JP5560027B2

JP5560027B2 - 電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉

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Publication number: JP5560027B2
Application number: JP2009275945A
Authority: JP
Inventors: 公男北村; 健司田中; マスドゥルハサン
Original assignee: Teitokusha Co Ltd
Current assignee: Teitokusha Co Ltd
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: JP2011119134A

Description

本発明は、電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉に関する。さらに詳しくは、スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する絶縁体とを備えた電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉に関する。

従来、上述の如き電気ヒーターとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この電気ヒーターは、発熱体の上側端を支持体に固定して下側端を上下方向に移動自在にさせている。これにより、発熱体の発熱による軟化を下側端へ誘導し、発熱体全体の熱変形を抑制している。従って、発熱体の上側端及び下側端の双方を固定する構成における発熱体全体の熱変形を抑制する点は考慮されていない。

また、同文献において、セラミックボード側に湾曲した発熱体の上側端及び下側端を支持体の差込部に差し込んで発熱体を張設して保持する態様が開示されている。この態様では、発熱体の歪みによる脱落を防止するために突出部を設けている。しかし、この突出部は、セラミックボード側への歪みを抑制するものであり、発熱体のテンションを維持することで発熱体の脱落を防止しているに過ぎない。従って、この態様においても、発熱体全体の熱変形を抑制する点は考慮されていない。

特開２００５−１５０１０１号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、略鉛直方向に配置した発熱体の発熱時の軟化による発熱体全体の変形を抑制して基本形状を維持することの可能な電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電気ヒーターの特徴は、スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する絶縁体とを備えた構成において、前記発熱体は、前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部間で加熱空間側に向かって凸状を呈し、前記幅方向端部は、前記発熱体の端部を折り曲げて形成され、前記絶縁体は、前記幅方向端部が挿入される溝部を有し、前記幅方向が略鉛直方向に沿うように前記一対の幅方向端部を前記溝部から脱落不能にそれぞれ固定することで前記発熱体を支持し、前記発熱体の前記一対の幅方向端部間の中央より上方に接当することで前記発熱体の上部で生じる前記絶縁体側への変形を防止すると共に前記発熱体の下部で生じる前記加熱空間側への弛みを防止する支持部を備えることにある。

上記構成によれば、発熱体はその一対の幅方向端部がそれぞれ絶縁体に固定されているため、発熱体が発熱により軟化すると、発熱体の自重が鉛直方向Ｚに作用し、変形することとなる。ここで、発熱体は一対の幅方向端部間で加熱空間側に向かって凸状を呈しているので、上述の変形を絶縁体側へ作用させることができる。そして、その変形を発熱体の一対の幅方向端部間の中央より上方で支持部に接当させることで、支持部が発熱体の上部で生じる絶縁体側への変形を防止すると共に発熱体の下部で生じる加熱空間側への弛みを防止すると共に発熱体を支持するので、発熱体全体の大きな変形を防止し基本形状を維持することが可能となる。

上記目的を達成するため、本発明に係る電気ヒーターの他の特徴は、スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する絶縁体とを備えた構成において、前記発熱体は、前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部間で加熱空間の外側に向かって凸状を呈し、前記幅方向端部は、前記発熱体の端部を折り曲げて形成され、前記絶縁体は、前記幅方向端部が挿入される溝部を有し、前記幅方向が略鉛直方向に沿うように前記一対の幅方向端部を前記溝部から脱落不能にそれぞれ固定することで前記発熱体を支持し、前記発熱体の前記一対の幅方向端部間の中央より下方に接当することで前記発熱体の上部で生じる前記加熱空間側への変形を防止すると共に前記発熱体の下部で生じる前記絶縁体側への弛みを防止する支持部を備えることにある。

上記構成によれば、発熱体は一対の幅方向端部間で加熱空間の外側に向かって凸状を呈しているので、上述の変形を発熱体上部では加熱空間側へ作用させると共に発熱体下部では絶縁体側へ作用させることができる。そして、発熱体下部での変形を発熱体の一対の幅方向端部間の中央より下方で支持部に接当させることで、支持部が発熱体の上部で生じる加熱空間側への変形を防止すると共に発熱体の下部で生じる絶縁体側への弛みを防止すると共に発熱体を支持するので、発熱体全体の大きな変形を防止し基本形状を維持することが可能となる。上記いずれかに電気ヒーターは、これを備えた炉として実施することができる。

