JP6298727B2 - 電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置に関する。さらに詳しくは、蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端で支持する支持体とを有する電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置に関する。

従来、上述の如き電気ヒーターとして、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。同文献では、金具にそれぞれ固定された上下一対の碍子で発熱体の上側端を挟み込んで発熱体を保持する構造のため、部品点数が多く、組み立て作業も煩雑となっていた。また、発熱体と金具との距離が短く絶縁性の向上が望まれるが、碍子を肉厚にすると熱容量が増加し、加熱効率が低下してしまう。

特開２００９−３３１１７号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、簡素な構成でありながら発熱体の脱落を防止し且つ加熱効率のよい電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置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、蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端で支持する支持体とを有する構成において、前記電流路の間の空隙を貫通する貫通部材と、前記発熱体は、前記空隙内で前記貫通部材に当接可能となるように前記貫通部材の下方に配置される当接部を備え、前記上側端を前記支持体に掛止させることで前記発熱体を支持することにある。

上記構成によれば、発熱体は、空隙内で貫通部材に当接可能となるように貫通部材の下方に配置される当接部を有する。これにより、空隙の長手方向に沿う貫通部材側となる上方への発熱体の熱変形や移動に伴って、当接部も上方へ移動し貫通部材に当接する。よって、当接部と貫通部材との当接により、空隙の長手方向に沿う上方への発熱体の熱変形や移動が制限される。従って、発熱体の上側端を支持体に掛止させたとしても、支持体からの脱落を防止できる。しかも、熱容量の大きい碍子等で、発熱体を挟持する又は発熱体の上側端を下方へ押える必要がなく、部品点数を減らせるばかりか、加熱効率をも向上させることが可能となる。

また、前記上側端は、外方に向けて折り曲げられているとよい。これにより、発熱体の強度を向上させることができると共に上下方向に隣接する他の発熱体との短絡をも防止し、絶縁性が向上する。

上記いずれかに記載の電気ヒーターは、これを備えた加熱装置として実施することができる。
また、本発明に係る他の加熱装置の特徴は、蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端で支持する支持体とを有する電気ヒーターを積層してなる構成において、前記電気ヒーターは、前記電流路の間の空隙を貫通する貫通部材を有し、前記発熱体は、前記空隙内で前記貫通部材に当接可能となるように前記貫通部材の下方に配置される当接部を備え、前記上側端を前記支持体に掛止させることで前記発熱体を支持し、積層方向に隣接する前記発熱体及び前記支持体は、前記電気ヒーターの周方向にピッチをずらして配置されていることにある。

上記本発明に係る電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置の特徴によれば、簡素な構成でありながら発熱体の脱落を防止し且つ加熱効率を向上させ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。

本発明に係る電気ヒーターの概略斜視図である。 図１の縦断面図である。 図２の斜視図である。 図２のＡ部拡大図である。 図３のＢ部拡大図である。 図３のＣ部拡大図である。 発熱体の部分拡大斜視図である。 （ａ）は支持碍子の斜視図、（ｂ）は固定具の斜視図である。 （ａ）はパイプの斜視図、（ｂ）は固定具の斜視図である。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る電気ヒーター１は、図１〜６に示すように、大略、炉内を加熱する発熱体１０と、発熱体１０を支持する支持体としての支持碍子２０と、支持碍子２０が取り付けられる外装材３０と、発熱体１０の空隙としてのスリット１１を貫通する貫通部材５０とを備える。外装材３０は円筒形を呈し、発熱体１０がその内周面に沿うと共にスリット１１の長手方向が鉛直方向Ｚに沿うように配置されている。図１〜３に示すように、この電気ヒーター１は、鉛直方向Ｚに沿って積層され、炉の加熱装置１００として機能する。係る場合、図１に示すように、上下に隣接する電気ヒーター１の発熱体１０及び支持碍子２０は、周方向Ｙに半ピッチ１／２Ｐずらして設けられる。これにより、上側の発熱体１０の下側端１５は、下側の支持碍子２０の頭部２２に対向するように配置されるので、上下の発熱体１０同士の接触を回避できる。なお、外装材３０は導電性の材料から構成されており、例えば、ステンレス材等の金属材料よりなる。

発熱体１０は、図１〜３に示すように、外装材３０の内周面に沿うように湾曲して形成されている。本実施形態において、発熱体１０は、図４〜７に示すように、上下端から交互に上開放スリット１１ａと下開放スリット１１ｂとが並設され、蛇行状の電流路１２を形成する。電流路１２は、スリット１１に並行する直線状部１３と、直線状部１３を接続する略方形の上側端１４と、略円弧状の下側端１５とからなる。この上側端１４は、外装材３０側（外方）に向けて屈曲させている。これにより、発熱体１０の強度が向上し確実に支持碍子２０に掛止させ、維持することができる。上側端１４を屈曲させない場合、発熱体１０がアコーディオンの如く折りたたまれる変形が生じる可能性があり、それにより、下段の発熱体１０と短絡する可能性があり、上側端１４を屈曲させることで、その変形を防止する。

