JP7182109B2

JP7182109B2 - 気相式加熱方法及び気相式加熱装置

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Publication number: JP7182109B2
Application number: JP2020056255A
Authority: JP
Inventors: 耕一永井; 直文日野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN113441804B; CN113441804A; JP2021154334A

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。このような場合は、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る。このとき、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る。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凝縮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、被加熱物１０６を容器１０１の開口から搬入し飽和蒸気１０５内に挿入されている。制御機構１０８は、被加熱物１０６が７０℃を越えて、１００℃から１５０℃の間の温度に昇温する範囲で、被加熱物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、容器１０１として蒸気層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。加熱された熱転移液１０２は蒸発し、液部１０１ｂの上方の蒸気層１０１ａ内に、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、被加熱物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。このように構成することで、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の持つ凝縮潜熱を被加熱物１０６に与えて被加熱物１０６を加熱する。この加熱により、被加熱物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、溶融はんだの冷却後に、はんだ付けが完了する。この際、飽和蒸気１０５内に一度に被加熱物１０６を投入すると、凝縮潜熱による熱伝達率は非常に高いため、被加熱物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、被加熱物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つつ投入し、最終的には、飽和蒸気１０５に被加熱物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加熱物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。電子部品などの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の凝縮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ている。このような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、被加熱物１０６が搬入機構１０７によって下方に移動し、熱転移液１０２の蒸気１０５に浸漬して凝縮潜熱で加熱される際に、被加熱物１０６より上方に存在していた熱転移液１０２が被加熱物１０６に凝縮潜熱を付与して一旦全て液化し、被加熱物１０６より上方の熱転移液１０２の蒸気１０５が無い状態となる。そのため、容器１０１の下部に貯留され、加熱されている熱転移液１０２が蒸気となって再び上方に押し上げられ、蒸気層１０１ａの上端が凝縮器１０４の高さに到達するまでは加熱能力が一定とならず、安定した加熱が出来ない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１１４によって熱転移液１１２の蒸気１１３内の蒸気濃度の均一化を図るために、蒸気１１３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、被加熱物である基体１１１の投入によって基体１１１に接触して蒸気１１３が凝縮潜熱を付与して液化することで蒸気量そのものが不足し、加熱能力が不安定になる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、被加熱物に対して供給される熱転移液の蒸気量を所定の量に制御して加熱能力が一定とすることができ、安定した加熱が行える、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、
熱転移液の蒸気を加熱炉に供給し、供給された前記蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を前記加熱炉内で行う気相式加熱方法であって、
熱転移液加熱槽内の前記熱転移液を加熱源で加熱して所定の量の蒸気とし、前記加熱炉の上面の、前記加熱源と前記加熱炉とを接続する蒸気供給部との連通部に配置され、前記加熱源からの前記熱転移液の前記蒸気が前記蒸気供給部を介して供給されかつ略均一に分布された蒸気開口部を有する噴出部材の前記蒸気開口部から、前記熱転移液を蒸気とすることによる前記熱転移液加熱槽及び前記蒸気供給部での圧力上昇によって前記蒸気を下向きに噴出して、前記蒸気を前記加熱炉の上方から下方に向けて前記加熱炉内に供給し、
前記加熱炉内で前記蒸気で前記被加熱物を加熱し、
前記加熱炉内で、前記蒸気が前記被加熱物に接触して冷却されて液化し、前記蒸気の凝縮潜熱を相変化により前記被加熱物に与えたのち、液化した前記熱転移液を前記加熱炉の下方で回収し、
さらに、前記加熱炉内で前記蒸気を前記被加熱物よりも下方で冷却して液化した前記熱転移液を前記加熱炉の下方で回収し、
前記加熱源で加熱して発生した前記蒸気を、前記加熱炉内で液化して回収することにより、
前記熱転移液の所定の量の前記蒸気を前記加熱炉の上方から下方に向けて供給して、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、
被加熱物を内部の保持位置に保持し、熱転移液の蒸気を前記被加熱物に接触させて前記蒸気の凝縮潜熱を利用して前記被加熱物の加熱を行う加熱炉と、
熱転移液加熱槽内の前記熱転移液を加熱して前記蒸気とする加熱源と、
前記加熱炉の上面の、前記加熱源と前記加熱炉とを接続する蒸気供給部との連通部に配置され、前記熱転移液を蒸気とすることによる前記熱転移液加熱槽及び前記蒸気供給部での圧力上昇によって前記加熱源からの前記蒸気を前記蒸気供給部を介して前記加熱炉内に前記加熱炉の上方から下方に向けて噴出する蒸気開口部が略均一に分布された噴出部材と、
前記加熱炉内で前記被加熱物の前記保持位置よりも下方に設置され、前記加熱炉を通過した前記蒸気を液化する冷却部と、
前記加熱炉の下方で前記熱転移液を回収する熱転移液回収槽と、
前記熱転移液の前記加熱源を制御し、前記加熱炉に供給される前記熱転移液の前記蒸気の供給量を制御して、前記加熱炉内に供給する前記蒸気を所定の量に調節する制御部と、
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、被加熱物に対して供給される熱転移液の蒸気量を所定の量に制御して加熱能力を一定とすることができ、安定した加熱が行える。すなわち、被加熱物の有無、熱容量、又は大きさに関わらず、被加熱物の上方から常に所定量の熱転移液の蒸気を加熱炉に供給することにより、加熱炉内で被加熱物に熱転移液の蒸気が接触して凝縮潜熱を付与して液化することで、蒸気量が不足することによる加熱能力の低下を回避し、加熱炉内に保持されている被加熱物を所定の昇温速度で安定して加熱することができる。また、熱転移液の加熱能力の増減によって熱転移液の蒸気の発生量を制御することが可能であるため、加熱炉に供給されて被加熱物に接触する蒸気量を変化させることが出来る。この結果、前記供給を調節するとき、被加熱物への熱伝達を行う熱転移液の蒸気量の増減を調節して均等にすることができ、被加熱物の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、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被加熱物が搬入されていない状態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。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の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５１は、加熱炉１と、加熱源を有する熱転移液加熱槽３と、噴出部材と、熱転移液回収槽８と、制御部４０とを少なくとも備えている。気相式加熱装置５１は、さらに、熱転移液加熱槽３と加熱炉１との間に蒸気供給部２を備えてもよい。

