JPS6026055B2 - 石英ガラスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高温でも使用できる赤外線吸収石英ガラス及
びその製造方法に関する。

例えば、この発明は電球用ガラス等に使用するのに適し
ている。従来、赤外線吸収ガラスとしてはリン酸塩ガラ
ス又は普通のけし、酸塩ガラスなどＦｅ＋十を含有させ
たものが知られている。

しかしながら、これら従来のガラスには次のような欠点
がある。

リン酸塩ガラス、ソーダライムガラス、ほう酸塩ガラス
、鉛ガラス、アルミノけし、酸塩ガラス等に鉄を含有さ
せた赤外線吸収ガラスはいずれも耐熱性とイｂ学安全性
に乏しい。

特に高温で長期間使用される場合、透明性が損われる。
更に耐熱性の点で光源などの熱発生源に近接して設置す
ることが出来ない。その結果、これらを使用する装置は
大型となり、これに使用される赤外線吸収ガラスも大型
フィルターとして使用せざるを得なかった。ほう珪酸塩
ガラスから得た高珪酸多孔質ガラス体に鉄塩などを含浸
させた後焼綾により赤外線吸収ガラスを得る方法では石
英ガラスの耐熱性を著しく減退させるほう素の含有がさ
げられず、約８００ｑｏ程度の耐熱性は得られるが、石
英ガラスの耐熱性に匹敵するものは得られない。また、
その製造において多孔質ガラス体の微細な空隙に合浸し
た鉄塩などの脱水や、酸化物までの分解には微妙な条件
が必要である。十分な乾燥をしないで鱗結する時には気
泡が発生したり、ガラス体の破嬢が起こるので、実際的
でない。この発明の目的は、前述のような従釆技術の緒
欠点を解消して、耐熱性に優れ赤外線吸収館を有しかつ
可視光に対して透光性の有する石英ガラス及びその製造
方法を提供することにある。

以下、この発明の実施例について説明する。

粉砕および精製工程を経た水晶精製粉に鉄およびアルミ
ニゥ化合物を含む溶液を付着させ、乾燥および加熱処を
行う。しかるのち、酸素あるいは酸化物を雰囲気とする
加熱炉に供Ｖ給して溶融することによって、やや透明性
ある青色〜褐色〜黒色の種々なガラス体が得られる。第
１図は火焔熔融法による石英ガラス製造装置の一例を示
す。

加熱炉１の中にそれぞれ管２及び３を介して酸素ガス源
４及び水素ガス源５が接続されている。原料タンク６も
答２を介して炉１に接続されている。７はハンマーを示
す。

原料タンクから、酸化鉄および酸化アルミニウムを配合
した水晶粉が酸化ガスとともにバーナー口９より炉１内
に供給され、炉１内の火焔加熱により溶融され、石英ガ
ラスィンゴット８となる。第２図は火焔を使用しないで
本発明の赤外線吸収石英ガラスを得るＢＵの装置を示し
たもので、炉１０内に挿入された２〜３本の電極１１，
１２間にアーク放電を発生せしめ、この発熱により、原
料供給装置１３から炉１０内に管１４を経て供給される
鉄、アルミニウム化合物を配合したシリカ粉を溶融し、
赤外線吸収石英ガラスィンゴッド１５とする。この時の
酸素を含む炉内雰囲気としては大気，酸素，二酸化炭素
，一酸化炭素，水蒸気あるいはこれらを成分の一部とし
て含有していることが必要である。いずれの方法であっ
ても、酸素を含む雰囲気でないと、ＦｅＨの安定性が得
がたくなり、透明性又は透光性に欠陥が出る。前記のよ
うにして得られたガラス体を必要に応じて水素を含む雰
囲気で６００〜１１００℃に加熱処理（水素処理）を行
って、やや淡青色の透光性に優れたガラス体とする。

