JPH07185253A - 窒素ガス供給装置並びにその運転方法及びそれを用いた窒素ガス雰囲気加熱装置 - Google Patents

窒素ガス供給装置並びにその運転方法及びそれを用いた窒素ガス雰囲気加熱装置

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JPH07185253A
JPH07185253A JP34025493A JP34025493A JPH07185253A JP H07185253 A JPH07185253 A JP H07185253A JP 34025493 A JP34025493 A JP 34025493A JP 34025493 A JP34025493 A JP 34025493A JP H07185253 A JPH07185253 A JP H07185253A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 加熱圧縮空気から窒素ガスを分離する分離膜
を用いた窒素ガス発生器39を備えた窒素ガス供給装置
で、窒素ガス発生器39を加熱するヒーター69と、窒素ガ
ス発生器39を所定の温度に保つ温度制御装置とを設け、
さらに、水素ガス供給源41と、窒素ガス発生器39で発生
した窒素ガスに水素ガスを混合する混合部45と、混合ガ
ス中の酸素と水素を燃焼反応させる精製器47とを設け
た。 【効果】 窒素ガス発生器をヒーターで加熱することに
より窒素ガスの酸素濃度を低くできる。水素と酸素の燃
焼反応により窒素ガスの酸素濃度をさらに低くできる。
運転開始時に窒素ガス発生器をヒーターで予熱すること
により運転開始から定常運転状態にもっていくまでの時
間を短縮できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素ガス供給装置並び
にその運転方法及びその窒素ガス供給装置を用いた窒素
ガス雰囲気加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えばプリント配線板に電子部品を実装
する場合には、プリント配線板のパッド上にクリーム半
田を塗布し、その上に電子部品を搭載したものを、加熱
炉内に通し、炉内の熱でクリーム半田を溶融させてパッ
ドと部品リードを半田付けしている。このとき、加熱炉
内には窒素ガスを充満させて、プリント配線板や電子部
品の酸化を防止する必要がある。
【０００３】加熱炉内に窒素ガスを充満させるには従
来、シャッターで炉内外を遮断する方式が一般的であっ
たが、この方式はトラブルが発生しやすいため、最近、
図３に示すような非接触シール方式の加熱炉が提案され
ている。この加熱炉は、内部に面状ヒーター11、棒状ヒ
ーター13およびファン15などが設置された加熱室17と、
入口通路19と、出口通路21とを備えており、その中を電
子部品を搭載したプリント配線板23が両側縁をチェーン
コンベア25により支持された状態で走行するようになっ
ている。
【０００４】加熱室17内には電子部品を搭載したプリン
ト配線板23の酸化防止のため窒素ガスを充満させる。窒
素ガスは窒素ガス噴出管27から供給される。窒素ガスの
供給量は、外部から炉内に空気が侵入するのを防止する
ため、入口通路19および出口通路21から常時窒素ガスが
炉外に流出するように調節される。窒素ガスが外部に流
出する量をできるだけ少なくするため、入口通路19およ
び出口通路21内には、コンベア25の走行方向に所定の間
隔をおいて多数のシール板29が設置されている。これに
より入口通路19、出口通路21を通って流れ出す窒素ガス
に抵抗を与え、窒素ガスの使用量を少なくしている。
【０００５】なお図３の例では、窒素ガス噴出管27を出
口通路21内に設置したが、窒素ガス噴出管27は加熱室17
内に設置される場合もある。
【０００６】加熱炉へ窒素ガスを供給するには従来、液
体窒素タンク、窒素ガスＰＳＡ(Pressure Swing Adsorp
tion) 装置などが用いられていたが、これらの供給手段
はタンク交換が不便であるとか大型である等の難点があ
るため、最近、空気から窒素ガスを分離する分離膜を用
