板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに完全に拘束されている場合は、図１及び図４に示すようなストッパ４の部材は不要である。また、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力が、ストッパとして機能するには小さすぎる場合に、例えば、図６に示すように、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力を高めるように、内側面２ａ、２ｂの外周部を粗面（矢符Ｓ）に加工しても構わない。更に、２枚の板ガラス２と透明多孔体３の端部を揃えることで、窓枠５を圧縮歪ＳＣｚの付与後におけるストッパとして兼用することもできる。

また、図１及び図４に示すストッパにおいて、２枚の板ガラス２とストッパ４で囲まれた透明多孔体３の気相部分を気密封止する必要がなければ、ガスケット６は設けなくても構わない。

〈２〉上記第２実施形態では、ストッパ４とスペーサー部材８の両方を備えた構造としたが、スペーサー部材８と封止材９を設けずに、ストッパ４の先端部と他方側の板ガラス２の内側面２ｂの間に設けていたガスケット６だけで気密封止するようにしても構わない。更には、当該ガスケット６に代えて、封止材９を設けて、圧縮歪ＳＣｚの付与後にストッパ４の先端部と他方側の板ガラス２の内側面２ｂ間の封止材９を硬化させるようにしても構わない。

〈３〉上記実施形態では、透明多孔体３にＺ方向の圧縮歪ＳＣｚを予め付与するための圧力Ｆの掛け方として、窓枠５により２枚の板ガラス２をＺ方向に締め付ける方法（第１実施形態）と、透明多孔体３の気相部分を減圧して、当該気相部分の内圧と２枚の板ガラス２の外側の大気圧の差により２枚の板ガラス２をＺ方向に締め付ける方法（第２実施形態）を夫々説明したが、上記第１及び第２実施形態の締め付け方法を組み合わせるのも好ましい実施の形態である。即ち、上記第１及び第２実施形態の締め付け方法を組み合わせると、２枚の板ガラス２をＺ方向に締め付けた後に、気圧が低下しても窓枠５により初期の締め付け状態が維持できる。

〈４〉上記第２実施形態では、透明多孔体３の気相部分を０．５ａｔａ程度に減圧したが、更に減圧して断熱性を向上させても構わない。この場合、Ｚ方向の圧縮歪ＳＣｚが更に増加することになるが、圧縮限界歪以下であれば問題ない。上記第２実施形態では、透明多孔体３に圧縮強度が約１０ＭＰａのメチル化シリカキセロゲルを使用しているので、透明多孔体３の気相部分を高真空状態にしてもＺ方向に掛かる圧力Ｆはせいぜい大気圧であるので全く問題ない。

〈５〉上記第１及び第２実施形態では、透明多孔体３に、圧縮強度が約１０ＭＰａ、圧縮限界歪として６０％〜８０％程度の特性を有するメチル化シリカキセロゲルを使用することを想定したが、透明多孔体３は、メチル化シリカキセロゲルに限定されるものではない。製品としての複層ガラス１の仕様に応じてＺ方向に予め付与される圧縮歪ＳＣｚが圧縮限界歪未満となる限りにおいて、メチル化シリカキセロゲルより圧縮限界歪の小さい透明多孔体材料を用いても構わない。

例えば、板ガラス２のＸ方向の長さを１ｍとした場合には、外圧によって曲率半径５ｍの湾曲が生じた場合の湾曲面に沿った板ガラス２の長さは、約１．００１７ｍに伸長する。つまり、板ガラス２には、Ｘ方向の湾曲面に沿って約０．１７％の引っ張り歪が生じる。従って、透明多孔体３には、板ガラス２の湾曲面に沿って、板ガラス２と同じ約０．１７％の引っ張り歪ＳＴｘが生じる。ポアッソン比Ｒｐが０．２の透明多孔体３では、Ｚ方向に予め付与する圧縮歪ＳＣｚは０．８５％以上で良いことになる。従って、圧縮限界歪が１％程度の透明多孔体３でも使用できることが分かる。従来のシリカエアロゲル（ケイ素と酸素からなる骨格構造を備えた無機非晶質ゲル）は、圧縮限界歪が１％程度であるので、板ガラス２のＸ及びＹ方向の長さが１ｍ程度であれば、透明多孔体３として利用可能である。

また、圧縮限界歪が１％程度の透明多孔体３であっても、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力がなく、透明多孔体３の動きが、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂに拘束されない場合は、上述の通り、透明多孔体３に対して湾曲状態のＸ及びＹ方向に生じる引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙが大幅に低減するので、板ガラス２のＸ及びＹ方向の長さが２ｍ程度の場合でも、引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙが０．１％程度であるので、ポアッソン比Ｒｐが０．２の透明多孔体３では、Ｚ方向に予め付与する圧縮歪ＳＣｚは０．５％以上で良いことになる。従って、従来のシリカエアロゲルのような圧縮限界歪が１％程度の透明多孔体３でも使用できることが分かる。また、板ガラス２の内側面２ａ、２ｂと透明多孔体３の間の摩擦力が生じる場合であっても、透明多孔体３の板ガラス２の内側面２ａ、２ｂとの接触面を有機高分子等で被膜して摩擦力を低減する処理をすることで、実質的に透明多孔体３の圧縮限界歪を高めることが可能となる。

また、透明多孔体３の材料として、ケイ素と酸素を有する骨格構造に限定されるものではない。例えば、チタニアやアルミナのように光吸収のないエアロゲルは、原理的には、透明多孔体３の材料として利用できる。

