DE2345760A1

DE2345760A1 - Waermefilter

Info

Publication number: DE2345760A1
Application number: DE19732345760
Authority: DE
Inventors: Robert Milton Gelber
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Current assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1973-09-11
Filing date: 1973-09-11
Publication date: 1975-07-24

Description

OPTICAL COATING LABORATORY INC.

Wärinef iltor

Die Erfindung betrifft Ifärmefilter bzw. Filter zur RejeTuni?· des Wämeüker^aiwjs v-nzs speziellen Typs, die aus einem durcli- sicfotf&efj Substrat otid Miriam auf diesen aufgetragenen Überzug aus dünnen Filrasnbestehen.

In der U3-P3 3 6β2ι $?S wird ein Infrarot-Interferorr-2;Cilter eines Typs beschrieben, der hauptsächlich zur Trennung von Viärine und Licht bestimmt ist, die von Glühlichtquellen aus gesandt werden. In spektraler Hinsicht v.'ird bei der Anwendung dieses Filters liehe Durchlässigkeit in Gebiet des sichtbaren Spektrums und hohe Reflexion in Gebiet des infraroten äpoktruius erreicht, wobei ein sehr rascher Übergang zwischen dern sichtbaren und dem Infrarotbert;ich eri'ol*t. Eä existieren ^edcch andere Anwendungszwecke, in denen thermische .Regelung gewünscht wird und in denen die Strahlungsquelle eine Quelle ipit veit niedrigerer Temperatur ist, als eine Glühlampe. ,Beispiele für solche Strahlüngsquellen sind wärme Körper, wie verschieden^ Arten von öfen. Bai solchen Anwon&ungszwecken im Gebiet niedrigerer Temperatur besteht noch ein Bedürfnis für ein Filter, welches sichtbares Licht durchläßt und welches gleichseitig Inf-'arctenergie abweist, scclai? die auf einer Seite des Filters

50 0 83C/0366 BAD ORIGINAL

-2- 23A5760

vorliegende Wärme auf diese Seite des Filters beschränkt bleibt und nicht auf die andere Seite des Filters fließt. Wenn daher das Filter als Fenster in einem Gebäude verwendet wird, wird während des Sommers die Hitze außerhalb des Gebäudes von dem Gebäude abgehalten und irn Winter fließt die innerhalb des Gebäudes vorhandene Wärme nicht aus dem Gebäude ab. Im Fall eines Ofens wird die Wärme im Inneren des Ofens eingeschlossen, sodaß ein wirksamerer Betrieb des Ofens gewährleistet wird, und außerdem ist die Außenfläche des Filters merklich kühler als die eines einfachen unbeschichteten Fensters und ist daher weniger gefährlich für den Menschen. Das in der vorstehend genannten US-Patentschrift beschriebene spezifische Filter hat jedoch einen zusätzlichen Nachteil, der darin besteht, daß es zur Verwendung bei sehr hohen Temperaturen ungeeignet ist. Dieses Filter zeigt außerdem den Nachteildaß es aufgrund der Verwendung von Silber relativ teuer ist. Ss besteht daher ein Bedürfnis nach einem Wärmefilter bzv/. Filter zum Regeln cler> War mc-üb er gangs, welches in Verbindung mit Wärmequellen niederer Temperatur angewendet werden kann, welches relativ einfach und mit geringem Kostenaufwand herzustellen ist und welches hohe Betriebstemperatur hat.

Es ist daher allgemein Aufgabe der Erfindung, ein Filter zur Regelung des Wärnctlber^angs zugänglich zu machen, welches befähigt ist, Infrarot-Strahlungsenergie zu reflektieren und gleichzeitig sichtbare Energie durchzulassen und welches in Verbindung mit Wärmequellen verwendet werden kann, die eine wesentlich niedrigere ■ Temperatur als eine Glühlampe auf v/eisen.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Filter mit den vorstehenden Eigenschaften zu schaffen, das in einer Umgebung mit relativ, hoher Temperatur angewendet v/erden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Filter mit den vorstehenden Eigenschaften zu schaffen, das relativ billig und leicht herzustellen ist.

Das erfindungsgei'iiäße Filter mit den vorstehenden Eigenschaften soll außerdem in einfacher V/eise in guter Ausbeute hergestellt werden können.

509830/038$

BAD ORfGlNAL

Es ist weitere Aufgabe der Erfindung, ein Filter mit den vor-? .stehenden Eigenschaften zugänglich zu machen, in-welchem eine Doppelschicht vorliegt, die aus relativ· leicht zugänglichen und .billigen Materialien ausgebildet ist.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter mit den vorstehenden Eigenschaften zu schaffen, welches mit Hilfe einer auf jeder Seite der D^ppelschicht angeordneten Schicht eines dielektrischen Materials bzw. eines elektrischen Nichtleiters geschützt ist.

