JP5685709B2 - 熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は、脱バインダ炉や焼成炉などの熱処理炉に関し、詳しくは、有機物バインダを含んだセラミックグリーンシートや回路基板などのセラミック製品その他を脱バインダ処理、焼成処理その他の熱処理をする熱処理炉に関する。

一般に熱処理炉には各種構造の炉体装置が採用されているが、例えば、炉芯管を円筒状とした管状炉構造には、特開２００８−２１５７２８号公報（特許文献１）に記載の焼成炉（以下、「従来炉」という）が知られている。
この従来炉は、赤外線ランプ（加熱体）を有する管状炉構造の炉本体内に、透明石英ガラスからなる円筒状の炉芯管を配置し、その一端部に雰囲気ガス供給口を、他端部に排気口を設けた基本形態が開示されており、そのガス供給口から炉芯管内へ雰囲気ガスを送り込むことによって、炉芯管内の載せ台上に載置された被処理物（セラミック成形体など）に焼成処理を施すようにしたものである。

特開２００８−２１５７２８号公報

上記特許文献１の従来炉は、炉芯管の雰囲気ガス供給側に、雰囲気ガス供給口とは別にガス供給口を炉芯管の内周面に沿った円弧状に開口し、そのガス供給口から雰囲気ガスより大きな流速、かつ炉芯管の表面温度より低温なガスを供給している。それにより、炉芯管の内周面に沿いガス流を発生させて載せ台近傍における炉芯管内面の失透を抑制するようにしている。
この従来炉によれば、雰囲気ガスの外周に円弧状のガス供給口から低温ガスが供給され、それにより発生するガス流によって、確かに被処理物から蒸発するガス状不純物（発生ガス）が前記載せ台近傍の表面に付着することが抑制され、炉芯管の加熱ないし冷却効率の低下防止となることが期待できる。

しかしながら、その従来炉は、円弧状のガス供給口から低温ガスを雰囲気ガスの外周で一方向へ流出させてガス流を発生させる方式であるから、被処理物の載せ台近傍における雰囲気ガス及び発生ガスの滞留は抑制できるものの、従来炉では着目されていない乱流の発生、つまり雰囲気ガス及び発生ガスが供給側へ巻き返し、あるいは吹き戻りする現象を確実に防止して常に安定した炉内環境を確保することは難しい。
すなわち、前記従来のガス供給方式ではガス流が途中で失速する虞があるために、後続の雰囲気ガスが途中から供給側へ反転して乱流が発生することになり、従来炉のような炉芯管が比較的短い場合は影響が少ないものの、特に、長い炉芯管を使用する場合には乱流の発生により雰囲気ガスの安定した一方向流れを確保することが難しい。
そのため、脱バインダ処理や焼成処理において、被処理物に処理ムラ、つまり脱離ムラや焼成ムラの発生を抑制することは必ずしも容易ではない。
また、炉芯管の表面温度より低温なガスを使用するものであるから、被処理物の脱バインダ処理や焼成処理の効率が低下するばかりでなく炉芯管内（処理空間）の温度管理が難しい不具合がある。

本発明は、上記従来事情に鑑みて、炉芯管内の所定位置にファンを配設することで、炉芯管内へ供給する雰囲気ガスで回転するガス流束を形成して雰囲気ガスに直進性を誘導させ、それにより、被処理物の近傍における雰囲気ガスの滞留を抑制するばかりでなく、前記乱流の発生を防止し、雰囲気ガスと共に被処理物から蒸発する有機成分、不純物などの発生ガスを炉芯管内に沿って排気口へ向けて安定した流れで直進させ、脱離成分の滞留による被処理物の汚染を防止し、かつ処理ムラの発生を防止し得る熱処理炉を提供することを目的とする。
また、本処理前に、可視化状態で炉内環境を適正に調整、設定することを可能にし、しかも、簡素な管状炉構造であって、脱バインダ炉や焼成炉などのバッチ炉として使用する際の操作性を簡易にするなど使用性に優れた熱処理炉を提供するものである。

