DE112007000703T5

DE112007000703T5 - Wärmebehandlungsofen

Info

Publication number: DE112007000703T5
Application number: DE112007000703T
Authority: DE
Inventors: Takashi Nagaokakyo-shi Ohara
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-03-17
Also published as: WO2007108417A1; JP5195419B2; US20090029307A1; CN101389914B; US8696350B2; JPWO2007108417A1; DE112007000703B4; CN101389914A

Abstract

Wärmebehandlungsofen, welcher umfasst:
ein Gehäuse;
einen in dem Gehäuse angeordneten Wärmebehandlungsbereich zum Aufnehmen eines Materials darin, das wärmebehandelt werden soll;
ein Heizelement zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs auf eine vorbestimmte Temperatur;
eine so angeordnete Wärmedämmung, dass sie den Wärmebehandlungsbereich umgibt; und
einen zwischen der Wärmedämmung und einer Innenwand des Gehäuses angeordneten Reflektor zum Zurückwerfen der von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragenen Wärme.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmebehandlungsofen und insbesondere einen Wärmebehandlungsofen wie z. B. einen Brennofen, einen Entfettungsofen oder dergleichen, der zum Beispiel bei der Herstellung von keramischen Elektronikbauteilen zum Wärmebehandeln eines wärmezubehandelnden Materials in einem Schritt des Brennens eines grünen Keramikkörpers und einem Schritt des Entfernens eines Bindemittels vor dem Brennschritt verwendet wird.
Technischer Hintergrund
6 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel von herkömmlichen Wärmebehandlungsöfen zeigt. Im Allgemeinen wird ein Brennofen mit einem so genannten Modulheizelement 64, das ein in einer Wärmedämmung 62, beispielsweise einem Keramikwollematerial, um einen Wärmebehandlungsbereich 65 angeordnetes Heizelement 63 in einem schematisch in 6 gezeigten Gehäuse 61 umfasst, verbreitet als Brennofen zum Brennen eines zu brennenden Materials, beispielsweise eines Keramikformkörpers (grüner Keramikkörper), in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils, verwendet.
Ein solcher Brennofen wird aber zum Brennen eines Keramikformkörpers nach dem Schritt des Bindemittelentfernens verwendet und ist zum Entfernen von Bindemittel im Allgemeinen schwierig zu verwenden.
Dies liegt daran, dass bei Entfernen eines Bindemittels mit Hilfe eines Wärmebehandlungsofens, der mit dem in 6 gezeigten Modulheizelement 64 versehen ist, in dem ein zu brennendes Material 66, beispielsweise ein Keramikformkörper (grüner Keramikkörper), in den Wärmebehandlungsbereich 65 gesetzt wird, Bindemitteldampf in die Wärmedämmung 62 dringt, die das Modulheizelement 64 bildet und die aus Keramikwolle besteht, und in der Wärmedämmung 62 kondensiert und fest wird, wodurch eine grolle Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einem Teil, in dem der Bindemitteldampf eindringt, und einem Teil, in dem der Bindemitteldampf nicht eindringt, hervorgerufen wird und wodurch in manchen Fällen ein Abblättern oder Brechen der Wärmedämmung 62 hervorgerufen wird.
Wenn Bindemittelentfernung und anschließendes Brennen kontinuierlich ausgeführt werden, wird daher ein mit einem Innengehäuse (Innenmuffel) versehener Wärmebehandlungsofen verwendet, um in dem Schritt der Bindemittelentfernung erzeugten Bindemitteldampf daran zu hindern, in die aus einem Keramikwollematerial bestehende Wärmedämmung zu dringen.
D. h. das Innengehäuse wird in dem Gehäuse vorgesehen, um ein Kondensieren und Anhaften des in dem Schritt des Bindemittelentfernens erzeugten Bindemitteldampfes an der Wärmedämmung durch Abkühlen mit der Innenwand des Gehäuses zu verhindern, so dass ein Austreten des Bindemitteldampfes aus dem Innengehäuse und ein Kondensieren durch Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses verhindert wird.
Als solcher Wärmebehandlungsofen, der ein Innengehäuse verwendet, wurde ein in 7 gezeigter Wärmebehandlungsofen vorgeschlagen (siehe Patentschrift 1).
Der Wärmebehandlungsofen ist ein zum Erzeugen eines Sinterkörpers aus Keramik oder einem Metall verwendeter Wärmebehandlungsofen. Wenn zum Beispiel ein Keramikmaterial wärmebehandelt wird, ist der Wärmebehandlungsofen auf das Ermöglichen von Wärmebehandlung ohne Freisetzen von Verunreinigungen wie Zersetzungsgas und Verbrennungsgas eines Bindemittels an die Atmosphäre und Erleichtern von Wartung ausgerichtet.
Wie in 7 gezeigt ist der Wärmebehandlungsofen so ausgelegt, dass ein zu behandelndes Material 73 in einem Innengehäuse 72 wärmebehandelt wird, das in einem Ofenkörper 71 vorgesehen ist und das aus einer Graphitplatte besteht, und gasförmigen Verunreinigungen wie z. B. aus dem Material 73 erzeugter Bindemitteldampf aus dem Innengehäuse 72 aus dem Ofenkörper 71 heraus ausgestoßen werden. Zudem ist ein Verunreinigungen aufnehmendes Auffanggefäß 75 mit einem Einlass 74 an seiner Oberseite außerhalb des Ofenkörpers 71 vorgesehen, so dass die in dem Innengehäuse 72 erzeugten Verunreinigungen in das Verunreinigungen aufnehmende Auffanggefäß 75 durch ein Auslassrohr 76 eingeleitet und gesammelt werden.
