JP2006284155A - マイクロ波焼成炉 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば焼成温度が１３００℃程度の陶磁器などを焼成する焼成炉を、コストを増大させることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体を焼成することができるマイクロ波焼成炉を得る。
【解決手段】断熱性を有すると共にマイクロ波損失の小さい物質を主要成分とする材料で形成されたサセプタ１０４を有し、このサセプタ１０４に被処理体１０５を収容してマイクロ波加熱を行うとともに、被処理体温度を測定して被処理体温度制御を行い、さらに炉内温度を監視して炉内温度が陶磁器用途としての温度上限を超えた場合にはマイクロ波加熱を停止する。これにより、陶磁器用途としての焼成炉であっても、高温による損傷を受けることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体１０５を焼成することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波加熱によって被処理体を焼成して焼成体を製造するマイクロ波焼成炉に関する。

従来、マイクロ波を利用して陶磁器材料やファインセラミックス材料などで形成された被処理体を焼成することが提案され、既に実用化が始まっている（例えば、特許文献１参照）。マイクロ波焼成炉には、焼成する温度が１３００℃程度の陶磁器用途と、その温度を超えたファインセラミックス用途とがあり、陶磁器用途の焼成炉とファインセラミックス用途の焼成炉とは、特に炉室を構成する部品の物性上の耐久性が異なるため別々に開発が進められている。また、マイクロ波焼成炉は、高温仕様になるほど製品のコストが増大する。そこで陶磁器用途の焼成炉でファインセラミックス用途並みの高温の焼成を実現したいという要望がある。
特開平６−３４５５４１号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、例えば焼成温度が１３００℃程度の陶磁器などを焼成する焼成炉を、コストを増大させることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体を焼成することができるマイクロ波焼成炉を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） マイクロ波加熱によって被処理体の焼成を行うマイクロ波焼成炉であって、炉内に設けられ、マイクロ波透過性の断熱材で構成されたサセプタと、前記サセプタ内部を対象として温度を測定する温度測定手段と、前記サセプタの外部の炉内温度を監視する監視手段と、測定した前記被処理体の温度に基づく被処理体温度の制御、及び、前記サセプタの外部の炉内温度が所定の温度を超えた場合におけるマイクロ波加熱の停止を行う制御手段と、を備える。

（２） 上記（１）に記載のマイクロ波焼成炉において、前記サセプタの内部に設けられ、マイクロ波の照射により発熱する発熱体を備える。

上記（１）に記載のマイクロ波焼成炉によれば、サセプタの内部を高温にすることができる為、例えば焼成温度が１３００℃程度といった陶磁器などを焼成する焼成炉を、コストを増大させることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体を焼成することができる。また、サセプタの外部の炉内温度が所定の温度を超えないように制御できる為、高温による損傷を防止することができる。

上記（２）に記載のマイクロ波焼成炉によれば、サセプタの内部に設けた発熱体がマイクロ波の照射により発熱する為、サセプタの内部温度の上昇に寄与し、焼成に要する時間の短縮化が図れる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ波焼成炉の炉部分の構成を示す図である。また、図２は、本実施の形態に係るマイクロ波焼成炉の電気的構成を示すブロック図である。本実施の形態のマイクロ波焼成炉１は、１３００℃程度の温度で焼成を行う陶磁器用途の焼成炉であり、マグネトロン等のマイクロ波発生器（図示略）で発生したマイクロ波によって加熱を行うものである。マイクロ波焼成炉１は、キャビティ内に設置された隔壁１０１で囲まれた炉内１０２の雰囲気温度（以下、炉内温度と言う）を測定するための熱電対１０３と、炉内１０２に配置され、マイクロ波透過性の断熱材で構成される箱型又は円筒型のサセプタ１０４と、サセプタ１０４に収容される被処理体１０５の温度（以下、被処理体温度と言う）を測定するための被処理体測定手段、たとえば放射温度計１０６と、図２に示す制御部２０１と、表示部２０２と、パワー出力部２０３とを備えている。放射温度計１０６は、物体から放射される赤外線の波長から温度を測定するものである。熱電対１０３は金属などの導電体で構成された保護管によって、マイクロ波による誤作動及び炉内雰囲気による汚染などから保護されている。

