JP5798368B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、ウエハなどの被処理物を熱処理炉内に収容して加熱処理する熱処理装置に関する。

従来、ウエハなどの被処理物を熱処理炉内に収容して加熱処理する熱処理装置では、炉内の温度を均一にするために、炉内に配置された攪拌翼により炉内の雰囲気を攪拌するようにしている（特許文献１、２参照。）。攪拌翼は、熱処理炉を貫通する駆動軸の先端に取付けられる。駆動軸は、熱処理炉の外部に軸受を用いて軸承される。

加熱処理の間、炉内の温度は９００〜１０００℃にも達する。このとき、炉内に配置される攪拌翼から駆動軸を伝って軸受に炉内の熱が伝熱する。軸受は精密部品であるため、使用可能温度範囲が規格で定められている。したがって、安定して炉内の雰囲気を攪拌するためには、軸受の温度が使用可能温度の上限を上回らないように、駆動軸や軸受を冷却する必要がある。

そこで、特許文献１、２には冷却水を循環させる水冷式の駆動軸または軸受の冷却機構が開示されている。具体的には、特許文献１には、軸受を保持する軸受保持部材に水冷ジャケットを構築することが開示され、特許文献２には駆動軸の周囲に螺旋状の水パイプを巻き付けることが開示されている。

実開平２−１１８７４８号公報 特開２００３−２１４７２号公報

しかし、上記のような水冷式の冷却機構では、熱処理装置とは別個に冷却水の循環装置が必要であることに加えて水の取り回しの配管が必要であったりして設備コストが高くなる。

また、設備の運休や点検などで熱処理装置の運転を停止させた後でも、熱処理炉の余熱で軸受が熱を持つので、しばらくは冷却水を循環させておく必要がある。冷却水の循環装置と熱処理装置の制御系統とは別々であるため、冷却水を止めるために別途作業が必要となり、運転コストも高くなる。

この発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、別個の装置を必要とせず、簡単な構成で軸受を冷却することが可能であり、設備コストおよび運転コストの削減を可能とした熱処理装置を提供することを目的とする。

この発明の熱処理装置は、熱処理炉、攪拌翼、軸受、および回転翼を備える。熱処理炉は被処理物を収容する。攪拌翼は、熱処理炉の炉壁を貫通して熱処理炉の内部と外部とにわたって配置される駆動軸の先端に取付けられ、炉内の雰囲気ガスを攪拌する。軸受は、熱処理炉外に軸受保持部材を用いて取付けられ、前記駆動軸を軸承する。回転翼は、前記駆動軸に固定される。この構成において、前記駆動軸により前記回転翼が回転されることにより生ずる空気流により前記軸受保持部材および前記軸受が冷却される。

この構成によれば、駆動軸および軸保持部材の空冷が可能となる。冷却水の循環装置が不要で、水の取り回しの配管も不要となる。

また、この発明の熱処理装置は、前記軸受保持部材、前記軸受、および前記回転翼を包囲するダクトを備える。この構成によれば、ダクト内に空気流を引き込んで軸保持部材および軸受を確実に冷却することが出来る。

なお、前記軸受保持部材に放熱フィンを周設しても良い。これによると、放熱フィンを介して軸受保持部材および軸受の熱を放熱出来るので、冷却効率が向上する。この場合、該放熱フィンを前記ダクトに接触させると、いっそう冷却効率が向上する。

この発明によれば、別個の装置を必要とせず、簡単な構成で軸受を冷却することが可能となる。これにより、設備コストおよび運転コストの削減が可能となる。

この発明の一実施形態に係る熱処理装置の要部を示す斜視断面図である。 図２（ａ）は駆動軸右回転時の空気流の流通方向を説明する上記熱処理装置の要部の拡大図である。図２（ｂ）は駆動軸左回転時の空気流の流通方向を説明する上記熱処理装置の要部の拡大図である。

以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る熱処理装置を説明する。図１はこの発明の一実施形態に係る熱処理装置の要部を示す斜視断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る熱処理装置１は、主として、熱処理炉２、駆動モータ３、攪拌翼４、第１，第２軸受５，６、および回転翼７を有する。なお、この図において、熱処理炉２は、全体の図示を省略し、攪拌翼４が配置された天井部のごく一部のみを図示している。

