JP2010159898A - 熱風ヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】
熱風の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を一定の温度範囲で、大面積に加熱処理する熱風ヒーターを提供すること。
【解決手段】
熱風の加熱手段、整流および均熱手段をそれぞれ有することで、気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を大面積に加熱処理する。本発明の熱風ヒーターは、気体を熱する加熱手段における気体の流路構造と、熱せられた気体を吹出す吹出し口における気体の流路構造が異なる構造であって、ヒーターの吹出し口側に整流および均熱手段となる筒体ホルダーおよび整流板を有する。前記整流板を、前記筒体ホルダー内に配置し、かつ整流板は筒体ホルダー内の軸方向において発熱体先端から筒体ホルダーの中心位置の間に挿入されることで、整流作用および均熱作用を効果的に得ることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、熱風を吹付けることで、熱風の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材の乾燥、加熱、溶接、等の各種用途に使用する熱風ヒーターに関するものである。

大面積領域を所定の温度および所定の温度範囲にて加熱する熱風ヒーターは、例えば電子部品のハンダ付けや樹脂材料の加熱処理、加熱乾燥等に使用される。このような熱風ヒーターには、例えば気体の供給口を根元部に、逆側の先端部に熱風の吹出し口を設けた耐熱性の管体の内部に電熱線からなるコイル状の発熱体を設けて供給口から供給された気体を発熱体への通電によって加熱して熱風として吹出すように構成した熱風ヒーターがある(特許文献１)。

また、気体の加熱部と吹出し口の気体流路の筒断面形状が同一であるヒーターとして、電熱線からなるコイル状の発熱体を気体流路外周部に巻回したヒーター構造がある（特許文献２）。該ヒーター構造は、供給口から吹出し口までの気体流路が連通した同一構造であり、ある程度均一化された熱風を吹出すことが可能である。

また、供給口から導入した流体を整流する整流部を筒体内に配置した流体の整流機構がある（特許文献３）。該整流機構は、筒体の上流側中央付近に備えた供給口から導入した流体を、筒体の四隅部および四辺部方向に分散させるための分散整流板を設ける機構である。

また、本体部と、整流筒部と、流量調整部材とを有する乾燥装置がある（特許文献４）。該乾燥装置は整流筒部と流量調整部材とを有する複数の開口部を設けた構造であり、これにより供給される均一化された気体を被処理材に吹付けて乾燥させるもので、流量調整部材は気体の抵抗体であって気体を流れにくくすることで流量を調整するものである。

特開平６−３０４７４７ 特開平９−２７７０４０ 特開２０００−３３４３３３ 特開２０００−３０１００４

特許文献１に記載の熱風ヒーターの構造では、加熱部の気体流路は発熱体を中心とした周囲となるために、気体流路構造はヒーター筒の径断面においてドーナツ型のために熱風は吹出し口からそのままドーナツ状に吹出さることとなり、結果として被処理材の処理中心の温度は低く、処理エリアの円周領域が高温となるドーナツ状の温度分布となり所定の面積を均一化された温度で加熱処理することができない。すなわち、該ヒーター構造では、ヒーターの発熱体構造と同程度の径の大きさまでの面積を均一化した温度分布で加熱処理することはできない。

特許文献２に記載の熱風ヒーターの構造は、供給口から吹出し口までの気体流路が連通しているので、ヒーター吹出し口から供給される熱風の流速分布はドーナツ状ではなく、筒の径断面において中心から一様な流速分布をもつ熱風を吹出すことができ、結果均一に被処理材を加熱処理することが可能である。しかしながら、加熱処理面積を大きくするために気体流路の径を大きくすると、筒の径断面方向、すなわち流路中心と流路の円周端部の気体を均一に加熱することができない。

特許文献３に記載の流体の整流機構では、気体の整流性を向上させることができるが、その反面、気体の流れが煩雑化するために流速ロスが大きくなる。その結果、熱風の温度低下も大きくなり所望の温度を得るには、ヒーター設定温度を高く、かつ気体の供給量を多くしなければならないという設定条件となり、ヒーター負荷の増大にともないヒーターの寿命が短くなり、交換頻度が高く高コストとなってしまう。

