JP2006171000A - 水蒸気センサー - Google Patents
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Abstract
【課題】サンプル中に含まれる水蒸気を低濃度まで迅速かつ正確に検知および測定できると共に、費用対効果の高いセンサーを提供する。
【解決手段】本発明に係る水蒸気センサー１０は、（ａ）陽極５０と、（ｂ）陰極６０と、（ｃ）陽極５０と陰極６０との間に介在する電解質と、（ｄ）気体サンプルが通過して電解質と接触できるように陽極５０の中央領域を貫通する吸気孔５０ａとを含んでいる。電解質は、陽極５０と陰極６０との間に配置された電気絶縁性の多孔体である分離器７０に保持されるものであってもよい。
【選択図】図２
【解決手段】本発明に係る水蒸気センサー１０は、（ａ）陽極５０と、（ｂ）陰極６０と、（ｃ）陽極５０と陰極６０との間に介在する電解質と、（ｄ）気体サンプルが通過して電解質と接触できるように陽極５０の中央領域を貫通する吸気孔５０ａとを含んでいる。電解質は、陽極５０と陰極６０との間に配置された電気絶縁性の多孔体である分離器７０に保持されるものであってもよい。
【選択図】図２
Description
本発明は、水蒸気センサーに関し、詳しくは、極微量の水蒸気を測定するための電量式水蒸気センサーに関する。
サンプル中に存在する種々の化合物を検知および測定するための多様な電気化学的センサー（すなわち、陽極、陰極、および電解質を備えた電解槽を用いるセンサー）が開発され、使用されてきた。
特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４のそれぞれには、電解質としてリン酸を用いて水蒸気を検知および測定する電気化学的センサーが開示されている。しかし、これらのセンサーの構成および設計では、センサーの精度、感度、応答性、および寿命が著しく限定されていた。
従来、特定の産業分野には、サンプル中に含まれる水蒸気を、数ｐｐｂ（parts per billion）程度の低濃度まで迅速かつ正確に検知および測定でき、かつ、費用対効果の高いセンサーに対する強い要望がある。しかしながら、従来のセンサーは、上記特許文献に記載されたものも含めて、これらの要求に適うものではなかった。
したがって、サンプル中に含まれる水蒸気を、数ｐｐｂ程度の低濃度まで迅速かつ正確に検知および測定でき、かつ、費用対効果の高いセンサーには、引き続き強い要望がある。
本発明は、気体サンプル中の水蒸気を検知するための水蒸気センサーを提供するものである。本発明に係る水蒸気センサーは、（ａ）陽極と、（ｂ）陰極と、（ｃ）前記陽極と前記陰極との間に介在する電解質と、（ｄ）前記気体サンプルが通過して前記電解質と接触できるように前記陽極または前記陰極の中央領域を貫通する吸気孔と、を含むことを特徴とする。
さらに詳細には、本発明に係る水蒸気センサーは、（ａ）内向きの主面および外向きの主面を有する陽極と、（ｂ）内向きの主面および外向きの主面を有する陰極と、（ｃ）前記陽極の前記内向きの主面と前記陰極の前記内向きの主面との間に介在すると共に、前記陽極の前記内向きの主面と前記陰極の前記内向きの主面との間に間隙を形成する、電気絶縁性の多孔体である分離器と、（ｄ）前記間隙内の電解質と、（ｅ）前記陽極または前記陰極を貫通し、気体サンプルを通過させて前記間隙の中央領域に注入することができる吸気孔と、（ｆ）前記間隙の外周部に接して設けられ、前記吸気孔を通じて前記間隙に注入された前記気体サンプルが通過して前記間隙から流出することができる出口通路と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る水蒸気センサーは、好ましくは、（ａ）第１端部および第２端部を有する内孔を長手方向に形成する円筒形のハウジングと、（ｂ）前記内孔の前記第１端部を覆い、かつ、前記ハウジングに対して長手方向の位置関係が固定された第１エンドキャップと、（ｃ）前記内孔の前記第２端部を覆い、かつ、前記ハウジングに対して長手方向の位置関係が固定された第２エンドキャップと、（ｄ）前記内孔の前記第１エンドキャップと前記第２エンドキャップの間に保持される装置と、を含んでおり、該装置は、（i）第１支持プレート、（ii）圧縮された圧縮ばね、（iii）長手方向に移動可能な第２支持プレート、（iv）長手方向に順に配列された、（Ａ）陽極、電気絶縁性の多孔体である分離器、中央部に吸気孔を備えた電極、または、（Ｂ）電極、電気絶縁性の多孔体である分離器、中央部に吸気孔を備えた陽極、のいずれか一方を含む長手方向に移動可能な検知部アセンブリー、および、（v）前記ハウジングに対して密封を保持して外周部を結合すると共に、前記陽極または陰極の中央部に位置する吸気孔と密封を保持して流体的に結合する吸気孔を中央部に備えるシールプレートが、長手方向に順に配列されてなるものである。
〔定義〕
本明細書および請求項において、「中央領域」という用語は、物体の与えられた面の５０％の面積を有する領域であって、その与えられた面と同一の形状を有し、かつ、その与えられた面に対して同心に位置する領域を意味する。以下に、２つの例を示す。