Das erfindungsgemäße Filter mit den vorstehend genannten Eigenschaften soll besonders gut geeignet für Fenster von Öfen verschiedener Arten sein.

Ferner soll das erfindungsgemäße Filter mit den vorstehend angegebenen Eigenschaften geringes Abstrahlungs- bzw. Emissionsvermögen haben.

Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, ein Filter mit dan vorstehenden Eigenschaften zugänglich zu machen, das einen harten dauerhaften Überzug aufweist, welcher die Wärmeströmung und die Oberflächentemperatur stark vermindert.

Diese Aufgaben v/erden mit Hilfe des erfindungs ge mäßen Filters zur Regelung des Wärmeübergangs gelöst, das aus einem Substrat besteht, welches aus einem für sichtbare Strahlungsenergie durchlässigen Material gebildet ist. Das Substrat weist eine Oberfläche auf und auf dieser Oberfläche ist ein überzug aus- · gebildet. Der Überzug besteht aus einer Doppelschicht, die eine dünne Schicht eines Materials, welches sich von dem Material des Substrats unterscheidet, und eine Metallschicht umfaßt. Der Überzug besteht außerdem aus einer Schicht eines elektrisch nicht leitenden Materials auf jeder Seite der Doppelschicht, das als Schutz für die Doppelschicht"dient und außerdem die optischen Eigenschaften des Filters verbessert.

Weitere Aufgaben und Gegenstände der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, in der die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die

509830/0366
BAD ORIGINAL

"beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden.

In der Zeichnung ist Figur 1 eine maßstäbliche Ansicht eines Teils eines Ofens mit einem Fenster, für das ein erfindungsgemäßes Wärinefilter verv/endet wird.

Figur 2 ist eine Schnittansicht des in Figur 1 gezeigten Fensters längs Linie 2-2 in Figur 1.

Figur,3 ist eine graphische Darstellung, welche die optischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Filters zeigt.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Reflexion und das Emissionsvermögen eines erfindungsgemäßen -Filters zeigt.

Figur 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht ähnlich Figur 2, die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters zeigt.

In Figur 1 ist ein Ofen 11 eines konventionellen Typs dargestellt, beispielsweise ein Ofen, wie er im Haushalt benutzt wird, der entweder mit Hilfe von Gas oder Elektrizität beheizt wird, '»le dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt ist, besteht ein solcher Ofen aus einem Gehäuse 12, das mit einer Öffnung versehen ist, die gewöhnlich mit Hilfe einer schwenkbaren bzw. klappbaren Tür 13 verschlossen ist. Ein Fenster 14 ist in der Tür vorgesehen, um dem Benutzer des Ofens zu ermöglichen, das Innere des Ofens einzusehen. Üblicherweise bestehen solche Fenster aus zwei im Abstand angeordneten Glasscheiben 16 und 17, die hermetisch abgedichtet sind, sodaß zwischen Ihnen ein Luftraum eingeschlossen wird, der als Isolator wirkt. Wie dem Fachmann gut bekannt ist, sind neuere Öfen mit einer Selbstreinigungseinrichtung versehen, wobei die Öfen auf hohe Temperatur erhitzt werden. Um zu verhindern, daß das Fenster 14 eine übermäßig hohe Temperatur erreicht, bei der eine das Fenster berührende Person sich Verbrennungen zuziehen könnte, ist das Fenster 14 mit einem erfindungsgemäßen thermischen Regelfilter versehen.

¥ie in Figur 2 gezeigt wird, besteht das erfindungsgeinäße Filter zur Regelung des Wärmeübergangs aus der Scheibe 16,

509830/0366

-5- 2945760

die als Substrat für das Filter dient, und einem Überzug 18-, der von dem Substrat 16 getragen wird. Das Substrat 16 ist aus irgendeinem geeigneten Material gebildet, es besteht jedoch vorzugsweise aus einem Material, welches im sichtbaren Bereich des Spektrums hohe Durchlässigkeit aufweist. So kann beispielsweise das Substrat 16 aus einem Glas mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,517 gebildet sein. Das Substrat ist mit zv/ei parallelen Oberflächen 21 und 22 versehen, woboi die Oberfläche 21 der Außenluft oder dem Außenaedium ausgesetzt ist und die Oberfläche 22 den Überzug 18 bedeckt ist." Die Scheiben 16 und 17 können gewünschtenfalls als äußere und innere Scheibe bezeichnet werden.