斯る本発明は、加熱手段を有する炉本体内に円筒状の炉芯管を配置し、その炉芯管の一端部に雰囲気ガスの供給口を、他端部に排気口を設けた熱処理炉において、前記ガス供給口の前位置に、供給されるガス流の乱流を抑制しながら雰囲気ガスを排気口方向へ誘導させる整流ファンを配設したことを特徴とする。
本発明によれば、ガス供給口から整流ファンの背面に供給された雰囲気ガスが、該ファンの回転に伴い回転するガス流束となって排気口方向へ直進するため、雰囲気ガスが途中で反転、すなわち供給口側へ巻き返し、あるいは吹き戻りする乱流の発生が防止される。したがって、雰囲気ガス及びそれに追従する被処理物からの発生ガスの乱流が防止できるので炉内における安定したガス流れ（整流）を生成することができる。

上記雰囲気ガスの供給口は、整流ファンの羽根の背面に雰囲気ガスを流出させる。また、整流化効果を高めるために、前記炉芯管の軸心外周の同一円周上に２以上の複数を開口する。なお、ガス供給口の形状は、真円形、円弧状などの何れとすることも任意である。
上記排気口には、一般的な排気浄化器などを接続することも任意であるが、簡易な管状炉構造との組み合わせで、水を収容して簡易で機能的な排気トラップに接続した水中排気方式とすることが好ましい。

また、上記炉芯管は透明石英ガラスなどの円筒状の透明管を使用し、炉本体を開いた状態で炉芯管の内部を透視できるようにする。それにより、脱バインダ処理や焼成処理などの本処理前の準備段階で、炉芯管内に線香など可視煙生成材を収容した状態で雰囲気ガス又はそれに代用する圧縮空気（エアー）を供給し、発生する煙の流れを外部から観察することによりガス供給量に対する適切なファン駆動条件を決定することができるようにする。
さらに、本発明の熱処理炉は、単に、脱バインダ炉または焼成炉などの専用炉として使用するだけでなく、一つを脱バインダ炉として使用した後に、炉内環境を整備した上で焼成炉とすることもよい。

本発明によれば、炉芯管内に供給される雰囲気ガスの乱流を防止できるので、脱離成分の滞留による被処理物の汚染および処理ムラを防止し、脱バインダ処理、焼成処理を確実に施すことができ、それらの処理効率を高めるとともに高品質のセラミック製品等が得られる熱処理炉を提供する。
また、炉芯管の可視化によって、本処理前にガス供給量に対応する適正なファンの回転数を設定することができ、あるいは一つの熱処理炉で脱バインダ処理用及び／又は焼成処理用として使用できるので、使用上の実益を向上させることができる。

本発明の熱処理炉の概要を示す一部切欠した正面図。 図１における（２）−（２）線に沿う断面図。 図２における（３）−（３）線に沿う拡大断面図。 同（４）−（４）線に沿う拡大断面図。 排気トラップを例示する断面図。 比較例１の作用を説明する概要図。 比較例２の作用を説明する概要図。 本発明実施例の作用を説明する概要図。

本発明の実施の形態を図面により説明する。
熱処理炉Ａは、図１に概要を示すように、炉本体１の中央部分に炉芯管２を水平方向貫通状に配設するとともに炉芯管２の外周に沿って発熱体（ヒータ）３を配置させた管状炉構造である。
炉本体１は、基台部１ａとその上に開閉可能に取付けられた上体部１ｂとからなる分割型であって、その後端側を支軸として上体部１ｂを揺動させることにより上体部１ｂが上部発熱体と共に開閉し、その上体部１ｂが開いたときに前記炉芯管２を露出させるようにする。

