JP4949192B2 - 歯科用の燃焼窯の稼働方法並びに燃焼窯 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１および１３の前段に記載の特に歯科用の燃焼窯の稼働方法ならびに燃焼窯に関する。

歯科用の燃焼窯においては、温度ならびにいわゆる温度特性、すなわち温度の時間変化を可能な限り精密に管理することが重要であり、その理由は、鋳造した、すなわち金属製の歯科補綴材ならびに焼結した部材のいずれもが含まれる、製造された歯科補綴材の品質が大きく温度管理に依存するためである。

特に焼結の場合に、例えば加圧窯内で圧縮される焼結歯科材料について所要の材料特性を達成するために、焼結条件が重要なものとなる。材料特性には、補綴材の強度、ならびに特にクラウンおよびセラミックベニアの場合に透明度が含まれる。

他方、既知の歯科用燃焼窯において温度特性は多様なファクタに依存する。従って障害となる影響を補償しなければならないことが知られている。例えば、独国特許出願公開第２８５６３０４号Ａ１明細書には、電源の電圧変動を補償し一定の加熱効果を達成することができる適宜な制御装置を備えた歯科鋳造品用の鋳造装置が記載されている。

さらに、今日においては略全ての歯科用燃焼窯において達成されており実際温度を可能な限り正確に設定温度に調節することができる、温度制御方式が久しい以前から知られている。それによって、例えば断熱材中に蓄積されたエネルギー、変動する加熱コイルのコイル抵抗、さらに例えばマッフル窯（マッフル炉）内に設置された材料ならびにそれに伴った温度低下が、可能な限り補償される。

歯科技工所ならびに前述した種類の歯科用燃焼窯を使用する大規模な歯科診療所において、可能な限り短い歯科補綴材の製造サイクルを達成することが望まれている。

従って、いわゆる超過温度への迅速な加熱を行う、すなわち先ず窯を実際に補綴材が加工される所要温度である作業温度よりも著しく高い温度に一定時間加熱する、特殊な加熱特性によって燃焼窯の加熱を実施することが提案されている。この方法は、オーバライディングと呼ぶこともできる。パラメータ（温度、時間）を適正に選択すれば補綴材を損傷することはなく、すなわちマッフル窯の熱容量のためこの超過温度の保持時間の間にその加工温度に到達することなく迅速な加熱が行われる。マッフル窯内で作業温度に達成する直前に窯温度を作業温度まで低下させることができる。

これを達成するために、窯を超過温度に保持するいわゆる保持時間を設定し、その後作業温度まで低下させることが提案されている。

しかしながらそのようにして改善されたサイクル時間および方法は実験結果においてそれほど良好なものではない。様々な原因のため、特に推測されるのは過度に高い温度のために、しばしばセラミックの破損が生じ、従って前述した種類の窯はサイクル時間の改善は達成されているものの一般に容易に制御可能であるとは見られておらず、または危険性が高いとされている。

該当する窯が焼結セラミックを損傷させることが無いようにしてサイクル時間の改善を達成するために、極めて高温で極めて短時間の衝撃加熱によって加熱工程の一定の短縮を達成することが提案されている。しかしながらこれは、通常は１１５０℃である超過温度に代わって１４００℃の温度をも窯を破損することなく達成可能である、特殊な装備を有していて極めて耐熱性の高い窯によってのみ達成可能である。

一般的にセラミックは何回も焼結される。すなわち、９００℃ないし９４０℃で焼結される高温焼結セラミックは、先ずいわゆる象牙質焼結によって焼結し、続いて冷却した後前記象牙質焼結よりも例えば２０℃低い温度のいわゆる光沢焼結を行うことが知られている。従ってこの種の現在多用されている燃焼プロセスにおいては、２つの加熱段階が必要となり、それが総合品質に対する加熱段階の重要性を増大させるものとなる。

独国特許出願公開第２８５６３０４号Ａ１明細書

従って本発明の目的は、補綴材の品質を低下させることなくサイクル時間の点において改善されるとともに均一な品質の補綴材を製造することができる、請求項１前段に記載の特に歯科用の燃焼窯の稼働方法ならびに請求項１３前段に記載の燃焼窯を提供することである。

前記の課題は本発明に従って請求項１および請求項１３によって解決される。従属請求項には好適な追加構成が記載されている。

本発明によれば、所与の温度プロフィール中において特に作業温度よりも高いものである超過温度を実現する。しかしながら、本発明における超過温度は、従来提案されていたように所与の保持時間の間保持されるものではない。むしろ特定の面積分、すなわち実際の窯温度と基準温度、特にセラミックの変態温度（それが正である場合）の間の積分を時間積分によって計算する。所与の積分値、いわゆる温度時間面積に到達すると同時にスイッチオフが行われる。

