JPH02141526A

JPH02141526A - 雰囲気制御システム

Info

Publication number: JPH02141526A
Application number: JP63294502A
Authority: JP
Inventors: Makoto Noda; 野田　眞; Toru Kikuchi; 徹菊地
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1990-05-30
Also published as: US5122255A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ガス中の酸素濃度を所定量に調整する装置を
使用したシステムに関し、特に雰囲気調整用のガス中の
酸素濃度の制御装置を使用した雰囲気制御システムに関
するものである。

（従来の技術）従来、所定酸素濃度特に低酸素濃度中での酸化しやすい
金属のアニール、金属の浸炭等の熱処理、焼成あるいは
ペーストの焼付等を行う場合、雰囲気炉中で使用する雰
囲気ガスとして、例えば高純度Ａｒガス、２％０□含有
のＮ２ガス等の市販の標準ガスを購入して使用していた
。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述した市販の標準ガスにおいては、要
求するガス濃度と完全に一致した標準ガスを購入するこ
とは難しく、そのような要求をすれば入手することは可
能であるが著しくコスト高となる問題があった。

また、特に低い酸素濃度の標準ガスを使用する必要があ
る場合、例えば酸素を含んでいないと考えられるＮ２ガ
スなどにおいてもそのボンベガス中にすでに０．１〜１
０ｐｐｍ程度の酸素あるいは水分が含まれており、この
レベル以下の酸素濃度の標準ガスを入手するのは困難で
あるという問題もあった。

従って銅、ニッケル、ステンレス等を抵抗体あるいはリ
ードワイヤとしている検出素子を加熱して製造する工程
の雰囲気酸素濃度を適正にコントロールすることも困難
であった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、ガス中の酸素
濃度を所定量に精密に制御可能な酸素濃度制御装置を使
用した雰囲気制御システムを提供しようとするものであ
る。

（課題を解決するための手段）本発明の雰囲気制御システムは、所定組成のガスを供給
するための基準ガス供給装置と、この基準ガス供給装置
と接続したガス中の酸素濃度を調節するための酸素濃度
制御装置と、この酸素濃度制御装置と接続した酸素濃度
を調節したガスを供給すべき雰囲気装置と、この雰囲気
装置の上流側であって前記基準ガス供給装置と酸素濃度
制御装置との間または前記酸素濃度制御装置と雰囲気装
置との間または雰囲気装置の下流側に設けたガス中の酸
素濃度を測定するための酸素濃度測定装置とを備えるこ
とを特徴とするものである。

（作　用）上述した本発明の雰囲気制御システムにより、ガス中の
酸素濃度を所定の範囲の濃度に精密に制御することがで
きる。すなわち、適正濃度がｌｏ−４％以下の低酸素濃
度であっても簡単に達成できる。

また、本発明の雰囲気制御システムの構成において、上
記酸素濃度制御装置と酸素濃度測定装置とを組み合わせ
、酸素濃度を常時監視して一定の所望の酸素濃度となる
ように例えばフィードバック制御を実施することにより
、雰囲気装置に常に一定のあるいはプログラムを設定し
、段階的に変化する所望の酸素濃度ガスを供給すること
ができる。

またこのように酸素濃度を適正範囲に制御できることに
より、たとえばその抵抗値の変化を利用してガスの流量
あるいは流速等を測定するための検出素子の基体として
、低酸素濃度中では還元されやすいセラミックと（たと
えばＴｉＯ２等）、リードワイヤとしてのある酸素濃度
以上では酸化されてしまう金属（Ｐｔ、＾ｕ＋　ｐｄ以
外のたとえばＮｉ、ステンレス、　Ｃｕ）とが検出素子
を構成する場合においても、加熱処理時の雰囲気中酸素
濃度を前記セラミックが還元されることなく、金属がま
た酸化されることがない範囲にコントロールしてやるこ
とで、検出素子製造が可能となる。このことはガラスが
使用される場合においてもあてはまる。

なお、本発明によれば、酸素ポンプの電圧を１１□０分
解、ＮＯに、Ｃ０１ＣＯ□の分解電圧以上に制御するこ
とにより、ＣＯの分解によるＣ濃度、＋１□０の分解に
よるＨ２濃度の制御も可能である。

