KR20140009017A

KR20140009017A - 히터 유닛 및 열처리 장치

Info

Publication number: KR20140009017A
Application number: KR1020130054347A
Authority: KR
Inventors: 사토루 나카니시; 토시타카 후지타; 요시히토 후쿠다; 토모히코 타츠미
Original assignee: 고요 써모 시스템 가부시끼 가이샤
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN106102189A; CN103546996A; JP2014022042A; JP6076631B2; CN103546996B; CN106102189B; KR101969044B1

Abstract

본 발명의 열처리 장치(10)는 열처리로(1), 열원(21), 투광 부재(3), 및 가스 유통 기구(4)를 구비한다. 열처리로(1)는 피처리품을 수용하는 것이다. 열원(21)은 적외선을 방사하는 것이 이용된다. 투광 부재(3)는 열원(21)에 대향하여 배치되며, 열원(21)을 분위기로부터 분리하는 것이다. 투광 부재(3)는 열원(21)에서 방사되는 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 재료로 형성된다. 가스 유통 기구(4)는 열원(21)과 투광 부재(3) 사이에 형성되는 공간(300)에 냉각 가스를 유통시키도록 구성된다.

Description

히터 유닛 및 열처리 장치{HEATER UNIT AND HEAT TREATMENT APPARATUS}

본 발명은 히터 유닛 및 열처리 장치에 관한 것으로, 특히 복사열을 이용한 비교적 저온역(예를 들면 300℃ 이하)에 의한 열처리에 적합한 히터 유닛 및 열처리 장치에 관한 것이다.

물이나 유기 용매 등의 액적이 부착되거나 이 액체들로 습윤한 피(被)처리품으로부터 열에 의해 액체 성분을 기화시켜 건조시키기 위해, 열원을 구비한 건조 장치가 이용된다.

특허문헌 1에는 실리콘 웨이퍼 상의 물방울을 건조시키는 건조 장치로서, 열원으로 적외선 램프를 이용하고, 웨이퍼 설치대와 원적외선 램프 사이에 실리콘 웨이퍼와 동일 재질(Si)의 필터를 배치한 것이 제안되어 있다. 필터는 물방울을 효율적으로 건조시키는 파장의 적외선을 투과시키지만, 실리콘 웨이퍼를 가열하는 파장의 적외선을 제거하는 기능을 가진다. 따라서 실리콘 웨이퍼를 가열하지 않고 액적만 가열하여 재빠르게 건조할 수 있다.

일본 공개특허공보 평8-122232호

상기의 특허문헌 1에 기재된 건조 장치에서는 필터가 적외선을 흡수하기 때문에 필터 자체가 열을 가지며, 필터 주변의 공기도 가열된다. 이로 인해, 건조시에 피처리품으로부터 가연성 가스(N-메틸피롤리돈(이하, NMP라고 칭함) 가스 등)가 발생할 경우에는 분위기 온도가 발화점 온도까지 상승하여 발화될 위험성이 있었다. 예를 들면 리튬 이온 전지용 전극에서는 금속박 표면에 도포하는 집전체의 슬러리를 작성할 때의 용제로서 NMP가 사용되는 경우가 있기 때문에 이러한 위험이 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 분위기 온도의 상승을 억제하면서 피처리품을 효율적으로 열처리하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 히터 유닛은 열원, 투광(透光) 부재, 및 가스 유통 기구를 구비한다. 열원은 적외선을 방사하는 것이 사용된다. 투광 부재는 열원에 대향하여 배치되며, 열원을 분위기로부터 분리하는 것이다. 투광 부재는 열원으로부터 방사되는 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 재료로 형성된다. 가스 유통 기구는 열원과 투광 부재 사이에 형성되는 공간에 냉각 가스를 유통시키도록 구성된다.

이 구성에 의하면, 투광 부재를 피처리품에 대물(對物) 배치하면, 투광 부재를 투과한 적외선에 의해 피처리품이 복사 가열되어 피처리품이 열처리(예를 들면 건조)된다. 이 때, 열원과 투광 부재 사이에 형성되는 공간을 흐르는 냉각 가스에 의해 투광 부재가 냉각된다. 즉, 열원으로부터 방사되는 적외선의 일부가 투광 부재에 흡수됨으로써 투광 부재가 열을 가지는 경우가 있어도, 투광 부재의 열을 냉각 가스가 빼앗아 투광 부재가 과열되지 않는다.

