JP5694983B2

JP5694983B2 - 赤外線ヒーター

Info

Publication number: JP5694983B2
Application number: JP2012072095A
Authority: JP
Inventors: 雄樹藤田; 良夫近藤; 青木　道郎; 道郎青木
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP2013206606A

Description

本発明は、赤外線ヒーターに関する。

従来より、赤外線（波長域０．７〜１０００μｍ）を放出する赤外線ヒーターとしては、種々の構造のものが開発されている。例えば、図１０及び図１１に、特許文献１の赤外線ヒーター９０の構造を示す。図１０は特許文献１の赤外線ヒーター９０の縦断面図、図１１は図１０のＢ−Ｂ断面図である。赤外線ヒーター９０は、発熱体９２を内管９３が囲むように形成されたヒーター本体９４と、このヒーター本体９４を囲むように形成された外管９５と、外管９５の両端に気密に嵌め込まれた有底筒状のキャップ９６と、ヒーター本体９４と外管９５との間に形成され冷媒が流通可能な流路９７とを備えている。発熱体９２は、７００〜１２００℃に通電加熱され、波長が３μｍ付近にピークを持つ赤外線を放射する。内管９３は、石英ガラスやホウ珪酸クラウンガラスなどで作製されており、３．５μｍ以下の波長の赤外線を通過し、３．５μｍを超える波長の赤外線を吸収するフィルタとして機能する。ヒーター本体９４は、両端がキャップ９６の内部に配置されたホルダー９８に支持されている。外管９５は、内管９３と同様、石英ガラスやホウ珪酸クラウンガラスなどで作製されており、３．５μｍ以下の波長の赤外線を通過し、３．５μｍを超える波長の赤外線を吸収するフィルタとして機能する。流路９７は、一方のキャップ９６に設けた供給口から他方のキャップ９６に設けた排出口へ冷媒が流れるようになっている。流路９７を流れる冷媒は、例えば空気や不活性ガスなどであり、内管９３と外管９５に接触して熱を奪うことにより各管９３，９５を冷却する。こうした赤外線ヒーター９０は、発熱体９２から波長が３μｍ付近にピークを持つ赤外線が放射されると、そのうち３．５μｍ以下の波長の赤外線は内管９３や外管９５を通過して加熱対象物に照射される。この波長の赤外線は、有機溶剤の水素結合を切断する能力に優れるといわれており、効率的に有機溶剤を蒸発させることができる。一方、内管９３や外管９５は、３．５μｍを超える波長の赤外線を吸収するが、流路９７を流れる冷媒によって冷却されるため、加熱対象物から蒸発する有機溶剤の着火点未満の温度に維持することが可能である。

特許第４７９００９２号公報

上述した赤外線ヒーター９０では、外管９５を低温に維持しつつ３．５μｍ以下の波長の赤外線を放出するものだが、３．５μｍ以下の波長ではなく５〜６μｍの波長の赤外線を積極的に利用したいという要望もある。例えば、ポリイミド樹脂に所定方向の張力を加えた状態で、赤外線ヒーターで加熱して分子の配列・配向を整えて強度を向上させることがある（アニール）。その場合、５〜６μｍの波長の赤外線を用いると良好にアニールを行うことができるが、３．５μｍ以下の波長が含まれていると樹脂に悪影響を及ぼすおそれがあるため、３．５μｍ以下の波長の赤外線はできるだけ抑制するのが好ましい。

こうしたことから、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線を放出する赤外線ヒーターの開発が望まれていた。また、そうした場合も、赤外線を放出する面の温度は安全性の面から低温に維持するのが好ましい。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、赤外線を外部へ放出する面の温度を低温に維持しつつ、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線を放出する赤外線ヒーターを提供することを主目的とする。

本発明の赤外線ヒーターは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の赤外線ヒーターは、
加熱されると赤外線を放出する発熱体と、
前記発熱体を取り囲む保護管と、
前記保護管の少なくとも一部に設けられた第１透過面と、
前記第１透過面と隙間をもって設けられた第２透過面と、
前記第１透過面と前記第２透過面との間に形成された冷媒流路と、
を備え、
前記第１透過面及び前記第２透過面は、両方とも、波長が５〜６μｍの赤外線を透過し、そのうちの少なくとも一方は、波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高く、かつ、該透過面を透過した後の赤外線の透過率のピーク波長が５〜６μｍの範囲内になるフィルタ特性を有している、
ものである。

