JP4018151B2 - 無線周波とマイクロ波とを利用した材料の処理 - Google Patents

Description

本発明は、無線周波とマイクロ波とを利用した材料の処理に関し、より詳細には、セラミック、セラミック金属複合材、金属粉末成分及びエンジニアリングセラミックの無線周波とマイクロ波とを利用した加熱に関するが、これに限定するものではない。そのために、無線周波とマイクロ波とを利用した炉及びその操作方法について説明する。
マイクロ波誘電加熱を伴う従来の放射加熱及び／もしくは対流加熱を組み合わせたハイブリッド炉が出願人の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号に記載されており、それは１９９５年２月１６日付けの国際特許公開第ＷＯ９５／０５０５８号によって開示されている。更に、前記国際出願はセラミックやガラスの従来の焼成に関連する問題、セラミックやガラスのマイクロ波のみの焼成に関連する問題、及びマイクロ波と材料間に発生する様々な相互作用について詳細に記載している。このため、過度の繰り返しを避けるために、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号の内容を引用してここに組み込み、本明細書と共に読まれるものとする。
従来の放射加熱または対流加熱はサンプルの表面を加熱し、サンプルの表面からサンプルの体積の隅から隅まで熱を伝えるために熱伝導を頼みとする。サンプルがあまりに速く加熱されすぎると、温度勾配が作り出され、それは熱応力となり、ついには材料の破損を導き得る。サンプルのサイズが増大するにつれて、この影響が激化するので、一般にサンプルのサイズが大きくなるにつれて、サンプルをゆっくりと加熱しなければならない。
更に、温度勾配の存在は、同じ温度-時間スケジュールを使用してサンプル全体を処理できないことを意味する。次には、このことが時にはサンプル全体のミクロ構造（例えば粒子径）の変動を導くことがあり、サンプルの全ての部分を最適に処理できるとは限らないので、密度、強度等の全体の特性が劣ることになる。
対照的に、従来の表面加熱とマイクロ波加熱（つまり、容量加熱）を注意深く均衡させることで、温度勾配を生じさせることなく全表面を均一に加熱し、熱応力発生の危険性なしに（特に大きなサンプルに関して）急速加熱の可能性に導くことが保証される。更に、全サンプルを最適の温度-時間スケジュールで処理することができるので、増大した密度と増大した材料強度の高度に均質のミクロ構造を作り出すことができる。出願人の以前の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号の課題を形成するものは、相対的な量の表面と容量加熱を制御するこの方法であった。
マイクロ波加熱の容量性によって生じる熱的な利点に加えて、焼結中のいわゆる非熱的マイクロ波効果の存在を支持する証拠が増大しつつある。これは従来の熱がマイクロ波のエネルギーと同じ容量的方法で何とかしてサンプルに導入されたとしても観察されないであろう効果である。マイクロ波炉内で処理されるサンプルは、従来のシステム内において処理されるものより、速い速度で、あるいは低い温度で焼結することが観察されている。例えば、ウィルソン（Ｗｉｌｓｏｎ）及びクンツ（Ｋｕｎｚ）はジェイ．アメリカン セラミック ソサイエティ（ｊ．Ａｍ． Ｃｅｒａｍ． Ｓｏｃ）７１（１）（１９８８年）４０−４１の中で、最終的な粒子径に重大な差を生じさせずに、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用して、如何にして（３モル％のイットリアを含む）部分的に安定化されたジルコニアを急速に焼結させ得るかについて記載している。焼結時間は２時間から約１０分まで短縮された。これは焼結中に発生する拡散プロセス用の効果的な活性化エネルギーを参照して説明されており、例えば、ジャニー（Ｊａｎｎｅｙ）及びキムリー（Ｋｉｍｒｅｙ）がマテリアル リサーチ シンポジウム プロック．ボリューム（Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ． Ｖｏｌ．）１８９（１９９１年）、マテリアル リサーチ ソサイエティ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ）において、２８ＧＨｚにおいて、活性化エネルギーが５７５ｋＪ／ｍｏｌから１６０ｋＪ／ｍｏｌまで減少するかのように、マイクロ波で高められた高純度アルミナの高密度化が進行すると記載している。
セラミック業界において可能性のある示唆があるにも関わらず、この効果を生じさせる物理的メカニズムが解明されていない。マイクロ波は実際の活性化エネルギーを低下させるか、あるいは拡散しつつある核種が受ける効果的な駆動力を増大させるように、セラミックと相互作用しなければならない。可能性のあるこの２つのメカニズムは各々支持者を持っているが、本出願人は駆動力の向上が存在することを支持する。これは少なくともフィジックス レビュー ビー．（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ．）４９（１）（１９９４年）６４−６８において、高周波電界の存在下に表面または境界付近で空隙運動に対する駆動力を高めることができることを示した、リバコフ（Ｒｙｂａｋｏｖ）とセメノフ（Ｓｅｍｅｎｏｖ）の計算と一致する。
マイクロ波電界によって加熱されるサンプル内で消散する電力密度Ｐｖは、下記の式（１）によって示される：

式中、ｆは印加される電界の周波数であり、ε₀は自由空間の誘電率であり、ε_r”は材料の誘電損率であり、Ｅは電界強度である。この式を再配列すると、電界は以下の式（２）によって示される：

