JP2003012329A

JP2003012329A - 指向性赤外線放射体

Info

Publication number: JP2003012329A
Application number: JP2002065947A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Matsumura; 昌彦松村
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】希望する波長λを有する赤外線だけを、優れ
た指向性で放射する。【解決手段】基体３ａを加熱し、この基体には、多数
の空胴である凹部７が形成されており、この凹部の内径
Ｄ１は、１〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍであり、
したがって波長λ＝２・Ｄ１を有する赤外線が選択的に
放射される。凹部の深さＬ１は１０μｍ以上であり、そ
の凹部の内面に、半径方向外方がＳｉＯ₂から成る第１
層と、半径方向内方がＴｉＯ₂またはＧａ₂Ｏ₃から成る
高い屈折率の第２層が積層された赤外線放射層１１が、
形成される。指向性赤外線放射体３を、ガラス溶解炉２
１の天井２２の内周面に設ける。ガラス溶解に最適な近
赤外領域の波長を有する赤外線を、良好な指向性でガラ
ス溶解槽２８内のガラス表面に向けて放射することがで
きる。こうしてガラス溶解炉２１の熱効率を向上し、ガ
ラス溶解能力を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を選択的に
指向性を有して放射する指向性赤外線放射体およびそれ
を用いるガラス溶解炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような指向性赤外線放射体は、たと
えば体育館などの大型空間および台所、便所などの室内
における局所暖房を行うために必要になり、また工場に
おける工業製品の製造における加熱、乾燥などのために
必要になる。典型的な先行技術は、電気ヒータおよび赤
外線ランプであって、人および被加熱物などの暖房、加
熱を、空気などの介在物を必要とせず、直接に輻射加熱
して達成することができるという利点がある。

【０００３】この先行技術では、放射される赤外線の輻
射エネルギは、電気ヒータ、赤外線ランプに備えられて
いる熱源から全球状または半球状に広範囲に伝熱される
ので、人および被加熱物の加熱のためには効率的ではな
い。

【０００４】従来から、熱源と反射板とを組合せること
によって、赤外線が放射される方向の指向性を制御する
構成は、実用化されている。このような構成では、反射
板によって熱損失が生じ、また構成の全体の構造が大型
化するという問題がある。

【０００５】他の先行技術は、特開平８−２７３８０８
に開示される。この先行技術では、炭素質、セラミクス
などの基材に、赤外線波長λに対してλ／２の内径を有
する線状孔群を形成し、加熱されたエネルギを、いわゆ
るキャビテイ効果によって波長λの赤外線だけを選択的
に放射する。この先行技術では、選択された波長λを有
する赤外線を、希望する放射方向に指向性を持たせて放
射するための工夫は、存在しない。

【０００６】ガラスの製造は、原料調合、溶解、成形、
徐冷の一連の工程によって行われる。このうち溶解工程
は、全体の熱エネルギの約７割近くを消費し、製品原単
位を左右する重要な工程であり、タンク窯と呼ばれるガ
ラス溶解炉が用いられる。ガラス溶解炉の炉内温度は１
５００℃程度であり、バーナの火炎からガラスへの直接
的輻射熱に加えて、火炎から壁および天井に伝わった熱
が輻射熱として、ガラス素地に伝わる。先行技術のガラ
ス溶解炉では、天井の内周面は、凹凸を有し、乱射面で
あり、したがって天井からの輻射熱がガラス素地の表面
に効率よく到達しない。したがってガラス溶解炉の熱効
率の向上が望まれている。

【０００７】ガラス溶解のために最適な赤外線波長は、
本件発明者によれば、近赤外領域の波長であって、長波
長側ではない。不要な長波長側の赤外線は、ガラス溶解
の役目を果たさず、ガラス溶解炉の天井および壁などの
周囲の環境の温度を上昇させ、悪化させるだけであり、
熱効率が悪い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、希望
する波長域の赤外線の輻射エネルギを、希望する放射方
向に指向性を有して放射する指向性赤外線放射体を提供
することである。

【０００９】本発明の他の目的は、熱効率の向上が図ら
れたガラス溶解炉を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、加熱源によっ
て背面が加熱される基体の加熱面に臨んで多数の凹部が
形成され、この凹部の内径１〜１０μｍ、好ましくは１
〜５μｍであり、凹部の深さ１０μｍ以上であり、凹部
の内面に、赤外線を放射する赤外線放射層が形成される
ことを特徴とする指向性赤外線放射体である。

【００１１】本発明に従えば、全体の形状がたとえば平
板状であってもよい基体の背面が加熱源によって加熱さ
れ、背面とは反対側の加熱面に臨んで多数の凹部が形成
され、この凹部の内径Ｄ１は、１〜１０μｍ、好ましく
は１〜５μｍに選ばれる。凹部は、厚み方向に貫通した
貫通孔であってもよいが、底を有する構造であってもよ
い。この凹部は、好ましくは一直線状の軸線を有してい
てもよいけれども、湾曲した軸線を有していてもよい。
したがって加熱されたエネルギはいわゆるキャビテイ効
果によって凹部内には、波長λが２・Ｄ１より短波長の
光のみが存在することになる。基体の温度を、たとえば
５００℃以下、たとえば４００℃程度の比較的低い温度
の範囲では、波長λが、２・Ｄ１よりも短い光の加熱エ
ネルギの占める割合は、全体の加熱エネルギに比べて小
さい。これによって波長λ付近の赤外線を選択的に大き
な強度で、選択的に放射することができるようになる。

