JP7361430B2 - 連結通路が形成されたハウジングを含むガス検知装置 - Google Patents

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Description

本出願は、２０２０年５月１２日付の韓国特許出願第２０２０－００５６６８９号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、ガス検知装置に関し、具体的には、ハウジングに連結通路が形成されたガス検知装置に関する。
液体の特性又は特性の変化を検出するために、液体中に溶解している溶存ガスの濃度を測定する方法を使用することがある。各種機械装置に使用されるオイル、例えば、自動車のエンジンオイルや変圧器の絶縁油などの場合は、劣化が進むにつれて水素や一酸化炭素、アセチレンガスなどが増加するなど、溶存ガスの濃度の変化が生じるので、このような溶存ガスの濃度を測定すると、オイルが劣化しているか否かを検知することができる。実際に、変圧器絶縁油の場合は、１０００ｐｐｍ以上の溶存水素が発生すると、爆発の危険があると報告されている。また、原子力発電分野では、水に溶けている酸素や重水素などの濃度を測定することにより、配管の腐食や発電情報を知ることができ、金属産業分野では、溶湯（Ｍｏｌｔｅｎ ｍｅｔａｌ）中の溶存ガスの濃度を測定することにより、製造される金属の品質を一定にメンテナンスすることができる。
溶存ガスの濃度を測定するために、液体サンプルを採取し、このサンプルから溶存ガスを抽出した後、ガス分析器（Ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で分析する方法が一般的に用いられる。しかし、この方法は、産業現場でリアルタイムにて溶存ガスの濃度を測定することができる方法ではないという限界がある。
韓国登録特許第１５１２１８９号には、固体電解質を用いたセンサー部を含む水素センサー素子をオイル内に挿入して、溶存水素ガスの濃度を測定する技術が提案されている。この技術は、溶存ガスの濃度をリアルタイムで簡単に測定することができるという利点があるが、センサー部の検知電極が液体に直接接触して劣化しやすいという問題がある。
韓国公開特許第２０１６－００１１７２２号には、ハウジングとガス分離膜によって形成された密閉空間内にセンサー部を配置した水素センサー素子を液体内に挿入することにより、センサー部の検知電極が直接液体に露出することなく、ガス分離膜を介して密閉空間内に透過した溶存水素ガスの濃度を測定する技術が提案されている。この技術は、センサー部の検知電極の劣化を抑制しながら、溶存ガスの濃度をリアルタイムで簡単に測定することができるという利点がある。
しかし、センサー部の検知電極が密閉空間内に配置される場合、密閉空間内の圧力により溶存ガスが密閉空間内に蒸発してセンサー部の検知電極まで移動することが困難である。特に、ガスセンサーは、一般に、ヒーターを用いて高温に加熱された状態で動作するので、センサー部の検知電極が配置された密閉空間の内部圧力はさらに増加する。これにより、溶存ガスが液体から蒸発してセンサー部の検知電極の位置まで移動することがより困難になる可能性があり、これは、溶存ガスの濃度を迅速かつ正確に測定するのに障害要因となる可能性がある。
かかる問題を解決するために、センサー部の検知電極が配置されたハウジングの内部空間が外気と連通するようにして、センサー部を高温に加熱しても圧力が大気圧以上に増加しないようにする方案が考えられる。ところが、この場合、液体から蒸発した溶存ガスが外気に逃げてしまうため、センサー部の検知電極が配置された空間内のガス濃度が液体中の溶存ガスの濃度を正確に指し示すと見難いという問題点がある。
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、センサー部が配置されたハウジングの内部空間の圧力が増加しても、速い反応速度及び高い精度でガス濃度の測定が可能なガス検知装置を提供することにある。
本発明の目的は、上述したところに限定されず、上述していない本発明の他の目的及び利点は、以降の説明によって理解できる。
上記の目的を達成するための本発明の実施形態によるガス検知装置は、検知対象ガスが内部空間に引き込まれる開放部を含むハウジング；前記ハウジングの内部空間に配置されるセンサー部；及び前記ハウジングの内部空間に向かって開放されるようにハウジングに形成された第１開口と第２開口とを連結する連結通路；を含むことを特徴とし、前記センサー部をセンシング温度に加熱するためのヒーター部をさらに含むことができる。
前記ハウジングの内部空間は、前記開放部を介してのみ外気と連通することができる。
前記ハウジングの内部空間は、前記センサー部と前記開放部との間の第１内部空間と、前記第１内部空間を除いた内部空間である第２内部空間と、を含んで構成され、前記第１開口は第１内部空間に向かって開放され、前記第２開口は第２内部空間に向かって開放されることができる。
前記ハウジングは、長手方向の一端部に前記開放部が形成された中空のチューブ状であり、前記センサー部は、前記ハウジングの内径よりも小さい外径を有するフレームの長手方向の一端部に固定された状態で前記ハウジングの内部空間に配置され、前記フレームの長手方向の他端部は、前記ハウジングにガス密封されるように固定されることができる。これにより、前記ハウジングの内壁と前記フレームとの間の空間が前記第２内部空間を形成し、前記第１内部空間、第１開口、連結通路、第２開口、第２内部空間を循環する循環経路が形成されることができる。
