(57)【要約】【課題】マイクロ波の照射によって被焼成物を自己発熱で焼成するマイクロ波焼成炉に適した、より高性能な発熱体、発熱体を形成するためのコート材及び耐火断熱材を提供する。【解決手段】マイクロ波の照射によって被焼成物を自己発熱で焼成するためのマイクロ波焼成炉用発熱体において、発熱体は骨材および無機結合材からなり、骨材は被焼成物と等価なマイクロ波吸収特性を有する物質であり、無機結合材は被焼成物よりも大きなマイクロ波吸収特性を有する物質である。前述の発熱体を形成するためのコート材。基材の片面に発熱層が設けられており、基材は無機繊維質材料を主成分とし、基材の片面に設けられた発熱層が、前述の発熱体または前述のコート材よりなる耐火断熱材。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波の照射によって被焼成物を自己発熱で焼成するためのマイクロ波焼成炉用発熱体であって、
発熱体は骨材および無機結合材よりなり、
骨材は被焼成物と等価なマイクロ波吸収特性を有する物質であり、
無機結合材は被焼成物よりも大きなマイクロ波吸収特性を有する物質であることを特徴とする発熱体。
【請求項２】
骨材が被焼成物と等価な誘電損失を有する物質であり、無機結合材が被焼成物よりも大きな誘電損失を有する物質であることを特徴とする請求項１に記載の発熱体。
【請求項３】
骨材が焼成カオリンであり、無機結合材が、ケイ酸ソーダ、アルミン酸ソーダの中から選ばれる１種類以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱体。
【請求項４】
無機繊維を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発熱体。
【請求項５】
無機繊維がムライト繊維であることを特徴とする請求項４に記載の発熱体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発熱体を形成するためのコート材。
【請求項７】
マイクロ波の照射によって被焼成物を自己発熱で焼成するためのマイクロ波焼成炉用耐火断熱材であって、
基材の片面に発熱層が設けられており、
基材は無機繊維質材料を主成分とし、
基材の片面に設けられた発熱層が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発熱体よりなることを特徴とする耐火断熱材。
【請求項８】
マイクロ波の照射によって被焼成物を自己発熱で焼成するためのマイクロ波焼成炉用耐火断熱材であって、
基材の片面に発熱層が設けられており、
基材は無機繊維質材料を主成分とし、
基材の片面に設けられた発熱層が、請求項６に記載のコート材よりなることを特徴とする耐火断熱材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内にマイクロ波を照射することによって陶磁器材料やファインセラミックス材料などの被焼成物を自己発熱させて焼成を行うための発熱体に関するものである。
【０００２】
【関連の技術】
従来、前述のような被焼成物の焼成には、電気炉やガス炉などが一般的に使用されている。しかしながら、このような外部加熱による焼成の場合には、被焼成物の表面と内部との間で温度差が大きくならないように炉内温度を緩やかに上昇させることが必要であった。このため、焼成時間が長くなるという問題があった。
【０００３】
そこで、この問題を解決するために、マイクロ波による被焼成物の焼成法が提案されている（例えば、特開平６−８７６６３号公報など）。
【０００４】
この方法は、焼成時間の短縮や雰囲気の制御等に優れており、環境負荷の低減の観点からも、将来の有力な焼成法として注目を集めている。
【０００５】
マイクロ波焼成法は、従来の電気炉やガス炉などの外部加熱による焼成方法とは異なり、被焼成物の誘電損を利用して被焼成物を自己発熱させる焼成方法である。すなわち、マイクロ波を吸収した被焼成物が、それ自身の分子運動によって発熱する。そのため、被焼成物の表面と内部とを区別なく一様に発熱させることができる。
【０００６】
もっとも、実際には、被焼成物の表面は熱放散を生じるために、表面よりも内部の方が温度上昇が大きくなる。このような理由から、前記マイクロ波焼成は内部加熱であるともいわれる。
【０００７】
