CN102860122A - 涂层干燥炉 - Google Patents

Abstract

本发明是一种涂层干燥炉，使如锂离子电池用电极涂层这样的涂层在炉体内部移动的同时干燥，该涂层具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱并具有氢键。配置于炉体（10）内部的红外线加热器（11）具有以如下方式形成结构：灯丝（12）外周被作为低通滤波器而发挥作用的管（13、14）以同心圆状包覆，并且在这些多个管之间（16）形成流体流道。由此，抑制炉内温度的上升并防止有机溶剂蒸汽的爆炸，同时向工件集中辐射具有优异的切断分子间氢键能力的3.5μm以的下近红外线，从而更有效地对涂层进行加热干燥。

Description

涂层干燥炉

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子电池用电极涂层或太阳能发电用电极涂层等涂层的连续干燥的涂层干燥炉。

背景技术

在锂离子电池用电极涂层或太阳能发电用电极涂层等制造工艺中，对薄板表面形成有涂层的工件进行加热干燥时，如图1所示，有如下干燥方法：在炉体10的内部移动工件的同时，进行通过配置于炉内的多个红外线加热器50的红外线加热或热风加热。作为用于这种炉的红外线加热器50，如图2所示，广泛采用在位于中心的灯丝51的周围配置保护管52的结构（专利文献1）。此外53为灯丝51的支撑体。

如上所述的涂层成分含有在分子间具有氢键的水或有机溶剂等。因此，为提高涂层干燥炉的生产率，需从红外线加热器50向炉内辐射更多热量，并迅速蒸发工件所含有的水或有机溶剂。

当使用图2所示的加热器时，现有技术普遍采用通过提高红外线加热器50的灯丝51的温度来增加辐射能的方法。已知如果灯丝51的温度升高，则如图3所示，发射光谱的峰值移向短波长侧，尤其是将灯丝51的温度设为700℃以上时，发射光谱的主波长在近红外线区域3.5μm以下。该近红外线具有优异的对阻碍蒸发的分子间的氢键进行切断的能力，并且提高红外线加热器50的灯丝51温度对这一点而言很有效。此外，在本说明书中，将波长3.5μm以下的区域称为近红外线区域。

然而，如果提高红外线加热器50的灯丝温度，则缠绕其周围的保护管52的温度也逐渐上升，由此保护管52本身成为辐射体而辐射红外线。例如，假设保护管52的温度为300℃，则如图3所示，通过向炉内辐射主波长为5μm的红外线，能够加热工件和炉壁。不过，在该条件下，作为目标的3.5μm以下的近红外线区域的辐射能是很微小的量。因此，无法切断所述的氢键。如果欲增大该3.5μm以下的辐射能，则远红外区域的辐射能也会增加，由此将过度加热工件或炉壁。另外，还有可能超过已蒸发的有机溶剂的燃点，导致爆炸事故的发生。

此外，在专利文献2-专利文献4中公开了用于加热流体的红外线加热器。专利文献2中的加热器为卤素加热器，其插入于透明石英管的中心。该透明石英管形成有应加热气体的导入口和喷出口，加热流动于其中的气体。另外，专利文献3中公开了如下红外线部件：将硅玻璃管内部密封有钨加热器的辐射管安装在由硅玻璃构成的冷却管内部，使应加热的液体或者气体流动在辐射管和冷却管之间形成的通路的同时对其进行加热。而且，专利文献4公开了如下液体加热器：将密封有卤素灯的第二中空管安装在具有流体的流入部和流出部的第一中空管的内部，并加热第一中空管内的流体。但是，其中的任意一种都是用于加热流动于加热器周围流道的流体的加热器，并不是用于加热炉内工件的加热器。

除此之外，在专利文献5中公开了如下加热炉：在炉体中心设置石英保护管并在其中放入加热对象物，通过配置于其周围的四个红外线加热器加热至2000℃左右的高温。并且，为防止包覆加热器外面的保护管软化变形而使用冷却空气。然而，该专利文献5也是用于加热石英保护管内容物的加热器，并不是用于加热炉内工件的，而且其温度区域也完全不同。

