JP2004009099A

JP2004009099A - 加熱装置

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Publication number: JP2004009099A
Application number: JP2002166152A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Uchida; 内田　俊也; Kiyoshi Douyu; 堂囿　清志; Koichi Sudo; 須藤　宏一; Naoshi Iwata; 岩田　尚士; Takahito Yamaguchi; 山口　崇仁; Takehiko Kawakami; 川上　武彦
Original assignee: Tamura Corp; Tamura FA System Corp
Current assignee: Tamura Corp; Tamura FA System Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP4426155B2

Abstract

【課題】装置立上げ時の過度の消費電流による電力障害を防止し、複数のヒータを一定時間毎に順に立上げる場合の適正な立上げ時間の設定困難性を解決する加熱装置を提供する。
【解決手段】炉体１１内でワークＷを搬送するコンベア１２に沿ってワークＷを加熱する複数のヒータ１３〜１６を配置する。各ヒータ１３〜１６の合計消費電力を一定値以下にするように各ヒータ１３〜１６への供給電力を制御するコントローラ１９を設置する。このコントローラ１９は、装置立上げ時に複数のヒータ１３〜１６のうち少なくとも一つへ供給する電力を制限して各ヒータ１３〜１６への供給電力の合計が予め決めた上限値を超えないように制御し、温度の上昇にともなって電力制限のないヒータ１３〜１６への供給電力を減少させるように制御するとともに、電力を制限したヒータ１３〜１６にその減少分の電力を供給するように制御する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リフロー炉、硬化炉などとして用いられる加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリフロー炉などの加熱装置では、装置立上げ時に炉内に設けられた複数のヒータに一斉に最大電力を供給するか、特許第２８８５０４７号公報に示されるように、装置立上げ時間を事前に実験によって測定しておき、ヒータの温度上昇とともに各ヒータの消費電流が減少し、一定値以下となるような時間を制御部に記憶させておき、その時間間隔をもって各ヒータを時間的に順に立上げるようにするヒータ立上げ方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記加熱装置のうち、複数のヒータに一斉に最大電力を供給する加熱装置を生産設備として用いた場合は、装置立上げ時の消費電流が工場電力設備の制限を上回り、電力障害を起こすおそれがある。
【０００４】
また、各ヒータを予め実験で求めた時間毎に順に立上げるようにする場合においては、各ヒータの立上げ時間を事前に実験によって求めておく手間がかかるとともに、ヒータの設定温度によってその立上げ時間が変化するため、予め制御部に記憶された時間間隔はある程度の余裕を見込まねばならず、複数の温度条件に対しては立上げ時間を短くすることができない。
【０００５】
また、ヒータの消費電流の合計を監視していないため、条件設定次第では、始めに立上げられるヒータの立上げが完了せず、その消費電流が未だ大きい状態で次のヒータに電力供給をはじめるおそれがあり、これによって電力障害を発生させる危険性がある。
【０００６】
