JPH07219644A - 雰囲気制御炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 混合ガスの各ガス濃度を高精度に一定の所定
値に保ち、各ガス濃度の変動が生じても迅速に所定値に
戻して安定化させ、低コストで信頼性の高い混合ガスを
製造する。 【構成】 各ガスの流量を調節する複数の流量調節手段
１と、これら流量調節手段１から送り込まれた各ガスが
混合されるガス混合炉２と、このガス混合炉２のガスの
入口２ａ及び出口２ｂに設けられたガス採取手段３ａ，
３ｂと、これらガス採取手段３ａ，３ｂに接続されて各
ガス濃度を計量するガスセンサ４ａ，４ｂと、各ガス濃
度を制御する制御手段５とにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各雰囲気ガスを混合し
て混合ガスを製造する雰囲気制御炉に関し、特にこれら
各雰囲気ガスをガス濃度が所定値となるように混合する
雰囲気制御炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、円筒形状の炉心管を有する雰囲
気制御炉においては、例えば、上記炉心管のガスの入口
近傍においてこの炉心管内に送り込まれる各雰囲気ガス
を検出することで、これら各雰囲気ガスのガス濃度が一
定の所定値となるように構成されている。

【０００３】すなわち、この従来の各雰囲気ガスの雰囲
気制御炉は、図４に示すように、各雰囲気ガスの流量を
調節する複数（図示の例では２つ）の流量調節手段１０
１と、これら流量調節手段１０１から送り込まれた各雰
囲気ガスが混合される炉心管１０２と、この炉心管１０
２のガスの入口近傍に設けられたガス採取手段１０３
と、このガス採取手段１０３に接続されて各雰囲気ガス
濃度を計量するガス濃度センサ１０４と、各雰囲気ガス
濃度を制御するガス濃度制御手段１０５とにより構成さ
れている。

【０００４】上記雰囲気制御炉において各雰囲気ガスを
混合して所要の混合ガスを製造する方法としては、先
ず、図中矢印Ｎで示す方向へ各流量調節手段１０１から
流入された各雰囲気ガス（図示の例では２種類）の一部
をガス採取手段１０３にて採取し、このガス採取手段１
０３に接続されたガス濃度センサ１０４にて各雰囲気ガ
ス濃度を計量する。次いで、ガス濃度制御手段１０５に
て、この計量された各雰囲気ガス濃度と予め設定された
所定の各雰囲気ガス濃度とを比較することで各雰囲気ガ
スの調節量を決定し、それに応じたガス濃度制御信号を
上記流量調節手段１０１に出力する。そして、各流量調
節手段１０１にてガス濃度制御信号に基づいて各雰囲気
ガス濃度を調整し所定の各雰囲気ガス濃度として、各雰
囲気ガスを炉心管１０２に送り込む。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記雰囲気制御炉を用
いて混合ガスを製造する際に、何等かの原因により流量
調節手段１０１から送り出される各雰囲気ガス濃度に突
発的な変動が生じたときには、上述のように所定の各雰
囲気ガス濃度からの変動値に応じてガス濃度制御手段１
０５からガス濃度制御信号が出力され、流量調節手段１
０１の各雰囲気ガス流入量の調節が図られる。このよう
に、外乱による各雰囲気ガス濃度の変動に対しては、ガ
ス採取手段１０３及びガス濃度センサ１０４が流量調節
手段１０１に近接して配されているために迅速な補償が
可能であるが、各雰囲気ガス濃度の変動の原因が外部に
よるものではなく内部による場合、例えば炉心管１０２
内のある物質の化学変化によるものであるときなどにお
いては、以下に示すような問題が生じる。

【０００６】すなわち、図７に示すように、例えば炉心
管１０２内のある物質の化学変化により、各雰囲気ガス
のうち、あるガスＡの濃度に恒常的な変動が生じた場
合、混合ガスを製造する当初においては、即座にガス濃
度センサ１０４からの情報によりガス濃度制御手段１０
５から流量調節手段１０１にガス濃度制御信号が伝達さ
れてガスＡの流量が調節されるために、その立ち上がり
から比較的短い時間ｔ₃で定常状態に到達するが、炉心
管１０２内のガスＡの濃度が所定値Ｐから恒常的に変動
しているために、流量調節手段１０１においてガスＡの
流量を調節してもガスＡの濃度が所定値Ｐに修正され
ず、長時間経過後においてもガスＡの濃度の所定値Ｐと
のずれｓが存在する。