Der Wärmebehandlungsofen kann Verunreinigungen ohne Ausstoß an die Atmosphäre effizient entfernen und Wartung aufgrund seiner einfachen Auslegung erleichtern, wodurch Betriebskosten und Wartungskosten gesenkt werden.
Der Wärmebehandlungsofen benötigt aber nicht nur das in dem Ofenkörper angeordnete Innengehäuse, sondern auch das Auslassrohr 76 und das Verunreinigungen aufnehmende Auffanggefäß 75, und somit ist die Auslegung kompliziert, was das Problem der Zunahme der Größe von Ausstattung und Kosten hervorruft.
Zwar ist auch ein Wärmebehandlungsofen mit einem Gehäuse bekannt, bei dem die Innenwand mit einer Metallmuffel bedeckt ist, doch weist das Bedecken der Innenwand des Gehäuses mit der Metallmuffel die folgenden Probleme auf:

(1) Die maximale Betriebstemperatur hängt von der Wärmebeständigkeitstemperatur eines Metalls ab, das die Metallmuffel bildet, und somit sind die Betriebsbedingungen des Ofens beschränkt.
(2) Es ist eine Maßnahme gegen Kriechverformung des Metalls, das die Metallmuffel bildet, erforderlich, und somit sind die Innenmaße des Ofens beschränkt.
(3) Das Innere des Ofens ist in einen Wärmebehandlungsbereich, der mit der Metallmuffel abgeteilt ist, und einen anderen Bereich unterteilt, und somit sind die Maße des Wärmebehandlungsofens im Verhältnis zu den erforderlichen Nutzmaßen des Ofens vergrößert, wodurch die Größe der Ausstattung vergrößert wird.
(4) Der Ofen weist eine Doppelstruktur auf, und daher ist viel Zeit für die Montage und Herstellung erforderlich, wodurch die Kosten gesteigert werden.

Es gibt einen anderen denkbaren Wärmebehandlungsofen mit einem Gehäuse, wobei die Innenwand aus einer Keramikplatte besteht. Der in dem Entfettungsschritt erzeugte Bindemitteldampf dringt aber durch die Keramikplatte, erreicht die Innenwand des Gehäuses und kondensiert bei einer Temperatur, die niedriger als die Kondensationstemperatur des Bindemitteldampfes ist, an der Innenwand (d. h. der Rückseite einer Wärmedämmung) des Gehäuses. Der kondensierte Dampf dringt in die Wärmedämmung ein und wird darin fest, was das Problem nicht nur des Anhebens der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung, sondern auch des Erzeugens einer großen Differenz der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Teil, in dem der Dampf eindringt, und einem Teil, in dem der Dampf nicht eindringt, hervorruft, was Abblättern und Brechen der Wärmedämmung hervorruft. Wenn insbesondere ein Modulheizelement mit einem in einer Wärmedämmung eingebetteten Metallheizelement verwendet wird, besteht das Problem der Reudzieren des Dämmens des in der Wärmedämmung eingebetteten Metallheizelements binnen kurzer Zeit.

Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 7-21389

Offenlegung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme verwirklicht und sieht einen Wärmebehandlungsofen vor, der kontinuierlich Bindemittelentfernen und anschließendes Brennen ausführen kann, ohne eine komplizierte Auslegung zu erfordern und die Ausstattungsgröße und Kosten zu erhöhen, wenn zum Beispiel ein grüner Keramikkörper in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils gebrannt wird.
Mittel zum Lösen der Probleme
Zum Lösen der Probleme umfasst ein erfindungsgemäßer Wärmebehandlungsofen (Anspruch 1):
ein Gehäuse;
einen in dem Gehäuse angeordneten Wärmebehandlungsbereich zum Aufnehmen eines Materials darin, das wärmebehandelt werden soll;
ein Heizelement zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs auf eine vorbestimmte Temperatur;
eine so angeordnete Wärmedämmung, dass sie den Wärmebehandlungsbereich umgibt; und
einen zwischen der Wärmedämmung und der Innenwand des Gehäuses angeordneten Reflektor zum Zurückwerfen der von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragenen Wärme.
Der Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 ein Hauptteil des Heizelements in der Wärmedämmung angeordnet ist.
Der Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 der Reflektor einen Aufbau aufweist, bei dem mehrere dünne Platten, die aus einem Metallmaterial mit Wärmebeständigkeit bestehen, so angeordnet sind, dass die Hauptflächen der dünnen Platten bei einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen parallel zueinander angeordnet sind.
Der Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 die Trennwärmedämmungen zwischen den jeweiligen dünnen Platten, die den Reflektor bilden, zum Hemmen von Gaskonvektionen zwischen den jeweiligen dünnen Platten angeordnet sind.
Der Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung der Erfindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 der Reflektor so angeordnet ist, dass er die im Wesentlichen gesamte Umfangsfläche der Wärmedämmung bedeckt.
Vorteile
Der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsofen (Anspruch 1) umfasst das Gehäuse; den in dem Gehäuse angeordneten Wärmebehandlungsbereich zum Aufnehmen eines Materials, das wärmebehandelt werden soll, darin; das Heizelement zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs auf eine vorbestimmte Temperatur; die so angeordnete Wärmedämmung, dass sie den Wärmebehandlungsbereich umgibt; und den zwischen der Wärmedämmung und der Innenwand des Gehäuses angeordneten Reflektor zum Zurückwerfen von Wärme, die von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragen wird. Daher kann die Temperatur an der Rückseite der Wärmedämmung durch Strahlungswärme auf einen Wert höher als die Kondensationstemperatur des Bindemitteldampfs angehoben werden, und somit kann verhindert werden, dass ein Bestandteil des Bindemittels kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird.