さらに、加熱装置の合計消費電流を抑えるため、個々のヒータ容量を減少させると、装置立上げ時の総電流は減少するものの、温度制御速度が低下し、装置立上げ後の温度調節運転時すなわち生産運転時に炉内に搬入された基板を加熱する場合の炉内温度の低下を回復するのに長い時間を要するようになり、生産性が悪化したり、温度制御性が低下してしまうなどの問題がある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、装置立上げ時の過度の消費電流による電力障害を防止し、複数のヒータを一定時間毎に順に立上げる場合の適正な立上げ時間の設定困難性を解決し、装置立上げ後の温度調節運転時の炉内温度の低下回復性能を確保する加熱装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明は、炉体と、炉体内でワークを加熱する複数のヒータと、複数のヒータへの供給電力を制御するコントローラとを具備し、コントローラは、装置立上げ時に複数のヒータのうち少なくとも一つへ供給される電力を制限して複数のヒータへの供給電力の合計が予め決められた上限値を超えないように制御し、温度の上昇にともなって電力の制限されていないヒータへの供給電力を減少させるように制御するとともに電力の制限されているヒータにその減少分の電力を供給するようにした加熱装置であり、コントローラが炉体内の各ヒータの合計消費電力を一定値以下に制御しながらも、あるヒータでの消費電力減少分を別のヒータに有効利用することで、装置立上げ時の最大消費電流を上限値以下に抑えながらも、短時間で装置を立上げることができ、これにより、過度の消費電流による電力障害を防止でき、電源設備を大容量に変更しなくても良いので、設備費を減ずることができる。特に、温度上昇にともなって電力制限のないヒータへの供給電力を減少させるように制御するとともに、その減少分の電力を電力制限中のヒータに供給することで、結果として、電力の合計が一定の上限値を超えないように個々のヒータが順に立ち上がって行くので、複数のヒータを予め設定された一定時間毎に順に立上げる場合のような適正な立上げ時間を設定する困難性を解決できる。すなわち、装置立上げ時間を予め装置に記憶させておく必要がないため、その決定のための実験も不要で、さらに設定温度の変更や装置状態の変化に対しても最適な立上げ制御をできる。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、請求項１記載の加熱装置において、炉体内でワークを搬送するコンベアを備え、複数のヒータは、コンベアより下方に位置するヒータと上方に位置するヒータとを備え、コントローラは、コンベアより下方に位置するヒータに対し必要とする電力を供給し、温度を切換パラメータとして、下方に位置するヒータへの通電に加えて、コンベアより上方に位置するヒータにも必要とする電力を供給するものであり、コンベアより上方に位置するヒータよりも下方に位置するヒータに先に電力を供給することで、下方のヒータで暖められた雰囲気中にて上方のヒータを効率良く通電加熱できる。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載の加熱装置におけるコントローラが、装置立上げ後の温度調節運転時において、複数のヒータへの供給電力の合計が予め決められた上限値を超えないように各ヒータへの供給電力を個別に制御するものであり、装置立上げ後も各ヒータへの供給電力の合計を上限値を超えないように個別に制御することで、装置立上げ後においても電力障害を防止できるとともに、必要なヒータに電力を供給して、炉体内温度の低下を素早く回復できる。
【００１１】
請求項４に記載された発明は、請求項３記載の加熱装置におけるコントローラが、ヒータをパルス制御するものであり、装置立上げ後の温度調節運転時において、同時に通電するヒータの数を、上限電流を最大消費電流で除した数にヒータ総数を乗じて求められた数の少数部分を切り捨てた数に制限する演算機能を有するものであり、このようなコントローラの演算機能により、パルス制御時の同時通電のヒータ数を制限することで、温度低下の大きなヒータには十分な電流を供給することが可能となり、大きな温度低下に対しても素早い温度回復が可能となる。すなわち、装置立上げ後の装置通常運転状態において、基板通過などにより特に激しく温度低下を起こした部分のヒータに対しては、ヒータ出力いっぱいの電流を供給できるので、大きな負荷変動に対してもその回復が早く、小出力のヒータを使って加熱装置を構成することで最大消費電流を減じたり、全ヒータに対して同じ割合の電流制限を行って最大消費電流を減じたりした場合のように、ヒータの温度制御性が悪化することを防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１および図２を参照しながら説明する。