【０００７】また、各雰囲気ガスの雰囲気制御炉とし
て、炉心管のガスの出口のみにガス採取手段及びガス濃
度センサを設けた構成を有するものが考えられる。すな
わち、図６に示すように、上記図４に示した雰囲気制御
炉と同様に、各流量調節手段１１と、炉心管１２、及び
ガス濃度制御手段１５とが設けられている。そして、炉
心管１２のガス出口近傍のガス採取手段１３とこのガス
採取手段１３に接続されているガス濃度センサ１４とが
配設されて、この雰囲気制御炉が構成されている。

【０００８】この場合、ガス濃度センサ１４により炉心
管１２内の各雰囲気ガスの濃度をリアルタイムで調べる
ことは可能であるが、図７に示すように、例えば外乱Ｍ
が生じて各流量調節手段１１のうちの一つから流入する
ガスＡの濃度が変動したとき、この外乱等による変動Ｍ
の発生から定常状態である所定値Ｐに達するまでの時間
ｔ４が長く、その分無駄なガスＡが消費されてしまうこ
とになる。

【０００９】このように、ガス採取手段及びガス濃度セ
ンサを炉心管のガス入口或はガス出口のどちらか一方の
みに設置する場合では、どちらも一長一短を有し、常に
高精度に所定のガス濃度とされた混合ガスを製造するこ
とは非常に困難である。

【００１０】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、混合ガスの各雰囲
気ガス濃度を高精度に一定の所定値に保ち、ガス濃度の
変動が生じても迅速に所定値に戻して安定化させること
が可能となり、低コストで信頼性の高い混合ガスを製造
することができる雰囲気制御炉を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、各雰囲気ガス
を所定のガス濃度に混合して混合ガスを製造し、このガ
ス濃度を一定値に保つ雰囲気制御炉を対象とするもので
ある。本発明においては、雰囲気ガスの入口と出口を有
するとともに、前記入口から供給される雰囲気ガスの濃
度を制御する濃度制御手段を有してなる雰囲気制御炉に
おいて、前記入口及び出口にそれぞれガス濃度センサを
接続し、これらガス濃度センサによって検出されるガス
濃度に基づいて前記濃度制御手段を制御するように構成
する。

【００１２】この場合、上記雰囲気制御炉においては、
ガス濃度が定常状態のときには出口側のガス濃度センサ
によって検出されるガス濃度に基づいて濃度制御手段を
制御し、ガス濃度が大きく変動したときには入口側のガ
ス濃度センサによって検出されるガス濃度に基づいて濃
度制御手段を制御する。

【００１３】また、上記雰囲気制御炉はその構成要素と
して円筒形状の炉心管を有する。

【００１４】

【作用】本発明に係る雰囲気制御炉においては、炉心管
のガス出入口にそれぞれガス濃度センサが接続されてい
る。したがって、各雰囲気ガス濃度が所定値とされてい
る場合には、上記炉心管のガス出口の近傍に設けられた
ガス採取手段に接続されたガス濃度センサにてガス濃度
を計量しながら各雰囲気ガス濃度を所定値のまま定常状
態に保持する。

【００１５】ここで、外乱により各流量調節手段から流
入する各雰囲気ガスの濃度に変動が生じた場合や炉心管
内の各雰囲気ガス濃度が上記炉心管内の物質の化学変化
等により所定値から外れた恒常値とされている場合、そ
の変動値が予め設定された所定値を中心とした設定範囲
内にあるときには、上記炉心管のガス出口に設けられた
ガス濃度センサにて計量された各雰囲気ガス濃度値と上
記所定値とがガス濃度制御手段にて比較される。そし
て、この比較に基づいて上記ガス濃度制御手段から各雰
囲気ガスの調節量を指示するガス濃度制御信号を上記各
流量調節手段に出力することで、これら各流量調節手段
から流入する各雰囲気ガスの濃度が所定値の定常状態と
なるように即座に各雰囲気ガス濃度に補正が加えられ
る。

