JP2004526649A5

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Publication number: JP2004526649A5
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Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2021-12-20

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セラミックを処理するための装置及び方法

関連出願の参照

本出願は、アラヤ(Araya)により、２０００年１２月２９日に出願された、名称を「セラミックを処理するための装置及び方法」とする米国仮特許出願第６０/２５８,９４４号の恩典を請求する。

本発明はセラミック材料を処理するための装置及び方法に関する。特に、本発明はマイクロ波加熱及び従来法加熱の組合せを含むセラミック材料を処理するための装置及び方法に関し、さらに詳しくは、セラミック材料全体にわたりマイクロ波パワーを一様に分配するためにスロット付導波管を通るマイクロ波パワーの電磁場密度を調整し、ウエアによって吸収されるパワーを最大化し、ウエアの周囲環境によるパワー吸収を最小化するための装置及び方法に関する。

セラミック材料の製造に用いられる従来法加熱は一般に、熱輻射ガス炎、電気抵抗加熱等を利用する。従来法加熱を利用すると、一般に、セラミック材料内に温度差が生じる。この差は、一部には、輻射加熱は材料表面にしか与えられず、熱エネルギーのセラミックピース表面下及び内部までの伝達は、一般に不良の、材料の熱伝導度に依存することによる。言い換えれば、従来法加熱は熱伝達を伴う。熱伝達は、表面への輻射または対流、続いて表面からセラミック体内部への伝導により主として達成される。過大なコア−表面温度差が生じると、セラミック材料の内部クラック発生及び歪みがおこり得る。高速焼成は上記の熱伝導不良問題、及び最終的なクラック発生問題をさらに悪化させる。

さらに、コア−表面温度勾配の存在により不等焼結、具体的には、内部焼結に先立つ、内部焼結より高速の表面焼結、もおこり得る。この結果、セラミック材料は不均一な特性を示すことがある。

加熱速度を低下させることまたは一定の温度での長時間保持を可能にすることを含む、上記問題の解決策が提案されている。これらの解決策のそれぞれは、セラミック材料のコアへの熱エネルギー伝達を可能にし、続いて、セラミック材料のコア温度が表面温度に“追い付く”ことを可能にし、よって表面／コア温度差を最小限に抑えるものである。しかし、残念なことに、従来法加熱の理論的限界により、一般に、寸法の小さいセラミックピースを除き、ほとんどのセラミック材料は加熱速度がゆっくりとなる。

これに代わるものとして、セラミックのマイクロ波加熱がセラミック材料の焼成に用いられ、成功している。従来法加熱と比較すると、マイクロ波加熱は体積加熱機構によるセラミック材料内へのエネルギーの直接注入を伴う。さらに詳しくは、マイクロ波エネルギーの利用はセラミック品の表面にではなく全断面へのエネルギー供給を含む。セラミック材料のマイクロ波加熱は、上記の体積加熱のため、従来法加熱よりかなり高速であるが、単独で使用されると、従来法加熱と同様に、セラミック品のコアが表面温度より高い温度を示すという逆の温度差ではあるが、セラミック品に温度差を生じさせる。詳しくは、セラミック材料がマイクロ波により加熱されて高温に達すると、セラミック品の内部がかなりの量のマイクロ波エネルギーを極めて急速に吸収し始める。この効果は熱暴走として知られる。

セラミック材料の表面はコアとともに加熱されるが、表面は、一般にはセラミック材料の平均温度より低温の、周囲環境にかなりの熱エネルギーを急速に散逸させる。コアが優先的にマイクロ波エネルギーを吸収し始めると、この熱暴走現象は自走性になる。簡単にいえば、セラミック材料の温度が上がると熱散逸が大きくなり、コア−表面温度差が大きくなって、やはりセラミック品内に熱応力が生じ、最終的にクラックが発生する。

セラミック品の表面からの熱散逸に加えて、窯内のマイクロ波分布の非一様性及びセラミック品の不均一な材料特性が、セラミック品によるマイクロ波の不等吸収を生じさせ、マイクロ波加熱温度差を生じさせる一因となる。