【００１３】
図１（ａ）は、加熱装置としてのリフロー炉、すなわち、リフローはんだ付け用の加熱炉の一例を示し、炉体１１内に、ソルダペーストを介し電子部品を搭載したプリント配線基板（以下、この電子部品搭載基板を「ワークＷ」という）を搬送するコンベア１２が配設されている。
【００１４】
このコンベア１２に沿って、炉体１１内のコンベア１２より下方に位置するプリヒータ１３およびリフローヒータ１４（以下、これらのヒータを「下方のヒータ１３，１４」という）と、上方に位置するプリヒータ１５およびリフローヒータ１６（以下、これらのヒータを「上方のヒータ１５，１６」という）とが、それぞれ配列されている。
【００１５】
プリヒータ１３，１５は、ワークＷを徐々に昇温させるように予加熱し、リフローヒータ１４，１６は、ワークＷに塗布されたソルダペーストをリフロー（溶融）できる温度まで加熱する。
【００１６】
下方のヒータ１３，１４および上方のヒータ１５，１６には、ファン１７，１８がそれぞれ対向して設置され、これらの下方のヒータ１３，１４およびファン１７により、また、上方のヒータ１５，１６およびファン１８により、それぞれ熱風発生手段が構成されている。
【００１７】
これらの熱風発生手段により発生した熱風は、リフローはんだ付け運転を開始するに当って、炉体１１内の雰囲気温度を立上げ、リフローはんだ付け運転中は、炉体１１内の雰囲気温度を所定のプリヒート温度またはリフロー温度に保つ働きがある。
【００１８】
下方のヒータ１３，１４および上方のヒータ１５，１６は、これらのヒータ１３〜１６の合計消費電力を一定値以下にするように各ヒータ１３〜１６への供給電力を制御するコントローラ１９に接続されている。
【００１９】
コントローラ１９が各ヒータ１３〜１６を制御する制御方式としては、パルス幅変調方式（以下、この方式を「ＰＷＭ方式」という）、スイッチング周波数変調方式（ＰＦＭ方式）、瞬時値制御方式または位相制御方式などを採用する。
【００２０】
図２に示されるように、コントローラ１９は、電源２１から複数のヒータ１３〜１６に供給される電力を上記のような制御方式で制御することにより各ヒータ１３〜１６の温度あるいは各ヒータ周辺の雰囲気温度を個別に制御するヒータ制御部２２を有する。
【００２１】
さらに、コントローラ１９は、このヒータ制御部２２に対して、各ヒータ１３〜１６の温度あるいはヒータ周辺の雰囲気温度をそれぞれ設定する温度設定部２３と、各ヒータ１３〜１６へ供給される電力あるいは電流を直接あるいは間接的に検出する検出部としての電流検出部２４と、この電流検出部２４で検出された各ヒータ１３〜１６へ供給される電流の合計が予め定められた一定値以上とならないように演算して、温度調節のためにヒータ１３〜１６へ供給される電流の合計を一定値内に制限して再配分するような指令をヒータ制御部２２に対して出力する合計電流監視部２５とが、それぞれ接続されている。
【００２２】
電流検出部２４は、各ヒータ１３〜１６へ供給される電流値を直接検出しても良いが、ヒータ制御部２２がＰＷＭ方式を採る場合は、ヒータ制御部２２のヒータオンデューティ比（＝オン時間／スイッチング周期）や、その他の制御値から各ヒータ１３〜１６へ供給される電流を算出することもできる。
【００２３】
また、ヒータ制御部２２には、合計電流監視部２５によって最大消費電流の条件を満たせなくなるような異常を感知したときに警報を発する警報部２６が接続されている。
【００２４】
さらに、炉体１１内の各プリヒータ１３〜１６の表面または各プリヒータ１３〜１６により加熱される雰囲気中には、ヒータ温度または炉体内雰囲気温度を測定するための熱電対などの温度センサ２７，２８，２９，３０がそれぞれ配設されており、これらの温度センサ２７〜３０はヒータ制御部２２に接続され、各温度センサ２７〜３０にて検出された温度情報は、ヒータ制御部２２に取込まれる。
【００２５】
