(57)【要約】ａ)セラミック原材料を提供し、原材料を有効量のビヒクル及び成形補助剤と配合してこれらからなる可塑性混合物を形成し、その後、可塑性原材料混合物を複数の生素地体に成形する工程；ｂ)複数の生素地体のそれぞれ１つを、電磁波による加熱時に、それぞれの生素地体には、境界において、それぞれの生素地体の体積にかかる電力密度の約１.５倍をこえない電力密度がかかるように、複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて配置する工程；及びｃ)電磁波の形態のエネルギーを利用して生素地体を乾燥する工程を含む、複数のセラミック体を加熱する方法。セラミックがハニカムセル型コージェライト体である場合、本方法はさらに、ほとんどがコージェライトである焼成体を作製するために約１３６０℃と約１４６５℃との間の最高温度まで生素地体を加熱する焼成工程を含み、焼成工程は、生素地体が吸熱反応または相転移を受ける期間中にマイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含む。ハニカムセル型コージェライト体を焼成する方法はさらに、複数の生素地体のそれぞれ１つを、電磁波による加熱時に、それぞれの生素地体の境界に、それぞれの生素地体の体積にかかる電力密度の約５倍をこえない電力密度がかかるように、複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて焼成室内に配置する工程を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック体を加熱する方法において：
ａ) セラミック形成原材料を提供し、前記原材料を有効量のビヒクル及び成形補助剤と配合してこれらから可塑性混合物を形成し、その後、前記可塑性原材料混合物を複数の生素地体に成形する工程；
ｂ) 前記複数の生素地体のそれぞれ１つを、電磁波による加熱時に、前記それぞれの生素地体には、境界において、前記それぞれの生素地体の体積にかかる電力密度の約１.５倍をこえない電力密度がかかるように、前記複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて配置する工程；及び
ｃ) 前記複数の生素地体を電磁波の形態にあるエネルギーを利用して乾燥する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記エネルギーがマイクロ波エネルギーの形態であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記近傍で隣接する生素地体の間隔が前記マイクロ波エネルギーの波長の約１/２をこえないことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギーがＲＦエネルギーの形態であり、前記複数の生素地体のそれぞれには、境界において、前記それぞれの生素地体の体積にかかる二次元電力密度の約１.５倍をこえない二次元電力密度がかかることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記近傍で隣接する生素地体の間隔が前記ＲＦエネルギーの電磁場に垂直にとられていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記セラミック体がハニカムセル型コージェライト体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記セラミック体が酸化ジルコニウム耐火煉瓦体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記セラミック体が炭化ケイ素ハニカム体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法において：
ｄ) 前記複数の生素地体を、ほとんどがコージェライトである焼成体を作製するために約１３６０℃と約１４３５℃との間の最高温度まで加熱する焼成工程；
