JP2008128544A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的シャッター等によらずに、被加熱物を加熱する加熱本体部からの放熱を防ぐ加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置１は、被加熱物を加熱する加熱本体部１０と、その加熱本体部へ、又はその加熱本体部から被加熱物を搬送する搬送路５と、その搬送路に、加熱本体部内の熱を帯びた気体を外に漏れにくくする外気流入阻止部１４とを備える。外気流入阻止部は、加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜して形成されている。そして、外気流入阻止部は、内部に空洞が形成され、その内部に、加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾いた隔壁部を有し、搬送路５に対して開口されて複数に区画された区画部が形成されている。搬送路からの気体が区画部内に導かれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱物を加熱する加熱本体部への外気の流入を防ぐ外気流入阻止部を有する加熱装置に関するものである。

従来から不活性雰囲気下でのプリント基板と電子部品のはんだ付けを行うリフロー炉が広く利用され、はんだ付け部に使用されるはんだは、松脂、活性剤、チキソ剤等の固形成分を有機溶媒で溶解したソルダペーストが利用されている。ソルダペーストは粘調性があるため、電子部品を保持していられる。この保持した状態で、リフロー炉に入れ、はんだ付けを行う（特許文献１参照）。

リフロー炉の出入り口にはラビリンス構造が備えられ、炉内の温度を一定に保つほか、酸素の侵入を防ぎ、ソルダペーストに含まれる活性剤の酸化を防ぐなどの対策がなされてきた。しかし従来のラビリンス構造を設置したリフロー炉は、ラビリンスの外気の侵入を防止する部分が板状の遮蔽板であったため、遮蔽板がはんだのソルダペーストを溶融させる高温に曝されたり、熱膨張収縮に曝されたりして、変形してしまう問題点があった。そこでラビリンス構造の部分に通気性のないシートを蛇腹のようなひだ状に付けることで、シートの長さに関係なく外気の侵入を阻止でき、炉内で高温を低温の繰り返しが起こってもシートが変形しない改良がなされた（特許文献１参照）。

更に、リフロー炉の出入り口で、電子部品が出入りする際に、炉内の窒素ガス又はアルゴンガスが漏れ、不活性雰囲気を保つために窒素ガス又はアルゴンガスを炉内に送り込み、窒素ガス又はアルゴンガスの使用量が増大するという問題点があり、リフロー炉の出入り口にあるラビリンス構造のシートの高さをセンサで調節し、電子部品の高さに応じてシートの高さを変えることで、炉内からの窒素ガス又はアルゴンガスの漏れおよび外気の流入を防ぎ、リフロー炉のランニングコストを低減する改良がなされた（特許文献２参照）。
特開２００６−１８５９８３号公報 特開平８−２３１６１号公報

しかしながら、リフロー炉等の加熱装置において、非加熱物が連続的に搬送される場合、機械的シャッターを設けて炉内と外部とを遮断することはできないため、外気の侵入を完全には防止できない。また、被加熱物である電子部品等の出入りにより炉内温度が変化し一定に保つことが困難であり、被加熱物の形状の差異により気流の乱れが生じて、炉内の温度や圧力および雰囲気組成に影響するという問題があった。

本発明の課題は、機械的シャッター等によらずに、被加熱物を加熱する加熱本体部への外気の流入を防ぐ加熱装置を提供することにある。

本発明者らは、加熱装置の加熱本体部内への入り口あるいは出口に設けられた搬送路に、加熱本体部からの放熱を防ぐための外気流入阻止部を、加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜させて設けることにより上記課題を解決できることを見出した。すなわち本発明によれば、以下の加熱装置が提供される。

［１］被加熱物を加熱する加熱本体部と、その加熱本体部へ、又はその加熱本体部から前記被加熱物を搬送する搬送路と、その搬送路に、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜し、内部に空洞が形成されている外気流入阻止部と、を備える加熱装置。

［２］前記外気流入阻止部は、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に鉛直方向から３０°〜６０°傾斜した前記［１］に記載の加熱装置。

［３］前記外気流入阻止部は、前記搬送路の上方を覆うように形成された前記［１］または［２］に記載の加熱装置。

［４］前記外気流入阻止部は、前記搬送路の下方を覆うように形成された前記［３］に記載の加熱装置。

［５］前記外気流入阻止部は、その内部に、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜した隔壁部を有し、前記搬送路に対して開口した複数に区画された区画部が形成され、前記搬送路からの前記気体が前記区画部内に導かれる前記［１］〜［４］のいずれかに記載の加熱装置。