隔壁１０１は、断熱性を有し、マイクロ波損失の小さい（マイクロ波透過性の）物質を主要成分とする材料で形成されたもので、その材料として、具体的にはアルミナファイバや発泡アルミナが用いられる。隔壁１０１には、熱電対１０３を挿入するための孔１０１Ａと、放射温度計１０６で温度を測定するための孔１０１Ｂが夫々開けられている。隔壁１０１は、図３に示すように、厚みを大きくするほど炉内１０２から外部への放熱を抑えることができる。図３において、曲線Ｆ１は隔壁１０１の厚さ寸法が小さい場合、曲線Ｆ２は曲線Ｆ１の場合よりも隔壁１０１の厚さ寸法を大きくした場合の放熱特性で、隔壁１０１の厚みを増大させた方が断熱性を向上させることができるのが分かる。なお、図３において、横軸は炉内１０２の温度、縦軸は炉内１０２から外部へ放出される放熱量を示す。

サセプタ１０４は、隔壁１０１と同様に、断熱性を有すると共に、マイクロ波損失の小さい物質を主要成分とする材料で形成されたものである。サセプタ１０４には、放射温度計１０６で被処理体温度を測定するための孔１０４Ａが開けられている。この孔１０４Ａと隔壁１０１の孔１０１Ｂとを介して被処理体温度の測定を行う。サセプタ１０４は、隔壁１０１と同様に、厚みを大きくするほどサセプタ１０４から炉内１０２への放熱を抑えることができる。すなわち、サセプタ１０４の厚みを大きくするほど、被処理体１０５をマイクロ波加熱した場合の炉内１０２への放熱を抑えることができ、これによって被処理体１０５を炉内１０２で焼成するよりもさらに高い温度で焼成することが可能となる。

被処理体１０５の焼成が開始されると、放射温度計１０６で被処理体温度が測定されて、制御部２０１により、被処理体１０５の温度制御が行われる。さらに、熱電対１０３でサセプタ１０４の外部の炉内温度が測定されて、炉内温度が陶磁器用途としての炉内温度の上限（１３００℃程度）を超えることがないように監視されており、炉内温度の上限を超えた場合はマイクロ波加熱が停止する。すなわち制御部２０１は、被処理体１０５を焼成する際の温度制御と、サセプタ１０４の外部の炉内温度の監視を同時に行う。制御部２０１は、図２に示すように、温度入力回路２０１１と、記憶装置２０１２と、出力制御回路２０１３と、表示回路２０１４と、操作部２０１５と、マイクロコンピュータ２０１６とを備えて構成される。

温度入力回路２０１１は、炉内温度測定用の熱電対１０３及び被処理体温度測定用の放射温度計１０６夫々の出力信号を増幅し、デジタル変換してマイクロコンピュータ２０１６に入力する。記憶装置２０１２は、マイクロコンピュータ２０１６を制御するためのプログラムを記憶する。記憶装置２０１２としては、ＲＯＭ(Read Only Memory)等の不揮発性メモリの他、ハードディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の記憶装置の使用も可能である。なお、本焼成炉が記憶機能を持つのではなく、外部の記憶装置やパーソナルコンピュータの記憶装置を利用することも可能である。

出力制御回路２０１３は、マイクロコンピュータ２０１６で生成された温度調整データに従ってパワー出力部２０３を制御する。パワー出力部２０３は、マイクロ波を発生するマグネトロン（図示略）を駆動するものであり、出力制御回路２０１３からの制御出力に基づいてマイクロ波を発生させる。表示回路２０１４は、炉内温度と被処理体温度を表示部２０２に表示する。操作部２０１５は、ユーザが電源のオンオフや各種設定等を行うためのものである。