をさらに含み、前記焼成工程が前記複数の生素地体が吸熱反応または相転移を受ける期間中にマイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記焼成工程が、約４５０℃から約６００℃の温度範囲の粘土水減失領域時にマイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記焼成工程が、約８３０℃から約１０００℃の温度範囲のタルク水減失領域時にマイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記焼成工程がさらに、前記複数の生素地体のそれぞれ１つを、電磁波による加熱時に、前記それぞれの生素地体の境界に前記それぞれの生素地体の体積にかかる電力密度の約５倍をこえない電力密度がかかるように、前記複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて焼成室内に配置する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、アラヤ(Araya)等により、２０００年１２月２９日に出願された、名称を「セラミックのマイクロ波処理方法」とする米国仮特許出願第６０/２５８,７２２号の恩典を特許請求する。上記出願の明細書はその全てが参照として本明細書に含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明はセラミック材料を処理する方法に関する。特に、本発明は、電磁エネルギーの使用を含むセラミック材料の加熱及び、必要に応じて、従来の輻射／対流加熱と組み合わせた電磁エネルギーの使用を含むセラミックの焼成を実証する方法に関し、さらに詳しくは、セラミック材料全体にわたって加熱エネルギーが一様に分布するようにセラミック品の配置密度を選ぶことにより電磁エネルギーの電力分散を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
セラミック材料の製造に用いられる従来の加熱は一般に、輻射ガス加熱または電気抵抗加熱を利用する。従来の輻射／対流加熱を利用すると、一般にセラミック材料内に温度差が生じる。この差は、一部では、輻射加熱が材料表面にしか与えられず、セラミック品の表面下及び内部またはコアへの熱エネルギーの伝達は、一般に材料の熱伝導度の不良に依存することによる。言い換えれば、従来の加熱は、表面への輻射または対流及びこれに続く表面からセラミック体内部への熱伝導によって主として達成される熱伝達に関連している。過大なコア−表面温度差が生じると、セラミック材の内部クラック、外部クラック及び歪みがおこり得る。高速の乾燥または焼成は、上記の熱伝達不良の問題及び最終的なクラック発生の問題をさらに悪化させる。
【０００４】
さらに、コア−表面温度勾配が存在すると不等焼結、詳しくは、内部焼結に先立ち、内部焼結より高速の表面焼結が生じる。この結果、セラミック材料は不均一な特性を示し得る。
【０００５】
これまでに提案された上記問題への解決策には、加熱速度を下げることまたは一定温度での長時間保持を可能にすることがある。これらの解決策のそれぞれでは、セラミック材料のコアへの熱エネルギーの伝導が可能になり、したがってセラミック材料のコア温度が表面温度に“追いつく”ことが可能になり、よって表面／コア温度差が最小限に抑えられる。しかし、残念なことに、従来の輻射または対流加熱の理論的限界のため、小寸法のセラミック品を除く全てのセラミック材料で一般に加熱速度が低下する。
【０００６】
代わりに、セラミックのマイクロ波加熱がセラミック材料の乾燥及び焼成補助のいずれにも成功裏に用いられてきた。従来の加熱と比較すると、マイクロ波加熱は、体積加熱機構によるセラミック材料内へのエネルギーの直接注入をともなう。さらに詳しくは、マイクロ波エネルギーの利用には、セラミック品表面ではなく、セラミック品の断面全体への一様なエネルギー供給がともなう。体積加熱のため、セラミック材料のマイクロ波加熱は従来の輻射加熱よりかなり高速であるが、マイクロ波加熱では、輻射加熱と同様に、セラミック品のコアが表面温度より高い温度を示す逆の温度差とはいえ、温度差がセラミック品に生じる。詳しくは、一般に低温から中温においてはマイクロ波エネルギーの不良吸収体であるセラミック材料が高温でマイクロ波により加熱されると、セラミック品内部は相当な量のマイクロ波エネルギーを極めて迅速に吸収し始める。この効果は熱暴走として知られる。セラミック材料の表面はコアとともに加熱されるが、表面はかなりの熱エネルギーを、一般にセラミック材料の平均温度より低温の周囲環境に急速に散逸する。コアがマイクロ波エネルギーを優先的に吸収し始めると、この熱暴走現象は自走性になる。簡単にいえば、セラミック材料の温度が高くなると、熱損失が大きくなり、コア−表面温度差が大きくなって、やはりセラミック品内に熱応力が生じ、最終的にセラミック品のクラック発生を招く。
【０００７】
セラミック品表面からの熱損失に加えて、乾燥機、窯、炉またはオーブン内のマイクロ波分布の非一様性及びセラミック品の不均一な材料特性が、セラミック品によるマイクロ波エネルギーの差異吸収を生じさせ、マイクロ波加熱温度差に寄与する。