意外なことに、前記の方式によって温度時間面積を設定することによって多様な障害パラメータが自動的に補償され得ることが判明しており：電源電圧を低下させることによって加熱時間の温度上昇率が小さくなる。それによって超過温度に到達するまでの時間が延長される。本発明によれば超過温度における保持時間の代わりに温度時間面積が予め設定され、それによって意外なことに、理想的な加熱曲線に対して数秒だけ遅延はするが決して超越はしないマッフル窯の温度経過が達成される。そのため、加熱期間が無障害のケースだけでなく障害の有るケースにおいても著しく短縮されるのにもかかわらず、補綴材の損傷が確実に防止され、従ってサイクル時間が全体的に短縮される。

金属鋳造炉において、実際の溶融工程中に所定の温度差をもって最終温度よりも高くなる超過温度を適用するように温度制御をプログラムすることが提案されている。溶融遅延時間の経過後に最終温度に制御される。しかしながらこの方法は多様な障害パラメータを考慮したものではないため、前述した問題が発生し得る。

本発明によれば、温度プロフィールの制御変数として積分値を設定することによって投入された熱容量が自動的に制御に付加されることがきわめて好適である。従って高い熱容量を有する大型のマッフル窯は窯内部の温度の低速な上昇をもたらし、それはそこに設置された温度センサによって検出することができる。それに従って供給される熱量が自動的に調整されるが、ここで実質的な制御、すなわち窯内部の制御系は例えばＰＩＤ制御等の適宜な方式で達成し得ることが理解される。

さらに、本発明に係る窯は既知の方式によって較正し得ることが理解され、すなわち一方では大きな、他方では小さなマッフルによって較正し、その際大きなマッフルと小さなマッフルのいずれにおいても設定温度と実際温度の間の制御差が可能な限り小さくなるように温度センサの正確な配置を設定することができ、その小さなマッフルは試験マッフルとされ、例えばそのマッフル内の実際温度を測定する内部に設けられた追加的な温度センサを有するものとなる。

好適な構成形態においては、マイクロプロセッサあるいはマイクロコントローラによって特に重要な加熱段階中の温度制御を実施する。積分すなわち温度時間面積の計算は、測定された温度数値毎に不連続的に数値計算によって実施することが好適である。その走査レートは必要に応じて広範に調節することができ、いずれにしても秒単位の走査レートで充分である。

本発明に係る燃焼窯は、原則的に狭義の燃焼窯ならびに加圧窯のいずれとして実施することも可能である。燃焼物として歯科補綴材用のセラミックを使用する際に最適な方式で焼結が実施されるにもかかわらず、最適な温度制御によってサイクル時間を最小化することができる。本発明に係る燃焼窯によれば、加熱段階において加熱コイルのコイル抵抗の上昇もいわば自動的に補償され、また断熱材内に蓄積された熱エネルギーも考慮に入れられる。例えば燃焼窯の気抜きならびに再度の空気注入の影響等の障害変数も本発明によって補償することができ、また短時間の電源電圧変動も補償することができる。

本発明によれば、温度制御によって燃焼窯の加熱曲線を監視して必要に応じて補正することが好適である。

本発明によれば、温度制御によって燃焼窯が作業温度よりも高いものである超過温度まで加熱され、その超過温度が所定の保持時間の間維持され、その際温度制御によって前記保持時間が必要に応じて短縮されることが極めて好適である。

本発明によれば、積分は特に作業温度の上方で計算することが特に好適である。

本発明によれば、積分は多数の不連続に測定した温度数値から近似的に算出することが特に好適である。

本発明によれば、温度制御に使用される温度は、制御温度センサ、特に燃焼窯内に挿入された加圧マッフルから離間している温度要素によって測定されることが極めて好適である。

本発明によれば、窯の設定温度は予加熱温度から出発して所与の温度変化率をもって超過温度１０に調節され、温度制御によって設定された保持時間の経過後に超過温度１０から、特に所与の温度変化率をもって作業温度に調節されることが極めて好適である。

本発明によれば、加熱温度変化率は超過温度１０と作業温度１６の間の温度変化率に比べてより大きな傾きを有することが極めて好適である。

本発明によれば、窯温度の積分は、作業温度１６を超えている限りにおいて、時間に対して算出され、供給された設定熱量に対応する設定積分値と比較されることが極めて好適である。

