JP2003504827A - セラミックのマイクロ波乾燥方法 - Google Patents

セラミックのマイクロ波乾燥方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、連続処理マイクロ波空洞（２２）内にマイクロ波パワーを向けるためのパワー調整可能なマイクロ波発生源（１１）を備えた、セラミックのマイクロ波加熱装置および方法に関するものである。この装置はさらに、マイクロ波空洞に送られるパワーを可変制御するためのマイクロ波パワー制御システム（５５）を含む。反射パワー検出器が空洞からの反射パワーの値を測定し、この反射パワー出力値を予め設定された反射出力値と比較して、測定反射値と設定反射値との差を表す出力信号を発生する。上記システムの第２の構成要素は、上記反射パワー検出器からの出力信号を受けて、上記反射パワー出力信号が上記予め設定された出力信号値に保たれるか、あるいは近くなるように、上記調整可能なマイクロ波のパワーを調整するマイクロ波パワー制御器からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本願は、１９９９年７月７日付けでCarlos R.Arayaによって提出された米国仮
特許出願第６０／１４２６１０号「セラミックのマイクロ波乾燥法」の優先権を
主張した出願である。
【０００２】発 明 の 背 景 １．発明の分野 本発明は、セラミック材料の製造法に関するものである。特に本発明は、セラ
ミックのマイクロ波加熱および乾燥方法に関し、さらに、パワーおよび加熱／乾
燥速度を可変的および効率的に制御する方法に関するものである。
【０００３】 ２．関連技術の説明 セラミック材料の製造においては、ガスの対流による、またはガスの対流と輻
射または電気的な抵抗加熱との組み合わせによる従来の加熱または乾燥法が一般
に用いられている。しかしながら、これら従来の加熱法に伴う緩慢な加熱速度お
よび貧弱な温度制御が、高いエネルギー消費と製品品質の不揃いとを招いている
。さらに、これら二つの加熱モードが、材料の表面にのみ加えられ、かつセラミ
ック体の熱伝導性に依存して表面下から中心部まで発熱させるという事実によっ
て、これら二つの加熱モードを用いると、一般にセラミック体内で温度差が生じ
る。
【０００４】 通常のセラミックの乾燥を促進させるために、マイクロ波照射による加熱が工
業的にたくみに使用されてきた。マイクロ波加熱は、従来の加熱法に比較すると
、より良好な温度制御をもって十分に熱を吸収させるので、加熱速度が速く、そ
の結果、エネルギー消費が低く、より優れた製品が得られる可能性を秘めている
。さらに、マイクロ波エネルギーを利用すると、上述した対流と輻射による加熱
モードを用いた物品表面の加熱でなく、セラミック物品に対し一様にエネルギー
を印加することができる。最後に、マイクロ波加熱は、マイクロ波エネルギーと
セラミック体との相互作用によってセラミック体を直接的に加熱するために、従
来の乾燥法よりも遥かに乾燥速度が速い。
【０００５】 マイクロ波加熱は、対流加熱および輻射加熱のような従来の加熱法よりもより
高速でより効率的ではあるけれども、標準的なマイクロ波加熱は、一定のパワー
設定値を用いて、セラミック体が受けるマイクロ波の量を決定するマイクロ波エ
ネルギーを制御する必要がある。一般的には、このパワー出力は、反射パワーが
製造者が定めた規格を決して超えないことを保証するような値に、すなわち一定
の負荷と材料の誘電特性を想定したパワー出力に設定される。マイクロ波加熱を
制御するためのこの従来の方法を用いると、残念ながら、マイクロ波にさらされ
る材料に質量（装填量）の変化、または装填物の誘電特性の変化、または寸法お
よび密度の変化（すなわち高さまたは長さの変化）を補償することができない。
その結果、マイクロ波加熱は、加熱中の種々の時点におけるパワー入力が、セラ
ミック負荷が取り扱うことが可能なパワー入力よりも遥かに低いために非能率で
ある。この非能率性は、電流乾燥工程を乾燥機器の能力に合わせる、すなわち乾
燥されるべき材料の滞留／乾燥時間を長くすることを余儀無くされ、これによっ
て、乾燥されるべき材料の処理量を制限し、多くの場合、処理された材料内に欠
陥を生じることになる。要するに、従来のマイクロ波乾燥は、機器を非能率なパ
ワーレベルで用いるか、あるいは高反射パワーでの動作により磁電管の寿命を縮
めるパワーレベルで用いるかを余儀無くされる。