Der Überzug 18 besteht aus mindestens 4 Schichten, die als erste, zweite, dritte und vierte Schicht 26, 27, 28 und 29 bezeichnet werden, gezählt von dem Substrat aus. Die Schichten

27 und 23 bilden eine Doppelschicht und die Schichten 26 und 29 bestehen aus Schichten eines elektrisch nicht leitenden Materials, die dazu dienen, die Doppelschicht zu schützen und die außerdem zu den optischen Eigenschaften des Filters beitragen, wie nachstehend beschrieben wird.

Die Doppelschicht besteht aus einer relativ dünnen Schicht 27» die aus einem von dem Substrat ,verschiedenen Material gebildet ist und als Kernbildungsschicht für die dickere Metallschicht

28 dient. Die dünne Schicht 27 wird vorzugsweise so dünn wie möglich gehalten, sodaß sie einen sehr geringen bzw. überhaupt keinen Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Filters hat. So wurde gefunden, daß die Schicht 27 eine Dicke im Bereich von 5 bis 29 Ängströmeinheiten haben kann. Diese dünne Schicht kann aus einem beliebigen einer Anzahl von Materialien gebildet werden. Es* wurde jedoch gefunden, daß zu diesem Zweck Nickel undQirom besonders zufriedenstellend sind. Andere Metalle, die ebenfalls verwendet werden können, sind Rhodium, Palladium, Nichrom (Nickel-Chrom-Legierung), Wolfram und dergleichen. Außerdem können auch gewisse elektrisch nicht leitende Katerialien, wie Titanmonoxyd, Siliziummonoxyd und Alurniniummonoxyd sowie Metalloxydgemische, wie sie in der US-PS 3 034 924 be-

509830/0366
BAD ORIGINAL

schrieben werden, verwendet werden, um eine zufriedenstellende Unterschicht oder Kernbildungsschicht für die Metallschicht 28 auszubilden.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist die Dicke dieser Unterschicht oder dünnen Schicht nicht kritisch, vorausgesetzt, daß sie eine gewisse Mindestdicke überschreitet, die mit etwa 5 üngströmeinheiten angenommen wird. Diese Unterschicht oder dünne Schicht scheint die Wirkung einer Kernbildungsschicht zu haben, weiche dem dünnen Metallfilm 28 die optischen Eigenschaften eines Körpers oder einer Masse aus dem Metall (bulk metal) verleiht. Anders ausgedrückt, hat die Unterschicht oder dünne Schicht 27 solche Eigenschaften, daß sie unwirksam zur Veränderung der optischen Eigenschaften des Filters ist, jedoch bewirkt, daß der anschließende dünne Metallfilm ein solches Verhalten zeigt, als ob er eine homogene Metallplatte oder anders ausgedrückt, eine Platte aus einer Metallmasse wäre.

Die dünne Metallschicht 28 besteht aus einem Metall, welches ermöglicht, daß der Überzug relativ hohen Temperaturen widersteht, wie beispielsweise Temperaturen im Bereich von-250 bis 450⁰C. Um diese Hochtemperaturerfordernisse zu erfüllen, wurde festgestellt, daß es erforderlich ist, entweder Kupfer oder Gold als Metall für diese Schicht zu wählen. Wenn Kupfer für diese Schicht verwendet wird, wie in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, hat die Kupferschicht eine Dicke von ungefähr 13,5 Millimikron. Die Dicke kann jedoch im Bereich von etwa 8 bis 50 Millimikron liegen. Es wurde gefunden, daß, je dünner die Kupferschicht ist, umso größer die visuelle Durchlässigkeit und um so größer die Emissionsfähigkeit ist, sodaß der Wärmefluß durch das Fenster erhöht wird. Im gegenteiligen Fall, wenn die Kupferschicht dicker wird, vermindert sich" die visuelle Durchlässigkeit und die Emissionsfähigkeit vermindert sich, sodaß der Wärmefluß durch das Glas vermindert wird. Der Überzug hat daher eine bessere Wirkung, wenn die Dicke der Kupferschicht erhöht wird. Diese Erhöhung der--Dicke hat jedoch den Nachteil, daß bei Erhöhung der Dicke der Kupferschicht auch die visuelle Durchlässigkeit vermindert wird.

5 0 9 8 3 0/0366
BAD ORIGINAL

Um zu gewährleisten, daß die aus den Schichten 27 und 28 "bestehende Doppelschicht einen Überzug "bildet, der hart, dauerhaft und stabil ist, ist es erforderlich, daß die zwei zusätzlichen Schichten 26 und 29 auf beiden gegenüberliegenden .Seiten der Schicht vorgesehen sind. Die Schichten 26 und 29 sind aus einem geeigneten elektrisch nicht leitenden (dielektrischen) Material gebildet, wie Aluminiumoxyd und Magnesiumfluorid (als Materialien mit niederem Index) und Titandioxyd (als Material mit hohem Index).

