断熱ガラス

断熱ガラス( IG )は、建物の外壁の一部にわたる熱伝導を減らすために、空間で区切られた2 枚以上のガラス 窓ガラスで構成されています。断熱ガラスを使用した窓は、その構造に使用されているガラスの枚数に応じて、二重ガラスまたは二重窓、三重ガラスまたは三重窓、または四重ガラスまたは四重窓と呼ばれます。

断熱ガラスユニット (IGU) は、通常、厚さ 3 ～ 10 mm (1/8 インチ ～ 3/8 インチ) のガラスで製造されます。特殊な用途では、より厚いガラスが使用されます。構造の一部として、ラミネート ガラスや強化ガラスが使用されることもあります。ほとんどのユニットは、両方のガラス板に同じ厚さのガラスを使用して製造されますが、音響減衰やセキュリティなどの特殊な用途では、ユニットに異なる厚さのガラスを組み込む必要がある場合があります。

断熱効果の大部分はガラス板の間の空間で得られます。この空間は空気で満たされていますが、断熱効果に優れたアルゴンがよく使用され、他のガスや真空^[1]が使用されることもあります。

断熱性を高めるために2枚目のガラスを取り付けることは、1870年代にスコットランド、ドイツ、スイスで始まりました。^[2]

断熱ガラスは、上げ下げ窓や防風窓として知られる古い技術の進化形です。従来の上げ下げ窓は、内部空間と外部空間を仕切るために 1 枚のガラスを使用していました。

• 夏には、動物や虫の侵入を防ぐために、上げ下げ窓の外側に網戸が取り付けられます。
• 冬には、網戸が取り外され、代わりに防風窓が取り付けられました。防風窓は、内部と外部の空間を 2 層に分離し、寒い冬の間は窓の断熱性を高めます。換気のため、防風窓は取り外し可能なヒンジ ループに吊り下げられ、折りたたみ式の金属アームで開くことができます。防風窓が開いていると通常は遮蔽できませんが、冬には昆虫は通常活動しません。

従来の防風窓とスクリーンは、春には防風窓を取り外して保管し、秋には再び取り付けてスクリーンを保管する必要があり、比較的時間と労力がかかります。大きな防風窓のフレームとガラスの重量により、高層ビルの上層階での交換は困難な作業となり、各窓をはしごで何度も登り、端の周りの保持クリップを固定しながら窓を所定の位置に保持する必要があります。ただし、これらの古いスタイルの防風窓の現在の複製では、下部のガラスを取り外し可能で、必要に応じて取り外し可能なスクリーンに交換できます。これにより、季節に応じて防風窓全体を交換する必要がなくなります。

断熱ガラス (IG) は、空気とガラスの非常にコンパクトな多層サンドイッチを形成し、防風窓の必要性を排除します。断熱ガラスでは、スクリーンを一年中取り付けたままにしておくこともできます。また、建物の内側から取り付けや取り外しができるように設置できるため、窓のメンテナンスのために家の外側に登る必要がありません。断熱ガラスを従来の上げ下げ窓枠に後付けすることは可能ですが、IG アセンブリの厚さが増すため、木製フレームに大幅な変更が必要になります。

IG を備えた最新のウィンドウ ユニットは、通常、古い上げ下げ式ユニットを完全に置き換え、上部のウィンドウと下部のウィンドウの間の密閉性の向上や、ウィンドウの横の壁の内側に大きな吊り下げ重りを必要とせずにウィンドウの周囲の断熱性を高め、空気の漏れを減らすことができるバネ式重量バランス調整などの他の改良も含まれています。IG は太陽光に対する強力な保護を提供し、暑い夏には家を涼しく、冬には暖かく保ちます。バネ式バランス調整機構により、通常、ウィンドウの上部を内側に開くことができるため、建物の内側から IG ウィンドウの外側を掃除できます。