Dadurch kann ein Wärmebehandlungsofen ohne die Notwendigkeit eines Innengehäuses und einer Metallauskleidung eines Wärmebehandlungsbereichs ausgelegt werden, und somit ist es möglich, einen Wärmebehandlungsofen, der einen einfachen Aufbau aufweist und der kontinuierliches Bindemittelentfernen und anschließendes Brennen ausführen kann, vorzusehen, ohne die Größe der Ausstattung und Kosten zu erhöhen, wenn ein grüner Keramikformkörper in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils gebrannt wird.
Bei dem Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 2 kann bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 ein Hauptteil des Heizelements in der Wärmedämmung angeordnet, d. h. wenn das Heizelement ein Modulheizelement mit einem in einer Wärmedämmung angeordneten Heizelement ist, der Aufbau des Wärmebehandlungsofens vereinfacht werden und Beschränkungen der Innenmaße des Ofens können verringert werden, wodurch die wirksame Nutzung des Wärmebehandlungsbereichs ermöglicht wird.
D. h. bei einem herkömmlichen Wärmebehandlungsofen ist ein Modulheizelement ein Brennheizelement und kann nicht direkt zum Entfetten verwendet werden, und es ist ein Innengehäuse erforderlich, wenn das Modulheizelement auch zum Entfetten verwendet wird. Wenn aber an der Rückseite des Modulheizelements ein Reflektor vorgesehen wird, kann verhindert werden, dass der Bindemittelbestandteil kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird. Somit ist es möglich, einen Wärmebehandlungsofen vorzusehen, der mit Hilfe eines Modulheizelements ohne die Notwendigkeit eines Innengehäuses kontinuierlich Entfetten und anschließendes Brennen ausführen kann.
Zudem kann bei einem Brennofen bei einer relativ niedrigen Temperatur von 1.000°C oder weniger der Aufbau des Wärmebehandlungsofens mit Hilfe eines Modulheizelements, das ein in einer Wärmedämmung eingebettetes Heizelement umfasst, vereinfacht werden, wodurch die Kosten gesenkt werden.
Daher ist die vorliegende Erfindung für die Anwendung bei einem Wärmebehandlungsofen unter Verwendung eines so genannten Modulheizelements brauchbar, das ein in einer Wärmedämmung eingebettetes Heizelement umfasst.
Da bei dem Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 3 bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 der Reflektor einen Aufbau aufweist, bei dem mehrere dünne Platten, die aus einem Metallmaterial mit Wärmebeständigkeit bestehen, so angeordnet sind, dass die Hauptflächen der dünnen Platten bei einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen zueinander parallel angeordnet sind, ist es möglich, zuverlässig zu verhindern, dass der in einem Schritt des Bindemittelentfernens erzeugte Bindemitteldampf kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird, und ein Abblättern und Brechen der Wärmedämmung aufgrund von Degradation zu verhindern, zum Beispiel wenn ein ein Bindemittel enthaltender Keramikformkörper gebrannt wird. Daher kann die vorliegende Erfindung effektiver gemacht werden.
Zudem kann die Temperatur der Rückseite der Wärmedämmung (die Temperatur der Umfangsfläche der Wärmedämmung, die dem Reflektor zugewandt ist) durch Steuern der Anzahl der dünnen Platten, die den Reflektor bilden und aus einem Metallmaterial mit Wärmebeständigkeit bestehen, gesteuert werden, wodurch für die Betriebsbedingungen des Wärmebehandlungsofens eine optimale Auslegung ermöglicht wird.
Weiterhin kann die Oberflächentemperatur des Reflektors durch geeignetes Bestimmen der Dicke der Wärmedämmung und der Anzahl der dünnen Platten, die den Reflektor für die Ofentemperatur bilden, auf einen Sollwert gesetzt werden. Selbst wenn die Atmosphäre in dem Ofen eine oxidierende Atmosphäre ist, kann dadurch die Erfordernis eines teuren Materials als Baumaterial des Reflektors umgangen werden, wodurch eine wirtschaftlich erwünschte Isolierwirkung erreicht wird.
Da bei dem Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 4 bei Ausgestaltung nach dem Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 3 Trennwärmedämmungen zwischen den jeweiligen dünnen Platten, die den Reflektor bilden, zum Hemmen von Gaskonvektionen zwischen den jeweiligen dünnen Platten angeordnet sind, können zwischen den jeweiligen dünnen Platten vorliegende Gaskonvektionen durch die Trennwärmedämmungen verhindert werden, und Konvektionen treten in vorbestimmten Bereichen auf, die durch die Trennwärmedämmungen abgetrennt sind. Daher kann der Wirkungsgrad der Wärmedämmung des Reflektors verbessert werden.
Wenn weiterhin zum Beispiel Trennwärmedämmungen jeweils im Wesentlichen parallel zur oberen Seite und zur unteren Seite der dünnen Platten angeordnet sind, die den vertikal angeordneten Reflektor bilden, wird ein Bereich, in dem Konvektion auftritt, verkleinert, wenn der Abstand zwischen den oberen und unteren Trennwärmedämmungen verringert wird. Daher kann eine konvektive Wärmeübertragung unterdrückt werden, was den Wirkungsgrad der Wärmedämmung verbessert.
