JP7398107B2 - 加熱装置および加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱装置および加熱方法に関する。

特許文献１は、液晶表示パネルなどの構成部材であるガラス基板等の板状物を熱処理する加熱気体循環方式のクリーンオーブンが使用されている（例えば、特許文献１参照。）。このクリーンオーブンは、ガラス基板などの被熱処理物を恒温槽内に収容し、この恒温槽内においてファンによって循環する加熱気体を用いて被加熱物の熱処理を行うものである。
加熱気体循環方式のクリーンオーブンの場合、ガラス基板などの被加熱物を多段状に収容する構造を採用しやすいので、スペース効率に優れている反面、加熱温度分布を均一化することが困難であり、加熱気体の攪拌によりクリーン度が低下する可能性が高い。また、被加熱物が比較的軽量である場合、加熱気体の循環対流によって被加熱物が所定の位置から移動することがある。

特許文献２は、内部に発熱体を有する放熱板の両面に遠赤外線放射セラミックスの薄層が被覆され、この放熱板の加熱によって両面から遠赤外線を放射する両面加熱式の遠赤外線パネルヒータからなる多数の棚状ヒータが、炉本体内に上下方向に一定間隔で多段配置され、これらの棚状ヒータの間に形成される各空間部分をそれぞれ乾燥室とした加熱炉を開示している。

特許文献３は、対向して立設された加熱用壁体と、その間に、棚状に配置され、加熱用壁体からの伝導熱で加熱された複数の熱伝導部材とを備え、これらの熱伝導部材の間の各空間をを加熱スペースとして被加熱物であるガラス基板を収容し、上下の熱伝導部材からの放射熱で加熱処理している。各加熱スペースは区画されているため、温度分布の均一性も優れ、熱気の上昇に起因する上部空間における熱蓄積現象が発生しない。また、加熱空気の吹付を行わないので、クリーンな加熱処理を実現している。

また、特許文献４は、特許文献３の加熱装置において、一対の加熱用壁体の内側に密着する一対の伝熱壁体を設け、この伝熱壁体の間に熱伝導部材を棚状に配置して、温度均一性を高めた加熱装置を開示している。

特許文献５では、特許文献３の区画構造でもまだ上側の加熱スペースの温度が下側の加熱スペースよりも高くなるという問題を解消するために、加熱用壁体における電気ヒータの配置間隔を加熱用壁体の下部より上部で大きくすることにより、上部より下部での発熱量を大きくしている。また、加熱用壁体の途中に断熱部を設けて熱が上方に伝導しないようにしている。

特開２００１－５６１４１号公報 特開２００１－３１７８７２号公報 特開２０１３－２０００７７号公報 特開２００５－３５２３０６号公報 特開２００５－０５５１５２号公報

上記のように、特許文献３～５では、多段に設けた加熱スペースに被加熱物を配置して加熱する加熱装置を開示している。上記各加熱スペースの水平方向の温度分布については、中央部より周辺部の方が熱が外部に逃げやすいため、温度が低下しやすい。
また、特許文献３～５に開示されたような加熱装置では、被加熱物の熱容量が相対的に大きい場合には、必要な温度まで加熱するのに長時間を要する

本発明が解決しようとする課題は、温度分布の均一性及びクリーン度の安定性に優れ、かつ、比較的熱容量の大きい被加熱物の熱処理にも対応可能な加熱装置および加熱方法を提供することにある。

本発明の加熱装置は、発熱手段が設けられた加熱体により少なくとも一部が画定される被加熱物を収容するための加熱スペースを有する加熱装置であって、
前記加熱スペースは、第１の開口部とこれに対向する第２の開口部とを有し、
加熱ガスを、前記第２の開口部の側から前記第1の開口部に向けて一方向に供給する加熱ガス供給部を有する。

前記加熱スペースは、発熱手段がそれぞれ設けられ距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、複数の前記加熱用壁体の対向領域に上下方向に距離を隔てて配置されて前記加熱用壁体からの熱を伝導させる金属製の複数の熱伝導部材とによって、上下方向に複数が積み重ねられるように画定される、構成を採用できる。

