JP2005156465A - Solid electrolyte type gas sensor, solid electrolyte type gas sensor structure, and gas concentration measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置に関する。より詳しくは、限界電流式の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte gas sensor, a solid electrolyte gas sensor structure, and a gas concentration measuring device. More specifically, the present invention relates to a limiting current type solid electrolyte gas sensor, a solid electrolyte gas sensor structure, and a gas concentration measuring device.
近年、ガス濃度の測定方法として、イオン伝導性を持つ固体電解質を活用するものが開発され実用化されている。固体電解質を用いたガス濃度の測定方法として、限界電流式と起電力式が知られている。 In recent years, as a method for measuring gas concentration, a method utilizing a solid electrolyte having ion conductivity has been developed and put into practical use. As a method for measuring a gas concentration using a solid electrolyte, a limiting current type and an electromotive force type are known.
特開2000−193637号公報に、従来例1のセンサー構造体が開示されている。従来例1のセンサー構造体は、炭化水素センサーである限界電流式の固体電解質型ガスセンサーを有する。図16は、従来例1のセンサー構造体のセンサー部751の断面図である。炭化水素センサーであるセンサー部751は、固体電解質基板711、セラミックス基板712(ヒータ基板)、補助基板713を有する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-193637 discloses a sensor structure of Conventional Example 1. The sensor structure of Conventional Example 1 has a limiting current type solid electrolyte gas sensor which is a hydrocarbon sensor. FIG. 16 is a cross-sectional view of the sensor portion 751 of the sensor structure of Conventional Example 1. A sensor unit 751 that is a hydrocarbon sensor includes a solid electrolyte substrate 711, a ceramic substrate 712 (heater substrate), and an auxiliary substrate 713.
固体電解質基板711は、Ba、Ce、Gdの酸化物で形成され、プロトン伝導性を有する。固体電解質基板711は、カソード電極膜722とアノード電極膜721とを有する。セラミックス基板712及び補助基板713は、部分安定化ジルコニア製セラミックスで形成される。固体電解質基板711のアノード電極膜721側に、セラミックス基板712が無機系接着剤723で接合されている。ガス拡散律速孔725は、無機系接着剤723の一部に形成された開孔である。726は、アノード電極室である。セラミックス基板712(ヒータ基板)は、アノード電極膜721と対向しない面側に発熱体714を有する。発熱体714は、白金ペーストを印刷及び焼成したものである。セラミックス基板712の発熱体714を有する面側に、補助基板713が無機系の接着剤724で接合されている。 The solid electrolyte substrate 711 is formed of an oxide of Ba, Ce, and Gd and has proton conductivity. The solid electrolyte substrate 711 has a cathode electrode film 722 and an anode electrode film 721. The ceramic substrate 712 and the auxiliary substrate 713 are made of partially stabilized zirconia ceramics. A ceramic substrate 712 is bonded to the anode electrode film 721 side of the solid electrolyte substrate 711 with an inorganic adhesive 723. The gas diffusion rate limiting hole 725 is an opening formed in a part of the inorganic adhesive 723. Reference numeral 726 denotes an anode electrode chamber. The ceramic substrate 712 (heater substrate) has a heating element 714 on the surface side not facing the anode electrode film 721. The heating element 714 is obtained by printing and baking a platinum paste. An auxiliary substrate 713 is bonded to the surface of the ceramic substrate 712 having the heating element 714 with an inorganic adhesive 724.
従来例1の炭化水素センサーは、固体電解質基板711、セラミックス基板712及び補助基板713ともほぼ同じ熱膨張係数を有する材料を用い、加熱時に各基板間の熱ストレスが発生しないように考慮されている。セラミックス基板712の発熱体714面に補助基板713を接合して、昇温時にセラミックス基板712が破損しないように配慮されている。 The hydrocarbon sensor of Conventional Example 1 uses materials having substantially the same thermal expansion coefficient for the solid electrolyte substrate 711, the ceramic substrate 712, and the auxiliary substrate 713, and is considered so that thermal stress between the substrates does not occur during heating. . An auxiliary substrate 713 is bonded to the surface of the heating element 714 of the ceramic substrate 712 so that the ceramic substrate 712 is not damaged when the temperature is raised.
図17は、従来例1のセンサー構造体の分解斜視図である。図17において、753はセラミックス製円柱(センサー取り付け部材)、752はセラミックス製円柱753に連通する平坦部、754はリード線、761は金属製のケース、762は金属製のカン、763は通気孔、755は金属製のフタ、765は外部リード線である。 FIG. 17 is an exploded perspective view of the sensor structure of Conventional Example 1. FIG. 17, 753 is a ceramic cylinder (sensor mounting member), 752 is a flat portion communicating with the ceramic cylinder 753, 754 is a lead wire, 761 is a metal case, 762 is a metal can, and 763 is a vent hole. , 755 is a metal lid, and 765 is an external lead wire.