図１（ｂ）に実線で示されるように、コントローラ１９は、装置立上げ時に複数のヒータ１３〜１６のうち、先ず下方のヒータ１３，１４へ電力を供給し、このときに、上方のヒータ１５，１６へ供給される電力を制限して、合計消費電力が予め決められた上限値すなわちシーケンシャル立上げ最大電力（ｉ２）を超えないように制御し、また、温度の上昇にともなって電力の制限されていない下方のヒータ１３，１４への供給電力を減少させるように制御するので、電力の制限されている上方のヒータ１５，１６にその減少分の電力を供給する制御機能を有している。
【００２６】
図１（ｂ）において、点線は、下方のヒータ１３，１４および上方のヒータ１５，１６を同時に通電する従来のシンクロ立上げ方式での消費電力および炉体内雰囲気温度の経時変化を示し、炉体内雰囲気温度が設定温度まで上昇するシンクロ立上げ完了時間（Т１）は短いが、シンクロ立上げ最大電力（ｉ１）が高いため、工場電力設備の制限を上回る電力障害を発生するおそれがある。
【００２７】
一方、図１（ｂ）において、実線は、最初に下方のヒータ１３，１４を通電して、これらのヒータ１３，１４の加熱による温度上昇にともなって消費電力が減少するように制御されるので、シンクロ立上げ完了時間（Т１）から上方のヒータ１５，１６にほぼ減少分の電力を供給する本発明に係るシーケンシャル立上げ方式での消費電力および炉体内雰囲気温度の経時変化を示す。
【００２８】
このシーケンシャル立上げ方式では、炉体内雰囲気温度が設定温度まで上昇するシーケンシャル立上げ完了時間（Т２）は、シンクロ立上げ完了時間（Т１）より長いが、全ヒータ１３〜１６を小電力で立上げる場合より短時間で立上げることができるとともに、シーケンシャル立上げ最大電力（ｉ２）が低いため、工場電力設備の制限内に収まり、電力障害を確実に防止できる。
【００２９】
次に、図示された実施の形態の作用効果を説明する。
【００３０】
加熱装置の装置立上げ時には、加熱装置に設けられた全てのヒータ１３〜１６のうち、予め決められた順番で、与えられた合計消費電力（以下、電圧は一定として、電力を「電流」という場合もある）の上限値を超えない範囲で、すなわち上限電流を超えない範囲で、１個あるいは全部でない複数個、例えばコンベア１２より下方に位置するヒータ１３，１４に対し必要とする電力を供給する。
【００３１】
このとき、電流の合計は、合計電流監視部２５によって常に監視されており、異常が発生した場合には、下方のヒータ１３，１４への電力供給を停止し、工場電力設備の制限を上回る電力障害を防止する。
【００３２】
下方のヒータ１３，１４の温度が上昇し、設定された目標温度に近付くにともない、ヒータ制御部２２は、はじめに立上げを開始した１個あるいは複数個の下方のヒータ１３，１４へ供給する電流を減少させるように制御する。
【００３３】
そして、設定温度への到達を切換パラメータとして、下方に位置するヒータ１３，１４への通電に加えて、別の１個あるいは複数個、例えばコンベア１２より上方に位置するヒータ１５，１６にも、全体の合計消費電流がその上限値を超えない範囲で、減少分の電流を供給し始める。
【００３４】
また、合計消費電流の上限値にある程度余裕を持たせておき、はじめに立上げを開始した下方のヒータ１３，１４が設定温度に達したことを検知して、次の上方のヒータ１５，１６を立上げ始めるように制御しても良い。
【００３５】
このとき、下方のヒータ１３，１４の設定温度への到達は、電流検出部２４および合計電流監視部２５にてヒータ電流を直接監視して、その電流値が減少したことを検出して判断すると良い。
【００３６】
さらに、温度センサ２７，２８から温度情報を取得したヒータ制御部２２において設定温度への到達を直接検出して、下方のヒータ１３，１４の設定温度への到達を判断しても良い。
【００３７】
または、ヒータ制御部２２がＰＷＭ方式を採る場合のオンデューティ比を監視し、その減少を検出して、下方のヒータ１３，１４の設定温度への到達を判断しても良い。
【００３８】
このように、温度を切換パラメータとして、複数のヒータを順次立上げる制御を繰り返すことにより、消費電流を一定値以下に保ったまま、加熱装置を立上げることができる。
【００３９】
次に、全ヒータ１３〜１６の立上げを終え、各ヒータ１３〜１６の温度あるいはその周辺の雰囲気温度が、温度設定部２３からヒータ制御部２２に設定された設定値に到達した後の、すなわち装置立上げ後の温度調節運転時においても、電流検出部２４および合計電流監視部２５は電流を監視し、外部からの基板投入などによって炉内温度が低下し、その温度低下部分のヒータに大きな電流を流す場合も、全ヒータ１３〜１６に供給される合計消費電流が予め決められた上限値すなわち上限電流を超えないように、各ヒータ１３〜１６への電流を個別に調整する。