従来法単独加熱及びマイクロ波単独加熱の問題を克服するため、マイクロ波／従来法ハイブリッド加熱すなわちマイクロ波補助加熱が代替として提案されている。マイクロ波加熱及び従来法加熱のいずれをも含むマイクロ波補助加熱においては、マイクロ波により提供される体積加熱がセラミック品を加熱し、同時に、ガス炎または電気抵抗加熱素子により提供される従来法加熱がセラミック品の表面及びその周囲環境に熱を供給することにより表面からの熱散逸を最小限に抑える。上記の組合せのハイブリッド加熱により、従来法単独焼成及びマイクロ波単独焼成にともなう温度プロファイルを回避する加熱を得ることができる。この結果、熱応力を低減及び／または最小化することができ、よってセラミック品をより急速に加熱できる。

様々な実施方法が提案されてきたが、セラミック品の最適な一様加熱を達成するためにマイクロ波パワーの入力と従来法のパワーの入力のそれぞれを調和させることは困難であり得る。マイクロ波補助セラミック焼成の標準的な制御方法に関する様々な形態が、特許文献１，特許文献２及び特許文献３に開示されている。これらの文献は概ね、セラミック品を収めている外囲器内の雰囲気温度を測定することによって、マイクロ波エネルギー及び輻射熱によりセラミック品に生成される熱の量を別々に制御する方法を開示している。セラミック品に生成される熱は、この雰囲気温度測定に基づき、応答して、マイクロ波エネルギーまたは輻射熱の一方または両方により制御される。このタイプの制御方法は以前の従来型制御方法に勝る改善ではあるが、窯ガスの不均一混合及びセラミック材料内でおこる化学反応の効果のため、セラミック品の表面温度及び内部温度の正確な予測が困難になる。

加熱の一様性は工業的に適用されるほとんどの熱処理において最大の重要事である。一般に、生産性を高めるために、窯内で複数のセラミック品が何層にも積み重ねられる。これは、それぞれのセラミック品が適切に焼成されることを保証し、よって、焼け、クラック発生またはその他の望ましくない結果を確実に回避するための、窯内の適切な量の熱エネルギーの一様分布の重要性を高める。一様分布は、クラックの無いウエアを工業規模の量及び許容プロセス歩留で生産するためには加熱応力が最小に維持されなければならない比較的脆弱な薄壁セラミックハニカム構造の生素地の場合に、特に重大である。

マイクロ波パワーの分散を改善するための方法には、導波管の末端での、またはマイクロ波キャビティの別の部分におけるスターラーの使用がある。マイクロ波ポートの前面に配されたスターラーは、パワー分布を乱雑化するに役立つが、高反射及びこの反射パワーの起こし得る損失を最小限に抑えるために導波管に同調器を付加する必要、並びに高温環境で可動部品を保守する必要など、別の問題をともなう。

スターラー使用の代わりには、パワーをより均等に分布させようとする複数本の導波管及びスロット付導波管の使用がある。しかし、これまでのところ、当技術には、それぞれのセラミック品またはウエア部分によるパワー吸収を高めることができる、マイクロ波加熱パワーの所望通りに一様分布させる窯構成が欠けている。