【０００８】
多孔性セラミック製品の処理においては、押出成形されただけのセラミック品がいくつかの工程にかけられ、それぞれの工程において、セラミック品が、乾燥され、焼成される。全ての工程には特有の時間−温度サイクルがあり、それぞれのサイクルにおいては、加熱速度、保持温度及び保持時間の全てが所要の物理特性をもつセラミック体の形成に重要である。従来の高温空気法を用いると、セラミック品が比較的大きくなるほど製造時間が長くなる。したがって、セラミック品の大きさに応じて、最善の情況においても、製品の納品にはかなりのリードタイムが必要になり得る。
【０００９】
上記問題を何とか軽減しようとして、従来方法は、押出成形から焼成にかけて１つの熱工程を用いて多孔性セラミックを処理するために、マイクロ波エネルギーと従来の加熱法(抵抗加熱、ガス焼成等)を併用している。これには、乾燥及び焼成が含まれ、乾燥と焼成との間のハンドリング工程(あるいは、セラミック品を２回乾燥する複数の工程)が排除される。このプロセスは、その他の多孔性セラミック製品にも適用できる。
【００１０】
マイクロ波／従来法ハイブリッド加熱すなわちマイクロ波補助加熱は、従来の輻射単独加熱及びマイクロ波単独加熱の問題を克服するための代替として、利用されてきた。マイクロ波加熱及び輻射／対流加熱のいずれをも含むマイクロ波補助加熱においては、マイクロ波により提供される体積加熱がセラミック品を加熱し、同時に、ガス炎または電気抵抗加熱素子により提供される従来の輻射／対流加熱が、セラミック品表面からの熱損失を表面及び周囲環境に熱を供給することにより最小限に抑える。上記の複合すなわちハイブリッド加熱により、従来法単独加熱及びマイクロ波単独加熱にともなう温度プロファイルを回避する加熱を得ることができる。この結果、熱応力を低減させ及び／または最小化することができ、よってセラミック品をより急速に加熱することができる。
【００１１】
より高速で、ハンドリングがより少ない、セラミック品の乾燥及び焼成を補助するためにマイクロ波エネルギーを用いることにより、従来の誘電乾燥プロセス及びガス焼成を一熱工程に統合することができる。マイクロ波乾燥は誘電乾燥機と同じ原理で作用するが、周波数がより高く、より効率的に稼働することができる。マイクロ波補助焼成では、焼成中にセラミック品にかかる温度勾配を小さくすることができ、通常は従来のガス焼成の昇温時間を５０％以上も短縮する、より高速な昇温が可能になる。
【００１２】
未乾燥セラミック品の乾燥においては、極性分子(すなわち水)を特に対象とする体積加熱が従来の乾燥法に勝る大きな利点である。これは現行の乾燥機の作用態様である。マイクロ波乾燥を使用する利点は二重である。高周波数のマイクロ波エネルギーにより、より低い電力の使用及びより効率的な乾燥が可能になり、同時に実用装置の設置面積が小さくなる。また、誘電乾燥機とは異なり、マイクロ波エネルギー源は、セラミックの焼成を補助するために用いることができる。セラミック品を乾燥及び焼成するために設定される熱工程では、乾燥機から窯へのハンドリング、冷却及び再加熱が不必要になるであろう。
【００１３】
マイクロ波エネルギーだけを多孔性セラミックの加熱に用いることができるが、さらに一層効率的で信頼できる方法は、ガス焼成窯で現在用いられている手法をマイクロ波補助加熱と融合し、高速焼成が可能なハイブリッド窯をつくることである。有機及び無機材料から生ウエア素地がつくられ、有機及び無機材料は、焼成時間−温度サイクルにかけられると、相異なる態様で反応する。有機材料は酸素が存在するとある温度で燃焼し、無機材料は、追い出される、化学結合水を含む。
【００１４】
上記の２つの化学過程は相反することが多い。有機結合剤の発熱反応における熱放出及び吸熱化学結合水除去に必要な熱が温度勾配を生じさせ、その結果、セラミック品に熱／機械的応力が生じる。有機材料の燃焼は、セラミック品のコアが過熱しないように、熱を十分高速に抜き取ることができる窯を必要とする。化学結合水の除去は、表面層に比べてコアが冷えることを防止するに十分な熱を供給する窯を必要とする。
【００１５】
処理中は、マイクロ波エネルギーの均等な電力分布が均一な特性を得るために重要である。例えば、化学的(焼成)または物理的(乾燥)な結合水の吸熱除去中には、大量のマイクロ波電力が用いられる。電力が均等に分布していない場合には、過大なエネルギーを受け取るウエアまたはウエア内区画があるであろうし、他は十分なエネルギーを受け取れないことがあり得る。いずれの場合も、クラックが発生したり、または不均一な特性が生じることがある。
【００１６】