2枚のガラス板をシールで接合して1つのユニットにした断熱ガラスユニットは、1865年に米国でトーマス・ステットソンによって特許取得されました。^[3]これは1930年代にいくつかの特許が申請され、1944年にリビー・オーウェンズ・フォード・ガラス社によって製品が発表されました。^[4]同社の製品は、1941年に商標として登録されていたサーモパネというブランド名で販売されました。サーモパネの技術は、現代のIGUとは大きく異なります。2枚のガラス板はガラスシールで溶接されており、2枚のガラス板の間隔は現代のユニットで一般的な0.5インチ（1.3 cm）未満でした。^{[5]ブランド名サーモパネは、あらゆるIGUの}一般的な商標 としてガラス業界の語彙に加わりました。^[要出典]

単板ガラスは断熱性が非常に低いため (R 値は約 1、RSI は 0.2 未満)、単板ガラスでは断熱効果がほとんどありません。日射を減らすために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のガラスコーティングが頻繁に使用されます。

低放射ガラス（Low E ガラス）は、IGU 建設用の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。これらは一般に金属コーティングで、通常はユニットの 2 番目または 3 番目のガラス表面に塗布され、赤外線を反射し、紫外線と可視光線スペクトルの一部を遮断または減衰する効果があります。これにより、IGU の太陽熱取得が大幅に減少し、熱性能（R 値）と太陽熱取得係数（SHGC）の両方に影響します。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、耐久性があり、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、より高い性能を備えていますが、酸化されやすく損傷しやすいため、不活性ガス充填で保護する必要があります。^[6]

ガラス板は「スペーサー」によって分離されています。スペーサーは、断熱ガラス システム内の 2 枚のガラス板を分離し、その間のガス空間を密閉する部品で、ウォーム エッジタイプである場合もあります。最初のスペーサーは主にスチールとアルミニウムで作られていました。メーカーは、これにより耐久性が向上すると考えており、価格が低かったため、今でも一般的に使用されています。

しかし、金属製のスペーサーは熱を伝導するため（金属が断熱加工されていない限り）、断熱ガラスユニット（IGU）の熱流を減らす能力が損なわれます。また、窓と周囲の空気の温度差が急激になるため、密閉されたユニットの底に水や氷が形成されることもあります。スペーサーを介した熱伝導を減らし、全体的な熱性能を高めるために、メーカーは構造フォームなどの伝導率の低い材料でスペーサーを作ることがあります。構造性の高い熱バリアーも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減らし、全体的なU 値で測定される断熱性を向上させます。

• ガラス構成における熱の流れを減らすスペーサーは、外部の騒音が問題となる場所での遮音特性も備えている場合があります。
• 通常、スペーサーには乾燥剤が充填されているか乾燥剤が含まれており、製造中にガス空間に閉じ込められた水分を除去します。これにより、その空間内のガスの露点が下がり、外側のガラス板の温度が下がったときに表面 #2 に結露が形成されるのを防ぎます。
• 従来のスペーサー バーからの熱損失に対抗するための新しいテクノロジーが登場しました。これには、改良された金属 (熱バリアを備えたアルミニウム) およびフォーム スペーサーの構造性能と長期耐久性の向上が含まれます。

断熱性能を向上させる古くから確立された方法は、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、粘性と比熱の関数です。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くなるため、よく使用されます。アルゴンの熱伝導率は空気の67%で、クリプトンの伝導率はアルゴンの約半分です。^[7] アルゴンは大気の約1%を占め、工業的に中程度のコストで分離されますが、クリプトンとキセノンは抽出に費用がかかる微量元素にすぎません。特定の希ガスはすべて無毒、透明、無臭、化学的に不活性であり、産業界で広く使用されているため簡単に入手できます。一部の製造業者は、特に防音用の断熱ガスとして六フッ化硫黄も提供しています。伝導率はアルゴンの2/3しかありませんが、安定しており、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す。ヨーロッパでは、SF
₆Fガス指令の対象となり、さまざまな用途での使用が規制され、禁止される。2006年1月1日以降、SF
₆トレーサーガスとしての使用は禁止されており、高電圧開閉装置を除くすべての用途で禁止されている。^[8]