熱処理炉２は、図示しない被処理物を収容する。被処理物は特に限定されないが、例えば、半導体ウエハや液晶パネルのガラス基板などが挙げられる。熱処理炉２の材質は、耐熱性の金属や合金、例えば、スチールやステンレスなどの板金が好適である。熱処理炉２の内壁には二層の断熱材８，９が配置されている。

熱処理炉２の上部には円筒状の外筒１０が固定される。外筒１０は、後述する回転翼７の回転に伴い、駆動軸１８方向に生ずる空気流の流路を規定するものである。外筒１０は熱処理炉２の天井壁を貫通して断熱材８の上部に差し込まれている。外筒１０の上端及び下端にはそれぞれリング状円盤であるモータ支持部材１１および第１軸受支持部材１２が固定されている。

駆動モータ３は、モータ支持部材１１上に固定されている。駆動モータ３のモータ軸３Ａは、外筒１０の軸心に挿入されている。第１軸受支持部材１２上には、上端のフランジ１３Ａを用いてカップ状の第２軸受支持部材１３が取付けられる。第２軸受支持部材１３の底面には、第１軸受保持部材１４が支持される。第１および第２軸受支持部材１２，１３は、第１軸受保持部材１４を介して第１軸受５を支持している。

第１軸受保持部材１４は、上下２段の階段状に形成された筒状体であり、その上段部に第１軸受５を保持している。第１軸受保持部材１４の上部開口はキャップ１５で蓋がされ、内部の第１軸受５を保護している。第１軸受保持部材１４の材質は、例えば、銅、アルミなど熱伝導性の良い金属が望ましい。

第１軸受保持部材１４の外周には複数の放熱フィン１４Ａが放射状に一体的に設けられている。なお、放熱フィン１４Ａを設けるにあたり、別体として第１軸受保持部材１４の周囲に接着や溶接等で取付けても構わない。放熱フィン１４Ａの枚数は限定されないが、例えば、６〜３６枚が好適である。放熱フィン１４Ａの材質は、上述した第１軸受保持部材１４の材質と同様に、例えば、銅、アルミなど熱伝導性の良い金属が望ましい。

外筒１０の内側には、外筒１０内の空間を上下に二分するリング状円盤である第２軸受保持部材１６が取付けられている。第２軸受保持部材１６の中央部に第２軸受６が保持（支持）されている。第２軸受保持部材１６の周辺部には、複数の長穴からなる連通口１６Ａが円周方向に並んで開口している。これら連通口１６Ａを介して第２軸受保持部材１６で仕切られた外筒１０内の上下の空間が連通される。

外筒１０の第２軸受保持部材１６よりも上側には、２つの矩形の第１通気口１０Ａ（図１には１つのみを図示。）が窓状に開口している。外筒１０の第２軸受保持部材１６よりも下側には、２つの矩形の第２通気口１０Ｂ（図１では、手前側の窓枠がカットされた断面で示している。）が窓状に開口している。第１，第２通気口１０Ａ，１０Ｂともに２つの通気口は、外筒１０の円周方向において１８０°の方向に対向して配置されている。また、第１通気口１０Ａと第２通気口１０Ｂとの間の相対位置は、外筒１０の円周方向において略９０°ずれている。これにより、外筒１０の内外で空気流がショートカットするのを抑制することができ、好ましい。

なお、第１および第２通気口１０Ａ，１０Ｂの数、形状（大きさ）、配置、第１と第２通気口間の相対位置は上記に限定されない。

駆動モータ３のモータ軸３Ａには駆動軸１８が固定されている。駆動軸１８は上記第１、第２軸受５，６に軸承されている。駆動軸１８は駆動モータ３の動作時にモータ軸３Ａとともに回転する。駆動軸１８は、熱処理炉２の炉壁、断熱材８，９を貫通して熱処理炉２の内部と外部とにわたって配置される。駆動軸１８の先端に攪拌翼４が取付けられている。攪拌翼４は、駆動軸１８により回転され、炉内の雰囲気ガスを攪拌する。

