JP4530896B2

JP4530896B2 - 真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータ

Info

Publication number: JP4530896B2
Application number: JP2005100880A
Authority: JP
Inventors: 英孝清水; 和彦河村
Original assignee: Noritake Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Noritake Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006286222A

Description

本発明は、真空加熱炉内において用いられる真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータに関するものである。

真空加熱炉内において被加熱物を加熱するために一面から遠赤外線をその被加熱物に向かって放射してする板状のプレート型遠赤外線ヒータが知られている。たとえば、特許文献１に記載された板状加熱装置（２２）がそれである。このような板状加熱装置を備えた真空加熱炉によれば、支持体により支持された複数枚の基板の相互間にその基板と平行になるように複数枚の板状加熱装置が設けられており、それら複数枚の板状加熱装置においてそれぞれの温度が同等になるように温度制御が行われると、炉体内に形成された高真空空間内における板状加熱装置からの遠赤外線の放射により、熱の伝導や対流を用いないで、１バッチにおいて複数枚の基板に対して均一な加熱処理が同時に施される。
特開２００４−３７０４４号公報

通常、上記の板状加熱装置は、ステンレス鋼或いはアルミニウム合金製の金属板と、その金属板内に埋設された棒状ヒータと、その金属板の表面に固着された遠赤外線放射層とを備えており、その棒状ヒータによる加熱温度に応じたエネルギの遠赤外線が金属板の表面の遠赤外線放射層から放射されるようになっている。

ところで、上記従来の真空加熱炉では、１バッチにおいて収容可能な基板の数を可及的に増加させることが要求されることから、板状加熱装置を薄く構成することが望まれるとともに、たとえば３００〜４５０℃程度の比較的高温での比較的高い均一加熱性能が要求される場合がある。このような場合では、均一加熱性能を高めるために熱伝導率の高いアルミニウム系の金属を使用せざるを得ないが、そのような比較的高温で使用すると、その金属の軟化とその金属の板厚を薄くすることと相まって板状加熱装置の変形が発生するという問題があった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、板厚を薄く構成でき、しかも比較的高温においても変形なく均一加熱可能な真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータを提供することにある。

斯かる目的を達成するための請求項１に係る発明は、真空加熱炉内において用いられる真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータであって、(a) 一面に遠赤外線放射膜が固着され且つ棒状ヒータが埋設された所定厚みを有するアルミニウム製のヒータ本体と、(b) そのヒータ本体の他面に配設され、そのヒータ本体よりも高強度の材料から成る補強板と、(c) その補強板と前記ヒータ本体とを、相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で固定する固定装置と、(d) 前記ヒータ本体には長手方向に貫通して形成された複数本の貫通穴と、(e) その複数本の貫通穴の両端部にそれぞれ接続された第１空冷配管および第２空冷配管と、(f) 被加熱物が熱処理温度から冷却される冷却区間において、その第１空冷配管および第２空冷配管の一方へ冷却空気を供給すると同時に他方の空気を排気する第１位置と、その第１空冷配管および第２空冷配管の他方へ冷却空気を供給すると同時に一方の空気を排気する第２位置とに交互に切り換えられる切換弁装置とを、含むことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータは、そのヒータ本体が純アルミニウム製であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータは、前記棒状ヒータが、金属製の外筒と、その外筒内において絶縁性粉体により支持された発熱体と、一端部が外筒内に差し入れられてその発熱体と接続され、他端部がその外筒から突き出された接続端子と、その接続端子の外周面と前記外筒の内周面との間に固着されてその外筒内を気密に封止する封止材とを備えたものであることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータは、その棒状ヒータの発熱体が、前記外筒の中央部から端部へ向かうほど捲線密度が高くなるように配設された捲線型線材であることを特徴とする。

