JP2010133591A - バッチ式焼成炉の焼成方法およびバッチ式焼成炉 - Google Patents

Abstract

【目的】処理品を１０００℃以上の高温に急速加熱し且つ均一に焼成するためのバッチ式焼成炉の焼成方法およびそのためのバッチ式焼成炉を提供する。
【構成】炉内に、棒状またはパイプ状のヒーターを並設してなる棚構造を上下方向に複数段配置し、該棚構造上に処理品の積載板を載置して処理品を加熱するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、バッチ式焼成炉において、処理品を１０００℃以上の高温に急速加熱し且つ均一に焼成するためのバッチ式焼成炉の焼成方法およびそのためのバッチ式焼成炉に関する。

従来、１０００℃以上の温度に加熱する高温バッチ式焼成炉においては、図８および図９に示すように、焼成炉１の炉内にヒーター３を配置し、処理品を積載したトレー（またはセッター）４の左右方向や前後方向（図８）から処理品を加熱し、あるいはトレーの上下方向（図９）から処理品を加熱し、または、加熱方向を変えるようヒーター３を配置して処理品を加熱する手法が行われていた。図８、図９において、３はヒーター端子、５はトレー支持台である。

上記従来の手法においては、ヒーターと処理品の距離は出来る限り離して加熱し、均熱化することが一般的であり、このため炉内の容積は処理品容積の６〜１０倍を必要としていた。

また、ヒーターと処理品との距離が遠いため、ヒーターに近い場所（例えばトレーの端部９）では早く温度が上がり、ヒーターから遠い場所（例えばトレーの中央部８）では温度の上がりが遅くなり、処理品を積載するトレーの位置（トレーの上段１１、トレーの中段１０、トレーの下段１２）により温度の上がり方が異なるため、温度が均一にならず処理品の品質に悪影響を与えていた。

従来のバッチ式焼成炉においては、この影響を考慮して、均熱化のために図１０に示すように、所定の温度で温度キープ域を設け、数１０分〜数時間の間、トレー内の処理品の温度が均一になるまで待機する待ち時間が必要であり、この待ち時間によりエネルギー消費に無駄が生じ、個々の処理品の熱履歴に違いが生じ、結果として製品のバラツキを生じる原因となっていた。

さらに、上記のように、加熱中、トレー（またはセッター）に温度差が生じるため、急速に昇温した場合、トレー（またはセッター）内の温度差による熱膨張差によりトレー（またはセッター）が破損するため、急昇温は１０００℃／ｈが限界であった。

処理品を急速に加熱する方法としては、バッチ式炉以外ではローラーハース式炉（例えば、特許文献１参照）などがあるが、処理品を積載したセッターが高温ゾーンに突入した場合、進行方向に急激な温度差を生じ、セッターが破損するなどの問題があり、セッター面積を大きく出来ず、処理品の量産化に不向きであるばかりでなく、処理品そのものにも前後方向に温度差が生じ品質に悪影響を与えてしまうという難点がある。

その他、金属の熱処理などの場合、急速に加熱する方法として、予熱室と加熱室を別に設け、予熱された処理品を加熱室に急速に移動させる方法もあるが、炉の構造が複雑で設備コストが莫大となる。更に、予熱室より加熱室に移動した瞬間は高温の雰囲気に晒されるが、その瞬間以降の昇温は通常の昇温速度でしか処理出来ないという問題もある。
特開２００８−３７７３６号公報

本発明は、バッチ式焼成炉における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、処理品を１０００℃以上の高温に急速加熱し且つ均一に焼成するためのバッチ式焼成炉の焼成方法およびそのためのバッチ式焼成炉を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１によるバッチ式焼成炉の焼成方法は、炉内に棒状またはパイプ状のヒーターを並設し、該並設したヒーター上に処理品を載置して、処理品を加熱、焼成することを特徴とする。

請求項２によるバッチ式焼成炉は、炉内に、棒状またはパイプ状のヒーターを並設してなる棚構造を上下方向に複数段配置し、該棚構造上に処理品の積載板を載置して処理品を加熱するようにしたことを特徴とする。

請求項３によるバッチ式焼成炉は、請求項２において、炉の内壁面近傍に補助ヒーターを配設したことを特徴とする。

請求項４によるバッチ式焼成炉は、請求項２または３において、棒状またはパイプ状のヒーターの直径Ｄが６〜１６ｍｍの範囲にあり、並設されたヒーターの数ｎが、ヒーターの並設方向における積載板の長さＬに対し、Ｌ＜（Ｄ＋２０）×ｎの関係となるようヒーターを並設したことを特徴とする。