상기 가스 유통 기구는 가스 도입구 및 가스 배출구를 구비하고, 가스 도입구에 의해 상기 냉각 가스를 도입하여 상기 공간에 유통시키고 가스 배출구를 통해 배출시키는 구성을 채용할 수 있다.

상기 투광 부재의 재료로는 입수가 용이한 석영 유리를 바람직하게 사용할 수 있다.

또한 본 발명의 열처리 장치는 열처리로(heat treating furnace), 열원, 투광 부재, 및 가스 유통 기구를 구비한다. 열처리로는 피처리품을 수용하는 것이다. 열원은 적외선을 방사하는 것이 이용된다. 투광 부재는 열원에 대향하여 배치되며, 열원을 열처리로 내의 분위기로부터 분리하는 것이다. 투광 부재는 열원으로부터 방사되는 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 재료로 형성된다. 가스 유통 기구는 열원과 투광 부재 사이에 형성되는 공간에 냉각 가스를 유통시키도록 구성된다.

이 구성에 의하면, 투광 부재를 피처리품에 대물 배치하면, 투광 부재를 투과한 적외선에 의해 피처리품이 복사 가열되어 피처리품을 열처리(예를 들면 건조)할 수 있다. 이 때, 열원과 투광 부재 사이에 형성되는 공간을 흐르는 냉각 가스에 의해 투광 부재가 냉각된다. 즉, 열원에서 방사되는 적외선의 일부가 투광 부재에 흡수됨으로써 투광 부재가 열을 가지는 경우가 있어도, 투광 부재의 열을 냉각 가스가 빼앗아 투광 부재가 과열되지 않는다.

상기 가스 유통 기구는 상기 공간에 접속되는 가스 도입관 및 가스 배출관을 구비하며, 가스 도입관으로 냉각 가스를 도입하여 상기 공간에 유통시키고 가스 배출관으로 배출시키는 구성을 채용할 수 있다. 또한 상기 가스 유통 기구는 가스류(gas flow) 생성 장치를 더 구비해도 된다.

상기 냉각 가스는 임의의 불연성 가스를 이용할 수 있지만, 비용면에서 대기(상온·상압의 공기)가 바람직하다.

또한 상기 열처리로 내에서의 상기 투광 부재의 적외선 방사측에 대향하는 영역으로 상기 피처리품을 이동시키는 이동 수단을 가지면, 피처리품을 연속적으로 열처리할 수 있게 되어 작업 효율이 향상된다.

본 발명에 의하면, 분위기 온도의 상승을 억제하면서 피처리품을 효율적으로 열처리할 수 있게 된다. 이로 인해, 열처리시에 피처리품으로부터 가연성 가스(NMP 등)가 발생해도, 분위기 온도가 발화점 온도까지 상승하지 않아 폭발의 위험성이 없다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 열처리 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 열처리 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 열원 및 투광 부재를 일체화한 히터 유닛의 일례를 나타내는 열처리 장치 주요부의 단면도이다.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 열처리 장치에 대하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(10)는 열처리로(1), 열원(21), 투광 부재(3) 및 가스 유통 기구(4)를 가진다. 이 열처리 장치(10)는 복사열을 이용한 비교적 저온역(예를 들면 300℃ 이하)에 의한 열처리를 실시하기에 적합한 것이다.

열처리로(1)는 테두리체(11) 및 단열층(12)을 구비한다. 테두리체(11)는 내열성을 구비하는 재료로 이루어진다. 단열층(12)은 테두리체(11)의 안쪽에 마련된다. 이러한 구성에 의해, 열처리로(1)는 내열성 및 단열성을 구비하게 된다. 단열층(12)에는 세라믹 섬유 등의 단열재를 바람직하게 이용할 수 있다. 한편, 테두리체(11)의 안쪽을 중공(中空)으로 함으로써, 단열층(12)을 공기층으로 구성해도 무방하다.

본 실시형태에서는, 열처리로(1)는 편평한 상자형상을 보이는 것으로 한다. 열처리로(1)의 형상은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 바닥이 있는 원통형 등이어도 된다. 열처리로(1)의 천장 중앙부에는 후술하는 히터(2)를 장착하기 위한 직사각형의 장착 구멍(1A)이 관통하고 있다.

열처리로(1)의 내부는 도면에서의 위아래가 좁은 공간으로 되어 있다. 이 공간에 피처리품(100)이 수용된다. 열처리로(1)의 내부를 위아래가 좁은 공간으로 한 것은 후술하는 히터(2)에서 방사되는 적외선을 효율적으로 피처리품(100)에 조사하기 위해서이다.

