JP2024020360A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積の板状又はシート状の被加熱物の面内の高い温度均一性を達成する加熱装置を提供する。【解決手段】複数の矩形状の加熱プレートと、上下方向で対向する加熱プレートの加熱面により画定される、被加熱物を収容するための加熱スペースと、を有し、加熱プレートの各々は、矩形状の金属製プレートと、金属製プレートに内蔵された複数の面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅと、を有し、複数の面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅは、金属製プレートの中央領域に配置された中央面状ヒータ１１Ａと、中央面状ヒータの外周を囲む複数の外周面状ヒータ１１Ｂ～１１Ｅからなる。【選択図】図６

Description

本発明は、比較的大面積のガラス基板や半導体リードフレームあるいはその他の金属板や合成樹脂板などの各種板状部材またはシート状部材の熱処理に使用される加熱装置に関する。

液晶表示パネルなどの構成部材である比較的大型のガラス基板を熱処理する装置としては、放熱板の加熱によって両面から遠赤外線を放射する両面加熱式の遠赤外線パネルヒータからなる多数の棚状ヒータを、炉本体内に上下方向に一定間隔で多段配置し、これらの棚状ヒータの間に形成される各空間部分をそれぞれ乾燥室とした加熱炉が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の加熱炉の場合には、両面加熱式の遠赤外線パネルヒータからなる多数の棚状ヒータが配置されているため、これらの棚状ヒータの間に形成される各空間部（乾燥室）を効率的に加熱することができる点では優れている。

しかしながら、上下方向に配置された多数の棚状ヒータから発される熱は、加熱炉内を上昇して炉内の天壁寄りの領域に集まる傾向があるため、炉内上部領域の温度は、炉内下部領域の温度より高くなり、このような炉内上部領域と炉内下部領域との間の温度差をなくすことは極めて困難である。

特許文献２は、断熱材で囲まれた空間内に距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、加熱用壁体に設けられた発熱手段と、加熱用壁体の間に距離を隔てて配置された複数の伝熱壁体と、伝熱用壁体の間に棚状に配置された複数の熱放射部材と、上下方向に隣り合う熱放射部材の間に設けられた被加熱物の加熱スペースとを備えた構成とした加熱装置を開示している。
特許文献２に開示された加熱装置は、垂直方向に設けられた加熱用壁体により加熱するため、加熱スペース内に収容することのできる被加熱物のサイズが限定される。特許文献２に開示の技術は、そもそも大面積の板状またはシート状の被加熱物を均一に加熱することを想定していないため、大面積の被加熱物の面内において温度を均一に加熱することは困難である。

特開２００１－３１７８７２号公報 特開２００５－３５２３０６号公報

一般的に、広い面内で精度良く温度分布を均一にすることは、加熱装置は大気中に配置されて常に外乱の影響を受けるため難しい。多数のヒータおよび多数の温度センサーを設置して面内の温度管理をすれば、広い面積を精度良く均等に加熱することも可能であるが、装置のコストが高くなる。また、多数のヒータおよび多数の温度センサーを設置すると、加熱スペースを上下方向に積み重ねることも難しい。

本発明が解決しようとする課題は、低コストで大面積の板状またはシート状の被加熱物を均一に加熱することができる加熱装置を提供することにある。

本発明の加熱装置は、上下方向に間隔を隔てて配置された複数の矩形状の加熱プレートと、
上下方向で対向する前記加熱プレートの加熱面により画定される、被加熱物を収容するための加熱スペースと、を有し、
前記加熱プレートの各々は、
矩形状の金属製プレートと、
前記金属製プレートに内蔵された複数の面状ヒータと、を有し、
前記複数の面状ヒータは、金属製プレートの中央領域に配置された中央面状ヒータと、前記中央面状ヒータの外周を囲む複数の外周面状ヒータからなる。

前記複数の外周面状ヒータは、
被加熱物の前記加熱スペースへの搬入方向において、前記中央面状ヒータの両側に隣接配置された第１および第２の面状ヒータと、
前記搬入方向に直交する方向において、前記中央面状ヒータの両側に隣接配置され、かつ、前記加熱プレートの一端部から他端部に延在している第３および第４の面状ヒータと、からなる。

代替的には、前記複数の外周面状ヒータは、
被加熱物の前記加熱スペースへの搬入方向において、前記中央面状ヒータの両側に隣接配置され、かつ、前記加熱プレートの一端部から他端部に延在している第１および第２の面状ヒータと、
前記搬入方向に直交する方向において、前記中央面状ヒータの両側に隣接配置されている第３および第４の面状ヒータと、からなる。

