TWI520654B

TWI520654B - Coating drying furnace

Info

Publication number: TWI520654B
Application number: TW100113487A
Authority: TW
Inventors: Yuuki Fujita; Yoshio Kondo; Michiro Aoki
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2016-02-01
Also published as: KR20130094689A; KR101612992B1; CN102860122B; CN102860122A; JP2012132662A; EP2566295B1; US8983280B2; TW201201620A; JP4790092B1; WO2011136041A1; US20120328272A1; EP2566295A4; EP2566295A1

Description

塗膜乾燥爐

本發明係有關於一種使用於鋰離子電池用電極塗膜或太陽光發電用電極塗膜等塗膜連續乾燥之塗膜乾燥爐。

在鋰離子電池用電極塗膜或太陽光發電用電極塗膜等之製造程序中，當加熱乾燥塗膜形成於片體表面之工件時，如第1圖所示，有一邊在爐體10內部移動工件，一邊藉配置在爐內之複數支紅外線加熱器50進行紅外線加熱或熱風加熱之乾燥方法。使用於這種爐之紅外線加熱器50，如第2圖所示，有在中央燈絲51周圍配置保護管52之構造被廣泛使用(專利文獻1)。而且，53係燈絲51之支撐體。

上述塗膜之成分，含有在分子間具有氫結合之水或有機溶媒等。因此，為提高塗膜乾燥爐之生產效率，有必要使來自紅外線加熱器50之大量熱量放射到爐內，使包含在工件之水或有機溶媒加速蒸發。

在此，先前當使用第2圖所示之加熱器時，一般係採用提高紅外線加熱器50燈絲51之溫度，增加放射能量之方法。當提高燈絲51之溫度時，如第3圖所示，眾所周知地放射光譜之峰值會往短波長側移動，尤其，當使燈絲51溫度超過700℃時，放射光譜主波長係近紅外線領域之3.5μm以下。此近紅外線聽說切斷阻礙蒸發之分子間氫結合之能力很強，提高紅外線加熱器50燈絲51之溫度就此點來看，效果不錯。而且，在本專利說明書中，將波長3.5μm以下之領域稱做近紅外線領域。

但是，當提高紅外線加熱器50之燈絲溫度時，包圍其周圍之保護管52溫度也逐漸上升，保護管52本身成為放射體以放射紅外線。例如當保護管52溫度為300℃時，如第3圖所示，主波長為5μm之紅外線被放射到爐內，藉此，能加熱工件及爐壁。但是，在其條件下，作為目標之3.5μm以下近紅外線領域之輻射能量很微量。因此，無法切斷上述氫結合。當增大該3.5μm以下之輻射能量時，遠紅外線領域之輻射能量也增大，工件或爐壁會過熱。又，有可能超過蒸發之有機溶媒著火點，而發生爆炸事件。

而且，在專利文獻2～專利文獻4記載有流體加熱用紅外線加熱器。專利文獻2之加熱器係鹵素加熱器，被插入透明石英管中心。此透明石英管形成有必須加熱氣體之導入口及噴出口，加熱流動在其中之氣體。又，在專利文獻3記載有一種使封入鎢加熱器在矽玻璃管內部之放射管，裝入由矽玻璃製成之冷卻管內部，一邊使必須加熱之液體或氣體流動在形成於放射管與冷卻管間之通路一邊加熱之紅外線元件。而且，又，在專利文獻4記載有一種使封入有鹵素燈之第2中空管，裝入具有流體流入部與流出部之第1中空管內部，加熱第1中空管內流體之液體加熱器。但是，其皆係用於加熱流動在加熱器周圍流路之流體之加熱器，並非用於加熱爐內工件之物件。

此外，在專利文獻5記載有一種設置石英保護管到爐體中心，以置入加熱對象物到其中，藉配置在其周圍四個紅外線加熱器，以加熱到2000℃左右高溫之加熱爐。為了防止覆蓋加熱器外表面之保護管軟化變形，使用有冷卻空氣。但是，此專利文獻5也係加熱石英保護管之內容物者，並非用於加熱爐內工件者，溫度領域也完全不同。

而且，在專利文獻6中，開示有一種配置二重管式加熱器到反應室內之氣相成長裝置。此二重管式加熱器藉空冷外側管與內側管之間，降低表面溫度，防止不期望的反應物堆積在加熱器表面，同時緩和構成外側管之石英玻璃之熱應力。但是，開示於此者係批次式氣相成長裝置，並非具有3.5μm以下電磁波之吸收光譜，且使含有具有氫結合之水或有機溶媒等之塗膜連續乾燥之爐。又，在本氣相成長裝置中，其爐內壁係間接水冷，能量發散很大，尤其，在大型連續爐時很不經濟。如此一來，在本案申請人調查過之先行技術文獻中，未開示有一邊抑制爐內溫度上升，一邊高效率地乾燥具有氫結合之塗膜之技術。

