JP2005049010A - 熱風循環式焼成炉 - Google Patents

Abstract

【課題】棚板群内に流入する雰囲気気体流量を多くして空気流速を速くし、棚板の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焼成炉を得る。
【解決手段】第１、第２および第３雰囲気気体流路１１、１２、１３が炉体１内部を一対の仕切り板２により仕切られて構成されている。一対の整流板６が、第２雰囲気気体流路１２の両側に配設され、第２雰囲気気体流路１２の流路断面積を縮小した焼成室を構成している。遠心ファン４が炉体１内部の軸方向の一端側に配設され、ファンガイド５が遠心ファン４から送出された空気を第１および第３雰囲気気体流路１１、１３に流入させるように配設されている。炉体１内部の軸方向他端側に形成された雰囲気気体折り返し部が第１および第３雰囲気気体流路１１、１３から流出した空気を折り返して第２雰囲気気体流路１２に流入させるようになっている。棚板８が焼成部内に多段に積み上げられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、セラミック製品を焼成する焼成炉に関し、特に熱風循環式の焼成炉に関するものである。

従来の熱風循環式焼成炉では、加熱室と焼成室とが仕切り壁を介して隣接して炉内に設けられ、加熱室には、雰囲気気体を加熱する発熱体と、雰囲気気体と外気とを混合するとともに該混合気体を循環させる気体混合器とが配設されている。この仕切り壁には、炉の上下方向に延びる排気用および給気用スリットが加熱室と焼成室とを連通するように設けられている。そして、気体混合器の作動により、発熱体により加熱された雰囲気気体が加熱室から給気用スリットを通って焼成室に流れ込み、焼成室から排気用スリットを通って加熱室に流れる。この加熱された雰囲気気体の循環により、焼成室の中央部に棚板およびセッターを介して多段に積み上げられたセラミック成形体が焼成される。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−１６８５７０号公報（図２）

従来の熱風循環式焼成炉では、セラミック成形体は、アルミナ等で作製された厚板の棚板の上に載置されたアルミナ等により作製された薄板セッターの上に置かれているので、昇温過程で、大きな熱容量を有する棚板やセッターが雰囲気気体の温度を下げることになる。
そして、炉の構造上、焼成室の容積が多段に積み上げられた棚板群の容積に対して極めて大きくなるので、流路断面積の関係から、棚板群外を流れる雰囲気気体の流量が、棚板群内を流れる雰囲気気体の流量より大きくなる。そこで、焼成室に流れ込んだ雰囲気気体の一部のみがセラミック成形体に熱を与えることになる。
その結果、棚板群内に流れる雰囲気気体の流量が少ないため、棚板の上流側と下流側とでは雰囲気気体の温度に大きな温度差が生じてしまい、セラミック形成体の焼成条件が棚板の上流側と下流側とで大きく異なり、焼成物に製品バラツキが生じてしまう。
また、雰囲気気体の循環流速を速くして、棚板の上流側と下流側との雰囲気気体の温度差を小さくすることも考えられるが、循環流速が速くなると、炉内の異物をまきあげることにつながり、異物がセラミック形成体に付着しやすくなる。
また、棚板およびセッターが焼成室の空間中央の一部に多段に積み上げられているので、雰囲気気体は、多段に積み上げられた棚板群内を流れにくく、棚板群の周囲の空間を流れることになる。そこで、棚板群内に流れる雰囲気気体に必要な流速を与えようとすると、棚板群の周囲に流れる雰囲気気体の流速がさらに速くなり、炉内の異物のまきあげが激しくなり、セラミック形成体への異物付着の確率がさらに大きくなる。

この発明は、炉内を循環する雰囲気気体を整流板により多段に積み上げられた棚板群に集中的に流入させるようにし、棚板群内に流入する雰囲気気体流量を多くして雰囲気気体流速を速くし、棚板の上流側と下流側との雰囲気気体の温度差を小さく抑えて、焼成物を製品バラツキなく安定して製造できるとともに、炉内の異物のまきあげを抑えて、異物の付着に起因する歩留まりの低下を抑えることができる熱風循環式焼成炉を得ることを目的とする。