特許文献４は、レーダーシステムで普通に用いられているような、スロット付導波管型ビーム形成アンテナアレイに関する。この導波管アレイの目的はスロットアレイ開口から複数のビームをつくることである。結合スロットを有する２本の導波管が、レーダー用途のための個別ビームを形成するために共通の境界で結合される。セラミックを処理するための窯において一様な加熱パターンを提供するためには、ビーム分割は有用ではない。
国際公開第９５/０５０５８号パンフレット国際公開第９３/１２６２９号パンフレット米国特許第５１９１１８３号明細書米国特許第４１６４７４２号明細書エム・ジェイ・ホワイト(M. J. White)，エム・エフ・イスカンデル(M. F. Iskander)及びゼット・ファン(Z. Huang)著，「誘電体横断能力をもつ新しい３ＤＦＤＴＤ複格子手法(A new 3D FDTD Multigrid Technique with Dielectric Traverse Capabilities), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，２０００１年３月，第４９巻，第３号，ｐ.４２２−４３０エム・ジェイ・ホワイト，エム・エフ・イスカンデル及びゼット・ファン著，「３次元応用のための複格子ＦＤＴＤコード開発(Development of a Multi-Grid FDTD Code for Three Dimensional Applications)」, IEEE Transactions on Antennas and Propagation，１９９７年，第４５巻, 第１０号, ｐ.１５１２−１５１７

したがって、本発明の一態様は、上述のシステムの欠点を克服する、セラミックの加熱に利用されるマイクロ波加熱と従来法加熱の複合システムにおけるマイクロ波の一様分散のための装置及び方法を提供することである。

本発明の別の態様にしたがえば、複数のセラミック品を含むセラミック材料を処理するためマイクロ波キャビティを有するマイクロ波加熱装置内にセラミック材料を配置する工程を含む方法が提供される。

セラミック材料がマイクロ波放射と従来法の熱の組合せに曝される。少なくとも１本のスロット付導波管、好ましくはスロット付導波管アレイ、最も望ましくはスロット付分岐導波管を介してセラミック材料にマイクロ波放射を印加することにより変形及びクラック発生を回避するように、セラミック材料の処理の一様性が制御される。１本または複数本の導波管は、マイクロ波キャビティ全体にわたりマイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように構成される。

分布の一様性は、キャビティ内の第１の位置にあるセラミック品に送出されるマイクロ波パワーとキャビティ内の第２の位置にあるセラミック品に送出されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差が、静止システムにおいて測定して、約２５％をこえないような一様性である。さらに、パワー分布の上記の一様性は、マイクロ波キャビティ内のセラミックウエアへのパワー入力が１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２に等しいかまたはこれをこえるレベルにおいて維持される条件下で保たれる。

本発明の別の態様にしたがえば、マイクロ波キャビティに通じる従来法熱源を備える装置が提供される。少なくとも１本のスロット付導波管を介してマイクロ波パワー源がマイクロ波キャビティに通じる。マイクロ波キャビティ内のセラミック材料へのマイクロ波パワーが約１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差が、静止システムにおいて測定して、約２５％をこえないように、少なくとも１本のスロット付導波管がマイクロ波キャビティ全体にわたりマイクロ波放射を実質的に一様に分布させる。

本発明は、マイクロ波キャビティを有するマイクロ波加熱装置内にセラミック材料を配置する工程、セラミック材料をマイクロ波放射及び従来法の熱の組合せに曝す工程、及び、セラミック材料に入るマイクロ波パワーが約１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差が、静止システムにおいて測定して、約２５％をこえないように、マイクロ波キャビティ全体にわたりマイクロ波放射を実質的に一様に分布させる、少なくとも１本のスロット付導波管を介してセラミック材料にマイクロ波放射を印加することにより変形及びクラック発生を回避するようにセラミック材料の処理の一様性を制御する工程を含む、セラミック材料を処理するための方法に関する。

本発明の方法によれば、セラミック材料に入るマイクロ波パワーは約１７×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差は約２２％をこえないことが好ましい。

本発明の方法によれば、セラミック材料に入るマイクロ波パワーは約１７.５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差は約１７％以下であることがさらに好ましい。

別の実施形態において、本発明は、マイクロ波キャビティと通じる従来法熱源；及び、マイクロ波キャビティ内のセラミック材料に入るマイクロ波パワーが約１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差が、静止システムにおいて測定して、約２５％をこえないように、マイクロ波キャビティ全体にわたりマイクロ波放射を実質的に一様に分布させる、少なくとも１本のスロット付導波管を介してマイクロ波キャビティに通じるマイクロ波パワー源を備える、装置に関する。