【先行技術文獻】【專利文獻】

【專利文獻1】日本特開2006-294337號公報

【專利文獻2】日本特開平8-35724號公報

【專利文獻3】日本特開2004-273453號公報

【專利文獻4】日本專利第2583159號公報

【專利文獻5】日本特開昭58-102482號公報

【專利文獻6】日本特開昭62-97324號公報

因此，本發明之目的係解決上述先前問題點，提供一種抑制爐內溫度上升，使切斷分子間氫結合能力優良之近紅外線集中放射到工件上，能高效率且連續乾燥加熱塗膜之塗膜乾燥爐。

【用於解決課題的手段】

為解決上述課題之本發明係一種塗膜乾燥爐，具有3.5μm以下電磁波之吸收光譜，使具有氫結合之塗膜一邊在爐體內部行走一邊乾燥，其特徵在於：在爐體內部具有紅外線加熱器，前述紅外線加熱器係燈絲外周被作為低通過濾器之管體做同心圓狀覆蓋，在這些複數管體間具有形成流體流路之構造。而且，具有3.5μm以下電磁波之吸收光譜且具有氫結合之塗膜，係例如鋰離子電池用電極塗膜或太陽光發電用電極塗膜。

在本發明中，將流體當作空氣，使自被配置於爐體前半部之紅外線加熱器排出之熱風，再度導入爐內，藉此，能高效率地使揮發自工件之溶劑排出到爐外。又，最好使爐體內壁以紅外線反射率較小之反射性材料構成。又，能依據流體之種類，控制紅外線加熱器之放射波長。此外，使覆蓋燈絲外周之管體為三重，在形成於這些管體間之流體流路，流過相互反向之流體。而且，也可以在紅外線加熱器本身縱向形成複數流體出入口。

【發明效果】

本發明之塗膜乾燥爐，係燈絲外周藉發揮低通過濾器功能之管體成同心圓狀覆蓋，使具有在這些複數管體間形成流體流路之構造之紅外線加熱器具備於爐體內部。此紅外線加熱器使燈絲成為700℃～1200℃之高溫，以能選擇性放射調節到對塗膜乾燥非常有效之3.5μm以下短波長波峰波長之紅外線，在如滾輪對滾輪之連續爐也能充分乾燥。又，因為僅選擇期望切斷分子間氫結合之3.5μm以下波長，所以，由3.5μm以上長波長所做之爐內溫度上升不會產生，能高效率地乾燥塗膜。又，結果能減少加熱器表面溫度，所以，對於在鋰離子電池電極乾燥工序中產生之爆炸性揮發物，在使用時能不必擔心起火。

而且，當使流動在第5圖所示紅外線加熱器通路16之空氣，於爐體後半部中當作熱風供給到爐內時，能防止爐體後半部份中之工件溫度高溫化，能防止在乾燥爐出口與室溫之激烈溫度變化所致之熱收縮，不會浪費能源。而且，當使爐體內壁藉紅外線反射率較小之反射性材料構成時，能防止爐壁吸收紅外線而爐壁本身成為發熱體，能有效抑制爐內環境氣體溫度。

以下，詳細說明本發明之實施形態。

第4圖係表示本發明第1實施形態之說明圖。10係塗膜乾燥爐之爐體，薄膜狀工件W在其內部一邊往一方向連續移動一邊被連續性乾燥。在薄膜狀工件W表面，形成有具有3.5μm以下電磁波之吸收光譜，且具有氫結合之塗膜。在此實施形態中，塗膜係鋰離子電池用電極塗膜。

鋰離子電池之電極，係使作為正極材料或負極材料之活物質之粉末(電極材料)，與結合劑、導電材料及溶劑一齊混練，使藉此所得之電極材料軟膏塗佈在鋁或銅等之金屬片上以形成厚度約100μm～300μm左右之塗膜，然後加以乾燥以製造之。電極材料，一般係正極材料使用鈷酸鋰，結合劑使用PVDF，導電材料使用碳，溶劑使用NMP。在此實施形態中，正極用電極材料雖然使用鈷酸鋰，但是，也可以使用鎳酸鋰或錳酸鋰。又，負極用電極材料係例如使用石墨。其皆細微粉末。

