JP6909999B2 - 気相式加熱方法及び気相式加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱転移液の蒸気の凝縮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、様々な工業製品若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、若しくは、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、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、若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だけ保持するためには、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、特に熱影響の大きい被加熱物の場合は、被加熱物の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、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凝縮潜熱を利用して加熱する蒸気加熱炉による加熱方法が知られている。このような蒸気加熱炉で使われる蒸気は、空気に比べて比重が大きいので、空気と蒸気とは比較的容易に２相に分離するが、被加熱物を蒸気加熱炉中に搬入／搬出するために、通常は蒸気加熱炉に出入口を設けるので、蒸気が容易に炉外に流出し、貴重な熱転移液の蒸気を回収不能のまま失うことになる。

このための対策として、一般的に、以下のような方法が知られている。

（１）蒸気加熱炉内の空気と熱転移液の蒸気とがその比重の差によって分離する界面よりも上部に、被加熱物を搬入及び搬出するための開口部を設け、この開口部から被加熱物を蒸気加熱炉に搬入及び搬出する方法。

（２）被加熱物を搬入及び搬出する蒸気加熱炉の出入口に二重のシャッター等を設けて、蒸気加熱炉と外部空間とを一時的に遮蔽するための閉空間を構成し、被加熱物の搬入、搬出時に蒸気加熱炉と外部空間とを区切る方法。

（３）蒸気加熱炉の出入口に比較的長めのトンネルを設け、トンネルの途中に冷却部等による熱転移液の蒸気を凝縮する凝縮器を取り付けてトンネル内に流出した蒸気を凝縮回収する方法。

しかしながら、方法（１）の場合は、被加熱物を加熱するためには、被加熱物を蒸気加熱炉に搬入した水平面に対して、熱転移液の蒸気に被加熱物が浸漬する高さまで下方に移動させる必要があるために、搬送のための機構が複雑になるとともに、被加熱物の搬入及び蒸気の相への下降浸漬時に蒸気加熱炉内の熱転移液の蒸気を攪拌するために、熱転移液の蒸気に空気が混合してしまい、熱転移液の蒸気の凝縮潜熱による加熱能力自体が低下してしまう可能性がある。

方法（２）の場合は、特に蒸気加熱炉の出口側において、被加熱物を出口側の閉空間に移送するために閉空間の蒸気加熱炉側のシャッターを一時的に開放した際に熱転移液の蒸気も被加熱物と一緒に閉空間に導入され、閉空間の蒸気加熱炉側のシャッターを閉じ、被加熱物を外部空間に搬出するために閉空間の外部空間側のシャッターを一時的に開放することで、被加熱物の外部空間への搬出とともに熱転移液の蒸気の一部が外部空間に流出することを防ぐことはできない。

方法（３）は、熱転移液の蒸気を一度冷却し、液化してから回収することで、熱転移液を蒸気に気化するための加熱に要した気化潜熱をそのまま冷却して奪ってしまうためにエネルギーの多大な損失になるとともに、蒸気の冷却温度によっては、熱転移液の飽和蒸気圧によって熱転移液の蒸気を気化しきれずに、蒸気の一部が大気中に流出するのを完全に防ぐことはできない。

これらの課題に対し、例えば特許文献１の方式が知られている。図１３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。図１３は側面図であり、蒸気加熱炉２５の左半分は縦断面で示す。

液体３０は、加熱によって蒸気２１を発生させるための熱転移液である。排気口２２は、蒸気加熱炉２５内の気体を炉外に排出するためのノズルである。出入口２３は、炉の内外の境界となる出入口端である。コンベア２４は、被処理物を蒸気加熱炉２５に搬入するためのコンベアである。トンネル２６は、被処理物を搬入、搬出する通路となるとともに、後述の空気流の通路となる。トンネル２７は、トンネル２６を延長したトンネルであり、被加熱物を搬入する通路となる。トンネル２８は、トンネル２６よびトンネル２７の境にあり、トンネル２６から分岐しており、これらトンネル２６，２７の上部から斜め上方向に延びているトンネルであり、トンネル２６を通過する空気流の通路となる。排出口２９は、この空気流を排出するノズルである。

動作としては、液体３０を、加熱して蒸気２１を発生させると、蒸気２１は、蒸気加熱炉２５の内部をある高さまで上昇し、上部の空気相との間に空気−蒸気の界面３１ができる。一方、一部の蒸気は、出入口２３及びトンネル２７を通って炉外に流出する。ここで、トンネル２６内に流出蒸気の運動量を越える運動量をもった空気流を作れば、この気流はトンネル２８を通過し、排出口２９より排出されるので、トンネル２７内にまで流出した蒸気２１はこの気流に押し戻されて炉外流出が防止できる。

トンネル２６内に流れ方向に均一な気流を作るためには、トンネル２６の長さは、トンネル高さの３倍以上あればよい。トンネル２８は、トンネル２６を通過した空気をできるだけなめらかに上部に導くために、蒸気加熱炉２５の方へ向って斜め上方向に延ばしている。トンネル２６とトンネル２８との境に渦流が生ずれば、トンネル２７内の蒸気をまき込むからである。気流を上部に導くのは、蒸気２１は対空気比重が大きいので下部に、すなわちトンネル２７内に集めるためである。