請求項１に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータによれば、(a) 一面に遠赤外線放射膜が固着され且つ棒状ヒータが埋設された所定厚みを有するアルミニウム製のヒータ本体は、固定装置によって相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で補強板に固定され、(b) 前記ヒータ本体には長手方向に貫通して形成された複数本の貫通穴と、(c) その複数本の貫通穴の両端部にそれぞれ接続された第１空冷配管および第２空冷配管と、(d) 被加熱物が熱処理温度から冷却される冷却区間において、その第１空冷配管および第２空冷配管の一方へ冷却空気を供給すると同時に他方の空気を排気する第１位置と、その第１空冷配管および第２空冷配管の他方へ冷却空気を供給すると同時に一方の空気を排気する第２位置とに交互に切り換えられる切換弁装置とを、含むことから、ヒータ本体の厚みを薄くしても全体としての強度が高くされるので、比較的高温においても変形なく均一加熱可能な真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータが得られる。また、上記冷却区間におけるプレート型遠赤外線ヒータ内の温度が均一とされる。

また、請求項２に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータによれば、そのヒータ本体が純アルミニウム製であることから、真空加熱炉内の比較的高真空下においてもヒータ本体からのガスの発生が抑制され、真空加熱品質が高められる。

また、請求項３に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータは、その棒状ヒータが、金属製の外筒と、その外筒内において絶縁性粉体により支持された発熱体と、一端部が外筒内に差し入れられてその発熱体と接続され、他端部がその外筒から突き出された接続端子と、その接続端子の外周面と前記外筒の内周面との間に固着されてその外筒内を気密に封止する封止材とを備えたものであることから、真空加熱炉内の比較的高真空下において酸化マグネシウム等の絶縁性粉体から発生するガスが封止材によって外筒内に封止されるので、真空加熱品質が高められる。

また、請求項４に係る発明の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータは、その棒状ヒータの発熱体が、前記外筒の中央部から端部へ向かうほど捲線密度が高くなるように配設された捲線型線材であることから、ヒータ内或いは表面における温度が一層均一化されるので、均一加熱性能が高められる。

ここで、好適には、前記ヒータ本体を相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で補強板に固定する固定装置は、ヒータ本体と補強板との密着状態を保持しつつそれらの面方向の相対移動可能に支持するものであればよく、たとえばボルトやリベットをヒータ本体および補強板の一方を通して他方に固定することにより相互の離隔を防止し、且つそのボルトやリベットがそのヒータ本体および補強板の一方と面方向の相対移動を許容する長孔や係合溝などを設けてもよい。

また、前記補強板は、耐熱且つ高強度金属材料であればよく、良く知られたステンレス鋼板だけでなく、高強度セラミックス板であってもよい。

また、前記ヒータ本体の一面に固着された遠赤外線放射膜は、よく知られた遠赤外線放射材料たとえば無機粉体がガラス等の結合剤によって結合されたものである。その遠赤外線放射材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ベリリア（ＢｅＯ_２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）などのII〜IV族の金属酸化物セラミックス、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）等などのII〜VIII族の金属酸化物セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）などの非酸化物セラミックス、およびそれらの混合物等が好適に用いられる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例のプレート型遠赤外線ヒータ１０を備えた真空加熱炉１２の構成を説明する正面断面図である。図１において、真空加熱炉１２は、図示しない真空ポンプによって真空状態とされる真空加熱空間１４を内部に形成するための炉壁１６と、その炉壁１６内に収容され、電動シリンダ等の昇降装置１８によって昇降させられる昇降棚２０とを備えている。昇降棚２０は、対を成す支持壁２２と、その支持壁２２の間に架け渡された複数段（本実施例では６段）の棚板２４と、その昇降棚２０を挟むように配置されかつ両端部が支持壁２２に支持された複数枚のプレート型遠赤外線ヒータ１０とを備えている。棚板２４の上には、小面積で支持する支持部材２６を介して基板２８が支持されており、その基板２８に対向して位置するプレート型遠赤外線ヒータ１０からの遠赤外線によって基板２８が加熱されるようになっている。

上記基板２８は、液晶表示板（ＬＣＤ）、プラズマ表示板（ＰＤＰ）、有機ＥＬ表示板等の平面型表示板に用いられるガラス製基板であり、高密度配線等をその表面に所定のパターンで配設するために、印刷などにより所定パターンで塗布された配線材料などが、上記真空加熱炉１２内での真空下の熱処理によって固着される。この熱処理は、たとえば図２のヒートカーブに示されるものであり、予め設定された所定の速度で熱処理温度たとえば４４０±５℃まで昇温され、その熱処理温度で所定時間たとえば１２０分程度保持された後、予め設定された所定の速度で冷却される。このとき、歪みを防止するために、基板２８の寸法が大きくなるほど基板２８の各部における温度が数℃以内の均一温度であることが重要視される。図２は、１つの基板２８内における最低温度を示す線と最高温度を示す線とが示されており、基板２８の各部の温度はその幅内である。

