JP2008070165A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造によって、水分を含む被測定気体の分析を迅速かつ精度良く検出することができるセンサ装置を提供する。
【解決手段】水分を含む被測定気体を分析するためのセンサ装置を、検出部１と検出部１を収容する底部３ａおよび多孔質の筒状容器３ｂを有する筐体３とで構成し、筐体３の側面に撥水性を持たせ、底部３ａに筐体３の内部から外部に水分を排出し得る親水性のフィルタ部材５などを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定気体の水分量、温度、圧力またはガス組成を検出するために用いるセンサー装置に関する。

従来から、被測定気体の水分量、温度、圧力またはガス組成を検出するためのセンサ装置としては、種々のセンサ装置が提案されている。
例えば特許文献１においては、低コストでガス流の影響を防止することのできる限界電流式ガスセンサを提供することを意図して、プローブの先端にヒータ付きのセンサ素子を取り付け、その周囲をステンレス製プロテクタで覆うとともに、さらにその周囲が多孔質性フィルタで覆われた構成を有する限界電流式ガスセンサが提案されている。なお、プロテクタには、周囲にガスの流入、流出を行う通気孔を備え、フィルタ内に流入したガスがプロテクタ内に導入されるように設けられている。

また、特許文献２においては、センサ素子を含むセンサ本体が結露水の影響によって、割れなどの破損を招かない限界電流式ガスセンサを提供することを意図して、センサ本体をステンレス製のプロテクタで覆うとともに、さらにその周囲を気密性の材料で被覆され、端部には水が透過可能なフィルタが施された構成を有する限界電流式ガスセンサが提案されている。
特開平５−９３７０６号公報 特開平８−２０１３３７号公報

しかしながら、上述のような従来の限界電流式ガスセンサの場合、作動中にヒータの働きなどによってセンサ素子などの温度が上昇し、プロテクタ内が高温状態となる。そして、作動が停止してヒータがオフになるとプロテクタ内の温度が徐々に下がり、被測定ガスを含む測定雰囲気の温度が露点温度よりも下がると、被測定ガス中の水蒸気がプロテクタ内に異常に結露する場合がある。

上記プロテクタは通気孔を備えているが、通常は被測定ガスの流速が測定結果に影響を与えないように、上記通気孔はセンサ素子の検出部より離れた位置に設けられている。このため、設置された限界電流式ガスセンサの向きや位置によっては、プロテクタ内に生じた結露水はプロテクタ外に流出せず溜まってしまい、センサ素子が結露水に水没してしまう場合がある。

具体的には、例えば特許文献１に開示された限界電流式ガスセンサは、通気孔がプローブ側に４つ設けられた単純構造を有しているため、プローブに対してセンサ素子が下向きに設置されると、プロテクタ内で発生した結露水はプロテクタ外に流出せず、プロテクタ内に溜まってセンサ素子が結露水に水没する。

また、特許文献２に開示された限界電流式ガスセンサは、プロテクタ、その周囲に被覆されている気密性材料、および端部に設けられた水透過可能なフィルタが、いずれも親水性を有しているため、結露水の外部への流出が起こるにしても、当該結露水の一部がプロテクタ内部に残る可能性がある。

そして、上述のような従来技術では、結露水の残留に起因して、高加湿雰囲気下での計測を実施した後、加湿条件を変更して計測を実施する場合や、計測を一度停止した後、停止時間が数分単位での比較的短い状態で再測定を開始する場合において、測定誤差が起こったり、計測状態が安定になるまでの更なる計測時間の延長が必要となったりするという問題がある。

以上のような従来の問題点に鑑み、本発明の目的は、内部に結露水などの液体分が残留することがなく、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することのできるガスセンサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、
水分を含む被測定気体を分析するためのセンサ装置であって、
検出部と、前記検出部を収容する底部および多孔質の筒状容器を有する筐体と、を有し、
筐体の側面が撥水性を有し、
筐体の底部が、筐体内から筐体外に水分を排出し得る親水性のフィルタ部材または繊維状部材を具備すること、
を特徴とするセンサ装置を提供する。