［６］前記外気流入阻止部の上部に、前記外気流入阻止部からの前記気体の排気を行う排気部を備えた前記［１］〜［５］のいずれかに記載の加熱装置。

［７］前記加熱本体部に前記気体を導入する気体導入部を備える前記［１］〜［６］のいずれかに記載の加熱装置。

搬送路に、加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜し、内部に空洞が形成された外気流入阻止部を設けることにより、加熱本体部内の熱を帯びた気体を内部に導き、その一部を内部に滞留させ、その気体を外部に漏れにくくすることができる。また、外部から酸素等を含む外気が加熱本体部内に侵入することを防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１に、本発明の加熱装置１を示す。加熱装置１は、被加熱物を加熱する加熱本体部１０と、その加熱本体部１０へ、又はその加熱本体部１０から被加熱物を搬送する搬送路５と、その搬送路５に、加熱本体部１０内の熱を帯びた気体を外に漏れにくくする外気流入阻止部１４とを備える。

加熱本体部１０は、内部の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器１２、内部の温度を検出する温度計７、内部に窒素ガスを供給する窒素ガス供給口８、２００℃〜８００℃に内部を加熱するヒータ１６を有する加熱室１３、内部と外部とを断熱する断熱材１９を備える。また、加熱室１３及び搬送路５の内部には、被加熱物を搬送するためのベルトコンベア１１を備える。酸素濃度検出器１２、温度計７、窒素ガス供給口８からの信号は制御盤６に入力され、制御盤６よって、窒素ガスの導入やヒータ１６の温度が制御される。これにより、被加熱物を所望の雰囲気内で加熱することができる。なお、加熱雰囲気は、アルゴン等の不活性ガスでもよい。

加熱本体部１０の入り口側には、前室２、出口側には、後室３が設けられ、前室２には、被加熱物を加熱本体部１０へ導入するための搬送路５、後室３には、被加熱物を加熱本体部１０から排出するための搬送路５が設けられている。さらに、搬送路５には、加熱本体部１０に対して上部が遠ざかる方向に傾斜し、内部に空洞が形成されて搬送路５からの熱を帯びた気体を内部に導く外気流入阻止部１４を備える。

図２を用いて、外気流入阻止部１４についてさらに説明する。外気流入阻止部１４は、加熱本体部１０に対して上部が遠ざかる方向に傾いて形成され、さらに内部に空洞が形成されて加熱本体部１０から搬送路５へと流れる熱を帯びた気体を内部に導き、その気体の一部を炉本体（加熱本体部１０）入口付近に滞留させる機能を有する。また、外部の空気を加熱本体部１０に流入しにくくする機能を有する。

外気流入阻止部１４は、加熱本体部１０に対して上部が遠ざかるように鉛直方向から３０°〜６０°傾いた構成とされることが望ましい。特に４５°傾いた構成とされることが望ましい。外気流入阻止部１４を傾いた構成とすることにより、外気流入阻止部１４によって外気の流入を抑制する。そして、外気流入阻止部１４での気流の乱れを抑え、加熱本体部１０内の雰囲気組成を一定に保つことができる。

外気流入阻止部１４は、その内部に、加熱本体部１０に対して上部が遠ざかる方向に傾いた隔壁部２１を有し、搬送路５に対して開口して複数に区画された区画部２２が形成され、搬送路５からの気体が区画部２２内に導かれる。複数の区画部２２が形成されることにより、外気流入阻止部１４によって外気が一層流入しにくくなる。つまり、外気流入阻止部１４は、その全体が傾斜しているとともに、内部の隔壁部２１もその傾斜に沿った方向に形成されている。

外気流入阻止部１４は、搬送路５の上方を覆うように上側外気流入阻止部１４ａが形成されている。また、搬送路５の下方を覆うように下側外気流入阻止部１４ｂが形成されることが望ましい。そして、上側外気流入阻止部１４ａの隔壁部２１と下側外気流入阻止部１４ｂの隔壁部２１とは一直線上に形成されている。さらに外気流入阻止部１４は、上部に、外気流入阻止部１４からの気体の排気を行う排気部１７に、排気量を調整するスライドダンパー４を備えている。

外気流入阻止部１４がない場合に、加熱本体部１０から搬送路５を経て外部に放出される気体が、前述のように外気流入阻止部１４が構成されることにより、外気流入阻止部１４の区画部２２へ流入する。通常、加熱本体部１０から外気流入阻止部１４に導かれる気体は外気に比し温度が高いため、外気流入阻止部１４におけるその流線の主要部は浮力により出口に向かって斜め上方に向く。本発明における外気流入阻止部１４は加熱本体部１０に対して上部が遠ざかる方向に傾いて形成されているため、前記流線方向と一致し、前記気体は速やかに外気流入阻止部１４の上部隔壁２１に沿って流れ、排気部１７より外部に排気される。この流れは外気流入阻止部１４の外部側より加熱本体部１０へ流入しようとする外気の流れる方向と向かい合う形になるため、結果加熱本体部１０への外気の流入を抑制する。