図３は上記プレート型遠赤外線ヒータ１０をその放射面側から示す正面図であり、図４は図３のIV−IV視断面図であり、図５は図３のＶ−Ｖ視断面図である。これら図３乃至図５に示すように、上記プレート型遠赤外線ヒータ１０は、一面に遠赤外線放射膜３０が固着され且つ棒状ヒータ３２が埋設された所定厚みたとえば１５ｍｍ程度の厚みを有する矩形板状の純アルミニウム製のヒータ本体３４と、そのヒータ本体３４の他面に配設され、そのヒータ本体３４よりも高強度の材料たとえばステンレス鋼板から成り、所定厚みたとえば５ｍｍ程度の厚みを有する矩形板状の補強板３６と、その補強板３６とヒータ本体３４とを、相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で固定する固定装置３８とを備えている。図１に示すように、プレート型遠赤外線ヒータ１０は、補強板３６が下側にヒータ本体３４が上側に位置する状態で、その両端部が支持壁２２に支持されており、基板２８にはその下側から遠赤外線が放射されるようになっている。

上記遠赤外線放射膜３０は、II〜IV族の金属酸化物セラミックス、II〜VIII族の金属酸化物セラミックス、非酸化物セラミックス、およびそれらの混合物等のよく知られた遠赤外線放射材料すなわち無機粉体がガラス等の結合剤の溶融によって或いは溶射によって、ヒータ本体３４の一面すなわち表面に結合されたものである。したがって、ヒータ本体３４の裏面にそのヒータ本体３４を補強する補強板３６が取付けられている。

前記棒状ヒータ３２は、断面円形の長手状であって、ヒータ本体３４にその長手方向に設けられた貫通穴３７内を貫通させられてその両端部が露出させられている。図６に詳しく示すように、棒状ヒータ３２は、金属製の外筒４０と、その外筒４０内において酸化マグネシウム等の絶縁性粉体４１により外筒４０に対して電気的な絶縁状態で支持された螺旋状に巻回された発熱体４２と、一端部が外筒内に差し入れられてその発熱体４２の端部と接続され、他端部がその外筒４０から突き出された接続端子４４と、その接続端子４４の外周面とその外筒４０の内周面との間に固着されて外筒４４内を気密に封止する封止材４６と、接続端子４４と外筒４０との間を絶縁するための碍子４８とを備えたものである。上記封止材４６はたとえば熱膨張率が調整された封着ガラスが溶融されたものである。また、上記接続端子４４の露出側端部には複数のナット５０、５２、５４が螺合されており、駆動電流を供給するバス５６がナット５０、５２、５４によって固定されている。なお、リング５８は、棒状ヒータ３２の長手方向の移動を阻止するために固定されたものである。

前記発熱体４２は、たとえば螺旋状に巻回されたニクロム線であり、図７に詳しく示すように、外筒４０の中央部から端部へ向かうほど捲線密度が高くなるように配設されたものである。これにより、温度が中央部よりも相対的に低下する傾向があるヒータ本体３４の端縁部にその中央部よりも高い熱エネルギが付与されてそのヒータ本体３４の温度分布が均一とされるようになっている。

図４および図５に戻って、固定装置３８は、ヒータ本体３４において厚み方向に貫通して設けられた２種類の取付穴６０および６２と、それらの取付穴６０および６２を通して補強板３６にそれぞれ螺合された複数本のボルト６４と、そのボルト６４の締め込み位置を決定するためにそのボルト６４に嵌装された円管状のカラー６６とを備えている。この円管状のカラー６６は、上記ヒータ本体３４の厚みよりも僅かに短い長さを備えており、ボルト６４の締め付け状態では、ヒータ本体３４と補強板３６とが熱膨張差に起因する面方向の相対移動可能な所定の面圧で密着させられるようになっている。上記取付穴６０および取付穴６２はヒータ本体３４の長手方向に離隔して配設されており、取付穴６０が断面円形であるのに対し、取付穴６２は断面長円形（長穴）とされ、その取付穴６２内壁面とボルト６４との間の空間６８により、熱膨張差に起因する面方向の相対移動が許容されるようになっている。

