JP6799814B2 - 気相式加熱方法及び気相式加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱転移液の蒸気の気化潜熱を利用して被加熱物を加熱する気相式加熱方法及び気相式加熱装置に関するものである。

近年、様々な工業製品もしくは家電の組み立て製造工程、又はそれらの製品の構成部品となる各種電子部品、各種の電池、もしくは、電子部品が実装された基板などのデバイス製造工程において、各種熱処理装置で処理される被加熱物の形状が複雑化している。例えば、前記電子部品が実装された基板においても、平面基板だけでなく、立体的な基板の水平面以外の部分に、はんだペーストを塗布して電子部品を配置しただけの保持力が弱い状態で、はんだペーストを溶融して接合するための加熱処理が行われている。また、立体となることで、被加熱物の熱容量そのものも、増加する傾向にある。ここで、各種熱処理装置とは、例えば乾燥炉、キュア炉、もしくは電子部品の実装工程などではんだ付けに使用されるリフロー炉などである。

これらの被加熱物の加熱工程では、不均一な加熱能力による被加熱物の各箇所における温度上昇のばらつきがある場合は、加熱工程の所望の所要時間を得るために、全ての部分が所望の温度に昇温した状態から、さらに所望の時間を保持する必要があり、昇温の遅い部分を所望の時間保持するためには、昇温の早い部分は必要以上の熱にさらされることになり、その場合、特に熱影響の大きい場合は、品質への影響が懸念される。また、熱風の衝突による熱伝達を利用した加熱工程の場合、被加熱物の熱容量が大きい場合は、所望の昇温速度を得るために、熱風の被加熱物への衝突速度を速めることで、熱伝達率を高くすることが出来る。しかしながら、例えば、前記立体的な基板の水平面以外の部分に、はんだペーストを塗布して電子部品を配置しただけの保持力が弱い状態で加熱処理をする必要がある場合、はんだの溶融、その後の冷却によるはんだの凝固が完了する以前に、熱風を高速で衝突させることで、部品が基板から剥離してしまう可能性が大きくなる。そこで、熱容量の大きい基板についても熱風の衝突による部品の剥離などを回避し、高い熱伝達率を利用して被加熱物を効率良く加熱する方法として、熱転移液の蒸気が有する気化潜熱を利用して加熱する方法で、かつ、被加熱物の昇温速度を任意に設定する方法として、例えば特許文献１の方式が知られている。

図１０は特許文献１の従来の気相式はんだ付け装置の説明図である。特許文献１で開示されている構成は、以下の構成である。従来の気相式はんだ付け装置は、容器１０１と、ヒータ１０３と、凝縮器１０４と、搬入機構１０７と、制御機構１０８とを備えている。

容器１０１は上部に開口を有している。熱転移液１０２は、容器１０１の下部の液部１０１ｂに貯溜されている。ヒータ１０３は、容器１０１の下部の液部１０１ｂ内に設けられて、熱転移液１０２を加熱するヒータである。凝縮器１０４は、熱転移液１０２の上面と所定の間隔を有して設けられている。熱転移液１０２の飽和蒸気１０５は、熱転移液１０２の上面と凝縮器１０４との間に形成されている。搬入機構１０７は、被処理物１０６を開口から搬入し飽和蒸気１０５に挿入されている。制御機構１０８は、被処理物１０６が７０℃を越えて、１００℃から１５０℃の間の温度に昇温する範囲で、被処理物１０６の挿入速度を１５ｍｍ／ｓｅｃ未満に制御する。ここで、従来の気相式はんだ付け装置は、蒸気槽１０１ａの底部に熱転移液１０２の液部１０１ｂが形成され、この液部１０１ｂに収容された熱転移液１０２をヒータ１０３によって加熱することで蒸発し、液部１０１ｂの上部にその温度での飽和蒸気１０５が形成される。この飽和蒸気１０５に、被処理物１０６、例えば基板上にはんだペーストを介して電子部品を搭載した電子回路基板等、を浸漬して飽和蒸気１０５の蒸気に接触させることで、温度の下がった飽和蒸気１０５が熱転移液１０２に液化し、この際に飽和蒸気１０５の持つ気化潜熱を被処理物１０６に与えて加熱する。この加熱により被処理物１０６の温度がはんだ付け温度に到達することではんだが溶融し、冷却後にはんだ付けが完了する。この際、飽和蒸気１０５内に一度に被処理物１０６を投入すると、気化潜熱による熱伝達率は非常に高いため、被処理物１０６の熱容量によっては昇温速度が速すぎる場合が多い。そのため、特許文献１の構成においては、所望の昇温速度を実現するために、被処理物１０６の温度を測定しながら、所望の昇温速度となるように飽和蒸気１０５への投入速度を調節しながら投入し、最終的には飽和蒸気１０５に被処理物１０６全体が浸漬する状態にすることで、熱転移液１０２の沸点に至るまで被処理物１０６は加熱されることになる。

