JP4456033B2 - 連続式熱処理炉及び熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池基板等の熱処理に使用される連続式熱処理炉とそれを用いた熱処理方法に関する。

太陽電池基板の製造においては、基板の表面及び裏面に導電性の電極ペーストを所定のパターンで印刷形成した後、連続式の熱処理炉内を連続的又は間欠的に移動させながら熱処理（乾燥・焼成）する工程がある。通常、このような熱処理に用いられる熱処理炉には、炉の入口側から出口側に向かって、被熱処理物の乾燥及び／又は脱バインダー処理を行う乾燥・脱バインダー領域と、被熱処理物の焼成を行う焼成領域とが順に設けられており、被熱処理物は乾燥・脱バインダー領域を搬送されながら乾燥及び／又は脱バインダー処理された後、焼成領域を搬送されながら焼成され、その後、炉外に搬出される。

熱処理炉内で被熱処理物を搬送するための搬送機構としては、被熱処理物が太陽電池基板である場合、メッシュベルトコンベアが広く使用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、最近では、メッシュベルトコンベアに比して熱容量が小さく、迅速な昇降温が可能なことから、ウォーキングビームや、ワイヤー等の線材に張力を付与して張り渡し、当該線材にウォーキングビーム的な搬送動作を行わせるようにした搬送機構も使用されるようになってきている（例えば、特許文献２参照。）。

ところで、太陽電池基板における乾燥及び／又は脱バインダー処理後の焼成、すなわち、アルミニウムや銀からなる電導ペーストの基板表面への焼き付けは、短時間で急速に８００℃程度まで加熱し、その後急冷却することが良好な製品特性を得る上で理想的とされており、この理想的な焼成状態を達成するためには、乾燥・脱バインダー領域での被熱処理物の搬送速度よりも焼成領域での被熱処理物の搬送速度を高め、雰囲気温度が１０００℃以上の高温に保たれた焼成領域を短時間の内に素早く通過させることが要求される。

しかしながら、従来の連続式熱処理炉においては、１種類の搬送機構によって、乾燥・脱バインダー領域も焼成領域も同じ速度で被熱処理物を搬送しながら、乾燥及び／又は脱バインダー処理、焼成という一連の熱処理を行う構造となっていたため、前記のような理想的な焼成状態を達成することは極めて困難であった。

また、被熱処理物の製品特性を均一にするためには、焼成領域を一定の高温度に安定して保持することが重要であるが、メッシュベルトコンベアのような熱容量の大きい搬送機構を使用した場合には、その搬送機構の移動動作に伴う焼成領域内の温度変化が大きくなり、安定した焼成領域内温度が得られない。また、ウォーキングビームのように、前後方向のみならず上下方向の動作も伴う搬送機構を使用した場合には、その可動範囲を確保するために、焼成領域の入口側及び出口側の開口部の高さを高くする必要があることから、当該開口部の面積が大きくなって、当該開口部より焼成領域内の熱が外部に逃げやすくなり、焼成領域内温度が不安定になることに加え、焼成領域内の温度保持に要するエネルギー消費も大きくなるという問題があった。更に、焼成領域における被熱処理物の搬送も単に短時間で素早く行うだけでなく、必要な加熱時間は確保し、かつ被熱処理物の全体の加熱時間がほぼ均一になるように搬送を行うことが良好な製品特性を得るために重要である。

特開２００２−２０３８８８号公報 実公平７−４４７０号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、焼成領域における被熱処理物の搬送速度を乾燥・脱バインダー領域における被熱処理物の搬送速度よりも速くなるようにすることができるとともに、焼成領域内を一定の高温度に安定して保持することができ、更に省エネルギー化も可能な連続式熱処理炉を提供すること、及びそのような熱処理炉を使用して、焼成領域における被熱処理物の搬送を短時間で素早く行いつつも、必要な加熱時間は確保し、かつ被熱処理物全体の加熱時間がほぼ均一になるようにすることが可能な熱処理方法を提供することにある。

本発明によれば、炉の入口側から出口側に向かって、被熱処理物の乾燥及び／又は脱バインダー処理を行う少なくとも１つの乾燥・脱バインダー領域と、被熱処理物の焼成を行う焼成領域とが順に設けられ、前記被熱処理物が前記乾燥・脱バインダー領域を搬送されながら乾燥及び／又は脱バインダー処理された後、前記焼成領域を搬送されながら焼成される連続式熱処理炉であって、前記被熱処理物を搬送するための搬送機構として、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビーム又は線材を備えた第一の搬送機構と、炉長方向に張り渡され、一定のストロークで前進、後退という動作を周期的に繰り返す線材又はビームを備えた第二の搬送機構と、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビームを備えた第三の搬送機構とを有し、前記乾燥・脱バインダー領域では前記被熱処理物の搬送を前記第一の搬送機構により行い、前記焼成領域では前記被熱処理物の搬送を前記第二の搬送機構により行い、前記焼成領域を搬送された後の前記被熱処理物を、前記第三の搬送機構により炉外の所定位置まで搬送する連続式熱処理炉、が提供される。

また、本発明によれば、前記連続式熱処理炉を使用した熱処理方法であって、前記第一の搬送機構から前記第二の搬送機構への前記被熱処理物の受け渡し後、前記第二の搬送機構から前記第三の搬送機構への前記被熱処理物の受け渡しまでの間の前記第二の搬送機構による前記被熱処理物の搬送が、加速、減速、再加速、停止という挙動を示すようにするとともに、前記被熱処理物の部位の内で焼成領域内における加熱時間が最も長い部位と最も短い部位との加熱時間の差が０〜１秒の範囲内に収まるようにする熱処理方法、が提供される。