また、マイクロ波の照射により被焼成物を自己発熱させて焼成する場合、被焼成物と等価なマイクロ波吸収特性を有する耐火断熱材で被焼成物を囲み、それにより、被焼成物の表面からの熱放散により被焼成物の表面と内部との温度勾配が発生することを抑制することによって、被焼成物の均一な焼成が可能であることが報告されている。
【０００８】
この方法においては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を効率よく吸収する陶磁器材料を被焼成物としている。また、発熱体として、被焼成物の周囲を陶磁器材料と等価なマイクロ波吸収特性を持つムライト焼結体で囲み、さらに発熱体の周囲を断熱材で囲んでマイクロ波焼成炉を構成している。
【０００９】
このように被焼成物と発熱体を同時に発熱させる事で、均一で緻密な焼成体を得る方法が提案されている。（高山定次、水野正敏、平井敏夫、島田　忠、佐藤元泰、武藤　敬、居田克己、下妻　隆、井上徳之、江崎和弘：日本電磁波応用研究会第１６回発表資料（２０００））
この方法によると、被焼成物と発熱体との間に温度勾配をほとんど発生させることなく加熱することができる。その結果、被焼成物の内部と表面との間にも温度勾配が発生せず、従来のマイクロ波焼成技術よりも、より短時間に、均一で、効率の良い被焼成物の加熱を行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法のマイクロ波焼成炉の構成においては、発熱体であるムライト焼結体とそれの外側を囲む断熱材によるマイクロ波の消費割合が大きくなるため、被焼成物によるマイクロ波の消費割合が小さかった。
【００１１】
従って、このマイクロ波焼成炉の構成において、限られた一定のマイクロ波出力の条件下では、被焼成物が少量であれば問題ないが、被焼成物の量が多くなると、被焼成物の発熱が不足し、所定の温度まで昇温させることが不可能であった。
【００１２】
従って、上記のマイクロ波焼成炉による構成で一度に焼成することができる被焼成物の処理量を増大させるためには、マイクロ波発振器の数を増やすなどしてマイクロ波出力を増大させる以外に方法がなく、炉の設計を変更することを余儀なくされていた。
【００１３】
また、被焼成物によるマイクロ波の消費割合を大きくするために、即ち、被焼成物以外の部分によるマイクロ波の消費割合を小さくするために、断熱材の厚みを小さくすると、断熱が不十分となり、放散によって外部へと失われる熱量が無視できなくなり、被焼成物とそれを囲んだ発熱体との間に温度勾配が発生してしまうという問題が生じた。
【００１４】
更に、上記構成におけるマイクロ波焼成炉を運転すると、短時間での昇温、冷却による熱衝撃によって発熱体が割れてしまい、熱リーク等で炉の運転に支障をきたすという問題があった。
【００１５】
上記のマイクロ波による焼成方法は、被焼成物の均一焼成および従来の外部加熱による焼成方法と比べた場合の省エネルギー化という点で、既にかなりの水準まで達している。
【００１６】
しかしながら、マイクロ波焼成の主たる効果のひとつである省エネルギー化という点では、更なる改良が求められている。即ち、上記のマイクロ波による焼成方法においては、マイクロ波出力を増大させることなく、限られた一定のマイクロ波出力条件のもとで、より多くの被焼成物を焼成することが可能となるような、発熱機能と断熱機能を備えた材料が求められる。言い換えると、▲１▼マイクロ波吸収によって被焼成物と等価に発熱しながらも、熱放散によって発生する被焼成物との間の温度勾配をより小さくするような優れた断熱性を有し、▲２▼耐火断熱材全体としてのマイクロ波の消費がより小さく、▲３▼短時間での昇温および冷却という使用環境において優れた耐熱衝撃性を有する耐火断熱材が望まれる。
【００１７】
本発明の目的は、マイクロ波の照射によって、自己発熱で被焼成物を焼成するマイクロ波焼成炉に適した、上記特性について、より高性能な発熱体、発熱体を形成するためのコート材、及び耐火断熱材を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、鋭意研究の結果、マイクロ波焼成炉の構成における発熱体のマイクロ波消費割合を減少させ、発熱体に耐熱衝撃性を付与し、かつ被焼成物と発熱体との間に温度勾配が生じることなく、所定の温度まで加熱できるようにするために、発熱体を骨材と無機結合材からなる構成とし、骨材は、被焼成物と等価なマイクロ波吸収特性を有する物質を含み、無機結合材は被焼成物よりも大きなマイクロ波吸収特性を有する物質とした。さらに該発熱体と、該発熱体の熱放散を抑制する断熱機能を有する基材で耐火断熱材を形成することによって、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１９】