いた窒素ガス発生器で窒素ガスを発生させ、それを加熱
炉に供給することが検討されている。
【０００７】従来の分離膜を用いた窒素ガス供給装置
は、図４に示すように、空気を取り入れて圧縮するコン
プレッサー35と、圧縮された空気を加熱する空気加熱器
37と、加熱された圧縮空気から分離膜により窒素ガスを
分離する窒素ガス発生器39とから構成されている。
【０００８】窒素ガス発生器39は、金属筒内に中空糸状
の分離膜（高分子膜）を多数本束ねて収納した構成であ
る。この窒素ガス発生器39に一端側から圧縮空気を送り
込むと、分離膜を透過しやすい（透過速度が高い）酸素
等のガスが途中で中空糸外に通り抜け、分離膜を透過し
にくい窒素ガスが他端側に到達する。このため窒素ガス
発生器39の他端側で窒素ガスが得られる。途中で分離膜
を透過した酸素リッチガスは金属筒の中間から外部に排
出される。
【０００９】空気加熱器37は、窒素ガス発生器39に供給
する圧縮空気を電気ヒーター61により40℃程度に加熱す
ることにより、分離膜による窒素ガスの分離効率を高め
るためのものである。ヒーター61の発熱量は温度制御装
置により制御される。温度制御装置は、空気加熱器37の
出口の圧縮空気の温度を温度センサー63により検出し、
温度調節計65でその検出温度と設定温度を比較し、その
差が零となるように通電制御装置67によりヒーター61へ
の通電率を制御する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし分離膜を用いた
従来の窒素ガス供給装置は、得られる窒素ガス中に僅か
ながら酸素が残り、窒素ガス中の酸素濃度をある限度以
下に低下させることは困難であった。このため従来の分
離膜式の窒素ガス供給装置は、加熱炉内を窒素ガス雰囲
気に保って被加熱物品を酸化させずに加熱する装置のた
めの窒素ガス供給源としては酸素濃度の点で不十分であ
った。
【００１１】また従来の分離膜式の窒素ガス供給装置
は、運転開始時に、窒素ガス発生器の分離膜の温度が低
いため、加熱された圧縮空気を供給しても窒素ガスの分
離効率が低く、純度の高い窒素ガスが得られるようにな
る（定常運転状態になる）までに時間がかかる（約２時
間を要する）という問題がある。
【００１２】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点に鑑み、分離膜を用いた窒素ガス供給装置から供
給される窒素ガスの酸素濃度を従来よりさらに低くする
ことと、運転開始から定常運転状態にするまでの時間を
短縮することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段とその作用】この目的を達
成するため本発明は、圧縮空気供給源から供給される圧
縮空気をを加熱する空気加熱器と、加熱された圧縮空気
から窒素ガスを分離する分離膜を用いた窒素ガス発生器
とを備えた窒素ガス供給装置において、前記窒素ガス発
生器を加熱するヒーターと、このヒーターの発熱量を制
御して窒素ガス発生器を所定の温度に保つ温度制御装置
とを設けたことを特徴とする。
【００１４】このように窒素ガス発生器にヒーターと温
度制御装置を設けて、窒素ガス発生器を所定の温度に加
熱すると、得られる窒素ガスの酸素濃度が従来より低下
することが実験的に確かめられた。これは、窒素ガス発
生器の分離膜を、加熱圧縮空気の熱だけで加熱する場合
より、分離膜全体を最適温度に保つことが可能になるた
めと考えられる。また上記のようなヒーターを設けてお
くと、運転開始時に、空気加熱器から窒素ガス発生器へ
加熱圧縮空気を供給する前に予め、窒素ガス発生器を予
熱することができるので、短時間で定常運転状態にもっ
ていくことが可能となる。
【００１５】本発明の窒素ガス供給装置において、さら
に窒素ガス中の酸素濃度を低下させるためには、上記の
ヒーターと温度制御装置を設けた上でさらに、水素ガス
供給源と、前記窒素ガス発生器で発生した窒素ガスに水
素ガス供給源から供給された水素ガスを混合する混合部
と、混合されたガス中の酸素と水素を燃焼反応させて窒
素ガスの純度を高める精製器とを設けることが好まし
