JPH04209495A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

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、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
間か長くなり、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、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、マイク
ロ波出力手段からの出力を例えばデユーティ制御するこ
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、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、前記第１の反
射体と前記第２の反射体の間に配置された被加熱体をマ
イクロ波加熱するマイクロ波加熱装置を、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
電力を制御する出力制御手段と、前記被加熱体の温度、
昇温時間及び降温時間等の温度条件を設定する設定手段
と、前記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＝２ｘｆ　ｅｏ　ｅ
、ｔａｎδＩＥ１２ここで、ｆは周波数（ＧＨｚ） ｔｏは真空の誘電率（８，８６ｘ　１０．１２Ｆ／ｍ）
ε７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ε１、
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ε７、
及びｔａｎδ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（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
ロ波の出力強度を例えばデユ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例えばデユ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−一検出手段からの
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路体的に示した
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２
００ＫＷ、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
ためのデユーティ信号を出力する。制御装置２から出力
されるデユーティ信号は出力設定器２Ａを手動設定し、
例えば０．０１％〜１００％のデユ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ユ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ユ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、上記デユ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ｌに供給される直流電力をオン
６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、上記デユーティ信号のデユ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】から出力されたビーム状のマイクロ波１
０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ＩＯが反射面Ｉ
ＩＡ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１３Ａ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Ｉ２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〜ｌＯ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前記デユーティ信号のデユーティ
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−０
系超電導体、即ちＹＢａ２Ｃｕｓ　Ｏｙの仮焼粉を］ｔ
／ｃｍ”の圧力をかけ、プレス成形することによって１
５φｘ５ｔ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°Ｃ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ぺじッ
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５０
ｘｌＯＯｘ１００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−１０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
デユ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）ＹＭ−６からＹＭ
−１０のグループを第７図に示す温度条件とデユーティ
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１５φＸＳｔのペレットＹ
Ｍ−１からＹＭ−１０までと、ＭＳ−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−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、それそ゛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１５φｘ５
ｔ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）Ｙ
Ｓ−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Ｊ　ｃ　（Ａ／ｃａｒ）は、試料ＹＭ−４−４が
２１Ａ／ｃＪと最も高く、これに続いて試料ＹＭ−６−
４がＩＩＡ／ｃｎｒとなっている。一方、臨界電流密度
ＪＣ（Ａ／Ｃｒ１）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か得られ
るものと思われる。

尚、通常焼成したペレッ）ＭＳ−１の試料ＹＳ−１−４
の臨界電流密度Ｊｃ（Ａ／ｃｎｒ）はＬＡ／ｃｒｌ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ｈＹｓ−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１Ｏ図において、臨界電流密度Ｊ　
ｃ　（Ａ／ｃｎｒ）は７７Ｋ、上口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ＭＳ
−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Ｙ
Ｓ−１の試料ＭＳ−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Ｙ
Ｍ−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ＭＳ−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例えばデユーテ
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路体的に示した構成系統図、第２
図はデユ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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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、前記第１の反射体と前記第２の反射体の間に配置
   された被加熱体をマイクロ波加熱するマイクロ波加熱装
   置であって、 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、前記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。