(57)【要約】      （修正有）【課題】二色反射性を有し、特定波長において放射エネルギー出力を最大にする赤外線リフレクターを提供する。【解決手段】熱硬化性樹脂マトリックス中に埋封された連続炭素繊維強化材を含み且つ層状複合体を形成する複合体構造物であって、赤外線スペクトルの屈折率が３以上で、約０．５〜８μｍの光学的厚さの固体誘電体物質の少なくとも１層を含む被覆をその少なくとも１つの表面に付着させた複合体構造物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂マトリックス内に埋設された連続構造繊維を含む複合体構造物であって、
該構造物の少なくとも１の表面上には、０．５〜８μｍの光学的厚さを有し、固体誘電性物質から形成された薄膜からなり、赤外線スペクトルの屈折率が３以上で該構造体の表面よりも大きな屈折率を有する被覆が直接付着されていることを特徴とする、複合体構造物。
【請求項２】
前記被覆は、複数の薄膜からなる、請求項１に記載の複合体構造物。
【請求項３】
前記被覆は、０．５〜６μｍの物理的厚さを有する少なくとも１枚の薄膜層からなる、請求項１に記載の複合体構造物。
【請求項４】
前記被覆は、２〜３μｍの光学的厚さを有する、請求項１に記載の複合体構造物。
【請求項５】
前記被覆は、外部保護層を含む、請求項１に記載の複合体構造物。
【請求項６】
熱硬化性樹脂マトリックス中に埋封された連続炭素繊維強化材を含む基材と、
該基材の少なくとも１の表面上に直接積層されている被覆と、を含み、
該被覆は、赤外線スペクトルの屈折率が３以上で該基材の赤外線屈折率よりも大きく、１〜８μｍの光学的厚さを有し、固体誘電体物質からなることを特徴とする、積層複合体構造物。
【請求項７】
熱硬化性樹脂マトリックス中に埋封された連続炭素繊維強化材を含む基材の少なくとも１つの表面上に、赤外線スペクトルの屈折率が３以上で、０．５〜８μｍの光学的厚さを有する固体誘電体物質の少なくとも１層を含む被覆を、直接、付着させる段階を含む、積層複合体構造物の製造方法。
【請求項８】
熱硬化性樹脂マトリックス中に埋封された連続炭素繊維強化材を含む基材と、
該基材の少なくとも１の表面上に直接付着されている被覆であって、３以上の赤外線スペクトルの屈折率を有し、０．５〜８μｍの光学的厚さを有する固体誘電体物質からなる被覆と、
を含む積層複合体構造物を具備し、
該被覆の赤外線屈折率は該基材の赤外線屈折率よりも大きく、該積層複合体構造物の表面に赤外線領域波長における二色反射特性を有する、二色赤外線レフレクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二色反射特性を有する赤外線レフレクターに関する。本レフレクターは、特定波長に於いて放射エネルギー出力を最大にすることが望ましい用途で特に有用であり、伝熱を選択的に改良する。
【背景技術】
【０００２】
絶対温度０度を越える温度では、全ての物体はエネルギーを放射する。殆どの物体の場合、周囲温度では、放射エネルギーは電磁エネルギースペクトルの赤外線領域に収まり、一般的に放射熱と呼称される。エネルギー源が発光(luminous)となる温度では、エネルギー出力はスペクトルの可視部分を含むであろう。能動放射熱源は容易に入手可能であり、広範に利用される。通常の蒸気加熱ラジエータまたは流体加熱ラジエーターは、非常に多くの他に使用される熱源、例えば、抵抗加熱ヒーター、輻射熱パネル、セラミックウォール化スペースヒーター等であるため、弱または低温放射エネルギー源として分類され得る。通常の白熱灯、ガラスクォーツグローバー、電気抵抗素子、ハロゲンランプ、特定の形の工業用レーザー及び集光した太陽光などの高温または明るい(bright)エネルギー源は、公知であり且つ広く使用されている。
【０００３】
放射手段によるエネルギーの伝達は、距離を隔てて、真空中でさえも生じる。物体が完全に透明でない限り、表面上に入射した全放射エネルギーの一部は吸収され、一部は反射される。反射性の高い表面は、入射放射線の実質的に全部を反射し、殆どエネルギーを吸収しない。表面の反射率は、入射放射線の波長により変動する。即ち、表面は全波長で等しくエネルギーを吸収するわけではない。殆どの非金属材料は、スペクトルの赤外線部分のほとんどにわたる良好な吸収材であり、多くの有機材料は、幾つかの文献により熱加熱帯域(thermal heating band)と呼称される帯域である約２〜約5.5μｍの部分の波長に主吸収帯域を有する。トーストまたは焼き色をつけるために使用する放射熱源は、スペクトルのこの部分で高エネルギー束を提供するために選択される。さらに、水及び二酸化炭素もまた、この領域内の波長帯域で強く吸収されるので、高レベルの水を含有する物質、例えば、ラテックスフィルム、湿潤固体等は、加熱手段としてこの波長領域内の放射エネルギーを使用することにより、効率良く乾燥され得る。