进一步，在专利文献6中公开了一种将双层管式加热器配置于反应室内的气相生长装置。该双层管式加热器通过对外侧管和内侧管之间进行空气冷却来降低表面温度，由此防止加热器表面的反应物的不必要的堆积，并缓和构成外侧管的石英玻璃的热应力。但是，在该文献中公开的是间歇式气相生长装置并不是对具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱且具有氢键的水或有机溶剂等的涂层进行连续干燥的炉。另外，在该气相生长装置中，间接水冷该炉内壁，能量消耗非常大，尤其是对大型连续炉而言不经济。如上所述，在申请人调查的现有技术文献中并没有公开在抑制炉内温度上升的同时能有效地干燥具有氢键的涂层的技术。

现有技术文献：

专利文献

专利文献1:特开2006－294337号公报

专利文献2:特开平8－35724号公报

专利文献3:特开2004－273453号公报

专利文献4:专利第2583159号公报

专利文献5:特开昭58－102482号公报

专利文献6:特开昭62－97324号公报

发明内容

由此，本发明的目的在于提供一种解决上述现有问题，且能够抑制炉内温度的上升，并对工件集中辐射具有优异的切断分子间氢键能力的近红外线，从而能够对涂层有效而连续地进行加热干燥的涂层干燥炉。

解决课题的方法

为解决上述课题的本发明是一种涂层干燥炉，其使具有氢键的涂层在炉体内部移动的同时干燥，并且所述涂层具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱，所述涂层干燥炉特征在于，在炉体内部具备红外线加热器，其中所述红外线加热器具有以如下方式形成的结构:灯丝外周被作为低通滤波器而发挥作用的管以同心圆状包覆，并且在这些多个管之间形成流体流道。此外，具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱并具有氢键的涂层，例如为锂离子电池用电极涂层或者太阳能发电用电极涂层。

在本发明中，将空气作为流体，并将从配置于炉体前半部的红外线加热器排出的热风重新导入炉内，由此能够更有效地向炉外排出从工件挥发的溶剂。另外，炉体的内壁优选由红外线辐射率小的反射性材料构成。另外，根据流体类型能够控制红外线加热器的辐射波长。除此之外，设置三层包覆灯丝外周的管，能够使流体在形成于这些管之间的流体流道中以相反方向流动。进而，在红外线加热器自身的长尺寸方向上形成多个流体出入口。

发明的效果

在本发明的涂层干燥炉中，在其炉体内部具备以如下方式形成的红外线加热器：灯丝外周被作为低通滤波器而发挥作用的管以同心圆状包覆，并且在这些多个管之间形成流体流道。该红外线加热器将灯丝加热至700℃以上且1200℃以下的高温，由此能够选择性地辐射对涂层干燥有效的3.5μm以下短波长的峰值波长进行调节了的红外线，并且也可以在如卷对卷（Roll to roll）式连续炉中进行充分干燥。另外，由于只选择有助于切断分子间氢键的3.5μm以下波长，因此不会发生因大于3.5μm的长波长引起炉内温度的上升，从而可以进行有效的涂层干燥。另外，由于最终能够降低加热器的表面温度，因此在使用时不必担心在锂离子电池电极的干燥过程中产生的爆炸性挥发物的着火。

此外，如果将流动于如图5所示的红外线加热器通路16的空气作为热风向炉体后半部的炉内供给，则能防止炉体后半部分的工件温度的高温化，由此能够防止由于干燥炉出口与室温间的温度急剧变化引起的热收缩，从而消除能量的浪费。而且，如果炉体内壁由红外线辐射率较小的反射性材料构成，则能够防止炉壁吸收红外线而使炉壁本身成为发热体的现象，从而有效地抑制炉内气氛温度。

