(57)【要約】  誘電体プリフォーム材料を加熱するための方法及びシステムがもたらされる。例示的方法は、マイクロ波空洞（１０４）内に、マイクロ波空洞の長手方向軸に沿ってプリフォーム材料（１０２）を挿入する工程、及びマイクロ波空洞（１０４）に、マイクロ波空洞（１０４）の長手方向軸（ｚ）に沿った軸方向波長に対応する周波数を有するマイクロ波電力を供給する工程を含む。軸方向波長は長手方向軸（ｚ）に沿ったプリフォーム材料（１０２）の長さより大きい。方法は、マイクロ波空洞（１０４）内のプリフォーム材料（１０２）を、マイクロ波電力によって加熱する工程、及びプリフォーム材料の表面上の１つ以上の位置における、プリフォーム材料の温度を決定する工程を含む。方法はさらに、プリフォーム材料（１０２）の温度に基づいて、マイクロ波周波数を調整して、少なくとも長手方向軸（ｚ）に沿ったプリフォーム材料の側壁上で実質的に均一な加熱を達成する工程を含む。
2018538171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波空洞内に、前記マイクロ波空洞の長手方向軸に沿ってプリフォーム材料を挿入する工程と、
前記マイクロ波空洞に、前記マイクロ波空洞の前記長手方向軸に沿った軸方向波長に対応する周波数を有するマイクロ波電力を供給する工程であって、前記軸方向波長は、前記長手方向軸に沿った前記プリフォーム材料の長さより大きい、前記マイクロ波空洞にマイクロ波電力を供給する工程と、
前記マイクロ波空洞内の前記プリフォーム材料を、前記マイクロ波電力によって加熱する工程と、
前記プリフォーム材料の表面上の１つ以上の位置における、前記プリフォーム材料の温度を判定する工程と、
前記プリフォーム材料の前記温度に基づいて、前記マイクロ波電力の前記軸方向波長を前記プリフォーム材料の長さより大きく維持することによって、前記マイクロ波周波数を調整して、少なくとも前記長手方向軸に沿った前記プリフォーム材料の側壁上で実質的に均一な加熱を達成する、前記マイクロ波周波数を調整する工程であって、前記マイクロ波電力は前記マイクロ波空洞の前記長手方向軸に沿った実質的に均一な電界に対応する、前記マイクロ波周波数を調整する工程と、
を備える、誘電体プリフォーム材料の加熱方法。
【請求項２】
前記マイクロ波周波数を調整する工程は、前記マイクロ波周波数を、前記マイクロ波空洞のＴＭ０１モードの遮断周波数と実質的に同じになるように維持する工程を含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プリフォーム材料が前記長手方向軸に沿って不均一な厚さを有する場合、前記実質的に均一な電界を強化するために、前記プリフォーム材料に隣接して前記マイクロ波空洞内に誘電体スペーサを挿入する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プリフォーム材料が前記長手方向軸に沿って不均一な厚さ又は形状を有する場合、前記実質的に均一な電界を強化するために、前記長手方向軸に沿って変化する空洞半径を有する前記マイクロ波空洞を構築する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プリフォーム材料の前記厚さが小さいところでは前記空洞半径を増加し、前記プリフォーム材料の前記厚さが大きいところでは前記空洞半径を減少する工程をさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プリフォーム材料の前記温度を判定する工程は、
前記プリフォーム材料の前記長さに沿って、前記１つ以上の位置に２つ以上の温度センサを配備する工程と、
前記２つ以上の温度センサによって前記温度を測定する工程と、
を含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記マイクロ波周波数を調整する工程は、加熱時の前記プリフォーム材料の誘電率の変化を示す前記プリフォーム材料の前記温度の変化に応答して、前記マイクロ波周波数をチューニングする工程を含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロ波周波数を調整する工程は、前記プリフォーム材料の前記誘電率の増加と共に前記マイクロ波周波数を減少して、前記実質的に均一な電界を維持する工程を含んでなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロ波周波数を調整する工程は、加熱時の前記プリフォーム材料の温度勾配に基づいて前記マイクロ波周波数をチューニングする工程を含んでなる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロ波空洞の前記長さに沿って位置付けられた少なくとも１つ環状注入口を通じて、前記マイクロ波電力を結合する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
加熱時に、前記マイクロ波空洞内の１つ以上の位置において取られた電界測定値に基づいて電界勾配を判定する工程と、
前記電界勾配に基づいて前記マイクロ波周波数を調整して、前記マイクロ波空洞内の前記実質的に均一な電界を維持する工程と、
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記マイクロ波空洞の開口部の外部にマイクロ波チョークを位置付けして、前記マイクロ波空洞からの前記マイクロ波電力の漏洩を低減する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マイクロ波電力を調整して、前記プリフォーム材料の加熱速度を所定の範囲内に維持する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記マイクロ波周波数は約２．４０ギガヘルツ（ＧＨｚ）〜約２．５０ＧＨｚである、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記マイクロ波電力は約１００ワット〜約３０００ワットである、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記プリフォーム材料の前記温度及びマイクロ波電力吸収の効率の少なくとも１つに基づいて、前記マイクロ波電力を調整して、加熱速度又はエネルギー効率の少なくとも１つを最適化する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも前記プリフォーム材料の前記側壁における前記温度の不均一性を補正するために、前記遮断周波数から偏位するように前記マイクロ波周波数をチューニングする工程をさらに備える、請求項２に記載の方法。
【請求項１８】
誘電体プリフォーム材料を加熱するためのシステムにおいて、
マイクロ波空洞の長手方向軸に沿って、前記プリフォーム材料を収容すべく形成された前記マイクロ波空洞と、
前記マイクロ波空洞と結合するマイクロ波電力源であって、マイクロ波電力を前記マイクロ波空洞に供給して前記プリフォーム材料を加熱するためのマイクロ波電力源と、
加熱する間の前記プリフォーム材料の誘電率の変化に応答して前記マイクロ波電力の周波数を調整するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、前記周波数を調整することは、前記マイクロ波電力の軸方向波長を、前記長手方向軸に沿った前記プリフォームの長さより大きく維持し、それによって前記プリフォームの前記長さに沿った前記マイクロ波空洞内の電界分布が実質的に均一となることを確実にする、コントローラと、
前記プリフォーム材料が、前記長手方向軸に沿って不均一な厚さ又は形状を有する場合、前記実質的に均一な電界分布を強化するために、前記マイクロ波空洞内の前記プリフォーム材料に隣接して配備された誘電体スペーサと、
を備えるシステム。
【請求項１９】
前記マイクロ波電力の前記周波数は約０．５ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚである、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記マイクロ波電力の前記周波数は約２．４０ＧＨｚ〜約２．５０ＧＨｚである、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記マイクロ波空洞は実質的に円筒形である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つのコントローラは、前記プリフォーム材料の加熱時に、前記マイクロ波電力の前記周波数を概ね前記マイクロ波空洞のＴＭ０１モードの遮断周波数に維持するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記マイクロ波空洞の直径は約１ｃｍ〜約１００ｃｍである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記マイクロ波空洞の前記直径は、前記実質的に均一な電界分布を維持するために、前記プリフォーム材料の幾何形状又は特性の変化に応答して、前記空洞の前記長手方向軸に沿って変化する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記プリフォーム材料が形状においておおよそ矩形である場合、前記マイクロ波空洞は矩形である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２６】
前記マイクロ波空洞への前記マイクロ波電力の注入口を画定する環状スリットをさらに備え、前記環状スリットは、結合効率の所定の範囲内での、前記マイクロ波電力の前記マイクロ波空洞への結合を可能にするように寸法設定される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２７】
前記マイクロ波電力源及び前記環状スリットは、同軸ケーブルによって結合される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