In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 2 gezeigt ist, wurde die dielektrische Schicht 26 aus Aluminiumoxyd oder Saphir gebildet. Die Schicht 26 hatte eine physikalische Dicke von 58 Millimikron und eine viertel Wellenlängen-optische? Dicke von 382,8 Millimikron. Diese Dicken können um + 3O?o variiert werden, wobei stets noch die zufriedenstellenden optischen Eigenschaften beibehalten werden. Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften für die Schicht 26 zu erzielen, ist es nur erforderlich, daß sie eine Dicke hat, die größer als 100 bis 200 Ängströmeinlieiten ist.

Die Schicht 29 wurde so ausgebildet, daß sie eine physikalische Dicke von 37 Millimikron und eine viertel Wellenlängen-optische Dicke von 244,2 Millimikron hatte. Auch hier sollte, wie bei der ersten dielektrischen Schicht 26 die Mindestdicke für die Schicht 29» bei der die erforderliche mechanische Festigkeit und Stabilität erzielt wird, 100 bis 200 Ängströmeinheiten betragen, während zum Erzielen der gewünschten optischen Eigenschäften die Dicke im Bereich von + 3O?o von der optimalen Dicke von 37 Millimikron abweichen kann.

Die Schichten 26* 27, 28 und 29, die den Überzug 18 bilden, können in üblicher Weise abgelagert werden. Die Materialien werden nacheinander in einer Vakuumkammer verdampft, welche die Substrate enthält, die beschichtet werden sollen, wobei auf diesen der erfindungsgemäße Überzug ausgebildet wird. So können die Überzugsschichten 26, 27, 28 und 29 in der angegebenen Reihenfolge in der Vakuumkammer abgelagert werden.

509830/0366

Die erste elektrisch nicht leitende Schicht 26 übt eine Bindungswirkung für die Doppelschicht sowie eine Wirkung zum Schutz der Doppelschicht vor Luft und vor den Chemikalien aus, die in dqm Glassubstrat vorhanden sind. Die zweite oder äußere Schicht 29 dient als Schutzschicht für die Doppelschicht und schützt sie vor der Atmosphäre, Ss ist somit ersichtlich, daß die beiden elektrisch nicht leitenden bzw. dielektrischen Schichten den Überzug stabilisieren, indem sie ihn mechanische Festigkeit sowie Schutz verleihen. Außerdem üben sie eine optische Funktion aus, indem sie die Reflexion von dem Überzug; von der Seite-vermindern, die von dem Betrachter angesehen wird, wie in Figur 2 gezeigt ist.

Wenn der überzug fertiggestellt ist, verursacht die Doppelschicht die Haupteigenschaften, die von dem Filter gewünscht werden. Die beiden dielektrischen Schichten verleihen jedoch dem Überzug die gewünschte Härte, Festigkeit und Beständigkeit. Es wurde gefunden, daß die Kupferschicht als solche selbst mit der Nickelunterschicht 27 instabil ist. Sie oxydiert an der Atmosphäre. Außerdem widersteht sie nicht den Fouchtigkeitstests und Abriebtests. Wenn die Doppelschicht von den dielektri· sehen Schichten umgeben ist, übersteht der Überzug leicht übliche Prüfverfahren im Hinblick auf Feuchtigkeit, Beständigkeit, Härte und Abriebfestigkeit für Überzugsschichten in Form von dünnen Filmen. Die wichtigste Eigenschaft ist jedoch die, daß die beiden dielektrischen Schichten den Überzug beständig machen, sodaß der Überzug nicht oxydiert und daher in Umgebungen hoher Temperatur verwendet v/erden kann.

Überzüge, wie sie in Figur 2 vorgesehen sind, haben sich als beständig in einem Standard-Abriebtest mit 20 Reibvorgängen, einem 24-stündigen Feuchtigkeitstest und einem Bandablösetest erwiesen. Sie waren außerdem befähigt, einem Hochtemperaturtest zu widerstehen, bei dem das Filter bei einer Temperatur von 35O⁰C in normaler Atmosphäre während 1000 Stunden erhitzt wurde. Ein solcher Hochtemperetürtest hatte venig oder überhaupt keine Wirkung auf das Emissionsvermögen des Filters.