センサー部751は、平坦部752に無機系接着剤で接合されている。セラミックス製円柱753の内部に、センサー出力用及びヒータ用のリード線754が通され、リード線754は、金属製のフタ755の後方から引き出される外部リード線765に、それぞれ電気的に接続されている。セラミックス製円柱753は、金属製のフタ755にリード線754を介して取り付けられている。セラミックス製円柱753は、金属製のケース761に収納され、金属製のフタ755と金属製のケース761とをネジ部で止めることにより、固定される。金属製のケース761には他端部が封止された金属製カン762が接合されている。金属製カン762は、センサー部751と対応する位置に、ガスを通すための通気孔763を有する。 The sensor part 751 is joined to the flat part 752 with an inorganic adhesive. The sensor output and heater lead wires 754 are passed through the ceramic cylinder 753, and the lead wires 754 are electrically connected to external lead wires 765 drawn from the rear of the metal lid 755, respectively. Yes. The ceramic cylinder 753 is attached to a metal lid 755 via a lead wire 754. The ceramic cylinder 753 is housed in a metal case 761, and is fixed by fastening the metal lid 755 and the metal case 761 with a screw portion. A metal can 762 whose other end is sealed is joined to the metal case 761. The metal can 762 has a vent hole 763 for passing gas at a position corresponding to the sensor portion 751.
次に、従来例1のセンサー構造体の動作を説明する。アノード電極膜721及びカソード電極膜722には定電圧が印加される。固体電解質基板711は、発熱体714によって加熱され、活性化されている。雰囲気内の炭化水素ガスは、通気孔763及びガス拡散律速孔725を通り、アノード電極室726に拡散移動する。雰囲気中の炭化水素ガス分圧に対応した炭化水素ガスが、拡散によりアノード電極室726に供給される。アノード電極室726内に導入された炭化水素ガスは、アノード電極膜721の表面で解離し、プロトン(H+を意味する。)を生成する。プロトンが固体電解質基板711中をカソード電極膜722側に移動し、カソード電極膜722で水素分子になり放出される。両電極膜間には、固体電解質基板711を流れる単位時間当たりのプロトン量に比例した電流が流れる。この電流の量は、雰囲気中の炭化水素ガス分圧に比例するので、炭化水素ガスの濃度を測定できる。 Next, the operation of the sensor structure of Conventional Example 1 will be described. A constant voltage is applied to the anode electrode film 721 and the cathode electrode film 722. The solid electrolyte substrate 711 is heated and activated by the heating element 714. The hydrocarbon gas in the atmosphere diffuses and moves to the anode electrode chamber 726 through the vent hole 763 and the gas diffusion rate controlling hole 725. A hydrocarbon gas corresponding to the hydrocarbon gas partial pressure in the atmosphere is supplied to the anode electrode chamber 726 by diffusion. The hydrocarbon gas introduced into the anode electrode chamber 726 is dissociated on the surface of the anode electrode film 721 to generate protons (meaning H + ). Protons move through the solid electrolyte substrate 711 toward the cathode electrode film 722 and are released as hydrogen molecules at the cathode electrode film 722. A current proportional to the amount of protons per unit time flowing through the solid electrolyte substrate 711 flows between the electrode films. Since the amount of this current is proportional to the hydrocarbon gas partial pressure in the atmosphere, the concentration of the hydrocarbon gas can be measured.
特開2001−21533号公報に、従来例2の固体電解質型ガスセンサーが開示されている。図18は、従来例2の固体電解質型ガスセンサーのガスセンサー素子の断面図である。従来例2のガスセンサー素子は、起電力式である。図18において、811はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、812はアルカリ金属炭酸塩からなる検知極、813はアルカリ金属複合酸化物からなる基準極、822は検知極812と基準極813にそれぞれ設けた集電電極、824は集電電極822に取り付けたリード線、814は検知極812と基準極813との外側にそれぞれ配置したパネル型ヒータ、821はパネル型ヒータ814の加熱部を構成する発熱体、823はヒータリード線である。 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-21533 discloses a solid electrolyte gas sensor of Conventional Example 2. FIG. 18 is a cross-sectional view of a gas sensor element of a solid electrolyte gas sensor of Conventional Example 2. The gas sensor element of Conventional Example 2 is an electromotive force type. In FIG. 18, 811 is a solid electrolyte made of an alkali metal ion conductor, 812 is a detection electrode made of alkali metal carbonate, 813 is a reference electrode made of an alkali metal complex oxide, and 822 is a detection electrode 812 and a reference electrode 813, respectively. The provided collector electrode, 824 is a lead wire attached to the collector electrode 822, 814 is a panel heater disposed outside the detection electrode 812 and the reference electrode 813, and 821 constitutes a heating part of the panel heater 814. A heating element, 823 is a heater lead wire.