この赤外線ヒーターでは、発熱体を加熱すると発熱体から赤外線が放出され、その赤外線は第１透過面や第２透過面を通過して外部へ放出される。ここで、第１透過面及び第２透過面は、両方とも波長が５〜６μｍの赤外線を透過する機能を有する。また、第１透過面及び第２透過面の少なくとも一方は、波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高く、かつ、該透過面を透過した後の赤外線の透過率のピーク波長が５〜６μｍの範囲内になるフィルタ特性を有する。そのため、第１透過面及び第２透過面を透過したあと外部へ放出される赤外線は、ピーク波長が５〜６μｍのものとなる。一方、第１透過面や第２透過面を透過しなかった赤外線によって生じた熱は、冷媒流路を通過する冷媒によって除去される。そのため、第１透過面及び第２透過面を低温に保つことができる。したがって、本発明の赤外線ヒーターによれば、赤外線を外部へ放出する面を低温に維持しつつ、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線を放出することができる。

なお、「波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高い」とは、波長４μｍ以下の赤外線の全透過率よりも波長５〜６μｍの赤外線の全透過率が高い場合のほか、波長４μｍ以下の赤外線の全透過率よりも高い透過率が波長５〜６μｍの範囲内に存在している場合も含む。透過率の最大値を１とした場合、前者の一例としては、波長４μｍ以下の全透過率が０〜０．２で、波長５〜６μｍの全透過率が０．４〜０．８という場合が挙げられる。後者の一例としては、波長４μｍ以下の全透過率が０〜０．２で、波長５〜５．５μｍの透過率が０〜０．２、波長５．５〜５．６の透過率が０．２〜０．８、波長５．６〜６μｍの透過率が約０．８という場合が挙げられる。

本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記発熱体の表面には、波長が５〜６μｍの赤外線を増幅するようにマイクロキャビティが形成されていてもよい。こうすれば、放出される赤外線のピーク波長の強度が高くなるため、エネルギー効率が向上する。この場合、前記マイクロキャビティは、横幅及び縦幅が３〜３．５μｍ、深さが２．５〜４μｍとしてもよい。この範囲であれば、波長が５〜６μｍの赤外線を確実に増幅することができる。

本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記発熱体は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種で形成されていてもよい。これらの材料であれば、発熱体を３００〜８００℃に加熱したときに波長が５〜６μｍの赤外線を比較的高強度で放出するため好ましい。

本発明の赤外線ヒーターにおいて、前記第１透過面及び前記第２透過面は、シリコンで作製されていることが好ましい。シリコン以外にセレン化亜鉛やゲルマニウムなども使用可能であるが、その場合には反射防止コート等が必要になる。そのため、反射防止コート等を特に必要としないシリコンが好ましい。

赤外線ヒーター１０の縦断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。発熱体１２の拡大図である。第１透過面２２のフィルタ特性を示すグラフである。赤外線の波長特性を示すグラフである。熱風加熱炉５０の縦断面図である。別の実施形態の赤外線の波長特性を示すグラフである。別の実施形態の赤外線ヒーターの横断面図である。別の実施形態の赤外線ヒーターの一部切り欠き斜視断面図である。従来の赤外線ヒーター９０の縦断面図である。図１０のＢ−Ｂ断面図である。

次に、本発明の好適な一実施形態について、図面を用いて説明する。図１は赤外線ヒーター１０の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は発熱体１２の拡大図である。

赤外線ヒーター１０は、発熱体１２と、その発熱体１２を取り囲む保護管２０と、その保護管２０の一部に設けられた第１透過面２２と、第１透過面２２と隙間をもって配置された第２透過面２４と、第１透過面２２と第２透過面２４との間に形成された冷媒流路２６と、保護管２０の両端に嵌め込まれた有底筒状のキャップ３０とを備えている。