【００４０】
このとき、合計電流監視部２５とヒータ制御部２２が別々の動作をすると、ヒータ１３〜１６の温度調節が正常に動作しなくなってしまうため、これらの合計電流監視部２５およびヒータ制御部２２は、ヒータ１３〜１６の制御について協調した動作をする。
【００４１】
すなわち、装置立上げ後は、各ヒータ１３〜１６への電力配分を変えることなく、生産運転中の炉内温度安定に必要十分な電力のみをヒータ１３〜１６に供給する。
【００４２】
また、ヒータ１３〜１６に通電される電流をパルス制御する電流ＰＷＭ方式を用いて温度調節する場合は、各ヒータ１３〜１６のオンデューティ比の上限を制限しても、ある瞬間に全ヒータ１３〜１６がオンすることがあり得るため、瞬間的にはヒータ駆動電流の合計が上限電流を上回るおそれがある。
【００４３】
このため、本発明に用いるヒータ制御部２２では、装置立上げ後の温度調節運転時において、同時に通電するヒータの数を、上限電流を各ヒータ１３〜１６が能力的に最大に消費し得る合計の最大消費電流で除した数にヒータ総数を乗じて求められた数の小数部分を切り捨てた数に制限する演算機能を有する。
【００４４】
このようにすれば、温度低下の大きなヒータには十分な電流を供給することが可能となり、大きな温度低下に対しても素早い温度回復が可能となる。
【００４５】
生産運転中の炉内温度維持のために、もしも最大消費電流の条件を満たせなくなるような状況が生じた場合は、ヒータ制御部２２は、警報部２６を通じて、ヒータ過負荷あるいは過電流の要求というような警報を発し、作業者に異常を知らせる。
【００４６】
次に、図３は、実際に測定したデータであり、点線が、全ヒータ１３〜１６を同時に通電する従来のシンクロ立上げ方式での消費電流および消費電力の経時変化を示し、また、実線が、最初に下方のヒータ１３，１４を通電して、温度センサ２７，２８により検出された検出温度が設定温度に達した時点で、上方のヒータ１５，１６にも通電を開始する本発明に係るシーケンシャル立上げ方式での消費電流および消費電力の経時変化を示し、このシーケンシャル立上げ方式では、下方のヒータ１３，１４での消費電流および消費電力が所定値まで減少した時点で、上方のヒータ１５，１６にほぼ減少分の電流および電力を供給する制御状態が示されている。
【００４７】
すなわち、図３において、通電開始から２７分までは、下方のヒータ１３，１４を通電し、これらのヒータ１３，１４の消費電流、消費電力が所定値まで減少した時点で、上方のヒータ１５，１６にほぼ減少分の電流、電力を供給することで、全ヒータ１３〜１６を小電流、小電力で立上げる場合よりも、装置立上げ完了時間が短くなる。
【００４８】
以上のように、装置立上げ時の最大消費電流を上限値以下に抑えながらも、短時間で装置を立上げることができ、これにより、工場電力設備の制限を上回る電力障害を防止でき、電源設備を大容量に変更しなくても良いので、設備費を減ずることができる。
【００４９】
また、装置立上げ時間を予め装置に記憶させておく必要がないため、その決定のための実験も不要で、さらに設定温度の変更や装置状態の変化に対しても最適な立上げ制御を行うことができる。
【００５０】
また、この構成では、装置立上げ後の装置通常運転状態において、基板通過などにより特に激しく温度低下を起こした部分のヒータに対しては、ヒータ出力いっぱいの電流を個別に供給するので、大きな負荷の変動に対してもその回復が早く、小出力のヒータを使って加熱装置を構成することで最大消費電流を減じたり、全ヒータに対して同じ割合の電流制限を行って最大消費電流を減じたりした場合のように、ヒータの温度制御性が悪化することがない。
【００５１】
