JPH04137391A

JPH04137391A - マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法

Info

Publication number: JPH04137391A
Application number: JP2257654A
Authority: JP
Inventors: Takashi Muto; 敬武藤; Motoyasu Sato; 元泰佐藤; Sakuji Kobayashi; 策治小林; Tsutomu Kadooka; 勉角岡; Yutaka Higashida; 豊東田
Original assignee: FINE CERAMICS CENTER
Current assignee: FINE CERAMICS CENTER
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1992-05-12
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH0754744B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、陶磁器及びファインセラミックスの焼結、仮
焼、溶融、接合、ファイバー線引き等における加熱手段
、あるいは、乾燥、仮焼、樹脂抜き、焼結等の一連の加
熱工程における加熱手段に係り、詳しくは入射されたマ
イクロ波を繰り返し往復反射させることにより、往復反
射されたマイクロ波（即ち、周波数範囲として３００Ｇ
Ｈ２程度を上限とするマイクロ波）が集束通過する位置
に配置された被加熱体を加熱させるためのマイクロ波加
熱装置及びマイクロ波加熱方法に関する。

（従来の技術）従来、例えば、陶磁器及びファインセラミックス等を製
造するときの加熱工程に用いられる加熱手段としては、
燃料の燃焼加熱、電気ヒータによる伝導及び放射加熱、
赤外線による放射加熱等が採用されており、いずれの加
熱手段においても被加熱体を、その外側から加熱し、熱
伝導により次第に内部まで加熱するものである。

（発明が解決しようとする課題）上記従来の加熱手段は、いずれも被加熱体を、その外側
から加熱し、熱伝導により次第に内部まで加熱するもの
であるため、昇温中では常に被加熱体の外側の温度が内
部より高くなることから、被加熱体中に温度勾配が生じ
る。そのため、温度の不均一性による熱応力が被加熱体
に発生し、焼成歪やクラックが発生するという問題かあ
った。

そのため、特にセラミック動翼のような複雑な形状のも
のとか、大型部品の焼成は容易ではなく、焼成歪やクラ
ックの発生を防ぐためには、昇温速度を低く制限し、被
加熱体の温度勾配を小さくする必要があるため、加熱時
間が長くなり、生産コストが高くなるという問題があっ
た。

そこで本発明では、マイクロ波出力手段から出力された
ビーム状のマイクロ波を、曲面状の反射面を有する二つ
の反射体の間で連続的に往復反射させ、その二つの反射
体のほぼ中間位置に配置された被加熱体にマイクロ波を
集束通過させることにより、被加熱体を内部から均一に
加熱し、被加熱体中の温度勾配の発生を抑制するととも
に、急速加熱を可能にさせ、生産性の向上と品質の向上
を計ることを解決すべき技術的課題とするものである。

（課題を解決するための手段）上記課題解決のための技術的手段は、マイクロ波加熱装
置を、所要電力のマイクロ波をビーム状に出力するマイ
クロ波出力手段と、前記ビーム状のマイクロ波を入射さ
せる入射口を設けた箱体と、その箱体の内部に配設され
、前記入射口から入射されたビーム状のマイクロ波が反
射される曲面状の反射面を形成した第１の反射体と、被
加熱体が配置される空間部を隔てて前記第１の反射体の
反射面と対向する位置に配置され、前記第１の反射体の
反射面とほぼ同一形状の反射面を形成した第２の反射体
とを備えた構成にすることである。

また、所要電力のビーム状マイクロ波を、曲面状の反射
面を有する二つの反射体の間で連続的に往復反射させ、
そのビーム状マイクロ波を二つの反射体の間に配置され
た被加熱体を集束通過させることにより、その被加熱体
を内部から均一に加熱することである。

（作用）上記のようなマイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方
法において、誘電体で形成された淘磁器及びファインセ
ラミックス等の被加熱体がマイクロ波電界中に置かれた
場合、その被加熱体の単位体積当りに吸収される電力Ｐ
は、Ｐ＝２　ｙｒ　ｆε０ε、　ｔａｎδＩＥ１２ここで、
ｆは周波数（ＧＨｚ） ε０は真空の誘電率（８，８６ｘ　１０−１２Ｆ／ｍ）
ε、は被加熱体の比誘電率ｔａｎδは誘電損失Ｅ（Ｖ／ｍ）は内部電界の大きさを示したものである。