蒸気をトンネル２７内に封じ込めるために、さらに望ましくは、トンネル２６を通過する空気の運動エネルギーをトンネル２７の出入口２３より流出する蒸気の運動エネルギーより大きくすることである。すなわち、蒸気の対空気比重をα、流出蒸気の平均流速をＶｌ、空気の流速をＶ２とすると、Ｖ２＞Ｖ１×√αが成り立つことが望ましい。

トンネル２７において、その出入口２３で空気側と蒸気側が均圧するよう蒸気加熱炉２５の上部の圧力をトンネル２８内の圧力より小さくすれば、蒸気の吹き出し圧力が小さくなるので、トンネル２７内に空気−蒸気の斜めの界面が生じ、蒸気の流出量は大幅に少なくなる。

なお、トンネル２６及びトンネル２７ともに蒸気加熱炉２５に向って下がるように多少勾配をつけておけば、凝縮液が自然に蒸気加熱炉２５に戻り、都合が良い。

特開昭６０−１０８１６３号公報

このような特許文献１の構成では、蒸気加熱炉が１ゾーンだけの単独で構成される装置の場合は、前述のように外部からの気流を取り込んで気流制御によって熱転移液の蒸気を蒸気加熱炉内に閉じ込める動作は可能である。

しかしながら、より複雑な温度プロファイルを形成する必要がある際は、１ゾーンだけではなく、蒸気加熱炉、又は蒸気の凝縮潜熱を利用する加熱方法以外の加熱手段を用いる加熱炉等を複数連結して用いる装置が必要となり、その場合は、複数の隣接する蒸気加熱炉又は加熱炉との隣接間の狭小な空間において、蒸気の流出防止のための特別な機構が必要となり、連続炉では全長が長くなるといった課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物を加熱する蒸気加熱炉を含む、複数の加熱炉が連結されて構成される連続炉の気相式加熱方法及び装置において、蒸気の流出防止のための特別な機構が不要となり、隣接する蒸気加熱炉と加熱炉との間で熱転移液の蒸気の圧力差を低減することができる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、
熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う少なくとも一つの蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉と連通して配置された少なくとも一つの加熱炉又は他の蒸気加熱炉とを備える連続炉で、前記被加熱物を加熱する気相式加熱方法であって、
前記一つの蒸気加熱炉と隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉との間を連通する前記被加熱物の搬出入部を介して、前記被加熱物を前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉又は前記一つの蒸気加熱炉に搬入し、
前記一つの蒸気加熱炉内の前記搬出入部よりも上方に備えた冷却部で前記熱転移液の前記蒸気を冷却するとともに、前記冷却部よりも上方に前記搬出入部よりも圧力損失の小さく設けられて前記一つの蒸気加熱炉と隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉との間を連通した連通部により前記一つの蒸気加熱炉と前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で気体が出入りして前記連続炉内の圧力を均等にしつつ、搬入された前記被加熱物を加熱する。

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、
熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う少なくとも一つの蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉と連通して配置された少なくとも一つの加熱炉又は他の蒸気加熱炉とを備える連続炉で構成されて前記被加熱物を加熱する気相式加熱装置であって、
前記一つの蒸気加熱炉は、
前記被加熱物を搬出入可能に、隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で連通する搬出入部と、
前記搬出入部よりも上方に配置されて、前記熱転移液の蒸気を冷却する冷却部と、
前記冷却部よりも上方に配置されて、前記隣接する加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で連通して前記一つの蒸気加熱炉と前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で気体が出入り可能としかつ前記搬出入部よりも圧力損失の小さい連通部と、
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、複数の加熱炉が狭小な間隔で連結するような炉であっても、熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う蒸気加熱炉と、蒸気の流出防止のための特別な機構が不要となり、蒸気の少ない領域の圧力損失の小さい連通部で隣接する加熱炉間の圧力差を低減することができる。その結果として、蒸気の多い被加熱物の搬送面の連通部での蒸気の移動を低減することが出来る。よって、各蒸気加熱炉の熱転移液の蒸気濃度及び凝縮潜熱による加熱能力などの制御を、各蒸気加熱炉で安定して行うことができるようになる。

