用于烧结材料构件、尤其是用于牙科构件的烧结炉

摘要

本发明涉及一种用于烧结材料构件、尤其是用于牙科构件的烧结炉，其包括带炉腔容积和炉腔内表面积的炉腔，其中在此炉腔中设置有加热装置、容纳空间以及有用区域，容纳空间具有位于炉腔容积中的通过加热装置限定的损失容积，有用区域具有位于损失容积中的有用容积，并且炉腔具有由多个壁构成的环壁，所述环壁具有待打开的壁板部段，以便将待烧结的具有实物容积的构件放入容纳空间中。加热装置在炉腔中具有带辐射场热辐射器，其设置在容纳空间的至少一侧上。这个热辐射器具有0.1Ωmm2/m至1000000Ωmm2/m的比电阻并且具有最大是炉腔内表面积的3倍的总表面积。借助这个烧结炉，能够在1.5kW的最高功率消耗下在5分钟内达到至少1100℃的加热温度。

权利要求

1.一种用于烧结材料构件（15）的烧结炉（1），其包括带炉腔容积（VK）和炉腔内表面积（OK）的炉腔（2），其中在所述炉腔（2）中设置有加热装置（5）、容纳空间（9）以及有用区域（10），所述容纳空间具有位于所述炉腔容积（VK）中的通过所述加热装置（5）限定的毛容积（VB），所述有用区域具有位于所述毛容积（VB）中的有用容积（VN），并且其中所述炉腔（2）具有由多个壁板构成的环壁（3），所述环壁具有至少一个待打开的壁板部段（7），以便将待烧结的构件（15）放入所述容纳空间（9）中，其特征在于，所述炉腔（2）中的加热装置（5）包含至少一个热辐射器（6），所述热辐射器具有0.1Ωmm2/m至1000000Ωmm2/m的比电阻并且具有总表面积，所述总表面积最大是所述炉腔内表面积（OK）的3倍，且至少是所述炉腔内表面积（OK）的1.0倍。

2.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述烧结炉（1）的炉腔容积（VK）介于

50cm3与200cm3之间。

3.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述热辐射器（6）的最大总表面积为

400cm2。

4.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，物体容积（VO）最大为20 × 20 × 

40mm3。

5.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述热辐射器（6）能够以电阻方式或以电感方式加热。

6.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述加热装置（5）由石墨、MoSi2、SiC或玻璃碳构成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的烧结炉（1），其特征在于，所述环壁具有对于辐射场（13）来说不可穿透的和/或送还此辐射场的炉腔内壁。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的烧结炉（1），其特征在于，所述加热装置（5）的热辐射器（6）具有在20℃时至少是200K/min的有用范围中的加热率。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的烧结炉（1），其特征在于，所述有用容积（VN）最大为20×20×40mm3，并且所述有用容积（VN）的尺寸最高是20mm×20mm×40mm。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的烧结炉（1），其特征在于，所述热辐射器构成为坩埚（11）。

11.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述构件（15）是牙科构件。

12.根据权利要求1所述的烧结炉（1），其特征在于，所述构件（15）是陶瓷构件（16）。

13.根据权利要求7所述的烧结炉（1），其特征在于，所述炉腔内壁承载着反射层或构成为反射器。

说明书

用于烧结材料构件、尤其是用于牙科构件的烧结炉

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于烧结材料构件、尤其是用于牙科构件、尤其是用于陶瓷构件的烧结炉，其包括带炉腔容积和炉腔内表面积的炉腔，其中在此炉腔中设置有加热装置、容纳空间以及有用区域，所述容纳空间具有位于炉腔容积中的通过加热装置限定的损失容积，所述有用区域具有位于所述损失容积中的有用容积，并且其中所述炉腔具有由多个壁板构成的环壁，所述环壁具有在至少一个壁板中待打开的壁板部段，以便将待烧结的具有物体容积的构件放入容纳空间中。

