JP2007309540A - 熱板、複合熱板及びこれらを備えた加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱板一枚当りの実質的な重量軽減、使用電気容量の低減、分割・軽量による加熱板交換・組立の容易化、加熱板厚み低減による多段段数の確保を可能とした、熱板、複合熱板及びこれらを備えた加熱炉を、提供することを目的とする。
【解決手段】 中空部４を有する支持体５と、この支持体５の上面に積層される発熱体６と、この発熱体６の上に積層される伝熱体７とを備えた熱板１、さらに、中空部４が、上下２枚の支持層と、この支持層を保持する長手方向に走る梁３とに囲まれた熱板。
【選択図】 図４

Description

本発明は、液晶表示素子（以下、「ＬＣＤ」と言う。）用ガラス基板に代表される平板状の被加熱物の熱処理に、好適に用いられる熱板及びそれを用いた加熱炉に関し、特に大面積のＬＣＤガラス基板の熱処理や、ハードディスク用基板、プラズマディスプレイパネル用ガラス基板などの被加熱物の熱処理に効果的に利用される熱板及び加熱炉に関する。

平面表示素子であるＬＣＤ、有機薄膜表示素子等の製造には、ガラス基板が用いられ、このガラス基板上には各種薄膜が形成されている。薄膜の形成過程では、乾燥、硬化等の各種熱処理工程が存在し、この工程にて熱風の吹き付け、加熱板による加熱等が行われてきた。

特に、温度精度が求められる工程では、温度制御が比較的行いやすく高精度な加熱板による方法が用いられている。更には、生産効率を高めるために加熱板を積み重ね、加熱板と加熱板の間に被加熱物を挿入して加熱する多段式の加熱炉が用いられている（特許文献１参照）。

近年、平面表示素子が大型テレビジョン向けに開発されるに従い、ガラス基板の大型化が図られ、それに伴い、使用される熱処理装置も大きくなってきた。そのため、熱処理装置に使用される加熱板も大型化してきた。

加熱板の方式としては、所定の形状に成形したシースヒータを鋳型に入れ、溶融した金属を流し込んで製作される鋳込み方式と、絶縁した板状のヒータの上下を伝熱板で挟みこむ方式（以下、「サンドイッチ方式」と言う。）とがある。但し、鋳込み方式は、鋳込み時に発生するボイドの問題と、鋳込み厚みを薄くできない等の点から、最近はサンドイッチ方式の加熱板が比較的多く用いられるようになってきた。

先に述べた特許文献１に開示されている装置では、被加熱物を上下より加熱するため加熱板の保持が、加熱板の端部のみに限定される。図１に示す従来の一体式サンドイッチ型加熱板は、発熱体６とそれを狭持する２枚の伝熱体７で構成される。一般にこの伝熱体７は熱伝導製の良いアルミニウム合金で製作されが、アルミニウム合金は加熱時に弾性率が低下してたわみが増加するので、加熱板の変形を防止するためには伝熱体厚みを厚くする必要がある。特に、外形寸法が大きくなると、加熱板の重量は増加し、電気容量も急激に増加してきた。その結果、加熱板一枚当りの重量増大ひいては乾燥炉全体の重量増大、加熱板体積増大に伴う使用電気容量増大が引き起される。重量増大が起こると、加熱板交換及び組立作業が困難となり、加熱板破損時の交換費用も高額となる。また、加熱炉全高は、輸送時の高さ制限や基板投入装置のストロークにより制限されるため、加熱板厚み増大は多段段数の減少へつながる。
これらの問題に対して、加熱板を分割する方法（特許文献２、４参照）、加熱板内部をハニカム構造体とする方法（特許文献３参照）が提案されている。
特開２００１−１２８５６号公報 特開平１１−２８３９０９号公報 特開平１１−２６４６６８号公報 特開２００２−１７５８６８号公報

