JP5048998B2 - セラミックス用マイクロ波加熱装置及びその発熱体 - Google Patents
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Description
ヒータ炉では被焼成体を輻射熱で加熱するため被焼成体の外部と中心部で大きな温度差が生じることがあり、焼成時にクラックの発生や強度不足問題が発生したりすることがあった。
マイクロ波照射による自己加熱方式を用いると非常に短時間でかつ均一な高温焼成が実現できることが知られている。
さらに、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックスは常温では誘電損失が少ないためマイクロ波照射を行っても自己加熱はほとんど起こらないが、600℃付近のガラス転移点温度からマイクロ波吸収率および誘電損失係数が急激に上昇することが知られている。
発熱体と被焼成体の両方にマイクロ波を照射することを目的としており、被焼成体にマイクロ波を照射する際に、発熱体が被焼成体に照射されたマイクロ波の障害になることを回避するため、発熱体にマイクロ波通過用の穴を複数設けている。該穴を設けることにより、発熱体で構成された発熱容器が密封構造でないことになり低温域における予備加熱時の発熱体の面積が減少し、輻射効率が悪くなる問題や、発熱容器のマイクロ波が通る開口部が離散的であることによる被焼成体へのマイクロ波の照射効率も悪くなるという問題があった。
さらに、被焼成体の大きさと発熱体との位置関係は焼結体の温度上昇に大きく影響する問題があった。
歯科用マイクロ波加熱装置は成形物の出し入れが容易となる機構や、出し入れ時のチャンバー開閉時にマイクロ波が漏洩しない機構、さらに、チャンバー開閉時に炉内温度があまり下がらないように係留できる機構が求められていた。
具体的には被焼成体の形状及び量に応じて発熱体で囲われた空間の大きさを拡大縮小できる様に設置位置を変更できるものである。被焼成体の形状及び量とは、1本の単冠を焼成する場合や、フルマウスや一度に多数の単冠を焼成する場合などがある。
400℃以下の低温域で該発熱体がマイクロ波を効率よく吸収するピーク波長を含むマイクロ波発生器と、600〜1400℃の高温域で該被焼成体がマイクロ波を効率よく吸収するピーク波長を含むマイクロ波発生器とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置である。
また、高温域での被焼成体の加熱時に、マイクロ波加熱装置内部の発熱体が発熱体移動機構により設置位置を移動させることにより、被焼成体に直接マイクロ波が照射する様になり、焼結体は効率よくマイクロ波を吸収し、マイクロ波加熱装置のエネルギー効率が良くなる。
また、高温域における被焼成体の加熱時に、マイクロ波の波長を長くすることにより、マイクロ波加熱装置内部に設置してある発熱体をマイクロ波が透過し、前記発熱体移動機構を持たない場合でも、本発明を達成することができる。
マイクロ波吸収率が低い被焼成体とは、マイクロ波加熱装置で焼成させる被焼成体のことであり、具体的にはセラミックスのことである。好ましくはシリカ、アルミナ主成分の材料であり、具体的には歯科用陶材及び歯科用セラミックスコア材料である。
被焼成体の高温に応じた最適周波数は100GHz以上であるが、コストなどを考慮した場合は1〜3GHzである。
一定温で融解する金属ピンを止め材として用いる場合の具体的な例として、発熱体をヒンジを解して固定されており、650℃で溶解する金属ピンにより、被焼成体の周りに配置され、発熱体が650℃に達したときに金属ピンが融解し、発熱体がヒンジに沿って、倒れることにより、被焼成体に直接マイクロ波が放射される機構である。
発熱体装置とはマイクロ波加熱装置に設置する発熱体移動機構と発熱体を構成要素として有する装置であり、具体的には前記した発熱体移動機構に発熱体が設置されたものである。
