断熱ガラス

単板ガラスは断熱性能が非常に低く（R値は約1、RSIは0.2以下）、断熱効果はほとんどありません。そのため、日射量を減らすための部分反射コーティングや着色コーティング、赤外線を反射するコーティングなど、ガラスコーティングが頻繁に用いられます。

低放射率ガラス（Low E ガラス）は、複層ガラスユニット（IGU）の構造に使用できる市販のオプションです。Low E ガラスは、ガラス板に Low E コーティングを施すことで作られます。これらは一般的に金属コーティングであり、通常はユニットの 2 番目または 3 番目のガラス面に施され、赤外線を反射し、紫外線と可視光スペクトルの一部を遮断または減衰させる効果があります。これにより、IGU の太陽熱取得量を大幅に削減でき、熱性能（R 値）と太陽熱取得係数（SHGC）の両方に影響を与えます。Low E コーティングには、ハード コーティングとソフト コーティングの 2 種類があります。ハード コーティングは、ガラスがまだ熱いときに塗布され、ガラスに吸収される酸化スズを使用して製造され、耐摩耗性に優れ、通常は安価です。ソフト コーティングは、ガラス表面に真空スパッタリングされ、性能は高いものの、酸化や損傷を受けやすいため、不活性ガスを充填して保護する必要があります。^{[ 7 ]}

ガラス板は「スペーサー」によって隔てられています。スペーサーは、断熱ガラスシステムにおいて2枚のガラス板を隔て、その間のガス空間を密閉する部品であり、ウォームエッジタイプなどが用いられます。初期のスペーサーは主に鋼鉄とアルミニウムで作られており、メーカーはこれらの素材の方が耐久性に優れていると考えていました。また、価格が安いため、現在でも広く使われています。

しかし、金属製スペーサーは（金属の熱伝導性が向上していない限り）熱を伝導するため、断熱ガラスユニット（IGU）の熱流低減能力を損ないます。また、窓と周囲の空気との温度差が大きいため、密閉ユニットの下部に水や氷が形成される可能性もあります。スペーサーを介した熱伝達を低減し、全体的な断熱性能を向上させるために、メーカーは構造用発泡体などの熱伝導率の低い材料でスペーサーを作る場合があります。構造的に高い断熱性を備えたアルミニウム製のスペーサーは、ガラス表面の結露を低減し、全体的なU値で測定される断熱性能を向上させます。

• ガラス構造における熱の流れを低減するスペーサーは、外部騒音が問題となる場合において、遮音性も備えている可能性がある。
• 通常、スペーサーには乾燥剤が充填または含まれており、製造中にガス空間に閉じ込められた水分を除去することで、その空間内のガスの露点を下げ、外側のガラス板の温度が低下した際に表面2に結露が発生するのを防ぎます。
• 従来のスペーサーバーからの熱損失に対処するための新しい技術が登場しており、改良された金属製（断熱材付きアルミニウム）や発泡体製のスペーサーの構造性能と長期耐久性の向上などが含まれる。

断熱性能を向上させる確立された方法は、空間内の空気を熱伝導率の低いガスに置き換えることです。ガスの対流熱伝達は、粘度と比熱の関数です。アルゴン、クリプトン、キセノンなどの単原子ガスは、(常温では)回転モードで熱を運ばないため、多原子ガスよりも熱容量が低いため、よく使用されます。アルゴンの熱伝導率は空気の67%で、クリプトンの熱伝導率はアルゴンの約半分です。^{[ 8 ]}アルゴンは、大気の約1%を占め、工業的に比較的低コストで分離できますが、クリプトンとキセノンは微量元素であり、抽出にコストがかかります。すべての特定の希ガスは、無毒、透明、無臭、化学的に不活性で、産業界で広く使用されているため容易に入手できます。一部のメーカーは、特に防音材として、六フッ化硫黄を断熱ガスとして提供しています。六フッ化硫黄の熱伝導率はアルゴンの2/3ですが、安定していて、安価で、密度が高いです。しかし、六フッ化硫黄は非常に強力な温室効果ガスである。ヨーロッパでは、SF6は_6は、さまざまな用途での使用を規制し、場合によっては禁止するFガス指令の対象となります。2006年1月1日以降、SF6は₆はトレーサーガスとして高電圧開閉装置を除くすべての用途で。 ^{[ 9 ]}