피처리품(100)의 구체예로는 예를 들면 리튬 이온 전지용 전극 등을 들 수 있다. 상술한 바와 같이, 리튬 이온 전지용 전극은 제작시에 가연성 NMP를 용제로 한 슬러리가 사용된다.

열원(21)으로는 적외선을 방사하며, 판형상을 이루는 발열체가 이용된다. 구체적으로는 니크롬선 발열체, 할로겐 히터, 카본 히터 등을 들 수 있다. 한편, 도 1의 실선 화살표는 열원(21)으로부터 방사되는 적외선을 나타내고 있다. 열원(21)에 필요한 출력은 열처리로(1)의 크기 및 피처리품(100)의 처리 조건에 따라 바뀐다.

히터(2)는 상기의 열원(21)과 세라믹 섬유 등의 단열재(22)를 진공 몰드로 일체화하여 소정 형상으로 제작된다. 본 실시형태에서 히터(2)는 각판(角板)형상을 보이는 것으로 한다. 한편, 히터(2)의 형상은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어 열처리로(1)가 바닥이 있는 원통형이라면, 이것에 대응시켜서 히터(2)를 하프 파이프형상이나 쿼터 파이프형상으로 형성해도 된다.

단열재(22)의 바닥면에는 열원(21)이 일부 노출되어 있다. 단열재(22)는 열원(21)으로부터의 열을 차단한다. 따라서 히터(2)는 적외선의 방사 방향에 지향성을 가진다. 즉, 히터(2)는 단열재(22)의 바닥면으로부터 아래쪽을 향해 적외선을 방사하도록 구성된다.

단열재(22)의 상부에는 플랜지부(22B)가 형성되어 있다. 히터(2)를 열처리로(1)에 장착할 때는 단열재(22)의 동체부(胴體部)(22A)를 상기의 장착 구멍(1A)에 삽입한다. 그리고 단열재(22)의 플랜지부(22B)를 열처리로(1)의 외벽에 나사(vis) 고정 등으로 고정한다. 이로 인해, 열원(21)이 열처리로(1)의 내부에 면하도록 히터(2)가 열처리로(1)에 장착된다.

열처리로(1)의 내벽에는 장착 구멍(1A)의 개구 주위에 지지 부재(5)가 장착되어 있다. 지지 부재(5)는 후술하는 투광 부재(3)를 지지하고 있다.

투광 부재(3)는 히터(2)의 아래쪽에, 열원(21)으로부터 격리되어 열원(21)에 대향 배치된다. 투광 부재(3)는 열원(21)을 열처리로(1) 내의 분위기로부터 분리하는 것이다. 투광 부재(3)의 재료로는 열원(21)으로부터 방사되는 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 재료가 사용되며, 예를 들면 입수가 용이한 석영 유리를 바람직하게 이용할 수 있다. 한편, 투광 부재(3)의 재료는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 다소 고가이긴 하지만 불화 바륨, 불화 칼슘, 사파이어 등을 이용하는 것도 가능하다.

투광 부재(3)는 판형상을 보인다. 투광 부재(3)의 두께는 예를 들면 3~5mm 정도이다. 한편, 투광 부재(3)의 두께는 이 범위에 한정되지 않는다. 투과율 면에서는 투광 부재(3)의 두께가 얇은 편이 유리하다.

투광 부재(3)는 열원(21)의 열처리로(1) 내의 분위기로부터 확실하게 분리하기 위해, 지지 부재(5)와의 사이에서 밀착성을 보다 높게 하는 것이 바람직하다. 이 밀착성을 높이기 위해, 투광 부재(3)를 실링 부재(도시하지 않음)를 통해 지지 부재(5)에 장착할 수 있다. 이 실링 부재의 재료로는 내열성 및 내용제성을 구비한 불소계 혹은 Si계 수지를 바람직하게 이용할 수 있다.

투광 부재(3)를 열원(21)으로부터 격리시키는 것은 후술하는 바와 같이, 열원(21)과 투광 부재(3) 사이에 냉각 가스를 유통시키기 위한 공간(300)을 형성하기 위해서이다. 한편, 도 1의 파선(H)은 투광 부재(3)의 표면에서 방열되는 열을 나타내고 있다.