【００１６】さらに、上記炉心管のガス出口の近傍に設
けられたガス濃度センサにて計量された変動値が上記所
定値を中心とした設定範囲を越えたときには、上記炉心
管のガス入口に設けられたガス濃度センサにて計量され
たガス濃度値と上記所定値とがガス濃度制御手段にて比
較される。そして、この比較に基づいて上記ガス濃度制
御手段から各雰囲気ガスの調節量を指示するガス濃度制
御信号を上記各流量調節手段に出力することで、各雰囲
気ガス濃度が迅速に上記所定値を中心とした設定範囲内
となるように調節される。その後、このガス濃度センサ
の計量値が上記設定範囲内となった以降は、上述のよう
に、上記炉心管のガス出口に設けられたガス濃度センサ
にて計量された各雰囲気ガス濃度値と上記所定値との比
較に基づいた補正が各雰囲気ガス濃度に加えられて各雰
囲気ガスの濃度が即座に上記所定値の定常状態とされ
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る雰囲気制御炉の実施例を
図面を参照しながら説明する。この雰囲気制御炉は各雰
囲気ガスを所定のガス濃度に混合して混合ガスを製造
し、このガス濃度を一定値に保つものである。

【００１８】この実施例に係る雰囲気制御炉は、図１に
示すように、各雰囲気ガスの流量を調節する複数（図示
の例では２つ）の流量調節手段１と、これら流量調節手
段１から送り込まれた各雰囲気ガスが混合される炉心管
２と、この炉心管２のガスの入口２ａ及び出口２ｂに設
けられたガス採取手段３ａ，３ｂと、これらガス採取手
段３ａ，３ｂに接続されて各雰囲気ガス濃度を計量する
ガス濃度センサ４ａ，４ｂと、各雰囲気ガス濃度を制御
するガス濃度制御手段５とにより構成されている。

【００１９】上記雰囲気制御炉においては、各流量調節
手段１から図中矢印Ｎで示す方向へ流入された各雰囲気
ガス（図示の例では２種類）の一部をガス採取手段３ａ
またはガス採取手段３ｂにて採取し、ガス採取手段３ａ
またはガス採取手段３ｂに接続されたガス濃度センサ４
ａまたは４ｂにて各雰囲気ガスの濃度を計量する。次い
で、ガス濃度制御手段５にて、この計量された各雰囲気
ガスの濃度と予め設定された所定の各雰囲気ガスの濃度
とを比較することで各雰囲気ガスの調節量を決定し、そ
れに応じたガス濃度制御信号を上記流量調節手段１に出
力する。そして、各流量調節手段１にてガス濃度制御信
号に基づいて各雰囲気ガスの濃度を調整し所定の各雰囲
気ガスの濃度として各雰囲気ガスを炉心管２に送り込
む。

【００２０】ここで、上記実施例の雰囲気制御炉を用い
て、具体的に例えば炉心管２内において上記雰囲気制御
炉により製造された混合ガスを使用して製品に焼成を施
す場合について説明する。

【００２１】先ず、炉心管２内に焼成する製品を投入
し、上記ガス濃度制御手段５に対して、各雰囲気ガス濃
度を窒素９９．９９体積％，酸素０．０１体積％に、各
雰囲気ガスの炉心管２内の総流量速度を２（ｌ／ｍｉ
ｎ）に設定して各雰囲気ガスの雰囲気制御を開始する。

【００２２】ここで、制御開始時においては炉心管２の
ガスの入口２ａ近傍に設けられたガス採取手段３ａにて
各雰囲気ガスの一部を採取し、ガス濃度センサ４ａにて
各雰囲気ガス濃度を計量する。このとき、各雰囲気ガス
濃度の所定値からの変動量がそれぞれ上記所定値の±２
０％以内に保たれるように予めリミッタが上記ガス濃度
制御手段５内に設けられている。したがって、各雰囲気
ガスの濃度の変動量がそれぞれ上記所定値の±２０％以
内となるまで、ガス濃度センサ４ａによる計量と上記所
定値との比較に基づいてガス濃度制御手段５において流
量調節手段１からの各雰囲気ガス流入量の制御が行われ
る。