実際には、充填ガスが最適厚さでより効果的であればあるほど、最適厚さは薄くなります。たとえば、クリプトンの最適厚さはアルゴンよりも低く、アルゴンの最適厚さは空気よりも低くなります。^{[ 10 ]}ただし、IGU内のガスが製造時に空気と混合されているか（または設置後に空気と混合されるか）を判断することは難しいため、多くの設計者は、充填ガスが純粋な場合の最適厚さよりも厚いギャップを使用することを好みます。アルゴンは最も安価であるため、断熱ガラスによく使用されます。かなり高価なクリプトンは、非常に薄い二重ガラスユニットまたは非常に高性能な三重ガラスユニットの製造を除いて、一般的には使用されません。キセノンはコストのため、IGUではほとんど使用されていません。^{[ 11 ]}

真空技術は、真空断熱パネルと呼ばれる一部の不透明な断熱製品にも使用されています。

複層ガラスユニット（IGU）は、工場生産ラインで受注生産されることが多いですが、標準品も入手可能です。製造業者には、幅と高さの寸法、ガラス板の厚さ、各ガラスの種類、およびユニット全体の厚みを伝える必要があります。組立ラインでは、特定の厚さのスペーサーが切断され、必要な全体の幅と高さの寸法に組み立てられ、乾燥剤が充填されます。並行するラインでは、ガラス板が所定のサイズに切断され、光学的に透明になるまで洗浄されます。

接着剤である一次シーラント（ポリイソブチレン）をスペーサーの両面に塗布し、パネルをスペーサーに押し付けます。ユニットがガス充填式の場合は、組み立てられたユニットのスペーサーに2つの穴を開け、ラインを取り付けて空間から空気を抜き、目的のガスを充填します（または真空状態にします）。その後、ラインを取り外し、穴を密閉してガスを封じ込めます。より現代的な技術は、オンラインガス充填機を使用することで、スペーサーに穴を開ける必要がなくなります。一次シーラントの目的は、断熱ガスの漏れと水蒸気の侵入を防ぐことです。次に、ユニットの端面をポリサルファイドまたはシリコーンシーラント、あるいは同様の二次シーラントで覆い、ゴム状の一次シーラントの動きを抑制します。乾燥剤は空気空間から微量の湿気を取り除き、寒冷時に内面に結露が発生しないようにします。一部のメーカーは、スペーサーと乾燥剤を1ステップの塗布システムに組み合わせた特定のプロセスを開発しています。

標準的な複層ガラスユニットの最大断熱効率は、空間の厚さによって決まります。空間が広くなると断熱値は一定のところまで向上しますが、最終的には十分な隙間があると、ユニット内のガラス間で熱を運ぶ対流が流れ始めます。一般的に、ほとんどの密閉型ユニットは、複層ガラスユニットの中央で測定した場合、 16～19 mm (0.63～0.75インチ)の空間を使用することで最大の断熱値を達成します。 ^{[ 12 ]}  

複層ガラスユニット（IGU）の厚さは、断熱性能の最大化と、ユニットを支えるフレームシステムの耐荷重性能との妥協点によって決まります。住宅用およびほとんどの商業用ガラスシステムは、複層ガラスユニットの理想的な厚さに対応できます。しかし、IGUの熱損失をさらに低減するために三重ガラスを使用すると、問題が生じます。厚さと重量が合わさることで、ユニットが大きすぎて、ほとんどの住宅用または商業用ガラスシステムには対応しきれなくなります。特に、これらのガラスが可動式のフレームやサッシに収められている場合はなおさらです。

このトレードオフは真空断熱ガラス（VIG）または真空ガラスには当てはまりません。^{[ 14 ]}対流による熱損失が排除され、放射損失とエッジシールおよび面上の必要な支持柱を通じた伝導が残ります。 ^{[ 15 ] [ 16 ]}これらのVIGユニットでは、ガラス間の空間からほとんどの空気が除去され、ほぼ完全な真空状態になります。現在市販されているVIGユニットは、周囲をはんだガラスで気密にシールされています。つまり、融点を下げたガラスフリット（粉末ガラス）を加熱して部品を接合します。これにより、ユニット全体の温度差が大きくなるにつれて応力が増加するガラスシールが形成されます。この応力により、許容される最大温度差が制限される場合があります。あるメーカーは35  ℃を推奨しています。大気圧に耐えるためにガラスを補強するには、間隔の狭い柱が必要です。柱の間隔と直径により、1990 年代から利用可能になった設計で達成された断熱性能は R = 4.7 h·°F·ft2/BTU (0.83 m2·K/W) に制限され、高品質の二重ガラス断熱ガラスユニットよりも優れていませんでした。最近の製品は、R = 14 h·°F·ft2/BTU (2.5 m2·K/W) の性能を謳っており、三重ガラス断熱ガラスユニットを超えています。^{[ 16 ]}必要な内部柱により、ガラスユニットを通して遮るもののない視界が求められる用途、つまりほとんどの住宅用および商業用窓、冷蔵食品陳列ケースは除外されます。ただし、VIG を搭載した窓は、エッジの熱伝達が激しいため、性能が低下します。^{[ 13 ]}

