JP3560190B2

JP3560190B2 - 加熱炉の温度制御方法

Info

Publication number: JP3560190B2
Application number: JP23555695A
Authority: JP
Inventors: 昌宏塩瀬; 裕人林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2015-09-13
Also published as: JPH0979753A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発熱体を有する加熱炉の温度制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、真空ろう付は、１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空中でろう材がクラッドされた例えばアルミニウムからなる芯材（以下、「ワーク」という。）をろう付終了温度まで加熱することにより、ろう材を溶かし芯材を接合する。このろう材は固相点５５６℃で溶け始め、液相点である５７０℃に達したとき全て溶解する。そして、ろう付終了温度である５９５℃に達したとき、ろう付を完了する。
【０００３】
ところで、ろう付部分の品質を確保するためには、加熱された芯材上に均一にろう材が流れることが必要になるため、ろう材の固相点に達した以降の溶融工程においては、ワークの均熱性を良好に例えば±３℃に確保することがポイントになる。ここで、均熱性とは、ワークの各部位の温度または各ワークごとの温度のばらつきの幅の大小をいい、ばらつきの幅が小さいほど均熱性が良い。
【０００４】
そして、この種の真空ろう付は、一度に多数のワークを炉内に投入し、一室で全てのろう付プロセスを完了するいわゆるバッチ炉により行われ、このバッチ炉の例として、特開平１−２２８６６９号公報に開示されるアルミ製品の真空ろう付方法に用いられるものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したバッチ炉によると、ワークを投入するために設けられた入口の扉を開閉する度に加熱された炉内に外気が侵入する。すると、炉内の温度が低下することになり、外気の侵入状態によって例えば上下方向に長い大型ヒータではヒータの上方と下方とにより温度差を生ずるため、再度昇温させるヒータの発熱温度がヒータの部位により異なることになる。そのため、炉内に投入された多数のワークに対して均一な加熱温度を確保することが困難になり、各ワークごとの均熱性が損なわれる。
【０００６】
そこで、図１０に示すように、炉内にワークを投入した後、各ヒータの発熱温度を徐々に昇温させ、発熱温度が所定温度（図１０では５６０℃程度）に達したとき、ヒータの昇温を一時中断する。そして、全てのワークの温度がろう材の固相点５５６℃付近に近づくのを待つという「温度追従待ち」を行った後、ろう付終了温度までヒータを徐々に加熱するという温度制御方法を採っている。そのため、この「温度追従待ち」を行うことにより加熱時間の増加を招き、ろう付工程の生産効率を低下させるという問題を生じている。
【０００７】
そして、特開平１−２２８６６９号公報に開示されるアルミ製品の真空ろう付方法においても、アルミ部材のろう付にバッチ炉を用いることから、同様な問題を生ずる。
本発明の目的は、生産効率を向上させる加熱炉の温度制御方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段・作用・発明の効果】
前記の課題を解決するための本発明による請求項１記載の加熱炉の温度制御方法は、複数の発熱体を有する加熱炉の温度制御方法であって、
前記加熱炉内に被発熱体を搬入した後、前記複数の発熱体のそれぞれの温度を検出し、
前記複数の発熱体の中で最も温度の高い一部発熱体の温度に向かって残部発熱体の温度が収束するようにこの残部発熱体の温度を制御し、
前記残部発熱体の温度が前記一部発熱体の温度に収束した後、前記複数の発熱体の全てを所定温度に達するように前記複数の発熱体の温度を制御できることを特徴とする。
【０００９】
これにより、加熱炉内に被発熱体を搬入することにより複数の発熱体の温度がばらついたとしても、複数の発熱体の中で最も温度の高い一部発熱体の温度に向かって残部発熱体の温度が収束するようにこの残部発熱体の温度を制御するため、複数の発熱体の温度のばらつきを短時間に収束させることができる。したがって、従来の温度制御で行っていた「温度追従待ち」をすることなくして被発熱体を所定温度に加熱できるため加熱時間が短縮され、生産効率を向上させる効果がある。
