JP6846460B2 - 焼結材料、詳細には歯科用部材のための焼結炉 - Google Patents

Description

本発明は、焼結材料製部材、詳細には歯科用部材、特にセラミック製部材のための焼結炉に関し、炉室容積を有する炉室を備え、炉室の中には、加熱装置と、炉室容積内にあって加熱装置によって境界されている総容積を有する収納スペースと、総容積内にある有効容積を有する使用領域とが配置されており、炉室が複数の壁から成る外壁を有し、これらの壁の少なくとも１つに、物体容積を有する焼結部材を収納スペースに入れるために開くようになっている壁部分が設けられている。

焼結炉の形成に重要なのは、焼結する材料である。焼結されるのは、基本的に金属又はセラミックの成形物であり、これらの成形物は粉末を圧縮して成形され、必要に応じて直接又は部分的な焼結プロセス後にフライス加工あるいは研削加工によって連続加工される。必要な温度分布は材料によって決定する。炉の大きさ及び同じく温度分布は部材のサイズと量によって決定する。高温にする必要のある炉ほど、絶縁材はより肉厚になる。炉の大きさ、部材及び希望する加熱速度から、加熱システムと制御特性の設計が決定される。このとき、電源も重要となる。結局、実験室の歯科用炉と産業用焼結炉とでは、とりわけ大きさ及び使用できる電源が異なっている。

熱処理プロセス、詳細には焼結炉を使用して前焼結されたセラミック又は金属製の歯科修復物を完全に焼結する作業には、通常、６０分〜数時間を要する。さらに準備工程並びに後工程も必要とする歯科修復物の製造プロセスは、この個別の工程にかかる時間によって大幅に中断される。例えば、ジルコニアのいわゆる高速焼結は最低６０分必要である。

いわゆる超高速焼結でジルコニアを処理する場合、現在のプロセス処理時間は最短１５分しか必要としない。しかしながら、この場合は、特に焼結炉の質量の関係から、所定の保持温度まで焼結炉を予熱することが前提条件になっており、これには、使用可能な電源電圧に応じて３０分〜７５分を要する。さらに、この予熱後に自動搭載シーケンスによって炉の搭載を行う必要がある。この搭載作業によって、特殊な温度分布を維持することが可能になり、炉が不必要に冷却されなくなる。

しかし、予熱及びそれに続く搭載の欠点は、炉が、詳細には炉の絶縁材並びに炉の加熱要素が激しい温度変化にさらされることであり、このことは装置の寿命を低下させる作用がある。

従って、本発明の課題は、焼結炉の予熱及び／又は特殊な搭載シーケンスを必要とせずに、短い製造時間を可能にする焼結炉を提供することにある。

本発明は、焼結材料製部材、詳細には歯科用部材、特にセラミック製部材のための焼結炉であって、炉室容積を有する炉室を備え、この炉室の中に加熱装置、収納スペース及び使用領域が配置されている焼結炉によって解決される。収納スペースは、炉室容積内にあって加熱装置により境界されている総容積を占めている。使用領域は有効容積を有しており、収納スペースの中にある。さらに炉室は複数の壁から成る外壁を有し、この外壁には、物体容積を有する焼結部材を収納スペースに入れるために開くようになっている少なくとも１つの壁部分が設けられている。炉室内の加熱装置は放熱野を有する少なくとも１つの放熱器を有し、この放熱器は収納スペースの少なくとも１つの側面に配置されており、放熱器の放熱野には少なくとも使用領域の有効容積が配置されている。焼結部材と放熱器の最大間隔は、最も大きい場合で、最大有効容積の二番目に大きい寸法に該当する。

炉室（燃焼室とも呼ばれる）は、焼結部材を収納して加熱する部分、すなわち焼結炉の主要部を形成する。炉室によって囲まれている容積全体は炉室容積と呼ばれる。炉室内に配置されている加熱装置の間に残されている空きスペースは焼結部材を収納できることから、収納スペースと呼ばれる。収納スペースの容積は、主に加熱装置と炉室の壁との間に残っている有効幅と有効高さから生じることから、総容積と呼ばれる。