残念ながら、アルミナ、ジルコニア等の多くの低損失のセラミック材料の誘電損率は、温度上昇と共にほとんど指数関数的に増大する。加熱に要する電力密度がプロセスの間一定であると仮定すると、式（２）は材料の電界強度が温度上昇と共に急速に低下しなければならないことを意味する。その結果、拡散係数が温度上昇と共に指数関数的に増大するので、拡散しつつある核種がほとんど自由に材料中を動き回る時のより高温では、電界の存在による非熱的効果の大きさも減少するであろう。
同様に、誘電材料内で伝搬するマイクロ波等の電磁波に対する侵入度（つまり、電力密度が表面における値の１／ｅにまで低下する距離）は、以下の式（３）によって示される：

式中、ε_r’は材料の誘電率であり、ｃは真空中での光速である。イットリアで安定化されたジルコニア（８％ＹＳＺ）を考慮すると、低温（つまりほぼ２００℃）及び標準のマイクロ波周波数である２．４５ＧＨｚにおいて、誘電率ε_r’は約２０、また誘電損率ε_r”は０．２である。これらの値を式（３）に挿入すると、侵入度は４５ｃｍとなる。ほぼ１，０００℃の高温では、ε_r’は約３４、そしてε_r”は約４０となり、侵入度はたったの０．３ｃｍとなる。このように、高温では２．４５ＧＨｚのマイクロ波は約１ｃｍを上回る厚みのイットリアで安定化されたジルコニアのサンプルを加熱するのに特に効果的ではないが、表面しか加熱しない従来の加熱方法よりはるかにましである。しかしながら、非熱的マイクロ波効果も侵入度に制限されるであろう。
これらの問題を克服する一方で、非熱的効果を最適に使用するために、本発明の第１の側面によれば、マイクロ波源と、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を閉じ込めるため、また被加熱物を包含するための閉じ込め包囲体と、前記マイクロ波源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物を誘電加熱するためのＲＦ源と、前記ＲＦ源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物にマイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を同時に印加させるとともに、前記被加熱物が曝されるマイクロ波エネルギーとＲＦエネルギーの量を制御するように構成された制御手段とを備えるハイブリッド炉が提供される。
ハイブリッド炉は付加的に、閉じ込め包囲体内で適当である放射熱及び／もしくは対流熱を提供するために、閉じ込め包囲体に関して配置される放射及び／もしくは対流加熱手段、及び放射熱及び／もしくは対流熱によって物体内で発生する熱量を制御する手段を備えるのが有利である。
本発明の第２の側面によれば、マイクロ波源と、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を閉じ込めるため、また被加熱物を包含するための閉じ込め包囲体と、マイクロ波源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物を誘電加熱するためのＲＦ源と、ＲＦ源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段とを備える炉を操作する方法が提供され、該方法は、前記被加熱物を加熱するためのマイクロ波源を作動させるとともに、前記被加熱物を誘電加熱するためのＲＦ源を作動させて、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を前記被加熱物に同時に印加させるステップを含む。
炉は付加的に放射及び／もしくは対流加熱手段を備えるのが有利であり、また前記方法は、実質的に物体の加熱サイクルを通して放射熱及び／もしくは対流熱を発生させるために、放射及び／もしくは対流加熱手段を作動させ、物体内に所望の熱プロフィルを提供するために、マイクロ波エネルギー及び放射熱及び／もしくは対流熱の一方または両方によって、物体内に発生される熱量を制御する付加的なステップを備えているのが有利である。
無線周波数（ＲＦ）は高周波電界を含む誘電加熱の別の形態であり、やはり式（１）から（３）によって説明される。しかし、無線周波数はマイクロ波のものよりはるかに低く、典型的に１３．５６ＭＨｚ（つまり、２．４５ＧＨｚより１８１倍も小さい因数）である。このように、ε_r”とＰｖの同じ値に対して、式（２）はＲＦの場合はマイクロ波の場合より電界が１３倍も高くなることを示唆している。実際、無線周波数におけるセラミックの誘電損率はマイクロ波周波数における誘電損率より通常はるかに小さく、事実電界は一層高くなるであろう。
同様に、式（３）の点検によって、侵入度が１／ｆに比例するこが明らかになった。従って、全ての他のパラメーターが同じであるとすると、ＲＦの場合においてｄｐはマイクロ波の場合より１８１倍大きくなり、結果的に生じる電界は非常に高温であっても材料に深く侵入するであろう。
あいにく、多くのセラミック材は単にＲＦ電界に置かれた場合、効果的に加熱されない。この周波数において合理的なエネルギー消散を作り出すために必要な電界は、しばしば炉内で電気的破壊を起こすであろうものより大きい。しかしながら、マイクロ波加熱とＲＦ容量加熱の両方を使用するハイブリッドシステムを提供することによって、この問題を克服することができる。従来の表面加熱技術と組み合わせた場合、はるかに大きな利点を得ることができる。
本発明の多数の態様について、例として添付図面を参照して説明する。