附图说明

图1是现有涂层干燥炉的说明图。

图2是现有红外线加热器的剖面图。

图3是表示红外线加热器的发射光谱的图表。

图4是表示本发明第一实施方案的说明图。

图5是第一实施方案所使用的红外线加热器的剖面图。

图6是第一实施方案所使用的红外线加热器的剖面图。

图7是表示红外线加热器发射光谱的图表。

图8是表示红外线加热器的表面温度和发射光谱的关系的图表。

图9是表示本发明第二实施方案的说明图。

图10是表示本发明第三实施方案的说明图。

图11是表示本发明第四实施方案的说明图。

图12是表示本发明第五实施方案的说明图。

图13是具体的红外线加热器的剖面图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方案进行详细说明。

图4是表示本发明第一实施方案的说明图。10为涂层干燥炉的炉体，薄膜状工件W在其内部朝一个方向连续移动的同时被连续干燥。在薄膜状工件W表面形成具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱并具有氢键的涂层。在该实施方案中，涂层为锂离子电池用电极涂层。

锂离子电池的电极以如下方式制备：将作为正极材料或负极材料的活性物质粉末（电极材料）与粘合剂、导电材料、溶剂一起混炼而成的电极糊涂布在铝或铜等金属薄板上，形成厚度为100μm-300μm左右的涂层，再进行干燥。通常，在电极材料中，将钴酸锂作为正极材料，将PVDF（Polyvinylidene Fluoride）作为粘合剂，将碳作为导电材料，将NMP（N-Methyl pyrrolidone）作为溶剂。在该实施方案中，作为正极用电极材料采用了钴酸锂，但也可以采用镍酸锂、锰酸锂。另外，负极用电极材料例如为石墨。这些都是微小的粉末。

如上所述，粘合剂是用于粘结电极材料和作为导电材料的碳粉的成分，其在该实施方案中为PVDF（聚偏氟乙烯）。溶剂在该实施方案中为NMP（N-甲基吡咯烷酮）。但是，粘合剂或溶剂的类型并不限于此，作为锂离子电池用电极涂层的构成材料能够使用公知的各种物质。

红外线加热器11以适当的间隔配置在炉体10前半部的第一区段21和第二区段22的炉内顶棚。如图5、图6所示，该红外线加热器11为灯丝12外周被多个管13、14以同心圆状包覆，且在这些多个管之间形成有流体流道。内侧管13是灯丝12的保护管，是石英玻璃或硼硅酸盐冕玻璃等的红外线渗透性保护管。另外，外侧管14是用于使流体在内侧管13外周流动的管，如图7所示，这些保护管具有作为电磁波低通滤波器的功能。作为材质可以采用石英玻璃或硼硅酸盐冕玻璃等，但作为具有优异的耐热性、耐热冲击性、经济性的保护管优选采用石英玻璃管。

实际上，在产品物理性质引起的上限温度被规定的干燥炉内，以使对涂层干燥有效的短波长（3.5μm以下）的红外线辐射处于支配地位的方式进行控制是不容易的。作为其理由，能根据普朗克辐射定律提出如下观点：将该波长区域作为主体的辐射体温度最低也会达到超过700℃的高温。在一般的干燥炉内，不允许与点火性挥发有机溶剂接触的加热器表面温度超过700℃，即使被允许，从辐射理论的角度可以推测如下问题。首先，该高温辐射体确实优先辐射短波长的辐射，但另一方面根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，单位面积的辐射能也是巨大的。这样的话，最终导致炉内各部位温度上升至所需以上的温度，特别是从节约能量或在停止搬运时的产品耐热性方面来看，作为以大量生产为目的的干燥工艺是不可能的。