固体電解質811を、両面からパネル型ヒータ814で加熱し、動作させる。検知極812と基準極813との間に起電力が発生し、集電電極822から取り出した起電力によってガス濃度を測定することができる。固体電解質811を両面から加熱するので、固体電解質811の両面がほぼ同一の温度に加熱され、ガス濃度の測定精度を向上させることができる。
従来例1の炭化水素センサーにおいて、固体電解質基板711中をアノード電極膜721からカソード電極膜722側に移動するプロトンの量は、固体電解質基板711の導電率に依存する。図19に、固体電解質型ガスセンサーの固体電解質基板として使われることが多い、安定化ジルコニアの導電率のアレニウスプロットを示す。図19において、横軸は安定化ジルコニアの絶対温度T(K)の逆数を1000倍した値、縦軸は導電率(S/cm)である。安定化ジルコニアの導電率は、温度が高いほど大きい。即ち、温度が高いほどプロトンの伝導量は大きくなり、電流が流れやすくなる。他の固体電解質も、同様の特徴を有する。従って、固体電解質をガスセンサーに用い、精度の高いガス濃度の測定値を得るためには、固体電解質の温度の時空間分布を±5℃以内程度に制御する必要がある。 In the hydrocarbon sensor of Conventional Example 1, the amount of protons that move in the solid electrolyte substrate 711 from the anode electrode film 721 to the cathode electrode film 722 side depends on the conductivity of the solid electrolyte substrate 711. FIG. 19 shows an Arrhenius plot of the conductivity of stabilized zirconia, which is often used as a solid electrolyte substrate of a solid oxide gas sensor. In FIG. 19, the horizontal axis represents a value obtained by multiplying the reciprocal of the absolute temperature T (K) of stabilized zirconia by 1000, and the vertical axis represents the conductivity (S / cm). The conductivity of stabilized zirconia is larger as the temperature is higher. That is, the higher the temperature, the larger the proton conductivity and the easier the current flows. Other solid electrolytes have similar characteristics. Therefore, in order to obtain a highly accurate measurement value of the gas concentration by using the solid electrolyte for the gas sensor, it is necessary to control the temporal and spatial distribution of the temperature of the solid electrolyte within about ± 5 ° C.
従来例1の炭化水素ガスセンサーは、固体電解質基板711の片面にのみ発熱体714が配置されているので、実際にセンサー部751を制作して動作させると、固体電解質基板711の両面で40℃〜50℃の温度差が生じた。このため、計測した電流値が真の値からずれたり、一定の濃度のガス流中で連続して計測した電流値が経時変化したりした。実際、センサー部751全体を石英ガラス管を用いた管状炉中に挿入し、固体電解質基板711の両面の温度を同じにし、同様の測定を行った場合、電流値の測定値はばらつかなかった。 In the hydrocarbon gas sensor of Conventional Example 1, the heating element 714 is disposed only on one side of the solid electrolyte substrate 711. Therefore, when the sensor unit 751 is actually manufactured and operated, both sides of the solid electrolyte substrate 711 are 40 ° C. A temperature difference of ˜50 ° C. occurred. For this reason, the measured current value deviated from the true value, or the current value continuously measured in the gas flow having a constant concentration changed with time. Actually, when the entire sensor part 751 was inserted into a tubular furnace using a quartz glass tube, the temperature of both surfaces of the solid electrolyte substrate 711 was made the same, and the same measurement was performed, the measured current value did not vary. .
従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて、固体電解質811として10mm×10mm×0.5mm(厚み)のバリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体を使用し、固体電解質811の各点における温度を測定した。固体電解質811の対向する両面の同一位置間ではほぼ同じ温度であったが、同一面内では、中央部が最も高温を示し、周辺にゆくに従って温度が低くなる結果が得られた。固体電解質基811の角から1.5mmの場所での温度を350℃に制御した時、中央部は380℃となり、30℃もの温度差が生じた。 In the solid electrolyte gas sensor of Conventional Example 2, an ion conductor of barium, cerium, zirconium, and indium oxide having a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mm (thickness) is used as the solid electrolyte 811, and each point of the solid electrolyte 811 is used. The temperature at was measured. Although the temperature was substantially the same between the same positions on both surfaces of the solid electrolyte 811 facing each other, in the same surface, the center portion showed the highest temperature, and the temperature decreased toward the periphery. When the temperature at a position 1.5 mm from the corner of the solid electrolyte base 811 was controlled at 350 ° C., the central portion was 380 ° C., and a temperature difference of 30 ° C. was generated.
例えば、安定化ジルコニアの温度が400℃の時の導電率は2×10−4(S/cm)、430℃の時の導電率は3.7×10−4(S/cm)である(図19参照)。従って、従来例2の固体電解質型ガスセンサーでは、固体電解質811の中心部と端部で導電率が1.85倍も変化し、プロトン又は酸化物イオンは固体電解質811の主に中央部にしか流れていなかった。例えば、10mm×10mmサイズの固体電解質基板を用いても、ガスセンサーとして機能するのは、中央部だけになり、ガス濃度の測定感度が低下する可能性があった。固体電解質基板の昇温速度を10℃/分程度以上にすると、固体電解質基板内の温度差によって、固体電解質基板が破壊する危険性があった。 For example, the conductivity when the temperature of the stabilized zirconia is 400 ° C. is 2 × 10 −4 (S / cm), and the conductivity when the temperature is 430 ° C. is 3.7 × 10 −4 (S / cm) ( (See FIG. 19). Therefore, in the solid electrolyte gas sensor of Conventional Example 2, the conductivity changes 1.85 times between the central portion and the end portion of the solid electrolyte 811, and protons or oxide ions are mainly in the central portion of the solid electrolyte 811. It was not flowing. For example, even when a solid electrolyte substrate having a size of 10 mm × 10 mm is used, only the central portion functions as a gas sensor, and the gas concentration measurement sensitivity may be lowered. When the rate of temperature increase of the solid electrolyte substrate is about 10 ° C./min or more, there is a risk that the solid electrolyte substrate may be broken due to a temperature difference in the solid electrolyte substrate.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、固体電解質基板を用いた限界電流型のガスセンサーにおいて、固体電解質基板内部の両面間の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、固体電解質基板を用いた限界電流型のガスセンサーにおいて、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-described conventional problems. In a limiting current type gas sensor using a solid electrolyte substrate, the temperature difference between both surfaces inside the solid electrolyte substrate is reduced, and the measurement accuracy and sensitivity of the gas concentration are reduced. An object of the present invention is to provide a solid electrolyte type gas sensor, a solid oxide type gas sensor structure, and a gas concentration measuring device that are high in the gas concentration.