本発明の実施の形態における気相式加熱装置の説明図 本発明の別の実施の形態におけ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被加熱物を搬入する方法の説明図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置に被加熱物を搬入する方法の説明図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置に被加熱物を搬入する方法の説明図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置に被加熱物を搬入する方法の説明図 被加熱物の連続搬送の構成における温度プロファイルと気相式加熱装置との関係を示す説明図 本発明の別の実施の形態において、被加熱物の分割搬送の構成における温度プロファイルと気相式加熱装置との関係を示す説明図 連通部の複数の入口形状とそれらの入口形状による気流の損失係数とを示す図 本発明の実施の形態における気相式加熱装置の隣接する加熱炉間の連通部分の拡大説明図 図７の構成における第２連通部の拡大図 図８Ａの第２連通部の断面図 図７の構成における第１連通部の拡大図 図９Ａの第１連通部の断面図 本発明の実施の形態の別の実施例における気相式加熱装置の隣接する加熱炉間の連通部分の拡大説明図 図１０の構成における第１連通部の拡大図 図１１Ａの第１連通部の断面図 本発明の別の実施の形態における気相式加熱装置の蒸気加熱炉の被加熱物の搬送方向とは９０度異なる方向から見た説明図 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装置の説明図である。気相式加熱装置５０は、少なくとも一つの蒸気加熱炉４とを備える連続炉である。蒸気加熱炉４は、搬出入部６と、冷却部８と、連通部７とを備える。

気相式加熱装置５０は、一例として、複数の加熱炉５が直列的に連結して構成されている。気相式加熱装置５０は、熱転移液２の蒸気３の凝縮潜熱を与えることで被加熱物１を加熱する蒸気加熱炉４を少なくとも一つ含む。図１の場合は、蒸気加熱炉４の前後（図１では左側と右側と）に、熱風循環等による熱転移液２の蒸気３を用いない加熱手段による加熱炉５が、前後に連通して配置されている。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。

蒸気加熱炉４は、底面付近に、所定量の熱転移液２を保持する浴槽４ｘを有する。浴槽４ｘ内には、保持する熱転移液２を加熱して蒸気３にするための電気ヒータなどの加熱源１７を備えている。

加熱源１７は、熱転移液２の浴槽４ｘの中に投入して使用する投げ込み式、若しくは浴槽４ｘの壁面全体、若しくは浴槽４ｘの壁面の一部を加熱する構成でも可である。なお、加熱源１７の加熱能力は、少なくとも熱転移液２の蒸気３が、蒸気加熱炉４の内壁面、又は後述する冷却部８及び搬送部９等で冷却されて液化するよりも多くの熱転移液２を蒸気３とするために必要な加熱能力と、それに加えて、被加熱物１を所望の昇温速度で加熱するために必要な量の蒸気３を形成するために熱転移液２に付与する加熱能力との総量よりも大きい加熱能力が必要である。搬送部９は、一例として、連続炉を貫通して被加熱物１を搬送可能なベルトコンベヤで構成される。

蒸気加熱炉４は、その上流、又は下流に配置される加熱炉５と、それぞれ少なくとも２か所の連通部６，７を有する。２か所の連通部６，７のうちの１つは、上流の加熱炉５から蒸気加熱炉４に被加熱物１を搬入、又は、蒸気加熱炉４から下流の加熱炉５に被加熱物１を搬出するために必要な開口部であって、被加熱物１の搬入及び搬出のための搬送部９によって被加熱物１が通過するための搬出入部の一例として機能する第１連通部６である。２か所の連通部６，７のうちのもう１つの連通部７は、被加熱物１の搬入及び搬出のための第１連通部６よりも蒸気加熱炉４内の上方にあって、蒸気加熱炉４の上流及び下流にそれぞれ配置される加熱炉５とそれぞれ連通する第２連通部７である。図１では、被加熱物１の搬送部９上に配置された第１連通部６と、第１連通部６よりも蒸気加熱炉４内の上方に位置する第２連通部７との間に冷却部８を配置する。複数の第１連通部６は、被加熱物１の搬送部９沿いに配置されるとともに、複数の第２連通部７も、被加熱物１の搬送部９と大略平行な直線上に配置される。

冷却部８の一例としては、蒸気加熱炉４の内壁面に沿って配置したパイプの中に、蒸気加熱炉４の外部空間で冷却した水を流すことによって前記パイプ表面を冷却する冷却装置が例示できる。

ここで、気相式加熱方法の工程について説明する。

まず、被加熱物１を連続炉の気相式加熱装置５０に搬入する前に、加熱のための準備として、蒸気加熱炉４内では、浴槽４ｘ内の熱転移液２を加熱源１７によって加熱し、連続的に熱転移液２を蒸気３とするための気化潜熱を与えて、蒸気３の蒸気相を形成、増加させていく。加熱源１７の稼働の当初は、蒸気加熱炉４内の各箇所の温度は、熱転移液２の沸点以下である。このため、蒸気加熱炉４内の各箇所に接触した熱転移液２の蒸気３は、接触した各箇所に凝縮潜熱を与えて液化し、液化した熱転移液２は、自重によって蒸気加熱炉４の下部に落下し、熱転移液２の浴槽４ｘに回収される。この繰り返しで、蒸気加熱炉４内の各箇所は、熱転移液２の凝縮潜熱を受け取ることによって、徐々に加熱されて、順次、熱転移液２の沸点温度まで達する。