ほとんどの多孔性セラミック基体は化石燃料トンネル窯または周期窯内で焼成される。化石燃料燃焼は、輻射加熱だけでなく、炎速度及び燃焼生成物による対流加熱も提供することから、最上の加熱方法となっていた。これらの２つの加熱モードを利用してさえ、ほとんどの場合、セラミック品内の温度差を克服できるなど有効ではないことが多い。これらの加熱は表面にしか与えられないから、セラミック品の表面層から中心にかけて温度を上げるには、本体材料の熱伝導度に依存しなければならない。これは、多孔性セラミックが、その材料本来の性質及び幾何学的形状のために熱絶縁性であるという事実によりさらに困難になる。
【００１７】
上述した理由のため、焼成サイクル時間の５０％もが、単にセラミック品を保持温度まで加熱するために必要な時間となり得る。マイクロ波放射は物体を体積的に加熱する(すなわち全部分が同時に輻射を受け取る)であろうから、セラミック品にかかる温度勾配を小さくするかまたは実質的に無くすことになり、保持温度までのセラミック品の加熱にかかる時間長を劇的に短縮することができる。外側から内側にかけてセラミック品をあまりにも急速に加熱することにより誘起される温度勾配は、クラックを発生させ、望ましくない、すなわち不均一な特性を生じさせる。
【００１８】
体積加熱の利点は、昇温に必要な時間を単に短縮させるにとどまらない。反応中の反応速度を制御し、相変化、化学結合水除去、分解及び焼結中の一様性を保証するために用いることもできる。例えば、化学結合水が除去されている吸熱過程にセラミック品が入れば、セラミック品の表面層は利用できるエネルギーのほとんどを消費して、コアを低温のままにし、表面層は収縮するであろう。これは、温度勾配応力だけでなく、相異なる収縮にかかわる機械的応力も生じさせる。従来法とマイクロ波エネルギーを併用すれば、熱はコア及び表面層に分配され、焼成サイクルの臨界過程時の上述した応力は無視可能になる。焼結のような別のサイクル過程時における利点は想像に難くない。
【００１９】
同様の現象が乾燥中におこることが知られている。例えば、セラミックウエアが乾燥すると、ウエアは弾性を失い、及び／または収縮する。収縮により何らかの応力差が生じると、ウエア体にクラックが発生しやすくなる。したがって、外表面からの水の蒸発をセラミックウエアの中心からの水の除去(蒸発または浸透)と釣り合わせることが重要である。
【００２０】
安価で信頼性のあるマグネトロンによって供給される周波数のマイクロ波エネルギーは、営利的に利用可能であり入手可能であり、多孔性セラミックの処理に適している。ガス焼成及びマイクロ波加熱がハイブリッド併用される技術は既知である。
【００２１】
様々な実施方法が提案されているが、セラミック品の最適な一様加熱を達成するためにマイクロ波入力と従来法エネルギー入力を連係して働かせることは困難であり得る。マイクロ波補助セラミック焼成標準制御方法に関する様々な形態が特許文献１，特許文献２及び特許文献３に開示されている。これらの特許文献は概ね、セラミック品を収めている外囲器内の雰囲気温度を測定することによる、マイクロ波エネルギー及び輻射熱によりセラミック品に生成される熱の量を独立に制御する方法を開示している。この雰囲気温度測定に基づき、応答して、マイクロ波エネルギーまたは輻射熱の一方または両方により、セラミック品に生成される熱が制御される。このタイプの制御方法は以前の従来型制御方法に勝る改善ではあるが、窯ガスの不均一混合及びセラミック材料内でおこる化学反応の効果が、セラミック品の表面温度及び内部温度の正確な予測を困難にしている。
【００２２】
加熱の一様性は、工業的に適用される大部分の加熱処理において最大の重要事である。一般に、生産性を高めるために複数のセラミック品が窯内に配置される。これにより、それぞれのセラミック品が適切に焼成され、よって、焼け、クラック発生またはその他の望ましくない結果を確実に回避させるために窯内に適切な量の熱エネルギーを一様と分布させることの重要性が高まる。複数のセラミック品のマイクロ波エネルギー処理で遭遇する１つの問題は、境界効果として知られる。この効果は、セラミック製品の境界、すなわちウエアとその周囲(一般には窯または乾燥機内の雰囲気)との界面に向けられるマイクロ波エネルギーの不等電力分布を生じさせる傾向がある。
【特許文献１】
国際公開第９５/０５０５８号パンフレット
【特許文献２】
国際公開第９３/１２６２９号パンフレット
【特許文献３】
米国特許第５１９１１８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
