(57)【要約】【課題】  適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備えた不透明石英ガラスを提供する。【解決手段】  気泡を含有する不透明石英ガラスであって、前記気泡の平均気泡径が２００μｍ以上５００μｍ以下であり、前記不透明石英ガラスにおける体積１ｃｍ３当たりの前記気泡の数が５×１０３個以上８×１０４個以下である不透明石英ガラス。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡を含有する不透明石英ガラスであって、
前記気泡の平均気泡径が２００μｍ以上５００μｍ以下であり、
前記不透明石英ガラスにおける体積１ｃｍ３当たりの前記気泡の数が５×１０３個以上８×１０４個以下であることを特徴とする不透明石英ガラス。
【請求項２】
前記不透明石英ガラスのかさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１に記載の不透明石英ガラス。
【請求項３】
波長２μｍの光に対する厚さ１ｍｍ当たりの透過率が２％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の不透明石英ガラス。
【請求項４】
前記不透明石英ガラスのＯＨ基濃度が５質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の不透明石英ガラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不透明石英ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
不透明石英ガラスは、石英ガラス中に微細気泡を多数含有させた材料であり、微細気泡により光を散乱させ、輻射による熱伝導を抑制するという機能を有する。不透明石英ガラスは、保温材、遮熱材として広く用いられており、特に、半導体製造装置や、石英ガラス製造装置等の保温材、遮熱材として広く用いられている。
【０００３】
従来の不透明石英ガラスは、光の散乱性を高めるために、気泡径を小さくすることを主眼において開発されてきた。
【０００４】
例えば、特許文献１では、かさ密度が０．８〜２．１ｇ／ｃｍ３、空隙率が５〜６４％、含まれる独立気泡の平均径が１０〜８０μｍ、独立気泡数が２×１０６〜６×１０７個／ｃｍ３である微細気泡含有不透明石英ガラス及びその製造方法が例示されている。
【０００５】
また、特許文献２において、独立気泡の平均気泡径が１〜１０μｍ、密度が１．９８〜２．１５ｇ／ｃｍ３である不透明石英ガラスが例示されており、近年においても熱線遮断性を高めるために気泡径を小さくする技術開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２０３８３９号公報
【特許文献２】特開２０１４−８８２８６号公報
【特許文献３】特開平７−３３５５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来の不透明石英ガラスは、光の散乱性を高めるために、気泡径を小さくすることを主眼において開発されてきた。しかしながら、不透明石英ガラス部材は、その高い遮熱性に起因して、使用中の部材内に強い温度分布を生じることが多い。特に、急冷、急加熱などの熱衝撃が加わる用途では、高温部位と低温部位との温度差が線膨張の差となって強い応力が生じ、破損に至ることがある。
【０００８】
このため、不透明石英ガラス部材を用いた加熱装置の運転では、不透明石英ガラス部位の急加熱を避けることが必要であった。とりわけ、バーナー加熱など、高温の火炎が不透明石英ガラス部材と直接接触する用途では、不透明石英ガラス部材の破損を防ぐために長時間の予備加熱が必要であり、設備生産性を落とす要因となっていた。
【０００９】
本発明は、これらの課題を解決することを目的としてなされたものであり、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備えた不透明石英ガラスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、気泡を含有する不透明石英ガラスであって、前記気泡の平均気泡径が２００μｍ以上５００μｍ以下であり、前記不透明石英ガラスにおける体積１ｃｍ３当たりの前記気泡の数が５×１０３個以上８×１０４個以下であることを特徴とする不透明石英ガラスを提供する。
【００１１】
このような平均気泡径と気泡の数（気泡密度）を備える不透明石英ガラスは、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備える。
【００１２】
この場合、前記不透明石英ガラスのかさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１３】
このようなかさ密度を有する不透明石英ガラスは、加熱による変形を抑制しつつ、不透明石英ガラス中の気泡空間を十分確保できるため、保温性を向上させることができる。
【００１４】
また、波長２μｍの光に対する厚さ１ｍｍ当たりの透過率が２％以上１０％以下であることが好ましい。
【００１５】
このような透過率（赤外透過率）を有する不透明石英ガラスは、急加熱時の破損が防止されており、より高い保温性も備える。
【００１６】
また、前記不透明石英ガラスのＯＨ基濃度が５質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
このようなＯＨ基濃度とすることにより、不透明石英ガラスの粘性を高くして高温加熱時の変形を防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の不透明石英ガラスは、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備え、特に急冷、急加熱される火炎加熱用保温材料、火炎加熱用遮熱材料として優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の不透明石英ガラスの一例の拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る不透明石英ガラスを具体的に説明する。