加熱炉１は、気相式加熱装置ケーシング５０内に配置されて、被加熱物７を内部の保持位置Ｂに保持し、熱転移液６の蒸気を被加熱物７に接触させて蒸気の凝縮潜熱を利用して被加熱物７を所定の昇温速度で加熱処理する。被加熱物７を加熱炉内部の保持位置Ｂに保持する方法の一例としては、加熱炉１に対して被加熱物７を搬送する搬送装置３０で保持する。

熱転移液加熱槽３は、熱転移液６を加熱して蒸気にする加熱源を有しており、気相式加熱装置ケーシング５０の一端部内に加熱炉１に隣接して配置されている。熱転移液加熱槽３の上部は、加熱炉１に、具体的には例えば、蒸気供給部２に連通し、熱転移液加熱槽３から加熱炉１、具体的には蒸気供給部２を介して加熱炉１に所定の量の熱転移液６の蒸気を矢印Ａ１及び矢印Ａ２のように供給する。

蒸気供給部２は、気相式加熱装置ケーシング５０内の上部に配置されて、一端部が熱転移液加熱槽３の上部に連通し、下面が加熱炉１に連通しており、蒸気供給部２から加熱炉１内に、熱転移液加熱槽３からの熱転移液６の蒸気を矢印Ａ２のように供給する。
蒸気供給部２の下面には、後述する噴出部材が配置されている。