【００１０】
本発明による請求項２記載の加熱炉の温度制御方法は、請求項１記載の加熱炉の温度制御方法において、前記一部発熱体は、前記残部発熱体の温度が収束する前に昇熱または降熱制御されることを特徴とする。
これにより、一部発熱体が所定の目標温度に向かって昇熱または降熱するように制御しながら、この所定の目標温度である一部発熱体の温度に向かって残部発熱体を温度制御することができる。したがって、複数の発熱体の温度を所定の目標温度に向かってさらに短時間に収束させることができるため、生産効率をより向上させる効果がある。
【００１１】
本発明による請求項３記載の加熱炉の温度制御方法は、請求項１または２記載の加熱炉の温度制御方法において、前記残部発熱体の温度が前記一部発熱体の温度に収束したとき、前記被発熱体の温度は、この収束温度より３００℃以上低いことを特徴とする。
これにより、複数の発熱体の収束温度と被発熱体の温度との差が３００℃以上になることから、請求項１または２記載の加熱炉の温度制御方法により所定の目標温度に向かって被発熱体の温度を短時間に昇温させることができる。したがって、生産効率をさらに向上させる効果がある。
【００１２】
本発明による請求項４記載の真空ろう付炉は、炉体と、
前記炉体内に収容される複数の発熱体と、
前記複数の発熱体のそれぞれの温度を検出する温度センサ群と、
前記温度センサ群の検出値により前記複数の発熱体の温度をそれぞれ制御する温度制御手段とを備える真空ろう付炉であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱炉の温度制御方法により前記温度制御手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
これにより、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱炉の温度制御方法により得られた効果を備えた真空ろう付炉が実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の加熱炉の温度制御方法を適用した真空ろう付炉の一実施例を図１〜図９に示す。
図２に示すように、真空ろう付炉は、後述する構成からなる炉体１、多点温度測定部３２、温度制御部３４および多点ヒータ出力部３６から構成されている。そして、ワーク６を加熱するヒータ１０が多点温度測定部３２、温度制御部３４および多点ヒータ出力部３６により温度制御されている。
【００１５】
ここで、ワーク６、ヒータ１０、多点温度測定部３２、温度制御部３４は、特許請求の範囲に記載の「被発熱体」、「発熱体」、「温度センサ群」、「温度制御手段」にそれぞれ相当する。
図３および図４に示すように、真空ろう付炉は、水平方向ほぼ円筒状に形成された炉体１と、この炉体１内の空間と連通可能に設けられた真空排気系統の排気口２と、炉体１内上部に設けられヒータモジュールが吊り下げられているレール３と、このヒータモジュールにより形成される加熱室４と、この加熱室４の天井に吊り下げられるキャリアレール５と、このキャリアレール５に複数段吊り下げられワーク６を積層可能なキャリア７等から構成されている。
【００１６】
加熱室４は、例えば図１で左右方向に二つに独立して形成されており、各加熱室４の天井と底面とを除く側面の壁８の内部には、熱反射板９およびヒータ１０が一対となるように複数組配設されている。そして、図５に示すように、ヒータ１０とヒータ１０との間にワーク６が位置可能に所定間隔で複数のヒータ１０が配設されており、例えば自動車のラジエータがワーク６に相当する。
【００１７】
また、図４に示すように、壁８には、その全面を覆うように複数のヒータ１０が配設されており、壁８の図４で右方向端部には前扉２２が位置し、左方向端部には後扉２３が位置している。そして、この前扉２２は加熱室４にワーク６を搬入または搬出するときに操作され、後扉２３は保守点検時等に操作される。また前扉２２および後扉２３の各内面にも熱反射板９およびヒータ１０が一対となるように配設されている。
【００１８】
さらに、図２に示すように、ヒータ１０の温度を検出する熱電対１１は、ヒータ１０とワーク６との間に配設されており、その数はヒータ１０の数と対応している。これにより、各ヒータ１０の温度を個々に検出することができる。そして、後述する多点温度測定部３２は、この複数の熱電対１１により構成されている。