代替的には、前記複数の外周面状ヒータは、
前記加熱プレートの四隅に配置された第１～第４の面状ヒータと、
被加熱物の前記加熱スペースへの搬入方向および当該搬入方向に直交する方向において、
前記中央面状ヒータの両側にそれぞれ隣接配置された第５～第８の面状ヒータとからなる。

本発明によれば、対向する加熱プレートの間に加熱スペースを画定し、加熱プレートに内蔵させる面状ヒータの構成を最適化したので、大面積の板状又はシート状の被加熱物を均一に加熱できる。

本発明の一実施形態である加熱装置を示す正面図。 図１に示す加熱装置の側面図。 図１に示す加熱装置の加熱スペースに被加熱物を入れてセットする様子を示す拡大側面図。 図１に示す加熱装置の加熱スペースに被加熱物をセットした時の様子を示すもので、図３Ａに対応する拡大側面図。 図１に示す加熱装置の加熱スペースから被加熱物を取り出す様子を示すもので、図３Ａに対応する拡大側面図。 加熱プレートの平面図。 面状ヒータの構成図。 加熱プレートの側面図。 本発明の第２の実施形態に係る加熱プレートの面状ヒータの構成図。 本発明の第３の実施形態に係る加熱プレートの面状ヒータの構成図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。
図１および図２に示すように、加熱装置１は、上下方向に等間隔に配置された複数枚の矩形状の加熱プレート１０を有し、対向する加熱プレート１０，１０により画定される板状又はシート状の被加熱物を収容するための加熱スペース３０を有する。加えて、それぞれの加熱プレート１０の温度を調節するための温度調節装置４０を有する。

図１は、加熱装置１の正面を示すもので、複数の加熱プレート１０は、その正面側の左右端部が左右一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒによって支えられるとともに、その背面側の左右端部も同じように左右一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒによって支えられている。正面側および背面側の一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒのそれぞれは、互いに対向して配置され、それらの対向面には複数の断面矩形状の溝上下方向に等間隔（加熱スペース３０の高さに相当）で水平方向に形成されている。これら複数の溝には、加熱プレート１０の正面側および背面側の左右端部がそれぞれ嵌入され、それぞれの加熱プレート１０が上下方向に位置決めされる。加熱スペース３０内に収容された被加熱物は、上下の加熱プレート１０により加熱される。

加熱スペース３０の正面側および背面側は開口し、加熱スペース３０の両側面も支持板５０Ｌ，５０Ｌの間および支持板５０Ｒ，５０Ｒの間が開口している。すなわち、加熱スペース３０の四方が開口している。なお、加熱スペースは四方が開口している場合もあるが、搬入方向のみ開口、または、搬入方向に扉を付けて全面閉口の場合もあり得る。
各加熱スペース３０に開口部を備えることで、加熱装置１による熱処理工程を他の工程と連続的に接続することが可能となる。

各一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒの対向面には、さらに被加熱物２０を加熱スペース３０内に案内するための断面Ｌ字形状の帯状のガイド部材６０Ｌ、６０Ｒが図示しないネジ等を用いて固定されている。ガイド部材６０Ｌ、６０Ｒは、加熱装置１の前後方向Ｌ（図２参照）に向けて水平に配設されている。ガイド部材６０Ｌ、６０Ｒの手前側（加熱装置１の前側、図２において左側）には、被加熱物２０を加熱スペース３０内にスムーズに導くための誘い込み部材６１Ｌ(不図示)、６１Ｒが取り付けられている。

加熱装置１の正面側および背面側の一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒそれぞれの上端側及び下端側は、それぞれ天板７１及び底板７２によって連結されている。底板７２の下面にはそれぞれ短めの脚部材７３Ｌ、７３Ｒが取付けられ、これらの脚部材７３Ｌ、７３Ｒの下端部は中板７４に固定されている。中板７４の下面にはそれぞれ長めの脚部材７５Ｌ、７５Ｒが取付けられ、これらの脚部材７５Ｌ、７５Ｒの下端部は基台７６に固定されている。

