JP2008510677A - 反射体層を備えた部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射体層からなる既知の部材において、基礎二酸化珪素ガラス部材の表面は少なくとも部分的に反射体層により被覆される。前記部材は特にランプおよび反射体を製造するために用いられ、効率的で、化学的および温度的に耐性があり、かつ低廉な反射体層を備えており、少なくとも部分的に不透明な二酸化珪素ガラスからなり、拡散反射体として機能する二酸化珪素被覆を有する。
【解決手段】そのような部材を製造するための本発明に基づく方法は、非晶質二酸化珪素粒子を含むスラリーを製造すること、それを基礎部材表面に塗布してスラリー層を形成すること、さらに該スラリー層を乾燥およびガラス化して二酸化珪素被覆を形成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも部分的に反射体層により被覆された表面を持つ石英ガラスの基体からなる反射体層を備えた部材に関するものである。

さらに本発明は、石英ガラスの基体の表面を少なくとも部分的に反射体層で被覆することによって反射体層を備えたそのような部材を製造する方法に関する。

石英ガラスは、低い膨張係数、広い波長範囲にわたる光学的透明度、並びに高い化学的および温度的耐性により特徴づけられる。石英ガラス部材は多くの適用分野に対して、例えばランプ製造における被覆チューブ、電球、被覆板あるいは紫外線、赤外線および可視スペクトル範囲のランプおよび照射装置用反射体担体などとして使用される。特殊な性状を得るために、石英ガラスは他の物質によりドーピング処理される。

ランプ製造では、放出された作用放射線の定常性と効率がしばしば重要な役割りを果たす。放射損失を最小限にするために、光学式照射装置は反射体を具備している。反射体は照射装置に確実に接続される、あるいはそれは照射装置とは別の反射体部材である。化学侵食的な環境において反射体に対する損傷なく、また顕著な反射性減少なく使用できる高品質の反射体表面は、金から製作される。

金製反射体を備えた赤外線照射装置の形式の同種部材は、特許文献１に開示されている。この赤外線照射装置は表面照射装置として機能し、石英ガラスの接合担体板に取り付けられた石英ガラスの複数の隣接配置されたランプ管からなるが、該管は内部に延びる加熱コイルをそれぞれ備えている。前記ランプ管装置の上面は、赤外線表面照射装置の照射面を形成する。石英ガラスの担体板の反対側に設けられた自由な底面は、金の反射体層を備えている。

特許文献２は、ランプ管がいわゆる双子チューブの形で構成される短波赤外線照射装置について記載している。この場合に石英ガラスの被覆チューブは縦ウェブにより互いに平行に延びる２つの区域に分割されており、加熱コイルはこれらの区域の一方または双方に入り込んでいる。ＩＲ照射の主な照射方向から離れた双子チューブ側は、反射体として機能する金層により被覆される。

しかし、金の反射層は高価であり、温度および温度変化に対して限定的な耐性しか有していない。

透過度を低減するため、あるいは透過される光波スペクトルを変えるために、ランプ球を例えば酸エッチングにより、あるいはランプ球内部を粘土とシリカの混合物などの光分散性微粉により被覆して、つや消しすることが知られている。
ドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ４０２２１００ Ｃ１号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ １９８２２８２９ Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的は効率的で、化学的および温度的耐性があり、しかも低廉な反射体層を備えた、特にランプおよび反射体製造において使用される部材を提供することである。

さらに本発明の目的は、そのような部材の製造方法を提供することである。

部材についていえば、上記の石英ガラス部材を前提とするこの目的は、本発明にしたがって拡散反射体として機能し、また少なくとも部分的に不透明な石英ガラスからなる二酸化珪素被覆層を提供することにより達成される。

本発明の石英ガラス部材では、反射体層は少なくとも部分的に不透明な石英ガラスからなる。二酸化珪素被覆層は、基体を完全あるいは部分的に被覆して、拡散性光学反射体として機能する。その成分は、全体あるいは大部分がドーピング処理された、あるいはドーピング処理されていない二酸化珪素である。

石英ガラス部材は好ましくはランプおよび反射体製造において使用されるが、その形態は管、球、室形、シェル形、円形または楕円形部材、板、断熱材などである。石英ガラス部材は二酸化珪素被覆層により形成される組込み反射体を備えた光学放射装置の一部である、あるいは該部材は別の反射体を構成して光学放射装置と組み合わせて使用される。

基体は、合成的に製造された材料あるいは天然原料から作られる石英ガラス体である。基体の石英ガラスは、概して透明である。

少なくとも部分的に不透明な石英ガラスからなる被覆層が、大半の適用分野に対して適した反射性を有することが判明している。二酸化珪素被覆層は、優れた化学的および温度的耐性並びに機械的強度を特長とする。特に注目すべきは、石英ガラスの基体上の二酸化珪素被覆層の熱衝撃に対する高い耐性である。

さらに、二酸化珪素被覆層は低コストで製造できる。以下に、適切な工程について詳述する。反射体として提供される基体表面に二酸化珪素粒子を含むスリップ層が塗布されるが、これらの二酸化珪素粒子から二酸化珪素被覆層が以後の乾燥およびガラス化によって得られる。ガラス化中に注意しなければならないのは、充分な反射性を維持するために二酸化珪素被覆層が少なくとも部分的に不透明さを維持することである。