【００１２】本発明に従えば、凹部の深さＬ１、すなわ
ち軸線に沿う長さは、１０μｍ以上であり、しかもその
凹部の内面には、赤外線放射層が形成される。これによ
って凹部の軸線の延長上に、強い輻射エネルギ強度分布
で指向性を有して、放射される。深さは、たとえば上述
のように１０μｍ以上であり、しかもたとえば０．５〜
５．０ｃｍ未満であってもよく、さらにもっと大きな
値、たとえば５ｃｍ未満であってもよい。深さが１０μ
ｍ未満では、指向性が劣る結果になる。深さが１ｃｍ以
上であっても、指向性を有する輻射エネルギの強度分布
に変化はなく、構成の小型化の要請に応じて、その深さ
の上限が定められてもよい。

【００１３】基体の加熱面に臨んで、内径１〜１０μｍ
の範囲以外の内径を有する凹部が、さらに追加的に形成
されていてもよい。

【００１４】また本発明は、基体は、金属、ガラスまた
はセラミクスであることを特徴とする。

【００１５】また本発明は、基体は、タングステンから
成ることを特徴とする。また本発明は、基体は、アルミ
ノホウ珪酸ガラスであることを特徴とする。

【００１６】また本発明は、基体は、酸化アルミニウ
ム、酸化珪素および酸化マグネシウムから成るグループ
から選ばれた１または複数から成ることを特徴とする。

【００１７】本発明に従えば、基体の材料は、タングス
テンおよびそのほかの種類の金属製であってもよく、ア
ルミノホウ珪酸ガラスおよびそのほかの種類のガラスで
あってもよく、さらに酸化アルミニウム、酸化珪素およ
び酸化マグネシウムの１または複数およびそのほかの種
類のセラミクスから成ってもよい。さらに基体はそのほ
かの材料から成ってもよい。

【００１８】また本発明は、赤外線放射層は、凹部の内
面上に形成された第１層と、この第１層上に第１層より
も高い屈折率を有する第２層とが、積層されて構成され
ることを特徴とする。

【００１９】また本発明は、第１層は、ＳｉＯ₂から成
り、第２層は、ＴｉＯ₂またはＧａＯ₂から成ることを特
徴とする。

【００２０】本発明に従えば、凹部の内周面に形成され
る赤外線放射層は、複数層から成り、半径方向外方の第
１層は、たとえばＳｉＯ₂から成ってもよく、半径方向
内方の第２層は、たとえばＴｉＯ₂またはＧａ₂Ｏ₃など
から成ってもよく、第２層の屈折率ｎ１３は、第１層の
屈折率ｎ１２よりも高い値を有する（ｎ１２＜ｎ１
３）。これによって赤外線放射層の第２層よりも半径方
向内方の赤外線は、第１層よりも第２層の方が高い屈折
率を有することに起因して、全反射され、赤外線が伝搬
されることになる。さらにこの凹部内で赤外線放射層に
よって内面が形成された光通路内の赤外線は、赤外線放
射層に一旦、吸収され、この赤外線放射層から、新たな
赤外線が無指向性で放射され、こうして赤外線放射層か
ら放射された赤外線もまた、赤外線放射層をたとえば全
反射するなどして伝搬されることになる。こうして赤外
線放射層の全反射作用と、この赤外線放射層に赤外線が
一旦吸収され、新たな赤外線が放射される作用とによっ
て、選択された波長λを有する赤外線が、高い輻射エネ
ルギ分布で、選択的に、凹部の軸線に沿って下流側に放
射され、指向性のある赤外線の放射が可能になる。

【００２１】また本発明は、（ａ）加熱源と、（ｂ）加
熱源によって加熱される指向性赤外線放射体であって、
この基体の背面は、加熱源によって加熱され、基体の加
熱面に臨んで多数の凹部形成され、この凹部の内径１〜
１０μｍ、好ましくは１〜５μｍであり、凹部の深さ１
０μｍ以上であり、凹部の内面に、赤外線を放射する赤
外線放射層が形成される指向性赤外線放射体とを含むこ
とを特徴とする指向性赤外線放射装置である。

【００２２】本発明に従えば、加熱源の赤外線放射方向
下流側に指向性赤外線放射体を配置することによって、
希望する波長λを有する赤外線を高い輻射エネルギ分布
で希望する輻射方向に指向性を有して放射することがで
きるようになる。加熱源は、たとえば表面燃焼バーナ、
電気ヒータ、赤外線ランプであってもよく、加熱のため
にさらにそのほかの構成を有していてもよい。

【００２３】こうして本発明によれば、体育館などの大
型空間ならびに台所および便所などの小さい空間におい
て、局所的に暖房などを行うことができる。あるいはま
た工場における製品の一部分の加熱などを、容易に行う
ことができる。しかも既存の加熱源に関連して、本発明
を容易に実施することができる。さらに本件放射体は、
たとえば平板状であり、デザインの観点から優れたもの
である。

【００２４】本発明は、加熱源によって背面が加熱され
る基体の加熱面に臨んで多数の凹部が形成され、この凹
部の内径０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍであ
り、凹部の深さ１０μｍ以上であり、凹部の内面に、赤
外線を放射する赤外線放射層が形成されることを特徴と
する指向性赤外線放射体である。

