JP4501152B2 - ガラス物品 - Google Patents

Description

本発明は、ごみ焼却炉、火葬炉、金属溶融炉、ガラス溶融炉、焼成炉等のように高温となる炉の内部の状態を観察するための覗き窓に使用するガラス物品に関するものである。

従来、ストーブのように高温になる器具の内部の状況を観察するために覗き窓が設けられており、覗き窓には、高温に曝されても熱衝撃によって破損しにくく、透明な耐熱ガラス例えば低膨張性の結晶化ガラス（例えば、特許文献１、２参照。）、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等が使用されている。
特開平４−２１４０４６号公報 特開２０００−２４７６８１号公報

しかし、特許文献１、２に開示されているストーブ用の覗き窓に使用されている結晶化ガラスを、ストーブよりも高温となるごみ焼却炉、金属溶融炉、ガラス溶融炉、焼成炉等の覗き窓の材料として使用すると、可視光線や熱線をほとんど遮蔽することができないため、炉の内部を遮光眼鏡や遮光面といった保護具を使用せずに観察すると眩しいとともに熱く、また、炉の外部に熱線として熱を逃がしてしまうため炉の熱効率が悪かった。また、炉の内部を上記した覗き窓から観察する際、遮光眼鏡や遮光面等の保護具を使用すれば防眩効果はあるが遮熱できず、また、遮光面は作業性が悪いという問題を有していた。

本発明の目的は、ガラス熔融炉のように高温になる炉の覗き窓として使用した際、防眩および遮熱効果に優れ、長時間にわたって覗き窓から炉の内部を保護具を使用せずに観察できるとともに、炉の熱効率を損なわないガラス物品を提供することである。

本発明者等は、透明耐熱ガラスの表面に遮光性能および熱線反射性能を有する遮光層が形成されていると、これを高温となる炉の覗き窓として使用した際、可視光線や熱線の透過および覗き窓からの輻射熱を抑制できるため、眩しくも熱くもなく、長時間にわたって覗き窓から炉の内部を保護具を使用せずに観察できるとともに炉の熱効率が損なわれないことを見いだし、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明のガラス物品は、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数が−２０〜＋２０×１０ ^−７ ／℃である透明耐熱ガラス板の表面にＴｉからなる遮光膜および錫含有酸化インジウムからなる熱線反射膜が形成されてなる、高温炉内部観察用覗き窓に使用されるガラス物品であって、波長３８０〜７８０ｎｍの可視光線の平均透過率が０．０３〜１５％であり、波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均反射率が５０％以上であることを特徴とする。

本発明のガラス物品は、透明耐熱ガラス板の表面に遮光層が形成されてなるガラス物品であって、波長３８０〜７８０ｎｍの可視光線の平均透過率が０．０３〜１５％（ＪＩＳ Ｔ ８１４１における遮光度３〜９）であるため、このガラス物品を高温となる炉の覗き窓に使用すると、保護具を使用しなくても眩しくなく、炉の内部を充分に観察できる。波長３８０〜７８０ｎｍの可視光線の平均透過率が０．０３％よりも低いと、透過する可視光線が少ないため炉の内部を充分に観察することができず、１５％よりも高いと透過する可視光線が多いため眩しく、保護具を使用せずに炉の内部を観察することができない。波長３８０〜７８０ｎｍの可視光線の平均透過率の好ましい範囲は０．０５〜１０％、より好ましくは０．１〜８％である。また、波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均反射率が５０％以上であるため、炉の内部を保護具を使用せずに長時間にわたって観察しても覗き窓を透過する熱線が少なく、覗き窓からの輻射熱も抑制され熱くない。また、覗き窓の開口部の面積を広くしても熱の流出が少ないため、炉の熱効率が損なわれないとともにビデオカメラ等の電子機器を設置して、コントロールルームから炉の内部を観察することもできる。

波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線における平均反射率の好ましい範囲は５５％以上、より好ましくは６０％以上である。

本発明のガラス物品は、波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均透過率が１０％以下であると、覗き窓を透過する熱線が少ないため保護具を使用しなくても炉の内部を観察しやすい。すなわち、ガラス物品を透過する熱線が少ないほど、反射される熱線とガラス物品に吸収される熱線の合量が多くなるが、ガラス物品に吸収された熱線は輻射熱として放射されるものの、この輻射熱はガラス物品の両面から放射されるため、炉の内部からガラス物品を通して観察側に放射される熱量は透過した熱線と輻射熱の合量であり、これが相対的に少なくなるからである。波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均透過率の好ましい範囲は８％以下、より好ましくは７％以下である。