【０００６】 ＰＣＴ出願公開第９３／１２６２９号には、セラミック材料の加熱において熱
的暴走を阻止し、かつマイクロ波の効率を高める方法が開示されている。そこに
開示された装置は、マイクロ波共振空洞と、マイクロ波を発生させるための磁電
管と、この磁電管のパワーを一定に保つ手段とを、温度制御システムと、特に光
ファイバ高温測定システムと半導体制御回路とを含む手段とともに備えている。
この「マイクロ波パワーの制御手段」では、セラミック部材の温度設定値と、セ
ラミック部材の温度の測定値との間の差に応じて、磁電管のパワーを制御してい
る。この装置は、温度パラメータに応じたマイクロ波エネルギーの可変パワー源
を備えてセラミックの温度を制御し、熱的暴走を阻止してはいるものの、依然と
して不十分である。特に、光ファイバ高温測定器を用いた温度制御システムの使
用は、単にセラミックの外表面温度を測定するのみで、セラミックの芯部の温度
の測定は不可能である。セラミックの表皮部分と芯部分との間の温度差が増大す
ると、最終的に製品に応力が生じ、乾燥が不均一になり、ひび、ふくれ、および
／または亀裂のような欠陥が生じる可能性がある。
【０００７】発 明 の 概 要 したがって、本発明は、対流加熱および輻射加熱の欠点のみでなく、従来のマ
イクロ波加熱の欠点をも克服した、効率的かつ効果的にセラミックをマイクロ波
加熱する装置および方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】 本発明の第１の態様では、連続処理マイクロ波空洞内にマイクロ波パワーを向
けるためのパワー調整可能なマイクロ波発生源を備えた、セラミックのマイクロ
波加熱装置が提供される。この装置はさらに、マイクロ波空洞に送られるパワー
を可変制御するためのマイクロ波パワー制御システムを含む。このシステムの第
１の構成要素は、空洞内のセラミック材料から反射されたマイクロ波パワーを検
出するための反射パワー検出器からなる。この反射パワー検出器は、空洞からの
反射パワーの値を測定し、この反射パワー出力値を予め設定された反射出力値と
比較して、測定反射値と設定反射値との差を表す出力信号を発生する。上記シス
テムの第２の構成要素は、上記反射パワー検出器からの出力信号を受けて、上記
反射パワー出力信号が上記予め設定された出力信号値に保たれるか、あるいは近
くなるように、上記調整可能なマイクロ波のパワーを調整するマイクロ波パワー
制御器からなる。
【０００９】 本発明の第２の態様は、連続処理マイクロ波空洞を備えたマイクロ波加熱装置
内にセラミック材料を配置し、パワー調整可能なマイクロ波発生源からの電磁マ
イクロ波放射に伴う熱エネルギーの放射によって、セラミック材料を所定の初期
量熱エネルギーにさらすことからなるセラミック材料の乾燥方法を含む。この方
法はさらに、マイクロ波空洞内に収容されたセラミック材料の反射マイクロ波パ
ワー出力信号を連続的に測定し、反射マイクロ波パワー出力信号が予め設定され
た反射マイクロ波パワー値に保たれるように、セラミック材料がさらされるマイ
クロ波放射量を連続的に制御することを含む。
【００１０】発明の実施の形態 図１を参照すると、本発明による加熱装置が示されている。この装置は、空洞
共振器すなわちマイクロ波加熱室２２と、マイクロ波パワーを連続的に制御かつ
調節するためのマイクロ波パワー制御システム３３に直接または間接的に結合さ
れた可変マイクロ波発生源１１とを備えている。上記制御システム３３は、反射
出力検出器４４と、半導体制御回路を備えたマイクロ波パワー制御器５５とから
なる。空洞共振器２２は、大量のセラミック６６が共振器の内部を連続的に通過
して加熱され乾燥されるように構成され、すなわち連続処理マイクロ波空洞を形
成している。
【００１１】 好ましい実施の形態においては、空洞共振器すなわちマイクロ波加熱室が、所
定の周波数範囲において多数の共振モードを支える多モード式で、より好ましい
実施の形態においては、上記加熱室がモードスターラ（mode stirrer）を備えて
マイクロ波加熱室内部における電場分布を一様にする。さらに。上述の空洞共振
器すなわちマイクロ波加熱室およびパワー制御システムが、１９９９年７月７日
付けでCarlos R.Arayaによって提出された同時係属の米国仮特許出願第６０／１
４２６０９号において、より詳細に記載された加熱装置全体の一部であることが
好ましい。
【００１２】 上述のように構成された装置の動作においては、マイクロ波パワーが空洞共振
