JP6140264B1 - 工業用炉 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く加熱及び冷却することが可能でコンパクトな工業用炉を提供する。【解決手段】炉体２内に設けられ、ヒーター３を有して、ワークが熱処理される熱処理空間１ａと連通可能な加熱流路４と、炉体内に設けられ、クーラー５を有して、熱処理空間と連通可能な冷却流路６と、これら加熱流路と冷却流路のうちのいずれか一方を択一的に閉塞し、他方を熱処理空間と連通させるダンパー７と、炉体内に設けられ、炉体内の空気を循環させるファン８と、加熱流路と冷却流路との間に介在される断熱天井部６ａとを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、効率良く加熱及び冷却することが可能でコンパクトな工業用炉に関する。

ワークを熱処理する工業用炉のなかには、ワークを加熱した後、冷却したり、温度調節や温度変化させたりするために、クーラー等による冷却機能を備えたものがある。例えば、特許文献１の「クリーンオーブン」は、熱損失がほとんど無く、高いクリーン性能を持ち、さらに設備負担を低減するクリーンオーブンを実現することを課題とし、炉外に設けられているダクトと炉内が、互いに雰囲気ガスの圧力の等しい第１接続部と第２接続部において、該第１接続部と第２接続部とをつなぐように接続されており、ダクトは内部に冷却器と冷却器用ファンとを備えている。冷却器が炉外にもうけられているため熱損失がほとんどなく、さらにダンパーが設けられていないので、発塵せず高いクリーン性能を持つ。また、加熱中に冷却水の供給が停止した場合、冷却器用ファンが停止するので、クリーンルーム外に蒸気を排出するためのダクトが不要である。特許文献１では、炉外に設けられ、冷却器および冷却器用ファンを備えたダクトと、炉内とが２つの接続部により連通されている。

また、特許文献２及び３が知られている。特許文献２の「バッチオーブン」は、省電力で、迅速な降温が可能なバッチオーブンを提供することを課題とし、熱風循環経路上の一部の通路をバイパスして水冷式フィンクーラーを設け、この水冷式フィンクーラーを通るバイパスと、バイパスされる一部の通路とを、切換ダンパーにより選択するようになっている。特許文献３の「クリーンオーブン」は、５００℃程度までの清浄な高温雰囲気ガス中での熱処理を、消費電力を大幅に削減して行うことができるクリーンオーブンを提供することを課題とし、オーブン内で雰囲気ガスを循環させながらヒーターにより加熱してフィルターと熱処理室を通過させ、熱処理室に置かれた被処理物を清浄な雰囲気ガス中で熱処理するクリーンオーブンにおいて、上記フィルターとして耐熱温度が５００℃程度の耐熱フィルターを設置する一方、雰囲気ガスの循環通路の一部に冷却用のバイパス通路を設けて冷却器をバイパス通路に設置し、循環通路とバイパス通路の切り替えを行う通路切替手段として第一及び第二の切替板を設けた構成としている。これら特許文献２及び３では概略的に、オーブン内にクーラーと、クーラーが設けられている部位を通過する流路及びクーラーが設けられていない部位を通過する流路を切り替えるダンパーとを備えている。

特開２００７−２７１１２６号公報 特開２０００−３２９４７４号公報 特開２００４−３５３９２８号公報

上記オーブンのように、炉外に冷却器と冷却器用ファンとを備えたダクトが設けられている場合には、炉外に突出しているダクトの分だけ広い設置スペースが必要となる。また、加熱炉内の気流に対してクーラーとヒーターとが直列に並ぶように設けられている場合には、炉内にてワークを加熱した後に冷却するためにダンパーにより流路を切り替えると、未だ冷めていない高温状態のヒーターを通過した空気がクーラー側に流れる、或いは、クーラーにより冷却された空気が未だ冷めていない高温状態のヒーター側を通過するなど、冷却効率が低下し、また、冷却後に加熱する場合にも加熱効率が低下するという課題がある。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、効率良く加熱及び冷却することが可能でコンパクトな工業用炉を提供することを目的とする。