回転翼７は、リング状の軸部７Ａの周囲に複数の板状の羽根７Ｂが一体に設けられた構成である。回転翼７は、軸部７Ａを用いて駆動軸１８に固定される。回転翼７の軸方向における位置は、第１、第２軸受５，６の間であって、図示のごとく第１軸受保持部材１４のキャップ１５の直上である。これにより、第１軸受保持部材１４、第１軸受５、および回転翼７が軸方向に集約してコンパクトに配設される。そして、これら第１軸受保持部材１４、第１軸受５、および回転翼７を包囲するように円筒状のダクト１７が設けられる。このダクト１７は外筒１０内の第２軸受保持部材１６よりも下側の空間を同心円状に区画し、第１軸受保持部材１４の周囲に確実に空気流を引き込む働きを有する。

回転翼７の羽根７Ｂの水平に対する傾きは限定されないが、例えば、１０〜４５°とするのが好ましい。羽根７Ｂの枚数は限定されないが、例えば、４〜１０枚とするのが好ましい。羽根７Ｂの先端からダクト１７の内壁までの隙間は限定されないが、例えば、１０ｍｍ以下とするのが好ましい。回転翼７全体の直径は限定されないが、例えば、駆動軸１８の直径の２倍以上とするのが好ましい。

ダクト１７の外周には複数の取付フィン１７Ａが、例えば９０°の間隔で放射状に周設されている。ダクト１７は、これらの取付フィン１７Ａを用いて第２軸受支持部材１３のフランジ１３Ａ上に懸架される。ダクト１７の下端はカップ状の第２軸受支持部材１３の底面から持ち上げられた状態に固定されている。これにより、ダクト１７の下端開口を通じた空気の流通が妨げられないようになっている。

放熱フィン１４Ａはダクト１７の内周面と第２軸支持部材１３の底面に接触している。これにより、ダクト１７や第２軸受支持部材１３を伝熱させて第１軸受５の熱を放熱させることが出来る。

次に、上記のように構成される熱処理装置の動作について図２を参照して説明する。図２（ａ）は駆動軸右回転時の空気流の流通方向を説明する上記熱処理装置の要部の拡大図である。図２（ｂ）は駆動軸左回転時の空気流の流通方向を説明する上記熱処理装置の要部の拡大図である。

図２（ａ）に示すように、駆動軸１８が右回転（白塗り矢印参照。）されるとき、回転翼７の回転によって第２通気口１０Ｂが吸気口、第１通気口１０Ａが排気口となるように、外筒１０内に駆動軸１８方向の空気流が生じる（黒塗り矢印参照。）。すなわち、図示の如く、第２通気口１０Ｂから外筒１０外部の空気が外筒１０内に吸気され、ダクト１７の外周面に沿って上から下へ流れ、ダクト１７の下側へ潜り込んでＶ字反転してダクト１７の下端開口から引き込まれてダクト１７内を下から上へ流れ、ダクト１７の上端開口から出た後、第２軸受保持部材１６の連通口１６Ａを通じてさらに上へ流れ、第１通気口１０Ａから外筒１０外部へ排気される。

他方、図２（ｂ）に示すように、駆動軸１８が左回転（白塗り矢印参照。）されるとき、回転翼７の回転によって第１通気口１０Ａが吸気口、第２通気口１０Ｂが排気口となるように、外筒１０内に駆動軸１８方向の空気流が生じる（黒塗り矢印参照。）。すなわち、図示の如く、第１通気口１０Ａから外筒１０外部の空気が外筒１０内に吸気され、第２軸受保持部材１６の連通口１６Ａを通じて下へ流れ、さらにダクト１７の上端開口から引き込まれてダクト１７内を上から下へ流れ、ダクト１７の下端開口から出た後、ダクト１７の下側でＶ字反転して、ダクト１７の外周面に沿って下から上へ流れ、第２通気口１０Ｂから外筒１０外部へ排気される。