509830/0366
BAD ORIGJNAL

Nachdem der Überzug 18 auf das Substrat 16 aufgetragen wurde, werden das Substrat 16 mit dem darauf befindlichen Überzug und die Scheibe 17 um ihren Außenumfang abgedichtet und in der Weise angeordnet, daß ein Raun 31 zwischen dem Überzug und einer Oberfläche der Scheibe 17 verbleibt, der mit Luft gewöhnlich von Atmosphärendruck gefüllt ist. Es ist daher ersichtlich, dai3 der Überzug auf der Innenseite der Scheibe 16 vorgesehen ist und in dem Raum 31 zwischen den Scheiben 16 und 17 der Luft ausgesetzt ist. Die Anordnung kann dann in einer Ofentür angeordnet werden, wie in Figur 1 gezeigt ist. Der Übe?, zug 10 zeigt sehr niedere Reflexion für sichtbare Strahlung, wenn er von der Außenseite betrachtet wird, wie in Figur 2 gezeigt ist. Dies ist eino sehr wünschenswerte Eigenschaft. Außerdem sollte die Reflexion, wenn möglich, frei von Färbung sein, d.h. neutral sein.

Das spektrale Verhalten eines Filters gemäß Figur 2 ist in Figur 3 gezeigt. ¥ie aus dieser Figur ersichtlich ist, umfaßt die in Figur 3 gezeigte Kurve den Vfellenlängenbereich von ungefähr 400 Millimikron bis 2500 Millimikron. In Figur 3 sind vier Kurven gezeigt, wobei zwei der Kurven Durchlässigkeitskurven und zwei der Kurven Reflexionskurven darstellen. Zwei der Kurven beziehen sich auf eine nachstehend beschriebene Ausführuiigsform der Erfindung, während die anderen beiden Kurven 32 und 33 die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform darstellen. Kurve 32 ist eine Kurve, welche die Reflexion für eine erfindungsgemäße Anordnung zeigt und welche verdeutlicht, daß die Reflexion bei 400 Millimikron S % beträgt und relativ neutral bis ungefähr 600 Millimikron ist, wonach ein Anstieg der Reflexion beginnt und die Reflexion stetig bis 2500 Millimikron steigt," v/o die Reflexion etwa 69/j beträgt. Die Durchlässigkeitskurve 33 zeigt, daß die Durchlässigkeit bei 400 Millimikron bei etwa 63 % beginnt und dann bis zu einer maximalen Durchlässigkeit von etwa 75 % bei 600 Millimikron ansteigt und anschließend in Richtung des Infrarotberciches abfällt, bis bei 2500 Millimikron die Durchlässigkeit ungefähr 13 $ beträgt. Daraus ist ersichtlich, daß das Filter im Kin-

509830/0366
BAD ORIGINAL

blick auf die Durchlässigkeit nicht über den gesamten sichtbaren Bereich hinweg neutral ist. Anders ausgedrückt, verläuft die Durchlässigkeit nicht flach über den Bereich des sichtbaren Spektrums.

Ein Vergleich der Eigenschaften dieses Filters mit dem Filter gemäß US-PS 3 6§2 520 zeigt, daß das erzindungsgenäße Filter, welches Kupfer enthält, im sichtbaren Spektrum keine neutrale Durchlässigkeit zeigt, sondern in der Durchsicht ein leicht kupferartiges Aussehen hat. Außerdem fällt die Durchlässigkeit der Kupfer enthaltenden Vorrichtung nicht so rasch ab, wie die Durchlässigkeit bei Verwendung von 3i3.ber und aus diesem Grund ist Silber wünschenswerter zur Verwendung für Hochtemperaturquellen, wie eine tfolfram-Glühbirne. Die Reflexion des Kupferfilters gemäß der Erfindung und des bekannten Silberfilters sind ähnlich; es ist jedoch festzustellen, daß die Reflexion des Kupfer enthaltenden Filters nicht so rasch ansteigt wie die Reflexion des Silberfilters. Dies ist für zahlreiche Anwendungs?:v.^recke relativ unwichtig, wie beispielsweise bei Verwendung von warmen Körpern als Strahlungsquelle!!. Für diese Anwendungszwecke ist es erforderlich, daß die hohe Reflexion bei Wellenlängen von 4 Mikron und darüber erhalten wird und in diesem Bereich ist die Reflexion des Kupferfilters gerade so groß wie die des Silberfilters. Ungefähr 95 % des Energiespektrums eines schwarzen Körpers einer Temperatur von etwa 200⁰C liegt zwischen 4 und 50 Mikron, v/ob ei das Strahlungsrnaximum bei etwa 6 Mikron liegt. Somit ist ersichtlich, daß ein Filter niedere Abstrahlung im Bereich von 4 bis 50 Mikron aufweisen nuß, wenn es einen Überzug hat, der gutes Emissionsvermögen für Anwendungszwecke^ wie für Ofentüren zeigt. Diese Temperatur von 200 C für einen kalten schwarzen Körper ist niedrig im Vergleich mit einer Glühstrahlungsquelle, wie UoIfram, welches eine Temperatur eines schwarzen Körpers von ungefähr 3200⁰K hat. Im Fall eines schwarzen Körpers dieser zuletzt genannten Temperatur bestehen 85 /ο der Energie aus Strahlung von ',/ellenlangen von weniger als 2,5 Mikron. Zur Abweisung von »arme ist es erforderlich, daß eine gute Infrarotreflexion zwischen 0,7 und 2,5 Mikron erfolgt. Für Anwendungszwecke, wie Ofentüren, ist es unnötig, daß eine

509830/0366
BAD ORIGINAL

234576G

hohe Abweisung auftritt, bis ungefähr zum Bereich einer Wellenlänge von 4 Mikron.

