JPH0754745B2

JPH0754745B2 - マイクロ波加熱装置

Info

Publication number: JPH0754745B2
Application number: JP2339793A
Authority: JP
Inventors: 敬武藤; 元泰佐藤; 策治小林; 勉角岡; 豊東田
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH04209495A

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300GHz
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、予め設定された温度条件で加熱す
ることができるマイクロ波加熱装置に関する。

（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があ
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。

あるいは、加熱炉の蓄熱のために、被加熱体をきめ細か
く温度制御することは極めて困難であることから、ファ
インセラミックス製品を高品質に製造することに限界が
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
せることにより、比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、マイク
ロ波出力手段からの出力を例えばデューティ制御するこ
とによって、被加熱体を設定された温度条件に従って加
熱することにより、被加熱体の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、被加熱体を加熱するための所要電力のマイクロ波
をビーム状に出力するビーム状マイクロ波出力手段と、
前記ビーム状マイクロ波を端部に開口した入射口から入
射させる箱体と、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マイクロ波を曲面状反射面の
外縁部で反射する第１の反射体と、その第１の反射体と
対向する位置に配設され、同第１の反射体の外縁部で反
射された前記ビーム状マイクロ波を受けて反射したあと
同第１の反射体の曲面状反射面との間でビーム状マイク
ロ波を連続反射させ、そのビーム状マイクロ波を被加熱
体が配置されるポジションに次第に収束させる曲面状反
射面を有する第２の反射体と、前記被加熱体の温度を検
出し、その検出温度に対応した信号を出力する温度検出
手段と、前記マイクロ波出力手段からの出力電力をデュ
ーティ制御する出力制御手段と、前記被加熱体の温度、
昇温時間、あるいは降温時間等の温度条件を設定する設
定手段と、その設定手段で設定された前記温度条件と前
記温度検出手段からの信号とに基づいて前記被加熱体を
前記設定条件に従った温度で制御するための温度制御信
号を前記出力制御手段に出力する温度制御手段とを備え
た構成にすることである。

（作用）上記構成のマイクロ波加熱装置によれば、被加熱体がマ
イクロ波電界中に置かれた場合に、その被加熱体の単位
体積当りに吸収される電力Ｐは、Ｐ＝２πｆε₀ε_rtanδ|E|² ここで、ｆは周波数（GHz） ε₀は真空の誘電率（8.86×10^-12F/m） ε_rは被加熱体の比誘電率 tanδはマイクロ波電界と誘起電流との位相の90度から
のずれ角の正接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ε_r、
及び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ε_r、及びt
anδの温度特性に関して、一般にtanδは高温になるほ
ど大きくなるので、マイクロ波エネルギーの吸収がより
効率良く行われ、それによって被加熱体の温度が上昇す
る。

このようにして被加熱体の温度が上昇した場合、到達最
高温度は、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
ロ波の出力強度をデューティ制御することにより被加熱
体の温度制御を容易に実現することができる。従ってマ
イクロ波の出力をデューティ制御することにより、被加
熱体を、設定された温度条件に従って加熱することがで
きるようになり、被加熱体の生産性の向上と品質の向上
を計ることができる。

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間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ことができ
る。

また、温度制御手段が、設定手段で設定された温度条件
と温度検出手段からの信号とに基づいて被加熱体を温度
条件に従った温度に制御するための温度制御信号を出力
制御手段に出力すると、出力制御手段は、その温度制御
信号に従った出力電力がマイクロ波出力手段から出力さ
れる。その結果、出力制御手段は温度検出手段からの信
号に基づいて被加熱体の実際の温度を認識するとともに
その実際の温度が、設定手段で設定された温度条件との
間で差が生じた場合、それを補正するように自動制御
し、被加熱体を予め設定された温度条件に従った温度に
一致させる。

