JPH0774462A - はんだ付け装置の不活性ガス雰囲気制御装置 - Google Patents

はんだ付け装置の不活性ガス雰囲気制御装置

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JPH0774462A
JPH0774462A JP5217191A JP21719193A JPH0774462A JP H0774462 A JPH0774462 A JP H0774462A JP 5217191 A JP5217191 A JP 5217191A JP 21719193 A JP21719193 A JP 21719193A JP H0774462 A JPH0774462 A JP H0774462A
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Kanji Yamada
寛二 山田
Masaaki Imai
正昭 今井
Yoshiaki Tachibana
義昭 橘
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Nihon Den Netsu Keiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 チャンバ内の酸素濃度をハンチング現象を生
ずることなく短時間で目標の酸素濃度値とする。 【構成】 チャンバ3内に不活性ガスと空気とをガス混
合タンク27で混合して供給する。制御装置41には空
気流量調節弁34の弁開度に対するチャンバ3内の酸素
濃度の関係をグラフ関数としてあらかじめプログラムし
ておき、目標値設定装置43により目標値が変更された
とき、前記グラフ関数を参照して目標値に応じて空気流
量調節弁34の弁開度をオープンループで調節し、一定
時間後、酸素濃度測定装置42の測定結果と目標値との
差の時間的積分値に基づくフィードバック制御により弁
開度を調節する構成を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、不活性ガス雰囲気中で
はんだ付けを行うときの酸素濃度を制御するはんだ付け
装置の不活性ガス雰囲気制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、窒素ガスを使用する不活性ガス雰
囲気中ではんだ付けを行うはんだ付け装置として、第1
は:窒素ガスを炉内に導入するための窒素ガス源に接続
されたパイプと、該パイプの途中に設けられた流量調整
バルブと、炉内の酸素濃度を検出する検出手段とを具
え、検出された炉内の酸素濃度に応じて、前記流量調整
バルブの開閉量が自動調整されるように構成されている
もので、流量調整バルブを介してリフロー炉内に導入さ
れる窒素ガスによって、炉内の雰囲気中の酸素濃度は低
い値に抑えられる。炉内雰囲気中の酸素濃度の増加・減
少に応じて、検出手段から出力される信号によって流量
調整バルブが作動し、窒素の流入量が加減され、炉内の
雰囲気が常に一定の酸素濃度に維持されるプリント基板
のはんだ付けリフロー炉である(特開平3−10129
6号公報参照)。
【0003】第2は:加熱室と、この加熱室に配設され
たヒータと、電子部品が実装された基板をこの加熱室内
へ搬送するコンベヤと、この加熱室に窒素ガスを供給す
る窒素ガス発生手段と、この加熱室の内部及び外部の酸
素濃度又は窒素濃度を計測する酸素濃度計又は窒素濃度
計と、加熱室内の酸素濃度又は窒素濃度に応じて上記窒
素ガス発生手段から加熱室に供給する窒素ガス量を制御
する制御装置と、加熱室外の酸素濃度が低下したことを
報知する警報素子とを備えたもので、基板はコンベヤに
より搬送されながら、窒素ガス雰囲気中において、はん
だの加熱処理が行われるが、加熱室内の酸素濃度が高く
なると、窒素ガス発生手段からの窒素ガス供給量は増加
される。また加熱室外の酸素濃度が低下したならば、ブ
ザーやモニターテレビなどの警報素子によりその旨報知
するリフロー装置である(特開平4−200893号公
報参照)。
【0004】第3は:リフロー炉に接続された注入口よ
り窒素等の不活性ガスが炉内に供給されると同時に、ま