本明細書および請求項において、「中央領域」という用語は、物体の与えられた面の５０％の面積を有する領域であって、その与えられた面と同一の形状を有し、かつ、その与えられた面に対して同心に位置する領域を意味する。以下に、２つの例を示す。
円形：直径４ｃｍの円形面の「中央領域」は、以下のように算出される直径を備えた同心円である。
円形面の面積＝（π）（２ｃｍ）2＝１２．５６ｃｍ2
円形面の中央領域の面積＝（１／２）（１２．５６ｃｍ2）＝６．２８ｃｍ2
中央領域をなす円の直径＝（２）（√（６．２８ｃｍ2／π））＝１．４２ｃｍ
円形面の面積＝（π）（２ｃｍ）2＝１２．５６ｃｍ2
円形面の中央領域の面積＝（１／２）（１２．５６ｃｍ2）＝６．２８ｃｍ2
中央領域をなす円の直径＝（２）（√（６．２８ｃｍ2／π））＝１．４２ｃｍ
正方形：１辺の長さが４ｃｍの正方形面の「中央領域」は、以下のように算出される１辺の長さを備えた同心の正方形である。
正方形面の面積＝（４ｃｍ）2＝１６ｃｍ2
正方形面の中央領域の面積＝（１／２）（１６ｃｍ2）＝８ｃｍ2
中央領域をなす正方形の１辺の長さ＝（√（８ｃｍ2））＝２．８３ｃｍ
正方形面の面積＝（４ｃｍ）2＝１６ｃｍ2
正方形面の中央領域の面積＝（１／２）（１６ｃｍ2）＝８ｃｍ2
中央領域をなす正方形の１辺の長さ＝（√（８ｃｍ2））＝２．８３ｃｍ
〔説明〕
（構成）
本実施形態は、気体サンプル（図示省略）中の水蒸気を検知するためのセンサー１０を提供するものである。図１および図４に示すように、センサー１０には、検知部アセンブリー４０が含まれており、検知部アセンブリー４０は、固定システム（その全体を示す符号は付していない）によってハウジング２０内の定位置に保持されている。
（構成）
本実施形態は、気体サンプル（図示省略）中の水蒸気を検知するためのセンサー１０を提供するものである。図１および図４に示すように、センサー１０には、検知部アセンブリー４０が含まれており、検知部アセンブリー４０は、固定システム（その全体を示す符号は付していない）によってハウジング２０内の定位置に保持されている。
（ハウジング２０）
図１および図４に示すように、ハウジング２０は、センサー１０の構成要素（特に、検知部アセンブリー４０）を取り囲んで保護するものであり、また、被験体である気体サンプルの制御流が検知部アセンブリー４０に接触できるようにしつつ、センサー１０の構成要素が安定した寸法で互いに定位置に保持されるようにするものである。ハウジング２０は、これらの機能を達成するために効果的な任意の所望の大きさおよび形状を有するものであり、このような形状には、図１および図４に示すような中空の円筒形またはチューブ形が含まれる。
図１および図４に示すように、ハウジング２０は、センサー１０の構成要素（特に、検知部アセンブリー４０）を取り囲んで保護するものであり、また、被験体である気体サンプルの制御流が検知部アセンブリー４０に接触できるようにしつつ、センサー１０の構成要素が安定した寸法で互いに定位置に保持されるようにするものである。ハウジング２０は、これらの機能を達成するために効果的な任意の所望の大きさおよび形状を有するものであり、このような形状には、図１および図４に示すような中空の円筒形またはチューブ形が含まれる。
ハウジング２０は、十分な構造保全性（structural integrity）を有する任意の材料から構成することができる。その材料には、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼材等の金属材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ポリビニル、ポリウレタン等のプラスチック材料、ガラス、および、木材等が含まれるが、これらに限定されるものではない。一般的には、高度に不活性かつ安定な性質を有することから、ガラスが好適である。
（検知部アセンブリー４０）
図１〜図４に示すように、検知部アセンブリー４０は、ハウジング２０の内孔２９に保持される。検知部アセンブリー４０には、陽極５０、陰極６０、および陽極５０と陰極６０との間に介在する電解質（図示省略）が含まれる。図１〜図４に示す検知部アセンブリー４０では、陽極５０が陰極６０の上流に配置されているが、陰極６０を陽極５０の上流に配置するものであってもよい。
図１〜図４に示すように、検知部アセンブリー４０は、ハウジング２０の内孔２９に保持される。検知部アセンブリー４０には、陽極５０、陰極６０、および陽極５０と陰極６０との間に介在する電解質（図示省略）が含まれる。図１〜図４に示す検知部アセンブリー４０では、陽極５０が陰極６０の上流に配置されているが、陰極６０を陽極５０の上流に配置するものであってもよい。
（陽極５０）
陽極５０は、使用中に陽極５０の内面（内側を向いた主面）５１で発生する高濃度の原子酸素および電解質に長期間さらされることに耐え得る材料である限り、電界槽中で陽極として使用するために適切な任意の周知の材料から構成することができる。電解質がリン酸の場合、好適な材料は、酸化イリジウムで被覆（コーティング）されたチタンである。