また、熱転移液の飽和蒸気１０５の濃度を均一化するための方法として、特許文献２の方式が知られている。図１１は特許文献２の説明図である。特許文献２で開示されている構成は、以下のような構成である。物品がその一部に配置されてなる基体１１１を、これらの物品及び基体１１１を溶着する溶着剤の溶融温度以上の沸点を有する不活性液体１１２の蒸気１１３内に配置している。そして、蒸気１１３の気化潜熱を利用して溶着剤を加熱溶融し、物品と基体１１１とを溶着するようにした気相式溶着装置において、蒸気１１３内に、蒸気１１３を破壊しない程度の緩やかな対流を起こさせる撹拌装置１１４を設けている。特許文献２の構成によると、不活性液体１１２の液面に垂直な方向に高さのある被加熱物としての物品と基体１１１とに対しても蒸気１１３を略均等に接触させることが出来る。

特開平２−１１２８７１号公報 特開平２−８０１６８号公報

しかしながら、前記特許文献１の構成では、一般的な電子回路基板のように前記液面に対して水平方向に略平面の構成の場合であれば、被加熱物の温度ばらつきは限定的なものになるが、前記液面に対して垂直方向に高さのある被加熱物の場合は、この高さ方向で蒸気の濃度の差及び温度の差による影響で加熱能力に差ができ、被加熱物の各箇所、特に前記液面に対する垂直方向において昇温に差が発生し、温度ばらつきができてしまうという課題を有している。

また、前記特許文献２の構成では、攪拌装置によって熱転移液の蒸気の濃度の均一化を図るために、蒸気内の高さ方向の蒸気濃度を一定とする効果は見込めるが、蒸気濃度が一定であり増減できないため、蒸気内に投入された被加熱物の昇温速度を所望の昇温速度に調整することが出来ないという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱物の周辺の熱転移液の蒸気濃度を所望の濃度に増減して調節しかつ均等に保持することができて、被加熱物の加熱の際に場所及び時間による加熱能力の差が生じない気相式加熱方法及び気相式加熱装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる気相式加熱方法は、熱転移液の蒸気を加熱炉に供給し、供給された前記蒸気の気化潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う気相式加熱方法であって、
前記加熱炉では、前記熱転移液の前記蒸気を含む加熱気体で前記被加熱物を加熱し、前記蒸気が、前記被加熱物に接触し冷却されて液化し、前記蒸気の気化潜熱を相変化により前記被加熱物に与えたのち、前記被加熱物の表面から前記加熱炉の下部に向かって滴下した前記熱転移液を回収し、
前記被加熱物を加熱したのちの前記加熱気体を、前記加熱炉内から循環経路に排出し、
前記循環経路において、前記加熱気体を加熱する加熱源の上流側に、前記熱転移液を液滴として供給し、その後、前記液滴を加熱して蒸気とし、前記蒸気を含む前記加熱気体を前記循環経路から再び前記加熱炉に供給し、
前記回収及び前記供給により、前記熱転移液の前記蒸気を前記加熱炉において所定の量に保持し、前記加熱炉内での前記熱転移液の前記蒸気の分布を均一にして、前記加熱炉内に設置されている前記被加熱物を所定の昇温速度で加熱する。

また、前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる気相式加熱装置は、被加熱物を内部に保持し、熱転移液の蒸気を含む加熱気体を前記被加熱物に接触させて前記蒸気の気化潜熱を利用して前記被加熱物の加熱を行う加熱炉と、
前記加熱炉内から前記被加熱物を加熱したのちの前記加熱気体を排出し、再び前記加熱気体を前記加熱炉に供給する循環経路と、
前記循環経路に配置され、前記加熱気体を前記加熱炉に向けて送る送風装置と、
前記循環経路に配置され、前記循環経路に前記熱転移液を液滴として供給する供給装置と、
前記循環経路の前記供給装置の下流側に配置されて、前記加熱炉内から前記被加熱物を加熱したのちに排出された前記加熱気体を加熱するとともに、前記供給装置から供給された前記液滴の前記熱転移液を加熱して前記熱転移液の前記蒸気とする加熱装置と、
前記加熱炉内で前記熱転移液を回収する回収装置と、
前記熱転移液の供給装置と前記回収装置とをそれぞれ制御し、前記循環経路に対する前記熱転移液の前記蒸気の前記供給又は前記回収の量を制御して前記加熱炉内の前記蒸気を所定の量に調節する制御部と、
前記加熱炉内で前記被加熱物の周囲に配置されて、前記被加熱物に略均等に前記加熱炉内の前記加熱気体を吹き付ける噴出部材と、
前記加熱炉の下部に配置されて、前記被加熱物の下方に前記被加熱物の表面で液化して滴下する前記熱転移液を再度加熱して蒸気とする再加熱装置と、
を備える。

