(57)【要約】  加熱セクション(102)および作用構成要素を含むと共に基材(132)を加熱処理する加熱炉(100)。加熱セクション(102)は当該加熱コイル(142)内に配設されたスペーサ(143)を有する加熱コイル(142)を含み、加熱コイル(142)の質量およびスペーサ(143)の質量は加熱セクション(102)の質量に寄与する。上記作用構成要素は、処理チャンバ(134)および搬送機構(106)を含む。処理チャンバ(134)は、基材(132)が加熱セクション(102)を通過するのを促進する。搬送機構(106)は上記基材を、加熱セクション(102)を通して出口アセンブリ(117)内へと搬送する。加熱セクション(102)の質量は、加熱セクション(102)内における、処理チャンバ(134)、搬送機構(106)および基材(132)の組合せ質量を超過する。
2005515389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材が当該加熱炉を通過するときに該基材を加熱処理する加熱セクションであって、該加熱セクションは該加熱セクションに対して熱を提供すべくスペーサを有する加熱コイルを含み、該加熱セクションは上記加熱コイルの質量と上記スペーサの質量とにより定義される質量を有するという加熱セクションと、
質量を有する搬送機構であって、該搬送機構は上記加熱セクション内に配設されると共に、上記加熱セクションを通して上記基材を搬送するという搬送機構と、
質量を有すると共に、上記加熱セクション内に配設された処理チャンバとを備え、
上記加熱セクションの質量は、上記加熱セクション内における、上記搬送機構質量と、上記処理チャンバ質量と、上記基材の質量との組合せ質量を超過する、
基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項２】
前記加熱セクションは更に複数の加熱領域を備え、
前記加熱コイルは、上記複数の加熱領域の個別加熱領域が前記基材に対して異なる加熱処理を提供する異なる温度を有する如く、上記複数の加熱領域内に位置される、請求項１記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項３】
前記加熱セクションは、該加熱セクション内に配設された原位置式熱電対(in-situ thermocouple)を更に備えて成る、請求項２記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項４】
前記加熱セクションは円筒状形態を有する。請求項１記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項５】
前記搬送機構は移動ビーム・アセンブリである、請求項１記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項６】
前記搬送機構はベルトである、請求項１記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項７】
前記加熱セクションは1,400℃に対して定格化された材料で構築される、請求項３記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項８】
当該加熱炉は更に、前記加熱セクションの近傍に配設された入口カーテンセクションアセンブリであって当該加熱炉内への前記基材の進入のための入口カーテンセクションアセンブリを備え、
上記入口カーテンセクションアセンブリは、上記基材が当該加熱炉に進入するときに該基材に対する遷移領域を維持する複数の噴射器を含む、請求項１記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項９】
当該加熱炉は、前記入口カーテンセクションアセンブリの逆側にて前記加熱セクションの近傍に配設された冷却領域であって、前記基材が上記加熱セクションを退出するときに該基材を冷却する逆流熱交換器を有する冷却領域を更に備えて成る、請求項８記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１０】
当該加熱炉は、前記冷却領域の近傍に配設されて当該加熱炉からの前記基材の退出を許容する出口カーテンセクションアセンブリを更に備え、該出口カーテンセクションアセンブリは、上記基材が当該加熱炉を退出するときに該基材に対する遷移領域を維持する複数の噴射器を含む、請求項９記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１１】
前記処理チャンバは、
該処理チャンバの断面積より小さな断面積を有する第1遷移セクションであって、該処理チャンバの第1端部に配設されることで該処理チャンバを前記入口カーテンセクションアセンブリに連結する第1遷移セクションと、
上記処理チャンバ断面積より小さな断面積を有する第2遷移セクションであって、上記第1遷移セクションの逆側にて該処理チャンバの第2端部に配設されることで該処理チャンバを前記冷却領域に連結する第2遷移セクションとを更に備えて成る、請求項１０記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１２】
複数の加熱コイルと該複数の加熱コイル内に配設されたスペーサとを含む加熱セクションであって、上記複数の加熱コイルの質量および上記スペーサの質量は加熱セクション質量に寄与するという加熱セクションと、
作用構成要素質量を有する作用構成要素であって、
当該加熱炉内に配設された搬送機構であって上記加熱セクション内に配設された該搬送機構の質量は上記作用構成要素質量に寄与するという搬送機構と、
上記加熱セクション内に配設された当該処理チャンバの質量が上記作用構成要素質量に寄与する如く当該加熱炉内に配設された処理チャンバと、
を含む作用構成要素とを備え、
上記加熱セクション質量は、上記加熱セクション内に配設された基材と上記作用構成要素質量との組合せ質量を超過する、