代替的には、前記加熱スペースは、それぞれ発熱手段が設けられ上下方向に間隔を隔てて配置された複数の加熱プレートの対向する加熱面により画定される、構成を使用できる。

好適には、前記加熱ガス供給部は、前記第1の開口部に対向するプレートと、当該プレートに形成された複数の供給孔とを有する、構成を採用できる。

代替的には、前記加熱ガス供給部は、前記加熱ガスを供給する領域が前記第２の開口部に対して偏在している、構成を採用することも可能である。

本発明の加熱方法は、発熱手段が設けられた加熱体により少なくとも一部が画定される被加熱物を収容するための加熱スペースを有する加熱装置における加熱方法であって、
前記加熱スペースは、第１の開口部とこれに対向する第２の開口部とを有し、
前記発熱手段からの熱により前記加熱スペースに収容した被加熱物を加熱しつつ、加熱ガスを、前記第２の開口部の側から前記第1の開口部に向けて一方向に供給して前記被加熱物を加熱する、ことを特徴としている。

本発明によれば、高い温度分布の均一性及びクリーン度の安定性が得られるとともに、比較的熱容量の大きい被加熱物の熱処理にも対応可能で、加熱処理に要する時間も短縮化
できる。

本発明の一実施形態に係る加熱装置を示す正面図。 図１に示す加熱装置の右側面図である。 加熱ガス供給部の外観斜視図である。 加熱ガス供給部の横断面図である。 加熱ガス供給部の噴出プレートの正面図。 他の噴出プレートの正面図。 さらに他の噴出プレートの正面図。 さらに他の噴出プレートの正面図。 本発明の他の実施形態に係る加熱装置を示す正面図。 図６の加熱装置の縦断面図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る加熱装置１について説明する。
図１に示すように、加熱装置１は、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体１０（１０Ａ～１０Ｃ）と、加熱用壁体１０に設けられた発熱手段である複数のコイル状ヒータ１１と、複数の加熱用壁体１０の対向領域に上下方向（Ａ１―Ａ２方向）に距離を隔てて配置された複数の熱伝導部材１２と、上下方向に隣り合う熱伝導部材１２の間に設けられた被加熱物１３の加熱スペース１４と、加熱ガス供給部４０とを備えている。

加熱用壁体１０の上端側及び下端側はそれぞれ天板１６及び底板１７によって連結され、底板１７の下面は、架台ユニット３０によって支持されている。
加熱用壁体１０は、ステンレス鋼で形成され、箱型の本加熱装置１の両側面及び中央の仕切り壁をなす構造部材であるとともに、加熱装置の熱源となる部材である。本実施形態では、左側加熱用壁体１０Ａ、中央加熱用壁体１０Ｂ、右側加熱用壁体１０Ｃの３枚からなる。各加熱用壁体１０には、正面側から背面側まで水平方向に複数の貫通孔２４が開設され、これらの貫通孔２４内にそれぞれコイル状ヒータ１１が着脱可能に挿入されている。
コイル状ヒータ１１は、金属管（シース）の内部にコイル状に巻いた発熱線を収容した構造になっている。コイル状に巻いた発熱線は、粉末状の酸化マグネシウムを固めた絶縁層で絶縁されている。

各加熱用壁体１０には、図１に示すように、正面側から水平方向に別の複数の貫通孔２５が開設され、温度センサ１５が挿入されている。温度センサ１５の検出温度が目標温度に追従するように、各加熱用壁体１０にそれぞれ設けられた複数のコイル状ヒータ１１の各々の発熱量が、温調手段（図示省略）により独立に制御されている。または、複数のコイル状ヒータ１１が複数にグループ化され、グループ毎に発熱量が独立に制御される。
なお、上記したコイル状ヒータ１１の構成や配置は、温調手段により発熱手段を制御した際に、加熱用壁体１０の温度の均一化を実現するためのものである。言い換えると、外乱等が原因で温調手段のみでは加熱用壁体１０の温度の均一化を実現するのは難しいので、コイル状ヒータ１１の構成や配置を工夫することで加熱用壁体１０の温度の均一化を実現する。

熱伝導部材１２は、加熱用壁体１０の対向領域に上下方向に距離を隔てて配置されて加熱用壁体１０からの熱を伝導させる部材である。本実施形態では、両側の加熱用壁体１０に形成された溝に嵌め込まれて棚状に配置されている。各熱伝導部材１２は、表面に黒色メッキを施したアルミニウム板で形成され、優れた熱放射機能が得られるようになっている。

各加熱スペース１４は、両側の加熱用壁体１０と上下の熱伝導部材１２とで画定され、第1の開口部としての前面側開口部１４ａと第２の開口部としての背面側開口部１４ｂとを有するスペースである。この加熱スペース１４に被加熱物１３が収容され、加熱用壁体１０からの熱と、上下の熱伝導部材１２からの熱と、加熱ガス供給部４０からの加熱ガスにより、被加熱物１３が加熱処理されるようになっている。

