JP2023085676A - Heat calculation program and heat treatment device - Google Patents
Heat calculation program and heat treatment device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023085676A JP2023085676A JP2021199845A JP2021199845A JP2023085676A JP 2023085676 A JP2023085676 A JP 2023085676A JP 2021199845 A JP2021199845 A JP 2021199845A JP 2021199845 A JP2021199845 A JP 2021199845A JP 2023085676 A JP2023085676 A JP 2023085676A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat transfer
- heat
- objects
- temperature
- control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 abstract 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 abstract 2
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 description 41
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 description 19
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 5
- 102100031798 Protein eva-1 homolog A Human genes 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 101000642536 Apis mellifera Venom serine protease 34 Proteins 0.000 description 1
- 101100333868 Homo sapiens EVA1A gene Proteins 0.000 description 1
- 241000316887 Saissetia oleae Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000011094 fiberboard Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)
- Muffle Furnaces And Rotary Kilns (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
- Control Of Temperature (AREA)
Abstract
Description
本発明は、空間内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに基づいて熱計算を行う熱計算プログラム及び熱処理装置に関する。 The present invention relates to a heat calculation program and a heat treatment apparatus that perform heat calculation based on a heat transfer model that describes heat transfer in space.
従来から、計算機シミュレーションを用いて熱計算を行う解析技術が知られている。例えば、特許文献1には、輻射熱を考慮した解析を用いて熱処理炉の最適化設計を行う手法が開示されている。具体的には、同文献には、多段の半導体ウェハが等間隔で配置されている状態下に半導体ウェハの面内温度が略均一になるように、半導体ウェハのピッチを定める旨が記載されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an analysis technique for performing thermal calculation using computer simulation. For example,
一方、一般的な機械部品の熱処理の場合、半導体製造プロセスにおけるウェハとは異なり、例えば、研磨面と研削面、黒皮面などの様々な表面状態を有する部品が混在し得る。このため、物体の表面状態が一律であると仮定した計算を行うと、輻射に起因する熱移動量の演算結果に誤差が生じる可能性がある。特に、物体の集合体を含む被加熱物の状態を解析する際に、物体の個数が増加するにつれて熱交換が行われる組み合わせ数が増加するので、その分だけ演算誤差が顕在化してしまう。 On the other hand, in the case of general heat treatment of mechanical parts, unlike wafers in the semiconductor manufacturing process, parts having various surface conditions such as polished surfaces, ground surfaces, and black scale surfaces can coexist. Therefore, if the calculation is performed assuming that the surface state of the object is uniform, an error may occur in the calculation result of the amount of heat transfer due to radiation. In particular, when analyzing the state of an object to be heated including an aggregate of objects, as the number of objects increases, the number of combinations in which heat exchange is performed increases, so calculation errors become apparent accordingly.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、物体の集合体を含む被加熱物の状態を解析する際、物体の個数が増加する場合であっても熱計算の演算精度の低下を抑制可能な熱計算プログラム及び熱処理装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems. An object of the present invention is to provide a heat calculation program and a heat treatment apparatus capable of suppressing deterioration in calculation accuracy.
本発明の第1態様における熱計算プログラムは、物体の集合体を含む被加熱物が配置された空間内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関して、前記物体の熱伝達特性を示す物理量を用いて前記物体間の熱移動量を計算し、前記熱移動量を含む熱伝達方程式を解くことにより前記空間内の温度分布を算出する算出ステップと、算出された前記温度分布を用いて、フィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての前記物理量を更新する更新ステップと、をコンピュータに実行させる。 The heat calculation program in the first aspect of the present invention relates to a heat transfer model describing heat transfer in a space in which an object to be heated including an assembly of objects is arranged, using physical quantities indicating heat transfer characteristics of the object a calculation step of calculating the heat transfer amount between the objects and calculating the temperature distribution in the space by solving a heat transfer equation including the heat transfer amount; and an update step of updating the physical quantity as the manipulated variable of feedforward control.
本発明の第2態様における熱計算プログラムにおいて、前記更新ステップでは、前記空間内の特定の位置における温度の目標値と、算出された前記温度分布との関係に基づいて、前記フィードバック制御の前記操作量としての前記物理量を更新する。 In the heat calculation program according to the second aspect of the present invention, in the updating step, the operation of the feedback control is performed based on the relationship between the target value of temperature at a specific position in the space and the calculated temperature distribution. Update the physical quantity as a quantity.
本発明の第3態様における熱計算プログラムにおいて、前記更新ステップでは、前記物体の表面積又は表面のエネルギー吸収率に応じて、前記フィードフォワード制御の前記操作量としての前記物理量を更新する。 In the thermal calculation program according to the third aspect of the present invention, the update step updates the physical quantity as the manipulated variable of the feedforward control according to the surface area of the object or the energy absorption rate of the surface.
