JP2014020762A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理炉内おいて搬送機で搬送されながら熱処理されるワークにおいて、ワーク内で熱処理の際の温度差を生じ難くすること、すなわち均熱処理することのできる熱処理装置を提供する。
【解決手段】天井１と、側壁２と、床３とから少なくとも構成される熱処理炉１０において、天井１に送風機２０が配設され、熱処理炉１０内でワークＷを搬送する搬送機３０が床３の上に配設され、さらに熱処理炉１０の内部に加熱機４０が配設されており、搬送機３０の上には、輻射パネルから構成されたトレイ５０が内部にワークＷを収容した状態で配設され、トレイ５０の周囲にある加熱機４０からの熱が輻射パネルに伝熱され、輻射パネルからの輻射熱がワークＷに提供される熱処理装置１００である。
【選択図】図１

Description

本発明はワークを加熱する熱処理装置に関するものである。

ワークの熱処理には様々な態様があり、たとえば、粉末材料の塊からなるワークを焼成あるいは焼鈍すること、被接続部品である２つのワークをリフロー半田接続すること、熱硬化性樹脂素材のワークを焼成して硬化させることなどが挙げられる。

ワークの熱処理には熱処理炉が一般に適用される。この熱処理炉における一般的な熱処理方法を概説するに、多数のローラやベルトコンベアなどからなる搬送機の上に板状のトレイが載置され、このトレイの上にワークが載置された状態で、トレイが搬送機にて搬送される過程で高温雰囲気の熱処理炉内で熱処理がおこなわれる。

このような熱処理炉では、ワークを載置したトレイの進行方向にヒータ等の加熱機を配設できないことから（進行方向に加熱機があるとこれが障害となってワークの搬送ができなくなるため）、熱処理炉内において搬送機の側方に加熱機を配設しておき、加熱機からの輻射熱などを利用して熱処理炉内の昇温を図るようにしている。

ところで、熱処理炉内の高温雰囲気の中でもたとえば700℃未満の比較的低い高温雰囲気の場合には熱処理炉内に熱風の対流が生じ、この対流伝熱によって炉内が昇温され易くなるが、このように対流が生じている熱処理炉内においては搬送されるトレイの位置によって風速が変化し、トレイ上に載置されたワークにはその部位ごとに伝熱温度が変化することが往々にしてある。

一方、熱処理炉内の高温雰囲気の中でもたとえば700℃以上の比較的高い高温雰囲気の場合には、加熱機からの輻射伝熱によって炉内が昇温され易くなるが、一つのワークでも加熱機から直接熱が届く部位は高温となり易く、何等かの障害があって直接熱が届かない部位（影となる部位）は高温になり難い。すなわち、熱処理炉が700℃以上の比較的高い高温雰囲気の場合においても一つのワークには部位ごとに伝熱温度が変化し易い。

このように一つのワークにおいて部位ごとに受ける熱の相違に起因した温度差があると、ワークの内部ではこの温度差によって熱歪みが発生し、この熱歪みによって生じ得る不可逆の塑性変形によって製品精度が悪化するといった問題が生じ易くなる。

また、熱処理炉内で窒化処理や浸炭処理などによってワーク表面から窒素が炭素を拡散させて固溶強化する場合において、上記するようにワーク内に温度差があると、硬化層深さが部位ごとに変化し、このことによってやはり熱歪みが生じ易くなる。

ここで、特許文献１には、従来よりも少ないエネルギでワークを均一に焼成することのできるローラハースキルンによるワークの焼成方法が開示されている。具体的には、ワークを載せたセッターを炉幅方向に所定の間隔をあけてローラ上に複数列に並べて搬送しながらローラの下面に配置したヒータによってワークを下面から加熱するものであり、ワークの上面と炉室天井面との距離を30〜150mmに接近させることにより、天井面からの輻射熱によってワークを上面から加熱するようにしたものである。このことによって、従来よりも20〜30%程度の省エネルギ効果を得ることができるとしている。