上記本発明に係る電気ヒーター及び電気ヒーターを備えた炉の特徴によれば、略鉛直方向に配置した発熱体の発熱時の軟化による発熱体全体の変形を抑制して基本形状を維持することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明の第一の実施形態に係る電気ヒーターの概略正面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。炉の概略縦断面図である。本発明の第二の実施形態を示す図２相当図である。本発明の他の実施形態を示す図２相当図である。本発明のさらに他の実施形態を示す図２相当図である。本発明のさらに他の実施形態における幅方向端部近傍の拡大図である。

次に、図１〜３を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、本発明に係る電気ヒーター１は、加熱空間Ｓに投入される被加熱物を加熱する発熱体１０と、この発熱体１０を支持する絶縁体２０と、発熱体１０の中間部１０ｍに接当する支持部３０とを備えている。発熱体１０には、この発熱体１０に電力を供給するリード部材４０が接続されている。

この電気ヒーター１は、例えば図３に示す如く、主として炉１００の壁部１０１に設置されるものであり、加熱ユニット１１０を構成する。この加熱ユニット１１０は、例えば発熱体１０及び絶縁体２０が同心円状に配置され、複数段積み上げて炉１００の加熱装置を構成する。

発熱体１０は、図１に示すように、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金やニッケルクロム合金等の導電性材料よりなる薄板部材より形成される。この発熱体１０は、複数のスリット１１を幅方向Ｗから交互に切り込むことで、蛇行状の電流路１２を有するように構成されている。発熱体１０の一対の幅方向端部１３，１３は、スリット１１に沿う幅方向Ｗの両端（上下端）に位置する。図２に示すように、この一対の幅方向端部１３，１３間は、なだらかな円弧状をなすように形成され加熱空間Ｓ側（炉１００内部側）に凸状を呈している。発熱体１０は、スリット１１に沿う幅方向Ｗが鉛直方向Ｚに沿うように一対の幅方向端部（上下端部）１３，１３を介して後述の絶縁体２０に支持されている。なお、本発明の以下の実施形態において、鉛直方向とは略鉛直方向を意味する。略鉛直方向とは、同図の矢印Ｚに示す鉛直方向の他、支持部３０の作用・効果が生じる限り鉛直方向Ｚに対し若干傾斜する方向Ｚ１，Ｚ２も含むものである。

また、図２に示すように、発熱体１０には、蛇行状の電流路１２端部にリード部材４０の端部４１が溶接により固定される。このリード部材４０は、端部４１から幅方向Ｗへ延びる延長部４２を備え、この延長部４２は発熱体１０とほぼ同様の材料からなる薄板部材により形成されている。この延長部４２は発熱体１０に沿うように配置されており、発熱体１０に固定されていない。これにより、発熱体１０の局所的な温度低下を抑制することができる。しかも、延長部４２は発熱体１０に沿うだけで固定されておらず、発熱体１０の略中央部から幅方向端部１３近傍まで延長しているので、リード部材４０により発熱体１０の熱変形の動きが制限されることもない。そして、延長部４２は、発熱体１０の幅方向端部１３近傍で接続部４３を介して外部へ延長されている。

絶縁体２０は、例えばセラミックボードにより形成されている。このセラミックボード２０は、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とするいわゆるセラミックス材料や窒化珪素質材料により構成され、発熱体１０を他の部材に対し電気的に絶縁する。

セラミックボード２０には、発熱体１０の幅方向端部１３を挿入する溝２１が形成されている。この溝２１に幅方向端部１３を挿入すると共に液状のセラミックス２２を注入し硬化させることで、発熱体１０の幅方向端部１３を溝２１内で接着させて固定させる。

また、図２に示すように、このセラミックボード２０には、発熱体１０の中間部１０ｍがセラミックボード２０側に近接することを防ぐ支持部３０が設けられている。この支持部３０は、上述のセラミックボード２０と同様の絶縁材料により構成され、発熱体１０に向かって突出する板状に形成されている。

上述したように、発熱体１０は、加熱空間Ｓ側に凸状を呈すると共に一対の幅方向端部１３，１３がセラミックボード２０にそれぞれ固定され、幅方向Ｗが鉛直方向Ｚに沿うように支持されている。発熱体１０の発熱による軟化は、発熱体１０の自重によって鉛直方向Ｚに作用する。このため、図２の一点鎖線で示す如く、発熱体１０の中間部１０ｍでは、凸状形状によりセラミックボード２０側へ軟化による変形が誘導され、発熱体１０の下部では弛みが生じて、発熱体１０全体で大きく変形してしまう。