熱転移液回収槽８は、加熱炉１の下方の気相式加熱装置ケーシング５０の下端部に配置され、加熱炉１内で蒸気が被加熱物７に接触して冷却されて液化し、蒸気の凝縮潜熱を相変化により被加熱物７に与えたのち、液化して滴下する熱転移液６を、加熱炉１の下方で液体として回収して保持する。

なお、熱転移液６としては、液体から気体へ相変化した際の蒸気、いわゆる気相の状態で大気の比重よりも比重の大きいものを使用することで、蒸気の状態で加熱炉１の上方から自重で落下する。熱転移液６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。

熱転移液加熱槽３には熱転移液供給槽１０が接続されており、熱転移液加熱槽３及び熱転移液供給槽１０は、蒸気供給部２を介して加熱炉１に熱転移液６を供給する熱転移液供給装置の一例として機能する。

加熱炉１の上面には、例えば、蒸気供給部２との連通部に、多数の開口４ａ付きの整流板４が、被加熱物７の投影面積以上の部分を覆うように配置されている。開口４ａは、同じ大きさと同じ円などの形状で、略均一に分布するように配置されている。整流板４は、加熱源からの蒸気を加熱炉内に加熱炉１の上方から下方に向けて噴出する噴出部材の一例として機能する。熱転移液加熱槽３で熱転移液６を後述する加熱ヒータ５により蒸気とすることによる熱転移液加熱槽３及び蒸気供給部２での圧力上昇によって、整流板４の蒸気開口部４ａから蒸気を下向きに加熱炉１内に噴出させることができる。この結果、熱転移液６の蒸気は、加熱炉１の上面の整流板４の多数の開口４ａから加熱炉１内に噴出されて供給されて、加熱炉１で被加熱物７を加熱したのち、被加熱物７などに接触して冷却されて液化した熱転移液６は、加熱炉１の下方の熱転移液回収槽８に滴下する。整流板４の詳細については、後述する。

一方、加熱炉１で、被加熱物７に接触することなく加熱に使用されなかった熱転移液６の蒸気は、被加熱物７よりも下方の熱転移液回収槽８の上部に設置されている冷却部の一例としての冷却器９で冷却されて液化され、加熱炉１の下方の熱転移液回収槽８に滴下されて回収される。すなわち、冷却器９は、加熱炉１内で被加熱物７の保持位置Ｂよりも下方に設置され、加熱炉１を通過した蒸気を液化するものである。

熱転移液加熱槽３の中には、熱転移液６を加熱して蒸気とする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、熱転移液加熱槽３の中の熱転移液６に熱エネルギーを供給して加熱し、熱転移液６の蒸気を発生させる。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での熱転移液６に対する加熱量をヒータ制御部５ａで設定し、ヒータ制御部５ａの制御の下に、熱転移液６を加熱し、熱転移液６に気化潜熱を与えることにより、蒸気供給部２を介して加熱炉１に所定の量の熱転移液６の蒸気の供給を可能としている。

熱転移液供給槽１０は、熱転移液加熱槽３に接続された電磁弁２２などを備えている。また、熱転移液加熱槽３の中の熱転移液６の量は、気相式加熱装置ケーシング５０に配置した熱転移液液面検出装置１２等によって検出される。これにより、熱転移液槽制御部１１の制御の下に、熱転移液供給槽１０が駆動され、熱転移液加熱槽３内の熱転移液６の量の減少などを熱転移液液面検出装置１２で検出すると、電磁弁２２を開いて熱転移液６を熱転移液加熱槽３に供給する。熱転移液液面検出装置の一例としては、フロート液面計などが使用できる。熱転移液液面検出装置の別の例としては、透明体の位置検出が可能な共焦点方式によるレーザ同軸変位計を使って、レンズ部分を遮熱して非接触で液面を検出することも可能である。
さらには、制御部４０による後述するポンプ４１ａの制御の下に、加熱炉１内の熱転移液回収槽８から熱転移液供給槽１０に、加熱炉１の下方の熱転移液回収槽８で回収した熱転移液６を供給する供給量を制御することができる。