本発明の第4態様における熱計算プログラムでは、前記熱伝達モデルは、前記被加熱物の外側に加熱器が配置され、前記加熱器からの発熱により前記被加熱物を加熱する状態を記述し、前記算出ステップでは、前記加熱器による加熱の開始時点から目標温度に到達するまでの温度の時間変化を前記物体毎に求める。 In the heat calculation program according to the fourth aspect of the present invention, the heat transfer model describes a state in which a heater is arranged outside the object to be heated and the object to be heated is heated by heat generated from the heater, In the calculating step, a temporal change in temperature from the start of heating by the heater until reaching the target temperature is obtained for each of the objects.
本発明の第5態様における熱計算プログラムでは、前記コンピュータに、前記物体の集合体のうちの2つ以上の物体にて前記目標温度に到達するまでの到達時間をそれぞれ求め、2つ以上の前記到達時間を用いて前記被加熱物の加熱又は冷却に関わる制御時間を決定する決定ステップをさらに実行させる。 In the heat calculation program according to the fifth aspect of the present invention, the computer obtains the arrival time until the two or more objects in the aggregate of objects reach the target temperature, respectively, and the two or more A determination step of determining a control time associated with heating or cooling the object to be heated using the arrival time is further performed.
本発明の第6態様における熱処理装置は、被処理物に熱処理を施す装置本体と、前記装置本体を制御するコントローラと、を備える熱処理装置であって、前記装置本体は、前記被処理物としての物体の集合体を含む被加熱物を囲むように設けられる断熱壁と、前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、を備え、前記コントローラは、物体の集合体を含む被加熱物が配置された前記加熱室内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関して、前記物体の熱伝達特性を示す物理量を用いて前記物体間の熱移動量を計算し、前記熱移動量を含む熱伝達方程式を解くことにより前記加熱室内の温度分布を算出し、算出された前記温度分布を用いて、フィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての前記物理量を更新し、逐次的な算出により得られた前記温度分布の時間変化から前記加熱室内の加熱に関する制御時間を決定し、前記制御時間を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行う。 A heat treatment apparatus according to a sixth aspect of the present invention is a heat treatment apparatus comprising an apparatus main body for heat-treating an object to be treated, and a controller for controlling the apparatus main body, wherein the apparatus main body a heat insulating wall provided to surround an object to be heated including an aggregate of objects; With respect to a heat transfer model that describes heat transfer in the heating chamber in which objects are arranged, a physical quantity indicating heat transfer characteristics of the objects is used to calculate the amount of heat transfer between the objects, and a heat transfer model that includes the amount of heat transfer is calculated. Calculate the temperature distribution in the heating chamber by solving the equation, update the physical quantity as the manipulated variable of feedback control or feedforward control using the calculated temperature distribution, and obtain by sequential calculation A control time for heating in the heating chamber is determined from the change in the temperature distribution over time, and the control time is used to control the heating of the heater.
本発明によれば、物体の集合体を含む被加熱物の状態を解析する際、物体の個数が増加する場合であっても熱計算の演算精度の低下を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when analyzing the state of the to-be-heated object containing the aggregate|assembly of an object, even when the number of objects increases, it can suppress the fall of the calculation accuracy of thermal calculation.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same constituent elements in each drawing are denoted by the same reference numerals as much as possible, and overlapping descriptions are omitted.
[熱処理装置10の全体構成]
図1は、本発明の一実施形態における熱処理装置10の概略断面図である。この熱処理装置10は、真空浸炭炉12(「装置本体」に相当)と、コントローラ14(「コンピュータ」に相当)と、加熱電源16と、温度センサ18,19,20と、を含んで構成される。
[Overall configuration of heat treatment apparatus 10]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