加熱時に前記プリフォーム材料の温度を監視するために、前記マイクロ波空洞の周りに配置された１つ以上の温度センサをさらに備え、前記１つ以上の温度センサ及び前記マイクロ波電力源と接続する、前記少なくとも１つのコントローラは、前記実質的に均一な電界分布を維持することによって、前記監視される温度に応答して前記マイクロ波電力の前記周波数を調整して、前記長手方向軸において少なくとも前記プリフォーム材料の側壁を均一に加熱するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２９】
前記１つ以上の温度センサは、前記長手方向軸において前記プリフォーム材料に沿って等距離に離隔した複数の温度センサを備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記空洞内の電界を監視するために、前記マイクロ波空洞内に配置された１つ以上の電界センサをさらに備え、前記１つ以上の電界センサ及び前記マイクロ波電力源と接続する、前記少なくとも１つのコントローラは、前記監視される電界に応答して前記マイクロ波電力の前記周波数を調整して、前記実質的に均一な電界分布を維持するように構成される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記１つ以上の電界センサは、前記長手方向軸において前記プリフォーム材料に沿って等距離に間隔が置かれた、複数の電界センサを備える、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのコントローラは、前記プリフォーム材料の加熱速度を制御するために、及び空気の絶縁破壊限界未満に前記マイクロ波空洞内の前記電界を制限するために、前記マイクロ波電力を設定するようにさらに構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項３３】
前記誘電体スペーサは、前記プリフォーム材料の閉じた端部に隣接して、前記閉じた端部近くの電界を増加するように位置付けられる、請求項１８に記載のシステム。
【請求項３４】
前記プリフォーム材料を挿入及び除去するための少なくとも１つの開口部と、
前記マイクロ波空洞からの前記マイクロ波電力の漏洩を低減するように、前記開口部の外部に位置付けられたマイクロ波チョークと、
をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項３５】
前記マイクロ波電力源は、固体マイクロ波発生器である請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にマイクロ波エネルギーを用いて誘電体材料を処理することに関し、より詳細には加熱時に温度と共に変化し得る誘電特性を有する誘電体材料を加熱することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ボトルなどの熱可塑性容器の生産においてはしばしば、プリフォームは最初に加熱され、その後成形されて（例えば射出成形、又は延伸ブロー成形によって）所望の形状の容器を形成する。加熱動作は通常、赤外線放射又は近赤外線放射によって行われ、これは通常おおよそ１０〜１５％の低いエネルギー効率に関連付けられる。従って赤外形加熱のための持続時間は通常、数分程度に長くなり得る。これと対照的にマイクロ波放射によってプリフォームを加熱することは、より高いエネルギー効率（例えばおおよそ３０〜５０％）を有することができ、これは赤外形加熱の使用に比べて、エネルギー・コストを劇的に低減することができる。
【０００３】
特許文献で述べられる装置などの、プラスチック・プリフォームのためのマイクロ波をベースとする加熱装置が知られている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照。）。しかしそれらのマイクロ波装置は、マイクロ波加熱時にプリフォームを機械的に直線的及び／又は回転的に移動せずに、プリフォームを実質的に均一に加熱することができない。このような装置に関連する欠点は、一時にプリフォームの一部分を加熱することによって、生産スループットが大幅に低減されることである。さらに機械的移動は、プリフォーム加熱装置の複雑さ及びコストを増加させる。さらに既存の装置は、ほとんどすべてのプリフォームに存在する不均一な厚さ又は幾何形状を有するプリフォームの、比較的均一で効率的な加熱をもたらすことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，９５２，９４９号
【特許文献２】米国特許第７，１６３，６５５号
【特許文献３】米国特許第８，２３１，８２３号
【特許文献４】米国特許第８，５１７，７１１号
【特許文献５】米国特許第８，６２９，３７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、プリフォームを所望の形状に成形する前に、マイクロ波エネルギーを用いて、増加されたエネルギー効率を有して誘電体材料のプリフォームを加熱するためのシステム及び方法をもたらす。本発明はまた、マイクロ波加熱処理時のプリフォームの機械的操作を低減させ、又は取り除きながら、加熱速度及びスループットを増加することができる。さらに本発明は、加熱時の温度均一性を可能にし、アーク放電を取り除くためにマイクロ波空洞内の電界ピーキングを最小にするように、正確な温度制御をもたらすことができ、それによって全体的なシステム・ロバスト性を改善する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１態様において、誘電体プリフォーム材料を加熱する方法がもたらされる。方法は、マイクロ波空洞内に、マイクロ波空洞の長手方向軸に沿ってプリフォーム材料を挿入する工程、及びマイクロ波空洞に、マイクロ波空洞の長手方向軸に沿った軸方向波長に対応する周波数を有するマイクロ波電力を供給する工程を含む。軸方向波長は長手方向軸に沿ったプリフォーム材料の長さより大きい。方法はまた、マイクロ波空洞内のプリフォーム材料を、マイクロ波電力によって加熱する工程、及びプリフォーム材料の表面上の１つ以上の位置における、プリフォーム材料の温度を決定する工程を含む。方法はさらに、プリフォーム材料の温度に基づいて、マイクロ波電力の軸方向波長をプリフォーム材料の長さより大きく維持することによって、マイクロ波周波数を調整して、少なくとも長手方向軸に沿ったプリフォーム材料の側壁上で実質的に均一な加熱を達成する工程であって、これはマイクロ波空洞の長手方向軸に沿った実質的に均一な電界に対応する、工程を含む。
【０００７】
いくつかの実施形態において、プリフォーム材料が長手方向軸に沿って不均一な厚さ又は形状を有する場合、実質的に均一な電界を強化するために、プリフォーム材料に隣接してマイクロ波空洞内に誘電体スペーサが挿入される。
【０００８】
他の態様において、誘電体プリフォーム材料を加熱するためのシステムがもたらされる。システムは、マイクロ波空洞の長手方向軸に沿って、プリフォーム材料を含むように構成されたマイクロ波空洞、及びマイクロ波空洞と結合する、マイクロ波電力をマイクロ波空洞に供給してプリフォーム材料を加熱するためのマイクロ波電力源を含む。システムはまた、加熱時にプリフォーム材料の誘電率の変化に応答してマイクロ波電力の周波数を調整するように構成された少なくとも１つのコントローラを含む。周波数を調整することは、マイクロ波電力の軸方向波長を、長手方向軸に沿ったプリフォームの長さより大きく維持し、それによってプリフォームの長さに沿ったマイクロ波空洞内の電界分布が実質的に均一となることを確実にする。システムはさらに、プリフォーム材料が、長手方向軸に沿って不均一な厚さ又は形状を有する場合、実質的に均一な電界分布を強化するために、プリフォーム材料に隣接して、マイクロ波空洞内に挿入された誘電体スペーサを含む。
【０００９】
他の例において上記の態様のいずれかは、以下の特徴の１つ以上を含むことができる。マイクロ波周波数は、約０．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）と約１０ＧＨｚの間とすることができる。マイクロ波周波数は、約２．４０ＧＨｚと約２．５０ＧＨｚの間とすることができる。例えばマイクロ波電力は、約１００ワットと約３０００ワットの間とすることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態においてマイクロ波空洞は、実質的に円筒形である。マイクロ波周波数は、マイクロ波周波数がマイクロ波空洞のＴＭ０１モードの遮断周波数と実質的に同じになるように維持するように調整され得る（例えば少なくとも１つのコントローラによって）。マイクロ波空洞の直径は、約１ｃｍと約１００ｃｍの間とすることができる。実質的に均一な電界分布を維持するために、マイクロ波空洞の直径／半径は、プリフォーム材料の幾何形状又は特性の変化（例えば長手方向軸に沿った不均一な厚さ又は形状）に応答して、空洞の長手方向軸に沿って変化され得る。例えば、プリフォーム材料が長手方向軸に沿って不均一な厚さを有する場合、実質的に均一な電界を強化するために、長手方向軸に沿って変化する空洞半径を有するマイクロ波空洞が構築され得る。空洞半径は、プリフォーム材料の厚さが小さいところでは増加され、プリフォーム材料の厚さが大きいところでは減少され得る。
【００１１】
いくつかの実施形態において、プリフォーム材料が形状においておおよそ矩形である場合、マイクロ波空洞は矩形である。
いくつかの実施形態において誘電体スペーサは、プリフォーム材料の閉じた端部に隣接して、閉じた端部近くの電界を強化するように位置付けられ得る。
【００１２】
いくつかの実施形態においてプリフォーム材料の温度は、プリフォーム材料の長さに沿って、１つ以上の位置に２つ以上の温度センサを位置付け、２つ以上の温度センサによって温度を測定することによって決定される。温度センサは、長手方向軸においてプリフォーム材料に沿って等距離に間隔が置かれ得る。
【００１３】