図１は先行技術の典型的なマイクロ波加熱システムの概略図である。
図２は先行技術の従来のＲＦ加熱システムの概略図である。
図３は先行技術の典型的な５０ΩＲＦ加熱システムの概略図である。
図４は簡単なスルーフィールドアプリケーターの概略図である。
図５はコンデンサーに対する誘電体の影響を図示する概略図である。
図６は電界を印加する前後の微視的双極子の集合で作られた誘電体の概略図である。
図７はＲＦアプリケーター内の電界を示す概略図である。
図８は従来の（放射熱のみの）焼結と、マイクロ波援用焼結に対する温度の関数としてプロットしたジルコニア（３モル％のイットリア）の正規化された線形収縮を示すグラフである。
図９は本発明の第１の態様によるＲＦとマイクロ波とを利用したハイブリッド炉の概略図である。
図１０は本発明の第２の態様によるＲＦとマイクロ波とを利用したハイブリッド炉の概略図である。
図１１は従来の（放射熱のみの）焼結と、マイクロ波を利用した焼結、及びＲＦとマイクロ波とを利用した焼結に対する温度の関数としてプロットしたジルコニア（８モル％のイットリア）の正規化された線形収縮を示すグラフである。
誘電加熱という用語は無線周波システムまたはマイクロ波システムに同様に適用でき、両者の場合、加熱は誘電絶縁体（または小さいが、測定可能な導電率を有する材料）が高周波電界に置かれた時、エネルギーを吸収するという事実のためである。
ＲＦ放射とマイクロ波放射とは電磁スペクトルの隣接する部分を占め、マイクロ波が無線波より高い周波数を有する。しかし、２つの周波数帯域間の区別はしばしばあいまいであり、例えば約９００ＭＨｚの携帯電話等のアプリケーションが無線周波数と説明され、誘電加熱等がマイクロ波と説明されたりする。それにも関わらず、無線周波数とマイクロ波誘電加熱は必要な高周波電界を作り出すために使用される技術によって区別され得る。ＲＦ加熱システムは高電力電気弁、伝送線路、及びコンデンサーの形態のアプリケーターを使用する一方、マイクロ波システムは磁電管、導波管、及び共振空胴または非共振空胴に基づいている。
ＩＳＭ帯域または工業／科学／医学帯域として知られる、ＲＦ加熱及びマイクロ波加熱のために使用することができる、国際的に合意され認識されている周波数帯域がある。無線周波数では、これらは：
（ｉ） １３．５６ＭＨｚ±０．０５％ （±０．００６７８ＭＨｚ）
（ｉｉ） ２７．１２ＭＨｚ±０．６％ （±０．１６２７２ＭＨｚ）
（ｉｉｉ） ４０．６８ＭＨｚ±０．０５％ （±０．０２０３４ＭＨｚ）
であり、一方マイクロ波周波数では、これらは：
（ｉ） ９００ＭＨｚ （関連する国により異なる）
（ｉｉ） ２４５０ＭＨｚ±５０ＭＨｚである。
電磁適合性（ＥＭＣ）要件はこれらの帯域外での放射に対して厳しい制限を課している。これらの制限は健康／安全問題によって課される制限よりはるかに低く、典型的に、認められている帯域外の周波数での電力のμＷｓに等しい。ほとんどの国では、関連するＥＭＣ要件の遵守が法的要件となっている。
マイクロ波加熱システム、及び従来の放射及び／もしくは対流加熱システムと組み合わせたマイクロ波加熱システムについては、出願人の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号に詳細に記載されており、この出願の内容を既に引用してここに組み込む。その結果、ここではマイクロ波加熱システムについては、ＲＦ加熱システムとの比較を可能にするために要約して説明するに留める。図１に示すように、マイクロ波加熱システムは一般に高周波電源１０、送電媒体１２、同調システム１４、及びアプリケーター１６で構成される。一般にマイクロ波加熱システムにおいて使用される高周波電源は磁電管である。２．４５ＭＨｚでは、磁電管は典型的に５００Ｗから２ｋＷの間の電力と共に利用でき、最大で６〜１０ｋＷに達することができる。９００ＭＨｚでは、磁電管は数十ｋＷまでの高電力出力に備えて構成することができ、ＲＦ加熱システムに使用される１つの弁が数百ｋＷを発生させることができる。磁電管によって作られる電力は負荷の状態とほぼ無関係である。
磁電管はアンテナまたは開口ラジエーターを励磁し、アンテナまたは開口ラジエーターが次にシステムのその他の部分に電力を伝送する。アンテナは電磁波を発生させ、その電磁波は導波管を移動し、導波管は送電媒体１２として作用し、電磁波をマイクロ波アプリケーター１６に向けるために使用される。一部のアプリケーションでは、導波管自体がアプリケーターを形成することができる。
アプリケーター１６から高周波電源１０への実質的な電力の反射が損傷を生じさせることがあり、これを防止するために、サーキュレーター１８として知られる装置を電源と送電媒体１２の間に挿入する。サーキュレーター１８は基本的に一方向弁であり、電源１０からの電力がアプリケーター１６に達するようにするが、電源に達する反射電力を妨げる。その代わりに、反射電力がサーキュレーター１８に取付けられた水負荷２０において散逸される。
同調システム１４は送電媒体１２とアプリケーター１６の間に挿入され、反射電力を最低のレベルに調整するために使用され、それによってシステムが効率的に作動する。
マイクロ波アプリケーター１６の最も一般的な形態は、家庭用電子レンジに使用されているような金属箱または空胴である。被加熱材２２はこの空胴内のターンテーブル２４の上に置かれ、ターンテーブル２４は問題の材料に存在するかもしれない電界の経時変化を平均させるために使用される。更に、被加熱材に存在する定在波パターンを周期的に変化させるために、モード撹拌器（図示せず）も空胴内に取り込まれている。ターンテーブル２４もモード撹拌器も材料の加熱の均一性を改善する働きをする。