加熱用壁体１０は、各々の加熱スペース１４に面する側の各壁面の互いに対応する位置に、加熱スペース１４の奥行方向に延在する溝１０ｔが形成され、その溝１０ｔの下側内面が、平板状の被加熱物１３の幅方向の各側縁部の裏面を受け止める支持面となっている。所定の搬送装置を用いて、被加熱物１３をその左右方向両端部が各溝１０ｔに入るように搬入し、前記支持面に載置することができる。被加熱物１３の両側縁部が熱的に開放されていると被加熱物１３の温度が両側縁部で不均一となりやすい。このため、溝１０ｔの支持面を通じて被加熱物１３の両側縁部に直接伝熱することで、被加熱物１３の温度の均一化を図っている。なお、本実施形態では、被加熱物１３を平板状としたが、これに限定されることなく種々の形態を採用できる。

最上部の２枚の熱伝導部材１２の間及び最底部の２枚の熱伝導部材１２の間は、それぞれ被加熱物１３を導入しない空きスペースで、空気の断熱層を形成するための断熱スペース２０Ｔ，２０Ｂである。

架台ユニット３０は、加熱装置１が設置される床面に配置され、底板１７及びその上の加熱装置本体を搭載している。加熱装置１の熱が床面に伝達しないようにする断熱機能や、床面の振動が加熱装置本体に伝達しないようにする防振機能等を備えている。

図２に示すように、加熱ガス供給部４０の各々は、対応する背面側開口部１４ｂをそれぞれ閉塞するように設けられている。加熱ガス供給部４０から前面側開口部１４ａの側に向けて一方向に加熱ガスＨＧＳが供給され、加熱スペース１４を通じて加熱ガスＨＧＳが前面側開口部１４ａから加熱スペース１４の外部に流出する。加熱スペース１４を一方向に流通する加熱ガスＨＧＳは、加熱ガス供給部４０に供給されるガスＧＳが当該加熱ガス供給部４０において加熱されることにより供給される。ガスＧＳとしては、空気が用いられるが、加熱ガスＨＧＳを不活性ガスあるいは特定ガスと置き換えることも可能である。加熱した不活性ガスにより被加熱物１３の酸化を防止しつつ加熱することが可能である。また、特定ガスを用いることにより、特定ガスと被加熱物１３との反応を利用して被加熱物１２に表面処理を施しつつ加熱することも可能となる。

加熱装置１を使用する場合、所定の搬送装置を用いて、各加熱スペース１４の前面側開口部１４ａを通じて各被加熱物１３をそれぞれの加熱スペース１４に搬入する。コイル状ヒータ１１に通電を開始すれば、所定のプログラムに従って熱処理を行うことができる。
図示しない温調手段により、各温度センサ１５の検出温度が目標温度になるように、複数のコイル状ヒータ１１の発熱量が個々にまたはグループ毎に独立に制御される。
各加熱用壁体１０が目標温度になるように加熱され、各熱伝導部材１２も加熱用壁体１０と同じ温度に加熱されるため、加熱スペース１４相互間の温度均一性が高い。
被加熱物１３は、このコイル状ヒータ１１の加熱に加えて、加熱ガス供給部４０から供給される加熱ガスＨＧＳにより加熱される。

ここで、図３および図４を参照して、加熱ガス供給部４０の構造について説明する。
図３および図４において、４１は噴出プレート、４２は内部プレート、４３はバックプレート、４４はプレートヒータ、４５は背部プレート、４６は給気管を示している。
図４に示すように、噴出プレート４１と内部プレート４２との間には、閉空間ＣＨ２が形成され、内部プレート４２とバックプレート４３との間には閉空間ＣＨ１が形成されている。
プレートヒータ４４は、バックプレート４３の裏面に設けられ、背部プレート４５とバックプレート４３との間で保持されている。プレートヒータ４４は、図示しない電気配線を通じて給電されて発熱し、噴出プレート４１と内部プレート４２とバックプレート４３とを加熱する。
噴出プレート４１には、複数の噴出孔４１ｐが形成されている。
内部プレート４２には、複数の貫通孔４２ｐが形成されており、これらの貫通孔４２ｐは噴出プレート４１の噴出孔４１ｐとは異なる位置に形成されている。
給気管４６は、バックプレート４３、プレートヒータ４４および背部プレート４５を貫通して先端部が閉空間ＣＨ１に連通している。給気管４６は、図示しないガス供給管と接続されており、空気等のガスＧＳの供給を受けて、これを閉空間ＣＨ１に排出する。

