JP3845777B2 - 焼成炉及び焼成体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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焼成体を焼成して焼成体を製造するための焼成炉、焼成体の製造方法及び焼成体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被焼成体の焼成には、電気炉、ガス炉などが一般に使用されている。しかし、こうした外部加熱の場合には、被焼成体の表面と内部とで温度差が生じないように炉内の温度を徐々に上昇させる必要があり、焼成時間が長くなるという問題があった。
【０００３】
そこで、そのような問題点を解決する手段として、マイクロ波を使って被焼成体を焼成する焼成炉が種々提案されている（特公昭５８−２３３４９号、特開平３−２５７０７２号、特開平６−８７６６３号など）。この場合、マイクロ波が被焼成体の表面、内部に関わらず均一に吸収されるため、加熱時に被焼成体の表面と内部とで温度差が生じるおそれは小さい。従って、昇温速度を大きくすることができ、焼成にかかる時間を大幅に短縮することが可能であるとともに、均一な焼成が可能である。
【０００４】
また、本発明者らは、マイクロ波による焼成の際、被焼成体と等価なマイクロ波吸収特性を有するブランケットで被焼成体を囲むことによって被焼成体を擬似的に完全に断熱できることを見出した。この場合、放射冷却により被焼成体に熱勾配が生じるのを抑制することができ、より一層の均一な焼成が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記ブランケットで被焼成体を囲んで焼成した場合には、マイクロ波のエネルギーが被焼成体だけでなくブランケットにも吸収されて消費されるため、焼成に要するエネルギー量が著しく増大するという問題があった。
【０００６】
ブランケットで消費されるエネルギー量を抑えるためには、ブランケットの厚みを薄くしてその重量及び熱容量を小さくすることが必要である。しかし、ブランケットの厚みを薄くするほど、ブランケットがマイクロ波によって得る熱エネルギーの量に比べて熱伝導によってブランケットから外部へと失われる熱エネルギーの量の方が無視できないほどに大きくなり、そのためにブランケットの内側表面と被焼成体との間に大きな温度差が生じてしまう。そうなると、擬似断熱空間の仮定が崩れてしまい、放射冷却により被焼成体に熱勾配が生じることになる。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、被焼成体の焼成に要するエネルギー量の低減を図りながらも、放射冷却により熱勾配が被焼成体において発生するのを抑制することができる焼成炉、焼成体の製造方法及び焼成体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、断熱性を有しマイクロ波透過性を有する外殻と該外殻の内面に設けられ、マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットにより区画された焼成室と、その焼成室内に配置される陶磁器材料又はセラミックス材料から形成される被焼成体に対してマイクロ波を照射するマイクロ波発生手段とを備え、前記ブランケットを構成する材料は、マイクロ波による前記ブランケットの単位体積当たりの発熱量が、前記被焼成体の単位体積当たりの発熱量よりも大きく、かつ、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度とが実質的に同一であり、熱伝導方程式が下記（１）式の条件を満たすようにムライト系材料、窒化ケイ素系材料及びアルミナのうち少なくとも一つ選択されることを要旨とする。
ε₁tanδ₁／ｃ₁ρ₁＝ε₂tanδ₂／ｃ₂ρ₂−Ｐ_loss／Ｐ_rf …（１）
（式中のｃは比熱、ρは密度を表し、添字「１」は被焼成体、添字「２」はブランケットを示し、Ｐ_rf（＝２πｆＥ²ε₀）はマイクロ波電力密度、Ｐ_lossはブランケットから外部に失われるエネルギーを示す。）
