JP2008512633A - スロットエダクタをもつ熱処理システム - Google Patents

Abstract

マテリアルズを熱処理するシステムにおいて、少なくとも一つのスロットつきエダクタがファーネスチャンバの壁又はルーフに配置され、前記ファーネスチャンバ内にガスを循環させるようになっている。
【選択図】図１

Description

［関連出願とのクロスレファレンス］
本発明は、２００４年９月７日に出願され、米国特許仮出願第６０／６０７．６８１の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の利益を要求するものであり、当該記述をここに参考文献として組み入れるものである。

連邦支援の研究または開発に関する声明
該当無し

［発明の背景］
セラミックスのようなマテリアルの処理において、製品を均一に加熱し、不均一な加熱による歪みまたはクラッキングの発生をなくすために、多くの場合、熱の均一性が要求される。システムが本出願人と同じ譲り受け人に対し譲渡された米国特許公開第２００４−０１７３６０８ Ａ１（米国特許出願第１０／７７５，５４２）に示されており、これによると、ファーネスチャンバ内の一つまたは複数のエダクタにより、大量のガスをファーネスチャンバ内に循環させて均一に加熱し。極めて均一なガス雰囲気と温度とを得るようにしている。この一つまたは複数のエダクタは、製品を強制対流で冷却するためにも使用されている。前記一つまたは複数のエダクタは、本出願人と同じ譲り受け人に対し譲渡された米国特許第５，７９５，１４６号に示されているものが好ましい。該エダクタは、加療された温度均一性と制御に必要な大量の流量を提供し、プロセスサイクルの間、約±３．５℃の熱均一性を与えることができる。

［発明の概要］
本発明は、ファーネスチャンバの一つまたは複数の壁またはルーフ面にスロットつき複数のエダクタを用いる熱処理システムを提供するものである。本発明の目的のために、用語“スロットつきエダクタ”とは、ファーネスチャンバの壁又は他の面に断面形状の形状を特に問わないスロットにより形成され、該スロットにそってガスが高速で流れるように該スロットの一端にノズルを設けたエダクタを意味する。例えば、前記スロットの断面は、Ｖ形状、矩形形状又は曲面形状でよい。また別途、前記エダクタのスロットは、ファーネスチャンバの接続された壁のコーナーに設けたり、または、フィジカルなスロットなしに壁自体の一部にそって高速で流れるようにすることで設けることができる。前記エダクタは、前記ファーネスの壁それら自体の内部にまたは壁面に設けることができるので、チューブ形式のエダクタを配置することによりファーネスの構築の点でなんらの制約もない。エダクタは、チューブ形状のエダクタが適合しないかまたは実用に適しないファーネスチャンバ内に設けることができる。かくて、本発明は、ファーナエウにチューブ他の設備を付設して、エダクタ構造を設ける必要性がない。

［発明の詳細な記述］
図面を参照すると、図１，２は、スロットつきエダクタの一実施例のそれぞれ等距離図と側方断面図である。矩形断面のスロット１０は、ファーネスチャンバの壁１２に形成されている。このスロットは、下方へ向かってスロープがついている端部１４を有し、これは、該スロットの下方部における壁面１２に対し斜面ルまたはランプになっている。前記スロットの上端は、前記ファーネスチャンバのルール部分にあり、この部分において、ガス入口またはガスノズルが位置して前記スロットの長さにそってガスを高速で下方へ導くようになっている。このガスの高速の流れによって、前記ファーネスチャンバからガスがまきこまれてガスの量が増量され、前記スロットの底部近くから排出され、該スロットから前記チャンバ内へ流れる。前記スロットの長さと断面寸法により、特定設備のファーネスチャンバ内において意図するガスの増量度合いと循環度合いが図れる。

前記スロットの断面形状は、どのような形状であってもよく、図１，２の実施例に図示された矩形・形状に限定されるものではない。前記矩形形状は、通常耐火煉瓦で作られている前記ファーネスチャンバの壁を切り抜いたり、切断したりして簡単に作れる。前記スロットは、例えばＶ形状でもよい。前記スロットつきエダクタの別の実施例を図３に示すもので、ここでは、前記スロット１１の断面は半円形になっている。また別に、前記スロットは、１８０°以外の円弧状であったり、非円形の形状であったりする。