実用的には、充填ガスが最適な厚さでより効果的であればあるほど、最適な厚さは薄くなります。たとえば、クリプトンの最適な厚さはアルゴンよりも薄く、アルゴンは空気よりも薄くなっています。^[9]しかし、IGU 内のガスが製造時に空気と混ざっているかどうか (または設置後に空気と混ざるかどうか) を判断することは難しいため、多くの設計者は、充填ガスが純粋である場合に最適な厚さよりも厚い隙間を使用することを好みます。アルゴンは最も手頃な価格であるため、断熱ガラスによく使用されます。クリプトンはそれよりかなり高価であり、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を製造する場合を除いて、一般的には使用されません。キセノンはコストの問題で IGU にほとんど使用されていません。^[10]

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

IGU は工場の生産ラインで受注生産されることが多いですが、標準ユニットも用意されています。幅と高さの寸法、ガラス板の厚さ、各板のガラスの種類、ユニット全体の厚さをメーカーに提供する必要があります。組み立てラインでは、特定の厚さのスペーサーを切断して、必要な全体の幅と高さの寸法に組み立て、乾燥剤を充填します。平行ラインでは、ガラス板をサイズに合わせて切断し、光学的に透明になるように洗浄します。

接着性の一次シーラント (ポリイソブチレン) をスペーサーのそれぞれの面に塗布し、窓ガラスをスペーサーに押し付けます。ユニットにガスが充填されている場合は、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、空間から空気を抜き取って目的のガスと置き換える (または真空のままにする) ためのラインを取り付けます。次に、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す。これにより、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、絶縁ガスが漏れないようにし、水蒸気が入らないようにすることです。次に、ユニットの端側を、ゴム状プラスチックの一次シーラントの動きを抑制する二次シーラントとしてポリサルファイドまたはシリコン シーラントまたは類似の材料を使用して包みます。乾燥剤は空気空間から湿気の痕跡を取り除くため、寒い天候でも内面に結露は発生しません。一部のメーカーは、スペーサーと乾燥剤を 1 ステップのアプリケーション システムに組み合わせた特別なプロセスを開発しました。

標準的なIGU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、断熱値はある程度まで上がりますが、最終的には十分な隙間があると、ユニット内のガラス板の間に対流が発生し、熱が伝わり始めます。通常、ほとんどの密閉ユニットは、IGUの中心で測定した場合、16〜19 mm（0.63〜0.75インチ）の空間を使用して最大の断熱値を達成します。^[11]

IGU の厚さは、断熱効果を最大化することと、ユニットを支えるフレーム システムの能力との間の妥協点です。一部の住宅用およびほとんどの商業用ガラス システムは、二重ガラス ユニットの理想的な厚さに対応できます。IGU での熱損失をさらに減らすために三重ガラスを使用すると、問題が発生します。厚さと重量の組み合わせにより、特にこれらのガラスが可動フレームまたはサッシに含まれている場合、ほとんどの住宅用または商業用ガラス システムにとって扱いにくいユニットになります。

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。^[13]対流による熱損失がなくなり、エッジシールと表面領域上の必要な支持柱を通じた放射損失と伝導が残るためです。 ^{[14] [15]}これらのVIGユニットは、ガラス間のスペースからほとんどの空気が除去され、ほぼ完全な真空が保たれます。現在市販されているVIGユニットは、周囲に沿ってはんだガラスで気密封止されています。つまり、融点を下げたガラスフリット（粉末ガラス）を加熱してコンポーネントを結合します。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作成されます。この応力により、最大許容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。大気圧に耐えられるようにガラスを補強するには、間隔を狭めた柱が必要です。柱の間隔と直径により、1990 年代初頭に利用可能になった設計で達成できる断熱性能は 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優れていませんでした。最近の製品は、三重ガラス断熱ガラスユニットを超える R = 14 h·°F·ft2/BTU (2.5 m2·K/W) の性能を主張しています。^[15]必要な内部柱は、ガラスユニットを通して遮るもののない視界が望まれる用途、つまりほとんどの住宅および商業用窓、および冷蔵食品陳列ケースを除外します。ただし、VIG を備えた窓は、エッジの熱伝達が激しいため、性能が低下します。^[12]