たは必要に応じて、インジェクタの一方または両方から
酸素含有ガス(100ppm〜大気の酸素を含む窒素ガ
ス)をパルス噴射または連続噴射し、酸素含有ガスが高
酸素濃度の場合は、パルス制御された電磁弁を経てパル
ス噴射することにより、高精度の酸素濃度管理が行える
ものである。なお、酸素含有ガスが低酸素濃度の場合は
連続噴射でもよく、いずれにしても、炉内酸素濃度は前
記酸素濃度計により検出され、制御回路にフィードバッ
クされ、この制御回路で設定された設定値と比較され、
その誤差に基づき前記電磁弁の一方または両方がオン・
オフ制御される不活性ガスリフロー装置の雰囲気管理方
法である(特開平4−356349号公報参照)。
【0005】このように、上記従来例に示すような窒素
雰囲気中ではんだ付けを行う装置では、その炉内やチャ
ンバ内の酸素濃度を酸素濃度計で測定し、目的とする酸
素濃度となるよう窒素供給量を調節していた。例えば、
酸素濃度計の出力信号に基づいて窒素流量調節弁の開度
をフィードバック制御していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、発熱源を有
するリフロー炉やチャンバには、空気の炉内流入量と窒
素ガスの炉外流出量とが最小となる窒素ガス供給量の平
衡点が存在する。これは、雰囲気の熱対流に原因してい
る。そのため、上記特開平3−101296号公報およ
び特開平4−200893号公報に示す装置において
は、酸素濃度を変更する目的で窒素ガス供給量を変更す
ると前記平衡点が崩れ、酸素濃度が安定せずにハンチン
グを生じ易いという問題点があった。
【0007】また、特開平4−356349号公報に示
す装置においても、下記のような問題点があった。
【0008】第1に、パルス噴射を行うと、安定して対
流または流動している状態にある炉内の雰囲気に外乱が
発生するので酸素濃度のハンチングが生じ易い。
【0009】第2に、窒素ガスと酸素ガスを混合する混
合タンクまたはこの混合タンクと同様の作用を有する管
等の手段がないので、各ガスが炉内で均一な雰囲気にな
るまでに長時間かかり、この間は雰囲気が安定しないた
めハンチングの発生原因になる。
【0010】第3に、このような装置でPIDステップ
制御を行うと酸素あるいは大気の流量が大きく変化し易
いため、やはりハンチングの原因となる。
【0011】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたもので、空気がチャンバ内に流入する流入
量と不活性ガスがチャンバ内から流出する流出量とが、
最小となる平衡点を維持しながら酸素濃度の制御を行う
ことができるはんだ付け装置の不活性ガス雰囲気制御装
置を得ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明にかかるはんだ付
け装置の不活性ガス雰囲気制御装置は、空気の供給量を
調節する空気流量調節手段と、不活性ガスと空気とを混
合して混合ガスをチャンバに供給するガス混合手段と、
チャンバ内の混合ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度
測定手段と、チャンバ内の酸素濃度の目標値を入力する
目標値入力手段と、空気流量調節手段の弁開度に対する
チャンバ内の酸素濃度の関係をグラフ関数としてあらか
じめ記憶し、目標値が変更されたときグラフ関数を参照
して変更された目標値に応じて空気流量調節手段の弁開
度を調節し、一定時間経過後、酸素濃度測定手段の測定
結果と目標値との差の時間的積分値に基づいてチャンバ
内の酸素濃度が目標値に一致するよう空気流量調節手段
の弁開度を調節する制御装置と、を備えたものである。
【0013】
【作用】本発明においては、酸素濃度対空気流量の相関
データであるグラフ関数を制御装置にあらかじめ記憶し
ておき、酸素濃度の目標値が変更されたとき、その目標
値に合わせてグラフ関数を参照し空気供給流量を制御す
ることによって、チャンバ内の酸素濃度を制御する。な
お、空気流量は空気流量調節手段の弁開度に対応するの
で、目標酸素濃度に合わせて弁開度を制御させることに
よりオープンループで簡単に制御することができる。