陽極５０は、使用中に陽極５０の内面（内側を向いた主面）５１で発生する高濃度の原子酸素および電解質に長期間さらされることに耐え得る材料である限り、電界槽中で陽極として使用するために適切な任意の周知の材料から構成することができる。電解質がリン酸の場合、好適な材料は、酸化イリジウムで被覆（コーティング）されたチタンである。
図１、図２、および図４に示すように、陽極５０には、陽極５０の中央領域（符号省略）を貫通する吸気孔５０ａが設けられており、これによって、気体サンプルは、陽極５０を通過して分離器７０の中央部で電解質と接触することができる。あるいは、陽極５０と陰極６０の長手方向の相対位置を交換して、陰極６０（負電位源への接続は保持する）を陽極５０（正電位源への接続は保持する）の上流に配置した場合、この吸気孔（図示省略）は、陽極５０ではなく、陰極６０の中央領域（符号省略）を貫通するように設けられる。
（陰極６０）
陰極６０は、陽極５０と同様に、使用中に陰極６０の内面（内側を向いた主面）６１で発生する高濃度の水素および電解質に長期間さらされることに耐え得る材料である限り、電界槽中で陰極として使用するために適切な任意の周知の材料から構成することができる。電解質がリン酸の場合、好適な材料は、プラチナで被覆（クラッディング）されたニオブである。
陰極６０は、陽極５０と同様に、使用中に陰極６０の内面（内側を向いた主面）６１で発生する高濃度の水素および電解質に長期間さらされることに耐え得る材料である限り、電界槽中で陰極として使用するために適切な任意の周知の材料から構成することができる。電解質がリン酸の場合、好適な材料は、プラチナで被覆（クラッディング）されたニオブである。
（電解質）
電解質は、電界槽で使用するために適切な任意の周知の電解質から選択できる。好適な電解質は、液体として適用されて後に乾燥される液体電解質である。センサー１０で使用するために好適な液体電解質は、主として気体サンプル中の水蒸気の吸着に対する高い親和性を有することから、１０％（ｗ／ｗ）水溶液として適用されるリン酸である。
電解質は、電界槽で使用するために適切な任意の周知の電解質から選択できる。好適な電解質は、液体として適用されて後に乾燥される液体電解質である。センサー１０で使用するために好適な液体電解質は、主として気体サンプル中の水蒸気の吸着に対する高い親和性を有することから、１０％（ｗ／ｗ）水溶液として適用されるリン酸である。
電解質は、陽極５０と陰極６０の間の間隙７９に配置されている。気体サンプルがこの間隙７９を通過すると、電解質により気体サンプル中のすべての水蒸気が捕捉される。次いで、捕捉された水分子は、陽極５０と陰極６０により間隙７９内に発生する電界によって、即座に１個のＯ-2陰イオンと２個のＨ+陽イオンにイオン化する。Ｏ-2陰イオンは陽極５０に引き寄せられ、Ｈ+陽イオンは陰極６０に引き寄せられる。陽極５０でＯ-2陰イオンが酸化されてＯになり、陰極６０でＨ+陽イオンが還元されてＨになると、検出可能な電気信号が発生する。
（分離器７０）
図１〜図４に示すように、分離器７０は、陽極５０の内面５１と陰極６０の内面６１との間に設けられている。分離器７０は、陽極５０と陰極６０との間に間隙７９を形成して保持するための機械的分離手段として機能すると共に、電解質を担う担体として機能するものである。分離器７０は、その一方の主面（第１主面）が陽極５０の内面５１と直接物理的に接触し、他方の主面（第２主面）が陰極６０の内面６１と直接物理的に接触するものであるため、偽信号の発生を防ぐために電気絶縁材料により構成する必要がある。また、分離器７０は、気体および水蒸気が適度な背圧を伴って分離器を通過できるようにするために十分な多孔体である必要がある。さらに、分離器７０は、次のような特性を有する材料で構成する必要がある。すなわち、（i）電解質が絶縁体を介して陽極５０および陰極６０への良好な導電性を得るために、電解質に対して良好な濡れ性を有し、（ii）水を直接吸収することがなく、（iii）間隙７９内の電気的および化学的に過酷な環境（すわなち、リン酸、Ｏ-2、Ｏ、Ｈ+、Ｈに対する長期的な曝露、および、恒常的な電位差の存在）において劣化することのない耐性を有しており、気体サンプルを汚染しないことである。
図１〜図４に示すように、分離器７０は、陽極５０の内面５１と陰極６０の内面６１との間に設けられている。分離器７０は、陽極５０と陰極６０との間に間隙７９を形成して保持するための機械的分離手段として機能すると共に、電解質を担う担体として機能するものである。分離器７０は、その一方の主面（第１主面）が陽極５０の内面５１と直接物理的に接触し、他方の主面（第２主面）が陰極６０の内面６１と直接物理的に接触するものであるため、偽信号の発生を防ぐために電気絶縁材料により構成する必要がある。また、分離器７０は、気体および水蒸気が適度な背圧を伴って分離器を通過できるようにするために十分な多孔体である必要がある。さらに、分離器７０は、次のような特性を有する材料で構成する必要がある。すなわち、（i）電解質が絶縁体を介して陽極５０および陰極６０への良好な導電性を得るために、電解質に対して良好な濡れ性を有し、（ii）水を直接吸収することがなく、（iii）間隙７９内の電気的および化学的に過酷な環境（すわなち、リン酸、Ｏ-2、Ｏ、Ｈ+、Ｈに対する長期的な曝露、および、恒常的な電位差の存在）において劣化することのない耐性を有しており、気体サンプルを汚染しないことである。