また、前記理由により外気の流入が抑制されるため、加熱本体部１０から外気流入阻止部１４に導かれる流体はすべてが上部に流れるのではなく、一部は外気流入阻止部１４の加熱本体部１０近くの下部の区画部２２に滞留することができ、これも外気の流入を抑制する要因となる。

一方、外部より外気流入阻止部１４へ流入しようとする外気は通常温度が低いため、外気流入阻止部１４におけるその流線の主要部は炉本体部（加熱本体部１０）に向かって斜め下方に向く。本発明における外気流入阻止部１４は加熱本体部１０に対して上部が遠ざかる方向に傾いて形成されているため、流入外気の流線とも一致し、外気は速やかに外気流入阻止部１４の下部の隔壁２１に沿って流れるが、隔壁２１はこの場合外気の進行方向と逆行する角度に配置されているため、外気は行き場を失い下側外気流入阻止部１４ｂの底に滞留し、加熱本体部１０への流入が防がれる。

外気流入阻止部１４が、搬送路５に対して垂直、すなわち傾斜していない場合に比べ、傾斜して形成されると、外気流入阻止部１４に窒素ガス又はアルゴンガス等を別途供給しなくても、前記理由によって、自然対流のみにより、加熱本体部１０の近傍の酸素濃度を低く保つことができる。

排気部１７には、スライドダンパー４が備えられており、スライドダンパー４によって、外気流入阻止部１４から排出する気体の流量を調節することができる。スライドダンパー４を通過した気体は、排気ファン９から排気される。強制的に排気を行う場合には、外気流入阻止部１４に流入した外気の一部は外気流入阻止部１４の上部を通して外部に排気される。外部に排気される外気の一部は、加熱本体部１０より流出した気体と混合し、流出気体の温度を下げる。これにより、排気ファン９等の機械的な部品に熱的負担をかけず、炉を運転することができる。なお、排気ファン９は設置しなくても良い。さらに加熱本体部１０側のスライドダンパー４における流量よりも、反対側の外部側のスライドダンパー４における流量を多くすることにより、加熱本体部１０における外気の流入をより効果的に防止することができる。

なお、図３に示すように、外気流入阻止部１４は、下側外気流入阻止部１ｂを形成せずに、上側外気流入阻止部１ａだけを形成するようにしてもよいが、図１及び図２に示すように、外気流入阻止部１４を上側と下側の両方に備えた場合、外気流入阻止部１４の下部で加熱本体部１０内の気体による滞留部ができ、外気の侵入をより効果的に防ぐことができる。そのため、外気流入阻止部１４は、図１及び図２に示すように、搬送路５の上側と下側に備えたほうがよい。

図４に示すように、上側外気流入阻止部１ａの隔壁部２１と下側外気流入阻止部１ｂの隔壁部２１とが一直線上になく、互い違いの千鳥配置とすることもできるが、条件次第では、千鳥配置の場合、傾斜させない外気流入阻止部１０より、かえって外気の流入を阻止する効果が落ちる場合もありうるため、隔壁部２１に関しては一直線上の配置が望ましい。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

加熱本体部から外気流入阻止部内へ窒素が流入した場合の窒素濃度分布をシミュレーションによって求めた。加熱本体部において、４５０℃の窒素が１５０Ｌ／ｍｉｎパージされるとした。外気流入阻止部の外部との出入口からは、自由に大気が出入できるものとし、図１に示した排気ファン９の風量が２ｍ^３／ｍｉｎの場合を想定し計算した。なお、計算には市販ソフトＦＬＵＥＮＴ６．２を使用した。ｋ−ε乱流モデルにより、ナヴィエ・ストークスの方程式、エネルギー輸送方程式、窒素濃度拡散方程式を連立させて解いた。

図５（ａ）に示すように、外気流入阻止部が搬送路に対して４５°（側壁が搬送路に対して４５°、つまり鉛直方向からも４５°傾いた場合）の場合、図５（ｂ）に示すように、外気流入阻止部が搬送路に対して９０°（側壁が搬送路に対して９０°、つまり鉛直方向からの傾きがない場合）の外気流入阻止部のａ〜ｇの各地点での窒素濃度を求めた。さらに外気流入阻止部が搬送路に対して３０°、６０°の場合についても窒素濃度を求めた。９０°モデル、６０°モデル、４５°モデル、３０°モデルのそれぞれの角度は、搬送路に対する外気流入阻止部の角度である。