本発明にかかる工業用炉は、炉体内に設けられ、ヒーターを有して、ワークが熱処理される熱処理空間と連通可能な加熱流路と、上記炉体内に設けられ、クーラーを有して、上記熱処理空間と連通可能な冷却流路と、これら加熱流路と冷却流路のうちのいずれか一方を択一的に閉塞し、他方を上記熱処理空間と連通させるダンパーと、上記炉体内に設けられ、該炉体内の空気を循環させるファンと、上記加熱流路と上記冷却流路との間に介在される断熱材とを備え、前記加熱流路は前記冷却流路の上に位置して、該加熱流路と該冷却流路が上下２段をなすように並列に配置され、前記加熱流路上に前記熱処理空間が位置することを特徴とする。

前記ダンパーは断熱材で構成され、該ダンパーで閉塞される前記加熱流路の開口または前記冷却流路につながる合流部の開口と当該ダンパーとの間をシールするために、該開口側に該ダンパーが当て止めされる当接部が設けられていることを特徴とする。

前記加熱流路の上には、ワークが載置される格子材が設けられることを特徴とする。

前記加熱流路の前記ヒーターと前記冷却流路の前記クーラーとは、これらの流路方向において、重なり合いが互いに半分以下となるように、ずらして設けられることを特徴とする。

本発明にかかる工業用炉にあっては、効率良く加熱及び冷却することができ、またコンパクト化することができる。具体的には、高温の空気は上昇するため、加熱流路は上段に配置され、冷却流路は下段に配置されて、熱的な影響を互いに及ぼさない。加熱流路は冷却流路の上に位置し、加熱流路上に熱処理空間が位置しているので、ヒーターの熱が上方に伝導され、加熱流路からの輻射によっても熱処理空間やワークを加熱することができる。加熱流路と冷却流路を並列に配置したので、コンパクトな工業用炉を提供することができる。

本発明に係る工業用炉の好適な一実施形態の構成を示す説明図であって、図１（ａ）は、加熱中を示す正面側の断面図、図１（ｂ）は、冷却中を示す正面側の断面図である。 図１中、Ａ−Ａ線矢視断面図である。 図１の工業用炉に採用されるダンパーの作用を説明する説明図であって、図３（ａ）は加熱中を示す要部拡大断面図、図３（ｂ）は冷却中を示す要部拡大断面図である。 図１に示した工業用炉に適用されるダンパーの分解組立図である。

以下に、本発明にかかる工業用炉の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る工業用炉の構成を示す説明図であって、図１（ａ）は、加熱中を示す正面側の断面図、図１（ｂ）は、冷却中を示す正面側の断面図である。図２は、図１中、Ａ−Ａ線矢視断面図である。図３は、図１の工業用炉に採用されるダンパーの作用を説明する説明図であって、図３（ａ）は加熱中を示す要部拡大断面図、図３（ｂ）は冷却中を示す要部拡大断面図である。図４は、図１に示した工業用炉に適用されるダンパーの分解組立図である。

本実施形態に係る工業用炉１は、図１、図２に示すように、断熱材料により囲まれる直方体状の内部空間を備えた炉体２の内部に、ヒーター３を備えてワーク（不図示）が熱処理される熱処理空間１ａと連通可能な加熱流路４と、クーラー５を備えて熱処理空間１ａと連通可能な冷却流路６と、加熱流路４と冷却流路６のうちのいずれか一方を択一的に閉塞して、他方を熱処理空間１ａと連通させるダンパー７と、炉体２内の空気を循環させるファン８とを有している。

炉体２内の直方体状に形成された内部空間は、平断面において長方形状をなしており、その上部側へファン８で送られた空気が、その下部側からファン８に戻されるようになっている。内部空間における上部側は、長方形の長手方向における略中央にて、金属製のメッシュフィルター１０により２つの空間に分けられている。メッシュフィルター１０によって分けられた空間のうちの一方には、内部空間の上部側の下部に位置させて、言い換えれば加熱流路４の上に位置させて、例えばグレーチングのような金属製の格子材９が設けられており、格子材９の上下方向に空気が流通可能に構成されている。

格子材９の上側の空間は、熱処理を施す、例えばガラス基板等のワークが配置される熱処理空間１ａをなしており、格子材９上には、当該ガラス基板のようなワークを載置可能な多段積カセット１１が配置可能である。

