KR100242405B1 - 불활성 기체의 유속이 산소 농도를 제어하도록 조절되는 노 - Google Patents

불활성 기체의 유속이 산소 농도를 제어하도록 조절되는 노 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소 농도가 노의 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 어느 한 부분 또는 양 부분에서 직접적으로 또는 간접적으로 감지되는 노, 예를 들면 환류 납땜 오븐에 관한 것이다. 이들 감지기에 의해 발생된 신호는 PID (비례, 적분, 미분) 제어기 내에서 처리되어, 중심 처리 부분으로 유입되는 불활성 기체의 유속을 제어하는 제어 신호를 발생함으로써, 적어도 공기가 중심 처리 부분으로 진입하는 것을 저해한다. PID 제어기는 그 적분 오차 항이 중심 처리 부분에 요구되는 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분의 산소 농도의 시간 평균과 같게 설정되도록 프로그래밍 되어있다. 비례 오차 항 및 미분 오차 항은 산소 농도 설정값보다 작은 노의 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 어느 한 부분 또는 양 부분의 농도의 시간 평균과 같게 설정된다.

Description

불활성 기체의 유속이 산소 농도를 제어하도록 조절되는 노{FURNACE}
본 발명은, 제품이, 입구 부분을 통해 노에 들어가 노 내부의 중심 처리 부분에서 처리된 후 출구 부분을 통해 노를 빠져나가도록 되어 있는 노에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 중심 처리 부분이, 공기가 노로 진입하는 것을 억제하기 위하여 불활성 기체를 노로 도입하기 위한 입구를 하나 이상 갖는 노에 관한 것이다. 보다 더 바람직하게는, 본 발명은 불활성 기체의 유속이 제어기에 의해 조절되는 노에 관한 것이다.
환류 (reflow) 및 파상 (wave) 납땜 노(또한 오븐으로도 알려져 있음), 머플로 등과 같은 노에 있어서는, 가열된 금속부로 구성된 제품의 산화를 방지하는 산소-미함유 처리 대기를 생성시키기 위해, 불활성 기체(통상 질소 또는 N2+ 산소 소거제, 예컨대 H2, HC)가 노에 도입된다. 불활성 기체의 유속은 공기가 적어도 노의 중심 처리 부분에 들어가는 것을 억제하도록 설정된다. 공기 진입은 종종 노의 입구 및 출구 부분을 통한 제품의 이동, 노 내부에서의 누출 및 노를 통해 이동하는 제품내의 공기 폐입(entrapment)으로부터 발생한다.
공기가 노의 중심 처리 부분에 들어가는 정도는 생성되는 노 대기의 산소 농도로 측정되고 언급될 수 있다. 특정 방법에 허용될 수 있는 지정 산소량은 통상 사용자에 의해 한정되나, 0 내지 약 100,000ppm일 수 있다. 이들 제한은 금속 종류, 가열되는 온도 및 기타 대기 성분(예컨대 [H2] 등)에 따라 달라진다. 또한, 연납땜(soldering) 및 경(硬)납땜(brazing) 노에 있어서, 지정 산소량은 납땜과정중 산화물층 제거에 사용되는 융제 강도, 납땜되는 접합부의 복합성 및 부 기준의 접합부 수와 같은 인자에 의거한다. 산소량을 저감시키면 접합부 결함율이 저감되고, (처리후 세정이 필요없는) 저 잔사 융제를 사용할 수 있어, 접합부가 보다 강해진다.
불활성 기체의 유속은 통상 노의 설치과정중 설정되고, 노의 처리 부분에 지정 산소 농도 수준을 생성하도록 설정된다. 예를 들면, 환류 또는 파상 연납땜 노에서, 관심의 대상이 되는 처리 부분이 환류 또는 파상 연납땜 대역이 된다. 일단 불활성 기체의 유속이 설정되면 생산요원에 의해 약간 변하는 것 이외는 거의 변하지 않는다. 그 결과로서, 공기 진입 문제를 피하기 위해서는, 노에 초기 설정되는 유속은 소정의 산소 농도 수준을 유지하는데 필요한 이론적인 최소치보다 다소 높아진다. 따라서, 불활성 기체의 과도한 유속은 공기 진입이라는 보이지 않는 원인에 대해 안전한 한계를 제공한다. 이와 같이 불활성 기체의 유속을 최소화하려는 시도는 전혀 없었다.