（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略体的に示した
構成系統図である。

本実施例において、マイクロ波発生装置１は最大出力20
0KW、53GHzのマイクロ波をビーム状に出力するジャイロ
トロンが用いられている。また制御装置２は、マイクロ
波発生装置１から出力されるマイクロ波の電力を制御す
るものである。この制御装置２はマイクロ波発生装置１
から出力されるマイクロ波の電力を制御するためのデュ
ーティ信号を出力する。制御装置２から出力されるデュ
ーティ信号は出力設定器2Aを手動設定し、例えば0.01％
〜100％のデューティパーセントの範囲で任意に設定す
ることができる一方、被加熱体Ｍの温度、昇温時間及び
降温時間等の温度条件を設定する温度設定器2Bが設けら
れ、その温度設定器2Bで設定された温度条件に対応し
た、第２図に示すような周期Ｔをもった自動制御用のデ
ューティ信号を出力する。

制御装置２から出力された上記デューティ信号はゲート
回路３に入力され、そのゲート回路３を駆動する。ゲー
ト回路３は、上記デューティ信号に基づいて直流電源４
からマイクロ波発生装置１に供給される直流電力をオン
・オフする。マイクロ波発生装置１は、直流電源４から
の直流電圧が印加された状態では53GHzのマイクロ波を
出力する一方、直流電圧の印加が遮断されるとマイクロ
波の出力が停止される。即ちマイクロ波発生装置１は、
上記デューティ信号のデューティパーセントに応じた平
均電力を出力する。

マイクロ波発生装置１から出力されたビーム状のマイク
ロ波10は、マイクロ波入射装置５を経てマイクロ波加熱
体６に入射される。マイクロ波入射装置５は、マイクロ
波発生装置１から出力されたビーム状のマイクロ波10を
マイクロ波加熱体６方向に減衰無く通過させる一方、マ
イクロ波加熱体６方向からの反射マイクロ波をマイクロ
波発生装置１の方向に透過させずに、マイクロ波発生装
置１を反射マイクロ波の照射から保護するように構成さ
れている。

マイクロ波発生装置１から出力され、マイクロ波入射装
置５を経たビーム状のマイクロ波10は金属材で形成され
た箱状のマイクロ波加熱体６に入射される。そのマイク
ロ波加熱体６は、第３図に示すように構成されている。
即ち、マイクロ波加熱体６の内部には、凹面鏡状の反射
面11Aを有する第１の反射体11が設けられ、入射口12か
ら入射されたマイクロ波ビーム10が反射面11Aの上部で
反射するように固定されている。また第２の反射体13
は、凹面鏡状の反射面13Aを有しており、反射面11Aと13
A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11、第２の反射体13それぞれの
集束点を被加熱体Ｍ付近に合わせている。即ち第２の反
射体13は第１の反射体11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11と対向する位置に配
設されており、第１の反射体11と第２の反射体13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Ｍが配置される。

以上のように構成されたマイクロ波加熱体６において、
前記入射口12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11Aの上部で反射されると、第３図に示す
ように第１の反射体11の反射面11Aと第２の反射体13の
反射面13A間で連続的に往復反射され、第１の反射体11
と第２の反射体13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11
と第２の反射体13の間の空間中央部に置かれた被加熱体
Ｍをマイクロ波が集束通過するため被加熱体Ｍは急速に
加熱される。

マイクロ波加熱体６に近接して、被加熱体Ｍの温度を検
出し、検出温度に対応した信号を出力する例えば放射式
の温度センサ15が取り付けられており、その信号が前記
制御装置２にフィードバック入力されるように構成され
ている。そして、制御装置２は、温度センサ15からの信
号を入力することにより、被加熱体Ｍの実際の温度を認
識するとともに、その実際の温度と前記温度設定器2Bで
設定された温度との間に差が生じたとき、その差をゼロ
に補正するための前記デューティ信号のデューティパー
セントを自動的に補正する。