本発明の連続式熱処理炉は、乾燥・脱バインダー領域と焼成領域とで、被熱処理物を別個の搬送機構により搬送するように構成されており、これら搬送機構の搬送速度が異なるように設定することで、乾燥・脱バインダー領域における被熱処理物の搬送速度と焼成領域における被熱処理物の搬送速度とを異ならせることが可能となる。そして、焼成領域における被熱処理物の搬送速度を乾燥・脱バインダー領域における被熱処理物の搬送速度よりも速くなるように設定すれば、被熱処理物の焼成領域の通過を短時間で素早く実施し、被熱処理物の急加熱・急冷却を行うことができるので、太陽電池基板等の熱処理において理想的な乾燥・焼成曲線が得られ、良好な特性を持った製品が製造できる。

また、焼成領域で被熱処理物の搬送に使用される第二の搬送機構は、特に熱容量の小さい線材を使用した場合、搬送機構の移動動作に伴う焼成領域内の温度変化を小さく抑えることができる。更に、第二の搬送機構における線材又はビームは、前後方向の水平動作を行うだけであり、ウォーキングビームのような上下方向の動作を伴わないので、焼成領域の入口側及び出口側の開口部の高さを低くして、当該開口部の面積を極力小さくすることができる。これにより、当該開口部を通じて焼成領域内の熱が外部に逃げるのを抑えて焼成領域内温度の安定化を図ることができ、均一な製品特性（品質）が得られるとともに、焼成領域内の温度保持に要するエネルギー消費を抑えることができるという省エネルギー化のメリットも享受できる。

また、本発明の熱処理方法によれば、焼成領域における被熱処理物の搬送を短時間で素早く行いつつも、必要な加熱時間は確保し、かつ被熱処理物全体の加熱時間がほぼ均一になるようにすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

図１は、本発明に係る連続式熱処理炉の実施形態の一例を示す概略説明図である。前記のとおり、本発明の連続式熱処理炉は、炉の入口５１側から出口５２側に向かって、被熱処理物１の乾燥及び／又は脱バインダー処理を行う乾燥・脱バインダー領域４１と、被熱処理物１の焼成を行う焼成領域４２とが順に設けられ、被熱処理物１が乾燥・脱バインダー領域４１を搬送されながら乾燥及び／又は脱バインダー処理された後、焼成領域４２を搬送されながら焼成されるようになっており、被熱処理物１を搬送するための搬送機構として、第一の搬送機構、第二の搬送機構及び第三の搬送機構という３種類の搬送機構を有する。なお、本発明において、「脱バインダー処理」とは、被熱処理物に含まれるバインダー成分を加熱除去する処理を言う。

第一の搬送機構は、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビーム２を備えたものであり、乾燥・脱バインダー領域４１では被熱処理物１の搬送をこの第一の搬送機構により行う。また、第二の搬送機構は、炉長方向に張り渡され、一定のストロークで前進、後退という動作を周期的に繰り返す線材１１を備えたものであり、焼成領域４２では被熱処理物１の搬送をこの第二の搬送機構により行う。第三の搬送機構は、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビーム２１を備えたものであり、焼成領域を搬送された後の被熱処理物１を、炉外の所定位置まで搬送するために使用される。なお、第一の搬送機構において、ビーム２の代わりにビーム２と同様の動作を行う線材を用いてもよく、また、第二の搬送機構において、線材１１の代わりに線材１１と同様の動作を行うビームを使用してもよいが、本実施形態の説明においては、第一の搬送機構にビーム２を使用し、第一の搬送機構に線材１１を使用した例について説明する。

被熱処理物１が、例えば一辺１５ｃｍ程度の矩形の太陽電池基板である場合には、乾燥・脱バインダー領域４１の長さを２ｍ程度とし、焼成領域４２の長さを０．３ｍ程度とするのが好ましい。乾燥・脱バインダー領域４１は、炉天井部に設けられたインフラスタイン（ＩＲ）ヒーター６１等の加熱手段により、雰囲気温度が３００〜５００℃程度に調整され、焼成領域４２は、炉天井部及び／又は炉床部に設けられた近赤外線ランプヒーター６２等の加熱手段により、雰囲気温度が１０００℃程度に調整されているのが望ましい。乾燥・脱バインダー領域４１は、図１のように１つの領域として構成されていてもよいし、複数の乾燥・脱バインダー領域に区分された構成となっていてもよい。

前記のとおり、本発明に使用される第一の搬送機構は、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビームを備えたものである。図２は、この第一の搬送機構の実施形態の一例を模式的に示した概略説明図であり、本例においては、前記のような動作を行うビーム２に加え、当該ビーム２が下降状態（後退動作時を含む）にあるときに、被熱処理物１を支持しておくための支持体３を備えている。この支持体３には、例えば図２に示すようなＴ字型の柱体を用いることができ、炉長方向と平行に配置された２本のビーム２の間において、上部の水平バー３ａが炉長方向と直交する向きとなるようにして、所定の間隔で複数本が立設配置されている。

ビーム２は、図１に示すように、ビーム支持体４に固定されている。ビーム支持体４は、駆動機構（図示せず）により一定のストロークで上昇、前進、下降、後退の動作を周期的に繰り返すように構成されており、これによってビーム２も同様の周期的動作を行う。

