(57)【要約】【課題】  簡素な構成でありながら組み付けが容易で加熱効率のよい電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置を提供すること。【解決手段】  蛇行状の電流路１２を有する板状の発熱体１０と、発熱体１０をその上側端部１４で吊り下げ支持する支持体２０と、支持体２０が取り付けられる外装材３０とを有する。発熱体１０は、その上側端部１４を屈曲させて下方に開口する凹部１４ａを有する。支持体２０は、その基部２１から上方に突出する凸部２２を有し、凹部１４ａと凸部２２を嵌合させることで発熱体１０を吊り下げ支持する。【選択図】    図８ａ
2015028924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端部で吊り下げ支持する支持体と、前記支持体が取り付けられる外装材とを有する電気ヒーターであって、
前記発熱体は、その上側端部を屈曲させて下方に開口する凹部を有し、
前記支持体は、その基部から上方に突出する凸部を有し、
前記凹部と前記凸部を嵌合させることで前記発熱体を吊り下げ支持する電気ヒーター。
【請求項２】
前記支持体は、前記凸部よりも突出する突出部を有し、前記外装材の下端部にその下方で隣接する他の電気ヒーターにおける発熱体の前記上側端部及び支持体の前記凸部を収容する収容部を設けた請求項１記載の電気ヒーター。
【請求項３】
前記外装材は、絶縁材料よりなる請求項２記載の電気ヒーター。
【請求項４】
前記上側端部は、その上端から突出し折り曲げ可能な突起部を有し、前記基部に前記突起部を挿入する挿入孔を設けた請求項１記載の電気ヒーター。
【請求項５】
前記上側端部及び前記凸部に連結部材を貫通させる貫通孔を設けた請求項１記載の電気ヒーター。
【請求項６】
前記連結部材の端部は、折り曲げ可能である請求項５記載の電気ヒーター。
【請求項７】
前記外装材は導電性材料よりなり、前記支持体は絶縁材料よりなる請求項４〜６のいずれかに記載の電気ヒーター。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の電気ヒーターを備えた加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置に関する。さらに詳しくは、蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端部で吊り下げ支持する支持体と、前記支持体が取り付けられる外装材とを有する電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上述の如き電気ヒーターとして、例えば特許文献１, ２に記載の如きものが知られている。文献１（図２，３）や文献２では、発熱体の上側端を略９０°に折り曲げて、その折曲部を下碍子に載置すると共に上碍子で挟み込んで保持するため、部品点数が多く、組み立て作業も煩雑となっていた。また、上下一対の碍子で用いるため、熱容量が増加して加熱効率が低下する場合があり、さらなる加熱効率の向上が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５０１０１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３４５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、簡素な構成でありながら組み付けが容易で加熱効率のよい電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る電気ヒーターの特徴は、蛇行状の電流路を有する板状の発熱体と、前記発熱体をその上側端部で吊り下げ支持する支持体と、前記支持体が取り付けられる外装材とを有する構成において、前記発熱体は、その上側端部を屈曲させて下方に開口する凹部を有し、前記支持体は、その基部から上方に突出する凸部を有し、前記凹部と前記凸部を嵌合させることで前記発熱体を吊り下げ支持することにある。
【０００６】