The present invention relates to a limiting current type gas sensor using a solid electrolyte substrate, which reduces the temperature difference between both surfaces of the solid electrolyte substrate and within the same surface, and has high gas concentration measurement accuracy and measurement sensitivity. An object is to provide a sensor, a solid electrolyte gas sensor structure, and a gas concentration measuring device.
請求項1に記載の発明は、両面に一対の電極膜を形成した固体電解質基板と、前記固体電解質基板の第1の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス拡散律速孔を形成するガス拡散律速部形成基板と、前記固体電解質基板の第2の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス流通孔を形成するガス流通部形成基板と、を有し、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板がセラミックス基板又は多孔質基板であることを特徴とする限界電流式の固体電解質型ガスセンサーである。
ガス拡散律速孔は、セラミックス基板と固体電解質基板との間に設けた隙間、セラミックス基板自体に設けた開孔部又は多孔質基板の孔でも良く、ガス濃度を測定する検出ガスを拡散しやすく、それより大きい分子サイズのものは拡散しにくいサイズを有する。ガス流通孔は、セラミックス基板と固体電解質基板との間に設けた隙間、セラミックス基板自体に設けた開孔部又は多孔質基板の孔でも良い。
The invention according to
The gas diffusion rate controlling hole may be a gap provided between the ceramic substrate and the solid electrolyte substrate, an opening provided in the ceramic substrate itself or a hole in the porous substrate, and it is easy to diffuse the detection gas for measuring the gas concentration, Larger molecular sizes are difficult to diffuse. The gas flow hole may be a gap provided between the ceramic substrate and the solid electrolyte substrate, an opening provided in the ceramic substrate itself, or a hole in the porous substrate.
請求項2に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板が同一の材料から形成され、前記材料の熱膨張係数が前記固体電解質基板の熱膨張係数の±20%以内であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板を両面から等しく加熱できる。ガス拡散律速部形成基板及びガス流通部形成基板の熱膨張係数が等しく、固体電解質基板の熱膨張係数と近似する故に、温度変化に起因して破損しにくい固体電解質型ガスセンサーを実現できる。従来例の固体電解質型ガスセンサーより、急速な加熱又は冷却が可能な信頼性の高い固体電解質型ガスセンサーを実現できる。従来例2の固体電解質型ガスセンサーは起電力式のガスセンサーである。その構成において、固体電解質基板の両面に形成している材料が固体電解質基板の両面を均等に加熱するための目的で着けられた材料ではなく、目的とするガス濃度を測定するための材料である。従来例2は、本発明の構成と根本的に異なる発想に基づくものである。
According to the second aspect of the present invention, the gas diffusion rate controlling part forming substrate and the gas flow part forming substrate are formed of the same material, and the thermal expansion coefficient of the material is ± 20% of the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte substrate. The solid oxide gas sensor according to
According to the present invention, the solid electrolyte substrate can be heated equally from both sides. Since the thermal expansion coefficients of the gas diffusion rate controlling part forming substrate and the gas flow part forming substrate are equal and approximate to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte substrate, it is possible to realize a solid electrolyte type gas sensor that is not easily damaged due to temperature changes. A highly reliable solid electrolyte type gas sensor capable of rapid heating or cooling can be realized from the solid electrolyte type gas sensor of the conventional example. The solid electrolyte gas sensor of Conventional Example 2 is an electromotive force type gas sensor. In that configuration, the material formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate is not a material applied for the purpose of heating both surfaces of the solid electrolyte substrate uniformly, but a material for measuring the target gas concentration. . Conventional Example 2 is based on an idea that is fundamentally different from the configuration of the present invention.
請求項3に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面にそれぞれ、面状のヒータ基板が密接して配設されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体電解質型ガスセンサーである。固体電解質基板を両面から等しく加熱することにより、固体電解質基板の両面の温度差を小さくすることが出来る。本発明は、高い測定精度を有する固体電解質型ガスセンサーを実現できる。
According to a third aspect of the present invention, a planar heater substrate is disposed in close contact with the surfaces of the gas diffusion rate controlling portion forming substrate and the gas flow portion forming substrate that do not face the solid electrolyte substrate. The solid electrolyte gas sensor according to
請求項4に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第1の良熱伝導性基板と、前記ガス流通部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第2の良熱伝導性基板と、を更に有し、前記第1及び第2の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項3に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
ヒータ基板からの熱が良熱伝導性基板を通じて固体電解質基板全体に均一に伝わるので、固体電解質基板の両面の温度差及び同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first heat conductive substrate disposed in close contact with the upper and lower substrates between the gas diffusion rate controlling portion forming substrate and the heater substrate, and the gas circulation portion. A second good heat conductive substrate disposed in close contact with the upper and lower substrates between the formation substrate and the heater substrate, and the first and second good heat conductive substrates. 4. The solid electrolyte gas sensor according to claim 3, wherein the thermal conductivity is higher than the thermal conductivity of the gas diffusion rate controlling part forming substrate and the gas flow part forming substrate.