分離器７０は、その厚みを薄くすることにより応答性が向上し、また、厚くすることにより、分離器７０が保持する電解質の量が増大する結果、耐用寿命が延びるものである。分離器７０は、両方の利点を適切に調整するために、第１主面と第２主面との間に、約０．２ｍｍ〜１ｍｍ、好ましくは、約０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの厚みを有するものである。
また、分離器７０は、好ましくは、約２〜１０ｃｍの高さと、約２〜１０ｃｍの幅とを有しており、分離器７０を円盤形に形成する場合には、約２〜６ｃｍの直径を有するものである。
また、分離器７０は、好ましくは、約２〜１０ｃｍの高さと、約２〜１０ｃｍの幅とを有しており、分離器７０を円盤形に形成する場合には、約２〜６ｃｍの直径を有するものである。
これらの必要かつ望ましい特性を備えた周知の多様な材料が市販されている。好適な材料は、セラミックス多孔体であり、特に、トリコット状に編組された酸化ジルコニウムやトリコット状に編組された酸化ハフニウムのような、セラミックス（酸化物セラミックス）の編組体（woven ceramics）が好ましい。また、酸化ジルコニウム中には安定剤としてイットリウムが存在しており、イットリウムは時間の経過につれてリン酸と反応する傾向があるため、酸化ハフニウムがより好ましい。
電解質と気体サンプル中の水蒸気とを確実に接触させるため、分離器７０の孔（図示省略）内は、電解質で表面被覆されることが好ましい。これによって、気体サンプルのための蛇行する移動経路が形成されると共に、電解質が保持される表面積が増大する。
図１および図４に示すように、検知部アセンブリー４０は、固定システム（その全体を示す符号は付していない）によって、ハウジング２０の内孔２９内の定位置に保持される。この固定システムは、（i）ハウジング２０の（内孔２９の）第１端部２１を覆うようにハウジング２０に装着される第１エンドキャップ３１と、（ii）ハウジング２０の（内孔２９の）第２端部２２を覆うようにハウジング２０に装着される第２エンドキャップ３２と、（iii）長手方向に順に配列された（Ａ）第１支持プレート８１、（Ｂ）圧縮された圧縮ばね８０、（Ｃ）第２支持プレート８２、および（Ｄ）シールプレート９０と、を含むものである。
（第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２）
図１に示すように、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、センサー１０を組立てた後、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２に長手方向外向きの力がかかったとしても、それらが長手方向の定位置に保持されるような方法を用いて、ハウジング２０の（内孔２９の）第１端部２１および第２部２２にそれぞれ装着される。第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、ハウジング２０に任意の適切な手段によって固定することができ、その手段には、接着、ねじ込みによる係合、摩擦嵌め、溶接、ラチェット機構等が含まれるが、これらに限定されるものではない。ハウジング２０がガラスからなる場合、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、好ましくは、デュロメータ値の高いゴムにより、内孔２９の端部内への摩擦嵌めに適合する大きさを有するストッパーとして形成されるものである。
図１に示すように、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、センサー１０を組立てた後、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２に長手方向外向きの力がかかったとしても、それらが長手方向の定位置に保持されるような方法を用いて、ハウジング２０の（内孔２９の）第１端部２１および第２部２２にそれぞれ装着される。第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、ハウジング２０に任意の適切な手段によって固定することができ、その手段には、接着、ねじ込みによる係合、摩擦嵌め、溶接、ラチェット機構等が含まれるが、これらに限定されるものではない。ハウジング２０がガラスからなる場合、第１エンドキャップ３１および第２エンドキャップ３２は、好ましくは、デュロメータ値の高いゴムにより、内孔２９の端部内への摩擦嵌めに適合する大きさを有するストッパーとして形成されるものである。