図４および図８に示すように、ヒータ本体３４に設けられた複数本の貫通穴３７のうちの１本置きに棒状ヒータ３２が嵌め入れられており、棒状ヒータ３２が嵌め入れられていない貫通穴３７は冷却空気を通すために利用されている。図８では棒状ヒータ３２が省略されている。図８に詳しく示すように、ヒータ本体３４を長手方向に貫通する複数本の貫通穴３７のうち棒状ヒータ３２が嵌め入れられていないものの両端部には、第１空冷配管７０および第２空冷配管７２がそれぞれ接続されている。この第１空冷配管７０および第２空冷配管７２は、切換弁装置７４の第１出力ポート７６および第２出力ポート７８にそれぞれ接続されている。真空加熱炉１２において基板２８が熱処理温度から冷却される冷却区間において一定の変化速度で温度が低下させられるように、図示しない温度制御装置によって冷却空気量が制御されるとともに、上記切換弁装置７４は、冷却空気供給源８０から供給される冷却空気を第１空冷配管７０に供給すると同時に第２空冷配管７２内の空気を排気する図８に示す第１位置と、冷却空気供給源８０から供給される冷却空気を第２空冷配管７２に供給すると同時に第１空冷配管７０内の空気を排気する第２位置とに所定の周期で交互に位置させられ、上記冷却区間におけるプレート型遠赤外線ヒータ１０内の温度分布が均一とされるようになっている。

上述のように、本実施例によれば、真空加熱炉１２用のプレート型遠赤外線ヒータ１０によれば、一面に遠赤外線放射膜３０が固着され且つ棒状ヒータ３２が埋設された所定厚みを有するアルミニウム製のヒータ本体３４は、固定装置３８によって相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で補強板３６に固定されることから、ヒータ本体３４の厚みを薄くしても全体としての強度が高くされるので、比較的高温においても変形なく均一加熱が可能となる。

また、本実施例のプレート型遠赤外線ヒータ１０によれば、そのヒータ本体３４が純アルミニウム製であることから、真空加熱炉１２内の比較的高真空下においてもヒータ本体３４からのガスの発生が抑制され、真空加熱品質が高められる。

また、本実施例のプレート型遠赤外線ヒータ１０は、その棒状ヒータ３２が、金属製の外筒４０と、その外筒４０内において絶縁性粉体４１により支持された発熱体４２と、一端部が外筒内に差し入れられてその発熱体４２と接続され、他端部がその外筒から突き出された接続端子４４と、その接続端子４４の外周面と外筒の内周面との間に固着されてその外筒内を気密に封止する封止材４６とを備えたものであることから、真空加熱炉１２内の比較的高真空下において酸化マグネシウム等の絶縁性粉体４１から発生するガスが封止材によって外筒内に封止されるので、真空加熱品質が高められる。

また、本実施例のプレート型遠赤外線ヒータ１０は、その棒状ヒータ３２の発熱体が、前記外筒の中央部から端部へ向かうほど捲線密度が高くなるように配設された捲線型線材（ニクロム線）であることから、プレート型遠赤外線ヒータ１０内或いは表面における温度が一層均一化されるので、均一加熱性能が高められる。

また、本実施例のプレート型遠赤外線ヒータ１０は、補強板３６が下側にヒータ本体３４が上側に位置する状態で、その両端部が支持壁２２に支持されており、基板２８にはその下側から遠赤外線が放射されるようになっているので、ヒータ本体３４が軟化したとしても、ヒータ本体３４と補強板３６との間の隙間の発生等が好適に防止される。

また、本実施例の真空加熱炉１２において基板２８が熱処理温度から冷却される冷却区間において一定の変化速度で温度が低下させられるように、図示しない温度制御装置によって冷却空気量が制御されるとともに、上記切換弁装置７４は、冷却空気供給源８０から供給される冷却空気を第１空冷配管７０に供給すると同時に第２空冷配管７２内の空気を排気する図８に示す第１位置と、冷却空気供給源８０から供給される冷却空気を第２空冷配管７２に供給すると同時に第１空冷配管７０内の空気を排気する第２位置とに所定の周期で交互に位置させられるので、ヒータ本体３４の貫通穴３７内では所定の周期で冷却空気が双方向に流され、上記冷却区間におけるプレート型遠赤外線ヒータ１０内の温度分布が均一とされる。