本発明による解決手段を例示すると、各請求項に記載の発熱体、発熱体を形成するためのコート材、および耐火断熱材である。
【００２０】
本発明による発熱体は、好適には、骨材および無機結合材からなり、骨材は被焼成物と等価なマイクロ波吸収特性を有する物質であり、無機結合材は被焼成物よりも大きなマイクロ波吸収特性を有する物質であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明により提供される耐火断熱材は、好適には、前記発熱体と、無機繊維質材料を主成分とした基材により形成されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
マイクロ波の吸収による発熱は、その物質の誘電損に起因する現象である。
【００２３】
一般に、マイクロ波吸収による発熱は、その物質の誘電損失の値に比例して大きくなる。言い換えれば、誘電損失の大きい物質は、マイクロ波を吸収しやすく、発熱しやすい。
【００２４】
また、一般に、材料のマイクロ波吸収は、材料の密度に大きく依存する。材料を構成する物質が同じであれば、密度が大きいほどマイクロ波を多く吸収するが、同時に、マイクロ波の消費が多くなる。
【００２５】
上記従来技術で用いられているムライト焼結体は緻密体であるため、上記のように、マイクロ波を吸収しやすい反面、マイクロ波の消費が多く、さらに短時間での昇温および冷却による熱衝撃に対し抵抗性（耐熱衝撃性）が小さい。
【００２６】
本発明では、骨材と無機結合材で発熱体を構成することにより、発熱体の密度を小さくすることで、マイクロ波加熱炉の構成における、発熱体のマイクロ波消費割合を減少させる効果と、発熱体の耐熱衝撃性を向上させる効果を発現させている。
【００２７】
本発明の発熱体の好適な実施態様では、骨材粒子が粒子同士の焼結によって緻密に結合している緻密体ではなく、骨材が無機結合材を介して発熱体自身の密度が小さくなるように結合させたものである。そのため、発熱体は、短時間での昇温および冷却による熱衝撃に対し、大きな抵抗力を持つ。
【００２８】
上記のムライト焼結体を発熱体とする方法、および本発明においても、被焼成物と発熱体の間に温度勾配を生じさせることなく加熱することが好ましい。
【００２９】
被焼成物と発熱体との間に温度勾配を生じさせることなく加熱するために、発熱体を構成する骨材は、被焼成物と等価な誘電損失を有する物質を含み、骨材を結合する無機結合材は被焼成物よりも大きな誘電損失を有する物質を含むことが好ましい。
【００３０】
本発明の好適な実施態様では、発熱体を骨材と無機結合材から構成して、発熱体の密度を小さくしている。この構成により、従来技術で使用したような緻密体に比べ骨材粒子による発熱分が減少する。また緻密体に比べ、骨材粒子の周辺は、無機結合材又は空間となりやすく、骨材粒子自身は発熱するものの、熱放散によって冷却されやすい状態となる。
【００３１】
もし、ここで無機結合材のマイクロ波吸収が小さければ、無機結合材を介して結合されている骨材の粒子が、マイクロ波を吸収して発熱しても、一方で、無機結合材による熱放散によって冷却してしまい、発熱体としての機能を全く発現しなくなる。
【００３２】
本発明の好適な実施態様においては、無機結合材として被焼成物よりも大きいマイクロ波吸収特性を有する物質を用いることによって、発熱体の密度を小さくしたことによる発熱の減少分を無機結合材の発熱によって補い、さらに、骨材粒子の熱放散による冷却を抑制するのである。このようにすれば、被焼成物と発熱体の間に温度勾配が生じることなく、マイクロ波による加熱ができる。
【００３３】
また、無機結合材は、有機結合材と異なり高温においても焼失せず、安定に骨材粒子を結合させる役割を持つ。
【００３４】
さらに、補強材として、本発明の発熱体に無機繊維を含ませると、耐熱衝撃性が向上して好ましいが、この場合、無機繊維を含ませることで発熱体の密度はより小さくなり、上記の如く発熱機能が低下するため、その分を被焼成物よりも大きな誘電損失を有する無機結合材で補うことが一層好ましい。
【００３５】