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の焼成炉において、前記ブランケットが、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度との差分を補償するようにマイクロ波によって自己発熱することを要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の焼成炉において、前記ブランケットを、断熱性を有し、かつマイクロ波透過性を有する別のブランケットの内側に設けたことを要旨とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、断熱性を有しマイクロ波透過性を有する外殻と該外殻の内面に設けられ、マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットにより区画された焼成室の内部に陶磁器材料又はセラミックス材料から形成される被焼成体を配設し、マイクロ波発生手段により焼成室の外部から前記被焼成体に対してマイクロ波を照射して被焼成体を焼成する焼成体の製造方法であって、前記ブランケットを構成する材料は、マイクロ波による前記ブランケットの単位体積当たりの発熱量が、前記被焼成体の単位体積当たりの発熱量よりも大きく、かつ、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度とが実質的に同一であり、熱伝導方程式が下記（１）式の条件を満たすようにムライト系材料、窒化ケイ素系材料及びアルミナのうち少なくとも一つ選択されることを要旨とする。
ε₁tanδ₁／ｃ₁ρ₁＝ε₂tanδ₂／ｃ₂ρ₂−Ｐ_loss／Ｐ_rf …（１）
（式中のｃは比熱、ρは密度を表し、添字「１」は被焼成体、添字「２」はブランケットを示し、Ｐ_rf（＝２πｆＥ²ε₀）はマイクロ波電力密度、Ｐ_lossはブランケットから外部に失われるエネルギーを示す。）
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態における焼成炉を示す概略平断面図である。同図に示す焼成炉は、被焼成体１０を焼成して焼成体を製造するためのものである。被焼成体１０は、陶磁器材料又はファインセラミックス材料を所定形状に成形した成形体よりなるもので、その成形体、成形体を素焼きしたもの、成形体に施釉をしたもの、あるいは素焼きした成形体に施釉をしたものでもよい。
【００１５】
焼成炉は、密閉容器よりなるチャンバ１１を備えている。チャンバ１１は、少なくとも内面がマイクロ波を反射可能な構成になっている。本実施形態の場合、チャンバ１１は、ステンレス鋼により長さ２ｍ×幅１．１ｍ×高さ１．１ｍの四角箱状に形成されている。
【００１６】
チャンバ１１には、マイクロ波発生手段としてのマイクロ波発振器１２が導波管１３を介して接続されている。そして、マイクロ波発振器１２から出力されるマイクロ波は、導波管１３を経由してチャンバ１１内に入射されるようになっている。マイクロ波の周波数は、０．９〜１００ＧＨｚが好ましく、０．９〜１０ＧＨｚがより好ましく、特に２．４５ＧＨｚが好ましい。この周波数が０．９ＧＨｚ未満では、波長が長くなりすぎるとともにマイクロ波の吸収率が低下するため好ましくない。逆に１００ＧＨｚを超える場合には、高価なマイクロ波発振器１２が必要となるため好ましくない。マイクロ波発振器１２から出力されるマイクロ波を２．４５ＧＨｚとした場合には、マイクロ波発振器１２を比較的小型で低価格なもので済ますことができる。本実施形態の場合、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波発振器１２（出力１．５ｋＷ）が６台（図１では４台のみ示す。）使用されている。
【００１７】
チャンバ１１の内部には補助断熱壁１４によって区画された空間があり、さらにその補助断熱壁１４によって区画された空間内には、隔壁１５によって区画形成された焼成室１６がある。この焼成室１６の容積は、０．３〜０．６ｍ³が好ましい。
【００１８】
前記隔壁１５は、外殻１５ａと内殻１５ｂの二層構造になっている。