【００２１】
本発明の不透明石英ガラスは、気泡（泡）を含有し、この気泡の平均気泡径が２００μｍ以上５００μｍ以下である。さらに、不透明石英ガラスにおける体積１ｃｍ３当たりの気泡の数が５×１０３個以上８×１０４個以下である。
【００２２】
このような平均気泡径と気泡の数（気泡密度）を備える不透明石英ガラスは、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備える。不透明石英ガラスに含まれる気泡の平均径が２００μｍより小さいと、熱線遮断性が高すぎて、急加熱時に強い温度分布ができ、破損しやすくなる。また、気泡の平均径が５００μｍより大きいと、熱線遮断性が低すぎて十分な保温性を示さなくなる。また、気泡の個数が体積１ｃｍ３当たり５×１０３個より少ないと、熱線遮断性が劣るため、十分な保温性を示せなくなる。また、気泡の個数が体積１ｃｍ３当たり８×１０４個より多いと、熱線遮断性が高すぎることによって強い温度分布を生じ、破損しやすくなる。従って、上記のような本発明の不透明石英ガラスは、遮熱性と耐熱衝撃性を兼ね備えた不透明石英ガラスとなる。また、気泡の平均径が２６０μｍ以上４２０μｍ以下であると、より好適なバランスで遮熱性と耐熱衝撃性を兼ね備えた不透明石英ガラスとなるので好ましい。
【００２３】
本発明の不透明石英ガラスは、かさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。不透明石英ガラスのかさ密度が１．０ｇ／ｃｍ３以上であれば、加熱による変形を効果的に抑制できる。また、かさ密度が１．８ｇ／ｃｍ３以下であれば、不透明石英ガラス中の気泡空間を十分確保できるため、保温性を向上させることができる。加熱変形の抑制及び保温性の観点から、不透明石英ガラスのかさ密度は１．１ｇ／ｃｍ３以上１．６５ｇ／ｃｍ３以下であることがさらに好ましい。
【００２４】
また、本発明の不透明石英ガラスは、波長２μｍの光に対する厚さ１ｍｍ当たりの透過率が２％以上１０％以下であることが好ましい。波長２μｍの光は赤外線であり、また、熱線でもあるため、波長２μｍの光に対する透過率は、「赤外透過率」や、「熱線透過率」とも呼ばれる。赤外透過率（熱線透過率）は遮熱性の指標であり、熱線遮断性が高すぎると不透明石英ガラス内の温度分布が大きくなりすぎるが、赤外透過率が２％以上であれば、不透明石英ガラスの熱線遮断性を適度な範囲とすることができるため、急加熱時に破損することを防止できる。また、透過率が１０％以下であれば、遮熱性が十分確保されているため、保温性を十分有する不透明石英ガラスとすることができる。上記の赤外透過率は、３％以上６％以下であることがさらに好ましく、この範囲であれば、急加熱時の破損をより効果的に防止することができ、かつ、高い保温性も備えた、より好適な不透明石英ガラスになる。
【００２５】
なお、特許文献３において、非透明部位の気泡含有量が、直径１０〜２５０μｍの気泡を２００００個／ｃｍ３以上、好ましくは４００００個／ｃｍ３以上である反応容器が提案されている。しかしながら、この不透明石英ガラスは、特定の範囲の径の気泡数を規定したものであり、その平均気泡径は不明である。また、特許文献３の［００２９］段落の例示に依ると、非透明部位は７ｍｍの肉厚において熱線透過率が１０％以下となっている。この透過率を肉厚１ｍｍあたりの透過率に換算すると、７２％以下という広い範囲であり、熱線遮断性の点で大幅に劣るものである。そのため、特許文献３に例示されている反応容器の非透明部は、本発明の不透明石英ガラスの範囲内の平均気泡径及び気泡密度を有していない。
【００２６】
本発明の不透明石英ガラスのＯＨ基濃度は、５質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。このようなＯＨ基濃度とすることにより、不透明石英ガラスの粘性を高くして高温加熱時の変形を防止することができる。
【００２７】
本発明の不透明石英ガラスは、不純物として含有されるＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕの濃度がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であると好ましい。これらの金属元素は高温での拡散が速い。そのため、上記のような不純物濃度であれば、本発明の不透明石英ガラスが熱処理に晒されている間も、不透明石英ガラスから発せられたこれらの元素が、近傍で加熱されている石英ガラス材料を汚染することを抑制することができる。
【００２８】
本発明の不透明石英ガラスを製造する方法としては、シリカ粉を加熱溶融する方法、シリカ粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉を用意し、これを加熱溶融する方法、シリカ粉をアンモニア処理した後に加熱溶融する方法等があるが、本発明の不透明石英ガラスを製造するにあたり、製造方法は特に限定されない。
【００２９】
本発明の不透明石英ガラスの気泡径及び気泡数を制御する方法は、製造方法によって異なるが、目標とする平均気泡径及び気泡数が与えられれば、不透明石英ガラスの物性をその数値に制御することは可能である。シリカ粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉を用意し、これを加熱溶融する方法においては、混合する窒化ケイ素の量や、加熱時間を調整することにより、制御が可能である。その他、シリカ粉の粒度の調整、加熱時の炉内ガス圧力や物理的な荷重の調整によっても制御できる。
【００３０】