以上のように、本発明の前記態様にかかる気相式加熱方法及び気相式加熱装置によれば、液滴の熱転移液の供給と、加熱炉からの熱転移液の回収とにより、熱転移液の蒸気を加熱炉において所定の量に保持し、前記加熱炉内での熱転移液の蒸気の分布を均一にして、加熱炉内に設置されている被加熱物を所定の昇温速度で加熱することができる。また、熱転移液を液滴として供給することが可能であるため、加熱装置と熱転移液との接触面積を大きく取ることが可能となり、熱転移液の液滴に加熱装置の熱を、より伝えやすく、気化しやすくなる。この結果、前記供給と前記回収とを調節すれば、被加熱物への熱伝達を行う熱転移液の蒸気の濃度を増減して調節しかつ均等にすることができ、昇温速度を加減することが可能となり、被加熱物の加熱の際に場所及び時間による加熱能力の差が生じず、立体的な被加熱物においても均等な熱伝達による均一加熱を行うことが出来る。

本発明の実施の形態における気相式加熱方法を実施する気相式加熱装置の説明図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置において蒸気濃度の高い状態を表す説明図 図２Ａの構成における温度プロファイルの説明図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置において蒸気濃度の低い状態を表す説明図 図３Ａの構成における温度プロファイルの説明図 本発明の実施の形態の気相式加熱装置の熱転移液供給による蒸気濃度調節の説明図 本発明の実施の形態の第１変形例における気相式加熱装置の説明図 図５の気相式加熱装置の昇温ゾーンの断面図 図５の気相式加熱装置の保温ゾーンの断面図 本発明の実施の形態の第１変形例における気相式加熱装置の温度プロファイルの説明図 本発明の実施の形態の第２変形例における気相式加熱装置の説明図 図８の気相式加熱装置の構成における温度プロファイルの説明図 従来の気相式加熱装置を示す説明図 従来の気相式加熱装置を示す説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態における気相式加熱方法の説明図である。気相式加熱方法を実施可能な気相式加熱装置は、加熱炉１と、循環ダクト２と、循環ファン３と、熱転移液供給機４及び熱転移液槽１１及び熱転移液供給源１１ｂとを備えている。

加熱炉１は、気相式加熱装置ケーシング８８内に配置されて、被加熱物７を加熱処理する。

循環ダクト２は、気相式加熱装置ケーシング８８内に配置されて、加熱炉１に連通して加熱炉１内の加熱気体が循環する。循環ダクト２は循環経路の一例として機能する。

循環ファン３は、気相式加熱装置ケーシング８８に配置され、かつ循環ダクト２の経路上、例えば一端、に配置されて加熱気体を循環させる。

熱転移液供給機４及び熱転移液槽１１及び熱転移液供給源１１ｂは、気相式加熱装置ケーシング８８外に配置されて循環ダクト２の経路上に連結されて循環ダクト２に熱転移液を供給する。

熱転移液槽１１及び熱転移液供給源１１ｂは熱転移液供給装置の一例として機能する。

加熱気体の一例としては、大気すなわち空気であり、詳しくは、熱転移液の蒸気を含む空気である。熱転移液の一例としては、電気絶縁性のフッ素系不活性液体である。

加熱炉１には、例えば、被加熱物７を収納した多数の開口８ａ付きの筐体８が大略中央付近に配置されている。加熱気体は、加熱炉１の下部の右端部から供給されて、筐体８内の被加熱物７を加熱したのち、加熱炉１内の筐体８の上端開口部８ｂから排出されるように構成されている。筐体８の詳細については、後述する。

加熱炉１の下流側（例えば図１では加熱炉１の上端部）には、加熱気体を循環させるための循環ダクト２の一端（例えば上端）が連結されている。加熱炉１の上流側（例えば図１では加熱炉１の下部の右端部）には、循環ダクト２の他端（例えば下端）が連結されている。よって、循環ファン３によって循環ダクト２の一端から他端に向けて加熱気体を強制的に流すことにより、加熱炉１内の上流側から下流側に向けて加熱炉１内の加熱気体に気流を発生させている。

また、循環ダクト２の経路上でかつ熱転移液供給機４の下流側には、加熱源の一例としての加熱ヒータ５が設置されている。加熱ヒータ５は、循環ダクト２内を流れかつ被加熱物７への熱伝達によって温度の低下した加熱炉１内の加熱気体に対して、熱エネルギーを供給して、加熱気体を所望の温度まで昇温させる。さらには、加熱ヒータ５は、熱転移液供給機４から供給された熱転移液６に対しても、気化潜熱以上の熱エネルギーを供給してこれを蒸気とする。すなわち、加熱ヒータ５は、ヒータ制御部５ａで加熱制御を行うことができ、加熱ヒータ５での加熱気体に対する加熱温度を気体加熱用設定温度としてヒータ制御部５ａで設定し、ヒータ制御部５ａの制御の下に、気体加熱用設定温度まで加熱気体を加熱し、かつ供給した熱転移液に気化潜熱を与えることにより、加熱炉１での被加熱物７を所望の温度まで加熱可能としている。

熱転移液供給源１１ｂは、熱転移液槽１１に接続されたポンプなどで構成されている。熱転移液槽制御部１１ａの制御の下に、熱転移液供給源１１ｂが駆動され、空気などの気体を熱転移液槽１１内に所定圧力で供給し、その供給圧で熱転移液槽１１内の熱転移液を熱転移液供給機４に供給する。熱転移液槽制御部１１ａの制御の下に、熱転移液供給源１１ｂから熱転移液槽１１内への気体の供給量を調整することにより、熱転移液供給機４への熱転移液の供給量を制御することができる。

