JP7216537B2

JP7216537B2 - 加熱炉

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Publication number: JP7216537B2
Application number: JP2018233819A
Authority: JP
Inventors: 心高木; 正人中濱; 大典本司; 淳市之瀬
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2023-02-01
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: JP2020094765A; CN113165939A; WO2020121789A1; US20210318066A1

Description

本発明は、加熱炉に関する。

特許文献１には、炉内の気体流量を多くし、かつ空気流速を速くすることにより、上流側と下流側との雰囲気の温度差を小さく抑えることができる熱風循環式の加熱炉が提案されている。

特開２００５－４９０１０号公報

しかしながら、特許文献１で提案された加熱炉では、炉内で気体を循環させるための流量の調整が困難であったり、あるいは加熱炉の構造が複雑化してしまう等の問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構造により、炉内の温度分布のばらつきを軽減することができる加熱炉を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る加熱炉は、被加熱物を収容可能な収容室を備える加熱炉本体と、前記収容室内を、前記被加熱物をアニール処理するために設定された徐冷点まで加熱可能な熱源と、前記加熱炉本体の外部に配置された気体供給源と、前記収容室内に配置され、前記熱源によって加熱される管路本体であって、前記気体供給源から供給された気体を保持し、当該気体を前記徐冷点まで加熱する管路本体と、前記管路本体の端部に形成され、前記収容室内で開口する吐出口であって、前記徐冷点まで加熱された気体を前記収容室内に吐出する吐出口と、を有する管路と、を備える。

また、本発明に係る加熱炉は、上記発明において、前記管路本体は、前記収容室内において、前記熱源に対向する領域内に配置されている。

また、本発明に係る加熱炉は、上記発明において、前記管路本体は、螺旋状に形成されており、前記被加熱物は、前記管路本体の内部に配置される。

また、本発明に係る加熱炉は、上記発明において、前記吐出口は、前記収容室の中間高さ位置において開口している。

本発明に係る加熱炉によれば、アニール処理の際に、管路内に供給された気体が、管路本体を通過しながら徐々に加熱され、吐出口より吐出される際には徐冷点まで加熱される。これにより、本発明に係る加熱炉では、収容室内に加熱された気体を供給することができる。従って、本発明に係る加熱炉によれば、簡易な構造により、炉内の温度分布のばらつきを軽減することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る加熱炉の構成を概略的に示す図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る加熱炉における被加熱物である光学素子を載置するパレットおよび保持台の構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る加熱炉を利用したアニール処理の流れを示すフローチャートである。図４は、本発明の実施の形態２に係る加熱炉の構成を概略的に示す図である。図５は、従来の加熱炉において、常温の窒素ガスを収容室内に供給した際の、収容室内の温度分布を示すグラフである。図６は、本発明の実施の形態１に係る加熱炉において、管路によって加熱した窒素ガスを収容室内に供給した際の、収容室内の温度分布を示すグラフである。図７は、従来の加熱炉の構成を概略的に示す図である。

本発明に係る加熱炉の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものも含まれる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る加熱炉１について、図１～図３を参照しながら説明する。加熱炉１は、プレス成形された光学素子（レンズ）をアニール処理（加熱処理）するためのものである。加熱炉１は、炉内に熱源が配置された内熱式の加熱炉であり、図１に示すように、加熱炉本体１１と、断熱蓋１２と、気体供給源２１と、管路２２と、を備えている。

加熱炉本体１１は、少なくとも内壁面が断熱材料によって構成されている。また、加熱炉本体１１は、一方が開放された矩形状に形成されている。断熱蓋１２は、加熱炉本体１１と同様に断熱材料により構成されている。この断熱蓋１２は、加熱炉本体１１の開放部分に配置され、当該加熱炉本体１１内を密閉している。

収容室１１１は、被加熱物を収容するための空間であり、矩形状に形成されている。この収容室１１１は、加熱炉本体１１の内壁面および断熱蓋１２の内壁面により区画された空間であり、周囲が全て断熱材料により覆われている。

加熱炉本体１１の内壁面には、加熱用のヒータ（熱源）１１２が配置されている。このヒータ１１２は、収容室１１１内を、被加熱物をアニール処理するために設定された徐冷点まで加熱するためのものである。ヒータ１１２は、加熱炉本体１１の対向する内壁面にそれぞれ配置されている。図１では、加熱炉本体１１の対向する内壁面のうちの一方（奥側）に設けられたヒータ１１２のみを図示しているが、図示しない他方（手前側）の内壁面にもヒータ１１２が設けられている。なお、加熱炉本体１１の壁面には、収容室１１１内の気体を外部に排出するための排出口１１３が設けられている。