（実施例）第１図は本発明の雰囲気制御システムの構成要素である
酸素濃度制御装置の一例の構成を示す図である。本実施
例では、酸素イオン導電性のイツトリウム安定化ジルコ
ニアからなる円筒形の固体電解質体１の外表面と内表面
に、１対の導電性物質としての白金からなる外側電極２
−１および内側電極２−２を設けている。この１対の電
極２−Ｌ　２−２間には調節可能な定電圧電源からなる
制御回路３から所定の電流が供給されるよう構成すると
ともに、酸素ポンプの初期応答性を良好にするために、
固体電解質体１と電極２−１．２−２を加熱するための
ヒータ４および電源５からなる加熱装置を設けている。

また、固体電解質体１の両端には封止部材６−１．６−
２を介してステンレスパイプ７−１．７−２を設けて、
本発明の雰囲気制御システムを構成している。

上述した構成において、ステンレスパイプ７−１から７
−２へ向けて酸素濃度を調整すべきガスを通過させた状
態で、内側電極２−２から外側電極２−１へ向かって電
流を流すと、固体電解質体１を介して大気等の外部雰囲
気中の酸素が固体電解質体１の内部へ供給されるととも
に、外側電極２−１から内側電極２−２へ向かって電流
を流すと固体電解質体１を介して固体電解質体１内のガ
スから酸素が外部へ排出される。このようにして、ガス
中の酸素濃度を調節することができる。また、このよう
な酸素濃度制御装置を複数台直列あるいは並列に接続す
ることで、幅広い酸素濃度制御システムとすることがで
きる。なお、上述した構成において、制御回路３中に電
圧計を設けその電圧計に酸素濃度目盛を付せば酸素濃度
計とすることができる。

例えば、上述した第１図において、９．８ｐｐｍの酸素
を含有する窒素ガス中に０．２　ｐｐｍの酸素を注入す
れば１０ｐｐｍの酸素を含有する窒素ガスが得られると
ともに、逆に９．８ｐｐｍの酸素を排出すれば９　ｐｐ
ｍの酸素を含有する窒素ガスを得ることができる。

実際に、市販のＮ２ボンベを使用し、第１図の電極２−
１．２−２との間に定電流を１〜３ｍＡの範囲で外側電
極２−１から内側電極２−２へ流し酸素を排出すること
により、１０−７〜ｉｏ−＋　ｚ％の範囲で酸素濃度を
制御することができた。

第２図（ａ）、（ハ）はそれぞれ本発明の雰囲気制御シ
ステムの構成要素である酸素濃度制御装置の他の例の構
成を示す図である。第２図（ａ）に示す実施例では、イ
ツトリウム安定化ジルコニアからなる板状の固体電解質
体１１を被調整ガスまたは流体が通過する管路１２の側
壁に設け、電極１３−１を管路１２内に面して設けると
ともに、電極１３−２を大気等の外部雰囲気に接して設
けている。また、ヒータ１４および電源１５からなる加
熱装置を設けている。さらに本実施例では、電極１３−
１と１３−２との間を可変抵抗器１６を介して電気的に
接続している。このように電気的に接続しているため、
固体電解質問に起電力が発生して両電極間に電流が流れ
酸素がポンピングされ、その電流を可変抵抗器１６の抵
抗値を変えることにより変化させて酸素濃度を調節して
いる。この調節は加熱装置による加熱温度を変化させる
ことによっても達成することができる。なお、第２図（
ａ）に示すように、回路を少なくとも１つの抵抗体より
構成した場合は、酸素をくみ出すか、くみ入れるかの一
方向にのみ調整が可能であり、第１図に示す例のように
両方向に酸素のボンピングを行なうことはできない。

第２図（ｂ）は第２図（ａ）で示した実施例の変形例を
示しており、第２図（ａ）で示した実施例と異なる点は
、可変抵抗体を設けずに固体電解質体１１の内部抵抗を
使用する点であり、電源１５を電圧可変電源として、温
度センサ１７からの固体電解質体１１の温度、ガス管路
１２の下流側に設けた酸素濃度測定袋Ｎ１８からの調整
後のガス中の酸素濃度を基準としてフィードバック制御
を行ない、電源１５の電圧すなわち加熱温度を変化させ
て、常に一定の酸素濃度を得るよう構成している。ただ
し、第２図（ｂ）に示す実施例においても第２図（ａ）
と同様、被調整ガス中から（に）酸素をくみ出す（くみ
入れる）方向にのみ調整が可能となる。また、第２図（
ｂ）に示す実施例において、電極１３−１と１３−２と
の間の電気的に接続した回路中に電流計を設け、電流情
報をもフィードバック制御のパラメータとして使用する
とさらに精密な酸素濃度の制御が可能となる。