本発明によれば、積分の計算は保持時間の終了に際して超過温度１０の離脱に伴って特に中断されることが極めて好適である。

本発明によれば、本発明に係る温度制御が実質的な窯温度の制御に加えて設定温度と実際温度の間の差の最小化を実施することが極めて好適である。

本発明によれば、上昇温度変化率が監視され、所与の値を下回った場合に警告が発せられることが極めて好適である。

本発明によれば、温度制御装置が特に作業温度１６の上方の温度時間面積を判定し、前記温度制御装置は燃焼窯を作業温度１６よりも高いものである超過温度１０まで加熱し、さらに前記温度制御装置が所定の保持時間の間燃焼窯を前記超過温度１０に保持することが極めて好適である。

本発明によれば、燃焼窯が圧力窯として形成されることが極めて好適である。

本発明のその他の詳細、特徴、ならびに種々の利点は、添付図面を参照しながら以下に記述する実施例の説明によって明らかにされる。

図１には、本発明に係る燃焼窯の一実施例における燃焼サイクルの加熱期間中における時間に対しての温度が示されている。図１の左側領域にはＴＥＲで呼称された多様な温度プロフィールにおける窯温度が示され、右側には試験マッフルによって検出されたマッフル温度が示されている。それらはＴ＿マッフルで示されている。

予加熱窯によってマッフルが通常８００℃ないし８５０℃の温度に加熱される。予加熱窯から取り出して燃焼窯に搬入する際に通常数十℃程度温度が低下し、その際小さなマッフルは大きなマッフルに比べてより大きな温度低下を示す。従って、そのマッフルに対する燃焼窯内の開始温度は、小さなマッフルの場合通常低くなり、大きなマッフルの場合はより高くなる。他方、小さなマッフルは当然より迅速に加熱され、それによって前記の温度差が適宜に補償される。

図１において曲線ＴＥＲ基準によって障害が存在しない場合に燃焼窯内に生じる窯温度が示されている。図示されているように、温度上昇は１０００℃から約１１５０℃まで約１００℃／分の大きな温度変化率をもって行われる。超過温度１０に到達した後、４分間の基準保持時間が後続している。その後、１０６０℃の作業温度１６に達するまで約３分間の冷却段階１４が後続している。

この加熱温度プロフィールにおいて基準マッフル温度は図１に示されたようになる。窯温度が顕著に作業温度１６の上方にある加熱領域の間、マッフル温度は１０４０℃よりも下方にあり、すなわちいずれにしても作業温度の下方にある。本発明によれば、適宜な熱量が供給され、それによって一方でマッフルの加熱が加速されるが、他方で作業温度を超える温度上昇は生じない。

図１にはさらに、本発明に係る燃焼窯がどのように障害に対処するかが示されている。仮定された障害は過小電源電圧であり、それによって窯が所要の迅速な窯温度上昇を達成するためには過度に小さい出力を得ることになる。この場合温度プロフィールＴＥＲ ＴＺＦ＿補正が示される。その温度変化率は顕著に１００℃／分未満となり、例えば作業温度１６の下方で５０℃／分となる。さらに温度が上昇すると燃焼窯はその温度上昇率さえも示さず、従って超過温度１０に近づくと温度上昇率は例えば僅か３０℃／分となる。それによって顕著に遅滞化した加熱がもたらされ、従って超過温度１０には約４５０秒で初めて到達する。

しかしながら本発明によれば、温度の保持時間が大幅に短縮され、約２．５分程度になる。その後に通常３分間の冷却段階が続く。

曲線Ｔ＿マッフルＴＺＦ＿補正に従って幾らか遅延したマッフルの加熱がもたらされるが、その温度は作業温度１６を明確に上回ることは決してなく、従って不良燃焼が発生しない。

本発明によればこのことは、窯温度が作業温度を上回っている限りにおいて窯温度の時間積分を計算することによって達成される。この積分は超過温度のスイッチオフ点２０まで計算され、基準温度ならびに窯温度ＴＺＦ＿補正のいずれについても陰影線で示されている。該当する温度時間面積は等しいものとなり、そのため曲線ＴＺＦ＿補正が短縮された保持時間を有するものとなる。

図１にはさらに、本発明によって防止されるべき温度経緯も示されている。これにおいては窯障害の補償は実施されず、その温度上昇は曲線ＴＥＲ非補正によって示されているようにＴＺＦ＿補正の温度変化と同様になる。その後に４分間の保持時間が続き、従ってスイッチオフは６９０秒の時点で実施される。この時点においてマッフル温度は１０２５℃となり、従って作業温度１６より著しく下方にある。しかしながら３分間の冷却段階の間温度が作業温度を上回っており、さらに終了直前において、すなわち１０８０秒超の相当に長い時間、Ｔ＿マッフル非補正によって示されているように過度に高い温度を示し、それによってセラミックに不要な損傷が生じる。