気体供給源２１は、加熱炉本体１１の外部に配置されており、管路２２を通じて、収容室１１１内に気体を供給する。気体供給源２１が供給する気体としては、例えば窒素ガスが挙げられる。気体供給源２１は、管路２２の一方の端部に接続されている。

管路２２は、気体供給源２１から供給された気体を、吐出口２２２を通じて収容室１１１内に導入するためのものであり、管路本体２２１と、吐出口２２２とから構成される。管路本体２２１は、螺旋状に形成されており、収容室１１１内に配置されている。また、管路本体２２１は、ステンレス等の金属材料によって構成されている。管路本体２２１は、例えば直線距離で約１０ｍ、直径２０ｃｍ、外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、の螺旋状の金属パイプによって構成することができる。

管路本体２２１の螺旋の内部には、アニール処理の際に、被加熱物が配置される。被加熱物である光学素子Ｏは、図２に示すように、パレット３１に形成された複数の孔部にそれぞれ収容される。そして、このパレット３１を載せた保持台３２が、管路本体２２１の螺旋の内部に配置される。なお、保持台３２の上面の高さは、例えば「収容室１１１内に収容した際のパレット３１の高さが、収容室１１１の中間高さ位置となる」高さに設定される。なお、「収容室１１１の中間高さ」とは、収容室１１１の高さの半分の高さのことを指している。

管路本体２２１は、アニール処理の際にヒータ１１２によって加熱される。その際、管路本体２２１は、気体供給源２１から供給された常温の気体を管路２２内で保持することにより、当該気体を徐冷点まで加熱する。

管路本体２２１は、収容室１１１内において、ヒータ１１２に対向する領域に配置されている。すなわち、図１に示すように、螺旋状の管路本体２２１の幅ｗ１は、ヒータ１１２の幅ｗ２以下の幅に設定されている。このように、管路本体２２１の幅ｗ１をヒータ１１２の幅ｗ２以下に設定することにより、アニール処理の際に、管路本体２２１全体を万遍なく加熱することができるため、管路本体２２１内を流れる気体を効率的に加熱することができる。例えば、管路本体２２１の幅ｗ１を２０ｃｍに設定した場合、ヒータ１１２の幅ｗ２は、それよりも大きい２４ｃｍ程度に設定することができる。

吐出口２２２は、管路本体２２１の他方の端部に設けられている。吐出口２２２は、収容室１１１内で開口している。管路本体２２１は、アニール処理の際に、この吐出口２２２を通じて、管路本体２２１内を流れる過程で徐冷点まで加熱された気体を収容室１１１内に吐出する。

吐出口２２２は、具体的には、収容室１１１の中間高さ位置において開口している。これにより、アニール処理の際に、収容室１１１の中間高さ位置から、加熱された気体を吐出することができるため、炉内（収容室１１１内）の温度を早期に均一化し、炉内の温度分布のばらつきを軽減することができる。

ここで、加熱炉１によってアニール処理を行う場合、図１に示すように、加熱炉１をステンレス製の真空チャンバ４１に収容し、真空チャンバ扉４２によって真空チャンバ４１内を密閉する。そして、ロータリーポンプ４３によって真空チャンバ４１内を真空状態にした後、気体供給源２１から窒素ガスを供給することにより、真空チャンバ４１内全体が非酸化雰囲気となる。

また、アニール処理の際に、外部の気体供給源２１から供給された常温の窒素ガスは、螺旋状の管路本体２２１を通り、吐出口２２２から加熱炉１の収容室１１１内へと吐出される。その際、管路本体２２１内に供給された窒素ガスが、管路本体２２１を通過しながら徐々に加熱され、吐出口２２２より吐出される際には、収容室１１１内の温度（例えば徐冷点）と同等の温度まで加熱される。

なお、窒素ガス置換時において、収容室１１１内の酸素は、排出口１１３を通じて真空チャンバ４１内に排出される。また、真空チャンバ４１には、当該真空チャンバ４１内の酸素濃度を測定する酸素濃度計４４と、真空チャンバ４１内の真空度を測定する図示しないピラニー計と、が設けられている。

以下、本実施の形態に係る加熱炉１を用いたアニール処理の流れについて、図３を参照しながら説明する。まず、複数の光学素子Ｏをパレット３１に収容し、当該パレット３１を保持台３２に載置する。続いて、保持台３２を収容室１１１内に配置することにより、複数の光学素子Ｏを収容室１１１内に収容する（ステップＳ１）。