Since heat from the heater substrate is uniformly transmitted to the entire solid electrolyte substrate through the highly heat conductive substrate, the temperature difference between both surfaces of the solid electrolyte substrate and the temperature difference between the central portion and the peripheral portion in the same surface can be reduced.
請求項5に記載の発明は、前記ヒータ基板の大きさ及び/又は前記第1及び第2の良熱伝導性基板の大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の固体電解質型ガスセンサーである。一般に、ヒータ基板、第1及び第2の良熱伝導性基板の外周部の温度は、それらの中心部の温度よりも低くなる。本発明においては、ヒータ基板、及び/又は第1及び第2の良熱伝導性基板を大きくすることにより、それらが固体電解質基板、ガス拡散律速部形成基板及びガス流通部形成基板と対向する部分においては、全面がほぼ均一の温度になっている。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。 According to a fifth aspect of the present invention, the size of the heater substrate and / or the size of the first and second good thermal conductive substrates are determined depending on whether the solid electrolyte substrate, the gas diffusion rate controlling portion forming substrate, or the gas is used. 5. The solid electrolyte gas sensor according to claim 3, wherein the gas sensor is larger than the flow part forming substrate. Generally, the temperature of the outer peripheral part of a heater substrate and the 1st and 2nd good heat conductive board | substrate becomes lower than the temperature of those center part. In the present invention, the heater substrate and / or the first and second good heat conductive substrates are enlarged so that they face the solid electrolyte substrate, the gas diffusion rate limiting portion forming substrate, and the gas flow portion forming substrate. In FIG. 2, the entire surface is at a substantially uniform temperature. Thereby, the temperature difference of the center part and peripheral part in the same surface of a solid electrolyte substrate can be made small.
請求項6に記載の発明は、前記ヒータ基板が良熱伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。 The invention according to claim 6 is the solid electrolyte gas sensor according to any one of claims 3 to 5, wherein the heater substrate is made of a highly heat conductive material. . Thereby, the temperature difference of the center part and peripheral part in the same surface of a solid electrolyte substrate can be made small.
請求項7に記載の発明は、前記第1及び第2の良熱伝導性基板の熱伝導率が20W/m・K以上であることを特徴とする請求項4〜請求項6のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。 The invention described in claim 7 is characterized in that the first and second good thermal conductive substrates have a thermal conductivity of 20 W / m · K or more. A solid electrolyte gas sensor according to claim. Thereby, the temperature difference of the center part and peripheral part in the same surface of a solid electrolyte substrate can be made small.
請求項8に記載の発明は、前記第1及び第2の良熱伝導性基板がアルミナ或いはアルミナを主成分とするセラミックス、ベリリアセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、アルミニウム、銅又は高品質グラファイト・シートから形成されることを特徴とする請求項4〜請求項7のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。 The invention according to claim 8 is characterized in that the first and second heat-conductive substrates are alumina or ceramics mainly composed of alumina, beryllia ceramics, aluminum nitride ceramics, silicon carbide ceramics, aluminum, copper or high quality. The solid electrolyte gas sensor according to any one of claims 4 to 7, wherein the solid electrolyte gas sensor is formed of a graphite sheet.
請求項9に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側のそれぞれの面に密接して連通した第3の良熱伝導性基板を配置し、面状のヒータ基板を前記第3の良熱伝導性基板の外側の前記第1の面又は前記第2の面と平行な面に密接して配置することを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、ヒータ基板を固体電解質基板の片側に配置して、固体電解質基板を両側から比較的均一温度に加熱し、固体電解質基板内の温度の不均一を小さくできる。「連通した良熱伝導性基板」は、例えば、U字型に曲げた基板である。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a third highly heat conductive substrate that is in close communication with the respective surfaces of the gas diffusion rate controlling portion forming substrate and the gas flow portion forming substrate that are not opposed to the solid electrolyte substrate. The planar heater substrate is disposed in close contact with the first surface outside the third good heat conductive substrate or a surface parallel to the second surface. 1. The solid electrolyte gas sensor according to 1.
According to the present invention, the heater substrate is disposed on one side of the solid electrolyte substrate, and the solid electrolyte substrate is heated to a relatively uniform temperature from both sides, so that the temperature non-uniformity in the solid electrolyte substrate can be reduced. The “communication good thermal conductive substrate” is, for example, a substrate bent into a U-shape.
