(57)【要約】【課題】保護管内における水分の結露および再蒸発による検出誤差の発生を抑制防止して、精度よく炉内雰囲気を検出することが可能な雰囲気センサおよびそれを用いた、炉内の雰囲気を確実に把握して、信頼性の高い熱処理を行うことが可能な熱処理炉を提供する。【解決手段】センサ本体１が挿入される保護管３の管壁に、保護管３の内部３ａから外部にガスを排出するための貫通孔４を形成することにより、保護管３内で結露した水分が再蒸発した場合の水蒸気を、貫通孔４から外部に排出して、再蒸発した水分の影響を軽減する。  また、保護管３の先端側を開口部２とし、センサ本体１の検出部１１を該開口部２の近傍に位置させるとともに、開口部２と貫通孔４の間に、ガスの流れを遮断する遮蔽部材５を、センサ本体１の検出部１１が被覆されないような態様で配設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ本体と、センサ本体が挿入される保護管とを具備し、保護管に挿入されたセンサ本体が、保護管とともに炉内領域に挿入されて炉内雰囲気中の所定の成分を検出する雰囲気センサであって、
前記保護管は、炉内領域と保護管内部を連通させる開口部を備え、かつ、保護管の管壁には、保護管の内部から外部にガスを排出するための貫通孔が配設されていること
を特徴とする雰囲気センサ。
【請求項２】
前記保護管の先端側が開口部となっており、前記センサ本体の検出部が前記開口部の近傍に位置しているとともに、前記開口部と前記貫通孔の間に、ガスの流れを遮断する遮蔽部材が、前記センサ本体の検出部を被覆しないような態様で配設されていることを特徴とする請求項１記載の雰囲気センサ。
【請求項３】
炉内雰囲気中の酸素濃度を検出するものであることを特徴とする請求項１または２記載の雰囲気センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の雰囲気センサを備え、炉内雰囲気中の所定の成分を検出するように構成されていることを特徴とする熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱処理炉などの内部の雰囲気を検出するために用いられる雰囲気センサ、詳しくは、センサ本体が保護管に収容された状態で、保護管とともに炉内に直接挿入されて使用される、いわゆる直挿式の雰囲気センサおよび熱処理炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉内雰囲気（例えば酸素濃度）を検出するためのセンサ（酸素センサ）としては、図３に示すように、センサ本体５１と、センサ本体５１が挿入される、先端側に開口部５２が設けられた保護管５３とを具備し、保護管５３に挿入されたセンサ本体５１を、保護管５３とともに雰囲気を測定すべき炉内領域５６に、炉壁５５を介して挿入され、炉内雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素センサ（いわゆる直挿式の酸素センサ）６０が知られている。
【０００３】
しかし、この従来の酸素センサ６０を、湿度の高い雰囲気中で使用した場合、温度変動により、炉内温度が低下すると、保護管５３の内部の基端側部分６１で露点以下にまで温度が低下し、結露が発生する。特に、バッチ炉のように雰囲気ガスの温度が変動する場合、保護管５３の内部の温度も変動し、保護管５３の内部への結露と、結露した水の再蒸発が頻繁に発生して、実際の雰囲気と測定値の間にずれが生じるという問題点がある。
【０００４】
すなわち、一般に高温の雰囲気ガスを使用する設備においては、炉壁に断熱材などを配設する断熱処理を行っている。したがって、酸素センサ６０を構成する保護管５３の基端側部分６１は、先端側部分（炉の中央側に位置する部分）に比べて温度が低くなる。その結果、雰囲気ガスの露点に応じて、保護管５３の基端側部分６１には結露が発生する。そして、その後に雰囲気ガスが昇温すると、保護管５３の基端側部分６１の温度も上昇し、結露した水分の再蒸発が生じる。
そして、水が蒸発すると体積が著しく増大するため、図４に示すように、気化した水蒸気は、センサ本体５１の測定部５４に向かって保護管５３内を拡散し、結果として、酸素濃度の測定値に誤差を生じさせることになる。
【０００５】
このような問題点を解決するために、センサ自体を加熱し、常に露点以上に保つようにする方策も考えられるが、構造が複雑になり、コストの増大や測定機器の大型化を招くという問題点がある。