【００２５】本発明に従えば、全体の形状がたとえば平
板状であってもよい基体の背面が加熱源によって加熱さ
れ、背面とは反対側の加熱面に臨んで多数の凹部が形成
され、この凹部の内径Ｄ１は、０．５〜１０μｍ、好ま
しくは１〜５μｍに選ばれる。凹部は、厚み方向に貫通
した貫通孔であってもよいが、底を有する構造であって
もよい。この凹部は、好ましくは一直線状の軸線を有し
ていてもよいけれども、湾曲した軸線を有していてもよ
い。したがって加熱されたエネルギはいわゆるキャビテ
イ効果によって凹部内には、波長λが２・Ｄ１より短波
長の光のみが存在することになる。基体の温度を、たと
えば５００℃以下、たとえば４００℃程度の比較的低い
温度の範囲では、波長λが、２・Ｄ１よりも短い光の加
熱エネルギの占める割合は、全体の加熱エネルギに比べ
て小さい。これによって波長λ付近の赤外線を選択的に
大きな強度で、選択的に放射することができるようにな
る。

【００２６】本発明に従えば、凹部の深さＬ１、すなわ
ち軸線に沿う長さは、１０μｍ以上であり、しかもその
凹部の内面には、赤外線放射層が形成される。これによ
って凹部の軸線の延長上に、強い輻射エネルギ強度分布
で指向性を有して、放射される。深さは、たとえば上述
のように１０μｍ以上であり、しかもたとえば０．５〜
５．０ｃｍ未満であってもよく、さらにもっと大きな
値、たとえば５ｃｍ未満であってもよい。深さが１０μ
ｍ未満では、指向性が劣る結果になる。深さが１ｃｍ以
上であっても、指向性を有する輻射エネルギの強度分布
に変化はなく、構成の小型化の要請に応じて、その深さ
の上限が定められてもよい。

【００２７】基体の加熱面に臨んで、内径０．５〜１０
μｍの範囲以外の内径を有する凹部が、さらに追加的に
形成されていてもよい。

【００２８】また本発明は、基体は、金属、ガラスまた
はセラミクスであることを特徴とする。

【００２９】また本発明は、基体は、タングステンから
成ることを特徴とする。また本発明は、基体は、アルミ
ノホウ珪酸ガラスであることを特徴とする。

【００３０】また本発明は、基体は、酸化アルミニウ
ム、酸化珪素および酸化マグネシウムから成るグループ
から選ばれた１または複数から成ることを特徴とする。

【００３１】本発明に従えば、基体の材料は、タングス
テンおよびそのほかの種類の金属製であってもよく、ア
ルミノホウ珪酸ガラスおよびそのほかの種類のガラスで
あってもよく、さらに酸化アルミニウム、酸化珪素およ
び酸化マグネシウムの１または複数およびそのほかの種
類のセラミクスから成ってもよい。さらに基体はそのほ
かの材料から成ってもよい。

【００３２】また本発明は、赤外線放射層は、凹部の内
面上に形成された第１層と、この第１層上に第１層より
も高い屈折率を有する第２層とが、積層されて構成され
ることを特徴とする。

【００３３】また本発明は、第１層は、ＳｉＯ₂から成
り、第２層は、ＴｉＯ₂またはＧａＯ₂から成ることを特
徴とする。

【００３４】本発明に従えば、凹部の内周面に形成され
る赤外線放射層は、複数層から成り、半径方向外方の第
１層は、たとえばＳｉＯ₂から成ってもよく、半径方向
内方の第２層は、たとえばＴｉＯ₂またはＧａ₂Ｏ₃など
から成ってもよく、第２層の屈折率ｎ１３は、第１層の
屈折率ｎ１２よりも高い値を有する（ｎ１２＜ｎ１
３）。これによって赤外線放射層の第２層よりも半径方
向内方の赤外線は、第１層よりも第２層の方が高い屈折
率を有することに起因して、全反射され、赤外線が伝搬
されることになる。さらにこの凹部内で赤外線放射層に
よって内面が形成された光通路内の赤外線は、赤外線放
射層に一旦、吸収され、この赤外線放射層から、新たな
赤外線が無指向性で放射され、こうして赤外線放射層か
ら放射された赤外線もまた、赤外線放射層をたとえば全
反射するなどして伝搬されることになる。こうして赤外
線放射層の全反射作用と、この赤外線放射層に赤外線が
一旦吸収され、新たな赤外線が放射される作用とによっ
て、選択された波長λを有する赤外線が、高い輻射エネ
ルギ分布で、選択的に、凹部の軸線に沿って下流側に放
射され、指向性のある赤外線の放射が可能になる。

【００３５】また本発明は、（ａ）加熱源と、（ｂ）加
熱源によって加熱される指向性赤外線放射体であって、
この基体の背面は、加熱源によって加熱され、基体の加
熱面に臨んで多数の凹部形成され、この凹部の内径０．
５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍであり、凹部の深
さ１０μｍ以上であり、凹部の内面に、赤外線を放射す
る赤外線放射層が形成される指向性赤外線放射体とを含
むことを特徴とする指向性赤外線放射装置である。