空胴アプリケーターと共に使用できるマイクロ波アプリケーター１６には多くのデザインがある。しかし、これらのデザインの内、最も一般的にアプリケーターとして使用されるものは変更された導波管部分である。
外観では、ＲＦ加熱システムはマイクロ波システムとは非常に異なっている。ＲＦ電力を作り出し、誘電加熱アプリケーターに伝送するために利用できるシステムは、２つの独特な群、すなわち、広く普及した従来のＲＦ加熱設備と、より最近の５０ΩのＲＦ加熱設備とに分けることができる。従来のＲＦ設備は長年に亙って首尾良く利用されてきたが、常に強化されるＥＭＣ規則、またプロセス制御の改善の必要性により、５０Ω技術に基づくＲＦ加熱システムが導入された。
従来のシステムでは、ＲＦアプリケーター（つまり、高周波電界を製品に印加するシステム）が変圧器の二次回路部分を形成し、該変圧器は一次回路としてＲＦ発生器の出力回路を有している。従って、ＲＦアプリケーターはＲＦ発生器回路の一部であると考えることができ、発生器によって供給されるＲＦ電力量を制御するためにしばしば使用される。多くのシステムでは、アプリケーター回路の構成要素（通常は、ＲＦアプリケータープレート自体）を調節して、電力を設定限度以内に保持する。あるいは、加熱システムは公知の状態の標準負荷へとある量の電力を送り、製品の状態が変化するにつれて、自動的に上下に移動させるように設定させる。事実上、全ての従来のシステムにおいて、送られるＲＦ電力量は高電力弁、通常は三極管を通って流れる発生器内の直流電流によって示されるだけである。
典型的な従来のＲＦ加熱システムが図２に概略的に図示されており、ＲＦ発生器２６とＲＦアプリケーター２８を備えている。被加熱材３０がＲＦアプリケーター２８のプレート間に置かれ、一方のプレート３２がシステムを同調する手段を提供するために、他方のプレートに対して移動できるように適合される。
５０Ω設備に基づくＲＦ加熱システムはかなり異なっており、高電力同軸ケーブルによってＲＦ発生器がＲＦアプリケーターから物理的に分離されるという事実によって直ちに認識され得る。このような例が図３に示されており、前者と同様に、ＲＦ発生器３４とＲＦアプリケーター３６を備えている。高電力同軸ケーブルに参照番号３８が付けられている。
５０ΩＲＦ発生器の操作周波数は水晶発振器によって制御され、本質的に１３．５６ＭＨｚまたは２７．１２ＭＨｚに固定される（４０．６８ＭＨｚはあまり使用されない）。一旦周波数が固定されると、ＲＦ発生器３４の出力インピーダンスを便利な値に設定するのは比較的簡単である。高電力同軸ケーブル３８やＲＦ電力計４０等の標準設備を使用できるように、５０Ωが選択されている。ＲＦ発生器３４が効率的に電力を伝送するために、ＲＦ発生器３４はやはり５０Ωのインピーダンスを有する負荷に接続されなければならない。従って、ＲＦアプリケーター３６のインピーダンスを５０Ωに変換するインピーダンス整合ネットワーク４２がシステムに含まれている。事実、この整合ネットワーク４２は精巧な同調システムであって、ＲＦアプリケータープレート自体を最適の位置に固定することができる。
従来のシステムに優るこの技術の主な利点は以下の通りである：
（ｉ） 固定された操作周波数によりわずらわしい国際ＥＭＣ規則に準拠することが容易になる。
（ｉｉ） ５０Ωケーブルの使用により、ＲＦアプリケーター３６から離れた便利な位置にＲＦ３４発生器を設置できるようになる。
（ｉｉｉ） ＲＦアプリケーター３６を最適の性能のために設計することができ、それ自体同調システムの一部ではない。
（ｉｖ） インピーダンス整合ネットワーク４２の使用により、進歩したプロセス制御システムが可能となる。整合ネットワーク内の成分の位置が、その平均湿度等の誘電負荷の状態に関するオンライン情報を与える。この情報を使用して、ＲＦ電力、コンベヤの速度、アプリケーター内の空気温度等を適当に制御することができる。
従来の誘電加熱システム、または５０Ω誘電加熱システムのいずれを使用しても、ＲＦアプリケーターは加熱または乾燥すべき特定の製品のために設計されなければならない。概念的には、スルーフィールドＲＦアプリケーターが最も簡単で、最も一般的なデザインであり、電界は平行平板コンデンサーの２つの電極を横切って印加される高周波電圧から発生する。この配置の一例が図４に示されており、２つの電極が参照番号４４と４６で特定されており、被加熱物が参照番号４８で特定されている。このタイプのアプリケーターは主として、比較的厚い製品または材料片と共に使用され、先に述べた態様において使用されるアプリケーターである。
それがＲＦであろうと、マイクロ波であろうと、誘電加熱は誘電材が高周波電界に置かれた場合、誘電材によってエネルギーが吸収されるという原理に依拠している。ＲＦ及びマイクロ波加熱及び／もしくは乾燥を完全に理解するためには、誘電体によって吸収される実際のエネルギー量（または電力量）の計算が必須である。
本質において、ＲＦ誘電加熱に使用される全てのアプリケーターはコンデンサーである。これらのコンデンサーは、複素インピーダンスＺ_c、または１／Ｚ_cに等しい複素アドミタンスＹ_cによって表わすことができる。空である場合、理想的なコンデンサーはゼロ電気抵抗で純粋にリアクタンスであるインピーダンスを有し、ＲＦ電位がそれを横切って印加される時、如何なる電力も消費されない。誘電体が無い場合、アプリケーターの複素インピーダンスは以下の式（４）によって示され：

