JP4245177B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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Description

この発明は、被加熱物に熱処理を施す一般的な工業用熱処理装置に関し、例えば、プラズマディスプレイパネル（以下、ＰＤＰという）の製造工程において、乾燥処理や焼成処理を行う熱処理装置に関する。
ＰＤＰの製造に際しては、ガラス基板上に表示電極を形成し、この表示電極を覆うように誘電体層及び保護層を形成して前面基板を作製し、他のガラス基板上にアドレス電極を形成し、このアドレス電極上に誘電体層、隔壁及び蛍光体層を形成して背面基板を作製し、この前面基板と背面基板とを表示電極とアドレス電極が交差するように張り合わせるようにしている。そして、厚膜の表示電極やアドレス電極、誘電体層、隔壁並びに蛍光体層を形成する各工程においては、基板上にペースト層を形成した後、このペースト層を加熱して乾燥および焼成を行っている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、従来の連続式の加熱炉を示す模式図、及び横軸にこの加熱炉における位置をとり縦軸に基板温度をとって炉温の分布を示すチャート図である。
図７に示すように、従来の連続式の加熱炉１０１は、昇温部１０２、均熱部１０３及び降温部１０４から構成されており、各部は炉室１０５から構成されている。加熱炉１０１内においては、被加熱物としての基板（ガラス基板）１１１が矢印１１２の方向に移動し、昇温部１０２、均熱部１０３及び降温部１０４を通過する。昇温部１０２は基板１１１を室温から温度Ｔまで昇温させる部分であり、均熱部１０３は基板１１１を温度Ｔに保持する部分であり、降温部１０４は基板１１１を温度Ｔから冷却する部分である。
図８は、図７の炉室１０５の構造を示しており、実際に熱処理が行われる状態を示す模式図である。一般的に基板１１１の搬送方向１１２に直交する断面の面積は、搬送方向位置に対して変化することは無く、一定である。
炉内では、燃焼させるために気体を導入したり、燃焼によって発生したガスを排出したり、雰囲気を制御する等の目的で、炉内を気体の流路として使用している。
特開平１１−２５８５４号公報
しかしながら、従来の熱処理装置は、次のような問題点を有する。
例えば、炉の或る位置から或る遠方の位置まで、素早く気体を流したい場合、途中経路の流体抵抗によりエネルギーがロスするので、初速度を十分に上げておく必要がある。そのために給気量を増やしたり、気体導入機構の性能を高くしなければならない。
また逆に、炉内で流れている燃焼ガスを、ある炉内位置で確実に排気したい場合、排出効率を上げるために、排気量を増やしたり、排出機構を大きくする必要がある。また、燃焼ガスの下流への排出漏れにより、下流に被加熱物があれば、品質を損なう恐れもある。
この発明は、トンネル状の加熱空間を有しその両端に被加熱物の搬入口と搬出口を設けた加熱炉と、搬入口から加熱空間に搬入される被加熱物を搬出口まで搬送する搬送部と、搬送される被加熱物を加熱する加熱部と、搬入口近傍に設けられ加熱空間に気体を導入する給気管および搬出口近傍に設けられ加熱空間から気体を排出する排出管とを有して被加熱物の搬送方向に流れる気流を加熱空間に形成する気流生成部とを備え、加熱空間は、被加熱物の搬送方向に直交する方向の断面積が搬入口から被加熱物のガス発生量が最大となる位置に至るまで徐々に小さくなり、その位置から搬出口の方へ徐々に大きくなるよう構成されたことを特徴とする熱処理装置を提供するものである。
