JP2014022042A

JP2014022042A - ヒータユニットおよび熱処理装置

Info

Publication number: JP2014022042A
Application number: JP2012156142A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakanishi; 識中西; Oudo Fujita; 翁堂藤田; Hiroto Fukuda; 洋人福田; Tomohiko Tatsumi; 智彦巽
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP6076631B2; CN103546996A; KR20140009017A; KR101969044B1; CN106102189A; CN103546996B; CN106102189B

Abstract

【課題】雰囲気温度の上昇を抑制しながら被処理品を効率よく熱処理する。
【解決手段】本発明の熱処理装置１０は、熱処理炉１、熱源２１、透光部材３、およびガス流通機構４を備える。熱処理炉１は被処理品を収容するものである。熱源２１は、赤外線を放射するものが用いられる。透光部材３は、熱源２１に対向して配設され、熱源２１を雰囲気から分離するものである。透光部材３は、熱源２１から放射される赤外線の少なくとも一部を透過させる材料で形成される。ガス流通機構４は、熱源２１と透光部材３との間に形成される空間３００に冷却ガスを流通させるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータユニットおよび熱処理装置に関し、特に、輻射熱を利用した比較的低温域（例えば、３００℃以下）による熱処理に適したヒータユニットおよび熱処理装置に関する。

水や有機溶媒等の液滴が付着したり、これらの液体で湿潤した被処理品から熱によって液体成分を気化させて乾燥させるために、熱源を備えた乾燥装置が用いられる。

特許文献１には、シリコンウエハ上の水滴を乾燥させる乾燥装置として、熱源に赤外線ランプを用い、ウエハ設置台と遠赤外線ランプとの間にシリコンウエハと同一材質（Ｓｉ）のフィルタを配置したものが提案されている。フィルタは、水滴を効率よく乾燥させる波長の赤外線を透過させるが、シリコンウエハを加熱する波長の赤外線を除去する機能を有する。したがって、シリコンウエハを加熱することなく液滴のみを加熱してすばやく乾燥出来る。

特開平８−１２２２３２号公報

上記の特許文献１に記載された乾燥装置では、フィルタが赤外線を吸収するためにフィルタ自体が熱を持ち、フィルタ周辺の空気も加熱される。このため、乾燥時に被処理品から可燃性のガス（Ｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと称する。）ガスなど）が発生する場合は雰囲気温度が発火点温度まで上昇し、発火する危険性があった。例えば、リチウムイオン電池用電極では、金属箔の表面に塗布する集電体のスラリーを作成する際の溶剤としてＮＭＰが用いられることがあるため、この危険がある。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、雰囲気温度の上昇を抑制しながら被処理品を効率よく熱処理することを目的とする。

本発明のヒータユニットは、熱源、透光部材、およびガス流通機構を備える。熱源は、赤外線を放射するものが使用される。透光部材は、熱源に対向して配設され、熱源を雰囲気から分離するものである。透光部材は、熱源から放射される赤外線の少なくとも一部を透過させる材料で形成される。ガス流通機構は、熱源と透光部材との間に形成される空間に冷却ガスを流通させるように構成される。

この構成によると、透光部材を被処理品に対物配置すれば、透光部材を透過した赤外線によって被処理品が輻射加熱され、被処理品が熱処理（例えば、乾燥）される。このとき、熱源と透光部材との間に形成される空間を流れる冷却ガスにより透光部材が冷却される。すなわち、熱源から放射される赤外線の一部が透光部材に吸収されることにより、透光部材が熱を持つことがあっても、透光部材の熱は冷却ガスに奪われ、透光部材が過熱することがない。

前記ガス流通機構は、ガス導入口およびガス排出口を備え、ガス流入口から前記冷却ガスを導入し、前記空間に流通させ、ガス排出口から排出させる構成を採用出来る。

前記透光部材の材料としては、入手が容易な石英ガラスを好適に使用できる。

また、本発明の熱処理装置は、熱処理炉、熱源、透光部材、およびガス流通機構を備える。熱処理炉は被処理品を収容するものである。熱源は、赤外線を放射するものが用いられる。透光部材は、熱源に対向して配設され、熱源を熱処理炉内の雰囲気から分離するものである。透光部材は、熱源から放射される赤外線の少なくとも一部を透過させる材料で形成される。ガス流通機構は、熱源と透光部材との間に形成される空間に冷却ガスを流通させるように構成される。