いくつかの実施形態において、１つ以上の温度センサ及びマイクロ波電力源と接続する、少なくとも１つのコントローラは、監視される温度に応答してマイクロ波電力の周波数を調整して、プリフォーム材料を均一に加熱するように構成され、それによって実質的に均一な電界分布を維持する。いくつかの実施形態においてマイクロ波周波数は、加熱時のプリフォーム材料の誘電率の変化を示すプリフォーム材料の温度の変化に応答してマイクロ波周波数をチューニングすることによって調整される。１つの例において、プリフォーム材料の誘電率の増加と共にマイクロ波周波数は減少されて、実質的に均一な電界を維持する。他の例においてマイクロ波周波数は、加熱時のプリフォーム材料の温度勾配に基づいてチューニングされる。マイクロ波周波数はさらに、少なくともプリフォーム材料の側壁における温度の不均一性を補正するために、遮断周波数から偏位するようにチューニングされ得る。
【００１４】
いくつかの実施形態においてマイクロ波電力は、マイクロ波空洞の長さに沿って位置付けられた少なくとも１つ環状注入口を通じて結合される。例えば環状スリットは、結合効率の所定の範囲内での、マイクロ波電力のマイクロ波空洞への結合を可能にするように寸法設定され得る。マイクロ波電力源及び環状スリットは、同軸ケーブルによって結合され得る。
【００１５】
いくつかの実施形態において、加熱時に、マイクロ波空洞内の１つ以上の位置において取られた電界測定値に基づいて電界勾配が決定される。電界勾配に基づいてマイクロ波周波数は調整されて（例えば少なくとも１つのコントローラによって）、マイクロ波空洞内の実質的に均一な電界を維持する。いくつかの実施形態において、空洞内の電界を監視するために、マイクロ波空洞内に１つ以上の電界センサが配置される。１つ以上の電界センサ及びマイクロ波電力源と接続する、少なくとも１つのコントローラは、実質的に均一な電界分布を維持することによって、監視される電界に応答してマイクロ波電力の周波数を調整して、長手方向軸において少なくともプリフォーム材料の側壁を均一に加熱するように構成される。１つ以上の電界センサは、長手方向軸においてプリフォーム材料に沿って等距離に間隔が置かれた、複数の電界センサを備えることができる。
【００１６】
いくつかの実施形態においてマイクロ波空洞は、プリフォーム材料を挿入及び除去するための少なくとも１つの開口部を含む。いくつかの実施形態において、マイクロ波空洞からのマイクロ波電力の漏洩を低減するように、マイクロ波空洞の開口部の外部にマイクロ波チョークが位置付けられる。いくつかの実施形態においてマイクロ波電力源は、固体マイクロ波発生器である。
【００１７】
いくつかの実施形態においてマイクロ波電力は、プリフォーム材料の加熱速度を所定の範囲内に維持するようになど、プリフォーム材料の加熱速度を制御するように調整される（例えば少なくとも１つのコントローラによって）。いくつかの実施形態においてマイクロ波電力は、空気の絶縁破壊限界未満にマイクロ波空洞内の電界を制限するために調整される（例えば少なくとも１つのコントローラによって）。
【００１８】
いくつかの実施形態においてプリフォーム材料の温度、又はマイクロ波電力吸収の効率の少なくとも１つに基づいて、マイクロ波電力は、加熱速度又はエネルギー効率の少なくとも１つを最適化するように調整される。
【００１９】
上述の本発明の利点は、他の利点と共に、添付の図面と併せ読まれる以下の説明を参照することによってより良く理解され得る。図面は必ずしも原寸に比例して描かれておらず、代わりに一般に本技術の原理を示すことに重点が置かれる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例示的マイクロ波加熱システムの断面図。
【図２】図１のマイクロ波加熱システムの一部分の横断面図。
【図３ａ】図１及び２のマイクロ波加熱システムのための例示的マイクロ波空洞構成を示す図。
【図３ｂ】図１及び２のマイクロ波加熱システムのための例示的マイクロ波空洞構成を示す図。
【図４ａ】プリフォームの加熱均一性を改善するために、様々な位置に１つ以上の構成要素が挿入された、例示的マイクロ波空洞を示す図。
【図４ｂ】プリフォームの加熱均一性を改善するために、様々な位置に１つ以上の構成要素が挿入された、例示的マイクロ波空洞を示す図。
【図５ａ】不均一なプリフォーム厚さに対する構成上の補償なしでの、図１のマイクロ波空洞内のプリフォームに沿った例示的電界分布を示す図。
【図５ｂ】不均一なプリフォーム厚さに対する構成上の補償なしでの、図１のマイクロ波空洞内のプリフォームに沿った例示的電界分布を示す図。
【図６ａ】電界分布を強化するために、誘電体スペーサがプリフォームの閉じた先端部に隣接して位置付けられたときの、図１のマイクロ波空洞内のプリフォームに沿った例示的電界分布を示す図。
【図６ｂ】電界分布を強化するために、誘電体スペーサがプリフォームの閉じた先端部に隣接して位置付けられたときの、図１のマイクロ波空洞内のプリフォームに沿った例示的電界分布を示す図。
【図６ｃ】電界分布を強化するために、誘電体スペーサがプリフォームの閉じた先端部に隣接して位置付けられたときの、図１のマイクロ波空洞内のプリフォームに沿った例示的電界分布を示す図。
【図７】図１のマイクロ波加熱システムの例示的制御回路を示す図。
【図８】図７の制御回路が、ＰＥＴプリフォームを加熱するために動作周波数を設定するために使用できる例示的ルックアップ・テーブルのプロット図。
【図９】図１のマイクロ波空洞内の加熱処理時の、プリフォームの誘電率が変化するのに従った、ＰＥＴプリフォームにおけるシミュレートされた電力吸収効率を示す図。
【図１０】図７の制御回路の例示的実装形態を示す図。
【図１１ａ】図１０の制御回路実装形態を動作させるための例示的処理を示す図。
【図１１ｂ】図１０の制御回路実装形態を動作させるための例示的処理を示す図。
【図１１ｃ】図１０の制御回路実装形態を動作させるための例示的処理を示す図。
【図１２ａ】図１のマイクロ波加熱システムにおける、温度センサの例示的配置を示す図。
【図１２ｂ】図１のマイクロ波加熱システムにおける、電界センサの例示的配置を示す図。
【図１３】図１及び２のマイクロ波加熱システムを用いてプリフォームを加熱するための例示的処理を示す図。
【図１４ａ】例示的加熱処理に対して、図１１ａ〜ｃ及び１３の処理を用いて周波数が調整された後の、プリフォーム温度経過を示す図。
【図１４ｂ】例示的加熱処理に対して、図１１ａ〜ｃ及び１３の処理を用いて周波数が調整された後の、プリフォームの周りの測定された温度分布を示す図。
【図１５】実質的に矩形のプリフォームを加熱するための例示的矩形マイクロ波空洞を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、不十分な電流の導体である絶縁材料である、誘電体材料のプリフォーム１０２を加熱するように構成された例示的マイクロ波加熱システム１００の断面図を示す。いくつかの実施形態においてプリフォーム１０２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で作られる。加熱システム１００は、プリフォーム１０２を含むように構成されたマイクロ波空洞１０４を含む。マイクロ波空洞１０４は、プリフォーム１０２の形状に応じて、形状において実質的に円筒形又は矩形とすることができる。プリフォーム１０２が実質的に円筒形である場合、プリフォーム１０２を収容するために、円筒形マイクロ波空洞１０４が選ばれる。プリフォーム１０２が実質的に矩形である場合、矩形マイクロ波空洞１０４が選ばれ得る。示されるようにプリフォーム１０２は、マイクロ波空洞１０４において長手方向軸ｚに沿って方向付けられる。長手方向軸ｚの方向におけるマイクロ波空洞１０４の軸方向長さは、プリフォーム材料１０２の軸方向長さとほとんど同一の広がりをもつことができる。いくつかの実施形態においてマイクロ波空洞１０４の軸方向長さは、それがプリフォーム１０２を収容できることを確実にするように、より長い。
【００２２】
マイクロ波空洞１０４は、プリフォーム１０２がそれを通って挿入され位置付けられ得る開口部１０６を含む。マイクロ波電力発生器などのマイクロ波電力源１０７は、マイクロ波空洞１０４に隣接して位置付けられることができ、マイクロ波空洞１０４と結合して、その中に含まれたプリフォーム１０２を加熱するようにマイクロ波電力を供給する。いくつかの実施形態において、電力源１０７によって供給されるマイクロ波電力は、約１００ワット（Ｗ）と約３０００ワットの間である。例えばマイクロ波電力は、約８００Ｗと約１０００Ｗの間とすることができる。マイクロ波電力の周波数は、約０．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）と約１０ＧＨｚの間とすることができる。いくつかの実施形態においてマイクロ波電力の周波数は、約２．４０ＧＨｚと約２．５０ＧＨｚの間である。
【００２３】
示されるようにマイクロ波空洞１０４は、マイクロ波電力源１０７からマイクロ波電力を受け取るための注入口を画定する、輪形の幾何形状の環状スリット１０８を含むことができる。マイクロ波電力源１０７及び環状スリット１０８は、例えば同軸ケーブル１２２、同軸導波路１２８、拡張型同軸導波路２０４を備えた、伝送路１１２を通じて結合され得る。いくつかの実施形態においてプリフォーム１０２を受け入れるための環状スリット１０８及び空洞開口部１０６は、マイクロ波空洞１０４の両端にあり、半径方向軸ｒに並行である（すなわち長手方向軸ｚに実質的に直交する）。いくつかの実施形態において、マイクロ波空洞１０４からのマイクロ波電力の漏洩を低減するように、開口部１０６の外部にマイクロ波チョーク１２６が位置付けられる。
【００２４】