真空浸炭炉12は、高温減圧下で炭化水素系ガスによる真空浸炭を行うための装置である。真空浸炭炉12は、ワークW(「被処理物」又は「被加熱物」に相当)を収容する炉体22と、炉体22の内側に取り付けられている枠体24と、を備える。枠体24の内側に、相対的に大きい中空直方体状の断熱部材26と、相対的に小さい中空直方体状の断熱部材28と、断熱部材26を断熱部材28に連結するための複数の断熱部材30と、が設けられている。断熱部材26,28,30は、例えば、セラミックスファイバーボードなどの断熱材から構成される。2つの断熱部材26,28が離間して設けられることで、断熱層として機能する空間層32が形成されている。
The vacuum carburizing
炉体22の内部に、中空の断熱部材30に囲まれることで、真空浸炭を行うための浸炭室36が形成されている。炉体22に、その下部から浸炭室36の内方に延びるように炉床38が設けられている。炉床38の上端に、ワークWが載置されている。
A
炉体22の上部に、浸炭室36の内方に向かって延びるように複数本の放熱管40(「加熱器」に相当)が取り付けられている。各々の放熱管40は、浸炭室36の上端から下端までの範囲を広く網羅する位置に設けられている。これにより、浸炭室36がなす空間を略均等に加熱することができる。浸炭室36内は、例えば900℃を超える高温に設定される。
A plurality of radiator tubes 40 (corresponding to “heaters”) are attached to the upper portion of the
炉体22の上部及び側部に、ワークWの位置に臨むように、複数本のガス導入ノズル44が設けられている。図示しないガス供給機構からガス導入ノズル44を介して浸炭室36に炭化水素ガスを導入することで、ワークWの表面に対して浸炭処理を施すことができる。
A plurality of
炉体22の下部に、浸炭室36と真空浸炭炉12の外部とを連通させる排気管46が設けられている。図示しない真空ポンプを作動して排気口48から排気することで、浸炭室36内の圧力を調整することができる。
An
コントローラ14は、プロセッサ50、メモリ52及び操作パネル54を有し、真空浸炭炉12の各部を動作制御するコンピュータである。コントローラ14は、メモリ52に記憶されたプログラム及びデータを読み出して実行することで、[1]炭化水素ガスを浸炭室36内に供給する供給制御、[2]浸炭室36内の圧力を調整する圧力制御、及び[3]浸炭室36内を加熱する加熱制御などを同期的又は並列的に実行する。これらの動作制御を行うため、流量センサ、圧力センサ(いずれも不図示)及び温度センサ18~20がコントローラ14に接続されている。
The
プロセッサ50は、温度センサ18,19から温度信号を取得し、測定された温度を用いて浸炭室36内の温度やワークWの温度の推定値を計算する。プロセッサ50は、自身が計算した推定値に基づいてワークWの熱処理に関する設定条件(以下、「熱処理条件」ともいう)を決定する。プロセッサ50は、温度センサ20から温度信号を取得し、加熱電源16をオン・オフすることで、各々の放熱管40に対する加熱制御を行う。
ここでは、温度センサ18は炉体22の上部に接触する位置に、温度センサ19は真空浸炭炉12の周辺の位置にそれぞれ設けられている。温度センサ20は、炉体22の上部から浸炭室36の内方に向かって延びるように設けられている。温度センサ20は、浸炭室36内の高温に耐えられるように、例えば、耐熱性熱電対から構成される。
Here, the
メモリ52に、ワークWの熱処理に関する設定条件(つまり、熱処理条件)や、炉体22内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関する情報(以下、「モデル情報」ともいう)が格納されている。なお、モデル情報には、[1]モデル要素の形状に関する「形状情報」、[2]モデル要素同士の配置に関する「配置情報」、[3]温度の拘束条件に関する「温度情報」又は[4]モデル要素の物性に関する「物性情報」などが含まれる。
The
上記した物性情報には、物体の表面積又は表面のエネルギー吸収率の変化に関する様々な情報、具体的には、材料の種類、表面状態、輻射指数などが含まれる。この「表面状態」には、表面粗さ、表面色、酸化進行度、被膜の厚さ、表面温度などが含まれる。表面状態は、定性的に表現されてもよいし、定量的に表現されてもよい。前者の具体例として、研磨面、ショット面、錆の有無などが挙げられる。後者の具体例として、算術平均粗さ、最大高さ、被膜の厚みなどが挙げられる。 The physical property information described above includes various information on changes in the surface area of the object or the energy absorption rate of the surface, specifically, the type of material, the surface state, the radiation index, and the like. The "surface condition" includes surface roughness, surface color, degree of oxidation progress, film thickness, surface temperature, and the like. The surface state may be expressed qualitatively or quantitatively. Specific examples of the former include a polished surface, a shot surface, presence or absence of rust, and the like. Specific examples of the latter include arithmetic mean roughness, maximum height, and coating thickness.
上記した「輻射指数」は、物体の熱伝達特性を示す物理量を補正するために用いられる。この「物理量」には、例えば、輻射率、放射率、熱伝達係数、熱輻射係数、熱流束などが含まれる。また、「輻射指数」は、熱処理前の表面状態(以下、第1表面状態)と、熱処理後の表面状態(以下、第2表面状態)との間の中間状態を表現するために用いられる。例えば、輻射指数ηが[0,1]の範囲で定義される場合、η=0が第1表面状態に相当し、η=1が第2表面状態に相当する。 The "radiation index" mentioned above is used to correct a physical quantity that indicates the heat transfer characteristics of an object. This "physical quantity" includes, for example, emissivity, emissivity, heat transfer coefficient, thermal radiation coefficient, heat flux, and the like. The "radiation index" is used to express an intermediate state between the surface state before heat treatment (hereinafter referred to as first surface state) and the surface state after heat treatment (hereinafter referred to as second surface state). For example, if the radiation index η is defined in the range [0, 1], η=0 corresponds to the first surface state and η=1 corresponds to the second surface state.