第３図〜第８図はそれぞれ本発明の雰囲気制御システム
の一例の構成を示す図である。

第３図に示す実施例において、２１は基準ガス供給装置
としてのＡｒガス、Ｎ２ガス等のボンベ、２２はボンベ
２１からのガス供給量を測定する流量計、２３は上述し
た本発明の構成要素である酸素濃度制御装置、２４は調
整後のガスを供給される雰囲気炉、２５は雰囲気炉２４
から排出されるガス中の酸素濃度を測定するための酸素
濃度測定装置、２６は酸素濃度測定装置２５で測定した
ガス中の酸素濃度を表示するための表示器である。本実
施例では、酸素濃度測定装置２５を雰囲気炉２４の下流
側に設け、表示器２６に表示された酸素濃度値を見なが
ら酸素濃度制御装置２３中の電圧、加熱温度等を手動に
より制御して一定の酸素濃度を得ている。例えば、本実
施例に示すシステムにおいて、Ｎ２ガスを基準ガスとし
て使用したときは、例えば１０−　”　％の酸素を含有
したＮ２ガス、１　ｐｉｌｍの酸素を含有したＮ２ガス
、１００　ｐｐｍの酸素を含有したＮ２ガス等を雰囲気
炉２４中に供給することができる。

以下の第４図〜第８図に示す各実施例において、第３図
に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説
明を省略する。

第４図に示す実施例では、第３図に示す実施例と同一の
構成において、酸素濃度測定装置２５で測定した酸素濃
度データを酸素濃度制御装置２３にフィードバックして
自動制御を実施するためのフィードバック回路２７を設
けた点である。

第５図に示す実施例では、酸素濃度測定装置２５を雰囲
気炉２４の上流側でボンベ２１と酸素濃度制御装置２３
との間に設けた例を示している。上述した構成において
、調整すべきガス中の酸素濃度を予じめ測定して、測定
した酸素濃度を下流側の酸素濃度制御装置２３に供給す
るフィードフォワード回路２８を設け、自動制御を実施
している。

第６図に示す実施例では、第３図に示す実施例とほぼ同
一の構成において、流量計２２で測定した流量データを
酸素濃度制御装置２３の可変定電圧電源２９にフィード
フォワード回路３０を介して供給し、酸素ポンプ３１を
制御している。

第７図に示す実施例では、酸素濃度測定装置２５を雰囲
気炉２４の上流側で酸素濃度制御装置２３と雰囲気炉２
４との間に設けるとともに、上記構成で閉回路を構成し
て雰囲気炉２４中の反応とかリークによる酸素濃度の減
少あるいは増加を制御した例を示している。すなわち、
ボンベ２１からの被調整ガスをガス圧一定調整装置３２
、逆流防止弁３３、注入部３４を介して閉回路と接続す
るとともに、酸素濃度制御措置２３の上流側に還流ポン
プ３５を設けている。

第８図に示す実施例では、第４図に示す実施例とほぼ同
一の構成において、被調整ガスとして、エアフィルタ３
６、圧力空気発生器３７を介して供給される空気中に、
ＬＮＧ　、　　プロパン、１１□、ＣＯ，、ＣＯ２等の
還元性ガスを貯蔵したガスボンベ３８から還元性ガスを
注入して任意のガス組成のものを使用している。

第９図は検出素子の一例であり、３９は抵抗体、４０は
リードワイヤ４１を固定しかつリードワイヤと抵抗体の
間を電気的に接続するための導体ペースト焼付部である
。抵抗体３９としては種々の導体を使用できるが、本実
施例ではプラチナの薄膜で形成され、リードワイヤ４１
としてはニッケルと鉄の合金、導体ペーストはプラチナ
粉末、ニッケル粉末及び溶融温度６５０°Ｃのガラス粉
末、さらに約３００°Ｃで焼失するバインダー等を主成
分として構成されている。また、４２はアルミナパイプ
である。アルミナパイプ４２にリードワイヤを導体ペー
ストで固定した後、酸素濃度をコントロールしながら導
体ペーストを６５０°Ｃで焼つけた。