【０００４】
通常、放射加熱装置の設計は、電力を効率良く使用するために、エネルギースペクトルの熱領域で最大エネルギー出力を提供するようになされる。例えば、米国特許第5,157,239号明細書には、エネルギー源として複数のハロゲンランプを使用するグリルチャンバを備えるオーブンが開示されている。少なくとも１つのランプには、赤外線領域ではランプの放射エネルギー出力を伝えながら、スペクトルの可視部分ではエネルギー出力を減少させるように選択された被覆が備えられている。各源は独立して操作可能であり、スペクトルの赤外線領域及び可視領域のエネルギー出力比を制御できる。熱赤外線領域及びさらに長い波長においても高められた出力を有する放射エネルギー源もまた入手可能である。米国特許第5,077,061号明細書には、３〜50μｍの波長において効率良くエネルギーを放射し得るセラミック加熱素子が開示されている。これら及び同様の源は、放射加熱装置の効率を改良する好機を提供する。
【０００５】
放射伝熱と対流伝熱を組み合わせると、放射熱電気器具の効率をさらに改良するために有用であることが知見された。乾燥空気は、放射伝熱により有意なエネルギーを吸収しないが、他の液体のように、空気分子を加熱された表面と直接接触させることにより熱を吸収し得る。対流伝熱では、より熱い表面上を流れる空気は加熱されるようになり、より冷たい表面に熱を運ぶ。通常使用する非常に多くの放射加熱電気器具は、空間を加熱するために放射電熱モード及び対流伝熱モードの組み合わせを利用している。伝熱モードの組み合わせは、効率を高め且つ電力消費を削減するために、ベーキングオーブン、ドライヤーなどを含む処理装置でも広く使用されている。例えば、米国特許第4,333,003号明細書には、乾燥すべき材料のウェブの表面または熱処理用のオーブンに材料を運搬するために使用されるコンベヤーベルト表面への熱エネルギー供給を改良するために、放射熱源上で対流気流を使用することが開示されている。
【０００６】
放射ヒーターは、ベーキング、塗料などの乾燥、食物のグリル及びスペースヒーティングに使用されている。放射加熱装置を特定の基材の乾燥または熱処理に使用することを目的としている場合、基材がエネルギーを吸収する特定波長における高められた出力を有する熱源は、装置効率を改良し得る。米国特許第5,073,698号明細書には、基材またはキャリヤではなく膜により効率的に吸収されるように選択された波長帯域の放射エネルギーを提供することによって、基材上の膜を選択的に加熱する方法及び装置が開示されている。エネルギー源としては、0.8〜1.2μｍの範囲に最大強度出力を有するキセノンランプが開示されている。特許権者によると、膜の吸収特性にエネルギー出力の波長を合わせると、非効率的に吸収されるかまたは全く吸収されない波長ではエネルギーが発生しないので、電力の浪費を減少若しくは防止できるという。
【０００７】
放射熱源を課題に合わせる原理は、ドライヤーなどのデザインを改良するためにも同様に使用し得る。水蒸気及び二酸化炭素は、主に2.5〜2.8μｍ、4.1〜4.5μｍ及び5.6〜7.6μｍの波長でエネルギーを吸収する。これらの領域でエネルギーを放射する源は、ラテックスフィルム及び同様の水含有基材を乾燥または硬化させる際に使用される装置の効率を改良するために使用し得る。通常レベルの二酸化炭素を含む湿潤空気を加熱する対流気流装置は、このような放射エネルギー源を使用することによっても有益となり得る。
【０００８】
単色放射源は公知である。例えば、レーザーは、非常に特異的な波長で高レベルのエネルギーを提供するために使用されている。効率的にするためには、単色放射源は、基材の特性である主エネルギー吸収帯域にぴったり合致する出力を持つように慎重に選択されなければならない。吸収特性は、基材温度及び入射角により変動し、表面膜の存在及び基材の組成の変化によっても変動し得る。従って、レーザーは一般的な使用には好ましくない。
【０００９】
波長の狭い帯域に限定されたエネルギー出力をもつ源も公知であり、これらは加熱装置内のエネルギー源として、より有用である。例えば、米国特許第5,073,698号明細書に記載の装置は、特定のシリコン及びシリコンアロイ基材の熱処理に特に有用であるように選択された帯域である0.8〜1.2μｍの狭い範囲にわたり放射する源を使用している。吸収特性が非常に異なる基材と一緒に使用される放射加熱装置は、狭い帯域の放射エネルギー源を複数必要とする可能性があり、これではコスト高になり、効率が悪くなってしまう。
【００１０】