操作パネル54は、オペレータが操作を行うための入出力装置である。操作パネル54は、例えば、タッチパネルディスプレイ、ハードウェアスイッチ、スピーカなどを含んで構成される。これにより、操作パネル54は、熱構造モデルを設定するためのモデル設定画面80(図5)を表示することができる。
The
[コントローラ14の動作]
<1.温度制御動作>
この実施形態における熱処理装置10は、以上のように構成される。続いて、熱処理装置10の動作、より詳しくは、コントローラ14による温度制御について、図2のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
[Operation of controller 14]
<1. Temperature control operation>
The
図2のステップSP10において、コントローラ14は、熱処理条件に含まれる様々な制御時間を算出する。ここで、「制御時間」とは、一連の熱処理を構成する各工程の制御に関わる時間であり、[1]目標温度に到達するまでの「昇温時間」、[2]目標温度で均熱化されるまでの「均熱保持時間」、又は[3]昇温時間と均熱保持時間との和である「加熱時間」などが該当する。
At step SP10 in FIG. 2, the
ステップSP12において、コントローラ14は、ステップSP10で算出された制御時間を含む熱処理条件を設定する。
At step SP12, the
ステップSP14において、コントローラ14は、熱処理の開始に伴い、放熱管40に対する温度制御動作を開始する。
At step SP14, the
ステップSP16において、コントローラ14は、ステップSP12で設定された熱処理条件に従って、放熱管40に対する一連の温度制御動作(例えば、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御)を行う。この動作により、昇温工程、均熱工程、浸炭工程、拡散工程、炉冷工程、焼入均熱工程、及び油冷工程が順次行われる。
In step SP16, the
<2.制御時間の算出動作>
続いて、図2のステップSP10における制御時間の算出方法について、図3の詳細フローチャートを参照しながら説明する。
<2. Control Time Calculation Operation>
Next, the method of calculating the control time in step SP10 of FIG. 2 will be described with reference to the detailed flowchart of FIG.
図3のステップSP20において、コントローラ14は、輻射指数を含むモデル情報を取得する。具体的には、コントローラ14は、3次元CAD(Computer Aided Design)データの読み出しや、オペレータによる入力操作を通じて、解析対象の熱伝達モデルを示すモデル情報を取得する。
At step SP20 in FIG. 3, the
図4は、解析対象である熱伝達モデルの一例を示す図であり、より詳しくは、図1に示す浸炭室36の内部を上側から視た平面図に相当する。浸炭室36に、温度センサ20と、炉床38と、炉床38上のワークWと、ワークWの両側部に沿って並んで配置される複数本の放熱管40と、が設けられている。ワークWは、金属製の部品60(「物体」に相当)あるいは部品群62(「物体の集合体」に相当)が図示しない容器に収容されてなる。なお、ハッチングが付された放熱管40は、温度センサ20に最も近い位置に配置されていることを示す。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a heat transfer model to be analyzed, and more specifically corresponds to a plan view of the inside of the
図5は、図1の操作パネル54に表示されるモデル設定画面80の一例を示す図である。オペレータは、モデル設定画面80を介して、上記した形状情報、配置情報、物性情報、及び温度情報を含むモデル情報の入力操作を行うことができる。例えば、[物性]タブ82が選択された状態では、モデル設定画面80上に、輻射指数の更新設定に関するユーザコントロール84,85と、ワークWの輻射に関するユーザコントロール86~90と、[キャンセル]と表記されたボタン92と、[保存]と表記されたボタン94と、がそれぞれ配置されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a
ユーザコントロール84は、輻射指数に関するフィードバック制御(FF制御)のオン・オフを選択可能に設けられる。ユーザコントロール85は、輻射指数に関するフィードバック制御(FB制御)のオン・オフを選択可能に設けられる。なお、ユーザコントロール84にて「ON」が選択された場合に限り、ユーザコントロール86~90がアクティブ状態になる。 A user control 84 is provided so as to be able to select ON/OFF of feedback control (FF control) regarding the radiation index. A user control 85 is provided so as to be able to select ON/OFF of feedback control (FB control) regarding the radiation index. Note that user controls 86-90 are active only when "ON" is selected in user control 84. FIG.
