JP2004150884A

JP2004150884A - 水分検出装置

Info

Publication number: JP2004150884A
Application number: JP2002314528A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Moriyama; 明信森山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】被測定流体が気液混合流体であっても被測定流体内の水分量を連続的に安定して検出できるようにする。
【解決手段】測定管１に流れる被測定流体の流れ方向と交差するように光を照射する発光体（赤外光源）１００と、被測定流体の流れを挟んで発光体１００と対向する受光体（赤外線センサ）１２０とを備える。ここで、発光体１００および受光体１２０のそれぞれの窓部１１０、１３０に被測定流体が直接当たらないように、直接流直撃防止手段として、測定管１の窓部１１０、１３０より上流位置の内壁部１０に、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａを形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水および水蒸気の制御を必要とする燃料電池システム等における水蒸気濃度（湿度）検出を含む水分検出技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水分（水蒸気濃度）検出方法としては、電解質膜に吸着される水分量によって変動する電気抵抗や静電容量等の変化から、被検ガス中の水分量（湿度）を検知するセンサが広く知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、プロトン伝導性固体電解質を利用したもの（特許文献２）や、酸素イオン伝導性固体電解質を利用したもの（特許文献３）がある。
【０００４】
更に、赤外線を利用したものが知られ、特に赤外線分析部を測定管に直接取付けたもの（特許文献４）もある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６１６号公報
【特許文献２】特開２００１−５０９３３号公報
【特許文献３】特開平７−３３３１９３号公報
【特許文献４】特開平６− ３４１９５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
まず電解質膜の水の吸着を利用したものは、被検ガスが結露状態（液水が飛散してくる状態）となると、膜が液水に浸って測定不能となってしまい、復帰するのに長時間かかる（数時間にも及ぶことがある）という問題があった。正常な測定状態においても９０％変化応答時間が１０秒以上と遅い。
【０００７】
また、プロトン伝導性固体電解質を利用したものも、同様に被検ガスが結露状態（液水が飛散してくる状態）となると、膜が液水に浸って測定不能となってしまう。すなわち被検流体が気液流体の場合は適用できない。
【０００８】
一方、酸素イオン伝導性固体電解質を利用したものは、既知の酸素濃度（ドライ）を基準に被検ガス（ウェット）中水分濃度を求めるもので、センサ素子が高温（６００ ℃以上）で作動しているため少々の結露状態には強い。しかし、結露水（液水）が増えてくると限界を超え、センサ素子まで液水が到達してしまい、センサ素子温度の急激な低下を招き、測定精度が著しく悪化する。酷い場合は、熱衝撃によりセンサ素子（セラミックス）が割れ破損することがあった。
【０００９】
以上各種の従来例は元々、結露状態（液水発生）を避けた使用を前提にしたものであって、気液分離測定を考慮していなかった。
【００１０】
これに対し、他の従来例として被測定流体を検出セルまでサンプリングする構成が一般的な赤外線分析装置も広く知られ、同様に水蒸気（気体）分析に最適なものながら、サンプリングしたガスを気化させることで液水検出もできる構成とすることもできる。
【００１１】
しかしながら、この従来の赤外線分析装置は、サンプリングするためのポンプやフィルターおよび検出セルの圧力・温度制御が必要で、装置が複雑で高価である。また、被測定流体を採取して分析する構成のため、どうしても検出応答遅れが生じる。その遅れを小さくしようとするとガス採取量の増大が避けられず、ポンプの大型化によるコストアップや装置の肥大化を招く。
【００１２】
そこで、サンプリングしないでガス分析する装置を提案している従来例もあり、これが特許文献４に示されるような赤外線分析部を測定管に直接取付けた例である。