図３（ａ）〜（ｅ）は、この第一の搬送機構の動作を示す概略説明図である。まず最初は、図３（ａ）に示すように、ビーム２は下降した状態にあり、このとき被熱処理物は乾燥・脱バインダー領域の入口付近において、支持体３上に置かれている。次に、図３（ｂ）に示すように、ビーム２が所定のストローク分上昇し、この上昇の過程で、被熱処理物１は支持体３上からビーム２上に移載される。次いで、図３（ｃ）に示すように、ビームは上昇したまま所定のストローク分前進する。続いて、図３（ｄ）に示すように、ビーム２は所定のストローク分下降し、この下降の過程で被熱処理物は、ビーム２上から支持体３上に移載される。最後に、図３（ｅ）に示すように、ビーム２が下降したまま後退し、最初の位置に戻る。これらの動作を周期的に繰り返すことで、第一の搬送機構は乾燥・脱バインダー領域において被熱処理物の搬送を行う。

なお、この第一の搬送機構においては、図２及び図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、被熱処理物１がビーム２に直接接触した状態でビーム２上に保持されて搬送されるようになっていてもよいが、被熱処理物１が太陽電池基板であるような場合には、ビーム２に被熱処理物１を保持するための保持部材が装着され、当該保持部材が被熱処理物の縁部又は縁部近傍部のみに接触した状態で被熱処理物を保持することが好ましい。太陽電池基板は、表面のみならず裏面にも電極ペーストのパターン印刷がなされており、搬送機構がそれに接触した状態で高温下に置かれると、印刷面に傷や焼け跡が付いて、被熱処理物の性能や概観に悪影響を及ぼすため、前記のような保持部材を使用し、搬送機構の被熱処理物に対する接触を、パターン印刷のなされていない被熱処理物の縁部又は縁部近傍部にのみ限定するのが望ましい。また、図２に示すような支持体３を使用する場合には、同様の理由から、支持体３にも同様の保持部材が装着されることが好ましい。

図４は、第一の搬送機構において、ビーム及び支持体に各々保持部材が装着された状態を例示したものである。本例において、ビーム２の保持部材５は、ビーム２の軸方向と直角をなす方向に延出するツメ状の部位を有する部材であり、ビーム２上に所定のピッチで複数個配されている。この保持部材５は、その先端付近が下方にやや傾斜した状態となっており、当該傾斜部において被熱処理物１の縁部と接触し、被熱処理物１を保持する。支持体３の保持部材６は、Ｔ字型である支持体の上部の水平バー３ａと直交する方向に延出するツメ状の部位を有する部材である。この保持部材６も、その先端付近が下方にやや傾斜した状態となっており、当該傾斜部において被熱処理物１の縁部と接触し、被熱処理物１を保持する。

本発明に使用される第二の搬送機構は、炉長方向に張り渡され、一定のストロークで前進、後退という動作を周期的に繰り返す線材を備えたものである。図５は、この第二の搬送機構の実施形態の一例を模式的に示した概略説明図であり、本例においては、線材１１は搬送路の中央線Ｌの左右両側にそれぞれ２本ずつ炉長方向と平行に配設されている。これらの線材１１は、線材ホルダー１２に端部を固定されている。線材１１の端部は、巻バネ１３を介して線材ホルダー１２に固定されるため、常に同じ張力が与えられる。なお、図５においては、線材１１の一方の端部が省略されているが、省略されている側の端部も同様に線材ホルダー１２に固定されている。

線材ホルダー１２は、図１に示すように、線材支持体１４に固定されている。線材支持体は、駆動機構（図示せず）により一定のストロークで前進、後退の動作を周期的に繰り返すように構成されており、これによって線材１１も同様の周期的動作を行う。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、この第二の搬送機構の動作を示す概略説明図である。図６（ａ）に示すように、焼成領域４２の手前において第一の搬送機構から第二の搬送機構に移載された被熱処理物１を線材１１上に保持した状態で、線材１１が所定ストローク分前進し、図６（ｂ）に示すように、被熱処理物１を焼成領域４２の出口付近まで搬送する。焼成領域の出口付近まで搬送された被熱処理物１は後述する第三の搬送機構の動作により当該第三の搬送機構に移載され、その後、第二の搬送機構の線材１１は所定ストローク分後退し、最初の位置に戻る。これらの動作を周期的に繰り返すことで、第二の搬送機構は焼成領域において被熱処理物の搬送を行う。

なお、第二の搬送機構において、線材１１の前進及び後退のストロークは、焼成領域の長さよりも長くなるように設定され、これにより、線材１１の一度の前進動作で被熱処理物１が焼成領域４２を通過させられるので、被熱処理物１の焼成領域４２の通過を短時間で素早く実施することが容易となり、被熱処理物１の急加熱・急冷却を行うことが可能となる。

第二の搬送機構においては、図５に示すように、被熱処理物１が線材１１に直接接触した状態で線材１１上に保持されて搬送されるようになっていてもよいが、被熱処理物が太陽電池基板であるような場合には、線材１１に被熱処理物を保持するための保持部材が装着され、当該保持部材が被熱処理物の縁部又は縁部近傍部のみに接触した状態で被熱処理物を保持することが好ましい。理由は、前記第一の搬送機構における保持部材の装着理由と同様である。