【0014】そして、所定時間経過後に、制御特性が時
間積分型のフィードバック制御へ移行することによっ
て、その後は酸素濃度を精密に制御することができる。
【0015】このように制御することによって、ハンチ
ング現象を生ずることなく短時間で目標酸素濃度を得る
ことが可能となる。
【0016】
【実施例】図1は本発明の原理を示すブロック図で、1
は配線基板、2ははんだ付け装置で、窒素ガス等の不活
性ガス雰囲気中ではんだ付けを行うリフロー型はんだ付
け装置またはフロー型はんだ付け装置が使用される。3
はチャンバ、4は前記配線基板1を搬送するコンベア、
5は前記はんだ付け装置2内に不活性ガスと空気とを供
給して所定の不活性ガス濃度の雰囲気に制御する不活性
ガス雰囲気制御装置の全体を示す。6は不活性ガス供給
手段で、例えば液化不活性ガスタンク,気化手段,調圧
手段からなる。7はガス流量調節手段、8はガス流量計
測手段、9は空気供給手段で、例えば、エアコンプレッ
サ,水分除去手段,調圧手段からなる。10は空気流量
調節手段、11は空気流量計測手段、12は前記不活性
ガスと空気とを混合して混合ガスとするガス混合手段、
13は前記不活性ガスと空気の流量を制御するため、マ
イクロコンピュータシステム等で構成した制御手段で、
後に詳しく述べるように、空気流量調節手段10の弁開
度に対するチャンバ3内の酸素濃度の関係をグラフ関数
としてあらかじめ記憶してある。14は酸素濃度セン
サ,15は前記酸素濃度センサ14の出力を受けてチャ
ンバ3内の酸素濃度を検出する酸素濃度測定手段,16
は目標とする酸素濃度を制御手段13のメモリに設定す
るための目標値設定手段である。なお、酸素濃度測定手
段15は制御手段13がその機能を果すように構成する
ことができるが、ここでは説明の都合上、別体とした例
を示す。
【0017】次に、動作について説明する。
【0018】不活性ガスは不活性ガス供給手段6の調圧
手段で所定の圧力、例えば3Kg/cm2に加圧され、
ガス流量計測手段8の測定値に従ってガス流量調節手段
7で目的とする流量Q1 に調節され、ガス混合手段12
に流入する。
【0019】一方、空気は、空気供給手段9で所定の圧
力、例えば不活性ガスよりも高い5Kg/cm2に加圧
され、空気流量計測手段11の測定値に従って空気流量
調整手段10で目的とする流量Q2 に調節され、ガス混
合手段12へ送られて混合された後、不活性ガスの流量
1 と空気の流量Q2 とが合計された流量Q3 がはんだ
付け装置2のチャンバ3内へ供給される。
【0020】さらに、目標値設定手段16で設定された
設定値信号SO1は制御手段13に入力される。また、チ
ャンバ3内の酸素濃度は酸素濃度センサ14によって検
知され、その検知信号SO2は酸素濃度測定手段15に入
力され酸素濃度が検出され、その値は制御手段13に入
力される。また、不活性ガスの流量Q1 はガス流量計測
手段8によって計測され、その流量計測信号SQ1が制御
手段13に入力され、また、空気の流量Q2 が空気流量
計測手段11によって計測され、その流量計測信号SQ2
が制御手段13に入力される。
【0021】また、制御手段13では、目標値設定手段
16の目標値が変更されると、全体の制御系をオープン
ループとして、あらかじめ記憶しているグラフ関数を参
照して変更された目標値に応じて空気流量調節手段10
の弁開度に調節し、一定時間経過後、フィードバック制
御に戻す。そして、各流量計測信号SQ1,SQ2によって
チャンバ3内へ供給される不活性ガスと空気とが混合さ
れた混合ガス流量Q3が一定となるように各流量調節手
段7,10を調節する流量調節信号CQ1,CQ2を出力
し、各流量調節手段7,10の調節を行うことにより、
混合ガス流量Q3=不活性ガス流量Q1 +空気流量Q2
=(一定)となるように制御する。
【0022】次に、本発明の実施例について説明する。
【0023】図2は本発明の一実施例を示すブロック図
で、図1と同一符号は同一部分を示し、21は不活性ガ
スとして例えば窒素ガスの供給源となる液体窒素タンク
で、この液体窒素タンク21中の液体窒素を気化器22
で気化し、レギュレータ23で、例えば3Kg/cm2