マイクロコンピュータ２０１６は、記憶装置２０１２に書き込まれたプログラムに従って被処理体温度制御と炉内温度の監視を行う。すなわち、マイクロコンピュータ２０１６は、放射温度計１０６で測定された被処理体温度に基づいて被処理体を制御する温度調整データを生成し、それを出力制御回路２０１３に入力してパワー出力部２０３を制御する。また、マイクロコンピュータ２０１６は、炉内温度測定用の熱電対１０３で測定された炉内温度に基づいて、炉内温度を監視し、炉内温度が所定の温度即ち陶磁器用途としての本焼成炉１の温度上限（１３００℃程度）を超える場合にマイクロ波加熱を停止させる温度調整データを生成し、それを出力制御回路２０１３に入力してパワー出力部２０３を制御し、マイクロ波加熱を停止させる。なお、陶磁器用途としての本焼成炉１の温度上限（１３００℃程度）値は予め記憶装置２０１２に記憶されており、マイクロコンピュータ２０１６は、この温度情報値と炉内温度とを比較し、炉内温度が温度情報値を超えた場合にマイクロ波加熱を停止する。

また、マイクロコンピュータ２０１６は、被処理体温度及び炉内温度夫々の温度データを表示回路２０１４に入力して、表示部２０２に被処理体温度と炉内温度を表示する。

次に、上述した構成を有する本実施の形態に係るマイクロ波焼成炉１の動作について説明する。
サセプタ１０４に被処理体１０５を収容してマイクロ波の照射を開始すると、被処理体１０５に対して照射されたマイクロ波は、マイクロ波損失の小さい物質を主要成分とする材料で形成されたサセプタ１０４に殆ど吸収されることなく被処理体１０５に吸収され、被処理体１０５が自己発熱する。このとき被処理体１０５の自己発熱により発生した熱は、サセプタ１０４の断熱性によって、サセプタ１０４外部の炉内１０２への放熱が抑えられる。これにより、サセプタ１０４内は炉内１０２の温度よりも高くなり、その温度で被処理体１０５が焼成される。サセプタ１０４内はファインセラミックス用途の焼成炉の炉内と同程度の温度になり、その温度で焼成が行われる。一方、被処理体１０５に対するマイクロ波照射開始と共に、被処理体温度測定用の放射温度計１０６によって被処理体温度が測定されて被処理体１０５を焼成するための温度制御が行われ、さらに炉内温度測定用の熱電対１０３によって炉内温度が測定されて炉内温度が監視される。炉内温度が陶磁器用途としての温度上限（１３００℃程度）を超えた場合にはマイクロ波の照射が停止して、温度上昇による炉本体の損傷が防止される。

このように、本実施の形態に係るマイクロ波焼成炉１では、断熱性を有すると共にマイクロ波損失の小さい物質を主要成分とする材料で形成されたサセプタ１０４を有し、サセプタ１０４内に被処理体１０５を収容してマイクロ波加熱を行うとともに、被処理体温度を測定して被処理体温度制御を行い、さらに炉内温度を監視して炉内温度が陶磁器用途としての温度上限を超えた場合にはマイクロ波加熱を停止する。これにより、焼成温度が１３００℃程度の陶磁器などを焼成する焼成炉であっても、高温による損傷を防止しつつ、コストを増大させることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体を焼成することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ波焼成炉の炉部分を示す断面図である。なお、この図において前述した図１と共通する部分には同じ符号を付けてその説明を省略する。本実施の形態のマイクロ波焼成炉３００は、サセプタ１０４の内壁面にマイクロ波により発熱する複数の発熱体３０１を有している点で前述した実施の形態１のマイクロ波焼成炉１と異なっている。各発熱体３０１は、常温から８００℃程度まではサセプタを構成する他の材料よりはるかにマイクロ波損失の大きい物質を主要成分とする材料で形成され、マイクロ波が照射されることによって自己発熱するものである。