さらには、熱転移液供給機４は、循環ファン３と加熱ヒータ５との間の循環ダクト２の経路上に連結している。よって、熱転移液供給機４から供給した液滴の熱転移液６を加熱ヒータ５で気化して蒸気とし、循環ダクト２内を流れる加熱気体と混合している。ここで、熱転移液供給機４には、熱転移液槽１１から所望の量の熱転移液６を循環ダクト２に液滴で供給するために、熱転移液供給源１１ｂと熱転移液槽制御部１１ａとを備えて供給量制御を行っている。

循環ダクト２内を流れる加熱気体と気化した熱転移液６の蒸気とが混ぜられるとき、循環ダクト２内で加熱ヒータ５で加熱された加熱気体は、加熱炉１内に供給された熱転移液６の蒸気の液化を防ぐために、熱転移液６の沸点以上の温度に調節されている。循環ダクト２内で気化した熱転移液６の蒸気を含んだ加熱気体は、被加熱物７が設置されている加熱炉１内に循環ダクト２の他端で循環ダクト２内から送風される。

循環ファン３による加熱炉１内に対する加熱気体の送風は、被加熱物７への加熱気体の衝突速度が所望の速度となるように調節される。加熱炉１では、熱転移液６の蒸気を含んだ加熱気体が被加熱物７に衝突することで、加熱気体そのものの持つ熱エネルギーも被加熱物７に熱伝達されるが、加熱気体に含まれる蒸気が被加熱物７に接触することによって冷却されて液化することで、蒸気の液化への相変化による凝縮潜熱を被加熱物７に与える。このため、被加熱物７に対して加熱気体の衝突だけの場合と比較して、非常に高い熱伝達率によって被加熱物７の温度を高効率に昇温することができる。

ここで、加熱炉１は、被加熱物７に熱転移液６の蒸気を含んだ加熱気体を均一に接触させることができるように、加熱炉１内において多数の微小な開口８ａを各面に有する筐体８で、被加熱物７を囲うことで、各微小な開口８ａから略均等な風速で被加熱物７に対して熱転移液６の蒸気を含む加熱気体を吹き付ける。筐体８は、その内部に被加熱物７を収納できかつ被加熱物７との間に隙間が確保できるように、被加熱物７よりも大きい、直方体、又は、円柱体など任意の立体形状に構成されている。加熱炉１の上端の中央部の開口１ｈに連通する筐体８の上端の中央部には、上端開口部８ｂを有して、循環ダクト２の一端に連結されている。この循環ダクト２の一端には、循環ファン３も配置されている。筐体８は、加熱炉１内で被加熱物７の周囲に配置されて被加熱物７に略均等に加熱炉１内の加熱気体を吹き付ける噴出部材の一例として機能する。加熱炉１の下端の中央部の開口１ｇは、多数の微小な開口８ａを有する筐体８の下面の中央部に対向している。

加熱炉１の筐体８内では蒸気が被加熱物７に接触して、蒸気が持っていた気化潜熱を被加熱物７に与えた熱転移液６の蒸気は、被加熱物７の表面で相変化により液化し、被加熱物７の表面から筐体８の開口８ａを通過して加熱炉１の下部に向かって熱転移液６が滴下する。なお、筐体８の底面においても略均等な風速で被加熱物７に加熱気体を吹き付けるが、それと同時に、前記液化した熱転移液６の滴下によって、前記筐体８の微小な開口８ａが塞がれないようにする必要がある一方、被加熱物７に熱転移液６の蒸気を含んだ加熱気体を均一に接触させるため、各開口８ａは直径３〜５ｍｍ程度であると好適である。

この際、滴下する熱転移液６の一部は、沸点以上に設定された加熱炉１内の加熱気体のエネルギーで再度気化するが、加熱炉１の底面に滴下した熱転移液６については、再度加熱して気化させ、加熱炉１内の加熱気体中に蒸気として供給するために、底面ヒータ９を、加熱炉１の下端の中央部の開口１ｇに対向する、循環ダクト２内の加熱炉１の下方の気相式加熱装置ケーシング８８の底面に設置する。底面ヒータ９は再加熱装置の一例として機能する。底面ヒータ９の加熱制御は、後述する制御部４０で可能であるが、別にヒータ制御部を設けて加熱制御するようにしてよい。

これにより、加熱炉１及び循環ダクト２によって形成される加熱気体の循環する空間内に熱転移液供給機４より供給された熱転移液６の蒸気は、加熱炉１内で安定的に存在し、加熱ヒータ５による加熱気体の温度と、加熱気体に含まれる蒸気の濃度とが、それぞれ、設定温度と設定濃度とに大略保持される。このように構成することで、加熱炉１における加熱能力が、被加熱物７に対応した所望の能力に維持される。