その結果、蒸気加熱炉４内の大気の相と熱転移液２の蒸気３の蒸気相との界面が徐々に上方に移動し、冷却部８まで達する。冷却部８は、接触する熱転移液２の蒸気３を冷却して液化回収する目的で一定温度となるように、水で温度調整をしている。この水は、蒸気加熱炉４の外部からパイプ内に導入している。このため、熱転移液２の蒸気３の接触による凝縮潜熱は、水によって蒸気加熱炉４の外部空間に持ち出され、パイプ表面の温度が、熱転移液２の沸点に達することは無い。その結果、蒸気加熱炉４内の大気の相と熱転移液２の蒸気３の蒸気相との界面は、蒸気加熱炉４の壁面付近では、冷却部８の高さまで到達して保持される。なお、熱転移液２の蒸気３の比重が大気よりも大きいため、壁面付近の蒸気３が液化することで、蒸気加熱炉４の中央付近の蒸気３も壁面方向に移動し、そこで冷却部８によって冷却される。つまり、冷却部８よりも上部の空間には、熱転移液２の蒸気３が到達しにくいために、冷却部８より上方には、熱転移液２の蒸気３は、その空間の温度での飽和蒸気圧分しか存在することが出来ず、冷却部８より下方の蒸気相に比較して、熱転移液２の蒸気３が非常に少ない空間５１となる。

さらに、この構成において、形状の詳細は後述するが、被加熱物１の搬送部９のための開口である第１連通部６の入口形状又は連通部内部の形状は、熱転移液２の蒸気３が、隣接する上流又は下流に連通する加熱炉５に流れにくくするように、入口損失又は圧力損失の大きい構造とする。もう１つの連通部である、冷却部８より上方の第２連通部７の入口形状又は連通部内部の形状は、冷却部８より上方の空間に存在する熱転移液２の蒸気３が少ない気体が流れやすくなるように、入口損失又は圧力損失の小さい構造とする。

このような構成により、蒸気加熱炉４内で熱転移液２が加熱され、蒸気３となることによる液体から気体への相変化に伴う体積膨張による蒸気加熱炉４内の圧力の上昇によって、前後の加熱炉５と蒸気加熱炉４との間に圧力差が発生した場合に、冷却部８より上方で熱転移液２の蒸気３の少ない気体が存在する空間５１に配置された第２連通部７を通じて、蒸気加熱炉４と前後の加熱炉５との間で気体のやりとりが、第１連通部６よりも優先的に行われ、圧力差が解消されることになる。このとき、冷却部８より下方の被加熱物１の搬送部９にある第１連通部６では、熱転移液２の蒸気３が、入口損失の大きい構造である第１連通部６に流れ込みにくいため、結果として、蒸気加熱炉４から前後に隣接する加熱炉５への熱転移液２の蒸気３の流出を防ぐことになる。

図２は、蒸気加熱炉４に隣接する上流側にも、熱転移液２の凝縮潜熱を利用した加熱を行うための蒸気加熱炉４Ａを連結した場合の説明図である。

上流側の蒸気加熱炉４Ａとして、一例として、蒸気加熱炉４の熱転移液２とは沸点の異なる別の熱転移液２Ａを使用する場合がある。又は、別の例として、上流側の蒸気加熱炉４Ａとして、蒸気加熱炉４の熱転移液２の仕様と熱転移液２Ａの仕様は同じであるが、熱転移液２Ａに付与する熱エネルギーの量を制御することで、熱転移液２Ａの蒸気３Ａの濃度が蒸気加熱炉４の熱転移液２の蒸気３の濃度とは異なる蒸気加熱炉４Ａを隣接して配置している場合である。

蒸気加熱炉４と蒸気加熱炉４Ａの炉体間の連通部６，７に関する構成の特徴は、図１の場合と同様に、上流の蒸気加熱炉４Ａとの連通部６，７は２つあり、被加熱物１の搬入のための第１連通部６は入口損失の大きい形状とし、冷却部８Ａより上方の第２連通部７は入口損失の小さい形状とする。上流側の蒸気加熱炉４Ａでも、熱転移液２Ａの蒸気３Ａは、蒸気加熱炉４Ａの壁面付近に設置されている冷却部８Ａで冷却されて液化し、蒸気加熱炉４Ａの下方に落下する。このため、冷却部８Ａより上方は、熱転移液２Ａの蒸気３Ａが非常に少ない空間５１となる。これによって、蒸気加熱炉４と蒸気加熱炉４Ａとの間で圧力差が発生した際には、冷却部８Ａよりも上方の蒸気３Ａの非常に少ない空間５１に配置される第２連通部７での気体のやり取りによって、隣接する炉体間に発生する圧力差を解消し、隣接する炉体間での沸点の異なる熱転移液２Ａの蒸気３Ａの流出、流入、あるいは蒸気３Ａの濃度差異による相互の干渉を低減することが出来る。ここで、第１連通部６では、蒸気のみの気体又は多くの蒸気を含む気体が移動可能であるのに対して、第１連通部６から冷却部８Ａより上方に配置された第２連通部７では、蒸気無しの気体又は第１連通部６よりも少ない量の蒸気を含む気体が移動可能である。