【００３６】本発明に従えば、加熱源の赤外線放射方向
下流側に指向性赤外線放射体を配置することによって、
希望する波長λを有する赤外線を高い輻射エネルギ分布
で希望する輻射方向に指向性を有して放射することがで
きるようになる。加熱源は、たとえば表面燃焼バーナ、
電気ヒータ、赤外線ランプであってもよく、加熱のため
にさらにそのほかの構成を有していてもよい。

【００３７】本発明は、基体の加熱面に臨んで多数の凹
部が形成され、この凹部の内径０．５〜１０μｍであ
り、凹部の深さ１０μｍ以上であり、凹部の内面に、赤
外線を放射する赤外線放射層が形成されることを特徴と
する指向性赤外線放射体である。

【００３８】本発明に従えば、基体がその背面から、ま
たは基体の加熱面から熱が伝わって加熱されることによ
って、前述の波長λ付近の赤外線を、選択的に大きな強
度で、選択的に放射することができる。

【００３９】また本発明は、基体は、金属、ガラスまた
はセラミクスであることを特徴とする。

【００４０】本発明に従えば、基体の材料は、金属、ガ
ラスまたはセラミクスを用いることができる。なお、金
属としては、たとえばタングステンおよびそのほかの種
類の金属であってもよく、ガラスとしては、たとえばア
ルミノホウ珪酸ガラスおよびそのほかの種類のガラスで
あってもよく、さらにセラミクスとしては、たとえば酸
化アルミニウム、酸化珪素および酸化マグネシウムの１
または複数およびそのほかの種類のセラミクスから成っ
てもよい。さらに基体はそのほかの材料から成ってもよ
い。

【００４１】また本発明は、赤外線放射層は、凹部の内
面上に形成された第１層と、この第１層上に第１層より
も高い屈折率を有する第２層とが、積層されて構成され
ることを特徴とする。

【００４２】本発明に従えば、凹部の内周面に形成され
る赤外線放射層は、複数層から成り、半径方向外方の第
１層は、たとえばＳｉＯ₂から成ってもよく、半径方向
内方の第２層は、たとえばＴｉＯ₂またはＧａ₂Ｏ₃など
から成ってもよく、第２層の屈折率ｎ１３は、第１層の
屈折率ｎ１２よりも高い値を有する（ｎ１２＜ｎ１
３）。これによって赤外線放射層の第２層よりも半径方
向内方の赤外線は、第１層よりも第２層の方が高い屈折
率を有することに起因して、全反射され、赤外線が伝搬
されることになる。さらにこの凹部内で赤外線放射層に
よって内面が形成された光通路内の赤外線は、赤外線放
射層に一旦、吸収され、この赤外線放射層から、新たな
赤外線が無指向性で放射され、こうして赤外線放射層か
ら放射された赤外線もまた、赤外線放射層をたとえば全
反射するなどして伝搬されることになる。こうして赤外
線放射層の全反射作用と、この赤外線放射層に赤外線が
一旦吸収され、新たな赤外線が放射される作用とによっ
て、選択された波長λを有する赤外線が、高い輻射エネ
ルギ分布で、選択的に、凹部の軸線に沿って下流側に放
射され、指向性のある赤外線の放射が可能になる。

【００４３】また本発明は、前述の指向性赤外線放射体
を、ガラス溶解槽の上方の空間の内周面に、設けること
を特徴とするガラス溶解炉である。

【００４４】また本発明は、前記内周面は、前記空間の
天井の内周面であることを特徴とする。

【００４５】また本発明は、ガラス溶解槽の上方の空間
を、天井と壁とによって形成し、前記壁に設けられるバ
ーナから、火炎を、天井とガラス溶解槽に貯留されるガ
ラス素地の表面との間に、走らせるガラス溶解炉におい
て、天井の内周面に、前述の指向性赤外線放射体が設け
られることを特徴とするガラス溶解炉である。

【００４６】本発明に従えば、ガラス溶解炉の溶解槽に
は、溶融ガラスが貯留され、そのガラス溶解炉の炉体を
構成する迫と呼ばれる天井と壁とによって、溶解槽の上
方を、したがって溶融ガラスの表面の上方に空間を形成
し、この空間には、壁などに設けられるバーナから、火
炎を走らせる。バーナが設けられる壁は、たとえば溶解
槽の長手方向の左右の側壁であり、これによってガラス
素地の流れと直角方向に火炎が走る。本発明の実施の他
の形態では、ガラス素地の流れの始まる後壁などの端壁
にバーナが設けられ、火炎は長手方向に走るように構成
されてもよい。

【００４７】こうしてガラス素地には、火炎からの直接
的輻射熱が与えられ、また火炎から炉壁および天井の内
周面に伝わった熱が、輻射熱としてガラスへ伝わる。

【００４８】ガラス溶解炉の溶解槽の上方の空間の内周
面、たとえば天井の内周面には、前述の指向性赤外線放
射体の構成する基体の前記加熱面とは反対側の背面が取
付られて設けられる。バーナの火炎の輻射熱によって炉
体の天井に設けられた指向性赤外線放射体の前記加熱面
から基体に熱が伝わり、さらにその天井を構成する蓄熱
機能を有する耐火材、たとえば煉瓦が加熱される。天井
は上方に凸の内周面を有するように形成され、これによ
って指向性赤外線放射体から放射される赤外線の方向
を、溶解槽内のガラス表面に正確に指向することができ
る。さらに、この指向性赤外線放射体から放射される赤
外線を、溶解槽内のガラス素地の表面に優れた指向性で
放射することができる。

