JP5301816B2 - 耐熱真空断熱材 - Google Patents

Description

この発明は、加熱装置等の高温処理装置の外面に配置される断熱材に関し、特に、断熱体を収納した耐熱材料からなる密封外包体の内部を真空状態にした耐熱真空断熱材に関する。

一例として、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板の製造工程には、処理物であるガラス基板を所定の温度（例えば、２２０℃〜２３０℃程度。）で加熱する熱処理が含まれる。このような熱処理には、壁面を耐熱断熱材で構成した加熱室を備え、処理物を収納した加熱室内を処理物の熱処理に適した温度に昇温する加熱装置が用いられる。

加熱装置では、加熱室内の温度上昇に伴って耐熱断熱材の外面の温度も上昇し、加熱装置が設置されている室内の環境が悪化するだけでなく、加熱室の温度分布が不均一になるとともに熱損失が大きくなる。一方、加熱室の壁面に用いられるセラミックウールやロックウール等の一般的な耐熱断熱材は断熱性能が十分でなく、加熱室の壁面を厚くすることで外面の温度上昇を緩和しようとすると、加熱装置の大型化を招く。

そこで、加熱室の壁面を構成する耐熱断熱材の外側に、断熱性能に優れた真空断熱材を配置した加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。但し、民生用電気機器に使用される真空断熱材は、断熱材の成形体を収納した熱溶着性シートの袋状容器の内部を真空排気した後に密封したものであり、数１０〜１００℃程度まで昇温する熱処理用の加熱装置の外面に配置すると袋状容器が溶融して破断し、真空状態を維持できない。

このため、特許文献１に開示された加熱装置では、内部を真空状態にした袋状容器を、金属アルミニウム層を含む熱溶着性シートであって２〜６μｍの波長の赤外線の反射率が５０％以上、６〜１４μｍの波長の赤外線の反射率が２０％以下である熱溶着性シートで構成し、耐熱性及び断熱性を確保するとしている。
特開２００７−０９３１５７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、壁面の外側に配置される耐熱真空断熱材に熱溶着性シートの袋状容器を用いているため、壁面の外面温度が１００℃を超える加熱装置には適用できない。ところで、壁面の外側にこのような真空断熱材を配置すると、壁面と袋状容器との境界面の温度が著しく上昇し、その結果容易に１００℃を超えてしまうことも稀ではない。そこで、耐熱真空断熱材を金属製の外包体によって構成することが考えられる。

ところが、金属製の外包体を、特許文献1に開示された構成と同様に、内側面と外側面とを同一の材料で形成した場合、壁面の外面に接する内側面と外部に露出した外側面との温度差により、耐熱真空断熱材が内側に向かって凸となる熱変形を生じる。このため、壁面の外面と耐熱真空断熱材の内側面との間に外部に開放した間隙が形成され、加熱室の断熱性が低下する問題がある。

この発明の目的は、外包体の内側面を外側面の材料に比べて線膨張係数が小さい材料で構成し、内側面と外側面との熱変形量に大きな差が生じることを防ぎ、壁面の外面と耐熱真空断熱材の内側面との間に開放した間隙が形成されないようにして、加熱室の断熱性を維持することができる加熱装置用の耐熱真空断熱材を提供することにある。

この発明は、加熱室の壁面を構成する耐熱断熱材の外側に配置される耐熱真空断熱材であって、第１部材及び第２部材からなる外包体と芯材とを備えている。第１部材は、薄板状材料で構成され、高温側に配置される。第２部材は、薄板状材料で構成され、低温側に配置される。第１部材は、第２部材に比較して線膨張係数の小さい材料からなる。外包体は、第１部材及び第２部材の周囲を互いに接合し、内部を真空排気された後に密封される。芯材は、外包体の内部に収納される。第１部材の外面を耐熱断熱材の外側面に接触させ、第２部材の外面を加熱室の外部に露出して配置される。

この構成では、高温側に配置される第１部材の線膨張係数が低温側に配置される第２部材の線膨張係数よりも小さいため、高温側と低温側との温度差によって生じる第１部材の熱変形量と第２部材の熱変形量との差は、第１部材と第２部材とが同じ材質からなる場合に比べて小さい。高温側と低温側との温度差に応じて第１部材及び第２部材の材質を適宜選択することで、温度上昇後における第１部材と第２部材との長さが略等しくなり、外包体が厚さ方向に変形することがない。