【００１３】
しかしながら、この例では、被測定流体と触れる赤外線の出射窓および入射窓が、特に何も施されていないため、被測定流体が気液混相状態の場合、出射窓および入射窓は液水の付着など不安定な状態（窓の濡れ状態が被測定流体検出のノイズ）となって、赤外線検出の誤差を招いてしまう。
【００１４】
本発明は、このような実状に鑑み、被測定流体が気液混合流体であっても被測定流体内の水分量を連続的に安定して検出できる水分検出装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、発光体および受光体のそれぞれの窓部に被測定流体が直接当たらないように、測定管に直接流直撃防止手段を設ける構成とする。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、被測定流体が気液混相状態でも、光検出の窓部に液水が付着することなく、流れている被測定流体を捉えることで、水蒸気状態から気液混相状態まで常に正確に水分を検出できる。また被測定物を直接的に検出するので、応答性を格段に向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る水分検出装置の実施形態を図面に基づいて説明する。但しここで図示するものは現実のセンサの大きさなど寸法を表わしているものではなく、構成および作用を解り易く説明するためのものである。
【００１８】
まず第１実施形態を図１（Ａ）および（Ｂ）に示す。
【００１９】
図１（Ａ）は縦断面図であり、被測定流体が流れる測定管１の内壁形状は、２段にして、比較的小径の上流内壁１０と、比較的大径の下流内壁２０とを形成している。そして、この段部には、上流内壁１０に連なり、下流側に向かって先端がシャープエッジな構造を有する被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａを設けてある。
【００２０】
そして、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａの直後の測定管１に、被測定流体の流れを挟んで、一方に、発光体である赤外光源１００およびその窓部（発光窓）１１０を設け、他方に、受光体である赤外線センサ１２０およびその窓部（受光窓）１３０を設けて、互いに対向させてある。ここで、窓部１１０、１３０は被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａの直後に位置する下流内壁２０に設けてある。
【００２１】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）を下から見た横断面図であり、赤外光源１００から赤外線センサ１２０への赤外光（光路Ｌ）が、被測定流体の断面の一部（中心部）を透過していることを示している。
【００２２】
以上の構成において作用を説明すると、上流内壁１０内を流れてきた被測定流体は、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａから光学窓１１０、１３０に直接当たらないで下流方向に流れる。そして、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａを通過した流体を赤外線が透過する。このとき、赤外線は流体中の成分に応じて吸収や散乱が生じ、その吸収量および散乱量から成分量や成分濃度を求めることができる。ここで流体中の水分は、一般に広く知られている光学フィルターを用いることで特定できる。
【００２３】
なお、一般に、赤外検出セルは、温度、圧力を一定にして濃度の測定精度を確保しているが、本実施形態では、被測定流体を直接検出する構成から温度、圧力は変動することになる。よって、被測定流体の温度、圧力を同時に測定し補正すればさらに検出精度が向上することは言うまでもない。また、被測定装置の運転状態を基準に、被測定流体の状態を監視（良否判定）する方法でも水分検出装置としても有効なものである。
【００２４】
第１実施形態によれば、発光体（赤外光源１００）および受光体（赤外線センサ１２０）のそれぞれの窓部１１０、１３０に被測定流体が直接当たらないように、測定管１に直接流直撃防止手段（被測定流体通過台１０ａ）を設けたことにより、被測定流体が気液混相状態でも、光検出の窓部に液水が付着することなく、流れている被測定流体を捉えることで、水蒸気状態から気液混相状態まで常に正確に水分を検出できる。また被測定物を直接的に検出するので、応答性を格段に向上できる。