上部側の空間の他方側には、熱処理空間１ａと反対側の内壁２ａに、炉体２内の空気を循環させるファン８が設けられており、メッシュフィルター１０とファン８との間には、ＨＥＰＡフィルター１２が、上側空間の長手方向に空気が流通可能に配置されている。

下側空間は、上下に２段に層をなすように２つの流路４、６が設けられている。２つの流路４、６は、下段が、内部にクーラー５が設けられて下段の流路内を流通する空気を冷却する冷却流路６をなしており、上段が、内部にヒーター３が設けられて上段の流路内を流通する空気を加熱する加熱流路４をなしている。

加熱流路４と冷却流路６との間には断熱材が介在された、冷却流路６の断熱天井部６ａが設けられており、加熱流路４と冷却流路６との間にて熱が伝達されないように構成されている。

高温の空気は上昇するため、加熱流路４は上段に配置され、冷却流路６は下段に配置されて、熱的な影響を互いに及ぼさないように構成される。また、ヒーター３は、クーラー５の真上に配置せず、加熱流路４及び冷却流路６の流路方向において、重なり合いが互いに半分以下となるように、ずらして設けられる、例えば、これら流路方向に沿う長さ寸法に関し、ヒーター３及びクーラー５の長さ寸法が同一の場合には、当該長さ寸法の半分以上ずらした位置に両者が配置されて、それらの熱的影響が出にくいように構成される。

なお、重なり合いが互いに半分以下というのは、まったく重ならない場合も含まれることは言うまでもない。

また、加熱流路４の上面、すなわち加熱流路４と上側空間とを仕切る部位は、熱伝導性を有する部材により、加熱流路４の伝熱天井部４ａを形成しており、ヒーター３の熱が上方の伝熱天井部４ａに伝導され、その伝熱天井部４ａの上面からも輻射があることによって、熱処理空間１ａを加熱するように構成されている。

このため、冷却流路６は、炉体２の底２ｂと断熱天井部６ａとの間に形成されており、平断面における長方形状の長手方向における両端部は、開放された開口６ｂをなしており、空気が長手方向に沿って流通するように構成されている。

また、加熱流路４は、断熱天井部６ａと伝熱天井部４ａとの間に形成されており、冷却流路６と同様に、平断面における長方形状の長手方向における両端部は、開放された開口４ｂをなしており、空気が長手方向に沿って流通するように構成されている。そして、冷却流路６の開口６ｂは、長手方向の両端部に上下方向に連通するように開放されており、加熱流路４の開口４ｂは、断熱天井部６ａ及び伝熱天井部４ａの長手方向における端部にて上下方向に連通するように開放されている。すなわち、加熱流路４と冷却流路６とは、平断面が長方形状をなす内部空間の長手方向に沿って空気が流通するように設けられている。

また、加熱流路４と冷却流路６とは、合流部の開口６ｃによって合流している。合流部の開口６ｃは、冷却流路６につながっている。そして、図３に示すように、加熱流路４の開口側となる伝熱天井部４ａの端部には当接部７ｂが形成されると共に、合流部の開口６ｃ側、すなわち合流部の開口６ｃの周囲にも当接部７ｃが設けられ、加熱流路４の開口４ｂと合流部の開口６ｃは同じ大きさに形成される。

加熱流路４の開口４ｂと冷却流路６の開口６ｂとの境界部、より具体的には、開口６ｂを形成する断熱天井部６ａの縁６ｃには、加熱流路４と冷却流路６のうちのいずれか一方を択一的に閉塞し、他方を熱処理空間１ａと連通させるダンパー７が設けられている。

ダンパー７は、図１、図３及び図４に示すように、加熱流路４の開口４ｂや合流部の開口６ｃより僅かに大きく形成された断熱材からなる板状の部材であり、回動軸６ｄを有していて、外部に設けた回転機構（図示せず）の動作により、断熱天井部６ａの縁に設けられた穴に挿入された回動軸６ｄを中心に回動し、加熱流路４の開口４ｂと冷却流路６につながる合流部の開口６ｃのうちのいずれかを択一的に閉塞可能に設けられている。

ダンパー７と当接部７ｂ，７ｃとが当接する際は、開口４ｂ，６ｃ側にダンパー７が当て止めされる面接触により、ダンパー７で閉塞される加熱流路４の開口４ｂまたは冷却流路６につながる合流部の開口６ｃと当該ダンパー７との間がシールされて、空気が漏れないように構成される。