Das Filter gemäß Figur 2 hat einen entscheidenden Vorteil, der darin liegt, daß die Materialien, aus denen es gebildet ist, außerordentlich billig und leicht zugänglich sind. Außerdem lassen sich die Materialien leicht verdampfen und so regeln, daß die Ausbeute sehr hoch ist.

In Figur 4 ist eine graphische Darstellung .gezeigt, in der die thermischen Eigenschaften eines gemäß Figur 2 hergestellten Filters aufgetragen sind. Die Eigenschaften des Filters im sichtbaren Bereich sind in Figur 3 gezeigt, in der das sichtbare Gebiet durch den Bereich von 400 bis 700 Millimikron dargestellt ist. Um die Wärmereflexionseigenschaften des Filters zu bestimmen, ist es erforderlich, den Bereich von 4 bis 50 Mikron zu untersuchen. Die Kurve 34 in Figur 4 zeigt die Wärmereflexion und das Emissionsvermögen für den. Bereich von 4 bis 50 Mikron und zeigt ferner, daß die Reflexion etwa 0,85 und das Emissionsvermögen 0,15 betragen. Das Emissionsvermögen ist definitionsgemäß 1 minus Reflexion.

Wenn gewünscht wird, das Filter in Umgebungen mit Temperaturen von wesentlich über 35O⁰C zu verwenden, ist es wünschenswert, daß ein weiteres erfindungsgemäßes Filter des in Figur 5 gezeigten Typs eingesetzt wird. Der darin gezeigte Überzug 36 ist auf der Oberfläche 22 des Substrats 16 ausgebildet und besteht aus mindestens fünf Schichten 37, 38, 39, 41 und 42. Da in dieser Ausführungsform, wie nachstehend beschrieben wird, Gold anstelle von Kupfer verwendet wird und da das Gold als solches sehr weich ist, ist es erforderlich, den 4 Schichten der vorher beschriebenen Ausführungsform mindestens eine zusätzliche Schicht zuzufügen, um zu gewährleisten·,' daß der Überzug die erforderliche Härte und Beständigkeit hat. Da außerdem Gold andere optische Eigenschaften als Kupfer aufweist, ist es notwendig, andere Materialien und eine andere Anordnung zu verwenden, um eine niedere Reflexion im sichtbaren Bereich an dem Glassubstrat 16 zu erhalten.

509830/0366
BAD ORIGINAL

Die erste Schicht 37 des Überzugs 36, gezählt von dem Substrat an, v/ird aus Titandioxyd mit einem Brechungsindex von 2,3 gebildet. Diese Schicht 31 hat eine physikalische Dicke von 29,4 Millimikron und Q-\r·.^. vierte. 1 V^r3llcr:.--cpt-'.GcVo -"!icke von 270,48 Millimikron, die ui.i + 30>i schwanken kann, v/obei immer noch zufriedenstellende .Ergebnisse erzielt v/erden. Die zweite oder nächste Schicht, gerechnet von dem Substrat an, ist die Schicht 38, eine dünne Ke rnlxiMung ε schicht, die, wie vorher erläutert

wurde, aus einem geeigneten Katerial gebildet wurde, wie Nickel« Diese dünne Kernbildungsschicht ermöglicht es, für eine dünne Goldschicht die optischen Eigenschaften einer Metallmasse zu erzielen. Die dünne Schicht 38 kann die gleiche Dicke haben, vie sie bei der vorhergehenden Ausführungcform angegeben wurde.

Die nächste Schicht ist die aus Gold gebildete Schicht 39, die eine physikalische Dicke von 4,4 Millimikron hat. Dies ist die optimale Dicke für die Goldschicht. Gewünschtonfalls kann die Dicke jedoch von 2,0 Millimikron bis ungefähr 30 Millimikron variieren. In gleicher Weise wie bei der Kupferschicht können die Emissionseigenschaften des Überzugs auf Kosten der visuellen Durchsichtigkeit verbessert "Wsracn.