多色源は広帯域の波長にわたり放射し、エネルギースペクトルの特定領域内で最大出力を持つように特に選択され得る。例えば、米国特許第5,077,061号明細書に示されているように３〜50μｍの赤外線領域の広い部分にわたり放射する源が入手可能である。これらは広範な条件下で種々の基材を加熱することを目的とする装置で広く使用できることが知られている。しかしながら、多色放射エネルギー源には欠点もある。特徴的には、このような広帯域源の全エネルギースペクトルの比較的小さな部分が、特定の基材の特徴的な１つ以上の主吸収帯域内に含まれる。エネルギー出力の有意の部分は、基材を熱処理するのに効率的に利用されていない。従って、電力の利用が非効率的である。
【特許文献１】米国特許第5,157,239号明細書
【特許文献２】米国特許第4,333,003号明細書
【特許文献３】米国特許第5,073,698号明細書
【特許文献４】米国特許第5,077,061号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
選択された波長に於いて赤外線源及びレフレクターの放射エネルギー出力を最大とし、放射エネルギー源の出力スペクトルと基材の吸収スペクトルとの間の適合を改良する方法が必要とされている。基材から水分を除去するために使用されるドライヤーの効率は、水に関連した主吸収帯域において発生する放射レベルを増加させると有利であり、対流空気を利用する装置(例えば、スペースヒーターなど)の効率は、水及び二酸化炭素の特徴的なエネルギー帯域内のエネルギー出力を増加させることにより改良され、これにより湿り空気への放射伝熱が改良される。
【００１２】
この問題は、少なくとも１つの表面に樹脂マトリックスに埋封させた繊維強化材を含む繊維強化複合体に薄い誘電層または被覆を与え、これにより赤外線領域の予め選択された波長における複合体の表面反射率を改良し、複合体表面に二色反射特性を与えることによって解決される。少なくとも１つの表面に付着させた薄い、赤外線−透過性誘電膜または被覆をもつ複合体は、選択した波長帯域に対する二色赤外線レフレクターとして、または約500°Ｆ（260℃）以下の温度で運転するように設計された予め選択された波長帯域での能動赤外線放射源として使用し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
二色反射手段は、多色放射エネルギー源の出力から特定のエネルギー帯域を選択するために使用し得る。「二色性」という用語はもともと、色分離のことを指す。しかしながら、当業界で現在理解され且つ使用されているように、「二色性」は、電磁エネルギースペクトル全体に適用されるようになり、全スペクトルから特定部分のスペクトルを分離することを示す。通常、二色レフレクターは、選択された波長帯域の入射放射線を反射し得るレフレクター表面を指すと理解されており、他の波長における入射エネルギーの残余は基材により吸収され、または基材が透過性の場合には通過する。
【００１４】
放射加熱装置は通常、加熱しようとする物品または基材にエネルギー源の出力を向けるように設置されたレフレクターを含む。さらに、このような装置の内表面は、装置の壁を保護し且つエネルギー損失を減少させるために、反射性を高くしてあることが多い。このようなレフレクターの殆どは通常、金属化反射性表面または金属製フォイル反射性表面を有する金属または耐熱性材料で構築されている。導電性材料、例えば金属は、通常、広帯域レフレクター、即ち、スペクトルの広い部分にわたって効率的にエネルギーを反射し得るレフレクターである。
【００１５】
光学技術分野では公知の如く、幾つかの波長または波長帯域で高い反射率を持つ表面は、同一波長または波長帯域で低い放射率(エミッタンス)を示す。研磨された金属または金属製固体から形成された滑らかな表面の放射率は0.1を大きく下回るが、赤外線領域での固体の不導体の放射率は通常0.7以上である。従って、既に非常に低い放射率をさらに減少させることによって、良好な導体(例えば、金属)から形成されている表面の反射率を改質することは困難であろう。不透明で高い放射率を持つ、好ましくは約0.8〜約50μｍの波長で約0.7以上の放射率を持つ非金属性で実質的に不導体である材料は、本発明の目的に非常に合致する。この材料はさらに、使用時に遭遇するかもしれない温度に耐えるように選択される。例えば、装置を能動熱ラジエーターとして使用する場合、材料は強度を大きく損失することなく、且つ狂いまたは流動により変形することなく、高温、通常500°Ｆ（260℃）程度の温度に耐え得ることが必要である。
【００１６】