この発明による熱風循環式焼成炉は、軸方向を水平として配設され、加熱源により加熱される炉体と、上記炉体内部の軸方向の一端側に配設されたファンと、上記炉体内部の軸方向の所定領域を仕切り板により鉛直方向もしくは水平方向に３つに分離して構成された第１、第２および第３雰囲気気体流路と、上記第２雰囲気気体流路の流路断面積を縮小するように該第２雰囲気気体流路内に相対して配設され、上記仕切り板と協働して焼成部を構成する一対の整流板と、上記ファンの軸方向の他端側に配設され、上記ファンから送出された雰囲気気体を上記第２雰囲気気体流路を挟む上記第１および第３雰囲気気体流路に流入させるファンガイドと、上記炉体内部の軸方向の他端側に形成され、上記第１および第３雰囲気気体流路から流出した雰囲気気体を折り返して上記第２雰囲気気体流路に流入させる雰囲気気体折り返し部と、上記焼成部内に多段に積み上げられる棚板群とを備えるものである。

この発明によれば、整流板により循環雰囲気気体を棚板群内に集中的に流れ込むようにしているので、棚板群内の上流側と下流側との雰囲気気体の温度差が小さくなり、かつ、炉内の異物のまきあげが抑えられ、焼成物の製品バラツキを抑えることができるとともに、歩留まりを向上することができる。

棚板の上流側と下流側との雰囲気気体の温度差を小さく抑え、かつ、炉内の異物のまきあげを抑える目的を、雰囲気気体が棚板群内に集中的に流れ込むように整流板を配置することで実現した。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る熱風循環式焼成炉を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る熱風循環式焼成炉を示す横断面図である。

図１および図２において、炉体１は、加熱源であるヒータ（図示せず）を備えた円筒状に作製され、軸方向を水平として配置されている。そして、インコネル（ニッケルと約１５〜２３％のクロムを主成分とするニッケル系の耐熱合金の商標名）で作製された２枚の仕切り板２が、インコネルで作製された支持アングル３に支持されて、炉体１の内部の軸方向の両端側を除く領域を上段部（第１雰囲気気体流路１１）、中段部（第２雰囲気気体流路１２）および下段部（第３雰囲気気体流路１３）に分離するように配設されている。また、炉体１内部の軸方向他端側が、雰囲気気体折り返し部１４を構成している。
遠心ファン４が、その回転軸を炉体１の軸心に一致させて、炉体１の内部の軸方向一端側に配設されている。そして、インコネルで作製されたファンガイド５が、遠心ファン４の軸方向他端側に近接して配設されている。このファンガイド５は、鉛直方向の上部側および下部側で、炉体１の内壁面との間に流通路を構成する外形形状に形成され、吸気穴５ａが中心位置に穿設されている。

整流板６は、インコネルで作製された平板を折り曲げてコ字状に形成され、穴６ｃが相対する側辺６ａにパンチング加工を施して所定の開口率をもつように穿設されている。この整流板６は、第２雰囲気気体流路１２と同等の高さを有し、側辺６ａの相対する方向を軸方向に向けて、第２雰囲気気体流路１２の水平方向の両側を塞ぐように、仕切り板２上に配設されている。これにより、一対の仕切り板２と一対の整流板６とが協働して第２雰囲気気体流路１２の流路断面積を縮小した焼成部を構成している。

ラック７は、例えばインコネルで作製されたＬ型又はＣ型アングルを立方体もしくは直方体の各辺となるように組み付けて構成されている。このラック７は、第２雰囲気気体流路１２と同等の高さを有し、一対の整流板６の底辺６ｂ間の間隔と同等の幅を有し、かつ、炉体１の軸方向における整流板６の長さと同等の長さを有し、一対の仕切り板２と一対の整流板６とにより画成された焼成部内に設置される。このラック７内には、セラミックで作製された棚板８が鉛直方向に所定間隔をもって多段に収納されるようになっている。そして、セッター９が棚板８上に載置され、被焼成物としてのセラミック成形体１０がセッター９上に載置される。