Wie bei dem Wärmebehandlungsofen von Anspruch 5 ist es bei Ausgestaltung der Erfindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei Anordnen des Reflektors, so dass er im Wesentlichen die gesamte Umfangsfläche der Wärmedämmung bedeckt, möglich, zuverlässig zu verhindern, dass in einem Schritt des Bindemittelentfernens erzeugter Bindemitteldampf kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird, und ein Abblättern und Brechen der Wärmedämmung aufgrund von Degradation zu verhindern, zum Beispiel wenn ein Bindemittel enthaltender Keramikformkörper gebrannt wird. Daher kann die vorliegende Erfindung effektiver gemacht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Zeichnung, die die Funktion einer Wärmedämmung und eines Reflektors veranschaulicht, die in einem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofen vorgesehen sind.
2 ist eine Zeichnung, die schematisch eine Hauptkonfiguration eines Wärmebehandlungsofens nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 1) zeigt.
3 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die schematisch eine Konfiguration eines Wärmebehandlungsofens nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 1) zeigt.
4 ist eine Draufsicht im Schnitt, die schematisch eine Konfiguration eines Wärmebehandlungsofens nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 1) zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Wärmebehandlungsofens nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 2) zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines herkömmlichen Wärmebehandlungsofens zeigt, der zum Wärmebehandeln eines Keramikmaterials in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils verwendet wird.
7 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel eines herkömmlichen Wärmebehandlungsofens mit einem Aufbau zeigt, bei dem ein Innengehäuse in einem Ofenkörper angeordnet ist.
Beste Methode zum Ausführen der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Wärmebehandlungsofen umfasst ein Gehäuse; einen in dem Gehäuse angeordneten Wärmebehandlungsbereich zum Aufnehmen eines Materials, das wärmebehandelt werden soll, darin; ein Heizelement zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs; und eine so angeordnete Wärmedämmung, dass sie den Wärmebehandlungsbereich umgibt. Bei dem Wärmebehandlungsofen ist ein Reflektor zwischen der Wärmedämmung und der Innenwand des Gehäuses, d. h. außerhalb (Rückseite) der Wärmedämmung, zum Zurückwerfen von Wärme, die von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragen wird, angeordnet.
Der Reflektor weist einen Aufbau auf, bei dem mehrere dünne Platten aus einem wärmebeständigen Metall (z. B. SUS310, SUS304 oder dergleichen), beispielsweise korrosionsbeständig, so angeordnet sind, dass die Hauptflächen einander mit einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen zugewandt sind. Der Reflektor dient zum Zurückwerfen von Wärmestrahlen.
Auch wenn die Formen von Wärmeübertragung in drei Formen eingeteilt sind, d. h. Wärmeleitung, konvektive Wärmeübertragung und Strahlungswärmeübertragung, dient der Reflektor hauptsächlich zum Unterdrücken von Strahlungswärmeübertragung aufgrund der Abstrahlung von Wärmestrahlen.
Der Wärmeübertragungsmechanismus eines erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens, der mit einem Reflektor versehen ist, wird nachstehend unter Bezug auf 1 beschrieben. 1 zeigt das Innere eines Gehäuses 3 und zeigt einen Hauptteil eines Wärmebehandlungsofens 10, der mit einer so angeordneten Wärmedämmung 2 versehen ist, dass sie einen Wärmebehandlungsbereich 1 umgibt, der darin ein Material aufnimmt, das wärmebehandelt werden soll, und einen Reflektor 4, der außerhalb (Rückseite) der Wärmedämmung 2 und zwischen der Wärmedämmung 2 und der Innenwand des Gehäuses 3 angeordnet ist und der mehrere dünne Platten 5 umfasst.
Wenn bei dem in 1 gezeigten Wärmebehandlungsofen 10 der Wärmebehandlungsbereich 1 eine vorbestimmte Wärmebehandlungstemperatur (T₀°C) aufweist, wird von dem Wärmebehandlungsbereich 1 durch Wärmeleitung durch die Wärmedämmung 2 Wärme außerhalb der Wärmedämmung 2 übertragen. Die Temperatur (Grenztemperatur) T₁°C der Außenfläche 2a der Wärmedämmung 2 gleicht sich durch leitende Wärmebeständigkeit der Wärmedämmung 2 aus.
Wenn die zur Außenfläche 2a der Wärmedämmung 2 übertragene Wärme den Reflektor 4 erreicht, wird die Wärme durch Strahlung und Konvektion sowie Wärmeleitung durch die mehreren dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, und Luftschichten 6 zwischen den mehreren dünnen Platten 5 auf das Gehäuse 3 übertragen.
Die Wärmeübertragung zu dem Reflektor 4 wird hauptsächlich durch Strahlung hervorgerufen. Auch wenn eine konvektive Wärmeübertragung nicht so sehr beeinflusst wie Strahlung, ist bevorzugt, konvektive Wärmeübertragung zum Verbessern von Präzision zu berücksichtigen.
Ferner werden Absorption und Reflektion von Wärmestrahlen zwischen den mehreren dünnen Platten 5 wiederholt, die den Reflektor 4 bilden, wobei schließlich ein Gleichgewicht bei einer Temperatur von T₂ bis T_n erreicht wird. Die Temperatur T_n entspricht der Temperatur des Gehäuses 3.
Weiterhin wird an der Außenfläche des Gehäuses 3 Wärme zur Außenluft durch Konvektion und Strahlung zur Außenluft übertragen. Da die in den jeweiligen Bereichen (d. h. den jeweiligen Luftschichten 6 zwischen den mehreren dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden) übertragenen Wärmemengen im Wesentlichen gleich sind, wird die Temperatur bei Wärmegleichgewicht an jeder der mehreren dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, ermittelt.