ユーザコントロール86は、部品60の材料の種類(ここでは「鉄」)を選択可能に設けられる。ユーザコントロール87は、熱処理前における部品60の表面状態(ここでは「状態A」)を選択可能に設けられる。ユーザコントロール88は、熱処理後における部品60の表面状態(ここでは「状態B」)を選択可能に設けられる。ユーザコントロール89は、輻射指数の設定方法(固定又は可変のいずれか;ここでは「固定」)を選択可能に設けられる。ユーザコントロール90は、輻射指数の値(0~100%;ここでは「50%」)を入力可能に設けられる。
A
コントローラ14は、[キャンセル]ボタン92のタッチ操作を受け付けた場合、モデル設定画面80の表示を終了する。一方、コントローラ14は、[保存]ボタン94のタッチ操作を受け付けた場合、モデル設定画面80に直近に入力されていた各値を取得し、モデル情報として図1のメモリ52に記憶させる。
The
図3のステップSP22において、コントローラ14は、ステップSP20で取得されたモデル情報に基づいて、解析対象である熱伝達モデルを決定する。熱伝達モデルの決定に際して、コントローラ14は、輻射指数を用いて、部品60の輻射率の初期値を決定する。
At step SP22 in FIG. 3, the
図3のステップSP24において、コントローラ14は、計算対象となる時点(以下、「サンプリング時点」ともいう)を設定する。初期状態をt=0と定義した場合、1回目のサンプリング時点がt=Δtに設定される。
At step SP24 in FIG. 3, the
ステップSP26において、コントローラ14は、ステップSP24にて設定されたサンプリング時点(t=Δt)における熱伝導方程式をモデル要素毎に構築する。輻射による熱移動量(つまり、熱流束)を計算するために、例えば、離散化ビーム法(DBM;Discrete Beam Method)が用いられる。この「離散化ビーム法」とは、輻射ビームを追跡して各々の形態係数を算出し、この形態係数を用いて熱移動量を求める手法である。
At step SP26, the
ステップSP28において、コントローラ14は、ステップSP26で構築された熱伝導方程式を連立又は連成して解く。その結果、1回目のサンプリング時点(t=Δt)における位置毎の温度(つまり、温度分布)が求められる。
In step SP28, the
ステップSP30において、コントローラ14は、ステップSP28で得られた温度分布が繰り返し演算の終了条件を満たしているか否かを確認する。この「終了条件」は、例えば、N個の部品60のうちのn個(1<n≦N)の温度が、目標温度に一致するか目標温度に十分近づいたことである。1回目のサンプリング時点では終了条件を満たさないので(ステップSP30:NO)、ステップSP32に進む。
At step SP30, the
ステップSP32において、コントローラ14は、ステップSP28で算出された温度分布を用いて、温度に関する制御の操作量(ここでは、輻射指数)を更新する。この制御は、[1]フィードバック制御、[2]フィードフォワード制御、又は[3]フィードバック制御及びフィードフォワード制御の両方、のいずれであってもよい。
In step SP32, the
(1.フィードバック制御)
コントローラ14は、浸炭室36内の特定の位置における温度の目標値と、算出された温度分布との関係に基づいてフィードバック項(FB項)を算出し、ゲイン値を乗じて輻射指数を更新するフィードバック制御を行う。「特定の位置」とは、温度の目標値が既知である箇所、例えば、浸炭室36内に設けられる温度センサ20の位置又はその周辺の位置が望ましい。一方、温度の出力値は、温度分布上の任意の位置での温度が選択され得る。輻射指数の更新規則として。比例制御(P制御)、積分制御(I制御)、微分制御(D制御)又はこれらを組み合わせた制御が用いられる。
(1. Feedback control)
The
(2.フィードフォワード制御)
コントローラ14は、物体の表面積又は表面のエネルギー吸収率に応じて、フィードフォワード項(FF項)を算出し、ゲイン値を乗じて輻射指数を更新するフィードフォワード制御を行う。この更新量は、例えば、予め定められた輻射率の温度特性に従って決定されてもよい。
(2. Feedforward control)
The
図6は、異なる表面状態における輻射率の温度特性を示す図である。グラフの横軸は温度(単位:℃)を示すとともに、グラフの縦軸は輻射率(単位:無次元)を示している。本図から理解されるように、状態A,B,Cのいずれも、温度が上昇するにつれて輻射率が増加している。ところが、表面状態によって輻射率が変化する傾向がみられ、任意の温度Tに対して、εA(T)<εB(T)<εC(T)の大小関係が成り立つ。ここで、εA(T),εB(T),εC(T)はそれぞれ、温度Tにおける状態A,B,Cの輻射率に相当する。 FIG. 6 is a diagram showing temperature characteristics of emissivity in different surface states. The horizontal axis of the graph indicates temperature (unit: °C), and the vertical axis of the graph indicates emissivity (unit: dimensionless). As understood from this figure, the emissivity increases as the temperature rises in all of the states A, B, and C. However, the emissivity tends to change depending on the surface state, and for an arbitrary temperature T, a magnitude relationship of ε A (T)<ε B (T)<ε C (T) is established. Here, ε A (T), ε B (T), and ε C (T) correspond to the emissivity of states A, B, and C at temperature T, respectively.