加熱装置によって焼結プロセスに必要な、あるいは希望する温度まで加熱される焼結炉の領域を使用領域と呼ぶ。従って、使用領域は、放熱器によって生成される放熱野が焼結プロセスに必要な強度及び／又は均質性を有している領域であり、かつ焼結のために部材を位置決めする領域である。そのため、この使用領域は、主に放熱野又は加熱装置の配置及び加熱装置の放熱特性から生じ、総容積よりも小さくなることがある。従って、焼結プロセスを成功させるためには、焼結する物体の容積を最大でも、有効容積の値までとすべきであろう。一方、できる限り効率的かつ迅速な焼結プロセスを行うためには、有効容積の値を最大でも、焼結する物体容積の上方の予想値までとすべきであろう。

例えば個々の歯冠及びブリッジの焼結など、さまざまな大きさの物体を焼結するために炉を使用する場合、加熱装置の放熱器を移動可能に形成することが有利である。これによって収納スペースのサイズ、すなわち総容積、特に使用領域のサイズ、すなわち有効容積を物体のサイズに適合させることができる。

しかし、有効容積は、使用領域を小さくすることによって縮小でき、物体のサイズに適合させることもできる。例えば、絶縁作用のあるドアインサートを使って収納スペースの一部を遮断することが可能である。

総容積をできるだけ有効に利用する、すなわち総容積に対して有効容積を可能な限り大きくすることによって、焼結プロセス中に加熱する容積をできる限り小さく保つことができ、これにより、迅速な加熱、特に予熱プロセスの削減が可能である。

通常、歯科用オブジェクトはサイズが数ミリから数十ミリと小さいため、それに応じて有効容積も数センチの範囲で十分足りる。例えば歯冠又はキャップなど、焼結する個々の歯を修復するためには、２０×２０×２０ｍｍ^３の有効容積で十分足りる。例えばブリッジのような大きな歯科用オブジェクトには、２０×２０×４０ｍｍ^３の有効容積で十分足りる。従って、有効容積（ＶＮ）の寸法は、有利には最大でも２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍとすることができる。これに対応して、焼結部材と歯科用焼結炉の放熱器の最大間隔を、例えば２０ｍｍまでに制限又は維持することができる。

有利には、有効容積の、炉室の炉室容積に対する比が１：５０〜１：１であり、収納スペースの総容積に対する比が１：２０〜１：１である。

全体として、加熱しなければならない容積と質量が小さくなるほど、炉室内又は使用領域の希望温度により速く到達し、焼結プロセスを適切に実施することができる。例えば、炉室の炉室容積が６０×６０×４５ｍｍ^３であり、総容積が２５×３５×６０ｍｍ^３であってもよい。

有利には、焼結部材用の有効容積の、焼結部材の物体容積に対する比が１５００：１〜１：１である。

使用領域の有効容積と焼結部材の物体容積との間の差が小さいほど、部材の焼結プロセスのエネルギー効率が向上し、かつ焼結プロセスをより迅速に実施することができる。

有利には、外壁が、放熱野を通過させない炉室内壁及び／又は放熱野を跳ね返す炉室内壁を有し、この内壁は反射層を有しているか、又はリフレクターとして形成されている。

反射層によって、使用領域、すなわち有効容積内における放熱器の放熱野の強度を上昇させることができる。放熱器が収納スペースの１つの側面にのみ配置されている場合、例えばその反対側に反射層を設けることによって、あるいは反対側にリフレクターを配置することによって、使用領域の放熱野をより均質に、及び／又はより大きな強度にすることができる。