しかしながら、加熱板を分割する方法は、分割した１枚の加熱板の重量は軽減するものの、単純な分割ではたわみ防止のために必要な加熱板厚みが基本的に変らないため、全体としての加熱板重量は変らず、重量増大の問題が解決されていない。

また、加熱板内部をハニカム構造体とする方法は、加熱板の重量は軽減するものの、ハニカム構造体の両面に１枚ものの均熱プレートを設置する必要があり、ハニカム構造体同士及び均熱プレートをろう付けする必要があるため、製造工程が複雑となる。

本願発明は、上記問題に鑑みなされたもので、加熱板一枚当りの実質的な重量軽減、使用電気容量の低減、分割・軽量による加熱板交換・組立の容易化、加熱板厚み低減による多段段数の確保を可能とした、熱板、複合熱板及びこれらを備えた加熱炉を、提供することを目的とする。

本発明は、以下の平板状熱板と加熱炉に関する。
（１）中空部を有する支持体と、この支持体の上面に積層される発熱体と、この発熱体の上に積層される伝熱体とを備えた熱板。
（２）項（１）において、中空部が、上下２枚の支持層と、この支持層を保持する長手方向に走る梁とに囲まれた空間である熱板。
（３）項（１）又は（２）において、支持体が、押出材により形成される熱板。
（４）項（１）乃至（３）の何れかにおいて、中空部が、支持体の剛性を上げる補強材を有する熱板。
（５）項（１）乃至（４）の何れかに記載の熱板が、水平方向に複数配置される複合熱板。
（６）項（１）乃至（４）の何れかに記載の熱板が、垂直方向に複数配置される複合熱板。
（７）項（１）乃至（６）の何れかに記載される熱板又は複合熱板を備えた加熱炉。

本発明によれば、中空部を有する支持体を用いているために、熱板の実質的な重量軽減、使用電気容量の低減、分割・軽量による加熱板交換・組立の容易化、加熱板厚み低減による多段段数の確保を可能とした熱板、複合熱板、それらを備えた加熱炉を提供することが可能となる。また、加熱板の熱容量が低いために、定期保全・点検時に炉体温度を早く下げられるので、保全・点検時間を短縮することができる。更に、加熱板が断線や破損など故障した場合には、故障した加熱板のみを交換すればよいため、メンテナンスコストの低減が可能である。

本発明にて述べる熱板は、支持体、発熱体及び伝熱体の３層構造をしており、通常支持体の上面に発熱体を配置し、その上側に伝熱体を配置して積層し、サンドイッチ型加熱板として構成される。なお、支持体の下面に発熱体と伝熱体を積層し両面加熱用熱板とすることもできる。これらの加熱板は、天地反転して使用することも出来るし、必要に応じて、傾斜又は直立させて使用することもできる。

本発明にて述べる支持体は、中空部を有するものであれば良く、特に制限されるものではない。また、この支持体は伝熱体の役割も果している。中空部は、上下２枚の支持層及び長手方向に走る梁により囲むことで構成することが好ましく、このようにすることで、たわみに対してより強い構造とすることができる。
支持層と梁とは、部材を溶接接続又は締結ボルトにより固定することで得ることができ、角材をくりぬいたり、母材を押出したりして成形することもできる。

支持体の成形方法は、いずれの方法でも良いが、形成の容易さ、コスト面から、押出して成形した材料（以下、「押出材」と言う。）を使用するのが好適である。押出材の断面構造は、貫通した連続中空孔のほか、溝、凸部及び凹部等とすることができる。これらの部位は、熱板のガイド、パージ用ガス（空気・窒素ガス等）の導入管、熱電対用挿入溝、上板受け部、炉内気流の上下通過防止部、補強部材挿入部等としても使用することができる。
また、押出材の全体幅、高さや梁は、押出材で構成する熱板の特性が適正になるように決定する。すなわち、押出材の全体幅は、熱板重量と関連するため、組立時やメンテナンス時にハンドリングしやすい重量になる様に決定する。高さや梁は、熱板のたわみと関係するため、熱板を組み込んだ時のたわみ量から決定する。上板厚み及び下板厚みは、伝熱性や伝熱板との締結性を考慮して決定する。また、材質は軽量化のためにアルミニウム合金が好ましいが、耐熱性があり軽量かつ剛性を確保できれば、どのような材質を使用しても良いが、この様な材料としては、例えば銅や銅合金などがある。