なお、本発明の加熱装置は、以上のようなリフロー炉だけでなく、例えば熱硬化性樹脂などを硬化させるための硬化炉にも適用できる。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、コントローラが炉体内の各ヒータの合計消費電力を一定値以下に制御しながらも、あるヒータでの消費電力減少分を別のヒータに有効利用することで、装置立上げ時の最大消費電流を上限値以下に抑えながらも、短時間で装置を立上げることができ、これにより、過度の消費電流による電力障害を防止でき、電源設備を大容量に変更しなくても良いので、設備費を減ずることができる。特に、温度上昇にともなって電力制限のないヒータへの供給電力を減少させるように制御するとともに、その減少分の電力を電力制限中のヒータに供給することで、結果として、電力の合計が一定の上限値を超えないように個々のヒータが順に立ち上がって行くので、複数のヒータを予め設定された一定時間毎に順に立上げる場合のような適正な立上げ時間を設定する困難性を解決できる。すなわち、装置立上げ時間を予め装置に記憶させておく必要がないため、その決定のための実験も不要で、さらに設定温度の変更や装置状態の変化に対しても最適な立上げ制御をできる。
【００５３】
請求項２記載の発明によれば、上方のヒータよりも下方のヒータに先に電力を供給することで、下方のヒータで暖められた雰囲気中にて上方のヒータを効率良く通電加熱できる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、装置立上げ後も各ヒータへの供給電力の合計を上限値を超えないように個別に制御することで、装置立上げ後においても電力障害を防止できるとともに、必要なヒータに電力を供給して、炉体内温度の低下を素早く回復できる。
【００５５】
請求項４記載の発明によれば、コントローラの演算機能により、パルス制御時の同時通電のヒータ数を制限することで、温度低下の大きなヒータには十分な電流を供給することが可能となり、大きな温度低下に対しても素早い温度回復が可能となる。すなわち、装置立上げ後の装置通常運転状態において、基板通過などにより特に激しく温度低下を起こした部分のヒータに対しては、ヒータ出力いっぱいの電流を供給できるので、大きな負荷変動に対してもその回復が早く、小出力のヒータを使って加熱装置を構成することで最大消費電流を減じたり、全ヒータに対して同じ割合の電流制限を行って最大消費電流を減じたりした場合のように、ヒータの温度制御性が悪化することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る加熱装置の一実施の形態を示す概要図、（ｂ）はその制御特性を示す特性図である。
【図２】同上加熱装置のブロック図である。
【図３】本発明に係るシーケンシャル立上げ運転時と従来のシンクロ立上げ運転時の電流・電力測定データを示す特性図である。
【符号の説明】
Ｗ　　ワーク
１１　　炉体
１２　　コンベア
１３〜１６　　ヒータ
１９　　コントローラ

Claims

炉体と、
炉体内でワークを加熱する複数のヒータと、
複数のヒータへの供給電力を制御するコントローラとを具備し、
コントローラは、
装置立上げ時に複数のヒータのうち少なくとも一つへ供給される電力を制限して複数のヒータへの供給電力の合計が予め決められた上限値を超えないように制御し、
温度の上昇にともなって電力の制限されていないヒータへの供給電力を減少させるように制御するとともに電力の制限されているヒータにその減少分の電力を供給する
ことを特徴とする加熱装置。
炉体内でワークを搬送するコンベアを備え、
複数のヒータは、コンベアより下方に位置するヒータと上方に位置するヒータとを備え、
コントローラは、
コンベアより下方に位置するヒータに対し必要とする電力を供給し、温度を切換パラメータとして、下方に位置するヒータへの通電に加えて、コンベアより上方に位置するヒータにも必要とする電力を供給する
ことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
コントローラは、
装置立上げ後の温度調節運転時において、複数のヒータへの供給電力の合計が予め決められた上限値を超えないように各ヒータへの供給電力を個別に制御する
ことを特徴とする請求項１または２記載の加熱装置。
コントローラは、
ヒータをパルス制御するものであり、
装置立上げ後の温度調節運転時において、同時に通電するヒータの数を、上限電流を最大消費電流で除した数にヒータ総数を乗じて求められた数の少数部分を切り捨てた数に制限する演算機能を有する
ことを特徴とする請求項３記載の加熱装置。