有利には、加熱装置が、使用領域において２０℃で、少なくとも２００Ｋ／分の加熱速度を有する加熱要素を有している。

有利には、この加熱要素が抵抗又は誘導によって加熱可能である。

誘導又は抵抗による加熱要素は、焼結炉の加熱要素の簡単な実施形態のバリエーションである。

有利には、放熱器をカップとして形成してもよい。なぜなら、この場合は有効容積が総容積と一致するからである。

本発明を図に基づいて説明する。

焼結材料製部材、詳細には歯科用部材のための、本発明に基づく焼結炉の部分図である。 カップとコイルから成る放熱器を備える誘導加熱式加熱装置の図である。 カップとコイルから成る放熱器を備える誘導加熱式加熱装置の図である。 内蔵コイルを備えるプレート型誘導加熱式放熱器の図である。 棒状の加熱要素から成る放熱器を備える抵抗加熱式加熱装置の図である。 棒状の加熱要素から成る放熱器を備える抵抗加熱式加熱装置の図である。 抵抗加熱要素としての加熱コイルの図である。 加熱コイル及びリフレクターから成る放熱器の図である。 Ｕ字形加熱要素から成る放熱器の図である。 平坦な加熱要素から成る放熱器の図である。

図１は、炉室容積ＶＫを有する炉室２を有する焼結炉１の部分図であり、炉室の壁３には、高温の炉室２を周辺から遮断するための絶縁材４が設けられている。炉室２を加熱するため、炉室２の中には２つの放熱器６を備える加熱装置５が配置されている。炉室２は、焼結部材１５を炉室２の中に入れるために開くようになっている壁部分７を有し、ここではその壁部分が下方の壁部分、すなわち炉室２の底面になっている。底面７も同様に絶縁材４を有しており、この絶縁材の上には焼結部材１５のための下敷き８が置かれ、これはキャリア８とも呼ばれる。部材１５を載せるキャリア８としては、セラミック又は耐火金属製の湾曲フレーム又はカップ又は垂直に立てられたピンも考えられる。

加熱装置５又は図１では例として炉室２の２つの側面に配置されている放熱器６により、炉室２の内部に炉室容積ＶＫに比べて小さい空き容積が生じ、図１ではこの空き容積が破線で示されており、総容積ＶＢとして表記されている。この総容積ＶＢが占めているスペースは収納スペース９であり、この中に焼結する物体１５を入れることができる。

加熱装置５の放熱器６によって、収納スペース９の加熱が実施され、このとき、収納スペース９の総容積ＶＢの少なくとも一部が十分な強度と均等性を伴って加熱される。この領域は使用領域１０と呼ばれ、容積は有効容積ＶＮと呼ばれる。図１では使用領域１０が破線で図示されており、使用領域１０で２番目に大きな寸法がＤｙとして示されている。使用領域１０のサイズ及び位置は、主に放熱特性、すなわち放熱野１３、及び放熱器６の配置によって決定され、このとき、収納スペース９の少なくとも１つの側面に放熱器６を配置することにより、使用領域１０は収納スペース９の範囲内にあることが確実となる。

焼結する物体１５の加熱は、例えば抵抗又は誘導によって行うことができる。図２Ａ及び図２Ｂには、例えば誘導式加熱器６が加熱装置５として図示されている。この加熱器６は、例えばＭｏＳｉ２又はＳｉＣ製のカップ１１として、少なくとも１つの周縁コイル１２と一緒に誘導加熱のために形成されており、このとき、カップ１１の放射、すなわち放熱１３が矢印で示されている。この例では、収納スペース９がカップの内部によって形成される。使用領域１０も同様にカップ１１の内部にあり、このとき、使用領域１０の有効容積ＶＮの、収納スペース９の総容積ＶＢに対する比は１：１である。

焼結部材１５は、カップ１１の内部の、使用領域１３と重なる収納スペース９の中に配置される。物体と放熱器６の間隔、すなわちこの場合は物体とカップ１１の間隔はｄで示される。

図３には、プレート型要素から形成されている放熱器６が示され、この放熱器は内蔵コイル１２によって加熱される。収納スペース９は従って、２つのプレート型要素の間にある。図３にはさらに、放熱器６の放熱野１３が実線で図示されている。これに対応して、収納スペース９の中に配置されている使用領域１０が生じ、この使用領域は、できるだけ均質な放熱野１３の領域を高い強度によってカバーしている。