노 내부의 예비설정된 산소량을 유지하는 한 수단은, 관심의 대상이 되는 위치에서의 산소량이 불활성 기체의 유속 변화에 영향을 미치도록 조정된 폐쇄 제어 루프이다. 예를 들면, 산소 분석기의 출력은 환류 연납땜 노의 환류 연납땜 대역으로 도입되는 질소 기체의 유속을 제어하는데 사용될 수 있다. 이 기술을 사용한 경우의 문제점은 산소량의 변화가 감지될 때에는 이미 너무 많은 공기의 진입이 일어났다는 것이다. 그 결과로서, 질소의 유속은 과도하게 고 수준으로 다시 설정되어 설정값을 회복한다.
논의되는 바와 같이, 본 발명은 노로 도입되는 불활성 기체의 유속이 본 발명에 따라 최적으로 제어되도록 한 노를 제공한다.
본 발명은 입구 부분, 출구 부분 및 입구부분과 출구 부분 사이에 위치한 중심 처리 부분을 포함하는 노를 제공한다. 중심 처리 부분은 적어도 중심 처리 부분으로의 공기 진입을 억제하기 위하여 불활성 기체를 중심 처리 부분으로 유입한 후 입구 및 출구 부분을 향해 유동시키기 위한 입구를 하나 이상 갖는다. 적어도 공기가 중심 처리 부분으로 들어가는 것을 억제하기에 충분한 유속으로 불활성 기체를 공급하기 위해 제어수단이 제공된다. 제어수단은 불활성 기체의 유속 제어용 제어신호에 민감하다. 적어도 제 1 및 제 2 감지 수단은 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분의 내부에 각각 위치하여, 각각 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분의 내부의 산소 농도에 관련될 수 있는 적어도 제 1 및 제 2 출력 신호를 발생시킨다. PID(비례, 적분, 미분) 제어기는 제어 신호를 발생시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 출력 신호에 반응한다. PID 제어기는 (Kp∈) + (K1∫∈1dt) + (K2d∈/dt) 로 표시된 합에 필적하는 제어 신호를 생성한다. 상기 합에 있어서, Kp, K1및 K2는 각각 비례, 적분 및 미분 이득 상수이고, ∈은 비례 및 미분 오차 항 양자에 사용되고, ??1은 적분 오차 항이다. PID 제어기는 적분 오차 항이 중심 처리 부분에서 요구되는 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분의 산소 농도의 제 1 시간 평균이 되도록 프로그래밍될 수 있다. 비례 오차 항 및 미분 오차 항은 산소 농도 설정값보다 작은 각각 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분의 산소 농도의 제 2 시간 평균이다. 바람직하게는, 제 1 및 제 2 시간 평균은 각각 기하학적 시간 평균이다. 이와 관련하여, PID 제어기는, 물론 사용된 특정 감지기에 따라 다르겠지만, 1초당 약 10회의 속도로 산소 농도에 관련될 수 있는 신호를 처리하게 된다. 따라서, PID 제어기를 두 개의 제 2 시간 간격에 걸친 신호를 평균하도록 설정하면, 단순 산술 평균의 경우에는 각 감지기의 신호가 합해진 후 각 감지기의 신호의 수로 나뉘어진다. 기하학적 시간 평균의 경우는, 시간 간격에 걸친 모든 신호의 곱을 취하여 이러한 곱에 대한 신호수의 거듭제곱근을 구한다.
농도의 시간 평균을 사용함으로써, 중심 부분에 영향을 미치지 않는 입구 및 출구 부분에서 일어나는 일시적인 조건에 계가 과도하게 반응하지 않는다. 이것은 기하학적 시간 평균에 의거하여 PID 제어기를 프로그래밍함으로써 향상될 수 있다. 따라서, 상기한 바와 같이 프로그래밍된 PID 제어기는 일시적인 조건보다 경향에 더 민감한 제어 신호를 생성시킨다.
도 1 은 본 발명에 따른 노의 개략도이다.
이하에서는, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 노(1)를 설명한다. 노(1)는 연속 노 또는 납땜 오븐일 수 있다. 이런 점에서, 본 명세서 및 특허청구의 범위에 사용되는 용어 "노"는 오븐도 포함하는 것이다.
노(1)는 입구 부분(10) 및 출구 부분(12)을 갖는다. 중심 처리 부분(14)은 입구 부분(10)과 출구 부분(12) 사이에 위치한다. 중심 처리 부분(14)은 오븐의 통상의 파상 납땜 부분일 수 있다. 노(1) 내부에서 가열될 제품은 입구 부분(10)에 들어가 중심 처리 부분(14)으로 진행하여 출구 부분(12)을 통해 노(1)로부터 빠져나간다.