図７は、第二の搬送機構において、線材１１に保持部材１５が装着された状態を例示したものである。本例において、保持部材１５は、線材１１の軸方向と直角をなす方向に延出するツメ状の部位を有する部材であり、線材１１上に所定のピッチで複数個配されている。この保持部材１５は、その先端付近が下方にやや傾斜した状態となっており、当該傾斜部において被熱処理物１の縁部と接触し、被熱処理物１を保持する。図８は、線材１１に対する保持部材１５の装着状態の例を示す説明図であり、搬送路の中央線の左右両側にそれぞれ平行に配設された２本ずつの線材１１に対し架け渡すようにして保持部材１５が固定されている。このように保持部材１５を各々２本の線材１１に架け渡すように装着すれば、被熱処理物が載置されても、その重量で容易に位置が変異したりすることがなく、安定した保持が可能となる。なお、安定性をより向上させるため、搬送路の中央線の左右両側に配設する線材の本数をそれぞれ３本以上とし、各保持部材を３本以上の線材に固定するようにしてもよいが、線材の本数を増やしすぎると、装着安定性の向上と引き替えに線材の熱容量が増加するので、図７及び図８に示す例のように２本ずつとするのが好ましい。

第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物の受け渡しは、受け渡しを行うための移載機構を設け、当該移載機構にて行うことが好ましい。図９は、移載機構の一例を示す説明図である。この移載機構は、炉の側面側から見て上部がＹ字状に分岐して傾斜した支持部３１と当該支持部３１の下端が固定された可動部３２とから構成される。可動部３２は、第一の搬送機構のビーム２に固定され、当該ビーム２と共に、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すようになっており、可動部３２に固定された支持部３１も同様の動作を行う。第一の搬送機構により乾燥・脱バインダー領域の終了部まで搬送され、当該終了部の支持体上３に保持された被熱処理物１は、可動部３２の上昇によって支持部３１上に移され、更に可動部３２の前進によって焼成領域の直前部まで進み、その後、可動部３２の下降によって支持部３１上から第二の搬送機構へと移される。こうして、被熱処理物１を第二の搬送機構へ移載した後、可動部３２は後退して元の位置に戻る。

なお、支持部３１は、その上部のＹ字状に傾斜した部位で被熱処理物１の縁部とのみ接触するので、被熱処理物１が太陽電池基板のような裏面にパターン印刷がなされたようなものであっても、それに接触して悪影響を与えることはない。

前述のとおり、第二の搬送機構は焼成領域における被熱処理物の搬送に使用されるものであるが、本発明においては、その焼成領域において、第二の搬送機構の線材の周囲の少なくとも一部を断熱材で囲み、かつ、線材の周囲に冷却用空気を送り込むことで線材を冷却するようにすることが好ましい。具体的には、例えば図１０に示すように、断熱材３３に溝３４を設けて、線材１１が溝３４内を通るように構成し、溝３４内に微量の冷却用空気を流してやることが好ましい。焼成領域の雰囲気温度を１０００℃前後の高温に設定する場合においては、線材１１として高耐熱性の金属材料からなるワイヤー等を使用した場合においても劣化が激しく、寿命が短いが、このような冷却構造を用いることにより線材１１の長寿命化を図ることができる。なお、第二の搬送機構において、線材１１の代わりに線材１１と同様の動作をするビームを使用する場合においても、ビーム周囲の少なくとも一部を断熱材で囲み、かつ、そのビームの周囲に冷却用空気を送り込むことでビームを冷却するようにすることが好ましい。

また、少なくともこの焼成領域においては、炉を上下に分割された構造とし、上側の炉及び／又は下側の炉を上下方向に駆動させることにより、焼成領域の入口側及び出口側の開口部の高さを変更可能とすることが好ましい。図１１は、このように炉を上下分割構造とした焼成領域の概略断面図である。本例では、上下に分割された炉４３、４４の内の上側の炉４３を上下方向に駆動できるようにし、これにより焼成領域４２の入口側の開口部４５及び出口側の開口部４６の高さを変更できるようになっている。

第二の搬送機構における線材１１は、前後方向の水平動作を行うだけであり、ウォーキングビームのような上下方向の動作を伴わないので、焼成領域４２の入口側及び出口側の開口部の高さを非常に低くすることが可能であり、これによって、当該開口部を通じて焼成領域内の熱が外部に逃げるのを抑えて焼成領域内温度の安定化を図ることができるとともに、焼成領域内の温度保持に要するエネルギー消費を抑えることができる。前記のように焼成領域４２の入口側及び出口側の開口部４５、４６の高さを変更可能としておけば、被熱処理物の寸法等が変更されても、被熱処理物と干渉しない範囲で極力開口部の高さが低くなるように調整することが容易である。なお、前述のとおり、第二の搬送機構においては、線材１１の代わりに線材１１と同様の動作をするビームを使用することも可能であるが、エネルギー消費の観点から線材を使用することが望ましい。

本発明に使用される第三の搬送機構は、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビームを備えたものである。図１２は、この第三の搬送機構の実施形態の一例を模式的に示した概略説明図であり、本例においては、第三の搬送機構は、リフター２２を上昇及び下降させる昇降駆動装置２３と、リフター２２に取り付けられたビーム２１を前後方向に移動させるビーム駆動装置２５と、昇降駆動装置自体を前後方向に水平移動させる水平移動装置２４とを有し、これらの装置によって、ビーム２１が一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すことができるようになっている。