【０００６】
また、結露の問題の軽減を図った従来の酸素センサの一つに、自動車用内燃機関の排気中の酸素濃度を検出するために用いられる酸素センサがある（特許文献１参照）。
この酸素センサは、センサ素子（センサ本体）を保護するための保護管を二重管とし、内側の保護管と、外側の保護管にそれぞれ、雰囲気を通過させる連通孔を設けるとともに、内側の保護管と外側の保護管とで、連通孔の位置が互いに重ならないようにその位置をずらして配設し、雰囲気中の凝縮水（露点以下になることにより生成する結露水）を、内側の保護管と外側の保護管の間から外部に排出することによりセンサ出力に異常が生じることを防止するように構成されている。
【０００７】
しかしながら、この特許文献１の考え方を炉内雰囲気を検出するための雰囲気センサに適用して、保護管を二重管とし、内側の保護管と外側の保護管とで、連通孔の位置をずらしたとしても、保護管の外側の領域と保護管の内部のセンサ素子は連通孔を介して連通していることから、雰囲気が高湿度の場合や温度の変動が大きい場合には、保護管の内部における水分の結露および再蒸発の発生を完全に防止することはできず、センサ出力に異常が生じる場合もあるものと推測される。
【特許文献１】特開平０５−２４９０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願発明は、上記問題点を解決するものであり、保護管内における水分の結露および再蒸発による検出誤差の発生を抑制、防止して、精度よく炉内雰囲気を検出することが可能な雰囲気センサ、およびそれを用いた、炉内の雰囲気を確実に把握して、信頼性の高い熱処理を行うことが可能な熱処理炉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明（請求項１）の雰囲気センサは、
センサ本体と、センサ本体が挿入される保護管とを具備し、保護管に挿入されたセンサ本体が、保護管とともに炉内領域に挿入されて炉内雰囲気中の所定の成分を検出する雰囲気センサであって、
前記保護管は、炉内領域と保護管内部を連通させる開口部を備え、かつ、保護管の管壁には、保護管の内部から外部にガスを排出するための貫通孔が配設されていること
を特徴としている。
【００１０】
また、請求項２の雰囲気センサは、前記保護管の先端側が開口部となっており、前記センサ本体の検出部が前記開口部の近傍に位置しているとともに、前記開口部と前記貫通孔の間に、ガスの流れを遮断する遮蔽部材が、前記センサ本体の検出部を被覆しないような態様で配設されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３の雰囲気センサは、炉内雰囲気中の酸素濃度を検出するものであることを特徴としている。
【００１２】
また、本願発明（請求項４）の熱処理炉は、請求項１〜３のいずれかに記載の雰囲気センサを備え、炉内雰囲気中の所定の成分を検出するように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明（請求項１）の雰囲気センサは、センサ本体が挿入される保護管の管壁に、保護管の内部から外部にガスを排出するための貫通孔を設けるようにしているので、保護管内で結露した水分が再蒸発した場合にも、水蒸気を貫通孔から外部に効率よく排出することが可能になり、再蒸発した水蒸気の影響を軽減して、雰囲気中の所定の成分を精度よく検出することが可能になる。
【００１４】
なお、本願発明において、保護管に形成すべき貫通孔の形状に特別の制約はなく、平面形状が円形、長円形、楕円形の貫通孔、あるいは、保護管の軸方向あるいは径方向が長手方向となるようなスリット状の貫通孔、さらには、正方形、長方形などの方形状の貫通孔など、種々の形状の貫通孔を形成することが可能である。
また、保護管を構成する材料についても特に制約はなく、耐熱性などに関して必要な特性を備えた種々の材料を用いることが可能である。
【００１５】
また、請求項２の雰囲気センサのように、保護管の先端側を開口部とし、センサ本体の検出部を該開口部の近傍に位置させるとともに、開口部と貫通孔の間に、ガスの流れを遮断する遮蔽部材を、センサ本体の検出部が被覆されないような態様で配設することにより、結露水が再蒸発した水蒸気がセンサ本体の検出部にまで達することを確実に防止して、雰囲気中の所定の成分をより精度よく検出することが可能になる。
【００１６】