この際、一部の蒸気については、加熱炉１の壁面に接触して液化しかつ底面ヒータ９に導かれずに再度気化することができない可能性がある。さらには、被加熱物７の凹部に液化した熱転移液６が溜まったまま又は被加熱物７の壁面に付着したまま、被加熱物７の搬出時に被加熱物７とともに加熱炉外に持ち出されてしまう可能性がある。このため、前記したように加熱炉１内から失われた量（言い換えれば、例えば回収装置４１により回収された熱転移液６の量）の熱転移液６は、適宜、熱転移液供給装置から加熱炉１内に追加及び補充される。

一例として、この熱転移液の追加及び補充は、加熱炉１内を循環している加熱気体に含まれる熱転移液の濃度変化を検出することにより行われる。加熱気体に含まれる熱転移液の量が、何らかの理由で変化した場合、蒸気の濃度が変化する。そこで、この蒸気の濃度の変化を検出して、熱転移液の濃度変化を検出する。蒸気の濃度を検出する蒸気濃度検出装置９０としては、具体的には、吸収率の高い波長の赤外線を用いて透過率の差を検出する装置か、又は、一部の加熱気体を常時サンプリングして露点を検出する装置などが考えられる。そのような蒸気濃度検出装置９０で検出した結果に応じて、所定の蒸気量を循環経路に供給し又は循環経路から排出することにより、前記回収装置４１により回収された熱転移液６の量の追加及び補充を行うことができる。蒸気濃度検出装置９０は、一例として、図１では、循環ダクト２の加熱ヒータ５の上流側に配置しているが、これに限られるものではなく、循環ダクト２内の任意の位置、例えば加熱炉１の上端開口部８ｂ付近又は加熱ヒータ５の下流側などに配置してもよい。蒸気濃度検出装置９０で検出された情報は、制御部４０に入力されて、他の装置の制御に使用される。

また、回収装置４１は、再度気化されずに自重で排出されて回収された、液化した熱転移液を、熱転移液槽１１に供給するポンプ４１ａを少なくとも備えている。このポンプ４１ａにより、加熱炉１の底面に滴下した熱転移液６を加熱炉１から強制的に排出するようにしてもよい。回収装置４１で回収する熱転移液の量は、例えば、回収した熱転移液の量を流量計４１ｂなどで直接測定して求めることができる。又は、回収した熱転移液を回収タンク１０に保持し、その回収タンク１０での液面の位置を液面計（図示せず）で計測して、回収した熱転移液の量を検出することもできる。

また、回収した熱転移液の量に応じて熱転移液を供給するためには、例えば、以下のようにすればよい。まず、回収した熱転移液の量と供給した熱転移液の量との関係テーブルまたは関係式を関係情報として予め求めて内部記憶部に記憶し、この関係情報に基づいて、回収した熱転移液の量に応じて熱転移液の供給量を回収装置の演算部４１ｅで算出し、算出した供給量に応じた熱量を演算部４１ｅで算出し、算出した熱量を加熱ヒータ５から熱転移液６に制御部４０で付与する。

被加熱物７に対応して加熱炉１における加熱能力を増減して調節するためには、熱転移液の供給量を増減させることで可能となる。

例えば、加熱能力を高める際には、供給する熱転移液６の量を増加させて、加熱炉１内の加熱気体中の熱転移液６の蒸気濃度を、それまでの設定濃度よりも高い所望の蒸気濃度まで高めることで、蒸気から被加熱物７に与える気化潜熱を増加させることが出来る。

逆に、加熱炉１における加熱能力を低下させるためには、被加熱物７に接触して蒸気から被加熱物７に気化潜熱を与えて相変化により液化して加熱炉１の底面に滴下する熱転移液６を再度気化させることなく、つまり、底面ヒータ９による気化を止めることで、滴下した熱転移液６を加熱炉１の底面の排出部１ｄから回収経路４２上の回収装置４１で回収し、回収経路４２を介して熱転移液槽１１に戻すことで、加熱気体中に含まれる熱転移液６の蒸気量を、それまでの設定蒸気量未満の所望の蒸気量まで削減することができる。

これによって、加熱炉１における加熱能力を低下させることが可能となる。この際、さらに熱転移液６の気化を抑制するために、加熱気体の加熱ヒータ５の能力も低下させて、加熱気体の温度を熱転移液６の沸点以下に制御することで、さらに被加熱物７に対する加熱能力を低下させることが可能となる。

必要に応じて、この実施形態では、図１に示すように、制御部４０が備えられている。制御部４０により、加熱ヒータ５の設定温度、熱転移液槽制御部１１ａを介しての熱転移液６の蒸気量(濃度)、循環ファン３のモータ３Ｍの回転速度、底面ヒータ９の加熱温度などをそれぞれ独立して制御可能としている。なお、図を簡略化するため、制御部４０などは、図１など一部の図にのみ図示して、他の図では省略している。

前記実施形態の構成の気相式加熱装置を使用する気相式加熱方法では、熱転移液６を加熱して形成された蒸気を循環ダクト２を介して加熱炉１に供給し、供給された蒸気の気化潜熱を利用して被加熱物７の加熱を行うとき、一例として、以下のような動作が行われている。

