JP7473147B2 - 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２記載の加熱炉の場合、上下方向に配置された多数の棚状ヒータから発される熱は、加熱炉内を上昇して炉内の天壁寄りの領域に集まる傾向があるため、炉内上部領域の温度は、炉内下部領域の温度より高くなっており、このような炉内上部領域と炉内下部領域との間の温度差をなくすことは極めて困難である。

特許文献３は、温度分布の均一性及びクリーン度を改善するための加熱装置を開示している。具体的には、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、これら複数の加熱用壁体の各々に設けられた複数の発熱手段と、複数の加熱用壁体の対向領域に上下方向に距離を隔てて棚状に配置された金属製の複数の熱放射板と、を備え、複数の加熱用壁体と複数の熱放射板とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定している。特許文献３に開示された加熱装置では、各収容スペースを設定温度になるように温度を制御することにより、被加熱物を均一な温度に加熱できるとともに、収容スペース間の温度を均一にできる。また、特許文献３に開示された加熱装置では、加熱した気体を循環させないので、各収容スペース内のクリーン度を改善することができる。

特開２００１－５６１４１号公報 特開２００１－３１７８７２号公報 特開２００５－０５５１５２号公報

ところで、特許文献３に開示された加熱装置では、被加熱物の上下に熱放射板を配置し、この熱放射板からの輻射熱を利用して被加熱物を加熱するので、比較的容量の大きい被加熱物の場合、設定温度まで加熱するのに比較的長時間を要する。

本発明の目的の一つは、温度分布の均一性及びクリーン度に優れ、かつ、加熱速度に優れた加熱装置および加熱方法を提供することにある。

本発明の第1の観点に係る加熱装置は、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、
前記複数の加熱用壁体の各々に内蔵された複数の発熱手段と、
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棚状に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達部材と、を備え、
前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置であって、
前記複数の収容スペースの各々の下側の熱伝達部材の上面は、前記被加熱物を直接保持可能な保持面を画定している。

本発明の第２の観点に係る加熱装置は、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、
前記複数の加熱用壁体の各々に内蔵された複数の発熱手段と、
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棚状に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達部材と、を備え、
前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置であって、
前記複数の収容スペースの各々の下側の熱伝達部材の上面は、当該上面に対して前記被加熱物の対向面が近接して配置されるように、当該対向面を支持する少なくとも３以上の支持突起を有する。

本発明の第３の観点に係る加熱方法は、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、前記複数の加熱用壁体の各々に設けられた複数の発熱手段と、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棚状に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達部材と、を備え、前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置を用いた加熱方法であって、
前記収容スペースの下側の熱伝達部材の上面に前記被加熱物の対向面を全面的に保持させた状態で、当該被加熱物を加熱する。

本発明の第４の観点に係る加熱方法は、距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、前記複数の加熱用壁体の各々に設けられた複数の発熱手段と、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棚状に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達部材と、を備え、前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを上下方向に画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置を用いた加熱方法であって、
前記収容スペースの下側の熱伝達部材の上面に対して前記被加熱物の対向面を近接配置した状態で、当該被加熱物を加熱する。

本発明によれば、温度分布の均一性及びクリーン度に優れると共に、加熱速度に優れる加熱装置および加熱方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る加熱装置を示す正面図。 図１の加熱装置の側面図。 図１の加熱装置の要部拡大正面図。 図３の加熱装置の側面図。 本発明の第２実施形態に係る加熱装置の要部拡大図。 熱伝達部材の上面の構成例を示す図。 本発明の加熱装置の被加熱物の搬入・搬出方法の一例を説明するための図。 図７の加熱装置の側面図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態である加熱装置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に距離を隔てて棚状に配置された複数の熱伝達部材１２と、上下方向に隣り合う熱伝達部材１２の間に設けられた被加熱物Ｗの収容スペース１４と、両端部に配置された左側加熱用壁体１０Ａおよび右側加熱用壁体１０Ｃの外壁面を覆うように設けられた断熱材２３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、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属で形成され、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。発熱線と金属管の間は、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におけるコイル状ヒータ１１の配置は、図１に示すように、下部で間隔が狭く上部で間隔が広く配置された全ての貫通孔２４にそれぞれ挿入されている。これにより、各加熱用壁体１０の上下方向Ａ１，Ａ２については、コイル状ヒータ１１の配置間隔の小さい下部で発熱量が大きくなるので、温度が低くなりがちな下部の温度を高めている。また、奥行方向Ｂ１，Ｂ２については、温度が低下しがちな奥行方向両端部の発熱量を大きくし、温度分布が均一になるようにしている。