ガラス及びセラミックス、炭素構造物(例えば、グラファイト)をはじめとする種々の耐熱性不導体材料並びに耐火材料(例えば、ガラス質シリカ、耐火レンガなど)は、高温を使用する場合に有用である。しかしながら、このような材料の多くは、適度に滑らかな場合には熱エネルギーの非常に良好なレフレクターであるが、幾つかの場合にはスペクトルの赤外部分である程度透過性である。さらに、これらに苛酷な物理的応力がかけられたり若しくは多分に劣悪な環境に暴露されるような用途で使用するのに必要な強度を欠いていたり、脆すぎるものもある。
【００１７】
合成樹脂、好ましくは熱硬化性樹脂は、不導体固体であり、殆どは赤外線の良好な吸収材である。これらの樹脂の多くは、本発明の実施に有用な基材に直接二次加工し得るが、樹脂はフィラーまたは構造用フィラーと混和するのが好ましい。繊維強化時、樹脂は、高温及び苛酷な環境で使用するのによく合った剛性及び高い強度をはじめとする優れた機械的特性を持つ複合体材料を形成する。これらの目的に特に有用な例としては、充填剤入り及び繊維強化エポキシ樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂等が挙げられる。ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリアリーレンエーテルなどをはじめとする超高温特性熱可塑性樹脂は、純粋な樹脂の状態及び繊維強化の状態のいずれでも有用であり、マトリックス成分としてアモルファス炭素またはグラファイトを含む構造物は基材としての用途も見出されている。マトリックス樹脂を好適に選択すると、このような複合体は、劣化することなく長時間、500°Ｆ（260℃）以上の温度に対しても有用な特性を保持する。
【００１８】
マトリックス、例えば熱硬化性樹脂またはアモルファス炭素に埋封した構造用繊維を含むものとして示されている繊維強化複合体は公知である。このような複合体は、例えば、自動車部品、構造用用途において、または航空機パネル、電子装置の脱熱器等として、広い商業的許容性を有することが知見されている。このような複合体材料を製造するための非常に多くの方法が当業界では公知であり、その殆どを本発明を実施する際に使用するための複合体基材の製造に容易に適用し得る。例えば、構造用繊維(例えば、糸、テープ、トウ若しくは織物状の連続炭素またはガラス繊維は、未硬化形態のマトリックス樹脂で含浸したり、巻取りまたは積層して層状構造を形成し、次いで硬化させることができる。アモルファス炭素で炭素繊維プレフォームを含浸したり、または炭素前駆体(例えば、ピッチ)で含浸し、次いで構造物を燃やして前駆体を炭素化することを含む強化炭素マトリックス複合体の製造方法も公知である。
【００１９】
このような複合体の誘電特性は、繊維成分及びマトリックス樹脂成分の性質に依存して変動する。当業界では公知の如く、炭素及びグラファイトは、特に結晶化度の程度が高い場合に、導電性である。基材が繊維強化複合体である場合、及び特に構造用繊維が炭素繊維である場合、選択されたマトリックス成分は、良好な誘電特性を備えた樹脂であるのが好ましい。被覆用途用に樹脂−富化表面であるように複合体を製造すると、所望の表面導電率の減少をさらに助長し得る。種々の構造物複合体材料が航空機パネル及び構造部品を含む需要用途で使用し得ることは公知であり、これらは本発明の実施にも使用し得る。特に、ビスマレイミドマトリックス樹脂をベースとする複合体材料が望ましい。代表的なビスマレイミド配合物並びにこのような配合物を含む繊維強化複合体は、米国特許第4,654,407号明細書及び同第4,774,282号明細書に開示且つ記載されている。また高性能複合体の製造に有用なものとしては、エポキシマトリックス樹脂配合物(例えば、米国特許第4,517,321号明細書に記載されているもの)が挙げられる。しかしながら、炭素繊維強化エポキシ樹脂は幾らかより導電性であり、本発明の実施に使用するにはそれ程好ましくない。耐熱性熱可塑性樹脂(例えば、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド−イミド等)に埋封されたガラス繊維又は炭素繊維を含む繊維強化複合体は公知であり、米国特許第4,775,556号明細書及び同第5,132,394号明細書に開示されているような複合体もまた、本発明の実施に従う特別な用途の複合体に於いても使用し得る。
【００２０】
所望の形の繊維強化樹脂複合体は、十分に硬化した複合体構造物を製造するために当業界で広く使用されている慣用法を使用して製造され、次いで少なくとも１つの表面上に光学被覆が与えられる。被覆材料は少なくとも使用目的にとって重要な波長範囲、好ましくは0.8〜約50μｍの実質的に全範囲にわたって所望の操作温度で赤外線に対して透過性であってもよい。約1.5μｍ〜20μｍの範囲で透過性の被覆材料が一般的な使用に好適であるが、狭い帯域、例えば、2.5〜約14μｍまたはより狭い帯域で透過性の被覆材料は、特定用途に有用である。被覆材料はさらに、基材の屈折率よりも大きい赤外線屈折率、好ましくは約3.0以上、より好ましくは約4.0以上の屈折率であるように選択される。