ここで、輻射指数をη(0≦η≦1)と定義するとき、補正後の輻射率ε(T)は、次の式(1)に従って求められる。
図2のステップSP24に戻って、コントローラ14は、サンプリング時点を更新する。これにより、2回目のサンプリング時点がt=2Δtに設定される。以下、コントローラ14は、ステップSP24~SP32を繰り返して実行し、各々のサンプリング時点(t=mΔt;mは自然数)での温度分布を求める。なお、輻射指数の設定方法が「可変」である場合、コントローラ14は、サンプリング時点を更新する度に、輻射指数ηを動的に変更してもよい。例えば、熱処理が進行するに従ってηの値を徐々に大きくすることで、熱移動量の計算精度をより高めることができる。
Returning to step SP24 in FIG. 2, the
時間の経過に伴って温度分布の均一化が進み、上記した終了条件を満たすようになった場合(ステップSP30:YES)、コントローラ14は、ステップSP32の代わりにステップSP34に進む。
If the temperature distribution becomes more uniform with the passage of time and the end condition described above is satisfied (step SP30: YES), the
ステップSP34において、コントローラ14は、ステップSP28の反復実行により得られた温度分布の時間変化を用いて、熱処理条件の一部である制御時間を決定する。
In step SP34, the
図7は、均熱保持時間の決定方法の一例を示す図である。グラフの横軸は経過時間(単位:分)を示すとともに、グラフの縦軸は温度(単位:℃)を示している。3本の曲線は、ワークW内の異なる位置P1,P2,P3における温度を示している。図4の描画内容から理解されるように、ワークW内の位置に応じて熱の伝わり度合いに差異が生じるので、曲線の形状が異なっている。位置P1,P2,P3における目標温度への到達時間をそれぞれt1,t2,t3と定義する場合、t1<t2<t3の大小関係を満たしている。この場合、差分の最大値である(t3-t1)を均熱保持時間として算出すればよい。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a method for determining the soaking holding time. The horizontal axis of the graph indicates elapsed time (unit: minutes), and the vertical axis of the graph indicates temperature (unit: °C). Three curves indicate the temperature at different positions P1, P2, P3 within the workpiece W. FIG. As can be understood from the drawing contents of FIG. 4, the degree of heat transfer varies depending on the position in the workpiece W, so the curves have different shapes. When the arrival times to the target temperatures at the positions P1, P2, and P3 are defined as t1, t2, and t3, respectively, the magnitude relationship of t1<t2<t3 is satisfied. In this case, the maximum value of the difference (t3-t1) can be calculated as the soaking holding time.
図8(A)は、表面が研磨された部品60の温度変化の一例を示す図である。図8(B)は、表面が錆びた部品60の温度変化の一例を示す図である。グラフの横軸は経過時間(単位:分)を示すとともに、グラフの縦軸は[1]温度(単位;℃)又は[2]放熱管40の出力率(単位:%)を示している。実線で示す曲線は、温度センサ20の位置における温度の実測値(つまり目標値)に相当する。短破線及び一点鎖線で示す2本の曲線は、異なる2箇所での温度の計算値に相当する。
FIG. 8A is a diagram showing an example of temperature change of the
図8(A)から理解されるように、設定された目標温度に達するまでの時間が相対的に短いので、昇温時間が小さい値に設定される。ところが、ワークWの位置による温度上昇のばらつきが相対的に大きいので、均熱保持時間が大きい値に設定される。また、図8(B)から理解されるように、設定された目標温度に達するまでの時間が相対的に長いので、昇温時間が大きい値に設定される。ところが、ワークWの位置による温度上昇のばらつきが相対的に小さいので、均熱保持時間が小さい値に設定される。このように、部品60の表面状態に適した均熱保持時間を求めることができる。
As can be understood from FIG. 8A, the temperature rise time is set to a short value because the time required to reach the set target temperature is relatively short. However, since the variation in temperature rise depending on the position of the workpiece W is relatively large, the soaking holding time is set to a large value. Further, as can be understood from FIG. 8B, the time required to reach the set target temperature is relatively long, so the heating time is set to a large value. However, since variations in temperature rise depending on the position of the workpiece W are relatively small, the soaking holding time is set to a small value. Thus, a soaking holding time suitable for the surface state of the
以上のようにして、コントローラ14は、制御時間の算出動作を終了する(図3のフローチャート)。このように、ワークWの均熱化が図られたタイミングにて終点が到来するように均熱保持時間を適切に選択することで、熱処理の品質と効率を両立させることが可能になる。
As described above, the
[実施形態のまとめ]
以上のように、この実施形態における熱計算プログラム及び方法では、1つ又は複数のコンピュータ(ここでは、コントローラ14)が、物体(ここでは、部品60)の集合体(ここでは、部品群62)を含む被加熱物(ここでは、ワークW)が配置された空間(ここでは、浸炭室36)内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関して、部品60の熱伝達特性を示す物理量を用いて部品60間の熱移動量を計算し、熱移動量を含む熱伝達方程式を解くことにより浸炭室36内の温度分布を算出する算出ステップ(図3のSP26,SP28)と、算出された温度分布を用いて、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての物理量を更新する更新ステップ(SP32)を実行する。
[Summary of embodiment]
As described above, in the thermal calculation program and method in this embodiment, one or more computers (here, the controller 14) control an assembly (here, the part group 62) of objects (here, the parts 60) Part A calculation step (SP26, SP28 in FIG. 3) of calculating the temperature distribution in the
このように、部品60の熱伝達特性を示す物理量をフィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量として更新することで、物理量が不変であるとして計算する場合と比べて、輻射に起因する熱移動量の計算誤差がより小さくなる。これにより、部品群62を含むワークWの状態を解析する際、部品60の個数が増加する場合であっても熱計算の演算精度の低下を抑制することができる。