次に、以上説明したような構成のマイクロ波加熱装置を
用いて被加熱体Ｍを焼結したときの焼結実験について説
明する。

この実験においては、試料として、Y-Ba-Cu-O系超電導
体、即ちYBa₂Cu₃O_yの仮焼粉を1t/cm²の圧力をかけ、プ
レス成形することによって15φx5tのペレットを作りそ
れを電気炉で焼成した通常焼成の１個のペレットと、マ
イクロ波加熱により焼成した10個のペレットとの各種の
特性比較をした。

第４図は、１個のペレットを電気炉で通常焼成したとき
の焼成温度パターン図である。この図に示すように昇温
時間は184分をかけ、920℃まで昇温させたあと、920℃
を５時間保持し、そのあと炉冷させることによって通常
焼成したものである。

11個の15φx5tのペレット番号として、マイクロ波加熱
により焼成するペレットYM-1からYM-10と、第４図に示
した温度特性により通常焼成するペレットYS-1の合計11
を付与する。

尚、この実験においては第５図に示すように寸法が50x1
00x100の断熱材21を４個用い、側方には前記温度センサ
15による温度検出用の孔を明けるとともに、中央部空間
には、ペレットYM-1からYM-5と、ペレットYM-6からYM-1
0とをそれぞれ別々に１グループづつ配置した状態で、
前記マイクロ波加熱体６の被加熱体配置位置にセットし
たあと、ペレットYM-1からYM-5のグループを第６図に示
す温度条件とデューティ比に基づいた第１回の実験でマ
イクロ波加熱焼成するものである。また、ペレットYM-6
からYM-10のグループを第７図に示す温度条件とデュー
ティ比に基づいた第２回の実験でマイクロ波加熱焼成す
るものである。

第８図は、実験に用いられる15φx5tのペレットYM-1か
らYM-10までと、YS-1のそれぞれを短冊状に切り出し、
それぞれに試料番号を付けることを示したものである。
その一例としてYM-4を８分割し、それぞれの短冊に１か
ら８のサブナンバーを付けた状態を示している。このよ
うにそれぞれのペレットを８分割し、それぞれにサブナ
ンバーを付けるのは、同一ペレットにおける特性のばら
つきを見るためである。

第９図は、マイクロ波加熱により焼成された15φx5tの
ペレットYM-1からYM-10までのそれぞれを短冊状に切り
出した試料と、通常焼成されたペレットYS-1を短冊状に
切り出した試料それぞれの超電導特性を測定した結果を
示したものである。

この測定結果によると、超電導特性を明白に示す臨界電
流密度Jc（A/cm²）は、試料YM-4-4が21A/cm²と最も高
く、これに続いて試料YM-6-4が11A/cm²となっている。
一方、臨界電流密度Jc（A/cm²）が１以下になっている
試料も多いが、これは、第５図に示すような状態でマイ
クロ波加熱体６にペレットをグループ配置するとき、そ
れぞれのペレットの配置位置により、ペレットを透過す
るマイクロ波の透過量が異なるためと思われる。そのた
め、ペレットを透過するマイクロ波の透過量を同じにす
れば、それぞれの試料YM-4-4と同じような超電導特性が
得られるものと思われる。

尚、通常焼成したペレットYS-1の試料YS-1-4の臨界電流
密度Jc（A/cm²）は1A/cm²以下であることから、マイク
ロ波加熱により焼成したペレットに比較して、通常焼成
したペレットYS-1は超電導特性が悪いということが明ら
かである。

第10図は、前記実験において最も高い臨界電流密度を示
したペレットYM-4の試料YM-4-2からYM-4-7それぞれの臨
界電流密度を示したものであり、同一ペレットにおける
超電導特性のばらつきを調べたものである。

この図に示すように、同一ペレットであっても試料によ
り、即ち箇所により超電導特性にばらつきがある。この
ばらつきの生じる原因は、同一ペレットであってもマイ
クロ波の透過量が異なるためと思われる。

尚、第９図、及び第10図において、臨界電流密度Jc（A/
cm²）は77K、ゼロ磁場での値を示した。また、かさ密度
は寸法測定による概算値を示した。

第11図（Ａ），（Ｂ）は、通常焼成したペレットYS-1の
試料YS-1-4とマイクロ波加熱により焼成したペレットYM
-4の試料YM-4-2それぞれを、電子顕微鏡で同一倍率で観
察した結晶構造を図示したものである。