背景技术

[0002] 对于烧结炉的构造来说，待烧结的材料是重要的。原则上对金属的或陶瓷的成型体进行烧结，它们已由粉末压成并且直接或在烧结工艺之后通过已通过铣削或研磨工艺进行再加工。所述材料决定了必要的温度曲线。构件的尺寸和量决定了炉子的结构尺寸，且同样决定了温度曲线。炉子越热，则隔热器的壁越厚。炉子、构件的结构尺寸以及期望的加热速度决定了加热系统和调节特性的设置。电力供应也在此发挥作用。尤其构造尺寸以及供使用的电力供应最终将用于实验室的牙科炉与工业烧结炉区分开来。

[0003] 热处理工艺、尤其是在使用烧结炉的情况下对由预烧结的陶瓷或金属构成的修补物进行的充分烧结典型地持续60分钟至多个小时。牙科修补物的制造工艺还需要预备步骤和后继步骤，并且由于单个步骤的时间需求而总是中断。因此，用于氧化锆的所谓高速烧结器需要最少60分钟。

[0004] 用于氧化锆的所谓超高速烧结器如今只需要最少15分钟的工艺进行时间。

[0005] 当然前提条件是，由于烧结炉的质量须将烧结炉预加热到预设的保持温度上，这根据可供使用的电源电压持续30至75分钟。此外，所述炉子在预加热之后还必须通过自动的装载顺序进行装载，因此能够维持特定的温度曲线并且必须将所述炉子冷却。

[0006] US 2012/0037610 A1揭示一种陶瓷焙烧炉，包括带内腔的壳体、设于壳体内部的加热元件以及数个供风单元。加热元件可沿着炉腔内表面设于绝缘材料上。加热元件可设于焙烧炉内部的整个壁面、底面或顶面上。

[0007] US 2013/0146580 A1揭示数个相对于电流源彼此串联连接的加热元件，其中电流源可切换，以便各加热元件依次连接电流源。

[0008] 由WO 2012/057829已知一种快速烧结陶瓷材料的方法。在第一实施方式中，水冷式铜管形成线圈，该线圈连接高频供电单元。

[0009] 线圈包围被称作接受器的热辐射器，待烧结的材料位于该热辐射器中。

[0010] 接受器被加热，其中经加热的接受器作为热辐射器将热量释放到待烧结的材料上。

[0011] 在第二实施方式中，将线圈与具有足够高的频率和功率的高频电源连接以产生等离子体，该等离子体继而为材料加热。

[0012] 但所述预先加热且随后的装载过程的缺点是，所述炉子、尤其是其隔热器以及其加热元件要承受高的热交变载荷，这会减少设备的使用寿命。

[0013] 因此本发明的目的在于，提供一种烧结炉，它能够相应地缩短制造时间，而不必对烧结炉进行预热和/或无需特殊的装载顺序。

发明内容

[0014] 上述目的通过一种用于烧结材料构件、尤其是用于牙科构件、尤其是用于陶瓷构件的烧结炉得以实现，其包括炉腔，所述炉腔具有炉腔容积和炉腔内表面积，并且在此炉腔中设置有加热装置、容纳空间以及有用区域。所述容纳空间具有位于炉腔容积中的通过加热装置限定的损失容积。

[0015] 所述有用区域具有有用容积并且位于容纳空间中。所述炉腔还具有由多个壁板构成的环壁，所述环壁具有至少一个待打开的壁板部段，以便将待烧结的构件放入容纳空间中。所述炉腔中的加热装置具有至少一个带辐射场的热辐射器，其设置在容纳空间的至少一侧上并且有用区域的有用容积设置在其辐射场中。待烧结的构件与辐射器之间的最大可能的间距最高相当于最大的有用容积的第二大尺寸。

[0016] 所述热辐射器具有0.1Ωmm2/m至1000000Ωmm2/m的比电阻并且具有总表面积，所述总表面积最大是炉腔内表面积的3倍，且至少是炉腔内表面积的1.0倍。