図１３（ａ）〜図１３（ｅ）は、この第三の搬送機構が、前述の第二の搬送機構から被熱処理物を受け取って、炉外の所定位置まで搬送する動作を示す概要説明図である。まず最初は、図１３（ａ）に示すように、ビーム２１は下降した状態にあり、図１３（ｂ）に示すように、第二の搬送機構により焼成領域の出口付近まで被熱処理物１が搬送されてきた時点で上昇を始める。この上昇の過程で、被熱処理物１は第二の搬送機構の線材１１上からビーム２１上に移載される。次いで、図１３（ｃ）に示すように、ビーム２１は上昇したまま前進し、この前進動作により、ビーム２１上の被熱処理物１は炉外の所定位置まで搬送される。続いて、図１３（ｄ）に示すように、ビーム２１は下降し、この下降の過程で被熱処理物は、ビーム２１上から、前記所定位置に設けられた後続する工程のための他の搬送ライン７１等に移載される。最後に、図１３（ｅ）に示すように、ビーム２１が下降したまま後退し、最初の位置に戻る。これらの動作を周期的に繰り返すことで、第三の搬送機構は第二の搬送機構から被熱処理物を受け取り、炉外の所定の位置まで搬送することができる。

本発明の連続式熱処理炉は、以上説明したような３種類の搬送機構を有し、特に乾燥・脱バインダー領域と焼成領域とで、被熱処理物を別個の搬送機構により搬送するように構成されているので、これら搬送機構の搬送速度が異なるように設定することで、乾燥・脱バインダー領域における被熱処理物の搬送速度と焼成領域における被熱処理物の搬送速度とを異ならせることができる。前述のとおり、太陽電池基板の熱処理において理想的な乾燥・焼成曲線を得るためには、乾燥・脱バインダー領域での被熱処理物の搬送速度よりも焼成領域での被熱処理物の搬送速度を高め、雰囲気温度が１０００℃以上の高温に保たれた焼成領域を短時間の内に素早く通過させることが求められるが、本発明では、各搬送機構の搬送速度を別個に設定することで、このような理想的な乾燥・焼成曲線を実現することが可能となる。

また、被熱処理物の製品特性（品質）を均一にするためには、焼成領域を一定の高温度に安定して保持することが重要な課題となっているが、本発明では、焼成領域における被熱処理物の搬送に前述のような第二の搬送機構を使用することで、これを達成することを可能としている。すなわち、第二の搬送機構は、メッシュベルトコンベアのような搬送機構に比して熱容量の小さい線材又はビームを使用したものであるため、搬送機構の移動動作に伴う焼成領域内の温度変化を小さく抑えることができる。

更に、第二の搬送機構における線材又はビームは、前後方向の水平動作を行うだけであり、ウォーキングビームのような上下方向の動作を伴わないので、焼成領域の入口側及び出口側の開口部の高さを低くして、当該開口部の面積を極力小さくすることができ、これによって、当該開口部を通じて焼成領域内の熱が外部に逃げるのを抑えて焼成領域内温度の安定化を図ることができるとともに、焼成領域内の温度保持に要するエネルギー消費を抑えることができるという省エネルギー化のメリットもある。

本発明の連続式熱処理炉で熱処理しようとする被熱処理物が、例えば一辺１５ｃｍ程度の矩形の太陽電池基板であり、雰囲気温度を３００〜５００℃に調整した乾燥・脱バインダー領域の長さを約２ｍ、雰囲気温度を１０００℃程度に調整した焼成領域の長さを約０．３ｍとした場合においては、被熱処理物が７０〜９０秒間程度で乾燥・脱バインダー領域を通過し、その後５秒間程度で焼成領域を通過して炉外まで搬送されるようにするのが好ましい。

本発明の搬送機構において使用するビームの材質としては、耐熱性と耐熱衝撃性に優れた材質であることが好ましく、例えば炭化珪素系のセラミック材料からなるものが好適に使用できる。また、本発明の搬送機構において使用する線材としては、炉内温度に耐え得る耐熱性と、必要な張力を与えることができるものであれば、その材質や形状に特に制限はないが、例えば、インコネル、チタン等の金属のより線や、径が１〜２ｍｍの細棒からなるワイヤー、あるいは、同様に耐熱性に優れた金属やセラミックからなるチェーンを挙げることができる。

本発明に係る連続式熱処理炉の熱処理対象となる被熱処理物は、特に限定されるものではないが、太陽電池基板のように、比較的小型で平板状の製品の熱処理に特に好適に用いることができる。

本発明に係る熱処理方法は、前記本発明に係る熱処理炉を使用して被熱処理物の熱処理を行う方法であって、第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物の受け渡し後、第二の搬送機構から第三の搬送機構への被熱処理物の受け渡しまでの間の第二の搬送機構による被熱処理物の搬送が、加速、減速、再加速、停止という挙動を示すようにするとともに、被熱処理物の部位の内で焼成領域内における加熱時間が最も長い部位と最も短い部位との加熱時間の差が０〜１秒の範囲内に収まるようにするものである。

前述のとおり、本発明に係る熱処理炉は、乾燥・脱バインダー領域と焼成領域とで、被熱処理物を別個の独立した搬送機構により搬送するように構成することで、焼成領域における被熱処理物の搬送を短時間で素早く実施できるようにしているが、良好な製品特性を得るためには、単に搬送を素早く行うだけでなく、必要な加熱時間を確保し、かつ、焼成領域内における被熱処理物全体の加熱時間がほぼ均一になるようにすることが重要である。