また、この発明は別の観点から、昇温用の第１炉室と均熱用の第２炉室と降温用の第３炉室とを直列接続した加熱炉を備える熱処理装置であって、前記第１炉室、第２炉室及び第３炉室は、両端に搬入口と搬出口を有するトンネル状の加熱空間と、被加熱物を搬入口から排出口まで搬送する搬送部と、搬送される被加熱物を加熱する加熱部と、搬入口近傍に設けられ加熱空間に気体を導入する給気管および搬出口近傍に設けられ加熱空間から気体を排出する排気管を有して被加熱物の搬送方向に流れる気流を加熱空間に形成する気流生成部をそれぞれ備え、前記加熱空間の被加熱物の搬送方向に直交する方向の断面積が、第１炉室では搬入口から被加熱物のガス発生量が最大となる位置に至るまで徐々に小さく、その位置から搬出口の方へ徐々に大きくなり、第２炉室及び第３炉室では搬入口から搬出口に至るまで一定であるよう構成されたことを特徴とする熱処理装置を提供するものである。
この発明によれば、加熱空間は、被加熱物の搬送方向に直交する方向の断面積が搬送方向に沿って変化するので、炉内に導入された気体は、徐々に流路を狭くすれば、徐々に流速を上げることができる。これにより導入する気体の使用量を増やすこと無く、より短い時間で燃焼が完了するので処理能率が上がる。また品質の向上が期待できる。被加熱物より発生した燃焼ガスを下流側のある位置で排気する場合、燃焼ガスは徐々に流路を広げると、徐々に流速が下がるので、排気機構より排出されやすくなる。これにより、燃焼ガスがさらに下流へ流出することを抑える効果が高くなる。下流側に被加熱物があったとしても燃焼ガスの接触による品質低下を抑えることができる。また流路を拡大することによりガス濃度が徐々に下がるので、結露など炉内の汚染が防止される。
図１は本発明による熱処理装置の原理的な構造を示したものである。図２は炉内に気体を導入した時の流れの状態を示したものである。図３は炉内で発生した気体を排出する時の流れの状態を示したものである。
図１において、３ａは炉の側壁面、３ｂは被加熱物、３ｃは搬送方向を示す記号、３ｄは気体を導入する範囲、３ｅは気体を排出する範囲である。
図２は図１の３ｄの範囲を示しており、炉内に気体を導入した時の気体の流れの様子を表している。４ａは炉の気体導入面、４ｂは気体の速度ベクトルを表す。ある初速度を持った気体が炉内に導入されると、搬送方向に進行するにつれて、進行方向に直交する炉内の断面積が徐々に減少しており、ある速度で導入された気体が徐々に速度を増して進行することになり、遠方まで素早く気体を供給することが可能になる。
図３は図１の３ｅの範囲を示しており、炉内から気体を排出する時の気体の流れの様子を表している。５ａは気体導入面、５ｂは気体の速度ベクトルを表す。ある初速度を持った気体が炉内の左側から導入されると、搬送方向に進行するにつれて、進行方向に直交する炉内の断面積が徐々に増加しており、気体が徐々に速度を落として進行することになり、炉内の右側に設置した排気機構にて効率よく気体を排出することが可能になる。
なお、図１、図２、図３においては、被加熱物の進行方向に対して左右の壁面の角度を変化させて炉の断面積を変化させているが、上下の壁面で変化させてもよい。
また、熱処理プロセスの必要性に応じて、炉内の断面積が変化しないゾーンを設けてもよいし、搬送方向に対して断面積が拡大するゾーンのみでもよいし、縮小するゾーンのみでもよい。
この発明では、使用する気体の使用量を増やしたり、給気や排気の機構の性能を高くすること無く、炉内自体の形状を変えることで、エネルギーの無駄も無く、効率的に給気や排気ができる。原理的には、流体の連続則を応用しており、被加熱物を搬送する方向に直交する面の断面積と、その面を通過する速度の積は、どの断面を取っても等しいので、断面積を変化させることによって速度が調整可能になる。