Wenn daher die Bedingungen (Wärmeleitfähigkeit und Dämmungsdicke) der Wärmedämmung 2 konstant sind, kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 durch Steuern (Ändern) der Anzahl der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, willkürlich gesteuert werden. Der thermische Widerstand des Reflektors 4 kann nämlich durch Erhöhen der Anzahl der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, vergrößert werden, wodurch die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 angehoben wird.
Dadurch kann die Anzahl der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, für die gewählte Wärmedämmung 2 geeignet bestimmt werden, so dass die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 zuverlässig bei zum Beispiel einer Temperatur über der Kondensationstemperatur von Bindemitteldampf gehalten werden kann. Daher kann ein Kondensieren und Festwerden des Bindemittelbestandteils in der Wärmedämmung 2 verhindert werden.
Wenn weiterhin die Temperatur des Wärmebehandlungsbereichs 1 beim Höchstwert liegt, kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 auf eine Temperatur über der Oxidationstemperatur (z. B. 400°C) von aus dem Bindemitteldampf gewonnenem Kohlenstoff gesetzt werden.
Bei dem Wärmebehandlungsofen mit dem wie vorstehend beschriebenen Wärmedämmungsaufbau kann die Wärmebehandlung selbst bei einem Entfettungsschritt, bei dem eine große Menge an Bindemitteldampf erzeugt wird, im Grunde ohne Sammeln des Bindemittels in der Wärmedämmung und ohne Verwenden einer Innenmuffel ausgeführt werden. Da keine Notwendigkeit besteht, die Innenmuffel zu verwenden, können ferner die Größe der Ausstattung und die Ausstattungskosten wesentlich gesenkt werden.
Wenn der Reflektor 4 sowohl in einem Bereich, in dem die Wärmedämmung 2 verwendet werden soll, als auch einem Bereich, in dem der Reflektor ohne Verwenden der Wärmedämmung 2 verwendet werden soll, vorgesehen wird, wird die erforderliche Anzahl der dünnen Platten, die den Reflektor 4 bilden, übermäßig angehoben, da der Reflektor 4, der schätzungsweise ein Emissionsvermögen ε von 0,2 bis 0,4 (d. h. ein Reflexionsvermögen von 0,8 bis 0,6) hat, bei einer hohen Temperatur (Temperaturbereich von 600°C oder mehr) eine geringe Wärmeschirmwirkung hat. Daher ist dies keine praktische Konfiguration. Wenn zudem der Reflektor 4 in einem Bereich verwendet wird, in dem die Wärmedämmung 2 verwendet werden soll, kann das Emissionsvermögen ε des Reflektors 4 aufgrund der Oxidation des Metalls, das das Baumaterial der dünnen Platten 5 ist, die den Reflektor 4 bilden, binnen kurzer Zeit angehoben werden, wodurch Schwierigkeiten beim Verwenden einer oxidierenden Atmosphäre hervorgerufen werden. Somit ist es unerwünscht, den Reflektor 4 in einem Bereich zu verwenden, in dem die Wärmedämmung 2 verwendet werden soll.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofen kann mit anderen Worten die Kombination aus der Wärmedämmung 2 und dem Reflektor 4 einen Wärmebehandlungsofen verwirklichen, der selbst in einer oxidierenden Atmosphäre zu langfristig stabiler Nutzung geeignet ist. Daher werden die Wärmedämmung 2 und der Reflektor 4 für eine Wärmedämmungskonfiguration bevorzugt kombiniert verwendet.
Die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nachstehend auf der Grundlage von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
Ausführungsform 1
2 bis 4 sind Zeichnungen, die jeweils eine Konfiguration eines Wärmebehandlungsofens nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 1) zeigen. 2 ist eine Schnittansicht, die eine Hauptkonfiguration der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die schematisch eine Konfiguration eines erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens zeigt. 4 ist eine Draufsicht im Schnitt, die schematisch eine Konfiguration eines erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens zeigt.
Ein Wärmebehandlungsofen 10 ist ein Ofen zum kontinuierlichen Ausführen eines Entfettungsschritts und eines Sinterschritts für ein Keramiklaminat für ein keramisches Mehrschichtsubstrat unter Verwendung von keramischen Grünfolien, die bei niedriger Temperatur sinterbar sind. Ein Material, das durch den Wärmebehandlungsofen wärmebehandelt werden soll, ist ein Keramiklaminat, das durch Laminieren dünner keramischer Grünfolien erzeugt wird und etwa 20 Gewichtsprozent eines Bindemittels enthält.
Wie schematisch in 2 gezeigt umfasst der in der Ausführungsform 1 gezeigte Wärmebehandlungsofen ein Gehäuse 3, das mit einem Wärmebehandlungsbereich 1 zum darin Aufnehmen des Materials, das wärmebehandelt werden soll, versehen ist, sowie eine Vordertür 9 (4) zum Einsetzen und Herausnehmen des Materials, das wärmebehandelt werden soll, ein Heizelement 7 zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs 1 auf eine vorbestimmte Temperatur, eine Wärmedämmung 2, die so angeordnet ist, dass sie den Wärmebehandlungsbereich 1 in dem Gehäuse 3 umgibt, und die aus Keramikfasern besteht, und einen zwischen der Wärmedämmung 2 und der Innenwand des Gehäuses 3 angeordneten Reflektor 4 zum Zurückwerfen von Wärme, die von dem Wärmebehandlungsbereich 1 durch die Wärmedämmung 2 übertragen wird.