【００１９】
次に、ヒータ１０の発熱温度を制御する温度制御部３４等を図１に基づいて説明する。
多点温度測定部３２は、前述したように複数の熱電対１１から構成されており、各ヒータ１０の発熱温度を測定する。そして、測定したヒータ１０の発熱温度に伴い変動する電気信号を温度制御部３４に出力している。
【００２０】
温度制御部３４は、複数の機能ブロックより構成されている。すなわち、温度分布監視部３４ａ、昇温カーブ監視部３４ｂ、収束点演算部３４ｃ、切替点演算部３４ｄおよび切替点検出部３４ｅにより構成されている。
温度分布監視部３４ａは、前述した多点温度測定部３２によって測定した各ヒータ１０の発熱温度データにより加熱室４内の温度分布を監視する。これにより、加熱室４を形成するヒータモジュールの中で最高温度にあるヒータ１０および最低温度にあるヒータ１０を認識することができる。
【００２１】
昇温カーブ監視部３４ｂは、各ヒータ１０の昇温カーブ、つまり一定時間当たりの上昇温度を監視する。
収束点演算部３４ｃは、各ヒータ１０の発熱温度を短時間で収束させる収束点を演算する。この収束点は、各ヒータ１０の発熱温度が所定温度に揃ったときの温度であり、図６で点Ｂにより表されている。
【００２２】
切替点検出部３４ｅは、ヒータ１０の昇温状態を比較的ゆっくり温度上昇させる減速昇温パターンから急速に温度上昇させる高速昇温パターンに切替えるための切替点を検出する。そしてこの切替点は、図６でＡ_１、Ａ_２、Ａ_ｎにより表されている。
多点ヒータ出力部３６は、各ヒータ１０に電気的に接続されており、各ヒータ１０が発熱するために必要な電力を供給する。そしてこの多点ヒータ出力部３６が前述した切替点検出部３４ｅにより各ヒータ１０に供給する電力の増減を所定値に切替えることで、前述した減速昇温パターンから高速昇温パターンに切替えている。
【００２３】
次に、各ヒータ１０の発熱温度を温度制御部３４等により収束させる温度制御方法を図６〜図８に基づいて説明する。
まず、ヒータ１０の加熱を開始すると、多点温度測定部３２によりヒータ１０の発熱温度を測定し、その測定結果に基づいて温度分布監視部３４ｅによってヒータ１０の温度分布データを得る。
【００２４】
そして、図７に示すステップ５１により、ヒータ１０の温度分布データからヒータ１０の最低温度と最高温度とを抽出し、収束点を収束点演算部３４ｃで演算する。この収束点は時間ｔ_１’および温度ＳＰ_１’で表され、ｔ_１’およびＳＰ_１’は次の式（１）、（２）によってそれぞれ求められる。
ｔ_１’＝（ＰＶ_Ｏｍａｘ−ＰＶ_Ｏｍｉｎ）ｔ_１／（ＳＰ_１−ＰＶ_Ｏｍｉｎ）・・・（１）
ＳＰ_１’＝ＰＶ_Ｏｍａｘ・・・（２）
ここで、ＳＰはヒータ１０の設定温度を表しており、ＰＶ_Ｏは加熱開始時のヒータ１０の測定温度を表し、またＰＶ_Ｏｍａｘはその最高温度、ＰＶ_Ｏｍｉｎはその最低温度をそれぞれ表している。
【００２５】
そして、この収束点は、時間ｔ_１’温度ＳＰ_１’として図８に表され、各ヒータ１０の発熱温度が収束する時間（以下、「収束時間」という。）である時間ｔ_１’が３分以下になるように設定されている。収束時間を３分以下に設定したのは、固相点でのワーク６の温度のばらつきを±３℃以下に抑えるためである。つまり、例えばヒータ１０の初期温度を２２０〜３７０℃に設定したとき、収束時間に対するろう材固相点でのワーク６の温度のばらつきを計算機シミレーションした結果、収束時間を３．２分以下に設定することでろう材固相点でのワーク６の温度のばらつきを±３℃以下に抑えることが可能であることが判明したため、本実施例では収束時間を３分以下に設定している。
【００２６】
次のステップ５２では、ステップ５１により演算した収束点に対して各ヒータ１０の温度プログラムをそれぞれ各ヒータ１０ごとに設定する。この温度プログラムは、ヒータ１０の発熱温度が時間の経過とともに変動するように設定されており、多点温度測定部３２により測定された温度データによるフィードバック制御を逐次行っている。例えば、図８に示す温度ＰＶ_ＯＡから出発する温度プログラムと温度ＰＶ_ＯＢから出発する温度プログラムとは、時間経過に対する温度上昇率が異なる。つまり、最も低い温度ＰＶ_Ｏｍｉｎを出発点とする温度プログラムでは時間経過に対する温度上昇率が最も高くなるように設定され、最も高い温度ＰＶ_Ｏｍａｘでは時間経過に対する温度上昇率が最も低くなるように設定されている。ここでは、最も高い温度ＰＶ_Ｏｍａｘのヒータ１０の温度プログラムは、出発点の温度を維持するように設定されている。これは、ヒータ１０の中で最も発熱温度の高い温度ＰＶ_Ｏｍａｘを収束点の温度すなわちＳＰ_１’としているためである。