上記の構成において、第１部材及び第２部材を薄板状金属材料で構成してもよい。この場合には、第１部材及び第２部材の周囲を溶接して外包体を形成してもよい。これらによって、１００℃程度の温度で外包体が溶融することがなく、高い耐熱性を得ることができる。例えば、第１部材を線膨張係数が１１×１０^-6／℃の金属材料で構成し、第２部材を線膨張係数が１７×１０^-6／℃の金属材料で構成することができる。

この発明によれば、高温側の内側面が低温側の外側面よりも大きく伸びることがなく、高温側に向かって凸となる熱変形を生じることを防止でき、断熱性を維持することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る耐熱真空断熱材を適用した加熱装置の断面図である。加熱装置１０は、一例として、複数枚のガラス基板等の板状の処理物を例えば２２０℃〜２３０℃程度の処理温度に一定時間維持する熱処理を行う。このため、加熱装置１０は、耐熱断熱材２１〜２４及び耐熱真空断熱材１〜４を備えている。

耐熱断熱材２１〜２４は、加熱室２０を包囲する壁面を構成している。加熱室２０には、複数枚の処理物が収納される。加熱室２０は、図示しないヒータにより、処理温度を維持するように加熱される。耐熱断熱材２１〜２４は、例えば、グラスウール、ロックウール又はセラミックウール等の耐熱性に優れた断熱材である。耐熱断熱材２１〜２４は、内面が２２０℃〜２３０℃の加熱室２０に露出しているが、その断熱効果により外面の温度は５０℃前後となる。

耐熱真空断熱材１〜４は、同様の構成であるため、以下に耐熱真空断熱材１について説明する。耐熱真空断熱材１は、第１部材１１、第２部材１２及び芯材１３からなる。

第１部材１１及び第２部材１２は、それぞれ金属製の矩形薄板材（例えば、板厚０．１ｍｍ以下。）の４辺を例えば溶接等によって接合したものであり、中空体としてのこの発明の外包体を構成している。耐熱真空断熱材１は、第１部材１１と第２部材１２との間の空間を真空状態とし、この空間に芯材１３を収納している。

一例として、第１部材１1は線膨張係数が１１×１０^-6／℃であるＳＵＳ４３０を素材としており、第２部材１２は線膨張係数が１７×１０^-6／℃であるＳＵＳ３０４を素材としている。

芯材１３は、グラスウール、ロックウール若しくはセラミックウール等の耐熱性に優れた断熱材、発泡体等の多孔質体、又は微粉末で構成されており、第１部材１１と第２部材１２との間の空間の体積を確保している。

耐熱真空断熱材１は、第１部材１１の外面を耐熱断熱材２１の外側面に接触させ、第２部材１２の外面を外部に露出して配置されている。したがって、第１部材１１が高温側に配置され、第２部材１２が低温側に配置されている。

第１部材１１の温度は、耐熱断熱材２１との接触によって容易に１００℃を超える温度に上昇する。第１部材１１の熱は、互いに当接した周囲の端面を介して第２部材１２に伝導する。しかし、第１部材１１と第２部材１２とが接触していない外包体の中空部分は、真空状態であり、且つ芯材１３が収納されているため、第１部材１１の熱は対流や輻射によっては第２部材１２に伝播しない。したがって、第２部材１２の温度は、加熱装置１０が設置されている室内の温度よりも高いが第１部材１1の温度に比較して十分に低く、第１部材１１の温度との間に大きな差が生じる。

第１部材１１及び第２部材１２は、寸法及び温度上昇に比例した熱変形量で伸びるが、第１部材１１は第２部材１２に比較して線膨張係数が小さい素材で構成されており、両者に大きな温度差が生じても、熱変形量には大きな差を生じない。このため、熱処理中に耐熱真空断熱材１が厚さ方向に変形することがなく、第１部材１１の内側面が耐熱断熱材２１の外側面から離間することによる加熱室２０の断熱性の低下を生じることがない。