質量を有する基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１３】
当該加熱炉は更に、前記加熱セクションの近傍に配設された入口カーテンセクションアセンブリであって当該加熱炉内への前記基材の進入のための入口カーテンセクションアセンブリを備え、
上記入口カーテンセクションアセンブリは、上記基材が当該加熱炉に進入するときに該基材に対する遷移領域を維持する複数の噴射器を含む、請求項１２記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１４】
当該加熱炉は、前記加熱セクションの近傍に配設された冷却領域であって、上記加熱セクションを退出するときに前記基材を冷却する逆流熱交換器を有する冷却領域を更に備えて成る、請求項１３記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１５】
当該加熱炉は、前記冷却領域の近傍に配設されて当該加熱炉からの前記基材の退出を許容する出口カーテンセクションアセンブリを更に備え、該出口カーテンセクションアセンブリは、上記基材が当該加熱炉を退出するときに該基材に対する遷移領域を維持する複数の噴射器を含む、請求項１４記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１６】
前記搬送機構はベルトである、請求項１２記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１７】
前記搬送機構は移動ビーム・アセンブリである、請求項１２記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１８】
当該加熱炉は、前記加熱セクション内に配設された原位置式熱電対(in-situ thermocouple)を更に備えて成る、請求項１２記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項１９】
前記処理チャンバは、
該処理チャンバの断面積より小さな断面積を有する第1遷移セクションであって、該処理チャンバの第1端部に配設されることで該処理チャンバを前記入口カーテンセクションアセンブリに連結する第1遷移セクションと、
上記処理チャンバ断面積より小さな断面積を有する第2遷移セクションであって、上記第1遷移セクションの逆側にて該処理チャンバの第2端部に配設されることで該処理チャンバを前記冷却領域に連結する第2遷移セクションとを更に備えて成る、請求項１４記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項２０】
当該加熱炉内への基材の進入のための入口カーテンセクションアセンブリと、
上記基材が当該加熱炉を通過するときに該基材を加熱処理するために上記入口カーテンセクションアセンブリと連結された加熱セクションであって、当該加熱セクションは該加熱セクションに熱を提供する加熱コイルと該加熱コイル内に配設されたスペーサとを含み、当該加熱セクションは質量を有するという加熱セクションと、
上記加熱セクション内に配設されると共に質量を有する搬送機構であって、上記加熱セクションを通して上記基材を搬送する搬送機構と、
上記加熱セクションに連結された冷却領域であって、上記基材が当該冷却領域を通過するときに該基材を冷却する逆流熱交換器を有するという冷却領域と、
上記基材の冷却時に当該加熱炉からの該基材の退出を促進する出口カーテンセクションアセンブリと、
上記加熱セクションを通して延在すると共に、上記加熱セクションを上記入口カーテンセクションアセンブリおよび上記冷却領域の両者に対して連結する処理チャンバとを備え、
加熱セクションの質量は、上記加熱セクション内における上記処理チャンバの部分と、上記加熱セクション内における搬送機構質量および基材の質量との組合せ質量を超過する、
基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項２１】
前記処理チャンバは、
該処理チャンバの断面積より小さな断面積を有する第1遷移セクションであって、該処理チャンバの第1端部に配設されることで該処理チャンバを前記入口カーテンセクションアセンブリに連結する第1遷移セクションと、
上記処理チャンバ断面積より小さな断面積を有する第2遷移セクションであって、上記第1遷移セクションの逆側にて該処理チャンバの第2端部に配設されることで該処理チャンバを前記冷却領域に連結する第2遷移セクションとを備えて成る、請求項２０記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項２２】
前記搬送機構は移動ビーム・アセンブリである、請求項２０記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【請求項２３】
当該加熱炉は前記加熱セクション内に配設された原位置式熱電対(in-situ thermocouple)を更に備えて成る、請求項２０記載の基材を加熱処理する加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的に、加熱炉に関する。より詳細には本発明は、基材(substrate)を加熱処理する複数の加熱領域を有する連続プロセス用加熱炉(continuous process furnace)に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、多くの製品は製造の間において加熱処理操作に委ねられる。製品は、半導体ウェハ作製の間における熱硬化、または、鋼鉄などの製品材料を硬化させる焼鈍操作(annealing operation)を含む多くの理由に依り、加熱処理を受ける。多くの場合、この加熱処理プロセスは非常な高温で実施される。これらの高温にて加熱処理操作を実施するために、高い作動温度が可能である燃焼炉(oven)が構築される。
【０００３】