複数のセラミック品に、それぞれのセラミック品内の一様な電力分散、(一回の焼成時での組成はどれでも実質的に同じであるとしても)広汎で多様な試料組成、様々なウエア寸法及び形状、より優れた細孔寸法分布、高められた強度及び耐熱衝撃性、低められた熱膨張係数、並びに内部及び外部クラックの排除に対する全般的適用性を提供できる解決策が、現状技術には欠けている。
【００２４】
また、燃焼加熱プロセスによる表面加熱にともなう非効率性のために、以前は相当に低められていた臨界過程時のスループット(短縮された時間−温度サイクル)を向上させるプロセスも欠けている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
したがって、本発明の態様は、複数のセラミック体を加熱する方法において：
ａ) セラミック形成原材料を提供し、原材料を有効量のビヒクル及び成形補助剤と配合してこれらから可塑性混合物を形成し、その後、可塑性原材料混合物を複数の生素地体に成形する工程；
ｂ) 電磁波による加熱時に、複数の生素地体のそれぞれに、それぞれの生素地体の境界において、体積にかかる電力密度の約１.５倍をこえない電力密度がかかるように、複数の生素地体のそれぞれ１つを複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて配置する工程；及び
ｃ) 電磁波の形態のエネルギーを利用して生素地体を乾燥する工程；
を含む方法を提供することである。
【００２６】
本発明の別の態様にしたがえば、セラミックがハニカムセル型コージェライト体である場合に、本方法はさらに、ほとんどがコージェライトである焼成体を作製するために約１３６０℃と約１４３５℃との間の最大温度まで生素地体を加熱する焼成工程を含み、焼成工程は、生素地体が吸熱反応または相転移を受ける期間中にマイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含む。
【００２７】
本発明の別の態様にしたがえば、ハニカムセル型コージェライト体の焼成工程はさらに、電磁波による加熱時に、複数の生素地体のそれぞれに、それぞれの生素地体の境界において、体積にかかる電力密度の約５倍をこえない電力密度がかかるように、複数の生素地体のそれぞれ１つを複数の生素地体の１つの近傍に隣接させて焼成室内に配置する工程を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は複数のセラミック体を加熱する方法に関する。本発明は、一部には、窯または乾燥機内のウエアの配置の仕方が不必要な境界条件を回避することにより電力分布に影響し得るという認識から生まれた。境界条件はバッチの端には必ず存在するが、本発明にしたがうバッチ内のセラミック品の熟慮された配置により、バッチ内またはセラミック品間の境界条件を排除される。与えられたバッチ内でセラミック品の寸法及び形状が同じである必要はないが、セラミック品は同様の組成をもつことが好ましい。
【００２９】
セラミック形成原材料が可塑性混合物を形成するために有効量のビヒクル及び成形補助剤と配合される。その後、混合物は複数の生素地体に成形される。さらに、同様の配合物、例えば材料のＥ”値の１０％以内であることが好ましい配合物から、１つまたはそれより多くの生素地体を相異なる寸法及び形状で成形することができる。Ｅ”値は材料の複素誘電率である。Ｅ”値は、電磁場で加熱される材料である、“損失のある”材料については正数であり、この数値が大きいほど材料は損失機構の影響を受けやすい。
【００３０】
複数の生素地体のそれぞれ１つは、電磁波による加熱時に、それぞれの生素地体に、それぞれの生素地体またはバッチの境界において、体積にかかる電力密度の約１.５倍をこえない電力密度がかかるように、隣の生素地体に近接して配置される。次いで、生素地体は電磁波の形態にあるエネルギーを利用して乾燥される。従来システムにおいては、複数の生素地体で一様な加熱条件を達成することは困難であり、この問題は一般にそれぞれの生素地体の周りにより多くの空間を与えることにより処理される。対照的に、本発明にしたがえば、密装システムで一様加熱が達成される。
【００３１】
