JP2010190526A - 熱処理炉の運転方法と制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被熱処理体の熱処理の歩留まりを低下させることなくエネルギーロスを削減できる熱処理炉の運転方法と制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】熱処理炉（１）の現状の加熱状態からその後に搬入される被熱処理体（３）の熱処理に必要とする目標温度に炉内を昇温するに要する時間：ｔ１と、被熱処理体（３）が熱処理炉（１）に搬入される前記その後までの時間：ｔ２とを比較し、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出してヒータ（７，８）への供給電力を、“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出してヒータ（７，８）へ供給する電力よりも小さくして運転することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱処理炉のヒータへの供給電力制御の方法およびその制御装置に関するものである。

熱処理炉内の被熱処理体を高精度に熱処理する制御装置として、特許文献１には図４に示すものが開示されている。
熱処理炉１の加熱源としてのヒータ２への通電を制御している制御装置９Ａは、熱処理炉１内の温度を熱電対１５で検出し、熱電対１５の検出出力が増幅器１６を介してマイクロコンピュータ１７に取り込まれる。マイクロコンピュータ１７には冷接点補償回路１８と、記憶装置１９と、表示部２０が接続されている。

記憶装置１９は、熱電対１５の時間に対する複数の昇温特性および降温特性毎に複数の補正テーブルを記憶している。熱電対１５にて測定された炉内温度は、マイクロコンピュータ１７において、記憶装置１９に記憶されている補正テーブルの補正値に基づいて補正される。この補正された炉内温度を被処理体の検出温度として、目標温度に近づくようにヒータ２への通電をフィードバック制御して、リアルタイムで被処理体を正確な温度で熱処理しようとしている。また、リアルタイムで 正確に温度表示しようとしている。

熱処理炉１には、被熱処理体３を水平方向に支持する複数のローラ４が並列に、かつ水平方向の軸心廻りに回転可能に設置されており、ローラ４の回転方向に被熱処理体３を搬送している。
特開２００５−３１５４９１号公報

しかしながら、特許文献１の運転方法では、ヒータ２への通電をオフして炉の温度を低下させた状態から、再度、ヒータ２への通電をオンして炉の温度を復帰させる時に、ヒータ２の温度や炉内の雰囲気温度のみを熱電対１５で確認して通電制御の処理を開始していたため、被熱処理体を正確な温度で熱処理できない危険がある。

詳しく述べると、特許文献１の構成では炉壁温度は測定されずにヒータ温度や炉内の雰囲気温度のみ確認して被熱処理体の処理を開始していたため、炉壁温度が目標の温度に達していないのにもかかわらず処理を開始してしまい、被熱処理体を正確な温度で熱処理できない。

そのため、炉の蓄熱を完了するまでの時間を見積もる際には時間に十分の裕度を取る必要があり、熱処理炉の温度を復帰させるのに時間が非常にかかるという問題点がある。
また、炉のヒータ２をオフに制御して炉の温度が低下した状態から、ヒータ２をオンに制御して炉の温度を復帰させるのに最適なタイミングを決定しなければならないという問題点もある。

このように従来の熱処理炉１では、被熱処理体が処理されていない時に炉のヒータ２への通電をオフに制御することは被熱処理体の歩留まりの低下を招く危険があるため、被熱処理体が熱処理炉１で処理されていない時も常にヒータ２への通電をオンにしておかなければならず、エネルギーロスが大量に発生しているのが現状である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、被熱処理体の熱処理の歩留まりを低下させることなくエネルギーロスを削減できる熱処理炉の運転方法と制御装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の熱処理炉の運転方法は、ヒータによって加熱されている炉内に搬入された被熱処理体を熱処理して搬出する熱処理炉の前記ヒータへの供給電力を制御するに際し、前記熱処理炉の現状の加熱状態からその後に搬入される被熱処理体の前記熱処理に必要とする目標温度に炉内を昇温するに要する時間：ｔ１と、被熱処理体が前記熱処理炉に搬入される前記その後までの時間：ｔ２とを比較し、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへの供給電力を、“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへ供給する電力よりも小さくして運転することを特徴とする。