【００４９】ガラスは、波長依存性が高い赤外線吸収透
過特性を有するが、本発明では、ガラス溶解に最適な赤
外線波長を選択して放射することができるので、ガラス
溶解能力を飛躍的に高めることができる。すなわち加熱
された基体および天井の煉瓦のエネルギは、いわゆるキ
ャビテイ効果によって凹部には、前述のように波長λが
２・Ｄ１より短波長の光のみが存在し、その波長λ付近
の赤外線が選択的に大きな強度で放射されて溶解槽のガ
ラス素地に放射される。この波長λは、ガラス溶解に最
適な近赤外領域の波長であり、不要な長波長側の赤外線
は遮断される。

【００５０】こうしてバーナの火炎から放射され天井を
経由してガラス素地に到達する輻射熱の割合が、大きく
増加され、ガラス溶解炉の熱効率が飛躍的に高まる。

【００５１】本発明の指向性赤外線放射体は、天井の内
周面だけでなく、前記壁の内周面にも設けられてもよ
い。

【００５２】本発明によれば、ガラス溶解炉の炉体を構
成する天井、さらに壁の内周面に、本発明の指向性赤外
線放射体を構成する基体の前記加熱面と反対側の背面を
取付けるようにしたので、火炎から放射されて天井また
は壁を経由して溶解槽のガラス表面に到達する輻射熱の
割合を増加し、これによってガラス溶解炉の熱効率を大
きく向上することができる。さらにガラス溶解に最適な
近赤外領域の波長を有する赤外線を、放射することによ
って、不要な長波長側の赤外線を遮断し、ガラス溶解能
力を飛躍的に高めることができる。

【００５３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
一部を拡大して示す簡略化した断面図である。指向性赤
外線放射装置１は、加熱源２と、この加熱源２によって
加熱される指向性赤外線放射体３とを含む。加熱源２
は、たとえば表面燃焼バーナであってもよく、あるいは
また電気ヒータであってもよく、さらに赤外線ランプで
あってもよく、そのほかの構成を有していてもよい。放
射体３からは、選択された波長λを有する赤外線４が、
優れた指向性を有して、放射される。

【００５４】図２は、指向性赤外線放射体３の基体３ａ
の一部を切欠いて示す断面図である。基体３の背面５
は、加熱源２によって加熱され、その温度は、たとえば
４００〜５００℃であり、したがって放射されるべき波
長λを有する赤外線の輻射エネルギの占める割合が、全
ての輻射エネルギ中、高い。この基体３ａは、赤外線４
を放射する加熱面６に臨んで多数の凹部７を有する。各
凹部７は、背面５および加熱面６にわたって厚み方向に
貫通した貫通孔である。

【００５５】凹部７の内面には、赤外線を放射する赤外
線放射層１１が形成される。凹部７内の赤外線放射層１
１の内径Ｄ１は、１〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍ
である。凹部７の軸線は相互に平行であり、一直線状に
延びる。凹部７の深さＬ１は、本発明に従えば、１０μ
ｍ以上であり、たとえば０．５〜５．０ｃｍ未満に選ば
れる。

【００５６】基体３ａは、金属、ガラスまたはセラミク
スなどの材料から成る。金属は、たとえばタングステン
であってもよい。ガラスは、たとえばアルミノホウ珪酸
ガラスであってもよい。セラミクスは、たとえば酸化ア
ルミニウム、酸化珪素および酸化マグネシウムのうちの
いずれか１つまたはそれらの複数の混合物から成っても
よい。

【００５７】図３は、凹部７の一部の拡大断面図であ
る。凹部７は、直円柱状の貫通孔である。凹部７の内面
には、基体３ａに、第１層１２が形成される。この第１
層１２上には、第２層１３が形成される。第１層１２
は、ＳｉＯ₂から成る。第２層１３は、ＴｉＯ₂から成
る。この第２層１３の屈折率ｎ１３は、第１層１２の屈
折率ｎ１２よりも高い値を有する（ｎ１２＜ｎ１３）。
こうして凹部７の深さＬ１が前述のように１０μｍ以上
であり、これによって凹部７内を伝搬する赤外線が指向
性を有することが可能になるとともに、凹部７を伝搬す
る赤外線１５は、第１層１２と、その第１層１２の屈折
率ｎ１２よりも高い屈折率ｎ１３を有する第２層１３と
の間の境界面１６で全反射して背面５から加熱面６に向
けて伝搬される。さらにこの赤外線放射層１１では、凹
部７を伝搬する赤外線１５を一旦吸収し、新たな赤外線
を無指向性で放射し、このような作用によってもまた、
赤外線が凹部７内を伝搬して放射面６から有効な指向性
で放射される。

【００５８】赤外線放射層１１の製造にあたっては、Ｓ
ｉＯ₂を主成分とするガラスにＦなどの軽い、すなわち
原子量の小さい元素をドープすることによって第１層１
２を形成することができる。またＴｉ，Ｇａなどの重
い、すなわち大きい原子量を有する原子をドープするこ
とによって第２層１３を形成することができる。第２層
１３は、Ｇａ₂Ｏ₃であってもよい。