加熱装置１の正面側の左右一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒとその背面側の左右一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒはステンレス鋼で形成され、天板７１、底板７２、脚部材７３Ｌ、７３Ｒ、中板７４、脚部材７５Ｌ、７５Ｒ及び基台７６は、左右一対の支持板５０Ｌ、５０Ｒと同材質のステンレス鋼で形成されるのが好ましいが、これに限定されず、アルミニウムやアルミニウム合金（あるいは輻射熱の発散を抑制するため光沢のない表面処理を施したアルミニウムやアルミニウム合金）で形成しても良い。支持板５０Ｌ、５０Ｒは、ステンレス鋼以外の金属も使用する。アルミニウムやアルミニウム合金などで形成してもよい。

図３Ａに示すように、板状の被加熱物２０を誘い込み部材６１Ｌ、６１Ｒ側から加熱スペース３０内に水平に挿入される。図３Ｂに示すように、被加熱物２０は上下の加熱プレート１０で挟まれた状態で加熱される。加熱処理後には、被加熱物２０は図３Ｃに示すように、誘い込み部材６１Ｌ、６１Ｒ側とは反対側の背面側の開口部から水平方向に搬出される。なお、本実施形態では、背面側の開口部から水平方向に搬出したが、これに限定されるわけではなく、いずれの開口部からも被加熱物を搬出することができる。

ここで、本実施形態に係る加熱プレート１０について説明する。
加熱プレート１０は、図４～図６に示すように、矩形状を有しており、複数(５個)の面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅを内蔵している。ここで、面状ヒータ１１Ｄ側から被加熱物が搬入されるものとし、これを搬入方向Ｖとする。
加熱プレート１０は、図５に示すように、面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅをこれらの両面からステンレス合金等の金属製プレート１５Ａ，１５Ｂで挟んだ構成となっている。金属製プレート１５Ａ，１５Ｂは、周縁部が溶接等により互いに接合されている。加熱プレート１０の両面を構成する金属製プレート１５Ａ，１５Ｂが同様の温度分布となる。

図６に示すように、面状ヒータ１１Ａは加熱プレート１０の中央部に配置された矩形状の中央面状ヒータであり、面状ヒータ１１Ｂ，１１Ｃは搬入方向Ｖにおいて面状ヒータ１１Ａの両側に隣接配置された矩形状の第１および第２の面状ヒータであり、面状ヒータ１１Ｄ，１１Ｅは搬入方向Ｖに直交する方向において面状ヒータ１１Ａの両側に隣接配置され、かつ、加熱プレート１０の一端部から他端部に延在している第３および第４の面状ヒータである。
面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅのそれぞれは、例えば、略矩形状のマイカ等の電気絶縁性のシート状物に発熱線をジグザグ形状に折り返しながら配線したものである。また、加熱プレート１０に内蔵される面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅは、例えば、以下に説明する面状ヒータ、あるいは帯状のヒータであっても良い。
面状ヒータには、発熱線（発熱線）の材質や形状によって、例えば次のような２タイプが一例として挙げられる。
１）ワイヤータイプ（兼線タイプとも言う）
材質：Ｎｉ－Ｃｒ系（ニクロム線）、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ系（鉄クロ線）、カンタル線等
例えば、ワイヤー状の発熱線を絶縁物に巻付ける、もしくは絶縁物平面に遣わすようにして配線したものである。絶縁物にワイヤーを巻付けたタイプの場合は、巻付けのピッチを変化させることで粗密巻きが可能となる。また、絶縁物平面にワイヤーを遣わせるタイプの場合は、ワイヤーのレイアウトにより親密面を確保することが可能となる。
２）帯状タイプ（テープ状タイプとも言う）
材質：Ｎｉ－Ｃｒ系（ニクロム線）、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ系（鉄クロ線）、ステンレス系線等
帯状の発熱線を絶縁物に巻付けるか、もしくはシート状からエッチングにより平面状に配線したものである。絶縁物に帯を巻付けたタイプの場合は、巻付けるピッチを変化させることで親密巻きが可能となる。また、エッチングよって成型されたタイプの場合は、パターンレイアウトにより粗密面を実現可能となる。

面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅのそれぞれは、単位面積あたりの発熱量が面内で均一になるように形成されている。
また、面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅの間では、単位面積あたりの発熱量が等しく形成されていてもよいし、異なるように形成されていてもよい。
例えば、加熱プレート１０の左右における外乱が非常に大きく、中央領域における外乱が小さいような場合に、面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅの間で単位面積あたりの発熱量が等しと、加熱プレート１０の全体の面内で温度を均一にできない場合も考えられる。このため、左右に配置された面状ヒータ１１Ｂ，１１Ｃの単位面積当たりの発熱量(出力)を、同じ電流値の下で、残りの面状ヒータ１１Ａ，１１Ｄ，１１Ｅの単位面積当たりの発熱量(出力)よりも大きくすることができる。