図５，７に示すように、本実施形態では、当接部４０として、直線状部１３の下部（下側端１５近傍）にスリット１１へ突出する略矩形の突出部１６が設けられている。この突出部１６は、後述する貫通部材５０の下側に位置する。

図８（ａ）に示すように、支持碍子２０は、発熱体１０の直線状部１３を受け入れる一対の第一溝部２１と、この第一溝部２１の外方（炉内側）に設けられる頭部２２と、同図（ｂ）に示す如き略コの字形状の固定具２４を受け入れる第二溝部２３とを備える。支持碍子２０は、図６に示すように、外装材３０を貫通し第二溝部２３に固定具２４を嵌合させて固定される。固定具２４のコの字型止め輪２５の内径は、第二溝部２３の外径よりもわずかに小さく、専用工具で止め輪２５を広げながら第二溝部２３に挿入し固定する。なお、支持碍子２０は、例えば、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と外装材３０との間で絶縁を確保する。

第一溝部２１には、上側端１４が掛止されてその近傍の直線状部１３がそれぞれ嵌合する。これにより、発熱体１０のヒーターの径方向Ｘ及び周方向Ｙへの移動が制限される。また、頭部２２には、鉛直方向Ｚに積層された他の発熱体１０の下側端１５が位置する（径方向Ｘ視で重なる）ように配置される。上述したように、上側端１４は外装材３０側（外方）に向けて屈曲しているので、鉛直方向Ｚで隣接する発熱体１０の上側端１４と下側端１５との接触による短絡が防止される。しかも、鉛直方向Ｚで隣接する発熱体１０間でオーバーラップ（径方向Ｘ視で重なり合う）部分を生じるので、隣接する電気ヒーター間で非加熱部分がなく、加熱の均一性が向上する。

本実施形態において、貫通部材５０として、第一貫通部材６０と第二貫通部材７０とが周方向Ｙに交互に上開放スリット１１ａを貫通して設けられている。これら貫通部材６０，７０は、支持碍子２０より径方向Ｘに長い。これにより、発熱体１０を鉛直方向Ｚに対し傾斜させて、下側端１５を頭部２２の前方（炉内側）に位置させることで、上下の発熱体１０の接触による短絡を防止する。なお、貫通部材５０は、支持碍子２０と同等の材料より構成され、発熱体１０と外装材３０との間で絶縁を確保する。

図９（ａ）に示すように、第一貫通部材６０はパイプであり、例えば外装材３０外部の冷却ガスを貫通孔６１を介して炉内に導入するものである。このパイプ６０は、発熱体１０の直線状部１３を受け入れる環状の第一溝部６２と、この第一溝部６２を形成する一対の環状の鍔部６３と、同図（ｂ）に示す如き環状の固定具６５を受け入れる第二溝部６４とを備える。このパイプ６１は、図６に示すように、外装材３０を貫通し第二溝部６４に固定具６５を嵌合させて、固定される。固定具６５のＣ字型止め輪６６の内径は、第二溝部６４の外径よりもわずかに小さく、専用工具で止め輪６６を広げながら第二溝部６４に挿入し固定する。なお、本実施形態において、第二貫通部材７０は、図８に示す如き先の支持碍子２０と同様の形状に形成されている。

ところで、発熱体１０は通電により加熱され、鉛直方向Ｚに熱変形が生じる。下側端１５は、下方の位置する支持碍子２０の頭部２２に当接するのみで、鉛直方向Ｚの下方への変形（移動）は制限されない。上側端１４は、支持碍子２０の第一溝部２１に掛止されるのみであり、鉛直方向Ｚの上方への変形（移動）も制限されない。ここで、発熱体１０の突出部１６を貫通部材５０の下方に設けているので、鉛直方向Ｚの上方への変形は、突出部１６が貫通部材５０に当接することで制限される。従って、発熱体１０を支持碍子２０へ掛止させるのみ（支持体２０に対して発熱体１０を固定しない）であっても、発熱体１０の脱落を防止することが可能となる。