これに対して、図２に示す比較例の加熱装置１００のように、第１部材１１１及び第２部材１１２が同一素材の耐熱真空断熱材１１０では、高温側の第１部材１１１の膨張量が低温側の第２部材１１２の膨張量よりも大きくなり、高温側に向かって凸となる熱変形を生じる。この熱変形によって耐熱真空断熱材１１０は、内側面の周縁部が耐熱断熱材２１〜２４の外側面から離間し、耐熱断熱材２１〜２４の外側面との間に外部に開放した間隙が形成され、加熱室２０の断熱性が低下する。

本願発明の実施形態の加熱装置１０では、耐熱真空断熱材１の変形による加熱室２０の断熱製の低下を生じないため、加熱装置１０の熱効率が低下することがない。また、加熱装置１０の設置場所の温度上昇による作業環境の悪化を抑えることができる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施形態に係る耐熱真空断熱材の製造工程の一例を示す図である。耐熱真空断熱材１の製造時には、まず、図３（Ａ）に示すように、金属薄板である第１部材１１及び第２部材１２を同一形状の矩形に裁断後に重ね合わせ、３辺３０Ａ〜３０Ｃの周縁部を溶接等によって接合して袋体３０を形成する。

次いで、図３（Ｂ）に示すように、袋体３０の接合されていない辺３０Ｄを開口させて、袋体３０の内部に芯材１３を挿入する。

この後、図３（Ｃ）に示すように内部に芯材１３を収納した袋体３０を図示しない真空槽に収納して真空排気した後、図３（Ｄ）に示すように開放されている辺３０Ｄを溶接等によって封止することにより、耐熱真空断熱材１が完成する。

なお、加熱装置１０において、耐熱真空断熱材２〜４は、それぞれ第１部材の外面を耐熱断熱材２２〜２４のそれぞれの外側面に接触させて配置されている。但し、耐熱真空断熱材１〜４の全てが必須ではなく、加熱装置１０の設置状態等に応じて耐熱真空断熱材１〜４のうちの少なくとも１つが配置されていればよい。

また、第１部材１１及び第２部材１２の素材は、熱処理時における両者の上昇温度に応じて、熱変形量に大きな差を生じることのないように適宜選択することができ、耐熱性が満足されることを条件に非金属素材を用いることもでき、薄板状材料は平板に限るものでもない。

さらに、第１部材１１と第２部材１２との接合方法は、溶接に限るものではなく、内部の気密性が維持されることを条件に、接着等の他の接合方法を用いることもできる。

加えて、加熱装置１０の使用温度によっては、耐熱断熱材２１を使用せず、耐熱真空断熱材１のみを断熱手段とすることできる。

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。

この発明の実施形態に係る耐熱真空断熱材を適用した加熱装置の断面図である。 比較例の耐熱真空断熱材を適用した加熱装置の断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の実施形態に係る耐熱真空断熱材の製造工程の一例を示す図である。

符号の説明

１ 耐熱真空断熱材
１０ 加熱装置
１１ 第１部材
１２ 第２部材
１３ 芯材
２０ 加熱室
２１ 耐熱断熱材

Claims (4)

1. 加熱室の壁面を構成する耐熱断熱材の外側に配置される耐熱真空断熱材であって、
   高温側に配置される薄板状材料の第１部材と、低温側に配置される薄板状材料の第２部材と、からなり、前記第１部材及び前記第２部材の周囲を互いに接合し、内部を真空排気された後に密封される外包体と、
   前記外包体の内部に収納される芯材と、を備え、
   前記第１部材は、前記第２部材に比較して線膨張係数の小さい材料からなり、
   前記第１部材の外面を前記耐熱断熱材の外側面に接触させ、前記第２部材の外面を前記加熱室の外部に露出して配置される耐熱真空断熱材。
2. 前記第１部材及び前記第２部材は、薄板状金属材料からなる請求項１に記載の耐熱真空断熱材。
3. 前記外包体は、前記第１部材及び前記第２部材の周囲を溶接してなる請求項２に記載の耐熱真空断熱材。
4. 前記芯材は、耐熱断熱材料からなる請求項１乃至３の何れかに記載の耐熱真空断熱材。

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