【００５９】図４は、本件発明者の実験結果を示す図で
ある。図１〜図３の実施の形態において、また図４
（１）のように基体３ａは、タングステンから成り、凹
部７の内径Ｄ１は、４μｍであり、深さＬ１が４００μ
ｍである直円筒状の凹部７が形成され、赤外線放射層１
１は、ＳｉＯ₂から成る第１層１２と、ＴｉＯ₂から成る
第２層１３とから成り、図１の加熱源２は、温度８００
Ｋとしたとき、波長λ＝２μｍである赤外線のエネルギ
分布のシミュレーション結果を図４（２）のように得
た。この図４（１）に示されるように、基体３ａの赤外
線放射方向下流側に、鋭い良好な指向性で赤外線エネル
ギが放射されていることがわかる。図４（２）は、基体
３ａの加熱面６の赤外線放射方向下流側の０．９ｍｍの
位置における単一の凹部７による波長λ＝２μｍの赤外
線の輻射エネルギ分布を示す。輻射エネルギは、凹部７
の軸線１７の延長上で最大となる鋭いピークが得られ
た。こうして凹部７および赤外線放射層１１が形成され
ていない基体を用いる比較例に比べて、本発明によれ
ば、たとえば２０〜５０倍の集中的な局所の加熱を行う
ことができることが確認された。

【００６０】本発明によれば、省エネルギを達成するこ
とができ、また反射板を用いる先行技術に比べて本発明
の構成を簡略化して小型化を図ることができ、したがっ
て建物の天井または壁などに指向性赤外線放射装置を埋
込むこともまた容易に可能になる。さらに加熱源２から
の赤外線の輻射エネルギの分布は、指向性を有する熱放
射を行う凹部７と、凹部７が形成されていない、たとえ
ば平坦な端面１８との組合せによって、全体の指向性の
強弱の分布を変化させることができる。凹部７は、前述
のように直円筒状であってもよいけれども、そのほか、
凹部７の軸線直角の断面は、三角形、正方形、長方形、
楕円形およびそのほかの形状であってもよい。

【００６１】なお、凹部７内の赤外線放射層１１の内径
Ｄ１は、０．５〜１μｍであっても上述と同様の効果が
得られることから、内径Ｄ１は、０．５〜１０μｍで形
成すればよい。

【００６２】図５は、本発明の実施の一形態のガラス溶
解炉２１の天井２２とその付近の断面図である。天井２
２は、ガラス溶解炉２１の空間２３を、左右の側壁２
４，２５とともに形成する。これらの天井２２および側
壁２４，２５は、炉体２６を構成し、蓄熱機能を有する
耐火材、たとえば煉瓦などから成る。

【００６３】図６はガラス溶解炉２１を備えるガラス溶
解装置の全体の構成を簡略化して示す斜視図であり、図
７は図６に示されるガラス溶解装置の一部の簡略化した
平面図である。これらの図面を参照して、ガラス溶解槽
２８の前記空間２３は、前述の天井２２および側壁２
４，２５のほかにさらに、前後の端壁２９，３０によっ
て形成される。側壁２４，２５には、ガスバーナ３１，
３２が設けられ、さらに排ガスのポート３６，３７が設
けられる。一方の側壁２４のバーナ３１によって火炎３
３は、溶解槽２８内の溶融ガラス素地の流れ３４と直角
方向に火炎３３が走る。この空間２３内の排ガスは、他
方の側壁２５のポート３７から排出され、この運転が交
代で繰返される。ポート３６，３７には、排ガスの通過
による蓄熱を行う蓄熱室３８，３９が設けられ、これら
の蓄熱室３８，３９からの排ガスは、煙道４１から交換
機４２を経て煙突４３に流れる。

【００６４】再び図５を参照して、天井２２の内周面に
は、指向性赤外線放射体３の基体３ａの背面５が取付け
られて固定される。天井２２の内周面は、図５に明らか
に示されるように上に凸の円弧状のアーチ形に形成さ
れ、指向性赤外線放射体３から放射される波長λの赤外
線は、溶解槽２８に貯留されたガラス素地の表面に向け
て指向性を有して放射されることができる。したがって
天井２２の内周面が前述のようにアーチ形である構成お
よび指向性赤外線放射体３の指向性が優れている構成に
よって、指向性赤外線放射体３からの波長λの赤外線
は、ガラス素地の表面に正確に向けられて放射されるこ
とになる。こうしてガラス溶解炉２１の熱効率を大きく
向上することができる。

【００６５】本発明の実施の他の形態では、指向性赤外
線放射体３は、側壁２４，２５の内周面にも仮想線４
５，４６で示されるように設けられてもよく、さらにま
た端壁２９，３０の内周面にも設けられてもよく、さら
に実施の他の形態では、天井２２の内周面には指向性赤
外線放射体３が設けられず、側壁２４，２５または端壁
２９，３０のみに設けられてもよい。

【００６６】バーナ３１の火炎３３の直接的な輻射熱に
よって溶解槽２８内のガラス素地が直接的輻射熱で加熱
されるとともに、この火炎３３の輻射熱によって指向性
赤外線放射体３の基体３ａおよび天井２２を構成する耐
火材が輻射加熱される。この指向性赤外線放射体３の基
体３ａがそれ自体、前述のように加熱され、あるいはま
た天井２２を構成する耐火材によって加熱され、そのた
め前述の凹部７の内径Ｄ１に対応する波長λ（＝２・Ｄ
１）を有する赤外線が大きい強度で選択的に放射され
る。