本発明の請求項２記載の熱処理炉の運転方法は、請求項１において、前記目標温度に炉内を昇温するに要する時間：ｔ１を、前記熱処理炉の炉内の壁面温度：Ｔｈ１と、前記熱処理炉の炉外の壁面温度：Ｔｈ２と時々の前記炉内の壁面温度：Ｔｈ１との温度差：Ｔｈ１−Ｔｈ２に基づいて前記熱処理炉の蓄熱が完了するまでの時間として計算することを特徴とする。

本発明の請求項３記載の熱処理炉の運転方法は、請求項１において、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して、前記ヒータへの供給電力を被熱処理体が前記熱処理炉に搬入される直前までオフすることを特徴とする。

本発明の請求項４記載の熱処理炉の制御装置は、ヒータによって加熱されている炉内に搬入された被熱処理体を熱処理して搬出する熱処理炉の前記ヒータへの供給電力を制御する熱処理炉の制御装置であって、前記熱処理炉の炉内の壁面温度：Ｔｈ１を検出する第１の温度検出手段と、前記熱処理炉の炉外の壁面温度：Ｔｈ２を検出する第２の温度検出手段と、前記第１，第２の温度検出手段から得られる炉内の壁面温度：Ｔｈ１と炉外の壁面温度：Ｔｈ２に基づいて前記熱処理炉の蓄熱が完了するまでの時間：ｔ１を計算する第１の処理手段と、被熱処理体が前記熱処理炉に搬入されるまでの時間：ｔ２を計算する第２の処理手段と、前記時間：ｔ１と前記時間：ｔ２とを比較し、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへの供給電力を、“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへ供給する電力よりも小さくして運転する第３の処理手段とを設けたことを特徴とする。

この構成によると、熱処理炉の現状の加熱状態と被熱処理体が熱処理炉に搬入されるタイミングに応じてヒータへの供給電力を、被熱処理体の熱処理の歩留まりを低下させることなくエネルギーロスを削減できる。

以下、本発明の熱処理炉の運転方法を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は熱処理炉１と本発明の制御装置を示す。
熱処理炉１は、天部と底部にヒータ２が配置されている。ヒータ２から適当距離だけ離れた位置で被熱処理体３を水平方向に支持する複数のローラ４が並列に、かつ水平方向の軸心廻りに回転可能に設置されており、ローラ４の回転方向に被熱処理体３を搬送している。

熱処理炉１のヒータ２への供給電力を制御するこの制御装置は、コンピュータ５とヒータ制御コントローラ６と、熱処理炉１の温度を検出する熱電対７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄとを備えている。

熱電対７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは炉内の壁面温度を測定するものであり、熱電対８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは炉外の壁面温度を測定するものである。
なお、この実施の形態では、熱処理炉１の炉内に搬入されて熱処理を受ける被熱処理体３は、予め決められた生産計画に基づいて、前工程で例えば電極用塗料の塗布が完了して搬出されてきたものが、所定の間隔で熱処理炉１に搬入されている。そこで制御装置９のコンピュータ５には、前記生産計画に基づいて生産中で熱処理炉１に搬入直前の被熱処理体３が、既知の生産ラインの何れの位置において処理中であるのかを表す位置情報１０が入力されている。

コンピュータ５には、ヒータ制御コントローラ６を介してヒータ２への通電がオフされて炉の温度が低下した状態から、ヒータ制御コントローラ６を介してヒータ２への通電をオンして熱処理炉１の炉内の温度が、熱処理炉１の現状の加熱状態からその後に搬入される被熱処理体３の前記熱処理に必要とする目標温度に炉内を昇温するのに要する時間：ｔ１を計算する第１プログラム１１と、搬入直前の被熱処理体３の位置情報１０に基づいて最短で被熱処理体３が熱処理炉１に搬入される時間：ｔ２を計算する第２プログラム１２と、第１プログラム１１の計算結果の時間：ｔ１と第２プログラム１２の計算結果の時間：ｔ２とを比較して、熱処理炉１の炉内の温度を前記目標温度に復帰させるのに時間の余裕があるのかを判断する第３プログラム１３が書き込まれている。