断熱効果は、R 値または RSI 値として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。コーティングされていない透明なガラス板 (または窓ガラス) と窓ガラス間の空洞に空気がある標準的な IGU の RSI 値は、通常 0.35 K·m ² /W です。

米国の慣用単位を使用した標準的な IGU 構造の経験則では、IGU のコンポーネントを変更するごとに、ユニットの効率が R 値で 1 増加します。アルゴン ガスを追加すると、効率は約 R-3 に増加します。表面 #2 に低放射率ガラスを使用すると、R 値がさらに 1 つ追加されます。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 IGU。特定のマルチチャンバー IG ユニットでは、R 値が R-24 まで高くなります。真空断熱ガラス (VIG) ユニットでは、R 値が R-15 (ガラス中央) まで高くなります。VIG ユニットを別のガラス パネルとウォーム エッジ スペーサーと組み合わせると、低放射コーティングに応じて R-18 (ガラス中央) 以上になります。ウォーム エッジ スペーサー付きのダブル VIG ユニットでは、低放射コーティングやその他の要因に応じて R-25 (ガラス中央) 以上になります。

ガラスの層を増やすことで断熱性を高めることができます。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な環境では四重ガラスが製造されています。 ^{[16] [17]} 5重ガラスや6重ガラス（4つまたは5つの空洞）も利用可能で、中間ガラスの断熱係数は壁と同等です。^{[18] [19] [20]}

場合によっては、断熱は騒音の緩和に関連しています。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（両方のライト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の二重ガラスは、IGUの音響減衰特性を改善します。標準的な空気層を使用する場合は、六フッ化硫黄を使用して不活性ガスを置き換えたり増強したりして^[21]、音響減衰性能を向上させることができます。

その他のガラス素材の違いも音響に影響します。防音のために最も広く使用されているガラス構成には、中間層の厚さとガラスの厚さが異なる合わせガラスがあります。断熱ガラスに構造的に熱的に改善されたアルミニウム断熱エアスペーサーを含めると、窓システム内の外部騒音源の伝達が減り、音響性能が向上します。

断熱ガラスに使用される空気層材料を含むガラスシステムのコンポーネントを見直すことで、全体的な音響伝達の改善を確実に実現できます。

透過率は、ガラスを通過する可視光線の量を分数で表した値です。一部の光は吸収され、反射されます。

光の種類によっては電波も含まれます。特に、多くの低反射ガラスや半反射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ます。^[要出典]

IGU の寿命は、使用されている材料の品質、内側と外側のガラスの間の隙間のサイズ、温度差、仕上がり、設置場所 (面する方向と地理的位置の両方)、およびユニットが受ける処理によって異なります。IG ユニットの寿命は通常 10 年から 25 年ですが、赤道に面した窓の場合は 12 年未満になることがよくあります。IGU には通常、メーカーに応じて 10 年から 20 年の保証が付いています。IGU が変更された場合 (窓断熱フィルムの取り付けなど)、メーカーによって保証が無効になる場合があります。

断熱ガラス製造業者連盟（IGMA）^[22]は、25年間にわたって商業用断熱ガラスユニットの故障を特徴付けるための大規模な調査を実施しました。

標準的な構造のIGユニットでは、周囲のシールが破損したり乾燥剤が飽和状態になったりするとガラスの層の間に結露が溜まり、通常はIGUを交換することによってのみ除去できます。シールの破損とそれに続く交換は、IGUの所有にかかる総コストに大きな影響を与えます。^[23]

内側のガラスと外側のガラスの間の温度差が大きいとスペーサーの接着剤にストレスがかかり、最終的には破損する可能性があります。ガラス間の隙間が小さいユニットは、ストレスが大きくなるため、破損しやすくなります。

気圧の変化と雨天が組み合わさると、まれに隙間に水が溜まってしまうことがあります。

窓ユニットの周囲に侵入を防ぐ柔軟なシール面も劣化したり、破れたり、損傷したりすることがあります。IG ウィンドウでは一般的に、シール保持ネジやプレートのない押し出しチャネル フレームを使用しているため、これらのシールの交換は困難または不可能です。代わりに、エッジ シールは、矢印の形に凹んだ一方向の柔軟なリップを押し出しチャネルのスロットに押し込むことによって取り付けられ、押し出しスロットから簡単に取り外すことができないことがよくあります。