本発明の装置によれば、セラミック材料に入るマイクロ波パワーは約１７×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差は約２２％をこえないことが好ましい。

本発明の装置によれば、セラミック材料に入るマイクロ波パワーは約１７.５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、キャビティ内の第１の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーと第２の定められた領域にあるセラミック材料に供給されるマイクロ波パワーとの間の最大パワー差は約１７％以下であることがさらに好ましい。

本説明の目的のため、静止システムとは、ウエアが加熱中に移動せず、加熱中のマイクロ波キャビティ内に、スターラー、ターンテーブル、移動アンテナ等の、可動機械部品がない、加熱システムをいう。本発明はその適用において静止システムに限定されないが、静止システムでとられるマイクロ波パワー測定値は、様々な導波管構成及びハイブリッド窯構造の間の入力パワーレベル及びマイクロ波電磁場一様性の比較の目的に有用である。

スロット付導波管はスロットがつけられた形状を有するマイクロ波放射分配装置であり、スロットにより、マイクロ波放射の導波管の側面を通る装置内への脱出、輻射及び／または漏洩が可能になる。

本発明にしたがうマイクロ波を発生するために用いられる発生器源は、パワー調節能力をもつ通常のどのようなマグネトロンでも構成でき、あるいはその他のマイクロ波源で構成できる。用いられる入射マイクロ波の周波数は、使用国において指定された工業／科学／医療(“ＩＳＭ”)帯、例えば米国については約９１５ＭＨｚまたは２.４５ＧＨｚであることが好ましい。他国においても、同様の周波数が指定ＩＳＭ帯である。入射マイクロ波パワーは、セラミック品の加熱に有効な温度までセラミック品の温度を上げるに十分なパワーより大きい必要はない。具体的には、それぞれのマイクロ波発生器は約１００ｋＷまでの範囲でレベルが可変のパワーを有するべきである。

典型的システムでは、セラミック品の表面温度及びセラミック品の中心近傍の温度、すなわちコア温度のいずれをも測定できる温度測定システムが制御ユニットに接続される。制御ユニットはマイクロ波パワー源／制御器及び従来法熱源／制御器を独立に制御する。制御ユニットは、プログラマブルロジックコントローラ(“ＰＬＣ”)とコンピュータの組合せを備えることが好ましい。温度測定システムにはセラミック品の表面温度もコア温度も測定できる温度センサが組み込まれる。本明細書で用いられるコアという術語は特定のセラミック品の中心または中心近傍におけるセラミック品の内部部分を指すが、コア温度はコア温度を正確に反映する位置であればセラミック品内部のどこででも測定することができる。適するセンサには、例えば、高温計(またはその他のサーモグラフィ装置)、保護管付熱電対、ライトパイプまたは黒体プローブがある。好ましい実施形態では、センサは、接地された白金またはその他の導電性耐熱保護管に収められた、接地されていないタイプＳまたはタイプＢ熱電対の形態にある前方伸長型温度プローブを備える、保護管付熱電対からなる。

商用運用時、セラミック材料は、コア温度及び表面温度を制御するために、電磁マイクロ波放射及び従来法の熱の両者によって処理される。セラミック品はマイクロ波キャビティを有するマイクロ波加熱装置内に配置され、マイクロ波放射及び従来法の熱の制御された組合せがセラミック品に加えられる。マイクロ波放射及び従来法の熱の量はセラミック品があらかじめ定められた時間−温度プロファイルにしたがって加熱されるような量である。室温から均熱焼結温度までの範囲の時間−温度プロファイルは、セラミック品を最短時間で均熱焼結温度まで加熱し、それでも、引き続く均熱焼結温度での保持の後に、必要なセラミック材料特性を示すセラミック品、特に、目標特性を有する、クラックがなく無歪のセラミック品の製造を可能にするように、決定される。