マイクロ波加熱システム１００は、加熱時にマイクロ波電力源１０７によって発生されるマイクロ波電力のパラメータを自動的に調整するように構成された、１つ以上のコントローラ（図示せず）を有する制御ボード１１０を含む。制御ボード１１０は、電力調整を（ｉ）マイクロ波空洞１０４の周りに配置された１つ以上の温度センサ１１４（例えば熱センサ）によって取られたプリフォーム１０２上の温度プロファイル、及び／又は（ｉｉ）マイクロ波空洞１０４の周りに配置された１つ以上の電界センサ１１６（例えば無線周波数センサ）によって取られたマイクロ波空洞１０４内の電界、に基づいて行うことができる。温度センサ１１４及び／又は電界センサ１１６は、長手方向軸ｚに沿ってほとんど等距離に、マイクロ波空洞１０４の側壁上の開口部に位置付けられ得る。いくつかの実施形態において電界センサ１１６はまた、伝送路１１２の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）など、伝送路１１２に関連付けられた特性を測定するために、電力源１０７と環状スリット１０８との間の伝送路１１２の近くに位置する。
【００２５】
図２は、図１のマイクロ波加熱システム１００の一部分の横断面図を示す。マイクロ波電力源１０７をマイクロ波空洞１０４に結合する伝送路１１２は、複数の区間に分割され得る。第１の区間１２８は、その電力注入口端において２．２２センチメートル（７／８インチ）直径の米国電子工業会（ＥＩＡ）雌コネクタ１２４に結合された、２．２２センチメートル（７／８インチ）直径の同軸導波路とすることができる。第２の区間２０４は、変化する厚さの拡張型（又は遷移型）同軸導波路とすることができる。第３の区間２０８は、マイクロ波空洞１０４と接続するように構成された、より厚い同軸導波路とすることができる。３つすべての区間は、内側導体２２８及び外側導体２３０の少なくとも一部分を含む。内側導体２２８は、２つのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テフロン支持部２０６、２１０などの誘電体材料によって支持され得る。内側導体２２８と外側導体２３０との間の間隔は、油、空気、又は高い絶縁破壊電圧を有する電気的陰性ガスなどの、固体誘電体材料によって満たされ得る。伝送路１１２は、所望の動作周波数範囲（例えば約０．５ＧＨｚと約１０ＧＨｚの間）のマイクロ波電力に対して、低い反射係数を有するように設計され得る。
【００２６】
いくつかの実施形態において、マイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２は、閉じた先端部２１８、実質的に円筒形の側壁２１７、より狭い円筒形首状部２１９、及びねじ山が切られた部分２２０を有する、ドーム形状を有する。プリフォーム１０２は、約４５グラム（ｇ）以下の質量、及び約１５０ミリメートル（ｍｍ）以下の軸方向長さ（長手方向軸ｚに沿った）を有し得る。プリフォーム１０２が実質的に円筒形である場合、マイクロ波空洞１０４も、約１センチメートル（ｃｍ）と約１００ｃｍの間の直径を有する円筒形である。１つの例においてプリフォーム１０２は、直径約２６ｍｍ、軸方向長さ約１３４ｍｍ、及び厚さ４ｍｍである。対応するマイクロ波空洞１０４は円筒形で、直径約８．１ｃｍである。ＰＥＴ材料のガラス転移温度は、約６７℃と約８１℃の間である。延伸ブロー成形の目的のためには、プリフォーム１０２上の所望の温度プロファイルは、（ｉ）円筒形側壁２１７内で約１００から１１０℃で、温度は長手方向軸ｚに沿って側壁２１７上で実質的に均一、（ｉｉ）プリフォーム首状部２１９に隣接したねじ山が切られた部分２２０内で約６０℃未満、及び（ｉｉｉ）閉じた先端部２１８において約８５から９０℃とすることができる。マイクロ波加熱システム１００は、このような温度プロファイルを達成するために用いられ得る。
【００２７】
プリフォーム支持部２１２は、マイクロ波空洞１０４の実質的に外部に位置することができる。プリフォーム支持部２１２は、プリフォーム１０２を、プリフォーム首状部２１９に隣接したねじ山が切られた部分２２０において、長手方向軸ｚに実質的に並行に保持するように構成される。ねじ山が切られた部分２２０は、マイクロ波空洞１０４の外部に位置することができ、従って空洞１０４内のマイクロ波によって加熱されることから保護される。プリフォーム支持部２１２は、それぞれマイクロ波空洞１０４への及びそれからのプリフォーム１０２の迅速な挿入及び除去を可能にする。プリフォーム支持部２１２は、プリフォーム１０２を挿入するために開口部１０６が位置する、マイクロ波空洞１０４の一方の端部において結合され得る。空洞１０４からのマイクロ波電力の漏洩を防止するために、プリフォーム支持部２１２内に１／４波長マイクロ波チョークなどの、マイクロ波チョーク１２６が配置され得る。マイクロ波チョーク１２６の適切な動作を確実にするために、プリフォーム支持部２１２とマイクロ波空洞１０４との間に、２つの構成要素の電気的接触を防止するように誘電体スペーサ２２１が配置され得る。
【００２８】
図１及び２のマイクロ波加熱システム１００は、加熱処理時にプリフォーム１０２の温度が側壁２１７上の長手方向軸ｚに沿って比較的均一になるように、誘電体プリフォーム１０２の実質的に均一な加熱をもたらすことができる。一般に誘電体材料における電力吸収は、
【００２９】
【数１】
2018538171.tif 000003
として表されることができ、ただしＰは材料の単位体積当たりのマイクロ波電力消費、ε”（Τ）は材料の消費率、ωは角周波数、及びＥは電界である。式１から分かるように実質的に均一な電界Ｅ及び実質的に均一な消費率ε”（Τ）は、結果として誘電体プリフォームによる実質的に均一な電力吸収Ｐを生じ、これは少なくとも側壁２１７に沿って、プリフォームの均一な加熱を確実にすることができる。ＰＥＴ材料の消費率ε”（Τ）は温度と共に増加する関数であるので、いくつかの実施形態においてＰＥＴプリフォーム１０２の温度プロファイルは、プリフォーム１０２内の熱暴走を防止するように、加熱処理時に側壁２１７に沿って均一に保たれる。
【００３０】
以下の式は、円筒形マイクロ波空洞１０４によってどのようにして均一な電界Ｅが達成され得るかを示す。マイクロ波空洞１０４の長手方向軸ｚに沿ったＴＭ０１モードの軸方向電界（Ｅｚ）、及び半径方向軸ｒに沿ったＴＭ０１モードの半径方向電界（Ｅｒ）は、以下の式で表され、
【００３１】
【数２】
2018538171.tif 000004
【００３２】
【数３】
2018538171.tif 000005
【００３３】
【数４】
2018538171.tif 000006
ただしβは伝搬定数、εｒ（Τ）は媒体の相対誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）（誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ））、ε０は自由空間の誘電率、μは媒体の透磁率、Ｐ０１＝２．４０５はＪ０（ｒ）＝０の第１の根、及びａはマイクロ波空洞１０４の半径である。円筒形マイクロ波空洞１０４の遮断周波数は、伝搬定数βが０に等しくなる周波数であり、そこでマイクロ波の軸方向波長は、長手方向軸ｚに沿った方向において無限大になる。遮断周波数において軸方向電界Ｅｚは、空洞半径のみの関数となり、長手方向軸ｚに沿って均一になり、以下の式に表されるように半径方向電界（Ｅｒ）は０となる。
【００３４】
【数５】
2018538171.tif 000007
Ｅｒ＝０  （式６）
これらの式に基づいて、及び誘電体プリフォーム１０２の最も大きな寸法はしばしば長手方向軸ｚでの軸方向長さであることを考えれば、加熱システム１００は、プリフォーム１０２及び／又はマイクロ波空洞１０４内の電界分布が実質的に均一となることを確実にするように、マイクロ波空洞１０４のＴＭ０１モードのそれの遮断周波数において、又はその近くにおいて動作することができ（すなわちプリフォーム１０２及び／又はマイクロ波空洞１０４の軸方向長さより大きな軸方向波長を発生する）、これはマイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２の実質的に円筒形の側壁２１７の均一な加熱を可能にする。プリフォーム１０２の閉じた先端部２１８に対しては通常、閉じた先端部２１８での所望の温度（例えば約８５から９０℃）は、側壁２１７におけるもの（例えば約１１０から１１０℃）より低いことにも関わらず、以下で論じられるように誘電分極及びその幾何形状により、均一な空洞電界は閉じた先端部２１８を所望の温度まで加熱するためには十分でなくなり得る。いくつかの実施形態においてマイクロ波空洞１０４は、約２．４５ＧＨｚにおけるＴＭ０１モードの遮断周波数を有する。
【００３５】
プリフォーム１０２がマイクロ波空洞１０４の内部体積を部分的に満たすことを考えれば、空洞の実効相対誘電率εｒ（Τ）が導入され得る。実効相対誘電率εｒ（Τ）の値は、空気及び誘電体プリフォーム材料の誘電率の間であり、プリフォーム材料の誘電率が増加すると共に、又はプリフォーム材料の厚さが増加するときに増加する。マイクロ波空洞の遮断状態β＝０は、以下のように表され得る。
【００３６】
【数６】
2018538171.tif 000008
マイクロ波電力の周波数が式７の遮断周波数から偏位したとき、マイクロ波空洞１０４の長手方向軸ｚに沿った電界は、不均一になる。例えばマイクロ波周波数が空洞１０４の遮断周波数より低い場合、マイクロ波フィールドの振幅は、マイクロ波が空洞１０４内に放出された位置から減衰又は減少する。マイクロ波周波数が遮断周波数より高い場合、マイクロ波は空洞１０４内を伝搬することができ、マイクロ波フィールドの振幅は、マイクロ波の波長及び空洞１０４の構造に応じて、マイクロ波が放出された位置から増加又は減少し得る。これらの特性は、プリフォーム１０２の側壁２１７に沿った温度不均一性の補正が必要であるときに、誘電体プリフォーム１０２の温度プロファイルを制御するために用いられ得る。
【００３７】
プリフォーム１０２の誘電率は温度と共に変化するので、加熱処理時に遮断状態（式７）を維持するための周波数はシフトする。例えばプリフォーム１０２の温度が上昇したとき、誘電率εｒ（Τ）は増加するように適合され、これはマイクロ波空洞１０４の遮断周波数における減少に繋がり得る。いくつかの実施形態においてマイクロ波周波数を、ほとんどマイクロ波空洞１０４のＴＭ０１モードの遮断状態に維持するように、マイクロ波電力源１０７によって発生されるマイクロ波電力の１つ以上のパラメータをチューニングするためのシステム及び方法が開発され、従ってマイクロ波電力の軸方向波長は、マイクロ波空洞１０４内の誘電特性の変化に関わらず、プリフォーム１０２の軸方向長さより大きくなることを確実にする。これは軸方向電界Ｅｚが実質的に均一である（及び半径方向電界Ｅｒが０に近くなる）ことを確実にし、これは加熱処理時にプリフォーム側壁２１７の均一な加熱を維持する。