一定の場合、加熱処理に用いられる燃焼炉は相当量の熱慣性を有する煉瓦(brick)で構築されていた。これらの煉瓦製燃焼炉は典型的に、先行技術に係る煉瓦製燃焼炉10の断面図を示す図１に関して示される矩形状を有していた。煉瓦製燃焼炉10は、加熱処理の間に製品が通過する矩形断面を含む。加熱処理操作の間、適切な加熱処理を確実にするには均一な加熱環境が好適である。しかし、先行技術の煉瓦製燃焼炉の矩形断面の故に、均一な加熱環境を達成することは困難であった。代わりに、煉瓦製燃焼炉10の断面内には典型的にポケットA1乃至A4およびBが形成された。該ポケットA1乃至A4およびBは、煉瓦製燃焼炉10の断面の残部とは異なる温度であった。ポケットA1乃至A4およびBが異なる温度であることから、ポケットA1乃至A4およびBを煉瓦製燃焼炉10と一様な温度に維持すべく独立的調節が必要とされた。また、ポケットA1乃至A4およびBを均一温度に維持すべく、付加的領域も必要とされた。故に、該付加的領域と共に個別的調節のために必要とされる付加的構成要素により、煉瓦製燃焼炉に対する操業コストは増大した。同様に、構成要素の個数が増加したことから信頼性は低下した、と言うのも、構成要素の個数が増加したことで故障の可能性が増大したからである。更に、煉瓦製燃焼炉において使用される煉瓦の大容量の熱慣性の故に、煉瓦製燃焼炉は作動温度に至るまで相当の時間を必要とした。故に、これらの燃焼炉を用いる製品に伴う製造コストは、該燃焼炉の長時間要件および大きなエネルギ要件に依り増大した。
【０００４】
煉瓦製燃焼炉に伴う問題に対処すべく製造業者等は、更に軽量の断熱材と更に少ない質量(mass)とを有する燃焼炉を実施し始めた。更に軽量である断熱材を用いる少ない質量の上記燃焼炉としては、矩形状を有する軽量燃焼炉(light gauge oven)が挙げられる。しかし、これらの軽量燃焼炉は、矩形状を有する煉瓦製燃焼炉に伴う問題がある。
【０００５】
これらの燃焼炉は、その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される特許文献１に記述された如く、当該円筒状加熱要素に対して熱を提供するワイヤが内部に配設された円筒状加熱要素を含んでおり、すなわち、該先行技術の加熱要素は、セラミック絶縁材料(ceramic insulating material)から形成された円筒管、ならびに、該セラミック絶縁材料内に配設されたワイヤを含んでいた。軽量のセラミック絶縁材料は良好な熱的特性を有するのと同時に、作動(operation)の間にワイヤもしくは上記セラミック絶縁材料のいずれをも損傷させずに上記ワイヤが膨張かつ収縮する如く変形可能であった。
【０００６】
上記先行技術の加熱要素の作動の間に、上記ワイヤは該加熱要素に対する熱源を提供していた。故に、上記加熱要素を通過する製品は加熱処理操作に委ねられ、上記ワイヤは製品を熱に晒していた。但し、上記加熱要素内における上記ワイヤの形状により、該加熱要素の熱効率は最小限とされていた。更に説明すると、上記加熱要素内で使用される先行技術のワイヤは小径を有することから、製品を加熱するために露出される表面積は小さかった。上記ワイヤの表面積が小さいことから、該加熱ワイヤを通過する製品を効果的に加熱するためには該ワイヤが高温とされる必要がある。そして、必要な高温は加熱炉に対する大量のエネルギ供給を必要とし、上記先行技術の加熱要素を用いた燃焼炉の作動に伴う全体的コストは増大した。これに加え、先行技術の燃焼炉により必要とされた高温に依り、上記加熱要素と該加熱要素を用いる加熱炉との両方の信頼性および効率は低下した。同様に、これらのワイヤの信頼性は更に低下した、と言うのも、該加熱ワイヤの温度は燃焼炉の作動の間に変動したからである。
【０００７】
故に、加熱炉の作動の間に該加熱炉の熱変動を最小限とする装置に対する要望が在る。更に、該装置は大きな信頼性と最小限の操業コストとを有すべきである。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第4596922号明細書
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、高質量(high mass)を有する加熱セクションを備えた加熱炉を提供することにより、上述の要望を満足する。上記加熱炉の上記加熱セクションの質量(mass)は、上記加熱炉の作用構成要素の質量より大きい。
【００１０】
本発明の一実施例においては、基材を加熱処理する加熱炉が開示される。該加熱炉は、加熱セクション、搬送機構、入口アセンブリおよび出口アセンブリを含む。上記加熱セクションは、上記基材が上記加熱炉を通過するときに該基材を加熱処理する。上記加熱セクションは、該加熱セクションに対して熱を提供する加熱コイルを含む。上記加熱セクション内に部分的に配設される上記搬送機構は、上記加熱セクションを通して上記基材を搬送する。上記搬送機構は上記入口アセンブリを介して上記加熱セクションに進入し、且つ、上記出口アセンブリを介して上記加熱セクションを退出する。上記加熱炉はまた、上記加熱セクション内に配設された処理チャンバも含む。上記加熱セクションの質量は、該加熱セクション内に配設された上記処理チャンバ、該加熱セクション内の上記搬送機構および上記基材の質量の組合せ質量を超過する。
【００１１】
本発明の別実施例においては、質量を有する基材を加熱処理する加熱炉が開示される。該加熱炉は、加熱セクションおよび作用構成要素を含む。上記加熱セクションは、上記基材を加熱処理する複数の加熱コイルと該加熱コイル内に配設されたスペーサとを含む。上記複数のコイルの質量および上記スペーサの質量は、加熱セクション質量に寄与する。作用構成要素質量を有する上記作用構成要素は、搬送機構、入口アセンブリおよび出口アセンブリを含む。上記搬送機構は、上記加熱セクション内に配設され、上記基材を上記加熱セクションを通して搬送する。上記搬送機構の質量は、上記作用構成要素質量に寄与する。上記加熱セクションの近傍に配設された上記入口アセンブリは、上記搬送機構を介して上記基材が上記加熱セクション内に進入するのを可能にする。上記入口アセンブリは、上記加熱セクションを通して延在する処理チャンバを含む。上記加熱セクションを通して延在する上記処理チャンバの部分は、上記作用構成要素質量に寄与する質量を有する。上記加熱セクションからの上記基材の退出を許容する上記出口アセンブリは、上記出口アセンブリの逆側にて上記加熱セクションの近傍に配設される。上記加熱セクション質量は、上記加熱セクション内に配設された基材と上記作用構成要素質量との組合せ質量を超過する。