適する電磁エネルギーの形態には、マイクロ波及びラジオ周波数(“ＲＦ”)のエネルギーがある。電磁場は様々な周波数範囲にあるかあるいは標準周波数または必要に応じて別の周波数のマイクロ波エネルギーとすることができる。マイクロ波エネルギーが利用される場合、隣り合う生素地体の間隔は、用いられるマイクロ波エネルギーの波長の約１/２をこえないことが好ましい。ＲＦエネルギーが用いられる場合、それぞれの生素地体には、電磁場に平行な境界において、体積にかかる二次元電力密度の約１.５倍をこえない二次元電力密度がかかり、間隔はＲＦエネルギーの電磁場に垂直である。例えば、電極板間にある誘電体が空気または真空である場合、電磁場は電極に垂直に向けられる。しかし、誘電材料は電磁場を歪ませ、“エンドフレア”効果を生じさせ、近接度、寸法及び材料の損率の関数として、不等電力分布を加熱されている材料に生じさせる。この結果、バッチの前縁及び後縁における加熱が強まる。前縁及び後縁を無くすような態様でウエアを装填することにより境界効果を回避することができる。
【００３２】
本発明にしたがう処理に適する生素地体は、多種多様なセラミック材料の内のいずれからもなることができる、本プロセスは、コージェライトからなるハニカムセル型セラミック、酸化ジルコニウム耐火物、炭化ケイ素ハニカム及び、ムライト、チタン酸アルミニウム等からなる、その他の酸化物ハニカムセラミックの焼成に対して特に利点を提供する。
【００３３】
本発明は、特に有機物含有量の多い組成のセラミック体の、誘電場内での、乾燥速度及び焼成を制御する方法を提供する。一般に適用される乾燥は、セラミック体の乾燥速度を管理し、よってふくれ及び割れのような“表面層”欠陥を回避するために、電力及び／またはベルト速度の制御に依存する。
【００３４】
本発明は、電磁場を歪ませることができる誘電材料の能力の認識を利用する。電磁場の上記の歪み及び変位により、セラミック体が密接している場合に、セラミック体に印加される有効電力の減衰が生じる。従来の考察は、乾燥速度を低下させるための、印加電力の低減及び／またはベルト速度の増速に依存する。そのような手法は、実際には、セラミック体間隔が電磁場歪みまたは電磁場の減衰を最大化するから、セラミック体により多くのエネルギーを集束させ、よって一箇所に電磁場を集中させる。対照的に、本発明にしたがえば、与えられたいかなる時間においても搬送体または乾燥域におけるセラミック体搭載密度を高めることにより、減衰効果が個々のセラミック体に印加されている電力を分散させ、よって欠陥のない均等乾燥を可能にする。発明者等は、密な物体または密装物体アレイ全体にわたってより均等に電力を分配できることを発見した。これにより、乾燥中にクラックを生じさせる縁端加熱量がゼロになるかまたは低減される。
【００３５】
乾燥の目標は、可能な限り急速に、またセラミック品のコアから表面層までの温度偏差を小さく保ちながら、水分を除去することであり、これは、バッチの全寸法にわたりエネルギーをより均等に分配することにより達成される。
【００３６】
本発明にしたがってウエアを密装すれば、ウエア内のエネルギー密度変動を、乾燥中は約２０％より小さく、ハイブリッド焼成中は５０％より小さく、維持し得ること及び、ウエアへの電力を、従来はホットスポットを生じさせたかまたは熱暴走をおこさせたであろうレベルより高め得ることが見いだされた。空間を通るエネルギーの変動は一般にエネルギー入力との関係を示すが、ウエアが密装された場合には変動が低下する。ハイブリッド加熱において、温度が高くなると実際にはエネルギー変動が小さくなり、より多くの電力がウエアに吸収され得る。したがって、従来方法で可能であったウエア内エネルギー密度より高いウエア内エネルギー密度を達成することができる。
【００３７】
本発明の方法は、セラミックハニカム基体に関して説明されるが、材料の誘電特性が、材料を急速加熱及び処理中の材料の歪みへの感度を高くする、いかなる用途にも適用される。
【００３８】
本発明は、“ふくれ”及び“割れ”または“溝”を典型的な表面層欠陥とするが、そのような欠陥にはセラミック体のクラック発生及び歪みも含まれる。
【００３９】
適する用途の１つは、既存のＲＦ乾燥機における、乾燥機が部分的に満たされているときの、始動及び作業変更に関連する欠陥を最小限に抑えるためのトレイ近接度の制御である。本例においては、入りトレイを計数し、所望の間隔が維持されるようにベルト速度を区分化することにより、乾燥機バッチを決定することができる。
【００４０】
本発明は多孔性セラミックの焼成サイクルの重要な温度領域時、特に、但し限定的ではなく、化学結合水が生素地体から追い出される吸熱反応領域時の、連続及び周期ガス焼成窯へのマイクロ波エネルギーの印加を利用する。ハニカムセル型コージェライトセラミックの焼成中には、複数の生素地体のそれぞれ１つが、電磁波による加熱時に、それぞれの生素地体に、境界において、生素地体の体積にかかる電力密度の約５倍をこえない電力密度がかかるように、隣の生素地体に近接して焼成室内に配置される。
【００４１】