この構成によると、透光部材を被処理品に対物配置すれば、透光部材を透過した赤外線によって被処理品が輻射加熱され、被処理品を熱処理（例えば、乾燥）することが出来る。このとき、熱源と透光部材との間に形成される空間を流れる冷却ガスにより透光部材が冷却される。すなわち、熱源から放射される赤外線の一部が透光部材に吸収されることにより、透光部材が熱を持つことがあっても、透光部材の熱は冷却ガスに奪われ、透光部材が過熱することがない。

前記ガス流通機構は、前記空間に接続されるガス導入管およびガス排出管を備え、ガス導入管から冷却ガスを導入し、前記空間に流通させ、ガス排出管から排出させる構成を採用出来る。また、前記ガス流通機構は、ガス流生成装置をさらに備えてもよい。

前記冷却ガスは、任意の不燃性ガスを用いることが可能であるが、コスト面から大気（常温・常圧の空気）が好適である。

また、前記熱処理炉内における前記透光部材の赤外線出射側に対向する領域へ前記被処理品を移動させる移動手段を有すると、被処理品を連続的に熱処理出来るようになり、作業効率が向上する。

本発明によれば、雰囲気温度の上昇を抑制しながら被処理品を効率よく熱処理することが可能となる。このため、熱処理時に被処理品から可燃性のガス（ＮＭＰなど）が発生しても、雰囲気温度が発火点温度まで上昇することがなく、爆発の危険性がない。

本発明の一実施形態に係る熱処理装置を示す概略構成図である。本発明の他実施形態に係る熱処理装置を示す概略構成図である。熱源および透光部材を一体化したヒータユニットの一例を示す熱処理装置の要部の断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱処理装置について説明する。

図１に示すように、熱処理装置１０は、熱処理炉１、熱源２１、透光部材３およびガス流通機構４を有する。この熱処理装置１０は、輻射熱を利用した比較的低温域（例えば、３００℃以下）による熱処理を行うのに好適なものである。

熱処理炉１は、枠体１１および断熱層１２を備える。枠体１１は耐熱性を備える材料から成る。断熱層１２は、枠体１１の内側に設けられる。この構成により、熱処理炉１は耐熱性および断熱性を備えることになる。断熱層１２にはセラミックファイバ等の断熱材を好適に用いることが出来る。なお、枠体１１の内側を中空とすることにより、断熱層１２を空気層で構成しても構わない。

本実施の形態では、熱処理炉１は、扁平な箱形状を呈しているものとする。熱処理炉１の形状はこれに限られない。例えば、有底円筒形などでもよい。熱処理炉１の天井中央部には、後述するヒータ２を装着するための矩形の取付穴１Ａが貫通している。

熱処理炉１の内部は、図における上下が狭い空間となっている。この空間に被処理品１００が収容される。熱処理炉１の内部を、上下が狭い空間としたのは、後述するヒータ２から出射される赤外線を効率よく被処理品１００に照射するためである。

被処理品１００の具体例としては、例えば、リチウムイオン電池用の電極などが挙げられる。上述したように、リチウムイオン電池用の電極は、製作時に可燃性のＮＭＰを溶剤としたスラリーが使用される。

熱源２１には、赤外線を放射し、板状をなす発熱体が用いられる。具体的には、ニクロム線発熱体、ハロゲンヒータ、カーボンヒータ等が挙げられる。なお、図１中の実線矢印は、熱源２１から放射される赤外線を現している。熱源２１に必要な出力は熱処理炉１の大きさおよび被処理品１００の処理条件によって変わる。

ヒータ２は、上記の熱源２１とセラミックファイバ等の断熱材２２を真空モールドで一体化して所定の形状に作製される。本実施の形態では、ヒータ２は角板状を呈しているものとする。なお、ヒータ２の形状はこれに限られない。例えば、熱処理炉１が有底円筒形であれば、これに対応させてヒータ２をハーフパイプ状やクォーターパイプ状に形成してもよい。

断熱材２２の底面には熱源２１が一部露出している。断熱材２２は熱源２１からの熱を遮断する。よって、ヒータ２は赤外線の放射方向に指向性を有する。すなわち、ヒータ２は断熱材２２の底面から下方に向けて赤外線を出射するように構成される。