对此，在如图5、图6所示形状的加热器中，由于辐射体呈细小的灯丝形状使得辐射面积和热容都很小，这意味着把该辐射体当作一台加热器时，具有作为“少量辐射短波长红外线”的辐射源的特征。即，该灯丝自身温度上升较容易，并且通过改变该灯丝温度，进而调节加热器的设置台数（间距），从而使炉内单位体积中的辐射面积（总能量生成量）的控制也变容易。另外，如果对在700℃-1200℃下通电的灯丝停止通电，则由于温度瞬间下降，因此在停止搬运时的安全性也极高。通过在该特征上进一步导入管冷却机构，可消除所述各种问题，从而使以广泛用途为前提的干燥炉内辐射波长的控制成为可能。

在700-1200℃下灯丝12被通电加热，由此辐射3μm波长附近具有峰值的红外线，但是由于石英玻璃或硼硅酸盐冕玻璃等具有使3.5μm以下波长的红外线穿透并吸收3.5μm以上波长的红外线的低通滤波器功能，因此管13和管14在从灯丝12辐射的电磁波中选择性地使小于3.5μm波长的红外线穿透而向炉内供给。该波长区域的红外线能量由于直接被NMP等溶剂吸收而容易转换成热能，并且也与溶剂或水的分子间氢键的频率相一致，因此能够更有效地干燥锂离子电池用电极涂层。

但是，管13和管14在大于3.5μm的长波长区域中反而成为辐射的吸收体，通过吸收红外线能量使自身温度上升。由于从所述温度的灯丝12也辐射相当量的大于3.5μm的长波长区域的红外线，因此在该状态下产生管温度（与点火性挥发有机溶剂的触点温度）上升的忧虑。另外，其结果，管本身也成为红外线辐射体，向炉内二次辐射主要大于3.5μm的长波长的红外线。这种长波长的红外线存在如下忧虑：与3μm附近的红外线相比不仅使对干燥效果的贡献稍微降低，而且炉内壁经由吸收该红外线使壁温度上升，从而使炉内流体温度也上升，从而使炉内各部位温度提高至使锂离子电池用电极涂层的溶剂燃点以上。

此时，在本发明中，使流体在管13和管14之间的空间16中流动，并将暂且吸收在管13和管14的长波长区域的红外线能量转换成对流热传导的形式传到所述流体，由此可以释放到系统外部。其结果，在将最终供给于炉内的红外线波长限定在短波长区域，即使灯丝12在高温下持续通电加热，在管13和管14、特别是在锂离子电池用电极涂层中，可以将与挥发性有机溶剂直接接触的管14维持在安全温度（溶剂的燃点以下）200℃以下、更优选在150℃以下。流体例如为空气、惰性气体等，但在本实施方案中，从流体供给口17吹入空气，从流体排出口18排出已加热的空气。此外，由于从流体排出口18排出的空气根据条件不同有时会成为100℃以上的热风，因此优选地，作为后半部的移动搬运用热风的一部分从热风切缝20向炉内供给。

具有这样结构的红外线加热器11能够向炉内选择性地供给波长小于3.5μm的红外线，而且由于红外线加热器11的表面温度例如可以保持在200℃以下的低温，因此能够使炉内温度在200℃以下、更优选在150℃以下。因此，不存在溶剂点燃或爆炸等危险。另外，如果炉体10内壁由红外线辐射率较小的反射性材料构成，则能够更有效地抑制炉壁的升温。作为这种材料例如可以使用有光泽的不锈钢钢板。

除上述红外线加热器11之外，在前半部的第一区段21和第二区段22的炉内配置有多个用于将热风吹向锂离子电池用电极涂层的热风切缝19。顶棚部的热风切缝19以将热风从红外线加热器31之间吹出的方式配置。下侧的热风切缝20将热风吹向锂离子电池用电极涂层的下面。

该实施方案的涂层干燥炉是将图4所示的第一区段21作为初期状态、将第二区段22作为中期状态、将第三区段23和第四区段24作为最终状态，对锂离子电池用电极涂层进行干燥的设备，相应地，当然也可以对各个区段的红外线加热器11的温度、热风温度等进行个别控制。此外，在该实施方案中，没有在第三区段23和第四区段24配置红外线加热器11，仅仅通过热风进行干燥，但也能在更大范围内配置红外线加热器11。