【００３８】
図３ａ及びｂは、図１及び２のマイクロ波加熱システム１００のための例示的マイクロ波空洞構成を示し、各マイクロ波空洞は、プリフォーム１０２が空洞１０４の内部に配置されたときにそれの形状及び／又は厚さにおける不均一性に対応するように、半径方向ｒにおいて一定でない半径ａを有する。具体的には図３ａは、図１及び２のマイクロ波空洞１０４の詳細な図を示し、マイクロ波空洞１０４は、長手方向軸ｚに沿ったプリフォーム１０２の形状又は厚さにおける変化に対応するように、複数の段差３０５を備えた、段差状に曲線に合わせて作られた側壁３０２を有する。図３ｂは、滑らかな曲線を有する曲線に合わせて作られた側壁３０６を有する、他の例示的マイクロ波空洞１０４’を示す。図３ａ及びｂのマイクロ波空洞設計１０４、１０４’は共に、不規則な形状を有するプリフォーム１０２の加熱に対応することができる。例えばプリフォーム１０２の閉じた先端部２１８は、実質的に球面形を有することができ、プリフォーム１０２のねじ山が切られた部分２２０に隣接した首状部２１９は、軸方向長さｚに沿って厚さが変化し得る。プリフォーム１０２の側壁２１７はまた、軸方向長さｚに沿って半径３０４及び／又は半径方向厚さ３０３が変化し得る。
【００３９】
プリフォーム側壁２１７の半径方向厚さ３０３が、長手方向軸ｚに沿って不均一である場合、実効相対誘電率εｒ（Τ）は、厚さ３０３に基づいて変化する。例えばプリフォーム側壁２１７の厚さ３０３が増加する場合、実効相対誘電率も増加し、逆も同様である。式４に示されるように、誘電率εｒ（Τ）が増加するのに従って、マイクロ波空洞１０４又は１０４’の半径ａは減少されて、ＴＭ０１モードの遮断状態を維持する。従ってマイクロ波空洞１０４又は１０４’の半径ａは、概してプリフォーム側壁２１７の半径方向厚さ３０３と逆に関係する。
【００４０】
プリフォーム側壁２１７の半径３０４が長手方向軸ｚに沿って不均一である場合、マイクロ波空洞１０４の曲線に合わせて作られた側壁３０２、又はマイクロ波空洞１０４’の曲線に合わせて作られた側壁３０６は、マイクロ波空洞の長手方向軸ｚに沿った一定の遮断周波数、及び従ってプリフォーム側壁２１７内の実質的に均一な電界を維持するように、適切に寸法設定され得る。式５に示されるようにプリフォーム側壁２１７に沿った電界Ｅｚは、プリフォーム半径３０４の空洞半径ａに対する比率の関数である。従ってプリフォーム側壁２１７に沿った実質的に均一な電界を維持するために、この比率は実質的に一定に維持される必要がある。例えばプリフォーム側壁２１７の半径３０４が増加する場合、プリフォーム側壁２１７の均一な加熱を確実にするために、マイクロ波空洞１０４又は１０４’の半径ａは増加される。あるいは、空洞の実際の構造を変更せずに一定の比率を維持するように、マイクロ波空洞１０４又は１０４’内に１つ以上の構成要素が挿入され得る。
【００４１】
図４ａ，４ｂは、プリフォーム１０２の加熱均一性を改善するために、様々な位置に１つ以上の構成要素が挿入された、例示的マイクロ波空洞４５０を示す。示されるように、プリフォーム１０２と相補的な形状を有する曲線に合わせて作られた誘電体ライナ４５２は、プリフォーム１０２の幾何形状及び／又は材料の変化を補償するように、マイクロ波空洞４５０内に位置付けられ、及び長手方向軸ｚと同心状に整列され得る。誘電体ライナ４５２の使用は、長手方向軸ｚに沿って均一な電界が維持されることを確実にする。誘電体ライナ４５２は、水晶、サファイア、テフロン（登録商標）、及び／又はセラミック材料など、低いマイクロ波吸収を有する材料で作られ得る。誘電体ライナ４５２はマイクロ波空洞４５０内に、図４ａに示されるようにプリフォーム１０２の外部に、又は図４ｂに示されるようにプリフォーム１０２の内部に位置することができる。誘電体ライナ４５２は、プリフォーム１０２に対して相補的な幾何形状を有することができ、その結果マイクロ波空洞４５２の長手方向軸ｚに沿った遮断周波数は、おおよそ一定のままとなる。例えば図４ａ及びｂに示されるように、ライナ４５２は概して、プリフォーム側壁２１７の半径３０４が小さくなるところでは半径方向ｒに厚くなり、及び半径３０４が大きくなるところでは薄くなるように、プリフォーム１０２の輪郭に従う。
【００４２】
いくつかの実施形態において、プリフォーム１０２の長手方向軸ｚに沿って式７の遮断状態が満たされ得ないとき、加熱不十分なエリアを優先的に加熱するように、追加の加熱工程が必要になり得る。例えば、プリフォーム１０２上で望ましくない温度プロファイルが観察された（例えば不均一な温度プロファイルが、プリフォーム側壁２１７上で観察された）場合、加熱不十分なエリアに電力を届けるように、マイクロ波周波数は、マイクロ波空洞の遮断周波数から離れるようにシフトされ得る。
【００４３】
いくつかの実施形態において図１〜４に示されるように、マイクロ波空洞１０４、１０４’、又は４５０内の、プリフォーム１０２の閉じた端部２１８に隣接して、誘電体スペーサ１２０が位置付けられる。誘電体スペーサ１２０は、材料の誘電分極によりプリフォーム材料内の電界が低下される、閉じた端部２１８近くの局所的電界を増加することができる。図５ａ及びｂは、不均一なプリフォーム厚さに対する構成上の補償なしでの、図１のマイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２の例示的電界分布を示す。図５ａに示されるようにマイクロ波空洞１０４の長手方向軸ｚの方向に空洞電界Ｅ０がある状態では、マイクロ波空洞１０４の内部にＴＭ０１モードでの均一な軸方向電界が確立されたときでも、閉じた先端部２１８における電界は、プリフォーム材料の誘電分極により側壁２１７における電界より低くなる。これは長手方向軸ｚの方向におけるプリフォーム１０２の側壁２１７は長く狭く、一方プリフォーム１０２の閉じた先端部２１８の壁は、長手方向軸ｚに沿って比較的短く広いからである。プリフォーム材料が電界Ｅ０のもとで分極されるのに従って、電界の方向に沿ってプリフォーム表面の両端に位置する分極電荷は、プリフォーム材料内に電界Ｅ０と反対方向の電界を生成する。図５ａに示されるようにプリフォーム１０２の側壁２１７内では、分極電荷の大きさは小さく、閉じた端部２１８内のものと比べてさらに離れて分離される。これは結果として側壁２１７内のプリフォーム材料内に、閉じた端部２１８内のものより少ないフィールド打ち消しを生じる。これらの効果はまた、誘電体界面における電界の境界条件において規定され、界面に接線方向の電界成分は連続（Ｅｔ１＝Ｅｔ２）であり、一方、界面に直交する電界成分は不連続（Ｅｎ１＝（ε２／ε１）Ｅｎ２）である。空気及びプリフォーム材料の誘電率はそれぞれ約１及び３であることを考慮すると、閉じた端部２１８における電界減少は著しくなり得る。図５ｂに示されるように、長手方向軸ｚに沿ったもとの電界Ｅ０は、マイクロ波空洞１０４の外半径におけるものと比べて高いことにも関わらず、閉じた先端部２１８における電力吸収は、プリフォーム１０２の側壁２１７内のものの約５０％である。
【００４４】
図６ａ〜ｃは、誘電体スペーサ１２０が先端部２１８における電界を強化するように閉じた先端部２１８に隣接して位置付けられたときの、図１のマイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２の例示的電界分布を示す。図６ａに示されるように、誘電体スペーサ１２０などの誘電体材料片を、長手方向軸ｚに沿って閉じた先端部２１８の隣りに追加することは、誘電体スペーサ１２０の分極電荷を、閉じた先端部２１８近くにもたらすようになる。図６ｂに示されるように誘電体スペーサ１２０によって発生される電界の方向は、誘電体スペーサ１２０内のもとの電界Ｅ０の方向と反対であり、それは実質的に誘電体スペーサ１２０の外部のもとの電界Ｅ０の方向である。十分に高い誘電率の材料を用いて、近くに位置付けられた閉じた端部２１８内の電界を強化するために十分に強い電界が、誘電体スペーサ１２０によって生成され得る。いくつかの実施形態においてスペーサ１２０は、水晶、サファイア、ＰＴＦＥ、他のプラスチック材料、セラミック材料などの低い誘電損失を有する材料、又は水晶、サファイア、又は酸化タンタルなどの高誘電率材料で作られる。いくつかの実施形態においてスペーサ１２０は、実質的に円筒形である。半径方向軸ｒに沿ったスペーサ１２０の直径１２２は、プリフォーム１０２の内径とおおよそ同じである。長手方向軸ｚに沿ったスペーサ１２０の軸方向長さ１２４は、スペーサ１２０の誘電率、及び閉じた先端部２１８における所望の電界強化（例えば所望の温度及び／又は加熱速度）に基づいて選択される。図６ｃに示されるように、閉じた先端部２１８における電力吸収は、水晶誘電体スペーサ１２０が、閉じた先端部２１８に隣接して及びそれと軸方向に整列して位置付けられたとき、プリフォーム１０２の側壁２１７内のものの約７８％である。この例においてプリフォームの所望の温度プロファイルは、閉じた端部２１８において９０℃以下、側壁１２７内で１１０℃以下である。プリフォーム１０２は、直径約２６ｍｍ、軸方向長さ約１３４ｍｍ、及び厚さ約４ｍｍである。水晶誘電体スペーサ１２０の直径１２２は約１６．４ｍｍ、及びその軸方向長さ１２４は約１３．５ｍｍである。代替的実施形態において、閉じた先端部２１８における電界を強化するために、プリフォーム１０２内に誘電体棒又は管の形でのスペーサが挿入され得る。
【００４５】