【００１２】
本発明の更に別の実施例においては、基材を加熱処理する加熱炉が開示される。該加熱炉は、該加熱炉へと基材が進入するのを可能にする入口カーテンセクションアセンブリと、該入口カーテンセクションアセンブリと連結された入口アセンブリと、該入口アセンブリと連結された加熱セクションとを含む。上記加熱炉はまた、上記加熱セクション内に配設された搬送機構と、上記入口アセンブリの逆側にて上記加熱セクションの近傍に配設された出口アセンブリと、冷却領域と、該冷却領域と連結された出口カーテンセクションアセンブリとを含む。上記基材が上記加熱炉を通過するときに、上記加熱セクションは上記基材を加熱処理する。質量を有する上記加熱セクションは、該加熱セクションに対して熱を提供する加熱コイルと、該加熱コイル内に配設されたスペーサとを含む。上記搬送機構は、加熱処理の間において上記加熱セクションを通して上記基材を搬送する。上記出口アセンブリは、上記基材が上記加熱セクションから退出し、且つ、該出口アセンブリに連結された上記冷却領域に進入するのを促進する。上記冷却領域は、上記基材が該冷却領域を通過するときに該基材を冷却する逆流熱交換器を含む。上記出口カーテンセクションアセンブリは、上記基材の冷却時に上記加熱炉からの該基材の退出を促進する。上記加熱セクション質量は、上記加熱セクション内における、上記搬送機構と、該加熱セクションを通して延在する処理チャンバと、基材と、の組合せ質量を超過する。
【００１３】
理解され得る如く、本発明は当該加熱炉の作用構成要素の質量を超過する高質量の加熱セクションを有する加熱炉を提供する。作用構成要素に比較して上記加熱セクションの質量が大きいことから、加熱処理操作の間における上記加熱炉の熱変動は最小化され且つ上記加熱炉の信頼性が高められる。
【００１４】
当業者にとっては、同様の要素に対しては同様の参照番号が付与されるという添付図面と共に本明細書を読むことで本発明の多くの利点が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
基材(substrate)を加熱処理すべく大きな加熱セクション質量を有する加熱炉が開示される。概略として、本発明の実施例に係る加熱炉は、入口アセンブリ、加熱セクション、搬送機構および出口アセンブリを含む。上記入口アセンブリは、基材が該入口アセンブリから上記加熱セクションを通り上記出口アセンブリから退出するのを許容する処理チャンバを含む。添付図面に関連して相当に詳細に論じられる如く、上記加熱セクションの質量は、該加熱セクション内に配設された上記処理チャンバと該加熱セクション内の上記基材との組合せ質量を超過する。
【００１６】
次に、各図面、特に本発明の実施例に係る加熱炉100の概略図である図２を参照する。加熱炉100は、(図３に関して示された)基材132に対する加熱処理プロセスの間において該基材132を加熱処理する。上記基材としては、金属構造、半導体ウェハもしくは他の材料、および、加熱処理を必要とする部材(apparatus)が挙げられる。これらの加熱処理プロセスとしては基材に対して必要な任意数の加熱処理が挙げられるが、これらの加熱処理としては、限定的なものとしてで無く、半導体業界で使用される熱硬化、金属の焼鈍(annealing)などが挙げられる。本発明の実施例に依れば加熱炉100は、1,400℃までの定格とされた材料で構築され得る。加熱炉100は、端部支持構造108、加熱領域102、冷却領域112および端部支持構造116を含む。端部支持構造116に加え、加熱炉100は個々のローラ106aを有する搬送機構106も含む。搬送機構106は、加熱炉100を通して基材132を前進させるに適した任意の装置とされ得るが、使用され得る装置としては、限定的なものとしてで無く、ベルト・アセンブリ(すなわち金属ベルト、セラミック・ベルトなど)、移動ビーム・アセンブリ(walking beam assembly)などが挙げられる。搬送機構106によれば、基材132はローラ106aにより加熱炉100を通過して移動し得る。当業者であれば理解し得る如く、搬送機構106は加熱炉100を通して基材132を移動させるために必要な種々の構成要素(すなわち歯車、スプロケット、モータなど)を含む。図２に関して理解され得る如く、加熱炉100による基材132の加熱処理の間、搬送機構106の一部は加熱セクション102内に存在する。本明細書中で定義される如く、基材132の加熱処理および加熱炉100の作動(operation)の間に加熱セクション102内に存在する搬送機構106の上記部分の質量は、加熱炉100の作用質量(working mass)に寄与する。
【００１７】
端部支持構造108は、加熱炉100の機能性に必要な回路遮断器120および変圧器122などの構成要素に対する囲繞体を提供する。端部支持構造108はまた、加熱炉100の作動の間に加熱領域102a乃至102eを制御する回路機構も囲繞する。更に、端部支持構造108は、図３に関して更に明確に示される如くガス噴射器(gas injector)124および126を用いて加熱炉100の外部の環境と加熱領域102内の環境との間の遷移領域を提供する入口カーテンセクションアセンブリ109を含む。
【００１８】