本方法は、ほとんどがコージェライトである焼成体を作製するために約１３６０℃と約１４３５℃との間の最高温度まで生素地体を加熱する焼成工程を含み、焼成工程は、生素地体が吸熱反応または相転移を受ける期間中に、マイクロ波加熱及び対流または輻射加熱を併用する工程を含む。さらに詳しくは、生素地体が吸収反応または相転移を受けるフェーズには、約４５０℃から約６００℃までの温度範囲の粘土水減失領域及び約８３０℃から約１０００℃までの温度範囲のタルク水減失領域がある。マイクロ波によるセラミック品内の高められた温度一様性の利点を受けるその他の領域には、炭化水素／結合剤焼失領域(１００℃から４５０℃)及び１２５０℃をこえる高温焼結／保持温度領域がある。
【００４２】
多孔性セラミック基体の焼成において、生素地体は特有の時間−温度サイクルにかけられる。セラミック体内での所要の物理特性の形成には、加熱速度、保持温度及び保持時間の全てが重要である。配合材料は有機及び無機材料からつくられる。そのような配合材料は、時間−温度サイクルにかけられると、相異なる態様で反応する。有機材料は酸素の存在の下である温度で燃焼し始め、熱を放出する。無機材料の中には、無機材料に依存するある温度で追い出される、化学結合水を含むものがある。化学結合水の除去には熱が必要である。有機材料の熱放出(発熱反応)及び無機材料における化学結合水の追い出しの熱所要(吸熱反応)はセラミック品の中心と表面との間に温度差を生じさせる。
【００４３】
ほとんどの多孔性セラミック基体は化石燃料トンネル窯または周期窯内で焼成される。化石燃料燃焼プロセスは、輻射加熱だけでなく、炎速度及び燃焼生成物による対流加熱も提供することから、最上の加熱方法となっていた。これらの２つの加熱モードを利用してさえも、これらの２つの加熱モードは表面にしか適用されず、セラミック品の表面下から中心にかけて温度を上げるためには本体材料の熱伝導度に依存していることから、ほとんどの場合、セラミック品内の温度差を克服するに十分に有効ではないことが多い。
【００４４】
商業的に利用できるマイクロ波周波数の全範囲内の、それぞれ、９１５ＭＨｚ及び２.４５ＧＨｚのような、いかなる周波数においてもマイクロ波エネルギーを印加できる。出力発生器の適切なチョーキング及び周波数整合が維持されれば様々な複数のマイクロ波周波数を時間−温度サイクルの進行とともに利用し、材料、温度及びマイクロ波周波数を整合させて、最善のセラミック品温度一様性を得ることができる。周波数掃引マイクロ波発生器は、時間−温度サイクル全体にわたって複数の周波数が望まれる、周期窯における代替である。
【００４５】
セラミック品へのエネルギーの一様印加のために、マイクロ波エネルギーが選ばれた。先に述べたように、従来の燃焼技術は、セラミック品表面にしか熱を印加しない。印加されているマイクロ波エネルギーにセラミック品が結合し始める温度までセラミック品温度を上げるために化石燃料加熱モードを補助するため、炭化ケイ素または同様の材料でつくられたサセプタプレートを用いることができる。そのようなサセプタプレートは、マイクロ波エネルギーを整形するかまたは窯内の一定の位置またはセラミック品にマイクロ波を集中せるために用いることもできる。
【００４６】
一様なセラミック品温度による本発明の利点には、高められた強度及び耐熱衝撃性、低められた熱膨張係数、低減された内部／外部クラック及び一様な多孔度特性があるが、これらには限定されない。燃焼加熱プロセスによる表面加熱にともなう非効率性のため、上記の重要な領域にかかる時間が以前はかなり長められていたから、高められたスループット(より短い時間−温度サイクル)も達成される。
【００４７】
本発明にしたがうセラミック材料を加熱するための基本システムが、本明細書で説明される。本システムは、断熱壁体を有し、その中に加熱されるべきセラミック品が配置される、マイクロ波共鳴キャビティを備えることが好ましい。マイクロ波発生器、例えばマグネトロンが、導波管構成によりキャビティに直結されるかまたは間接的に結合される。本システムは、マイクロ波電力を連続的に調節するためのマイクロ波電力源／制御器を備え、必要に応じて、断熱外囲器内の従来法加熱のために構成された、独立に制御される従来の熱源／制御器を備える。従来の電気抵抗加熱あるいは直接または間接バーナー構成におけるガス加熱を含むが、これらには限定されない、従来の熱源は、対流または輻射熱をつくるものとされる。
【００４８】