（圧縮ばね８０、第１支持プレート８１および第２支持プレート８２）
図１に示すように、圧縮ばね８０は、内孔２９の長手軸２９ｘ回りに同軸に配置されて圧縮されており、それによって長手方向外向きの付勢力が発生する。圧縮ばね８０は、第１エンドキャップ３１に当接する第１支持プレート８１と、第２支持プレート８２との間に保持されている。第２支持プレート８２は、その支持プレート８２が内孔２９内を長手方向に移動し、それによって、圧縮ばね８０の長手方向外向きの付勢力が、第２支持プレート８２と第２エンドキャップ３２の間に配置された構成要素に作用するように構成および配置されている。所望の場合、第１支持プレート８１を第１エンドキャップ３１と一体に形成してもよい。
図１に示すように、圧縮ばね８０は、内孔２９の長手軸２９ｘ回りに同軸に配置されて圧縮されており、それによって長手方向外向きの付勢力が発生する。圧縮ばね８０は、第１エンドキャップ３１に当接する第１支持プレート８１と、第２支持プレート８２との間に保持されている。第２支持プレート８２は、その支持プレート８２が内孔２９内を長手方向に移動し、それによって、圧縮ばね８０の長手方向外向きの付勢力が、第２支持プレート８２と第２エンドキャップ３２の間に配置された構成要素に作用するように構成および配置されている。所望の場合、第１支持プレート８１を第１エンドキャップ３１と一体に形成してもよい。
圧縮ばね８０は、好ましくは、約３４．４７５ｋＰａ（５ｐｓｉ）〜約１３７．９ｋＰａ（２０ｐｓｉ）の間の外向きの力を作用するものである。約３４．４７５ｋＰａ（５ｐｓｉ）よりも小さい力では、検知部アセンブリー４０の寸法安定性を保証できず、一方、約１３７．９ｋＰａ（２０ｐｓｉ）よりも大きい力では、分離器７０を破損するおそれがある。
第１支持プレート８１および第２支持プレート８２は、その中央部から長手方向に延びる柱部８１ｐ、８２ｐをそれぞれ有しており、圧縮ばね８０の両端部（符号省略）を各柱部８１ｐ、８２ｐに係合して保持するものである。
第１支持プレート８１および第２支持プレート８２は、十分な構造保全性を有する任意の適切な材料により構成することができ、その材料には、アルミニウム、銅、亜鉛、および鋼材等の金属材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ポリビニル、ポリウレタン等のプラスチック材料、ガラス、および木材等が含まれるが、これらに限定されるものではない。一般に、高い構造保全性、コストの低さ、および大部分の金属は不活性であることから、例えば鋼材等の金属材料が好ましい。
（シールプレート９０）
図１に示すように、シールプレート９０は、第２エンドキャップ３２に当接しており、シールプレート９０と第２支持プレート８２との間には、検知部アセンブリー４０が挟持されている。シールプレート９０は、検知部アセンブリー４０の上流に位置し、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａを含んでいる。シールプレート９０は、吸気孔９０ａの回りに、密封性を保ちつつ吸気管１０１を結合するための内部Ｏリング９１を備えており、同様に、シールプレート９０の外周回りには、密封性を保ちつつハウジング２０を結合するための外部Ｏリング９２を備えている。所望の場合、シールプレート９０を第２エンドキャップ３２と一体に形成してもよい。
図１に示すように、シールプレート９０は、第２エンドキャップ３２に当接しており、シールプレート９０と第２支持プレート８２との間には、検知部アセンブリー４０が挟持されている。シールプレート９０は、検知部アセンブリー４０の上流に位置し、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａを含んでいる。シールプレート９０は、吸気孔９０ａの回りに、密封性を保ちつつ吸気管１０１を結合するための内部Ｏリング９１を備えており、同様に、シールプレート９０の外周回りには、密封性を保ちつつハウジング２０を結合するための外部Ｏリング９２を備えている。所望の場合、シールプレート９０を第２エンドキャップ３２と一体に形成してもよい。
第１支持プレート８１および第２支持プレート８２と同様に、シールプレート９０は、十分な構造保全性を有する任意の適切な材料により構成することができ、その材料には、アルミニウム、銅、亜鉛、および鋼材等の金属材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ポリビニル、ポリウレタン等のプラスチック材料、ガラス、および木材等が含まれるが、これらに限定されるものではない。一般に、高い構造保全性、コストの低さ、および大部分の金属は不活性であることから、例えば鋼材等の金属材料が好ましい。
（吸気管１０１および排気管１０２）
