JP2006500547A - 加工品の熱処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、普通炉（１０、１０′）内を所定の搬送速度で加工品（３）を通過させ、特に塗膜（１３′、１４′）を乾燥および／または硬化させるための、加工品（３）の熱処理方法に関する。この場合、加工品は予定搬送速度よりも本質的に高い搬送速度で炉内を通過するので、これにより通過時に供給される熱エネルギーは、熱処理を完結させるために必要とされる総エネルギーよりも本質的に小さくなる。加工品（３）は炉（１０、１０′）の前方または後方において追加加熱区間（Ａ）を通過し、この追加加熱区間（Ａ）内において、加工品（３）は、近赤外線波長領域内に最大放射線密度を有するとともに、特に１００ｋＷ／ｍ^２より大きな高出力密度を有する電磁放射線の作用を受け、この追加加熱区間（Ａ）内において、熱処理を完結させるために必要な差エネルギーが供給される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された、特に塗膜を乾燥および／または硬化させるための加工品の熱処理方法、および、請求項６の上位概念に記載された対応装置に関する。

このような方法および装置は、きわめて多様な形態において従来から知られており、かつ種々の工業部門において使用されている。熱処理方法は、周知のように、歴史的にきわめて古い技術プロセスに属し、かつ、数百年来、数えきれないほどの進歩を経てきている。その間に熱処理方法は、従来の工業炉ないし熱処理区間の大きな構造容積および高いエネルギー消費の点においては、基本的に変化していない。

中波長から長波長の赤外線領域内の熱放射線および／または熱伝導および／または加工品への対流の作用に基づく典型的な熱処理方法は、比較的低い出力密度、すなわち加工品の単位表面積当たりの出力流入量で作業し、かつ、たいていの場合（多少とも容積の大きい）加工品への十分かつ完全な加熱にも依拠するので、求められる硬化を達成するためには、たいていの場合、比較的長い作用時間が必要である。これは、一方では、加熱区間を通過する１つまたは複数の加工品の搬送速度が比較的小さいこと、または、加熱区間が長いことを前提とする。

これは、同様に、（いわゆる「コイルコーティング」における）エンドレス金属テープの塗膜の乾燥ないし硬化のために通常行われている代替加熱方法、たとえば誘導加熱に対しても当てはまる。

かなり以前から、特に塗膜を乾燥ないし硬化させるために、他方では加硫方法または粘着方法に対しても、または変換プロセスを提供するためにも、高出力密度を有する近赤外線（ＮＩＲ）領域内の放射線の使用に基づく、種々の加工品に対する代替加熱方法もまた知られている。このタイプの方法およびそれに適した装置は、特に出願人が所有する文献、国際特許公開第９９／１０１６０号公報、欧州特許第１０６８０６２号公報、欧州特許第１０６２０５３号公報、ドイツ特許公開第１００２４７０６号公報または国際特許公開第０２／３２６５２号公報に開示されている。

これらの方法においては、きわめて高い出力密度で作業され、かつ、作用させる照射がそれぞれの方法のためにきわめて効率的なやり方で利用されるようにできるので、これにより、処理時間および／または加熱区間の長さを、およびプロセスの実行のために必要なエネルギー消費もまた、本質的に低下させることが可能である。

しかしながら、熱処理ステップが実行される多数の工業装置は、従来の加熱区間ないし炉を装備し、および多くの場合、技術的または経営的考慮から、改造が考えられることはない。上記の理由から、これらの装置においては、１つまたは複数の加工品のサイクルタイム、したがって搬送速度もまた、限られた範囲内においてのみ変化可能であるにすぎない。したがって、加熱区間の特性ゆえに、本質的な生産性の向上は達成できない。

それ自身既知でありかつ実際に実行されている、加工品の熱処理を含む加工方法および装置において、適切な費用で本質的な生産性の向上が達成可能な方法ならびに装置を提供することが、本発明の課題である。

この課題は、その方法に関しては請求項１の特徴を有する方法により、および、その装置に関しては請求項６の特徴を有する装置により、解決される。

本発明は、「従来の」加熱区間とＮＩＲ領域との協働的な組み合わせ、という基本的な思想を含み、この場合、この組み合わせは、実際にＮＩＲ照射装置がコンパクトであることにより、および、その結果、通常は実際には変更されない工業装置内に、比較的問題なく組込み可能であることにより、可能となる。さらに本発明は、追加のＮＩＲ照射を、「ブースタ」の意味において、これにより加工品の熱処理がパルス状に完了されるように利用するという考え方を含む。