ここで、セラミック成形体１０について説明する。
まず、アルミナ等のセラミック組成物粉末に、アクリル系樹脂等の有機バインダーとトルエン等の有機溶剤とを加え、必要に応じて可塑剤、界面活性剤等を添加してスラリーを得る。このスラリーをドクターブレード法等により薄層化し、基板用のグリーンシートを得る。ついで、グリーンシート上に、銅、銀等の導体を主成分とする導電性ペーストを用いて回路パターンを形成する。必要に応じて、ガラスペーストやセラミックペースト等で導体表面を被覆する。この回路パターンが形成されたグリーンシートを多層積層し、必要に応じ、所望の大きさにカットして、セラミック成形体１０としてのセラミック回路基板の生成形体を得る。なお、本願に用いられるセラミック成形体１０は、このように作製されたセラミック回路基板の生成形体に限定されるものではない。

このように構成された熱風循環式焼成炉では、遠心ファン４が駆動されると、雰囲気気体である空気がファンガイド５の吸気穴５ａから吸い込まれ、遠心ファン４により円周方向に吐出される。遠心ファン４の円周方向に吐出された空気は、ファンガイド５と炉体１内部の上部および下部の内壁面との間の流通路を通って第１および第３雰囲気気体流路１１、１３に流れ込む。ついで、空気は、第１および第３雰囲気気体流路１１、１３を流通し、炉体１内部の軸方向他端側の雰囲気気体折り返し部１４に流出し、雰囲気気体折り返し部１４で折り返される。そして、折り返された空気の大部分は、整流板６の存在により焼成部内に配設されたラック７内に流れ込み、ラック７内を流通し、炉体１内部の軸方向一端側に流出する。また、折り返された空気の一部が、各整流板６の側辺６ａの穴６ｃから整流板６内に流れ込み、整流板６内を流通し、側辺６ａの穴６ｃから炉体１内部の軸方向一端側に流出する。そして、炉体１内部の軸方向一端側に流出した空気は、ファンガイド５の吸気穴５ａから吸い込まれ、遠心ファン４により円周方向に吐出される。
この空気の循環において、炉体１自体がヒータで加熱されているため、循環する空気が加熱され、加熱空気がラック７内に置かれたセラミック形成体１０を加熱焼成する。

この実施の形態１によれば、整流板６が第２雰囲気気体流路１２の水平方向の両側を塞ぐように配設されているので、循環する空気の大部分が焼成部、即ち多段に配設された棚板８の群内に流れ込むようになる。
そこで、棚板８の群内に流れる空気の流量が多くなり、棚板８の上流側と下流側とにおける空気の温度差が少なくなる。その結果、セラミック形成体１０の焼成条件が棚板８の上流側と下流側とでほぼ等しくなり、焼成物の製品バラツキが低減される。
また、棚板８の群内に流れる空気の流量が多くなり、棚板８の上流側と下流側とにおける空気の温度差が少なくなるので、空気の循環流速を過度に速くする必要がない。そこで、循環流速を速くすることに起因する炉体１内の異物のまきあげを抑えることができる。その結果、異物がセラミック形成体１０に付着しにくくなり、歩留まりを向上させることができる。

また、支持部材３、ファンガイド５、整流板６およびラック７が、安価なインコネルで作製されているので、低価格化が図られるとともに、錆や異物の発生が少なく、異物に起因する歩留まりの低下を抑えることができる。

また、整流板６の側辺６ａに穴６ｃが穿設されているので、空気の一部が穴６ｃを介して整流板６内に流入する。この時、整流板６の流体抵抗が大きいため、整流板６内を流通する空気の流速は、棚板８の群内を流通する空気の流速に比べて遅くなる。その結果、異物が空気に含まれて整流板６内に流入すれば、異物は自重により落下し、整流板６内にトラップされる。また、整流板６内を流通する空気が整流板６内に存在する異物をまきあげることもない。ここで、穴６ｃがパンチング加工によるパンチング穴であるので、安価に作製できる。