器２２に入力して、空洞共振器２２内を通過する大量のセラミック６６を加熱す
る。この、セラミックの加熱／乾燥により、空洞共振器内のセラミックの誘電特
性が変化する。一般的に、コージエライトおよび／またはムライト等のような特
殊なセラミックは、加熱されるとそれらの誘電率および誘電損失が増大する。特
に、セラミック体が乾燥されるにつれて水分を失い、温度が上昇する。さらに、
空洞共振器内のセラミック全体の質量（すなわち密度）は、セラミック物品が共
振器内に入出するにつれて変化（増減）する。これら二つの要因は組み合わせら
れて、空洞共振器内のセラミックの誘電率（すなわち誘電損失）の変化を生じる
。空洞共振器内のセラミックの誘電特性の変化は、吸収されるマイクロ波パワー
の量の変化に直接的に影響し、空洞共振器内のセラミック塊から放出される反射
パワーが変化する。この変化の直接の結果は、上記空洞に送ることができるマイ
クロ波パワーもまたそれに応じて変化することである。換言すれば、反射される
パワー信号は、事実上、全体の密度、誘電率、および連続的に変化する負荷の損
率の状態を表す標識である。
【００１３】 それ故に、本発明の第１の態様を構成する装置は、反射パワー検出器４４とマ
イクロ波パワー制御器５５とからなる上述したマイクロ波パワー制御システム３
３をさらに備えている。マイクロ波パワーは空洞２２内に注入されてセラミック
材料６６を加熱し、共振器内に配置された加熱されたセラミックの状態が測定さ
れ、反射されたマイクロ波の量が反射パワー検出器４４によって検出される。反
射されたパワーの値は、反射パワー検出器に内臓された、あるいは反射パワー検
出器に接続されたコンピュータに与えられ、コンピュータは測定された反射パワ
ーの値を予め設定された反射パワー値と比較して、もし、測定された反射パワー
信号と予め設定された反射パワー値との間に差があることが算出された場合には
出力制御信号を発生する。さらに詳細に言えば、反射パワー検出器は、上記空洞
に結合された導波路を通じて反射パワー信号を検出する方向性結合器を備えてい
る。方向性結合器は０〜１ｍａの信号をトランスデューサに送信し、をトランス
デューサは，プログラム可能論理制御装置またはコンピュータによって処理する
ために、上記信号を４〜２０ｍａに変換する。
【００１４】 １個以上の半導体装置を有するマイクロ波パワー制御器５５内の電子回路は、
マイクロ波空洞に送られるマイクロ波エネルギーのパワーを所望に制御する。一
つの実施の形態においては、上記マイクロ波パワー制御器５５内の半導体装置が
、磁電管に供給される電圧を制御することができるＳＣＲ制御回路（図示せず）
である。もし測定値と設定値との間に差が存在する場合には、出力制御信号がマ
イクロ波パワー制御器のＳＣＲ制御回路に送られる。ＳＣＲ制御回路は、反射パ
ワー検出器４４から供給される信号に従って可変マイクロ波パワー発生源１１の
電圧を制御する。調整可能なマイクロ波パワー発生源１１すなわち磁電管によっ
て放射されるエネルギーが、空洞２２内のセラミック塊の反射パワーに間接的に
変換されるので、磁電管によって発生されるエネルギーの変化は、即時に、空洞
２２内のセラミック６６の塊によって生じる反射パワーの変化を生じさせる。し
たがって、磁電管への供給電圧を変えることにより、磁電管はマイクロ波エネル
ギーの可変パワー発生源を効果的に提供し、その結果、空洞内のセラミック塊の
反射パワーが、何時の時点においても、予め設定された反射マイクロ波パワーに
保たれる。
【００１５】 好ましい実施の形態においては、反射パワー信号値が、予め設定された上限値
および下限値を有する反射出力信号と比較される。本実施の形態においては、マ
イクロ波パワー制御器がマイクロ波パワーを制御することにより、反射パワー出
力信号が予め設定された反射出力信号の上限値および下限値の間の範囲に維持さ
れる。いずれの実施の形態においても、予め設定された反射値は、装置内で用い
られる磁電管の全パワー出力の約１０％の値であり、この値は磁電管製造者によ
って規定された典型的／標準的な安全量である。標準的なマイクロ波／磁電管に
おいては、この予め設定された値／範囲が１．５ｋＷから２．５ｋＷまでの間で
ある。
【００１６】 マイクロ波の発生に用いられるマイクロ波発生源は、一般のパワー調整式磁電
管で構成することができる。入射マイクロ波の周波数は約１ＧＨｚよりも高いこ
とが好ましく、米国における工業用帯域として定められている約１ＧＨｚと２．
４５ＧＨｚの間の範囲がより好ましい。他国では、１００ＭＨｚから１００００