各加熱プレート１０には、一または複数の温度センサー１７が設けられている。温度センサー１７は、例えば、熱電対からなる。本実施形態では、面状ヒータ１１Ａと面状ヒータ１１Ｃの中央部に設けられている。
温度センサー１７の数は、特に限定されないが、少なくとも一つは必要である。温度センサー１７が一つの場合には、予め加熱プレート１０の温度分布を解析しておき、１箇所の温度センサー１７の値から加熱プレート１０の各箇所の温度を予測してもよい。
全ての面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅに温度センサー１７を設けてもよいが、コスト低減の観点からは温度センサー１７は少ない方が好ましい。本実施形態では、加熱プレート１０は、前後および左右で面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅが対称に配置されているので、面状ヒータ１１Ａと面状ヒータ１１Ｃの中央部に設けた２つの温度センサー１７の検出した温度から、残りの面状ヒータ１１Ｂ，１１Ｄ，１１Ｅの温度を推定する。

図６に示したように、各面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅには、複数の給電線１６が接続されており、これらの給電線１６は全て一端側に導出され、温度調節装置４０に接続される。また、一部の給電線１６は隣接する面状ヒータの間を通過している。このような構成により、給電線１６が邪魔になることなく、複数の加熱プレート１０を積み上げることが可能となる。

本実施形態では、加熱プレート１０の左右、すなわち、面状ヒータ１１Ｂ，１１Ｃが配置された領域が他の領域よりも温度が低下しやすい環境に置かれた場合を想定している。
各面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅの温度制御はそれぞれ独立に目標温度に追従するように実施されてもよいが、本実施形態では、コスト低減等の観点から、中央領域の面状ヒータ１１Ａ，１１Ｄ，１１Ｅを一つのグループ、左右の面状ヒータ１１Ｂ，１１Ｃを一つのグループとし、グループ毎に独立に温度制御を実行する。

本実施形態では、加熱プレート１０が受ける環境外乱に応じて加熱プレートに内蔵させる面状ヒータを複数に分割し、加熱プレート１０の発熱量の面内分布を加熱プレート１０が設置される環境から受ける外乱に対応可能にしている。加熱プレート１０の発熱量の面内分布を環境外乱に応じて最適化するとともに、上記した温度調節装置４０との組み合わせによって、加熱プレート１０の温度の高い面内均一性を実現できる。
また、複数の加熱プレート１０が積み重ねられると、熱が下方から上方に向けて上昇するため、上方に配置される加熱プレート１０の温度は下方に配置された加熱プレート１０よりも高くなる。温度調節装置４０は、上方に配置された加熱プレート１０の面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅの各々の発熱量を相対的に減らし、下方に配置された加熱プレート１０の面状ヒータ１１Ａ～１１Ｅの各々の発熱量を相対的に増やし、複数の加熱プレート１０の全ての温度が均一化されるように電力供給を制御する。
この結果、加熱装置１の全ての加熱スペース３０において大面積の板状又はシート状の被加熱物２０を均一に加熱することができる。

本実施形態の加熱装置１では、棚状に設置した複数の加熱プレート１０を支持板で支持し、支持板の間、すなわち、該装置の前後左右を開放する構成としている。これにより、加熱装置１の前後からの被加熱物２０の出し入れが容易になるとともに、必要に応じて、該装置の左右からの被加熱物２０の出し入れも可能となり、その出し入れも容易にすることができる。
被加熱物２０は、シート状の物でも、板状の物であって良い。被加熱物２０は、図示しないクレーンやロボットアーム等により加熱スペース３０内に挿入される。このとき、左右の誘い込み部材６１Ｌ、６１Ｒが被加熱物２０を傷付けないように加熱スペース３０内に導く。