カナダでは、1990 年初頭から、故障した IG ユニットの修理サービスを提供する会社がいくつかあります。これらの会社は、ガラスやスペーサーに穴を開けて、大気への開放換気を提供します。この解決策は、目に見える結露を解消することがよくありますが、長期間湿気にさらされた後に生じたガラスの内面や汚れをきれいにすることはできません。5 年から 20 年の保証を提供する場合があります。この解決策は窓の断熱値を下げますが、窓がまだ良好な状態であれば「グリーン」な解決策になります。IG ユニットにガスが充填されていた場合 (アルゴン、クリプトン、またはそれらの混合物など)、ガスは自然に消散し、R 値が低下します。

2004年以降、英国では故障した二重ガラスユニットの修復サービスを提供する会社もいくつかあり^[24]、アイルランドでは2010年以降、故障したIGユニットの修復サービスを提供する会社が1社ある。

ガラス板の表面温度差により、ガラスにひびが入ることがあります。^[25]これは、ガラスが部分的に日陰になり、部分的に日光で加熱される場合に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、アニーリングは製造時にガラスに組み込まれた内部応力を軽減します。

熱膨張により内部圧力、つまり応力が生じ、膨張する温かい材料は冷たい材料によって拘束されます。通常、ひび割れはガラスが冷たい狭い陰影の切断端から発生し、広がり、微細な溝や切り込みによって応力が集中します。熱応力と材料強度はどちらも厚さに比例するため、ガラスの厚さは窓の熱ひび割れに直接影響しません。焼きなましガラスや強化ガラスは通常、ひび割れに対してより耐性があります。

サッシ、フレーム、敷居の熱特性、およびガラスの寸法と熱特性がわかれば、特定の窓と一連の条件における熱伝達率を計算できます。これは kW (キロワット) で計算できますが、特定の場所の 1 年間の一般的な条件に基づいて、コスト便益計算には kWh pa (年間キロワット時) で表す方が便利です。

二重ガラス窓のガラスパネルは、放射によって両方向に熱を伝え、伝導によってガラスを通り、対流によってガラス板間の隙間を通り、フレームを通り、周囲のシールとフレームのシールから建物に浸透します。実際の率は年間を通じて状況によって異なり、冬には太陽熱の獲得が非常に歓迎されるかもしれませんが (地域の気候によって異なります)、夏にはエアコンのコストが増加する可能性があります。望ましくない熱伝達は、たとえば冬の夜にカーテンを使用し、夏の日中に日よけを使用することで軽減できます。代替の窓構造を効果的に比較するために、英国窓評価評議会は「窓エネルギー評価」WER を定義しました。これは、最高の A から B、C までの範囲です。これは、窓からの熱損失 (U 値、R 値の逆数)、太陽熱の獲得 (g 値)、およびフレーム周辺の空気漏れによる損失 (L 値) の組み合わせを考慮します。たとえば、A 等級の窓は、通常の年では、他の方法で失う熱と同量の熱を太陽熱から得ます (ただし、この熱の大半は夏季に得られ、建物の居住者が熱を必要としない可能性があります)。これにより、通常の壁よりも優れた熱性能が得られます。

ウィンドウ評価プログラムと認証:

• NFRC（全米窓評価協議会）
• パッシブハウス（パッシブハウス）
• エナジースター
• リビングビルディングチャレンジ
• AFRC（オーストラリア窓評価協議会）
• AMMA（アメリカ建築製造者協会）
• 国際規格
• ナミ

• カーテンウォール
• 4重ガラス
• パッシブソーラーデザイン
• ウィンドウ

• 化学と物理学のハンドブック、第 62 版、CRC プレス、ISBN 0-8493-0462-8 

• ウィキメディア・コモンズの断熱ガラスに関するメディア