ＭＨｚまでの波長が用いられる。さらに、入射マイクロ波のパワーは、上述のよ
うに、セラミック物品を乾燥させるために効果的な温度にセラミック物品の温度
を上昇させるのに十分なパワーよりも大きくないことが必要である。さらに詳細
には、マイクロ波のパワー源が１ｋＷから７５ｋＷまでの間の可変パワーレベル
範囲を持っていなければならない。この形式の磁電管は、セラミック体内に十分
な熱を発生させて温度を急速に、例えば１分から１０分の間に約１５０℃までの
乾燥レベルに上昇させることができる。
【００１７】 図２は、セラミック材料の乾燥法を示すフローチャートである。この方法は、
最初に、パワー調整が可能なマイクロ波発生源からの電磁マイクロ波放射をセラ
ミック材料に当てることによって、セラミック材料を予め設定された初期量の熱
エネルギーにさらすことを含む。セラミック材料がさらされるべき初期量の熱エ
ネルギーは、セラミック物品を妥当な時間内に乾燥させるのに効果的な温度にセ
ラミック物品の温度を上昇させるのに十分なマイクロ波放射量とすべきである。
本発明の方法は、セラミック体が加熱される際に、セラミック材料の反射パワー
出力信号を連続的に測定し、かつマイクロ波放射量を連続的に制御することを含
み、これにより、反射パワー出力信号は予め設定された反射パワー値に保たれる
。本発明の方法は、空洞内に入った最後のセラミック体が乾燥器で処理されて乾
燥されるまで継続する。
【００１８】 妥当な時間内に、すなわち各セラミック体について妥当な乾燥サイクルでセラ
ミック物品を乾燥させるのに必要なマイクロ波放射量は、当業者の知識の範囲内
である。セラミックの組成、セラミック体の寸法、乾燥器の能力を含む諸要因は
、妥当な乾燥サイクルを達成するのに十分な乾燥工程のパラメータを設定する場
合に考慮される。例えば、長さ７インチ（１７．８ｃｍ）、直径３．８６６イン
チ（９．８ｃｍ）の寸法を有し、セル壁の厚さ２．０ミル（５０μｍ）、１平方
インチ当り９００個（１ｃｍ２ 当り１４０個）のセルを備えた円筒状薄壁セラ
ミック体に、初期パワー５０ｋＷ、３５ｋＷから６０ｋＷまでの間の範囲で９１
５ＭＨｚのマイクロ波放射を行なうと、乾燥サイクルは５分を超えることはない
。
【００１９】 ここに記載された方法は、薄壁セラミック体の乾燥に用いるのに特に適してい
る。ここで用いられている乾燥とは、セラミック体の液体含有分を所望の値に低
減させることであり、この乾燥は、セラミック物品を、何等の損傷あるいは容認
できない変形をも伴うことなしに取り扱うことができる程度にまで行なうことが
好ましい。例えば、取り扱いのために十分に乾燥された乾燥物品である薄壁円筒
体形式のセラミック物品は、最初の生地状態における水分の５％未満、好ましく
は１％未満しか含まないセラミック物品である。
【００２０】 以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施
の形態に限定されるものではなく、請求項の範囲内で種々の形態が実施可能であ
る。
【００２１】 本発明が特定の実施の形態に関して詳細に説明されたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、添付の請求の範囲の精神から離れることなしに、種々の変
形が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示す装置のブロック図
【図２】 本発明による乾燥方法を示すフローチャート
【符号の説明】
１１ パワー調整可能なマイクロ波発生源 ２２ 空洞共振器（マイクロ波加熱室） ３３ マイクロ波パワー制御システム ４４ 反射パワー検出器 ５５ マイクロ波パワー制御器 ６６ セラミック材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K086 AA06 AA09 BA08 CA20 CB20 CC02 CD07 CD26 DA11 DB11 DB17 3K090 AA07 AA11 AB09 AB13 BA01 BB01 CA01 CA19 EB14 3L113 AA03 AC12 BA01 CA10 DA10 DA24

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックが内部に配置されかつ加熱されるマイクロ波空洞
    と、該マイクロ波空洞内にマイクロ波パワーを向けるためのパワー調整可能なマ