い。
【００１６】分離膜による窒素ガス発生器で得た窒素ガ
スにはどうしても微量の酸素が残る。この酸素の濃度を
低下させるには、窒素ガスに水素ガスを混合して、Ｐｄ
またはＰｔ等の貴金属を触媒として酸素と水素を燃焼反
応させ、酸素を除去することが有効である。窒素ガスの
供給量をほぼ一定とすれば、窒素ガス中の酸素濃度を低
下させるためには水素ガスの供給量を増加させればよ
い。水素ガスの供給量は、窒素ガスの純度により異なる
が、例えば窒素ガス発生器で10ｍ3 ／hr、純度99.9％の
窒素ガスを発生させた場合、その純度を99.999％にする
には、水素ガスを約20リットル／hr供給すればよい。
【００１７】本発明の窒素ガス供給装置を、加熱炉内を
窒素ガス雰囲気に保って被加熱物品を酸化させずに加熱
する装置の窒素ガス供給源として使用する場合は、上記
の水素ガス供給源、混合部および精製器を備えたものと
することが望ましい。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は本発明に係る窒素ガス供給装置の一
実施例を示す。この装置は従来同様、コンプレッサー35
と、空気加熱器37と、分離膜を用いた窒素ガス発生器39
とを備えている。空気加熱器37が、ヒーター61と、温度
センサー63と、温度調節計65と、通電制御装置67とを備
えていることも従来と同じである。
【００１９】この装置の第一の特徴は、窒素ガス発生器
39を加熱するヒーター69と、このヒーター69の発熱量を
制御して窒素ガス発生器39を所定の温度に保つ温度制御
装置とを設けたことである。ヒーター69はシート状また
はリボン状の電気ヒーターからなり、窒素ガス発生器39
の分離膜を収納する金属筒の外周に巻き付けられてい
る。図示してないが、ヒーター69の外側は断熱材で覆わ
れている。温度制御装置は、窒素ガス発生器39の金属筒
の外面の温度を温度センサー71で検出し、温度調節計73
でその検出温度と設定温度を比較し、その差が零となる
ように通電制御装置75によりヒーター69への通電率を制
御するものである。
【００２０】上記の装置の試験結果を説明する。まずヒ
ーター69をオフにして、空気加熱器37から46℃に加熱さ
れた圧縮空気を窒素ガス発生器39に供給した（従来と同
じ条件）。その結果、８時間を経過しても窒素ガス発生
器39の金属筒表面の温度は33℃までしか上昇せず、その
状態で窒素ガス発生器39の出口から得られる窒素ガスの
酸素濃度は3100ppm であった。
【００２１】次にヒーター69をオンにし、窒素ガス発生
器39の金属筒の表面温度が46℃（供給される圧縮空気の
温度と同じ）でほぼ一定となるように温度制御した。こ
の運転条件下では、窒素ガス発生器39の出口から得られ
る窒素ガスの酸素濃度は2500ppm となり、窒素ガス発生
器39を加熱しない場合より大幅に低下した。
【００２２】次に設定温度を変更し、窒素ガス発生器39
の金属筒の表面温度が55℃でほぼ一定となるように温度
制御した。この運転条件下では、窒素ガス発生器39の出
口から得られる窒素ガスの酸素濃度は2100ppm となり、
さらに低下した。
【００２３】このような実験により、窒素ガス発生器39
をヒーター69で加熱することが、窒素ガス中の酸素濃度
を低下させるのに極めて有効であることが確認された。
【００２４】この装置の第二の特徴は、窒素ガス発生器
39で得られた窒素ガスの純度をさらに高める精製ユニッ
トを設けたことである。この精製ユニットは、水素ガス
ボンベ等の水素ガス供給源41と、この水素ガス供給源41
から流量制御弁43を経て供給される水素ガスを前記窒素
ガス発生器39で発生した窒素ガスに混合する混合部45
と、混合されたガス中の酸素と水素を燃焼反応させて窒
素ガスの純度を高める精製器47とを備えている。
【００２５】水素ガスの供給量は、窒素ガス発生器39で
発生する窒素ガス中の酸素濃度が高いときは多く、低い
ときは少なくなるように制御される。この制御を行うた
め、精製器47を出た窒素ガスの酸素濃度を検出する酸素
濃度検出器51と、検出した酸素濃度に応じて流量制御弁