そこで、上述の支持部３０を発熱体１０の中間部１０ｍに当接するように設けることで、支持部３０が中間部１０ｍでのセラミックボード２０側に近接する変形を防止すると共に発熱体１０の上部を支持する。これにより、発熱体１０全体の大幅な変形を防止し、基本形状を維持することができる。なお、本実施形態において、支持部３０は、発熱体１０の幅方向Ｗの中央１０ｎより上方の中間部１０ｍに位置させるとよい。支持部３０を中央１０ｎより上方に位置させることで、発熱体１０の上部の変形と下部の変形とのバランスが保たれ、発熱体１０全体の変形をさらに抑制することができる。

次に、図４を参照しながら、本発明の第二の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において、上記実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
本実施形態に係る電気ヒーター１Ａは、発熱体１０の形状、絶縁体としてセラミックボード２０に代えて碍子からなる絶縁体５０を用いる点で上記第一実施形態と異なる。また、本実施形態では、壁部１０１としてフレーム２を用いている。

図４に示すように、この発熱体１０Ａは、一対の幅方向端部１３Ａ，１３Ａ間でなだらかな円弧状をなすように形成され加熱空間Ｓの外側（炉１００外部側）に凸状を呈している。発熱体１０Ａは、幅方向Ｗが鉛直方向Ｚに沿うように一対の幅方向端部（上下端部）１３Ａ，１３Ａを介して後述の絶縁体２０Ａに支持されている。なお、図示省略しているが、発熱体１０Ａには、上記第一実施形態と同様にリード部材４０が接続されている。

絶縁体５０は、一対の第一碍子５１，５１と、この一対の第一碍子５１，５１間に挟持される第二碍子５２とからなる。この第一、第二碍子５１，５２は、先のセラミックボード２０と同様の絶縁材料により構成され、発熱体１０Ａをフレーム２に対し電気的に絶縁する。第一碍子５１は略板状を呈し、第二碍子５２は断面視Ｔ字状に形成されている。これら各碍子５１，５２は、取付部材６０を介して挟持されるように取り付けられると共にフレーム２に固定される。

また、第一、第二碍子５１，５２間には、発熱体１０Ａの幅方向端部１３Ａを挿入する溝部５３が形成されている。この溝部５３により幅方向端部１３Ａが固定され、発熱体１０Ａを絶縁体５０に鉛直方向Ｚに支持すると共に複数段設けることができる。

本実施形態において、発熱体１０Ａは、加熱空間Ｓの外側に凸状を呈している。そのため、図４の一点鎖線で示す如く、発熱体１０Ａの中間部１０ｍ上部では、その凸状形状により加熱空間Ｓ側へ軟化による変形が誘導されると共に、発熱体１０Ａの中間部１０ｍ下部ではフレーム２側へ変形が誘導される。そこで、支持部３０を発熱体１０Ａの中央より下方に設けることで、中間部１０ｍ下部でのフレーム２側に近接する変形を防止すると共に発熱体１０Ａの下部を支持する。これにより、発熱体１０Ａ全体の大幅な変形を防止し、基本形状を維持することができる。しかも、発熱体１０Ａ下部がフレーム２に接触することを防止することができ、接触による断線を防止する。なお、本実施形態において、支持部３０は、固定部材３１を介してフレーム２に固定されている。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について列挙する。
上記第一実施形態において、発熱体１０の幅方向端部１３をセラミックボード２０の溝２１に挿入し、液状セラミックス２２を充填硬化させて発熱体１０をセラミックボード２０に支持させた。しかし、発熱体１０の支持態様は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、図５に示すように、セラミックボード２０の溝２１ａに幅方向端部１３を挿入する絶縁体としての碍子２３及び係止片２５を設けても構わない。係る場合、幅方向端部１３の先端を折り曲げて折曲部１３ａを形成する。碍子２３には溝２３ａが形成されている。セラミックボード２０の溝２１ａに碍子２３を挿入して取り付けると共に、碍子２３の溝２３ａに幅方向端部１３を挿入し、その後、係止片２４を取り付けて、折曲部１３ａを係止片２４に係止させることで発熱体１０の一対の幅方向端部１３，１３を絶縁体に固定する。なお、本実施形態において、この係止片２４を碍子２３と一体に形成しても構わない。係る場合、発熱体１０の幅方向端部１３を幅方向Ｗに直交する水平方向へ向かって溝２４に挿入するとよい。

また、上記第一実施形態において、絶縁体２０としてセラミックボードを用い、そのセラミックボード２０に発熱体１０を固定支持した。しかし、発熱体１０はセラミックボード２０に固定される態様に限られるものではない。