外殻１５ａは、断熱性を有するとともにマイクロ波の透過を許容する。この外殻１５ａを構成する材料としては、アルミナファイバーや発泡アルミナなどが挙げられる。
【００１９】
一方、内殻１５ｂはマイクロ波によって自己発熱し、そのマイクロ波による単位体積当たりの発熱量は、被焼成体１０の単位体積当たりの発熱量よりも大きいことが必須であり、２倍以下であることが好ましい。この内殻１５ｂを構成する材料としては、ムライト系材料、窒化ケイ素系材料、アルミナなどが挙げられ、焼成する被焼成体１０に応じて適宜選択される。この内殻１５ｂを構成する材料は、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（例えば炭化ケイ素など）を少量添加して用いてもよい。また内殻１５ｂの厚みは、１〜２ｍｍが好ましい。
【００２０】
さらに焼成炉は、チャンバ１１内に入射されたマイクロ波を攪拌するためのマイクロ波攪拌手段を備えている。このマイクロ波攪拌手段は、チャンバ１１の内面に内側に向かって延設された回転軸１７と、その回転軸１７に支持された攪拌羽根１８と、その攪拌羽根１８を回転軸１７を中心にして積極回転させる駆動モータ１９とから構成されている。
【００２１】
次に、この焼成炉を使用した焼成体の製造方法について説明する。
焼成体を製造する場合には、まず陶磁器材料又はファインセラミックス材料を所定形状に成形して被焼成体１０を作製し、その被焼成体１０を焼成室１６内に配置する。続いて、マイクロ波発振器１２を作動させて、マイクロ波をチャンバ１１に入射させる。チャンバ１１に入射したマイクロ波は、外殻１５ａを透過して内殻１５ｂ及び被焼成体１０に吸収され、熱エネルギーに変換されて内殻１５ｂ及び被焼成体１０の温度を上昇させる。
【００２２】
このとき、本実施形態においては内殻１５ｂの厚みを従来よりも薄く形成しているため、熱伝導によって内殻１５ｂから外部へと失われる熱エネルギーの量が、マイクロ波によって内殻１５ｂが得る熱エネルギーの量に比べて無視できない大きさになるおそれがある。しかし、内殻１５ｂの単位体積当たりの発熱量が被焼成体１０の単位体積当たりの発熱量よりも大きいため、この発熱量の差によって内殻１５ｂの内側表面温度と被焼成体１０の表面温度との差分が補償されることになる。その結果、内殻１５ｂと被焼成体１０の熱平衡が保たれて、内殻１５ｂの内側表面温度と被焼成体１０の表面温度とが実質的に同一の状態となり、被焼成体１０が擬似的に完全に断熱されることになる。尚、内殻１５ｂの内側表面温度と被焼成体１０の表面温度とが実質的に同一であるとは、両者の温度差が焼成体に有害な熱歪みを生じない程度の差であることをいい、この温度差は具体的には２０℃以下であることが好ましい。
【００２３】
また、内殻１５ｂが被焼成体１０と熱平衡を保ちながら加熱されるために、被焼成体１０から放射によって失われる熱エネルギーは、内殻１５ｂの内側表面から放射される熱エネルギーによって相殺され、被焼成体１０の放射損失は原理的にゼロとなる。すなわち、被焼成体１０にとって焼成室１６は擬似的に完全に断熱された閉空間になる。このため、放射冷却により熱勾配が被焼成体１０において発生するのが抑制される。
【００２４】
理論的解析によれば、図２に示すように、誘電体（被焼成体１０）が適当な距離をおいて他の誘電体（内殻１５ｂ）で囲まれていると仮定した場合、熱伝導方程式は下記（１）及び（２）式のように書ける。

ここで、θは温度、κは熱伝導率、ｃは比熱、ρは密度を表し、添字「１」は被焼成体１０、添字「２」は内殻１５ｂを示す。
【００２５】
理想的な断熱状態においては、被焼成体１０の表面で放射、熱伝導及び熱伝達による熱の出入り差がゼロ、つまり熱平衡になっている。このような状態は、被焼成体１０の表面温度と内殻１５ｂの内側表面温度が等しいとき実現される。言い換えれば、表面からのエネルギー損失、つまり、内部から表面に向かう熱流束がないから、温度勾配∂θ₁／∂ｘ，∂θ₁／∂ｙ，∂θ₁／∂ｚはゼロになる。従って、上記（１）式は、
∂θ₁／∂ｔ＝２πｆ／（ｃ₁ρ₁）Ｅ²ε₀ε₁tanδ₁ …（１′）
上記（２）式は、
∂θ₂／∂ｔ＝Ｐ_rf／（ｃ₂ρ₂）ε₂tanδ₂−Ｐ_loss／（ｃ₂ρ₂） …（２′）