図１は本発明にしたがってセラミック品を焼成するための基本的焼成システム１０を示す。システム１０は、焼成されるべき複数のセラミック品３(例えば、セラミックハニカム構造体)がその中に配置されるマイクロ波キャビティ１が組み込まれたマイクロ波パワー印加型窯２０を備える。窯２０は、アルミニウムまたは非磁性ステンレス鋼のような非磁性材料の殻２２を備える。殻は、全内壁面がアルミナ窯断熱材ＫＶＳ-７２または同様の高純度アルミナのような低損失高温断熱材２４で内張りされる。

マイクロ波発生器４，例えばマグネトロンが、キャビティ１に直結されるか、あるいはスロット付導波管またはスロット付導波管アレイ１２に接続している導波コンジットまたはコンジット５を介して間接的にキャビティ１に結合される。導波管アレイからのマイクロ波エネルギーは窯２０の屋根２６にあるポート(図示せず)を介してキャビティ１内に向けられる。マイクロ波発生器４は、キャビティ１内のマイクロ波パワーを連続的に調節するためのマイクロ波パワー源／制御器６を備える。

独立に制御される従来法熱源／制御器７も設けられ、制御器７はキャビティ１を加熱するための従来法熱源８を制御するようになっている。適する熱源８には直接的または間接的な態様で加熱するように適合された従来の電気抵抗素子またはガスバーナー素子を含むがこれらには限定されない、対流または輻射加熱装置を含めることができる。

窯２０内で焼結されるべきセラミック品３は、窯内搬送車３０のような手段により窯内で支持することができ、搬送車３０は一般に金属でつくられる。マイクロ波パワーの漏洩を防止するため、一般に、マイクロ波チョーク２９が窯壁と搬送車３０との間に配置される。窯内搬送車３０には、焼成されるべきセラミック品を支持するための、炭化ケイ素のような耐火材料でつくられた、１つまたはそれより多くの棚すなわち支持体２８を備えることもできる。

図２は導波管１２が上に載せられているハイブリッド窯の屋根２６の一区画の簡略な断面端面図を示す。導波管１２が屋根の殻２２にあるポート２２ａにかぶせて配置され、よって導波管からのマイクロ波パワーを、このポートを通し、さらに断熱材２４を通して、その下の窯キャビティに送出できる。導波管１２のようなスロット付導波管は、屋根上搭載が最も簡便であることが多いが窯側面を含む、窯の別の位置にさらに、あるいは代わりに、配置することもできる。スロット付導波管は、窯殻と導波管との間の遷移区画に配置し、シリコーンゴムセメントでそこに取り付けることができる、高純度石英ガラス、または雲母などの他の低損失材料でつくられることが好ましい、蒸気遮蔽板２５で窯雰囲気から保護される。

図３は、８本の従来の導波管１２ａがマイクロ波パワーを窯屋根２６ａを通して向ける、マイクロ波パワー印加型窯のための従来技術の導波管配置の簡略な平面図である。このタイプの配置において、パワー反射係数は約７.８％である。本説明の目的のため、パワー反射係数は反射パワー量を入射パワー量で除して１００を乗じた値として定義される。図４は、８本のスロット付直線導波管１２ａが窯屋根２６ａを通してパワーを向けるように配置された、従来技術の別の導波管配置を示す。この配置のパワー反射係数は約５％である。

図３及び４の導波管配置は、薄壁セラミックハニカム構造体のようなセラミック製品の有効な焼成に必要なレベルのマイクロ波入力パワーにおいて、セラミック品の歪み及び／またはクラック発生を最小限に抑えるに必要なマイクロ波パワー分布一様性を提供しない。対照的に、図面の図５は、必要な一様性を提供する本発明の導波管配置を示す。

図５をさらに詳しく参照すれば、スロット付“Ｔ”導波管と称されている、窯内のセラミック材料またはセラミック品で低いクラック発生レベルを達成するに十分な一様性をもってマイクロ波パワーを窯屋根２６を通して向けるに適するように配置された、８本のスロット付分岐導波管１２の配置が簡略に示されている。この配置のパワー反射係数は約５.３％である。８本組みのスロット付“Ｔ”導波管１２のための別の有効な配置が図面の図６に示され、この配置の特徴は約３.２％のパワー反射係数である。