[0017] 该炉腔（也称为燃烧腔）构成容纳且加热待烧结构的部位，即烧结炉的内核。由炉腔包围的整个容积称为炉腔容积。保留在加热装置（其设置在炉腔中）之间的自由空间能够容纳着待烧结的构件，并因此称为容纳空间。所述容纳空间的容积基本上是由在加热装置和可能的炉腔壁板之间留下的净宽和高度产生，因此称为损失容积。

[0018] 称为有用区域的是烧结炉的一个区域，在此区域中烧结工艺所需的或所期望的温度借助加热装置达到。因此所述有用区域是指这样的区域，即在此区域中由热辐射器产生的辐射场具有烧结工艺所需的强度和/或均匀度，并且用于烧结的构件定位在此区域中。其中，所述构件具有物体容积。所述有用区域因此基本上由辐射场产生，或由加热装置的结构及其辐射特征产生，并且能够相应地小于损失容积。因此为了实现有效的烧结工艺，待烧结的物体的物体容积应最大具有有用容积的尺寸。另一方面，为了实现尽量有效且快速的烧结过程，有用容积的尺寸应最大具有待烧结的物体容积的预估上限的尺寸。

[0019] 所述热辐射器的总表面由面向有用容积的表面（即内侧）、面向炉腔的壁板的表面（即外侧）以及用于连接所述内侧与外侧的表面组成。因此，环形热辐射器的总表面是由内侧面、外侧面和两个端面组成。闭合空心圆柱形的热辐射器的总表面是由外表面和内表面组成。

[0020] 炉腔内表面由炉腔的壁板决定。圆柱形炉腔具有底部、顶盖和侧面，它们共同形成炉腔内表面。立方形炉腔的六个侧壁板形成炉腔内表面。

[0021] 在有利的改进方案中，为总表面积是炉腔内表面积的1.0倍至3倍的热辐射器提供一炉子，该炉子能够足够快速地加热所述构件。实践表明，超过1.3的比例特别有利，尽管在这样的比例下，热辐射器仅部分覆盖炉腔，却能实现有效加热。

[0022] 如果所述炉子应该用来烧结或加热不同尺寸的物体，例如用来烧结齿冠以及齿桥，则有利的是，加热装置的辐射器以可移动的方式构成，因此容纳空间的尺寸（即损失容积）以及尤其有用区域的尺寸（即有用容积）都能够与所述物体的尺寸相匹配。

[0023] 但所述有用容积也能够通过缩小有用区域来缩小，并且能够与物体尺寸相匹配。例如能够借助隔热的门附件来闭塞所述容纳空间的一部分。

[0024] 通过尽可能好地充分利用损失容积，即与损失容积相比使有用容积的尺寸尽可能更大，能够使在烧结工艺期间待加热的容积保持得尽可能小，因此能够实现快速的加热并尤其能够精简预热工艺。

[0025] 牙科物体典型地具有几毫米至几厘米的尺寸，因此在厘米范围内的有用容积相应地够用。对于待烧结的单个牙科修补物（例如齿冠或XX）为说，例如20×20×20mm3的有用容3
积就足够了。对于较大的牙科物体（例如齿桥）来说，20×20×40mm的有用容积（VN）就足够了。相应地，待烧结的构件与用于牙科烧结炉的辐射器之间的最大可能的间距例如限定或确保为20mm。

[0026] 有用容积与炉腔的炉腔容积之比有利的是1:50至1:1，与容纳空间的损失容积之比是1:20至1:1。

[0027] 有利的是，所述烧结炉的炉腔容积介于50cm3与200cm3之间。

[0028] 有利的是，所述辐射器且因而也是所述加热装置的总表面积约为400cm2。

[0029] 整体上加热的容积和质量越少，则炉腔或有用区域中就能越快达到期望的温度，3
并且能够成功地执行所述烧结工艺。炉腔的炉腔容积例如能够是60×60×45mm 并且损失容积还能够是25×35×60mm3。也就是说，相关容积的尺寸为60mm × 60mm × 45mm或25mm × 35mm × 60mm。