本発明に係る解決方式によれば、極めて簡便な方式でこの損傷が完全に防止され、サイクル時間が短縮されるにもかかわらず燃焼窯の安全な稼働が可能になる。

本発明に係る燃焼窯の稼働方式を説明するための種々の温度プロフィールを示した説明図である。

符号の説明

１０ 超過温度
１６ 作業温度
２０ スイッチオフ点

Claims (14)

1. 燃焼窯に加圧マッフルが挿入され、前記加圧マッフル内には歯科材料が挿入され、前記燃焼窯の温度制御によって前記加圧マッフルの温度を前記歯科材料の加工に適した作業温度を超えないように制御する歯科用の燃焼窯の稼動方法において、
   前記燃焼窯から前記マッフルに供給されて加熱が加速される一方で、前記歯科材料に作業温度を超える温度上昇を生じさせない熱量に対応する、前記燃焼窯についての作業温度と超過温度との間における温度時間積分値を予め算出しておき、前記燃焼窯の設定温度を予加熱温度から出発して予め決められた加熱温度変化率をもって超過温度に調節し、前記燃焼窯を一定時間、超過温度に維持し、前記燃焼窯の温度を測定し、測定した実際温度についての作業温度と超過温度との間における温度時間積分値を算出し、前記温度時間積分値が予め算出した上記温度時間積分値に到達したときに、前記燃焼窯の設定温度を、超過温度から、予め決められた温度変化率をもって作業温度に調節することを特徴とする方法。
2. 温度制御が燃焼窯の加熱曲線を監視し、加熱曲線を温度制御によって補正することを特徴とする請求項１記載の燃焼窯の稼働方法。
3. 温度制御によって燃焼窯が作業温度よりも高いものである超過温度まで加熱され、超過温度が保持時間の間維持され、前記温度制御によって前記保持時間が基準保持時間よりも短縮されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 積分は前記作業温度よりも高温で計算することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 積分は別々の点で測定した温度数値から算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 温度制御に使用される燃焼窯の温度は、燃焼窯内に挿入された加圧マッフルから離間している制御温度センサによって測定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 加熱温度変化率は超過温度（１０）から作業温度（１６）への間の温度変化率に比べてより大きな傾きを有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 燃焼窯の窯温度の積分は、作業温度（１６）を超えている限りにおいて、時間に対して算出され、設定積分値と比較された後、スイッチオフが行われて燃焼窯が超過温度から離脱し、温度管理によって所望の作業温度に設定されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 積分の計算は保持時間の終了に際して超過温度（１０）が作業温度に戻ることにより中断されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 温度制御が燃焼窯の温度の実際の制御に加えて設定温度と実際温度の間の差の最小化を実施することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 燃焼窯の上昇温度変化率を監視し、予め決められた値を下回った場合に警告を発することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 歯科用の燃焼窯において、
    前記燃焼窯は、歯科材料が挿入される加圧マッフルが内部に挿入されており、燃焼窯内部の温度を測定して制御する温度制御装置を備え、前記温度制御装置は、前記燃焼窯から前記マッフルに供給されて加熱が加速される一方で、前記歯科材料に作業温度を超える温度上昇を生じさせない熱量に対応する、前記燃焼窯についての作業温度と超過温度との間における温度時間積分値を予め算出し、前記燃焼窯の設定温度を予加熱温度から出発して予め決められた加熱温度変化率をもって超過温度に調節し、前記燃焼窯を一定時間、超過温度に維持し、前記燃焼窯の温度を測定し、測定した実際温度についての作業温度と超過温度との間における温度時間積分値を算出し、前記温度時間積分値が予め算出した上記温度時間積分値に到達したときに、前記燃焼窯の設定温度を、超過温度から、予め決められた温度変化率をもって作業温度に調節するものである歯科用の燃焼窯。
13. 温度制御装置は温度時間積分を作業温度（１６）よりも高温で算定し、温度制御装置が作業温度（１６）よりも高いものである超過温度（１０）まで燃焼窯を加熱し、所定の保持時間の間燃焼窯を前記超過温度（１０）に維持することを特徴とする請求項１２記載の燃焼窯。
14. 燃焼窯は圧力窯として形成することを特徴とする請求項１２または１３記載の燃焼窯。

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