図７は、窯屋根２６を通してマイクロ波エネルギーを送出するように配置された、４本のスロット付“Ｔ”導波管１２及び４本のスロット付二重“Ｔ”導波管１２ｂを有する、本発明の別の分岐導波管配置を示す。この配置のパワー反射係数は約３.６％である。図面の図８は、マイクロ波キャビティ頂部上に８本のスタガ配置スロット付“Ｔ”導波管１２を有する、本発明にしたがうまた別の導波管配置を示す。この配置のパワー反射係数は約４.４％である。

本発明にしたがうに有用なスロット付分岐導波管用“Ｔ”形状は、従来技術の形状に比較して、改善されたマイクロ波パワー分散一様性を提供する。本発明のスロット付導波管は“Ｔ”または二重“ＴＴ”形状を有するとして図に示されているが、本発明はそのような形状に限定されず、別の幾何学的形状を有する別の分岐導波管形状を含むものとする。

本発明のスロット付分岐導波管にはいくつかの利点がある。例えば、そのような導波管を組み込んでいるハイブリッド窯の給電ポートで測定された低反射係数で示されるような、より高い効率が、上記の導波管形状の顕著な特徴である。より大きな反射係数を示す下手な設計のポートでは、スパークが発生することがあり、冷却システムが必要となることが多い。さらに、より以前の従来技術の形状の導波管で与えられる給電ポートで見られる、より高い反射係数では、特別の断熱形状、材料及び構成が必要となることが多い。そのような費用のかかる手段は一般に、本発明のより効率の高いスロット付導波管には必要ではない。

従来技術に見られるような導波管形状では、モードスターラーも必要となり得る。そのようなスターラーは、焼成窯内で生じ得るような湿潤環境においては特に、それ自体がスパークを発生することがあり、窯火災の危険を高める場合もある。また、スターラーは、焼成窯の高温湿潤環境においては避けたほうがよい、保守を必要とする可動部品からなる。

本発明の、以上に示された特定の導波管構成および以下の説明のための実施例に関する変更が、各々の装置およびそれに関連する用途に特有の要件に導波管性能を適合させる目的のために、なされ得ることは当然である。例えば、スロット寸法は、放射されるマイクロ波パワー量を制御するために改変することができ、このパワーはスロット付導波管配置の入力ポートから末端まで伝搬し続ける。また、スロット数、スロット間隔及びスロットの向きを、得られるパワー一様性を向上させるように、調節及び設定することもできる。導波管アレイのそれぞれの分岐におけるパワー量を制御するために、結合開口を用いることができる。

構造的な干渉を低減して、ホットスポット密度を低めるように、スロットの向きを調節することができる。図面の図５〜８に示されるような、ソース側からの距離が長くなるにつれて密度が増加するスロット分布により、マイクロ波をより一様に漏洩（すなわち放出）させることができる。最も重要なことは、加熱キャビティ内のマイクロ波パワー注入パターンの全体的一様性を向上させるために、“Ｔ”またはその他の分岐導波管形状の側枝を設計で変え得ることである。最後に、所要のレベルのパワー分布一様性を達成するために、キャビティ及び装填材料に対する導波管の配置を変えることができる。

組み合わせれば、上記の様々な態様はパワー注入パターンの一様性を向上させることができ、同時に、入力ポートにおいて反射パワーを最少に維持することができる。発生器への最小の反射パワーにより、損傷保護が向上し、発生器寿命が長くなるとともに、入力ポートにおけるパワー集中(定在波)が低くなり、そのようなパワー集中にともなっておこりうるアーク発生及び絶縁破壊が最小限に抑えられる。