これは一方で、加熱区間の従来の部分を加工品の予熱のために運転すること、すなわち特に加工品をより小さいサイクルタイムないしより高い搬送速度で運転することを可能にする。この結果、装置全体のサイクルタイムの本質的な低減とそれに対応する生産性の向上が可能となる。この代わりに、またはこれと組み合わせて、従来の加熱区間の改造もまた、追加のＮＩＲ照射装置がない場合に達成されるよりもより小さい熱量を加工品内へもたらすという意味において、可能である。これは、普通炉の熱出力の低減または普通加熱区間の短縮、またはそれらの両方を可能にし、場合によりエネルギーの著しい節約を可能にする。

一つの好ましい方法態様においては、近赤外線波長領域内の放射線の出力密度は２００〜１５００ｋＷ／ｍ^２、特に３００〜８００ｋＷ／ｍ^２の範囲内にある。このような出力密度により、「熱源」としてのＮＩＲ放射線のシステムに対応する利点が、特に効率的に利用可能である。

好ましい実施態様においては、追加加熱区間は、差エネルギーが必要総エネルギーの１／４〜３／４の範囲内にあり、したがって、搬送速度が予定搬送速度のほぼ１．３〜３倍であるように、その寸法が決定される。追加ＮＩＲ加熱区間によって、必要な総入熱量のより少ない部分が供給されても、またはより多くの部分が供給されてもよいが、実際に有効な解決方法は、所定の値の範囲内にあることは明らかである。加工品に対する搬送装置の対応態様がこれと関連することは当然であり、すなわち、このとき搬送装置は、通常の搬送速度の１．３〜３倍の搬送速度を提供するのに適していなければならない。

開示された方法の有利な適用は、多数の適用において可能である。ここで、加工品としては、金属支持体、プラスチック支持体または木材支持体の塗膜、特に粉末コーティング塗膜または液状ラッカーコーティング塗膜が使用され、この場合普通炉は、特に中波長ないし長波長の赤外線照射で、および／または、熱伝導および／または対流により作業する炉である。この適用においては、搬送装置、普通炉および追加加熱区間は、個々の金属支持体、プラスチック支持体または木材支持体を通過させるように形成されていることは明らかである。

他の好ましい適用は、加工品として、コーティングされたほぼエンドレスの金属テープが使用され、この場合普通炉は、特に誘導加熱区間により形成されているように設計されている。ここで、搬送装置、普通炉および追加加熱区間は、ほぼエンドレスの金属テープを貫通搬送させるように形成されている。

追加加熱区間のさしあたり実際に有効な形態においては、その照射装置は少なくとも１つの細長い管状の放射線源、特にハロゲン電球を含み、放射線源は２９００Ｋ以上の放射体温度で作動され、かつ、加工品とは反対側において、放射線源に反射体が配設されている。実際に有効な形態においては、照射装置は、強制冷却される、特に液体冷却または送風冷却される反射体本体に配設された、複数の細長い放射体を含む。

ＮＩＲ加熱区間の寸法決定、したがって特にその中に含まれているＮＩＲエミッタを有する反射体本体の寸法決定は、供給されるべき入熱量のほかに、所定の製造装置内で利用可能な構造空間との関係で行われる。この場合、比較的小さい反射体本体を導入することによる空間的な制約は、高出力エミッタおよび対応する能力のある反射体冷却を使用することにより、一部補償が可能である。他方で、十分な装着空間は、ＮＩＲ放射線出力の低減および冷却システムのより小さい寸法決定、ないしフレキシブルに組み込み可能な空気または送風冷却の、液体冷却に代わる代替使用を可能にする。

他の好ましい形態においては、追加加熱区間は、加工品を冷却するために、および／または、熱処理の間に放射領域からまたは放射領域の下流側において揮発性成分を排除するために、加工品に向けて空気流を発生させるための空気流発生装置を含む。これにより、追加ＮＩＲ加熱の作用は、プロセスの目的の意味においてサポートされ、または、この加熱区間により形成される加工品上の「加熱ピーク」は、他の加工ステーションへそれを引き渡す前に、必要に応じて再び除去することが可能である。

さらに、追加加熱区間は、加工品の少なくとも１つの物理的パラメータ、特にその表面温度を測定するための測定／評価手段と、その評価結果に応じて加工品内への差エネルギー流入量を制御するための、測定／評価手段と結合された制御手段と、を有することが好ましい。これにより、エネルギーパラメータの、全加熱区間の部分領域への調和が達成可能であることが有利である。この場合、ＮＩＲ加熱区間の測定／評価手段が、同時に普通加熱区間の制御と結合され、この制御に対し、加熱区間のこの部分の効率的な、特に省エネルギーの運転に利用可能な入力信号を供給することもまた考えられる。