図３Ａ〜図３Ｄは、被加熱物１の連続炉への搬入方法の一例である。図３Ａ〜図３Ｄでは、連続炉は、上流側から下流側に向けて（すなわち、図３Ａ〜図３Ｄでは左端から右端に向けて）、入口チャンバー部１５、第１蒸気加熱炉４ａ、加熱炉５、第２蒸気加熱炉４ｂ、冷却部１９、出口チャンバー部１６が隣接して直列的に配置されている。

各蒸気加熱炉４ａ，４ｂでの圧力変動については、上流及び下流で連通する加熱炉５と蒸気加熱炉４ａ，４ｂとの間で、図１の構成によって圧力差を解消することができるが、蒸気加熱炉４ａ又は４ｂ内の圧力が炉外部の大気圧よりも高い状態で保持されている場合、つまり、隣接する加熱炉５内の圧力も含めて、炉内全体の圧力が、炉の外部空間の大気圧との間で差がある場合、その圧力差については、炉体の入口及び出口に、炉体の内部空間を炉体の外部から一時的に遮蔽する空間を設けることで、圧力差を解消する。

このような遮蔽する空間を有する装置の構成としては、図３Ａに示すように、炉体の入口側に入口チャンバー部１５、及び炉体の出口側に出口チャンバー部１６をそれぞれ設けることで実施できる。入口チャンバー部１５と出口チャンバー部１６とがそれぞれ炉体の内部空間を炉体の外部から一時的に遮蔽する空間として機能する。入口チャンバー部１５は、上流側の入口側シャッター部１１Ａと出口側シャッター部１２Ａとをそれぞれ独立して開閉可能に有する。出口チャンバー部１６も、上流側の入口側シャッター部１１Ｂと出口側シャッター部１２Ｂとをそれぞれ独立して開閉可能に有する。

以下に、入口チャンバー部１５の具体的な動作を説明する。

まず、図３Ａでは、被加熱物１の搬入に際し、入口チャンバー部１５の上流側の入口側シャッター部１１Ａが開き、入口チャンバー部１５に被加熱物１が大気圧の連続炉外から搬入される。このとき、出口側シャッター部１２Ａは閉じたままの状態にある。被加熱物１が入口チャンバー部１５内に搬入完了した後に、入口側シャッター部１１Ａが閉じ、図３Ｂの状態となる。この図３Ｂの状態では、入口チャンバー部１５内の空間が、炉体の内部空間を炉体の外部から一時的に遮蔽する空間として機能する。

ここで、図３Ｂの状態において、圧力調節動作を行う。すなわち、第１の蒸気加熱炉４に配置された圧力検出部１３Ａによる第１の蒸気加熱炉４ａ内の圧力検出結果に基づいて、圧力差を低減すべく炉外の大気を圧力調整部１４Ａで導入することで、入口チャンバー部１５内の圧力が、第１の蒸気加熱炉４ａ内の圧力と同等になるように、圧力調整部１４Ａによって調節される。

このような圧力調節が完了した後に、図３Ｃのように、入口チャンバー部１５の入口側シャッター部１１Ａは閉じたまま、出口側シャッター部１２Ａが開かれ、被加熱物１が第１の蒸気加熱炉４ａに移送されて搬入される。このとき、入口チャンバー部１５内の圧力と第１の蒸気加熱炉４ａ内の圧力とは圧力調節動作により同一に調節されているため、出口側シャッター部１２Ａが開いている間に気体の拡散レベルによる気体の混合は発生する可能性はあるが、気流が発生することは無く、第１の蒸気加熱炉４ａの蒸気が入口チャンバー部１５に気流として流れ込むこと、及び、逆に、入口チャンバー部１５内の外気が第１の蒸気加熱炉４ａ内に気流として流れ込むことは、回避される。

被加熱物１の搬入後、図３Ｄのように、出口側シャッター部１２Ａが閉じて、入口チャンバー部１５と第１の蒸気加熱炉４ａとは遮蔽される。

その後、被加熱物１は、蒸気加熱炉４ａから加熱炉５と第２蒸気加熱炉４ｂとを経て、第２蒸気加熱炉４ｂに至る。

一方、被加熱物１の連続炉の下流側の端部の第２蒸気加熱炉４ｂからの搬出に際しては、出口チャンバー部１６の上流側の入口側シャッター部１１Ｂと出口側シャッター部１２Ｂとが閉じた状態で、圧力検出部１３Ｂによる冷却部１９内の圧力検出結果に基づいて、圧力差を低減すべく炉外の大気を圧力調整部１４Ｂで導入することで、出口チャンバー部１６内の圧力が、冷却部１９内の圧力と同等になるように、圧力調整部１４Ｂによって調節される。

このような圧力調節が完了した後に、出口側シャッター部１２Ｂは閉じたまま、入口側シャッター部１１Ｂが開放されて、被加熱物１が冷却部１９から出口チャンバー部１６内に搬入される。

搬入完了後に、入口側シャッター部１１Ｂが閉じる。その後、出口側シャッター部１２Ｂが開放され、被加熱物１が連続炉外に移送され搬出される。

これによって、被加熱物１を連続炉内に搬入する際及び連続炉外に搬出する際においても、連続炉内の圧力によらず、連続炉内の熱転移液２の蒸気３の連続炉外への流出を回避することが出来る。