上述した導波管配置は低温または高温用途に使用することができる。実際上、雰囲気から装填材料までの温度差が小さい、好ましくは約１５０℃未満、の場合に、或るタイプのセラミックに対してはマイクロ波加熱だけを用いることができる。

導波管―キャビティ間インターフェースにおける総パワー密度を低減することにより、本明細書に説明される導波管構成は、キャビティへのさらに効率的なパワー送出を提供する。これにより、スターラー及び同調器の必要がなくなり、送出ポート構造の簡素化が可能になる。さらに、マイクロ波ポートの前面に断熱材が備えられなければならない高温用途においては、パワー密度が小さくなることにより断熱材の損傷または過熱のおこる確率が最小限に抑えられる。すなわち、さらに高いレベルのパワーを装填材料に印加することができ、サイクルタイムの短縮またはその他のプロセス改善を実現することができる。

導波管インターフェースを、関係する各々の用途に合わせて、必要に応じて変えることもできる。１つの可能性は導波管側面をマイクロ波キャビティの支持部材として利用することであり、そうすることで、余分の焼成空間が必要な場合でも導波管を備えることができるであろう。そのような実施の１つにおいては、窯支持のためのステンレス鋼Ｉ型ビーム構造材の側面の１つが導波管側壁としても用いられる。別の選択肢は、焼成システムの導波管部品のための総製造費用を低減するため、熱処理室の屋根または側壁に直接にマイクロ波スロットを機械加工することである。

本発明は、限定ではなく説明を目的とする、以下の特定の実施例を参照することにより理解を深めることができる。実施例には、マイクロ波キャビティを有する加熱装置内でのセラミック品または材料の加熱並びにマイクロ波放射及び従来法の熱のセラミック材料への複合印加に関わる様々な事例に対してなされた研究が含まれる。いくつかの事例については、用いた加熱装置に従来の標準導波管または従来のスロット付直線導波管の列を備え、その他の事例については、本発明にしたがうスロット付“Ｔ”字形導波管の列を備えた。表１に個々の事例の結果を提示し、表２に上記研究による事例結果の平均を提示する。

実施例で報告されるデータの全てについて、利用できるマイクロ波パワーを分配するために８本の導波管を用いた。ウエアに入るパワーは、それぞれの事例において用いられる８本の導波管のそれぞれで５Ｖ/ｍに規格化した。

これらの実施例の目的のため、マイクロ波パワーレベルはｍＷ/ｍ^２で報告し、米国ユタ大学で開発された複格子有限差時間ドメイン(“ＦＤＴＤ”)コードを用いて計算する。例えば、非特許文献１と非特許文献２を参照されたい。上記文献はその全体を本明細書に参照として引用する。総吸収パワーはウエアの配合及び寸法により変わり得るが、異なる事例間で傾向が変わることはないであろう。

表１及び２のデータに示唆されるように、本発明のスロット付導波管を用いると、従来技術の標準ポート構造に比較して約４０％も多くのパワーがウエアに送り込まれる。ウエアにおける、従来技術のポートを用いた場合のパワー(３事例の平均で表される、比吸収率(“ＳＡＲ”)が約１２.７)、従来技術のスロット付直線導波管の場合のパワー(５事例の平均で表される、約１７.１ＳＡＲ)、及び本発明のスロット付Ｔまたは曲げ導波管の場合のパワー(４事例の平均で表される。約１７.８ＳＡＲ)の間にはかなりの差がある。

スロット付直線導波管はウエアに同等のパワーを供給するが、スロット付Ｔ字形導波管を用いると、より一様な電磁場密度が達成される。スロット付直線導波管が示す横列及び縦列に沿うＳＡＲ差(平均約３１.４％及び約２３.５％)に比較して、スロット付Ｔ字形導波管はいずれの列についても最小の差(平均約１８.０％及び約１７.６％)を示す。これは、横列に沿う偏差の約５２％の減少及び縦列に沿う偏差の約２５％の減少を表す。基になった平均結果についての表２を参照されたい。