炉芯管２は、炉本体１を左右に貫通する長さの円筒状であって、内部を透視できるような透明管、好ましくは透明石英管を使用し、炉本体１から突出する一端部に栓４を着脱可能に取付けて該栓４に雰囲気ガスの供給口５ａを形成する供給管５を取付け、他端部にも同様に栓６を着脱可能に取付けて該栓６に排気口７ａを形成する排気管７取付ける。それら何れかの栓４、６を抜き取ることによって、処理対象であるセラミック製品等の被処理物８を、載せ台２０上に載せた状態で炉芯管２内に差し入れ配置させ又は回収するものである。

供給管５は、ホースを介してガス供給部９に配管接続され、そのガス供給部９から雰囲気ガス、例えば、窒素ガス、又はそれに酸素ガスを含めた混合ガス等が送り込まれ、この供給管５のガス供給口５ａより炉芯管２内に雰囲気ガスが供給されるようにする。また、ガス供給部９又はその配管途中には流量調整弁１０を設けて、炉芯管２内に供給されるガス量を適宜に調整・設定できるようにする。

一方、排気管７は、ホース１１を介して排気トラップ１２に配管接続され、脱バインダ処理等によって被処理物８から蒸発する有機成分等の発生ガスが雰囲気ガスと共に排気トラップ１２に送り込まれて回収されるようにする。排気トラップ１２は、図５に示すように、容器１３内に収容した水中に前記排気管７に接続したホース１１の先端を開口させた水中排気方式を例示している。

上記炉芯管２の詳細を図２〜図４により説明すると、炉芯管２の一端部には、前記ガス供給口５ａの前位置に整流ファンとして機能する小型のファン１４を配設している。
ファン１４は、その回転軸１４ａを前記栓４に貫通させて栓外に設置したモータＭの駆動軸に連結し、該モータＭの起動により回転するとともにモータＭの制御部（図示せず）の操作により回転数が適宜に調整・設定されるものである。
供給管５は、炉芯管２の軸心上ではなく、軸心外周の同一円周上に２本が取付けられ（図３参照）、各供給管５のガス供給口５ａをファン１４の羽根の背面に開口させる。
一方、排気管７は、栓６の上部に１本のみ、すなわち、排気口７ａが炉芯管２の他端側上部に開口するように取付けている（図４参照）。

而して、本発明の作用を説明すると、先ず、本発明のような作用が得られない二つの比較例を説明する。
（比較例１）
図６に示すように、炉芯管１内に、可視煙生成材、つまり雰囲気ガスや被処理物から蒸発する発生ガスが目視できないのでガス流を目視可能とするために代用する煙発生材、例えば線香１５を配置する。その状態で、本発明の要旨である前記ファン１４を使用することなく、１本のガス供給管５を用いて、雰囲気ガスの代用としての圧縮空気を供給してみたところ、線香１５の煙は上昇する方向から供給側へ引き寄せられる流れとなった。それによれば、供給管５から吹き出た圧縮空気は、供給側へ巻き返し、あるいは吹き戻りする現象、すなわち、乱流が発生していると考えられる。圧縮空気の供給量を変更しても程度に差があるものの乱流を解消できなかった。

（比較例２）
次に図７に示すように、２本の供給管５を炉芯管２の軸心外周上に取付け、その各供給管５から圧縮空気を供給して線香１５の煙を観察してみたところ、若干改善されたものの、煙が上昇して一時的に停止する滞留が生じるとともに一部が供給側へ戻る乱流の発生も防止し得なかった。おそらく、供給管５からの吹出しだけでは、ガス流（空気流）が細く直線的になるためガス流に部分的な速度差が生じることが原因と判断される。

（実施例）
図８は、ファン１４を配設するとともに２本の供給管５を使用した上記本発明の実施例であり、その作用を説明する。
２本の供給管５から圧縮空気を吹出しながらファン１５を回転させ、そのファン１４の回転数を調整したところ、線香１５の煙からは乱流が発生しなくなった。これは、供給管５から吹出した圧縮空気が、ファン１４の回転により回転するガス流束ＧＦ、つまりガス流が炉芯管２の内径太さになって煙を排気方向へ押出すように作用したため乱流が抑制、すなわちガス流束ＧＦによる直進作用により整流効果が得られたものと考えられる。
そして、供給管５から供給されるガス量を増減させたときに、それに対応してファン１４の回転数も調整することにより線香１５の煙流の乱流が発生せず、もちろん線香１５上における煙の滞留もみられなかった。