第３図は、水素処理前の褐色のガラス体Ａとこれを水素
処理した後のガラス体Ｂとを分光光度計により測定した
透過率曲線の一例を示す。

すなわち、第３図は本発明による赤外線吸収石英ガラス
と他のものとを比較して光の吸収スペクトル一の例を示
すもので、Ａは酸素−水素火焔中で溶融したガラスのス
ペクトルであり、比較的雰囲気の酸素濃度が高く、また
原料中のＡＩ／Ｆｅ比が小さい場合に生成する褐色のガ
ラスのスペクトルである。Ｂはこの褐色のガラスを水素
１０％を含む窒素ガス中で約１０００ｑｏに加熱処理し
て得られたやや淡青色のガラスのスペクトルであり、０
．４〜０．７仏肌の可視光に対して極めて良好は透光性
が得られるのに反し、０．８Ａのより長波長の赤外光に
対しては大きな吸収がある。なお、比較的酸素濃度が低
く、たとえば第１図の方法で酸素／水素比を１／２より
も相当に小さくして水素過剰の火焔中で原料中のＡＩ濃
度を高くして溶融する場合には、水素処理前においても
淡青色でＢに近以のスペクトルのガラスが得られた。Ｃ
は比較のために鉄およびアルミニウムを添加しない遠常
の透明石英ガラスの吸収スペクトルを示したものである
。

このように、鉄およびアルミニウムを添加して得られた
水素処理前のガラス体Ａは、１．１仏肌付近の赤外城に
吸収性能のピークがあるが、０．４〜０．７ムｗの可視
域にもやや吸収性能があり、褐色に着色していた。

これを水素処理した後のガラス体Ｂはｌｒのより長波長
側の赤外線の吸収能はほとんど変化することなく存在す
るが、０．４〜０．７仏仇の可視光線の吸収は実質的に
なくなり、その透過率は通常の透明石英ガラスのそれと
近以するものとなった。最も一般的な透明石英ガラスの
溶融方法である酸素−水素火焔溶融方法で作った鉄およ
びアルミニウムを含有する石英ガラスはその溶融条件（
炉の構造，溶融温度，酸素−水素の使用量比，溶融速度
など）、精製粉の粒度，鉄およびアルミニウム化合物の
添加形、配合量などにより、その着色は青色から褐色〜
黒色と微妙に変化し、透過率曲線もほとんど紫外−可視
−赤外の全波長城にわたって透光性のないものから第３
図における水素処理品と同様に可視光線は透過するが１
〃のより長波長の赤外城では不透明となるものまで変化
した。

しかし、可視域に透光性のないものでも、前述のような
水素処理により赤外域の吸光は変化しないまま、０．４
〜０．７ム肌の可視光城はほとんど透明化された。この
ように前述の水素処理は熔融の条件によっては必要とし
ない場合もあるが、能率良く赤外線吸収館を有し、かつ
可視光に対して透光性の有する石英ガラスを作ろうとす
るときには、必要となるものである。なお、アルミニウ
ム化合物を添加せず、鉄化合物単味で第１図や第２図に
示した装置で溶融する時は、ガラス体を得るのに長時間
を要し、しかも、得られたガラス体は褐色〜黒色であり
、その後の水素処理によっても流麗な透明体とならず、
赤外部の吸収も同一鉄含有量のアルミニウムを含むもの
と比較して小さく実際的でない。

また鉄含有量が０．２％以下と少ない場合には鉄単独の
添加でも透明なガラス体が得られるが、大気中における
長時間の加熱で褐色化し、可視光の透過は減退し、赤外
部は透明化し、高温条件下での長時間の使用には通さな
い。また、アルミニウム単独の添加は可視部から赤外部
にかけての石英ガラスの光吸収に影響しない。石英ガラ
ス中のアルミニウムは鉄と共存することによりＦｅ＋十
の赤外吸収能を安定化する役割を果たしているものと考
えられる。高温で安定な可視光透過及び赤外線吸収を可
能とするには、石英ガラスの鉄含有が０．２％より低い
時にはガラスの厚さを３肋以上にしなければ有効に赤外
線を遮蔽することができず、好ましくない。

（Ｆｅ：０．２％のてき厚さ３肋で１．１仏のの透過率
は５０％であった。）また５％以上の場合、光の透過特
性が劣り、更に均質なガラス体を製造するのにかなり困
難が生じ、好ましくない。実際には鉄、アルミニウムを
含有させた水晶粉の混合の均質性、あるいは溶融条件に
よる濃度の変動を考慮してアルミニウムが０．０２５〜
１広重量％含有するのが好ましい。アルミニウムの含有
量を０．０２５重量％以上にすることによりスポット的
な鉄高濃度相はアルミニウムにより希釈されることにな
り、十分高温まで使用できる可視部透明の安定した赤外
線吸収石英ガラスが得られた。１の重量パーセント以上
のアルミニウムの含有量の場合には、耐熱性ある石英ガ
ラスとしての安定した特性を得ることは出来ず実際的で
ない。