【００２５】
また、第１実施形態によれば、発光体（赤外光源１００）から受光体（赤外線センサ１２０）への光が、被測定流体の断面の一部を透過する構成としたことにより、すなわち、被測定流体の状態の検出を一部のみの検出（全体と相関した代表計測）に絞ることで、発光体および受光体が比較的小さくて済み、小型化および低コスト化を促進できる。
【００２６】
また、第１実施形態によれば、直接流直撃防止手段として、窓部１１０、１３０より上流位置の測定管１内壁部に被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａを設けることにより、比較的簡単な構造で、窓部に被測定流体中の液水を当てないようにすることができる。また、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａの先端は、鋭角（シャープエッジ）に形成すれば、さらに効果が高まる（先端部での液水溜まりを防げる）。
【００２７】
次に第２実施形態を図２に示す。第１実施形態と同等の構成部位は同一符号を付けて説明を省略する。
【００２８】
図２は、第１実施形態で説明した図１（Ｂ）に対応するもので、被測定流体の全てを測定対象とした例であって、赤外光源１００Ａ、窓部（発光窓）１１０Ａ、赤外線センサ１２０Ａ、窓部（受光窓）１３０Ａを使用している。ここで、赤外光源１００Ａ、窓部１１０Ａ、赤外線センサ１２０Ａ、窓部１３０Ａは、これらの間の赤外光が被測定流体の断面の全体にわたるように、測定管１の上流内壁１０の径より長い幅を持つ構造としている。
【００２９】
特に第２実施形態によれば、発光体（赤外光源１００）から受光体（赤外線センサ１２０）への光が、被測定流体の断面の全体を透過する構成としたことにより、すなわち、被測定流体の状態の検出を全部の検出とすることで、被測定流体の状態を確実に捉えることができ、検出精度を格段に向上できる。
【００３０】
また、この場合に、赤外線センサ１２０を複数のセンサの列設構造（ラインセンサ）とすることにより、測定管１内の水分量の分布も検出可能となる。
【００３１】
次に第３実施形態を図３に示す。第１実施形態と同等の構成部位は同一符号を付けて説明を省略する。
【００３２】
被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａの下部に位置する個所に、掃気通路１１の開口端である掃気噴出孔１２を設けている。
【００３３】
この掃気噴出孔１２は、窓部１１０、１３０に向かって噴出するように配置している。なお、掃気噴出孔１２を一周繋げて、被測定流体の全部を囲むよう（エアカーテンのような状態）に形成しても良い。
【００３４】
掃気流体としては、乾燥ガスが好ましいが、窓部１１０、１３０が結露しない程度の低湿度のガスも使用できる。本実施形態では、図示しない燃料電池発電システムの水素燃料ラインへの適用の場合は、加湿前の水素ガスを掃気通路１１に導いている。このときの掃気は、被測定流体の流れに応じて発生する負圧を利用して掃気しているが、加湿前の水素ガス圧を利用した加圧方式でもよい。
【００３５】
特に第３実施形態によれば、被測定流体通過台（ジャンプ台）１０ａの下側に掃気噴出孔１２を設けたことにより、微細な液水をも窓部１１０、１３０に当てないようにすることができる。
【００３６】
次に第４実施形態を図４に示す。第１〜第３実施形態と同等の構成部位は同一符号を付けて説明を省略する。
【００３７】
窓部１１０と１３０との間、すなわち被測定流体を透過する光路Ｌに、光ガイド管１４０を設けたものである。これは、赤外光源１００からの光を効率よく赤外線センサ１２０に導くためのものである。もちろん被測定流体は抵抗なく通過させるために、光ガイド管１４０の管壁には複数の連通孔を形成してある。また、この光ガイド管１４０の内壁部には金メッキを施し、赤外吸収効率を高めている。
【００３８】
特に第４実施形態によれば、発光体（赤外光源１００）と受光体（赤外線センサ１２０）との間に、光ガイド管１４０を設けたことにより、発光体と受光体との間の被測定流体によらない光の散乱量を低減させることで、被測定流体検出の感度アップと、発光体の容量低減とを図ることができる。
【００３９】
次に第５実施形態を図５に示す。第４実施形態と同等の構成部位は同一符号を付けて説明を省略する。
【００４０】