例えば、炉の或る位置から或る遠方の位置まで、より迅速に気体を流したい場合、導入する位置から目的位置までの炉内の断面積を徐々に減少させればよい。例えば、原理的に目的位置の速度を導入位置の２倍にしたい場合、目的位置の断面積を導入位置の断面図の１／２にすればよいことになる。
これにより、少ないエネルギーで効率よく給気が可能になる。
さらに、炉内で流れている燃焼ガスを、ある炉内位置で確実に排気したい場合、ガスが発生した位置から排気位置までの炉内の断面積を徐々に拡大させればよい。例えば、原理的に排気位置での速度を発生位置の１／２倍にしたい場合、排気位置の断面積を発生位置の断面積の２倍にすればよい。
これにより、燃焼ガスの速度が自然に衰えるので、確実に排気が可能になり、排気漏れも防ぐことが可能になる。
実施例
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
図４はこの発明の熱処理装置の構成説明図である。同図に示すように熱処理装置は加熱炉１を備える。加熱炉１は、昇温部としての炉室２と、均熱部としての炉室３と、降温部としての炉室４を備え、炉室２、３、４は、それぞれトンネル状の加熱空間２ａ、３ａ、４ａを有し、直列に接続されている。
加熱炉１には、搬入口６から搬入される被加熱物８を加熱空間２ａ、３ａ、４ａを貫通して搬出口７まで搬送する搬送部としての複数の搬送ローラ９と、搬送される被加熱物８を上下から加熱する加熱部としての複数のヒータ１０が設けられている。
炉室２、３、４は、それぞれに被加熱物８の搬送方向（矢印１１の方向）に流れる気流を加熱空間２ａ、３ａ、４ａに形成する気流生成部としての給気管１２、１３、１４と排気管１５、１６、１７を備える。
加熱炉１は図４に示すように、位置Ｐ０において搬入口６が設けられ、位置Ｐ２において炉室２と３の境界壁が設けられ、位置Ｐ３において炉室３と４の境界壁が設けられ、位置Ｐ４において搬出口７が設けられている。
そして、昇温部としての炉室２の加熱空間２ａは、被加熱物８の搬送方向（矢印１１の方向）に直交する方向の断面積が給気管１２の位置から被加熱物８の搬送方向に向かって徐々に小さくなり、中央の位置Ｐ１で最小となり、次に徐々に大きくなって排気管１５の位置でもとの大きさに戻るようになっている。
なお、均熱部としての炉室３、降温部としての炉室４の加熱空間３ａ、４ａは、矢印１１方向の断面積は変化せず、一定である。
図５は、加熱炉１で加熱される被加熱物８の温度プロファイルの一例を示す。
図５に示すように、被加熱物８は、炉室２へ搬入されると、位置Ｐ０において、温度Ｔ０（常温）である。炉室２における搬送中に加熱されて位置Ｐ２において温度Ｔ２まで上昇する。次に、炉室３において位置Ｐ２からＰ３まで搬送される間は温度Ｔ２一定に保持される。次に、炉室４において位置Ｐ３からＰ４まで搬送される間に温度Ｔ２は温度Ｔ０まで冷却される。このようにして被加熱物８に必要な熱処理が施される。
図６は、被加熱物８が炉室２において加熱されるとき、被加熱物８から発生する燃焼ガスの単位時間当たりの発生量を示すグラフである。
図５と図６は、被加熱物８が位置Ｐ１に達したとき、被加熱物８は温度Ｔ１まで上昇し、このとき、被加熱物８から発生する燃焼ガスの発生量が最大値になることを示している。
従って、加熱炉１へ搬入口６（位置Ｐ０）から被加熱物８が順次搬入されると、搬送ローラ９により一列に搬出口７の方へ搬送される。各被加熱物８は炉室２において順次加熱される。そして、各被加熱物８は、図５、図６に示すように位置Ｐ１に到達すると温度がＴ１まで上昇し、それによって最大量の燃焼ガスを発生する。