また、前記ハウジングは、長手方向の一端部に前記開放部が形成された中空のチューブ状であり、前記ハウジングの長手方向の他端部はカバー部によって塞がれており、前記センサー部は、前記ハウジングの内壁に結合された状態で前記ハウジングの内部空間に配置されることができる。ここで、前記ハウジングの内壁と前記センサー部との間にはギャップが存在し、これにより、前記第１内部空間、第１開口、連結通路、第２開口、第２内部空間を循環する循環経路が形成されることができる。
前記センサー部は、水素センサー素子を含むことができ、前記水素センサー素子は、固体電解質、前記固体電解質の前記開放部方向の一面に形成された検知電極、及び前記固体電解質の他面に形成される基準電極を含み、前記第１開口は、前記検知電極と前記開放部との間に位置することができる。
本発明の実施形態によるガス検知装置は、内部空間を含む中空のチューブ状のハウジングであって、長手方向の下端部に前記内部空間に向かって開放されて検知対象ガスが引き込まれるように開放部が形成されたハウジングと、前記ハウジングの長手方向の上端部及び下端部の両方から所定の距離離隔した位置の内部空間に配置され、前記開放部に対向するように形成された検知電極を含むセンサー部と、前記センサー部をセンシング温度に加熱するように設けられるヒーター部と、を含み、前記ハウジングの内部空間は、前記センサー部の検知電極を基準に、下方の第１内部空間と上方の第２内部空間とを含んで構成され、前記ハウジングには、前記第１内部空間に向かって開放されるように形成された第１開口と、前記第２内部空間に向かって開放されるように形成された第２開口が形成され、前記第１開口と第２開口とを連結する連結通路が備えられ、前記開放部を介して引き込まれた検知対象ガスが前記第１内部空間、第１開口、連結通路、第２開口、第２内部空間に循環する循環経路が形成されるものであり得る。
ここで、前記センサー部は、前記ハウジングの内径よりも小さい直径の中空のチューブ状のフレームの下端部に固定された状態で前記内部空間に配置され、前記フレームの内部は、前記ハウジングの内部空間から隔離された状態で外気に晒され、前記センサー部は、前記フレームの内部を介して外気に晒される基準電極をさらに含むことができる。
また、前記センサー部は、縁部の一部の面積が所定の結合部を介して前記ハウジングの内壁に結合される方式で前記内部空間に配置され、前記結合部が形成されていない部分では、前記センサー部と前記ハウジングの内壁との間にギャップが形成されることにより、前記ギャップを介して第１内部空間と第２内部空間とが連通することができる。
本発明によれば、センサー部の上部及び下部の内部空間にそれぞれ開放されるようにハウジングに形成された開口を連結する連結通路を備えることにより、センサー部が配置されたハウジングの内部空間の圧力が増加しても、速い反応速度及び高い精度でガス濃度の測定が可能なガス検知装置を提供することができるという効果がある。
ただし、本発明の効果は、上述したものに限定されず、上述していない別の効果は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できるであろう。
本発明の第１実施形態によるガス検知装置の概略断面図である。 本発明の第２実施形態によるガス検知装置の概略断面図である。 図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 本発明においてセンサー部として使用可能な水素センサー素子を説明するための図である。 本発明においてセンサー部として使用可能な水素センサー素子を説明するための図である。 本発明においてセンサー部として使用可能な水素センサー素子を説明するための図である。 本発明の実施形態によるガス検知装置の使用例である。 本発明の実施形態によるガス検知装置の使用例である。 本発明の実施形態によるガス検知装置を用いてガス濃度を測定した結果である。 本発明の比較例によるガス検知装置を用いてガス濃度を測定した結果である。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明するが、本発明は、実施形態によって限定又は制限されるものではない。本発明の実施形態を説明するにあたり、対応する構成要素については、同一の名称及び同一の参照符号を付して説明するようにする。本発明を説明するにあたり、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明確にするおそれがあると判断された場合、その詳細な説明を省略する。また、本明細書で使用される用語は、別段の定義がない限り、当該分野における通常の知識を有する者が一般に理解する内容として解釈されるべきである。
図１は本発明の第１実施形態によるガス検知装置の概略断面図である。図１を参照して説明すると、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａは、一側に開放部７０が形成されたハウジング１０、ハウジング１０内に配置されるセンサー部２０、センサー部２０をセンシング温度に加熱するためのヒーター部５０、及びハウジング１０に形成された第１開口６１と第２開口６２とを連結する連結通路６０を含む。