二酸化珪素が基体材料に関して同種の材料からなれば有利であることが、判明している。

ここで「同種材」とは、被覆層および基体の二酸化珪素含量が互いに１０重量%以下にて、好ましくは３重量%以下にて異なることを意味する。これにより、基体への被覆層の特に高い接着性と、とりわけ部材の温度衝撃に対する高い耐性が得られる。

本発明の石英ガラス部材の好ましい実施例において、基体は照射装置を受容するための石英ガラスの被覆体として設計される。

この場合に、石英ガラスの被覆体は加熱コイル、炭素リボンまたは照射ガス充填装置などの照射装置を包むと共に、被覆体の一部は反射体として機能する二酸化珪素被覆層を具備する。

本発明の部材の第１の好ましい変形形態において、二酸化珪素被覆層は照射装置から離れた面の被覆体の外側に設けられる。

これにより、照射装置または被覆体内部の雰囲気の損耗が防止される。

本発明の部材の第２の同様に好ましい変形形態において、二酸化珪素被覆層は照射装置に面した被覆体の内側に設けられる。

内側に設けられた反射体層は照射装置に隣接するため、被覆体材料による吸収ロスが防止される。被覆層を被覆体の外側よりも内側に設ける方が容易であることが多く、前記層は特に機械的損傷に対して被覆体により保護される。

以下の説明は特に好ましい本発明の部材の実施例に関するものであり、そこでは少なくとも部分的に不透明な二酸化珪素が紫外線、可視または赤外線スペクトル範囲において光学的吸収をもたらすドーパントを含んでおり、それにより反射体層の選択的反射が得られる。

二酸化珪素被覆層は、反射体層の選択的反射を惹起するひとつまたはいくつかのドーパントを含んでいる。これらのドーパントは紫外線、可視および／または赤外線スペクトル範囲において、ひとつまたはいくつかの吸収線を石英ガラス内に生じるために用いられる。その結果として、反射体層によって反射された光波スペクトルは吸収された放射線部分をそれ以上含まない。この点において、反射体層は１種のフィルタとしても機能するのであり、それにより他の所要ろ過手段、例えば基体の石英ガラスのドーピング処理あるいはろ過材による被覆などを代用ないし補完することができる。

本発明の定義における選択的反射性の二酸化珪素被覆層は、以下に述べる方法によるスリップ法に基づいて低コストで製造できる。波長選択的作用を有する反射体の生産のために、ひとつまたは複数のドーパントあるいは工程中にドーパントを生成する予備製品をスリップ層つまり多孔性の二酸化珪素被覆層(ガラス化以前)に付加する。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明の部材の好ましい実施例は、二酸化珪素被覆層が２００ｎｍから３００ｎｍまでの波長範囲における少なくとも０．３の反射係数を持つこと、またドーパントが３００ｎｍより上の波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする。

この実施例が特に適している分野は、紫外線スペクトル範囲からの反射された操作放射線を、例えばＩＲ照射により紫外線で照射された物体の過熱を防止するために完全に、あるいは可視または赤外線スペクトル範囲の部分において除外すべき場合である。

反射係数とは、反射体に垂直に当たる放射線の反射された放射線に対する強さの比率を意味する。ウルブリヒト球は、拡散的に反射する放射線の測定に適している。

選択的に作用する反射体層をもつ部材の同様に好ましい変更態様において、４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲の二酸化珪素被覆層が少なくとも０．３の反射係数を持つこと、またドーパントが１０００ｎｍより上の赤外線波長範囲において光学的吸収線を生じることが意図されている。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明の光学的部材の本実施例が特に適している分野は、可視スペクトル範囲からの反射された操作放射線を、例えばランプまたはその電極などの部材のＩＲ照射による過熱を防止するために赤外線スペクトル範囲から完全に、あるいは部分的に除外すべき場合である。

赤外線スペクトル範囲において石英ガラスが吸収するドーパントは、好ましくは下記物質のひとつまたは複数からなる：ヒドロキシル基、Ｖ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｎｄ。

反射体材料においてＩＲ照射線の大きな強さおよび波長部分を吸収するために、二酸化珪素被覆層は有利には前記グループのいくつかのドーパントを含む。

部材の別の好ましい変更形態において、１０００ｎｍから２０００ｎｍまでの波長範囲の二酸化珪素被覆層が少なくとも０．３の反射係数を持つこと、またドーパントが１５０ｎｍから４００ｎｍまでの紫外線波長範囲において光学的吸収線を生じることが意図されている。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明の光学的部材の本実施例が特に適している分野は、選択的に反射する層上の反射のためにＩＲ範囲における操作放射線を、例えば医学、家庭あるいは産業分野における放射暖房装置の場合のＩＲ光スペクトルの有害なＵＶ部分を阻止するために紫外線範囲から完全に、あるいは部分的に除外すべき場合である。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明の部材の別の好ましい変更形態において、４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲の二酸化珪素被覆層が少なくとも０．３の反射係数を持つこと、またドーパントが１５０ｎｍから４００ｎｍまでの紫外線波長範囲において光学的吸収線を生じる。

この実施例が特に適している分野は、可視スペクトル範囲からの操作放射線を、例えば健康に有害であり得るＵＶ部分を可視光スペクトルから除去すべきハロゲン照射装置などの発光手段における紫外線スペクトル範囲から完全に、あるいは部分的に除外すべき場合である。