同等のアドミタンスは以下の式（５）によって示される：
Y_c=0+jωC_o （５）
式中、ω＝２πｆであり、Ｃｏは空のアプリケーターのキャパシタンスである。
時には複素誘電率とも呼ばれる誘電体の相対的誘電率ε_rは以下の式（６）によって示される：
ε_r=ε_r'-ε_r"j （６）
式中、ε_r’は材料の誘電率であり、ε_r”は誘電損率である。簡単な平行平板コンデンサーにこのような誘電体を詰める場合、新しいアドミタンスは以下の式（７）によって与えられ：
Y_c'=ε_rY_c=ωC_oε_r"+jωC_oω_r' （７）
１／Ｙ_cに等しい対応する新しいインピーダンスは：

となる。式（８）から明らかなように、誘電体の存在は２つの方法でＲＦアプリケーターのインピーダンスを変える。まず第一に、１／（ωＣ₀ε_r”）に等しい有限の抵抗Ｒがコンデンサーを横切って現われており、第二に、定義によってε_r’は常に１より大きいので、新しい効果的なキャパシタンスＣは、誘電体を持たないキャパシタンスＣ₀よりε_r’の因数だけ大きい。この状況が図５において概略的に図示されている。有限の抵抗の存在が誘電体内の熱の発生の可能性を生じさせる一方で、ＲＦアプリケーター内の電荷分布の変動から、キャパシタンスの増大が起こる。抵抗体内で消費される電力ＰをＶ²／Ｒに等しいとすると、誘電体を含むコンデンサーに対する電力は以下の通りである：
P=ωε_r"C_oV² （９）
Ｃ₀=ε₀Ａ／ｄであり、Ａはプレート面積、ｄはプレート間距離、及びε₀は自由空間の誘電率である。平行平板コンデンサーに対して、電界強度Ｅ＝Ｖ／ｄであるので、式（９）を以下のように書き換えることができる：
P=ωε_oε_r"E²(Ad) （１０）
積Ａｄはコンデンサーの体積に等しいので、単位体積当たりの電力消費もしくは電力密度Ｐ_vは以下の式（１１）によって示される：

このように、電力密度は印加される電界の周波数と誘電損率に比例し、局部電界の平方に比例する。この式は誘電体が高周波電界に置かれた時、どのようにエネルギーを吸収するかを決定する際に重大である。所定のシステムに対して、周波数が固定され、πとε₀が定数であり、原則的に誘電損率ε_r’を測定することができる。従って、式（１１）において未知のまま残されるものは電界Ｅだけである。これを評価するために、ＲＦアプリケーターを横切るＲＦ電圧による、印加される電界に対する誘電体の影響を考慮しなければならない。
マイクロ波誘電加熱の場合、アプリケーターはもはや簡単なコンデンサーであると考えることができず、材料内の電界は：
E=E_oe^j(wt-kz) （１２）
の形態の伝搬する電磁波によるものであり、式中、ｋはｚ方向の伝搬定数であり、ｔは時間である。
誘電媒体を流れる変位電流密度Ｊ_Dは：

によって定義され、それは式（１２）と組み合わせると、
J_D=jωε_oε_rE （１４）
となり、ε_r＝ε_r’−ｊε_r”で置き換えると以下のようになる：
Ｊ_D=ωε_oε_r"E+jωε_oε_r'E （１５）
Ｊが全体の電流密度であり、伝導電流密度Ｊ_cと変位電流密度Ｊ_Dの合計に等しい場合、またＪ_cをゼロと仮定すると、ＪはＪ_Dに等しくなり、式（１５）によって示される。
断面積ｄＳの誘電体の小さな体積成分ｄＶ及び長さｄｚを考慮すると、体積成分を横切る電圧降下はＥ・ｄｚで示され、そこを通過する電流はＪ・ｄＳで示される。その結果、単位体積当たりの電力消費は：

で示され、式中＜＞は時間平均を表わす。
ε_rが実数である（つまり、ε_r”がゼロに等しい）とすると、ＥとＪは常にπ／２違相であり、ｄＰ／ｄＶは常にゼロに等しくなるであろう。ε_r”がゼロに等しくない場合、