上記構成によれば、発熱体の上側端部を屈曲させて下方に開口する凹部と、支持体の基部から上方に突出する凸部を嵌合させればよく、発熱体の組み付けが容易である。また、凹部と凸部との嵌合によって、発熱体の支持体からの脱落を防止し発熱体の前後方向への移動を抑制できる。しかも、発熱体を挟持する又は発熱体の上側端を下方へ押えるための碍子を省略できるので、部品点数を減らせるばかりか、加熱効率をも向上させることが可能となる。
【０００７】
上記構成に加え、前記支持体は、前記凸部よりも突出する突出部を有し、前記外装材の下端部にその下方で隣接する他の電気ヒーターにおける発熱体の前記上側端部及び支持体の前記凸部を収容する収容部を設けるとよい。凸部よりも突出する突出部を有するので、発熱体の電流路間での接触による短絡を防止できると共に、発熱体の長手方向への熱変形や移動を抑制することができる。しかも、外装材の下端部にその下方で隣接する他の発熱体の上側端部及び他の支持体の凸部を収容する収容部を設けたので、支持体の構造が簡素となると共に、上下方向で隣接する発熱体同士の接触による短絡をも防止することができる。係る場合、前記外装材は、絶縁材料よりなる。
【０００８】
また、前記上側端部は、その上端から突出し折り曲げ可能な突起部を有し、前記基部に前記突起部を挿入する挿入孔を設けるとよい。これにより、発熱体の電流路間での接触による短絡を防止できると共に、発熱体の長手方向への熱変形や移動を抑制することができる。
【０００９】
また、前記上側端部及び前記凸部に連結部材を貫通させる貫通孔を設けても構わない。これにより、連結部材が発熱体の前後方向及び長手方向への移動や熱変形を抑制する。係る場合、前記連結部材の端部は、折り曲げ可能に構成されているとよい。これにより、より強固に発熱体と支持体とを連結でき、移動や熱変形をさらに抑制することができる。上記いずれかの構成において、前記外装材は導電性材料よりなり、前記支持体は絶縁材料よりなる。
【００１０】
上記いずれかに記載の電気ヒーターは、これを備えた加熱装置として実施することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明に係る電気ヒーター及びこれを備えた加熱装置の特徴によれば、簡素な構成でありながら組み付けが容易で加熱効率を向上させることが可能となった。
【００１２】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電気ヒーターを積層させて構成した加熱装置の概略斜視図である。
【図２】図１の断面正面図である。
【図３】図１の断面斜視図である。
【図４】発熱体の斜視図である。
【図５】支持碍子を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図６】断熱部材の斜視図である。
【図７】貫通部材の斜視図である。
【図８ａ】電気ヒーターの炉内側を示す部分拡大斜視図である。
【図８ｂ】電気ヒーターの炉外側を示す部分拡大斜視図である。
【図９】電気ヒーターの積層部分の部分拡大斜視図である。
【図１０】第二実施形態に係る電気ヒーターの斜視図である。
【図１１】図１０の断面斜視図である。
【図１２】発熱体の斜視図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は炉内側（表面側）を示す部分拡大斜視図、（ｃ）は炉外側（裏面側）を示す部分拡大斜視図である。
【図１３】支持体の斜視図である。
【図１４】支持体近傍を示す部分拡大斜視図であり、（ａ）は炉外側（碍子上面側）、（ｂ）は炉内側（碍子裏面側）を示す図である。
【図１５】第三実施形態に係る図１４相当図である。
【図１６】第三実施形態に係る発熱体の図１２（ｃ）相当図である。
【図１７】第三実施形態に係る支持体の図１３（ａ）相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図１〜９を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。