上記式から明らかなように、被加熱体の比誘電率ε１、
及び誘電損失ｔａｎδの温度特性がマイクロ波加熱プロ
セスのコントロールに重要である。

被加熱体の比誘電率ε１、及び誘電損失ｊａｎδの温度
特性に関して、誘電損失ｔａｎδは常温付近における影
響が比誘電率ε、に比べて小さく、被加熱体の昇温とと
もに緩やかに影響度合いが増加し、ある臨界温度に達す
ると急激に大きくなるため、その臨界温度を越えると、
被加熱体におけるマイクロ波エネルギーの吸収がより効
率良く行われるようになり、それによって被加熱体の温
度が指数関数的に上昇する。

このようにして被加熱体の温度が上昇された場合、最高
温度に達する温度は、被加熱体から発生された熱量と、
伝導及び放射等で拡散される熱量のバランスで決まるた
め、マイクロ波の出力強度により被加熱体の温度制御を
容易に実現することができ、従ってマイクロ波の出力を
調節することにより、従来の高温炉より上限温度を高（
することができる。

以上のような加熱原理に基づいて前記被加熱体を加熱す
るためのマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波出力
手段からビーム状に出力された所要電力のマイクロ波が
箱体に形成された入射口から入射されると、その入射さ
れたビーム状のマイクロ波は第１の反射体と第２の反射
体の間で連続的に往復反射される。そのビーム状マイク
ロ波を二つの反射体のほぼ中間位置に配置された被加熱
体に集束通過させることにより、被加熱体を内部から均
一に加熱し、被加熱体中の温度勾配の発生を抑制すると
ともに、急速加熱を可能にさせる。

（実施例）次に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は、マイクロ波加熱装置の構成を路体的に示した
構成系統図である。

本実施例において、ビーム状マイクロ波発生器１は１５
０ＫＷ、５３ＧＨｚマイクロ波ビームをパルス状に例え
ばデユーティ１％の時間率で繰り返し発生し、時間平均
出力で１．５ＫＷを出力するものである。尚、このビー
ム状マイクロ波発生器１は、出力、周波数、及びデユー
ティ％等を所定の範囲で変化させることができるように
なっている。ビーム状マイクロ波発生器１から出力され
たマイクロ波ビーム２は、例えは金属材で形成された箱
状のマイクロ波集束装置３に設けられた入射口４から入
射される。凹面鏡状の反射面５Ａを有する第１の反射体
５は、入射口４から入射されたマイクロ波ビーム２が反
射面５Ａの上部で反射するようにマイクロ波集束装置３
の内部に固定されている。また、第２の反射体６は、凹
面鏡状の反射面６Ａを有しており、反射面５Ａと６Ａは
平行なビームが１点に集束する放物面形状をしている。

そして第１の反射体５、第２の反射体６それぞれの集束
点を被加熱体７付近に合わせている。

即ち、第２の反射体６は第１の反射体５と中心光軸を同
一にした状態で所要の空間を隔て、第１の反射体５と対
向する位置に配設されており、第１の反射体５と第２の
反射体６の間の空間中央部には、陶磁器及びファインセ
ラミックス等の被加熱体７か配置される。

以上のように構成されたマイクロ波加熱装置において、
前記入射口４から入射されたパルス状のマイクロ波ビー
ム２が反射面５Ａの上部で反射されると、第１図に示す
ように第１の反射体５の反射面５Ａと第２の反射体６の
反射面６Ａ間で連続的に往復反射され、第１の反射体５
の反射面５Ａと第２の反射体６の間の空間中央部を集束
通過するため、その空間中央部における電磁界強度が５
〜１０倍に増大される。そして、その連続反射波は、第
１の反射体５と第２の反射体６の間の空間中央部に置か
れた被加熱体７をマイクロ波が集束通過するため被加熱
体７は急速に加熱される。

以上のようなマイクロ波加熱装置を用いて被加熱体７を
加熱する実験をしたので、その実験について説明する。

実験では、被加熱体７として以下の３種類を用いた。

（１）ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）（２）　Ｂ　ｉ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系超電導体（Ｂ
　ｉ２Ｓ　ｒ２ＣａＣｕｚ　０ｘ）（３）Ｙ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０系超電導体（ＹＢａｘ　Ｃｕｓ　Ｏｙ−δ）上記それぞれの被加熱体を製作するため、それぞれの被
加熱体の構成元素に当たる出発原料を化学量論比倍、秤
量し、計ＩＫｇをボールミルにて１６時時間式粉砕する
。そのあと乾燥し、乳鉢を用いて加粒状に粗砕する。