本発明の利点および合目的性は、さらに従属請求項から、ならびに、図面を参照した２つの実施例の以下の説明から明らかである。

図１は、コイル５上に巻き取られるほぼエンドレスの薄鋼板３をコーティングし、かつ塗布された塗膜を乾燥するためのコイルコーティング装置１を示す。コイル５は電気駆動装置７により回転され、これにより薄板３はスプレーコーティング機９の下を通過し、かつ誘導加熱器１０上を通過して移動される。

スプレーコーティング機９により、薄板３上に、防食層または下塗り層１３のための出発物質として、水溶液１３′が供給される。水溶液１３′は、はじめに、誘導加熱器１０上で加熱された薄板からの熱伝導により加熱され、かつ一部硬化され、ないし「予備焼付」される。それに続いて、予熱されかつ予備焼付された防食層１３′′を有する薄鋼板３は、ＮＩＲ加熱区間１１を通過し、ＮＩＲ加熱区間１１内において、塗膜は、特に約２００ｋＷ／ｍ^２を超えるような高出力密度を有するＮＩＲ放射線の作用を受けて、完全に硬化される。

ＮＩＲ加熱区間１１は、断面がほぼＷ形状の複数の反射体部分１５ａを有する大きなＡｌ（アルミニウム）反射体１５を含み、反射体部分１５ａは内部において水冷却され、かつこのために冷却水配管１７を介して外部の（図示されていない）冷却器と結合されている。Ｗ形状の各反射体部分１５ａの中央に、細長い管状のハロゲン電球１９が位置している。ハロゲン電球１９には照射制御ユニット２１により電流が供給され、およびハロゲン電球１９は、２９００Ｋを超える放射体温度で、０．８μｍ〜１．５μｍの範囲内に最大強度を有するＮＩＲ放射線を出力するように制御される。

Ａｌ反射体１５内において、温度測定領域Ｂ内に、塗膜１３の表面温度を測定するためのパイロメーターエレメント２３が配置され、パイロメーターエレメント２３は照射制御ユニット２１の信号入力端と結合されている。照射は、塗膜がほぼ一定の温度に保持されるように制御され、この一定の温度は、防食層または下塗り層１３の出発物質１３′の物理的および化学的性質に応じて選択され、一般的には約２００℃である。

駆動装置７の適切な制御により、照射領域Ａ内における薄鋼板１３の通過速度は、溶媒成分を完全に蒸発させかつ層１３を熱硬化させるために十分であるよう、照射領域Ａ内に水溶液１３′が数秒間滞留できるように設定される。この場合、ＮＩＲ加熱区間１１の使用は、誘導加熱のみを有する装置に比較して、誘導加熱区間の延長なしに、特に、搬送速度の上昇に比例して供給されるべき熱出力を上昇させることなく、鋼ベルトの通過速度を本質的に上昇させることができる。

図２は、開示された解決方法の他の好ましい適用、すなわち、個々のラッカーコーティング対象物３′のためのラッカーコーティング装置１′を、同様に略図で示す。この装置の本質的な部分は、図１に示すコイルコーティング装置の部分と一致し、そのかぎりにおいては同じ符号が使用され、かつ、以下において詳細な説明は省略される。

搬送ベルト５上において駆動装置７により搬送される対象物３′は、はじめにスプレーコーティング機９の下を通過し、ここで、水性の液状ラッカー層１４′が塗布される。液状ラッカー層１４′は、それに続いて、従来型構造の（中間が切断されて示されている）トンネル炉１０′内を通過し、トンネル炉１０′内において、液状ラッカー層は予熱され、かつ部分硬化ラッカー層１４′′に変換される。それに続いて、搬送ベルト５′上の対象物３′はＮＩＲ加熱区間１１内に到達し、ＮＩＲ加熱区間１１は、図１の第１の実施形態と同様に形成されかつ機能する。ＮＩＲ加熱区間１１において、部分硬化ラッカー層は完全硬化ラッカー層１４に変換され、ラッカーコーティングされた対象物はラッカーコーティング装置から搬出される。

本発明の実施態様は、これらの例および上記の観点に制限されず、当業者が行う多数の変更態様も含まれる。すなわち、上記タイプの塗膜は、スプレーコーティング機の代わりに、ロールコーティング機またはブラシコーティング機を用いて塗布されてもよい。さらに、使用されるＮＩＲ放射線源ならびに反射体のタイプは、例に挙げられた態様と異なっていてもよく、いずれの場合においても規則的なプロセスガイドは必要ではない。