結合劑係用於接著電極材料與作為導電材料之碳粉之成分，在此實施形態中係PVDF(聚偏氟乙烯)。溶劑在本實施形態中，係NMP(N-甲基-吡咯烷酮)。但是，結合劑或溶劑之種類並不侷限於此，鋰離子電池用電極塗膜之構成材料可使用眾所周知之各種物質。

在爐體10前半部第1區21與第2區22之爐內天井，紅外線加熱器11以適宜間隔配置。前述紅外線加熱器11之構造，如第5圖及第6圖所示，係燈絲12外周藉複數管體13,14成同心圓狀覆蓋，在這些複數管體間形成流體之流路。內側之管體13係燈絲12之保護管，其為石英玻璃或硼矽酸冕玻璃等之紅外線透過性保護管。又，外側管體14係用於在內側管體13外周流過流體之管體，這些管體，如第7圖所示，係發揮電磁波低通過濾器功能之物件。材質有石英玻璃或硼矽酸冕玻璃等，耐熱性、耐熱衝擊性及經濟性優良之保護管最好使用石英玻璃管。

在因為製品物性而已決定上限溫度之乾燥爐內，欲控制使得對乾燥塗膜很有效之短波長(3.5μm以下)成為支配性的紅外線輻射並不容易。其理由在於：藉普朗克放射法則，將該當波長領域當作主體之放射體溫度最低也會超過700℃。在通常之乾燥爐內，與著火性揮發有機溶劑接觸之加熱器表面溫度不容許超過700℃，假設即使容許，自放射理論面推論有以下問題點。首先，自該當高溫放射體，雖然確實優先放射短波長之放射，但是，藉由斯得方‧波魯次曼法則，每單位面積之放射能量會變得非常大。如此一來，最後導致在爐內各部溫度上升到超過必要溫度，尤其，由省能源性或搬運停止時之製品耐熱性方面來考量，以大量生產為目的之乾燥製程無法成立。

相對於此，在第5圖及第6圖所示形狀之加熱器中，放射體做成細燈絲狀，所以，放射面積及熱容量同時變小，當觀看每一支加熱器時，其意味具有作為所謂「少量放射短波長紅外線」放射源之特徵。亦即，該燈絲本身很容易溫度上升，改變該燈絲之溫度，而且調整加熱器設置支數(節距)，藉此，能很容易控制爐內單位體積中之放射面積(總能量產生量)。又，在700℃～1200℃通電之燈絲當停止通電時，溫度瞬間降低，所以，在搬運停止時之安全性很高。在該特徵之外，藉由導入管體冷卻機構，可消除上述各問題，可以控制以寬廣用途為前提之乾燥爐內之輻射波長。

燈絲12係在700～1200℃被通電加熱，放射在波長3μm附近具有峰值之紅外線，但是，石英玻璃或硼矽酸冕玻璃等係具有3.5μm以下波長之紅外線可透過，吸收3.5μm以上波長紅外線之低通過濾器之功能，所以，管體13及管體14在自燈絲12放射之電磁波中，選擇性透過波長不足3.5μm之紅外線以供給到爐內。此波長領域之紅外線能量被NMP等溶劑直接吸收且很容易轉換成熱，又，也能與溶劑或水之分子間氫結合之震動頻率一致，所以，能高效率地乾燥鋰離子電池用電極塗膜。

但是，管體13及管體14在比3.5μm還長之長波長領域中，反而成為輻射吸收體，藉吸收紅外線能量，其本身溫度會上升。自上述溫度中之燈絲12也放射相當量之比3.5μm還要長波長領域之紅外線，所以，結果管體本身成為紅外線放射體，使主要比3.5μm還要長波長之紅外線二次放射到爐內。這種長波長紅外線當與3μm附近之紅外線相比較時，我想不僅乾燥效果會降低，經由由爐內壁吸收該紅外線所致之壁溫上升，爐內流體溫度也會上升，在鋰離子電池用電極塗膜中，爐內各部溫度有上升到超過溶媒著火點之虞。

在此，於本發明係使流體流過管體13與管體14間之空間16，使暫時被管體13及管體14吸收之長波長領域紅外線能量，以對流熱傳遞之形式轉換以傳遞到前述流體，可在系統外加以去除。結果，最後使被供給到爐內之紅外線波長限定在短波長領域，同時，即使燈絲12在高溫繼續通電加熱，在管體13及管體14，尤其鋰離子電池用電極塗膜中，可使與揮發有機溶劑直接接觸之管體14維持在安全溫度(低於溶劑之著火點)之200℃以下，最好維持在150℃以下。流體係例如空氣、惰性氣體等，在本實施形態中，係自流體供給口17吹入空氣，使被加熱之空氣自流體排出口18取出。而且，自流體排出口18取出之空氣雖然因條件而有所不同，也有可能成為100℃以上之熱風，所以，最好當作後半部浮動搬運用熱風之一部份，自熱風狹縫20供給到爐內。