請求項10に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第1の良熱伝導性基板と、前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第2の良熱伝導性基板と、前記第1の良熱伝導性基板の前記ガス拡散律速部形成基板と対向しない側の面と、前記第2の良熱伝導性基板の前記ガス流通部形成基板と対向しない側の面と、にそれぞれ密接して連通する第3の良熱伝導性基板と、前記第3の良熱伝導性基板の外側の前記第1の面又は前記第2の面と平行な面に密接して配置された面状のヒータ基板と、を更に有し、前記第1の良熱伝導性基板、第2の良熱伝導性基板及び第3の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、ヒータ基板を固体電解質基板の片側に配置して、固体電解質基板を両側から比較的均一温度に加熱し、固体電解質基板内の温度の不均一を小さくできる。
The invention according to claim 10 is the first good heat conductive substrate disposed in close contact with the surface of the gas diffusion rate controlling portion forming substrate that does not face the solid electrolyte substrate, and the gas circulation portion forming A second heat-conductive substrate disposed in close contact with the surface of the substrate that does not face the solid electrolyte substrate; and the gas diffusion rate-determining portion forming substrate of the first heat-conductive substrate is not opposed. A third good thermal conductive substrate that is in close communication with a side surface and a side of the second good thermal conductive substrate that does not face the gas flow portion forming substrate, and the third good thermal conductivity substrate, And a planar heater substrate arranged in close contact with a surface parallel to the first surface or the second surface outside the good heat conductive substrate, and the first good heat conductivity. The thermal conductivity of the substrate, the second good thermal conductivity substrate, and the third good thermal conductivity substrate is the gas diffusion rate limiting portion forming substrate, and Serial is a solid electrolyte gas sensor according to
According to the present invention, the heater substrate is disposed on one side of the solid electrolyte substrate, and the solid electrolyte substrate is heated to a relatively uniform temperature from both sides, so that the temperature non-uniformity in the solid electrolyte substrate can be reduced.
請求項11に記載の発明は、前記第3の良熱伝導性基板の前記第1の面及び前記第2の面と平行なそれぞれの面及び前記ヒータ基板の大きさ、又は前記第3の良熱伝導性基板の前記第1の面及び前記第2の面と平行なそれぞれの面、前記ヒータ基板、第1の良熱伝導性基板及び第2の良熱伝導性基板及びの大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。 The invention according to claim 11 is the size of each surface parallel to the first surface and the second surface of the third good heat conductive substrate and the size of the heater substrate, or the third good heat conductivity substrate. The sizes of the first surface and the second surface of the heat conductive substrate parallel to the second surface, the heater substrate, the first good heat conductive substrate, and the second good heat conductive substrate, 11. The solid electrolyte gas sensor according to claim 9, wherein the solid electrolyte gas sensor is larger than the solid electrolyte substrate, the gas diffusion rate controlling portion forming substrate, and the gas circulation portion forming substrate. Thereby, the temperature difference of the center part and peripheral part in the same surface of a solid electrolyte substrate can be made small.
請求項12に記載の発明は、前記固体電解質基板が、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物から形成されることを特徴とする請求項1〜請求項5及び請求項9〜請求項11のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、還元性雰囲気中で水素ガス濃度を検出できる、選択性の大きい固体電解質型ガスセンサーを実現できる。
According to a twelfth aspect of the present invention, the solid electrolyte substrate is formed of a barium / cerium / zirconium / indium oxide. A solid electrolyte gas sensor according to any claim.
According to the present invention, it is possible to realize a solid electrolyte gas sensor with high selectivity that can detect the hydrogen gas concentration in a reducing atmosphere.
請求項13に記載の発明は、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物でプロトンと酸化物イオン伝導体のセラミックス材料よりなる固体電解質基板の一方の面にアノード電極を、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成し、ガス拡散律速孔が形成された或いは形成するように、前記アノード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、ガス流通孔が形成された或いは形成するように、他方のカソード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、該両多孔質基板或いはセラミックス基板の外側面に前記多孔質基板或いはセラミックス基板より大きいサイズの良熱伝導性基板が配設され、前記良熱伝導性基板の両外側面に前記良熱伝導性基板と同一サイズかより大きいサイズの面状ヒータが配設されたことを特徴とする固体電解質型水素ガスセンサーである。
本発明は、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサーを実現する。
本発明のバリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体よりなるペロブスカイト構造のセラミックス材料は、プロトン伝導性がほとんどであり、酸素イオン伝導性が小さい材料なので、本材料を用い、且つガス拡散律速孔の孔径と長さを最適化することにより選択性の大きい水素ガスセンサーを実現できる。特に還元性雰囲気中で、固体電解質材料を用いた水素ガスセンサーは従来実現されていないが、本発明の材料を用いれば還元性雰囲気中での水素ガスが測定できる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided an anode electrode on one surface of a solid electrolyte substrate made of a ceramic material of a proton and an oxide ion conductor of barium / cerium / zirconium / indium oxide, and a cathode electrode on the other surface. A porous substrate or a ceramic substrate is joined so as to cover the anode electrode so that a gas diffusion rate controlling hole is formed or formed, and a gas flow hole is formed or formed. A porous substrate or a ceramic substrate is bonded so as to cover the other cathode electrode, and a heat conductive substrate having a size larger than that of the porous substrate or the ceramic substrate is formed on the outer surface of the porous substrate or the ceramic substrate. Disposed on both outer side surfaces of the good heat conductive substrate. A solid electrolyte type hydrogen gas sensors, characterized in that the planar heater's are disposed.