特許文献１で開示の焼成方法によれば、確かに天井面からの輻射加熱を期待することができ、下方のヒータからの輻射熱と上方の天井からの輻射熱によってワークを上下方向から加熱することが可能となる。

しかしながら、このようにワークを上下方向からの輻射熱で加熱した場合には、ワークの上方部位や下方部位の熱処理は促進されるものの、ワークの中段領域では熱処理が相対的に不十分となり易い。そのため、一つのワークにおいて熱処理の際の温度差が生じることに変わりはなく、上記する問題を解決できるものではない。

以上のことより、熱処理炉内おいて搬送機で搬送されながら熱処理されるワークにおいて、ワーク内で熱処理の際の温度差が生じ難く、すなわち、一つのワークの全ての部位に均等に熱処理をおこなうこと（均熱処理）のできる熱処理装置の発案が当該技術分野で切望されている。

特開２０１０−２３６７７９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、熱処理炉内おいて搬送機で搬送されながら熱処理されるワークにおいて、ワーク内で熱処理の際の温度差を生じ難くすること、すなわち均熱処理することのできる熱処理装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による熱処理装置は、天井と、側壁と、床とから少なくとも構成される熱処理炉において、天井に送風機が配設され、熱処理炉内でワークを搬送する搬送機が床の上に配設され、さらに熱処理炉の内部に加熱機が配設されており、搬送機の上には、輻射パネルから構成されたトレイが内部にワークを収容した状態で配設され、該トレイの周囲にある加熱機からの熱が輻射パネルに伝熱され、該輻射パネルからの輻射熱がワークに提供されるものである。

本発明の熱処理装置は、熱処理炉内の搬送機上に輻射パネルから構成されたトレイが内部にワークを収容した状態で配設されることを最大の特徴構成としたものであり、この特徴構成を前提として、さらに熱処理炉を構成する天井に送風機を配設したことにも特徴を有するものである。

ワークの周囲に輻射パネルから構成されたトレイが配設されていることから、加熱機の位置やトレイの位置などに左右されることなく、ワークの全周に位置するトレイを形成する輻射パネルがその伝熱作用によってパネル全体の温度が可及的に均一化され、全体的に温度が均一化された輻射パネルから均一な輻射熱がワークに提供されることとなる。すなわち、既述するように、熱処理炉内の温度が700℃未満で対流伝熱が顕著な場合、あるいは700℃以上で輻射熱が顕著な場合のいずれの場合も、トレイを構成する輻射パネルが全体的に均一な温度となることから、トレイ内部にあるワークにはその全周から均一な輻射熱が提供されることとなる。

また、熱処理炉の天井に位置する送風機により、加熱機からの熱で生成された熱風の下方から上方への流れが生成され、このことによってトレイ内における熱風の流れ（対流）を下方から上方への一方向に規制できることから、ワーク全体を均一に昇温することが可能となる。

ここで、「天井に送風機が配設され」とは、たとえば天井を構成するスラブに送風機が吊り下げられた形態や、天井のスラブ内に送風機が内蔵された形態などを意味している。

そして、「送風機」としては、軸流ファンや多翼ファン、還流ファンなどを挙げることができる。

また、「搬送機」としては、複数のローラが間隔を置いて配設され、それぞれのローラがモータ等のアクチュエータによって同一方向に回転してトレイを搬送するものや、ベルトコンベアなどを挙げることができる。

また、「加熱機」としては、ファンヒータ、遠赤外線ヒータ、オイルヒータなどのヒータのほか、ガスバーナ、オイルバーナ、赤外線バーナなどのバーナを挙げることができる。

また、「輻射パネルから構成されたトレイ」には多様な形態がある。まず、トレイの形状は、４つの輻射パネルから構成された四角筒状形態、輻射パネルから構成された円筒状形態があり、これら筒状の輻射パネルに加えて収容されたワークを直接載置する輻射パネルからなる底版を備えた形態、さらに筒状の輻射パネルが輻射パネルからなる蓋を備えた形態などであってもよい。また、このように底版や蓋を具備する形態においては、これらが熱風を流通させる多数の気孔を具備するものが望ましい。