図１、図２、および図４に示すように、吸気管１０１は、シールプレート９０と一体に形成され、それによって、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａが形成される。吸気管１０１は、エンドキャップ３２の中央部（符号省略）を長手方向に延びる吸気孔３２ａを通じて延在する。シールプレート９０と陽極５０は、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａの回りの部分が、内部Ｏリング９１により密封性を保ちつつ結合する。この構成によって、気体サンプルを、間隙７９内へ供給する前には吸気管１０１と陽極５０以外のものには接触させることなく、間隙７９内へ供給することができる。
図１、図２、および図４に示すように、吸気管１０１は、シールプレート９０と一体に形成され、それによって、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａが形成される。吸気管１０１は、エンドキャップ３２の中央部（符号省略）を長手方向に延びる吸気孔３２ａを通じて延在する。シールプレート９０と陽極５０は、シールプレート９０の中央部を貫通する吸気孔９０ａの回りの部分が、内部Ｏリング９１により密封性を保ちつつ結合する。この構成によって、気体サンプルを、間隙７９内へ供給する前には吸気管１０１と陽極５０以外のものには接触させることなく、間隙７９内へ供給することができる。
吸気管１０１は、内部Ｏリング９１を使用して効果的なシールを形成可能であり、かつ、吸気管１０１を通過する気体サンプルを汚染しない、任意の適切な不活性材料から構成することができる。多様な好適な材料が周知であるが、高度に不活性な性質から、ステンレス鋼が好ましい。
図２および図３に示すように、陰極６０および第２支持プレート８２の外周は、ハウジング２０から離れており、それによって、陰極６０の外周回りに周縁部通路（出口通路）６０ｃが形成され、第２支持プレート８２の外周回りに周縁部通路（出口通路）８２ｃが形成される。これらの周縁部通路６０ｃ、８２ｃによって、間隙７９内に供給された気体サンプルは、分離器７０内を放射状に流れ、分離器７０の外周部において分離器７０から流出する際に、周縁部通路６０ｃ、８２ｃを通ってハウジング２０の第１端部２１へ向かうことができる。
図１、図２、および図３に示すように、周縁部通路６０ｃ、８２ｃは、円筒形の内孔２９と円盤形の陰極６０および第２支持プレート８２とを用いて、陰極６０および第２支持プレート８２の直径を内孔２９の直径よりも僅かに小さくするだけで、容易に形成することができる。組立て時には、小径に作成された陰極６０と第２支持プレート８２は、陰極６０および第２支持プレート８２の外周上の１点のみでハウジング２０と接触するため、陰極６０の外周回りに周縁部通路６０ｃが形成され、第２支持プレート８２の外周回りに周縁部通路８２ｃが形成される。
あるいは、周縁部通路６０ｃ、８２ｃは、陰極６０および第２支持プレート８２のそれぞれの外周回りに均等に配置されて放射状に延びる少なくとも３つの突起部（図示省略）によって形成することもできる。例えば、***部、長手方向直線状の歯、または円筒形の柱部等からなるこれらの突起部がハウジング２０と接触することによって、陰極６０の外周および第２支持プレート８２の外周がハウジング２０から離間し、周縁部通路６０ｃ、８２ｃがそれぞれ形成される。
図１に示すように、排気管１０２は、第１エンドキャップ３１の中央部（符号省略）を長手方向に延びる排気孔３１ａ、および、第１支持プレート８１の中央部（符号省略）の排気孔８１ａを通じて延在する。排気管１０２の基端部１０２ｐは、第１エンドキャップ３１と第２エンドキャップ３２との間の任意の位置で終端させることができる。
排気管１０２は、気体サンプルが検知部アセンブリー４０を通過した後に初めて気体サンプルと接触するものであるため、その密封性や「使用済み」の気体サンプルを汚染するか否かに関わらず、任意の材料により構成することができる。したがって、広範な材料を使用することができるが、一般には、吸気管１０１と排気管１０２の両方に同じ材料を使用するのが最も簡便である。
（電気配線）
図１および図２に示すように、陽極５０は、陽極用リード線１２１を介して電源（図示省略）の正極端子に接続される。シールプレート９０および第２エンドキャップ３２には、貫通孔９０ｂ、３０ｂがそれぞれ設けられ、陽極用リード線１２１は、長手方向に配列された貫通孔９０ｂ、３０ｂを通して配線される。陰極６０は、陰極用リード線１２２を介して電源（図示省略）の負極端子に接続される。陰極用リード線１２２は、第２支持プレート８２、第１支持プレート８１、および第１エンドキャップ３１にそれぞれ設けられ、長手方向に配列された貫通孔８２ｂ、８１ｂ、３１ｂを通して配線される。
図１および図２に示すように、陽極５０は、陽極用リード線１２１を介して電源（図示省略）の正極端子に接続される。シールプレート９０および第２エンドキャップ３２には、貫通孔９０ｂ、３０ｂがそれぞれ設けられ、陽極用リード線１２１は、長手方向に配列された貫通孔９０ｂ、３０ｂを通して配線される。陰極６０は、陰極用リード線１２２を介して電源（図示省略）の負極端子に接続される。陰極用リード線１２２は、第２支持プレート８２、第１支持プレート８１、および第１エンドキャップ３１にそれぞれ設けられ、長手方向に配列された貫通孔８２ｂ、８１ｂ、３１ｂを通して配線される。
