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石英棒・石英管　規格表

石英管とは？ 主な特性と炉心管への活用における石英の役割

石英管には多様な用途がありますが、炉心管（石英炉心管）として活用することも可能です。本記事では、石英管の製造方法や一般的な用途を踏まえ、石英管の主要な特性を詳しく解説します。また、炉心管として活用する際に、石英が果たす重要な役割についても説明します。

石英管とは

石英管とは、石英（二酸化ケイ素／SiO2）を主原料として製造されるガラス管のことです。耐熱性や透明性、化学的安定性などに優れるため、光学機器や通信機器、暖房器具のような幅広い分野で活用されています。ここでは、石英管の製造方法と一般的な用途について説明します。

石英管の製造方法

石英管の製造には、高純度の石英材料（粉末やインゴット）が用いられます。石英材料を高温で溶融した後、モールド（型）を活用して管状または棒状に成形するのが一般的です。加熱しながら円筒状のガラス内部にガス圧をかけて延伸することで、薄肉化・大口径化にも対応できます。ほかに、コアドリルなどを使用して所定寸法の円筒状ガラスに機械加工を施す方法もあります。

石英管には特に耐熱性や透明性が求められるため、製造プロセスで気泡や不純物が入らないよう細心の注意が必要です。用途に応じてさまざまな直径や厚さ、長さに成形するには、相応の設備と技術も求められます。近年では、高集積度半導体製造用のプロセスチューブのように、不純物量を極限まで抑えた精密な石英管の製造方法も開発されています。

石英管の一般的な用途

石英管は耐熱性や化学的安定性に優れるため、多岐にわたる用途があります。例えば、研究所や工場では、薬品等の反応容器や試験管として活用されています。また、透明性にも優れるため、光学機器の部品や照明器具としての利用も一般的です。耐熱性と電気絶縁性を兼ね備えていることから、石英管ヒーターとしてもよく応用されています。暖房器具やオーブントースターは、最も身近な石英管の活用例といえるでしょう。水に濡れても漏電や破損が起こりにくく、安全性にも非常に優れています。

石英管の主な特性

石英管は物理的特性や化学的特性に優れるため、多くの産業分野で幅広く使用されています。ここでは、石英管の主な特性として、耐熱性、透明性・透過性、化学的安定性、電気絶縁性について解説します。

耐熱性

石英管は優れた耐熱性を有しています。素材である石英ガラスの軟化点は1700℃と非常に高く、石英管としての常温使用温度は900℃、最高使用温度は1000℃です。熱膨張係数が低く、急激な温度変化でも簡単に割れない耐熱衝撃性も持っています。長時間高温にさらされても物理的特性が大きく損なわれることがないため、製品・設備の高耐久性や長寿命にもつながっています。

透明性・透過性

石英管は紫外線から赤外線に至る広範囲の波長光に対して、高い透過性を発揮します。可視領域においても通常のガラスと比べて透明度が高いです。透明性・透過性の優秀さは、光学機器や紫外線処理装置、光ファイバーなど、光を利用する種々のアプリケーションで石英管が活用される理由となっています。耐熱性や化学的安定性も併せ持つため、特殊環境下における反応プロセス等を監視・観察する必要がある場合に有用です。

化学的安定性

石英ガラスは非常に高い化学的安定性・耐薬品性を持っています。そのため、石英管にも酸やアルカリに対する耐性があり、腐食や化学反応が起こりにくいです。化学実験で使われる試験管などは、この特性を活用している代表例です。化学反応器や分析装置のような化学薬品を取り扱うアプリケーションにおいて、石英管は不可欠な材料といえるでしょう。その他の用途であっても、石英管の化学的安定性は製品の耐久性に好影響を与えます。

電気絶縁性

石英ガラスは優れた電気絶縁体であり、常温における固有抵抗は通常のガラスの100倍以上です。特に高温環境で使用される高周波・高電圧用の電気絶縁材料として活用するケースがあります。したがって、石英管は電気絶縁が求められる高電圧機器や電子機器、電気化学的プロセスに関わる部品として有用な選択肢となります。また、高い電気絶縁性は接触による感電事故の発生を防ぐため、使用者の安全性を高める上でも重要な特性です。

炉心管とは

炉心管は反応管、燃焼管、焼成管とも呼ばれ、試料の燃焼や反応を行う容器、特定の雰囲気下での焼成や反応を行う装置、高温環境での耐熱保護チューブとして使用されます。元素分析のために試料を燃焼させたり、試料成分が周囲に付着することを防いだりするのが目的です。

石英管やセラミック管、メタル管などの材質があり、試料の性質や実験の目的に応じて選択されます。いずれも高温での使用に適しており、外部から加熱されることで内部が炉の役割を果たします。大きな炉や窯での支持、耐熱保護チューブ、ガス・石油炉のバーナー孔としての活用も可能です。

電気炉では、炉心管を使って特定の雰囲気で焼成する方法もあります。1000℃以下の場合は透明石英管を、1000℃以上ではセラミックス管（高純度のアルミナ管）を使用するのが一般的です。大型の炉心管の場合、急激な熱変化によって破損する可能性があるため、十分に時間をかけて昇温・冷却する必要があります。

炉心管としての石英の役割

炉心管として石英が選ばれる主な理由は、その耐熱性と透明性にあります。高い透過率を持ちながら、1000℃近くの高温まで耐えられる物質は非常に有用かつ貴重です。さらに放射線への耐性は、特定の研究用途や産業用途において重要な役割を果たしています​​。以下、石英炉心管における、高温耐性、耐放射線性、透明性による測定について解説します。

石英の高温耐性

石英は、高温での使用に非常に適しています。石英炉心管は、一般的に最大1000℃の温度環境で使用可能です。一部の製品では1100℃、短時間ならば1200℃まで耐えられるケースもあります。この卓抜した高温耐性は、石英ガラスの溶融温度が1723℃と高く、かつ、熱膨張率（10-7/℃）も5.5と小さいことによるものです。すなわち「熱を加えても非常に溶けにくく、ほとんど変形しない」ことを意味します。1時間あたり100℃以下の温度上昇であれば、熱ショックによる損傷を心配する必要はありません。

石英の耐放射線性

石英ガラスは、放射線に対しても高い耐性があります。石英が高純度で作られていて、不純物をほとんど含有していないためです。一般的なガラスの場合、強い放射線にさらされると着色が起こって透明性が失われるなど、本来の機能が失われてしまいます。石英管であれば、原子炉内や宇宙空間といった放射線環境下でも炉心管の性能が維持されます。

石英の透明性による測定

石英ガラスの優れた透明性は、炉心管として利用する場合に内部状態を観察する上で非常に役立ちます。高い透過率のおかげで赤外線エネルギーを捉えることができ、非接触で炉内のワーク温度を測定することも可能です。

ただし、石英管は「失透」が起こりうることに注意しなければなりません。失透とは管の透明性が失われてしまうことで、1150℃以上の高温使用をおこなっている場合や、ナトリウム（Na）やカリウム（K）、カルシウム（Ca）が付着した場合に発生します。透明性を取り戻すには、石英管の焼き上げ、または付着物の洗浄をおこなう必要があります。

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