そこで、本方法では、第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物の受け渡し（移載）後、第二の搬送機構から第三の搬送機構への被熱処理物の受け渡し（移載）までの間の第二の搬送機構による被熱処理物の搬送が、加速、減速、再加速、停止という挙動を示すようにするとともに、被熱処理物の部位の内で焼成領域内における加熱時間が最も長い部位と最も短い部位との加熱時間の差が０〜１秒の範囲内に収まるようにした。

加速、減速、再加速、停止の各動作が開始される位置は、前記加熱時間の差を０〜１秒の範囲内に収めることができる限りにおいて任意に選択できるが、好ましい例の一つとしては、図１４のように、第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物１の受け渡しが行われる位置を加速位置Ａ、被熱処理物１の後端が焼成領域４２の入口側開口部４５の内部側開口端に達する位置を減速位置Ｂ、被熱処理物１の前端が焼成領域４２の出口側開口部４６の内部側開口端に達する位置を再加速位置Ｃ、第二の搬送機構から第三の搬送機構への被熱処理物１の受け渡しが行われる位置を停止位置Ｄとするような配置が挙げられる。

なお、各動作の開始位置をこれ以外の配置にする場合にも、減速の開始時における被熱処理物１の位置（減速位置Ｂ）と再加速の開始時における被熱処理物１の位置（再加速位置Ｃ）とが、焼成領域４２を搬送方向において二等分する直線Ｉに対して線対称となるようにすることが、被熱処理物１の各部位の焼成領域４２内における加熱時間を均一化する上で好ましい。

被熱処理物１の各部位の内で焼成領域内における加熱時間が最も長い部位と最も短い部位との加熱時間の差は、前記各動作の開始位置、特に減速位置Ｂと再加速位置Ｃとによって制御することが可能であり、これらの位置を適宜調整することで、前記加熱時間の差が０〜１秒の範囲内に収まるようにすることができる。なお、本発明において、「焼成領域内における加熱時間」とは、被熱処理物１の各部位が、焼成領域４２内（入口側開口部４５内及び出口側開口部４６内は除く）に滞在している時間を意味する。前記加熱時間の差が１秒を超えると被熱処理物１の加熱状態にムラが生じ良好な製品特性を得にくくなる。

加速位置Ａと減速位置Ｂとの間、及び再加速位置Ｃと停止位置Ｄとの間は、焼成領域４２における被熱処理物１の搬送時間全体を短くする観点から比較的高速で搬送を行い、減速位置Ｂと再加速位置Ｃとの間は、必要な加熱時間を確保できるよう比較的低速で搬送を行う。このように加速や減速を行って焼成領域４２内における被熱処理物１の搬送速度を変化させるとともに、減速位置Ｂや再加速位置Ｃ等を調整するなどして、前記のように被熱処理物１各部位の加熱時間の差を所定範囲内とすることで、焼成領域４２における被熱処理物１の搬送を短時間で素早く実施しつつも、必要な焼成時間を確保し、更に、被熱処理物１全体の加熱時間をほぼ均一にすることが可能となる。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（参考例）
本発明に係る熱処理炉において、図１５に示すように、焼成領域４２の長さをＬ₁、被熱処理物１の搬送方向における長さをＹ、入口側開口部４５と出口側開口部４６が形成された炉壁の厚さを各々Ｌ₂とし、ＹとＬ₂は等しいものとする。第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物１の受け渡し後、第二の搬送機構から第三の搬送機構への被熱処理物１の受け渡しまでの間の第二の搬送機構による被熱処理物１の搬送が、加速、減速、再加速、停止という挙動を示すようにし、第一の搬送機構から第二の搬送機構への被熱処理物１の受け渡しが行われる位置を加速位置Ａ、被熱処理物１の前端が入口側開口部４５の内部側開口端に達する位置を減速位置Ｂ、被熱処理物１の前端が出口側開口部４６の内部側開口端に達する位置を再加速位置Ｃ、第二の搬送機構から第三の搬送機構への被熱処理物１の受け渡しが行われる位置を停止位置Ｄとし、加速位置Ａから減速位置Ｂまでの搬送速度をｖ₁、減速位置Ｂから再加速位置Ｃまでの搬送速度をｖ₂とし、再加速位置Ｃから停止位置Ｄまでの搬送速度はｖ₁に等しいものとする。ここで、被熱処理物１の後端を０（最小値）をとし、被熱処理物１の搬送方向における長さＹを最大値として、独立変数ｙを導入すると、被熱処理物１の後端からの距離がｙである部位の焼成領域４２内における加熱時間Ｔ（ｙ）は下式（１）により求められる。
Ｔ（ｙ）＝Ｌ₁／ｖ₂−（Ｙ−ｙ）／ｖ₂＋（Ｙ−ｙ）／ｖ₁ ……（１）

下記の条件で上式（１）より、被熱処理物１の各部の加熱時間を算出し、その結果をグラフ化して図１９に示した。
Ｌ₁＝０．４（ｍ）
Ｌ₂＝０．１５（ｍ）
Ｙ＝０．１５（ｍ）
ｖ₁＝１５（ｍ／分）
ｖ₂＝４（ｍ／分）

図１９に示すとおり、本例では、被熱処理物１の前端（被熱処理物１の後端からの距離が１５０ｍｍの部位）が加熱時間の最も長い部位、被熱処理物１の後端（被熱処理物１の後端からの距離が０ｍｍの部位）が加熱時間の最も短い部位となり、両者の加熱時間の差は１．６５秒（＝６秒−４．３５秒）であった。