二酸化珪素被覆層の石英ガラスにおいてＵＶ線を吸収するドーパントは、好ましくはＴｉ、ＦｅおよびＣｅからなるグループから選択される。

反射体材料においてＵＶ線の主な強さおよび波長部分を吸収するために、二酸化珪素被覆層は有利には前記グループのいくつかのドーパントを含む。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明の部材の別の好ましい変更形態において、６００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲の二酸化珪素被覆層が少なくとも０．３の反射係数を持ち、またドーパントが３００ｎｍから６００ｎｍまでの可視波長範囲において光学的吸収線を生じる。

この実施例が特に適している分野は、可視スペクトルの最初のより長波の範囲から選択された操作放射線を、可視スペクトル範囲の第２のより短波の範囲から完全に、あるいは部分的に除外すべき場合である。

二酸化珪素被覆層は、この実施例において選択的反射による可視光スペクトル部分のフィルタリングのために着色されて見える。これにより、石英ガラス部材の着色デザインが可能となる。例えば、衝突する光スペクトルの赤色部分のみ、あるいは主に赤色部分が反射され、可視光のより短波の部分が反射体材料に完全または部分的に吸収されたならば、石英ガラスは赤く見える。

可視スペクトル範囲の短波範囲における吸収のための適切なドーパントは、例えばＣｕあるいはＳｍである。

逆に他の光学的分野にとって有利なのは、可視スペクトルのより短波範囲、例えば３００ｎｍから４００ｎｍまでの反射された操作放射線を、例えば４００ｎｍより上のより長波の可視スペクトル範囲から、完全に、または部分的に除外することである。これは、例えば反射体材料にＮｄを添加することにより、本発明に基づく部材により実現できる。

選択的に作用する反射体層を備えた本発明に基づく部材の特に好ましい実施例において、二酸化珪素被覆層はナノスケールの結晶粒子を含む。

ナノスケールの結晶粒子はそれらのサイズおよび組成のゆえに、特殊な光学的作用、例えば散乱、偏光、吸収などを生じる。これらの粒子は二酸化珪素被覆層の製造においてスリップ層に付加されるが、スリップ層の焼結またはガラス化中に融解しない。

好ましくは、ナノスケール結晶粒子はダイヤモンドあるいはカーボン・ナノチューブである。

これらは、石英ガラス内で化学的に不活性な高融点の炭素改質材である。カーボン・ナノチューブは、顕微鏡で小さい管の構造である。

ナノスケール結晶粒子の光学的効果は、二酸化珪素被覆層が透明な領域を包含することにより高められる。この場合の二酸化珪素被覆層の残存する不透明さのすべて、あるいは一部は、添加されたナノスケール結晶粒子によるものである。

二酸化珪素被覆層をより厚く構成するほど、放射線の反射がより完全に実行できる。しかし、３ｍｍより上の層厚を製造することは難しい上に、層厚を増すことの影響はほとんど判明していない。厚さ０．１ｍｍ未満の二酸化珪素被覆層はドーパントの高濃度を必要とするが、それは被覆層の石英ガラスの物理的および化学的特性を劣化させる恐れがある。

異なる光学的特性を持つ層を生成することにより、特殊な効果例えば反射阻止あるいは二酸化珪素被覆層内部の異なる吸収曲線などが生じることがあり得る。

方法については、上記の方法を前提とする上記の目的は、本発明にしたがって非晶質の二酸化珪素粒子を含むスリップ層が生成され、スリップ層を形成して基体表面に塗布され、さらに該スリップ層が乾燥およびガラス化されて、二酸化珪素被覆層を形成することにより達成される。

本発明の方法において、石英ガラスの基体はスリップ鋳造法により二酸化珪素の被覆層を具備する。特別な技術的挑戦とは、層体積が収縮するにも拘わらず、基体の石英ガラスが屈することなく乾燥またはガラス化中のスリップ層のあらゆる亀裂を阻止できることである。

そのために、非晶質二酸化珪素粒子を含む鋳造性スリップ層がまず製造される。スリップは「スリップ層」として基体に塗布され、次いで乾燥およびガラス化される。お互いの相互作用のゆえに、非晶質二酸化珪素粒子はペースト状および乾燥状態で既にスリップ層を安定させ、また焼結作用を促進するため、比較的低い温度での乾燥したスリップ層の焼結が実現し、緊密で亀裂のない二酸化珪素被覆層が形成される。

二酸化珪素粒子は、例えばドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ４４４０１０４ Ｃ２号明細書に記載されたように、合成的に製造された二酸化珪素または精製二酸化珪素、さらに天然産出原料からなる。

非晶質二酸化珪素粒子とは別に、スリップ層は二酸化珪素粒子を生成するための前駆体成分を含有し得る。これらは、二酸化珪素を製造するためのゾル−ゲル法において使用されるような加水分解性シリコン化合物である。そのような前駆体成分は、それらの加水分解のためにスリップ層における分子結合を形成し、固化を生じて焼結を促進する。しかし、他方ではそれらの高濃度は乾燥工程での高い収縮をもたらすため、亀裂を惹起する恐れがあり、それゆえにスリップ層中のそのような前駆体成分量が制約されることとなる。