しかしながら、ダンパー７の周縁部には、当該ダンパー７が加熱流路４の開口４ｂ及び冷却流路６につながる合流部の開口６ｃを閉塞したときに、加熱流路４の開口４ｂ及び合流部の開口６ｃとの当接面をシールする耐熱性のシール材７ａを開口４ｂ、６ｃの全周に亘るように設けても良い。

ヒーター３、クーラー５、ダンパー７、ファン８等は、工業用炉１の外部に設けられた制御部（不図示）により適宜制御される。

本実施形態の工業用炉１は、たとえば、熱処理空間１ａにおいて熱処理を施すワークが配置された多段積カセット１１が、格子材９上に載置された状態で稼働される。ワークを加熱する際には、制御部の制御によりダンパー７が回動して、冷却流路６につながる合流部の開口６ｃが閉塞される。これにより、冷却流路６内は、断熱材料で形成された内部空間の底２ｂ、側壁２ｃと断熱天井部６ａ、及び、断熱性を有するダンパー７により、熱処理空間１ａ及び加熱流路４と断熱された空間となる。このとき、加熱流路４は熱処理空間１ａ側と連通している。

そして、加熱流路４内のヒーター３と、ファン８とが稼働される。これにより、ヒーター３により加熱された空気が、ファン８によって発生された気流により加熱流路４内から熱処理空間１ａ側に流出する。炉体２内の空気は、ファン８で発生された気流によって循環されることにより、加熱流路４内を通過する際にヒーター３により加熱され温度が上昇する。このとき、加熱流路４を形成する伝熱天井部４ａもヒーター３により加熱され、伝熱天井部４ａの熱によっても、加熱流路４上の空気が加熱され、格子材９の内部を流通し、更にその上方に位置する熱処理空間１ａが加熱されてワークが加熱される。

次に、ワークを冷却する際には、加熱する際と同様に、熱処理空間１ａにおいて熱処理を施すワークが配置された多段積カセット１１が、格子材９上に載置された状態で稼働される。ワークを冷却する際には、制御部の制御によりダンパー７が回動して、加熱流路４の開口４ｂが閉塞される。これにより、加熱流路４は、ダンパー７により開口４ｂが閉塞されて閉塞された空間となる。このとき、冷却流路６は熱処理空間１ａ側と連通している。

そして、冷却流路６内のクーラー５と、ファン８とが稼働される。これにより、クーラー５により冷却された空気が、ファン８によって発生された気流により冷却流路６内から熱処理空間１ａ側に流出する。炉体２内の空気は、ファン８で発生された気流によって循環されることにより、冷却流路６内を通過する際にクーラー５により冷却され、温度が低下した空気により熱処理空間１ａが冷却されてワークが冷却される。

本実施形態の工業用炉１によれば、炉体２の内部空間に設けられ、ヒーター３を備えてワークが熱処理される熱処理空間１ａと連通可能な加熱流路４と、クーラー５を備えて熱処理空間１ａと連通可能な冷却流路６とが、ダンパー７により、いずれか一方が択一的に閉塞され他方が熱処理空間１ａと連通されるので、ワークを単に加熱する際には、クーラー５が備えられている冷却流路６を流通させることなくヒーター３により加熱された空気を加熱流路４から熱処理空間１ａに流通させることができる。このため、ワークをより効率良く加熱することができる。

また、ワークを単に冷却する際には、ヒーター３が備えられている加熱流路４を流通させることなくクーラー５により冷却された空気を冷却流路６から熱処理空間１ａに流通させることができる。このため、ワークをより効率良く冷却することができる。

ワークを冷却後に加熱する場合であっても、冷却流路６はダンパー７により閉塞されているので、温度が低下した状態の冷却流路６内を、加熱された空気は通過しない。このため、より早く加熱することができる。また、このときは、冷却流路６が密閉されるので、温度が低下した状態のクーラー５を保温して、次の冷却処理に備えておくこともできる。

ワークを加熱後に冷却する場合であっても、加熱流路４はダンパー７により閉塞されているので、温度が上昇した状態の加熱流路４内を、冷却された空気は通過しない。このため、より早く冷却することができる。また、このときは、加熱流路４が密閉されるので、温度が上昇した状態のヒーター３を保温して、次の加熱処理に備えておくこともできる。