陽極５０と陰極６０との間には、電解質に捕捉された水をすべて電気分解するために必要な電圧を印加する必要がある。電気分解を達成するためには、最低限約２ボルトの電圧が必要である。この電圧を増大すると、センサー１０の効率および応答性が向上するが、一方、センサー１０の耐用寿命は低減する。このような特徴を調整するために、約２〜２０ボルト、好ましくは、約１０〜１５ボルトの電圧を印加するのが効果的である。
（使用法）
センサー１０を使用する際には、既知の流量でセンサー１０を通過するように気体サンプルを吸入排出する。この流量は、分離器７０の大きさおよび多孔率に応じて、最小約２ｃｍ3／分と最大約６０〜１２０ｃｍ3／分との間に維持するものである。流量を約２ｃｍ3／分よりも小さくすると正確な制御が困難になる。一方、流量を約６０〜１２０ｃｍ3／分よりも大きくすると、電解質が水蒸気を捕捉および保持できない速度で水蒸気が分離器７０を移動することにより、センサー１０の効率が低下する可能性がある。
センサー１０を使用する際には、既知の流量でセンサー１０を通過するように気体サンプルを吸入排出する。この流量は、分離器７０の大きさおよび多孔率に応じて、最小約２ｃｍ3／分と最大約６０〜１２０ｃｍ3／分との間に維持するものである。流量を約２ｃｍ3／分よりも小さくすると正確な制御が困難になる。一方、流量を約６０〜１２０ｃｍ3／分よりも大きくすると、電解質が水蒸気を捕捉および保持できない速度で水蒸気が分離器７０を移動することにより、センサー１０の効率が低下する可能性がある。
吸気管１０１に吸入された気体サンプルは、（i）吸気管１０１を通じて、第２エンドキャップ３２の中央部を長手方向に延びる吸気孔３２ａ、および、シールプレート９０の中央部の吸気孔９０ａを通過し、次いで、（ii）陽極５０の中央部の吸気孔５０ａを通じて、（iii）間隙７９そして分離器７０の孔に流入する。ここで、気体サンプルは、（Ａ）センサー１０の長手軸ｘに沿った軸流から、長手軸ｘから３６０°半径方向ｒに流れる半径流に、その流れの方向を変化させ、（Ｂ）陽極５０と陰極６０により発生する電界および電解質に曝される。
次いで、使用済みの気体サンプル（すなわち、検知部アセンブリー４０によりすべての水蒸気を除去した後の気体サンプル）は、（iv）分離器７０の外周部７３を通じて間隙７０から流出し、次いで、（v）陰極６０の周縁部通路６０ｃおよび第２支持プレート８２の周縁部通路８２ｃを通過し、次いで、(vi)圧縮ばね８０を通り過ぎて（vii）排気管１０２に流入し、第１支持プレート８１の中央部を長手方向に延びる排気孔８１ａ、および、第１エンドキャップ３１の中央部を長手方向に延びる排気孔３１ａを通過して、センサー１０から流出する。
分離器７０に気体サンプルが流入する際に、分離器７０の孔の表面を被覆する電解質によって、気体サンプル中のすべての水蒸気が捕捉される。次いで、捕捉された水分子は、陽極５０と陰極６０により間隙７９内に発生する電界によって、即座に１個のＯ-2陰イオンと２個のＨ+陽イオンにイオン化する。Ｏ-2陰イオンは陽極５０に引き寄せられ、Ｈ+陽イオンは陰極６０に引き寄せられる。陽極５０でＯ-2陰イオンが酸化されてＯになり、陰極６０でＨ+陽イオンが還元されてＨになると、電気信号が発生する。検知部アセンブリー４０で発生する電流は、検知部アセンブリー４０内で分解された水量に正比例し、ファラデーの法則に従う。この電気信号は、周知の標準的な制御システムにより検知および測定することができる。
１０：センサー、２０：ハウジング、２１：第１端部、２２：第２端部、２９：内孔、２９ｘ：長手軸、３１：第１エンドキャップ、３２：第２エンドキャップ、４０：検知部アセンブリー、５０：陽極、５０ａ：陽極の中央領域を貫通する吸気孔、５１：陽極の内向きの主面、６０：陰極、６０ｃ：周縁部通路（出口通路）６１：陰極の内向きの主面、７０：分離器、７９：間隙、８０：圧縮ばね、８１：第１支持プレート、８２：第２支持プレート、８２ｃ：周縁部通路（出口通路）、９０：シールプレート
Claims (23)
- 気体サンプル中の水蒸気を検知するための水蒸気センサーであって、（ａ）陽極と、（ｂ）陰極と、（ｃ）前記陽極と前記陰極との間に介在する電解質と、（ｄ）前記気体サンプルが通過して前記電解質と接触できるように前記陽極または前記陰極の中央領域を貫通する吸気孔と、を含むことを特徴とする水蒸気センサー。
- 前記陽極と前記陰極との間に介在する分離器をさらに含み、該分離器は、電気絶縁性の多孔体であり、かつ、前記陽極と前記陰極とを機械的に分離すると共に、前記分離器を通じて前記気体サンプルが流れることができることを特徴とする請求項１に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器の孔内は、前記電解質により表面被覆されることを特徴とする請求項２に記載の水蒸気センサー。
- 前記陽極は、酸化イリジウムで被覆されたチタン製であることを特徴とする請求項２に記載の水蒸気センサー。
- 前記陰極は、プラチナで被覆されたニオブ製であることを特徴とする請求項２に記載の水蒸気センサー。
