JP6358904B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理物を高出力発熱体により熱処理する熱処理装置に関する。

従来より、炉体内の筒状のマッフルに収容された被処理物を加熱、熱処理する熱処理装置として、ＳｉＣヒータ等の高出力で加熱する高出力発熱体を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１４１８５９号公報

従来の熱処理装置では、高出力発熱体によりマッフルを速やかに昇温することはできるが、その反面、昇温した後にマッフル内の均熱性を保ちにくいという問題があった。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、マッフルを速やかに昇温することができ、且つ昇温後のマッフル内の均熱性を向上することができる熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明の熱処理装置は、内部が略矩形状に形成された炉本体と、前記炉本体内に配置されるとともに軸方向に延びて形成され、熱処理される被処理物を収容するマッフルと、前記マッフルをその長手方向全体にわたって加熱する高出力発熱体と、略面状に形成され、前記マッフルを前記高出力発熱体よりも低出力で加熱する面状発熱体と、を備え、前記高出力発熱体は、前記マッフルの軸方向と略直交する一方向の両外側において、前記マッフルの軸方向に沿って互いに所定の間隙を介して複数配置されており、前記面状発熱体は、少なくとも、前記高出力発熱体よりも前記一方向の両外側に一対配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、高出力発熱体と面状発熱体とによりマッフルを加熱するため、マッフルを目標温度まで速やかに昇温させることができる。また、面状発熱体によりマッフルを低出力で加熱するため、昇温後におけるマッフル内の均熱性を向上することができる。
また、高出力発熱体が面状発熱体よりも内側（マッフル側）に配置されているため、高出力発熱体が放射した熱はマッフルへ有効に伝達される。また、複数の高出力発熱体は互いに所定の間隙を介して配置されているため、高出力発熱体の外側に配置された面状発熱体が放射した熱は、前記間隙を通過してマッフルへ有効に伝達される。これにより、マッフルを効果的に加熱することができ、かつマッフルを均一に加熱することができる。

前記熱処理装置において、前記面状発熱体における、前記マッフルの軸方向と略直交する方向であって且つ前記一方向と略直交する方向である他方向の長さが、前記マッフルの外径よりも長く設定されているのが好ましい。
この場合、面状発熱体はマッフルの外径よりも幅広に形成されるので、面状発熱体によりマッフルを効果的に加熱することができ、かつマッフルを均一に加熱することができる。

前記熱処理装置において、前記マッフルは略円筒形状に形成されており、前記面状発熱体は、前記マッフルを挟んで、前記一方向の両外側、及び前記マッフルの軸方向と略直交する方向であって且つ前記一方向と略直交する方向である他方向の両外側にそれぞれ配置されているのが好ましい。
この場合、面状発熱体は、マッフルを挟んで上記一方向の両側及び上記他方向の両側にそれぞれ配置されるので、すなわち、マッフルの外周全体を囲むように面状発熱体が配置されるので、マッフルをより効果的に加熱することができ、かつマッフルをより均一に加熱することができる。
また、マッフルは、略円筒形状に形成され、対称性の優れた形状であるため、熱的負荷に対する機械強度に優れる。また、マッフルは、対称性の優れた形状であるため、伝熱を均一に行うことができ、マッフル内の均熱性をさらに向上させることができる。

前記熱処理装置において、前記高出力発熱体は、前記炉本体の上部から当該炉本体内の下方に延びるように配置されており、前記高出力発熱体の下端が、前記マッフル内の被処理物の配置位置よりも下方に配置されているのが好ましい。
この場合、高出力発熱体により、マッフル内に配置された被処理物の全体を均一に昇温させることができる。

前記熱処理装置において、前記面状発熱体における前記炉本体内に臨む内面が、前記炉本体の内壁面と略面一になるように配置されているのが好ましい。
この場合、面状発熱体の炉本体内に臨む内面が、炉本体の内壁面よりも内部に突出するのを抑制することができる。

本発明の熱処理装置によれば、マッフルを速やかに昇温することができ、且つ昇温後のマッフル内の均熱性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る熱処理装置を示す斜視図である。 熱処理装置の内部を示す斜視図である。 熱処理装置を示す断面図である。 熱処理装置の温度分布を示すグラフである。 熱処理装置の温度測定点を示す説明図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る熱処理装置を示す斜視図である。また、図２は、その熱処理装置の内部を示す斜視図である。図１及び図２において、熱処理装置１は、例えば、ＣＩＧＳ太陽電池等の被処理物を熱処理するために用いられるものである。熱処理装置１は、内部が略矩形状に形成された炉本体２と、開閉扉３ａを有する略円筒形状のマッフル３と、マッフル３を加熱する高出力発熱体４及び面状発熱体５ａ〜５ｅとを備えている。
なお、図１に示すように、本明細書においては、炉本体２を前記出入口３ａ側から見た前側を「前」、その後側を「後」、その右側を「右」、及びその左側を「左」と定義して、熱処理装置１の各構成を説明している。