発熱体１２は、加熱されると赤外線を放出するものであり、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種で作製されている。この発熱体１２の両端は、キャップ３０の内部に配置されたホルダー３４に支持されている。発熱体１２の両端に接続された電気配線１８は、キャップ３０に設けられた配線引き出し部３２を介して気密に外部へ引き出されている。また、発熱体１２は、図３に示すように、帯状の金属板１４を螺旋状に巻き、その形状を維持できるようにしたものであり、両端に棒状端子１６が挿入されている。なお、電気配線１８はこの棒状端子１６に接続されている。帯状の金属板１４は、表面にマイクロキャビティ１５が形成されている。マイクロキャビティ１５は、周知の方法で形成することができる。一例を挙げれば、まず、帯状の金属板１４の表面にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの高解像度レジストをスピンコートし、そのレジストを電子ビーム直接描画でパターニングし、それをマスクとしてドライエッチングしてマイクロキャビティ１５を形成する。マイクロキャビティ１５は、波長が５〜６μｍの赤外線を増幅するような大きさに設計されている。具体的には、マイクロキャビティ１５を平面視したときの形状が正方形の場合、その１辺を３〜３．５μｍ、深さを２．５〜４μｍとしてもよい。例えば、１辺を３μｍ、深さを２．５μｍとすると増幅ピーク波長は５．１μｍとなり、１辺を３μｍ、深さを４μｍとすると増幅ピーク波長は５．６μｍとなり、１辺を３．５μｍ、深さを３μｍとすると増幅ピーク波長は６．０μｍとなる。

保護管２０は、図２に示すように、断面六角形の筒体で底面が開放された形状になっている。この保護管２０は、発熱体１２から放出される赤外線を反射するように金属（例えばＳＵＳやアルミニウム）で形成されている。

第１透過面２２は、保護管２０の底面に嵌め込まれている。この第１透過面２２は、波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高く、かつ、第１透過面２２を透過した後の赤外線の透過率のピーク波長が５〜６μｍの範囲内になるフィルタ特性を有している。このようなフィルタ特性を有する材質としては、シリコンやセレン化亜鉛、ゲルマニウムなどが挙げられる。但し、セレン化亜鉛やゲルマニウムは反射防止コートが必要になるため、そのようなコートが不要なシリコンの方が好ましい。第１透過面２２のフィルタ特性の一例を図４に示す。図４に示したフィルタ特性は、透過率の最大値を１としたとき、５〜６μｍでは透過率が０．５〜０．８、波長が４μｍ以下では透過率が約０．２である。第１透過面２２として使用可能な市販品は、例えば、日本真空光学（株）の赤外域フィルタのＢＳＥ（ＳｉＳｕｂｓｔｒａｔｅ）が挙げられる。

第２透過面２４は、第１透過面２２と隙間をもって保護管２０の内側に設けられている。この第２透過面２４も、第１透過面２２と同じ材質で形成されている。

冷媒流路２６は、第１透過面２２と第２透過面２４との間に形成されている。この冷媒流路２６の両端は、キャップ３０によって密閉されている。各キャップ３０には、ポート３６が形成されている。冷媒流路２６は、一方のポート３６から他方のポート３６へ冷媒が流れるようになっている。冷媒は、例えば空気や不活性ガスなどであり、第１透過面２２や第２透過面２４と接触して熱を奪うことにより冷却する。

キャップ３０は、保護管２０と第１透過面２２とで囲まれた空間を密閉すると共に、保護管２０と第２透過面２４とで囲まれた空間である発熱体室１３や冷媒流路２６も密閉する。キャップ３０の蓋の内表面には、仕切り壁３０ａが設けられ、この仕切り壁３０ａと第２透過面２４によって発熱体室１３と冷媒流路２６とは分離されている。

こうした赤外線ヒーター１０の使用例を以下に説明する。まず、図示しない電源を発熱体１２の両端の電気配線１８に接続し、発熱体１２の温度が予め設定された温度（ここでは７００℃とする）になるように発熱体１２に電力を供給する。また、冷媒流路２６には、冷媒として空気を流し、ヒーター表面温度（第１透過面２２の温度）が約３００℃になるように冷媒の流速や温度を調節する。７００℃に達した発熱体１２からは、図５に示す波長特性を持つ赤外線Ａが放出される。赤外線Ａは、発熱体１２の表面にマイクロキャビティ１５が形成されているため、波長５〜６μｍの領域が増幅されている。この赤外線Ａは、第２透過面２４及び第１透過面２２を通過して外部へ放出される。各透過面２２，２４が図４のフィルタ特性を持つ場合には、外部へ放出される赤外線Ｂ（第１透過面２２及び第２透過面２４を通過した後の赤外線）は、図５の点線で示すように、ピーク波長が５〜６μｍで４μ以下の波長をほとんど含まない赤外線になる。また、ヒーター表面温度は冷媒流路２６を流れる冷媒によって約３００℃の低温に維持される。この状態で、赤外線ヒーター１０の第１透過面２２と向き合うように、アニールが必要なポリイミド樹脂を所定方向に張力を加えた状態で所定時間配置する。すると、ポリイミド樹脂はピーク波長が５〜６μｍの赤外線によって良好にアニールされる。また、４μｍ以下の波長はほとんど含まれていないため、４μｍ以下の波長の赤外線によってポリイミド樹脂が悪影響を受けることはない。一方、発熱体温度は７００℃と高温であるが、ヒーター表面温度は約３００℃と低温であるため、ポリイミド樹脂が熱によって変質したり発火したりするおそれもない。