43の開度を制御する制御器53が設けられている。
【００２６】このような精製ユニットを設けることによ
り窒素ガス発生器39で得られた窒素ガスの純度をさらに
高めることが可能となる。なおこの精製ユニットは、要
求される窒素ガスの純度に応じて設けられるものであ
る。要求される窒素ガスの純度が、窒素ガス発生器39で
発生する窒素ガスの純度で間に合う場合は精製ユニット
を設ける必要はない。
【００２７】次に図１の窒素ガス供給装置を用いた窒素
ガス雰囲気加熱装置を図２を参照して説明する。この窒
素ガス雰囲気加熱装置は、加熱炉31に窒素ガス供給装置
33から窒素ガスを供給し、加熱炉31内を窒素ガス雰囲気
に保つものである。加熱炉31の構造は図３に示した従来
の加熱炉と同様であるので、同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。
【００２８】窒素ガス供給装置33は、空気を取り入れて
圧縮するコンプレッサー35と、圧縮空気を加熱する空気
加熱器37と、加熱された圧縮空気から分離膜により窒素
ガスを分離する窒素ガス発生器39と、分離された窒素ガ
スに、水素ガス供給源41から流量制御弁43を経て供給さ
れる水素ガスを混合する混合器45と、触媒により酸素と
水素を燃焼反応させて純度の高い窒素ガスを得る精製器
47とから構成されている。精製器47で精製された高純度
の窒素ガスは配管49により窒素ガス噴出管27に送られ、
加熱炉31内に供給される。一方、水素ガスの供給量を調
整する流量制御弁43の開度は加熱炉31内の酸素濃度を検
出する酸素濃度検出器51の出力により制御される。
【００２９】窒素ガス発生器39からはほぼ一定流量の窒
素ガスを供給する。窒素ガスの供給量を一定とすれば、
窒素ガス発生器39で発生する窒素ガス中の酸素濃度もほ
ぼ一定となり、また加熱炉31の空気の吸い込み量もほぼ
一定となり、加熱炉31内の酸素濃度は何らかの外乱がな
いかぎり一定に保たれる。
【００３０】酸素濃度検出器51は常時、加熱炉31内の酸
素濃度を検出し、その検出信号を制御器53に送る。制御
器53は検出した酸素濃度に応じて流量制御弁43の開度を
制御する。すなわち酸素濃度が高いときは、その程度に
応じて流量制御弁43の開度を大きくし、水素ガスの供給
量を多くする。すると窒素ガス中の酸素がより多く除去
され、精製器47からは酸素濃度の低い窒素ガスが加熱炉
31に供給されるため、加熱炉31内の酸素濃度を低下させ
ることができる。また加熱炉31内の酸素濃度が低いとき
は上記と逆の操作を行う。
【００３１】例えば窒素ガス発生器39から酸素濃度1000
ppm の窒素ガスを９ｍ3 ／hrの流量で供給する場合、水
素ガスを約20リットル／hrの流量で供給すれば、加熱炉
31内の酸素濃度を100ppmに保つことができる。精製器47
はＰｄまたはＰｔ系の触媒を用いると、ＳＶ（空筒速
度）＝30,000までは窒素ガス中の酸素と注入した水素ガ
スが十分反応する。
【００３２】以上は定常運転状態の場合であるが、次に
窒素ガス雰囲気加熱装置の運転を開始する場合について
説明する。窒素ガス雰囲気加熱装置の運転を開始し、定
常運転状態にするためには、加熱炉31内の温度を所定の
温度まで立ち上げると共に、窒素ガス供給装置33から所
定の純度の窒素ガスを所定の流量だけ供給できるように
しなければならない。加熱炉31の立上げは約１時間程度
であるが、窒素ガス発生器39がヒーターを装備していな
い場合、純度99.999％の窒素ガスを加熱炉31に供給して
炉内酸素濃度を100ppmに安定させるまでに約２時間を要
する。このため加熱炉31を起動する前に窒素ガス供給装
置33を起動する必要があり、運転開始の操作が面倒であ
るばかりでなく、時間的、エネルギー的な無駄も大き
い。
【００３３】これに対し運転開始時に窒素ガス発生器39
をヒーター55で予熱すると、分離膜の温度を約30分で約
40℃まで立ち上げることが可能となり、純度99.999％の
窒素ガスを加熱炉31に供給して炉内酸素濃度を100ppmに
安定させるまでの時間は約１時間で済むようになる。し
たがって運転開始時の準備時間を短くできると共に、窒