ハウジング１０は、中空のチューブ状に提供されることができる。ハウジング１０の一側（図１の下方側）には開放部７０が形成され、開放部７０は、検知対象ガスが引き込まれる出入口を提供することができる。ガス検知装置１Ａが測定環境内のガス濃度の測定に使用される場合、開放部７０が測定環境と連通するようにハウジング１０が設置されることができる。例えば、ガス検知装置１Ａが液体中の溶存ガスの濃度を測定するために使用される場合、ガス検知装置１Ａのハウジング１０は、開放部７０が液体貯蔵容器と連通するように設置されるか、或いは、開放部７０が形成された一端が液体内に浸かるように設置されることができる。液体から蒸発した溶存ガスはハウジング１０の内部空間３０を満たし、センサー部２０はこれを検知することができる。
センサー部２０は、ハウジング１０内に配置され、ハウジング１０の長手方向（図１の上下方向）に両側端部から離隔した位置に配置されることができる。例示的に、図１に示すように、センサー部２０は、ハウジング１０の開放部７０側の一端部から長手方向にｄ１だけ離隔し、ハウジング１０の他端部から長手方向にｄ２だけ離隔した位置に配置されることができる。ここで、センサー部２０の位置は、センサー部２０に形成される検知電極の位置であってもよい。
このようにセンサー部２０をハウジング１０の端部から長手方向に離隔した位置に配置するために、センサー部２０は、所定長さのフレーム２２の一端（図１の下方側）に固定された状態でハウジング１０内に設置されることができる。フレーム２２は、ハウジング１０よりも小さい直径のチューブで形成して、ハウジング１０の内壁とフレーム２２との間に幅方向（図１の左右方向）にギャップｇが形成されるようにすることができる。フレーム２２の一端部にはセンサー部２０が固定され、フレーム２２の他端部はハウジング１０に結合されることができる。センサー部２０がチューブ状に製作される場合、フレーム２２は、センサー部２０に含まれている構成であってもよい。フレーム２２とハウジング１０との結合は、接着結合、螺合、ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）などの様々な結合手段が使用でき、特定の結合手段に限定されない。一方、フレーム２２とハウジング１０との結合はガス密封結合であってもよい。このために、フレーム２２とハウジング１０との結合部分にシール物質２１が含まれることができる。シール物質２１は、Ｏリング（Ｏ－ｒｉｎｇ）などの弾性のある高分子物質で形成できる。又は、フレーム２２とハウジング１０とが接着結合される場合、シール物質２１は接着物質であってもよい。
ハウジング１０とフレーム２２とがガス密封されるように結合されるので、ハウジング１０の内部空間３０は、開放部７０を除外すると、外気から遮断された密閉空間を形成することができる。又は、フレーム２２とハウジング１０との結合がガス密封結合でなくても、ハウジング１０の開放部７０が形成されていない他側（図１の上方部）を閉塞構造に形成することにより、内部空間３０を密閉空間に形成することも可能である。
ハウジング１０の内部空間３０は、センサー部２０が設置される位置によって第１内部空間３１と第２内部空間３２とに区分されることができる。第１内部空間３１は、ハウジング１０の内部空間３０のうち、センサー部２０と開放部７０との間の空間であり、第２内部空間３２は、ハウジング１０の内部空間３０のうち、第１内部空間３１を除いた空間であってもよい。図１の実施形態において、第１内部空間３１は、センサー部２０の下側内部空間であり、第２内部空間３２は、センサー部２０の上側内部空間、すなわちフレーム２２とハウジング１０の内壁との間のギャップｇによって形成される空間であってもよい。ここで、センサー部２０の上側と下側は、センサー部２０に形成される検知電極の位置を基準に区分されることができる。
ヒーター部５０は、センサー部２０をセンシング温度に加熱するための構成である。センシング温度は、センサーの種類によって異なり、３００℃以上であり得る。ヒーター部５０は、図１に例示的に示すように、センサー部２０が配置される位置のハウジング１０の外部に巻き取られた抵抗加熱式ヒーティングコイルを含んで構成できるが、これに限定されない様々な形態で設けられることができる。例えば、ヒーター部５０は、ハウジング１０の内部に配置されることができ、ヒーティングコイルの代わりに、所定の基板に印刷されたヒッティングパターンの形態で設けられることができる。又は、フレーム２２に巻き取られたヒーティングコイルの形態で設けられてもよく、フレーム２２又はセンサー部２０に内蔵された形態で設けられてもよい。ヒーター部５０は、抵抗加熱式に限定されず、加熱ランプ、ＬＥＤなどの光照射式ヒーター部の形態で設けられてもよい。
ガス検知装置１Ａが高温の環境で使用されてセンサー部２０の加熱が不要である場合、ヒーター部５０は省略可能である。例えば、高温の溶湯中の溶存ガスの濃度を測定するための用途に用いられる場合、ガス検知装置１Ａはヒーター部５０を含まなくてもよい。
ガス検知装置１Ａが高圧の測定環境に連結される場合、又は液体中の溶存ガスを測定するために開放部７０が液体貯蔵容器に連結される場合、内部空間３０は、高圧の空間になれる。特に、ヒーター部５０を用いてセンサー部２０を高温に加熱すると、内部空間３０の圧力は温度に応じてさらに増加することができる。このような圧力の増加は、検知対象ガスがセンサー部２０へ移動することを困難にする可能性がある。