The present invention realizes a solid electrolyte type gas sensor that reduces the temperature difference between both surfaces of the solid electrolyte substrate and within the same surface, and has high gas concentration measurement accuracy and measurement sensitivity.
The ceramic material having a perovskite structure composed of an ion conductor of barium, cerium, zirconium, and indium oxide according to the present invention has almost proton conductivity and low oxygen ion conductivity. A highly selective hydrogen gas sensor can be realized by optimizing the hole diameter and length of the diffusion-controlled hole. In particular, a hydrogen gas sensor using a solid electrolyte material has not been realized in a reducing atmosphere, but hydrogen gas in a reducing atmosphere can be measured using the material of the present invention.
請求項14に記載の発明は、前記ヒータ基板の表面に、その表面温度が中心部より周辺部の方が高くなるように発熱体を配置したことを特徴とする請求項3〜6、9〜11及び13のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
The invention according to claim 14 is characterized in that a heating element is arranged on the surface of the heater substrate so that the surface temperature is higher in the peripheral portion than in the central portion. The solid oxide gas sensor according to any one of claims 11 and 13.
According to the present invention, it is possible to further reduce the temperature difference between the central portion and the peripheral portion in the same plane of the solid electrolyte substrate. Therefore, a portion having a high electrical conductivity of the solid electrolyte substrate can be widened, and a solid electrolyte gas sensor with high detection sensitivity can be realized.
請求項15に記載の発明は、前記第1及び第2の良熱伝導性基板がそれぞれ第1の基板と第2の基板とから構成され、前記第1の基板は中央部に貫通孔を有し、前記第2の基板は前記貫通孔に嵌め込まれ、前記第1の基板の熱伝導率が前記第2の基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項4、5、7〜11及び13のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
According to a fifteenth aspect of the present invention, each of the first and second heat-conductive substrates is composed of a first substrate and a second substrate, and the first substrate has a through hole in a central portion. The second substrate is fitted into the through hole, and the thermal conductivity of the first substrate is larger than the thermal conductivity of the second substrate. And a solid oxide gas sensor according to any one of claims 13 and 13.
According to the present invention, it is possible to further reduce the temperature difference between the central portion and the peripheral portion in the same plane of the solid electrolyte substrate. Therefore, a portion having a high electrical conductivity of the solid electrolyte substrate can be widened, and a solid electrolyte gas sensor with high detection sensitivity can be realized.
請求項16に記載の発明は、前記ガス拡散律速孔及び前記ガス流通孔に連通する開孔部を有する保温材で全体を覆うことを特徴とする請求項3〜5、9〜11及び13のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の両面の温度差、同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
The invention according to claim 16 covers the whole with a heat insulating material having an opening portion communicating with the gas diffusion rate controlling hole and the gas flow hole, according to claims 3-5, 9-11 and 13 A solid electrolyte gas sensor according to any claim.
According to the present invention, it is possible to further reduce the temperature difference between both surfaces of the solid electrolyte substrate and the temperature difference between the central portion and the peripheral portion in the same plane. Therefore, a portion having a high electrical conductivity of the solid electrolyte substrate can be widened, and a solid electrolyte gas sensor with high detection sensitivity can be realized.
請求項17に記載の発明は、前記ガス流通孔の断面積が前記ガス拡散律速孔より大きいことを特徴とする請求項1〜5、9〜11及び13のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。ガス拡散律速孔の断面積よりガス流通孔の断面積が大きいので、固体電解質型ガスセンサーは、ガス拡散律速孔におけるガスの拡散速度のみに基づいた(ガス流通孔におけるガス(例えば分子に戻った水素)の拡散速度の影響を受けない)電流値を測定できる。
The invention according to claim 17 is characterized in that the cross-sectional area of the gas flow hole is larger than the gas diffusion-controlling hole, and the solid according to any one of
請求項18に記載の発明は、請求項1から請求項17のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、前記固体電解質型ガスセンサーを保持し、セラミックス材料から形成され円筒形状の形状を有するセンサー取り付け部材と、前記固体電解質型ガスセンサー全体を覆う金属製の防爆部材と、前記センサー取り付け部材一端に取り付けられ、円筒形状を有するステンレス鋼製の金属ベース部材と、前記金属ベース部材の他端にキャップで取り付けられ、電極ピンを有する気密端子板と、を有し、前記固体電解質型ガスセンサーに接続されたリード線が、前記センサー取り付け部材及び前記金属ベース部材の内部空洞を通って前記電極ピンの一端に接続され、前記電極ピンの他端には外部リード線が接続され、前記金属ベース部材の外周部とガス濃度検出装置の取り付け面、前記金属ベース部材と前記気密端子板部、及び前記気密端子板と前記電極ピンの挿入部が、それぞれ気密状態で接続されている構造を特徴とする固体電解質型ガスセンサー構造体である。本発明の固体電解質を用いたガスセンサー構造体は、センサー部と外部リード線部が気密状態で遮断できる構造なので、特定容器内、パイプライン内等の外界と隔離された雰囲気中のガス濃度が測定でき、加えて、可燃性ガス、爆発性ガス或いは有毒性ガス等或いは前記ガス中の別なガスの濃度測定できるガスセンサーを実現できる。 According to an eighteenth aspect of the present invention, the solid electrolyte type gas sensor according to any one of the first to seventeenth aspects of the present invention and the solid electrolyte type gas sensor are held, and are formed of a ceramic material and have a cylindrical shape. A sensor mounting member having a shape, a metal explosion-proof member covering the whole solid oxide gas sensor, a metal base member made of stainless steel having a cylindrical shape and attached to one end of the sensor mounting member, and the metal base member A lead terminal connected to the solid electrolyte gas sensor through the internal cavities of the sensor mounting member and the metal base member. Connected to one end of the electrode pin, and an external lead wire is connected to the other end of the electrode pin. A solid body characterized in that a peripheral portion and a mounting surface of the gas concentration detection device, the metal base member and the airtight terminal plate portion, and the airtight terminal plate and the insertion portion of the electrode pin are connected in an airtight state, respectively. It is an electrolyte type gas sensor structure. Since the gas sensor structure using the solid electrolyte of the present invention has a structure in which the sensor portion and the external lead wire portion can be shut off in an airtight state, the gas concentration in the atmosphere isolated from the outside world such as in a specific container or in a pipeline is low. In addition, a gas sensor that can measure the concentration of combustible gas, explosive gas, toxic gas, etc. or another gas in the gas can be realized.