図４Ａ及び図４Ｂに図示されている放熱器６は、３つ又は４つの棒状の抵抗加熱要素１４から成る。

抵抗加熱式放熱器６のその他のバリエーション及び配置を図５〜８に示す。図５に示された放熱器６は、加熱コイル１６として形成されており、このとき、収納スペース９と使用領域１０は円筒型に形成され、加熱コイルの内部に配置されている。図６の放熱器６は、放射ヒーター（ここでは加熱コイル１６）とリフレクター１７とが組み合わされており、収納スペース９と使用領域１０は加熱コイル１６とリフレクター１７の間にある。図７には、２つのＵ字形加熱要素１８から成る放熱器が示されており、２つのＵ字形加熱要素１８の間に収納スペース９が配置されている。図８には、２つの平坦な加熱要素１９から成る加熱器６が図示されている。これらの要素は、通常、平坦な放射を有していることから、平坦な加熱要素１９の間にある収納スペース９のかなりの部分を使用領域が占めている。

本発明は、以下のとおりである。
［１］焼結材料製部材（１５）、詳細には歯科用部材及び特にセラミック製部材（１６）のための焼結炉（１）であり、炉室容積（ＶＫ）を有する炉室（２）を備え、該炉室（２）の中には、加熱装置（５）と、前記炉室容積（ＶＫ）内にあって前記加熱装置（５）により境界されている総容積（ＶＢ）を有する収納スペース（９）と、前記総容積（ＶＢ）内にある有効容積（ＶＮ）を有する使用領域（１０）とが配置されており、前記炉室（２）は複数の壁から成る外壁（３）を有し、該外壁には、物体容積（ＶＯ）を有する焼結部材（１５）を前記収納スペース（９）に入れるために開くようになっている少なくとも１つの壁部分（７）が設けられている焼結炉（１）であって、
前記炉室（２）内の前記加熱装置（５）が、放熱野（１３）を有する放熱器（６）を有し、
前記放熱器（６）が、前記収納スペース（９）の少なくとも１つの側面に配置されており、
少なくとも前記収納スペース（９）に配置されている前記有効容積（ＶＮ）が、前記放熱器（６）の直接的な前記放熱野（１３）の中に配置されており、
−前記焼結部材（１５）と前記放熱器（６）の最大間隔（ｄ）が、最も大きい場合で、最大有効容積（ＶＮ）の二番目に大きい寸法（Ｄｙ）に該当することを特徴とする焼結炉（１）。
［２］前記使用領域（１０）の前記有効容積（ＮＶ）の、前記炉室（２）の前記炉室容積（ＶＫ）に対する比が１：５０〜１：１であり、
前記使用領域（１０）の前記有効容積（ＶＮ）の、前記収納スペース（９）の前記総容積（ＶＢ）に対する比が１：２０〜１：１であり、好ましくは１：１であることを特徴とする、前記［１］に記載の焼結炉（１）。
［３］前記使用領域（１０）の前記有効容積（ＶＮ）の、前記焼結部材（１５）の物体容積（ＶＯ）に対する比が１，５００：１〜１：１であることを特徴とする、前記［１］又は［２］に記載の焼結炉（１）。
［４］前記外壁が、前記放熱野（１３）を通過させない炉室内壁及び／又は前記放熱野を跳ね返す炉室内壁を有し、該内壁は特に反射層を有しているか、又はリフレクターとして形成されていることを特徴とする、前記［１］〜［３］のうちいずれか一項に記載の焼結炉（１）。
［５］前記加熱装置が、前記使用領域において２０℃で、少なくとも２００Ｋ／分の加熱速度を有する放熱器（６）を有していることを特徴とする、前記［１］〜［４］のうちいずれか一項に記載の焼結炉（１）。
［６］前記放熱器（６）が、抵抗又は誘導によって加熱されることを特徴とする、前記［５］に記載の焼結炉（１）。
［７］前記有効容積（ＶＮ）が最大２０×２０×４０ｍｍ^３であり、前記有効容積（ＶＮ）の寸法は最大で２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍであることを特徴とする、前記［１］〜［６］のうちいずれか一項に記載の焼結炉（１）。
［８］前記放熱器が、カップ（１１）として形成されていることを特徴とする、前記［１］〜［７］のうちいずれか一項に記載の焼結炉（１）。