続いて、加熱炉１の断熱蓋１２と真空チャンバ扉４２をそれぞれ閉め、真空度が１Ｐａ程度となるまで真空引きを行う（ステップＳ２）。続いて、気体供給源２１によって、所定流量（例えば５０Ｌ／ｍｉｎ）の窒素ガスを供給し（ステップＳ３）、収容室１１１内の窒素ガス置換を行う。

続いて、図示しないピラニー計の測定結果に基づいて、収容室１１１内の圧力が大気圧になったか否かを判定する（ステップＳ４）。収容室１１１内の圧力が大気圧になったと判定した場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、気体供給源２１による窒素ガスの流量を、例えば５０Ｌ／ｍｉｎから３Ｌ／ｍｉｎへと減少させ（ステップＳ５）、当該流量による窒素ガスの供給を継続する。なお、ステップＳ４において、収容室１１１内の圧力が大気圧となっていないと判定した場合（ステップＳ４でＮｏ）、ステップＳ３に戻る。

続いて、酸素濃度計４４の測定結果に基づいて、収容室１１１内の酸素濃度が所定値以下（例えば２ｐｐｍ以下）となったか否かを判定する（ステップＳ６）。収容室１１１内の酸素濃度が所定ｖ以下になったと判定した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、ヒータ１１２をＯＮにし（ステップＳ７）、アニール処理を開始する（ステップＳ８）。このアニール処理では、ヒータ１１２の温度プロセスに伴って、螺旋状の管路本体２２１も同時に昇温、保持、降温される。なお、ステップＳ６において、収容室１１１内の酸素濃度が所定値以下になっていない判定した場合（ステップＳ６でＮｏ）、ステップＳ５に戻る。

続いて、アニール処理が終了した後（ステップＳ９）に、気体供給源２１による窒素ガスの供給を停止し、光学素子Ｏを加熱炉１から取り出す（ステップＳ１０）。

ここで、従来の加熱炉１０１では、例えば図７に示すように、加熱炉本体５１を断熱蓋５２により密閉し、流入口５１３を通じて収容室５１１内に常温の気体を供給した後に、当該常温の気体をヒータ５１２によって加熱していた。そのため、従来の加熱炉１０１では、炉内の温度が均一とならず、炉内に温度分布のばらつきが発生するという問題があった。

一方、本実施の形態に係る加熱炉１では、アニール処理の際に、管路本体２２１内に供給された気体が、管路本体２２１を通過しながら徐々に加熱され、吐出口２２２から吐出される際には徐冷点まで加熱される。これにより、加熱炉１では、収容室１１１内に加熱された気体を供給することができる。従って、加熱炉１によれば、簡易な構造により、炉内の温度分布のばらつきを軽減することができる。

また、加熱炉１では、アニール処理の際に、パレット３１に収容された複数個の光学素子Ｏを、温度分布のばらつきのない（あるいは軽減された）状態で加熱することができる。従って、いずれの光学素子Ｏについても同一の品質を得ることができ、品質のばらつきが抑制される。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２に係る加熱炉１Ａについて、図４を参照しながら説明する。加熱炉１Ａは、炉外に熱源が配置された外熱式の加熱炉であり、同図に示すように、真空チャンバ４１Ａと、真空チャンバ扉４２Ａと、気体供給源２１と、管路２２Ａと、を備えている。

真空チャンバ４１Ａは、加熱炉本体の機能も兼ねており、ステンレスにより構成されている。真空チャンバ４１Ａの周囲には、一対のヒータ４５が設けられている。真空チャンバ４１Ａと真空チャンバ扉４２Ａとの間には、密閉性を確保するためのゴム製のパッキン４７が設けられており、真空チャンバ扉４２Ａを閉めることにより密閉性が確保される構造となっている。また、真空チャンバ４１Ａでは、ゴム製のパッキン４７の熱による劣化を防止するために、ヒータ４５とパッキン４７との間に冷却部４６が設けられている。この冷却部４６は、例えば冷却水が常時供給される水冷式の冷却機構である。