第11図（Ａ）に示すように、通常焼成したペレットYS-1
の試料YS-1-4の結晶構造は粒の集合体を成しているのに
対して、第11図（Ｂ）に示すように、マイクロ波加熱に
より焼成したペレットYM-4の試料YM-4-2は、所定温度で
内部まで均一加熱されるため、単結晶化して粒が大きく
なっている。従って試料YM-4-2は、結晶間の空隙が少な
くなり、電流の通電特性が向上するものと思われる。一
方、ペレットYS-1の試料YS-1-4は電気炉による通常加熱
であるため、外部の温度に比較して内部の温度が低くな
ることから、単結晶化し難いと推定される。

尚、単結晶化して粒が大きくなっている試料YM-4-2は、
機械的硬度が高くなるという特性を有している。

（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マイクロ波加熱装置にお
いて、マイクロ波出力手段からの出力をデューティ制御
することによって被加熱体を適正な品質にするように温
度制御できるため、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
装置の全体的な構成を略体的に示した構成系統図、第２
図はデューティ信号の波形図、第３図はマイクロ波加熱
体の断面図、第４図は実験に用いる通常焼成ペレットの
焼成温度パターン図、第５図は実験に用いるペレットを
焼成するときの試料配置図、第６図は第１回の実験にお
ける焼成温度パターン図、第７図は第２回目の実験にお
ける焼成温度パターン図、第８図は試料番号説明図、第
９図はマイクロ波加熱により焼成したペレットと通常焼
成したペレットの特性比較図、第10図はマイクロ波加熱
により焼成した同一ペレットの各試料における超電導特
性のばらつきを示した図、第11図（Ａ）は通常焼成した
ペレットの１試料の結晶組織図、第11図（Ｂ）はマイク
ロ波加熱により焼成したペレットの１試料の結晶組織図
である。 1:マイクロ波発生装置 2:制御装置 2B:温度設定器 3:ゲート回路 4:直流電源 5:マイクロ波入射装置 6:マイクロ波加熱体 M:被加熱体 15:温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武藤敬愛知県名古屋市千種区北千種３丁目２―２千種東住宅14―14 (72)発明者佐藤元泰滋賀県滋賀郡志賀町小野朝日１―５―21 (72)発明者小林策治大阪府枚方市御殿山南町４番3944号 (72)発明者角岡勉愛知県刈谷市野田町段留25―８ (72)発明者東田豊愛知県小牧市光ケ丘２丁目18―３ (56)参考文献特開昭58−186200（ＪＰ，Ａ) 特公昭52−6505（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱体を加熱するための所要電力のマイ
クロ波をビーム状に出力するビーム状マイクロ波出力手
段と、前記ビーム状マイクロ波を端部に開口した入射口
から入射させる箱体と、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マイクロ波を曲面状反
射面の外縁部で反射する第１の反射体と、その第１の反
射体と対向する位置に配設され、同第１の反射体の外縁
部で反射された前記ビーム状マイクロ波を受けて反射し
たあと同第１の反射体の曲面状反射面との間でビーム状
マイクロ波を連続反射させ、そのビーム状マイクロ波を
被加熱体が配置されるポジションに次第に収束させる曲
面状反射面を有する第２の反射体と、前記被加熱体の温
度を検出し、その検出温度に対応した信号を出力する温
度検出手段と、前記マイクロ波出力手段からの出力電力
をデューティ制御する出力制御手段と、前記被加熱体の
温度、昇温時間、あるいは降温時間等の温度条件を設定
する設定手段と、その設定手段で設定された前記温度条
件と前記温度検出手段からの信号とに基づいて前記被加
熱体を前記設定条件に従った温度で制御するための温度
制御信号を前記出力制御手段に出力する温度制御手段と
を備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。