１ 焼結炉
２ 炉室
３ 壁
４ 絶縁材
５ 加熱装置
６ 放熱器
７ 壁部分
８ 下敷き
９ 収納スペース
１０ 使用領域
１１ カップ
１２ コイル
１３ 放熱野
１４ 棒状の抵抗加熱要素
１５ 焼結する物体
１６ 加熱コイル
１７ リフレクター
１８ Ｕ字型加熱要素
１９ 平坦な加熱要素
ｄ 間隔
Ｄｙ ２番目に大きな寸法
ＶＢ 総容積
ＶＫ 炉室容積
ＶＮ 有効容積
ＶＯ 物体容積

Claims (3)

1. セラミック焼結材料である酸化ジルコニウム製の歯科用部材（１５）を焼結するための、歯科用焼結炉（１）であって、
   歯科用焼結炉（１）は、炉室容積（ＶＫ）を有する炉室（２）を備え、
   前記炉室（２）は、加熱装置（５）を有し、
   前記加熱装置（５）により境界されている総容積（ＶＢ）を有する収納スペース（９）が前記炉室容積（ＶＫ）内に配置されており、
   有効容積（ＶＮ）をもつ使用領域（１０）が前記総容積（ＶＢ）内に配置されており、
   前記炉室（２）は複数の壁から成る外壁（３）を有し、
   前記外壁（３）には、物体容積（ＶＯ）を有する前記歯科用部材（１５）を前記収納スペース（９）に入れるために開くようになっている少なくとも１つの壁部分（７）が設けられており、
   前記炉室（２）内の加熱装置（５）は、放熱野（１３）を備えた誘導加熱によって加熱される放熱器（６）を有し、
   前記放熱器（６）が、前記収納スペース（９）の少なくとも１つの側面に配置されており、
   少なくとも前記収納スペース（９）に配置されている有効容積（ＶＮ）は、前記放熱器（６）の直接的な放熱野（１３）内に配置されており、
   前記有効容積（ＶＮ）である使用領域（１０）において、前記放熱器（６）によって生成された放熱野（１３）は、焼結プロセスに必要な強度と均質性を有し、
   焼結される前記歯科用部材（１５）は、前記使用領域（１０）内に配置され、
   前記有効容積（ＶＮ）は、最大で２０×２０×４０ｍｍ ^３ であり、前記有効容積（ＶＮ）の寸法は、最大で２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍであり、
   前記有効容積（ＶＮ）は、前記炉室容積（ＶＫ）に対して１：５０〜１：１の比であり、
   前記有効容積（ＶＮ）は、前記総容積（ＶＢ）に対して１：２０〜１：１の比であり、
   前記放熱器（６）は、前記使用領域（１０）において、２０℃で少なくとも２００Ｋ／分の加熱速度を有し、
   前記放熱器（６）を構成する材料としては、ＭｏＳｉ _２ 及びＳｉＣの少なくともいずれかの材料を含み、
   前記放熱器（６）から焼結される前記歯科用部材（１５）までの間の間隔（ｄ）は、最大で２０ｍｍである、
   ことを特徴とする、歯科用焼結炉（１）。
2. 前記有効容積（ＶＮ）は、前記歯科用部材（１５）の物体容積（ＶＯ）に対して１，５００：１〜１：１の比である、請求項１に記載の歯科用焼結炉（１）。
3. 前記外壁が、前記放熱野（１３）を通過させない炉室内壁及び／又は前記放熱野を跳ね返す炉室内壁を有していることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の歯科用焼結炉（１）。

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