[0030] 有利的是，所述物体容积可最大为20 × 20 × 40mm3。在此情况下，尺寸为20mm × 20mm × 40mm。

[0031] 用于待烧结构件的有用容积与待烧结构件的物体容积之比可以是1500:1至1:1。

[0032] 有用区域的有用容积与待烧结构件的物体容积之间的区别越小，则越能以更高的能效且越快地执行所述构件的烧结过程。因此，由于尺寸的优化，借助这个烧结炉能够在1.5kW的最高功率消耗下在5分钟内达到至少1100℃的加热温度。

[0033] 有利的是，所述加热元件或所述热辐射器能够以电阻方式或以电感方式加热。

[0034] 电感加热元件或电阻加热元件对于烧结炉的构成热辐射器的加热元件来说是简单的实施方案。

[0035] 有利的是，所述加热装置的热辐射器由石墨、MoSi2、SiC或玻璃碳构成，因为这些材料具有处于0.1Ωmm2/m至1000000Ωmm2/m范围的比电阻。

[0036] 有利的是，所述环壁具有对于辐射场来说不可穿透和/或送还此辐射场的炉腔内壁，其尤其承载着反射层或构成为反射器。

[0037] 通过反射层，能够提高有用区域中（即有用容积内部）的热辐射器的辐射场的强度。如果所述热辐射器只设置在容纳空间的一侧上，则能够借助例如相对而置的反射层或相对而置的反射器在有用区域中达到更均匀的和/或强度增强的辐射场。

[0038] 有利的是，加热装置具有加热元件作为热辐射器，其在有用区域中的加热率在20℃时至少是200K/min。

[0039] 有利的是，所述有用容积可最大为20×20×40mm3，并且所述有用容积的尺寸最高是20mm × 20mm × 40mm。

[0040] 根据改进方案，所述热辐射器可构成为坩埚。

附图说明

[0041] 借助附图阐述了本发明。其中：

[0042] 图1示出了按本发明的用于烧结材料构件、尤其是牙科构件的烧结炉的一部分；

[0043] 图2A、B示出了能以电感方式加热的加热装置，其具有由坩埚和线圈构成的热辐射器；

[0044] 图3示出了板状的能以电感方式加热的热辐射器，其具有集成的线圈；

[0045] 图4A、B示出了能以电阻方式加热的加热装置，其具有由棒状加热元件构成的热辐射器；

[0046] 图5示出了电阻加热元件的加热螺纹线；

[0047] 图6示出了由加热螺旋线和反射器构成的热辐射器；

[0048] 图7示出了由U形加热元件构成的热辐射器；

[0049] 图8示出了由扁平加热元件构成的热辐射器；

[0050] 图9-16示出了热辐射器和有用容积在炉腔中的各种布局。

具体实施方式

[0051] 图1示出了烧结炉1的一部分，其具有带炉腔容积VK的炉腔2，其壁板3设置有隔热器4，以便将热的炉腔2与周围环境分隔开来。其中，炉腔容积VK介于50cm3与200cm3之间。为了加热炉腔2，在炉腔2中设置有加热装置5，此加热装置具有两个热辐射器6。炉腔2具有待打开的壁板部段7，用来把待烧结的构件15装入炉腔2中，该壁板部段在此是下方的壁板部段、即炉腔2的底部。待烧结的构件15具有至少为10×10×10mm3的体积。构件15的最大尺寸为20×20×40mm3。

[0052] 该底部7同样具有隔热器4，用于待烧结构件15的垫板8摆放在此隔热器上，此热板也称为底垫8。但作为底垫8，也可考虑夹板或坩埚，或考虑由陶瓷或高熔点的鍐金属构成的竖直放置的销钉，构件15摆放在此销钉上。