例えば、代表的なセラミック材料である陶磁器材料を被焼成物とする場合、発熱体の骨材としては焼成カオリンが好適である。カオリン粘土は陶磁器材料の主原料として使用されている物質のひとつであり、焼成カオリンは、被焼成物である陶磁器材料と等価なマイクロ波吸収特性を有する物質である。したがって、被焼成物が陶磁器材料である場合には、発熱体の骨材として焼成カオリンを好ましく使用することができる。
【００３６】
無機結合材としては、ケイ酸ソーダ、アルミン酸ソーダの中から選ばれる１種類以上を好ましく使用することができる。ケイ酸ソーダ、アルミン酸ソーダは被焼成物である陶磁器材料よりも誘電損失が大きく、より大きなマイクロ波吸収特性を有する物質である。従って、ケイ酸ソーダ、アルミン酸ソーダは、マイクロ波吸収によって発熱した骨材の熱放散を抑制すると同時に、発熱体の密度の低下による発熱機能の低下を無機結合材の発熱によって補うことができる。
【００３７】
補強材の役割を果たす無機繊維としては、例えば、アルミナシリカ繊維、アルミナ繊維、ムライト繊維が好ましい。特にムライト繊維が好ましく使用できる。ムライトは陶磁器材料に普遍的に含まれている結晶相のひとつであり、陶磁器材料に近いマイクロ波吸収特性を有する。そのため、補強材として使用する無機繊維もムライト質であることが特に好ましい。
【００３８】
本発明の発熱体は、スラリーまたはセメント状の不定形のコート材によって形成することが好適である。コート材によって発熱体を形成する場合、骨材と無機結合材の他に、無機および／または有機系の増粘剤を適宜使用することができる。
【００３９】
また、無機繊維質材料を基材とし、その基材の片面に前記発熱体を設けた構造体は、マイクロ波焼成炉用耐火断熱材として好適である。
【００４０】
前記の発熱体が設けられる基材は、マイクロ波の透過が可能であり、高い断熱性を有している材料を好ましく使用できる。マイクロ波が基材に吸収され、基材によるマイクロ波の消費割合が大きくなってしまうと、結果として被焼成物の焼成に必要なエネルギー量が著しく増大してしまう。
【００４１】
また、放射冷却による発熱体の温度降下を抑制するために、基材は高い断熱性を有することが好ましい。さらに、基材は耐熱衝撃性が大きいことが好ましい。
【００４２】
このような特性を満たす基材としては、例えば、アルミナシリカ繊維を主成分とするセラミックファイバボードを挙げることができる。セラミックファイバボードは、マイクロ波の透過が可能であると共に、優れた断熱性および耐熱性と、高い耐熱衝撃性を有しており、好ましく使用することができる。
【００４３】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
【００４４】
【表１】
2004142977.tif 000002
表１に示す配合組成に基づき、原料を所定量配合し、これをミキサーにて撹拌・混練して発熱体を形成するための不定形のコート材を得た。但し、比較例３は、市販のムライト焼結体の板を発熱体とした。
【００４５】
まず、発熱体の発熱機能の評価を行った。評価方法を以下に記す。
【００４６】
得られたコート材を、肉厚２５ｍｍのセラミックファイバボード（東芝モノフラックス株式会社製ＦＭＸ−１６ＣＶ）の片面に２ｍｍの厚さで塗布した。その後、それを１００℃で３時間乾燥させ、１０００℃で１時間焼成して、本発明の発熱体を設けた耐火断熱材を得た。但し、比較例３の場合は、２ｍｍ厚のムライト焼結体の板を肉厚２５ｍｍのセラミックファイバボード（東芝モノフラックス株式会杜製ＦＭＸ−１６ＣＶ）の片面に設置した。
【００４７】
次に、この耐火断熱材を用いて、発熱体を設けた面を内側にして、４０×４０×２５ｍｍの閉空間を作成した。
【００４８】
本発明の発熱体に対する発熱機能の評価は、この閉空間内の温度を測定することによって行った。すなわち、この閉空間内に温度を測定するための温度履歴センサーのペレット（ＪＦＣＣ製リファサーモ）を設置し、小型マイクロウェーブオーブンを用いて、出力５００Ｗにて周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を９０分間照射した。
【００４９】
温度履歴センサーによって測定された、閉空間内の温度を、表１に示す。
【００５０】
表１の実施例１は、骨材として焼成カオリン粉体、無機結合材としてＮａ２Ｏ　・４ＳｉＯ２組成のケイ酸ソーダ溶液を使用した発熱体である。９０分のマイク　ロ波照射によって、発熱体で囲まれた閉空間内の温度は約１２１０℃に昇温し、発熱体として良好な機能を有していた。