赤外光源１００と光ガイド管１４０との間に、伝熱体（熱伝導性の良好な例えば銅製の部材）１５０を介装している。これによって、赤外光源１００の熱を光ガイド管１４０に伝導させ、大きな液水（凝縮水）が混在するような被測定流体のときでも、光ガイド管１４０内に液水が溜まったり、これを塞いだりすることなく検出でき、被測定流体の測定状態範囲をさらに拡大することができる。
【００４１】
特に第５実施形態によれば、発光体（赤外光源１００）の熱を光ガイド管１４０に有効に伝熱するための伝熱体１５０を設けたことにより、被測定流体中が、液水が多い凝縮状態でも、光ガイド管１４０を加熱することで液水を気化促進させ、測定範囲を凝縮状態側へ拡大させることができる。このときの熱源は、発光体であって、新たに熱源を設けなくとも実現できる。
【００４２】
以上説明してきた内容に加え、図１〜図５に示してあるように、測定管１における被測定流体の流れる方向を地平に対し直交するように配置することで、窓部１１０、１３０への被測定流体中の液水の付着防止効果がさらに高まり、被測定流体中の水分検出性を格段に向上できる。
【００４３】
すなわち、発光体（赤外光源１００）および受光体（赤外線センサ１２０）が取付けられる測定管１は、被測定流体の流れ方向が引力に順方向であって、地平に対しほぼ直交するように配置することで、引力を利用して窓部１１０、１３０への液水侵入を防ぐように働かせるのである。そしてこれは、被測定流体流速が小さいほど、その効果が大きい。
【００４４】
また、図４および図５に示した光ガイド管１４０は、発光体（赤外光源１００）から受光体（赤外線センサ１２０）への光路Ｌを斜め上向きとして、地平に対し発光体（赤外光源１００）側が下となるように傾けて配置するとよい。
【００４５】
これによれば、熱源側である発光体（赤外光源１００）側に、凝縮水が流れ易くなり、比較的温度が低い受光体（赤外線センサ１２０）側への凝縮水侵入を防ぐことができる。
【００４６】
なお、以上の説明では、水分検出に用いる光を赤外光としたが、発光体および受光体は、赤外光だけでなく、レーザー光など他の光検出方式でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す縦断面図および横断面図
【図２】本発明の第２実施形態を示す横断面図
【図３】本発明の第３実施形態を示す縦断面図
【図４】本発明の第４実施形態を示す縦断面図
【図５】本発明の第５実施形態を示す縦断面図
【符号の説明】
１ …測定管
１０ …測定管の上流内壁
１０ａ …被測定流体通過台（ジャンプ台）
１１ …掃気通路
１２ …掃気噴出孔
２０ …測定管の下流内壁
１００、１００Ａ…赤外光源（発光体）
１１０、１１０Ａ…窓部
１２０、１２０Ａ…赤外線センサ（受光体）
１３０、１３０Ａ…窓部
１４０ …光ガイド管
１５０ …伝熱体

Claims

測定管に流れる被測定流体の流れ方向と交差するように光を照射する発光体と、被測定流体の流れを挟んで発光体と対向する受光体とを備え、受光体の受光量に基づいて被測定流体の水分を検出する水分検出装置において、
前記発光体および受光体のそれぞれの窓部に被測定流体が直接当たらないように、前記測定管に直接流直撃防止手段を設けたことを特徴とする水分検出装置。
前記発光体から前記受光体への光が、被測定流体の断面の一部を透過する構成としたことを特徴とする請求項１記載の水分検出装置。
前記発光体から前記受光体への光が、被測定流体の断面の全体を透過する構成としたことを特徴とする請求項１記載の水分検出装置。
前記直接流直撃防止手段は、前記窓部より上流位置の測定管内壁部に被測定流体通過台を備えてなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の水分検出装置。
前記被測定流体通過台の下側に掃気噴出孔を設けたことを特徴とする請求項４記載の水分検出装置。
前記発光体および受光体が取付けられる前記測定管は、被測定流体の流れ方向が引力に順方向であって、地平に対しほぼ直交するように配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の水分検出装置。
前記発光体と前記受光体との間に、光ガイド管を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の水分検出装置。
前記発光体の熱を前記光ガイド管に伝熱するための伝熱体を設けたことを特徴とする請求項７記載の水分検出装置。
前記光ガイド管は、地平に対し発光体側が下となるように傾けて配置したことを特徴とする請求項７又は請求項８記載の水分検出装置。