本発明に係る電気ヒーター１は、図１〜３に示すように、大略、蛇行状の発熱体１０と、発熱体１０を支持する支持体としての碍子２０と、碍子２０を取り付ける外装材としての絶縁体３０とを備える。第一実施形態においては、同図に示すように、電気ヒーター１は鉛直方向Ｚに複数積層されて、加熱装置１００を形成する。なお、同図の例では、２段の電気ヒーター１，１より構成されているが、段数はこれに限られるものではない。
【００１５】
図３，４，８ａ，８ｂに示すように、発熱体１０は、絶縁体３０の内周面に沿うように湾曲して形成されている。本実施形態において、発熱体１０は、上下端から交互に上開放スリット１１ａと下開放スリット１１ｂとが周方向Ｙに沿って並設され、蛇行状の電流路１２を形成する。
【００１６】
電流路１２は、図４，８ａ，８ｂに示すように、スリット１１に並行する直線状部１３と、直線状部１３を接続する上側端部１４と、下側端部１５とからなる。直線状部１３は、その中間部において、絶縁体３０側（外方）に向けて折り曲げられ、折曲部１３ａが形成されている。この折曲部１３ａは、上側端部１４が下側端部１５よりも絶縁体３０側に位置するように鉛直方向Ｚに対し傾斜させている。
【００１７】
上側端部１４は、図４，８ａ，８ｂに示すように、絶縁体３０側へ屈曲されるとともに鉛直方向Ｚに向けて開口する凹部１４ａを有する。本実施形態では、上側端部１４にＲ曲げを施して円弧状に湾曲させてある。他方、折曲部１３ａより下側の直線状部１３及び下側端部１５は、鉛直方向Ｚに交差する方向に湾曲せず、ほぼ同一周面上に位置するように鉛直方向Ｚに沿って垂下している。
【００１８】
図５，８ａ，８ｂに示すように、碍子２０は、大略、後述の絶縁体３０の上面３０ａに固定される板状の基部２１と、基部２１から鉛直方向Ｚの上方へ突出する凸部２２と、凸部２２の中間部で凸部２２よりも上方に突出する突出部２３を有する。碍子２０は、例えば、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とするいわゆるセラミックス材料や窒化珪素質材料等の絶縁材料より構成される。
【００１９】
凸部２２の上面２２ａは、上側端部１４の凹部１４ａと合致するように円弧状に湾曲させている。また、突出部２３は、上開放スリット１１ａに嵌入可能な幅に形成されている。これにより、図８ａ，８ｂ，９に示すように、発熱体１０の凹部１４ａと碍子２０の凸部２２を嵌合させるだけで、発熱体１０を吊り下げ支持することができ、組み付けも容易となる。また、この嵌合により、鉛直方向Ｚ及び径方向Ｘへの熱変形や移動をも防止できる。さらに、上開放スリット１１ａを突出部２３に嵌入させるだけで、突出部２３により発熱体１０の周方向Ｙ（長手方向）への熱変形及び移動が抑制され、直線状部１３間の接触による短絡も防止できる。
【００２０】
また、図５に示すように、基部２１の周方向側面は、階段状の段部２４が形成されている。対向する段部２４，２４において、凸部２４ａと凹部２４ｂとが互い違いとなるように形成されている。この段部２４により、図１，８ａ，８ｂに示すように、碍子２０を絶縁体３０上にその周方向Ｙに配列する際に、段部２４を嵌合することで精度よく且つ簡便に配列させることができ、配列後の碍子２０の位置ずれも防止できる。なお、基部２１には、絶縁体３０に取り付けるボルト、ピン等の取付手段を貫通させる貫通孔２５が設けられている。但し、図１〜３に示すように、上段の電気ヒーター１の荷重は、絶縁体３０の外周側に位置する環状の下側凸部３０ｂを介して板状の基部２１に付与されるので、碍子２０を絶縁体３０に取付手段により必ずしも固定する必要はなく、貫通孔２５は省略可能である。
【００２１】
図６，８ａ，８ｂに示すように、絶縁体３０は円筒形を呈する。本実施形態において、絶縁体３０には、セラミックボードが用いられ、断熱部材としても機能する。なお、絶縁体３０には、碍子２０と同様の材料の他、例えば、断熱耐火物としては、セラミックスファイバーやセラミックス粉末に有機・無機のバインダーを混入したものなど、様々なものを用いることが可能である。
【００２２】