各加熱用壁体１０には、また図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、温度センサー１５が挿入されている。温度センサー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。

熱伝達部材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棚状に配置されて前記加熱用壁体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。各熱伝達部材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、すぐれた熱放射機能および熱伝導機能が得られるようになっている。

各収容スペース１４は、図３に示すように、両側の加熱用壁体１０と、上下の熱伝達部材１２とで画定されたスペースで、被加熱物Ｗを収容する。各収容スペース１４の下側の熱伝達部材１２の上面は、被加熱物Ｗを直接保持可能な平坦で平滑な保持面１２ｆとなっている。
保持面１２ｆに対向する被加熱物Ｗの対向面Ｗｆは、保持面１２ｆに密接するように、平面度が確保されており、保持面１２ｆに均等に接触するようになっている。

各収容スペース１４に設けられた凹状の溝１０ｔは、被加熱物Ｗの幅方向Ｃ１，Ｃ２の両端部を受け入れ、収容スペース１４内での被加熱物Ｗの位置を決める位置決め機構の役割を果たしている。

各収容スペース１４の前面側には開口部１４ａ（図２参照）が形成されている。各収容スペース１４の背面側の開口部１４ｂは、背壁部材２６により閉塞されている。すなわち、各収容スペース１４は、前面側の開口部１４ａでのみ開口している。前面側に開口部１４ａを設けることで、収容スペースの内部で加熱されて膨張した空気が外部に逃げられるようになっている。背面側の開口部１４ｂが閉塞されているので、収容スペースの内部で加熱されて膨張した空気が外部に逃げたとしても、外部から収容スペース１４内に空気が流入しにくい構造となっている。

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。
断熱材２３は、外気からの左側加熱用壁体１０Ａおよび右側加熱用壁体１０Ｃへの熱的外乱を最小限に抑えるために設けられており、ガラス繊維等の熱絶縁性の材料で形成されている。

加熱装置１を使用する場合、所定の搬送装置を用いて、図４に示すように、各収容スペース１４の前面側の開口部１４ａを通じて各被加熱物Ｗをそれぞれの収容スペース１４に搬入する。搬入方法は、リフトアップリフトダウン方式で被加熱物Ｗの対向面Ｗｆを保持面１２ｆに直接置く。あるいは、被加熱物Ｗを下側の熱伝達部材１２上をスライドさせて挿入する。

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加熱処理を実行できる。
図示しない温調手段により、各温度センサー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。

各収容スペース１４は、各加熱用壁体１０および上下の熱伝達部材１２も加熱用壁体１０と同じ温度に加熱され、被加熱物Ｗも均一に加熱される。このとき、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆを保持面１２ｆに直接置くことで、下側の熱伝達部材１２の熱伝導作用により、被加熱物Ｗの加熱速度が向上する。すなわち、上下の熱伝達部材１２の両方からの熱放射により被加熱物Ｗを加熱するよりも、下側の熱伝達部材１２の熱伝導作用を利用して加熱するほうが、被加熱物Ｗの加熱速度が大幅に向上する。

なお、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、ヒートパイプでもよい。
また、加熱装置１の背面側は閉塞したが、背面側から被加熱物Ｗの取り出す場合は、背面側の開口部１４ｂを開放状態としてもよい。