    イクロ波発生源と、マイクロ波パワー制御システムとを備えた、セラミックのマ
    イクロ波加熱装置であって、 前記マイクロ波パワー制御システムが、 （１）前記空洞から反射されるマイクロ波パワーを検出し、該測定された反射
    マイクロ波パワー値を、予め設定された反射マイクロ波パワー出力値と比較し、
    前記測定された反射パワー値と前記予め設定された反射マイクロ波パワー値との
    間の差を示す出力信号を発生する反射パワー検出器と、 （２）該反射パワー検出器からの前記出力信号を受けて、前記反射パワー出力
    信号が前記予め設定された反射マイクロ波パワー値に保たれるように、前記マイ
    クロ波のパワーを調整するマイクロ波パワー制御器と、 を備えていることを特徴とする前記装置。
  2. 【請求項２】 前記反射パワー検出器が、前記測定された反射マイクロ波パ
    ワー値を、上限設定値と下限設定値とを有する予め設定された反射マイクロ波パ
    ワー出力値と比較し、前記マイクロ波パワー制御器が、前記予め設定された反射
    マイクロ波パワーの上限設定値と下限設定値との間の値に保たれるように、前記
    マイクロ波のパワーを調整することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記マイクロ波空洞が連続処理空洞であることを特徴とする
    請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 セラミック材料の乾燥方法であって、 マイクロ波空洞を備えたマイクロ波加熱装置内にセラミック材料を配置し、パ
    ワー調整可能なマイクロ波発生源からの電磁マイクロ波放射に伴う熱エネルギー
    の放射によって、前記セラミック材料を所定の初期量熱エネルギーにさらし、そ
    の場合、前記熱エネルギーの初期量は、セラミック物品の温度を該セラミック物
    品を乾燥させるのに有効な温度にまで上昇させるのに十分なマイクロ波放射量で
    あり、 前記セラミック材料の反射マイクロ波パワー値を連続的に測定し、該測定され
    た反射マイクロ波パワー値が予め設定された反射マイクロ波パワー値に保たれる
    ように、マイクロ波放射量を連続的に制御する、 ことを特徴とする前記方法。
  5. 【請求項５】 前記反射パワー出力値が、予め設定された反射マイクロ波パ
    ワーの上限値と下限値との間の範囲内に保たれることを特徴とする請求項４記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 前記マイクロ波が、連続処理マイクロ波であることを特徴と
    する請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記予め設定された反射マイクロ波パワー出力値が、前記パ
    ワー調整可能なマイクロ波パワー発生源の全体の最大パワー出力の約１０％であ
    ることを特徴とする請求項４記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記セラミック物品が、該物品を乾燥させるのに十分な時間
    放射を受け、これにより、未焼成状態における水分の少なくとも約９５％が除去
    されることを特徴とする請求項４記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記セラミック物品が、該物品を乾燥させるのに十分な時間
    放射を受け、これにより、未焼成状態における水分の少なくとも約９９％が除去
    されることを特徴とする請求項４記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記パワー調整可能なマイクロ波発生源の最大パワーは、
    約１ｋＷを超えるが約７５ｋＷ未満未満であることを特徴とする請求項４記載の
    方法。
  11. 【請求項１１】 前記セラミック物品がさらされるマイクロ波エネルギーの
    周波数が約１．０ＧＨｚよりも高いことを特徴とする請求項４記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記セラミック物品がさらされるマイクロ波エネルギーの
    周波数が約２．４５ＧＨｚであることを特徴とする請求項４記載の方法。
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