なお、ファン１４を配設して、供給管５を１本のみ炉芯管２の軸心上に取付けて実施したところ、整流効果はあったものの前記２本の供給管を使用した場合には及ばなかった。
一方、排気側については、排気管７の本数、管径を違えて実施してみたが、整流効果に差がみられなかった。
因みに、使用した炉芯管２及びガス供給口５ａ，排気口７ａの寸法関係は次のとおりである。
炉芯管の内径：７０ｍｍ、長さ：１０００ｍｍ、
ガス供給口の内径：４ｍｍ、排気口の内径：８ｍｍ
圧縮空気供給量：５Ｌ／ｍｉｎ、供給量に対応する適正なファン回転数：２０００ｒｐｍ

なお、上記ファン４を使用する効果は、炉芯管２の内径があまり小さな場合には採用する効果が少ないが（ファンを使用しない場合でも乱流は少ない）、テスト結果では、内径が２５ｍｍ以上では効果があり、また、炉芯管の内径Ｄ１とファンの羽根外径Ｄ２との関係では、Ｄ２／Ｄ１＝０．５〜０．８の範囲では乱流防止の効果が得られた。

次に、上述した熱処理炉Ａの使用例を説明する。
（脱バインダ炉として使用する場合）
図８の実施例で説明したように、炉芯管２内に線香１５を配置した状態でファン１４を回転させながらガス供給管５ａから圧縮空気を供給する。そして、供給する圧縮空気の供給量を被処理物８に適合する脱バインダ処理用のガス量に流量調整弁１０を操作して調整し、炉芯管２内の線香１５の煙をみながら煙に乱流が発生しないファン１４の回転領域をモータＭの制御部を操作して見出し記憶させる。
次いで、炉芯管２内から前記線香１５を取り出した後に、排気管７に真空ポンプを接続して炉芯管２内を真空排気することにより線香１５の煙を排出させるなど炉内環境を改質する。

なお、真空ポンプを用いた真空引きの工程は、次の工程でファン１４を回転させながら雰囲気ガスを供給する初期段階で線香１５の煙が排出されるので、必須な工程ではなく省略することも任意である。

その後に、炉芯管２内に所定の被処理物８を載せ台２０と共に収容配置させ、炉本体１の上体部１ｂを閉じた状態で、発熱体３により所定の温度（２００〜６００℃）の炉内環境下でガス供給管５より設定ガス量の雰囲気ガスを供給するとともに、ファン１４を記憶させた前記回転数で回転させ、以後は通常の脱バインダ処理と同様な手順により処理を完了する。
なお、本実施例においては、被処理物８として、セラミックグリーンシートに配線回路を描画した積層状の回路基板を使用し、雰囲気ガスとして、窒素ガスの場合と窒素ガスに酸素１％を加えた混合ガスの場合で実施した。

（焼成炉として使用する場合）
炉芯管２内に線香１５を配置した状態でファン１４を回転させながらガス供給管５ａから圧縮空気を供給して、供給量を被処理物８に適合する焼成処理用のガス量に調整し、炉芯管２内の線香１５の煙をみながらファン１４の適正な回転領域を見出して記憶させること、また次いで、炉芯管２内を真空引きすることによって炉内環境を改質することは前述した脱バインダ炉の前工程と同様である（但し、真空引きは省略することも可能）。
その後に、炉芯管２内に所定の被処理物８を収容配置させた状態で、発熱体３により所定の温度（例えば、６００〜９００℃）に炉内環境下でガス供給管５より設定ガス量の雰囲気ガスを供給するとともに、ファン１４を記憶させた前記回転数で回転させ、以後は通常の焼成処理と同様な手順により処理を完了する。