そして、輻射パネルとして、その素材にタングステンやモリブデンなどの低熱膨張金属素材のものを適用することでトレイ自体の熱歪みを抑制でき、トレイの長期使用によって熱処理装置の（構成要素）のメンテナンスコストの削減を図ることができる。

この熱処理炉は、バッチ炉としても連続炉としても適用可能であり、搬送機の上に複数のトレイが間隔を置いて配設されるようにして、多数のワークの連続的な熱処理が実行される形態であってもよい。また、複数のトレイが間隔を置いて配設される搬送機を複数備えた形態であってもよい。そして、熱処理炉においては、搬送機の側方にたとえば複数の加熱機が配設でき、送風機も熱処理炉の天井においてワークの搬送方向に間隔を置いて複数の送風機を配設できる。

以上の説明から理解できるように、本発明の熱処理装置によれば、熱処理装置を構成する熱処理炉内に配設された搬送機上でトレイが搬送されるものにおいて、このトレイが輻射パネルから構成されてワークの全周を包囲するようにして搬送されることにより、加熱機の位置やトレイの位置などに左右されることなく、ワークの全周に位置するトレイを形成する輻射パネルがその伝熱作用によってパネル全体の温度が可及的に均一化され、全体的に温度が均一化された輻射パネルから均一な輻射熱をワークに提供することができ、このことによってワーク内での温度差に起因する熱歪みの発生が抑制され、熱処理後のワークの製品精度の悪化の問題を解消することができる。さらに、熱処理炉の天井に送風機が配設され、これによって加熱機からの熱で生成された熱風の下方から上方への流れが生成されることから、トレイ内における熱風の流れを下方から上方への一方向に規制することができ、ワークを全体的に、あるいはトレイを構成する輻射パネルを全体的に均一に昇温することが可能となる。

本発明の熱処理装置の横断面図であって図２のI−I矢視図である。 本発明の熱処理装置の縦断面図であって図１のII−II矢視図である。 トレイを拡大した図であって、輻射熱や熱風の上方流れをともに示した図である。

以下、図面を参照して本発明の熱処理装置の実施の形態を説明する。なお、図示例は多数のローラの組み合わせからなる搬送機とバーナからなる加熱機を示しているが、ベルトコンベアなどからなる搬送機、ヒータなどからなる加熱機であってもよい。また、図示例は一列の搬送機を示しているが、複数列の搬送機を有する装置であってもよい。さらに、トレイは気孔を有する輻射パネルからなる底版と四角筒状体を成す４つの輻射パネルから構成された形態を図示しているが、トレイの形状は図示例に限定されるものではなく、円筒状、４角形以外の多角形筒状であってもよく、また、気孔を有する天井（蓋）を具備する形態であってもよい。

（熱処理装置の実施の形態）
図１は本発明の熱処理装置の横断面図であって図２のI−I矢視図であり、図２は熱処理装置の縦断面図であって図１のII−II矢視図であり、図３はトレイを拡大した図であって、輻射熱や熱風の上方流れをともに示した図である。

図示する熱処理装置１００は、天井１、側壁２、および床３から構成される熱処理炉１０と、天井１に回転自在（Ｙ方向）に装着されたファンからなる送風機２０と、ワークＷを収容したトレイ５０とこのトレイ５０を搬送する床３上に配設された搬送機３０と、搬送機３０の上方に配設されたバーナからなる加熱機４０とから大略構成されている。

図示する熱処理装置１０は、多様な形態のワークに対して多様な目的の熱処理に供されるものであり、一例を挙げれば、磁性粉末の塊を焼鈍する目的、半導体装置を構成する複数の基板同士もしくは基板と半導体素子をリフロー半田接続する目的、ワークの表面に窒化処理や浸炭処理をおこなう目的などがある。

搬送機３０は、多数のローラ３１がトレイ５０の搬送方向（Ｘ方向）に所定の間隔を置いて併設されて構成され、不図示のサーボモータ等のアクチュエータによって各ローラ３１が同方向に回転するようになっている。