本発明のガラス物品は、透明耐熱ガラス板が、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数が−２０〜＋５０×１０^-7／℃であると、熱衝撃によって破損しにくいため好ましい。このような平均熱膨張係数を有する透明耐熱ガラスとしては、β−石英固溶体を主結晶とするＬｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系結晶化ガラスに代表される透明結晶化ガラスや高珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラスまたは石英ガラスに代表される低膨張ガラスがある。特にβ−石英固溶体を主結晶とするＬｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の透明結晶化ガラスは、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数が−２０〜＋２０×１０^-7／℃であり、高温でも軟化変形しにくいため好ましい。

本発明のガラス物品は、遮光層が、下記（ａ）〜（ｄ）の中から選ばれた一つの遮光膜を含み、（ａ）は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｉおよびＣｒからなる群より選ばれた一種の金属であり、（ｂ）は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｉおよびＣｒからなる群より選ばれた一種の金属の窒化物であり、（ｃ）は、ＴｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ステンレスおよびハステロイからなる群より選ばれた一種の合金であり、（ｄ）は、ＴｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ステンレスおよびハステロイからなる群より選ばれた一種の合金の窒化物であると、遮光性に優れ、さらに遮熱性にも優れるため好ましい。特に、遮光膜が、ＴｉまたはＴｉの窒化物であると、成膜が容易であるため好ましい。

（ａ）の中でもＴｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒが、成膜しやすいため好ましく、特にＴｉが好ましい。

（ｂ）の中でもＴｉの窒化物（ＴｉＮ）が、成膜しやすいため特に好ましい。

（ｃ）の中でもＴｉＡｌが、成膜しやすいため特に好ましい。

（ｄ）の中でもＴｉＡｌの窒化物が、成膜しやすいため特に好ましい。

また、（ａ）〜（ｄ）の中でも、（ａ）が成膜しやすいため好ましい。

また、本発明のガラス物品は、遮光層が、下記（ａ）〜（ｅ）の中から選ばれた一つの遮光膜と下記（ｆ）からなる熱線反射膜を含み、（ａ）は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｉおよびＣｒからなる群より選ばれた一種の金属であり、（ｂ）は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＮｉおよびＣｒからなる群より選ばれた一種の金属の窒化物であり、（ｃ）は、ＴｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ステンレスおよびハステロイからなる群より選ばれた一種の合金であり、（ｄ）は、ＴｉＡｌ、ＮｉＣｒ、ステンレスおよびハステロイからなる群より選ばれた一種の合金の窒化物であり、（ｅ）は、Ｓｉであり、（ｆ）は、錫含有酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素含有酸化スズ、アンチモン含有酸化スズおよびアルミニウム含有酸化亜鉛からなる群より選ばれた一種の酸化物であると、遮光性と遮熱性に優れるため好ましい。

（ｆ）の中でもＩＴＯが成膜しやすいとともに、熱線反射能が高いため好ましい。

上記した遮光膜のうち（ａ）〜（ｄ）は遮光性に優れるとともに、遮熱性も優れるため、（ｆ）のような熱線反射膜がなくても優れた遮熱性能を有するが、（ｆ）の熱線反射膜との多層膜として用いる方がより優れた遮熱性能を有するようになる。また、（ｅ）の遮光膜（Ｓｉ）は、遮光性には優れるものの、遮熱性能を有さないため（ｆ）の熱線反射膜との多層膜として用いると遮熱性能が付与され好ましい。

また、本発明のガラス物品は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＳｉＡｌＮ_xおよびＴｉＯ₂からなる群より選ばれた一種からなる保護膜を遮光膜または熱線反射膜に隣接するように形成してなると、遮光層にさらに耐熱性、耐磨耗性および耐酸化性を付与することができるため好ましい。

保護膜の中でも、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄は、化学的耐久性、膜の硬度や緻密さにおいて優れるため好ましい。