加熱炉１では、熱転移液６の蒸気を含む加熱気体で被加熱物７を加熱し、蒸気が、被加熱物７に接触し冷却されて液化し、蒸気の気化潜熱を相変化により被加熱物７に与えたのち、被加熱物７の表面から加熱炉１の下部に向かって熱転移液６が滴下して、回収タンク１０に熱転移液６が回収される。

また、被加熱物７を加熱したのちの加熱気体を、加熱炉１内から循環ダクト２に排出する。循環ダクト２においては、排出した加熱気体に、熱転移液６の蒸気を熱転移液供給機４から供給し、気化した熱転移液６の蒸気を含む加熱気体を、循環ダクト２から再び加熱炉１に供給する。

このような回収及び供給を制御部４０で制御することにより、熱転移液６の蒸気を、加熱炉１、又は、加熱炉１及び循環ダクト２において所定の量に保持し、加熱炉１内での熱転移液６の蒸気の分布を均一にして、加熱炉１内に設置されている被加熱物７を所定の昇温速度で加熱することができる。

ここで、図２Ａ及び図３Ａは本発明の実施形態における、熱転移液供給機４からの熱転移液６の供給量による加熱炉１内の熱転移液６の蒸気濃度の影響を説明する図である。図２Ａは、加熱気体中の熱転移液６の蒸気濃度が高い状態を示している。図３Ａは、加熱気体中の熱転移液６の蒸気濃度が低い状態を示している。図２Ａと図３Ａとの状態には、中間的な移行状態が存在する。図２Ａの状態と図３Ａの状態とでは、加熱能力が互いに異なるために昇温能力が互いに異なり、それぞれの場合の被加熱物７の昇温速度は、図２Ｂ及び図３Ｂのように互いに異なる。しかしながら、どちらの場合も、気化潜熱による昇温では、原理的に熱転移液６の沸点以上には加熱されない。そのために、加熱気体の設定温度を沸点よりも少し高めに設定しておくことで、被加熱物７全体が熱転移液６の沸点温度になるまでは、それ以上に加熱されることは無く、被加熱物７全体が熱転移液６の沸点温度に到達した後は、加熱気体温度による昇温に移行するが、熱風の衝突による熱伝達率は、気化潜熱による熱伝達率に比較して非常に小さい。このため、必要以上に過熱される可能性はほとんど無い。図２Ａの場合は、時間ｔ１で所定の温度Ｔに到達することから昇温速度が速く、図３Ａの場合は、時間ｔ２で所定の温度Ｔに到達することから昇温速度が遅い。このため、それぞれ、図２Ｂ及び図３Ｂのような温度プロファイルの昇温となる。なお、ここでは、時間t２＞時間t１となっている。

図４は、本発明の実施形態における、熱転移液６の熱転移液供給機４から循環ダクト２への熱転移液供給方法についての説明図である。循環ダクト２に熱転移液６を供給する熱転移液供給機４としては、一例として一流体式の噴霧機のノズルを用いることで熱転移液６を微細な液滴として供給することが可能である。これにより、加熱ヒータ５と熱転移液６との接触面積を大きく取ることが可能となり、熱転移液６の液滴に加熱ヒータ５の熱を、より伝えやすく、気化しやすくなる。また、制御部４０によって制御される熱転移液６の必要な供給量に応じて、熱転移液槽制御部１１ａによって熱転移液供給源１１ｂを駆動制御して、熱転移液槽１１から熱転移液供給機４への熱転移液６の供給量または供給圧力が決定され、所望の量の熱転移液６の蒸気が循環ダクト２内に供給される。加熱ヒータ５は、供給された熱転移液６の供給量に応じて、この液滴の熱転移液６を気化させるための気化潜熱を与えるように、制御部４０によってヒータ制御部５ａが制御される。

図５は、本発明の実施形態の第１変形例における気相式加熱装置の説明図である。この気相式加熱装置は、被加熱物７の待機ゾーン１２と、待機ゾーン１２に一側部が隣接する昇温ゾーン１３と、昇温ゾーン１３の他側部に隣接する保温ゾーン１４とで構成される。

図６Ａは図５の昇温ゾーン１３の断面図である。図６Ｂは図５の保温ゾーン１４の断面図を示す。待機ゾーン１２と昇温ゾーン１３と保温ゾーン１４とにわたって、コンベヤベルトのような搬送装置４９が配置されて、３つのゾーン１２，１３，１４間で被加熱物７を搬送可能となっている。昇温ゾーン１３は、図６Ａに示すように、図１の気相式加熱装置で構成されている。保温ゾーン１４は、図６Ｂに示すように、図１の気相式加熱装置において、加熱炉１の代わりの保温室１Ｃに対して、加熱ヒータ５と循環ファン３とが配置された循環ダクト２が下端と上端に連結された構成となっている。