[0053] 通过此加热装置5或热辐射器6（其在图1中示例性地设置在炉腔2的两侧上），在炉腔2的内部产生了比炉腔容积VK更小的自由容积，其在图1中用虚线标出并且称为损失容积VB。此损失容积VB占据的空间是容纳空间，待烧结的物体15能够放入该容纳空间中。其中，加热装置5具有总表面积，其最大是炉腔内表面积OK的2.5倍。其中，加热装置5的总表面积不超过400cm2。加热装置5的材料具有0.1Ωmm2/m至1000000Ωmm2/m的比电阻，其中加热装置5例如可由石墨、MoSi2、SiC或玻璃碳构成。

[0054] 借助加热装置5的辐射器6实现了容纳空间9的加热，其中足够强烈地且均匀地对容纳空间9的损失容积VB的至少一部分进行加热。此区域称为有用区域10，且此容积称为有用容积VN。此有用区域10在图1中用虚线示意性地示出，并且有用区域10的第二大尺寸用y标出。有用区域10的尺寸和位置基本上通过辐射特征（即辐射场13）以及辐射器6的布局来确定，其中通过辐射器6的布局在容纳空间9的至少一侧上确保，所述有空区域10位于容纳腔9的内部。

[0055] 例如能够以电阻方式或以电感方式来加热待烧结的物体15。图2A和2B例如示出了作为加热装置5的以电感方式加热的热辐射器6。该热辐射器6构成为例如由石墨、MoSi2、SiC或玻璃碳构成的坩埚11，其具有至少一个环绕的用来以电感方式加热的线圈12，其中通过箭头来标明坩埚11的辐射（即热辐射13）。在此实施例中，容纳空间9通过坩埚的内部空间构成。有用区域10同样位于坩埚11的内部空间中，其中有用区域10的有用容积VN与容纳空间的损失容积VB之比为9.1:1。

[0056] 尽管图2A中未示出，但可以设置甑，例如钟形玻璃罩，其设于坩埚中并包围构件15。

[0057] 待烧结的构件15在坩埚11的内部空间中设置在与有用区域13一致的容纳空间9中。所述物体朝热辐射器6（在此是朝坩埚11）的间距称为d。

[0058] 图3示出了由两个板状元件构成的热辐射器6，其借助集成的线圈12加热。所述容纳空间9相应地位于两个板状元件之间。在图3中还借助线示出了热辐射器6的辐射场13。相应地产生了设置在容纳空间9中的有用区域10，其覆盖了高强度的辐射场13的尽可能均匀的区域。

[0059] 图4A和图4B中所示的热辐射器6由三个或四个棒状的电阻加热元件14构成。

[0060] 在图5至8中示出了电阻热辐射器6的其它方案和布局。图5所示的热辐射器6构成为加热螺旋线16，其中容纳空间9和有用区域10构成为圆柱形并且设置在加热螺旋线的内部。在图6中热辐射器6是加热辐射器（在此是加热螺旋线16）和反射器17的构成的组合，其中容纳空间9和有用区域10位于加热螺旋线16和反射器17之间。图7示出了由两个U形加热元件18构成的热辐射器，其具有设置在两个U形加热元件18之间的容纳空间9。图8示出了由两个扁平加热元件19构成的热辐射器6。

[0061] 它们典型地具有平面的辐射，因此有用区域占据了位于扁平加热元件19之间的容纳空间的尤其大的部分。

[0062] 借助本发明的烧结炉1，能够在1.5kW的最高功率消耗下在5分钟内达到至少1100℃的加热温度。

[0063] 辐射器表面积与炉腔内表面的表面积之比最大为2.5。规定这个值时的出发点是，炉腔内表面积也与有用容积的表面积相当。考虑这个最大比例时大体是以图2A中的坩埚的侧面所形成的环形热辐射器为基础。

[0064] 当采用如图4a、图4b、图7所示的棒状热辐射器作为实施方式时，得出的结果是，这些热辐射器的表面积可以小于炉腔的表面积或者小于有用容积的表面积。在以棒状元件为热辐射器的炉子结构中，炉腔内表面积远大于有用容积，这使得表面积之比几乎趋近于零。如果选择有用容积的表面积，则得出辐射器表面积与有用容积的表面积的最小合理比例为
0.4。