在表1和表2中表示具有代表性的加热器的设定例。加热器表面温度的设定温度表示的是外侧管14的温度而不是灯丝温度。由此辐射红外线的主体部分从位于中心的灯丝辐射，并穿透管14向外部辐射，因此即使管14的温度较低，对加热效果完全没有问题。反而如上所述那样表示加热器炉内流体的接触部保持在安全温度以下。在实际运用时，可以通过加热器的通电量（w）、气体流量来进行控制。

【表1】

【表2】

太阳能发电用电极涂层

	加热器表面温度	灯丝温度	涂层温度
				现有方法	450℃	1000℃	210℃
本发明	190℃	1000℃	200℃

此外，由于太阳能发电用电极涂层是具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱并具有氢键的涂层，因此能够与上述锂离子电池用电极涂层一样在本发明的涂层干燥炉中进行干燥。

另外，在本发明中，可以任意控制流体的类型或流量。如图8所示，通过增减流体流量，能够改变红外线加热器11的表面温度并调节3.5μm以上的发射光谱。利用上述方法，可以使红外线加热器11的辐射波长相同的同时，可以改变炉体长尺寸方向上的温度平衡。例如，可以进行如下的区分使用：在需要积极切断分子间氢键的区段中，强化红外线加热器11的冷却并对工件W辐射近红外线，在该区段后缓和冷却对工件整体进行升温。

图9是本发明第二实施方案的说明图，红外线加热器11是在其长尺寸方向具备多个流体供给口17和流体排出口18的结构。在图9中，在中间的两处设有流体供给口17，流体朝向外侧流动并从两端部的流体排出口18排出。

图10是本发明第三实施方案的说明图，是红外线加热器11的俯视图。在该第三实施方案中，在一个红外线加热器11的端部具备分别具备一个流体的流体供给口17和流体排出口18，并将流体的流动方向以相反的方向设定。由此，即使在红外线加热器11的炉宽度方向具有温度梯度，也可以缓和对工件W的影响。

图11是本发明第四实施方案的说明图，从配置于炉体1前半部分的各红外线加热器11回收空气至集管（header）25，并从配置于炉体1后半部分的供给口20吹向炉体1内部。由于经过各红外线加热器11的流道16的流体被加热至100-200℃左右，因此通过将这些流体吹向炉体1的其他区段，能够不破坏炉内温度分布而炉内溶剂气体排出。而且，防止炉体后半部分的工件温度的高温化，从而能够防止由于干燥炉出口与室温间的温度急剧变化所引起的热收缩。

图12是本发明第五实施方案的说明图，设置三层包覆灯丝12外周的管。形成于这些管之间的两个流体的流道16中能够流动不同的流体，也可以流动相同的流体。在上述任意情况下，如果使流体在外侧和内侧的流动方向呈反方向，则可以得到能够使红外线加热器11长度方向的温度分布均匀的效果。

如上所述，本发明使用了灯丝12的外周被多个管13、14以同心圆状包覆的红外线加热器11，为应用于工业上，要求除了切实得到上述功能之外，还要求尽可能以低廉的价格制造并容易维修且具有优异的安全性。图13是表示更具体的红外线加热器11的结构的图。该红外线加热器11是外侧管14两端部被一对有底筒状体30保持的设备。外侧管14是石英玻璃管，有底筒状体30优选采用金属制品。在有底筒状体30的圆筒部外侧端以气密的方式安装有盖31。在该有底筒状体30的内部配置有保持架32，内侧管13被这些保持架32支撑在外侧管14的中心位置。内侧管13是在石英玻璃管内部具备灯丝12的管，因此能够直接使用在市场销售的直管加热器。