【００２３】そして、各雰囲気ガス濃度の所定値からの
変動量がそれぞれ±２０％以内となったとき以後は、ガ
ス濃度センサ４ａに代わって、ガス出口２ｂ近傍に設け
られたガス濃度センサ４ｂにより炉心管２の出口２ｂか
ら流出する各雰囲気ガスのガス濃度を計量し、ガス濃度
制御手段５にてこの各雰囲気ガス濃度と上記所定値を比
較することで各雰囲気ガスの調節量を決定し、ガス濃度
制御信号を上記各流量調節手段１に出力することで、こ
れら各流量調節手段１から流入する各雰囲気ガスのガス
濃度が上記所定値に調節される。

【００２４】このときの炉心管２の出口２ｂから流出す
る各雰囲気ガスのうちの一つであるガスＡ（窒素または
酸素）の時間変化を図２に示す。この図に示すように、
立ち上がり（制御開始時）から各雰囲気ガス濃度の所定
値Ｐからの変動量がそれぞれ±２０％以内となるまでの
時間ｔ１は上記時間ｔ３と同一の短時間であり、さらに
この状態から迅速に各雰囲気ガス濃度が所定値Ｐに達す
る。

【００２５】ここで、外乱により各流量調節手段１から
流入する各雰囲気ガスの濃度に変動が生じた場合や炉心
管２内の各雰囲気ガスの濃度が炉心管２内の物質の化学
変化等により上記所定値から外れた恒常値とされている
場合、上記所定値からの変動量が所定値の±２０％以内
にあるときには、炉心管２のガス出口２ｂに設けられた
ガス濃度センサ４ｂにて計量された各雰囲気ガスの濃度
と上記所定値とがガス濃度制御手段５にて比較される。
そして、この比較に基づいてガス濃度制御手段５から各
雰囲気ガスの調節量を指示するガス濃度制御信号を各流
量調節手段１に出力することで、これら各流量調節手段
１から流入する各雰囲気ガスの濃度が所定値の定常状態
となるように即座に各雰囲気ガスの濃度に若干の補正が
加えられる。

【００２６】さらに、炉心管２のガス出口２ｂの近傍に
設けられたガス濃度センサ４ｂにて計量された各雰囲気
ガスの濃度の上記所定値からの変動量が所定値の±２０
％を越えたときには、ガス濃度センサ４ｂに代わり、炉
心管２のガス入口２ａの近傍に設けられたガス濃度セン
サ４ａにて計量されたガス濃度と上記所定値とがガス濃
度制御手段５にて比較される。そして、この比較に基づ
いてガス濃度制御手段５から各雰囲気ガスの調節量を指
示するガス濃度制御信号を各流量調節手段１に出力する
ことで、各雰囲気ガスの濃度の変動値が迅速に所定値の
±２０％以内となるように調節される。その後、このガ
ス濃度センサの計量値が上記所定値から±２０％以内の
変動量となった以降は、上述のように、炉心管２のガス
出口２ｂに設けられたガス濃度センサ４ｂにて計量され
た各雰囲気ガスの濃度と上記所定値との比較に基づいた
若干の補正が各雰囲気ガスの濃度に加えられて各雰囲気
ガスの濃度が即座に上記所定値の定常状態とされる。

【００２７】このときの炉心管２の出口２ｂから流出す
る各雰囲気ガスのうちの一つであるガスＡ（窒素または
酸素）の時間変化を図３に示す。この図に示すように、
外乱等による変動Ｍが生じてから定常状態である所定値
Ｐに安定化するまでに要する時間ｔ２は、上記時間ｔ４
と比較して短時間である。したがって、上記実施例の雰
囲気制御炉では無駄となる各雰囲気ガス量を最小限に抑
えることが可能となる。