特許文献４に記載の装置構造は、複数の開口部から吹出される気体の各開口部間のバラツキを抑制するために、各開口部における整流筒部の供給室側に流量調整部材を導入したものである。また、被処理材は触媒用スラリーであって、吹出し口から吹出された気体はヒーター軸方向に５〜１５ｍ／ｓと大きな流速で被処理材を通過し、被処理材を通過中に対流等を利用して気体との接触面を均一に熱処理するものであり、ヒーターの吹出し口から吹出し方向と直交する面に特定の距離をもって配置された被処理材を均一に熱処理するには適さない。

以上のように、従来の熱風ヒーターでは、熱風ヒーターの気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材をヒーターの発熱体ないしはヒーターの流路構造と同程度の大きさの面積以上に、一定の温度範囲内に高温で、加熱処理することは不可能であった。

上記の課題を解決するために、本発明者は気体の加熱手段に加え、整流および均熱手段を有することで、気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を大面積に加熱処理することが可能であることを見出した。本発明の熱風ヒーターは、ヒーターの気体吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を加熱処理する熱風ヒーターにおいて、気体を熱する加熱手段における気体の流路構造と、熱せられた気体を吹出す吹出し口の気体の流路構造が異なる構造であって、発熱体の吹出し口側先端から前記吹出し口までの長さを延長する筒体ホルダーと、前記筒体ホルダー内部に複数の孔のある整流板とを具備したことを特徴とする。

本発明は、ヒーターの気体吹出し方向と直交する面に配置された被処理材の加熱処理を可能とするヒーター構造で、ヒーター負荷を抑制し、所定の温度範囲で略均一に加熱処理を可能とする効果を奏する。

本発明における熱風ヒーターの内部構造を示した縦断面図である。 実施例１のガラス基板位置の１次元の流速分布測定の結果である。 実施例１のガラス基板の２次元の温度分布測定の結果である。

本発明で用いる熱風ヒーターは、気体の加熱手段、整流および均熱手段を有する。それにより、本発明の熱風ヒーターは、被処理材の加熱処理面積がφ１０ｍｍ以上（以下大面積と表記する）で、当該加熱処理面積内における温度分布が前記所望の加熱温度に対して±１０％以内の加熱処理ができる。更には、被処理材を１５０℃以上の高温に加熱することに特に優れている。

気体の加熱手段は、気体の供給口と吹出し口を両端に有する円筒状のヒーター１内に発熱体２を具備した構造である。ここで用いられる気体は、空気、水蒸気、窒素、アルゴン等の気体を単体で用いても良いし、複数を混合して用いても良い。加熱手段の供給口から導入された気体は、円筒状のヒーター１内の軸方向に備えられた発熱体２の外周部において、同様に軸方向に設けられた気体流路５を通過することで熱せられ、熱風として吹出される。発熱体２は、石英やセラミック等の耐熱性材料で封止されていても良い。またその際の発熱体２を封止した構造は、角柱型および円柱型のいずれでも良いが、耐熱性材料の加工性、および、封止体の外周部を通過する気体との接触面積の点から、円柱型であることが好ましい。発熱体２の外周部の気体流路５の構造も同様に、角柱型および円柱型のいずれでも良いが、耐熱性材料の加工性、および、前記ヒーター内の軸方向と垂直な面内方向において発熱体２からの距離が等方的である円柱型が好ましい。