このような構成によれば、センサ装置を構成する筐体内に発生した結露水などを当該筐体外により確実に排出させることができ、検出部（センサ素子）が水没せず、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することができる。即ち、前記筐体内部に生成した結露水が内部に滞留することなく底部側に移動し、常に検出部が結露水や凝縮水の影響を受けることなく計測可能であり、精度よく迅速に評価を行うことができる。

本発明によれば、内部に結露水などの液体分が残留することがなく、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することのできるガスセンサ装置を提供することができる。即ち、本発明のセンサ装置は、簡便な構造によって、計測精度を迅速かつ精度よく検出することができる。

以下、図面を参照しながら本発明のセンサ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［第一実施形態］
図１は、本発明のセンサ装置の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示すセンサ装置１０の一部を分解した斜視図である。図１および図２に示すように、本実施形態のセンサ装置１０は、検出部（センサ部）１と、検出部１を保持するための基板２と、検出部１を収容して保護する底部および多孔質の筒状容器を有する筐体３と、で構成されている。

筐体３を構成する筒状容器３ｂ、すなわち筐体３の側面は、多孔質であるとともに撥水性を有している。筐体３の検出部１と対向する位置には底部３ａが設けられ、底部３ａの開口部３ｃには、筐体３内から筐体３外へ液体を排出し得る親水性のフィルタ部材５が設けられている。

検出部（センサ部）１としては、従来公知のものを用いることができる。例えば、板状のセンサ素子と、板状のヒータ素子とを、ガラスによって接合して得られる検出部などが挙げられる。センサ素子としては、例えば安定化ジルコニア板内に陽極と陰極とを埋設させて構成された、ガスの成分濃度や湿度などを検出するためセンサ素子などが挙げられる。安定化ジルコニア板、陽極および陰極については従来公知のものを用いればよい。

また、図示しないが、検出部１近傍には、検出部１をセンサ使用温度（例えば５００〜６００℃）に局部加熱するためのヒータ素子が設けられている。例えば、アルミナ板内に、ヒータ用電極を埋設させて構成されたヒータ素子などを用いることができる。

基材２としては、検出部１を固定して保持することができるものであれば特に制限無く用いることができる。
筐体３を構成する筒状容器３ｂとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）などのフッ素系樹脂を繊維化し、得られた繊維を多孔質形状に成形して得られる容器などを用いることができる。

また、筐体３の底部３ａについては、開口部３ｃを設けることができればその材質は特に制限されないが、より確実に筐体３内から筐体３外へ液体を排出し得るという観点からは、上記筒状容器３ｂと同様の材料で構成されているのが好ましい。なお、開口部３ｃの寸法、数および位置などについては適宜選択すればよい。

さらに、底部３ａの開口部３ｃに設置されるフィルタ部材５としては、親水性および水透過性を有する種々のフィルタを用いることができる。フィルタ部材５を構成する材料としては、例えばステンレス鋼などを用いることができる。また、耐熱性に優れた金属焼結体、親水性ポリマー、または酸化チタンなどで構成されたフィルタを好適に用いることができる。

上記のような構成を有する本実施形態のセンサ装置１０においては、被測定気体が筐体３のうちの筒状容器３ｂからなる側部を通過して内部に入り、検出部１に到達する。検出部１は、到達した被測定気体を計測し、その組成などの分析を行う。このとき、筐体３内で結露により生じた結露水は、撥水性を有する筒状容器３ｂに対して低い表面張力を有することとなるため内部に滞留せず、図１における矢印で示されるように、親水性を有するフィルタ部材５から筐体３の外部へ流出する。

このように、本実施形態のセンサ装置１０においては、筐体３内で発生した結露水は筐体３の外部へ流出するため、従来のように検出部１が結露水によって水没するという不具合をより確実に防止することができる。また、センサ装置１０を作動させた際には、ヒータ素子の働きで、検出部１の温度がセンサ使用温度にまで上昇しても、熱衝撃によって検出部１が破損する不具合をより確実に防止することができる。