二酸化珪素粒子の粒子サイズおよび分布は、スリップ層の乾燥収縮に影響を及ぼす。例えば、乾燥中の収縮は粗い二酸化珪素粒子を用いることにより低減できる。

スリップ層の乾燥は、室温での水分除去、加熱、あるいは凍結乾燥によって行われる。乾燥後に、スリップ層は二酸化珪素粒子の焼結をもたらす高温まで加熱されることにより、不透明または部分的に不透明な石英ガラスの緊密で亀裂のない被覆層を形成するが、それは基体の全表面またはその一部を被覆する。

本発明の方法によって高密度を持つ二酸化珪素被覆層を製造ことができるため、前記方法は少なくとも部分的に不透明な二酸化珪素から反射体層を製造する好ましい方法を提供する。

被覆層の構成のために、５００μｍ以下の範囲の粒子サイズを有する二酸化珪素粒子、好ましくは１００μｍ以下の粒子サイズを有する二酸化珪素粒子が使用され、また１μｍから５０μｍまでの範囲の粒子サイズが最大の体積割合を占める。

このサイズの二酸化珪素粒子であれば、有利な焼結挙動と比較的低い乾燥収縮を示す。このようなスリップ層ではスリップ層が亀裂を生じることなく、極めて容易に乾燥およびガラス化できることが判明している。これは、乾燥工程中の十分に低い収縮、並びに分子の二酸化珪素結合の生成をもたらして乾燥および焼結を促進する二酸化珪素粒子間の相互作用によるものと思われる。

これを促進するのは、スリップ水相の極性並びに二酸化珪素出発粒子の湿式粉砕により二酸化珪素粒子を製造する工程である。

ここで、所望の粒子サイズ分布はスリップ層の均質化工程により調整される。例えば２００μｍから５０００μｍまでの範囲の直径を持つ比較的粗い粒から開始して、二酸化珪素粒子はそれらの固化度に応じて、均質化工程中にサイズが減少する。湿式粉砕により、水性スリップ層内に任意サイズの二酸化珪素粒子が生成される。すなわち、互いに反応して既にスリップ層内に上記の結合を形成するが、それによりスリップ層の安定性が向上する。

二酸化珪素スリップ層中のクリストバライト量は１重量％以下とすべきであり、そうでない場合にはスリップ層のガラス化中に結晶作用が生じ得るが、それは成分を費消する恐れがある。ここで重要なのは、当初から非晶質の二酸化珪素粒子を使用することである。

スリップ層の塗布については、本質的に公知の方法、例えば噴霧、静電援用噴霧、流動式コーティング、スピニング、浸漬、あるいはブラシによる塗布などが有益なことが判明している。しかし、好適にはスリップ層は浸漬により形成される。

基体表面の事前粗化により、スリップ層およびそれからガラス化により製造された二酸化珪素被覆層の双方の接着力を高めることができる。

ガラス化中の亀裂発生のリスクも、適切な温度管理により低減できる。好ましくは、乾燥したスリップ層のガラス化は１０００℃から１６００℃までの範囲の比較的低い最大温度、好ましくは１１００℃から１４００℃までの最大温度で実施される。特に好ましい変更方法では、乾燥したスリップ層は水素雰囲気中でガラス化される。

石英ガラス中での高い拡散速度のゆえに、水素は熱伝達に特に適している。高い熱伝達には、表面を支配する高温と二酸化珪素被覆層内部つまり未だガラス化されていない部分の下方の温度との間にできるだけ平坦な温度勾配が形成される効果がある。それにより、ガラス化温度が低くても、外部から内部への溶解前線の進行とそれに伴うスリップ層内部のガラス化が確保される。そのために、少なくとも７０パーセントの水素含量で十分である。水素とは別に、ガラス化中の雰囲気は例えば窒素、さらに好ましくはヘリウムを含むことができる。

ガラス化中の熱作用を時間的に短く、かつ実質的にガラス化すべき二酸化珪素スリップ層で覆われる部分に限定すべき場合には、ガラス化のためにバーナ炎またはレーザも使用できる。それにより、部材の塑性変形は概ね回避することができる。

二酸化珪素の被覆層厚は、本発明の方法を繰り返し実施することによって連続的工程において補強できる。

さらに、アルミニウム、窒素または炭素を含む化合物の形のドーパントをスリップ層に添加すれば有効なことが判明している。

この方法の変更形態では、ひとつまたはいくつかのドーパントを二酸化珪素被覆層に導入しており、それによりドーパントが石英ガラスに吸収の減少などの特定の性状を与えて、反射性が高まる。

例えば、被覆層の石英ガラスにアルミニウムを添加すればＡｌ_２Ｏ_３が生成するが、それはガラス構造の強度を、またそれにより被覆層の耐熱性を高めると共に、屈折率も変える。適切な出発物質は特に均一にスリップ層内に分布するが、それにより最終的に被覆層石英ガラスの均一なドーピングが得られる。

このようにして生成された二酸化珪素被覆層は、石英ガラスに対する高い接着性を特徴としており、単に本法を、例えばガラス化温度またはドーパントの添加などを変えることによりその特性が容易に変化するため、多くの具体的な応用分野に適合させることができる。