熱転移液加熱槽３から蒸気供給部２に熱転移液６の蒸気が供給される際、初期段階では、蒸気供給部２の壁面温度が熱転移液６の沸点よりも低いため、まずは、蒸気から蒸気供給部２の壁面すなわち気相式加熱装置ケーシング５０の内壁面に凝縮潜熱を付与して液化する。さらには、整流板４についても同様に、初期段階では、凝縮潜熱を蒸気から付与して、これを加熱することになる。これを継続することで、蒸気供給部２の壁面の温度及び整流板４の温度が上昇し、蒸気供給部２及び整流板４に蒸気が接触しても液化することなく、加熱炉１に蒸気の状態で供給することが可能となる。

また、加熱炉１についても同様に、整流板４を介して供給される蒸気が、加熱炉１の壁面すなわち気相式加熱装置ケーシング５０の内壁面などに接触して凝縮潜熱を付与して液化する。が、壁面温度が熱転移液６の沸点まで上昇することで、加熱炉１内においても蒸気の状態で供給することが可能となる。
なお、熱転移液６が蒸気となることで液体から気体への相変化に基づく体積膨張による圧力上昇で蒸気供給部２内に供給された蒸気は、整流板４の開口４ａから矢印Ａ２に示すように噴出する。

また、熱転移液加熱槽３における加熱ヒータ５の加熱量によって蒸気発生量の増減がヒータ制御部５ａで制御できるため、整流板４からの噴出量もヒータ制御部５ａで制御することが可能である。ただし、相変化による液体から気体への体積膨張が非常に大きい場合、整流板４の開口４ａの面積が小さいとき、整流板４の開口４ａから噴出する際の蒸気の流速が大きくなり、被加熱物７への衝突噴流によって被加熱物７に悪影響を与える可能性もある。このため、加熱ヒータ５による加熱量に応じて整流板４の開口４ａの開口面積を決定して蒸気の流速を変更する。

加熱炉１では、熱転移液６の蒸気が被加熱物７に衝突して接触することで、蒸気が持つ熱エネルギーを被加熱物７に熱伝達される。が、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、この実施の形態では、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の蒸気を均一に接触させることができるように、加熱炉１の上方に、略均一に分布配置されかつ多数の微小な開口４ａを有する整流板４を設置することで、各微小な開口４ａから略均等な噴流で、被加熱物７に対して熱転移液６の蒸気を吹き付ける。整流板４は、開口４ａからの噴流が被加熱物全体に均一に当たるように被加熱物７の投影面積よりも大きいエリアに、開口４ａを配置する。加熱炉１内では、蒸気が被加熱物７に接触して、蒸気が持っていた凝縮潜熱を被加熱物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の表面から加熱炉１の下方に向かって熱転移液６が滴下する。この際、発生した熱転移液６の蒸気の一部が、気相式加熱装置ケーシング５０内の蒸気供給部２、整流板４、加熱炉１、及び搬送装置３０及び被加熱物７に接触して液化することなく、蒸気の状態で存在する場合、連続して供給される蒸気が余剰状態になってしまうことから、加熱炉１内で被加熱物７の配置位置すなわち搬送装置３０よりも下方に冷却器９を設置し、この領域まで蒸気の状態で到達した蒸気を、冷却器９で冷却して液化することで、発生した蒸気をほぼ全て液化して熱転移液回収槽８に回収する。

なお、被加熱物７の凹部に液化した熱転移液６が、凹部に溜まったまま又は被加熱物７自体に付着したまま、被加熱物７の搬出時に被加熱物７とともに加熱炉１外に持ち出されてしまう可能性がある。このため、気相式加熱装置ケーシング５０内から失われた量の熱転移液６は、適宜、図示しない外部から、気相式加熱装置ケーシング５０内のいずれかの場所に追加及び補充される。補充される場所の一例としては、熱転移液供給槽１０が挙げられる。