すなわち、本実施形態によれば、内部に結露水などの液体分が残留することがなく、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することのできるガスセンサ装置を提供することができる。即ち、本発明のセンサ装置は、簡便な構造によって、計測精度を迅速かつ精度よく検出することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明のセンサ装置の第二実施形態について説明する。この第二実施形態のセンサ装置は、図１および図２に示した第一実施形態のセンサ装置１０における筐体３および底部３ａを異なる構成に代えたものであり、筐体３および底部３ａ以外の構成は第一実施形態のセンサ装置１０と同様である。

以下、第二実施形態のセンサ装置に備えられる筐体および底部について説明する。図３は、本発明のセンサ装置の第二実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図３に示すように、本実施形態においては、底部３ａの開口部３ｃに、親水性を有する繊維状部材６が貫通するように設けられている。

繊維状部材６の長さは底部３ａの厚さＸよりも長く、かつ繊維状部材６が筐体３の内部から外部に延びているのが好ましく、また、繊維状部材６の横断面の面積（図３において６Ａで示される部分の面積）が、筐体３内における底部３ａの面積（図３において３Ａで示される部分の面積）よりも小さいのが好ましい。

さらに、このように繊維状部材６の断面積が底部３ａの面積よりも小さい場合、繊維状部材６が少なくとも一箇所において底部３ａを貫通していることが望ましい。なお、図３においては、三箇所の開口部３ｃにおいて繊維状部材６が底部３ａを貫通している。
上記のような繊維状部材６を構成する材料としては、例えばポリエチレンオキシドなどの吸収性ポリマーを用いるのが好ましい。

さらに本実施形態においては、底部３ａの内面に親水処理層７が形成されている。この親水処理層７を設けることにより、筐体３内の水分をより確実に底部３ａ側に移動させることができ、繊維状部材６を経てより確実に筐体３の外部に放出することができる。

このときの親水処理層７は、種々の方法で形成することができるが、例えば、親水性樹脂を含むインクを塗布して乾燥したり、親水性樹脂で形成された親水性材料を配置したりすることによって形成すればよい。

上記のような構成を有する本実施形態のセンサ装置２０においては、被測定気体が筐体３のうちの筒状容器３ｂからなる側部を通過して内部に入り、検出部１に到達する。検出部１は、到達した被測定気体を計測し、その組成などの分析を行う。

このとき、筐体３内で結露により生じた結露水は、撥水性を有する筒状容器３ｂに対して低い表面張力を有することとなるため、また、親水処理層７により確実に底部３ａ側に移動させられるため、内部に滞留せず、親水性を有する繊維状部材６を経て筐体３の外部へ流出する。

このように、本実施形態のセンサ装置２０においては、筐体３内で発生した結露水は筐体３の外部へ流出するため、従来のように検出部１が結露水によって水没するという不具合をより確実に防止することができる。また、センサ装置１０を作動させた際には、ヒータ素子の働きで、検出部１の温度がセンサ使用温度にまで上昇しても、熱衝撃によって検出部１が破損する不具合をより確実に防止することができる。

すなわち、本実施形態によれば、内部に結露水などの液体分が残留することがなく、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することのできるガスセンサ装置を提供することができる。即ち、本発明のセンサ装置は、簡便な構造によって、計測精度を迅速かつ精度よく検出することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明のセンサ装置の第三実施形態について説明する。この第三実施形態のセンサ装置は、上記第二実施形態のセンサ装置２０における繊維状部材６を異なる構成に代えたものであり、繊維状部材６以外の構成は第二実施形態のセンサ装置２０と同様である。

以下、第三実施形態のセンサ装置に備えられる繊維状部材について説明する。図４は、本発明のセンサ装置の第三実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図４に示すように、本実施形態においては、底部３ａの開口部３ｃに、親水性を有する繊維状部材６が貫通するように設けられており、かつ繊維状部材６が筒状容器３ｂの内側面の上方にまで延びている。