【００５１】
表１の実施例２は、骨材として実施例１と同じ焼成カオリン粉体、無機結合材としてＮａ２Ｏ・３ＳｉＯ２組成のケイ酸ソーダ溶液を使用した発熱体である。実施例１と同じ条件のマイクロ波照射によって、発熱体で囲まれた閉空間内の温度は約１３６０℃に昇温し、実施例１と同様に、発熱体として良好な機能を有していた。
【００５２】
表１の実施例３は、骨材として実施例１と同じ焼成カオリン粉体、無機結合材としてアルミン酸ソーダＮａ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３粉体を使用した発熱体である。実施　例１と同じ条件のマイクロ波照射によって、発熱体で囲まれた閉空間内の温度は約１３７０℃に昇温し、実施例１と同様に、発熱体として良好な機能を有していた。
【００５３】
表１の比較例１は、骨材として実施例１と同じ焼成カオリン粉体、無機結合材としてシリカゾルを使用した発熱体である。無機結合材であるシリカは、陶磁器材料や焼成カオリンよりもマイクロ波吸収が小さい物質である。実施例１と同じ条件でマイクロ波照射を行ったが、発熱体で囲まれた閉空間内の温度は６００℃以下であり、発熱体として十分な機能を有していなかった。
【００５４】
比較例２は、骨材として実施例１と同じ焼成カオリン粉体、無機結合材としてアルミナゾルを使用した発熱体である。無機結合材であるアルミナも、陶磁器材料や焼成カオリンよりもマイクロ波吸収が小さい物質である。実施例１と同じ条件でマイクロ波照射を行ったが、発熱体で囲まれた閉空間内の温度は６００℃以下であり、比較例１と同様に、発熱体として十分な機能を有していなかった。
【００５５】
比較例３は、市販のムライト焼結体の２ｍｍ厚の板を発熱体とした場合である。実施例１と同一条件でマイクロ波照射を行ったが、発熱体に囲まれた閉空間内の温度は、照射時間９０分では６００℃以下であった。
【００５６】
次に、陶土製容器を焼成する実験を行った。
【００５７】
表１の配合組成によって得られたコート材を、肉厚４０ｍｍのセラミックファイバボード（東芝モノフラックス株式会社製ＦＭＸ−１７ＳＲ）の片面に２ｍｍの厚さで塗布した。
【００５８】
その後、それを１００℃で３時間乾燥させ、１０００℃で１時間焼成して、本発明の発熱体を設けた耐火断熱材を得た。
【００５９】
但し、比較例３の場合は、２ｍｍ厚のムライト焼結体の板を、肉厚４０ｍｍのセラミックファイバボード（東芝モノフラックス株式会杜製ＦＭＸ−１７ＳＲ）の片面に設置した。
【００６０】
次に、この耐火断熱材を用いて、発熱体を設けた面を内側にして、３００×３００×１５０ｍｍの閉空間を作った。
【００６１】
次に、被焼成物として、外径８５ｍｍ、内径７５ｍｍ、高さ８５ｍｍの寸法を有するカップ形状の陶土製容器を用意した。この陶土製容器９個を、前述の閉空間内に置いて、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射した。
【００６２】
陶土製容器の焼成実験の結果を表１に示す。陶土製容器の焼成は、○が焼成可能、×が焼成不可能であることを示す。
【００６３】
実施例１〜３の発熱体を設けた耐火断熱材では、発熱体および被焼成物の表面付近の温度は実質的に同一であり、約１００分で１３００℃まで昇温し、短時間での昇温が可能であった。また、９個すべての陶土製容器が均一に焼成していることを確認できた。さらに耐火断熱材は熱衝撃で割れることもなかった。
【００６４】
しかしながら、比較例１及び２の発熱体を設けた場合は、閉空間内が昇温せず、陶土製容器の焼成を行うことができなかった。
【００６５】
また、比較例３の発熱体を設けた場合は、陶土製容器の焼成は可能であったものの、１３００℃までの昇温に約１８０分を要し、実施例１〜３の場合よりも、昇温に多くの時間が必要であった。さらに、比較例３の発熱体には、熱衝撃による亀裂の発生が見られた。
【００６６】
【発明の効果】
本発明による発熱体やコート材を設けた耐火断熱材をマイクロ波焼成炉に使用すれば、限られた一定のマイクロ波出力の条件下で、より多くの被焼成物を焼成することが可能となると共に、被焼成物と発熱体の表面温度が実質的に同一となり、熱衝撃による被焼成物の割れを発生させることなく、被焼成物を均一に短時間で焼成することが可能となる。さらに、耐火断熱材は、熱衝撃で割れることがないので、炉の運転に支障をきたすことがない。