（脱バインダ炉及び焼成炉として使用する場合）
そして、上記熱処理炉Ａを、脱バインダ炉として使用後に焼成炉として使用することも可能である。
具体的には、前工程として、図８で説明したように線香１５の煙の流れを利用し、先ず脱バインダ処理用の雰囲気ガスの供給量に適合するファン１４の適正回転数と、焼成処理用の雰囲気ガスの供給量に適合するファン１４の適正回転数を個別に検出して記憶させておく。
次に、炉芯管２内を真空引きして炉内環境を改質した後に、炉芯管２内に被処理物８を収容して前述の脱バインダ処理を実施する。次いで、同一の炉芯管２内を真空引きした後に該炉芯管２を用いて前述した焼成処理を施せばよい（なお、真空引きは省略可能）。

なお、上記炉芯管２内の真空引きをする場合の工程は、円筒状炉芯管２の排気端側に設けた排気管７に真空ポンプを接続して真空排気する操作であるから、箱型炉など通常の焼成炉などに比べて、その操作が容易であるとともに短時間で行うことができる。
したがって、上記熱処理炉としての使用法によれば、脱バインダ炉、焼成炉の併用、炉芯管の真空引き操作の簡便性、前述した炉芯管２の可視化による雰囲気ガスの供給量に対応するファン１４の設定操作の利便性により、従来一般的な連続炉や箱型炉に比べて簡易な管状炉構造の熱処理炉が提供され、研究室や実験室などで手軽に試用することが可能となり、実用性を高めることができる。

なお、上記実施の形態においては、排気浄化器として排気トラップ１２を用いた水中排気方式を採用したが、それによれば、構造が簡単で被処理物から蒸発した発生ガスを捕捉できるばかりでなく、雰囲気ガスや発生ガスが気泡となって目視されるので、可視化による進捗状況の判断に便利である。
また、可視煙生成材には線香１５を最適例として例示したが、目視できる煙を発生し無害なものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ドライアイスなどを使用することも任意である。そして、線香１５の場合は、雰囲気ガスとしての窒素ガスを吹き込むと線香の火が消えるので圧縮空気を使用したが、ドライアイスを使用するなど、雰囲気ガスを吹き込んでも煙が発生する場合には、可視化による準備段階でも雰囲気ガスを供給することも任意である。

さらに、上記実施の形態においては、セラミックグリーンシートに配線回路を描画した積層状の回路基板を被処理物とした場合を例示したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、金属素材の熱処理炉、あるいはシリコンウエハなど半導体素材を処理する拡散炉など広範に適用されるものである。

Ａ：熱処理炉 １：炉本体
２：炉芯管 ３：発熱体
５：供給管 ５ａ：ガス供給口
７：排気管 ７ａ：排気口
８：被処理物 １２：排気トラップ
１４：（整流）ファン １５：線香

Claims (4)

1. 加熱手段を有する炉本体内に円筒状の炉芯管を配置し、その炉芯管の一端部に雰囲気ガスの供給口を、他端部に排気口を設けた熱処理炉において、前記ガス供給口の前位置に、供給されるガス流の乱流を抑制しながら雰囲気ガスを排気口方向へ誘導させる整流ファンを配設し、
   上記ガス供給口は、炉芯管の軸心外周の同一円周上に２以上の複数口が開口され、それら供給口から整流ファンの背面に雰囲気ガスが供給されるようにしたことを特徴とする熱処理炉。
2. 上記排気口が、排気ホースを介して水を収容した排気トラップに接続された水中排気方式としたことを特徴とする請求項１記載の熱処理炉。
3. 上記炉芯管が透明管であって、その管内に可視煙生成材を収容した状態で雰囲気ガス又は圧縮空気を供給し、発生する煙の流れを外部から観察することによりガス供給量に対する適切なファン駆動条件を決定することができるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理炉。
4. 上記炉芯管が、脱バインダ処理用及び／又は焼成処理用として使用される請求項１〜３の何れか１項記載の熱処理炉。

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