この第１〜第３のプログラムはコンピュータ５のマイクロコンピュータ１４によって実行されて演算処理される。コンピュータ５の構成を説明する。
炉内が目標温度になるようにヒータ２への通電を制御して被熱処理体３の熱処理時には、図２に示すように炉外の壁面温度はＴｈ２２でほぼ安定している。熱処理中の被熱処理体３の熱処理が完了した後の時刻Ｔ１にヒータ２への通電をオフすると、炉外の壁面温度が低下する。炉外の壁面温度がＴｈ２１になった時刻Ｔ２にヒータ２への通電を再開して、炉内が目標温度になって炉外の壁面温度が再び時刻Ｔ３にＴｈ２２に復帰した場合を表している。

前記時刻Ｔ１から、時刻Ｔ３よりも前の時刻Ｔ２にわたってヒータ２への通電がオフ制御することにより熱処理炉１の省エネルギー化を図れる。この実施の形態では時刻Ｔ３が決まっており、時刻Ｔ２を適切に設定することによって被熱処理体３の熱処理の歩留まりを低下させないものである。

図３はコンピュータ５の具体的なフローチャートを示している。
コンピュータ５は時刻Ｔ１にステップＳ１において、ヒータ制御コントローラ６を介してヒータ２への通電をオフする。

ステップＳ２では、熱電対７ａ〜７ｄの炉内の壁面温度と熱電対８ａ〜８ｄの炉外の壁面温度を第１プログラム１１に従って読み取る。
ステップＳ３では、第１プログラム１１に従って炉内の壁面温度と炉外の壁面温度との温度差から復帰に必要な時間ｔ１を計算する。

一方、ステップＳ４では、第２プログラム１２に従って搬入直前の被熱処理体３の位置情報１０を読み取る。
ステップＳ５では、搬入直前の被熱処理体３の位置情報１０と既知の生産ラインの構成などに基づいて、他の生産工程でトラブルに遭うことがなく次の被熱処理体３が最短で熱処理炉１に搬入される時間：ｔ２を計算する。

ステップＳ６では、第３プログラム１３に従って時間ｔ１と時刻ｔ２を比較する。具体的には、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出した場合、つまり、次の被熱処理体３が熱処理炉１に搬入されるまでの残り時間が、復帰に必要な時間ｔ１よりも長い場合には、ステップＳ１に戻って、ヒータ制御コントローラ６を介してヒータ２への通電をオフする状態を継続して、第１，第２，第３プログラム１１，１２，１３を、ステップＳ６で“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出するまで繰り返す。

ステップＳ６で“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出した場合、つまり、次の被熱処理体３が熱処理炉１に搬入されるまでの残り時間が、復帰に必要な時間ｔ１以下の短い残り時間になったと判定した場合には、ステップＳ７においてヒータ制御コントローラ６を介してヒータ２への通電を再開して時刻Ｔ３における次の被熱処理体３の搬入に備え、時刻Ｔ３になると直ちに熱処理を開始できて歩留まりを低下させ無いように、生産状況にあわせて制御する。

このように、被熱処理体３が熱処理炉１で処理されていない時にヒータ２をオフにして熱処理炉１全体の温度が下がっても、処理が再開されるまでには熱処理炉１の温度を十分安全に復帰させることができるようになり、歩留まりを低下させること無くエネルギーロスを低減できる。

なお、熱処理炉１の蓄熱が完了したか判断するには、熱処理炉１の炉内の壁面温度の時間変化と炉外の壁面温度の時間変化のどちらか一方の温度を検出すれば、判断をすることが可能である。しかしながら、ヒータ２をオフにしたことにより熱処理炉１の全体の温度が低下した状態からヒータ２をオンにして熱処理炉１の蓄熱を完了させるまでに要する時間ｔ２をする場合は、その状態の炉内の壁面温度と炉外の壁面温度の両壁面温度を測定しなければ時間ｔ２を算出することはできない。時間ｔ２はヒータ２から炉内の壁面へ熱放射によって熱移動が発生する輻射熱の関係式、炉壁の中を伝わる熱伝導の関係式、炉壁から大気中へ熱移動が発生する熱伝達および熱放射の関係式に基づいてコンピュータ５によって算出する。

上記の実施の形態では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間にはヒータ２への通電をオフしたが、時刻Ｔ２から時刻３までの復帰に要する通電時間を短くするために、熱処理中よりも低い電圧を時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間にわたってヒータ２に印加し続ける予熱状態としたり、または、熱処理中と同じ電圧であるけれども間欠にヒータ２に印加する予熱状態であっても、従来に比べて良好な結果を得ることができ、本発明は、“ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出してヒータ２への供給電力を、“ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出してヒータ２へ供給する電力よりも小さくして運転することによって、熱処理炉の現状の加熱状態と被熱処理体３が熱処理炉に搬入されるタイミングに応じてヒータへの通電電力を、被熱処理体３の熱処理の歩留まりを低下させることなくエネルギーロスを削減できるものであると言える。