前記水素処理は通常６００〜１２００ｑＣで行うが、可
視部透明になるまでに要する時間は処理するガラスの厚
さにより異なり、厚さ３肌では２独時間程度である。

また、酸素分圧のない加熱炉、たとえば真空溶藤法によ
り酸化鉄、酸化アルミニウムおよび石英粉を十分に混合
した後溶融するときには黒色のガラス体が得られる。

このガラス体は水素処理その他どのような処理を行って
も本発明のごときガラス体（可視光に対し透光性の優れ
かつ赤外線吸収館のあるガラス体）にはならなかった。
この発明は以上のように構成されているので、次のごと
き顕著な効果が得られる。

■ 熱線発生源近くの高温城において使用できる程耐熱
性に優れ赤外線吸収能を有しかつ可視光に対して透光性
の優れたガラス体が得られる。

■ 各種の熱線遮蔽形の光源装置や透視装置の小径及び
軽量化をはかることができる。■ 電球用の石英ガラス
など高温で使用されるガラス体に赤外線を吸収する性質
を付与し、ランプからの熱蟻泉の放射による熱的な障害
発生を未然に防止することができる。

ガラスの使用温度上限は歪点と関連し、一般にはこの温
度以下で使用する時には長時間の使用に対しても変形す
ることなく安定して使用出来る。

従釆の赤外線吸収リン酸塩ガラスの歪点は５００℃以下
程度であった。また含鉄バイコールガラスの歪点はその
組成から９００ｏｏ以下と考えられる。これに対し、本
発明の赤外線吸収石英ガラスの歪点は１０００℃以上で
あり、組成によって透明石英ガラスの１０７ぴ０とほと
んど一致するほどである。また、化学的耐久性にも極め
て優れ、石英ガラスのそれと大差ないものであった。こ
のため本発明の赤外線吸収石英ガラスは水銀燈の内節管
や電球用のガラス等として直接光源と接触する部分に使
用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施することのできる石英ガラス
製造装置の一例を示す概念図、第２図は他の石英ガラス
製造装置の例を示す概念図、第３図は本発明による石英
ガラスと他のものを比較して光の吸収スペクトルの一例
を示すグラフである。 １・・…・加熱炉、４・・・・・・酸素ガス源、５…・
・・水素ガス源、６・・・・・・原料タンク、８，１５
・・・・・・石英ガラスインゴツト、１０・・・・・・
加熱炉、１１，１２・・・・・・電極、１３・・・・・
・原料供給装置。 第１図第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 全鉄含有量が０．２〜５重量％で、全アルミニウム
   含有量が０．０２５〜１０重量％の範囲内にあり、Ａｌ
   ＿２Ｏ＿３，ＦｅＯ，ＳｉＯ＿２の合計含有量が少なく
   とも９９％以上であり、残りが下可避成分からなり、赤
   外線吸収能を有し、かつ可視光に対して透光性を有する
   ことを特徴とする石英ガラス。 ２ 全鉄含有量が０．２〜５重量％の範囲内で、全アル
   ミニウム含有量が０．０２５〜１０重量％の範囲内で、
   Ａｌ＿２Ｏ＿３，ＦｅＯ，ＳｉＯ＿２の合計含有量が少
   なくとも９９％以上であり、残りが不可避成分からなる
   ように鉄、アムミニウム、けい素の酸化物あるいは酸化
   物となり得るそれぞれの化合物の混合物を、酸素を含む
   炉内雰囲気の加熱炉の中で溶融して、赤外線吸収能をも
   つとともに可視光に対して透光性を有することを特徴と
   する石英ガラスの製造方法。 ３ 前記石英ガラスを板状又は管状に形成し、その形成
   体を水素を含む雰囲気中で加熱処理することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載の石英ガラスの製造方法
   。