Die nächste Schicht 41, welche die nächste an die Goldschicht angrenzende Schicht darstellt, wird aus Yttriumoxyd (YpO₇) gebildet, das einen Brechungsindex von 1,9 zeigt. Diese Schicht aus Yttriumoxyd hat eine physikalische Dicke von 166 Millimikron und eine viertel Wellen-optische Dicke von 1260,60 Millimikron. Diese Schicht v/ird zur Verbesserung der Härte vorgesehen und verleiht dem überzug die gewünschte Beständigkeit und Härte. Die optische Dicke und die physikalische Dicke dieser Schicht können'um + 20 % schwanken, ohne daß die Eigenschaften des Überzugs ernsthaft beeinträchtigt v/erden.

Die letzte Schicht, die Schicht 42, ist eine elektrisch nicht leitende Schicht und v/ird verwendet, um den überzug optisch der Luft anzugleichen. Sie besteht aus einer isolierenden Schicht, die aus Magnesiumfluorid (MgFp) gebildet ist, das einen Brechungsindex von 1,38 hat. Diese Magnssiumfluoridschicht hat eine physikalische Dicke von 80,15 Millimikron und eine viertel

509830/0 366
BAD ORIGINAL

Wellen-optische Dick© von 442,420 Millimikron. Für MgF₂ können die physikalische Dicke und die vierte'¹ "Rollen-optische Dicke innerhalb + ;>O >ί variiert v/erden, wobei irnnor noch geeignete Ergebnisse erzielt v;erden. Die vor stehend angegebenen optimalen Dicken führen :.u einer niedrigen Reflexion im sichtbaren Bereich imd eier stärksten Neutralität des Überzugs. Sobald von dieser optixclen Dicke abgewichen wird, wird die Reflexion im sichtbaren .Bereich erhöht .und es tritt ein Verlust der Neutralität'der Farbe ein. Bei gewissen Anwendungszwecken kann es viünschenswert sein, durch Reflexion eine speziolle Färbung zu erzielen und dies kann erreicht v/erden, indem die Dicke der elektrisch isolierenden Schichten verändert wird.

Die Schichten, welche den Überzug 3d bilden, kennen auch in üblicher l/eise in einer Vakuumkammer aufgedampft werden, indeiz die Materialien nacheinander auf das Substrat aufgedampft werden.

Das spektrale Verhalten eines Filters des in Figur 5 gezeigten Typs ist in Figur 3 gezeigt, in der die Kurve 46 die mit dem Goldfilter erhaltene Reflexion und die Kurve 47 die mit dem Goldfilter erhaltene Durchlässigkeit darstellen. Es ist ersichtlich, daß die Durchlässigkeit des Goldfilters sehr ähnlich der Durchlässigkeit des Kupferfilters ist. Sie beginnt

bei etwa 400 Millimikron bei einer Durchlässigkeit von etwa 60 %. Sie hat ein Durchlässigkeitsmaximum von 75 % bei 575 bis 580 Millimikron und fällt dann im Infrarotbereich ab. Zunächst fällt sie vorher· als im Fall von Kupfer, aber danach fällt /wie weniger rasch, so daß bei 2500 Millimikron die Durchlässigkeit etwa 18 % beträgt. Die Reflexion im Fall von Gold beginnt bei etwa 400 Millimikron bei 16 % und vermindert sich bis zu einem Minimum bei 550 Millimikron von ungefähr 4,5 % und steigt dann bis etwa 1000 Millimikron an und fällt danach ab bis etwa 1700 Millimikron. Dann steigt sie bis etwa 2500 Millimikron, wo die Reflexion ungefähr 42 % zeigt. Die Reflexion erhöht sich weiter bis sie das Gebiet von

50 98 30/0366 BAD ORIGINAL

_jLj

Mikron erreicht hat, welches ein kritisches Gebiet darstellt. In diesem Gebiet ist die Reflexion von Gold gerade so gut wie die von Kupfer und beide reflektieren 85 %, wie durch Kurve in Figur 4 dargestellt ist. Das Emissionsvermögen beträgt weniger als 0,2, nämlich 0,15.

Es ist daher ersichtlich, daß unter Verwendung von Gold ebenfalls ein sehr zufriedenstellendes Filter zur Regelung des Wärmeübergangs erhalten -wird und daß es in gleicher V/eise wie

5098 3 0/0366

BAD ORIGINAL

das in Figur 2 gezeigte Filter verwendet werden kann. Der ein-. zige Unterschied besteht darin, daß der Überzug aus mehr Schichten besteht, was das Filter aufwendiger macht und daß außerdem die Verwendung von Gold erforderlich ist, welches, teuerer ist als Kupfer. Es hat jedoch den Vorteil, daß es in Umgebungen mit weit höherer Temperatur angewendet v/erden kann, wie beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 250 bis 55O⁰C.