入ってくるガスの流れを所望の形状になるようにノズルまたは供給ガス入口を細工できる。例えば、円錐ジェット流にすることができる。別の実施例では、ジェット流を矩形状にしてシート状のガス流にできる。関連のスロットつきエダクタの断面形状とガスジェット流の形状は、融和し合うように選択されることができるようになっている。空気、窒素、アルゴンまたは水素といった特定の用途に適するガスを用いることができる。

スロットつきエダクタは、コアンダ効果を利用するもので、高速ガス流は、流れる方向の近接面に流れようとする。高速のガス流により、その流れにそって低圧の領域が発生し、前記チャンバからガスを前記流れに巻き込み、これによってガスの流量が増えて流れるようになる。前記エダクタは、入りこんでくる高速のガス流のエネルギーを利用して、ファーネスチャンバに存在しているさらに大量のガスを所望の方向へと動かし、熱移転の効果を生かし、乱流ガスを前記チャンバ内の製品に接触させ、気体を除去して製品に所要の化学特性を与える。前記複数のエダクタにより付与された前記リャンバ内の大量のガスは、また、前記タンバ内の熱分布を均一にし、製品の加熱を均一に行えるようにする。前記スロットつきエダクタは、前記エダクタノズルを経て前記チャンバ内に導入したガスの量よりも少なくとも１０倍、好ましくは、少なくとも２０倍の量のガスを前記チャンバ内で動かすことができる。

前記スロットの長さは、前記スロットの断面寸法の最大幅よりも１０倍であることが好ましい。この長さよりも短いスロットは、一般的にいって、効果的なガス量を吸引しない。

図４は、エダクタの別の例を示すものであって、このエダクタは、ファーネスチャンバの接続されたコーナーの壁１８，２０により形成されている。ガスノズル１６は、前記コーナーの上部にあり、前記コーナーの縁部と対面する壁部分にそって高速のガス流を導入するようになっている。

さらに別の実施例を図５に示すもので、ここでは、ノズル１６は、前記ファーネスチャンバの壁の上面部に配置され、高速のガス流が前記ノズルから前記壁にそって概ね直線状に流れるようになっている。前記の実施例すべてにおいて、高速のジェット流によりガスが前記チャンバから高速のガス流にまきこまれ、ガスは、増流され、増流されたガスは、前記チャンバ内に分布される。

前記チャンバ内の雰囲気は、無収縮低温焼成基板（ＬＴＣＣ）およびその他のセラミック製品および燃料電池の処理のための一般的には空気、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスまたはこれらが組み合わされたものである。粉末金属処理には、前記雰囲気は、一般的には、水素と窒素の混合ものである。目的によっては、前記雰囲気は、他のガスを含んでいたり、含んでいない水蒸気の場合がある。上記のように、一つまたは複数のスロットつきエダクタによりガスがファーネスチャンバ内に導入され、ガスが増量され、循環されて、処理される製品またはマテリアルズが曝されるファーネス雰囲気と温度を意図したように均一なものにする。本発明の使用により、約±３．５℃の温度均一性が達成できる。一つまたは複数のスロットつきエダクタにより、製品を強制的に対流冷却することもできる。

スロットつきエダクタの数とファーネスチャンバ内の位置は、特定のチャンバにおける意図したガス流のパターンが前記チャンバ内の均一な温度とガス環境をつくりだし、該チャンバ内の製品を均一に加熱し、前記製品をガス環境内に均一に曝されるようにできるようにする点で決定される。前記エダクター類は、一緒になって作動されるか、または、意図したガス流または循環パターンが得られるように切り替え態様で作動されるようになっている。例えば、前記チャンバの一方の側にある複数のエダクタが動いている間、前記チャンバの他方の側にある複数のエダクタは動かなかったり、此れと反対に作動サイクルを繰り返すようになる場合もある。

本発明は、処理すべき特定の製品やマテリアルズに合い、さらに、他の製造条件に合う各種のバッチタイプのファーネスシステムまたは連続タイプのファーネスシステムに実施できる。一つのファーネスシステムを図６におけるダイアグラムで示す。ファーネスチャンバ３０は、熱処理すべきある量のマテリアルズまたは複数の製品を保持するように構築されている。熱源３２が前記ファーネスチャンバと関連しており、該熱源は、一つまたは複数のタイプのものである。ガス供給体３４から一つまたは複数のエダクタ３６を経て前記ファーネスチャンバへガスが供給され、該チャンバの雰囲気を特定のマテリアルズまたは製品の処理に適したものにするコントローラ３８はガス供給と熱源の操作を管理するもので、これは、一般的にマイクロコントローラまたはコンピュータである。