In this way, by updating the physical quantity that indicates the heat transfer characteristics of the
また、更新ステップでは、浸炭室36内の特定の位置における温度の目標値と、算出された温度分布との関係に基づいて、フィードバック制御の操作量としての物理量を更新してもよい。これと併せて又はこれとは別に、更新ステップでは、物体の表面積又は表面のエネルギー吸収率に応じて、フィードフォワード制御の操作量としての物理量を更新してもよい。
Further, in the updating step, the physical quantity as the manipulated variable for feedback control may be updated based on the relationship between the target temperature value at a specific position in the
また、熱伝達モデルが、ワークWの外側に加熱器が配置され、加熱器からの発熱によりワークWを加熱する状態を記述する場合、算出ステップでは、加熱の開始時点から目標温度に到達するまでの温度の時間変化を部品60毎に求めてもよい。
Further, when the heat transfer model describes a state in which a heater is arranged outside the workpiece W and the workpiece W is heated by the heat generated from the heater, in the calculation step, from the start of heating until the target temperature is reached, may be obtained for each
また、コントローラ14は、部品群62のうちの2つ以上の部品60にて目標温度に到達するまでの到達時間をそれぞれ求め、2つ以上の到達時間を用いてワークWの加熱又は冷却に関わる制御時間を決定する決定ステップ(図3のSP34)をさらに実行してもよい。
In addition, the
また、物理量が輻射率であり、部品60が加熱を通じて第1表面状態から第2表面状態に変化する場合、更新ステップでは、第1表面状態における輻射率と、第2表面状態における輻射率との間の中間値になるように輻射率を更新するフィードフォワード制御を行ってもよい。また、算出ステップでは、離散化ビーム法を用いて部品60間の熱移動量を計算してもよい。
Further, when the physical quantity is the emissivity, and the
また、この実施形態における熱処理装置10は、ワークWに熱処理を施す装置本体(ここでは、真空浸炭炉12)と、真空浸炭炉12を制御するコントローラ14と、を備える。真空浸炭炉12は、物体の集合体(ここでは、部品群62)を含むワークWを囲むように設けられる断熱壁(ここでは、断熱部材26,28,30)と、断熱壁により形成される加熱室(ここでは、浸炭室36)内を加熱する加熱器(ここでは、放熱管40)と、を備える。
Further, the
そして、コントローラ14は、部品群62を含むワークWが配置された浸炭室36内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関して、部品60の熱伝達特性を示す物理量を用いて部品60間の熱移動量を計算し、熱移動量を含む熱伝達方程式を解くことにより浸炭室36内の温度分布を算出し、算出された温度分布を用いて、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての物理量を更新し、逐次的な算出により得られた温度分布の時間変化から浸炭室36内の加熱に関わる制御時間を決定し、制御時間を用いて放熱管40に対する加熱制御を行う。このように構成することで、部品群62を含むワークWに熱処理を施す際に、部品60の個数や荷姿に適した制御時間を設定可能となり、熱処理の品質と効率を両立させることが可能になる。
Then, the
[変形例]
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。あるいは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。
[Modification]
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be freely modified without departing from the gist of the present invention. Alternatively, each configuration may be arbitrarily combined as long as there is no technical contradiction.
上記した実施形態では、熱処理装置10の一部を構成するコントローラ14が熱計算プログラムを実行する場合について説明したが、装置の構成はこれに限られない。例えば、真空浸炭炉12とは独立した汎用コンピュータが、計算機シミュレーションを目的として熱計算プログラムを実行してもよい。
In the above-described embodiment, a case has been described in which the
10…熱処理装置、12…真空浸炭炉、14…コントローラ(コンピュータ)、36…浸炭室(加熱室)、40…放熱管(加熱器)、50…プロセッサ、52…メモリ、60…部品(物体)、62…部品群(物体の集合体)、W…ワーク(被加熱物、被処理物)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
算出された前記温度分布を用いて、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての前記物理量を更新する更新ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする熱計算プログラム。 With respect to a heat transfer model describing heat transfer in a space in which objects to be heated including an assembly of objects are arranged, a physical quantity indicating heat transfer characteristics of the objects is used to calculate an amount of heat transfer between the objects, a calculating step of calculating the temperature distribution in the space by solving a heat transfer equation including the amount of heat transfer;
an updating step of using the calculated temperature distribution to update the physical quantity as a manipulated variable for feedback control or feedforward control relating to temperature;
A heat calculation program characterized by causing a computer to execute
前記算出ステップでは、前記加熱器による加熱の開始時点から目標温度に到達するまでの温度の時間変化を前記物体毎に求めることを特徴とする請求項1に記載の熱計算プログラム。 The heat transfer model describes a state in which a heater is arranged outside the object to be heated and the object to be heated is heated by heat generated from the heater,
2. The thermal calculation program according to claim 1, wherein in said calculating step, a change in temperature over time from the start of heating by said heater until reaching a target temperature is obtained for each of said objects.