Ferner wird ein Kanthal-Draht als Heizelement 7 verwendet. Das aus dem Kanthal-Draht bestehende Heizelement 7 ist in der Wärmedämmung 2 eingebettet. In dem Wärmebehandlungsofen der Ausführungsform 1 bilden die Wärmedämmung 2 und das in der Wärmedämmung 2 eingebettete Heizelement 7 ein so genanntes Modulheizelement 8.
Die Dicke T des Modulheizelements 8 (Wärmedämmung 2) beträgt 100 nm, und die Wärmeleitfähigkeit λ beträgt 0,12 W/mK.
Der Reflektor 4 besteht aus insgesamt 6 dünnen Platten 5, die drei dünne SUS316-Platten 5 (5a) umfassen, die nahe der Wärmedämmung 2 angeordnet sind, und aus drei dünnen SUS304-Platten 5 (5b), die außerhalb der drei dünnen Platten 5a angeordnet sind. Die dünnen Platten 5 sind durch eine Stiftschraube 21 an der Wärmedämmung 2 und dem Gehäuse 3 angebracht.
Das Emissionsvermögen ε des Reflektors der Ausführungsform 1 beträgt 0,4 (Reflexionsvermögen: 0,6).
Weiterhin beträgt der Abstand L zwischen der Rückseite (Außenfläche 2a) der Wärmedämmung 2 und dem Reflektor 4 10 mm, und jeder der Abstände zwischen den mehreren dünnen Platten 5a, zwischen den dünnen Platten 5b und zwischen den dünnen Platten 5a und 5b beträgt 10 mm.
Wie vorstehend beschrieben kann in dem Wärmebehandlungsofen der Ausführungsform 1 mit einem Wärmedämmungsaufbau, bei dem die Wärmedämmung 2 und der Reflektor 4 kombiniert sind, die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 bei 230°C gehalten werden, wenn die Temperatur des Wärmebehandlungsbereichs 1 300°C beträgt, bei der die Menge erzeugten Bindemitteldampfs maximiert wird.
Zudem kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 bei 630°C gehalten werden, wenn die Temperatur des Wärmebehandlungsbereichs 1 die höchste Temperatur von 900°C ist.
Dadurch kann sicher verhindert werden, dass das Bindemittel kondensiert und an der Rückseite der Wärmedämmung fest wird, wodurch eine stabile Wärmebehandlung ermöglicht wird.
Der Wärmebehandlungsofen der Ausführungsform 1 ist mit anderen Worten zum Zurückwerfen der von dem Wärmebehandlungsbereich 1 übertragenen Wärme durch die Wärmedämmung 2 mit dem Reflektor 4 versehen, der zwischen der Wärmedämmung 2 und der Innenwand des Gehäuses 3 angeordnet ist. Daher kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung angepasst werden, so dass sie durch Strahlungswärme höher als die Kondensationstemperatur von Bindemitteldampf ist, und es kann verhindert werden, dass der Bindemittelbestandteil kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird.
Dadurch kann der Wärmebehandlungsofen ohne die Notwendigkeit einer Metallauskleidung eines Wärmebehandlungsbereichs und eines Innengehäuses ausgelegt werden und das Bindemittelentfernen und das anschließende Brennen können kontinuierlich mit einem einfachen Aufbau ohne Steigern der Größe der Ausstattung und Kosten ausgeführt werden, zum Beispiel wenn ein Keramikformkörper in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils gebrannt wird.
Da weiterhin der Wärmebehandlungsofen der Ausführungsform 1 das Modulheizelement 8 verwendet, das das in der Wärmedämmung 2 angeordnete Heizelement 7 umfasst, kann ein wirtschaftlich ausgezeichneter Wärmebehandlungsofen mit einem einfachen Aufbau vorgesehen werden. Bei der Konfiguration des vorstehend beschriebenen herkömmlichen Wärmebehandlungsofens kondensiert bei Verwenden eines Modulheizelements als Heizelement Bindemitteldampf in der Wärmedämmung, was Abblättern und Brechen der Wärmedämmung hervorruft. Da aber der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsofen wie vorstehend beschrieben mit dem Reflektor 4 versehen ist, kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung so gesteuert werden, dass sie durch Strahlungswärme höher als die Kondensationstemperatur von Bindemitteldampf ist, und es kann verhindert werden, dass die Wärmedämmung aufgrund von Kondensation des Bindemitteldampfs abblättert und bricht. Daher ist die vorliegende Erfindung insbesondere für eine Anwendung bei einem Wärmebehandlungsofen geeignet, der zur Verwendung eines Modulheizelements ausgelegt ist.
Weiterhin nutzt der Wärmebehandlungsofen der Ausführungsform 1 den Reflektor 4 mit einem Aufbau, bei dem mehrere der korrosionsbeständigen dünnen Platten 5 so angeordnet sind, dass die Hauptflächen der jeweiligen dünnen Platten 5 mit einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen parallel zueinander angeordnet sind, wobei der Reflektor 4 so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen die gesamte Umfangsfläche der Wärmedämmung 2 bedeckt. Daher ist es möglich, zuverlässig zu verhindern, dass in einem Schritt des Bindemittelentfernens erzeugter Bindemitteldampf kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird, und ein Abblättern und Brechen der Wärmedämmung aufgrund Degradation zu verhindern. Ferner kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung 2 durch Anpassen der Anzahl der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, gesteuert werden und es kann eine optimale Auslegung für die Betriebsbedingungen des Wärmebehandlungsofens vorgenommen werden. Die im Wesentlichen gesamte Umfangsfläche der Wärmedämmung stellt die gesamte Umfangsfläche dar, ausschließlich eines Teils wie z. B. eines Verdrahtungslochs, in dem aus Konstruktionssicht ein Spalt unvermeidbar ausgebildet ist, und einer Verbindung des Reflektors.