炉本体２は、前壁部６、後壁部７、右壁部８、左壁部９、天壁部１０及び底壁部１１によって前後方向に長い直方体形状に形成されており、これら壁部６〜１１によって囲まれた略矩形状の空間が加熱室２ａとされている（図３参照）。本実施形態の加熱室２ａは、左右方向の幅寸法が約１０００ｍｍ、高さ寸法が約８５０ｍｍ、前後方向の長さ寸法が約１８００ｍｍに設定されている。

マッフル３は、その軸方向に延びて形成されており、当該軸方向を前後方向として、大部分が加熱室２ａ内に配置されている。マッフル３の軸方向一端部は、炉本体２の前壁部６を貫通した状態で支持されており、その端面には、マッフル３内に被処理物を収容する際に開閉される開閉扉３ａが設けられている。マッフル３内には、窒素ガスや水素ガス等の不活性ガスが充填されるようになっている。これにより、マッフル３内に収容された被処理物は、不活性ガス雰囲気中で熱処理が行われる。本実施形態におけるマッフル３は、内径が約７５０ｍｍ、軸方向（前後方向）の長さ寸法は約２０００ｍｍに設定されている。

図３は、熱処理装置１を示す断面図である。図２及び図３において、高出力発熱体４は、マッフル３をその長手方向全体に亘って高出力で加熱するものであり、例えば、棒状のＳｉＣ（シリコンカーバイト）ヒータからなる。高出力発熱体４は、加熱室２ａ内の中央部に配置されたマッフル３の左右方向（一方向）の両外側に配置されており、その上端部は天壁部１０に支持されている。高出力発熱体４の上下方向の長さは、その下端がマッフル３内の被処理物の配置位置よりも下方に配置される長さに設定されている。
また、高出力発熱体４は、マッフル３の軸方向に沿って互いに所定の間隙を介して複数配置されており、マッフル３の外周面を左右両側から加熱するようになっている。本実施形態の高出力発熱体４は、左右それぞれ１２本ずつ配置されている。

図１及び図２に示すように、炉本体２の壁部７〜１１の内壁面には、面状発熱体５ａ〜５ｅが設けられている。面状発熱体５ａ〜５ｅは、マッフル３を高出力発熱体４よりも低出力で加熱するものであり、略面状に形成されている。具体的には、面状発熱体５ａ〜５ｅは、例えば、セラミックファイバーからなる断熱材と、蛇行状に形成された金属線からなる発熱体とを真空成型により一体化した平板状のモルダサームヒータ（（株）光洋サーモシステムが製造、販売するヒータ製品の商品名）からなる。

面状発熱体５ａ〜５ｅは、炉本体２内の均熱性を向上させるために、当該面状発熱体５ａ〜５ｅの全てに対する高出力発熱体４の全ての出力比率が５／７以上となるように設定されるのが好ましい。なお、高出力発熱体４及び面状発熱体５は、所定の熱処理温度に達した後は、前記出力比率を維持しながら双方の出力を低減させることで、前記熱処理温度を維持するようになっている。

面状発熱体５ａ〜５ｅは、後壁部７の内壁面に固定された第１面状発熱体５ａと、右壁部８の内壁面に固定された第２面状発熱体５ｂと、左壁部９の内壁面に固定された第３面状発熱体５ｃと、天壁部１０の内壁面（下壁面）に固定された第４面状発熱体５ｄと、底壁部１１の内壁面（上壁面）に固定された第５面状発熱体５ｅとからなる。

図２に示すように、第１面状発熱体５ａは、矩形平板状に形成された一対の第１面状発熱部５ａ１によって構成されている。これら第１面状発熱部５ａ１は、その長手方向を上下方向として、後壁部７の内壁面に沿って左右方向に所定間隔をあけて配置されている。第１面状発熱体５ａは後壁部７に埋め込まれており、第１面状発熱体５ａの炉本体２内に臨む内面は後壁部７の内壁面と面一に配置されている。また、図３に示すように、各第１面状発熱部５ａ１は、後壁部７において、マッフル３の後端部の中央部を除く左右両側部にそれぞれ対向して配置されており、第１面状発熱部５ａ１の上下方向の長さは、マッフル３の外径よりも長く設定されている。これにより、第１面状発熱体５ａは、マッフル３の後端部を加熱するようになっている。