となり、式中Ｅ^*はＥの複素共役である。Ｅを製品中を通じて一定であると仮定できる特殊な場合には、式（１７）は、

まで減少し、それはＲＦ誘電加熱の場合（式１１）のために引き出されたものと同じである。
誘電材は電界の作用によって整列または分極され得る多数の微視的電気双極子の集合で構成される。外界と誘電体との相互作用を評価するためには、この分極の効果を理解することが必要である。
電気双極子は、わずかな距離ｒだけ陰電荷領域−ｑから分離された陽電荷領域＋ｑである。このような双極子は双極子モーメントを有していると言われ、ｐは、
p=qr （１９）
によって示される。この双極子モーメントは陽電荷中心から陰電荷中心までの線に沿った方向のベクトル量である。電気双極子は以下の２つのタイプに分けることができる：
（ｉ） 印加された電界が存在する場合にのみ現われる誘導双極子、例えば、二酸化炭素分子及び原子；及び
（ｉｉ） 印加された電界が存在しない場合でも存在する永久双極子、例えば、水の分子。
材料の分極Ｐは巨視的性質であり、単位体積当たりの双極子モーメントとして定義される。電界が存在しない場合、誘導双極子の集合の双極子モーメントはゼロであり、従って、Ｐもゼロである。永久電気双極子は常に双極子モーメントを有するが、印加された電界が存在しない場合、これらのモーメントは空間内で無作為に方位付けられ、全体としての材料の分極Ｐはやはりゼロに等しい。
材料内の境界における空間電荷構築により巨視的分極もまた可能である。このような負電荷と陽電荷の分離が、時には空間電荷分極として知られる。全材料に対する双極子モーメントへと導く。
式（１１）と（１８）が明らかにするように、吸収された電力密度が材料内部の電界の平方に比例するので、それは主として材料内部（及び外部）の電界、及び加熱率を決定する誘電体の分極である。
外部の電界Ｅ０が存在すると仮定すると、微視的電気双極子はＥ０の方向と反対方向にそれらを整列させる傾向にあるトルクを受けるであろう。双極子の負の端は印加された電界の正側に引き付けられ、双極子の正の端は印加された電界の負側に引き付けられる。
誘電体の本体内で、陽電荷の数は陰電荷の数に等しいので、電荷全体は中性である。しかし、誘電体の片側において、陽電荷の正味過剰がある一方、他方の側では正味陰電荷がある。これは図６において概略的に図示された状況である。
このように、電界Ｅ０を誘電体に印加した結果が、材料の対向する側での陽と陰の電荷の展開である。これらの電荷による電界は印加された電界に対して反対方向にあり、減極電界Ｅ１と呼ばれる。誘電体本体内の電気双極子は局部電界Ｅ_localを受け、それは印加された減極電界のベクトル合計である。このように、
E_local=E_o+E₁ （２０）
であり、
|E_local|=E_o|-|E₁| （２１）
によって示される大きさを有する。
ＲＦアプリケーター内に存在する電界に対する誘電体の影響が図７に概略的に図示されている。局部電界は印加された電界より小さいが、誘電体を囲むエアギャップ内の電界Ｅ”は、印加された電界より大きい。これは誘電体表面上の電荷の展開によるものである。事実、周囲の媒体が空気である場合、Ｅ’はε_r’Ｅ₀にほぼ等しく、ε_r’が常に１より大きいので、Ｅ’は常にＥ₀より大きい。
式（２）に関連して指摘したように、多くのセラミック材内の電界強度は温度が上昇するにつれて急速に低下する。従って、拡散係数は温度上昇と共に指数関数的に増大するので、材料内で拡散する種がほとんど自由に拡散するより高温では、電界強度による非熱的効果の大きさもまた低下するであろう。図８は、従来の焼結（つまり、単に放射熱及び／もしくは対流熱だけを使用する焼結）に対して、また一部安定化されたジルコニア（３モル％イットリア）のマイクロ波を利用した焼結に対して、温度の関数としてプロットされた正規化された線形収縮、△１／１０を示しており、１０は元のサンプル長である。
マイクロ波を利用した場合の曲線がほぼ８０℃従来の収縮曲線から転置されていることで、焼結の向上が明らかに立証されている。更に、マイクロ波を利用した場合に全体の収縮が大きくなっており、最終的なサンプル密度の増大を導いている。約１，２５０℃でマイクロ波を利用した場合の曲線に重大な勾配の変化が現われている。マイクロ波を利用した焼結の終了に向かって、印加されたマイクロ波電力はまだほぼ一定であるが、誘電損率ε_r”の増大のために、電界が低下するであろう。従って、拡散プロセスを働かせるマイクロ波誘導電界も急速に低下し、焼結は従来の毛細管駆動力によってのみ支配されて進行するであろう。マイクロ波電力密度はサンプルが収縮するにつれて増大するが、電界に及ぼすこの影響は、ε_r”における指数関数的増大のためにそれよりはるかに小さいであろう。
初期に式（３）に関連して指摘したように、高温におけるマイクロ波の侵入度の減少は、特に約１センチメートルを上回る厚さのサンプルに対して、拡散プロセスを働かせるマイクロ波誘導電界の能力に有害な影響を有するであろう。しかしながら、無線周波数とマイクロ波を利用した加熱とを同時に使用する炉を構築することによって、高温における拡散プロセスの重大な低下なしに、容量加熱の利点を享受することができる。これは、ＲＦがマイクロ波と同程度にはサンプルの加熱に適していないかもしれないが、サンプル内で高い電界を発生させ維持することができ、それによって拡散プロセスを助けるからである。
同じ炉内でＲＦ源とマイクロ波源を放射及び／もしくは対流加熱手段と組み合わせる際に克服すべき実際的な問題は簡単な問題ではない。２つの高周波加熱源は互いに相互作用し、注意しなければ、操作上の問題を引き起こす。この問題は従来の放射及び／もしくは対流加熱手段をいずれかの加熱源が妨害するという問題に加えて発生する。