また、熱転移液回収槽８と熱転移液供給槽１０とを繋ぐ回収経路４２上に回収装置４１を備えるようにしてもよい。回収装置４１としては、熱転移液回収槽８に回収された熱転移液６を、熱転移液供給槽１０に汲み上げるためにポンプ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の下方に滴下して熱転移液回収槽８で回収した熱転移液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で熱転移液回収槽８から熱転移液供給槽１０に汲み上げる熱転移液６の量は、例えば、流量計４１ｂなどで直接測定して求めることができる。又は、熱転移液回収槽８に回収した熱転移液６を熱転移液供給槽１０に保持し、その熱転移液供給槽１０での液面の位置を液面計（図示せず）で計測して、汲み上げた熱転移液６の量を検出することもできる。

被加熱物７の熱容量等に対応した加熱炉１における加熱能力の調節は、熱転移液６の蒸気の供給量を増減させることで可能となる。
例えば、加熱炉１における加熱能力を高める際には、熱転移液加熱槽３内の加熱ヒータ５の出力を大きくして、発生する蒸気量を増加させることで加熱炉１内に供給される蒸気量が増加するため、蒸気から被加熱物７に与える凝縮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、熱転移液加熱槽３内の加熱ヒータ５の出力を低下させ、発生する蒸気量を減少させることで加熱炉１内に供給される蒸気量が減少するため、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。

必要に応じて、この実施の形態では、図１に示すように、制御部４０が備えられている。制御部４０は、熱転移液６の加熱ヒータ５を制御し、加熱炉１に供給される熱転移液６の蒸気の供給量を制御して、加熱炉１内に供給する蒸気を所定の量に調節する。具体的には、制御部４０により、加熱ヒータ５のヒータ制御部５ａの加熱出力設定、及び熱転移液槽制御部１１を介して、熱転移液加熱槽３の熱転移液液面検出装置１２の検出結果に基づく熱転移液６の熱転移液加熱槽３への供給タイミング及び供給量、及び流量計４１ｂの測定結果に基づくポンプ４１ａの駆動制御による回収装置４１での熱転移液供給槽１０への汲み上げる熱転移液６の量などをそれぞれ独立して制御可能としている。回収装置４１での熱転移液供給槽１０への汲み上げる熱転移液６の量は、制御部４０で制御しなくてもよい。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。

前記実施の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は整流板４を介して加熱炉１に供給し、供給された蒸気の凝縮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、蒸気の凝縮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の下方に配置された熱転移液回収槽８に向かって、熱転移液６が滴下して熱転移液６が熱転移液回収槽８に回収される。また、被加熱物７に接触せずに加熱炉１を通過した熱転移液６の蒸気は、冷却器９で冷却して液化して熱転移液回収槽８に回収する。なお、被加熱物７の昇温が熱転移液６の沸点まで到達して被加熱物７の加熱が完了した場合についても、被加熱物７に接触して液化せずに蒸気として加熱炉１を通過する熱転移液６は、冷却器９で冷却して熱転移液回収槽８に回収される。回収された熱転移液６は、回収装置４１及び熱転移液供給槽１０を介して、熱転移液加熱槽３に供給される。

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において所定の量を供給し続けることで、熱転移液６の蒸気の供給量と分布とを均一にして、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、本発明の前記実施の形態における、熱転移液加熱槽３からの熱転移液６の蒸気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、加熱炉１に供給される熱転移液６の蒸気量が多い状態を示している。図３Ａは、加熱炉１に供給される熱転移液６の蒸気量が少ない状態を示している。図２Ａの状態と図３Ａの状態との間には、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、凝縮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、被加熱物７全体が熱転移液６の沸点温度になると、それ以上の温度に加熱されることは無い。
図２Ａの場合は、時間ｔ１で所定の昇温温度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で所定の昇温温度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、本発明の前記実施の形態における、被加熱物７が搬入されていない状態の説明図である。被加熱物７が加熱炉１内に搬入されていない場合、熱転移液６の蒸気が被加熱物７に接触して液化することは無いため、加熱炉１を蒸気のまま通過して冷却器９まで到達し、冷却器９で冷却し液化し、滴下して熱転移液回収槽８に回収される。