図２及び図３に示すように、第２面状発熱体５ｂは、マッフル３の右外側に配置された高出力発熱体４の右外側に配置されている。また、第３面状発熱体５ｃは、マッフル３の左外側に配置された高出力発熱体４の左外側に配置されている。
また、図３に示すように、第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃの上下方向（他方向）の長さは、マッフル３の外径よりも長く設定されている。

図１及び図２に示すように、第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃは、矩形平板状に形成された複数の第２及び第３面状発熱部５ｂ１，５ｃ１によって構成されている。これら第２及び第３面状発熱部５ｂ１，５ｃ１は、その長手方向を上下方向として前後方向に連続して複数配置されている。図３に示すように、第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃは、それぞれ右壁部８及び左壁部９に埋め込まれており、第２面状発熱体５ｂの炉本体２内に臨む内面は右壁部８の内壁面と面一に配置され、第３面状発熱体５ｃの炉本体２内に臨む内面は左壁部９の内壁面と面一に配置されている。また、第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃは、右壁部８及び左壁部９の上下方向の中央部に配置され、マッフル３の外周面を左右両側からそれぞれ加熱するようになっている。

図３に示すように、第４面状発熱体５ｄは、マッフル３の上外側に配置されている。また、第５面状発熱体５ｅは、マッフル３の下外側に配置されている。
また、第４及び第５面状発熱体５ｄ，５ｅの左右方向（一方向）の長さは、マッフル３の外径よりも長く設定されている。

図１及び図２に示すように、第４及び第５面状発熱体５ｄ，５ｅは、矩形平板状に形成された複数の第４及び第５面状発熱部５ｄ１，５ｅ１によって構成されている。これら第４及び第５面状発熱部５ｄ１，５ｅ１は、その長手方向を左右方向として前後方向に連続して複数配置されている。図３に示すように、第４及び第５面状発熱体５ｄ，５ｅは、それぞれ天壁部１０及び底壁部１１に埋め込まれており、第４面状発熱体５ｄの炉本体２内に臨む内面（下面）は天壁部１０の内壁面（下壁面）と面一に配置され、第５面状発熱体５ｅの炉本体２内に臨む内面（上面）は底壁部１１の内壁面（上壁面）と面一に配置されている。また、第４及び第５面状発熱体５ｄ，５ｅは、天壁部１０及び底壁部１１の左右方向の中央部に配置されており、マッフル３の外周面を上下両側からそれぞれ加熱するようになっている。

図４は、所定の試験条件下における熱処理装置１の温度分布を示すグラフである。図５は、その試験における熱処理装置１の温度測定点を示す説明図である。
この試験では、高出力発熱体４の最大出力合計値を略７０ｋＷに設定し、面状発熱体５ｂ〜５ｅの最大出力合計値を略５０ｋＷに設定し、面状発熱体５の全ての出力に対する高出力発熱体４の全ての出力の比率が略５／７となるように設定した。そして、高出力発熱体４及び面状発熱体５ｂ〜５ｅによりマッフル３の内部を６００℃まで昇温した後に９０分間均熱させるように制御し、そのときのマッフル３内に配置された測定容器Ｃの左後方上側の測定点Ｐ１、右前方上側の測定点Ｐ２、右後方下側の測定点Ｐ３、左前方下側の測定点Ｐ４及び中央の測定点Ｐ５の合計５点における各温度を測定した。なお、図４における実線は、マッフル３の外部の温度分布を示し、図４における破線は、マッフル３の内部の前記５点の平均温度分布を示している。

図４に示すように、前記５点における２００℃から５００℃までの平均昇温レートは１８．２℃／ｍｉｎであり、面状発熱体５ｂ〜５ｅのみで加熱した場合の平均昇温レートが約１０℃／ｍｉｎであるのに比べて高い値を示しているのが分かる。
また、図４に示すように、均熱９０分間におけるマッフル３内部の最高温度と最低温度との温度差（幅）が２．５℃となっており、小さい幅で均熱されているのが分かる。
なお、面状発熱体５ｂ〜５ｅに面状発熱体５ａを加えて加熱すると、平均昇温レートをさらに高めることができる。