なお、蒸気加熱炉４ａ，４ｂにおける熱転移液２の気化による体積膨張による圧力変動分を大気圧に保持することで、入口チャンバー部１５及び出口チャンバー部１６での圧力調整は不要とすることも可能である。

図４は、本発明の実施の形態における、図３Ａの気相式加熱装置において、入口から出口まで連続して同一速度で被加熱物１が搬送される搬送部９を有する場合の温度プロファイルの説明図である。被加熱物１の搬入からの加熱について、第１の蒸気加熱炉４ａを予熱工程として被加熱物１を所望の温度まで加熱し、次の加熱炉５では熱風循環加熱等によって予熱温度を保持する。その後、第２の蒸気加熱炉４ｂにおいて本加熱工程として、さらに所望の温度まで昇温することで加熱処理が終了し、冷却部１９で被加熱物１の冷却を行うことで温度プロファイルが完成する。

図５は、本発明の別の実施の形態における気相式加熱装置において、入口から出口までの被加熱物１の搬送部１０は、各蒸気加熱炉４ａ，４ｂ及び加熱炉５ごとに区切った搬送とする構成とした場合の温度プロファイルの説明図である。各蒸気加熱炉４ａ，４ｂ及び加熱炉５ごとに区切った、コンベヤベルトなどの搬送部１０とすることで、各蒸気加熱炉４ａ，４ｂ、及び加熱炉５内のそれぞれで被加熱物１の移動速度を変化させることが出来、場合によって停止することも可能となるため、各蒸気加熱炉４ａ，４ｂ、及び加熱炉５でそれぞれ所望の時間保持することが出来る。

そのため、図４の場合の温度プロファイルよりも各加熱工程を長短変化させることが出来、これによって、例えば一例として、図５に示す温度プロファイルのように加熱炉５における温度保持時間を長くする場合、又は、図示はしないが、第２の蒸気加熱炉４ａ，４ｂにおけるピーク温度に到達した後の時間を変化させることが可能となるなど、より複雑な温度プロファイルを作成することが可能となる。

図６は、第１連通部６と第２連通部７とにそれぞれ適用するための連通部６０、すなわち、連通部６０Ａ〜６０Ｅの入口側の形状の代表例と、それぞれの形状における損失係数を示す。

図６（ａ）では、連通部６０Ａが、炉壁６１から炉壁６１に対して起立するように延びかつ被加熱物１が出入りする開口部６３を有する筒部６２で構成されている。好ましくは、炉壁６１に対して筒部６２が直交している。

図６（ｂ）では、連通部６０Ｂが、図６（ａ）と同様に、炉壁６１から炉壁６１に対して起立するように延びかつ被加熱物１が出入りする開口部６３を有する筒部６２で構成されている。好ましくは、炉壁６１に対して筒部６２が直交している。図６（ａ）と異なるのは、開口部６３の周囲の開口部６３と筒部６２との接続部分に円錐形状の傾斜平面６４が形成されていることである。

図６（ｃ）では、連通部６０Ｃが、図６（ａ）と同様な構成であるが、図６（ａ）と異なるのは、開口部６３の周囲の開口部６３と筒部６２との接続部分に断面が湾曲した湾曲した円錐面６５が形成されていることである。

図６（ｄ）では、連通部６０Ｄが、炉壁６１を貫通して炉壁６１の両側に延びかつ被加熱物１が出入りする開口部６３を有する筒部６２で構成されている。好ましくは、炉壁６１に対して筒部６２が直交している。筒部６２の端面６２ａは、筒部６２の軸方向と直交する面となっている。

図６（ｅ）では、連通部６０Ｅが、炉壁６１を貫通して炉壁６１の両側に延びかつ被加熱物１が出入りする開口部６３を有する筒部６２で構成されている。好ましくは、炉壁６１に対して筒部６２が直交している。筒部６２の端面６２ｂは、筒部６２の軸方向に対して開口部６３から遠ざかるにつれて広がるように傾斜した傾斜面となっている。

第１連通部６と第２連通部７とは、それぞれ、上流側の入口側の形状と下流側の入口側の形状とを同じにしたほうが、入口損失を同等にすることができて、制御しやすい。

第１連通部６と第２連通部７との開口部６３への気流の流れやすさとなる入口損失に差を付け、第２連通部７の入口損失を小さくすることで、第２連通部７のほうで隣接する炉体間の気流のやり取りが優先的に行われるように入口の形状を決定する。入口損失△Ｐは、損失係数と、流体の密度と流速とから決定され、下記計算式で求められる。

入口損失 △Ｐ ＝損失係数×密度×（流速）^２／２
第１連通部６と第２連通部７との開口部６３への気流の流れやすさとなる入口損失に差を付け、第２連通部７の入口損失を小さくする構成例としては、第２連通部７は、軸方向に対して傾斜又は湾曲する面で囲まれた、入口側の開口を有し、第１連通部６は、軸方向に対して直交する面で囲まれた、入口側の開口を有することにより、第２連通部７は、第１連通部６よりも圧力損失が小さくなるように構成する。