本発明の部材に関連して上述したように選択的に作用する反射体層を製造するために、好ましくは少なくともひとつのドーパントをスリップ層に導入するが、このドーパントが紫外線、可視または赤外線スペクトル範囲における石英ガラスの光学的吸収を生じて、それにより反射体層の選択的反射が得られる。

ドーパントがスリップ層内で均一に分布することにより、被覆層石英ガラスの特に均一なドーピング処理が最終的に分析される。しかし、前記層がまだ多孔性でないかぎりは、ドーパントを液状、乾燥状態あるいは予備焼結したスリップ層へ導入することも可能である。

本発明について、ここで種々の実施例および図画に関連して、以下により詳細に説明する。

均一な基礎スリップ層を製造する。１０ｋｇの基礎スリップ(二酸化珪素水性スリップ)層のバッチに対して、粒度２５０μｍから６５０μｍの天然原料の非晶質石英ガラス８．２ｋｇを石英ガラスでライニングされた容量およそ２０リットルのドラム型ミル内で、伝導度３μＳ未満の純水１．８ｋｇと混合する。石英ガラス粒は、高温塩素化法により予め精製した。クリストバライトを含まないことに留意した。

この混合物をローラ・ブロックにて石英ガラス粉砕球を用いて速度２３ｒｐｍで３日間粉砕し、固体含量７９％パーセントを有する均一な基礎スリップ層を得た。粉砕工程中に、pH値は二酸化珪素の溶解のためにおよそ４まで低下した。

さらにおよそ５μｍの粒度を持つ球形粒子の形の非晶質二酸化珪素粒を得られた均一かつ安定した基礎スリップ層に混合して、８４重量％の固体含量を得た。この混合物を、ドラム型ミル内で速度２５ｒｐｍにより１２時間均一化させた。得られたスリップ層は、８４重量％の固体含量およびおよそ２．０ｇ／ｃｍ^３の密度を有する。石英ガラス粒の粉砕後にスリップ層１４中で得られた二酸化珪素粒子は、およそ８μｍのＤ_５０値およびおよそ４０μｍのＤ_９０値により特徴づけられる粒子サイズ分布を有する。「ダイラタンシー」と呼ばれるスリップ層のこの流動特性は、その粘土が剪断速度につれて増加するという点において明らかとなる。これには、剪断力がない時に、つまり石英ガラス部材にスリップ層としてスリップを塗布した後に、粘度が増加する効果があるため、均一なスリップ層の生成が促進される。

ＩＲ照射装置用の反射板が製造される石英ガラス板を、数秒間スリップ層中へ浸す。この石英ガラス板の表面は、予めアルコールで浄化しておき、さらに化学エッチング（極冷凍）により２μｍの平均表面粗さＲａに調整した。

およそ２．５ｍｍの厚さを持つ均一な連続的スリップ層を、石英ガラス板上に形成した。このスリップ層をまず室温でおよそ５時間、次に空気中でＩＲ照射装置により乾燥させた。乾燥したスリップ層には亀裂がなく、平均厚さは２．２ｍｍ弱であった。

このようにして製造および乾燥させたスリップ層を、焼結炉において空気中でガラス化した。加熱推移は当初の急峻な加熱勾配を示しており、スリップ層は室温から１時間以内に１０００℃の下方加熱温度まで加熱された。スリップ層をこの下方加熱温度で１時間保持した後に、第２の平坦な加熱勾配により４時間加熱して１３５０℃の上方加熱温度に到達させた。この上方加熱温度での保持時間は、該実施例では２時間であった。次いで、スリップ層を完全に焼結させたところ、それは不透明であり、肉眼で見たかぎりは泡を含んでいなかった。

以後の冷却工程は炉の空気中で１５℃／分の管理された冷却速度により行い、５００℃の温度まで冷却した後に、炉を閉じたまま自由冷却とした。

得られた反射板を図１に概略的に示す。それは寸法３００ｍｍ × ３００ｍｍ × ２ｍｍ を持つ石英ガラス板８からなり、その平坦面は不透明な石英ガラスからなる二酸化珪素被覆層９により完全に被覆されているが、前記層はおよそ２ｍｍの平均層厚さを持つと共に、亀裂のないこと、およびおよそ２．１５ｇ／ｃｍ^３の高密度を特徴とする。図１の二酸化珪素被覆層９は、図解上の理由から、厚さが誇張して表示されている。

この反射板は温度的には１１００℃を超える温度まで耐久できるため、例えばモリブデン製反射板に対する代用品として適しており、その他の高温の応用分野にも利用できる。

両側に不透明な二酸化珪素被覆層を形成する代わりに、そのような層を石英ガラス板の片側に設けることもできる。この場合に、スリップ層は上記の浸漬法ではなく、好ましくは噴霧法により塗布される。

二酸化珪素被覆層からなる双子チューブ９は、相境界に対して無方向の散乱反射を行う。しかし、通常の反射体における部材の曲面または湾曲形状のゆえに、定方向部位が散乱反射に向けられ得る。

実施例１に関連して述べたように基礎スリップ層を製造するが、このスリップ層は石英ガラスのいわゆる「双子チューブ」の形で赤外線照射装置用被覆チューブ上に反射体層を製造するために使用される。