本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａは、かかる問題を解決するために、連結通路６０を形成する。具体的には、ハウジング１０に第１開口６１及び第２開口６２を形成し、第１開口６１と第２開口６２とを連結通路６０で連結する。第１開口６１は第１内部空間３１、第２開口６２は第２内部空間３２に向かってそれぞれ開放されるようにハウジング１０に形成できる。図１を参照して説明すると、第１開口６１はセンサー部２０よりも下方に形成され、第２開口６２はセンサー部２０よりも上方に形成されることができる。ここで、センサー部２０の上方と下方は、センサー部２０に形成される検知電極の位置を基準に区分されることができる。
このような構造によって、第１内部空間３１のガスが第１開口６１、連結通路６０、第２開口６２、第２内部空間３２を経て再び第１内部空間３１に入ってくる循環経路が形成できる。このような循環経路を形成することにより、センサー部２０の付近が高圧状態になる場合にも、開放部７０を介して内部空間３０に引き込まれた検知対象ガスがセンサー部２０側へより容易に移動することができる。
図２は本発明の第２実施形態によるガス検知装置の概略断面図である。図２を参照して説明すると、本発明の第２実施形態によるガス検知装置１Ｂは、センサー部２０をフレームを用いずにハウジング１０内に配置させるという点で、第１実施形態によるガス検知装置１Ａとは異なる。
本発明の第２実施形態によるガス検知装置１Ｂは、一側に開放部７０が形成されたハウジング１０、ハウジング１０内に配置されるセンサー部２０、センサー部２０をセンシング温度に加熱するためのヒーター部５０、及びハウジング１０に形成された第１開口６１と第２開口６２とを連結する連結通路６０を含む。
ハウジング１０は、一側（図２の下方側）が開放された中空のチューブ状に設けられることができる。開放された一側は開放部７０を形成し、他側（図２の上方側）はカバー部１２によって塞がれた構造であり得る。これにより、ハウジング１０の内部空間３０は、開放部７０を除外すると、外気から遮断された密閉空間を形成することができる。
センサー部２０は、ハウジング１０の内部空間３０に配置され、ハウジング１０の長手方向（図２の上下方向）に両側端部から離隔した位置に配置されることができる。センサー部２０は、結合部２３によってハウジング１０の内部空間３０に結合されることができる。結合部２３は、接着物質であり得るが、これに限定されず、センサー部２０をハウジング１０の内部空間３０に配置させることができる様々な結合手段が使用できる。
ハウジング１０の内部空間３０は、センサー部２０が設置される位置によって第１内部空間３１と第２内部空間３２に区分されることができる。第１内部空間３１は、ハウジング１０の内部空間３０のうち、センサー部２０と開放部７０との間の空間であり、第２内部空間３２は、ハウジング１０の内部空間３０のうち、第１内部空間３１を除いた空間であり得る。図２の実施形態において、第１内部空間３１はセンサー部２０の下側内部空間であり、第２内部空間３２はセンサー部２０の上側内部空間、すなわちカバー部１２とセンサー部２０との間の空間であり得る。ここで、センサー部２０の上方と下方は、センサー部２０に形成される検知電極の位置を基準に区分されることができる。
ヒーター部５０は、センサー部２０をセンシング温度に加熱するための構成であり、図２に例示的に示すように、センサー部２０が配置される位置のハウジング１０の外部に巻き取られた抵抗加熱式ヒーティングコイルを含んで構成できるが、これに限定されない様々な形態で設けられることができる。例えば、ヒーター部５０は、ハウジング１０の内部に配置されてもよく、ヒーティングコイルの代わりに、所定の基板に印刷されたヒーティングパターンの形態で設けられてもよい。又は、センサー部２０に内蔵された形態で設けられてもよい。ヒーター部５０は、抵抗加熱式に限定されず、加熱ランプ、ＬＥＤなどの光照射式ヒーター部の形で設けられてもよい。
ガス検知装置１Ｂが高温の環境で使用されてセンサー部２０の加熱が不要である場合、ヒーター部５０は省略可能である。例えば、高温の溶湯中の溶存ガスの濃度を測定するための用途に用いられる場合、ガス検知装置１Ｂはヒーター部５０を含まなくてもよい。
ハウジング１０には第１開口６１と第２開口６２が形成され、第１開口６１と第２開口６２とは連結通路６０で連結される。第１開口６１は第１内部空間３１、第２開口６２は第２内部空間３２に向かってそれぞれ開放されるようにハウジング１０に形成されることができる。図２を参照して説明すると、第１開口６１はセンサー部２０よりも下方に形成され、第２開口６２はセンサー部２０よりも上方に形成されることができる。ここで、センサー部２０の上方と下方は、センサー部２０に形成される検知電極の位置を基準に区分されることができる。
センサー部２０は、結合部２３によってハウジング１０に結合されるが、結合部２３及びセンサー部２０によって第１内部空間３１及び第２内部空間３２が完全に遮断されない可能性がある。例えば、結合部２３は、センサー部２０の縁部のうち一部の面積のみハウジング１０の内壁に結合させるように設けられ、ハウジング１０の内壁とセンサー部２０との間にギャップｇが形成されるようにすることができる。図３は、これを説明するための図であって、図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３を参照すると、結合部２３は、センサー部２０の縁部のうち、４箇所にのみ形成され、結合部２３が形成されていない部分には、センサー部２０とハウジング１０の内壁との間に所定のギャップｇが形成されることができる。これにより、第１内部空間３１と第２内部空間３２との間のガス移動が自由である。図３のような結合構造の他にも、結合部２３を通気性物質で形成するか、或いはセンサー部２０に貫通孔（図示せず）を形成して第１内部空間３１と第２内部空間３２とが連通するようにすることができる。