这些有底筒状体30分别具备流体出入口33。空气等流体是从任意一侧的有底筒状体30的流体出入口33供给，在经过形成在外侧管14和内侧管13之间的流体流道16的期间冷却这些管13、14，并从另一侧的有底筒状体30的流体出入口33排出。

另外，这些有底筒状体30设有短管状的配线引出部34。与内侧管13的灯丝12连接的电气配线35通过配线引出部34引出到外部，但通过在配线引出部34形成密封部36，断开有底筒状体30的内部和外部，并防止炉内气氛与电气配线35直接接触的现象。由于灯丝12附近变成高温，因此通过该结构消除与炉内气氛的接触，并防止发生爆炸事故的危险。

具有这种结构的红外线加热器11能直接使用市场销售的直管加热器，通过与对应于所需流量粗细的石英管相组合，能够以低廉的价格制造。另外，即使灯丝12断线，也可以通过取下盖31拔出内侧管13，容易将其更换，因此具有优异的维护性。另外，能够容易进行流量调节，从而容易控制红外线加热器11的表面温度。而且，由于有底筒状体30、30内有流体经过，因此不存在电气配线35的封装部36被过度加热的现象。如果将上述红外线加热器11以将一对有底筒状体30位于炉壁外部的方式配置，则会提高维护性并且容易使流体流入、排出。

【实施例】

将长度为4m的炉体以前后各2m划分，在前侧2m部分的炉内顶棚部以0.1m间距配置了十九个图2所示断面结构的红外线加热器。炉室高度为0.3m，红外线加热器的设置高度为0.25m。另外，各红外线加热器外周管的材质为石英玻璃，其直径为20mm。将红外线加热器的灯丝温度设定为850℃，使空气在其外周流动从而使红外线加热器外表面温度维持在187℃。此外，吹入的空气在流入时为20℃，但从红外线加热器流出时为129℃。对红外线加热器辐射的红外线光谱进行测量，其结果辐射了峰值波长3.2μm的近红外线。另外，炉壁温度稳定在183℃，从而能够维持在低于溶剂爆炸危险的200℃的低温。

此外，在现有干燥炉中，为使炉壁温度维持在200℃以下，必须将加热器温度设定为460℃，在该情况下峰值波长成4.2μm。由于现有涂层干燥炉存在溶剂蒸汽爆炸的忧虑，因此不能用于涂层干燥。

附图标记说明

W   工件

10  炉体

11  红外线加热器

12  灯丝

13  管

14  管

16  空间

17  流体供给口

18  流体排出口

19  热风切缝

20  热风切缝

21  第一区段

22  第二区段

23  第三区段

24  第四区段

25  集管

30  有底筒状体

31  盖

32  保持架

33  流体出入口

34  配线引出部

35  电气配线

36  密封部

50  现有的红外线加热器

51  灯丝

52  保护管

53  支撑体

Claims (7)

1.一种涂层干燥炉，其使具有氢键的涂层在炉体内部移动的同时干燥，并且所述涂层具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱，述涂层干燥炉特征在于，

在炉体内部具备红外线加热器，所述红外线加热器具有以如下方式形成的结构：灯丝外周被作为低通滤波器而发挥作用的管以同心圆状包覆，并且在这些多个管之间形成流体流道。

2.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，具有3.5μm以下电磁波的吸收光谱并具有氢键的涂层为锂离子电池用电极涂层或者太阳能发电用电极涂层。

3.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，将空气作为流体，并将从配置于炉体前半部的红外线加热器排出的热风供给于炉体后半部的炉内。

4.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，炉体的内壁由红外线辐射率小的反射性材料构成。

5.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，根据流体类型来控制红外线加热器的辐射波长。

6.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，设置三层包覆灯丝外周的管，使流体在形成于这些管之间的流体流道中以相反方向流动。

7.权利要求1所述的涂层干燥炉，其特征在于，在红外线加热器自身的长尺寸方向上形成了多个流体出入口。

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