図３は、図２に関して示された本発明の実施例の入口カーテンセクションアセンブリ109の概略図である。入口カーテンセクションアセンブリ109は、加熱炉100の作動の間に該入口カーテンセクションアセンブリ109に対するガスの進入および排出を許容するガス噴射器124および126を含む。本発明のこの実施例においてガス噴射器126は、方向矢印Yにより表される如く方向Yにおいてガスが入口カーテンセクションアセンブリ109に進入するのを許容する。ガス噴射器124は、方向矢印Xにより表される如く方向Xにおいて入口カーテンセクションアセンブリ109からガスを排出する。故にガス噴射器124および126は、方向矢印Y1により示された如くガスが方向Y1において入口カーテンセクションアセンブリ109を通過するのを許容する。本発明の代替実施例においてはガス噴射器124および126の機能性が逆転され得ることを銘記すべきである。故に、ガス噴射器124は方向Yにおいて入口カーテンセクションアセンブリ109にガスを噴射し、且つ、ガス噴射器126は方向Xにおいて入口カーテンセクションアセンブリ109からガスを排出する。故に、この実施例において、ガス噴射器124および126からのガスの流れは、方向矢印X1により表される如く方向X1おけるものである。本発明の一実施例において、ガス噴射器124および126により噴射かつ排出されるガスは、窒素ガス(N2)などの不活性ガスとされ得る。
【００１９】
理解され得る如く、端部支持構造108は加熱炉100の全体質量に寄与する質量を有する。端部支持構造108の質量は、入口カーテンセクションアセンブリ109に対する機能性に必要な各構成要素を含む。これらの構成要素は、噴射器124および126にガスを提供する部材(すなわち、パイプ、ライン、ホースなど)、入口カーテンセクションアセンブリ109を制御するために必要な電子機器、および、端部支持構造108内の各構成要素などを包含する。端部支持構造108に加えて加熱炉100は、図２に関して示された如く端部支持構造108と加熱セクション102との間に配設された入口前庭部(entrance vestibule)104aも含む。該図に関して理解され得る如く、加熱セクション102から入口前庭部104aを通り処理チャンバ134が延在し、該チャンバは端部支持構造108および入口カーテンセクションアセンブリ109の両者に連結される。これに加え、同様に図２に関して示された如く、処理チャンバ134は加熱セクション102から出口前庭部104bを介して冷却領域112まで延在する。
【００２０】
加熱領域102は、個別加熱領域102b乃至102eを含む。個別加熱領域102b乃至102eは、図４に関して更に明確に示される如く、基材132が加熱炉100を通過するときに該基材を加熱処理すべく構成される。図４は、本発明の実施例の個別加熱領域102bを示す概略図である。個別加熱領域102b乃至102eは、図４に関して示されたのと同一の構成を有することを理解すべきである。その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される米国特許第5,038,019号に関して更に十分に記述される如く、個別加熱領域102bは、加熱コイル142、スペーサ143、第1層144、断熱材薄寸層146および接点150を含む。個別加熱領域102bは不図示の付加的接点150を含むことを銘記すべきである。加熱炉100の作動の間に電力が接点150を介して供給され、加熱コイル142が抵抗的に加熱される。各加熱コイル142は夫々、加熱炉100を通過する基材132に対する所望の加熱処理に依存して個別加熱領域102b乃至102eの各々において個別温度まで加熱される。更に説明すると、個別加熱領域102b内の加熱コイル142は400℃で作動し得る一方、個別加熱領域102cおよび102eは500℃で作動し且つ個別加熱領域102dは700℃で作動する。故に理解され得る如く、個別加熱領域102b乃至102eは種々の温度で作動することにより、基材132が加熱炉100を通過するにつれて該基材132に対して異なる加熱処理を提供し得る。
【００２１】
上記加熱コイルの表面積は、加熱炉100を通過する基材132に対して相当に大きい。故に、加熱炉100の作動の間に該加熱炉100を通過する基材132に対する熱的要件(thermal requirements)は、加熱コイル142と比較して相対的に小さい。上記基材の加熱処理の間に各加熱コイル142が蒙る熱損失は、最小限とされる。上記加熱コイルが蒙る熱損失が最小限なので、加熱処理の間に加熱炉100により発揮される全体的仕事量は最小化される。更に、最小限の熱変動により、加熱炉100と共に各加熱コイル142および個別加熱領域102b乃至102eの全体的寿命は増大される。加熱炉100の全体的寿命も増大するのは、上記基材を加熱処理するために加熱コイル142により必要とされる仕事量が小さいからである。故に加熱炉100は、該加熱炉100の作動に伴うコストを最小限とする。更に説明すると、加熱処理の間において加熱炉100のエネルギ要件は一定のままであることから、加熱炉100に伴う全体的操業コストは減少される。
【００２２】
また加熱領域102bの円形構成によれば、加熱炉100に伴う全体的操業コストが更に減少される。上記図面に関して理解され得る如く加熱領域102bは、基材132の加熱処理の間に均一な熱放散を許容する円筒状形態を有する。先に開示された如く先行技術の加熱炉は、該加熱炉内の種々の領域が種々の温度になるという矩形状を有していた。しかし加熱領域102bの上記円筒状形態は前述の問題を回避することで、加熱炉100の全体的効率および基材132の加熱処理の両方を改善する。
【００２３】
再び図２および加熱炉100を参照すると、加熱炉100は、処理チャンバ134が貫通延在する出口前庭部104bも含んでいる。図２に関して示された如く、処理チャンバ134は出口前庭部104bを通して延在すると共に加熱セクション102を冷却セクション112に連結する。冷却セクション112は、基材132が加熱領域102を通過した後に該基材132を冷却する。冷却セクション112は、基材132が加熱炉100から退出する際に該基材132が加熱炉100の環境と該加熱炉100の外部の環境との間における温度変化により実質的に影響されない様に、基材132を冷却する。同様に冷却セクション112はまた、加熱炉100を退出した時点で基材132がエンドユーザにより取り扱われ得る様に基材132を冷却する。本発明の実施例において冷却セクション112は、基材132が方向X1に進行するときに水などの冷却媒体が方向Y1に進行するという逆流熱交換を使用し得る。冷却媒体は、噴射器(injector)114を介して冷却セクション112内に供給される。冷却セクション112は、加熱炉100の全体質量に寄与する質量を含む。更に、本発明の代替実施例に依れば冷却媒体は、該冷却媒体が基材132と共に方向X1に進行する様にも供給され得る。