請求項５によるバッチ式焼成炉は、請求項２〜４のいずれかにおいて、炭化珪素あるいは黒鉛からなるヒーター、または該ヒーターをさらに絶縁性のパイプで被覆したヒーターを用いることを特徴とする。

本発明によれば、１０００℃以上の高温に急速且つ均一に加熱することができる量産可能なバッチ式焼成炉とその焼成方法が提供され、当該バッチ式焼成炉は、とくに、０．５ミクロン以下の薄い誘電体層とニッケル内部電極などの高積層を有するコンデンサーなどのＭＬＣＣ成型品を３０００℃／ｈ以上で急速に加熱昇温し、この温度域における誘電体層と電極層の引っ張り、圧縮力を緩和し、薄膜の亀裂を防止し層間の剥離現象などを防止する目的のために効果的に適用することができる。

本発明においては、炉内に棒状またはパイプ状のヒーターを並設し、該並設したヒーター上に処理品を載置して、処理品を加熱することにより、急速且つ均一な加熱を行うことができる。並設したヒーター上への処理品の載置は、通常、ヒーター上に積載板（トレー、セッターなど）を載置し、積載板上に処理品を置くことにより行われる。

実施形態としては、炉内（炉の図示は省略）に、図１に示すように、例えば直径が１０ｍｍの剛性のある細い棒状またはパイプ状のヒーター２を、例えば８本並設して棚構造を構成し、この棚構造を炉内の上下方向に複数段配置し、これらの棚構造上に、図２に示すように、処理品１４の積載板（セッター）１３を直接載置して、セッター１３上の処理品１４を加熱するようにする。

図３は、図１に示すヒーター２を８本並設して構成した棚構造を炉の上下に１０段配置した図であり、各段にセッター１３が載置される。セッター１３の上面とそのセッター１３の上方に配置されたヒーターの下面との距離ｈとヒーター２の直径Ｄとの関係は、ｈ＜４×Ｄであることが望ましい。

図７は、セッター１３を２枚並べた棚構造を５段配置した焼成炉の内部を示す図であるが、量産化のためには、ヒーター２を並設してなる棚構造を炉内の上下方向に数十段配置することが望ましい。

ヒーター２は出来るかぎり密に並設するのが望ましいが、並設するヒーター２の本数は、セッター１３に積載される処理品１４の温度分布を最適値とするために、棒状またはパイプ状のヒーター２の直径Ｄが６〜１６ｍｍの範囲で、並設されるヒーターの数ｎが、ヒーターの並設方向における積載板（セッター）１３の長さＬに対し、Ｌ＜（Ｄ＋２０）×ｎの関係となるようヒーターを並設することが望ましい。

図６は、上記の本発明に係るバッチ式焼成炉の基本構造に、ヒーター２の長さ方向、炉の断熱材からなる内壁面に補助ヒーター６、６を取り付けた実施形態を示すものである。補助ヒーター６、６を取り付けることにより、炉内の温度補償機能を可能とする焼成炉とすることができる。

図５および図７は、本発明のバッチ式焼成炉において、炉の雰囲気制御をそなえた構成を示すものである。図６に示すように、雰囲気ガスの供給管７を並設したヒーター（棚構造）の各段に配置して、雰囲気ガスをセッター１３に積載された処理品に向けて矢印Ａの方向に吹き付ける方式と、図５に示すように、雰囲気ガスの供給管７を並設したヒーター（棚構造）と直交するように炉の上下方向に数本配置して、供給管７を回動させて雰囲気ガスをセッター１３に積載された処理品に向けて矢印Ｂの方向に吹き付ける方式がある。図５に示す方式においては、雰囲気ガスの供給管７を炉の上下方向に移動させる方式を併用することもできる。これらの方式のいずれを採用するかは、炉のサイズや処理品の性状などに応じて選択される。

なお、本発明によるバッチ式焼成炉においては、ヒーターとして、炭化珪素あるいは黒鉛からなるヒーター、または当該ヒーターをさらに絶縁性のパイプで被覆したヒーターを用いるのが好ましい。