このような構造によって、第１内部空間３１のガスが第１開口６１、連結通路６０、第２開口６２、第２内部空間３２を介して再び第１内部空間３１に入ってくる循環経路が形成されることができる。このような循環経路を形成することにより、センサー部２０の付近が高圧状態となる場合にも、開放部７０を介して内部空間３０に引き込まれた検知対象ガスがセンサー部２０側へより容易に移動することができる。
本発明の実施形態によるガス検知装置１Ａ、１Ｂに用いられるセンサー部２０は、測定対象ガス、適用用途などに応じて様々なガスセンサー素子が使用できる。測定対象ガスに応じて、水素センサー素子、一酸化炭素センサー素子、炭化水素センサー素子などがセンサー部２０として使用できる。また、その形態によって、ペレット（ｐｅｌｌｅｔ）タイプ、チップ（ｃｈｉｐ）タイプ、チューブ（ｔｕｂｅ）タイプなどの様々なタイプのセンサー素子がセンサー部２０として使用できる。また、ガス検知原理に応じて、固体電解質（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）を用いてガス濃度による起電力（ＥＭＦ；Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）の変化を測定する電気化学式（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｙｐｅ）センサー素子、ガス濃度によって電気抵抗が変わる半導体物質を用いる半導体タイプ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｙｐｅ）センサー素子などがセンサー部２０として使用できる。
図４乃至図６は、本発明においてセンサー部２０として使用可能な水素センサー素子を説明するための図である。
図４のセンサー部２０Ａは、本発明の第１実施形態（図１）による水素検知装置に使用するのに特に適した水素センサー素子である。図４を参照して説明すると、センサー部２０Ａは、酸素イオン伝導体２１１と水素イオン伝導体２１２とが接合された異種接合構造の固体電解質、酸素イオン伝導体２１１の表面に形成されている基準電極２１３、及び水素イオン伝導体２１２の表面に形成されている検知電極２１４を含むことができる。
酸素イオン伝導体２１１としては、ジルコニア（ＺｒＯ２）に様々な物質を添加して作った安定化ジルコニア、例えば、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＣＳＺ（ｃａｌｃｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＭＳＺ（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ）などの固体電解質、又はＧｄ２Ｏ３などを添加したＣｅＯ２系化合物などを用いることができる。水素イオン伝導体２１２としては、ＡＢＯ３形態のペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を有する物質のＢサイトに種々の物質を置換した物質、例えば、ＣａＺｒ０．９Ｉｎ０．１Ｏ３－ｘ等のＣａＺｒＯ３系、ＳｒＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３－ｘなどのＳｒＺｒＯ３系、ＳｒＣｅ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３－ｘなどのＳｒＣｅＯ３系、ＢａＣｅ０．９Ｎｄ０．１Ｏ３－ｘなどのＢａＣｅＯ３系、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３などのＴｉ系化合物を用いることができる。
また、基準電極２１３及び検知電極２１４は、白金（Ｐｔ）などの貴金属で形成することができる。
基準電極２１３と検知電極２１４は、リード線を介して測定部９０に電気的に接続され、起電力の測定によって水素ガスの濃度が測定できる。基準電極２１３と検知電極２１４との間で測定される起電力Ｅは、基準電極２１３側の酸素分圧ＰＯ２及び検知電極２１４側の水素分圧ＰＨ２とは次の関係が成立する。
Ｅ＝Ｅｏ＋Ａ・ｌｏｇＰＨ２＋（Ａ／２）・ｌｏｇＰＯ２ ・・・（１）
式中、ＥｏとＡは、温度のみに依存する定数であるので、基準電極２１３側の酸素分圧ＰＯ２を知ると、起電力（Ｅ）の測定によって検知電極２１４側の水素分圧ＰＨ２を決定することができる。
基準電極２１３側の酸素分圧ＰＯ２は、基準電極２１３を大気に晒すことにより固定することができる。すなわち、図１と図４を併せて参照すると、センサー部２０Ａに固定されたフレーム２２をシール物質２１を用いてハウジング１０にガス密封されるように結合させ、基準電極２１３は、大気に晒されるようにガス検知装置１Ａを構成することにより、基準電極２１３側の酸素分圧ＰＯ２は、空気中の酸素分圧である０．２１気圧に固定することができる。したがって、基準電極２１３と検知電極２１４との間の起電力Ｅを測定することにより、式（１）によって検知電極２１３側の水素分圧ＰＨ２を算出することができる。