また、請求項３の雰囲気センサのように、本願発明を、炉内雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサに適用することにより、例えば、セラミック焼成炉などの雰囲気中の酸素濃度を精度よく測定し、焼成条件を所望の条件に管理することが可能になり、特に有意義である。
【００１７】
また、本願発明（請求項４）の熱処理炉は、請求項１〜３のいずれかに記載の雰囲気センサを備えており、雰囲気中の所定の成分を検出することができるように構成されているので、例えば、セラミックを焼成する場合などにおいて、炉内の雰囲気を確実に把握して、信頼性の高い熱処理を行うことが可能になる。
なお、本願発明の雰囲気センサが使用される熱処理炉の種類に特別の制約はなく、セラミック焼成炉、導電ペースト焼き付け用の熱処理炉など用いられる種々の熱処理炉に本願発明を適用することが可能である。
また、熱処理炉の具体的な構成についても特別の制約はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本願発明の実施例を示して、本願発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本願発明の一実施例にかかる雰囲気センサの要部構成を示す断面図である。
この実施例の雰囲気センサ２０は、セラミック焼成炉の雰囲気中の酸素濃度を測定するための酸素センサであり、図１に示すように、センサ本体１と、センサ本体１が挿入される保護管３とを具備している。
そして、この酸素センサ２０は、保護管３に挿入されたセンサ本体１が、保護管３とともに焼成炉１０の内部（炉内領域）１０ａに挿入されて炉内雰囲気中の酸素濃度を検出するように構成されている。
【００２０】
センサ本体１は、先端部にジルコニアセルからなる検出部１１を備えている。また、保護管３は先端側に、炉内領域１０ａと保護管内部３ａを連通させる開口部２が設けられており、センサ本体１は、先端側の検出部１１が、保護管３の開口部２の少し手前側に位置するように保護管３内に挿入、保持されている。
【００２１】
そして、保護管３の管壁には、保護管３の内部から外部にガスを排出するための貫通孔４が形成されている。
【００２２】
さらに、保護管３の内部の、先端側の開口部２と、保護管３の管壁に形成された貫通孔４の間には、ガスの流れを遮断する遮蔽部材５が、センサ本体１の検出部１１を被覆しないような態様で配設されている。
【００２３】
上述のように構成された実施例１の雰囲気センサ２０においては、保護管３の管壁に貫通孔４を設けているので、保護管３の内部の基端側部分１３で結露が発生した後、再び雰囲気温度が上昇し、結露した水分が再び蒸発した場合にも、図２に示すように、保護管３内で発生した水蒸気を保護管３の貫通孔４から外部に速やかに放出することが可能になり、測定誤差を減少させることが可能になる。
すなわち、背景技術に関して説明したように、結露した水が再び蒸発すると体積が著しく増大するため、気化した水蒸気がセンサ本体１の検出部１１に向かって保護管３内を拡散し、結果として、センサの測定値に誤差を生じさせることになるが、上記実施例の酸素センサ２０の場合には、結露した水分が再び蒸発した場合に、保護管３内で発生した水蒸気が保護管３の貫通孔４から外部に速やかに放出されるとともに、開口部と貫通孔の間に配設された遮蔽部材５により、再蒸発した水蒸気がセンサ本体１の検出部１１にまで達することが確実に防止されるため、雰囲気中の酸素を、再蒸発により発生した水蒸気の影響を受けることなく、高精度に検出することができる。
【００２４】
また、表１は、上述のように構成された酸素センサにおける、保護管３の基端側部分１３（図１のＡの位置）から、検出部１１に向けた距離が、０cm，５cm，および１０cmの位置の温度と、炉内温度との関係を示したものである。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１より、保護管３の内部に温度勾配が発生していること、炉内温度の上昇に伴い保護管３の内部温度も上昇すること、炉内温度が１２００℃以上になると、保護管３の内部の全域で水の沸点を上回る温度になることがわかる。
【００２７】
このような条件の下で、かつ、炉内温度が変動し、保護管３の基端側部分１３では露点以下の温度と、露点以上の温度になることが繰り返されるような条件で、本願発明の酸素センサと従来の酸素センサを用いて酸素分圧の測定を行い、その平均値を求めた。