他の態様において、式７に関連して上述されたように、誘電体プリフォーム１０２の誘電率εｒ（Τ）は温度と共に変化するので、遮断状態（β＝０）を維持するための周波数は、加熱処理時にシフトする。いくつかの実施形態においてマイクロ波周波数を、ほとんどマイクロ波空洞１０４のＴＭ０１モードの遮断状態に維持するように、マイクロ波電力源１０７によって発生されるマイクロ波電力の１つ以上のパラメータをチューニングするためのシステム及び方法が開発され、従ってマイクロ波電力の軸方向波長は、マイクロ波空洞１０４内の誘電特性の変化に関わらず、プリフォーム１０２の軸方向長さより大きくなることを確実にする。これは軸方向電界Ｅｚが実質的に均一である（及び半径方向電界Ｅｒが０に近くなる）ことをさらに確実にし、これは加熱処理時にプリフォーム側壁２１７の実質的に均一な加熱を維持する。一般にエネルギー効率と加熱均一性は相互に関係し、関係はいくつかのマイクロ波パラメータ（例えば周波数及び／又は出力電力）を制御することによって最適化され得る。いくつかの実施形態において、処理パラメータ（例えばプリフォーム１０２の注入口温度及び／又はサイズ）は変化し、加熱処理の正確な制御が必要であるので、加熱システム１００は、原位置での測定を用いてマイクロ波空洞１０４内の変化を決定することができ、その結果１つ以上のマイクロ波パラメータがリアルタイム又はほぼリアルタイムに調整されて、比較的一定な電界、それによって少なくともプリフォーム側壁２１７に沿った比較的均一な温度を、達成することができる。
【００４６】
図７は、図１の加熱システム１００の例示的制御回路４００を示す。制御回路４００は、伝送路１１２を通じてマイクロ波空洞１０４に接続されたマイクロ波電力源１０７（例えば固体マイクロ波発生器）を含む。マイクロ波電力源１０７は、マイクロ波を伝送路１１２を通じてマイクロ波空洞１０４内に放出するように適合される。空洞／プリフォーム特性を監視するために、１つ以上のセンサがマイクロ波空洞１０４上に配置される。例えば、特定の位置でのマイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２の温度を測定するために、１つ以上の温度センサ１１４（例えば４つの温度センサ１１４）がマイクロ波空洞１０４の側壁上に、互いに等距離などで配置され、それによって加熱処理時のプリフォーム１０２の実際の温度プロファイルを確立する。いくつかの実施形態において特定の空洞位置でのマイクロ波空洞１０４内の電界（Ｅ）を測定するために、１つ以上の電界センサ１１６（例えば３つの電界センサ１１６）がマイクロ波空洞１０４の側壁上に、互いに等距離などで配置され、それによって加熱処理時のマイクロ波空洞１０４の電界分布及び電界勾配（ｄＥ／ｄｚ）を確立する。伝送路１１２に関連付けられた特性を決定するために、追加の電界センサ１１６が、マイクロ波電力源１０７近くで伝送路１１２に結合される。温度センサ１１４及び／又は電界センサ１１６は、制御ボード１１０に接続して、温度及び／又は電界データを制御ボード１１０に供給する。いくつかの実施形態において、マイクロ波空洞１０４の電力吸収／反射などの追加の情報も、制御ボード１１０に供給される。受け取られたデータに基づいて制御ボード１１０は、加熱処理時にマイクロ波電力がマイクロ波空洞１０４の遮断周波数に留まるように、フィードバックループ４０２において、電力源１０７によって発生されたマイクロ波電力のパラメータを調整することができる。さらにプリフォーム１０２がマイクロ波空洞１０４内で加熱されるのに従って、プリフォーム材料の誘電率は変化し、マイクロ波空洞１０４の遮断周波数は変化する。制御ボード１１０は、プリフォーム１０４の測定された温度に基づいて遮断周波数を計算し、この所望の周波数で動作するようにマイクロ波源１０７を設定することができる。これは、加熱処理時に温度の変化と共に、空洞１０４内の誘電特性が変化したときでも、マイクロ波空洞１０４内で均一な温度及び／又は電界が維持されることを可能にする。調整可能なマイクロ波電力パラメータは、マイクロ波周波数、電力レベル、及び各加熱工程での持続時間を含む。制御ボード１１０は、ハードウェア及び／又はソフトウェア構成要素を制御して、マイクロ波電力パラメータに対する調整を行うことができる。制御ボード１１０はマイクロ波電力パラメータを、リアルタイムで（又はほぼリアルタイムで）、自動的及び連続的（又は定期的）に調整することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態において、プリフォーム１０２の側壁２１７に沿った不均一な温度は、動作周波数が遮断周波数に設定された後でも、検出及び補正され得る。例えばプリフォーム側壁２１７上で温度不均一性が観察されたとき、実際の温度プロファイルは１次近似において
【００４８】
【数７】
2018538171.tif 000009
と表され得る。制御回路４００は、以下の所望の電力吸収密度プロファイルにより温度不均一性を補償するように、マイクロ波周波数を遮断周波数に対してシフトすることができ、
【００４９】
【数８】
2018538171.tif 000010
ただしｚは、長手方向軸ｚに沿った位置を表す。例えばΔｔの加熱持続時間の後、プリフォーム１０２の側壁２１７に沿った温度分布は、以下の式で表されることができ、
【００５０】
【数９】
2018538171.tif 000011
ただしＴ０は加熱持続時間Δｔの始まりにおけるプリフォーム１０２の温度を表し、Ｐ０はプリフォーム１０２上のｚ＝０の位置での電力吸収密度を表し、ρはプリフォーム１０２の質量密度であり、及びｃＰは一定の圧力におけるプリフォーム１０２の比熱容量である。式９に従って、側壁２１７に沿った温度不均一性を取り除くために、所望の電力密度プロファイル（８）は以下のように適切に定式化され得る。
【００５１】
【数１０】
2018538171.tif 000012
いくつかの実施形態において所望の温度プロファイルは、プリフォーム１０２を首状領域２１９内で約６０℃以下に、閉じた端部２１８において９０℃以下に、及び側壁１２７上で１１０℃以下に加熱する。例示的実施形態に示されるように所望の温度プロファイルは、例えば誘電体スペーサ１２０をプリフォーム１０２の閉じた端部２１８近くに位置付け（図１〜３に示されるように）、マイクロ波空洞の側壁を曲線に合わせて作り（図３ａ及びｂに示されるように）、空洞ライナを追加し（図４ａ及びｂに示されるように）、及び／又は加熱処理時に周波数及び電力などのマイクロ波パラメータを制御することによって、マイクロ波空洞の適切な設計及び動作によって実現され得る。
【００５２】
制御回路４００は、入力として所望の温度プロファイル４０４を受け取り、所望の温度プロファイル４０４を達成するようにマイクロ波電力の周波数を調整することができ、所望の温度プロファイルは、少なくともプリフォーム１０２の側壁２１７に沿った温度が、実質的に均一であり目標温度範囲内である必要があることを指定する。いくつかの実施形態において制御ボード１１０は、ルックアップ・テーブルを参照することによって、この温度プロファイルを達成するための所望の周波数を決定する。図８は、図７の制御ボード１１０が、ＰＥＴプリフォームの温度の関数として動作周波数を設定するために用いることができる例示的ルックアップ・テーブル５００のプロットを示す。ＰＥＴプリフォームは重さが約３５グラムであり、３．１５ｍｍ厚の側壁を有する。示されるように誘電体プリフォーム１０２が、温度と共に増加する誘電率を有する場合（例えばＰＥＴプリフォーム）、制御ボード１１０は、遮断又は遮断に近い状態を維持するように、プリフォーム温度が増加するのに従って、マイクロ波周波数を減少することができる。所望の動作周波数を選択するために用いられる温度は、温度センサ１１４の少なくとも１つによって測定された温度（例えば最小温度）、又は温度測定値の２つ以上の平均とすることができる。いくつかの実施形態において制御ボード１１０は、以下などの数式に従って動作周波数を設定することができる。
【００５３】
【数１１】
2018538171.tif 000013
ただしＴａｖｅｒａｇｅは温度センサ１１４の２つ以上によって取得された温度測定値の平均、ｆｃｕｔｏｆｆ（Ｔ）は温度で変化する誘電率を有する誘電体プリフォーム材料を含んだマイクロ波空洞の遮断周波数、∂Ｔ／∂ｚはプリフォーム１０２上の温度勾配、及びｋは比例定数、又は観察された温度勾配∂Ｔ／∂ｚを補償することができる温度の関数である。いくつかの実施形態において制御ボード１１０は、プリフォーム材料上の温度勾配、及び空洞のエネルギー吸収効率（η）を考慮に入れた別の数式に従って、動作周波数を設定することができる。
【００５４】
【数１２】
2018538171.tif 000014
一般にエネルギー吸収効率（η）を考慮に入れることは、加熱処理の温度均一性及びエネルギー効率のさらなる最適化を可能にする。
【００５５】
いくつかの実施形態において、電界センサ１１６の２つ以上によって取られた測定値に基づいて計算される電界勾配が、プリフォーム１０２の側壁２１７上でｚ軸に沿って実質的に均一でない場合、制御ボード１１０は、ＴＭ０１モードの遮断状態に近くなるようにマイクロ波電力源１０７の周波数を調整することによって、観察された不均一性を補正する。一般にマイクロ波空洞１０４内の電界均一性は、プリフォーム加熱の均一性を示す。従って電界分布の均一性が不足している場合、制御ボード１１０は、マイクロ波周波数が遮断状態に近いことを確実にするように、マイクロ波電力源１０７の周波数を調整することができ、それによって実質的に均一な電界分布を保つ。例えば電界強度が、マイクロ波が放出された位置からマイクロ波空洞に沿って減少する場合、電界分布をより均一にするためにマイクロ波の周波数は増加され得る。さらに、プリフォーム側壁上の温度の不均一性を補正するようにマイクロ波周波数が調整される（例えば遮断周波数から偏位させる）場合は、空洞内の電界分布の測定は、加熱時の電界プロファイルのより正確な制御をもたらし得る。よりゆっくりした時間スケールで変化し得る温度とは違って、電界はほとんど瞬時に変化することができ、より高速なレートで測定され得る。従って必須ではないが、電気的及び熱的測定を組み合わせることは、温度を測定することのみに基づいて制御を行うことと比べて、加熱処理のより正確で高速な制御を可能にする。
【００５６】