また、上記機構において、設置穴が長円であり発熱体固定治具を長円の溝を滑らして位置を移動する機構でもよい。
発熱体の400℃以下の低温域で放射するマイクロ波の最適周波数は1〜30GHzであり、好ましくは3〜15GHzである。
発熱体の600〜1400℃の高温域で放射する吸収ピーク波長のマイクロ波の最適周波数は0.5〜9GHz、好ましくは1.5〜4.5GHzである。
さらに好ましくは、低温域では発熱体の吸収ピーク波長のマイクロ波照射をおこない、高温域では被焼成体の吸収ピーク波長と発熱体の吸収ピーク波長のマイクロ波照射とをおこなうことが好ましい。
低温域のマイクロ波は発熱体に吸収され、高温域のマイクロ波では該発熱体を透過する発熱体を用いることが良い。低温域のマイクロ波長F0と高温域のマイクロ波長F1の関係は、低温域での発熱体の透過率をA%とし、高温域での発熱体の透過率をB%としたとき、
発熱体の低温に応じた透過率は、発熱体がマイクロ波を吸収し発熱する透過率であれば良い。好ましくは40%以下である。さらに好ましくは30%以下である。
発熱体の高温に応じた透過率は、マイクロ波が発熱体を透過し、透過したマイクロ波が被焼成体に照射して該マイクロ波を吸収し被焼成体が発熱する透過率であれば良い。好ましくは60%以上である。さらに好ましくは70%以上である。
例えば、低温に応じた透過率が40%以下であり、高温に応じた透過率が60%以上である場合の低温に応じたマイクロ波F0の最適値は1〜16GHzであり、高温に応じたマイクロ波F1の値は0.55〜8.9GHzとなり、二酸化マンガンでは厚さが1.5〜25.4mm、シリコンカーバイトでは厚さが1.2〜19.7mmである。
また、低温に応じた透過率が30%以下であり、高温に応じた透過率が70%以上である場合の低温に応じたマイクロ波F0の最適値は2〜30GHzであり、高温に応じたマイクロ波F1の値は0.55〜8.9GHzとなり、二酸化マンガンでは厚さが1.1〜16.6mm、シリコンカーバイトでは厚さが0.8〜12.9mmである。
好ましい範囲として、低温に応じた透過率が40%以下であり、高温に応じた透過率が60%以上である場合の低温に応じたマイクロ波F0の最適値は3〜8GHzであり、高温に応じたマイクロ波F1の値は1.5〜4.5GHzとなり、二酸化マンガンでは厚さが3.2〜8.4mm、シリコンカーバイトでは厚さが2.4〜6.6mmであり、
また、低温に応じた透過率が30%以下であり、高温に応じた透過率が70%以上である場合の低温に応じたマイクロ波F0の最適値は5〜15GHzであり、高温に応じたマイクロ波F1の値は1.5〜4.5GHzとなり、二酸化マンガンでは厚さが2.2〜6.7mm、シリコンカーバイトでは厚さが1.7〜5.2mmである。
上記してきた二酸化マンガンやシリコンカーバイトとの表現は主成分が二酸化マンガンやシリコンカーバイトであることを意味し、それのみで構成されるという意味ではない為、これらを硬化させる為の助剤などを用いることは好ましい。
図1は、本発明に係るマイクロ波加熱装置の実施形態を示したものである。
耐熱室4の内部温度が自己加熱するのに十分な温度に達すると、移動手段を備えたサセプター6は移動を開始し、被焼成体に対してマイクロ波を遮断しない位置に移動し、マイクロ波が被焼成体に照射され被焼成体の発熱が開始される。
被焼成体がアルミナ、ジルコニアなどのセラミックスの場合、600℃以下の低温域においてはマイクロ波の吸収は少なく、マイクロ波の大半は発熱体であるサセプター6に吸収され熱に変わる。低温域における被焼成体はマイクロ波により高温になったサセプターからの輻射熱により温められ、被焼成体の温度が600℃付近を超えるとアルミナ、ジルコニアなどにおいては誘電率および損失係数が急激に上昇し、被焼成体のマイクロ波吸収による加熱が可能となる。600℃付近を超える高温域ではサセプターからの輻射熱による加熱よりも材料の加熱による温度上昇の方が焼成過程における被焼成体の温度勾配が少ないことやエネルギー効率の良さから望ましいとされている。