図５のセンサー部２０Ｂは、基準電極２１３を大気に晒して酸素分圧ＰＯ２を固定する代わりに、基準電極２１３を酸素分圧固定用基準物質２１５で覆って酸素分圧ＰＯ２を熱力学的に固定した構造であるという点で、図４のセンサー部２０Ａとは異なる。
酸素分圧固定用基準物質２１５としては、金属と金属酸化物との混合体、例えばＣｕ／ＣｕＯ、Ｎｉ／ＮｉＯ、Ｔｉ／ＴｉＯ２、Ｆｅ／ＦｅＯ、Ｃｒ／Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｏ／ＭｏＯなど、又は、酸化程度が異なる金属酸化物の混合体、例えばＣｕ２Ｏ／ＣｕＯ、ＦｅＯ／Ｆｅ２Ｏ３などを用いることができ、このような酸素分圧固定用基準物質２１５で基準電極２１３を覆うと、基準電極２１３側の酸素分圧を熱力学的に固定することができる。すなわち、基準電極２１３側の酸素分圧が外部空気によって決定される代わりに、酸素分圧固定用基準物質２１５によって決定され、図４を参照して説明したのと同様に、基準電極２１３と検知電極２１４間の起電力を測定して式（１）によって検知電極２１４側の水素分圧を算出することができる。
図５のセンサー部２０Ｂは、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａと第２実施形態によるガス検知装置１Ｂのうちのいずれにも適することができる。酸素分圧固定用基準物質２１５が外気又は内部空間３０内のガス雰囲気に影響されることを防止するために、酸素分圧固定用基準物質２１５を外気と遮断するための密封蓋２１８をさらに備えることもできる。密封蓋２１８は、外気の浸透を防止することができる緻密なセラミック物質などで形成することができ、外気の影響が微々たる場合には省略可能である。
図６のセンサー部２０Ｃは、水素イオン伝導体２１２、水素イオン伝導体２１２の両面にそれぞれ形成されている基準電極２１３及び検知電極２１４、並びに基準電極２１３を覆う水素分圧固定用基準物質２１６を含んで形成される。すなわち、図５のセンサー部２０Ｂと比較すると、酸素イオン伝導体がなく、基準電極２１３を酸素分圧固定用基準物質の代わりに水素分圧固定用基準物質２１６で覆うという違いがある。
水素分圧固定用基準物質２１６としては、Ｔｉ／ＴｉＨ２、Ｚｒ／ＺｒＨ２、Ｃａ／ＣａＨ２、Ｎｄ／ＮｄＨ２など、金属と金属水和物との混合相を用いることができ、これにより基準電極２１３側の水素分圧Ｐ２，Ｈ２を熱力学的に固定することができる。
図６のセンサー部２０Ｃも、基準電極２１３と検知電極２１４との間の起電力Ｅを測定して次のネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）の式によって検知電極２１４側の水素分圧Ｐ１，Ｈ２を決定することができる。
Ｅ＝－（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２，Ｈ２／Ｐ１，Ｈ２） ・・・（２）
前記式（２）中、Ｒは気体定数、Ｆはフェラデー定数、Ｔはセンシング温度であって、いずれも定数であり、基準電極２１３の水素分圧Ｐ２，Ｈ２も、水素分圧固定用基準物質２１６によって決定される値であるため、測定される起電力Ｅ値から検知電極２１４側の水素分圧Ｐ１，Ｈ２が算出される。
図６のセンサー部２０Ｃは、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａと第２実施形態によるガス検知装置１Ｂのうちのいずれにも適することができる。水素分圧固定用基準物質２１６が外気又は内部空間３０内のガス雰囲気に影響されることを防止するために、水素分圧固定用基準物質２１６を外気と遮断するための密封蓋２１８をさらに備えることもできる。
本発明の実施形態によるガス検知装置は、液体中の溶存ガスの濃度を測定するために使用できる。
図７は、液体貯蔵容器１００に収容された液体中の溶存ガスの濃度を測定するために本発明のガス検知装置を使用する使用例である。図７には、ガス検知装置１の構造を主要部を中心に簡略に示すが、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａ又は第２実施形態によるガス検知装置１Ｂが全て使用可能である。
図７を参照すると、本発明によるガス検知装置１は、接続口１１０を介して液体貯蔵容器１００に結合されることができる。接続口１１０は、図示の如く、液体貯蔵容器１００の側面に形成されることもできるが、これに限定されず、液体貯蔵容器１００の上面や下面などの様々な位置に形成されることができる。ガス検知装置１を接続口１１０を介して液体貯蔵容器１００に結合すると、液体貯蔵容器１００の内部とガス検知装置１の内部空間３０とは互いに連通し、液体貯蔵容器１００に収容された液体中の溶存ガスが蒸発して内部空間３０へ移動することができる。
一般に、液体に対する気体の溶解度は、式（３）のシーベルト（Ｓｉｅｖｅｒｔ）の法則に従う。
Ｃ＝ｋ・Ｐｇａｓ ・・・（３）
Ｃは液体中に溶解する溶存ガスの濃度、ｋはガスの種類、温度などに依存する定数、Ｐｇａｓは液体と接している空間内でのガス分圧である。すなわち、溶存ガスの濃度（Ｃ）と、液体と接している空間内でのガス分圧Ｐｇａｓとは比例し、液体から空間内に蒸発するガスの蒸発速度と、空間内のガスが液体に溶解する速度とが同一であるときに平衡状態に到達する。