가스 유통 기구(4)는 공간(300)에 냉각 가스를 유통시키도록 구성된다. 본 실시형태에서 가스 유통 기구(4)는 가스 도입관(41) 및 가스 배출구(42)를 구비하며, 가스 도입관(41)으로 냉각 가스를 도입하여 공간(300)에 유통시키고 가스 배출관(42)으로 배출시키는 것이다. 가스 도입관(41) 및 가스 배출관(42)은 열처리로(1) 내에 컴팩트하게 매설된다.

또, 가스 유통 기구(4)는 본 발명의 가스류 생성 장치의 일례인 송풍기(43)를 구비한다. 송풍기(43)는 송기관(44)을 통해 가스 도입관(41)에 접속된다. 본 실시형태에서는 공간(300)을 흐르는 냉각 가스의 유량이 매우 작아도 되고, 유량의 세심한 제어도 불필요하다. 따라서 송풍기(43)는 저렴한 정격 소(小)풍량 타입을 선택하는 것이 가능하다.

한편, 상기와 같이 송풍기(43)를 가스 도입관(41)에 접속하여 냉각 가스를 보내주는 구성 외에, 송풍기(43)를 가스 배출관(42)에 접속하여 냉각 가스를 흡인하는 구성으로 해도 무방하다.

그 밖에, 고압의 가스 봄베와 가스 유량을 조정하는 레귤레이터를 이용해서 가스류 생성 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 가스류 생성 장치가 전력을 소비하지 않으므로 운영비용(running cost)을 저감할 수 있다.

냉각 가스는 임의의 불연성 가스를 이용하는 것이 가능하지만, 대기(상온·상압의 공기)가 바람직하다. 대기는 환경에 대한 배려가 불필요하고, 순환 시스템이나 냉각 시스템 등을 구축할 필요가 없으므로 가스 유통 기구를 저비용으로 실현할 수 있다.

피처리품(100)은 열처리로(1) 내에서의 투광 부재(3)의 적외선 방사측에 대향하는 영역에서 열처리된다. 한편, 이 영역으로 피처리품(100)을 이동시키는 이동 수단을 마련해도 된다. 구체적으로는 도시한 바와 같이 반송 롤러(6)를 구비하고 있다. 한편, 이동 수단은 반송 롤러(6)에 한정되지 않는다. 예를 들면 반송 벨트 등이어도 된다. 이동 수단에 의해 피처리품(100)을 연속적으로 열처리할 수 있게 되어 작업 효율이 향상된다.

피처리품(100)은 도시한 바와 같이 열처리로(1)의 전체 길이(도 1의 좌우 폭)보다 길어도 무방하다. 이 경우에는 열처리로(1)의 양측면에 개구(반입구(1B) 및 반출구(1C))를 마련함으로써, 열처리로(1)의 외부에서 화살표(S)와 같이 피처리품(100)을 반입하고, 열처리로(1) 내에서 순차 열처리를 실시하면서 반출하기까지의 일련의 작업을 자동으로 실시할 수 있게 된다. 한편, 피처리품(100)이 가요성을 가지는 시트형상일 경우에는 도 2에 도시한 바와 같이, 내보내기 롤러(7) 및 당겨감기 롤러(8)를 각각 반입구(1B), 반출구(1C)의 외측에 배치하여, 롤 투 롤(roll-to-roll)로 열처리를 연속적으로 실시하는 것도 가능하다.

본 실시형태에 따른 열처리 장치(10)에 의하면, 투광 부재(3)를 피처리품(100)에 대물 배치하면, 투광 부재(3)를 투과한 적외선에 의해 피처리품(100)이 복사 가열되어, 피처리품(100)이 열처리(예를 들면 건조)된다. 이 때, 공간(300)을 도면의 점선 화살표와 같이 흐르는 냉각 가스에 의해 투광 부재(3)가 냉각된다. 즉, 열원(21)으로부터 방사되는 적외선의 일부가 투광 부재(3)에 흡수됨으로써 투광 부재(3)가 열을 가지는 경우가 있어도, 투광 부재(3)의 열을 냉각 가스가 빼앗아 투광 부재(3)가 과열되지 않는다.

본 발명에 의하면, 분위기 온도의 상승을 억제하면서 효율적으로 피처리품을 가열 처리할 수 있게 된다. 이로 인해, 열처리시에 피처리품(100)으로부터 가연성 가스(NMP 등)가 발생하더라도, 분위기 온도가 발화점 온도까지 상승하지 않아 폭발의 위험성이 없다.