断熱性能は、R値またはRSI値で表すことができます。値が高いほど、熱伝達に対する抵抗が大きくなります。透明でコーティングされていないガラス板（またはライト）と、それらの間の空洞に空気が入った標準的な複層ガラスユニット（IGU）のRSI値は、通常0.35 K·m ² /Wです。

米国慣用単位系を使用した場合、標準的な複層ガラスユニットの構造では、複層ガラスユニットの構成要素を1つ変更するごとに、ユニットの効率がR値で1増加するという経験則があります。アルゴンガスを追加すると、効率は約R-3まで向上します。表面#2に低放射率ガラスを使用すると、さらにR値が追加されます。表面#2と#4に低放射率コーティングを施し、空洞にアルゴンガスを充填した、適切に設計された三重ガラス複層ガラスユニット。特定の多層複層ガラスユニットでは、R値がR-24にも達します。真空断熱ガラス（VIG）ユニットでは、R値がR-15（ガラスの中央）にも達します。VIGユニットを別のガラス板とウォームエッジスペーサーと組み合わせると、低放射率コーティングに応じてR-18（ガラスの中央）以上になります。ウォームエッジスペーサー付きの二重VIGユニットでは、低放射率コーティングやその他の要因に応じてR-25（ガラスの中央）以上になります。

ガラス層を追加することで、断熱性を向上させることができます。標準的な二重ガラスが最も広く使用されていますが、三重ガラスも珍しくなく、アラスカやスカンジナビアなどの寒冷地向けには四重ガラスが製造されています。 ^{[ 17 ] [ 18 ]}五重ガラスや六重ガラス（4層または5層の空洞）も利用可能で、中間層の断熱係数は壁と同等です。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

状況によっては、断熱は騒音軽減に関連しています。このような状況では、大きな空気層が騒音遮断品質または音響透過クラスを向上させます。従来の対称システム（両方の窓に同じ厚さのガラスを使用）ではなく、異なる厚さのガラスを使用する非対称二重ガラスは、IGUの音響減衰特性を向上させます。標準的な空気層を使用する場合、六フッ化硫黄は不活性ガス^{[ 22 ]}の代わりにまたは追加して使用でき、音響減衰性能を向上させます。

ガラス材料の種類によっても音響特性は変化します。遮音性を高めるために最も広く用いられているガラス構造としては、中間層の厚さやガラス自体の厚さが異なる合わせガラスが挙げられます。断熱ガラスに構造的に優れた熱特性を持つアルミニウム製の断熱空気層を組み込むことで、窓システムにおける外部騒音源の伝達を低減し、音響性能を向上させることができます。

断熱ガラスに使用されている空気層材を含む、ガラスシステムの構成要素を見直すことで、全体的な遮音性の向上を確実に実現できます。

透過率とは、ガラスを透過する可視光の量を表す指標で、分数で表されます。光の一部は吸収され、反射されます。

光の種類には電波も含まれる。特に、多くの低放射率ガラスや半反射性の金属コーティングは、Wi-Fiや携帯電話の信号を大幅に減衰させる。

ガラス板の表面の温度差は、ガラスにひび割れを引き起こす可能性があります。^{[ 26 ]}これは、ガラスが部分的に日陰になり、部分的に日光によって加熱される場所で発生する可能性があります。着色ガラスは加熱と熱応力を増加させますが、焼きなましは製造中にガラスに組み込まれた内部応力を軽減します。

熱膨張は、膨張する温かい材料が冷たい材料によって拘束される際に、内部圧力、すなわち応力を発生させます。通常、ひび割れは、ガラスの温度が低い狭い影付きの切断端から発生し、微細な溝や切り欠きによって応力が集中します。ガラスの厚さは、熱応力と材料強度の両方が厚さに比例するため、窓の熱ひび割れに直接的な影響はありません。焼きなましガラスや強化ガラスは、通常、ひび割れに対する耐性が高くなります。