【００２４】
図２に関して示された如く、出口前庭部104bの近傍には冷却セクション112に加えて噴射器110が配設される。噴射器110は、ガスが出口前庭部104bを介して加熱領域102内に進入するのを許容する。噴射器110を介して加熱領域102内に噴射され得るガスの例としては、窒素(N2)および酸素(O2)が挙げられる。本発明の実施例においては、加熱領域102内における酸素の環境を一掃するために噴射器110を介して加熱領域102内へと窒素ガスが噴射され得る。これは、加熱炉100からの退出時に基材の酸化および変色を防止すべく金属を焼鈍(anneal)するために該加熱炉100が使用されるという実施例において必要とされる。これに加えて噴射器110は、先行処理の間に基材132上に載置された結合剤を焼き払うために、酸素もしくは空気のいずれかも噴射し得る。更に、加熱領域102内における環境を処理すべく噴射器110を介して水素(H2)もまた加熱領域102内に噴射され得る。
【００２５】
加熱炉100はまた、冷却セクション112の近傍の端部支持構造116であって、出口カーテンセクションアセンブリ117と、該端部支持構造116および該出口カーテンセクションアセンブリ117の両者を制御するために必要な電子機器とを収容する端部支持構造116も含む。上記端部支持構造はまた、加熱炉100内のプロセス・ガスを中継するガス・システム118も含む。更に説明するとガス・システム118は、加熱炉100内のプロセス・ガスの流れを調節すると共に、加熱炉100に進入するガスの流れを調節する。これに加え、図３および入口カーテンセクションアセンブリ109に関して論じられたのと同様に、端部支持構造116は加熱炉100内における制御環境と加熱炉100の外部の環境とに対する遷移領域を提供する出口カーテンセクションアセンブリ117を含む。上記環境および加熱炉100と該加熱炉100の外部の環境との間の遷移領域を提供するために出口カーテンセクションアセンブリ117は、図５に関して更に明確に示される如くガス噴射器128および130を含む。
【００２６】
図５は、図２に関して示された本発明の実施例の出口カーテンセクションアセンブリ117の概略図である。ガス噴射器128は方向Xにおいてガスを出口カーテンセクションアセンブリ117内に噴射し、且つ、ガス噴射器130は方向Yにおいてガスを排出する。故にガスは、出口カーテンアセンブリセクションアセンブリ117内において方向X1に進行する。但し、ガス噴射器130が方向Xにおいてガスを出口カーテンアセンブリ117内に噴射し得る一方でガス噴射器128は出口カーテンセクションアセンブリ117からガスを方向Yに排出することを銘記すべきである。斯かる実施例においては、出口カーテンセクションアセンブリ117内を進行するガスは方向Y1に進行する。図３において入口カーテンセクションアセンブリ109に関して論じられた如く、上記遷移領域を提供するために出口カーテンセクションアセンブリ117内で使用され得るガスとしては、窒素(N2)または他の任意で適切な不活性ガスが挙げられる。
【００２７】
これに加え、図３に関して論じられた如く、端部支持構造116は加熱炉100の全体質量に寄与する質量を含む。端部支持構造116の質量は、該端部支持構造116および出口カーテンセクションアセンブリ117の機能性に対して必要な各構成要素を包含する。これらの構成要素は、噴射器128および130に対してガスを提供する部材(すなわち、パイプ、ライン、ホースなど)、端部支持構造116および入口カーテンセクションアセンブリ117の両者を制御するために必要な電子機器等を包含する。
【００２８】
図２に関して示された実施例に加え、加熱炉100は図６に関して示された形態も有し得る。図２に関して論じられた如く、処理チャンバ134は入口カーテンセクションアセンブリ109に連結されると共に該処理チャンバ134は冷却領域112に連結される。この実施例においては図７Ａに関して更に明確に示される如く、処理チャンバ134は、入口および出口前庭部104aおよび104bの両者を通して延在すると共に、入口カーテンセクションアセンブリ109および冷却セクション112の両者に対して遷移セクション134aを介して加熱セクション102を連結する。
【００２９】
図７Ａは、本発明の実施例に従い図２に関して示された加熱炉100の加熱領域102に対する出口アセンブリの斜視図である。上記出口アセンブリは、ライン137a乃至137c、遷移セクション134a、および、端部ブロック136aおよび136bを含む。上記出口アセンブリはまた、柔軟カラー138および輻射シールド(radiation shield)140aおよび140bも含む。図２および噴射器110に関して更に相当に詳細に論じられる如く、加熱炉100の作動の間にライン137a乃至137cは、加熱領域102内への作用ガスの進入を許容する。ライン137a乃至137cはまた、加熱炉100の作動の間に加熱領域102の温度の連続的監視を許容する原位置式熱電対(in-situ thermocouple)が加熱領域102内へと通過するのも許容する。
【００３０】
処理チャンバ134によれば、基材132の加熱処理の間に該基材132は加熱セクション102を通過し得る。搬送機構106および基材132は、該基材132の加熱処理の間において処理チャンバ134を通過する。本発明の実施例においては図７Ｃに関して更に明確に示される如く、処理チャンバ134および遷移セクション134aは、基材132と処理チャンバ134との間に最小限のスペースが存在する如く構成される。