【００２７】
ここで、最も高い温度ＰＶ_Ｏｍａｘのヒータ１０は、特許請求の範囲に記載の「一部発熱体」に相当し、最も高い温度ＰＶ_Ｏｍａｘのヒータ１０以外のヒータ１０は、特許請求の範囲に記載の「残部発熱体」に相当する。
ステップ５２の後、ステップ５３では減速昇温パターンから高速昇温パターンに切替える切替点を抽出する。温度分布監視部３４ａでは最も温度の低いヒータ１０の測定温度と他の各ヒータ１０の測定温度との差、例えば図８でＰＶ_ＯＡ−ＰＶ_Ｏｍｉｎを監視し、昇温カーブ監視部３４ｂでは各ヒータ１０の昇温カーブから測定温度の勾配を監視する。そして、切替点検出部３４ｅにより、前述した最も温度の低いヒータ１０の測定温度と他の各ヒータ１０の測定温度との差および測定温度の勾配によって、各ヒータ１０ごとに切替点を検出する。
【００２８】
このステップ５３により検出した切替点に各ヒータ１０の発熱温度が達しているか否かをステップ５４でチェックする。各ヒータ１０の発熱温度は切替点に達していなければステップ５３に処理を再度移行し切替点の検出を行い、また切替点に達していれば次のステップ５５に処理を移行する。
ステップ５５では、前述した温度プログラムのフィードバック制御のパラメータの設定を変化させる。例えば、ＰｉＤ制御の場合、比例帯、積分時間および微分時間を立上げ速度の早い制御パラメータに設定を変化させた後、ステップ５６に処理を移行する。
【００２９】
ステップ５６では、各ヒータ１０の発熱温度が収束点に達したか否かの判断を行う。収束点に達していなければ前述したステップ５３に処理を再度移行し切替点の検出を行い、収束点に達していれば次の目標温度である図８に示す点ＳＰ_１に向かって各ヒータ１０を昇温させる。この収束点に各ヒータ１０の発熱温度が達したとき、各ヒータ１０の発熱温度、すなわち収束点の温度と各ワーク６の温度との温度差は、３００℃以上であることが望ましい。これは、前述した次の目標温度である点ＳＰ_１に向かって各ワーク６の温度を短時間に昇温させるためである。
【００３０】
ここで、図６に示す切替点Ａ_１、Ａ_２、Ａ_ｎについて説明する。
図６に示すように、発熱温度の低いヒータ１０の切替点Ａ_１は、他のＡ_２およびＡ_ｎより早い時間に位置しており、発熱温度の高いヒータ１０の切替点Ａ_ｎは、Ａ_１およびＡ_２より遅い時間に位置している。つまり、ヒータ１０の発熱温度が低いほど切替点に達する時間が短く、また発熱温度が高いほど切替点に達する時間が遅い。これは、この切替点の前後でヒータ１０の昇温状態を減速昇温パターンから高速昇温パターンに切替えることから、ヒータ１０の発熱温度が低いものほど早い時期に高速昇温パターンに切替えることにより、他のヒータ１０との温度差を補っているためである。そのため、温度の低いヒータ１０ほど高速昇温パターンで昇温される時間が長く、温度の高いヒータ１０ほど高速昇温パターンで昇温される時間が短くなる。
【００３１】
次に、上述した温度制御方法により加熱制御した真空ろう付炉の実測データを図９に基づいて説明する。
加熱室４内に搬入される前のワーク６は常温環境下に置かれているため、搬入直後のワーク６の温度はほぼ２０℃になっていることが図９で時間軸０分から読取れる。一方、ワーク６を搬入した直後の加熱室４内のヒータ１０の発熱温度は、低いもので２２０℃程度、高いもので３７０℃程度になっていることが時間軸０分から読取れる。
【００３２】
このように、各ヒータ１０の発熱温度にばらつきが生ずるのは、ワーク６の搬入前、各ヒータ１０の発熱温度がほぼ６００℃を維持するように温度制御されても、ワーク６の搬入時の前扉２２の開閉により加熱室４内に侵入した外気により各ヒータ１０がそれぞれ異なった条件で冷却されるためである。つまり、前扉２２に近い位置に配設されるヒータ１０ほど外気に触れ易いため発熱温度が低下が助長され、前扉２２に遠い位置に配設されるヒータ１０ほど外気に触れ難いため発熱温度の低下が抑制されることから、各ヒータ１０の発熱温度にばらつきが生ずる。
【００３３】
昇温開始から３分経過すると、前述したように各ヒータ１０の発熱温度が収束する。このときの収束温度は４３０℃程度である。まだこの時点では、各ワーク６の温度がばらついており、低温側ワークが９４℃程度、高温側ワークが１２７℃程度に加熱されている。