図６は、熱風加熱炉５０に本実施形態の赤外線ヒーター１０を採用した一例を示す。熱風加熱炉５０は、略直方体に形成された断熱構造の炉体５２と、この炉体５２の上流側に設けられた開口５４から下流側に設けられた開口５６に至る搬送通路５８と、この搬送通路５８の上流側に配置された給気口６０と、搬送通路５８の下流側に配置された排気口６２とを備えている。この熱風加熱炉５０は、更に、複数の赤外線ヒーター１０とを備えている。各赤外線ヒーター１０は、炉体５２の天井近くの反射板５３に設けられたアーチ状窪み部５３ａに配置されている。各赤外線ヒーター１０の長手方向は、搬送方向と直交するように取り付けられている。アニールが必要なポリイミド樹脂６４は、上流側のロール６６から送り出され、搬送通路５８を通って下流側のロール６８に巻き取られる。搬送通路５８を進むポリイミド樹脂の速度は、アニールを考慮して適宜設定される。各赤外線ヒーター１０は、上述したように、発熱体１２が７００℃、ヒーター表面温度が約３００℃となるように発熱体１２へ電力が供給されると共に冷媒流路２６へ冷媒が供給される。また、図示しない熱風発生機からの熱風が給気口６０から搬送通路５８に沿うように流れたあと排気口６２から外部へ排出されるようになっている。熱風の温度や風量は、アニールを考慮して適宜設定される。こうした熱風加熱炉５０によれば、ポリイミド樹脂を熱風で加熱しながら、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線によって良好にアニールすることができる。

以上説明した本実施形態の赤外線ヒーター１０によれば、赤外線を外部へ放出する面である第１透過面２２を低温に維持しつつ、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線を放出することができる。

また、発熱体１２の表面には、波長が５〜６μｍの赤外線を増幅するようにマイクロキャビティ１５が形成されており、放出される赤外線の強度が高くなるため、エネルギー効率が向上する。

更に、発熱体１２は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種で形成されているため、発熱体を３００〜８００℃に加熱したときに、波長が５〜６μｍの赤外線が比較的高強度で放出される。

更にまた、第１透過面２２及び第２透過面２４は、シリコンで作製されていているため、特に反射防止コート等の必要がない。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、発熱体１２の表面にマイクロキャビティ１５を形成したが、特にマイクロキャビティ１５を形成しなくてもよい。その場合、波長５〜６μｍの増幅作用は得られないものの、赤外線ヒーター１０から放出される赤外線は、ピーク波長が５〜６μｍの赤外線となる。その場合の赤外線の波長特性の一例を図７に示す。実線はマイクロキャビティ１５が形成されていない発熱体１２を７００℃に加熱したときの赤外線の波長特性、点線はその赤外線が第１透過面２２及び第２透過面２４を透過したあとの波長特性である。

上述した実施形態において、第１透過面２２及び第２透過面２４の一方を、波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高く、かつ、その透過面を透過した後の赤外線の透過率のピーク波長が５〜６μｍの範囲内になるフィルタ特性を有するものとし、もう一方を５〜６μｍの波長の赤外線を透過するもの（例えば、波長が可視光を吸収し赤外域を透過する赤外線透過フィルターなど）としてもよい。この場合も、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

上述した実施形態では、第２透過面２４を保護管２０の内側に設けたが、図８に示すように、保護管７０の底面に第１透過面７２を設け、その保護管７０の外側に一対のステー７３を介して第２透過面７２を設けてもよい。この場合、第１透過面７２と第２透過面７４と一対のステー７３とで囲まれた空間が冷媒流路７６となる。

上述した実施形態では、保護管２０の形状を断面六角形の筒状としたが、特にこれに限定されるものではなく、どのような形状でもよい。例えば、円筒状、断面楕円の筒状、断面ｎ角形の筒状（ｎは３以上の整数）のほか、断面半円の筒状や断面半楕円の筒状などでもよい。