제 1 산소 감지기(16), 제 2 산소 감지기(18) 및 제 3 산소 감지기(20)는 각각 중심 처리 부분(14), 입구 부분(10) 및 출구 부분(12) 내의 산소 농도를 감지하기 위해 제공된다. 제 1 산소 감지기(16), 제 2 산소 감지기(18) 및 제 3 산소 감지기(20)는 제 1, 제 2 및 제 3 출력 신호를 발생하고, 이들 신호는 제 1 전기 회로(22), 제 2 전기 회로(24) 및 제 3 전기 회로(26)에 의해 PID 제어기(28)로 전달된다.
도시하지는 않았지만, 비용 절감책으로서, 제 2 산소 감지기(18) 또는 제 3 감지기(20)를 배제할 수 있다. 이런 경우에는, 노(1)를 작동하여 입구 부분(10) 및 출구 부분(12) 양자에서 산소 농도를 판독하게 된다. 산소 농도가 최고로 판독된 부분 내에 산소 감지기를 배치한다. 따라서, 이런 양태에 있어서, 산소 감지기는 입구 부분(10) 또는 출구 부분(12)에 배치되어 제 1 및 제 2 산소 감지기만 있게 된다.
중심 처리 부분(14) 내에 충분히 저 수준의 산소 유지를 확보하기 위해서는, 질소를 질소 입구 노즐(32)을 통해 중심 처리 부분(14)으로 도입하는 질소원(30)을 제공한다. 공기가 중심 처리 부분(14)으로 들어가지 못하도록 하기 위해서는, 중심 처리 부분(14)으로 유입된 질소를 입구 부분(10) 및 출구 부분(20) 쪽으로 유동시킨다. 질소의 유속은 질량 유동 제어기(34)에 의해 제어되고, 또한 PID 제어기(28)에 의해 발생된 제어 신호에 의해 제어된다. 제어 신호는 전기 회로(36)를 통해 질량 유동 제어기로 전달된다. 도시하지는 않았지만, 예컨대 입구 부분(10) 및 출구 부분(12)에 질소 주입점을 추가로 제공할 수 있다(그리고 N2유동 또는 입구(32)와 함께 배가시킬 수 있다). 이러한 추가의 주입점내의 질소 유동은 일정할 수 있고, 이런 경우 자동 유동 제어가 전혀 제공되지 않는다.
제어 신호는 제 1, 제 2 및 제 3 출력 신호에 반응하여 발생되고, 또한 산소 감지기(16),(18) 및(20)에 의해 발생된다. 이들 신호는 산소 농도에 관련될 필요가 있을 뿐이다. 따라서, 제 1 산소 감지기(16), 제 2 산소 감지기(18) 및 제 3 산소 감지기(20)는 압력 감지기로 대체될 수 있다. 또한, 속도 감지기를 동일한 목적에 사용할 수 있다. 이들 기타 감지기는 산소 농도를 직접 감지하지는 않을지라도 산소 농도에 관련될 수 있는 신호를 전개한다. 보다 바람직하게는, 제 1 산소 감지기(16)는 산소 농도를 직접 감지하는 형이고, 다른 두 개의 제 2 및 제 3 산소 감지기는 압력 및/또는 속도 측정을 통해 산소 농도를 간접적으로 감지하는 형일 수 있다. 두 감지기만 사용하는 경우에, 제 2 산소 감지기는 압력 또는 속도 감지기로 대체될 수 있다.
PID 제어기(28)의 프로그래밍시, 원하는 산소 농도가 중심 처리 부분(14)에 대해 결정되어야 한다. 예를 들면, 예비설정 산소 농도는 중심 처리 부분(14) 내에서 산소 1 밀리온당 10 부 이하로 지정될 수 있다. 그후, PID 제어기(28)는 비례 및 미분 오차 항이 각각 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분(14) 및 입구 부분(10) 및 출구 부분(12)의 산소 농도(제 1, 제 2 및 제 3 산소 농도 감지기(16),(18) 및(20)에 의해 감지된 산소 농도)의 시간 평균과 같도록 프로그래밍된다. 적분 오차 항은 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분(14)의 산소 농도의 시간 평균과 같게 설정된다. 상기 평균은 단순 산술 평균일 수 있지만, 바람직한 것은 기하학적 수단에 의거한 평균이다. 비례, 적분 및 미분 이득 상수는 각각 특정 노에 대해 실험적으로 결정된다. 평균치를 취하는 시간은 통상 사용자가 한정한다. 노 길이 및 원하는 반응 시간은 이러한 시간 설정에 있어서 중요한 인자이다. 즉, 본 발명자들은 이런 시간이 통상 약 0.5초 내지 약 10.0초 범위로 다양할 수 있다는 것을 발견하였다.