前記実施の形態にかかる気相式加熱方法及び気相式加熱装置５１によれば、被加熱物７の有無、熱容量、又は大きさに関わらず、被加熱物７の上方から常に所定量の熱転移液６の蒸気を加熱炉１に供給することにより、加熱炉１内で被加熱物７に熱転移液６の蒸気が接触して凝縮潜熱を付与して液化することで、蒸気量が不足することによる加熱能力の低下を回避し、加熱炉１内に保持されている被加熱物７を所定の昇温速度で安定して加熱することができる。

また、熱転移液６の加熱能力の増減によって熱転移液６の蒸気の発生量を制御することが可能であるため、加熱炉１に供給されて被加熱物７に接触する蒸気量を変化させることが出来る。

この結果、前記供給を調節するとき、被加熱物７への熱伝達を行う熱転移液６の蒸気量の増減を調節して均等にすることができ、被加熱物７の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、均等な熱伝達による均一加熱を行うことが出来る。言い換えれば、被加熱物７に所定の量の熱転移液６の蒸気を上方から連続して供給し続けることで、被加熱物７に蒸気が接触して凝縮潜熱を付与して液化することによる蒸気の減少に伴う一時的な加熱能力の低下を回避でき、所望の加熱能力を維持することができる。

図５は、本発明の前記実施の形態の第１変形例における、前記気相式加熱装置を含む気相式加熱システム５２の説明図である。この気相式加熱システム５２は、被加熱物７の搬入ゾーン１３と、搬入ゾーン１３に一側部が隣接する昇温ゾーン１４と、昇温ゾーン１４の他側部に隣接する保温ゾーン１５と、さらに保温ゾーン１５の他側部に隣接する昇温ゾーン１６と、昇温ゾーン１６の他側部に隣接する搬出ゾーン１７とを備えて構成される。

図６Ａは図５の昇温ゾーン１４の断面図である。図６Ｂは図５の保温ゾーン１５の断面図を示す。搬入ゾーン１３と、昇温ゾーン１４と、保温ゾーン１５と、昇温ゾーン１６と、搬出ゾーン１７とにわたって、コンベヤベルトのような搬送装置３０が配置されて、５つのゾーン１３、１４、１５、１６、１７に渡って被加熱物７を搬送可能となっている。

第１の昇温ゾーン１４は、図６Ａに示すように、図１の気相式加熱装置５１で構成されて、図７に示す温度プロファイルの最初の昇温ゾーンのような温度プロファイルを実施可能に構成している。第２の昇温ゾーン１６も、図６Ａと同様に、図１の気相式加熱装置５１で構成されて、図７に示す温度プロファイルの二回目の昇温ゾーンのような温度プロファイルを実施可能に構成している。一例として、第１の昇温ゾーン１４は図３Ｂの温度プロファイルを持つ気相式加熱装置５１で構成され、第２の昇温ゾーン１６は図２Ｂの温度プロファイルを持つ気相式加熱装置５１で構成されている。又は、別の例として、第１の昇温ゾーン１４と第２の昇温ゾーン１６とは同じ気相式加熱装置５１で構成され、かつ、第２の昇温ゾーン１６の気相式加熱装置５１の熱転移液６の沸点が第１の昇温ゾーン１４の気相式加熱装置の熱転移液６の沸点よりも高いものを使用するようにしてもよい。

保温ゾーン１５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の代わりに、ケーシング５０ａで囲まれた保温室１Ｃに対して、加熱ヒータ１８と、循環ファン２０と、循環ファン２０を駆動する循環ファンモータ１９とが配置された保温装置５３で構成されて、図７に示す温度プロファイルの保温ゾーンのような温度プロファイルを実施可能に構成している。