前記装置本体は、
前記被処理物としての物体の集合体を含む被加熱物を囲むように設けられる断熱壁と、
前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、
を備え、
前記コントローラは、
物体の集合体を含む被加熱物が配置された前記加熱室内の熱伝達を記述する熱伝達モデルに関して、前記物体の熱伝達特性を示す物理量を用いて前記物体間の熱移動量を計算し、前記熱移動量を含む熱伝達方程式を解くことにより前記加熱室内の温度分布を算出し、
算出された前記温度分布を用いて、温度に関するフィードバック制御又はフィードフォワード制御の操作量としての前記物理量を更新し、
逐次的な算出により得られた前記温度分布の時間変化から前記加熱室内の加熱に関わる制御時間を決定し、前記制御時間を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行うことを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus comprising: a device body for heat-treating an object to be processed; and a controller for controlling the device body,
The device main body is
a heat insulating wall provided so as to surround an object to be heated including an aggregate of objects as the object to be processed;
a heater that heats the inside of the heating chamber formed by the heat insulating wall;
with
The controller is
With respect to a heat transfer model describing heat transfer in the heating chamber in which an object to be heated including an assembly of objects is arranged, a physical quantity indicating the heat transfer characteristics of the objects is used to calculate the amount of heat transfer between the objects, calculating the temperature distribution in the heating chamber by solving a heat transfer equation including the amount of heat transfer;
using the calculated temperature distribution to update the physical quantity as a manipulated variable for feedback control or feedforward control relating to temperature;
A heat treatment apparatus, wherein a control time related to heating in the heating chamber is determined from a time change of the temperature distribution obtained by sequential calculation, and heating control of the heater is performed using the control time.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021199845A JP2023085676A (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Heat calculation program and heat treatment device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021199845A JP2023085676A (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Heat calculation program and heat treatment device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023085676A true JP2023085676A (en) | 2023-06-21 |
Family
ID=86775847
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021199845A Pending JP2023085676A (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Heat calculation program and heat treatment device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023085676A (en) |
-
2021
- 2021-12-09 JP JP2021199845A patent/JP2023085676A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4464979B2 (en) | Processing system, processing method, and program | |
JP5005388B2 (en) | Heat treatment system, heat treatment method, and program | |
JP5101243B2 (en) | Substrate processing apparatus, substrate processing apparatus control method, and program | |
JP5788355B2 (en) | Heat treatment system, heat treatment method, and program | |
TW200917402A (en) | Heat processing apparatus, method of automatically tuning control constants, and storage medium | |
JP2004510338A (en) | System and method for controlling movement of a workpiece in a heat treatment system | |
JP2002091574A (en) | Batch type heat treatment equipment and its control method | |
JP5049303B2 (en) | Heat treatment apparatus, temperature adjustment method for heat treatment apparatus, and program | |
KR101149170B1 (en) | Heat treatment apparatus, temperature adjustment method for heat treatment apparatus and recording medium recording computer program | |
JP6512860B2 (en) | Heat treatment system, heat treatment method, and program | |
CN111898299B (en) | PCR base manufacturing parameter optimization method based on finite element model numerical simulation | |
TWI355014B (en) | ||
JP6368686B2 (en) | Heat treatment apparatus, method for adjusting heat treatment apparatus, and program | |
CN114410956B (en) | Online control system and method for intermittent aluminum coil annealing furnace | |
JP2023085676A (en) | Heat calculation program and heat treatment device | |
JP6596316B2 (en) | Heat treatment system, heat treatment method, and program | |
JP2009260261A (en) | Thermal processing apparatus, method for regulating temperature of thermal processing apparatus, and program | |
JP6353802B2 (en) | Processing system, processing method, and program | |
JP6578101B2 (en) | Processing system and processing method | |
JP2023089525A (en) | Numerical analysis program and heat treatment device | |
JP6378639B2 (en) | Processing system, processing method, and program | |
JP4455856B2 (en) | Semiconductor manufacturing system and semiconductor manufacturing method | |
JP2008299697A (en) | Control method, temperature control method, correction device, temperature adjuster, and program | |
JP5303444B2 (en) | Temperature estimation value presentation device, temperature drop required time prediction value presentation device and method | |
CN115963874B (en) | Temperature tracking control method |