供給される気体の流速によって気体流路５における気体の滞留時間が異なり、流速が小さい方が発熱体２と接触する領域の滞留時間が長くなるため、他の条件が同じ場合には気体を高温に加熱し易くなる。一方で、供給される気体の流速を小さくするとヒーター吹出し口１２から吹き出される熱風の流速も小さくなるために、ヒーター吹出し口１２から被処理材に到達するまでの間に外部環境に影響を受け易くなり、温度低下や熱風到達位置のずれなどが発生する。また、流速を大きくすると、発熱体２と供給気体との熱伝導が不足し易くなり、熱伝導の不足を補うために発熱体２を大きくまたは高温にする必要が発生する。さらに、例えば基板上の溶液、樹脂材料およびはんだ材等の粘性のある材料を加熱処理する場合には、前記材料が吹出された気体の風圧によって材料位置が動くなどの影響を受け、局所的な溶着不備や、材料の密着性低下が発生し、熱処理結果がばらつくことで後工程への信頼性低下が生じる。そのため、供給される気体の流速は、被処理材により適する流速の範囲が異なることになり、本発明の気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を加熱処理する場合、ヒーター吹出し口１２から吹出される熱風の流速が０．２〜５ｍ／ｓとなるよう、ヒーター１に気体を供給することが好ましい。

前記気体の加熱手段は、発熱体２の外周部に気体が熱されながら通過する気体流路５が備わった構造であるため、気体流路５の構造はヒーター軸の径方向でドーナツ型であり、熱風はドーナツ型の流速分布となるが、本発明の気体の整流および均熱手段を用いることで熱風の流速分布を均すことが可能となる。すなわち、発熱体の吹出し口側先端（以下発熱体先端と表記する）１１からヒーター吹出し口１２までの長さを延長する筒体ホルダー４、および、前記筒体ホルダー４内部に整流板３を供えることで気体の整流および均熱を行うことができる。

ヒーター１内における、発熱体の径２１をＤ１、発熱体外周部の気体流路構造の径２２をＤ２、筒体ホルダーの径２３をＤ３とすると、それぞれはＤ１＜Ｄ２≦Ｄ３、Ｄ２＜Ｄ１＋１０ｍｍ、Ｄ３≦Ｄ１＋Ｄ２の関係を満たす。発熱体の径２１（Ｄ１）は被処理材の加熱処理面積によって最適値は変化し、通常の熱風ヒーター構造の場合はφ５〜３０ｍｍであるがこれに限るものではない。発熱体外周部の気体流路構造の径２２（Ｄ２）は、Ｄ１より大きく、流路構造内での気体の熱伝導の観点からＤ１＋１０ｍｍ以下であることが好ましい。筒体ホルダーの径２３（Ｄ３）は、Ｄ２以上であり、ヒーター軸方向におけるＤ２の内側および外側への気体の整流性の観点から、Ｄ１＋Ｄ２以下であることが好ましい。

筒体ホルダー４は加熱された気体の整流性および均熱性を高め、該筒体ホルダー４は発熱体先端１１からヒーター吹出し口１２までの長さを３０〜７５ｍｍ延長する構造である。３０ｍｍ以下では筒体ホルダー４内での整流作用および均熱作用が乏しく大面積の均一加熱が不可である。７５ｍｍ以上では、発熱体先端１１からヒーター吹出し口１２までの距離が長くなりすぎるために、熱風の熱損失が大きく処理材を所望の温度まで加熱するにはヒーター負荷が高くなるために、ヒーター寿命が短くなり交換頻度が高く、高コストとなる。

整流板３はφ１．０〜２．５ｍｍの複数の孔を有し、開孔率が１０〜４０％となるように孔を配列されてなる。整流板３の開孔率は、孔径、ピッチ、配列様式により算出される。ここで、孔径は孔の大きさであり、ピッチは隣接する孔の孔中心間の距離で表わされる。孔径、ピッチ、およびそれらの配列様式により開孔率は決定する。整流板３を通過する際の気体は整流板３の孔径、板厚、開孔率で算出される孔の表面積から摩擦抵抗を受け、流速が低下する。孔径がφ１．０ｍｍより小さいと、整流板３を通過する前後で摩擦抵抗が大きくなり被処理材の加熱の効率が低下する。また、整流板３の任意の一つの孔部を通過して吹出される気体は、当該する孔の中心を中心としピッチの半分の長さに関係する整流板領域上の気体であり、整流板３を通過する際は、孔の周囲の領域の気体を一つの孔に取り入れることで、流速および温度分布のバラツキが均されるので、孔径がφ１．０ｍｍより小さいと、整流作用および均熱作用を効率よく果たすことができない。φ２．５ｍｍより大きいと、孔が大きすぎるために本熱風ヒーターで使用する流速域での整流効果が得られない。また、開孔率が１０％より小さいとヒーターから吹出される流量が不足し被処理材の加熱効率が低下する。一方で開孔率が４０％より大きくなると、整流作用および均熱作用を果たすことができなくなる。