マイクロ波窯は一般に、アルミニウムまたは３００番台ステンレス鋼のような非磁性材料の殻を備える。この殻の全内壁面は、高純度アルミナセラミックファイバのような、低損失の熱絶縁材で内張りされる。導波管ポートまたは開口は、高純度石英ガラスまたは、雲母のような、その他の低損失材料でつくることができる蒸気遮蔽板により、窯雰囲気から保護される。この蒸気遮蔽板はシリコーンゴムセメントで導波管に接合される。窯底において、搬送車が加熱されるべきセラミック品を保持し、窯内搬送車は、炭化ケイ素のような耐熱材料の、１つまたはそれより多くの棚及び支持体を有し、棚がセラミック品を支持する。窯内搬送車は、エネルギーの通路を提供するため及び窯またはその等価物を囲む領域へのマイクロ波の漏洩を避けるために、窯壁面と搬送車の金属部との間にマイクロ波チョークを有することが重要である。
【００４９】
マイクロ波を発生させるために用いられる発生器源は、電力調整能力をもつ通常のどのようなマグネトロンでも構成できる。用いられる入射マイクロ波の周波数は、米国で工業用周波数帯として指定されている約９１５Ｍｚまたは約２.４５ＧＨｚであることが好ましい。米国及び他国においては、２８,０００ＭＨｚまでの周波数が利用できることが知られている。さらに、入射マイクロ波の電力は、セラミック品の加熱に有効な温度までセラミック品の温度を上げるに十分な電力より大きい必要はない。具体的には、マイクロ波発生器は７５ｋＷないしそれ以上までの範囲の可変電力レベルを有するべきである。
【００５０】
セラミック品の表面温度及びセラミック品の中心近傍の温度、すなわちコア温度のいずれをも測定できる温度測定システムが、マイクロ波電力源／制御器及び従来の熱源／制御器を独立に制御する、制御ユニットに接続される。この制御ユニットは、プログラマブルロジックコントローラ(ＰＬＣ)及びパーソナルコンピュータ(ＰＣ)の組合せを備えることが好ましい。温度測定システムは、セラミック品の表面温度もコア温度も測定できるいずれかの適切な温度センサを備える。本明細書を通じて用いられるコアという術語は、特定のセラミック品の中心または中心近傍におけるセラミック品の内部部分を指すが、コア温度は、コアの温度を正確に反映する、セラミック品の内部のいかなる位置でも測定することができる。適するセンサには、例えば、高温計(またはその他のサーモグラフィ装置)、保護外被付熱電対、ライトパイプまたは黒体プローブがある。好ましい実施形態において、センサは、窯殻に接地された白金またはその他の耐熱金属保護外被内に収められたタイプＳまたはタイプＢの熱電対の形態にある、前方伸長型温度プローブを含む、保護外被付熱電対からなる。
【００５１】
さらに、コア温度は反射電力法によって測定することができる。マイクロ波ユニットにおいて、マグネトロンは磁石及びフィラメント制御器に与えられるコマンド信号に基づいてマイクロ波エネルギーを出力する。エネルギーは導波管内をキャビティに向かって進行し、キャビティにおいてエネルギーはバッチにより吸収され、キャビティ壁面またはその他の反射面により反射される。ウエアにより吸収されないエネルギーは、反射されて導波管に戻る。反射電力は、キャビティ内のバッチの大きさの尺度であり、あるいはキャビティ内のバッチの誘電特性に依存する。サイクル中の反射電力を監視することにより、バッチの物理的状態を確認することができ、バッチに必要なエネルギーを送出するためにマイクロ波電力を制御することができる。
【００５２】
動作中に、併用電磁マイクロ波放射をセラミック材料に照射することによって、またセラミック品に従来法の熱をかけることによって、セラミック材料にある量の熱エネルギーがかけられる。マイクロ波放射及び従来法の熱の量は、あらかじめ定められた時間−温度プロファイルにしたがってセラミック品が加熱されるような量である。室温から均熱焼結温度までの範囲の時間−温度プロファイルは、セラミック品を最少時間で均熱焼結温度まで加熱し、それでも、引き続く均熱焼結温度での保持後に、所要のセラミック材料特性を示すセラミック品、特にクラックが無く無歪のセラミック品の製造が可能であるように、決定される。
【００５３】
本発明の方法の商用運用は、マイクロ波キャビティを有するマイクロ波加熱装置内にセラミック材料を配置する工程及び、マイクロ波放射を従来法の熱エネルギーと併用し、あらかじめ定められた時間−温度プロファイルにしたがって、セラミック材料にかける工程を含むことになろう。
【００５４】
以上、ある例示的な特定の実施形態に関して本発明を詳細に説明したが、本発明がそのような実施形態に限定されると見なされるべきではないことを理解すべきである。特許請求の範囲で定められる本発明の広汎な精神及び範囲を逸脱することなく数多くの改変が可能であると予想される。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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