Zudem kann die Oberflächentemperatur des Reflektors 4 für die Ofentemperatur durch geeignetes Ermitteln der Dicke T der Wärmedämmung 2 und der Anzahl der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, willkürlich ermittelt werden. Selbst wenn die Atmosphäre in dem Ofen eine oxidierende Atmosphäre ist, kann daher eine erwünschte adiabatische Wirkung ohne Verwenden eines teuren Materials als Baumaterial des Reflektors 4 erreicht werden.
Ausführungsform 2
5 ist eine Zeichnung, die einen Hauptteil eines Wärmebehandlungsofens nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform (Ausführungsform 2) zeigt.
Bei dem Wärmebehandlungsofen von Ausführungsform 2 sind Trennwärmedämmungen 12a und 12b zum Hemmen des Strömens von Gas zwischen den jeweiligen dünnen Platten 5 sowohl an der oberen als auch unteren Seite der Räume zwischen den mehreren dünnen Platten 5 angeordnet, die einen Reflektor 4 bilden, so dass sie im Wesentlichen parallel zu der oberen Seite 15 und der unteren Seite 16 der dünnen Platten 5 sind. Die andere Auslegung ist die gleiche wie bei der Wärmebehandlungsfläche von Ausführungsform 1.
In 5 ist der durch das gleiche Bezugszeichen wie in 1 bis 4 bezeichnete Teil der gleiche wie in 1 bis 4 bzw. entspricht diesen.
Bei dem Wärmebehandlungsofen von Ausführungsform 2 erfolgen bei Anordnung der Trennwärmedämmungen 12a und 12b an den oberen und unteren Seiten der Räume zwischen den mehreren dünnen Platten 5, die einen Reflektor 4 bilden, so dass sie im Wesentlichen parallel zu der oberen Seite 15 und der unteren Seite 16 der dünnen Platten 5 sind und das Strömen von Gas zwischen den jeweiligen dünnen Platten 5 hemmen, Konvektionen der zwischen den dünnen Platten 5 vorhandenen Gase in Bereichen 20, die durch die Wärmedämmungen 12a und 12b abgetrennt sind, und der Wirkungsgrad der Wärmedämmung des Reflektors 4 kann verbessert werden.
Ferner kann eine leitende Wärmeübertragung durch Verringern des Abstands D zwischen der Trennwärmedämmung 12a, die im Wesentlichen parallel zur oberen Seite 15 ist, und der Trennwärmedämmung 12b, die im Wesentlichen parallel zur unteren Seite 16 ist, gehemmt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmedämmung verbessert wird.
Ein Heisspressofen zum Brennen eines Materials, das wärmebehandelt werden soll, unter Pressen hat Probleme beim vollständigen Bedecken des Inneren des Ofens mit einer Metallmuffel, da ein Einführeinlass einer Pressstange vorgesehen ist. Daher pflegt die Temperatur eines Gehäuses wegen unzureichender Wärmedämmung höher als bei einem üblichen Wärmebehandlungsofen zu sein, was zu einem Problem der Schweißrissigkeit und einer Abnahme der Haltbarkeit des Gehäuses führt. Der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsofen (Ansprüche 1 bis 5), der mit dem Reflektor versehen ist, kann aber die Temperatur des Gehäuses ausreichend senken und das Problem von Schweißrissigkeit und das Problem des Minderns der Haltbarkeit des Gehäuses vermeiden.
In den Ausführungsformen 1 und 2 wird die Verwendung des Reflektors 4, der insgesamt sechs dünne Platten 5 aus Edelstahl (SUS316 und SUS304) umfasst, beispielhaft beschrieben. Das Material der dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, die Anzahl der dünnen Platten 5 und der Abstand zwischen den dünnen Platten 5, die den Reflektor 4 bilden, sind jedoch nicht besonders beschränkt und es können unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen des Wärmebehandlungsofens verschiedene Anwendungsgebiete und Abwandlungen hinzugefügt werden.
In den Ausführungsformen 1 und 2 wird der zum Entfetten und Sintern eines Keramiklaminats für ein keramisches Mehrschichtsubstrat verwendete Wärmebehandlungsofen beispielhaft beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Material, das wärmebehandelt werden soll, aber nicht darauf beschränkt, und die vorliegende Erfindung kann weit gefasst auf Wärmebehandlungsöfen zum Wärmebehandeln eines Keramiklaminats eingesetzt werden, das durch Laminieren von ein Bindemittel und verschiedene Arten von Keramikmaterialien (zu behandelnde Materialien) enthaltenden keramischen Grünfolien erzeugt wird, um zum Beispiel in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Mehrschichtkondensators das Bindemittel zu entfernen und die Materialien zu sintern.
Ferner kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf einen Wärmebehandlungsofen angewendet werden, der zum Wärmebehandeln eines keramischen Materials zum Entfernen des Bindemittels und Sintern des Materials verwendet wird, sondern auch auf die Wärmebehandlung verschiedener zu behandelnder Materialien, die in einem Wärmebehandlungsschritt ein Zersetzungsgas, Verbrennungsgas und Verdampfungsgas erzeugen.
