JPH0979753A

JPH0979753A - 加熱炉の温度制御方法

Info

Publication number: JPH0979753A
Application number: JP23555695A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shiose; 昌宏塩瀬; Hiroto Hayashi; 裕人林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1997-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-13
Also published as: JP3560190B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】ワーク６を加熱するヒータ１０は、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る。多点温度測定部３２は、
複数の熱電対から構成されており、各ヒータ１０の発熱
温度を測定するとともにヒータ１０の発熱温度に伴い変
動する電気信号を温度制御部３４に出力する。温度制御
部３４は、温度分布監視部３４ａ、昇温カーブ監視部３
４ｂ、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、収束点演算部３４
ｃにより演算された収束点に向かって各ヒータ１０の発
熱温度が収束するようにヒータ１０に電力を供給する多
点ヒータ出力部３６を制御する。各ヒータ１０の発熱温
度が収束点に達した後、各ヒータ１０の発熱温度が所定
温度に達するように温度制御部３４等により各ヒータ１
０を温度制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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２
２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
Ａ₁、Ａ₂、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ｔ₁'および温度ＳＰ₁'で表
され、ｔ₁'およびＳＰ₁'は次の式(1) 、(2) によってそ
れぞれ求められる。ｔ₁'＝（ＰＶ_Omax−ＰＶ_Omin）ｔ₁／（ＳＰ₁−ＰＶ_Omin）・・・(1) ＳＰ₁'＝ＰＶ_Omax ・・・(2) ここで、ＳＰはヒータ１０の設定温度を表しており、Ｐ
Ｖ_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ｔ₁'、温度Ｓ
Ｐ₁'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
ｔ₁'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ュ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_Om _ax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ＳＰ₁'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１
０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１
０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１
０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ＳＰ₁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ＳＰ₁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Ａ₁、Ａ₂、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Ａ₁は、他のＡ₂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、Ａ₁およびＡ₂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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】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。
【請求項３】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。
【請求項４】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。