以上のように構成された本実施形態の熱処理装置１によれば、高出力発熱体４と面状発熱体５とによりマッフル３を加熱するため、マッフル３を目標温度まで速やかに昇温させることができる。また、面状発熱体５によりマッフル３を低出力で加熱するため、昇温後におけるマッフル３内の均熱性を向上することができる。
また、高出力発熱体４が第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃよりも内側（マッフル３側）に配置されているため、高出力発熱体４が放射した熱はマッフル３へ有効に伝達される。また、複数の高出力発熱体４は互いに所定の間隙を介して配置されているため、高出力発熱体４の外側に配置された第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃが放射した熱は、前記間隙を通過してマッフル３へ有効に伝達される。これにより、マッフル３を効果的に加熱することができ、かつマッフル３を均一に加熱することができる。

また、第２及び第３面状発熱体５ｂ，５ｃの上下方向の長さ、及び第４及び第５面状発熱体５ｄ，５ｅの左右方向の長さは、いずれもマッフル３の外径よりも長く設定されているため、面状発熱体５ｂ〜５ｅはマッフル３の外径よりも幅広に形成される。したがって、面状発熱体５ｂ〜５ｅによりマッフル３を効果的に加熱することができ、かつマッフル３を均一に加熱することができる。

また、面状発熱体５ｂ〜５ｅは、マッフル３を挟んで左右方向の両側及び上下方向の両側にそれぞれ配置されるので、すなわち、マッフル３の外周全体を囲むように面状発熱体５ｂ〜５ｅが配置されるので、マッフル３をより効果的に加熱することができ、かつマッフル３をより均一に加熱することができる。
また、マッフル３は、略円筒形状に形成され、対称性の優れた形状であるため、熱的負荷に対する機械強度に優れる。また、マッフル３は、対称性の優れた形状であるため、伝熱を均一に行うことができ、マッフル３内の均熱性をさらに向上させることができる。

また、高出力発熱体４は、炉本体２の上部から炉本体２内の下方に延びるように配置されており、高出力発熱体４の下端が、マッフル３内の被処理物の配置位置よりも下方に配置されているため、高出力発熱体４により、マッフル３内に配置された被処理物の全体を均一に昇温させることができる。
また、面状発熱体５における炉本体２内に臨む内面が、炉本体２の内壁面と略面一になるように配置されているため、面状発熱体５の炉本体２内に臨む内面が、炉本体２の内壁面よりも内部に突出するのを抑制することができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記本実施形態の面状発熱体は、高出力発熱体の両外側（マッフルの左右方向の両外側）、及びマッフルの上下方向の両外側にそれぞれ配置されているが、少なくとも高出力発熱体の両外側に配置されていればよい。また、高出力発熱体４及び面状発熱体５の個数は、熱処理の条件に応じて任意に設定することができる。

１ 熱処理装置
２ 炉本体
３ マッフル
４ 高出力発熱体
５ａ 第１面状発熱体
５ｂ 第２面状発熱体
５ｃ 第３面状発熱体
５ｄ 第４面状発熱体
５ｅ 第５面状発熱体

Claims (5)

1. 内部が略矩形状に形成された炉本体と、
   前記炉本体内に配置されるとともに軸方向に延びて形成され、熱処理される被処理物を収容するマッフルと、
   前記マッフルをその長手方向全体にわたって加熱する高出力発熱体と、
   略面状に形成され、前記マッフルを前記高出力発熱体よりも低出力で加熱する面状発熱体と、を備え、
   前記高出力発熱体は、前記マッフルの軸方向と略直交する一方向の両外側において、前記マッフルの軸方向に沿って互いに所定の間隙を介して複数配置されており、
   前記面状発熱体は、少なくとも、前記高出力発熱体よりも前記一方向の両外側に一対配置されていることを特徴とする熱処理装置。
2. 前記面状発熱体における、前記マッフルの軸方向と略直交する方向であって且つ前記一方向と略直交する方向である他方向の長さが、前記マッフルの外径よりも長く設定されている請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記マッフルは略円筒形状に形成されており、
   前記面状発熱体は、前記マッフルを挟んで、前記一方向の両外側、及び前記マッフルの軸方向と略直交する方向であって且つ前記一方向と略直交する方向である他方向の両外側にそれぞれ配置されている請求項１又は２に記載の熱処理装置。
4. 前記高出力発熱体は、前記炉本体の上部から当該炉本体内の下方に延びるように配置されており、
   前記高出力発熱体の下端が、前記マッフル内の被処理物の配置位置よりも下方に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理装置。
5. 前記面状発熱体における前記炉本体内に臨む内面が、前記炉本体の内壁面と略面一になるように配置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理装置。

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