這種構成之紅外線加熱器11，能使波長未滿3.5μm之紅外線選擇性地供給到爐內，而且，紅外線加熱器11之表面溫度係例如保持在低於200℃之低溫，所以，能使爐內溫度在200℃以下，最好在150℃以下。因此，就沒有溶劑著火或爆炸等之虞。又，當使爐體10內壁以紅外線放射率較小之反射性材料來構成時，能更有效抑制爐壁之溫度。這種材料可使用例如具有光澤之不銹鋼板。

在上述紅外線加熱器11之外，在前半部第1區21與第2區22之爐內處，配置有多數個用於使熱風吹到鋰離子電池用電極塗膜之熱風狹縫19。天井部之熱風狹縫19係被配置成自紅外線加熱器31間吹出熱風。下側之熱風狹縫20使熱風吹到鋰離子電池用電極塗膜之下表面。

在本實施形態之塗膜乾燥爐中，將第4圖所示之第1區21當作初期狀態，將第2區22當作中期狀態，將第3區23及第4區24當作終期狀態，以進行鋰離子電池用電極塗膜之乾燥，對應於此，當然各區中之紅外線加熱器11之溫度及熱風溫度等係個別控制，而且，在本實施形態中，在第3區23及第4區24並未配置紅外線加熱器11，僅以熱風進行乾燥，但是，也可以使紅外線加熱器11配置在較廣之範圍。

代表性加熱器之設定例表示在表1及表2。加熱器表面溫度之設定溫度，並非表示燈絲溫度，而係表示外側管體14之溫度。放射紅外線之主體部分係自中心之燈絲被放射，透過管體14以射出外部，所以，即使管體14溫度較低，加熱效果也完全沒有問題。而如上所述，加熱器之與爐內流體之接觸部係保持在安全溫度以下。在實際運用時，可藉對加熱器之通電量(w)及氣體流量來控制。

而且，太陽光發電用電極塗膜也係具有3.5μm以下電磁波之吸收光譜，且具有氫結合之塗膜，所以，與上述鋰離子電池用電極塗膜同樣地，可以藉本發明之塗膜乾燥爐來乾燥。

又，在本發明中，能任意控制流體之種類或流量。如第8圖所示，藉增減流體之流量，改變紅外線加熱器11之表面溫度，調整3.5μm以上之放射光譜。藉此，能使紅外線加熱器11之放射波長相同，同時在爐體縱向能改變溫度平衡。例如在必須積極切斷分子間氫結合之區域中，可分開使用如下：強化紅外線加熱器11之冷卻以放射近紅外線到工件W，之後，緩和冷卻以升溫工件整體。

第9圖係本發明第2實施形態之說明圖，紅外線加熱器11之構造係在其縱向具有複數流體供給口17及流體排出口18。在第9圖中，於中央兩處設有流體供給口17，流體往外側流動以自兩端部之流體排出口18排出。

第10圖係本發明第3實施形態之說明圖，紅外線加熱器11之俯視圖。在此第3實施形態中，一支紅外線加熱器11在端部各具有一個流體之流體供給口17與流體排出口18，但是，設定使流體之流動方向交互反向。藉此，即使在紅外線加熱器11爐寬方向具有溫度傾斜，也能緩和對工件W之影響。

第11圖係本發明第4實施形態之說明圖，使空氣自被配置於爐體1前半部份之各紅外線加熱器11回收到管匯流器25，自被配置於爐體1後半部份之供給口20吹入爐體1內部。通過各紅外線加熱器11流路16之流體被加熱到100～200℃左右，所以，藉將其吹入爐體1其他區，爐內溫度分佈不會紊亂，能推出爐內之溶媒氣體，能防止爐體後半部份中之工件之高溫化，能防止在乾燥爐出口處與室溫之激烈溫度變化所致之熱收縮。

第12圖係本發明第5實施形態之說明圖，使覆蓋燈絲12外周之管體為三重物件。在形成於這些管體間之兩個流體流路16可流過不同種類之流體，也可以流過相同種類之流體。無論任何情形，當使流體之流動方向在外側與內側反向時，能獲得均勻化紅外線加熱器11縱向溫度分佈之效果。