このように、加熱炉１Ａが冷却部４６を有する場合、アニール処理の際に真空チャンバ扉４２Ａ側の温度が低下し、炉内に温度分布のばらつきが発生するおそれがある。そこで、加熱炉１Ａでは、管路２２Ａの吐出口２２２Ａが、冷却部４６が設けられた真空チャンバ扉４２Ａ側に向けて設けられている。すなわち、管路２２Ａの管路本体２２１Ａは、真空チャンバ扉４２Ａ側からロータリーポンプ４３側に向かって巻回された後に折り返され、螺旋の中を通って真空チャンバ扉４２Ａ側まで延出した形状を有している。このような管路２２Ａを備えることにより、外熱式の加熱炉１Ａにおいても、簡易な構造により、炉内の温度分布のばらつきを軽減することができる。

また、加熱炉１Ａにおいても、アニール処理の際に、パレット３１に収容された複数個の光学素子Ｏを、温度分布のばらつきのない（あるいは軽減された）状態で加熱することができるため、光学素子Ｏの品質のばらつきを抑制することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。図５は、従来の加熱炉（図７参照）を用いたアニール処理において、流量１．５Ｌ／ｍｉｎ～２０Ｌ／ｍｉｎの常温の窒素ガスを収容室内に供給した際の温度分布を示している。同図に示すように、従来の加熱炉では、収容室の最奥から手前にかけて最大で１７℃の温度分布のばらつきが発生している。また、窒素ガスの流量が多い場合（例えば１５Ｌ／ｍｉｎ）と少ない場合（１．５Ｌ／ｍｉｎ）とにおいても、温度分布のばらつきが大きい傾向が見られる。

一方、図６は、本発明に係る加熱炉（図１参照）を用いたアニール処理において、螺旋状の管路を通じて、流量１．５Ｌ／ｍｉｎ～２０Ｌ／ｍｉｎの加熱された窒素ガスを収容室内に供給した際の温度分布を示している。同図に示すように、本発明に係る加熱炉では、収容室の最奥から手前にかけての温度分布のばらつきは最大で５℃である。また、窒素ガスの流量が多い場合（例えば１５Ｌ／ｍｉｎ）と少ない場合（１．５Ｌ／ｍｉｎ）とにおいても、１℃～３℃程度の小さな温度分布のばらつきとなっていることが分かる。このように、本発明に係る加熱炉によれば、従来の加熱炉と比較して、炉内（収容室内）の温度分布のばらつきを大幅に軽減できることがわかる。

以上、本発明に係る加熱炉について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

例えば、前記した加熱炉１では、管路２２の吐出口２２２がロータリーポンプ４３側に向けて設けられているが、それとは反対に、真空チャンバ扉４２側に向けて吐出口２２２が設けられていてもよい。

また、前記した加熱炉１，１Ａでは、管路２２，２２Ａの管路本体２２１，２２１Ａがいずれも曲線状の螺旋状に形成されていたが、管路２２，２２Ａはこれに限定されない。例えば管路２２，２２Ａの管路本体２２１，２２１Ａは、直線状で角部を有する螺旋状でもよく、あるいは曲線または直線を折り返した形状等でもよい。

１，１Ａ，１０１加熱炉
１１加熱炉本体
１１１収容室
１１２ヒータ（熱源）
１１３排出口
１２断熱蓋
２１気体供給源
２２，２２Ａ管路
２２１，２２１Ａ管路本体
２２２，２２２Ａ吐出口
３１パレット
３２保持台
４１，４１Ａ真空チャンバ
４２，４２Ａ真空チャンバ扉
４３ロータリーポンプ
４４酸素濃度計
４５ヒータ（熱源）
４６冷却部
４７パッキン
５１加熱炉本体
５１１収容室
５１２ヒータ（熱源）
５１３流入口
５２断熱蓋
Ｏ光学素子（被加熱物）

Claims

被加熱物を収容可能な収容室を備える加熱炉本体と、
前記収容室内を、前記被加熱物をアニール処理するために設定された徐冷点まで加熱可能な熱源と、
前記加熱炉本体の外部に配置された気体供給源と、
前記収容室内に配置され、前記熱源によって加熱される管路本体であって、前記気体供給源から供給された気体を保持し、当該気体を前記徐冷点まで加熱する管路本体と、前記管路本体の端部に形成され、前記収容室内で開口する吐出口であって、前記徐冷点まで加熱された気体を前記収容室内に吐出する吐出口と、を有する管路と、
を備える加熱炉。
前記管路本体は、前記収容室内において、前記熱源に対向する領域内に配置されている請求項１に記載の加熱炉。
前記管路本体は、螺旋状に形成されており、
前記被加熱物は、前記管路本体の内部に配置される、
請求項１または請求項２に記載の加熱炉。
前記吐出口は、前記収容室の中間高さ位置において開口している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加熱炉。