本発明にて述べる発熱体は、伝熱体を加熱できるものであれば特に制限されない。発熱方法は、発熱線を用いる方法、エッチング法及び印刷法等の方法を用いることができる。発熱線を用いる方法は、断面形状が円形や長方形などの長尺のカンタル線、ニクロム線等を、雲母板、成形雲母板、耐熱樹脂板、アルミナ板等の絶縁材料板周囲あるいは内部に、掛けたり巻いたりして回路を形成する方法である。エッチング法は、ステンレス板等の導電性材料をエッチング処理して、電熱回路を形成する方法である。印刷法は、導電性ペーストを絶縁材料板上または絶縁シート上に直接スクリーン印刷などにより印刷塗布して回路を形成する方法である。上記３つの方法は、どの方法を用いても良く、被加熱部の寸法や特徴に応じて、適宜選択することができる。
発熱体の大きさは、支持体及び伝熱体にて挟持されることから、支持体及び伝熱体よりも小さいことが好ましく、こうすることで、発熱体の発熱部全てを支持体及び伝熱体にて包み込み、熱を効率的に使用することができる。

本発明にて述べる伝熱体は、発熱体にて発せられた熱を被加熱物へと伝達できるものであれば特に制限されるものではなく、耐熱性があり、表面が平面形状であることが好ましい。
伝熱体の材質は、アルミ板、ステンレス板、銅板等の金属板、低膨張ガラス板、結晶化ガラス板、アルミナ板、炭化珪素板等のセラミック板等を用いることができる。
金属板は、伝熱性が良好であるものの導電性があるので、使用に当っては絶縁性がある発熱体を用いるか、発熱体と伝熱体の間に絶縁材料を配置する必要がある。セラミック板は、一般に、絶縁物であるので、絶縁材料を配置する必要はなく、金属板と比べて熱放射率が大きいが、伝熱性が金属板程には高くない。伝熱体としては、適宜これらの材料を目的に応じて選択する。
また、伝熱体表面には、表面改質や熱放射率増大の目的で、セラミック溶射などの表面処理を施しても良い。
伝熱体と支持体とは、同一材料であるほうが熱膨張の点から好ましいが、熱膨張率の近い材料、あるいは熱膨張差を考慮して設計すれば、異なる材質であっても構わない。伝熱体は支持体の少なくとも片面に組付けるが、必要に応じて支持体の両面に伝熱体を組付けても良く、この場合は発熱体を両面に取付けても良い。組付けは必要箇所のボルト締め、溶接、はめ込みなど任意の方法で行う。この組付けにより熱板が完成する。

本発明にて述べる剛性を上げる補強材は、被加熱物が大きくなった際に、支持体だけで熱板のたわみを防止できない場合に用いられるものある。その場合は、支持体の中空部にＳＵＳ材等の補強用部材を挿入し、たわみを防止することが可能である。
補強材は、その形状、材質を制限されるものではないが、強度の点からＳＵＳ材を用いることが好ましく、大きさを中空部の内寸と同程度にすることが好ましい。また、補強材は、それ自身を中空なものとすることで軽量化することができ、中空丸パイプや中空角パイプ等を適宜用いることができる。