より具体的には、図４においては、繊維状部材６は筒状容器３ｂの内側面において、図４に示す矢印Ｙの方向における高さＨの位置まで延びている。このとき、繊維状部材６の高さＨと筒状容器３ｂの内側面の長さをＬとは、より確実に筐体３内（特に内側面）に付着した結露水を外部に排出させるという観点から、関係式：Ｈ＞０．５Ｌを満たすのがより好ましい。

上記のような構成を有する本実施形態のセンサ装置３０においては、被測定気体が筐体３のうちの筒状容器３ｂからなる側部を通過して内部に入り、検出部１に到達する。検出部１は、到達した被測定気体を計測し、その組成などの分析を行う。

このとき、筐体３内で結露により生じた結露水は、撥水性を有する筒状容器３ｂに対して低い表面張力を有することとなるため、また、親水処理層７により確実に底部３ａ側に移動させられるため、内部に滞留せず、親水性を有する繊維状部材６を経て筐体３の外部へ流出する。

特に、繊維状部材６が上方にまで延びていることにより、筐体３内で生成した僅かな結露水が水滴まで成長せずに外部に放出されるため、結露水をより確実に除去することができる。

このように、本実施形態のセンサ装置３０においては、筐体３内で発生した結露水は筐体３の外部へ流出するため、従来のように検出部１が結露水によって水没するという不具合をより確実に防止することができる。また、センサ装置１０を作動させた際には、ヒータ素子の働きで、検出部１の温度がセンサ使用温度にまで上昇しても、熱衝撃によって検出部１が破損する不具合をより確実に防止することができる。

すなわち、本実施形態によれば、内部に結露水などの液体分が残留することがなく、加湿条件の変更を伴ったり短時間で再測定を行ったりする場合であっても測定誤差を生じにくくかつ安定して測定することのできるガスセンサ装置を提供することができる。即ち、本発明のセンサ装置は、簡便な構造によって、計測精度を迅速かつ精度よく検出することができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、底部３ａに設ける開口部３ｃの形状、寸法および数などは上記実施形態に限定されるものではなく、適宜選択することができる。また、筒状容器３の横断面の形状は、図２においては円形としたが、楕円形でも矩形でも多角形でも構わない。

本発明のセンサ装置は、簡便な構造によって、被測定気体を精度よく迅速に評価することができるものであり、例えば被測定気体の水分量、温度、圧力および組成などの計測に用いることができる。さらに、例えば燃料電池の分野において、燃料電池に供給される燃料ガスの湿潤状態を計測するために用いるセンサ装置や、地球環境の熱エネルギー収支の研究において、成層圏領域の水蒸気を観測するために用いるセンサ装置として有用である。

本発明のセンサ装置の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。 図１に示すセンサ装置１０の一部を分解した斜視図である。 本発明のセンサ装置の第二実施形態の基本構成を示す概略断面図である。 本発明のセンサ装置の第三実施形態の基本構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０・・・センサ装置
１・・・検出部
２・・・基材
３・・・筐体
３ａ・・・底部
３ｂ・・・筒状容器
３ｃ・・・開口部
５・・・フィルタ部材
６・・・繊維状部材
７・・・親水処理層

Claims (4)

1. 水分を含む被測定気体を分析するためのセンサ装置であって、
   検出部と、前記検出部を収容する底部および多孔質の筒状容器を有する筐体と、を有し、
   前記筐体の側面が撥水性を有し、
   前記筐体の底部が、前記筐体内から前記筐体外に水分を排出し得る親水性のフィルタ部材または繊維状部材を具備すること、
   を特徴とするセンサ装置。
2. 前記筐体の底部が、前記筐体内から前記筐体外に水分を排出し得る親水性の繊維状部材を具備し、
   前記繊維状部材が、前記筐体の内側面の少なくとも一部に接しており、かつ前記底部の少なくとも一箇所において前記底部を貫通するように設けられていること、
   を特徴とする請求項２記載のセンサ装置。
3. 前記底部の内面が親水性を有すること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記被測定気体の水分量、温度、圧力または成分組成を計測する請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ装置。

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