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施できる。

たとえば、ヒータ本体３４およびそれに埋設された棒状ヒータ３２の形状は、真空加熱炉１２の形状、基板２８の形状等によって種々異なる形状とされることができる。

また、前述のプレート型遠赤外線ヒータ１０は、ヒータ本体３４が上側に補強板３６が下側に位置する状態でその両端部が支持壁２２により支持されるものであったが、必ずしもそのような支持構造でなくてもよく、ヒータ本体３４が下側に補強板３６が上側に位置する状態で配置されたり、或いはプレート型遠赤外線ヒータ１０の中央部が支持されても差し支えない。

また、前述のプレート型遠赤外線ヒータ１０は、ヒータ本体３４とそれを裏面から支持する補強板３６から構成された２層構造であったが、補強板３６の両面にヒータ本体３４が取付けられた３層構造であってもよい。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において、当業者の知識により範囲で種々変更を加え得るものである。

本発明の一実施例のプレート型遠赤外線ヒータを備えた真空加熱炉の構成を説明する正面断面図である。図１の真空加熱炉で基板が加熱されたときのヒートカーブの一例を示す図である。図１のプレート型遠赤外線ヒータを示す正面図である。図１のプレート型遠赤外線ヒータの構成を説明するための図３のIV−IV視断面図である。図１のプレート型遠赤外線ヒータの構成を説明するための図３のＶ−Ｖ視断面図である。図１のプレート型遠赤外線ヒータに用いられる棒状ヒータの構成を説明するために、そのプレート型遠赤外線ヒータに取付られた状態で切り欠いた要部断面図である。図１のプレート型遠赤外線ヒータに用いられる棒状ヒータ内の発熱体の捲線状態を示す断面図である。図１の真空加熱炉における基板の冷却区間において所定の速度で冷却しかつ温度分布を均一とするために、プレート型遠赤外線ヒータに備えられた空冷装置の構成を概略説明する図である。

符号の説明

１０：プレート型遠赤外線ヒータ
１２：真空加熱炉
３２：棒状ヒータ
３４：ヒータ本体
３６：補強板
３８：固定装置
４０：外筒
４２：発熱体
４４：接続端子
４６：封止材

Claims

真空加熱炉内において用いられる真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータであって、
一面に遠赤外線放射膜が固着され且つ棒状ヒータが埋設された所定厚みを有するアルミニウム製のヒータ本体と、
該ヒータ本体の他面に配設され、該ヒータ本体よりも高強度の材料から成る補強板と、
該補強板と前記ヒータ本体とを、相互の熱膨張差に起因する面方向のずれを許容しつつ相互に密接状態で固定する固定装置と、
前記ヒータ本体には長手方向に貫通して形成された複数本の貫通穴と、
該複数本の貫通穴の両端部にそれぞれ接続された第１空冷配管および第２空冷配管と、
被加熱物が熱処理温度から冷却される冷却区間において、該第１空冷配管および第２空冷配管の一方へ冷却空気を供給すると同時に他方の空気を排気する第１位置と、該第１空冷配管および第２空冷配管の他方へ冷却空気を供給すると同時に一方の空気を排気する第２位置とに交互に切り換えられる切換弁装置と
を、含むことを特徴とする真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータ。
前記ヒータ本体は、純アルミニウム製である請求項１の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータ。
前記棒状ヒータは、金属製の外筒と、該外筒内において絶縁性粉体により支持された発熱体と、一端部が外筒内に差し入れられて該発熱体と接続され、他端部が該外筒から突き出された接続端子と、該接続端子の外周面と前記外筒の内周面との間に固着されて該外筒内を気密に封止する封止材とを備えたものである請求項１または２の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータ。
前記発熱体は、前記外筒の中央部から端部へ向かうほど捲線密度が高くなるように配設された捲線型線材である請求項３の真空加熱炉用プレート型遠赤外線ヒータ。