[0065] 有用容积被定义为界限，在此界限内能够实现可靠的燃烧过程。有用容积具有例如可通过长度、宽度和高度（1 × b × h）加以规定的几何尺寸。如果增大有用容积的尺寸，与热辐射器的总表面积的规定比例就会变小。然而，这样一个炉子只能以较小的功率持久运行。

[0066] 热辐射器的尺寸也可以超越炉腔的限制，以便例如超过2.5这一比例。比例上限为3，这有助于在附加的技术经济投入与本发明的优点之间取得有效平衡。下限为1，这从功率角度将具有较小的热辐射器的炉子排除在本发明范围以外。

[0067] 图9-16示出热辐射器和有用容积在炉腔中的各种布局。图9示出具有炉腔22的炉子21的结构示意图，该炉腔向下至少部分地由内门石和外门石23、24（亦称上门石和下门石）限定。所述门石被炉腔的下方壁板部段侧向包围，在本例中，该壁板部段由多部分组成，即包含三层。

[0068] 在下方壁板部段25上装有设于炉腔22中的环形热辐射器26，该热辐射器又被环形的隔热的壁板部段27包围。为清楚起见，位于外围的用于以电感方式为热辐射器26加热的线圈未在图中示出。

[0069] 在环形壁板部段27上方，炉腔22由上方壁板部段27限定，该壁板部段与下方壁板部段25一样采用多层配置。热电偶29穿过上方壁板部段28伸入炉腔22，其中也有一小段伸入被热辐射器26包围的内部空间30，并且以此方式限定设于内部空间30中的有用容积31，因为设于门石23上的、图中未示出的构件不得与热电偶30发生接触。

[0070] 炉腔22的表面在此由壁板部段27面向炉腔的表面以及门石23的顶面和上方壁板部段28的底面组成。热电偶周围的环形空间以及第一门元件与下方壁板元件之间的间隙忽略不计。

[0071] 图10A详细示出图9中经限定的有用区域31相对于辐射器26的布局，以便将此布局与图10B中示出的有用区域31进行对比。即使热辐射器的总表面积与有用容积的表面积之比从图10A向图10B发生下降，热辐射器与炉腔的总表面积之比也不改变。

[0072] 图11示出热辐射器26，其进一步还具有底部32和顶盖33，如此一来，热辐射器26的总表面积较之图9中的热辐射器26的总表面积变大了。有用容积31与图10B中的有用容积相当。

[0073] 在图12中，有用容积31由于隔热的壁板部段34、35而变小，其中热辐射器自身相对于图9和图10A、图10B保持不变。由此，炉腔的表面积也变小，并且热辐射器与炉腔的总表面积之比变大。

[0074] 图13示出具有炉腔42的炉子41，该炉腔上下均超出热辐射器43的内部空间31并延伸至上方壁板部段和下方壁板部段28、25，从而使得有用区域变大。如此一来，热辐射器与炉腔的总表面积之比下降。

[0075] 在图14中，上方壁板部段和下方壁板部段28’、25’不再具有与热辐射器43相同的内径，这使得有用区域较之图13中的有用区域进一步变小。热辐射器的总表面积保持不变，但炉腔的表面积较之图13中的炉腔表面积有所减小。

[0076] 在图15中，数个圆柱形的热辐射器52（此处示出4个热辐射器）彼此相隔一定距离地成对布置在规定的炉腔51中，这些热辐射器是沿进入绘图平面的方向延伸。有用区域位于一对辐射器之间。与图9-14中的布局相比，热辐射器52的总表面积与炉腔51的表面积之比变小了。

[0077] 这一点也适用于以下情形：在炉腔61中使用长条形的平面加热元件62以代替圆柱形的热辐射器，参见图16所示。

[0078] 图15和图16中的热辐射器也可以是通电时因电阻而发热的电阻式辐射器。