そのような双子チューブは、図２に概略的に示されている。このチューブは、断面を見た際に８の形をしている石英ガラスの被覆チューブ１からなるが、該チューブは中央ウェブ２によって２つの部分３、４に区分されている。これらの部分３、４のそれぞれは加熱コイルを受け入れる機能を果たすが、電気的接続は末端に設けられたクリンプ（図示せず）を介して被覆チューブ１から案内される。双子チューブ９の主照射方向は本実施例では下方に向けられており、矢印５により表示されている。

反射体は、主照射方向５から離れた双子チューブ９の上面６に形成すべきである。そのために、双子チューブ９の表面はアルコールにより洗浄した後に、アルカリおよびアルカリ土類化合物などの他の表面不純物を除去するために３０％フッ化水素酸中で洗浄する。

次に、基礎スリップ層を被覆チューブ１の上面６に塗布する。そのために、被覆チューブ１を取付け装置に装着し、自由流動スリップ層をスプレーノズルにより上面６に吹き付ける。噴射工程は、均一な被覆が得られると同時に終了する。スリップ層は、空気中で極めて迅速に乾燥する。このようにして得られたスリップ層７の層厚は、およそ１ｍｍである。

スリップ層７を６時間空気中に放置して、ゆっくり乾燥させる。完全な乾燥は、ＩＲ照射装置を用いて空気中で行う。乾燥したスリップ層７には亀裂が全くなく、それはおよそ０．９ｍｍの最大厚さを有する。

乾燥したスリップ層７を、次に焼結炉において空気雰囲気中でガラス化させる。スリップ層７をガラス化にするための加熱推移が、図３に示されている。それは、スリップ層７が室温から１時間以内に１０００℃の下方加熱温度に到達する加熱勾配からなる。部材を、この加熱温度で１時間保持する。次いで、遅い加熱工程を４時間行って、１４００℃の最終温度に到達させ、さらに２時間保持する。冷却は１５℃／分の冷却勾配により炉温を５００℃まで下げた後に、閉じた炉中で非管理状態において冷却させる。

スリップ層は、この温度処理によって充分に焼結および固化される。二酸化珪素被覆層７ａはおよそ２．１５ｇ／ｃｍ^３という高密度を有するが、実質的にはまだ不透明である。不透明さが実証しているのは、直接的なスペクトル伝達が１９０ｎｍから２６５０ｎｍまでの波長範囲において１０％未満ということである。これにより、赤外線波長範囲において８０％程度という相応して高い反射度が生じる。双子チューブ９は赤外線照射装置を製造するために使用されるが、その上に生成される二酸化珪素被覆層７ａも１０００℃を超える高温用反射体層として適している。

二酸化珪素被覆層の形のそのような拡散反射体を備えた石英ガラス部材の使用は、ランプ製造のみに限定されない。そのような反射体は、分析システムにおける照射装置あるいは太陽電池生産における加熱手段用の個別部材としても用いられる。

実施例１に関連して述べたように、均一な二酸化珪素スリップ層を製造する。１．２５重量％のセリウム希土類アルミン酸塩 (Ｃｅ_０.４Ｐｒ_０.６ＡｌＯ_３)を、前記スリップ層に添加する。セリウム量はそれが後の二酸化珪素被覆層中でおよそ０．３２重量％となり、また希土類がおよそ０．４９重量％となるように選定する。

この混合物を実施例１に関連して述べたようにさらに加工するが、粒度およそ５μｍの非晶質球形二酸化珪素粒を混合して、ドラム型ミル内で均質化させる。

このようにして得られたスリップ層は、８４％の固体含量およびおよそ２．０ｇ／ｃｍ^３の密度を有する。スリップ層１４中の石英ガラス粒の粉砕後に得られた二酸化珪素粒子は、およそ８μｍのＤ_５０値およびおよそ４０μｍのＤ_９０値により特徴づけられる粒子サイズ分布を示す。それは、ＩＲ照射装置用反射板を製造する石英ガラス板をコーティングするために用いされる。そのために、スリップ層を石英ガラス板に塗布するが、該ガラス板は予めアルコールで洗浄し、さらに化学エッチング（極冷凍）により２μｍの平均表面粗さＲａへ調整されており、最終的におよそ２．５ｍｍの厚さを持つ均一な閉じたスリップ層が形成された。

このスリップ層をまず室温でおよそ５時間、次にＩＲ照射装置により空気中で乾燥させた。乾燥したスリップ層には全く亀裂がなく、その平均厚さはおよそ２．２ｍｍであった。このように製造および乾燥させたスリップ層は、実施例１に関連して述べたように、焼結炉において空気中でガラス化させた。

その後、スリップ層が完全に焼結して不透明となり、肉眼で見るかぎりは泡を含んでいなかった。

以後の冷却工程は炉の空気中で１５℃／分の管理された冷却速度により行い、５００℃の温度まで冷却した後に、炉を閉じた状態で自由冷却とした。

二酸化珪素被覆層により完全に覆われた平坦面を持つ反射板を得たが、該被覆層は不透明な石英ガラスからなり、およそ２ｍｍの平均層厚を有すると共に、その特徴は亀裂のないこと、およびおよそ２．１５ｇ／ｃｍ^３の高密度である。図４に示されたその反射曲線は、２００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にある。ｙ軸には反射度「Ｒ」が%で記入されているが、それは二酸化珪素被覆層に当たる放射線に対する反射された放射線の強さ比率を表す。波長λは、ｘ軸にｎｍ単位で記入されている。赤外線スペクトル範囲(図示せず)およびおよそ３５０ｎｍまでの可視スペクトル範囲では、試料は９０％を超える反射度を示した。３５０ｎｍ未満の紫外線スペクトル範囲では、添加されたドーパントの吸収開始のために、反射は数パーセントに減少した。およそ１０％を最大とするやや高い残留反射は、２５０ｎｍから２７０ｎｍまでの波長範囲において見られた。