なお、このとき炉内へは雰囲気ガスと水とを混合して連続的に供給した。雰囲気ガスと水との混合割合は、雰囲気１００Ｌ（リットル）に対して、水４８ｇの割合とした。また、炉内の圧力（全圧）は１atmとした。
酸素分圧の測定結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２において、実施例１は、保護管３の基端側部分１３（図１のＡの位置）から検出部１１に向けた距離が１cmおよび３cmのそれぞれの位置に下面側および上面側に直径が０．４cmの略円形の貫通孔４を形成した酸素センサであり、実施例２は、保護管３の基端側部分１３（図１のＡの位置）から検出部１１に向けた距離が１cmおよび３cmのそれぞれの位置に下面側および上面側に直径が０．４cmの略円形の貫通孔４を形成するとともに、先端側の開口部２と貫通孔４の間に、ガスの流れを遮断する遮蔽部材５を、センサ本体１の検出部１１を被覆しないように配設した酸素センサである。
また、従来例は、貫通孔を形成せず、また、遮蔽部材を配設していない円筒状の保護管を用いた図３に示すような構造を有する従来の酸素センサである。
【００３０】
表２に示すように、保護管３の基端側部分１３（図１のＡの位置）から検出部１１に向けた距離が１cmおよび３cmのそれぞれの位置に下面側および上面側に直径が０．４cmの略円形の貫通孔４を形成した実施例１の酸素センサの場合、および貫通孔４を形成するとともに遮蔽部材５を配設した実施例２の酸素センサの場合、理論値からのずれ（誤差）が小さく、精度よく炉内の酸素濃度を検出できることが確認された。特に実施例２の場合には、理論値により近い値が得られることが確認された。
【００３１】
一方、従来例の酸素センサの場合、理論値からのずれ（誤差）が大きいことが確認された。
【００３２】
上述の結果より、本願発明の雰囲気センサ（酸素センサ）によれば、保護管内における水分の結露および再蒸発による検出誤差の発生を抑制、防止することが可能になり、精度よく炉内の酸素濃度を測定することが可能になることがわかる。
【００３３】
なお、上記実施例では、酸素センサを例にとって説明したが、本願発明は酸素に限らず、炉内雰囲気中のその他の種々の成分を検出する場合に、広く適用することが可能である。
【００３４】
本願発明はさらにその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、センサ本体や保護管の構成、保護管の開口部の位置、保護管の内部から外部にガスを排出するための貫通孔の具体的な形状や配設位置、遮蔽部材の種類や配設態様、本願発明の雰囲気センサが用いられる熱処理炉の具体的な構成などに関し発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上述のように本願発明の雰囲気センサによれば、保護管内における水分の結露および再蒸発による検出誤差の発生を抑制、防止することが可能になり、精度よく炉内雰囲気中の所定の成分を検出することが可能になる。また、本願発明の雰囲気センサを用いた熱処理炉は、雰囲気中の所定の成分を確実に検出することができるように構成されているので、例えば、セラミックを焼成する場合などにおいて、炉内の雰囲気を確実に把握して、信頼性の高い熱処理を行うことが可能になる。
したがって、本願発明は、セラミックを焼成する場合の熱処理炉などに広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願発明の一実施例にかかる雰囲気センサ（酸素センサ）を示す断面図である。
【図２】本願発明の一実施例にかかる雰囲気センサ（酸素センサ）の作用を説明する断面図である。
【図３】従来の雰囲気センサを示す断面図である。
【図４】従来の雰囲気センサの問題点を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１        センサ本体
２        保護管の開口部
３        保護管
３ａ      保護管内部
４        貫通孔
５        遮蔽部材
１０      焼成炉
１０ａ    炉内領域
１１      ジルコニアセル（検出部）
１３      基端側部分
２０      雰囲気センサ（酸素センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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