本発明の不透明石英ガラス製造に用いるシリカ粉は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕの濃度がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であると好ましい。シリカ粉中にこれらの不純物が多いと、これを溶融して製造される不透明石英ガラスに残留する不純物もそれに応じて多くなるためである。また、シリカ粉に含有されるＯＨ基濃度は、１００質量ｐｐｍ以下であるとよい。ＯＨ基濃度が１００質量ｐｐｍ以下であれば、加熱溶融後の不透明石英ガラスに含有されるＯＨ基濃度を低く制御しやすく、特に、５質量ｐｐｍ以下に制御しやすい。
【００３１】
シリカ粉の粒度は、体積基準の５０％径が５０μｍ以上、１０００μｍ以下であるとよい。シリカ粉の粒度を細かくしすぎずに体積基準の５０％径を５０μｍ以上にすることにより、粉の流動性を確保して、充填効率を向上させることができる。また、粒度を大きくしすぎずに体積基準の５０％径を１０００μｍ以下にすることにより、加熱溶融時のガス抜けを抑制し、不透明石英ガラス中に気泡を残しやすくすることができる。
【００３２】
シリカ粉の形態は、ガラス粉、結晶粉のいずれでもよく、それぞれの溶融特性に合わせて加熱溶融条件を決定すればよい。
【００３３】
窒化ケイ素は、シリカ粉中に満遍なく分散された方がよく、平均粒径１０μｍ以下の粉末状窒化ケイ素を用いるとよい。窒化ケイ素の純度については、作製する不透明石英ガラスの純度に影響を与えることから純度が高い方がよく、９９質量％以上であると好ましく、９９．９質量％以上だとより好ましい。
【００３４】
本発明の不透明石英ガラスの形状は特に限定されず、ブロック状、板状、円筒状、容器状、その他用途に応じて適宜選定される。
【００３５】
本発明の不透明石英ガラスは、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備え、特に急冷、急加熱される火炎加熱用保温材料、火炎加熱用遮熱材料として優れている。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
まず、体積基準の１０％径が３５０μｍ、５０％径が５００μｍ、９０％径が６８０μｍである石英ガラス粉１０ｋｇと、純度９９．９％以上である粉末状窒化ケイ素粉５ｇとをＶミキサーを用いて３０分間撹拌混合した。次に、この混合粉を、内部形状が幅３０ｍｍ、奥行き２００ｍｍ、高さ６００ｍｍのグラファイト容器に、高さ４００ｍｍまで充填した。このグラファイト容器をグラファイト炉に設置し、圧力１Ｐａ以下まで減圧した後に真空排気を続けながら１０００℃まで１２０分かけて加熱昇温し、次いで窒素を導入して大気圧とし、大気圧を維持しながら１８００℃まで３００分かけて加熱昇温し、大気圧のまま１８００℃にて３０分加熱保持した後、加熱を終了した。
【００３８】
この加熱処理により、３０ｍｍ×２００ｍｍ×３５０ｍｍの不透明石英ガラスを得た。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡の個数、かさ密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を測定した。各数値の測定方法は以下の通りであり、他の実施例及び比較例でも同様である。
【００３９】
平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数：
デジタルマイクロスコープを用いて視野内の気泡の直径および数をカウントした。評価位置を変えながら２０視野において評価を行い、その結果から、平均気泡径および１ｃｍ３あたりの気泡数を求めた。気泡数は、２０視野の気泡数の平均に基づいて求めた。
【００４０】
かさ密度：
アルキメデス法により計測した。
【００４１】
波長２μｍにおける透過率：
作製した不透明石英ガラスから、縦横が３０ｍｍ×３０ｍｍの試料を切出し、厚さ１ｍｍに両面鏡面研磨後、分光光度計を用いて測定した。
【００４２】
ＯＨ基濃度：
赤外分光光度法により測定した。具体的には、フーリエ変換赤外分光光度法にて波長の吸光係数より求めた。但し、換算式としてＯＨ基濃度（質量ｐｐｍ）＝［３６７０ｃｍ−１における吸光係数×１００］を用いた。
【００４３】
このようにして測定した、不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡の個数、かさ密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示した。
【００４４】
また、実施例１の不透明石英ガラスのデジタルマイクロスコープ画像を図１に示した。
【００４５】
次に、この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったが、破損および変形はなかった。このときの評価方法は以下の通りであり、他の実施例及び比較例でも同様である。
【００４６】
熱衝撃試験：
３辺が２００ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍの不透明石英ガラスを５０００Ｋｃａｌ／ｈのプロパン−酸素火炎で５分間予備加熱した後、火力を１０００００Ｋｃａｌ／ｈまで上げて５分間本加熱を行い、本加熱中の破損、変形の有無を評価した。
【００４７】
（実施例２）
混合する窒化ケイ素粉の量を２．５ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を２５０分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×３２０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００４８】
また、この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったが、破損および変形はなかった。
【００４９】
（実施例３）