絶縁体３０は、図６，８ａ，８ｂに示すように、大略、下端部に形成された収容部３１と、内面から径方向Ｘの炉中央に向けて突出する突出部３２とを有する。収容部３１は、図８ａ，８ｂ，９に示すように、下方に位置する発熱体１０の上側端部１４及び碍子２０の凸部２２を収容する。ここで、収容部３１は炉内側に位置するように設けられ、その外側に下側凸起３０ｂが設けられている。上述したように、この下側凸部３０ｂが碍子２０の基部２１に載置されるので、当該部分に電気ヒーター１の荷重が集中する。絶縁体３０は高温で荷重が掛かると、熱収縮が進み変形（凹む）するおそれがある。よって、碍子２０の基部２１を炉外方へ向けて絶縁体３０の上面３０ａに配置すると共にその基部２１に上段の電気ヒーター１の下側凸部３０ｂを配置することで、上記変形のリスクを低減することが可能となる。
【００２３】
また、突出部３２は、本実施形態において、３か所に形成されている。この突出部３２により、絶縁体３０と発熱体１０との間に空隙を形成し、発熱体１０からの熱が効率的に炉内に伝わるようにしている。
【００２４】
最下段の第一突出部３２ａは、収容部３１の上部から張り出すように設けられている。また、最上段の第二突出部３２ｂより上側部分には、外方に向けて傾斜する斜面３３が形成されている。この斜面３３は、発熱体１０の折曲部１３ａに対向するように形成される。なお、絶縁体３０には、図１に示すように、例えば、炉外の冷却ガス等を内部に導入するための貫通部材４０を貫通させる貫通孔３４が複数形成されている。
【００２５】
この貫通部材４０は、図７に示すように、筒状の本体部４１と、本体部４１から径方向に拡大する拡大部４２とを有する。この拡大部４２は、図８ａ，８ｂ，９に示すように、発熱体１０の直線状部１３に係止するように設けられ、発熱体１０の径方向Ｘへの移動を制限する。なお、貫通部材４０は、碍子２０と同等の材料により構成される。
【００２６】
図８ａ，８ｂ，９に示すように、電気ヒーター１が積層された状態において、上段の発熱体１０の下側端部１５は、絶縁体３０の第一突出部３２ａの近傍に位置する。発熱体１０の変形量を規制するためには、下側端部１５が第一突出部３２ａと貫通部材４０との間に位置すればよい。よって、下側端部１５が第一突出部３２ａと隙間をおいて位置してもよく、第一突起部３２ａと接触してもよい。また、下段の発熱体１０の上側端部１４は、碍子２０の凸部２２に嵌合し収容部３１内に位置する。これにより、下側の発熱体１０は、上側の絶縁体３０の収容部３１によって、上側への発熱体１０の熱変形及び移動が制限される。そして、発熱体１０の上部の折曲部１３ａは、絶縁体３０側に傾斜する。従って、例え、熱変形により下側端部１５が垂れたとしても、収容部３１及び第一突出部３２ａによって、上下方向で隣接する発熱体１０，１０の接触を回避でき、短絡が防止される。
【００２７】
次に、図１０〜１４を参照しながら本発明の第二実施形態について、さらに詳しく説明する。なお、以下の実施形態において、上記実施形態と同様の部材等には同一の符号を付してある。
【００２８】
図１０、１１に示すように、第二実施形態に係る電気ヒーター１’は、大略、大略、蛇行状の発熱体１０と、発熱体１０を支持する支持体としての碍子２０と、碍子２０を取り付ける外装材３０とを備える。第二実施形態の外装材３０は、絶縁体に替えて、導電性の材料から構成されており、例えば、ステンレス材等の金属材料よりなる。発熱体１０、碍子２０、貫通部材４０は、上記実施形態と同様の材料より構成される。貫通部材４０は、上記実施形態と同様の構成である。
【００２９】
図１２に示すように、発熱体１０は、外装材３０の内周面に沿うように湾曲して形成され、上下端から交互に上開放スリット１１ａと下開放スリット１１ｂとが周方向Ｙに沿って並設され、蛇行状の電流路１２を形成する。
【００３０】
電流路１２は、図１２に示すように、スリット１１に並行する直線状部１３と、直線状部１３を接続する上側端部１４と、下側端部１５とからなる。直線状部１３及び下側端部１５は、ほぼ同一周面上に位置するように鉛直方向Ｚに沿って垂下している。上側端部１４は、同図に示すように、絶縁体３０側へ屈曲されるとともに鉛直方向Ｚに向けて開口する凹部１４ａを有する。本実施形態では、上側端部１４にＲ曲げを施して湾曲させてある。