【００６７】図８は、本件発明者の実験によるガラスに
放射される赤外線の波長とそのガラスを赤外線が透過す
る透過率との関係を示すグラフである。溶解槽２８内の
ガラス素地に放射される赤外線の波長λが、図８に示さ
れるように１．５〜２．８μｍの範囲では、その赤外線
がガラス素地内に高い透過率で透過し、輻射熱が高効率
にガラス素地内部または炉床付近で吸収されることが判
る。したがって図５の天井２２に設けられる指向性赤外
線放射体３の凹部７の内径Ｄ１は、波長λが図８に示さ
れるように１．５〜２．８μｍ、好ましくは１．５〜
２．５μｍの近赤外領域の赤外線を放射するように定め
られる。このことは側壁２４，２５に設けられる指向性
赤外線放射体４５，４６に関しても同様であり、また端
壁２９，３０に設けられる指向性赤外線放射体に関して
も同様である。

【００６８】基体３ａには、単結晶シリコンのウエット
・エッチング式手法を用いて凹部７を形成することがで
きる。この高精度の微細加工は、シリコン単結晶の結晶
面によってエッチング速度が異なる特性を利用する。こ
の手法は、サブミクロンスケールまで高アスペクト比の
凹部７のための矩形の穴、溝掘り加工性に優れ、またド
ライ・エッチングに比べて加工精度に優れている。

【００６９】本発明の実施の他の形態では、基体３ａの
凹部７を形成するために、シリコン・メタルのドライ・
エッチング式手法を採ることができる。この手法のドラ
イプロセスは、酸素プラズマ、ハロゲンプラズマでエッ
チングする構成を有し、基体３ａは、単結晶シリコンに
限定されず、適用材料の自由度が高い。この手法によれ
ば、基体３ａの加工対象材料の選択の範囲が広く、上述
のように単結晶シリコンに限定されず、また矩形、丸穴
などの凹部７の形状に対応することができ、また量産性
に優れる。

【００７０】本発明の実施のさらに他の形態では、基体
３ａの凹部７を形成するために、サブミクロンレベルま
で絞ったレーザビームを用いる。この手法によれば、基
体３ａの加工対象材料は広い範囲の材料を選ぶことがで
き、また凹部７として、高アスペクト比の貫通穴を形成
するのに適しており、各凹部７の加工時間を短くするこ
とができる。

【００７１】本発明の実施のさらに他の形態では、前述
の図２〜図４に示される凹部７が第１および第２層１
２，１３から成る２層構造は、スパッタ法によるドライ
プロセスを利用して形成することができる。これによっ
て酸化物系薄膜である第１および第２層１２，１３を容
易に形成することができる。

【００７２】本発明の実施のさらに他の形態では、基体
３ａの凹部７に第１および第２層１２，１３を形成する
ために、ウエットプロセス・ゾルゲル手法を採る。ゾル
ゲル法によるウエットプロセスを利用したＳｉＯ₂の第
１層１２とＴｉＯ₂の第２層を形成するには、テトラエ
トキシシラン、テトラエトキシチタンの有機溶剤溶液に
浸漬することによるディップコートを行い、加熱乾燥す
る。このことによって、空気中の湿気で重合反応が起こ
り、２層構造を容易に形成することができる。これによ
って酸化物系薄膜である２層構造の赤外線放射層１１を
容易に得ることができ、また凹部７への赤外線放射層１
１の形成が容易に可能となる。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、凹部の内径Ｄ１の２倍
の波長λ（＝２・Ｄ１）を有する赤外線を選択的に高い
輻射エネルギ分布で、指向性を有して放射することがで
きるようになる。

【００７４】本発明によれば、赤外線放射層は、たとえ
ばＳｉＯ₂などから成る第１層の内面に、たとえばＴｉ
Ｏ₂またはＧａ₂Ｏ₃などから成る高い屈折率を有する第
２層が積層されて構成され、これによって赤外線の全反
射作用によって、また赤外線が赤外線放射層に一旦吸収
され、新たな赤外線が放射される作用によって、赤外線
を選択的に、優れた指向性を有して、放射することが可
能になる。

【００７５】本発明によれば、ガラス溶解炉におけるガ
ラス溶解槽に向けて、ガラスによる透過率が良好な近赤
外領域の短波長λの輻射熱を照射することができるの
で、熱効率の向上を図り、ガラス溶解能力を高めること
ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の一部を拡大して示す簡
略化した断面図である。