１０００℃から１８００℃への昇温時間を４００分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×２９０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００５０】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったが、破損および変形はなかった。
【００５１】
（実施例４）
混合する窒化ケイ素粉の量を２ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を２００分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×４８０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００５２】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、クラックの発生はなく、実用上は問題がない程度のわずかな変形が生じた。
【００５３】
（実施例５）
・混合する窒化ケイ素粉の量を１０ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を４２０分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×３２０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００５４】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったが、破損および変形はなかった。
【００５５】
（比較例１）
１０００℃から１８００℃への昇温時間を５００分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×２４０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００５６】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、本加熱開始から６０秒後にクラックが発生した。
【００５７】
（比較例２）
混合する窒化ケイ素粉の量を１ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を１２０分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×５９０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。赤外透過率が高く、保温性が劣る不透明石英ガラスであった。
【００５８】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、クラックの発生は無かったものの、著しく変形した。
【００５９】
（比較例３）
混合する窒化ケイ素粉の量を１ｇとした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×２５０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。赤外透過率が高く、保温性が劣る不透明石英ガラスであった。
【００６０】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、クラックの発生は無かった。
【００６１】
（比較例４）
混合する窒化ケイ素粉の量を３０ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を５００分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×３４０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００６２】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、本加熱開始から３０秒後にクラックが発生した。
【００６３】
（比較例５）
混合する窒化ケイ素粉の量を１．５ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を１５０分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×３９０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。赤外透過率が高く、保温性が劣る不透明石英ガラスであった。
【００６４】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、クラックの発生は無かった。
【００６５】
（比較例６）
混合する窒化ケイ素粉の量を２０ｇとし、１０００℃から１８００℃への昇温時間を４２０分とした他は、実施例１と同様の方法で、３辺が３０ｍｍ×２００ｍｍ×４５０ｍｍの不透明石英ガラスを作製した。この不透明石英ガラスの平均気泡径、１ｃｍ３あたりの気泡数、密度、波長２μｍにおける厚さ１ｍｍあたりの透過率、ＯＨ基濃度を表１に示す。
【００６６】
この不透明石英ガラスの熱衝撃評価を行ったところ、本加熱開始から８０秒後にクラックが発生した。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
実施例１〜５、比較例１〜６からわかるように、気泡の平均気泡径が２００μｍ以上５００μｍ以下、体積１ｃｍ３当たりの気泡の数が５×１０３個以上８×１０４個以下である不透明石英ガラスは、適度の遮熱性と耐熱衝撃性を備えたものであった。また、気泡の平均気泡径が２６０μｍ以上４２０μｍ以下である実施例１、２は特に良好な結果であった。
【００６９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図１】
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