Auch wenn in den Ausführungsformen die Verwendung der aus Keramikfasern bestehenden Wärmedämmung beispielhaft beschrieben wird, ist die Art der Wärmedämmung nicht darauf beschränkt, und es können verschiedene bekannte Materialien verwendet werden.
Auch wenn ferner die Ausführungsformen das so genannte Modulheizelement 8 verwenden, das das in der Wärmedämmung 2 eingebettete Heizelement umfasst, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen ein Modulheizelement verwendenden Wärmebehandlungsofen beschränkt und kann auch auf einen Wärmebehandlungsofen mit einer Konfiguration übertragen werden, bei der eine Wärmedämmung und ein Heizelement getrennt sind.
Im Hinblick auf andere Punkte ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Anwendungsgebiete und Abwandlungen hinzugefügt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben ist der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsofen mit einem Reflektor, der zwischen der Wärmedämmung und der Innenwand des Gehäuses angeordnet ist, zum Zurückwerfen der von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragenen Wärme versehen. Daher kann die Rückseitentemperatur der Wärmedämmung so gesteuert werden, dass sie durch Strahlungswärme höher als die Kondensationstemperatur von Bindemitteldampf ist, und es kann verhindert werden, dass der Bindemitteldampf kondensiert und in der Wärmedämmung fest wird. Dadurch ist es möglich, einen kleinen und wirtschaftlich hervorragenden Wärmebehandlungsofen vorzusehen, der kein Innengehäuse und keine Metallauskleidung eines Wärmebehandlungsbereichs benötigt und zu stabiler Wärmebehandlung für zum Beispiel das Wärmebehandeln eines Materials, das wärmebehandelt werden soll, fähig ist, das in einem Wärmbehandlungsschritt Bindemitteldampf erzeugt, beispielsweise ein Keramikmaterial, das in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils verwendet wird.
Daher kann die vorliegende Erfindung zum Herstellen verschiedener keramischer Elektronikbauteile, z. B. eines keramischen Mehrschichtsubstrats, eines keramischen Mehrschichtkondensators und dergleichen, die durch einen Schritt des Bindemittelentfernens und einen folgenden Schritt primären Brennens hergestellt werden, breit verwendet werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Wärmebehandlungsofen bereit, der kontinuierlich Bindemittelentfernen und anschließendes Brennen ausführen kann, ohne eine komplizierte Auslegung zu erfordern und die Ausstattungsgröße und Kosten zu erhöhen, zum Beispiel wenn ein Keramikformkörper in einem Prozess zum Herstellen eines keramischen Elektronikbauteils gebrannt wird.
Eine Wärmedämmung 2 ist so angeordnet, dass sie einen Wärmebehandlungsbereich 1 in einem Gehäuse 3 umgibt, und ein Reflektor 4 ist zwischen der Innenwand des Gehäuses 3 und der Dämmung 2 angeordnet, um die von dem Wärmebehandlungsbereich 1 durch die Wärmedämmung 2 übertragene Wärme zurückzuwerfen.
Es wird ein Modulheizelement 8, das ein in der Dämmung 2 eingebettetes Heizelement 7 umfasst, verwendet.
Als Reflektor 4 wird ein Reflektor mit einem Aufbau verwendet, bei dem mehrere dünne Platten 5 so angeordnet sind, dass die Hauptflächen bei einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen parallel zueinander angeordnet sind.

1: Wärmebehandlungsbereich
2: Wärmedämmung
2a: Außenfläche der Wärmedämmung
3: Gehäuse
4: Reflektor
5, 5a, 5b: dünne Platte
6: Luftschicht
7: Heizelement
8: Modulheizelement
9: Tür
10: Wärmebehandlungsofen
12a, 12b: Trennwärmedämmung
15: obere Seite
16: untere Seite
20: durch Trennwärmedämmung abgetrennter Bereich
21: Stiftschraube
D: Abstand zwischen Trennwärmedämmungen
L: Abstand zwischen der Rückseite der Trennwärmedämmung und dem Reflektor
T: Dicke des Modulheizelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 7-21389 [0013]

Claims

Wärmebehandlungsofen, welcher umfasst: ein Gehäuse; einen in dem Gehäuse angeordneten Wärmebehandlungsbereich zum Aufnehmen eines Materials darin, das wärmebehandelt werden soll; ein Heizelement zum Erwärmen des Wärmebehandlungsbereichs auf eine vorbestimmte Temperatur; eine so angeordnete Wärmedämmung, dass sie den Wärmebehandlungsbereich umgibt; und einen zwischen der Wärmedämmung und einer Innenwand des Gehäuses angeordneten Reflektor zum Zurückwerfen der von dem Wärmebehandlungsbereich durch die Wärmedämmung übertragenen Wärme.
Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptteil des Heizelements in der Wärmedämmung angeordnet ist.
Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor einen Aufbau aufweist, bei dem mehrere dünne Platten, die aus einem Metallmaterial mit Wärmebeständigkeit bestehen, so angeordnet sind, dass die Hauptflächen der dünnen Platten bei einem vorbestimmten Raum zwischen den benachbarten Hauptflächen parallel zueinander angeordnet sind.
Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwärmedämmungen zwischen den jeweiligen dünnen Platten, die den Reflektor bilden, zum Hemmen von Gaskonvektion zwischen den jeweiligen dünnen Platten angeordnet sind.
Wärmebehandlungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor so angeordnet ist, dass er die im Wesentlichen gesamte Umfangsfläche der Wärmedämmung bedeckt.