加粒状に粗砕された出発原料を、それぞれ１０００℃で
１時間、７８０℃で３０時間、９００°Ｃで５時間の各
条件による固相反応により、それぞれ原料を合成し、そ
れぞれ１６時間、ボールミルにて粉砕、乾燥したのち、
金型を用いて１０００Ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２の成形圧
力を加え、直径が１２ｍｍ、厚みが２．５ｍｍの円板状
のランタンクロマイト（ＬａＣｒＯｓ）と、直径が１７
ｍｍ、厚みが７ｍｍの円板状のＢ　ｉ−８ｒ−Ｃａ−Ｃ
ｕ−０系超電導体（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２０ｘ）と、
直径が１７ｍｍ、厚みが７ｍｍの円板状のＹ−Ｂａ−Ｃ
ｕ−０系超電導体（ＹＢａ＝　Ｃｕａ　０ｙ−６）のそ
れぞれを成形する。

上記のようにして製作されたランタンクロマイト　　（
Ｌ　　ａ　Ｃｒ　　０３　　）　　と　、　　Ｂ　　　
ｉ−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−〇系超電導体（Ｂ　ｉ２Ｓ　ｒ
２　ＣａＣｕ２０ｘ）と、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系超電導
体（ＹＢａ２ＣＵ３０□−δ）とのそれぞれを試料とし
て、第１図に示したマイクロ波加熱装置を用い、第３図
に示すような加熱条件でマイクロ波加熱した。

第１の試料としてのランタンクロマイト（ＬａＣｒ０３
）の場合、１５０ＫＷ、５３ＧＨｚｖイクロ波ビームを
デユーティ比０．　５〜０．　７％でパルス状に出力さ
せ、１５５分間照射加熱した。

第２図は上記加熱過程での昇温状態を放射温度計を用い
て測定した昇温特性図であり、ランタンクロマイトを１
３００°Ｃまで加熱し、焼結したことを示している。尚
、その焼結結果は良好であることが確かめられた。

第２の試料としてのＢ　ｉ　−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ　−Ｏ
系超電導体（Ｂ　ｉ　２　Ｓ　ｒ　２　Ｃａ　Ｃｕ　２
０　ｘ　）の場合は、１５０ＫＷ、５３ＧＨｚマイクロ
波ビームをデユーティ比０．　５〜１．　０％でパルス
状に出力させ、８０分間照射加熱した。その結果、焼結
温度が８５０℃に達し、その焼結状態が良好であること
か確かめられた。

第３の試料としてのＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系超電導体（Ｙ
　Ｂ　ａ　２　Ｃｕ　３０　ｒ−δ）の場合は、１５０
ＫＷ、５３ＧＨｚマイクロ波ビームをデユーティ比０．
７〜１．　０％でパルス状に出力させ、９０分間照射加
熱した。その結果、焼結温度が９００℃になり、その焼
結状態が良好であることが確かめられた。

第４図は、第３の試料としてのＹ−Ｂａ−ＣｕＯ系超電
導体（ＹＢａ２　Ｃｕ３０ｙ−δ）を前記手段で５個加
熱し、「かさ密度」と「超電導特性」とを測定したとき
の結果を示したものである。

尚、第４図における「かさ密度」測定値は寸法測定によ
る概算値であり、臨界電流密度は７７Ｋ（ケルビン）、
ゼロ磁場での値を示したものである。

第４図に示した結果から明らかなように、５個共、臨界
温度が観測され、超電導体となっていることが確認され
、しかもその内のＮｏ、１の試料では４０Ａ／ｃｍ２の
臨界電流密度が得られた。

以上のような材料以外に、次のような分子式を有する陶
磁器、ファインセラミックスの焼結、仮焼、溶融、接合
、ファイバー線引き、あるいは、乾燥、仮焼、樹脂抜き
、焼結等の一連の加熱工程にも、第１図に示すようなマ
イクロ波加熱装置を使用することができる。