上記の各実施の形態では、最短で被熱処理体３が熱処理炉１に搬入される時間：ｔ２が、生産計画と既知の生産ラインにおける位置情報１０から計算した場合を例に挙げて説明したが、熱処理炉１の搬入路中で、熱処理炉１から距離Ｄだけ手前の特定位置に被熱処理体３が到着したことを検出して、被熱処理体３の熱処理炉１への搬送速度と熱処理炉１から前記特定位置までの距離Ｄから最短で被熱処理体３が熱処理炉１に搬入される時間：ｔ２を計算しても同様である。

上記の各実施の形態のヒータは、抵抗線に電流を流して発熱させる抵抗発熱体、誘導加熱など、各種の加熱手段を含んでいるものである。

本発明は、各種ディスプレイのガラスパネルへの電極の焼成処理など、被熱処理体を熱処理する熱処理炉を適正に運転することで、被熱処理体の生産性の向上とエネルギーロスの低減に有効である。

本発明の実施の形態で用いた熱処理炉と本発明の制御装置の構成図 同実施の形態で用いた熱処理炉の温度プロファイル図 同実施の形態における制御装置のコンピュータのフローチャート図 熱処理炉の断面と従来の制御装置の構成図

１ 熱処理炉
２ ヒータ
３ 被熱処理体
４ ローラ
５ コンピュータ
６ ヒータ制御コントローラ
７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄ 熱電対
９ 制御装置
１０ 位置情報
１１ 第１プログラム
１２ 第２プログラム
１３ 第３プログラム
１４ マイクロコンピュータ

Claims (4)

1. ヒータによって加熱されている炉内に搬入された被熱処理体を熱処理して搬出する熱処理炉の前記ヒータへの供給電力を制御するに際し、
   前記熱処理炉の現状の加熱状態からその後に搬入される被熱処理体の前記熱処理に必要とする目標温度に炉内を昇温するに要する時間：ｔ１と、被熱処理体が前記熱処理炉に搬入される前記その後までの時間：ｔ２とを比較し、
   “ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへの供給電力を、
   “ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへ供給する電力よりも小さくして運転する
   熱処理炉の運転方法。
2. 前記目標温度に炉内を昇温するに要する時間：ｔ１を、
   前記熱処理炉の炉内の壁面温度：Ｔｈ１と、
   前記熱処理炉の炉外の壁面温度：Ｔｈ２と時々の前記炉内の壁面温度：Ｔｈ１
   との温度差：Ｔｈ１−Ｔｈ２に基づいて前記熱処理炉の蓄熱が完了するまでの時間として計算する
   請求項１記載の熱処理炉の運転方法。
3. “ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して、前記ヒータへの供給電力を被熱処理体が前記熱処理炉に搬入される直前までオフする
   請求項１記載の熱処理炉の運転方法。
4. ヒータによって加熱されている炉内に搬入された被熱処理体を熱処理して搬出する熱処理炉の前記ヒータへの供給電力を制御する熱処理炉の制御装置であって、
   前記熱処理炉の炉内の壁面温度：Ｔｈ１を検出する第１の温度検出手段と、
   前記熱処理炉の炉外の壁面温度：Ｔｈ２を検出する第２の温度検出手段と、
   前記第１，第２の温度検出手段から得られる炉内の壁面温度：Ｔｈ１と炉外の壁面温度：Ｔｈ２に基づいて前記熱処理炉の蓄熱が完了するまでの時間：ｔ１を計算する第１の処理手段と、
   被熱処理体が前記熱処理炉に搬入されるまでの時間：ｔ２を計算する第２の処理手段と、
   前記時間：ｔ１と前記時間：ｔ２とを比較し、
   “ｔ１ ＜ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへの供給電力を、
   “ｔ１ ≧ ｔ２”の状態を検出して前記ヒータへ供給する電力よりも小さくして運転する第３の処理手段と
   を設けた熱処理炉の制御装置。

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