第２実施形態
次に、図５および図６を参照して本発明の第２の実施形態に係る加熱装置について説明する。なお、図５および６において、第１の実施形態と同様の構成部分については同じ符号を使用している。
上記実施形態では、被加熱物Ｗを下側の熱伝達部材１２の上面１２ｆに直接置くことで被加熱物Ｗの加熱速度を改善した。
しかしながら、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆの平面度が十分に確保できていない場合には、対向面Ｗｆと上面１２ｆとが点接触状態となり、被加熱物Ｗの加熱ムラが生じる可能性がある。
本実施形態では、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆや熱伝達部材１２の上面１２ｆの平面度が十分に確保できていない場合であっても、被加熱物Ｗの加熱ムラを抑制する構成について説明する。

図６は、熱伝達部材１２の上面１２ｆの構成である。上面１２ｆには、被加熱物Ｗの対向面を支持する３以上の支持突起１２ｐが設けられている。
支持突起１２ｐは、熱伝達部材１２と同じ材料又は異なる材料で直径が例えば１～２ｍｍ程度に形成されている。支持突起１２ｐは、ピン状の部材を熱伝達部材１２に埋め込んでもよいし、上面１２ｆを削って突起を形成してもよい。
支持突起１２ｐの被加熱物Ｗの対向面Ｗｆに当接する面は、点接触を維持するため、球面状の面又は突状に湾曲する面となっていることが好ましい。
支持突起１２ｐの高さは、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆを熱伝達部材１２の上面１２ｆにできるだけ近接させる観点から、接触を防ぎつつできるだけ低い方が好ましい。支持突起１２Ｐの高さは、例えば、１０μｍ～１ｍｍの範囲が好ましい。支持突起１２ｐによって形成される、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆと熱伝達部材１２の上面１２ｆとの間隙Ｇは、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆや熱伝達部材１２の上面１２ｆの平面度に応じて、被加熱物Ｗと熱伝達部材１２とが部分的に接触しない範囲で設定される。

本実施形態によれば、支持突起１２ｐを熱伝達部材１２に設けることで、被加熱物Ｗの対向面Ｗｆと熱伝達部材１２の上面１２ｆとの部分的接触を防ぎつつ可能な限り被加熱物Ｗの対向面Ｗｆと熱伝達部材１２の上面１２ｆとを近接させることで、熱伝達部材１２から被加熱物Ｗへ伝達される熱量を増加させて加熱速度を向上させるとともに、被加熱物Ｗの加熱ムラを抑制することができる。

次に、図７および図８を参照して本発明の加熱装置における被加熱物の搬入および搬出方法の一例について説明する。なお、図７および図８において、第１および第２の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を使用している。

。
図７に示すように、各収容スペース１４の両側の加熱用壁体１０には案内溝１８が加工されている。この案内溝１８は、被加熱物Ｗの奥行き方向の移動をサポートするためのものであり、被加熱物Ｗの幅方向Ｃ１，Ｃ２の両端部が挿入される。なお、加熱用壁体１０に案内溝１８以外にガイド機構を設けることも可能であり、熱伝達部材１２に被加熱物Ｗをガイドするガイド機構を設けることもできる。

図８に示すように、被加熱物Ｗは前面側の開口部１４ａを通じて、収容スペース１４内に順次搬入され、複数の被加熱物Ｗが収容スペース１４内に同時に収容される。
前面側の開口部１４ａを通じて新たな被加熱物Ｗを背面側に向けて押し込むことにより、収容スペース１４内に既に収容された複数の被加熱物Ｗを、熱伝達部材１２上をスライドさせつつ、順次移動させることができる。
新たな被加熱物Ｗの押し込み量Ｌは、均一な加熱に影響を及ぼさない距離を確保する必要がある。
背面側の開口部１４ｂは、開放しておき、開口部１４ｂを通じて被加熱物Ｗが順次搬出される。開口部１４ｂを開放しておく代わりに、被加熱物Ｗが通過可能な切り欠き穴を背面側に形成してもよい。