つまり、駆動軸１８が右回転か左回転かで気流の方向は逆転するものの、空気流の流路に置かれた第１および第２軸受保持部材１４，１６が空気流により冷却される。駆動軸１８を通じて炉内の熱が各軸受５，１６に伝熱する。つまり、各軸受保持部材１４，１６には、各軸受５，６からの熱が伝熱している。換言すれば、上記のように軸受保持部材１４，１６を冷却することにより、軸受５，６も間接的に冷却することが出来る。特に、熱処理炉２に近い位置にあり、高温になりやすい第１軸受５については、第１軸受保持部材１４の放熱フィン１４Ａを通じて効果的に放熱されるので、冷却を効率よく行うことが可能となる。

本実施の形態によれば、駆動軸および軸保持部材の空冷が可能となる。冷却水の循環装置が不要で、水の取り回しの配管も不要となる。したがって、別個の装置を必要とせず、簡単な構成で軸受を冷却することが可能となる。これにより、設備コストおよび運転コストの削減が可能となる。

なお、本発明は、熱処理炉として代表される浸炭炉は勿論であるが、炉内雰囲気を攪拌翼により強制攪拌するような構成を採用している熱処理炉を備える加熱装置全般に対して適用可能である。

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られるべきである。この発明の範囲は、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、この発明の範囲には、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。

１−熱処理装置
２−熱処理炉
３−駆動モータ
４−攪拌翼
５−第１軸受
６−第２軸受
７−回転翼
１０−外筒
１４−第１軸受保持部材
１４Ａ−放熱フィン
１６−第２軸受保持部材
１７−ダクト
１８−駆動軸

Claims (6)

1. 被処理物を収容する熱処理炉と、
   熱処理炉の炉壁を貫通して熱処理炉の内部と外部とにわたって配置されて互いに逆方向の第１方向及び第２方向に回転する駆動軸の先端に取付けられ、炉内の雰囲気ガスを攪拌する攪拌翼と、
   熱処理炉の外部に軸受保持部材を用いて取付けられ、前記駆動軸を軸方向の異なる位置でそれぞれ軸承する第１軸受及び第２軸受と、
   前記軸方向における前記第１軸受と前記第２軸受との間で前記駆動軸に固定された回転翼と、
   前記第１軸受、前記第２軸受及び前記回転翼を前記駆動軸の半径方向における外側で包囲する外筒と、
   前記外筒の前記軸方向における前記第２軸受を挟んで前記第１軸受の反対側に形成された第１通気口と、
   前記外筒の前記軸方向における前記第１軸受と前記第２軸受との間で、前記外筒の周方向における前記第１通気口と異なる位置に形成された第２通気口と、
   前記外筒の前記軸方向における前記第１軸受を挟んで前記第２軸受の反対側の端部の位置を規定する軸受支持部材と、を備え、
   前記駆動軸が前記第１方向に回転した際に、前記第２通気口から前記外筒の内部を前記軸方向に沿って前記軸受支持部材に向かい、前記軸受支持部材で折り返して前記軸方向に沿って前記第１軸受及び前記第２軸受を経由して前記第１通気口から前記外筒の外部に流れる空気流が形成され、
   前記駆動軸が前記第２方向に回転した際に、前記第１通気口から前記外筒の内部を前記軸方向に沿って前記第２軸受及び前記第１軸受を順に経由して前記軸受支持部材に向かい、前記軸受支持部材で折り返して前記軸方向に沿って前記第２通気口から前記外筒の外部に流れる空気流が形成される熱処理装置。
2. 前記半径方向における前記外筒の内側で、前記第１軸受及び前記回転翼の外側を包囲するダクトであって、一端が前記軸方向における前記第１軸受と前記第２軸受との間に位置するダクトを備える請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記第１軸受、前記回転翼及び前記ダクトは、前記軸方向における前記第２軸受よりも前記熱処理炉側に配置された請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記第１軸受は前記軸受保持部材に保持され、前記第１軸受の前記軸受保持部材に放熱フィンを周設し、前記第１軸受の前記軸受保持部材及び前記放熱フィンが前記ダクトの内部に位置する請求項３に記載の熱処理装置。
5. 前記放熱フィンの前記半径方向の先端を前記ダクトに接触させた請求項４に記載の熱処理装置。
6. 前記第１通気口及び前記第２通気口は、それぞれが前記外筒の互いに対向する２箇所に形成され、前記第１通気口と前記第２通気口とが前記周方向における９０度の角度差となる位置に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の熱処理装置。

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