【００２１】
光学技術分野では公知のごとく、好適な厚さで基材に付着され、基材よりも高い屈折率をもつ透明な誘電体の薄層は、干渉フィルターとしての挙動を示し、表面の放射率を減少させ、入射光の特定波長で構造干渉により表面の反射率を増加させる。特定波長で効果的にするために、被覆材料の屈折率と物理的厚さの積である層の光学的厚さを反射された波長の４分の１にして、通常1/4波長被覆と称されているものを与える。公知の光学理論に従って数学的に決定し得るように、フィルターは選択された放射波長の奇数倍、いわゆる奇数干渉オーダー、即ち選択された波長の約1/3、1/5等においても効果的である。従って膜の物理的厚さは、反射すべき波長帯域の中心として選択された波長と被覆材料の屈折率との関数であり、光学技術分野の当業者は使用する特定の物理的厚さを計算するための方法を容易に理解し得るだろう。
【００２２】
通常、赤外における干渉フィルターとして使用するためには、膜の光学的厚さは約１〜約８μｍの範囲であるのが好ましい。複合体基材よりもIRにおける屈折率が大きい被覆材料の膜の対応する物理的厚さは通常約0.5μｍ〜約４μｍの範囲であり、被覆材料の屈折率が４以上である場合、約0.5μｍ〜約２μｍであるとより好ましい。干渉フィルターの有効性は、複数の膜層を使用することにより大きく改善され得る。１層以上の層を使用する場合、膜は、フィルターの帯域パス特性を画定する(squaring off)ものとして光学業界では公知方法のカット−オフ周波数をより効果的に制御するように、光学的厚さ及び屈折率の変化する組み合わせを有するように選択するのが好ましい。
【００２３】
必要な屈折率値の高いスペクトルの赤外線部分で透過性の誘電体物質は公知であり、半導体及び絶縁体の両方を含む。例えば、Ｃ(ダイヤモンド)、Si及びGe並びにInSb、GaSb、InAs、Te3AsSe3、InP、GaAs、GaP、PbTe、C3N4などをはじめとする化合物の薄い光学膜を付着させる方法は当業界で公知である。被覆を異種基材に適用する場合には、フレーキングせずに熱サイクルに耐えるように被覆材料を選択する必要もある。被覆材料は、基材の熱膨張係数、繊維強化複合体の場合は約1.2〜2.0μストレイン/℃に近いかまたはこれに合致する熱膨張係数を有するように選択するのが好ましい。特に耐酸化性であるか、または、2000N/mm2以上のミクロ硬度の高い表面硬度を持つ被覆を形成し得る被覆材料は、侵食または摩耗及び他の損傷に耐えるように過酷な環境下で使用するのに特に好ましい。膜の物理的保護は、屈折率が適度に低いIR−透過物質(例えば、MgO、BaF2、Yttralox、BaTiO3、蛍石等)の防食用オーバーコート（sacrificial overcoating）を備えることにより幾つかの用途でも実施し得る。オーバーコートの光学的厚さは、当該誘電体の範囲に合致するように選択する。
【００２４】
誘電体材料の薄い膜は、ガラス、セラミック、グラファイトなどを含む種々の基材の上に、光学技術分野では公知の方法を使用して光学的厚さで迅速に付着させる。真空蒸気蒸着及びスパッタリング法を含む低温方法は、感熱性基材(例えば、プラスチック、樹脂マトリックス複合体及び同様の有機材料)上にこのような被覆を付着させるために開発され、多くの民間の研究所及び光学供給会社は現在商業上のサービスとしてこのような加工法を提供している。損傷することなく薄い誘電体膜を備えたそのような基材を制御可能に被覆し得る任意の好都合な方法は、本発明による被覆複合体構造物の製造に使用し得る。
【００２５】
本発明の被覆複合体構造物は誘電体レフレクターとして都合良く使用し得る。このような用途では、複合体構造物は被覆表面上に多色源からの入射放射線を反射するように設置される。1/4波長被覆の光学的厚さは、課題に対して最も有益な範囲の波長で被覆表面の反射率を増大させるように選択される。例えば、多くの放射加熱装置はドライヤーとして使用され、湿った膜または水分を含む材料から水を除去する。このような装置で使用する場合には、二色性レフレクターの被覆厚は、水の主吸収帯域に関連したスペクトル領域で高い反射率を与えるように選択される。１表面にそのような被覆を有する好適に付着された平坦なまたは湾曲した複合体構造物は、湿った材料へ向けて入射放射線の一部を反射し、乾燥工程を助長する。
【００２６】