１２０ｓｒＴｉＯａａＴｉＯ３ＬＺＴＰＺＴＺ　ｒ　０２Ｚｒ０２　（ＰＺＴ）Ｚ　ｕ　Ｏ−Ｂ　ｉ　２０３Ｓ　ｎ　Ｏ２ｉＣ１３Ｎ４ｏＳｉ２即ち、前述の第３図に示した燃料電池用材料、超電導体
の他に、絶縁体、誘電体、圧電体、構造体、半導体等を
作る場合に第１図に示すようなマイクロ波加熱装置を使
用することかできる。

次に、第１図に示したマイクロ波加熱装置を使用するこ
とにより、被加熱体をマイクロ波加熱したときの特長を
まとめると次のようになる。

（１）被加熱体に直接マイクロ波を吸収させ、被加熱体
を内部から一様に加熱することができるため、複雑な形
状の物でも、あるいは大型の物でも均一に加熱すること
ができる。そのため、被加熱体の温度勾配が低減される
ことから、被加熱体の内部応力が少なくなり、割れとか
破壊を防ぐことができる。

（２）被加熱体を加熱する場所、即ち゛発熱場所をエネ
ルギー供給装置から空間的に切り離すことができるため
、真空中、加圧室中、大気中、あるいは酸化／還元雰囲
気中での加熱を可能にすることができる。

（３）被加熱体が臨界温度を越えると、マイクロ波吸収
がより効率良く行われるようになることから、臨界温度
を越えて加熱されると、被加熱体の温度上昇が急速にな
り、指数関数的に昇温されるため急速加熱が可能になる
。そのため、従来の加熱手段に比べて２〜５０倍程の急
速加熱か可能になることから、必要最小の成長粒を持つ
緻密体、即ち加速焼結ができる。

（４）加熱時間が短縮されるため、エネルギー工数等を
削減することができることから、生産コストを低減する
ことができる。

（５）被加熱体の比誘電率ε、と誘電損失ｔａｎδの積
に比例して被加熱体の温度が上昇するため、原理的に温
度上限か無く、大電力の出力装置を用いれば大型の高温
電気炉を構成することかできることから、２０００℃以
上の高温でセラミックス等を加熱することができる。

（６）反射体を用いることにより、供給されたマイクロ
波を往復反射させ、マイクロ波を被加熱体に集束させる
ことができるため、マイクロ波から熱への変換効率をよ
り向上させることができる。

また、マイクロ波を集束させることができるため被加熱
体全体ばかりでなく、局部加熱か可能であり、接合部の
溶接、封止、あるいはファイバ線引きなどにおいて、必
要な部分への精密加熱か可能である。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、マイクロ波出力手段から
出力されたビーム状のマイクロ波を、曲面状の反射面を
有する二つの反射体の間で連続的に往復反射させ、その
二つの反射体の間に配置された被加熱体にマイクロ波を
集束通過させるように構成したため、被加熱体を内部か
ら均一に加熱し、被加熱体中の温度勾配の発生を抑制す
るとともに、急速加熱を可能にすることができるように
なり、被加熱体の加熱過程における生産性を向上させる
とともに、被加熱体の品質を向上させることができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係り、第１図はマイクロ波加熱
装置の構成を路体的に示した構成系統図であり、第２図
はマイクロ波加熱装置を用いて被加熱体を加熱したとき
の昇温特性図である。また、第３図は実験結果を示した表図、第４図は被加熱
体の超電導特性等の計測値を示した表図である。１：ビーム状マイクロ波発生器２　マイクロ波ビーム３・マイクロ波集束装置４、入射口５：第１の反射体６：第２の反射体７：被加熱体

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所要電力のマイクロ波をビーム状に出力するマイ
クロ波出力手段と、前記ビーム状のマイクロ波を入射さ
せる入射口を設けた箱体と、その箱体の内部に配設され
、前記入射口から入射されたビーム状のマイクロ波が反
射される曲面状の反射面を形成した第１の反射体と、被
加熱体が配置される空間部を隔てて前記第１の反射体の
反射面と対向する位置に配置され、前記第１の反射体の
反射面とほぼ同一形状の反射面を形成した第２の反射体
とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（２）所要電力のビーム状マイクロ波を、曲面状の反射
面を有する二つの反射体の間で連続的に往復反射させ、
そのビーム状マイクロ波を二つの反射体の間に配置され
た被加熱体を集束通過させることにより、その被加熱体
を加熱することを特徴とするマイクロ波加熱方法。