【００３１】
図７Ｃは、本発明の実施例に従い図７Ａに関して示された遷移セクション134aの概略的前面図である。該図に関して理解され得る如く遷移セクション134aは、基材132の寸法132a-1および132a-2に対応する寸法134a-1および134a-2を有する通路134a'を含む。本発明の代表的実施例においては、加熱炉100の作動の間における処理チャンバ134からの熱損失の量を最小化するために、遷移セクション134aの寸法134a-1および134a-2は上記基材の寸法132a-1および132a-2に従って寸法設定される。処理チャンバ134の寸法134a-1および134b-1は、該図に関して示された寸法D1およびD2を最小化する様に寸法設定される。たとえば基材132の寸法132a-1が約10cmであれば、上記処理チャンバの寸法134a-1は基材132を収容するために好適には約15cmである。これに加え、この例においては、上記基材の寸法132a-2が約3cmであれば、基材132が処理チャンバ134を通るのを促進するために、この例において上記処理チャンバの寸法134a-2は約5cmである。尚、提示された寸法は説明を目的としており、本発明の加熱炉内で加熱処理されるべき基材に依存して任意の組合せの寸法が使用され得ることを銘記すべきである。
【００３２】
図７Ａ、および、図７Ａに関して示された処理チャンバ134に戻ると、遷移セクション134aは端部ブロック136aおよび136b内に位置する。端部ブロック136aおよび136bは加熱セクション102に対する断熱を提供することで、加熱炉100の作動の間に加熱セクション102からの熱損失を最小化する。これに加えて端部ブロック136aおよび136bは、処理チャンバ134を加熱セクション102内に支持する。本発明の一実施例において端部ブロック136aおよび136bは、成形セラミック・ファイバなどの加熱セクション102を該加熱領域102の外部の環境から熱的に遮断し得る任意の材料から構築され得る。端部ブロック136aおよび136bはまた、個別加熱領域102bおよび102eのいずれかと柔軟カラー138との間の境界領域も提供する。
【００３３】
柔軟カラー(soft collar)138は端部ブロック136aおよび136bに接触して位置されることで、加熱セクション102および処理チャンバ134を囲繞する。柔軟カラー138は、輻射シールド140aおよび140bと端部ブロック136aおよび136bとの間のシールを提供する。これに加えて柔軟カラー138は、加熱セクション102に対する断熱も提供する。本発明の実施例において柔軟カラー138は、柔軟セラミックなどのシール能力および熱的遮断を提供する任意の材料で構築され得る。これに加え、輻射シールド140aおよび140bは図７Ｂに関して更に明確に示される如く柔軟カラー138に接触して位置される。輻射シールド140aおよび140bは加熱セクション102の更なる断熱を提供することで、加熱セクション102および加熱炉100からの熱損失を最小化する。本発明の実施例において輻射シールド140aおよび140bは、加熱セクション102と、該加熱領域120の外部の環境(たとえば冷却領域112、入口カーテンセクションアセンブリ109など)との間における断熱を許容する任意の材料、例えばステンレス鋼などで構築され得る。
【００３４】
遷移セクション134aは、上記図に関して示された如く処理チャンバ134を出ていく。この実施例において遷移セクション134aは、加熱セクション102を冷却領域112に連結する。本発明の代表的実施例において処理チャンバ134は、遷移セクション134aに類似した(不図示の)第2遷移セクションを含むことを銘記すべきである。この実施例において上記第2遷移セクションは、処理チャンバ134に連結されて同一様式で加熱領域102bを介して加熱セクション102に進入することで、入口アセンブリを形成する。同様に、この実施例において上記第2遷移セクションは、加熱セクション102を入口カーテンセクションアセンブリ109に連結する。遷移セクション134aは、処理チャンバ134の断面積より小さな断面積を有する。故に遷移セクション134aは、処理チャンバ134が加熱セクション102から延在して入口カーテンセクションアセンブリ109および冷却領域112の両者に連結されるときに、処理チャンバ134の断面積を減少する。
【００３５】
本発明の代表的実施例において、上記加熱セクションの質量は該加熱セクション内の作用構成要素の質量を超過する。上記加熱セクション質量は、加熱領域102b乃至102e内に配設された加熱コイル142、および、該加熱コイル142のスペーサ143の夫々の質量を包含する。上記作用構成要素質量は、基材132の加熱処理の間における上記加熱セクション内の各構成要素の質量を包含する。これらの構成要素は、図２に関して更に明確に示される如く加熱セクション102内における搬送機構106の部分、加熱処理操作の間において上記加熱セクション内に存在する任意数の基材、および、加熱セクション102内における処理チャンバ134の部分を包含する。上記加熱セクション内における各作用構成要素に対して上記加熱セクションの質量が大きいことから、加熱炉100の全体的効率が高められる。これに加え、各作用構成要素に対して加熱セクション102の質量が大きいことから加熱処理操作の間に加熱炉100が蒙る熱変動が最小化され、それによって加熱炉100の効率が高められると共に加熱炉100に伴う操業コストが減少される。
【００３６】
故に本発明は、基材の加熱処理に対する魅力的な代替策を提供する。先に論じられた如く、加熱炉は該加熱炉の各作用構成要素と加熱処理されつつある基材とに比較して大きな質量を有する加熱セクションを採用する。上記加熱領域内における上記加熱コイルと上記加熱領域自体とにより知覚される熱損失は、比較的に小さい。故に、上記加熱領域および加熱炉により必要とされる熱的仕事量は比較的に小さいことから、上記加熱炉の寿命が増大される。これに加え、上記加熱炉に対するエネルギ要件は小さい、と言うのも、上記加熱炉が必要とするのはエネルギの定常流だからである。更に説明すると、基材が加熱処理されるときに上記加熱炉は、上記基材の加熱処理に依る最小限の熱的エネルギ損失を負担する。作動の間において上記加熱炉は大きな熱変動を負担する必要がないことから、上記加熱炉は基材の加熱処理の間において最小限の付加的エネルギを必要とする。