【００２８】上記実施例に係る雰囲気制御炉によれば、
立ち上がり時の無駄な時間及び各雰囲気ガス消費を抑制
しることができ、焼成した製品のコストが削減される。
しかも、外乱等による炉心管２内の各雰囲気ガス濃度の
変動が発生しても迅速に予め設定された所定値に安定化
させることが可能であり、製品の信頼性の大幅な向上を
図ることができる。

【００２９】また、炉心管２の各雰囲気ガスの流出入部
２ａ，２ｂ近傍に設けられたガス濃度センサ４ａ，４ｂ
により、炉心管２内の製品や試料等を焼成する際の各雰
囲気ガス消費量或はガス放出量を検出することも可能で
ある。

【００３０】

【発明の効果】本発明に係る雰囲気制御炉によれば、雰
囲気ガスの入口と出口を有するとともに、前記入口から
供給される雰囲気ガスの濃度を制御する濃度制御手段を
有してなる雰囲気制御炉において、前記入口及び出口に
それぞれガス濃度センサを接続し、これらガス濃度セン
サによって検出されるガス濃度に基づいて前記濃度制御
手段を制御するように構成したので、混合ガスの各雰囲
気ガスの濃度を高精度に一定の所定値に保ち、ガス濃度
の変動が生じても迅速に所定値に戻して安定化させるこ
とが可能となり、低コストで信頼性の高い混合ガスを製
造することができる。

【００３１】また、本発明によれば、ガス濃度が定常状
態のときには出口側のガス濃度センサによって検出され
るガス濃度に基づいて濃度制御手段を制御し、ガス濃度
が大きく変動したときには入口側のガス濃度センサによ
って検出されるガス濃度に基づいて濃度制御手段を制御
するように構成したので、混合ガスの各雰囲気ガスの濃
度をより高精度に一定の所定値に保ち、ガス濃度の変動
が生じても迅速に所定値に戻して安定化させることが可
能となり、低コストで信頼性の高い混合ガスを製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る雰囲気制御炉を示す模式
図である。

【図２】本実施例の雰囲気制御炉において、この装置を
立ち上げた際の炉心管のガス出口から流出したガスＡの
濃度を示す特性図である。

【図３】本実施例の雰囲気制御炉において、各雰囲気ガ
ス濃度に変動が生じた際の炉心管のガス出口から流出し
たガスＡの濃度を示す特性図である。

【図４】従来の雰囲気制御炉を示す模式図である。

【図５】図６に示す従来の雰囲気制御炉において、この
装置を立ち上げた際の炉心管のガス出口から流出したガ
スＡの濃度を示す特性図である。

【図６】炉心管のガス出口近傍にガス採取手段及びガス
濃度センサが設けられた雰囲気制御炉を示す模式図であ
る。

【図７】図６に示す雰囲気制御炉において、各雰囲気ガ
ス濃度に変動が生じた際の炉心管のガス出口から流出し
たガスＡの濃度を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 流量調節手段 ２ 炉心管 ３ａ，３ｂ ガス採取手段 ４ａ，４ｂ ガス濃度センサ ５ ガス濃度制御手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 雰囲気ガスの入口と出口を有するととも
   に、前記入口から供給される雰囲気ガスの濃度を制御す
   る濃度制御手段を有してなる雰囲気制御炉において、 前記入口及び出口にそれぞれガス濃度センサが接続さ
   れ、これらガス濃度センサによって検出されるガス濃度
   に基づいて前記濃度制御手段が制御されることを特徴と
   する雰囲気制御炉。
2. 【請求項２】 ガス濃度が定常状態のときには出口側の
   ガス濃度センサによって検出されるガス濃度に基づいて
   濃度制御手段が制御され、 ガス濃度が大きく変動したときには入口側のガス濃度セ
   ンサによって検出されるガス濃度に基づいて濃度制御手
   段が制御されることを特徴とする請求項１記載の雰囲気
   制御炉。
3. 【請求項３】 円筒形状の炉心管を有することを特徴と
   する請求項１記載の雰囲気制御炉。