加熱ガス供給部４０において、外部から供給されるガスＧＳは、給気管４６を通じて閉空間ＣＨ１内へ導入され、プレートヒータ４４により加熱される。このため、プレートヒータ４４からガスＧＳへ不純物が混入することがない。また、閉空間ＣＨ１内で加熱されたガスＧＳは、閉空間ＣＨ１内でで拡散された後、内部プレート４２のの複数の貫通孔４２ｐを通過して閉空間ＣＨ２内へ流入し、閉空間ＣＨ２内で再び拡散された後、噴出プレート４１に形成された複数の噴出孔４１ｐから放出される。このため、加熱された加熱ガスＨＧＳを対応する加熱スペース１４に吹き出すことができる。

各加熱スペース１４に収容される被加熱物１３は、コイル状ヒータ１１から供給される熱によって加熱されるとともに、加熱ガス供給部４０からの加熱ガスＨＧＳにより加熱される。この加熱ガスＨＧＳの流れは、パーティクルを巻き上げない程度のごく弱い層流となるように流量を調整することができる。
図５Ａに示すように、噴出プレート４１に形成された複数の噴出孔４１ｐは、矩形状の背面側開口部１４ｂに対して全面的かつ均等に配置されている。
被加熱物１３を目標温度に加熱するには、コイル状ヒータ１１を温度制御するとともに、加熱ガスＨＧＳも温度制御してもよい。

被加熱物１３が目標温度に到達するまでは、コイル状ヒータ１１および加熱ガスＨＧＳの双方を用いて加熱時間を短縮し、被加熱物１３が目標温度に到達したのちには、加熱ガスＨＧＳの供給を遮断することも可能である。

加熱ガスＨＧＳの流通方法は、種々考えられる。
例えば、図５Ｂに示す噴出プレート４１Ｂのように、背面側開口部１４ｂの上側領域にのみ複数の噴出孔４１ｐを設けることができる。このような構成とすることにより、加熱スペース１４の天井領域に溜まるガスを前面側開口部１４ａを通じて外部に排出できる。
同様に、図５Ｃに示す噴出プレート４１Ｃのように、背面側開口部１４ｂの下側領域にのみ複数の噴出孔４１ｐを設けることができる。
さらに、図５Ｄに示す噴出プレート４１Ｄのように、背面側開口部１４ｂの左右の一部にのみ複数の噴出孔４１ｐを偏在させることも可能である。
要するに、被加熱物１３の形態や容量等の条件に応じて、加熱ガスＨＧＳの流し方は、種々採用することができる。
また、本実施形態では、ガスＧＳをプレートヒータ４４を用いて加熱することで、加熱スペース１４に加熱ガスＨＧＳを流す構成としたが、これに限定されるわけではなく、予め加熱された加熱ガスＨＧＳを噴出プレート４１等をもちいて直接に加熱スペース１４に供給することも可能である。

なお、前述した加熱装置１は本発明に係る加熱装置を例示するものであり、本発明は加熱装置１に限定されない。
発熱手段はコイル状ヒータに限られず、その他のヒータや、ヒートパイプとでもよく、これらを上方向に伸びるように配置し、奥行方向の配置間隔を両端部で小さく中央部では大きくしてもよい。
また、本実施形態では、各加熱用壁体１０において、各温度センサ１５の検出温度が目標温度になるように、各部分に位置するコイル状ヒータ１１の発熱量を独立に制御したが、これに限られず、目標とする温度均一性が緩い場合、ゾーンことにコイル状ヒータ１１の発熱量を制御したり、すべてのコイル状ヒータの発熱量を一括で制御してもよい。

また、本実施形態では、被加熱物の各加熱スペース１４の前面側開口部１４ａには、加熱ガスＨＧＳが外部に流出するように隙間を形成しつつ開閉ドアを設けてもよい。

また、上記加熱装置１においては、加熱用壁体１０、天板１６、底板１７は、ステンレス鋼で形成され、熱伝導部材１２は、表面に黒色メッキを施したアルミニウム板で形成されている。ただし、これらの材料に限られず、加熱用壁体１０Ａ～１０Ｃ、天板１６、底板１７などをアルミニウムやアルミニウム合金（あるいは輻射熱の発散を抑制するため光沢のない表面処理を施したアルミニウムやアルミニウム合金）で形成することもできる。また、熱伝導部材１２の表面処理についても黒色メッキに限定されず、輻射熱の発散を抑制することのできる表面処理、例えば、光沢のない表面処理を施したものを採用することもできる。