また、前記条件で実際に熱処理を実施し、被熱処理物の前端、中央（被熱処理物１の後端からの距離が７５ｍｍの部位）、後端を測定点として、熱電対により温度を測定し、その結果をグラフ化して図２３に示した。この図に示すとおり、本例では、被熱処理物の前端、中央、後端で最高温度に大きな差が生じ、加熱時間の短い部位ほど最高温度が低かった。

（実施例１）
図１６に示すように、被熱処理物１の中央が入口側開口部４５の内部側開口端に達する位置を減速位置Ｂ、被熱処理物１の中央が出口側開口部４６の内部側開口端に達する位置を再加速位置Ｃとした以外は、前記参考例と同じ条件とし、被熱処理物１の後端からの距離がｙである部位の焼成領域４２内における加熱時間Ｔ（ｙ）を下式（２）（ｙ＜０．０７５（ｍ）のとき）及び下式（３）（ｙ＞０．０７５（ｍ）のとき）により求め、その結果をグラフ化して図２０に示した。
Ｔ（ｙ）＝Ｌ₁／ｖ₂＋（ｙ−Ｙ／２）（１／ｖ₂−１／ｖ₁） ……（２）
Ｔ（ｙ）＝Ｌ₁／ｖ₂−（ｙ−Ｙ／２）（１／ｖ₂−１／ｖ₁） ……（３）

図２０に示すとおり、本例では、被熱処理物１の中央が加熱時間の最も長い部位、被熱処理物１の前端及び後端が加熱時間の最も短い部位となり、両者の加熱時間の差は０．８２５秒（＝６秒−５．１７５秒）であった。

また、前記条件で実際に熱処理を実施し、被熱処理物の前端、中央、後端を測定点として、熱電対により温度を測定し、その結果をグラフ化して図２４に示した。この図に示すとおり、本例では、被熱処理物の前端、中央、後端で最高温度に幾分差が生じたものの、その差は前記参考例の結果（図２３）と比較すると小さなものであった。

（実施例２）
図１７に示すように、被熱処理物１の後端が入口側開口部４５の内部側開口端に達する位置を減速位置Ｂ、被熱処理物１の前端が出口側開口部４６の内部側開口端に達する位置を再加速位置Ｃとした以外は、前記参考例と同じ条件とし、被熱処理物１の後端からの距離がｙである部位の焼成領域４２内における加熱時間Ｔ（ｙ）を下式（４）により求め、その結果をグラフ化して図２１に示した。
Ｔ（ｙ）＝（Ｌ₁−Ｙ）／ｖ₂＋Ｙ／ｖ₁ ……（４）

図２１に示すとおり、本例では、被熱処理物１の各部の加熱時間は全て同一（４．５３秒）であり、各部の加熱時間の差は０であった。

また、前記条件で実際に熱処理を実施し、被熱処理物の前端、中央、後端を測定点として、熱電対により温度を測定し、その結果をグラフ化して図２５に示した。この図に示すとおり、本例では、被熱処理物の前端、中央、後端で最高温度に殆ど差が生じなかった。

（実施例３）
図１８に示すように、被熱処理物１の前端が入口側開口部４５の内部側開口端に達する位置を減速位置Ｂ、被熱処理物１の後端が出口側開口部４６の内部側開口端に達する位置を再加速位置Ｃとした以外は、前記参考例と同じ条件とし、被熱処理物１の後端からの距離がｙである部位の焼成領域４２内における加熱時間Ｔ（ｙ）を下式（５）により求め、その結果をグラフ化して図２２に示した。
Ｔ（ｙ）＝Ｌ₁／ｖ₂ ……（５）

図２２に示すとおり、本例では、被熱処理物１の各部の加熱時間は全て同一（６秒）であり、各部の加熱時間の差は０であった。

また、前記条件で実際に熱処理を実施し、被熱処理物の前端、中央、後端を測定点として、熱電対により温度を測定し、その結果をグラフ化して図２６に示した。この図に示すとおり、本例では、被熱処理物の前端、中央、後端で最高温度に殆ど差が生じなかった。

以上、参考例及び実施例１〜３の結果より、実施例２や実施例３のように減速位置と再加速位置を配置すると、被熱処理物全体の加熱時間が均一になり最も好ましいことがわかる。実際の熱処理に当たって、実施例２と実施例３の何れの配置を採用するかは、必要な加熱時間や目標とする搬送のサイクルタイム等により決定すればよい。また、実施例１は、実施例２や実施例３のように被熱処理物の各部の加熱時間の差が０にはならないものの、その差は参考例の１／２程度であり、諸般の事情により実施例２や実施例３のような配置が困難であるような場合には、実施例１のような配置を採用することでも、十分な均熱加熱が可能となる場合があり得る。実施例１〜３に共通するのは、図１６〜１８に示すとおり、減速位置Ｂと再加速位置Ｃとが、焼成領域を搬送方向において二等分する直線Ｉに対して線対称となっていることである。このような配置になっていると、被熱処理物の各部の加熱時間に分布が生じたとしても、それは被熱処理物の長さ方向の中心を最大の加熱時間とした前後対称の分布となり、参考例のように前端と後端とで加熱時間に大きな差が生じることはない。