本発明に係る加熱装置は、各種板状部材や立体形状物を含むあらゆる被加熱物の熱処理を行う産業分野において広く利用することができる。

１ ：加熱装置
１０ ：加熱用壁体
１０Ａ ：左側加熱用壁体
１０Ｂ ：中央加熱用壁体
１０Ｃ ：右側加熱用壁体
１０ｔ ：溝
１１ ：コイル状ヒータ
１２ ：熱伝達部材
１２ｆ ：上面（保持面）
１２ｐ ：支持突起
１４ ：収容スペース
１４ａ，１４ｂ ：開口部
１５ ：温度センサー
１６ ：天板
１７ ：底板
１８ ：案内溝
２３ ：断熱材
２４，２５ ：貫通孔
２６ ：背壁部材
３０ ：架台ユニット
Ａ１，Ａ２ ：上下方向
Ｂ１，Ｂ２ ：奥行方向
Ｃ１，Ｃ２ ：幅方向
Ｇ ：間隙
Ｌ ：押し込み量
Ｗ ：被加熱物
Ｗｆ ：対向面

Claims (9)

1. 距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、
   前記複数の加熱用壁体の各々に内蔵された複数の発熱手段と、
   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棚状に配置され、かつ、両端部が前記加熱用壁体に直接設けられて、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達部材と、を備え、
   前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置であって、
   前記複数の収容スペースの各々の下側の熱伝達部材の上面は、前記被加熱物を直接保持可能な保持面を画定している、加熱装置。
2. 前記複数の収容スペースの各々には、前記被加熱物の位置を決める位置決め機構が形成されており、
   前記位置決め機構は、前記加熱用壁体に形成されている、請求項１に記載の加熱装置。
3. 距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、
   前記複数の加熱用壁体の各々に内蔵された複数の発熱手段と、
   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棚状に配置され、かつ、両端部が前記加熱用壁体に直接設けられて、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達部材と、を備え、
   前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置であって、
   前記複数の収容スペースの各々の下側の熱伝達部材の上面は、当該上面に対して前記被加熱物の対向面が近接して配置されるように、当該対向面を支持する少なくとも３以上の支持突起を有する、加熱装置。
4. 前記複数の収容スペースの各々には、前記被加熱物の位置を決める位置決め機構が形成されており、
   前記位置決め機構は、前記加熱用壁体に形成されている、請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記支持突起は、前記上面からの高さが、１０μｍ～１０ｍｍの範囲にある、請求項３に記載の加熱装置。
6. 距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、前記複数の加熱用壁体の各々に設けられた複数の発熱手段と、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棚状に配置され、かつ、両端部が前記加熱用壁体に直接設けられて、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達部材と、を備え、前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置を用いた加熱方法であって、
   前記収容スペースの下側の熱伝達部材の上面に前記被加熱物の対向面を全面的に保持させた状態で、当該被加熱物を加熱する、加熱方法。
7. 前記複数の収容スペースの各々に前記被加熱物を収容する際に、前記収容スペースの各々の前記加熱用壁体に形成された位置決め機構によって前記被加熱物を位置決めする、請求項６に記載の加熱方法。
8. 距離を隔てて対向配置された複数の加熱用壁体と、前記複数の加熱用壁体の各々に設けられた複数の発熱手段と、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棚状に配置され、かつ、両端部が前記加熱用壁体に直接設けら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達部材と、を備え、前記複数の加熱用壁体と前記複数の熱伝達部材とは、被加熱物をそれぞれ収容するための複数の収容スペースを上下方向に画定し、前記複数の収容スペースは、前記加熱用壁体と前記熱伝達部材とにより画定される開口部を前面側および背面側に有する加熱装置を用いた加熱方法であって、
   前記収容スペースの下側の熱伝達部材の上面に対して前記被加熱物の対向面を近接配置した状態で、当該被加熱物を加熱する、加熱方法。
9. 前記複数の収容スペースの各々に前記被加熱物を収容する際に、前記収容スペースの各々の前記加熱用壁体に形成された位置決め機構によって前記被加熱物を位置決めする、請求項８に記載の加熱方法。
   

Images