昇温開始から１２．５分経過すると、各ワーク６の温度がろう材固相点付近（５５７℃）に達する。すると、各ワーク６に塗布されたろう材の溶解が始まる。このとき、ろう材固相点でのワーク６の温度のばらつきは、±３℃以下に抑えられ、ろう材固相点以降では各ワーク６の温度を示す曲線が同一線上に重なっていることが判る。また各ヒータ１０の発熱温度は、６２０℃程度に達している。
【００３４】
昇温開始から２７．５分経過すると、各ワーク６がろう付終了温度（５９５℃）に達するため、ワーク６に塗布されたろう材はろう材液相点（５７０℃）以降で全て溶解しろう付工程が完了する。これにより、昇温開始から２７．５分でろう付工程が完了する。
この本実施例の温度制御方法による加熱時間の短縮化を明確にするため、従来の比較例による「温度追従待ち」を行う温度制御方法により加熱制御した真空ろう付炉の実測データを図１０に示す。
【００３５】
図９に示す本実施例の温度特性と図１０に示す従来の比較例の温度特性とを比較すると、本実施例の温度制御方法では各ワーク６の収束時間が１２．５分であるのに対し、比較例の温度制御方法ではその時間が２１分になっている。つまり、本実施例の温度制御方法によると、各ワーク６の収束時間が８．５分程度の時間短縮ができる。
【００３６】
また、各ワーク６の均熱性を±３℃以内に保ちながら、ろう付終了温度（５９５℃）に達するまでの時間は、本実施例の温度制御方法では２７．５分であるのに対し、比較例の温度制御方法では４４分であることが図９および図１０より判る。これにより、本実施例の温度制御方法によると、１６．５分程度の時間短縮ができ、約１．６倍の高速化を図ることができる。
【００３７】
なお、本実施例では、真空ろう付炉の温度制御方法について説明したが、本発明ではこれに限られることはなく、複数のヒータからなる加熱手段を有する加熱炉であれば同様に短時間にヒータの発熱温度のばらつきを収束することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱炉の温度制御方法を適用した一実施例による真空ろう付炉の温度制御部の構成等を示すブロック図である。
【図２】本実施例による真空ろう付炉のシステム構成図である。
【図３】本実施例による真空ろう付炉の内部を示す正面図である。
【図４】本実施例による真空ろう付炉の内部を示す側面図である。
【図５】本実施例による真空ろう付炉のヒータとワークとの位置関係を示す模式的説明図である。
【図６】本実施例による真空ろう付炉の加熱初期段階における加熱時間に対するヒータの発熱温度を示す特性図である。
【図７】本実施例による真空ろう付炉のヒータの発熱温度を収束させる温度制御処理を示すフローチャート図である。
【図８】本実施例による真空ろう付炉のヒータの温度収束の演算方法を示す説明図である。
【図９】本実施例による真空ろう付炉の加熱時間に対するヒータおよびワークの温度を示す特性図である。
【図１０】従来の比較例による真空ろう付炉の加熱時間に対するヒータおよびワークの温度を示す特性図である。
【符号の説明】
１炉体
４加熱室
６ワーク（被発熱体）
１０ヒータ（発熱体）
１１熱電対
３２多点温度測定部（温度センサ群）
３４温度制御部（温度制御手段）
３４ａ温度分布監視部
３４ｂ昇温カーブ監視部
３４ｃ収束点演算部
３４ｄ切替点演算部
３４ｅ切替点検出部
３６多点ヒータ出力部

Claims

複数の発熱体を有する加熱炉の温度制御方法であって、
前記加熱炉内に被発熱体を搬入した後、前記複数の発熱体のそれぞれの温度を検出し、
前記複数の発熱体の中で最も温度の高い一部発熱体の温度に向かって残部発熱体の温度が収束するようにこの残部発熱体の温度を制御し、
前記残部発熱体の温度が前記一部発熱体の温度に収束した後、前記複数の発熱体の全てを所定温度に達するように前記複数の発熱体の温度を制御できることを特徴とする加熱炉の温度制御方法。
前記一部発熱体は、前記残部発熱体の温度が収束する前に昇熱または降熱制御されることを特徴とする請求項１記載の加熱炉の温度制御方法。
前記残部発熱体の温度が前記一部発熱体の温度に収束したとき、前記被発熱体の温度は、この収束温度より３００℃以上低いことを特徴とする請求項１または２記載の加熱炉の温度制御方法。
炉体と、
前記炉体内に収容される複数の発熱体と、
前記複数の発熱体のそれぞれの温度を検出する温度センサ群と、
前記温度センサ群の検出値により前記複数の発熱体の温度をそれぞれ制御する温度制御手段とを備える真空ろう付炉であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱炉の温度制御方法により前記温度制御手段を制御することを特徴とする真空ろう付炉。