入射放射線の未反射の残余は複合体表面により吸収され、こうしてリフレクターを加熱する。放射伝熱モードと対流伝熱モードとの組み合わせを使用する装置では、加熱されたレフレクター本体は対流伝熱媒体（例えば、空気）と接触する。従って本発明の被覆複合体構造物は、湿った基材により少ししか吸収されなかった波長での放射エネルギーの部分を吸収し、対流伝熱を利用して、より効果的にエネルギーを使用する。
【００２７】
対流空気を使用する装置は、流体伝熱表面として使用されるレフレクター本体の表面に、湿り空気の主吸収帯域に関連したスペクトル帯域において最大放射率を与え、スペクトルの他の領域における放射率を減少させるように選択された被覆を与えることにより、さらに改善され得る。被覆はレフレクター本体からの放射熱損失を減少させ、さらに対流モードでの伝熱を改良する。さらに、対流空気への伝熱は、湿り空気により吸収された波長の放射伝熱成分により促進され得る。
【００２８】
従って本発明の被覆複合体から構築した二色レフレクターを用いて、対流伝熱の場合には湿った基材により迅速には吸収されなかった赤外線放射の部分を使用することにより、ドライヤー及び他のそのような放射ヒーターの効率を改良し得る。二色レフレクター及び多色放射熱源を組み合わせると、米国特許第4,333,003号明細書に記載のもの並びに一般的に使用されている非常に多くの乾燥オーブン及びスペースヒーターを含む、放射加熱及び対流空気流を使用する種々の加熱装置で使用し得ることが知見された。
【００２９】
本発明の複合体レフレクターは、低温放射オーブン、スペースヒーター、ドライヤー及び放射熱源を使用する同様の構造物の内部用の軽量で、強く、高強度のウォールパネルとして使用し得ることも知見された。このような部品は、もともと金属で形成され、滑らかな均等に磨かれた熱反射性表面が与えられている。入射放射エネルギーの実質的に一部を反射するように選択された光学的厚さで被覆されている場合、繊維強化複合体パネルは熱損失を減少させるので、最低限の加熱しかうけない。このような複合体レフレクターは、重量が問題となる場合に、放射加熱装置中の金属の代替品として使用することが特に好ましい。
【００３０】
本発明の被覆繊維強化複合体は、高い操作温度まで加熱されるべく設計された構造物を提供するのにも使用可能であり、能動赤外線源として作用し得る。例えば、複合体構造物は好適な伝熱流体(例えば、加熱空気)を循環させるための内部チューブ若しくはチャネルを有するように設計されてもよく、または固体複合体構造物は熱源(例えば、加熱されたブロック、炉等)を接触させることにより伝導的に加熱されてもよい。あるいは、導電性炭素繊維内の電流の通過は、放射加熱パネル、加熱パッド等を加熱するために当該技術において使用されている。同様の方法で、炭素繊維を含む非金属成形用具の電気による加熱は、複合体構造物を硬化させるために航空業界で使用されてきた。本発明により被覆された繊維強化複合体パネルまたは他の製品は、電流を通過させることにより同様に加熱されるように設計されてもよい。
【００３１】
赤外線熱源として使用する場合には、被覆複合体をルミノシティ(luminosity)以下の操作温度、通常約500°Ｆ（260℃）以下まで加熱し、1/4波長光学被覆により決定した予め選択されたスペクトル帯域内で赤外線エネルギーを放射する。複合体被覆は、熱源が放射しようとする単数または複数のスペクトル帯域を除く単数又は複数の波長帯域で操作温度での表面反射率を増加させるように選択された光学的厚さを有し、所望の波長帯域の表面反射率を実質的に変化させない。
【００３２】
操作温度での黒体のピークエネルギー出力に対応する波長は、ウェインの法則により決定され得る。ピーク波長の1.4倍の波長で被覆の光学的厚さを最適化して、操作温度において加熱された複合体の放射エネルギー出力の中心の50％を実質的に包含するスペクトル帯域に対して低い放射率及び高い反射率を与えることが好ましい。
【００３３】
被覆表面が高い放射率を有するスペクトル領域で赤外線放射出力が高いことが好ましく、これは、例えば乾燥操作で使用するために水により最もよく吸収される波長帯域、または空気を利用して対流伝熱で使用するために湿り空気により最もよく吸収される波長など、目的とする課題を達成するのに有用であるように選択される。利用できるエネルギーの残余は放射されず、構造物により保持されるので、周囲への熱損失が減少し、所望の操作温度に構造物をより効率的に保持できる。本明細書中に記載した加熱リフレクター本体に関して、複合体赤外線源の放射エネルギー出力はこのようにスペクトルの最も有用な部分に限定され、装置の全体の効率が改善され得る。同様の原理は、特に周囲空気に対して不必要な熱を消散させる際に使用するための本発明の被覆複合体パネルを設計するために使用され得る。
【００３４】
本発明は、例示として提供され、本発明を限定するものではない以下の特定の態様の記載により、さらに理解されよう。