さらに、図2bのようにサセプターを装着するホルダーを選択することによりサセプターで囲まれた範囲を調整することが可能となる。
また、サセプターホルダーの一部または全部は回転できる構造になっており被焼成体が一定温度に達すると側壁部分のサセプターは回転して側壁部分を構成する
サセプター間の隙間を大きくし被焼成体に照射されるマイクロ波のエネルギーを増大させることができる。図5にサセプターの移動前後の簡略図を示す。
サセプターホルダーの可動方法として、図4に示すようにサセプターホルダー下部の円盤21に取り付けられたバネの伸縮長を変更することで任意の回転角度に設定する方法や、
図6のようにサセプターホルダー下部の円盤部分をギアとして、各ギアと連動する大形ギア22によって個々のサセプターホルダーを任意の角度に回転させることができる。大形ギア22は温度センサからの信号によってモーターまたはソレノイドなどで駆動され所定の角度までサセプターホルダーを回転させる。
マイクロ波の誘電体中の減衰は電波の入射エネルギーが半減する深さをD0とすると、
低温域ではサセプターに大半のエネルギーが吸収されるような周波数にマイクロ波を設定しておき、高温域においてはサセプターの透過率をあげて被焼成体への照射エネルギーが大きくなるように設定すれば外部輻射によるものと加熱によるものとの比率を変えることが可能になる。
この方法は、周波数の異なるマイクロ波発生器を複数搭載することでも良い。
発熱体に照射されたマイクロ波がA%透過する発熱体の厚さをDとすると、
で表される。ここでεは発熱体材料の比誘電率、tanδは損失角、fはマイクロ波の周波数でKは3.32×107である。
ここで、二酸化マンガンを発熱体の材料としたとき、比誘電率εは300となり、損失角tanδは0.1となる。高温域用のマイクロ波の周波数を産業界で最も使用されている2.45GHz付近の周波数を選択し、低温に応じた透過率が30%以下であり、高温に応じた透過率を70%以上とした場合の低温に応じたマイクロ波の最適周波数は8.5GHzとなり、発熱体の厚さは4mmとした。
本発明のマイクロ波加熱装置は出し入れ時の温度低下を防ぐため、取り出す際にシャッターが開くと同時に自動的にマイクロ波がオフになる機構と、テーブルが下がり被焼成体が外部に取り出されると同時に金属製のシャッターが閉じ電波をシールドし、温度を保持できる機構を備えていることが好ましい。
2 導波管
3 真空チャンバー
4 耐熱室
5 バイメタル
6 サセプター
7 受け皿
8 真空ポンプ
9 昇降モーター
10 シャッター
11 シールドボックス
12 サセプター設置テーブル
13 サセプターホルダー
Claims (3)
- 低温域でのマイクロ波による発熱体の加熱により被焼成体が加温され、高温域でのマイクロ波による被焼成体の加熱により焼成をおこなうマイクロ波加熱装置であって、
被焼成体を設置する受け台と、
被焼成体の周りに設置する発熱体と
被焼成体、発熱体若しくはセンサの温度変化に応じて発熱体が移動する発熱体移動機構と有し、
高温域での被焼成体の加熱時に、マイクロ波加熱装置内部の発熱体が発熱体移動機構により設置位置を移動させることにより、被焼成体に直接マイクロ波が照射するマイクロ波加熱装置。 - 請求項1記載のマイクロ波加熱装置であって、
被焼成体はセラミックスおよび陶材であり、
発熱体は二酸化マンガンおよびシリコンカーバイトであるマイクロ波加熱装置。 - 請求項1記載のマイクロ波加熱装置であって、
600〜1400℃の高温域での被焼成体の加熱時に、マイクロ波加熱装置内部の発熱体が発熱体移動機構により設置位置を移動させることにより、被焼成体に直接マイクロ波が照射するマイクロ波加熱装置。
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