次に、図２及び図３を用いてより具体的に説明を行う。
図２は、本発明の熱板の断面図を示す１実施例である。熱板１は、支持層２、２の間に梁３を掛け渡し、中空部４を形成した支持体５と、発熱体６と、伝熱体７とを積層して構成してある。
熱板１の横幅は、必要寸法を分割数で割って求める。分割数が小さいと、熱板１の横幅が大きくなり、その結果１枚当りの重量が増大し、組立時や平板状熱板保全時のハンドリングが容易でなくなる。一方、分割数を多くすると、１枚当りの重量が軽減されハンドリングは容易になるが、平板状熱板枚数が増加するために大面積加熱板２１全体の製造コストが上がる。このため分割数は、この両者のバランスが良い所で決定する必要がある。

図３は、加熱炉の概略断面図である。
加熱炉８は、断熱材９に囲まれた領域内に、熱板１を配置してある。熱板１は、水平方向に複数隣接配置することで、複合熱板１０としてあり、この複合熱板１０を垂直方向に一定間隔にて多段配置させてある。
また、加熱炉８は、その１側面に、シャッター１１を有しており、このシャッター１１を開閉することで、被加熱基板１２の出し入れを行う。シャッター１１の周囲は、閉時に加熱炉８内部の熱が逃げないように、断熱することが好ましい。
被加熱基板１２は、加熱炉８に相対して設置した搬送ロボット１３により加熱炉８に搬出入される。具体的には、搬送ロボット１３に設置した可変長ハンド１４上に、被加熱基板１２を設置した後、シャッター１１が開いた状態と同期して、可変長ハンド１４を延ばし、加熱炉８中のピン１５上に被加熱基板１２を搬入する。取出しは、逆動作にて行う。搬送ロボット１３は、上下方向にも伸縮自在であり、このため加熱炉８各段にアクセスすることが可能である。
加熱炉８内には、炉内を清浄に保つために常時パージガスを供給排気することが好適である。内部で発生したパーティクルは、供給されたパージガスに乗って排気口より排出することが可能であり、この方式により炉内を清浄に保つことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図４は、本発明の１実施例である熱板の断面図である。熱板１は、支持体５、発熱体６、伝熱体７の３層構造をしている。
支持体５は、アルミニウム合金の押出材で成形され、断面寸法を横幅１６０ｍｍ、高さ３５ｍｍとして、内部に梁３を設けて中空部４を形成している。中空部４は、５つのブロックに分かれており、中央の中空部４に図示を省略するパージガス用の貫通口を設け、必要な位置に吹出口を設けた。他の４つの中空部４には、熱板１のたわみを抑えるために、縦２５ｍｍ、横２５ｍｍ、厚み２ｍｍの中空ＳＵＳ角パイプを補強部材１６として配置してある。尚、図示は省略するが、熱電対用の溝及び熱板ガイド用の突起も形成してある。

発熱体６は、マイカヒータを用いている。これは、所定形状に加工した成形マイカ板（以下、「マイカ板」と言う。）にニクロム線を必要ワット数になるように巻き発熱マイカとする。次に、発熱マイカの両側を、別のマイカ板で挟み込み固定して発熱体６としている。発熱体６の寸法は、支持体５寸法にほぼ合わせて作成した。

伝熱体７は、アルミＡ５０５２の平板を使用した。伝熱体７及び発熱体６には、図示しない穴があいており、この穴を通して支持体５上辺にボルトで固定している。長手方向に垂直な端面は、図５に示すように、ＳＵＳ３０４の板材より作成したカバー１７にて覆い締結した。カバー１７により熱板１の端部は全て覆われ、内部からの発塵を防止することができる。また、カバー１７の一方には、配線用端子１８、及び、熱電対止具１９を取付けた。配線用端子１８により発熱体６に通電し発熱させることができる。このようにして製作した熱板１の重量は、１枚当り３３ｋｇである。図６は、図４に示す熱板を水平方向に並べた複合熱板の平面図であり、熱板１を１６枚並べ、カバー17を含めた全体のサイズを、２２００ｍｍ×２５６０ｍｍとした。また、この複合熱板１０全体の総重量は、５３０ｋｇであった。