この反射板を赤外作用放射線の反射に利用するならば、このようにＵＶ線の大部分は二酸化珪素被覆層に吸収されて、反射された波長スペクトルから除去される。

二酸化珪素被覆層９は、拡散的で無方向かつ波長選択的な反射を行う。しかし、通常の反射体における部材の曲面または湾曲形状のゆえに、定方向部位が散乱反射に向けられ得る。

実施例３に関連して述べたようにスリップ層を製造したが、ドーパントとしてのセリウム希土類アルミン酸塩 (Ｃｅ_０.４Ｐｒ_０.６ＡｌＯ_３)の代わりに、Ａｌ_２Ｏ_３とＦｅ_２Ｏ_３の混合物を添加する。それらの量は、後の二酸化珪素被覆層中でアルミニウム割合がおよそ３重量％となり、またＦｅ割合が１０重量ｐｐｍとなるように設定した。

実施例３に関連して上述したように、スリップ層を石英ガラス板の平坦面に塗布し、乾燥およびガラス化した。二酸化珪素被覆層により覆われた平坦面を持つ反射板を得たが、該被覆層は不透明な石英ガラスからなり、およそ２ｍｍの平均層厚を有すると共に、その特徴は亀裂のないこと、およびおよそ２．１５ｇ／ｃｍ^３の高密度にある。

乾燥したスリップ層を焼結炉において空気中でガラス化した後に、ほぼ２００ｎｍから３０００ｎｍまでの全波長範囲内の不透明な二酸化珪素被覆層を得たが、それは高い吸収性と低い反射度を示した。６０％未満の低い反射度が測定されたのは、およそ７００ｎｍの波長範囲においてのみであった。

実施例４に関連して述べたように、二酸化珪素被覆層を石英ガラス板上に生成した。但し、スリップ層のガラス化は空気中ではなく、水素の存在する還元雰囲気中で１３００℃の上方加熱温度までの４時間の加熱により行われた。

この処理により、二酸化珪素被覆層の反射挙動は、実施例４と比べて顕著に変化した。４００ｎｍから７００ｎｍまでの波長範囲では、７５％程度の十分に高い反射度が実証された。但し、３００ｎｍ未満のＵＶ範囲並びに１０００ｎｍを超えるＩＲ範囲における吸収は、それ程変化しなかった。

したがって、この反射体は、可視スペクトル範囲における操作放射線の反射のために適しており、ＵＶ線およびＩＲ線の大部分は二酸化珪素被覆層に吸収されるため、反射された波長スペクトルから除去される。これにより、照明された物体の加熱が阻止される。反射体において生じた熱の排出は、既知の冷却手段により行うことができる。

実施例４に関連して述べたようにスリップ層を製造したが、Ａｌ_２Ｏ_３とＦｅ_２Ｏ_３からなるドーパント混合物の代わりに、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末のみを添加した。その量は、後の二酸化珪素被覆層中でＦｅ割合が８重量ｐｐｍとなるように設定した。

実施例４に関連して述べたように、スリップ層をさらに加工して、石英ガラス板上に厚さ２ｍｍのガラス化された二酸化珪素被覆層を生成した。２４０ｎｍから８５０ｎｍまでの波長範囲における鉄添加された二酸化珪素被覆層の反射挙動は、図５に曲線５２として示されている。図５のグラフは、２４０ｎｍから８５０ｎｍまでの波長範囲における金層の反射曲線と比較した本発明に基づく２種類の二酸化珪素被覆層の反射曲線を示している。ｙ軸には反射度「Ｒ」が相対的単位(ウルブリヒト球のテフロン（登録商標）・ライニングの反射度に基づく)で記入されており、操作放射線の波長λはｘ軸にｎｍ単位で記入されている。

曲線５１は、蒸着された金層における反射挙動を示す。曲線５２は実施例６にしたがって製造された２ｍｍの厚さを持つ二酸化珪素被覆層における反射挙動を示しており、石英ガラスは８重量ｐｐｍのＦｅを添加され、ガラス化は空気中で行われた。曲線５３は、実施例１にしたがって製造された２ｍｍの厚さを持つドーピング処理されていない二酸化珪素の二酸化珪素被覆層における反射挙動を示す。

同図から見てとれるように、２５０ｎｍから８５０ｎｍまでの波長範囲におけるドーピング処理されていない二酸化珪素の二酸化珪素被覆層(曲線５３)は、およそ８０パーセントのほぼ均一な反射度Ｒを有する。この波長範囲における反射度Ｒは、金被覆の反射度Ｒ(曲線５１)よりも高い。鉄添加された二酸化珪素被覆層(曲線５２)は、３５０ｎｍ未満の波長では、紫外線スペクトル範囲における反射の明確な減少を示している。したがって、鉄添加された二酸化珪素被覆層は、ランプの反射された放射線からＵＶ部分を選択的に除去するために適している。