多数のトレイ５０が間隔を置いて搬送機３０の上に載置され、熱処理炉１０内を搬送される過程で熱処理され、熱処理炉１０から取り出されるようになっている。

加熱機４０を構成するバーナは天井１から搬送機３０の上方まで伸びており、平面的にはトレイ５０の載置位置の側方位置で、トレイ５０の搬送方向に間隔を置いて複数のバーナが配設されている。

天井１には、送風機２０を構成する多翼ファンが回転自在に装着されており、図示例では平面的に２基のファンが天井１の左右２つの領域にそれぞれ配設されている。

熱処理炉１０内において加熱機４０を稼働させると、その輻射熱によって熱処理炉１０内が昇温し、さらに稼働する搬送機３０によって搬送されるトレイ５０もその輻射熱によって昇温される。

また、熱処理炉１０内が所望する高温雰囲気となった際に天井１に装着された送風機２０を稼働させると、熱処理炉１０内では熱風が下方から上方の天井１側に上昇するように流れることになる（Ｚ２方向）。

図３を参照すると理解が容易となるが、図示するトレイ５０は、多数の気孔５２ａを備えた平面視矩形の底版５２と、四角形筒状の側壁５１とから構成されており、底版５２、側壁５１ともに輻射パネルから形成されている。

この輻射パネルは、加熱機４０から輻射される熱で昇温され、輻射パネルの伝熱性能で輻射パネル全体が可及的に均等に昇温し、昇温した輻射パネルからトレイ５０内に収容されているワークＷに輻射熱を提供するものである（Ｚ１方向）。

この輻射パネルには、その素材にタングステンやモリブデンなどの低熱膨張金属素材のものを適用することでトレイ５０自体の熱歪みを抑制することができ、トレイ５０の長期使用が可能となる。

トレイ５０がワークＷの周囲を輻射パネルで包囲する形態であることから、ワークＷが多様な形状形態であっても、ワークＷの全領域に輻射パネルからの輻射熱を均等に提供することができ、ワークＷの均熱処理を実現することができる。そして、このことにより、従来構造のトレイを有する従来の熱処理装置における課題、すなわち、一つのワークにおいて部位ごとに受ける熱の相違に起因した温度差が生じ、ワークの内部でこの温度差に起因する熱歪みが発生し、この熱歪みによって不可逆の塑性変形が生じて製品精度を悪化させるといった課題は効果的に解消される。

さらに、熱処理炉１０の天井１に送風機２０が装着され、この送風機２０の稼働によって熱処理炉１０内では下方から上方への熱風の流れが生じていることから、トレイ５０内における熱風の流れを下方から上方への一方向に規制することができ、ワークＷを全体的に、あるいはトレイ５０を構成する輻射パネルを全体的に均一に昇温することが可能となり、このことによってもワークＷの全体の均熱処理を実現することができる。

また、図示する熱処理装置１００は、その構成要素であるトレイ５０の構成に改良を加えただけの極めて簡易な構造改良によるものであり、装置製作コストが高騰することもない。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…天井、２…側壁、３…床、１０…熱処理炉、２０…送風機（ファン）、３０…搬送機、３１…ローラ、４０…加熱機（バーナ）、５０…トレイ、５１…側壁（輻射パネル）、５２…底版（輻射パネル）、５２ａ…気孔、１００…熱処理装置、Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. 天井と、側壁と、床とから少なくとも構成される熱処理炉において、天井に送風機が配設され、熱処理炉内でワークを搬送する搬送機が床の上に配設され、さらに熱処理炉の内部に加熱機が配設されており、
   搬送機の上には、輻射パネルから構成されたトレイが内部にワークを収容した状態で配設され、該トレイの周囲にある加熱機からの熱が輻射パネルに伝熱され、該輻射パネルからの輻射熱がワークに提供される熱処理装置。
2. 天井に配設された送風機により、熱処理炉内において、加熱機からの熱で生成された熱風の下方から上方への流れが生成される請求項１に記載の熱処理装置。
3. 搬送機の上に複数のトレイが間隔を置いて配設され、搬送される請求項１または２に記載の熱処理装置。

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