それにも関わらず、本発明を具体化するＲＦ及びマイクロ波を利用したハイブリッド炉が図９に概略的に示されている。
図から解るように、炉はマイクロ波空胴５０、マイクロ波発生器５２、及びマイクロ波をマイクロ波発生器５２からマイクロ波空胴５０へと輸送するための導波管５４を備える。１つの好適態様では、マイクロ波発生器５２は電源装置５６に接続された２．４５ＧＨｚ、１ｋＷの磁電管であってよく、導波管５４はサーキュレーター５８、擬似負荷６０及び同調器６２を含むことができる。対照的に、好適態様では、マイクロ波空胴５０は５４０ｍｍの幅と、４５５ｍｍの深さと、４８０ｍｍの高さを有する。これは次に１９０ｍｍ×１９０ｍｍ×１９０ｍｍのサンプル体積を提供し、それは使用に際して、四分の一波長のチョークマイクロ波シールを組み込むドアを閉じることによって閉じられる。モード撹拌機（図示せず）は、モード撹拌機が故障した場合にマイクロ波電力を切るためのフェイルセーフメカニズムを備えて、マイクロ波空胴５０内に組み込まれる。
複数の非格納式の、放射カンタル抵抗加熱素子６４がマイクロ波空胴５０の壁を突き抜けてサンプル体積内へと突出している。加熱素子６４が高度に伝導性であることを保証することによって、表皮厚さが最低に保たれ、それと共にサンプルが吸収するマイクロ波電力量が最低に保たれる。この配置を使用することで、炉は、加熱素子６４または炉のライニングのいずれも損傷することなく、３ｋＷの放射加熱と２ｋＷのマイクロ波電力を使用して、１，７５０℃を超える温度を達成することができることを示している。特に、加熱素子６４間に、あるいは加熱素子とマイクロ波空胴５０の壁間にアーチ状の動きが見られない。
マイクロ波空胴５０からのマイクロ波の漏れを防止するために、加熱素子６４の各々が各々の容量性リードスルーを通ってサンプル体積内へと進んでいる。このようなリードスルーの一例が、出願人の以前の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号に記載されており、その内容を既に引用して本明細書に組み込む。
ＲＦ電界は絶縁体７２外部の、平行平板コンデンサー、あるいは２つの金属プレート６８と７０によって形成されるアプリケーターの電極内で、システム内へと導入される。あるいは、２つのプレート６８、７０は絶縁体７２内に、あるいはホットゾーン内に埋め込むことができるが、但し使用する金属はそれが曝される温度に耐えることができるものでなければならない。２つの金属プレート６８、７０は、伝送線路７４と可変コイル７６を通して、自動インピーダンス整合ネットワーク７８に接続される。このインピーダンス整合ネットワーク７８はシステムのインピーダンスを絶えず５０Ωに同調させる。５０Ωの出力インピーダンスを備えた１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷの半導体無線周波発生器８０が、標準の５０Ω同軸ケーブル８２によって自動インピーダンス整合ネットワーク７８に接続される。
２つの金属プレート６８と７０間の伝送線路７４の一部と、可変コイル７６が低域フィルター８４を含み、それはマイクロ波フィルターとして作用し、ＲＦ電力の通過を許す一方で、マイクロ波エネルギーの流れを制限する。付加的な並列コンデンサー８６が加熱素子６４と炉の空胴上部との間に接続され、加熱素子を通って流れるＲＦ電流をアースに短絡させる。
被加熱サンプル８８がマイクロ波空胴内に置かれ、耐火スタンド９０の上に支持される。炉内の接地された熱電対９２を使用して放射、ＲＦ、及びマイクロ波電力レベルを別個に制御することができる。あるいは、３つの電源全てを手動で制御することもできる。典型的に、自動と手動の制御の組み合わせが使用される。例えば、放射電源とマイクロ波電源を何らかの所定の温度-時間スケジュールに制御し、一方ＲＦ電源を手動で制御してもよい。被加熱材を十分に評価した後、制御を完全に自動にしてもよい。
その内容を引用して本明細書に組み込む、出願人の以前の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９４／０１７３０号に記載したような直接的あるいは間接的な構成で、放射加熱素子６４を１つかそれ以上のガスバーナー９４で置き換えることができることが当業者には明らかであろう。このような配列の一例が図１０に示されており、図９の炉にも共通している特徴は同じ参照番号を使用して特定している。
放射熱及び／もしくは対流熱源としてガスバーナーを使用することの１つの利点は、結果的に生じる炉が特にバッチ処理もしくは連続処理のいずれにも適していることである。更に、かかる炉によって得ることができる最高温度はその構成材料によってのみ制限される。
いずれの炉においても、マイクロ波電力に対する従来の電力の比は典型的に２：１未満であり、通常は１０：１から５：１の範囲である。同時に、マイクロ波電力に対するＲＦ電力の比は典型的に２：１未満であり、通常は１０：１から４：１の範囲である。
上述のタイプの炉はイットリア（８％）で安定化されたジルコニア（８ＹＳＺ）の小片を焼結させるために使用されている。先駆物質粉末サンプルは円筒形サンプルを形成するために加圧された冷間ダイであり、それらを次に以下のスケジュールを使用して加熱した：
（ｉ） １分当たり１０℃で室温から１３００℃まで加熱する；
（ｉｉ） １３００℃で１時間保持する；そして
（ｉｉｉ） １分当たり−１０℃で１３００℃から室温まで冷却する。
このスケジュールに対して温度を制御するために、放射電力レベルを使用し、ＲＦ電力とマイクロ波電力の様々な組み合わせを使用した。いずれの場合にも、サンプルの最終密度を測定し、約２．８５ｇｃｍ−３の開始密度と比較した。その結果を以下の表１に要約した。