以下、本発明の実施例について説明する。この実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されない。

実施例１
炉内に、直径１０ｍｍのヒーターを８本並設して、棚構造を構成し、この棚構造を炉の上下方向に５段配置した。ヒーターの並設間隔は２５ｍｍ、各段のヒーター間隔（並設したヒーターの上面とその上に配置されたヒーターの下面との距離）は３０ｍｍとした。

ヒーターの発熱長は２００ｍｍ、炉内容積は１１．３リッターとした。また、セッターは１５０ｍｍ角で厚さ３ｍｍのアルミナ製のものを各段１枚、計５枚載置した。

上記の構成の焼成炉を用いて、２０℃より１３００℃までを８０℃／分（４８００℃／ｈ）の加熱速度で昇温した。１３００℃まで１６分で昇温したが、この時セッターに割れなどの異常は見られなかった。

昇温時のセッター上の温度として、セッター中央の温度（ｂ）、セッター端部の温度（ｃ）を測定し、プログラム温度（ａ）と比較したところ、ａ、ｂ、ｃの温度差は３℃以内であった。これに対して、上記と同サイズのセッターを５枚処理できる炉内内容積４２リッターの従来のバッチ式焼成炉においては、１３００℃まで昇温するのに７８分（９８４℃／ｈ）を要し、ａ、ｂ、ｃの温度差は、（ａ−ｂ）が最大２３０℃、（ａ−ｃ）が最大
２３０℃であった。

上記セッター（１５０ｍｍ角で厚さ３ｍｍのアルミナ製）の上方１０ｍｍ以内での温度分布は±１℃以下であり、セッターとヒーターの接触による互いの損傷や溶着などの現象はみられなかった。

本発明のバッチ式焼成炉における並設されたヒーターの実施例を示す平面図である。 図１の並設されたヒーター上にセッターおよび処理品を載置した状態を示す平面図である。 本発明のバッチ式焼成炉において、ヒーターを並設してなる棚構造を炉の上下方向に複数段配置し、棚構造上にセッターを載置した状態の実施例を示す側面図である。 図３において、補助ヒーターを配設した実施例を示す側面図である。 本発明のバッチ式焼成炉において、ヒーターを並設してなる棚構造上の処理品に雰囲気ガスを吹き付けるための雰囲気ガス供給管の配置とガス供給状態の実施例を示す平面図である。 本発明のバッチ式焼成炉において、ヒーターを並設してなる棚構造上の処理品に雰囲気ガスを吹き付けるための雰囲気ガス供給管の配置とガス供給状態の他の実施例を示す平面図である。 本発明のバッチ式焼成炉における炉内部の実施例を示す図である。 従来のバッチ式焼成炉において、炉内の側面にヒーターを配設したものを示す図である。 従来のバッチ式焼成炉において、炉内の上下面にヒーターを配設したものを示す図である。 従来のバッチ式焼成炉における昇温パターンを示すグラフである。

符号の説明

１ 炉体
２ ヒーター
３ ヒーター端子
４ トレー
５ トレー支持台
６ 補助ヒーター
７ 雰囲気ガス供給管
８ トレー中央部
９ トレー端部
１０ トレー中段
１１ トレー上段
１２ トレー下段
１３ セッター
１４ 処理品

Claims (5)

1. 炉内に棒状またはパイプ状のヒーターを並設し、該並設したヒーター上に処理品を載置して、処理品を加熱、焼成することを特徴とするバッチ式焼成炉の焼成方法。
2. 炉内に、棒状またはパイプ状のヒーターを並設してなる棚構造を上下方向に複数段配置し、該棚構造上に処理品の積載板を載置して処理品を加熱するようにしたことを特徴とするバッチ式焼成炉。
3. 炉の内壁面近傍に補助ヒーターを配設したことを特徴とする請求項２記載のバッチ式焼成炉。
4. 棒状またはパイプ状のヒーターの直径Ｄが６〜１６ｍｍの範囲にあり、並設されたヒーターの数ｎが、ヒーターの並設方向における積載板の長さＬに対し、Ｌ＜（Ｄ＋２０）×ｎの関係となるようヒーターを並設したことを特徴とする請求項２または３記載のバッチ式焼成炉。
5. 炭化珪素あるいは黒鉛からなるヒーター、または該ヒーターをさらに絶縁性のパイプで被覆したヒーターを用いることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のバッチ式焼成炉。

Images