前記熱源には、コンベクタヒータ類、輻射ヒータ類またはマイクロウエーブ・ヒータ類またはそれらを組み合わせたものが使用される。マイクロウエーブ加熱は、脱脂および焼結用途の使用に適している。マイクロウエーブ加熱または非マイクロウエーブ加熱を用いた場合、この非マイクロウエーブ熱源は、ファーネスチャンバ内で望ましくないマイクロウエーブの反射または吸収を行わないようなものでなければならない。一般的には、マイクロウエーブ加熱は、同じチャンバ内でコンベクション加熱と一緒に行える。放射加熱を使用すべき場合には、これら放射ヒータは、マイクロウエーブエネルギーにより加熱されているチャンバとは別個のファーネスチャンバに通常配置されるべきものであり、これは、通常の放射ヒーター類がマイクロウエーブを吸収するシリコンカーバイドまたは他のマテリアルズで作られているからである。

熱源３２は、加熱サイクルの間、コントローラ３８により制御され、熱プロファイルを意図したようにし、さらに、加熱サイクルを通じてマテリアルズまたは製品の全体を均一に加熱する。前記熱源は、処理されるマテリアルの組成およびその形状または質量を含む特定のマテリアルまたは製品に応じてプロセスサイクルの間制御される。

処理すべきある量のマテリアルズを納めるためのバッチ式ファーネスチャンバの断面を図７に示す。このファーネスは、ファーネスチャンバ４４を囲む断熱マテリアル４２を囲い込むハウジング４０を備えている。ファーネス炉床４６で処理すべきある量のマテリアルズ４８を支持している。この炉床は、可動体（図示せず）に置かれており、この可動体は、前記チャンバ内へ上昇し、さらに、炉床と前記炉床に納められた製品が前記ファーネスチャンバの外部に出る位置へ降下し、前記製品の出し入れが行われるようになっている。この昇降機構（図示せず）は、前記炉床を上位位置と下位位置の間を動かすために用いられる、この昇降機構には、１本または複数のリードスクリュウまたは既知の機構が含まれる。電気ヒータ類５０が前記チャンバの各側面に配置されており、それぞれが前記チャンバのルーフ部に保持された取付部５２から吊り下がっている（図７には、一方の側面のみしか図示していない）。複数の端子５４が適当な電源に接続している。前記ヒータ類の数と形状は、意図した加熱条件に適するように変えられることができるようになっている。

複数のスロットつきエダクタ５６が前記ファーネスの各側壁に配置されている。（図７には、一方の側面のみしか図示していない）。複数のエダクタが前記ファーネスの各側面にそって配置され、一方の側面における各エダクタは、対向する側面のエダクタとほぼライン状になっている。前記エダクタのそれぞれは、ガス源からガスが供給され、このガスは、ガスジェットまたはガスノズル５８へ付与されるもので、これらガスジェットまたはガスノズルは、前記ファーネスチャンバのルーフ部にあるか、その近辺のエダクタスロットの上端がある前記チャンバのルーフ部にある開口部に配置されている。

一つまたは複数の開口部４７が前記チャンバの一方の側面から他方の側面に向けて前記炉床４６を貫通している。エダクタ６０は、開口部４７の各端部に近接の側壁に設けられている。このエダクタ６０は、ここに記述を参考文献として組み入れる本発明の譲り受け人へ譲られた米国特許５，７９５，１４６号に示すようにチューブ状のエダクタが好ましい。前記炉床に貫通された一つまたは複数の開口部４７が前記炉床を抜けて前記ファーネスチャンバの一方の側から該チャンバの他方の側へ循環する循環路になっている。前記複数のエダクタ６０は、前記スロットつきエダクタ５６と協調して製品に対する温度とガスの意図した均一性を達成するために前記チャンバ内におけるガスの再循環を行わせるようになっている。

上記のように、前記複数のエダクタからの高速のガス流は前記ファーネスチャンバ内のガスを巻きこんでガス流とし、ガスを増やし、循環させる。噴射されたガス量に対する、まきこまれるガス量のレシオは、５０：１にまで達することができる。好ましくは、少なくとも１０：１、さらに好ましくは少なくとも２０：１の比の達成がファーネス操作にとって良好なものになる。