本発明のガラス物品は、膜の剥離を防止するために接着層を設けることができる。接着層には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、アルミナ等が使用できる。特に、熱線反射膜と保護膜との接着が弱いことが多いため、これらの膜の間に形成されていると好ましい。

接着膜の中でも、酸化チタンは成膜性に優れるため好ましい。

本発明のガラス物品における第一の実施形態（参考例）は、透明耐熱ガラスの表面から順に厚さ３０〜５００ｎｍの遮光膜からなる第一層と、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第二層を備えてなる。この場合の遮光膜としては、上記した（ａ）〜（ｄ）のいずれかに記載の遮光膜、保護膜としては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＳｉＡｌＮ_xまたはＴｉＯ_２からなる保護膜が使用可能である。

本発明のガラス物品における第二の実施形態は、透明耐熱ガラスの表面から順に厚さ３０〜５００ｎｍの熱線反射膜からなる第一層と、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第二層、厚さ３０〜５００ｎｍの遮光膜からなる第三層を備えてなる。

本発明のガラス物品における第三の実施形態は、透明耐熱ガラスの表面から順に厚さ３０〜５００ｎｍの熱線反射膜からなる第一層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第二層、厚さ３０〜５００ｎｍの遮光膜からなる第三層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第四層を備えてなる。第二および第三の実施形態における第二層の保護膜は第一層の熱線反射膜と第三層の遮光膜との反応を防止することができる。

本発明のガラス物品における第四の実施形態は、厚さ３０〜５００ｎｍの熱線反射膜からなる第一層、厚さ５〜３０ｎｍの接着膜からなる第二層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第三層、厚さ３０〜５００ｎｍの遮光膜からなる第四層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第五層を備えてなる。

本発明のガラス物品における第五の実施形態は、透明耐熱ガラスの表面から順に厚さ３０〜５００ｎｍの遮光膜からなる第一層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第二層を備えてなり、透明耐熱ガラスの反対側の表面から順に厚さ３０〜５００ｎｍの熱線反射膜からなる第一層、厚さ５０〜４００ｎｍの保護膜からなる第二層を備えてなる。第二から第四の実施形態において使用される熱線反射膜は、（ｆ）に記載の錫含有酸化インジウム、フッ素含有酸化スズ、アンチモン含有酸化スズまたはアルミニウム含有酸化亜鉛からなる熱線反射膜であり、保護膜は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＳｉＡｌＮ_xまたはＴｉＯ₂からなる保護膜であり、遮光膜としては、（ａ）〜（ｅ）のいずれかに記載の遮光膜である。

本発明のガラス物品は、遮光層が、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法により成膜することが可能であり、特に、スパッタ法であると緻密な膜を形成することができ、耐磨耗性に優れるため好ましい。

本発明のガラス物品をガラス熔融炉のような高温になる炉の覗き窓として使用する場合、覗き窓を覆う金属シャッターが設けられていると、覗き窓の非使用時にはガラス物品に熱線が照射されないためガラス物品の温度上昇を防ぐことが出来る。そのため、遮光層の劣化および熱によるガラス物品の変形や破損を抑制しやすいとともに覗き窓からの熱の放射を防ぐことが出来るため炉の熱効率が損なわれにくく好ましい。

覗き窓に金属シャッターに加えて空冷装置を設置すると、ガラス物品の温度が上昇しにくいため、遮光層の劣化および熱によるガラス物品の変形や破損を抑制する効果がさらに大きくなり好ましい。

また、本発明のガラス物品をガラス熔融炉のような高温になる炉の覗き窓として使用する場合、熱線反射膜が遮光膜よりも炉の内側に形成されていると、熱線が反射されやすいため、物品が加熱されにくいとともに熱線が透過しにくく好ましい。

また、ガラス物品の片面に遮光層が形成されている場合、遮光層が透明耐熱ガラスの炉外側に形成されていると、燃焼ガスに含まれる腐食性ガスに曝されることがないため遮光層が劣化しにくく好ましい。

以下に、本発明のガラス物品を実施例に基づき詳細に説明する。

表１は本発明の実施例（実施例１〜４）および参考例１、２、表２は比較例（比較例１、２）を示している。

実施例１〜４および参考例１、２は、厚さ５ｍｍの透明結晶化ガラス（日本電気硝子株式会社製 Ｎ−０）に表1に示した順番と厚さでスパッタ法により成膜してガラス物品を作製した。この透明結晶化ガラスはβ−石英固溶体を主結晶としたＬｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の結晶化ガラスであり、３０〜３８０℃における平均熱膨張係数は−５×１０^−７／℃であった。