断熱材２２の上部にはフランジ部２２Ｂが形成されている。ヒータ２を熱処理炉１に取付ける際は、断熱材２２の胴体部２２Ａを上記の取付穴１Ａに挿入する。そして、断熱材２２のフランジ部２２Ｂを熱処理炉１の外壁にビス止めなどで固定する。これにより、熱源２１が熱処理炉１の内部に臨むように、ヒータ２が熱処理炉１に取付けられる。

熱処理炉１の内壁には、取付穴１Ａの開口の周囲に支持部材５が取付けられている。支持部材５は、後述する透光部材３を支持している。

透光部材３は、ヒータ２の下方に、熱源２１から離隔して熱源２１に対向配置される。透光部材３は、熱源２１を熱処理炉１内の雰囲気から分離するものである。透光部材３の材料としては、熱源２１から放射される赤外線の少なくとも一部を透過させる材料が使用され、例えば、入手が容易な石英ガラスを好適に用いることが出来る。なお、透光部材３の材料はこれに限られない。例えば、多少高価ではあるが、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、サファイヤ等を用いることも可能である。

透光部材３は板状を呈している。透光部材３の厚みは、例えば３〜５ｍｍ程度である。なお、透光部材３の厚みはこの範囲に限られない。透過率の面では透光部材３の厚みは薄い方が有利である。

透光部材３は、熱源２１の熱処理炉１内の雰囲気からの分離を確実にするため、支持部材５との間で密着性をより高くされるのが望ましい。この密着性を高めるため、透光部材３を、シール部材（不図示。）を介して支持部材５に取付けることができる。このシール部材の材料としては、耐熱性および耐溶剤性を備えるフッ素系もしくはＳｉ系の樹脂を好適に用いることが出来る。

透光部材３を熱源２１から離隔させるのは、後述するように、熱源２１と透光部材３との間に冷却ガスを流通させるための空間３００を形成するためである。なお、図１中の波線Ｈは透光部材３の表面から放熱される熱を現している。

ガス流通機構４は、空間３００に冷却ガスを流通させるように構成される。本実施形態では、ガス流通機構４は、ガス導入管４１およびガス排出口４２を備え、ガス導入管４１から冷却ガスを導入し、空間３００に流通させ、ガス排出管４２から排出させるものである。ガス導入管４１およびガス排出管４２は熱処理炉１内にコンパクトに埋設される。

さらに、ガス流通機構４は、本発明のガス流生成装置の一例である送風機４３を備える。送風機４３は送気管４４を介してガス導入管４１に接続される。本実施形態では、空間３００を流れる冷却ガスの流量はごく小さくてよく、流量の細かな制御も不要である。したがって、送風機４３は廉価な定格小風量タイプを選択することが可能である。

なお、上記のように送風機４３をガス導入管４１に接続して冷却ガスを送り込む構成の他、送風機４３をガス排出管４２に接続して冷却ガスを吸引する構成としても構わない。

その他、高圧のガスボンベとガス流量を調整するレギュレータを用いて、ガス流生成装置を構成することも可能である。この場合は、ガス流生成装置が電力を消費しないので、ランニングコストを低減出来る。

冷却ガスは任意の不燃性ガスを用いることが可能であるが、大気（常温・常圧の空気）が好適である。大気は環境への配慮が不要であり、循環システムや冷却システムなどを構築する必要がないのでガス流通機構を低コストに実現出来る。

被処理品１００は、熱処理炉１内における透光部材３の赤外線出射側に対向する領域で熱処理される。なお、この領域へ被処理品１００を移動させる移動手段を設けてもよい。具体的には、図示のごとく搬送ローラ６を備えている。なお、移動手段は、搬送ローラ６に限られない。例えば、搬送ベルトなどでもよい。移動手段により、被処理品１００を連続的に熱処理出来るようになり、作業効率が向上する。

被処理品１００は、図示のごとく熱処理炉１の全長（図１の左右の幅）よりも長いものであっても構わない。この場合は、熱処理炉１の両側面に開口（搬入口１Ｂおよび搬出口１Ｃ）を設けることで、熱処理炉１の外部から矢印Ｓのように被処理品１００を搬入し、熱処理炉１内で順次熱処理を行いながら搬出するまでの一連の作業を自動で行うことが可能となる。なお、被処理品１００が可撓性を有するシート状のものである場合には、図２に示すように、送り出しローラ７および巻き取りローラ８をそれぞれ搬入口１Ｂ、搬出口１Ｃの外側に配置し、ロールツーロールで熱処理を連続的に行うことも可能である。