と書ける。
【００２６】
このとき、ｘ＝０、∂θ₁／∂ｔ＝∂θ₂／∂ｔ、θ₁＝θ₂、かつ、内殻１５ｂが閉空間（あるいは等価的に閉空間）を構成しているから、その内側表面で熱平衡が成り立つには、内側表面でのエネルギーの授受がゼロ、つまり、内側表面で∂θ／∂ｘ＝０でなければならない。従って、上記（２′）式を満足する条件は、下記（３）式で表される。
ε₁tanδ₁／ｃ₁ρ₁＝ε₂tanδ₂／ｃ₂ρ₂−Ｐ_loss／Ｐ_rf …（３）
ここで、Ｐ_rf（＝２πｆＥ²ε₀）はマイクロ波電力密度、Ｐ_lossは内殻１５ｂから外部に失われるエネルギーである。
【００２７】
以上詳述した本実施形態によれば次のような効果が発揮される。
・ 被焼成体１０から放射によって失われる熱エネルギーは、内殻１５ｂの内側表面から放射される熱エネルギーによって相殺されるため、被焼成体１０の放射損失は原理的にゼロとなる。このため、放射冷却により熱勾配が被焼成体１０において発生するのを抑制することができ、従来のマイクロ波による焼成炉に比べて、より一層の均一な焼成が可能であり、歪みや割れの発生を抑制することができる。
【００２８】
・ 内殻１５ｂのマイクロ波による単位体積当たりの発熱量を被焼成体１０の単位体積当たりの発熱量よりも大きくすることにより、被焼成体１０と内殻１５ｂの内側表面との間の熱平衡を維持しながら内殻１５ｂの厚みを薄くしてその重量及び熱容量を小さくすることが可能である。これにより、内殻１５ｂで消費されるエネルギー量を抑え、被焼成体１０の焼成に要するエネルギー量の低減を図ることができる。
【００２９】
・ 内殻１５ｂを、断熱性を有しマイクロ波透過性を有する外殻１５ａの内面に設けたことにより、内殻１５ｂの熱損失を効果的に抑えることができる。
・ 焼成炉は複数のマイクロ波発振器を有し、そのマイクロ波発振器１２から出力されるマイクロ波がチャンバ１１に入射する入射口は、一つでなく複数設けられている。このため、被焼成体１０の一部分に電界が集中して斑焼けが生じるのを抑制することができる。
【００３０】
【実施例】
次に、実施例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
陶磁器材料から形成された被焼成体１０（重量１０ｋｇ、平均肉厚５ｍｍ）を図１に示す前記実施形態の焼成炉を使って焼成し、焼成体（陶磁器）を得た。
【００３１】
ただし、この実施例１においては、ムライト系磁器で内殻１５ｂを形成し、アルミナファイバーボードで外殻１５ａを形成した。尚、内殻１５ｂは肉厚８ｍｍで重量４５ｋｇ、外殻１５ａは肉厚４０ｍｍで重量５ｋｇである。内殻１５ｂ、外殻１５ａ及び被焼成体１０の物性を１に示す。
【００３２】
【表１】

（実施例２）
陶磁器材料から形成された被焼成体１０（重量１０ｋｇ、平均肉厚５ｍｍ）を図１に示す前記実施形態の焼成炉を使って焼成し、焼成体（陶磁器）を得た。
【００３３】
ただし、この実施例２においては、酸化鉄（ＦｅＯ）を０．１％添加したムライト系セメントで内殻１５ｂを形成し、アルミナファイバーボードで外殻１５ａを形成した。尚、内殻１５ｂは肉厚２ｍｍで重量５ｋｇ、外殻１５ａは肉厚４０ｍｍで重量５ｋｇである。内殻１５ｂ、外殻１５ａ及び被焼成体１０の物性を表２に示す。
【００３４】
【表２】

（実施例３）
高純度（９９％）アルミナから形成された被焼成体１０（重量１０ｋｇ、平均肉厚５ｍｍ）を図１に示す前記実施形態の焼成炉を使って焼成し、焼成体を得た。
【００３５】
ただし、この実施例３においては、ジルコニアを１モル％添加したアルミナで内殻１５ｂを形成し、アルミナファイバーボードで外殻１５ａを形成した。尚、内殻１５ｂは肉厚１ｍｍで重量０．２ｋｇ、外殻１５ａは肉厚４０ｍｍで重量５ｋｇである。内殻１５ｂ、外殻１５ａ及び被焼成体１０の物性を表３に示す。
【００３６】
【表３】

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
【００３７】
・マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットが、マイクロ波吸収率の大きい金属酸化物又は無機材料を含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の焼成炉。このように構成した場合、ブランケットの発熱量を容易に高めることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、被焼成体の焼成に要するエネルギー量の低減を図りながらも、放射冷却により熱勾配が被焼成体において発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態における焼成炉を示す概略平断面図。
【図２】 焼成室を示す概略平断面図。
【符号の説明】
１０…被焼成体、１２…マイクロ波発生手段としてマイクロ波発振器、１４…断熱性を有し、かつマイクロ波透過性を有するブランケットとしての補助断熱壁、１５ａ…断熱性を有し、かつマイクロ波透過性を有するブランケットとしての外殻、１５ｂ…マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットとしての内殻、１６…焼成室。

Claims (4)

1. 断熱性を有しマイクロ波透過性を有する外殻と該外殻の内面に設けられ、マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットにより区画された焼成室と、その焼成室内に配置される陶磁器材料又はセラミックス材料から形成される被焼成体に対してマイクロ波を照射するマイクロ波発生手段とを備え、
   前記ブランケットを構成する材料は、マイクロ波による前記ブランケットの単位体積当たりの発熱量が、前記被焼成体の単位体積当たりの発熱量よりも大きく、かつ、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度とが実質的に同一であり、熱伝導方程式が下記（１）式の条件を満たすようにムライト系材料、窒化ケイ素系材料及びアルミナのうち少なくとも一つ選択されることを特徴とする焼成炉。
   ε₁tanδ₁／ｃ₁ρ₁＝ε₂tanδ₂／ｃ₂ρ₂−Ｐ_loss／Ｐ_rf …（１）
   （式中のｃは比熱、ρは密度を表し、添字「１」は被焼成体、添字「２」はブランケットを示し、Ｐ_rf（＝２πｆＥ²ε₀）はマイクロ波電力密度、Ｐ_lossはブランケットから外部に失われるエネルギーを示す。）
2. 前記ブランケットが、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度との差分を補償するようにマイクロ波によって自己発熱することを特徴とする請求項１に記載の焼成炉。
3. 前記ブランケットを、断熱性を有し、かつマイクロ波透過性を有する別のブランケットの内側に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の焼成炉。
4. 断熱性を有しマイクロ波透過性を有する外殻と該外殻の内面に設けられ、マイクロ波によって自己発熱しうるブランケットにより区画された焼成室の内部に陶磁器材料又はセラミックス材料から形成される被焼成体を配設し、マイクロ波発生手段により焼成室の外部から前記被焼成体に対してマイクロ波を照射して被焼成体を焼成する焼成体の製造方法であって、前記ブランケットを構成する材料は、マイクロ波による前記ブランケットの単位体積当たりの発熱量が、前記被焼成体の単位体積当たりの発熱量よりも大きく、かつ、ブランケットの内側表面温度と被焼成体の表面温度とが実質的に同一であり、熱伝導方程式が下記（１）式の条件を満たすようにムライト系材料、窒化ケイ素系材料及びアルミナのうち少なくとも一つ選択されることを特徴とする焼成体の製造方法。
   ε ₁ tan δ ₁ ／ｃ ₁ ρ ₁ ＝ε ₂ tan δ ₂ ／ｃ ₂ ρ ₂ −Ｐ _loss ／Ｐ _rf …（１）
   （式中のｃは比熱、ρは密度を表し、添字「１」は被焼成体、添字「２」はブランケットを示し、Ｐ _rf （＝２πｆＥ ² ε ₀ ）はマイクロ波電力密度、Ｐ _loss はブランケットから外部に失われるエネルギーを示す）

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