【実施例】
【００３５】
炭素繊維強化ビスマレイミド樹脂積層体を、Thornel(登録商標)PANベースの炭素繊維、T−300グレード(Amoco Performance Products,Inc.製)として得た炭素繊維から織った織物を含浸することにより製造した。米国特許第4,654,407号明細書に記載の方法で製造し、レリースペーパー上に被覆して、膜を作ったビスマレイミド樹脂配合物は、含浸織物を製造するための慣用法で使用し得る。約32％の樹脂を含有する織物プレプリグは、10層の、準−等方性積層体パネルとして積層し、オートクレーブ中180℃で４時間、次いで加圧空気オーブン中250℃で４時間加熱することにより硬化させる。以下の実施例で使用する複合体または積層体は、繊維が露出していない、厚さが0.125インチ（0.32cm）の滑らかな樹脂−富化表面であった。被覆用に、複合体を1.5インチ（3.81cm）×1.25インチ（3.18cm）の試験パネルに切断した。
【００３６】
パネルを乾燥させ、真空オーブン中110℃で一晩加熱することにより、被覆する前にガス抜きし、次いで真空チャンバ内に設置し、ゲルマニウムで片面を被覆した。試験パネル２セットを製造した。第１のセット、サンプルＡには、薄い被覆、公称厚さ0.62μｍを施した。第２のセット、サンプルＢには、厚めの被覆、公称厚さ1.2μｍを施した。パネル被覆には、公称厚さ0.03μｍの窒化ケイ素で全体を保護オーバーコートした。実験には、１インチ（2.54cm）×３インチ（7.62cm）のガラススライドの標準試料も含めた。このスライドを被覆表面を半分マスクして、光学的手段により被覆厚さを測定するための試験片を製造した。各実験で製造した２枚のガラス試験片の一方をアルミニウムでスパッタリングすることによりさらに被覆した。
【００３７】
被覆厚さを物理的手段により各複合体パネル毎に測定した。各パネル毎に６回の測定を平均した。
サンプルＡパネルは物理的被覆厚さ0.6932μｍであった。
【００３８】
サンプルＢパネルは物理的被覆厚さ1.3783μｍであった。
基本的なスペクトルデータは、各複合体パネルの被覆面及び未被覆裏面で得た。精密反射率測定用に改造したMattson Polarisフーリエ変換IR分光器を使用した。全ての測定は、15°オフ−ノーマルの入射角で直径0.25インチ（0.64cm）のライトスポットを使用して実施し、効果的に通常の入射照度を保持した。参照データは、所望の領域内でＲ＝98％の鏡面アルミニウムを使用して検量線用に取得した。
【００３９】
サンプルＡで被覆したガラス標準試料に関して光学的手段により測定した被覆厚さは0.70μｍで、物理的測定とよく一致した。サンプルＢで被覆したガラス標準試料に関して光学的手段により測定した被覆厚さは1.41μｍで、物理的測定と良好に一致した。
【００４０】
複合体Ａに関しては、干渉オーダー２及び４に対応して知見された最小反射率並びに干渉オーダー３に於ける最大反射率を使用して、パネル上のゲルマニウム被覆の光学的厚さを測定するための波長値を2.84μｍとし、ゲルマニウム被覆の屈折率値が4.0であることを確認した。光学的厚さは、0.71μｍの物理的厚さに対応する。
【００４１】
複合体Ｂに関しては、干渉オーダー２、４、６及び８に対応して知見された最小反射率並びに干渉オーダー３、５及び７における最大反射率を使用して、パネル上のゲルマニウム被覆の光学的厚さを測定するための波長値を5.61μｍとし、ゲルマニウム被覆の屈折率値が4.0であることを確認した。光学的厚さは1.41μｍの物理的厚さに対応する。
【００４２】
図面について説明する。図１には、サンプルＡパネルの未被覆側に関して３〜25μｍの赤外線正反射率スペクトルデータがグラフで表されている。短波長では10％未満の低い表面反射率が明らかである。長波長で20％以上に反射率が増加したのは、複合体表面が幾らか導電性であり得ることを示している。
【００４３】
図２には、サンプルＡの被覆表面に関して３〜25μｍの赤外線正反射率スペクトルデータが表されている。光学的厚さ2.84の1/4波長ゲルマニウム被覆は、第１のオーダー波長11.36μｍで複合体表面の反射率を最大化し、約32％の反射率を与え、次いでオーダー３の波長3.73μｍでは、約26％の反射率を与えることが知見された。5.65及び2.88μｍでの最小反射率は約８％であり、実質的に未被覆サンプル、図１の測定結果と同じであった。
【００４４】
従って、サンプルＡの被覆複合体パネルは、４μｍ〜約９μｍの波長で良好な反射率をもつ二色性レフレクターであることが知見される。複合体Ａの被覆複合体パネルの反射率は、5.65及び2.88μｍに近い波長、即ち水の主吸収帯域とぴったり対応する帯域では低いことが知見され、これらの帯域では放射率が高い。従って、本発明により被覆した複合体パネル及び同様の構造物は、ドライヤーの赤外線源としての用途があることが知見された。