〈６〉上記第１及び第２実施形態では、透明多孔体３に対して、湾曲状態のＸ及びＹ方向に予め付与する圧縮歪ＳＣｘｙとして、湾曲状態のＸ及びＹ方向に生じると予測される引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙの最大値以上の値を付与する場合を説明したが、圧縮歪ＳＣｘｙは、引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙ未満であっても、圧縮歪ＳＣｘｙと相殺後に生じている引っ張り歪が、引っ張り限界歪未満であれば十分である。従って、湾曲状態のＸ及びＹ方向に予め付与する圧縮歪ＳＣｘｙとして、湾曲状態のＸ及びＹ方向に生じると予測される引っ張り歪ＳＴｘ、ＳＴｙの最大値以上の値を付与しなくても、透明多孔体３の引っ張り限界歪を正確に把握できれば、外圧による湾曲等の変形によって生じる引っ張り歪によって透明多孔体３が破壊されるのを、本発明の原理によって防止できる。

〈７〉上記第１及び第２実施形態では、透明多孔体３の気相成分について、特に明示しなかったが、当該気相成分として、空気等以外に、希ガスを使用するのも好ましい。透明多孔体３の気相部分には通常空気が入っている。しかしながら、空気の主成分である窒素や酸素及び水は多原子分子であるため分子全体の運動エネルギのほかに、振動回転のエネルギを持っており熱伝導率が高い。よって、透明多孔体３の気相成分として希ガスを用いることで、透明多孔体３の気相成分による熱伝導を低減でき、断熱性能の向上が図れる。また、透明多孔体３の気相成分としてはできるだけ分子量の大きなＡｒ（アルゴン）等の希ガスが望ましい。

尚、上記第１実施形態において、透明多孔体３の気相成分に希ガスを使用する場合には、透明多孔体３の気相部分を減圧するか否かに拘らず、気密封止する必要があるので、図１に示す構造において、他方側の板ガラス２の内側面２ｂとストッパ４の先端部との間にガスケット６を設けるのが好ましい。

本発明に係る高断熱複層ガラスは、住宅やビル等の建物の壁等に設ける複層ガラスとして利用可能である。

本発明に係る複層ガラスの第１実施形態における概略構造を模式的に示す断面図 図１に示す複層ガラスの透明多孔体に対する圧縮歪付与前と付与後の複層ガラスの断面構造を模式的に示す断面図 図１に示す複層ガラスの板ガラスに生じる引っ張り歪を説明する図 本発明に係る複層ガラスの第２実施形態における概略構造を模式的に示す断面図 図４に示す複層ガラスの透明多孔体に対する圧縮歪付与前と付与後の複層ガラスの窓枠を取り付ける前の断面構造を模式的に示す断面図 本発明に係る複層ガラスのストッパ部材を設けない他の実施形態における概略構造を模式的に示す断面図

符号の説明

１、７： 複層ガラス
２： 板ガラス
２ａ、２ｂ： 板ガラスの内側面
２ｃ、２ｄ： 板ガラスの外側面外周部
３： 透明多孔体
４： ストッパ
４ａ： ストッパの凹部
５： 窓枠
６： ガスケット
８： スペーサー部材
９： 封止材
Ｆ： 圧縮歪をＺ方向に予め付与するための圧力
Ｓ： 粗面

Claims (9)

1. 可視光を透過する平板状の透明多孔体が２枚の板ガラス間に挟まれた積層構造を有する複層ガラスであって、
   前記透明多孔体が引っ張り限界歪より大きい圧縮限界歪を有し、
   前記透明多孔体に対して予め圧縮歪が付与されていることを特徴とする複層ガラス。
2. 前記２枚の板ガラスに加わる外圧による変形によって前記透明多孔体に生じると予測される引っ張り歪の最大値以上の圧縮歪が、前記予測される引っ張り歪の方向に付与されるように、前記透明多孔体に対して予め圧縮歪が付与されていることを特徴とする請求項１に記載の複層ガラス。
3. 前記２枚の板ガラスから前記透明多孔体に対して前記透明多孔体の厚み方向に加えられる圧力によって、前記透明多孔体に対して前記厚み方向に予め第１の圧縮歪が付与され、
   前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ拡張するのを抑止された状態で、前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスによって挟持されていることで、前記透明多孔体に対して前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向に第２の圧縮歪が予め付与されていることを特徴とする請求項１または２に記載の複層ガラス。
4. 前記２枚の板ガラスを前記透明多孔体の厚み方向に挟持する窓枠によって、前記２枚の板ガラスを前記透明多孔体の厚み方向に締め付けることにより、前記透明多孔体に対して前記第１の圧縮歪が予め付与され、
   前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ拡張するのを抑止されることで、前記透明多孔体に対して前記第２の圧縮歪が予め付与されていることを特徴とする請求項３に記載の複層ガラス。
5. 前記透明多孔体内の気相を減圧することにより、前記２枚の板ガラスの両側から加わる大気圧によって、前記透明多孔体に対して前記第１の圧縮歪が予め付与され、
   前記透明多孔体が前記２枚の板ガラスの表面に平行な方向へ拡張するのを抑止されることで、前記透明多孔体に対して前記第２の圧縮歪が予め付与されていることを特徴とする請求項３に記載の複層ガラス。
6. 前記透明多孔体に固有の圧縮限界歪が３．５％より大きく、
   前記第１の圧縮歪が３．５％以上、前記透明多孔体に固有の圧縮限界歪未満であることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の複層ガラス。
7. 前記透明多孔体が、無機或いは有機無機ハイブリッド非晶質ゲルであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の複層ガラス。
8. 前記透明多孔体が、骨格構造にケイ素と酸素を含むことを特徴とする請求項７に記載の複層ガラス。
9. 前記透明多孔体が、メチル化シリカキセロゲルであることを特徴とする請求項８に記載の複層ガラス。
   

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