雰囲気制御システムは第３図で示したシステムを使用し
、ボンベガスはＮ２である。

第１０図は焼成カーブ及び酸素濃度の制御範囲及び雰囲
気炉下流での酸素濃度を示す。本システムではこの例の
ように酸素濃度を同一ガスを使用して複数段階制御でき
る。その結果、リードワイヤの酸化、導体ペーストガラ
スの分解、発砲もなくリードワイヤを固定できた。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな（
、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実
施例において、１対の導電性物質として金属の電極を使
用したが、例えば導電性金属酸化物を使うこともできる
。また、上述した各実施例では１対の導電性物質しか示
していないが、複数対の導電性物質を同様に設けても同
じ効果が得られることはいうまでもない。

さらに、上述した各実施例では雰囲気装置として雰囲気
炉を使用したが、たとえば容器中への不活性ガス注入装
置での不活性ガスの高純度化等信の雰囲気を調整する装
置に対しても同様に作用することはいうまでもない。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明の雰囲気制御シ
ステムによれば、酸素イオン導電性固体電解質を使用し
た酸素ポンプを使用することによ■３リ、ガス中の酸素濃度を所定量に精密に制御することが
できる。

また、本発明の酸素濃度制御装置を使用した雰囲気制御
システムによれば、雰囲気装置と上記酸素濃度制御装置
とを組み合わせることにより、雰囲気装置に常に一定の
所望の酸素濃度のガスを供給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の雰囲気制御システムの構成要素である
酸素濃度制御装置の一例の構成を示す図、第２図（ａ）
、（ロ）はそれぞれ酸素濃度制御装置の他の例の構成を
示す図、第３図〜第８図はそれぞれ本発明の雰囲気制御システム
の一例の構成を示す図、第９図は本発明の雰囲気制御システムを使用して得た検
出素子の一例の構成を示す図、第１０図はその際のヒー
トカーブを示す図である。１・・・固体電解質体　　　　２−１．２−２・・・電
極３・・・制御回路　　　　　　４・・・ヒータ５・・
・電源　　　　　　　　６−１．６−２・・・封止部材
７−１．７−２・・・ステンレスパイプ１１・・・固体
電解質体　　　　１２・・・管路１３−１．１３−２・
・・電極　　　　１４・・・ヒータ１５・・・電源　　
　　　　　　１６・・・可変抵抗器１７・・・温度セン
サ　　　　　１８・・・酸素濃度測定装置２１・・・ポ
ンベ　　　　　　　２２・・・流量計２３・・・酸素濃
度制御装置　　２４・・・雰囲気炉２５・・・酸素濃度
測定装置　　２６・・・表示器２７・・・フィードバッ
ク回路２８、３０・・・フィードフォワード回路２９・・・可
変定電圧電源　　　３１・・・酸素ポンプ３２・・・ガ
ス圧一定調整装置３３・・・逆流防止弁３４・・・注入
部　　　　　　　３５・・・還流ポンプ３６・・・エア
フィルタ　　　　３７・・・圧力空気発生器３８・・・
ガスボンベ

Claims

【特許請求の範囲】

　１．所定組成のガスを供給するための基準ガス供給装
置と、この基準ガス供給装置と接続したガス中の酸素濃
度を調節するための酸素濃度制御装置と、この酸素濃度
制御装置と接続した酸素濃度を調節したガスを供給すべ
き雰囲気装置と、この雰囲気装置の上流側であって前記
基準ガス供給装置と酸素濃度制御装置との間または前記
酸素濃度制御装置と雰囲気装置との間または雰囲気装置
の下流側に設けたガス中の酸素濃度を測定するための酸
素濃度測定装置とを備えることを特徴とする雰囲気制御
システム。
　２．雰囲気装置が、加熱雰囲気装置である請求項１記
載の雰囲気制御システム。
　３．酸素イオン導電性固体電解質体と、該酸素イオン
導電性固体電解質体に接して存在する少なくとも１対の
導電性物質と、該１対の導電性物質の間に所定の電圧を
印加又は所定の電流を流すための回路装置とからなる酸
素ポンプであって、この酸素ポンプの一方の導電性物質
を酸素濃度を調整されるべきガスに接するように配置し
、前記導電性物質間に所定の電圧を印加又は電流を流す
ようにした酸素濃度制御装置からなる請求項１記載の雰
囲気制御システム。