예를 들어, 길이 3.285m × 폭 0.74m 및 최대 보드 높이 0.12m의 IR 환류 오븐에, 보드 입구로부터 0.2m, 1.05m, 2.2m 및 3.085m에 위치한 네 개의 기체 입구를 장치하였다. 약 80ℓ/분의 일정한 질소 유속을 각각 0.2m 및 3.085m에 위치한 제 1 및 제 4 기체 입구로 도입하였다. 또한, 약 150ℓ/분의 일정한 질소 유속을 보드 입구로부터 1.05m에 위치한 제 2 기체 입구로 도입하였다. 2.2m에 위치한 제 3 기체 입구로 공급된 질소는 질량 유동 제어기로 제어하였다. 1/16인치 스테인레스강 튜빙을 사용하여, 보드 입구로부터 세 위치, 즉 1m, 2.285m 및 2.785m의 위치로부터 세 개의 산소 분석기로 기체 시료를 인취하였다. 0.5, 0.02 및 0.2의 비례, 적분 및 미분 이득 상수가 반응 초과량, 차감량 및 속도면에서 최적 제어를 제공함이 밝혀졌다. 비례, 적분 및 미분 오차 항은 2.0초의 시간에 걸친 기하학적 시간 평균에 의거하여 결정되는 상대적 시간 평균을 사용하여 상기 개요한 방식으로 프로그래밍하였다. 보드 입구로부터 약 2.285m의 중심 처리 부분에 대해 30ppm의 산소 농도 설정값을 선택하였다. 이런 장치하에, 약 30.0ppm의 산소 농도 설정값을 유지하기 위해서는 질량 유동 제어기를 통한 약 135.3ℓ/분의 평균 유속이 필요하였다.
본 발명의 바람직한 양태의 유리한 조작을 입증하기 위한 실험을 수행하였다. 예를 들면, 30.0ppm 산소 농도 설정값을 유지하기 위해서는 제 3 기체 입구로 약 150ℓ/분의 속도로 공급된 일정 유속의 질소가 필요하다는 것이 밝혀졌다. 다른 실험에서는, PID 제어기를 2.0초의 시간에 걸친 산술적 시간 평균에 의거하여 프로그래밍하였다. 이런 후자의 실험에서는 30.0ppm 설정값을 유지하는데 137.1ℓ/분의 평균 유속의 질소가 필요하였다.
본 발명이 바람직한 양태에 관하여 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 범위에서 각종 첨가, 변화 및 생략이 가능할 것이다.
본 발명은 노로 도입되는 불활성 기체의 유속을 최적으로 제어되도록 하는 노를 제공하고, 프로그래밍된 PID 제어기는 일시적인 조건보다 경향에 더 민감한 제어 신호를 제공한다.

Claims (8)

  1. 입구 부분 및 출구 부분; 이들 입구 부분과 출구 부분 사이에 위치한 중심 처리 부분[상기 중심 처리 부분은 불활성 기체를 중심 처리 부분으로 유입한 후 입구 및 출구 부분쪽을 향해 유동시켜 공기가 중심 처리 부분으로 진입하지 못하도록 하기 위한 입구를 하나 이상 갖는다]; 적어도 공기가 상기 중심 처리 부분에 들어가는 것을 억제하기에 충분한 유속으로 불활성 기체를 상기 하나 이상의 입구에 공급하기 위한 제어 수단[이 제어 수단은 상기 불활성 기체의 유속을 제어하기 위한 제어 신호에 민감하다]; 상기 중심 처리 부분 및 상기 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분 내의 산소 농도에 관련될 수 있는 적어도 제 1 및 제 2 출력 신호를 발생시키기 위해, 상기 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분 내에 각각 위치한 적어도 제 1 및 제 2 감지 수단; 및 적분 오차 항이 상기 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분의 산소 농도의 제 1 시간 평균과 같고 비례 및 미분 오차 항은 각각 상기 산소 농도 설정값보다 작은 중심 처리 부분 및 입구 부분과 출구 부분중 적어도 한 부분의 산소 농도의 제 2 시간 평균과 같도록 프로그래밍된, 상기 제어 신호를 발생시키기 위한 적어도 제 1 및 제 2 출력 신호에 민감한 PID 제어기를 포함함을 특징으로 하는 노.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 3 감지 수단을 포함하고, 제 2 감지 수단이 입구 부분내에 위치하고, 제 3 감지 수단이 출구 부분내에 위치하는 노.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 시간 평균이 각각 기하학적 시간 평균인 노.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 및 제 3 감지 수단이 산소 감지기인 노.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 및 제 3 감지 수단이 압력 감지기인 노.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 및 제 3 감지 수단이 속도 감지기인 노.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 제 1 감지 수단이 산소 감지기인 노.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 시간 평균이 각각 기하학적 시간 평균인 노.
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