図７は、図２において蒸気加熱炉４と隣接する上流側の蒸気加熱炉４Ａとの間の第１連通部６及び第２連通部７に関する詳細な説明図である。図８Ａは、図７における冷却部８よりも上方の第２連通部７の形状の詳細図であり、図８Ｂは図８Ａの縦断面図を示している。図９Ａは図６における搬送部９のための連通部である第１連通部６の形状の詳細図であり、図９Ｂは図９Ａの縦断面図を示している。

ここで、図７の構成において、入口損失の計算式を適用する。

まず、密度については、図７の蒸気加熱炉４の場合、冷却部８の上下では熱転移液２の蒸気濃度が異なり、熱転移液２の蒸気の比重は大気よりも大きいため、冷却部８より上方の空間に存在する気体のほうが密度は低くなり、密度の点からは冷却部８より上方の空間に配置される第２連通部７のほうが入口損失の数値が小さくなる。また、流速については、炉内の状態が安定状態となった際には、第１連通部６と第２連通部７と共に気流そのものが発生しておらず、非常に小さいため、ほぼ同等である。

よって、入口損失の値は、計算式における損失係数の大小に大きく依存することになる。ここで、図７の第２連通部７である図８Ａの形状は、入口損失を小さくするために、図６（ｃ）の形状の連通部６Ｃを採用し、その場合の入口損失の損失係数は０．００５〜０．０６となる。図７の第１連通部６である図９Ａの形状は、入口損失を大きくするために、図６（ｄ）の形状の連通部６Ｄを採用し、その場合の入口損失の損失係数は０．５６となる。これより、図７の構成の場合、冷却部８より上方の連通部である第２連通部７の入口損失は、冷却部８より下方の連通部である第１連通部６の入口損失よりも、損失係数の比較で約１０倍〜１００倍小さく、さらに加えて気体の密度も小さいため、結果として、入口損失ΔＰは１０倍〜１００倍以上小さい値となる。この結果、冷却部８の上部の第２連通部７で優先的に気体のやり取りが発生することになり、これによって、蒸気加熱炉４と隣接する蒸気加熱炉４Ａとの間の圧力差が解消する。

図１０は、蒸気加熱炉４と隣接する蒸気加熱炉４Ａとの間の連通部に関する詳細な別の実施例の説明図である。図１０の第２連通部７の形状は、図８Ａと同様とする。図１１Ａは、別の実施例として、図１０の搬送部のための第１連通部６０Ｆの形状の詳細な説明図であり、図１１Ｂは図１１Ａの縦断面図を示している。図６の入口損失を決定する損失係数を表記する形状の中に、図１１Ｂの構造の損失係数は示されない。しかしながら、この形状は、入口損失とは別で、入口の形状に寄らず、連通部６０Ｆのほぼ全経路に渡って複数のひだ状の円環状の突起部１８が連続して配置されるラビリンス構造と言われる形状である。言い換えれば、この連通部６０Ｆは、先の連通部６０Ａ〜６０Ｅの打ちの任意のものと組み合わせることもできる。このような連通部６０Ｆの構造は、主に各種の炉などの出入り口において既に広く使用されており、炉内空間と外部空間とを完全な遮蔽は行わないまま、連通部６０Ｆ内の気流の流れに対してひだ状の突起部１８が大きな圧力損失となることで、気流を流れにくくする構造である。なお、ラビリンス構造のひだ状の突起部１８は、柔軟な材料でも可であり、その場合、被加熱物１の搬送部９，１０上に張り出していても被加熱物１の搬送の妨げにはならない。

なお、図７及び図１０においては入口損失、及び圧力損失の差による気流の流れやすさについての記述のため、図６の入口形状による損失係数の前提と同様に、第１連通部６と第２連通部７との縦断面における開口面積は同一とする場合を前提としているが、より効果を大きくするために、第１連通部６の縦断面の開口面積に対して第２連通部７の縦断面の開口面積を大きくすると、より好適である。

前記構成により、蒸気３の少ない空間５１の圧力損失の小さい連通部７で隣接する加熱炉４，５間の圧力差を解消し、結果として、蒸気３の多い被加熱物１の搬出入部の連通部６での蒸気３の移動を低減することが出来る。これにより、蒸気加熱槽４の蒸気３の移動及び流出を削減することが可能となる。