【００３１】
第二実施形態において、上側端部１４には、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、上端１４ｂから突出した突起部１６が設けられている。この突起部１６は折り曲げ可能に構成されている。
【００３２】
図１３に示すように、碍子２０は、大略、板状の基部２１と、基部２１から鉛直方向Ｚの上方へ突出する凸部２２と、外装材３０に取り付ける取付金具３９を固定する固定部２６とを有する。この碍子２０により、発熱体１０と外装材３０との間の絶縁が確保される。基部２１には、発熱体１０の突起部１６を貫通させる貫通孔２７が設けられている。そして、図１４に示すように、貫通孔２７を貫通した突起部１６の先端１６ａは、碍子２０の裏面側で例えば径方向Ｘに折り曲げられる。
【００３３】
凸部２２の上面２２ａは、上側端部１４の凹部１４ａと合致するように湾曲させている。これにより、発熱体１０の凹部１４ａと碍子２０の凸部２２を嵌合させるだけで、発熱体１０を吊り下げ支持することができ、組み付けも容易となる。また、この嵌合により、鉛直方向Ｚ及び径方向Ｘへの熱変形や移動をも防止できる。しかも、図１４に示すように、貫通孔２７を貫通した突起部１６の先端１６ａを碍子２０の裏面側で径方向Ｘに折り曲げるので、この突起部１６によって、発熱体１０の径方向Ｘ，周方向Ｙ及び鉛直方向Ｚへの熱変形や移動が制限され、電流路１２同志の接触による短絡も防止できる。
【００３４】
次に、図１５〜１７を参照しながら、本発明の第三実施形態について説明する。
第三実施形態に係る電気ヒーターは、上記第二実施形態と同様の構成であるが、発熱体１０及び碍子２０’を連結させる連結部材５０を用いる点で発熱体１０に突起部１６を設けた第二実施形態と異なる。
【００３５】
本実施形態では、図１５（ａ）に示すように、連結部材として略Ｔ字状のピン５０が用いられる。このピン５０は、頭部５１とその頭部５１と略直交する棒状部５２からなり、棒状部５２の端部５２ａは折り曲げ可能に構成されている。このピン５０は、例えばＳＵＳ３１０ＳやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金等の各種耐熱金属よりなる。
【００３６】
図１６に示すように、発熱体１０の上側端部１４’には、貫通孔１９が形成されている。また、図１７に示すように、碍子２０’の凸部２２には、貫通孔２９が形成されている。これら貫通孔１９，２９は、連通するよう配置される。
【００３７】
図１５（ａ）に示すように、発熱体１０の上側端部１４’側から棒状部５２を貫通孔１９，２９に貫通させると共に頭部５１を上側端部１４’に掛止させる。そして、端部５２ａを例えば径方向Ｘ外方へ向けて略水平に（碍子２０’の裏面に沿って）折り曲げる。これにより、棒状部５２が発熱体１０の径方向Ｘ及び周方向Ｙへの移動を制限し、頭部５１及び端部５２ａが発熱体１０の鉛直方向Ｚへの移動を制限する。このように、簡素な構成で且つ簡単な組み付けで熱膨張等による発熱体１０の移動を制限することができる。
【００３８】
最後に他の実施形態の可能性について言及する。
上記各実施形態において、発熱体１０の上側端部１４を円弧状に屈曲させて凹部１４ａを形成すると共に碍子２０の凸部２２を円弧状に形成した。しかし、これら部材の形状は上記各実施形態のものに限られるものではなく、発熱体１０と支持体２０とが嵌合可能となる形状、構造であればよい。ヒーターの形状は、円弧状のみではなく、平板状でもよい。
【００３９】
また、碍子２０の形状も上記各実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態における段部２４の形状は、上記第一実施形態の形状に限られず、各碍子をずれなく配列できる態様であればよい。また、突出部２３の形状も上記第一実施形態に限られるものではなく、発熱体１０の直線状部１３間の接触を防止できる態様のものであればよい。さらに、上記第二、第三実施形態における固定部２６の形状も上記の例に限定されない。
【００４０】