一つの実施例において、前記複数のエダクタは、相互に補いながら動作できるようになっており、これによって、一つの間隔の間、前記ファーネスチャンバの一方の側における複数のエダクタが稼働する一方、該チャンバの他方の側の複数のエダクタは稼働しないようにできる。そして次の間隔においては、前記エダクタの動作は、逆になり、以前稼働していなかったエダクタが稼働しだし、以前稼働していたエダクタは、休止する。前記エダクタのこのような交互の動きによって前記チャンバ内の雰囲気は、交互に循環流が生じることで均一になる。休止状態にあっては、前記スロットつきエダクタへのノズルは、完全に閉止されず、少量のガス、代表的には完全な流れの約５％のガスが前記ガスノズルへ流れ、前記ファーネスの高温度の作動温度にあるガスノズルの損傷を防ぎ、前記ノズルアッセンブリーを経て前記ファーネスチャンバへ流入する空気または汚染物を排除するようになっている。

前記複数のエダクタは、また、熱サイクルのクールダウンの間などに製品を強制的に対流冷却するために用いることもできる。前記複数のエダクタからのガス流は、熱源の制御と関連して制御され、意図した程度に製品を冷却できる。

前記ファーネスチャンバにおけるエダクタの数と配置構成が決定され、前記チャンバ内のガス流のパターンが意図したようになって、必要な温度均一性と均一なガス環境になる。図７に示した構成は、バッチファーネスの一つのタイプの例である。本発明は、固定された炉床をもつバッチファーネスのような他のタイプのバッチファーネスに使用できる。いくつかの実施例においては、図７に示すようなエダクタ６０をもつ必要がなく、これは、ガス流がファーネスの壁にあるスロットつきエダクタだけで供給されるようにできるからである。

処理すべきマテリアルズまたは製品類は、適当な支持アッセンブリーに保持される。一つの代表的な支持体の形状は、処理すべきそれぞれのアイオテムごとの多数のコンパートメントをもつトレイであって、このトレイは、下から上へ積み重ねることができるものであり、比較的大量のアイテムが前記チャンバファーネス内で一度に処理できるようになっている。前記支持アッセンブリーは、処理すべき特定の製品またはアイテムを保持する適当な形のラックのような別のタイプのものであってもよい。目的によっては、上下のプレートの間に製品を挟んだりする点で有用であり、又は、熱サイクルの間、製品の歪みを防ぐ他の支持体にして有用なものになる。前記製品ホルダー類は、前記ファーネスの作動温度に耐えることができる耐火物から作られている。

本発明は、また、連続熱処理とシステムに実施できる。このようなシステムにあっては、製品は、代表的には多数のゾーンをもつことができるファーネスチャンバに沿って搬送し、処理すべき特定の製品またはマテリアルを意図したように加熱し、クールダウンさせる。前記スロットつきエダクタは、上記したものと類似の形態でファーネスチャンバ内に形成し、均一な加熱とガス量の増大を行う。一つまたは複数のエダクタもファーネスチャンバの長さにそって構成し、ファーネスの長さ方向にそってチャンバ内に残留するガスを追い出し、汚いファーネス雰囲気をファーネスの前面近くにある排出領域へ確実に押し出すようにする。

本発明は、特に図示し、記載したものに限定されるべきではない。本発明は、種々の構造のバッチタイプおよび連続タイプのファーネスに実施できる。本発明は、また、種々のコンベヤ機構と一緒に使用され、製品をファーネスへ出入させたり、ファーネスの各部または帯域の間を搬送することができるようになっている。したがって、本発明は、添付の請求の範囲の全精神と範囲を包含する。

本発明によるスロットつきエダクタの一つの実施例の等距離断面図。 図１のスロットつきエダクタの断面側面図。 本発明によるスロットつきエダクタの別の実施例の等距離断面図。 二つの壁のコーナーに形成されたスロットつきエダクタの等距離図。 壁面にそって形成されたエダクタの等距離図。 本発明によるファーネスシステムのブロオクダイアグラム。 本発明によるバッチ式ファーネスシステムの断面立面図。

符号の説明

１０ スロット
１２ ファーネスチャンバの壁
１４ 排出ガス
１６ 供給ガス入り口

Claims (23)