ここで、被加熱物２０について説明する。
一般的に、被加熱物（ワーク）には次の２タイプがある。
１） ハードタイプ（ボードタイプとも言う）
腰の強いシート状の物である。
基板やプラスチック板、ガラス板などが対象となる。このタイプの被加熱物（ワーク）はそのものをダイレクトに炉に入れ、加熱することができる。炉内での保持方法は、被加熱物（ワーク）に接触してよい箇所に保持部品を当たる様にする。基板であれば捨て基板部を保持することを示す。保持部品は、誘い込みガイドや、後述する加熱プレート１０の上側の面に設置するピンなどである。このタイプのワークは、上記したガイド部材６０Ｌ、６０Ｒで直接保持することも可能である。
２） ソフトタイプ（シートタイプとも言う）
腰の柔らかいシート状の物である。
フィルムや箔状物、ゴムシートなどが対象となる。このタイプの被加熱物（ワーク）はハンドリングの関係上、そのものをダイレクトに炉の中には入れることが出来ないため治具にセットした形で投入し、加熱する。炉内での保持方法は、治具を保持することを示す。保持部品は上記１）と同一である。

図７に第２の実施形態に係る加熱プレート１０Ａを示す。なお、図７において、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付している。また、温度センサーの図示は省略している。
加熱プレート１０Ａは、中央部に配置された矩形状の面状ヒータ１１Ａと、搬入方向Ｖにおいて、面状ヒータ１１Ａの両側に隣接配置され、かつ、加熱プレート１０Ａの一端部から他端部に延在している面状ヒータ１１Ｆ，１１Ｇと、搬入方向Ｖに直交する方向において面状ヒータ１１Ａの両側に隣接配置されている面状ヒータ１１Ｈ，１１Ｉとを備える。
この構成の加熱プレート１０Ａは、前後の面状ヒータ１１Ｆ，１１Ｇの配置領域の温度が相対的に低くなりやすい場合に適している。すなわち、面状ヒータ１１Ｆ，１１Ｇの配置領域に相対的に大きな外乱の印加により温度低下が著しい場合に、面状ヒータ１１Ｆ，１１Ｇの温度を選択的に高めることにより、加熱プレート１０Ａの全体として均一な温度分布が得られる。

図８に第３の実施形態に係る加熱プレート１０Ｂを示す。なお、図８において、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付している。また、温度センサーの図示は省略している。
加熱プレート１０Ｂは、中央部に配置された矩形状の面状ヒータ１１Ａと、四隅に配置された面状ヒータ１１Ｊ～１１Ｍと、搬入方向Ｖおよび当該搬入方向Ｖに直交する方向において面状ヒータ１１Ａの両側にそれぞれ隣接配置された面状ヒータ１１Ｎ～１１Ｑとを備える。
この構成の加熱プレート１０Ｂは、面状ヒータ１１Ａの周囲全てで外乱による温度低下が著しい場合に適している。

本発明に係る加熱装置は、比較的大面積のガラス基板や半導体リードフレームあるいはその他の金属板や合成樹脂板などの各種板状部材やシート状部材の熱処理を行う産業分野において広く利用することができる。

１ ：加熱装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ ：加熱プレート
１１Ａ～１１Ｑ ：面状ヒータ
１５Ａ，１５Ｂ ：金属製プレート
１６ ：給電線
１７ ：温度センサー
２０ ：被加熱物
３０ ：加熱スペース
４０ ：温度調節装置
５０Ｌ，５０Ｒ ：支持板
６０Ｌ，６０Ｒ ：ガイド部材
６１Ｌ，６１Ｒ ：誘い込み部材
７１ ：天板
７２ ：底板
７３Ｌ，７３Ｒ ：脚部材
７４ ：中板
７５Ｌ，７５Ｒ ：脚部材
７６ ：基台
Ｌ ：前後方向
Ｖ ：搬入方向

Claims (1)

1. 上下方向に間隔を隔てて配置された少なくとも３枚以上の矩形状の加熱プレートと、
   上下方向で対向する前記加熱プレートの加熱面により画定される、被加熱物を収容するための加熱スペースと、を有し、
   前記加熱スペースの四方の少なくとも一つは外部に向けて開放された開口部を有しており、
   上下方向で隣り合う前記加熱スペースは、前記加熱プレートによって分離されており、
   前記加熱プレートの各々に設けられた温度センサーと、
   前記加熱プレートの各々に設けられた温度センサーの検出温度が目標温度に追従するように、前記加熱プレートの発熱量を独立に制御する、または、前記加熱プレートを複数のグループに分けて当該グループ毎に発熱量を独立に制御する温調手段と、をさらに有し、
   前記温調手段は、上方に配置された前記加熱プレートの発熱量を相対的に減らし、下方に配置された前記加熱プレートの発熱量を相対的に増やすように制御する、加熱装置。

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