- 前記電解質は、リン酸であることを特徴とする請求項３に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化物セラミックスの編組体であることを特徴とする請求項３に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化ジルコニウム編組体であることを特徴とする請求項７に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化ハフニウム編組体であることを特徴とする請求項７に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、（i）前記陽極の内面と直接物理的に接触する第１主面と、（ii）前記陰極の内面と直接物理的に接触し、前記第１主面から約０．２〜１ｍｍの厚み分だけ離間する第２主面と、（iii）約２〜１０ｃｍの高さと、（iv）約２〜１０ｃｍの幅と、を有することを特徴とする請求項２に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、約０．２〜０．８ｍｍの厚みと約２〜６ｃｍの直径とを有する円盤形であることを特徴とする請求項１０に記載の水蒸気センサー。
- （ａ）内向きの主面および外向きの主面を有する陽極と、（ｂ）内向きの主面および外向きの主面を有する陰極と、（ｃ）前記陽極の前記内向きの主面と前記陰極の前記内向きの主面との間に介在すると共に、前記陽極の前記内向きの主面と前記陰極の前記内向きの主面との間に間隙を形成する、電気絶縁性の多孔体である分離器と、（ｄ）前記間隙内の電解質と、を含むことを特徴とする水蒸気センサー。
- （ｅ）前記陽極または前記陰極を貫通し、気体サンプルを通過させて前記間隙の中央領域に注入することができる吸気孔と、（ｆ）前記間隙の外周部に接して設けられ、前記吸気孔を通じて前記間隙に注入された前記気体サンプルが通過して前記間隙から流出することができる出口通路と、をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器の孔内は、前記電解質により表面被覆されることを特徴とする請求項１２に記載の水蒸気センサー。
- 前記陽極は、酸化イリジウムで被覆されたチタン製であることを特徴とする請求項１２に記載の水蒸気センサー。
- 前記陰極は、プラチナで被覆されたニオブ製であることを特徴とする請求項１２に記載の水蒸気センサー。
- 前記電解質は、リン酸であることを特徴とする請求項１４に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化物セラミックスの編組体であることを特徴とする請求項１４に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化ジルコニウム編組体であることを特徴とする請求項１８に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、酸化ハフニウム編組体であることを特徴とする請求項１８に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、（i）前記陽極の前記内向きの主面と直接物理的に接触する第１主面と、（ii）前記陰極の前記内向きの主面と直接物理的に接触し、前記第１主面から約０．２〜１ｍｍの厚み分だけ離間する第２主面と、（iii）約２〜１０ｃｍの高さと、（iv）約２〜１０ｃｍの幅と、を有することを特徴とする請求項１２に記載の水蒸気センサー。
- 前記分離器は、約０．２〜０．８ｍｍの厚みと約２〜６ｃｍの直径とを有する円盤形であることを特徴とする請求項２１に記載の水蒸気センサー。
- （ａ）第１端部および第２端部を有する内孔を長手方向に形成する円筒形のハウジングと、
（ｂ）前記内孔の前記第１端部を覆い、かつ、前記ハウジングに対して長手方向の位置関係が固定された第１エンドキャップと、
（ｃ）前記内孔の前記第２端部を覆い、かつ、前記ハウジングに対して長手方向の位置関係が固定された第２エンドキャップと、
（ｄ）前記内孔の前記第１および第２エンドキャップの間に保持される装置と、
を含む水蒸気センサーであって、前記装置は、
（i）第１支持プレート、
（ii）圧縮された圧縮ばね、
（iii）長手方向に移動可能な第２支持プレート、
（iv）長手方向に順に配列された、（Ａ）陽極、電気絶縁性の多孔体である分離器、中央部に吸気孔を備えた電極、または、（Ｂ）電極、電気絶縁性の多孔体である分離器、中央部に吸気孔を備えた陽極、のいずれか一方を含む長手方向に移動可能な検知部アセンブリー、および、
（v）前記ハウジングに対して密封を保持して外周部を結合すると共に、前記陽極または陰極の中央部に位置する前記吸気孔と密封を保持して流体的に結合する吸気孔を中央部に備えるシールプレートが、長手方向に順に配列されてなることを特徴とする水蒸気センサー。
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