【図２】基体３の一部を切換えて示す断面図である。

【図３】凹部７の一部の拡大断面図である。凹部７は、
直円柱状の貫通孔である。

【図４】本件発明者の実験結果を示す図である。

【図５】本発明の実施の一形態のガラス溶解炉２１の天
井２２とその付近の断面図である。

【図６】ガラス溶解炉２１を備えるガラス溶解装置の全
体の構成を簡略化して示す斜視図である。

【図７】図６に示されるガラス溶解装置の一部の簡略化
した平面図である。

【図８】本件発明者の実験によるガラスに放射される赤
外線の波長とそのガラスを赤外線が透過する透過率との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１指向性赤外線放射装置２加熱源３指向性赤外線放射体３ａ基体４赤外線５背面６放射面７凹部１１赤外線放射層１２第１層１３第２層２１ガラス溶解炉２２天井２３空間２４，２５側壁２８ガラス溶解槽２９，３０端壁３１，３２バーナ３３火炎３４流れ４５，４６指向性赤外線放射体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱源によって背面が加熱される基体の
加熱面に臨んで多数の凹部が形成され、この凹部の内径
１〜１０μｍであり、凹部の深さ１０μｍ以上であり、
凹部の内面に、赤外線を放射する赤外線放射層が形成さ
れることを特徴とする指向性赤外線放射体。
【請求項２】基体は、金属、ガラスまたはセラミクス
であることを特徴とする請求項１記載の指向性赤外線放
射体。
【請求項３】基体は、タングステンから成ることを特
徴とする請求項１記載の指向性赤外線放射体。
【請求項４】基体は、アルミノホウ珪酸ガラスである
ことを特徴とする請求項１記載の指向性赤外線放射体。
【請求項５】基体は、酸化アルミニウム、酸化珪素お
よび酸化マグネシウムから成るグループから選ばれた１
または複数から成ることを特徴とする請求項１記載の指
向性赤外線放射体。
【請求項６】赤外線放射層は、凹部の内面上に形成さ
れた第１層と、この第１層上に第１層よりも高い屈折率
を有する第２層とが、積層されて構成されることを特徴
とする請求項１〜５のうちの１つに記載の指向性赤外線
放射体。
【請求項７】第１層は、ＳｉＯ₂から成り、第２層
は、ＴｉＯ₂またはＧａＯ₂から成ることを特徴とする請
求項６記載の指向性赤外線放射体。
【請求項８】（ａ）加熱源と、（ｂ）加熱源によって加熱される指向性赤外線放射体で
あって、この基体の背面は、加熱源によって加熱され、基体の加熱面に臨んで多数の凹部形成され、この凹部の
内径１〜１０μｍであり、凹部の深さ１０μｍ以上であ
り、凹部の内面に、赤外線を放射する赤外線放射層が形
成される指向性赤外線放射体とを含むことを特徴とする
指向性赤外線放射装置。
【請求項９】加熱源によって背面が加熱される基体の
加熱面に臨んで多数の凹部が形成され、この凹部の内径
０．５〜１０μｍであり、凹部の深さ１０μｍ以上であ
り、凹部の内面に、赤外線を放射する赤外線放射層が形
成されることを特徴とする指向性赤外線放射体。
【請求項１０】基体は、金属、ガラスまたはセラミク
スであることを特徴とする請求項９記載の指向性赤外線
放射体。
【請求項１１】基体は、タングステンから成ることを
特徴とする請求項９記載の指向性赤外線放射体。
【請求項１２】基体は、アルミノホウ珪酸ガラスであ
ることを特徴とする請求項９記載の指向性赤外線放射
体。
【請求項１３】基体は、酸化アルミニウム、酸化珪素
および酸化マグネシウムから成るグループから選ばれた
１または複数から成ることを特徴とする請求項９記載の
指向性赤外線放射体。
【請求項１４】赤外線放射層は、凹部の内面上に形成
された第１層と、この第１層上に第１層よりも高い屈折
率を有する第２層とが、積層されて構成されることを特
徴とする請求項９〜１３のうちの１つに記載の指向性赤
外線放射体。
【請求項１５】第１層は、ＳｉＯ₂から成り、第２層は、ＴｉＯ₂またはＧａＯ₂から成ることを特徴と
する請求項１４記載の指向性赤外線放射体。
【請求項１６】（ａ）加熱源と、（ｂ）加熱源によって加熱される指向性赤外線放射体で
あって、この基体の背面は、加熱源によって加熱され、基体の加熱面に臨んで多数の凹部形成され、この凹部の
内径０．５〜１０μｍであり、凹部の深さ１０μｍ以上
であり、凹部の内面に、赤外線を放射する赤外線放射層
が形成される指向性赤外線放射体とを含むことを特徴と
する指向性赤外線放射装置。
【請求項１７】基体の加熱面に臨んで多数の凹部が形
成され、この凹部の内径０．５〜１０μｍであり、凹部
の深さ１０μｍ以上であり、凹部の内面に、赤外線を放
射する赤外線放射層が形成されることを特徴とする指向
性赤外線放射体。
【請求項１８】基体は、金属、ガラスまたはセラミク
スであることを特徴とする請求項１７記載の指向性赤外
線放射体。
【請求項１９】赤外線放射層は、凹部の内面上に形成
された第１層と、この第１層上に第１層よりも高い屈折
率を有する第２層とが、積層されて構成されることを特
徴とする請求項１７または１８記載の指向性赤外線放射
体。
【請求項２０】請求項１７〜１９のうちの１つに記載
の指向性赤外線放射体を、ガラス溶解槽の上方の空間の
内周面に、設けることを特徴とするガラス溶解炉。
【請求項２１】前記内周面は、前記空間の天井の内周
面であることを特徴とする請求項２０記載のガラス溶解
炉。
【請求項２２】ガラス溶解槽の上方の空間を、天井と
壁とによって形成し、前記壁に設けられるバーナから、火炎を、天井とガラス
溶解槽に貯留されるガラス素地の表面との間に、走らせ
るガラス溶解炉において、天井の内周面に、請求項１７〜１９のうちの１つに記載
の指向性赤外線放射体が設けられることを特徴とするガ
ラス溶解炉。