標準給電ポート構造は、本発明のスロット付Ｔ字形導波管を用いて達成された偏差と同等の偏差(平均で約１８.３％及び約１９.３％)を示す。しかし、上で示したように、標準給電ポート構造では、本発明と比較すると、ウエアに向けられるパワーがかなり少ない。

本発明を本発明の説明のためのある特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、当然、特許請求の範囲で定められる本発明の広汎な精神及び範囲を逸脱することなく数多くの改変がなされ得ることが当業者には明らかであろう。

本発明にしたがう装置の側面図である本発明にしたがう装置の詳細の側面図である８つの標準給電ポートを示す従来技術の導波管構成の平面図である８本のスロット付直線導波管を示す従来技術の導波管構成の平面図である８本のスロット付Ｔ導波管を示す本発明の導波管構成の平面図である８本のスロット付Ｔ導波管を示す本発明の導波管構成の平面図である４本のスロット付Ｔ導波管及び４本のスロット付二重Ｔ導波管を示す本発明の導波管構成の平面図である８本のスタガ配置スロット付Ｔ導波管を示す本発明の導波管構成の平面図である

符号の説明

１マイクロ波キャビティ
３セラミック品
４マイクロ波発生器
５コンジット
６マイクロ波パワー源／制御器
７従来熱源／制御器
８従来熱源
１０焼成システム
１２導波管
２０マイクロ波パワー印加型窯
２２殻
２４断熱材
２６屋根
２８棚
２９マイクロ波チョーク
３０窯内搬送車

Claims

セラミック材料を処理するための方法において、
マイクロ波キャビティを有するマイクロ波加熱装置内に前記セラミック材料を配置する工程、
前記セラミック材料をマイクロ波放射及び対流または輻射熱の組合せに曝す工程、及び
前記マイクロ波キャビティ全体にわたり実質的に一様に前記マイクロ波放射を分布させる少なくとも１本のスロット付分岐導波管を介して前記セラミック材料に前記マイクロ波放射を印加することにより変形及びクラック発生を回避するように、前記セラミック材料の処理の一様性を制御する工程、
を含むことを特徴とする方法。
前記セラミック材料にかかるパワーが約１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、前記キャビティ内の互いに異なる領域にある前記セラミック材料に供給されるマイクロ波パワー間の最大パワー差が約２５％をこえないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料にかかるパワーが約１７.５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、前記キャビティ内の互いに異なる領域にある前記セラミック材料に供給されるマイクロ波パワー間の最大パワー差が約１７％以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記導波管において所望のスロット数を選択する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記導波管において所望のスロット寸法を選択する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記導波管において所望のスロット配置を選択する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が少なくとも１本の分岐“Ｔ”導波管を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記分岐導波管において所望のスロット数を選択する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記分岐導波管において所望のスロット寸法を選択する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記セラミック材料の前記処理の一様性を制御する工程が、前記マイクロ波キャビティ全体にわたり前記マイクロ波放射を実質的に一様に分布させるように、前記分岐導波管において所望のスロット配置を選択する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記分岐導波管が結合開口を介して結合されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記スロット付導波管が前記マイクロ波キャビティの支持構造体を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
マイクロ波キャビティに通じる対流または輻射熱源、及び
前記マイクロ波キャビティ全体にわたりマイクロ波放射を実質的に一様に分布させる、少なくとも１本のスロット付分岐導波管を介して前記マイクロ波キャビティに通じているマイクロ波パワー源、
を備えることを特徴とする装置。
前記セラミック材料にかかるパワーが約１５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、前記キャビティ内の互いに異なる領域にある前記セラミック材料に供給されるマイクロ波パワー間の最大パワー差が約２５％をこえないことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記セラミック材料にかかるパワーが約１７.５×１０^−３ｍＷ/ｍ^２より大きく、前記キャビティ内の互いに異なる領域にある前記セラミック材料に供給されるマイクロ波パワー間の最大パワー差が約１７％以下であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。