ここで、棚板８の群等により吸熱される熱量が一定とした場合、加熱空気の流量が２倍となると、加熱空気の温度下降量は１／２となる。そこで、整流板６内を流通する空気の流速が、棚板８の群内（焼成部内）を流通する空気の流速の１／２以下となるように、整流板６の穴６ｃの開口率を調整することが望ましい。これにより、棚板８の上流側と下流側とにおける空気の温度差が少なくなり、セラミック形成体１０の焼成条件が棚板８の上流側と下流側とでほぼ等しくなる。なお、穴６ｃが側辺６ａに穿設されていなくてもよい。この場合、異物のトラップ効果はないが、その分、棚板８の群内に流れる空気の流量が多くなり、棚板８の上流側と下流側とにおける空気の温度差を一層少なくできる。

なお、上記実施の形態１では、支持部材３、ファンガイド５、整流板６およびラック７が、インコネルで作製されているものとしているが、これらの部品の材料はインコネルに限定されるものではなく、耐熱性を有し、錆や異物を発生しにくいものであればよく、例えばタングステン、チタン、タンタル、ニオブ等の高融点金属、アルミナ等のセラミック、さらには高融点金属にセラミックコーティングを施したものでもよい。
また、上記実施の形態１では、整流板６の側辺６ａにパンチング加工を施して穴６ｃを穿設するものとしているが、例えばインコネルの細線を編み込んで作製された金網体を整流板の側辺に用いてもよい。この場合、気体の流れを均一にできる効果が得られる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る熱風循環式焼成炉を示す横断面図である。
図３において、整流板６Ａは、その軸方向長さがラック７の軸方向長さより長く形成されている。そして、整流板６Ａは、ラック７に対して軸方向の両端側に延出するように配設されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

通常、大きな流路断面積から小さな流路断面積に変化する場合、その変化点で縮流（小さな渦）が発生する。これにより、空気の温度分布が変化点近傍で変化してしまう。
一方、小さな流路断面積から大きな流路断面積に変化する場合、その変化点で空気の流れの剥離が発生する。これにより、空気の温度分布が変化点近傍で変化してしまう。

この実施の形態２では、整流板６Ａがラック７に対して軸方向の他端側（上流側）および一端側（下流側）に所定量延出しているので、空気は、流路断面積の変化点（整流板６Ａの側辺６ａと底辺６ｂとのコーナー部に相当）における縮流や剥離に左右されず、均一な温度分布をもつ安定した流れとなって棚板８の群内を流通する。
従って、セラミック形成体１０の焼成条件が安定し、焼成体の製品バラツキを抑え、歩留まりを向上させることができる。

また、異物が空気に含まれて変化点まで流れてくると、異物は縮流部位に捕捉されることになる。そして、縮流部位における異物の捕捉量が大きくなると、縮流部位で捕捉しきれなくなり、異物が縮流部位から下流側に一度に流出することになる。しかし、この実施の形態２では、整流板６Ａがラック７に対して上流側に所定量延出しているので、整流板とラックとが同一面位置となっている場合に比べ、異物がセラミック形成体１０に付着する確率が低下し、歩留まりを高めることができる。

ここで、通常の熱風循環式焼成炉における循環空気の流速は２〜６ｍ／ｓｅｃである。そして、流路断面積の変化点における流れの乱れは、流速が２ｍ／ｓｅｃの場合には、２０ｍｍの流れの長さを超えると解消され、流速が６ｍ／ｓｅｃの場合には、２００ｍｍの長さの流れを超えると解消されて、一様な流れとなることが確認できた。そこで、整流板６Ａのオーバーハング量Ａは２０ｍｍ以上にすればよく、好ましくは、２００ｍｍ以上にすればよい。また、オーバーハング量Ａの上限値は、炉体１の大きさにより適宜設定されるものである。また、整流板６Ａの上流側および下流側のオーバーハング量は必ずしも等しくする必要はない。