図１は、コイルコーティング装置の概略断面図である。 図２は、家具またはハウジング部分のラッカーコーティング装置の概略断面図である。

符号リスト
１ コイルコーティング装置
１′ ラッカーコーティング装置
３ 薄鋼板
３′ ラッカーコーティング対象物
５ コイル
５′ 搬送ベルト
７ 駆動装置
９ スプレーコーティング機
１０ 誘導加熱器
１０′ トンネル炉
１１ ＮＩＲ加熱区間
１３ 防食層または下塗り層
１３′ 出発物質（水溶液）
１３′′予備焼付防食層
１４ ラッカーコーティング層
１４′ 液状ラッカー層
１４′′部分硬化ラッカー層
１５ Ａｌ反射体
１７ 冷却水配管
１９ ハロゲン電球
２１ 照射制御ユニット
２３ パイロメーターエレメント
Ａ 照射領域
Ｂ 温度測定領域

Claims (14)

1. 加工品を所定の搬送速度で普通炉内を通過させ、特に塗膜を乾燥および／または硬化させるための、加工品の熱処理方法において、通過時に供給される熱エネルギーが熱処理を完結させるために必要な総エネルギーよりも本質的に小さくなるように、加工品を予定搬送速度よりも本質的に高い搬送速度で炉内を通過させ、かつ、加工品を炉の前方または後方において追加加熱区間を通過させ、この追加加熱区間内において加工品は、近赤外線波長領域内に最大放射線密度を有しかつ高出力密度、特に１００ｋＷ／ｍ^２より大きい高出力密度を有する電磁放射線の作用を受け、この追加加熱区間内において熱処理を完結させるために必要な差エネルギーが供給されることを特徴とする加工品の熱処理方法。
2. 近赤外線波長領域内の放射線の出力密度が２００〜１５００ｋＷ／ｍ^２、特には３００〜８００ｋＷ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とする請求項１の方法。
3. 差エネルギーが必要総エネルギーの１／４〜３／４の範囲内にあり、したがって搬送速度が予定搬送速度のほぼ１．３〜３倍であるように追加加熱区間の寸法が決定されていることを特徴とする請求項１または２の方法。
4. 加工品として、金属支持体、プラスチック支持体または木材支持体の塗膜、特に粉末コーティング塗膜または液状ラッカーコーティング塗膜が使用され、普通炉は、特に中波長から長波長の赤外放射線および／または熱伝導および／または対流により作業する炉であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの方法。
5. 加工品として、コーティングされたほぼエンドレスの金属テープが使用され、普通炉は、特に誘導加熱区間により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの方法。
6. 普通炉と、加工品を所定の搬送速度で炉内を通過搬送させるための搬送装置とを有する、特に塗膜を乾燥および／または硬化させるための、加工品の熱処理装置において、炉の前方または後方に配置されている追加加熱区間であって、特に１００ｋＷ／ｍ^２より大きい高出力密度を有する近赤外線波長領域内の電磁放射線の放射線帯域を発生させるための照射装置を有する追加加熱区間、および、普通炉を通過するときに加工品内に所定の必要総エネルギーを供給するために必要な予定搬送速度を本質的に超えた搬送速度を提供するように搬送装置を設定すること、を特徴とする加工品の熱処理装置。
7. 近赤外波長範囲内および２００〜１５００ｋＷ／ｍ^２、特には３００〜８００ｋＷ／ｍ^２の出力範囲内の放射線を発生するように照射装置が形成されていることを特徴とする請求項６の装置。
8. 予定搬送速度の１．３〜３倍の搬送速度を提供するように搬送装置が形成されていることを特徴とする請求項６または７の装置。
9. 個々の金属支持体、プラスチック支持体または木材支持体を通過させるように搬送装置、普通炉および追加加熱区間が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかの装置。
10. ほぼエンドレスの金属テープを貫通搬送させるように搬送装置、普通炉および追加加熱区間が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかの装置。
11. 照射装置が少なくとも１つの細長い管状の放射線源、特にハロゲン電球を含み、放射線源は２９００Ｋ以上の放射体温度で作動され、かつ加工品とは反対側において、放射線源に反射体が配設されていることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかの装置。
12. 照射装置が、強制冷却される、特に液体冷却または送風冷却される反射体本体に配設された、複数の細長い放射体を含むことを特徴とする請求項１１の装置。
13. 追加加熱区間が、加工品を冷却するために、および／または、熱処理の間に放射領域または放射領域の下流側において揮発性成分を排除するために、加工品に向けて空気流を発生させるための空気流発生装置を含むことを特徴とする請求項６〜１２のいずれかの装置。
14. 追加加熱区間が、加工品の少なくとも１つの物理的パラメータ、特にその表面温度を測定するための測定／評価手段と、その評価結果に応じて加工品内への差エネルギー流入量を制御するための、測定／評価手段と結合された制御手段とを有することを特徴とする請求項６〜１３のいずれかの装置。

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