本実施形態に係る熱処理装置１０によると、透光部材３を被処理品１００に対物配置すれば、透光部材３を透過した赤外線によって被処理品１００が輻射加熱され、被処理品１００が熱処理（例えば、乾燥）される。このとき、空間３００を図中点線矢印のように流れる冷却ガスにより透光部材３が冷却される。すなわち、熱源２１から放射される赤外線の一部が透光部材３に吸収されることにより、透光部材３が熱を持つことがあっても、透光部材３の熱は冷却ガスに奪われ、透光部材３が過熱することがない。

本発明によると、雰囲気温度の上昇を抑制しながら効率よく被処理品を加熱処理することが可能となる。このため、熱処理時に被処理品１００から可燃性のガス（ＮＭＰなど）が発生しても、雰囲気温度が発火点温度まで上昇することがなく、爆発の危険性がない。

図３は、熱源および透光部材を一体化したヒータユニットの一例を示す熱処理装置の要部の断面図である。図３に示すヒータユニット２００の例では、支持部材５を、上部にフランジ部５Ｂを有する筒状とし、ヒータ２の胴体部２２Ａを支持部材５の筒内部に挿入してフランジ部２２Ｂを用いてヒータ２を支持部材５に固定している。これによって、熱源２１および透光部材３を一体化したヒータユニット２００が形成される。

ヒータ２のフランジ部２２Ｂには、ガス導入口４１’およびガス排出口４２’が貫通している。ガス導入口４１’およびガス排出口４２’の一端は、熱源２１と透光部材３との間に形成される空間３００に接続されている。したがって、ガス導入口４１’またはガス排出口４２’の他端にガス流生成装置を接続することにより、冷却ガスを空間３００に流通させることが可能である。

ヒータユニット２００を熱処理炉１に取付ける際は、支持部材５の胴体部５Ａを、熱処理炉１の取付穴１Ａに挿入する。そして、フランジ部５Ｂを用いて熱処理炉１の外壁にビス止めなどにより固定する。これにより、ヒータユニット２００を着脱自在に構成することが可能となる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…熱処理装置
１…熱処理炉
２…ヒータ
２１…熱源
２２…断熱材
３…透光部材
４…ガス流通機構
４１…ガス導入管
４１’…ガス導入口
４１…ガス排出管
４２…ガス排出管
４２’…ガス排出口
４３…送風機
４４…送気管
５…支持部材
２２Ａ…胴体部
２２Ｂ…フランジ部
１００…被処理品
２００…ヒータユニット
３００…熱源と透光部材との間に形成される空間

Claims

赤外線を放射する熱源と、
前記熱源に対向配置され、前記熱源を雰囲気から分離するとともに、前記赤外線の少なくとも一部を透過させる透光部材と、
前記熱源と前記透光部材との間に形成される空間に冷却ガスを流通させるように構成されるガス流通機構と、
を備えるヒータユニット。
前記ガス流通機構は、前記空間に接続されるガス導入口およびガス排出口を備え、前記ガス流入口から前記冷却ガスを導入し、前記空間に流通させ、前記ガス排出口から排出させる、請求項１に記載のヒータユニット。
前記透光部材が石英ガラス製である、請求項１または２に記載のヒータユニット。
被処理品を収容する熱処理炉と、
赤外線を放射する熱源と、
前記熱源に対向配置され、前記熱源を前記熱処理炉内の雰囲気から分離するとともに、前記赤外線の少なくとも一部を透過させる透光部材と、
前記熱源と前記透光部材との間に形成される空間に冷却ガスを流通させるように構成されるガス流通機構と、
を有する熱処理装置。
前記ガス流通機構は、前記空間に接続されるガス導入管およびガス排出管を備え、前記ガス導入管から前記冷却ガスを導入し、前記空間に流通させ、前記ガス排出管から排出させる、請求項４に記載の熱処理装置。
前記ガス導入管および前記ガス排出管が前記熱処理炉に埋設される、請求項５に記載の熱処理装置。
前記ガス流通機構は、ガス流生成装置をさらに備える、請求項５または６に記載の熱処理装置。
前記冷却ガスが大気である、請求項４〜７のいずれかに記載の熱処理装置。
前記透光部材が石英ガラス製である、請求項４〜７のいずれかに記載の熱処理装置。
前記熱処理炉内における前記透光部材の赤外線出射側に対向する領域へ前記被処理品を移動させる移動手段をさらに有する、請求項４〜９のいずれかに記載の熱処理装置。