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。

搬入ゾーン１３から第１の昇温ゾーン１４に被加熱物７を供給し、第１の昇温ゾーン１４で所望の昇温速度で被加熱物７を加熱する。

次いで、第１の昇温ゾーン１４で被加熱物７が所望の温度に到達した後に、搬送装置３０によって第１の昇温ゾーン１４から保温ゾーン１５に被加熱物７を移送して、保温ゾーン１５において、所望の時間、一定温度で被加熱物７を保持する。
その後、保温ゾーン１５で被加熱物７が所望の時間経過後に、保温ゾーン１５から、第２の昇温ゾーン１６に被加熱物７を移送して、第２の昇温ゾーン１６で被加熱物７を所望の昇温速度で加熱する。
その後、第２の昇温ゾーン１６で被加熱物７が所望の温度に到達した後に、搬送装置３０によって第２の昇温ゾーン１６から搬出ゾーン１７に搬出して、一連の熱処理完了となる。

図６Ｂの保温ゾーン１５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、凝縮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。本実施の形態の第１変形例の場合の保温ゾーン１５では、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２０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２１に設置している。

なお、搬送装置３０については、各ゾーンで所望の時間停止して加熱処理を行う場合と、搬送装置３０によって各ゾーンで停止せずに連続的に移動を続ける場合とがある。この場合においても、第１の昇温ゾーン１４、及び、第２の昇温ゾーン１６で図１の構成をそれぞれ用いることにより、常に一定の加熱能力が保持されるため安定した加熱処理が可能となる。

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、装置の構成として、搬入ゾーン１３と搬出ゾーン１７との間に昇温ゾーンと保温ゾーンとを複数、適宜配置した装置構成とする。例えば、１番目の昇温ゾーン１４と、２番目の保温ゾーン１５と、３番目の昇温ゾーン１６と、その後、ｎ番目の昇温ゾーンまで（ただし、ｎは４以上の整数。）を配置してもよい。
搬送装置３０による移送で、昇温ゾーン１４での被加熱物７の加熱と保温ゾーン１５での被加熱物７の保温と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。

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、本発明の実施の形態の第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変形例における気相式加熱システム５２の一例として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の蒸気供給量を調整した状態で第１の昇温ゾーン１４で加熱を行い、予熱温度に到達した後に、保温ゾーン１５に基板を移送するように設定し、保温ゾーン１５で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、第２の昇温ゾーン１６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、第２の昇温ゾーン１６に続く保温ゾーン１５で所望の時間だけピーク温度に保持してはんだが十分に溶融して濡れ広がった後に、搬出ゾーン１７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。

なお、被加熱物７の均一加熱を考慮すると、噴出風量（すなわち風速）はできるだけ大きい方が有利であるが、部品形状又は部品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、供給する蒸気量と整流板４の開口４ａの面積とによって、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。

なお、特許文献１及び特許文献２のように下方から蒸気を供給するような場合においても、微小開口を有する筐体で被加熱物を覆って略全方向から蒸気を供給する方式も考えられるが、循環ブロアなどによって強制的に蒸気を送風する必要があるために、衝突風速によっては、前記のように部品の転倒する恐れもある。そのため、被加熱物が平面方向だけでなく高さ方向もあるような立体的な形状の場合は、有利な点も考えられるが、平面の被加熱物の場合であれば、図１の方式のように蒸気が自重で落下して被加熱物に接触する方式によって、より均一な加熱が可能となる。