このような図５の構成は、図７に示す温度プロファイルのような、２段階以上の多段階の昇温を必要とする温度プロファイルを再現するための構成となっている。

待機ゾーン１２から昇温ゾーン１３に被加熱物７を供給し、昇温ゾーン１３で所望の昇温速度で被加熱物７を加熱する。

次いで、昇温ゾーン１３で被加熱物７が所望の温度に到達した後に、昇温ゾーン１３から保温ゾーン１４に被加熱物７を移送して、保温ゾーン１４で一定温度で被加熱物７を保持する。

その後、保温ゾーン１４で被加熱物７が所望の時間経過後に、保温ゾーン１４から、再度、昇温ゾーン１３に被加熱物７を移送して、昇温ゾーン１３で被加熱物７を所望の昇温速度で加熱する。

２段階の昇温が必要な温度プロファイルの場合は、この後に、昇温ゾーン１３から待機ゾーン１２に被加熱物７を搬出して、一連の熱処理完了となる。

図６Ｂの保温ゾーン１４では、被加熱物７の保温条件での温度設定で保持すれば良いので、積極的な加熱をする必要が無く、よって、気化潜熱などの熱伝達率の高い加熱方式を用いる必要が無い。本実施形態の第１変形例の場合は、熱風循環の構成を取っており、循環する加熱気体の温度を一定に保ち、被加熱物７の温度が低下しないように、循環ファン３で保温室１Ｃ内に加熱気体の気流を発生させて被加熱物７に加熱気体を吹き付ける。このとき、加熱気体の温度を所定の温度とするための加熱ヒータ５を循環ダクト２に設置している。

また、３段階以上のより多段階の加熱が必要な場合は、図８に前記実施の形態の第２変形例として示すように、昇温ゾーン１３での被加熱物７の加熱後に、再度、保温ゾーン１４に被加熱物７を移送するなどを繰り返すことにより、図９に示すように、多段階の昇温加熱が可能となる。ここでは、昇温ゾーン１３での加熱を（ｎ＋１）回、保温ゾーン１４への移送をｎ回行う場合について図示している。

なお、図７は、一例として、一般的な温度プロファイルを実現するために、本発明の実施形態の第１変形例におけるリフローはんだ付けの場合の温度プロファイルを従来方法との比較で説明する図である。第１変形例における電子部品を実装した基板のはんだ付けに用いるリフロー炉の場合の一般的な温度プロファイルを、実線で示す。従来の気相式加熱方式のリフロー炉の場合の温度プロファイルを、点線で示す。従来の気相式加熱方式のリフロー炉の場合では、赤外線加熱等により予熱を行い、その後に、はんだ付け温度まで昇温させるために熱転移液の蒸気に基板を投入し、昇温速度が一定で、多くの場合急激な昇温となってしまっている。この一般的な温度プロファイルを実現するために、第２変形例においては、予熱のための昇温は所望の昇温速度になるように、熱転移液６の蒸気濃度を調整した状態で加熱を行い、予熱温度に到達した後に、保温ゾーン１４に基板を移送して所定の時間だけ予熱温度を保持する。その後、本加熱のために、再度、昇温ゾーン１３に基板を移送して、再度、昇温を始め、熱転移液６の沸点を基板の所望のピーク温度としておく。このようにすることで、基板の温度も熱転移液６の沸点まで上昇してそのまま保持される。その後、所望の時間だけピーク温度に保持して半田が十分溶融して濡れ広がった後に、待機ゾーン１２に基板を搬出する。このようにすることで、所望の温度プロファイルを実現することができる。

前記実施形態によれば、熱転移液供給機４からの熱転移液６の供給と、加熱炉１からの熱転移液６の回収とを行うことにより、熱転移液６の蒸気を加熱炉１において所定の量に保持し、加熱炉１内での熱転移液６の蒸気の分布を均一にして、加熱炉１内に設置されている被加熱物７を所定の昇温速度で加熱することができる。この結果、前記供給と前記回収とを調節すれば、被加熱物７への熱伝達を行う熱転移液６の蒸気の濃度を増減しかつ均等にすることができ、昇温速度を加減することが可能となり、被加熱物７の加熱の際に場所及び時間による加熱能力の差が生じず、立体的な被加熱物７においても均等な熱伝達による均一加熱を行うことが出来る。

なお、被加熱物７の均一加熱を考慮すると、循環風量（風速）はできるだけ大きい方が有利であるが、部品形状又は実装方法などにより、部品が欠品となる衝突風速が異なる。このため、風速を一律に設定することは困難ではあるが、一例として、被加熱物７への衝突風速を最大１ｍ／ｓｅｃ程度とすることができる。ヒータ温度設定は、熱転移液の沸点に依存し、さらには所定の飽和蒸気圧に制御する際には、その沸点の温度近傍に、その都度、温度調節するなど、場合によって頻繁に変化する。しかしながら、温度設定の振り幅としては、熱転移液の（沸点の約１／２程度）〜（沸点＋１０℃程度）の設定幅を想定することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる気相式加熱方法及び気相式加熱装置は、被加熱物への熱伝達を行う熱転移液の蒸気の濃度を増減して調節しかつ均等にすることができ、昇温速度を加減することが可能となり、被加熱物の加熱の際に場所及び時間による加熱能力の差が生じず、立体的な形状の被加熱物においても均一な熱伝達による加熱を行うことが可能となる。このため、本発明の前記態様は、立体的な被加熱物を均一に加熱する加熱方法及び装置として、工業製品又は家電製品の製造工程又は各種電子部品の製造工程における乾燥炉、キュア炉、又はリフロー炉などの各種熱処理を行う熱処理方法及び装置に適用できる。