図６および図７に本発明の他の加熱装置の例を示す。
加熱装置１００は、上下方向に等間隔に配置された複数枚の矩形状の加熱プレート１１０を有し、対向する加熱プレート１１０，１１０により画定される板状又はシート状の被加熱物１２０を収容するための加熱スペース１３０を有する。加えて、それぞれの加熱プレート１１０の温度を調節するための温度調節装置１６０を有する。なお、加熱プレート１１０は上下方向に等間隔に配置されているが、これに限定されるわけではなく、等間隔でなくてもよい。

図６は、加熱装置１の正面を示すもので、複数の加熱プレート１１０は、その正面側の左右端部が左右一対の支持板１５０Ｌ、１５０Ｒによって支えられるとともに、その背面側の左右端部も同じように左右一対の支持板１５０Ｌ、１５０Ｒによって支えられている。正面側および背面側の一対の支持板１５０Ｌ、１５０Ｒのそれぞれは、互いに対向して配置され、それらの対向面には複数の断面矩形状の溝が上下方向に等間隔（加熱スペース１３０の高さに相当）で水平方向に形成されている。これら複数の溝には、加熱プレート１１０の正面側および背面側の左右端部がそれぞれ嵌入され、それぞれの加熱プレート１１０が上下方向に位置決めされる。加熱スペース１３０内に収容された被加熱物１２０は、上下の加熱プレート１１０により加熱される。

加熱スペース１３０の正面側および背面側は開口部１３１，１３２を有し、加熱スペース１３０の両側面も支持板１５０Ｌ，１５０Ｌの間および支持板１５０Ｒ，１５０Ｒの間が開口している。すなわち、加熱スペース１３０の四方が開口している。
各加熱スペース１３０に開口部を備えることで、加熱装置１００による熱処理工程を他の工程と連続的に接続することが可能となる。

加熱スペース１３０の背面側の開口部１３２には、当該開口部１３２を閉塞するように、加熱ガス供給部１４０が設けられている。
加熱ガス供給部１４０は、上記した実施形態の加熱ガス供給部４０と類似の構造であり、正面側開口部１３１に向かって加熱ガスＨＧＳを出力する複数の噴出孔１４１ｐを備えている。

１ ：加熱装置
１０ ：加熱用壁体（加熱体）
１０ｔ ：溝
１１ ：コイル状ヒータ
１２ ：熱伝導部材
１３ ：被加熱物
１４ ：加熱スペース
１４ａ ：前面側開口部
１４ｂ ：背面側開口部
１５ ：温度センサ
１６ ：天板
１７ ：底板
２０Ｂ，２０Ｔ ：断熱スペース
２４，２５ ：貫通孔
３０ ：架台ユニット
４０ ：加熱ガス供給部
４１ ：噴出プレート
４１ｐ ：噴出孔
４２ ：内部プレート
４２ｐ ：貫通孔
４３ ：バックプレート
４４ ：プレートヒータ
４５ ：背部プレート
４６ ：給気管
１００ ：加熱装置
１１０ ：加熱プレート（加熱体）
１２０ ：被加熱物
１３０ ：加熱スペース
１３１ ：正面側開口部
１３２ ：開口部
１６０ ：温度調節装置
１４０ ：加熱ガス供給部
１４１ｐ ：噴出孔
１５０Ｌ，１５０Ｒ ：支持板
ＣＨ１，ＣＨ２ ：閉空間
ＧＳ ：ガス
ＨＧＳ ：加熱ガス

Claims (3)

1. 板状又はシート状の複数の被加熱物を収容するための複数の加熱スペースが積層された加熱装置であって、
   前記複数の加熱スペースの各々は、それぞれ発熱手段が設けられ上下方向に間隔を隔てて配置された複数の加熱プレートの対向する加熱面により画定され、かつ、第１の開口部とこれに対向する第２の開口部とを有し、
   上下方向で隣り合う加熱スペースは、前記加熱プレートで分離されており、
   加熱ガスを前記第２の開口部の側から前記第１の開口部に向けて一方向に供給する前記複数の加熱スペースの各々に対して設けられている複数の加熱ガス供給部を有する、加熱装置。
2. 前記複数の加熱ガス供給部の各々は、前記第１の開口部に対向し、複数の噴出孔が形成された噴出プレートを有する、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記複数の加熱ガス供給部の各々は、前記加熱ガスを供給する領域が前記第２の開口部に対して偏在している、請求項１又は２に記載の加熱装置。
   

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