の圧力に調圧する。24は手動のガス流量調節弁で、流
量計25を参照しながら窒素ガスの流量を目的とする値
に設定する。次いで、窒素ガスは逆止弁26を通ってガ
ス混合タンク27に送られる。
【0024】一方、エアコンプレッサ31で圧縮された
空気は、水分除去装置32を通ってドライエア化し、レ
ギュレータ33で5Kg/cm2の圧力に調圧する。そ
して、電動の空気流量調節弁34(例えば、電空レギュ
レータ等で)で目的とする値に制御した空気をガス混合
タンク27へ送る。そして、ガス混合タンク27では窒
素ガスと空気とが混合されて混合ガスとなり、さらには
んだ付け装置2内へ供給される。なお、混合タンク27
に代えて管径の30倍以上の長さを有する管を配設して
もよい。これにより、窒素ガスと空気とを十分に混合で
きる。
【0025】また、逆止弁26はガス混合タンク27か
らの混合ガスが流量計25へ逆流するのを防止するため
に設けたものである。
【0026】さらに、はんだ付け装置2内に設けられた
酸素濃度センサ14の検知信号SO2が酸素濃度測定装置
42に入力され、酸素濃度が検出され、その値はマイク
ロコンピュータシステム等で構成した制御装置41に入
力される。なお、酸素濃度測定装置42は制御装置41
がその機能を果すように構成することができるが、ここ
では説明の都合上別体とした例を示す。さらに制御装置
41からは電動の空気流量調節弁34の弁開度を制御す
る信号CO2を発信する。また、制御装置41には目標酸
素濃度を入力するための目標値設定装置43が設けられ
ている。
【0027】なお、図1,図2において、レギュレータ
23,33は調圧手段であり、ガス,空気流量調節弁2
4,34はガス,空気流量調節手段7,10に、流量計
25はガス流量計測手段8に、ガス混合タンク27はガ
ス混合手段12にそれぞれ対応する。
【0028】図3は制御装置41に具備させるグラフ関
数を説明するためのもので、不活性ガス雰囲気を有する
はんだ付け装置において、窒素ガス供給量を一定(38
0l/min)にして空気流量(空気供給量)l/mi
n(5Kg/cm2)を変化させた場合の、はんだ付け
装置2内の酸素濃度(ppm)の値を測定した結果(○
印)を実線で示すとともに、空気流量に対する図2の空
気流量調節弁34の弁開度の値を一点鎖線で示した図で
ある。なお、測定は酸素濃度110ppmを基点として
空気流量を変化させて行ったものであり、かつ、酸素濃
度は空気流量を変化させてから5〜10分程度経過した
後の、安定した値を用いたものである。
【0029】すなわち、図3に例示するような酸素濃度
に対する空気流量の相関関係をグラフ関数として制御装
置41にあらかじめ入力しておき、目標酸素濃度に合わ
せて空気流量を制御することによってはんだ付け装置2
内の酸素濃度を安定に制御することができる。さらに、
弁開度は空気流量に対応し、酸素濃度は空気流量に対応
することになり、目標酸素濃度に応じた弁開度にすれ
ば、空気流量を簡単に制御することができる。
【0030】例えば、図3において、酸素濃度が100
0ppmのときの空気供給量は1.7l/minであ
り、このときの弁開度は63%である。
【0031】なお、図3に示した2つのグラフ関数を1
つのグラフ関数にまとめ、目標酸素濃度と空気流量調節
弁34の弁開度との関係に集約しても何ら差し支えな
い。すなわち、図3に示す2つのグラフ関数の横軸はと
もに空気供給流量を表しているので、このような集約が
可能となる。
【0032】このように、図2の実施例においては、窒
素ガスの流量の調節を手動のガス流量調節弁24で流量
計25を参照しながら行うことにし、空気の流量のみを
空気流量調節弁34を制御装置41からの流量調節信号
Q2によって制御する。
【0033】この理由は、実際上は不活性ガスの流量Q
1 が空気の流量Q2 に比べて非常に多いため、空気の流
量Q2 を増減しても不活性ガスの流量Q1 を混合した混
合ガスの流量Q3 には殆ど変化を生ずることなく、Q3
=Q1 +Q2 を満足するとみてよいからである。すなわ
ち、図3に示すように、窒素供給量380l/minに
対して空気の最大供給量は2.6l/minであり、そ
の際のはんだ付け装置2内の混合ガス供給量の増加割合