このような原理によれば、図７に示すように、本発明のガス検知装置１を液体貯蔵容器１００と連結すると、液体貯蔵容器１００に収容された液体中の溶存ガスがガス検知装置１の内部空間３０内へ蒸発して平衡をなす。したがって、センサー部２０を用いて内部空間３０内のガス濃度（ガス分圧）を測定することにより、液体中の溶存ガス濃度を知ることができる。
一方、液体貯蔵容器１００内の液体の圧力に応じて、液体貯蔵容器１００に連結されたガス検知装置１の内部空間３０の内部圧力が増加することができる。すなわち、液体貯蔵容器１００に収容された液体が接続口１１０を介してガス検知装置１の内部空間３０へ移動して液面１２０がガス検知装置１の内部空間３０内に形成されることができる。これにより、ガス検知装置１の内部空間３０内のガス体積は、内部空間３０の内部圧力が液体の圧力と同一になるまで収縮することができる。
このような内部空間３０の内部圧力の増加は、液体から蒸発したガスがセンサー部２０の検知電極２１４まで移動することを困難にする可能性がある。特に、ヒーター部５０を用いてセンサー部２０をセンシング温度まで加熱することにより、内部空間３０の内部圧力はさらに増加し、それにより溶存ガスが検知電極２１４まで移動することはさらに困難になる可能性がある。これは、溶存ガスの濃度を迅速かつ正確に測定するのに障害要因となる可能性がある。
しかし、本発明によるガス検知装置１は、第１内部空間３１及び第２内部空間３２に向かってそれぞれ開放された第１開口６１と第２開口６２とを連結する連結通路６０に沿って内部空間３０内のガスが循環することができるので、内部空間３０が高圧状態となる場合にも、開放部７０を介して引き込まれるガスが検知電極２１４までスムーズに移動することができる。これにより、溶存ガスの濃度を迅速かつ正確に測定することが可能となる。
図７において、液面１２０は、第１開口６１よりも下方に形成されることが好ましいが、第１開口６１よりも上方に形成されても構わない。すなわち、第１開口６１が液体内に浸かっても、液体から蒸発する溶存ガスは、連結通路６０を介して第２開口６２側へ移動することができる。ただし、液面１２０がセンサー部２０よりは下方に形成されなければならないので、液体圧力などの使用環境を考慮してハウジング１０の長さ及び／又は接続口１１０の高さを設計することが好ましい。選択的に、液体によるセンサー部２０の汚染を防止するために、接続口１１０又は第１内部空間３１にガス透過フィルタを配置することができる。ガス透過フィルタは、液体は透過せず、ガスのみ透過することができる構成であれば、その材質や形態を限定せず、例えば黒鉛、セラミックパウダー、ＰＴＦＥ膜などを含んで製造されたガス透過膜であってもよい。
図８は、液体貯蔵容器３００に収容された液体中の溶存ガスの濃度を測定するために本発明のガス検知装置を使用する他の使用例である。液体貯蔵容器３００は、変圧器であってもよく、液体貯蔵容器３００に収容された液体は、変圧器の絶縁油であってもよい。
図８を参照して説明すると、液体貯蔵容器３００には、液体循環のための循環配管３１０が連結される。循環配管３１０には、バルブ３１３、３１４及び循環モータ３２０が設けられ、バルブ３１３、３１４を開放した状態で循環モータ３２０を駆動させることにより、図中に矢印で表示された方向に液体が循環する循環経路が形成される。
循環経路上には測定タンク３３０が設けられ、循環配管３１０に沿って循環する液体が測定タンク３３０を経るように構成される。すなわち、測定タンク３３０内には、循環する液体が一時的に貯蔵できる。
本発明によるガス検知装置１は、測定タンク３３０に接続口３４０を介して結合されることができる。これにより、測定タンク３３０内の液体から蒸発した溶存ガスがガス検知装置１の内部空間３０へ移動することができる。液体がガス検知装置１へ移動するのを防止するために、接続口３４０にガス透過フィルタ３４１を設けることができる。ガス検知装置１は、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａ及び第２実施形態によるガス検知装置１Ｂの両方が使用できる。
図９は、本発明の第１実施形態によるガス検知装置１Ａを、水素濃度が４％に一定に維持される測定環境に連結した後、センサー部２０の起電力Ｅを測定した結果である。このとき、センサー部２０としては、図４の水素センサー素子を使用した。すなわち、センサー部２０は、酸素イオン伝導体２１１と水素イオン伝導体２１２とが接合され、酸素イオン伝導体２１１に基準電極２１３、水素イオン伝導体２１２に検知電極２１４をそれぞれ形成した電気化学式水素センサーを使用した。酸素イオン伝導体２１１及び水素イオン伝導体２１２としては、それぞれＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ）及びＣａＺｒ０．９Ｉｎ０．１Ｏ３－ｘを使用し、基準電極２１３及び検知電極２１４は白金（Ｐｔ）で形成した。
センサー部２０に熱電対（Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）を連結して温度を測定しながらヒーター部５０を用いてセンサー部２０を加熱し、時間に応じて温度及び起電力の変化を測定した。図９から確認されるように、温度が上昇するにつれて起電力が連続的に上昇し、約３００℃以上の温度で約１．１Ｖの安定した起電力が測定された。