本発明の連続式熱処理炉及び熱処理方法は、太陽電池基板等の熱処理に好適に使用することができるものである。

本発明に係る連続式熱処理炉の実施形態の一例を示す概略説明図である。 第一の搬送機構の実施形態の一例を示す概略説明図である。 第一の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第一の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第一の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第一の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第一の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第一の搬送機構において、ビーム及び支持体に各々保持部材が装着された状態を示す説明図である。 第二の搬送機構の実施形態の一例を示す概略説明図である。 第二の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第二の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第二の搬送機構において、線材に保持部材が装着された状態を示す説明図である。 線材に対する保持部材の装着状態の例を示す説明図である。 移載機構の実施形態の一例を示す説明図である。 線材の周囲を断熱材で囲んだ状態を示す説明図である。 炉を上下分割構造とした状態を示す説明図である。 第三の搬送機構の実施形態の一例を示す概要説明図である。 第三の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第三の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第三の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第三の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 第三の搬送機構の動作を示す概要説明図である。 加速、減速、再加速、停止の各動作が開始される位置を示す概要説明図である。 参考例における条件等を示す概要説明図である。 実施例１における条件等を示す概要説明図である。 実施例２における条件等を示す概要説明図である。 実施例３における条件等を示す概要説明図である。 参考例の結果を示すグラフである。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の結果を示すグラフである。 実施例３の結果を示すグラフである。 参考例の結果を示すグラフである。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の結果を示すグラフである。 実施例３の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…被熱処理物、２…ビーム、３…支持体、４…ビーム支持体、５…保持部材、６…保持部材、１１…線材、１２…線材ホルダー、１３…巻きバネ、１４…線材支持体、１５…保持部材、２１…ビーム、２２…リフター、２３…昇降駆動装置、２４…水平移動装置、２５…ビーム駆動装置、３１…支持部、３２…可動部、３３…断熱材、３４…溝、４１…乾燥・脱バインダー領域、４２…焼成領域、４３…炉（上側）、４４…炉（下側）、４５…入口側開口部、４６…出口側開口部、５１…入口、５２…出口、６１…インフラスタイン（ＩＲ）ヒーター、６２…近赤外線ランプヒーター、７１…他の搬送ライン。

Claims (8)

1. 炉の入口側から出口側に向かって、被熱処理物の乾燥及び／又は脱バインダー処理を行う少なくとも１つの乾燥・脱バインダー領域と、被熱処理物の焼成を行う焼成領域とが順に設けられ、前記被熱処理物が前記乾燥・脱バインダー領域を搬送されながら乾燥及び／又は脱バインダー処理された後、前記焼成領域を搬送されながら焼成される連続式熱処理炉であって、
   前記被熱処理物を搬送するための搬送機構として、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビーム又は線材を備えた第一の搬送機構と、炉長方向に張り渡され、前記焼成領域の長さよりも長くなるように設定された一定のストロークで前進、後退という動作を周期的に繰り返す線材又はビームからなる第二の搬送機構と、一定のストロークで上昇、前進、下降、後退という動作を周期的に繰り返すビームを備えた第三の搬送機構とを有し、
   前記乾燥・脱バインダー領域では前記被熱処理物の搬送を前記第一の搬送機構により行い、前記焼成領域では前記被熱処理物の搬送を前記第二の搬送機構により行い、前記焼成領域を搬送された後の前記被熱処理物を、前記第三の搬送機構により炉外の所定位置まで搬送するものであり、
   前記焼成領域において、前記第二の搬送機構の線材又はビーム周囲の少なくとも一部を断熱材で囲み、かつ、前記線材又はビームの周囲に冷却用空気を送り込むことで前記線材又はビームを冷却するようにした連続式熱処理炉。
2. 前記第一の搬送機構のビーム又は線材に前記被熱処理物を保持するための保持部材が装着された請求項１に記載の連続式熱処理炉。
3. 前記第二の搬送機構の線材又はビームに前記被熱処理物を保持するための保持部材が装着された請求項１又は２に記載の連続式熱処理炉。
4. 前記第一の搬送機構から前記第二の搬送機構へ前記被熱処理物の受け渡しを行うための移載機構を備えた請求項１ないし３の何れか一項に記載の連続式熱処理炉。
5. 少なくとも前記焼成領域において、炉が上下に分割された構造を有し、上側の炉及び／又は下側の炉を上下方向に駆動させることにより、前記焼成領域の入口側及び出口側の開口部の高さを変更可能とした請求項１ないし４の何れか一項に記載の連続式熱処理炉。
6. 熱処理対象となる前記被熱処理物が太陽電池基板である請求項１ないし５の何れか一項に記載の連続式熱処理炉。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の連続式熱処理炉を使用した熱処理方法であって、前記第一の搬送機構から前記第二の搬送機構への前記被熱処理物の受け渡し後、前記第二の搬送機構から前記第三の搬送機構への前記被熱処理物の受け渡しまでの間の前記第二の搬送機構による前記被熱処理物の搬送が、加速、減速、再加速、停止という挙動を示すようにするとともに、前記被熱処理物の部位の内で焼成領域内における加熱時間が最も長い部位と最も短い部位との加熱時間の差が０〜１秒の範囲内に収まるようにする熱処理方法。
8. 前記減速の開始時における前記被熱処理物の位置と前記再加速の開始時における前記被熱処理物の位置とが、前記焼成領域を搬送方向において二等分する直線に対して線対称となるようにする請求項７に記載の熱処理方法。

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