マイクロ波周波数に加えて制御ボード１１０はまた、プリフォーム１０２の加熱速度を制御し、マイクロ波空洞１０４内の電界を空気の絶縁破壊限界未満に制限するために、マイクロ波源１０７によって発生されるマイクロ波電力を設定することができる。一般にプリフォームの単位体積当たりのマイクロ波電力消費密度（Ｐ）は、以下のように表され、
【００５７】
【数１３】
2018538171.tif 000015
ただしρはプリフォーム１０２の質量密度、Ｖはプリフォーム１０２の体積、ＣＰは一定の圧力でのプリフォーム１０２の比熱容量、及びｄＴ／ｄｔは度／秒での加熱速度である。上記の関係は、加熱速度がマイクロ波電力に比例することを示す。プリフォームは通常空気中で加熱されるので、最大加熱速度は、マイクロ波空洞内の空気の絶縁破壊によって制限される。空洞内の電界強度は、入力マイクロ波電力のレベル、及びプリフォーム内の電力吸収の両方に依存する。従って制御ボード１１０はマイクロ波電力源１０７の電力を設定して、プリフォーム１０２の加熱速度を制御することができ、これはプリフォーム１０２による電力吸収が低いとき、プリフォーム１０２内の電界を空気の絶縁破壊限界未満に制限するので有利である。
【００５８】
他の態様において、加熱システム１００の環状スリット１０８（図１及び２に示されるような）は、マイクロ波周波数のチューニングを容易にするように寸法設定される。具体的には環状スリット１０８は、供給源１０７によって発生されたマイクロ波電力が、結合効率の所定の範囲内に、マイクロ波空洞１０４内に届けられ得るように、マイクロ波電力源１０７がマイクロ波空洞１０４に良好に結合されることを可能にするように、適切に寸法設定され得る。所与のマイクロ波周波数を有する通常のインピーダンス整合ネットワークでは、負荷インピーダンスの大きさ及び位相の両方が整合される必要があるので、少なくとも２つの調整可能な変数が必要である。プリフォーム材料の誘電特性の変化に対応するためのプリフォーム加熱時に、マイクロ波周波数が変化するとき、インピーダンス整合はより難しくなる。プリフォーム加熱の持続時間は、通常数秒以内である。これは、インピーダンス整合ネットワークの要素のモータ駆動チューニングの使用を非実用的にする。従って広帯域の、固定のインピーダンス整合ネットワークが望ましい。
【００５９】
加熱システム１００を例として用いると、マイクロ波空洞１０４はＴＭ０１モードの遮断状態に接近して維持されるので、マイクロ波空洞１０４内の電磁界構造は、加熱処理時に、ほぼ同じ状態を保つ。このような条件のもとで、固定のチューナは、マイクロ波周波数の一定の範囲を効果的にカバーすることができる。インピーダンス整合要素としての環状スリット１０８の設計は、加熱時のプリフォーム材料の誘電率及びマイクロ波吸収の変化を考慮に入れたマイクロ波シミュレーション・ソフトウェアを用いて行われ得る。軸方向高さ２２４及び幅２２６を有する環状スリット１０８は、マイクロ波空洞１０４のインピーダンスを、プリフォーム加熱のための中心周波数近くに整合させるように寸法設定され得る。環状スリット１０８は、マイクロ波空洞１０４の端部に位置付けられ、図１及び２に示されるように空洞１０４の長手方向軸ｚと同軸に整列され得る。あるいは環状スリット１０８は、マイクロ波空洞１０４にそれの外径の周りに結合され得る（図示せず）。大きな半径からマイクロ波電力を結合することは、空洞電界が低いところでは、整合要素内、及びマイクロ波伝送路１１２内の電界を低減するために役立つ。プリフォーム加熱のために用いられる可能な周波数範囲にわたって整合ネットワークをシミュレートするとき、環状スリット１０８の軸方向高さ２２４、幅２２６、及び／又は空洞１０４に対する半径方向位置などの寸法は、プリフォーム加熱処理の全体的なエネルギー効率を最大化するように再調整され得る。例示的設計において、半径４０．５ｍｍ及び長さ１３５ｍｍのマイクロ波空洞に対して、環状スリット１０８の軸方向高さ２２４は約１２ｍｍであり、幅２２６は約３．５ｍｍである。プリフォーム１０２の直径はおおよそ２６ｍｍで、厚さ３．１５ｍｍ及び長さ約１４０ｍｍである。
【００６０】
図９は、図１のマイクロ波空洞１０４内の加熱処理時の、ＰＥＴプリフォーム１０２の誘電率が変化するのに従った、ＰＥＴプリフォーム１０２におけるシミュレートされた電力吸収効率を示す。上記で説明されたようにＰＥＴプリフォーム１０２の誘電率、及び消費率ε”は、加熱時にプリフォーム温度が増加したとき、増加する傾向がある。従ってマイクロ波空洞１０４の遮断周波数を維持するために、線９０２によって明らかに示されるようにマイクロ波周波数は、誘電率が増加するのに従って減少される。このような場合平均電力吸収効率は、線９０４によって明らかに示されるように、固定の整合要素として環状スリット１０８を用いて、誘電率の範囲にわたって積分換算されたとき、約９０％である。
【００６１】
図１０は、図７の制御回路４００の例示的実装形態６００を示す。制御ボード１１０は、マイクロ波コントローラ６０２及びサーマル・コントローラ６０４を含む、複数のコントローラを含むことができる。回路実装形態６００は２つのフィードバック制御ループ、サーマル・コントローラ６０４、マイクロ波コントローラ６０２、マイクロ波電力源１０７、マイクロ波空洞１０４、及び温度センサ１１４によって形成される外側制御ループ６０８と、マイクロ波コントローラ６０２、マイクロ波電力源１０７、マイクロ波空洞１０４、及び電界センサ１１６によって形成される内側制御ループ６１０とを含む。外側制御ループ６０８は、上述のように１つ以上の温度測定値に基づいて動作周波数を調整することができ、内側制御ループ６１０は、上述のように１つ以上の電界測定値に基づいて動作周波数及びマイクロ波電力を調整することができる。内側制御ループ６１０は、例えば１マイクロ秒から数十ミリ秒の範囲内のサイクル時間（又は応答時間）で、より高速度で動作することができ、一方、外側ループ６０８のサイクル時間は、プリフォーム温度のよりゆっくりした変化により、数十から数百ミリ秒の間となり得る。内側制御ループ６１０は任意選択であり、いくつかの実施形態では制御回路実装形態６００から取り除かれる。
【００６２】
図１１ａ〜ｃは、マイクロ波空洞１０４の遮断状態が達成されるように、動作周波数を調整するように図１０の制御回路６００を動作させるための例示的処理を示す。この例に対しては図１２ａに示されるように、マイクロ波空洞１０４の周りに位置付けられた４つの温度センサ１１４ａ〜ｄがあり、温度センサ１１４ａは先端部２１８に最も近いＴ４の測定値をもたらし、温度センサ１１４ｂ、ｃ、及びｄはそれぞれ側壁２１７に沿ったＴ２、Ｔ３、及びＴ４の測定値をもたらす。同様に図１２ｂは、マイクロ波空洞１０４の長手方向長さに沿って位置付けられた、４つの電界センサ１１６ａ〜ｄの例示的配置を示す。
【００６３】
図１１ａにおいて処理８００ａは工程８０２で開始し、１つ以上の調整パラメータ（例えば１ＭＨｚの周波数増分、９０℃及び１０５℃の閾値温度、及び５％の温度均一性パラメータ）と共に、初期周波数が設定される（例えば２．５ＧＨｚに）。次いで図１２ａの温度センサ１１４ａ〜ｄを用いてプリフォーム１０２の温度が測定され（工程８０４）、プリフォーム１０２の初期の実際の温度プロファイルが記憶される。側壁２１７に沿ったプリフォームの平均温度（例えばＴ１、Ｔ２、及びＴ３の平均）は１０５℃の閾値温度Ｔａと比較され、閉じた端部２１８でのプリフォーム１０２の温度（Ｔ４）は９０℃の閾値温度Ｔｂと比較される（工程８０５）。サーマル・コントローラ６０４が、温度センサによって測定された温度はそれらのそれぞれの閾値温度以上であると決定した場合、所望の温度プロファイルはすでに達成されたのでパラメータ調整処理は終了する（工程８１０）。あるいはサーマル・コントローラ６０４が、温度センサによって測定された温度はそれらのそれぞれの閾値未満であると決定した場合、サーマル・コントローラ６０４は工程８０６に進んで、長手方向軸ｚに沿ったプリフォーム側壁２１７の温度均一性を計算する。工程８０６で計算された温度均一性は、工程８０８において、この特定の例ではΔＴ／Ｔａｖｅ＝５％である温度均一性閾値と比較され、ただしＴａｖｅは側壁２１７上の温度の平均を表し、ΔＴは側壁２１７上の温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の間での最も大きな差である。比率ΔＴ／Ｔａｖｅは、プリフォームの不均一な温度の補正が必要かどうかを決定するために用いられる。工程８０８で、側壁２１７に沿った温度が、温度均一性閾値と比べてより均一である場合、制御は図１１ｂの処理８００ｂに進み、この場合マイクロ波周波数は、マイクロ波空洞１０４の遮断周波数に設定される。あるいは温度の均一性が不足する場合、制御は図１１ｃの処理８００ｃに進み、そこでマイクロ波周波数は、マイクロ波空洞１０４の遮断周波数から偏位するように調整される。
【００６４】
処理８００ｂの間、サーマル・コントローラ６０４は、プリフォーム側壁２１７に沿った所望の温度プロファイル及び温度均一性を達成するために、マイクロ波周波数をマイクロ波空洞１０４の遮断周波数に設定する（工程８１２）。遮断周波数は、プリフォーム１０２の測定された温度、及びそのような温度でのプリフォーム材料の対応する誘電率に基づいて決定され得る。例えば遮断周波数は、図８の所定のルックアップ・テーブル５００から、又は式１１又は１２の数式を用いて得られ得る。工程８１２でサーマル・コントローラ６０４はまた上述のように、プリフォーム１０２の測定された温度、及びそのような温度でのプリフォーム材料の対応する誘電吸収に基づいて、マイクロ波電力を設定することができる。その後に、約５０ミリ秒などの予め設定された持続時間の間、加熱処理が進む（工程８１４）。予め設定された期間の間、マイクロ波周波数は、予め計算された遮断周波数のままとなる、あるいは電界センサ１１６による電界測定値に基づいてマイクロ波コントローラ６０２によって調整され得る（工程８１５、８１６、８１８）。このような決定を行うためにマイクロ波コントローラ６０２は、プリフォーム側壁２１７に沿った電界センサ１１６によって取られた電界測定値の差を計算し（工程８１５）、その差がプリフォーム側壁２１７の均一な加熱のために十分にゼロに近いかどうかを決定する（工程８１６）。電界勾配、又は側壁２１７上のｚ軸に沿った連続する電界測定値の間の差が、プリフォーム１０２の均一な加熱のためには大き過ぎる場合、マイクロ波コントローラ６０２は、電界の均一性を増加するようにマイクロ波周波数を調整することができる（工程８１８）。周波数増分は、時にはマイクロ波源１０７の周波数分解能によって制限され、これはこの例では、用いられる特定のマイクロ波源により約１ＭＨｚである。プリフォーム側壁２１７の長手方向軸に沿った電界が十分に均一である場合（工程８１６による決定に従って）、マイクロ波コントローラ６０２は既存の周波数を調整せず、工程８１４で処理８００ｂが繰り返される。プリフォーム１０２に沿った電界が不均一である場合、マイクロ波コントローラ６０２は、周波数増分によって設定される大きさだけ周波数を増加又は減少するなど、周波数を調整し（工程８１８）、工程８１４で処理８００ａを繰り返す。電界における変化はほとんど瞬時に測定され得るので、処理８００ｂでの工程は、例えばミリ秒以下のサイクル時間で、プロセッサが許す限り速いレートで進むことができる。処理８００ｂのための予め設定された加熱期間の終わりで（工程８１４）、制御は処理８００ａの工程８０４に戻り、そこでプリフォーム１０２の温度が再び測定される。