さらに発熱体３０１は、マイクロ波加熱による単位体積当たりの発熱量が、被処理体の高温焼結温度域においても被処理体１０５の単位体積当たりの発熱量よりも大きいことが好ましく、使用する材料としては、例えばムライト系材料、窒化珪素系材料、アルミナが好適である。焼成する被処理体１０５の温度特性によって発熱量が適した材料を選択すると良い。

なお、上記の材料に、マイクロ波吸収率の大きい金属酸化物（例えば、マグネシア、ジルコニア、酸化鉄など）、又は無機材料（例えば炭化珪素など）を少量添加して、加熱特性を調整するようにしても良い。この発熱体３０１をサセプタ１０４の内壁面に設けることで、被処理体１０５に対してマイクロ波が照射されることにより自己発熱するので、サセプタ１０４の内部温度の上昇に寄与し、焼成に要する時間の短縮化が図れる。

なお、上記実施の形態では、放射温度計１０６を使用して被処理体温度を測定するようにしたが、常温から１０００℃程度の低温域を測定する低温域測定用放射温度計と、５００℃近傍から２０００℃程度までの高温域を測定する高温域測定用放射温度計とを設けてもよい。これにより、高価にはなるが、被処理体温度をより正確に測定できる為、正確に温度制御できる。さらに、低温域測定用放射温度計に代えて、制御応答性の関係で、できるだけ細い導電体の金属保護管付の熱電対を使用しても構わない。熱電対を用いれば、放射温度計を用いる場合よりもコストを低減できる。また、低温域の測定結果を記憶し、記憶した測定結果に基づいて温度制御を行ってもよい。これにより、測定結果を取得するときだけ熱電対を使用すればよい為、熱電対の消耗を抑えることができる。

本発明は、焼成温度が１３００℃程度といった陶磁器などを焼成する焼成炉の、コストを増大させることなく、ファインセラミックス用途の焼成炉並みの高温で被処理体を焼成することができるという効果を有し、マイクロ波加熱によって被処理体を焼成して焼成体を製造するマイクロ波焼成炉等に有用である。

本発明の実施の形態１に係るマイクロ波焼成炉の炉部分の構成を示す図 図１のマイクロ波焼成炉の電気的構成を示すブロック図 図１のマイクロ波焼成炉に用いられる隔壁の厚さ寸法を変えた場合の放熱特性の違いを示すグラフ 本発明の実施の形態２に係るマイクロ波焼成炉の炉部分の構成を示す図

符号の説明

１、３００ マイクロ波焼成炉
１０１ 隔壁
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０４Ａ 孔
１０２ 炉内
１０３ 熱電対
１０４ サセプタ
１０５ 被処理体
１０６ 放射温度計
２０２ 表示部
２０３ パワー出力部
３０１ 発熱体
２０１１ 温度入力回路
２０１２ 記憶装置
２０１３ 出力制御回路
２０１４ 表示回路
２０１５ 操作部
２０１６ マイクロコンピュータ

Claims (2)

1. マイクロ波加熱によって被処理体の焼成を行うマイクロ波焼成炉であって、
   炉内に設けられ、マイクロ波透過性の断熱材で構成されたサセプタと、
   前記サセプタ内部を対象として温度を測定する温度測定手段と、
   前記サセプタの外部の炉内温度を監視する監視手段と、
   測定した前記被処理体の温度に基づく被処理体温度の制御、及び、前記サセプタの外部の炉内温度が所定の温度を超えた場合におけるマイクロ波加熱の停止を行う制御手段と、
   を備えるマイクロ波焼成炉。
2. 前記サセプタの内部に設けられ、マイクロ波の照射により発熱する発熱体を備える請求項１に記載のマイクロ波焼成炉。

Images