また、炉体２内にはファン８が設けられるとともに、ファン８により発生される気流に対して加熱流路４と冷却流路６を並列に配置し、加熱流路４と冷却流路６とを択一的に閉塞する構成としたので、ヒーター３とクーラー５とが直列に設けられた炉よりも設置スペースを小さくできるとともに、より効率良く熱処理することができる。このため、効率良く加熱及び冷却することができ、そしてまたコンパクトな工業用炉１を提供することができる。

また、加熱流路４は冷却流路６の上に位置し、加熱流路４上に熱処理空間１ａが位置しているので、加熱流路４の伝熱天井部４ａからの輻射によっても熱処理空間１ａ及びワークを加熱することができる。伝熱天井部４ａの上は、格子材９であるので、その隙間を通じて、ヒーター３の熱が伝導した伝熱天井部４ａからの輻射でワークを加熱することができる。

また、加熱流路４と冷却流路６との間には、断熱材が介在された断熱天井部６ａを有しているので、加熱流路４の熱により冷却流路６の空気が加熱されたり、冷却流路６の冷気により加熱流路４の空気が冷却されたりすることを防止することができる。このためより効率良く熱処理することができる。

また、ダンパー７には、閉塞した加熱流路４の開口４ｂまたは冷却流路６の開口６ｂとの間をシールするシール材７ａが設けられているので、ダンパー７により加熱流路４または冷却流路６をより確実に閉塞することができる。このためさらに効率良く熱処理することができる。

また、ダンパー７には断熱材が備えられているので、ダンパー７により閉塞した加熱流路４の熱や閉塞した冷却流路６の冷熱がダンパー７を介して炉体２内の空気に伝達されることを防止することができる。

上記実施形態においては、ダンパー７に、加熱流路４の開口４ｂ及び冷却流路６の開口６ｂとの隙間をシールするシール材７ａが設けられている例について説明したが、これに限らず、加熱流路４の開口４ｂ側及び冷却流路６につながる合流部の開口６ｃ側の当接部７ｂ，７ｃにシール材が設けられていてもよい。また、特にシール材７ａは設けずに、ダンパー７そのものを当接部７ｂ，７ｃに密着させるようにしてもよい。

１ 工業用炉
１ａ 熱処理空間
２ 炉体
２ａ 内壁
２ｂ 底
２ｃ 側壁
３ ヒーター
４ 加熱流路
４ａ 伝熱天井部
４ｂ 加熱流路の開口
５ クーラー
６ 冷却流路
６ａ 断熱天井部
６ｂ 冷却流路の開口
６ｃ 合流部の開口
６ｄ 回動軸
７ ダンパー
７ａ シール材
７ｂ，７ｃ 当接部
８ ファン
９ 格子材
１０ メッシュフィルター
１１ 多段積カセット
１２ ＨＥＰＡフィルター

Claims (4)

1. 炉体内に設けられ、ヒーターを有して、ワークが熱処理される熱処理空間と連通可能な加熱流路と、上記炉体内に設けられ、クーラーを有して、上記熱処理空間と連通可能な冷却流路と、これら加熱流路と冷却流路のうちのいずれか一方を択一的に閉塞し、他方を上記熱処理空間と連通させるダンパーと、上記炉体内に設けられ、該炉体内の空気を循環させるファンと、上記加熱流路と上記冷却流路との間に介在される断熱材とを備え、
   前記加熱流路は前記冷却流路の上に位置して、該加熱流路と該冷却流路が上下２段をなすように並列に配置され、前記加熱流路上に前記熱処理空間が位置することを特徴とする記載の工業用炉。
2. 前記ダンパーは断熱材で構成され、該ダンパーで閉塞される前記加熱流路の開口または前記冷却流路につながる合流部の開口と当該ダンパーとの間をシールするために、該開口側に該ダンパーが当て止めされる当接部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の工業用炉。
3. 前記加熱流路の上には、ワークが載置される格子材が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の工業用炉。
4. 前記加熱流路の前記ヒーターと前記冷却流路の前記クーラーとは、これらの流路方向において、重なり合いが互いに半分以下となるように、ずらして設けられることを特徴とする請求項１〜３いずれかの項に記載の工業用炉。

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