如上所述，在本發明雖然使用燈絲12外周藉複數管體13,14同心圓狀覆蓋之紅外線加熱器11，但是，為使用在工業上，而要求在能確實獲得上述功能外，要能盡量便宜製造，維修容易，而且安全性很優良。第13圖係表示具體性的紅外線加熱器11之構造圖。此紅外線加熱器11係使外側管體14兩端部藉一對有底筒狀體30保持。外側管體14係石英玻璃管，有底筒狀體30最好係金屬製。有底筒狀體30係在圓筒部外側端氣密安裝有蓋體31。在這些有底筒狀體30內部配置有保持器32，內側管體13藉這些保持器32在外側管體14中心位置被支撐。內側管體13係在石英玻璃管內部具有燈絲12，可使用市售之直管加熱器。

這些有底筒狀體30分別具有流體出入口33。空氣等流體係由任一邊有底筒狀體30之流體出入口33被供給，在通過形成於外側管體14與內側管體13間之流體流路16期間，冷卻這些管體13,14，自另一邊有底筒狀體30之流體出入口33排出。

又，在這些有底筒狀體30設有短管狀之配線拉出部34。連接在內側管體13燈絲12之電氣配線35通過配線拉出部34以被拉出到外部，但是，藉由在配線拉出部34形成密封部36，遮斷有底筒狀體30之內外，防止爐內環境氣體與電氣配線35直接接觸。燈絲12附近成為高溫，所以，藉此構造能不與爐內環境氣體接觸，防止爆炸事故之危險。

這種構造之紅外線加熱器11可使用市售之直管加熱器，藉與對應必要流量之粗石英管組合，可以比較便宜地製造。又，當燈絲12斷線時，能藉取出蓋體31以拔出內側管體13，能很容易更換，所以，很容易維修。又，也能很容易進行流量調整，很容易控制紅外線加熱器11之表面溫度。而且，有底筒狀體30,30內部通過有流體，所以，電氣配線35密封部36也不會過度被加熱。上述紅外線加熱器11當使一對有底筒狀體30配置在爐壁外部之位置時，能提高維修容易性，同時流體之打入或排出也變容易。

使長度4公尺之爐體分成前後各2公尺，在前側2公尺部分之爐內天井部，以0.1公尺之節距，如第2圖所示之剖面構造地配置19支紅外線加熱器。爐室高度係0.3公尺，紅外線加熱器之設置高度係0.25公尺。又，各紅外線加熱器之外周管體材質係石英玻璃，其直徑為20mm。使紅外線加熱器之燈絲溫度為850℃，在其外周流過空氣，以維持紅外線加熱器外表面溫度為187℃。而且，投入之空氣在投入時係20℃，但是，自紅外線加熱器排出時之溫度為129℃。當測定自紅外線加熱器放射之紅外線光譜時，係放射波峰波長為3.2μm之近紅外線。又，爐壁溫度係穩定狀態之183℃，能維持在比溶劑有爆炸危險之200℃還要低之溫度。

而且，在先前型之乾燥爐中，為了使爐壁溫度維持在200℃以下，必須使加熱器溫度為460℃，在此情形下，波峰波長為4.2μm。先前型之塗膜乾燥爐係溶劑蒸汽有爆炸之虞，所以，無法使用於塗膜乾燥。

W．．．工件

10．．．爐體

11．．．紅外線加熱器

12．．．燈絲

13．．．管體

14．．．管體

16．．．空間

17．．．流體供給口

18．．．流體排出口

19．．．熱風狹縫

20．．．熱風狹縫

21．．．第1區

22．．．第2區

23．．．第3區

24．．．第4區

25．．．管匯流器

30．．．有底筒狀體

31．．．間隙

32．．．保持器

33．．．流體出入口

34．．．配線拉出部

35．．．電氣配線

36．．．密封部

50．．．先前紅外線加熱器

51．．．燈絲

52．．．保護管

53．．．支撐體

第1圖係先前塗膜乾燥爐之說明圖。

第2圖係先前紅外線加熱器之剖面圖。

第3圖係表示紅外線加熱器放射光譜之曲線圖。

第4圖係表示本發明第1實施形態之說明圖。

第5圖係使用於第1實施形態之紅外線加熱器剖面圖。

第6圖係使用於第1實施形態之紅外線加熱器剖面圖。

第7圖係表示紅外線加熱器放射光譜之曲線圖。

第8圖係表示紅外線加熱器表面溫度與放射光譜之關係之曲線圖。

第9圖係表示本發明第2實施形態之說明圖。

第10圖係表示本發明第3實施形態之說明圖。

第11圖係表示本發明第4實施形態之說明圖。

第12圖係表示本發明第5實施形態之說明圖。

第13圖係具體紅外線加熱器之剖面圖。