貫通部材５０は上開放スリット１１ａを貫通して設けられ、支持碍子２０は下開放スリット１１ｂに設けられている。これにより、支持碍子２０と貫通部材５０とが、全てのスリット１１に配置されるので、直線状部１３の周方向への移動がより確実に制限され、形状が維持されることとなる。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記実施形態において、貫通部材５０及び突出部１６を上開放スリット１１ａの下方に配置した。しかし、これらの位置は上記に限られるものではない。例えば、上開放スリット１１ａの中間部や上側（開放側）、下開放スリット１１ｂ（支持碍子２０の下方）に設けてもよい。貫通部材５０を上開放スリット１１ａの下方に位置させることで、支持碍子２０を先に外装材３０に取り付け、発熱体１０を支持碍子２０へ上から挿入できるので、作業性がよい。また、突出部１６を上開放スリット１１ａの下方に位置させることで、支持碍子２０の取付性も向上する。但し、作業性及び取付性が低下しない範囲において、貫通部材５０及び突出部１６の位置は変更可能である。なお、発熱体１０の径方向Ｘへの変形をより抑制するためには、上側端１４を支持碍子２０に掛止させるので、貫通部材５０をスリット１１内の下方に設けるとよい。

また、上記実施形態において、貫通部材５０として、第一貫通部材６０と第二貫通部材７０とを電気ヒーター１の周方向Ｙに交互に上開放スリット１１ａを貫通して設けた。しかし、貫通部材５０の数や、第一、第二貫通部材６０，７０の組み合わせ（周方向Ｙに対する貫通部材５０の配列）はこれに限られるものではない。例えば、炉内への冷却ガスの導入量やバランスに応じて、第一、第二貫通部材６０，７０を適宜使い分けてもよい。また、第一、第二貫通部材６０，７０のいずれか一方のみで貫通部材５０を構成することも、もちろん可能である。

上記実施形態において、当接部４０としての突出部１６を発熱体１０の電流路１２の直線状部１３と一体に形成した。しかし、一体形成に限らず、別体として設けてもよい。係る場合、例えば発熱体１０の表面（炉内側）ではなく、裏面（外装材３０側）に設けることで、加熱効率の低下を防止できる。また、当接部４０として、非導電性材料よりリング状に形成し、発熱体１０に取り付けることも可能である。

上記実施形態において、発熱体１０にスリット１１を形成することで蛇行状の電流路１２を形成した。しかし、これに限られるものではなく、例えば、複数の板状部材の上下端を他の部材で接続して蛇行状の電流路１２を形成してもよい。また、上下側端１４，１５の形状も上記実施形態に限られるものではない。

支持体２０及び貫通部材５０の形状は、上記実施形態に限られるものではなく、発熱体１０の熱変形や脱落を防止できる範囲において適宜改変が可能である。また、当接部４０の形状も特に限定されない。

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、本発明は、例えば、半導体集積回路装置(半導体デバイス)が作り込まれる基板（半導体ウエハ）に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応、スパッタリング等による成膜処理に使用される基板処理用加熱装置に利用することができる。基板はシリコンウエハ、ＳｉＣウエハ、ガラス等のウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。製造された半導体デバイスは、ＩＣ、メモリ、ＬＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像センサー、インバーター等に用いられるパワー半導体等に用いられる。なお、バッチ式熱処理装置および枚葉式熱処理装置に限らず、ヒータユニットを備えた半導体製造装置全般に適用することができる。

１：電気ヒーター、１０：発熱体、１１：スリット（空隙）、１１ａ：上開放スリット、１１ｂ：下開放スリット、１２：電流路、１３：直線状部、１４：上側端、１５：下側端、１６：突出部（当接部）、２０：支持碍子（支持体）、２１：第一溝部、２２：頭部、２３：第二溝部、２４：固定具、２５：止め輪、３０：外装材、４０：当接部、５０：貫通部材、６０：パイプ（第一貫通部材）、６１：貫通孔、６２：第一溝部、６３：鍔部、６４：第二溝部、６５：固定具、６６：止め輪、７０：第二貫通部材、１００：加熱装置、Ｐ：ピッチ、 Ｘ：径方向、Ｙ：周方向、Ｚ：鉛直方向

Claims (4)

1. 蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端で支持する支持体とを有する電気ヒーターであって、
   前記電流路の間の空隙を貫通する貫通部材を有し、
   前記発熱体は、前記空隙内で前記貫通部材に当接可能となるように前記貫通部材の下方に配置される当接部を備え、
   前記上側端を前記支持体に掛止させることで前記発熱体を支持する電気ヒーター。
2. 前記上側端は、外方に向けて折り曲げられている請求項１記載の電気ヒーター。
3. 請求項１又は２記載の電気ヒーターを備えた加熱装置。
4. 蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端で支持する支持体とを有する電気ヒーターを積層してなる加熱装置であって、
   前記電気ヒーターは、前記電流路の間の空隙を貫通する貫通部材を有し、
   前記発熱体は、前記空隙内で前記貫通部材に当接可能となるように前記貫通部材の下方に配置される当接部を備え、
   前記上側端を前記支持体に掛止させることで前記発熱体を支持し、
   積層方向に隣接する前記発熱体及び前記支持体は、前記電気ヒーターの周方向にピッチをずらして配置されている加熱装置。

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