上述した実施形態では、保護管２０の底面を第１透過面２２としたが、保護管２０の別の面を第１透過面２２としてもよいし、保護管２０のすべてを第１透過面２２としてもよい。後者の場合、第１透過面２２の材質で保護管２０を形成することになる。

上述した実施形態では、発熱体１２の設定温度を７００℃としたが、発熱体１２から赤外線が放出されるのであれば何℃でもよい。例えば、設定温度を３００℃としてもよいし、５００℃としてもよい。

上述した実施形態では、発熱体１２として、帯状の金属板１４を螺旋状に巻き、その形状を維持できるようにしたものを採用したが、その代わりに、図９に示す面状の発熱体８８を採用してもよい。図９の赤外線ヒーターは、断面四角形の筒体で底面が開放された形状の保護管８０と、保護管８０の底面に嵌め込まれた第１透過面８２と、第１透過面８２と隙間をもって保護管８０の内側に設けられた第２透過面８４と、第１透過面８２と第２透過面８４との間に形成された冷媒流路８６とを備え、保護管８０と第２透過面８４とで囲まれた発熱体室には面状の発熱体８８が複数（ここでは４本）配置されている。保護管８０，第１透過面８２，第２透過面８４及び発熱体８８の材質は、それぞれ、上述した実施形態の保護管２０，第１透過面２２，第２透過面２４及び発熱体１２と同じである。また、発熱体８８の少なくとも片方の面（第２透過面８４と向かい合っている面）には、発熱体１２と同様、波長が５〜６μｍの赤外線を増幅するような大きさに設計されたマイクロキャビティが形成されていることが好ましい。複数の発熱体８８の一端は一つの電極端子にまとめて接続され、他端はもう一つの電極端子にまとめて接続されている。そして、両電極端子を介して各発熱体８８に通電すると、各発熱体８８から赤外線が放射される。この図９に示す赤外線ヒーターによっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、図９では、面状の発熱体８８を複数設けたが、一つだけ設けてもよい。

本発明は、赤外線を利用して樹脂のアニールや塗布乾燥等を実施する高分子化学産業などに利用可能である。

１０赤外線ヒーター、１２発熱体、１３発熱体室、１４金属板、１５マイクロキャビティ、１６棒状端子、１８電気配線、２０保護管、２２第１透過面、２４第２透過面、２６冷媒流路、３０キャップ、３０ａ仕切り壁、３２配線引き出し部、３４ホルダー、３６ポート、５０熱風加熱炉、５２炉体、５３反射板、５３ａアーチ状窪み部、５４，５６開口、５８搬送通路、６０給気口、６２排気口、６４ポリイミド樹脂、６６ロール、６８ロール、７０保護管、７２第１透過面、７３ステー、７４第２透過面、７６冷媒流路、８０保護管、８２第１透過面、８４第２透過面、８６冷媒流路、８８発熱体、９０赤外線ヒーター、９２発熱体、９３内管、９４ヒーター本体、９５外管、９６キャップ、９７流路、９８ホルダー

Claims

加熱されると赤外線を放出する発熱体と、
前記発熱体を取り囲む保護管と、
前記保護管の少なくとも一部に設けられた第１透過面と、
前記第１透過面と隙間をもって設けられた第２透過面と、
前記第１透過面と前記第２透過面との間に形成された冷媒流路と、
を備え、
前記第１透過面及び前記第２透過面は、両方とも、波長が５〜６μｍの赤外線を透過し、そのうちの少なくとも一方は、波長が４μｍ以下の赤外線の透過率よりも波長が５〜６μｍの赤外線の透過率の方が高く、かつ、該透過面を透過した後の赤外線の透過率のピーク波長が５〜６μｍの範囲内になるフィルタ特性を有している、
赤外線ヒーター。
前記発熱体の表面には、波長が５〜６μｍの赤外線を増幅するようにマイクロキャビティが形成されている、請求項１に記載の赤外線ヒーター。
前記マイクロキャビティは、横幅及び縦幅が３〜３．５μｍであり、深さが２．５〜４μｍである、請求項２に記載の赤外線ヒーター。
前記発熱体は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金及びＮｉ−Ｃｒ合金からなる群より選ばれた少なくとも１種で形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線ヒーター。
前記第１透過面及び前記第２透過面は、シリコンで作製されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線ヒーター。