Aus" den vorstehenden Ausführungen wird ersichtlich, daß erfindungsgemäß ein neues und verbessertes · liärmefilter zugänglich wird, das besonders auf die von schwarzen Körpern ausgesandte Strahlungsenergie abgestellt ist, die wesentlich geringere Temperaturen haben, als die Temperaturen von Glühlampen. In dem Filter liegt ein Überzug vor, der relativ billig ist und der in einfacher V/eise mit hoher Ausbeute gebildet werden kann.

Das Filter widersteht den üblichen Feuchtigkeits- und Abriebprüfungen und kann außerdem während langer Dauer hohen Temperaturen von mehr als 300⁰C widerstehen. Der Überzug hat geringes Emissionsvermögen, wodurch eine drastische Verminderung der Oberflächentemperatur von Fenstern ermöglicht wird, die der Hitze ausgesetzt sind. Die optischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch die in dem Filter vorliegende einzige Metallschicht bestimmt, die entweder aus Kupfer oder aus Gold besteht.

Erfindungsgemäß wurde zwar das Hauptgewicht auf die Verwendung des Filters in Verbindung mit schwarzen Körpern als Strahlungsquellen mit Temperaturen von mehr als 200 C gelegt; die Überzüge sind je doch auch besonders gut geeignet zur Verwendung für Glas für Architektur- und Bauzwecke, um den Wärmeübergang durch ein Fenster aufgrund der Sonnenstrahlung im Bereich von 400 bis 2500 Millimikron zu regeln, der im allgemeinen als Abschattungskoeffizient des Architekturglases charakterisiert, wird. Der thermische Durchgang der Wärme durch das Glas aufgrund der auf gegenüberliegenden Seiten der Glasscheibe existierenden Temperaturdifferenz wird durch den Übergang von Energie im Bereich von 4 bis 50 Mikron bestimmt und wird häufig als U-Faktor des

509830/0366
BAD ORIGINAL

Architekturglases gekennzeichnet. Wie aus den in Figuren 3 und 4 gezeigten Kurven hervorgeht, hat Architekturglas, wenn es mit den erfindungcgenäfon überzügen versehen ist, ausgezeichnete Abschattun.':cl:oefι'izienten und U-Fsktoren.

509830/0366
BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1y Filter zur Regelung des YfärmeÜbergangs, bestehend aus einem Substrat, das aus einen: für sichtbare Strahlung durchlässigen Material besteht, und einen auf der Oberfläche dieses Substrats ausgebildeten Überzug , dadurch g e'k e η η ζ e i c h net, daß der Überzug eine unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats angeordnete erste Schicht eines elektrisch nicht leitenden Materials, eine anschließende Doppe!schicht, die- aus einer dünnen Kernbildungsschicht aus einsm von dem Substrat verschiedenen Material auf der zum Substrat gerichteten Soito und einer mit der dünnen Kernbildungsschicht in Berührung stehenden Metallschicht, die so dünn ist, daß sie die optischen Eigenschaften des Filters praktisch nicht verändert, besteht, und eine zweite Schicht eines elektrisch nicht leitenden Materials auf der der Atmosphäre zugewandten Oberseite des Überzugs umfaßt, wobei der Überzug so ausgebildet ist, daß eine Reflexion von mehr als 80 % im Wellenlängenbereich von 4 Mikron bis 50 Mikron erzielt wird.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dünne Metallschicht aus Kupfer oder Gold besteht.
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kernbildungsschicht für die Metallschicht aus Nickel besteht.
4. Filter nach Anspruch 2 oder 3_f dadurch g e k e η η -

509830/0366
BAD ORIGfNAL

zeichnet , daß die Kupferschicht eine Dicke von 8 bis 45 Millimikron, vorzugsweise von etwa 15»5 Millimikron hat.
5. Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Goldschicht eine Dicke von 2 bis 30 Millimikron, vorzugsweise von etwa 4,4 Millimikron hat.
6. Filter· nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schichten aus elektrisch nicht leitendem Material aus Aluminiuraoxyd gebildet sind und daß die erste nicht leitende Schicht eine Dicke von 58+17 Millimikron und die zweite nicht leitende Schicht eine Dicke von 37+11 Mil1iraikr on hat.
7. Filter nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Goldschicht eine zusätzliche Schicht zwischen der aus Gold bestehenden Schicht und der zweiten Schicht des elektrisch nicht leitenden Materials angeordnet ist, die vorzugsweise aus Yttriumoxyd einer physikalischen Dicke von 166 +' 34 Millimikron besteht.
8. Filter nach Ansprüchen 1 bis 7, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die erste Schicht des elektrisch nicht leitenden Materials aus Titandioxyd"und die zweite Schicht des elektrisch nicht leitenden Materials aus Magnesiumfluorid besteht.

509830/0366