なお、整流板３は複数枚を筒体ホルダー４内に装着しても良いが、枚数が増えるに従い流速ロスが増加するため、１枚であることが好ましい。

整流板３は、筒体ホルダー４の軸方向における中心位置より発熱体先端１１側に装着する。本熱風ヒーターは、発熱体２の存在する加熱手段における気体の流路構造と、熱せられた熱風の吹出し口における気体の流路構造が異なるヒーター構造である。すなわち気体の流れ方向において一貫した流路構造ではなく途中で変化した流路構造となるため、整流板３を用いて気体の整流を行う。整流板３の効用を最大限に活用するためには、この流路構造が変化する発熱体先端１１位置から筒体ホルダー４の軸方向の中心位置の間に装着することが好ましい。整流板３の装着位置が筒体ホルダー４の軸方向における中心位置よりもヒーター吹出し口１２側にあった場合、筒体ホルダー４内における整流作用は整流板３手前側の方が大きく、整流板３を通過した後の整流作用は筒体ホルダー４本来のものよりも半減してしまう。

また、通常の熱風ヒーター構造であれば、整流板３はヒーター内の発熱体先端１１から３ｍｍ以上離して装着することが好ましい。発熱体先端１１からの距離が３ｍｍ以下では、発熱体自身によってヒーター内の流路構造を通過してきた気体が整流板３の開孔部全体を通過することを阻害され開孔部の一部分のみから通過してしまい、整流板３の作用を効率良く果たすことができない。また、発熱体２からの輻射熱の影響で整流板３が変形する恐れもある。また、以上から、整流板３の装着位置は筒体ホルダー４内での整流作用および均熱作用を効率的に得るために、筒体ホルダー４内において、発熱体先端１１から整流板３までの距離と整流板３からヒーター吹出し口１２までの距離の比が１：９〜５：５であることが好ましい。

上記の筒体ホルダー４および整流板３により、ヒーター吹出し口１２から吹出される熱風を整流および均熱化することが可能となる。整流化とは、ヒーター吹出し口１２から吹出される気体の流速分布のバラツキがヒーターの気体吹出し方向と直交する面内において均すことである。吹出される気体に流速分布のバラツキがあると局所的な温度バラツキが発生し、被処理材を一定の温度範囲で大面積に加熱することができない。流速分布のバラツキは、ヒーター筒の径断面において特定の温度範囲で加熱する各位置の流速を、最大流速の３０％以内におさめることが好ましい。３０％より大きくなると、筒体ホルダー４内の径断面における流速分布が層流状に近く放物線状の速度分布となるために、被処理材の温度分布は流速分布に比例してしまい、所望の面積に一定の温度範囲で加熱することができない。また、均熱化はヒーターから吹出される熱風の温度を均すことである。流速分布は、一定の温度範囲で加熱する各位置の流速を最大流速の３０％以内におさめることが好ましい。３０％より大きくなると、筒体ホルダー４内の径断面における流速分布が層流状に近く中心を最大にした放物線状の速度分布となり、均一な流速分布が得られず、結果被処理材を一定の温度範囲で大面積に加熱することができない。また、均熱化はヒーターから吹出される熱風の温度を均すことである。

ヒーターの吹出し口１２から、気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材までの距離は、３〜１５ｍｍが好ましい。ヒーター吹出し口１２から被処理材までの距離が３ｍｍより近すぎると、ヒーター筐体からの輻射熱の影響が生じるため、均一な加熱処理ができない。また、１５ｍｍより遠すぎると、ヒーター吹出し口１２から被処理材に到達するまでの間に外部環境に影響を受け易くなり、温度低下や熱風到達位置のずれなどが発生し、熱処理結果がばらつくことで後工程への信頼性低下が生じる。