なお、前記様々な実施の形態又は変形例のうちの任意の実施の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、実施の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の形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施の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量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被加熱物に対して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、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
２蒸気供給部
３熱転移液加熱槽
４整流板
４ａ開口
５加熱ヒータ
５ａヒータ制御部
６熱転移液
７被加熱物
８熱転移液回収槽
９冷却器
１０熱転移液供給槽
１１熱転移液槽制御部
１２熱転移液液面検出装置
１３搬入ゾーン
１４昇温ゾーン
１５保温ゾーン
１６昇温ゾーン
１７搬出ゾーン
１８加熱ヒータ
１９循環ファンモータ
２０循環ファン
２１循環ダクト
２２電磁弁
３０搬送装置
４０制御部
４１回収装置
４１ａポンプ
４１ｂ流量計
４２回収経路
５０気相式加熱装置ケーシング
５０ａケーシング
５１気相式加熱装置
５２気相式加熱システム
５３保温装置
Ａ１，Ａ２蒸気の移動方向の矢印
Ｂ保持位置

Claims

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凝縮潜熱を利用して被加熱物の加熱を前記加熱炉内で行う気相式加熱方法であって、
熱転移液加熱槽内の前記熱転移液を加熱源で加熱して所定の量の蒸気とし、前記加熱炉の上面の、前記加熱源と前記加熱炉とを接続する蒸気供給部との連通部に配置され、前記加熱源からの前記熱転移液の前記蒸気が前記蒸気供給部を介して供給されかつ略均一に分布された蒸気開口部を有する噴出部材の前記蒸気開口部から、前記熱転移液を蒸気とすることによる前記熱転移液加熱槽及び前記蒸気供給部での圧力上昇によって前記蒸気を下向きに噴出して、前記蒸気を前記加熱炉の上方から下方に向けて前記加熱炉内に供給し、
前記加熱炉内で前記蒸気で前記被加熱物を加熱し、
前記加熱炉内で、前記蒸気が前記被加熱物に接触して冷却されて液化し、前記蒸気の凝縮潜熱を相変化により前記被加熱物に与えたのち、液化した前記熱転移液を前記加熱炉の下方で回収し、
さらに、前記加熱炉内で前記蒸気を前記被加熱物よりも下方で冷却して液化した前記熱転移液を前記加熱炉の下方で回収し、
前記加熱源で加熱して発生した前記蒸気を、前記加熱炉内で液化して回収することにより、
前記熱転移液の所定の量の前記蒸気を前記加熱炉の上方から下方に向けて供給して、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。
前記熱転移液を前記加熱源で加熱するとき、前記加熱炉の下方で前記熱転移液を回収する熱転移液回収槽から、前記加熱源に接続された熱転移液供給槽に、前記加熱炉の下方の前記熱転移液回収槽で回収した前記熱転移液を供給する供給量をポンプにより制御する、請求項１に記載の気相式加熱方法。
被加熱物を内部の保持位置に保持し、熱転移液の蒸気を前記被加熱物に接触させて前記蒸気の凝縮潜熱を利用して前記被加熱物の加熱を行う加熱炉と、
熱転移液加熱槽内の前記熱転移液を加熱して前記蒸気とする加熱源と、
前記加熱炉の上面の、前記加熱源と前記加熱炉とを接続する蒸気供給部との連通部に配置され、前記熱転移液を蒸気とすることによる前記熱転移液加熱槽及び前記蒸気供給部での圧力上昇によって前記加熱源からの前記蒸気を前記蒸気供給部を介して前記加熱炉内に前記加熱炉の上方から下方に向けて噴出する蒸気開口部が略均一に分布された噴出部材と、
前記加熱炉内で前記被加熱物の前記保持位置よりも下方に設置され、前記加熱炉を通過した前記蒸気を液化する冷却部と、
前記加熱炉の下方で前記熱転移液を回収する熱転移液回収槽と、
前記熱転移液の前記加熱源を制御し、前記加熱炉に供給される前記熱転移液の前記蒸気の供給量を制御して、前記加熱炉内に供給する前記蒸気を所定の量に調節する制御部と、
を備える気相式加熱装置。
前記制御部による制御の下に、前記熱転移液回収槽から、前記加熱源に接続された熱転移液供給槽に、前記加熱炉の下方の前記熱転移液回収槽で回収した熱転移液を供給する供給量を制御するポンプをさらに備える、請求項３に記載の気相式加熱装置。