【００３７】
上記内容は本発明を実施する例示的な様式であり、限定を意図するものではない。当業者であれば、添付の各請求項に示された発明の精神および範囲から逸脱せずに本発明に対して改変が為され得ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、先行技術に係る煉瓦製燃焼炉の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に従う加熱炉の概略図である。
【図３】図３は本発明の実施例であって、図２に関して示された入口カーテンセクションアセンブリの概略図を示している。
【図４】図４は本発明の実施例であって個別加熱領域の概略図を示している。
【図５】図５は本発明の実施例であって、図２に関して示された出口カーテンセクションアセンブリの概略図を示している。
【図６】図６は、図２に関して示された加熱炉の代替実施例を示す概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施例に従い図２に関して示された入口アセンブリの斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施例に従い図７Ａに関して示された上記入口アセンブリを組立て形態で示す斜視図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施例に従い図７Ａに関して示された加熱チャンバの概略的前面図を示している。
【図１】
2005515389.tif 000003
【図２】
2005515389.tif 000004
【図３】
2005515389.tif 000005
【図４】
2005515389.tif 000006
【図５】
2005515389.tif 000007
【図６】
2005515389.tif 000008
【図７Ａ】
2005515389.tif 000009
【図７Ｂ】
2005515389.tif 000010
【図７Ｃ】
2005515389.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月4日(2004.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
基材が当該加熱炉を通過するときに該基材を加熱処理する加熱セクションであって、該加熱セクションはスペーサを有する加熱コイルを含み、上記スペーサは上記加熱コイルの個々のコイル(individual coils)内に配設され、上記加熱コイルは加熱セクションに対して熱を提供するという加熱セクションであり、上記加熱コイルの質量と上記スペーサの質量とにより定義される質量を有する加熱セクションと、
質量を有する搬送機構であって、該搬送機構は上記加熱セクション内に配設されると共に、上記加熱セクションを通して上記基材を搬送するという搬送機構と、
質量を有すると共に、上記加熱セクション内に配設された処理チャンバとを備え、
上記加熱セクションの質量は、上記加熱セクション内における、上記搬送機構質量と、上記処理チャンバ質量と、上記基材の質量との組合せ質量を超過する、
基材を加熱処理する加熱炉。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
スペーサを有する複数の加熱コイルを含む加熱セクションであって、上記スペーサは上記加熱コイルの個々のコイル内に配設され、上記複数の加熱コイルの質量および上記スペーサの質量は加熱セクション質量に寄与するという加熱セクションと、
作用構成要素質量を有する作用構成要素であって、
当該加熱炉内に配設された搬送機構であって上記加熱セクション内に配設された該搬送機構の質量は上記作用構成要素質量に寄与するという搬送機構と、
上記加熱セクション内に配設された当該処理チャンバの質量が上記作用構成要素質量に寄与する如く当該加熱炉内に配設された処理チャンバと、
を含む作用構成要素とを備え、
上記加熱セクション質量は、上記加熱セクション内に配設された基材と上記作用構成要素質量との組合せ質量を超過する、
質量を有する基材を加熱処理する加熱炉。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２０】
当該加熱炉内への基材の進入のための入口カーテンセクションアセンブリと、
上記基材が当該加熱炉を通過するときに該基材を加熱処理するために上記入口カーテンセクションアセンブリと連結された加熱セクションであって、当該加熱セクションは該加熱セクションに熱を提供する加熱コイルと該加熱コイル内に配設されたスペーサとを含み、上記スペーサは上記加熱コイルの個々のコイル内に配設され、当該加熱セクションは質量を有するという加熱セクションと、
上記加熱セクション内に配設されると共に質量を有する搬送機構であって、上記加熱セクションを通して上記基材を搬送する搬送機構と、
上記加熱セクションに連結された冷却領域であって、上記基材が当該冷却領域を通過するときに該基材を冷却する逆流熱交換器を有するという冷却領域と、
上記基材の冷却時に当該加熱炉からの該基材の退出を促進する出口カーテンセクションアセンブリと、
上記加熱セクションを通して延在すると共に、上記加熱セクションを上記入口カーテンセクションアセンブリおよび上記冷却領域の両者に対して連結する処理チャンバとを備え、
加熱セクションの質量は、上記加熱セクション内における上記処理チャンバの部分と、上記加熱セクション内における搬送機構質量および基材の質量との組合せ質量を超過する、
基材を加熱処理する加熱炉。
【国際調査報告】
2005515389.tif 000012