［比較例１］
比較例１は、ＪＩＳ Ｔ ８１４１における遮光度５に適合する遮光眼鏡レンズ（株式会社理研オプテック製 ＳＯＬＩＤＡ^#５）を用いた。ガラス厚は２．２ｍｍの着色ガラスである。

［比較例２］
比較例２は、実施例で使用した透明結晶化ガラス（日本電気硝子株式会社製 Ｎ−０）に成膜せずにガラス物品として使用した。

可視光平均透過率はＪＩＳ Ｒ ３１０６に基づいて測定を行ない算出した。

また、波長１０００〜２５００ｎｍにおける平均反射率および波長１０００〜２５００ｎｍにおける平均透過率は、分光光度計（株式会社島津製作所製 ＵＶ３１００ＰＣ）を用いて２ｎｍ毎に測定し、それらの値を平均して算出した。なお、可視光透過率、反射率および透過率については、実施例１〜３および参考例１、２はガラス面側から、実施例４はＳｉＯ_２が成膜されている面側から測定した。

遮光性は、電気炉に珪酸カルシウム板で作製した枠に１５０×１５０ｍｍのガラス物品を嵌着した覗き窓を作製し、電気炉内を１０００℃に加熱した際にガラス物品から２５ｃｍはなれた位置から目視でガラス物品を通して電気炉の内部を観察し、まぶしく感じられない場合は「○」、まぶしく感じられる場合には「×」とした。

視認性は、遮光性の試験と同様の作業を行ない、ガラス物品から２５ｃｍはなれた位置から電気炉の内部様子が容易に確認できる場合は「○」、確認し難い或いは確認できない場合は「×」とした。

また、遮熱性は、遮光性の試験と同様の作業を行ない、ガラス物品から２５ｃｍはなれた位置から電気炉の内部を観察した際に、熱く感じられない場合は「○」、熱く感じられる場合は「×」とした。

なお、実施例１〜３および参考例１、２はガラス面が、実施例４はＳｉＯ_２が成膜されている面が炉の内側を向くように配置した。ただし、比較例１に関しては上記の方法を行なわず遮光眼鏡（ＳＯＬＩＤＡ^＃５）を使用して直接１０００℃に加熱した電気炉内を観察して判定した。

耐熱性は、予め２５０℃に加熱した電気炉に、４０×２０ｍｍの試料を１週間放置し、試料の破損や膜の剥離が認められなかったものを「○」、試料の破損や膜の剥離が認められたものを「×」とした。

外観は目視で判定した。

表１から明らかなように実施例１〜４および参考例１、２は、良好な遮光性、視認性、遮熱性および耐熱性を有していた。

一方、表２から明らかなように比較例１は、遮光性は良好であったものの、耐熱性については、電気炉に投入直後に破損が生じ不適であった。また、比較例２は、遮光性がなく、遮熱性もなかった。

以上のように、本発明のガラス物品は、透明耐熱ガラスに遮光性能および熱線反射性能を有する遮光層が形成されているため、可視光線や熱線の透過を抑制でき、高温となるごみ焼却炉、火葬炉、金属溶融炉、ガラス溶融炉、焼成炉等の覗き窓として好適である。

Claims (4)

1. ３０〜３８０℃における平均熱膨張係数が−２０〜＋２０×１０ ^−７ ／℃である透明耐熱ガラス板の表面にＴｉからなる遮光膜および錫含有酸化インジウムからなる熱線反射膜が形成されてなる、高温炉内部観察用覗き窓に使用されるガラス物品であって、波長３８０〜７８０ｎｍの可視光線の平均透過率が０．０３〜１５％であり、波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均反射率が５０％以上であることを特徴とするガラス物品。
2. 波長１０００〜２５００ｎｍの赤外線の平均透過率が１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のガラス物品。
3. 透明耐熱ガラス板が、透明結晶化ガラス、高珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラスまたは石英ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス物品。
4. ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＳｉＡｌＮ_xおよびＴｉＯ_２からなる群より選ばれた一種からなる保護膜を遮光膜または熱線反射膜に隣接するように形成してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガラス物品。