１ 加熱炉
１Ｃ 保温室
１ｄ 排出部
１ｇ 加熱炉の下端の中央部の開口
１ｈ 加熱炉の上端の中央部の開口
２ 循環ダクト
３ 循環ファン
３Ｍ 循環ファンのモータ
４ 熱転移液供給機
５ 加熱ヒータ
５ａ ヒータ制御部
６ 熱転移液
７ 被加熱物
８ 筐体
８ａ 開口
８ｂ 上端開口部
９ 底面ヒータ
１０ 回収タンク
１１ 熱転移液槽
１１ａ 熱転移液槽制御部
１１ｂ 熱転移液供給源
１２ 待機ゾーン
１３ 昇温ゾーン
１４ 保温ゾーン
４０ 制御部
４１ 回収装置
４１ａ ポンプ
４１ｂ 流量計
４１ｅ 演算部
４２ 回収経路
４９ 搬送装置
８８ 気相式加熱装置ケーシング
９０ 蒸気濃度検出装置

Claims (5)

1. 熱転移液の蒸気を加熱炉に供給し、供給された前記蒸気の気化潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う気相式加熱方法であって、
   前記加熱炉では、前記熱転移液の前記蒸気を含む加熱気体で前記被加熱物を加熱し、前記蒸気が、前記被加熱物に接触し冷却されて液化し、前記蒸気の気化潜熱を相変化により前記被加熱物に与えたのち、前記被加熱物の表面から前記加熱炉の下部に向かって滴下した前記熱転移液を回収し、
   前記被加熱物を加熱したのちの前記加熱気体を、前記加熱炉内から循環経路に排出し、
   前記循環経路において、前記加熱気体を加熱する加熱源の上流側に、前記熱転移液を液滴として供給し、その後、前記液滴を加熱して蒸気とし、前記蒸気を含む前記加熱気体を前記循環経路から再び前記加熱炉に供給し、
   前記回収及び前記供給により、前記熱転移液の前記蒸気を前記加熱炉において所定の量に保持し、前記加熱炉内での前記熱転移液の前記蒸気の分布を均一にして、前記加熱炉内に設置されている前記被加熱物を所定の昇温速度で加熱する、気相式加熱方法。
2. 前記循環経路に前記熱転移液を一流体式の噴霧機から前記液滴として供給することで、前記循環経路での前記熱転移液の前記蒸気の量を調節する、請求項１に記載の気相式加熱方法。
3. 前記加熱炉内において、前記熱転移液の前記蒸気を含んだ前記加熱気体を、前記加熱炉内に設置されている前記被加熱物に接触させて、前記熱転移液の前記蒸気の気化潜熱を前記被加熱物に与えた際に液化した前記熱転移液を、前記加熱炉内に配置された再加熱装置で再度加熱して、蒸気とする、請求項１又は２に記載の気相式加熱方法。
4. 被加熱物を内部に保持し、熱転移液の蒸気を含む加熱気体を前記被加熱物に接触させて前記蒸気の気化潜熱を利用して前記被加熱物の加熱を行う加熱炉と、
   前記加熱炉内から前記被加熱物を加熱したのちの前記加熱気体を排出し、再び前記加熱気体を前記加熱炉に供給する循環経路と、
   前記循環経路に配置され、前記加熱気体を前記加熱炉に向けて送る送風装置と、
   前記循環経路に配置され、前記循環経路に前記熱転移液を液滴として供給する供給装置と、
   前記循環経路の前記供給装置の下流側に配置されて、前記加熱炉内から前記被加熱物を加熱したのちに排出された前記加熱気体を加熱するとともに、前記供給装置から供給された前記液滴の前記熱転移液を加熱して前記熱転移液の前記蒸気とする加熱装置と、
   前記加熱炉内で前記熱転移液を回収する回収装置と、
   前記熱転移液の前記供給装置と前記回収装置とをそれぞれ制御し、前記循環経路に対する前記熱転移液の前記蒸気の前記供給又は前記回収の量を制御して前記加熱炉内の前記蒸気を所定の量に調節する制御部と、
   前記加熱炉内で前記被加熱物の周囲に配置されて、前記被加熱物に略均等に前記加熱炉内の前記加熱気体を吹き付ける噴出部材と、
   前記加熱炉の下部に配置されて、前記被加熱物の下方に前記被加熱物の表面で液化して滴下する前記熱転移液を再度加熱して蒸気とする再加熱装置と、
   を備える気相式加熱装置。
5. 前記循環経路に前記熱転移液を前記液滴として供給する一流体式の噴霧機を備えて、前記循環経路での前記熱転移液の前記蒸気の量を調節する、請求項４に記載の気相式加熱装置。

Images