被処理材は、ガラス、シリコン、石英、アルミニウム、樹脂等の基板であり、前記基板上に樹脂、はんだ材料、有機および無機材料の微粒子、金属等の材料が備わっていてもよい。

ガラス基板上のＳＯＧ（スピンオンガラス）材料の焼結乾燥の実施例を用いて本発明を説明する。

アルミニウム電極がパターン形成されたガラス基板上に、電極を覆うように塗布されたＳＯＧ溶液を焼成させるために、本発明の熱風ヒーターを用いて加熱処理を行った。ヒーター構造は図１に示す構造であり、発熱体２の直径が１６ｍｍ、発熱体外周部の気体流路５の直径が２０ｍ、筒体ホルダー４の直径を３０ｍｍ、筒体ホルダー４の長さ４０ｍｍ、孔径がφ１．５ｍｍ、ピッチ１：２の６０°千鳥配列で開孔率２２．７％の整流板３を、ヒーター内の発熱体２から５ｍｍ離した位置に挿入した。ヒーター吹出し口１２からガラス基板までの距離は５ｍｍである。ＳＯＧ溶液の焼成には２８０℃以上の温度が必要であるが、熱ダメージによるアルミニウム電極の特性劣化や剥がれが起こるために、上限温度は３００℃である。

アルミニウム電極は、サイズ１ｍｍ□、間隔２ｍｍで５個直線状に配置されており、アルミニウム電極を覆うようにＳＯＧ溶液を塗布した。ＳＯＧ溶液を塗布した基板に対して、熱風ヒーターで加熱処理して、ＳＯＧの乾燥、焼成を行ったところ、５個の電極全てで均一にＳＯＧ膜を焼成することができた。図２はガラス基板上のある一軸方向の流速分布の測定結果であり、図３はガラス基板の温度分布を複数の熱電対で測定した分布形状である。図２から最大流速から３０％以内の流速の範囲は約２０ｍｍの範囲があり、また図３から２８０〜３００℃の領域が約φ２０ｍｍあることが判り、これにより均一にＳＯＧ膜を焼成することができた。

本発明のヒーター構造を利用することで、２９０℃±１０℃の温度範囲を約φ２０ｍｍの領域で加熱することができ、かつガラス基板上にパターン形成されたＳＯＧ膜を位置ずれなく、均一に焼成できた。

１ ヒーター
２ 発熱体
３ 整流板
４ 筒体ホルダー
５ 気体流路
１１ 発熱体先端（発熱体の吹出し口側先端）
１２ ヒーター吹出し口
２１ 発熱体の径（Ｄ１）
２２ 発熱体外周部の気体流路構造の径（Ｄ２）
２３ 筒体ホルダーの径（Ｄ３）

Claims (6)

1. 気体の供給口と吹出し口を両端に有する円筒状のヒーター内に発熱体を具備し、
   前記発熱体の周囲を気体が通過することにより加熱された気体を前記吹出し口から吹出し、
   気体の吹出し方向と直交する面に配置された被処理材を加熱処理する熱風ヒーターにおいて、
   前記発熱体の吹出し口側先端から前記吹出し口までの長さを延長する筒体ホルダーと、前記筒体ホルダー内部に複数の孔のある整流板とを具備したことを特徴とする熱風ヒーター。
   
2. 前記筒体ホルダーは、熱風ヒーターにおける前記発熱体の吹出し口側先端から前記吹出し口までの長さが３０ｍｍ以上７５ｍｍ以下となることを特徴とする請求項１記載の熱風ヒーター。
   
3. 前記整流板が、前記筒体ホルダーの軸方向における中心位置より発熱体側に位置することを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱風ヒーター。
   
4. 前記整流板は、孔の開孔率は１０〜４０％の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱風ヒーター。
   
5. 前記整流板は、φ１．０〜２．５ｍｍの孔部が配列されてなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱風ヒーター。
   
6. ヒーターから吹出される熱風の最大流速が０．２〜５ｍ／ｓで、最大流速から３０％以内の流速に均された流速分布で被処理材を加熱処理することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱風ヒーター。