素ガス供給装置33を加熱炉31とほぼ同時に起動すること
が可能となり、操作が簡単になる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、分
離膜を用いた窒素ガス発生器をヒーターで加熱すること
により、窒素ガス供給装置から供給する窒素ガスの酸素
濃度を低下させることができる。また運転開始時に窒素
ガス発生器をヒーターで予熱することにより運転開始か
ら定常運転状態にもっていくまでの時間を短縮すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る窒素ガス供給装置の一実施例を
示す説明図。
【図２】 本発明に係る窒素ガス雰囲気加熱装置の一実
施例を示す説明図。
【図３】 従来の窒素ガス雰囲気加熱炉を示す断面図。
【図４】 従来の窒素ガス供給装置を示す説明図。
【符号の説明】
17：加熱室 19：入口通路 21：出口通路 25：コンベア 27：窒素ガス噴出管 29：シール板 31：加熱炉 33：窒素ガス
供給装置 35：コンプレッサー 37：空気加熱
器 39：分離膜による窒素ガス発生器 41：水素ガス
供給源 43：流量制御弁 45：混合器 47：精製器 51：酸素濃度
検出器 53：制御器 55：ヒーター 61：ヒーター 63：温度セン
サー 65：温度調節計 67：通電制御
装置 69：ヒーター 71：温度セン
サー 73：温度調節計 75：通電制御
装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２７Ｄ 7/06 Ｃ 7727−4Ｋ Ｈ０５Ｋ 3/34 ５０７ Ｊ 7128−4Ｅ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮空気供給源から供給される圧縮空気を
    加熱する空気加熱器と、加熱された圧縮空気から窒素ガ
    スを分離する分離膜を用いた窒素ガス発生器とを備えた
    窒素ガス供給装置において、前記窒素ガス発生器を加熱
    するヒーターと、このヒーターの発熱量を制御して窒素
    ガス発生器を所定の温度に保つ温度制御装置とを設けた
    ことを特徴とする窒素ガス供給装置。
  2. 【請求項２】圧縮空気供給源から供給される圧縮空気を
    加熱する空気加熱器と、加熱された圧縮空気から窒素ガ
    スを分離する分離膜を用いた窒素ガス発生器とを備えた
    窒素ガス供給装置において、前記窒素ガス発生器を加熱
    するヒーターと、このヒーターの発熱量を制御して窒素
    ガス発生器を所定の温度に保つ温度制御装置とを設け、
    さらに、水素ガス供給源と、前記窒素ガス発生器で発生
    した窒素ガスに水素ガス供給源から供給された水素ガス
    を混合する混合部と、混合されたガス中の酸素と水素を
    燃焼反応させて窒素ガスの純度を高める精製器とを設け
    たことを特徴とする窒素ガス供給装置。
  3. 【請求項３】請求項１または２記載の窒素ガス供給装置
    であって、ヒーターは窒素ガス発生器の分離膜を収納す
    る金属筒の外周に配置されているもの。
  4. 【請求項４】請求項１または２記載の窒素ガス供給装置
    を運転する方法であって、運転中継続して、ヒーターと
    温度制御装置により窒素ガス発生器を所定の温度に保つ
    ことを特徴とする窒素ガス供給装置の運転方法。
  5. 【請求項５】請求項４記載の窒素ガス供給装置の運転方
    法であって、運転を開始する時に、空気加熱器から窒素
    ガス発生器へ加熱圧縮空気を供給する前に予め、窒素ガ
    ス発生器をヒーターで予熱することを特徴とするもの。
  6. 【請求項６】窒素ガス供給装置から加熱炉に窒素ガスを
    供給して加熱炉内を窒素ガス雰囲気に保つ窒素ガス雰囲
    気加熱装置において、前記窒素ガス供給装置として、請
    求項２記載の窒素ガス供給装置を用いたことを特徴とす
    る窒素ガス雰囲気加熱装置。
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