【００６５】
処理８００ｃの間、サーマル・コントローラ６０４は、（ｉ）プリフォーム側壁２１７に沿った所望の温度プロファイル及び温度均一性を達成するために、マイクロ波周波数をマイクロ波空洞１０４の遮断周波数に設定し、（ｉｉ）計算された大きさだけマイクロ波空洞１０４の遮断周波数から偏位させることによってプリフォーム側壁２１７に沿った温度の観察された不均一性を補償するように遮断周波数を補正する。具体的には工程８２２でサーマル・コントローラ６０４は、プリフォーム１０２の平均温度、及びそのような温度でのプリフォーム材料の対応する誘電率に従って、遮断周波数を決定する。遮断周波数は、所定のルックアップ・テーブル５００、又は式１１もしくは１２によって表される数学関数から得られ得る。いくつかの実施形態において、上述のようにマイクロ波電力はまた、プリフォーム１０２の測定された温度、及びそのような温度でのプリフォーム材料の対応する誘電吸収に従って設定される。さらに、測定された温度プロファイルにおける不均一性を補正するために、プリフォーム温度及び式１０に従った温度勾配に基づいて、遮断周波数に対する初期補正ｄｆが計算される。その後に、約２０ミリ秒などの予め設定された持続時間の間、加熱処理が進む（工程８２４）。予め設定された期間の間、マイクロ波周波数は、予め計算された遮断周波数のままとなる（初期補正を含み）、あるいは電界センサ１１６による電界測定値に基づいてマイクロ波コントローラ６０２によって調整され得る。このような決定を行うためにマイクロ波コントローラ６０２は、プリフォーム側壁２１７に沿った電界センサ１１６によって取られた電界測定値の差を計算し（工程８１５）（工程８２５）、温度不均一性に対して補正するために、差が十分であるかどうかを決定する（工程８２６）。側壁２１７上のｚ軸に沿った連続する電界測定値の間の差など、電界勾配が、プリフォーム上の温度不均一性を補正するために大き過ぎる又は小さ過ぎる場合（工程８２６）、マイクロ波コントローラ６０２は、電界勾配を減少又は増加するようにマイクロ波周波数を調整することができる（工程８２８）。プリフォーム１０４に沿った電界勾配がほとんど正しい値である場合（工程８２６）、マイクロ波コントローラ６０２は既存の周波数を調整せず、工程８２４で処理８００ｃが繰り返される。処理８００ｃのための予め設定された加熱期間の終わりで、制御は処理８００ａの工程８０４に戻り、その結果加熱処理は、プリフォーム側壁２１７に沿った温度が実質的に均一であることを確実にしながら、プリフォーム１０２が所望の温度プロファイルに達するまで継続する。
【００６６】
図１３は、図１及び２のマイクロ波加熱システム１００を用いた、プリフォーム（例えばプリフォーム１０２）を加熱するための例示的処理１２００を示す。プリフォーム１０２は最初に、マイクロ波空洞１０４の長手方向軸ｚに沿って、マイクロ波空洞１０４内に挿入される（工程１２０２）。長手方向軸ｚに沿ったプリフォーム材料１０４の長さより大きな軸方向波長に対応する周波数を有するマイクロ波電力が、マイクロ波空洞に供給される（工程１２０４）。マイクロ波空洞１０４内のプリフォーム１０２はマイクロ波電力によって加熱され、結果として温度が増加するのに従って誘電特性の変化を生じる（工程１２０６）。プリフォーム材料１０２の表面上の１つ以上の位置における、プリフォーム材料１０２の温度が測定される（工程１２０８）。次いでマイクロ波源１０７の周波数は、マイクロ波周波数がマイクロ波空洞１０４の遮断周波数のままとなる、又はそれから補正されるように、プリフォーム材料１０２の温度に基づいて調整される。調整は、プリフォーム材料１０２の側壁２１７に沿って実質的に均一な加熱を達成／維持するように、マイクロ波電力の軸方向波長を、プリフォーム材料１０２の長さより大きく維持する（工程１２１０）。例えば周波数は、図１１ａ〜ｃの処理８００ａ〜ｃを用いて調整され得る。加熱時に周波数調整は、プリフォーム材料の温度が所望の温度プロファイルに達するまで継続する（工程１２１０）。
【００６７】
図１４ａ及びｂは、例示的加熱処理に対して、図１１ａ〜ｃ及び図１３の処理８００ａ〜ｃ及び１２００を用いて周波数が調整された後の、それぞれプリフォーム温度経過、及びプリフォーム１０２の周りの測定された温度分布を示す。図１４ａに示されるように、加熱持続時間が増加するのに従って誘電体プリフォーム１０２の平均温度は上昇する傾向があり、これはプリフォーム１０２の誘電率εｒ（Τ）に、ひいてはマイクロ波空洞１０４内の遮断状態を維持するための周波数に影響を及ぼし、ここで周波数は図８に示されるように誘電体プリフォームに対して減少する傾向がある。処理８００ａ〜ｃを用いて制御回路６００は、各温度レベルにおいて遮断又は遮断に近い状態が維持され、プリフォーム１０２の側壁２１７に沿った温度均一性（また均一に近い状態）が達成されるように、動作周波数及び／又はマイクロ波電力を適切に調整することができる。例えば図１４ｂに示されるように、センサ１１４ｂ〜１１４ｄ（それらの例示的配置は図１２ａに示される）において取得される温度測定値は、温度が増加するのに対してほぼ均一であり、変化はプリフォームの側壁２１７上で高々４℃である。さらに、プリフォームの延伸ブローに対する所望の温度プロファイルにおいて必要とされるように、プリフォーム側壁２１７での最終温度は、約１０２℃であり、閉じた端部２１８での温度は約９０℃である。この例に対してプリフォーム１０２によるエネルギー吸収は、約７０％である。
【００６８】
いくつかの実施形態において、プリフォームを加熱するためのマイクロ波電力源１０７に加えて、プリフォームのサイズ、材料、及び／又は初期温度が、本発明の加熱システムによって制御される。加熱時のプリフォームにおける温度変化は、１つのプリフォームから次のものに、高度に再現性がある。このような条件のもとでマイクロ波源１０７の周波数及び電力は、温度センサ１１４及び／又は電気センサ１１６からのフィードバックがわずかであるか又は無い状態で、所定の時間シーケンスにおいて設定され得る。センサのいくつかを省くことは、加熱システムのコストを低減するために役立つ。プリフォーム材料の誘電特性は加熱処理時に変化するので、マイクロ波周波数及び電力は、センサが存在するときとほとんど同じ時間軌跡に従い得る。
【００６９】
加熱システム１００の例示的動作において、プリフォーム１０２は約３５ｇの質量、及び約１４０ｍｍまでの軸方向長さを有することができる。マイクロ波空洞１０４の直径は約１１０ｍｍ以下とすることができる。プリフォーム１０２が同じ状態を保つとき、プリフォーム１０２を加熱するために、約８００から１０００Ｗまでのマイクロ波電力が供給され得る。いくつかの実施形態において約２４ｇのプリフォーム１０２に対して、５秒未満の加熱速度が達成され得る。いくつかの実施形態においてＰＥＴプリフォーム１０２に対して、５０％以上のエネルギー効率が達成され得る。いくつかの実施形態において約８５％から約９０％のマイクロ波吸収効率が達成される。いくつかの実施形態において所望のプリフォーム温度プロファイルは、首状領域２１９より下において約６０℃未満、真っ直ぐな側壁区間２１７内で１１０℃以下、及び閉じた端部２１９において９０℃以下である。
【００７０】
いくつかの実施形態において、プリフォームが形状においておおよそ矩形である場合、マイクロ波空洞は形状において矩形である。図１５は、実質的に矩形のプリフォーム１５０２を加熱するための、実質的に矩形のマイクロ波空洞１５０４を示す。このような場合、マイクロ波電力の軸方向波長がプリフォーム１５０２の軸方向長さより大きいことを確実にするように、矩形マイクロ波空洞１５０４のＴＥ１１モードの遮断周波数を決定するために、円筒形導波路に対する式１〜６と同様な、矩形導波路に対する電磁界原則が適用され得る。同様に制御ボード１１０は、矩形マイクロ波空洞１５０４内の少なくともプリフォーム側壁に沿って、均一な電界及び／又はプリフォームの加熱を維持するように、プリフォーム１５０２の誘電率εｒ（Τ）における変化に応答して、マイクロ波周波数及び／又はマイクロ波電力を自動的に調整することができる。
【００７１】
本発明について、特定の実施形態に関連して具体的に示され述べられたが、当業者には、添付の「特許請求の範囲」によって定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、形式及び詳細において様々な変更がなされ得ることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
2018538171.tif 000022
【図５ｂ】
2018538171.tif 000023
【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
2018538171.tif 000040
2018538171.tif 000041