上記のものよりわずかばかり低い２．６７ｇｃｍ−３の開始密度を有する同じ材料の大きなペレットに対して、第２シリーズの実験を実施した。この第２シリーズの実験結果を下記の表２に要約した。

表から解るように、これら第２シリーズの実験から、イットリア安定化ジルコニアの焼結に対して以下のことが結論付けられる：
（ｉ） ＲＦを利用した加熱またはマイクロ波を利用した加熱の使用により、従来の放射または対流加熱のみを使用する場合より高い最終密度が得られる；
（ｉｉ） マイクロ波を利用した加熱の使用により、ＲＦを利用した加熱を使用した場合より高い密度が得られる；
（ｉｉｉ） ＲＦとマイクロ波とを利用した加熱の使用により、最高の最終密度が得られる。
これらの結論が図１１にグラフ表示されており、図中、ジルコニア（８モル％イットリア）の正規化された線形収縮が、従来の焼結（放射熱のみの）と、マイクロ波を利用した焼結、及びＲＦとマイクロ波とを利用した焼結に対する温度の関数としてプロットされている。このグラフから解るように、マイクロ波を利用した焼結は図８に示したものと同様の焼結向上の縮小を示すが、ＲＦとマイクロ波とを利用した焼結曲線にはこのような焼結向上の低下が検出されていない。
上述の結果はイットリア安定化ジルコニアに関するものであるが、同様の結果が広範囲のセラミック材料に適用できることが示されており、上述の特定の材料に制限されないことが当業者には自明であろう。

Claims (9)

1. マイクロ波源と、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を閉じ込めるとともに、セラミック、セラミック金属複合材、金属粉末成分およびエンジニアリングセラミックからなる群より選択される被加熱物を包含するための閉じ込め包囲体と、前記マイクロ波源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物を誘電加熱するためのＲＦ源と、前記ＲＦ源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物にマイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を同時に印加させるとともに、前記被加熱物が曝されるマイクロ波エネルギーとＲＦエネルギーの量を制御するように構成された制御手段とを備えることを特徴とするハイブリッド炉。
2. 前記被加熱物が曝されるＲＦエネルギーを、前記マイクロ波エネルギーとは別に制御するための手段が設けられる、請求項１に記載のハイブリッド炉。
3. 前記閉じ込め包囲体内で放射熱及び／もしくは対流熱を提供するために、前記閉じ込め包囲体に関連して配置される放射及び／もしくは対流加熱手段と、前記放射熱及び／もしくは対流熱によって前記被加熱物に発生する熱量を制御する手段を付加的に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド炉。
4. 前記マイクロ波エネルギーとは別に、前記放射熱及び／もしくは対流熱によって前記被加熱物に発生する熱量を制御するための手段が設けられる、請求項３に記載のハイブリッド炉。
5. 前記ＲＦエネルギーとは別に、前記放射熱及び／もしくは対流熱によって前記被加熱物に発生する熱量を制御するための手段が設けられる、請求項３または４に記載のハイブリッド炉。
6. 前記放射及び／もしくは対流加熱手段が少なくとも１つの抵抗型加熱素子を備える、請求項３から５のいずれかに記載のハイブリッド炉。
7. 前記放射及び／もしくは対流加熱手段が化石燃料の燃焼用手段を備える、請求項３から５のいずれかに記載のハイブリッド炉。
8. マイクロ波源と、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を閉じ込めるとともに、セラミック、セラミック金属複合材、金属粉末成分およびエンジニアリングセラミックからなる群より選択される被加熱物を包含するための閉じ込め包囲体と、マイクロ波源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段と、前記被加熱物を誘電加熱するためのＲＦ源と、ＲＦ源を前記閉じ込め包囲体に結合するための手段とを備える炉を操作する方法であって、前記被加熱物を加熱するためのマイクロ波源を作動させるとともに、前記被加熱物を誘電過熱するためのＲＦ源を作動させて、マイクロ波エネルギー及びＲＦエネルギーの両方を前記被加熱物に同時に印加させるステップを含む方法。
9. 前記被加熱物が曝されるＲＦエネルギーを前記マイクロ波エネルギーとは別に制御する付加的なステップを備える請求項８に記載の炉を操作する方法。

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