は約0.7%であり、実質的に混合ガス供給量の増加は
ないものとして取り扱うことができる。すなわち、平衡
点から逸脱することはないしたがって、図2の実施例に
おいては、図1の原理図に示すような不活性ガスのガス
流量計測手段8から制御手段13へ流量計測信号SQ1
送信する制御系統と、空気流量計測手段11と、この空
気流量計測手段11から制御手段13へ流量計測信号S
Q2を送信する制御系統と、制御手段13から不活性ガス
のガス流量調節手段7へ流量調節信号CQ1を送信する制
御系統とを不要とすることができる。このため、図2の
実施例の構成は図1の原理図の構成に比べて簡略化する
ことができる。
【0034】制御装置41はマイクロコンピュータシス
テムで構成してある。したがって、その制御手順はソフ
トウェア上で実現することができる。また、図3に示す
ような目標酸素濃度に対するエア供給流量の関係、およ
び空気供給量に対する弁開度の関係をグラフ関数(デー
タテーブル)として、あらかじめ制御装置41の記憶領
域に記憶させてある。
【0035】したがって、目標酸素濃度が与えられる
と、制御装置41は前記グラフ関数を参照し、必要とす
る空気流量調節弁34の弁開度を直ちに求めることがで
きる。
【0036】次に、制御装置41の制御手順を、図4の
フローチャートを参照しつつ説明する。図4は酸素濃度
の制御手順を示すフローチャートで、(1)〜(10)
は各ステップを示す。
【0037】先ず、ステップ(1)で目標値設定装置4
3に設定してある酸素濃度の目標値、すなわち設定デー
タを読み込み、ステップ(2)で該設定データが変更さ
れたか否かを判断する。
【0038】ステップ(2)で設定データが変更されて
いた場合(YES)はステップ(3)へ移行し、制御装
置41にあらかじめ記憶させておいた図3のグラフ関数
を参照し目標とする空気流量調節弁34の弁開度値を読
み出し、ステップ(4)で弁開度を目標値に調節する。
【0039】その後、ステップ(5)で制御装置41に
備えてあるタイマ(図示せず)を起動してカウントを開
始させる。そして、ステップ(6)へ移行して酸素濃度
センサ14から得られるはんだ付け装置2内の検知信号
O2を読み込み、はんだ付け装置2内の酸素濃度が目標
値の酸素濃度に達したか否かを判断する。
【0040】ステップ(6)でチャンバ3内の酸素濃度
が目標値に達していなければ(NO)ステップ(7)へ
移行し、タイマのカウント値があらかじめ決めた所定の
時間(例えば5分)経過したか否かを判断する。所定時
間経過していなければ(NO)ステップ(6)へ戻って
引き続きチャンバ3内の酸素濃度の値を観測し判断す
る。
【0041】他方、ステップ(6)でチャンバ3内の酸
素濃度が目標値に達したら(YES)ステップ(8)へ
移行し、タイマの動作を停止すると共に該タイマをクリ
アする。そして、ステップ(1)へ戻る。
【0042】一方、ステップ(7)で所定時間経過して
いると判断した場合(YES)は、ステップ(8)へ移
行し、前記と同様にタイマのカウントを停止した後に該
タイマをクリアする。そして、ステップ(1)へ戻る。
なお、ステップ(7)の所定時間経過した場合はもちろ
ん、ステップ(6)からステップ(8)に至るのも、一
定時間後として取り扱うものとする。
【0043】ところで、ステップ(2)で設定データが
変更されていない場合(NO)は、ステップ(9)へ移
行し、チャンバ3内の酸素濃度の時間的変化の積分値を
求め、ステップ(10)で、該積分値に基づいて空気流
量調節弁34の開度を調節する。そして、ステップ
(1)へ戻って目標値を読み込み、ステップ(2)で変
更の有無を引き続き判断する。
【0044】以上のように、酸素濃度の目標値が変更さ
れた場合は、ステップ(1)→ステップ(2)→ステッ
プ(3)→ステップ(4)→ステップ(5)→ステップ
(6)→ステップ(7)→ステップ(8)→ステップ
(10)の制御ループにより空気供給流量を制御する。
【0045】他方、目標値が変更されていなければ、ス
テップ(1)→ステップ(2)→ステップ(9)→ステ
ップ(10)→ステップ(1)の制御ループにより空気
供給流量を制御する。
【0046】すなわち、目標値が変更された場合は、あ