一方、図４に示すように、加熱空間２ａには、給気管１２から空気が供給され、排気管１５から排出される。つまり、加熱空間２ａ内に被加熱物８の搬送方向に空気流が形成される。
ここで、加熱空間２ａの矢印１１に直交する方向の断面積は、給気管１２と排気管１５の近傍で最も大きく、位置Ｐ１で最も小さくなっている。従って、空気流の速度ベクトルは、図４に示すように、給気管１２の近傍から位置Ｐ１に向かって徐々に大きくなり、位置Ｐ１で最大値となり、その後、徐々に小さくなって排気管１５の近傍で最も小さくなる。
従って、位置Ｐ１で最も多く発生した燃焼ガスが、位置Ｐ１で最も速くなる空気流によって効率よく排気管１５の方へ除去される。
除去された燃焼ガスは徐々に速度を落とし、流速の低い排気管１５の近傍の空気流と共に排気管１５から効率よく排気される。
従って、燃焼ガスはほとんど次に隣接する炉室３へ侵入することがないので、燃焼ガスが被加熱物８を汚染することがない。
つまり、この実施例では、燃焼ガスが最も多く発生する位置に合わせて加熱空間の断面積を最小に設定している。
なお、炉室１で燃焼ガスの発生が完了した被加熱物８は、炉室３において温度Ｔ２に保持された後、炉室４において常温Ｔ０まで降温し、搬出口７から搬出され、熱処理工程が終了する。
この発明の原理を示す要部説明図である。 この発明の原理を示す要部説明図である。 この発明の原理を示す要部説明図である。 この発明の一実施例の構成説明図である。 この発明の一実施例の温度プロファイルである。 この発明の一実施例の燃焼ガスの発生量を示すグラフである。 従来技術を示す説明図である。 従来技術の要部説明図である。
符号の説明
１ 加熱炉
２ 炉室
２ａ 加熱空間
３ 炉室
３ａ 加熱空間
４ 炉室
４ａ 加熱空間
６ 搬入口
７ 搬出口
８ 被加熱物
９ 搬送ローラ
１０ ヒータ
１１ 矢印
１２ 給気管
１３ 給気管
１４ 給気管
１５ 排気管
１６ 排気管
１７ 排気管

Claims (2)

  1. トンネル状の加熱空間を有しその両端に被加熱物の搬入口と搬出口を設けた加熱炉と、搬入口から加熱空間に搬入される被加熱物を搬出口まで搬送する搬送部と、搬送される被加熱物を加熱する加熱部と、搬入口近傍に設けられ加熱空間に気体を導入する給気管および搬出口近傍に設けられ加熱空間から気体を排出する排出管とを有して被加熱物の搬送方向に流れる気流を加熱空間に形成する気流生成部とを備え、加熱空間は、被加熱物の搬送方向に直交する方向の断面積が搬入口から被加熱物のガス発生量が最大となる位置に至るまで徐々に小さくなり、その位置から搬出口の方へ徐々に大きくなるよう構成されたことを特徴とする熱処理装置。
  2. 昇温用の第１炉室と均熱用の第２炉室と降温用の第３炉室とを直列接続した加熱炉を備える熱処理装置であって、
    前記第１炉室、第２炉室及び第３炉室は、両端に搬入口と搬出口を有するトンネル状の加熱空間と、被加熱物を搬入口から排出口まで搬送する搬送部と、搬送される被加熱物を加熱する加熱部と、搬入口近傍に設けられ加熱空間に気体を導入する給気管および搬出口近傍に設けられ加熱空間から気体を排出する排気管を有して被加熱物の搬送方向に流れる気流を加熱空間に形成する気流生成部をそれぞれ備え、
    前記加熱空間の被加熱物の搬送方向に直交する方向の断面積が、第１炉室では搬入口から被加熱物のガス発生量が最大となる位置に至るまで徐々に小さく、その位置から搬出口の方へ徐々に大きくなり、第２炉室及び第３炉室では搬入口から搬出口に至るまで一定であるよう構成されたことを特徴とする熱処理装置。
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