1. 以下の構成を備える加熱・熱処理システム：
   底部、ルーフおよび一つまたは複数の壁を備えるファーネスハウジングと該ファーネスハウジング内にあるファーネスチャンバ；
   熱処理するマテリアルズを支持するために前記ファーネスチャンバ内に配置される支持アッセンブリー；
   前記ファーネスチャンバ内の前記マテリアルズを加熱する熱源；および
   前記ファーネスチャンバの壁面またはルーフ面に配置され、前記ファーネスチャンバ内にガスを循環させる少なくとも一つのスロットつきエダクタであって、ガス供給源と連通している前記スロットつきエダクタ。
2. 前記スロットつきエダクタは、前記ファーネスチャンバの壁に位置して前記ファーネスチャンバのルーフから下方へのびているスロットおよび前記スロットの上端に位置し、前記スロットにそって高速に流れるガス流を発生させ、前記ファーネスチャンバ内のガスを巻き込んで前記ファーネスチャンバ内で大量のガスを循環させるガス入口を備えている請求項１のシステム。
3. 前記ガス入口で円錐ジェットガス流を発生させる請求項２のシステム。
4. 前記ガス入口でシート状のガス流を発生させる請求項２のシステム。
5. 前記スロットは、前記スロットの最も大径の断面寸法よりも少なくとも１０倍の長さになっている請求項２のシステム。
6. 前記スロットの断面形状は、方形、矩形、円形、曲面形状、側面が真っすぐな形状またはＶ形状になっている請求項２のシステム。
7. 前記スロットは、前記ファーネスチャンバの二つの壁の間のコーナーにある請求項２のシステム。
8. さらに複数のスロットつきエダクタを備える請求項１のシステム。
9. さらに複数のスロットつきエダクタが前記ファーネスチャンバの第１の側面と第２の側面にあって、前記ファーネスチャンバ内に均一なガス雰囲気をつくる請求項１のシステム。
10. さらに炉床、該炉床を経て前記ファーネスチャンバの一方の側面から前記ファーネスチャンバの他方の側面へ達する複数の開口部を備え；そして
    前記ファーネスチャンバの第１と第２の側面にある複数のスロットつきエダクタが複数の対で構成され、前記ファーネスチャンバのそれぞれの側のスロットつきエダクタの各対が前記炉床を通るそれぞれの開口部に対し整列しているものである請求項９のシステム。
11. さらに複数のチューブ状のエダクタを備え、各エダクタは、前記ファーネスハウジングのそれぞれの側壁の空所に配置され、前記炉床を通るそれぞれの開口部に対面している請求項１０のシステム。
12. 複数のチューブ状のエダクタの各エダクタは、ガス供給源と連通しているノズルをもつチューブ状本体を含み、高速ガス流を前記ファーネスチャンバ内に供給し、前記ファーネスチャンバ内のガスをまきこんで前記ファーネスチャンバ内に大量のガスを循環させる請求項１１のシステム。
13. コントローラの作動で前記エダクタへのガスの供給を制御する請求項１のシステム。
14. さらにコントローラの作動で前記熱源を制御して、加熱サイクルの間の加熱プロファイルを意図するようにする請求項１のシステム。
15. コントローラの作動で前記スロットつきエダクタのガス流を制御する請求項１４のシステム。
16. 前記スロットつきエダクタの作動で熱サイクルのある部分の間、前記マテリアルズを強制対流冷却する請求項１のシステム。
17. 前記ファーネスチャンバの各側にある少なくとも一つのスロットつきエダクタが前記チャンバ内にガスを均一に循環させ、前記マテリアルズを均一に加熱させるように交互に動作するようになっている請求項１のシステム。
18. 前記加熱源が前記ファーネスチャンバ内に配置されている一つまたは複数の電気ヒーター類である請求項１のシステム。
19. 前記加熱源が前記ファーネスチャンバ内に配置されている一つまたは複数のマイクロウエーブ・ヒーター類を含む請求項１のシステム。
20. 前記ファーネスチャンバがバッチ式ファーネス内にあって、処理のために前記マテリアルズを前記チャンバ内に入れ、処理後は前記マテリアルズを出す構成の請求項１のシステム。
21. 前記ファーネスチャンバは、連続のファーネス内にあって、処理サイクルの間、マテリアルズが該チャンバ内を搬送通過するようになっている請求項１のシステム。
22. 前記支持アッセンブリーは、熱処理するマテリズアルズを積みおろしする下位位置と、該マテリアルズを前記ファーネスチャンバ内に位置させる上位位置との間を動く昇降炉床を含む請求項１のシステム。
23. 前記スロットつきエダクタは、前記ファーネスチャンバのルーフから下方へ下がる前記ファーネスチャンバの壁の一部からなり、ガスノズルが前記ルーフの壁の一部の上端に配置され、前記壁の一部にそって高速のガス流が流れて前記ファーネスチャンバ内のガスをまきこみ、前記ファーネスチャンバ内に大量のガスを循環させる請求項１のシステム。

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