図３は、図６に示す複合熱板を垂直法に多段配置した加熱炉の概略断面図である。
複合熱板１０は、図示しない支持部材により両端部が支持され加熱炉８に組み込まれている。加熱炉８は、周囲を断熱構造として内部からの放熱を押さえている。開閉するシャッター１１を開いて、複合熱板１０のたわみを、光学測定用トランシットで測定すると、最大たわみは複合熱板１０中心部で１．８ｍｍであった。

複合熱板１０は、２０℃から２５０℃までの昇温に必要な熱量が、８４６００ｋＪであり、２時間で２５０℃まで昇温するために総ワット数を１４ｋＷとした。熱板１の各ワット数は適宜割り付け、また制御用熱電対も適宜取付け、温度分布が良くなるに（一様になるよう）した。通電開始後約２時間で複合熱板１０は、２５０℃に達したので、さらに３時間通電し、複合熱板１０の温度分布を安定させた。この状態で複合熱板１０に事前に貼り付けた熱電対により、複合熱板１０の表面温度９点を測定したところ、９点の温度は全て２５０±３℃に入っており、大型寸法にもかかわらず良好な温度分布であった。熱電対の貼付位置は、４隅と各辺中央及び中心点の９点である。

尚、図１に示す従来のサンドイッチ型加熱板は、伝熱体７の間に発熱体６を挟み込んで、下側からボルトで止めて製作してある。この伝熱体７は、アルミＡ５０５２材で、両板とも厚み２２ｍｍの板材を使用し、周囲カバーを含めた全体寸法が２２００×２５６０ｍｍで製作した。

このサンドイッチ型加熱板の全重量は７３０ｋｇであり、２０℃から２５０℃まで昇温に必要な総熱量は、１５５０００ｋＪであり、保温して３時間で２５０℃まで昇温するように電気容量を１６ｋＷとした。このサンドイッチ型加熱板を実施例と同様に加熱炉８に組み込み、サンドイッチ型加熱板が２５０℃に到達してから３時間後、サンドイッチ型加熱板表面９点（実施例と同位置）の温度を貼り付けておいた熱電対で測定すると、温度ばらつきは２５０℃±３℃と良好であった。また、サンドイッチ型加熱板のたわみを、実施例と同様の方法で測定すると、最大たわみはサンドイッチ型加熱板の中央で６ｍｍであった。

従来例を示す一体式サンドイッチ型加熱板の断面図である。 本発明の実施例である熱板の断面図を示す。 本発明の実施例である加熱炉の概略断面図を示す。 本発明の別の実施例を示す熱板の断面図である。 図４に示す熱板の平面図である。 図４に示す熱板を水平方向に並べた複合熱板の平面図を示す。

符号の説明

１：熱板、２：支持層、３：梁、４：中空部、５：支持体、６：発熱体、７：伝熱体、８：加熱炉、９：断熱材、１０：複合熱板、１１：シャッター、１２：被加熱基板、１３：搬送ロボット、１４：可変長ハンド、１５：ピン、１６：補強部材、１７：カバー、１８：配線用端子、１９：熱電対止具

Claims (7)

1. 中空部を有する支持体と、この支持体の上面に積層される発熱体と、この発熱体の上に積層される伝熱体とを備えた熱板。
2. 請求項１において、中空部が、上下２枚の支持層と、この支持層を保持する長手方向に走る梁とに囲まれた空間である熱板。
3. 請求項１又は２において、支持体が、押出材により形成される熱板。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、中空部が、支持体の剛性を上げる補強材を有する熱板。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の熱板が、水平方向に複数配置される複合熱板。
6. 請求項１乃至４の何れかに記載の熱板が、垂直方向に複数配置される複合熱板。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載される熱板又は複合熱板を備えた加熱炉。
   
   

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