例えば、図６に示すように、発熱体１０の一対の幅方向端部１３，１３を支持する絶縁体としての碍子２５を設けても構わない。係る場合、セラミックボード２０に代えてフレーム２に取付部材６０を介して碍子２５を取り付けることも可能である。この碍子２５には、溝２５ａが形成されており、その溝２５ａに発熱体１０の幅方向端部１３を挿入して固定する。なお、本実施形態において、碍子２５は一体物であっても複数の碍子により構成しても構わない。また、上述の碍子及び係止片は、セラミックボートと同様の絶縁材料により構成される。

このように、発熱体の固定態様は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な改変が可能であり、発熱体１０の一対の幅方向端部１３，１３が脱落しない態様であれば、形状、構成等は上記各実施形態に限られない。

上記実施形態において、発熱体１０の幅方向端部１３，１３間を円弧状に湾曲させて凸状に形成した。しかし、凸状の形成は、円弧状に湾曲する態様に限られず、例えば加熱空間Ｓ側に突出するように折り曲げて断面視略三角形状であってもよい。また、支持部３０は、発熱体１０の中間部１０ｍが絶縁体側に近接する変形を防ぐと共に発熱体を支持し得る態様であれば、上記実施形態の態様に限定されるものではない。

なお、上記各実施形態において、発熱体の幅方向端部のうち下端の固定は、上端に比較して緩やかでよい。例えば、図７に示すように、発熱体１０の下端の幅方向端部１３のハッチングで示す先端部分１３ｘを設けてなくてもよい。この場合、発熱体１０を下方から支持すると共に幅方向Ｘに交差する方向への移動を規制することができる。また、同図に示すように、第一碍子５１を加熱空間Ｓ側のハッチングで示す先端部分５１ａを設けず、基部５１ｂのみで構成しても構わない。この場合、発熱体１０の下端の取り付けを容易に行うことができる。

本発明に係る電気ヒーターは、例えばガラス、セラミック、金属等の被加熱物の熱処理用のヒーターとして利用することができる。また、反応炉、拡散炉にも適用可能である。さらに、電気ヒーター及びこれを備えた炉は、例えば半導体ウエハの半導体製造装置やガラス基板等を加熱処理する基板処理装置等にも適用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：電気ヒーター、２：フレーム、１０：発熱体、１０ｍ：中間部、１０ｎ：中央、１１：スリット、１２：電流路、１３：幅方向端部、１３ａ：折曲部、２０：セラミックボード（絶縁体）、２１，２１ａ：溝、２２：液状セラミックス、２３：碍子（絶縁体）、２３ａ：溝、２４：係止片（絶縁体）、２５：碍子（絶縁体）、２５ａ：溝、３０：支持部、４０：リード部材、４１：端部、４２：延長部、４３：接続部、５０：絶縁体、５１：第一碍子、５２：第二碍子、５３：溝部、６０：取付部材、１００：炉、１０１：壁部、１１０：加熱ユニット、Ｗ：幅方向、Ｚ：鉛直方向

Claims

スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する絶縁体とを備えた電気ヒーターであって、
前記発熱体は、前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部間で加熱空間側に向かって凸状を呈し、
前記幅方向端部は、前記発熱体の端部を折り曲げて形成され、
前記絶縁体は、前記幅方向端部が挿入される溝部を有し、前記幅方向が略鉛直方向に沿うように前記一対の幅方向端部を前記溝部から脱落不能にそれぞれ固定することで前記発熱体を支持し、
前記発熱体の前記一対の幅方向端部間の中央より上方に接当することで前記発熱体の上部で生じる前記絶縁体側への変形を防止すると共に前記発熱体の下部で生じる前記加熱空間側への弛みを防止する支持部を備える電気ヒーター。
スリットを形成することにより電流路を形成した板状の発熱体と、この発熱体を支持する絶縁体とを備えた電気ヒーターであって、
前記発熱体は、前記スリットに沿う幅方向に位置する一対の幅方向端部間で加熱空間の外側に向かって凸状を呈し、
前記幅方向端部は、前記発熱体の端部を折り曲げて形成され、
前記絶縁体は、前記幅方向端部が挿入される溝部を有し、前記幅方向が略鉛直方向に沿うように前記一対の幅方向端部を前記溝部から脱落不能にそれぞれ固定することで前記発熱体を支持し、
前記発熱体の前記一対の幅方向端部間の中央より下方に接当することで前記発熱体の上部で生じる前記加熱空間側への変形を防止すると共に前記発熱体の下部で生じる前記絶縁体側への弛みを防止する支持部を備える電気ヒーター。
請求項１又は２記載の電気ヒーターを備えた炉。