また、外気流入阻止部が搬送路に対して４５°傾き、上側外気流入阻止部の隔壁部と下側外気流入阻止部の隔壁部とが一直線上にない千鳥モデルの窒素濃度を求めた。角度別モデルの各測定面でのＮ_２濃度（％）の計算結果を表１に示す。さらに図６に９０°モデル、図７に６０°モデル、図８に４５°モデル、図９に３０°モデル、図１０に４５°千鳥モデルのＮ_２濃度を示す。Ｎ_２濃度（０％〜１００％）を濃淡にて表している。

すべてのモデルについて地点ｇの気体入口の地点および地点ｅの上側本体部側では、窒素濃度に大きな変化はないが、隔壁が千鳥配置でない傾斜モデルでは、９０°モデルに比べ、地点ｆの下側本体部側で本体部より流出した窒素が滞留しやすいため窒素濃度が高く、空気（酸素）の濃度が低く、乱流による流れ込みの懸念が少ない。シミュレーションによれば、外気流入阻止部を４５°〜３０°に傾けて設けると、本体部出口付近に高濃度の窒素滞留部を形成することができ、外気の流入を効果的に阻止することができる。ただし、３０°以上傾斜した外気流入阻止部は、製作が困難である。

一方、外気流入阻止部を加熱本体部に対して平行、つまり、搬送路に対して垂直にした９０°モデルの場合、外気流入阻止部への外気の侵入により、地点ｆの下側本体部側で窒素濃度が低くなっている。これは外乱によって、外気が加熱本体部まで流入する危険性が高いことを示す。また、４５°モデルでも隔壁２１を千鳥に配置すると、外気が炉本体部付近まで流入してしまう。シミュレーション上も、隔壁の配置は一直線上が望ましい。

以上のように、加熱装置の搬送路に、加熱本体部からの放熱を防ぐための外気流入阻止部を、加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜させて設けることにより、加熱本体部からの気体の流出を減少させるとともに、外気の侵入を減少させ、加熱本体部の温度低下を防ぐことができる。

本発明の加熱装置は、不活性雰囲気下でのプリント基板と電子部品のはんだ付けを行うリフロー炉等に利用することができる。

本発明に係る加熱装置の全体構成を示す模式図である。 外気流入阻止部が上側と下側にある場合の構造を示す模式図である。 外気流入阻止部が上側のみにある場合の構造を示す模式図である。 外気流入阻止部が千鳥配置に形成された場合の構造を示す模式図である。 外気流入阻止部の各地点での窒素濃度を計算したときの区分けを示した図であり、（ａ）は、４５°モデル、（ｂ）は、９０°モデルである。 ９０°モデルのシミュレーション結果を示す図である。 ６０°モデルのシミュレーション結果を示す図である。 ４５°モデルのシミュレーション結果を示す図である。 ３０°モデルのシミュレーション結果を示す図である。 ４５°千鳥モデルのシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１：加熱装置、２：前室、３：後室、４：スライドダンパー、５：搬送路、６：制御盤、７：温度計、８：窒素ガス供給口、９：排気ファン、１０：加熱本体部、１１：ベルトコンベア、１２：酸素濃度検出器、１３：加熱室、１４：外気流入阻止部、１４ａ：上側外気流入阻止部、１４ｂ：下側外気流入阻止部、１６：ヒータ、１７：排気部、１９：断熱材、２１：隔壁部、２２：区画部。

Claims (7)

1. 被加熱物を加熱する加熱本体部と、
   その加熱本体部へ、又はその加熱本体部から前記被加熱物を搬送する搬送路と、
   その搬送路に、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜し、内部に空洞が形成されている外気流入阻止部と、
   を備える加熱装置。
2. 前記外気流入阻止部は、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に鉛直方向から３０°〜６０°傾斜した請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記外気流入阻止部は、前記搬送路の上方を覆うように形成された請求項１または２に記載の加熱装置。
4. 前記外気流入阻止部は、前記搬送路の下方を覆うように形成された請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記外気流入阻止部は、その内部に、前記加熱本体部に対して上部が遠ざかる方向に傾斜した隔壁部を有し、前記搬送路に対して開口した複数に区画された区画部が形成され、前記搬送路からの前記気体が前記区画部内に導かれる請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。
6. 前記外気流入阻止部の上部に、前記外気流入阻止部からの前記気体の排気を行う排気部を備えた請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置。
7. 前記加熱本体部に前記気体を導入する気体導入部を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の加熱装置。