上記第三実施形態において、連結部材として略Ｔ字状のピン５０を用いたがこれに限らず、例えば略Ｌ字状、十字状でもよい。また、ピン５０が棒状部５２の交差方向に拡大する拡大部を有していても構わない。
【００４１】
また、端部５２ａを折り曲げ可能としたが、昇降温の頻度が少ない又は速度が遅い炉等においては、発熱体１０の熱膨張や熱収縮が少なく、移動や熱変形は少ないので、必ずしも折り曲げる必要はない。係る場合、例えばＴ字型ピン５０をアルミナ等の碍子２０と同等の材料により構成することも可能である。
【００４２】
さらに、上記第三実施形態では、ピン５０を上側端部１４’側から挿入したが、碍子２０’側から挿入し端部５２ａを上側端部１４’で折り曲げることも可能である。
【００４３】
なお、突起部１６及び棒状部５２の折り曲げ方向は、発熱体１０の移動が制限でき且つ接触による短絡を防止できる態様であれば、上記実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る電気ヒーターは、例えばガラス、セラミック、金属等の被加熱物の熱処理用のヒーターとして利用することができる。また、反応炉、拡散炉にも適用可能である。さらに、本発明は、例えば、半導体集積回路装置(半導体デバイス)が作り込まれる基板（半導体ウエハ）に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応、スパッタリング等による成膜処理に使用される基板処理用加熱装置に利用することができる。基板はシリコンウエハ、ＳｉＣウエハ、ガラス等のウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。製造された半導体デバイスは、ＩＣ、メモリ、ＬＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像センサー、インバーター等に用いられるパワー半導体等に用いられる。なお、バッチ式熱処理装置および枚葉式熱処理装置に限らず、ヒータユニットを備えた半導体製造装置全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：電気ヒーター、１０：発熱体、１１：スリット、１１ａ：上開放スリット、１１ｂ：下開放スリット、１２：電流路、１３：直線状部、１３ａ：折曲部、１４：上側端部、１４ａ：凹部、１４ｂ：上端、１５：下側端部、１６：突起部、１６ａ：先端、１９：貫通孔、２０：碍子（支持体）、２１：基部、２２：凸部、２２ａ：上面、２３：突出部、２４：段部、２４ａ：凸部、２４ｂ：凹部、２５：貫通孔、２６：固定部、２７：貫通孔、２９：貫通孔、３０：外装材、３０ａ：上面、３０ｂ：下側凸部、３１：収容部、３２：突出部、３２ａ：第一突出部、３２ｂ：第二突出部、３９：取付金具、４０：貫通部材、４１：本体部、４２：拡大部、５０：ピン（連結部材）、５１：頭部、５２：棒状部、５２ａ：端部、１００：加熱装置、Ｘ：径方向（発熱体前後方向）、Ｙ：周方向（発熱体長手方向）、Ｚ：鉛直方向
【図１】
2015028924.tif 000003
【図２】
2015028924.tif 000004
【図３】
2015028924.tif 000005
【図４】
2015028924.tif 000006
【図５】
2015028924.tif 000007
【図６】
2015028924.tif 000008
【図７】
2015028924.tif 000009
【図８ａ】
2015028924.tif 000010
【図８ｂ】
2015028924.tif 000011
【図９】
2015028924.tif 000012
【図１０】
2015028924.tif 000013
【図１１】
2015028924.tif 000014
【図１２】
2015028924.tif 000015
【図１３】
2015028924.tif 000016
【図１４】
2015028924.tif 000017
【図１５】
2015028924.tif 000018
【図１６】
2015028924.tif 000019
【図１７】
2015028924.tif 000020