すなわち、前記実施形態によれば、複数の加熱炉４，５が狭小な間隔で連結するような炉であっても、熱転移液２の蒸気３の凝縮潜熱を利用して被加熱物１の加熱を行う蒸気加熱炉４（又は４Ａ，４ａ，４ｂ）と、隣接する他の加熱炉５との間の連通部７において、蒸気の流出防止のための特別な機構が不要となり、蒸気３の少ない領域５１の圧力損失の小さい連通部７で隣接する加熱炉４，４Ａ，４ａ，４ｂ，５間の圧力差を低減することができる。その結果として、蒸気３の多い被加熱物１の搬送面の連通部６での蒸気３の移動を低減することが出来る。よって、各蒸気加熱炉４の熱転移液２の蒸気濃度及び凝縮潜熱による加熱能力などの制御を、各蒸気加熱炉４で安定して行うことができるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、蒸気加熱炉４は、その内部の下部の浴槽４ｘ内に加熱源１７を配置しているが、このような構成に限定されるものではなく、図１２に示すように、蒸気加熱炉４の外部に蒸気発生部４ｙを接続部４ｚを介して接続し、蒸気発生部４ｙの加熱源１７ｙで熱転移液２を加熱して蒸気３を発生させ、発生した蒸気３を接続部４ｚを介して蒸気加熱炉４に供給するようにしてもよい。なお、図１２は、蒸気加熱炉４の被加熱物１の搬送方向とは９０度異なる方向から見た説明図として図示している。

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 被加熱物
２ 熱転移液
２Ａ 熱転移液
３ 蒸気
３Ａ 蒸気
４ 蒸気加熱炉
４ｘ 浴槽
４ｙ 蒸気発生部
４ｚ 接続部
４Ａ 蒸気加熱炉
５ 加熱炉
６ 第１連通部
７ 第２連通部
８ 冷却部
８Ａ 冷却部
９ 搬送部
１０ 搬送部
１１Ａ 入口側シャッター部
１１Ｂ 入口側シャッター部
１２Ａ 出口側シャッター部
１２Ｂ 出口側シャッター部
１３Ａ 圧力検出部
１３Ｂ 圧力検出部
１４Ａ 圧力調整部
１４Ｂ 圧力調整部
１５ 入口チャンバー部
１６ 出口チャンバー部
１７ 加熱源
１８ 突起部
１９ 冷却部
２１ 蒸気
２２ 排気口
２３ 出入口
２４ コンベア
２５ 蒸気加熱炉
２６ トンネル
２７ トンネル
２８ トンネル
２９ 排出口
３０ 液体
３１ 空気−蒸気の界面
５０ 気相式加熱装置
５１ 熱転移液の蒸気が非常に少ない空間
６０ 連通部
６０Ａ〜６０Ｆ 連通部
６１ 炉壁
６２ 筒部
６２ａ 端面
６２ｂ 端面
６３ 開口部
６４ 傾斜平面
６５ 湾曲した円錐面

Claims (7)

1. 熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う少なくとも一つの蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉と連通して配置された少なくとも一つの加熱炉又は他の蒸気加熱炉とを備える連続炉で、前記被加熱物を加熱する気相式加熱方法であって、
   前記一つの蒸気加熱炉と隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉との間を連通する前記被加熱物の搬出入部を介して、前記被加熱物を前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉又は前記一つの蒸気加熱炉に搬入し、
   前記一つの蒸気加熱炉内の前記搬出入部よりも上方に備えた冷却部で前記熱転移液の前記蒸気を冷却するとともに、前記冷却部よりも上方に前記搬出入部よりも圧力損失の小さく設けられて前記一つの蒸気加熱炉と隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉との間を連通した連通部により前記一つの蒸気加熱炉と前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で気体が出入りして前記連続炉内の圧力を均等にしつつ、搬入された前記被加熱物を加熱する、気相式加熱方法。
2. 前記一つの蒸気加熱炉では、その下部の浴槽で前記熱転移液を加熱して前記蒸気を生成する、請求項１に記載の気相式加熱方法。
3. 熱転移液の蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を行う少なくとも一つの蒸気加熱炉と、前記一つの蒸気加熱炉と連通して配置された少なくとも一つの加熱炉又は他の蒸気加熱炉とを備える連続炉で構成されて前記被加熱物を加熱する気相式加熱装置であって、
   前記一つの蒸気加熱炉は、
   前記被加熱物を搬出入可能に、隣接する前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で連通する搬出入部と、
   前記搬出入部よりも上方に配置されて、前記熱転移液の蒸気を冷却する冷却部と、
   前記冷却部よりも上方に配置されて、前記隣接する加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で連通して前記一つの蒸気加熱炉と前記加熱炉又は前記他の蒸気加熱炉との間で気体が出入り可能としかつ前記搬出入部よりも圧力損失の小さい連通部と、
   を備える気相式加熱装置。
4. 前記一つの蒸気加熱炉では、その下部の浴槽で前記熱転移液を加熱して蒸気を生成する加熱源を有する、請求項３に記載の気相式加熱装置。
5. 前記搬出入部の縦断面の開口面積に対して前記連通部の縦断面の開口面積を大きくする、請求項３又は４に記載の気相式加熱装置。
6. 前記連通部の上流側の入口損失と下流側の入口損失とは同じである、請求項３〜５のいずれか１つに記載の気相式加熱装置。
7. 前記連通部は、軸方向に対して傾斜又は湾曲する面で囲まれた、入口側の開口を有し、
   前記搬出入部は、軸方向に対して直交する面で囲まれた、入口側の開口を有することにより、前記連通部は、前記搬出入部よりも圧力損失が小さくなるように構成する、請求項３〜６のいずれか１つに記載の気相式加熱装置。

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