なお、上記各実施の形態では、循環空気を軸方向の一端側（遠心ファン側）から他端側に流通させる第１および第３雰囲気気体流路１１、１３が、循環空気を軸方向の他端側から一端側に流通させ、セラミック形成体１０を焼成する第２雰囲気気体流路１２の鉛直方向の上下に形成されているものとして説明しているが、循環空気を軸方向の一端側（遠心ファン側）から他端側に流通させる第１および第３雰囲気気体流路が、循環空気を軸方向の他端側から一端側に流通させ、セラミック形成体１０を焼成する第２雰囲気気体流路の水平方向の両側に形成されていてもよい。
また、上記各実施の形態では、炉体１が円筒状に作製されているものとしているが、炉体の断面形状は円形に限定されるものではなく、例えば矩形であってもよい。

多段に積み上げられた棚板群の上流側と下流側とにおける雰囲気気体の温度差が小さくなり、焼成物の製品バラツキを抑えることができるので、セラミック回路基板の製造装置として使用できる。

この発明の実施の形態１に係る熱風循環式焼成炉を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１に係る熱風循環式焼成炉を示す横断面図である。 この発明の実施の形態２に係る熱風循環式焼成炉を示す横断面図である。

符号の説明

１ 炉体、２ 仕切り板、４ 遠心ファン、５ ファンガイド、６、６Ａ 整流板、６ａ 側辺、６ｂ 底辺、６ｃ 穴、８ 棚板、１１ 第１雰囲気気体流路、１２ 第２雰囲気気体流路、１３ 第３雰囲気気体流路、１４ 雰囲気気体折り返し部。

Claims (7)

1. 軸方向を水平として配設され、加熱源により加熱される炉体と、
   上記炉体内部の軸方向の一端側に配設されたファンと、
   上記炉体内部の軸方向の所定領域を仕切り板により鉛直方向もしくは水平方向に３つに分離して構成された第１、第２および第３雰囲気気体流路と、
   上記第２雰囲気気体流路の流路断面積を縮小するように該第２雰囲気気体流路内に相対して配設され、上記仕切り板と協働して焼成部を構成する一対の整流板と、
   上記ファンの軸方向の他端側に配設され、上記ファンから送出された雰囲気気体を上記第２雰囲気気体流路を挟む上記第１および第３雰囲気気体流路に流入させるファンガイドと、
   上記炉体内部の軸方向の他端側に形成され、上記第１および第３雰囲気気体流路から流出した雰囲気気体を折り返して上記第２雰囲気気体流路に流入させる雰囲気気体折り返し部と、
   上記焼成部内に多段に積み上げられる棚板群と
   を備えたことを特徴とする熱風循環式焼成炉。
2. 上記整流板は、底辺と、相対するように上記底辺の両端部から延設され、複数の穴が穿設された一対の側辺とを有し、上記側辺の相対する方向を軸方向に一致させて上記第２雰囲気気体流路内に配設されており、上記側辺に穿設される上記穴の開口率が、上記穴を介して上記整流板内に流入して該整流板内を流通する雰囲気気体の流速が上記焼成部を流通する雰囲気気体の流速の１／２以下となるように調整されていることを特徴とする請求項１記載の熱風循環式焼成炉。
3. 上記整流板がニッケルとクロムとを主成分とするニッケル系合金で作製されていることを特徴とする請求項２記載の熱風循環式焼成炉。
4. 上記穴はパンチング穴であることを特徴とする請求項３記載の熱風循環式焼成炉。
5. 上記側辺は上記ニッケル系合金製の細線を編み込んで作製された金網体であることを特徴とする請求項３記載の熱風循環式焼成炉。
6. 上記整流板は、上記棚板群に対して軸方向の両端側にそれぞれオーバーハングしていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の熱風循環式焼成炉。
7. 上記整流板のオーバーハング量が２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６記載の熱風循環式焼成炉。

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