二酸化珪素被覆層の形の反射体層を備えた石英ガラスの反射板の概略断面図である。 その上面が部分的にスリップ層つまり反射体層により覆われた被覆チューブを備えた双子チューブ照射装置の形式の赤外線照射装置の概略図である。 石英ガラス基体上にスリップ層をガラス化するための加熱推移を示すグラフである。 セリウム希土類アルミン酸塩を添加した二酸化珪素被覆層に対する反射曲線を示すグラフである。 比較のためのいくつかの反射曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ 被覆チューブ
２ 中央ウェブ
３、４ 部分
５ 主照射方向
６ 上面
７ スリップ層
７ａ 二酸化珪素被覆層
８ 石英ガラス板
９ （二酸化珪素被覆層からなる）双子チューブ
５１，５２、５３ 曲線

Claims (23)

1. 少なくとも部分的に反射体層により被覆された表面を持つ石英ガラスの基体からなる反射体層を備えた部材において、拡散反射体として機能し、また少なくとも部分的に不透明な二酸化珪素からなる二酸化珪素被覆層(７ａ、９)を設けることを特徴とする部材。
2. 前記二酸化珪素被覆層(７ａ、９)が基体(１、８)に関して同種材料からなることを特徴とする請求項１に記載の部材。
3. 前記基体は照射装置を受容するための石英ガラスの被覆体(１)として形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の部材。
4. 前記二酸化珪素被覆層(７ａ)は照射装置から離れた石英ガラスの被覆体(１)の外側（６）に設けられることを特徴とする請求項３に記載の部材。
5. 前記二酸化珪素被覆層(７ａ)は照射装置に面した石英ガラスの被覆体(１)の内側（６）に設けられることを特徴とする請求項３に記載の部材。
6. 少なくとも部分的に不透明な二酸化珪素が紫外線、可視または赤外線スペクトル範囲において光学的吸収をもたらすドーパントを含んでおり、それにより反射体層の選択的反射が得られることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の部材。
7. 前記二酸化珪素被覆層が２００ｎｍから３００ｎｍまでの波長範囲において少なくとも０．３の反射係数を持つこと、また前記ドーパントが３００ｎｍより上の波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする請求項６に記載の部材。
8. 前記二酸化珪素被覆層が４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲において少なくとも０．３の反射係数を持つこと、また前記ドーパントが１０００ｎｍより上の赤外線波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする請求項６に記載の部材。
9. 前記ドーパントは、ヒドロキシル基、Ｖ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｎｄのうちのひとつまたはそれ以上からなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の部材。
10. 前記二酸化珪素被覆層が１０００ｎｍから２０００ｎｍまでの波長範囲において少なくとも０．３の反射係数を持つこと、またドーパントが１５０ｎｍから４００ｎｍまでの紫外線波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする請求項６に記載の部材。
11. 前記二酸化珪素被覆層が４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲において少なくとも０．３の反射係数を持つこと、また前記ドーパントが１５０ｎｍから４００ｎｍまでの紫外線波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする請求項６または８に記載の部材。
12. 前記ドーパントはＴｉ、Ｆｅ、Ｃｅのうちのひとつまたはそれ以上からなることを特徴とする請求項６、１０および１１のいずれか１項に記載の部材。
13. 前記二酸化珪素被覆層が６００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲において少なくとも０．３の反射係数を持つこと、また前記ドーパントが３００ｎｍから６００ｎｍまでの可視波長範囲において光学的吸収線を生じることを特徴とする請求項６または１１に記載の部材。
14. 前記ドーパントはＣｕ、Ｓｍ、Ｎｄのうちのひとつまたはそれ以上からなることを特徴とする請求項６または１３に記載の部材。
15. 前記二酸化珪素被覆層はナノスケールの結晶粒子を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の部材。
16. 前記ナノスケール結晶粒子はダイヤモンドあるいはカーボン・ナノチューブであることを特徴とする請求項１５に記載の部材。
17. 前記二酸化珪素被覆層はアルミニウム、窒素または炭素を含むことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の部材。
18. 石英ガラスの基体(１、８)の表面を少なくとも部分的に反射体層(７ａ、９)により被覆されている反射体層を備えた石英ガラス部材を製造する方法において、非晶質二酸化珪素粒子が製造され、基体(１、８)の表面に塗布されてスリップ層(７)を形成すること、また前記スリップ層(７)が乾燥およびガラス化されて二酸化珪素被覆層(７ａ、９)を形成することを特徴とする方法。
19. 前記二酸化珪素粒子は５００μｍ以下の範囲の粒子サイズ、好ましくは１００μｍ以下の粒子サイズを有すること、また１μｍから５０μｍまでの範囲の粒子サイズが最大の体積割合を占めることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記二酸化珪素粒子は二酸化珪素出発粒子の湿式粉砕により製造されることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記乾燥したスリップ層(７ａ)は水素雰囲気中でガラス化されることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. ドーパントはアルミニウム、窒素または炭素を含む化合物の形でスリップ層に添加されることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 少なくともひとつのドーパントがスリップ層に導入されること、前記ドーパントが紫外線、可視または赤外線スペクトル範囲における石英ガラスの光学的吸収を生じること、それにより反射体層の選択的反射が得られることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法。

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