らかじめ決めた所定時間に渡ってグラフ関数によるオー
プンループ制御を行う。しかし、目標値が変更されてい
なければ、通常のフィードバック制御を行う手順であ
る。
【0047】なお、ステップ(7)で参照する所定時間
とは、空気供給流量を変更した場合にチャンバ3内の酸
素濃度が変化を開始し概ね目標値(例えば目標値の90
%)に達する迄の時間で、はんだ付け装置2の構造や容
積,温度、等々によって決まる固有の値である。
【0048】また、念のために付言すると、空気流量調
節弁34に電磁弁を使用し、その開閉デューティ比を可
変することで実質的に弁開度を調整する方法を用いた構
成としても良い。ちなみに、このような方法は従来から
用いられている公知の技術である。
【0049】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、空気の供
給量を調節する空気流量調節手段と、不活性ガスと空気
とを混合して混合ガスをチャンバに供給するガス混合手
段と、チャンバ内の混合ガス中の酸素濃度を測定する酸
素濃度測定手段と、チャンバ内の酸素濃度の目標値を入
力する目標値入力手段と、空気流量調節手段の弁開度に
対するチャンバ内の酸素濃度の関係をグラフ関数として
あらかじめ記憶し、目標値が変更されたときグラフ関数
を参照して変更された目標値に応じて空気流量調節手段
の弁開度を調節し、一定時間経過後、酸素濃度測定手段
の測定結果と目標値との差の時間的積分値に基づいてチ
ャンバ内の酸素濃度が目標値に一致するよう空気量調節
手段の弁閉度を調節する制御装置と、を備えたので、目
標値が変化されたときはオープンループとし、制御装置
にグラフ関数として記憶してある酸素濃度対空気流量の
グラフ関数に基づいて空気供給量を制御し、その後はフ
ィードバック制御として精密な制御を行うので、ハンチ
ングのない制御性に優れた不活性ガスの雰囲気を得るこ
とができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示すブロック図である。
【図2】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図3】空気流量に対する酸素濃度と弁開度との関係を
示すグラフである。
【図4】制御装置の制御手順を示すフローチャートであ
る。
【符号の説明】
2 はんだ付け装置 3 チャンバ 5 不活性ガス雰囲気制御装置 14 酸素濃度センサ 21 液体窒素タンク 22 気化器 23 レギュレータ 24 ガス流量調節弁 25 流量計 27 ガス混合タンク 31 エアコンプレッサ 32 水分除去装置 33 レギュレータ 34 空気流量調節弁 41 制御装置 42 酸素濃度測定装置 43 目標値設定装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チャンバ内に不活性ガスと空気との混合
    ガスを供給し、前記空気の量を制御して前記チャンバ内
    の酸素濃度を制御するはんだ付け装置の不活性ガス雰囲
    気制御装置であって、 前記空気の供給量を調節する空気流量調節手段と、 前記不活性ガスと前記空気とを混合して混合ガスを前記
    チャンバに供給するガス混合手段と、 前記チャンバ内の混合ガス中の酸素濃度を測定する酸素
    濃度測定手段と、 前記チャンバ内の酸素濃度の目標値を入力する目標値入
    力手段と、 前記空気流量調節手段の弁開度に対する前記チャンバ内
    の酸素濃度の関係をグラフ関数としてあらかじめ記憶
    し、前記目標値が変更されたとき前記グラフ関数を参照
    して前記変更された目標値に応じて前記空気流量調節手
    段の弁開度を調節し、一定時間経過後、前記酸素濃度測
    定手段の測定結果と前記目標値との差の時間的積分値に
    基づいて前記チャンバ内の酸素濃度が目標値に一致する
    よう前記空気流量調節手段の弁開度を調節する制御装置
    と、 を備えたことを特徴とするはんだ付け装置の不活性ガス
    雰囲気制御装置。
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