【００４５】
図３には、サンプルＢの被覆表面に関する３〜25μｍの赤外線正反射率スペクトルデータがグラフで表されている。光学的厚さ5.61のゲルマニウム被覆は、オーダー３、即ち約7μｍで複合体表面の反射率を最大化し、約23％の反射率を与え、オーダー５、即ち約45μｍでは約19％の反射率を与え、オーダー７、即ち約3.3μｍでは、約19％の反射率を与えた。約10.7μｍで低い反射率が知見され、偶数のオーダー４、６及び８、即ち約5.7、3.8及び2.9μｍで最小値が知見され、その約９％の反射率は図１の未被覆サンプルに関する値から殆ど変化していない。波長が増加するに連れて漸減する約17μｍで知見された広い、30％の最大反射率は、反射率に於ける複合体表面の導電性効果による。
【００４６】
さらに、水の主吸収帯域に関連した波長でのサンプルＢで知見される低い表面反射率及び対応する高い放射率は、ドライヤー用途で使用するための赤外線源としてこのような被覆複合体の使用を示唆している。
【００４７】
被覆複合体パネルの表面放射率も測定した。試験片を加熱するための抵抗ヒーター及び黒体参照チャンバ、並びにIR放射を測定するための熱分解検出器を備えた２−チャンバ絶対エミッショメーターを使用して８〜14μｍの中間赤外領域で110℃±２℃で測定した。装置の操作は、公知の放射率のアルミニウムシート及び公知のIRブラック被覆を含む公知の参照物の測定によりチェックした。
【００４８】
８〜14μｍで平均した被覆サンプルＡパネルの放射率は0.45であった。サンプルＡセットの第２の被覆複合体パネルサンプルの放射率は0.53であった。未被覆面の放射率は、0.75及び0.73であった。被覆により、波長の測定領域にわたって複合体表面の平均放射率を34％も顕著に減少させた。
【００４９】
被覆サンプルＢパネルの放射率は0.63であった。第２のパネルサンプルの放射率は0.65であった。未被覆面の放射率は0.73であった。サンプルＢで使用したより厚い被覆により、複合体表面の平均放射率が約12％も顕著に減少した。
【００５０】
本明細書中に記載したように、繊維強化複合体の表面上に薄い誘導体膜被覆があると、複合体の表面反射率が顕著に増加し、高温での表面放射率を減少させることが明らかである。複数の厚い層と薄い層を交互に適用し、種々の屈折率をもつ被覆材料を使用すると、このような複合体構造物の反射率及び放射率を狭く限定したスペクトル帯域内で実質的に制御することができる
本発明は、本明細書中に記載した特定の態様、より特定的には、複合体よりも赤外線の屈折率が大きい薄い誘電体膜を少なくとも１表面上に付着させた樹脂マトリックスに埋封した構造用繊維を含む複合体構造物として記載且つ説明した。好ましい構造物は、Ｃ(ダイヤモンド)、Si及びGe並びにInSb、GaSb、InAs、Te3AsSe3、InP、GaAs、GaP、PbTe、C3N4等を含む化合物から選択される誘電体被覆材料の１つ以上の薄い層を含む被覆を少なくとも１つの表面に付着させた炭素繊維強化樹脂マトリックスラミネートを含む。薄い誘電体層の光学的厚さは、約１〜約８μｍの範囲であるのが好ましい。本発明により被覆した複合体構造物及び同様の製品は誘電体熱レフレクターとして特に有用であり、例えば、放射スペースヒーター、ドライヤー等の中の赤外線ラジエーターとして使用し得る。被覆した複合体は、特に環境空気に伝熱するのに最適に合った波長で放射手段により、熱消散が改良されねばならない場合に使用するための構造用パネル及び外部スキンの状態での用途も知見され得る。
【００５１】
繊維及び複合体製造業界の当業者には種々の変形及び変更が直ちに考えられ得るであろうが、このような変形及び変更は付記請求項により定義された本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図1は、サンプルAとして設計された炭素繊維強化複合体パネルの被覆されていない側面に対するスペクトル反射率データを示すグラフである。
【図２】図２は、サンプルAとして設計された炭素繊維強化複合体パネルの被覆されている側面に対するスペクトル反射率データを示すグラフである。
【図３】図３は、サンプルBとして設計された炭素繊維強化複合体パネルの被覆されている側面に対するスペクトル反射率データを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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