도 3은 열원 및 투광 부재를 일체화한 히터 유닛의 일례를 나타내는 열처리 장치 주요부의 단면도이다. 도 3에 도시한 히터 유닛(200)의 예에서는 지지 부재(5)를, 상부에 플랜지부(5B)를 가지는 통형상으로 하고, 히터(2)의 동체부(22A)를 지지 부재(5)의 통 내부에 삽입하여 플랜지부(22B)를 이용해서 히터(2)를 지지 부재(5)에 고정하였다. 이로 인해, 열원(21) 및 투광 부재(3)를 일체화한 히터 유닛(200)이 형성된다.

히터(2)의 플랜지부(22B)에는 가스 도입구(41') 및 가스 배출구(42')가 관통하고 있다. 가스 도입구(41') 및 가스 배출구(42')의 한쪽 끝은 열원(21)과 투광 부재(3) 사이에 형성되는 공간(300)에 접속되어 있다. 따라서 가스 도입구(41') 또는 가스 배출구(42')의 다른 쪽 끝에 가스류 생성 장치를 접속함으로써, 냉각 가스를 공간(300)에 유통시키는 것이 가능하다.

히터 유닛(200)을 열처리로(1)에 장착할 때는 지지 부재(5)의 동체부(5A)를 열처리로(1)의 장착 구멍(1A)에 삽입한다. 그리고 플랜지부(5B)를 이용해서 열처리로(1)의 외벽에 나사 고정 등에 의해 고정한다. 이로 인해, 히터 유닛(200)을 탈부착 자유롭게 구성할 수 있게 된다.

상술한 실시형태의 설명은 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 실시형태가 아니라 특허청구범위에 의해 제시된다. 또한 본 발명의 범위에는 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10 열처리 장치
1 열처리로
2 히터
21 열원
22 단열재
3 투광 부재
4 가스 유통 기구
41 가스 도입관
41' 가스 도입구
41 가스 배출관
42 가스 배출관
42' 가스 배출구
43 송풍기
44 송기관
5 지지 부재
22A 동체부
22B 플랜지부
100 피처리품
200 히터 유닛
300 열원과 투광 부재 사이에 형성되는 공간

Claims

적외선을 방사하는 열원;
상기 열원에 대향하도록 배치되어, 상기 열원을 분위기로부터 분리하는 동시에 상기 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 투광(透光) 부재; 및
상기 열원과 상기 투광 부재 사이에 형성되는 공간에 냉각 가스를 유통시키도록 구성되는 가스 유통 기구;를 구비하는 것을 특징으로 하는 히터 유닛.
제1항에 있어서,
상기 가스 유통 기구는 상기 공간에 접속되는 가스 도입구 및 가스 배출구를 구비하고, 상기 가스 도입구에 의해 상기 냉각 가스를 도입하여 상기 공간에 유통시키고 상기 가스 배출구를 통해 배출시키는 것을 특징으로 하는 히터 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 투광 부재가 석영 유리제인 것을 특징으로 하는 히터 유닛.
피(被)처리품을 수용하는 열처리로(heat treating furnace);
적외선을 방사하는 열원;
상기 열원에 대향하도록 배치되어, 상기 열원을 상기 열처리로 내의 분위기로부터 분리하는 동시에 상기 적외선의 적어도 일부를 투과시키는 투광 부재; 및
상기 열원과 상기 투광 부재 사이에 형성되는 공간에 냉각 가스를 유통시키도록 구성되는 가스 유통 기구;를 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
제4항에 있어서,
상기 가스 유통 기구는 상기 공간에 접속되는 가스 도입관 및 가스 배출관을 구비하고, 상기 가스 도입관에 의해 상기 냉각 가스를 도입하여 상기 공간에 유통시키고 상기 가스 배출관을 통해 배출시키는 열처리 장치.
제5항에 있어서,
상기 가스 도입관 및 상기 가스 배출관이 상기 열처리로에 매설되는 열처리 장치.
제5항에 있어서,
상기 가스 유통 기구는 가스류(gas flow) 생성 장치를 더 구비하는 열처리 장치.
제6항에 있어서,
상기 가스 유통 기구는 가스류 생성 장치를 더 구비하는 열처리 장치.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 가스는 대기인 열처리 장치.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투광 부재는 석영 유리제인 열처리 장치.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열처리로 내에서의 상기 투광 부재의 적외선 방사측에 대향하는 영역으로 상기 피처리품을 이동시키는 이동 수단을 더 가지는 열처리 장치.