図１０は、比較のために連結通路６０を形成していないガス検知装置を用いて同じ条件で測定した結果である。図１０で使用したガス検知装置は、連結通路６０、第１開口６１及び第２開口６２がない以外は、図９で使用したガス検知装置と同様であった。図１０を参照すると、温度が上昇するにつれて起電力が増加する傾向が現れるが、図９の結果に比べて起電力値が非常に低く、不安定に測定されることを確認することができる。
以上の結果から、本発明のガス検知装置を使用する場合、迅速かつ正確なガス濃度測定が可能であることが分かる。
以上、限定された実施形態及び図面を参照して説明したが、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形実施が可能であることは、通常の技術者にとっては自明であろう。例えば、本発明のガス検知装置に含まれる連結通路は、複数個が備えられることができる。よって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の記載及びその均等範囲によって定められなければならない。

Claims (10)

  1. 検知対象ガスが内部空間に引き込まれる開放部を含むハウジング、
    前記ハウジングの内部空間に配置されるセンサー部、及び
    前記ハウジングの内部空間に向かって開放されるようにハウジングに形成された第１開口と第２開口とを連結する連結通路を含み、
    前記ハウジングの内部空間は、
    前記センサー部と前記開放部との間の第１内部空間と、前記第１内部空間を除いた内部空間である第２内部空間と、を含んで構成され、
    前記第１開口は第１内部空間に向かって開放され、前記第２開口は第２内部空間に向かって開放され、
    前記ハウジングは、長手方向の一端部に前記開放部が形成された中空のチューブ状であり、
    前記センサー部は、前記ハウジングの内径よりも小さい外径を有するフレームの長手方向の一端部に固定された状態で前記ハウジングの内部空間に配置され、
    前記フレームの長手方向の他端部は、前記ハウジングにガス密封されるように固定されることを特徴とする、
    ガス検知装置。
  2. 前記ハウジングの内壁と前記フレームとの間の空間が前記第２内部空間を形成し、
    前記第１内部空間、第１開口、連結通路、第２開口、第２内部空間を循環する循環経路が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のガス検知装置。
  3. 検知対象ガスが内部空間に引き込まれる開放部を含むハウジング、
    前記ハウジングの内部空間に配置されるセンサー部、及び
    前記ハウジングの内部空間に向かって開放されるようにハウジングに形成された第１開口と第２開口とを連結する連結通路を含み、
    前記ハウジングの内部空間は、
    前記センサー部と前記開放部との間の第１内部空間と、前記第１内部空間を除いた内部空間である第２内部空間と、を含んで構成され、
    前記第１開口は第１内部空間に向かって開放され、前記第２開口は第２内部空間に向かって開放され、
    前記ハウジングは、長手方向の一端部に前記開放部が形成された中空のチューブ状であり、
    前記ハウジングの長手方向の他端部は、カバー部によって塞がれており、
    前記センサー部は、前記ハウジングの内壁に結合された状態で前記ハウジングの内部空間に配置されることを特徴とする、
    ガス検知装置。
  4. 前記ハウジングの内壁と前記センサー部との間にはギャップが存在し、
    前記第１内部空間、第１開口、連結通路、第２開口、第２内部空間を循環する循環経路が形成されることを特徴とする、請求項３に記載のガス検知装置。
  5. 前記センサー部をセンシング温度に加熱するためのヒーター部をさらに含むことを特徴とする、請求項１または請求項３に記載のガス検知装置。
  6. 前記ハウジングの内部空間は、前記開放部を介してのみ外気と連通することを特徴とする、請求項１または請求項３に記載のガス検知装置。
  7. 前記センサー部が水素センサー素子を含むことを特徴とする、請求項１または請求項３に記載のガス検知装置。
  8. 前記水素センサー素子は、
    固体電解質、
    前記固体電解質の前記開放部方向の一面に形成された検知電極、及び
    前記固体電解質の他面に形成される基準電極を含み、
    前記第１開口は、前記検知電極と前記開放部との間に位置することを特徴とする、請求項７に記載のガス検知装置。
  9. 前記センサー部は、
    固体電解質、
    前記固体電解質の前記開放部方向の一面に形成された検知電極、及び
    前記固体電解質の他面に形成される基準電極を含み、
    前記フレームは、中空のチューブ状に形成され、
    前記フレームの内部は、前記ハウジングの内部空間から隔離された状態で外気に晒され、
    前記基準電極は、前記フレームの内部を介して外気に晒されることを特徴とする、請求項１に記載のガス検知装置。
  10. 縁部の一部の面積が所定の結合部を介して前記ハウジングの内壁に結合され、
    前記結合部が形成されていない部分では、前記センサー部と前記ハウジングの内壁との間にギャップが形成されることにより、前記ギャップを介して第１内部空間と第２内部空間とが連通することを特徴とする、請求項３に記載のガス検知装置。
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