請求項19に記載の発明は、前記固体電解質型ガスセンサーが、センサー取り付け部材に間隔を保持して取り付けられることを特徴とする請求項18に記載の固体電解質型ガスセンサー構造体である。固体電解質型ガスセンサーからセンサー取り付け部材に熱が伝わりにくい構造である故に、固体電解質基板の両面の温度差、同一面内での中央部と周辺部の温度差が少ない、高精度で低消費電力の固体電解質型ガスセンサー構造体を実現できる。 The invention according to claim 19 is the solid electrolyte type gas sensor structure according to claim 18, wherein the solid electrolyte type gas sensor is attached to the sensor attachment member while maintaining a gap. Highly accurate and low power consumption due to the structure in which heat is not easily transferred from the solid electrolyte gas sensor to the sensor mounting member, so there is little temperature difference between the two sides of the solid electrolyte substrate, and between the central part and the peripheral part in the same plane. The solid oxide gas sensor structure can be realized.
請求項20に記載の発明は、請求項1から請求項17いずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、前記固体電解質基板を加熱し、所定の温度に制御する温度制御部と、前記一対の電極膜の間に所定の電圧を印加する電圧制御部と、前記一対の電極膜の間に流れる電流を検出する電流検出部と、少なくとも前記電流検出部が検出した電流からガス濃度を算出するガス濃度算出部と、を有することを特徴とする、ガス濃度測定装置である。本発明は、高精度のガス濃度測定装置を実現する。
The invention described in claim 20 is a solid electrolyte gas sensor according to any one of
本発明によれば、固体電解質基板内部の両面間の温度差が小さく、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い、限界電流型の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びそれを用いたガス濃度測定装置を実現できるという効果を奏する。
本発明によれば、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差が小さく、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い、限界電流型の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びそれを用いたガス濃度測定装置を実現できるという効果を奏する。
According to the present invention, a limit current type solid electrolyte gas sensor, a solid electrolyte gas sensor structure, and a temperature difference between both surfaces inside a solid electrolyte substrate are small, and gas concentration measurement accuracy and measurement sensitivity are high. There is an effect that the gas concentration measuring device used can be realized.
According to the present invention, the limiting current type solid electrolyte type gas sensor, the solid electrolyte type gas sensor structure, which has a small temperature difference between both surfaces in the solid electrolyte substrate and within the same plane, and high gas concentration measurement accuracy and measurement sensitivity. The body and the gas concentration measuring device using the body can be realized.
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
以下の全ての実施の形態において、固体電解質基板及び2枚のセラミックス基板から構成される構造体をセンサー部と言う。センサー部の外側に良熱伝導性基板及び/又はヒータ基板を配置した構造体をセンサーブロックと言う。センサーブロックを保温材で覆った構造体をセンサーモジュールと言う。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments that specifically show the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
In all the following embodiments, a structure including a solid electrolyte substrate and two ceramic substrates is referred to as a sensor unit. A structure in which a good heat conductive substrate and / or a heater substrate is arranged outside the sensor portion is called a sensor block. A structure in which the sensor block is covered with a heat insulating material is called a sensor module.
《実施の形態1》
図1〜図4を用いて、本発明の実施の形態1のセンサー部及びセンサーブロックを説明する。図1、図2、図3はそれぞれ、本発明の実施の形態1のセンサー部の断面図、斜視図、分解斜視図である。図4は、本発明の実施の形態1のセンサーブロックの断面図である。図面を簡潔にするために、カソード電極膜111、アノード電極膜112、発熱体172a及び172bに電気的に接続されたリード線の記載等を省略してある。実施の形態1のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス(水素)を検出する。
A sensor unit and a sensor block according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, FIG. 2, and FIG. 3 are a cross-sectional view, a perspective view, and an exploded perspective view, respectively, of the sensor unit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the sensor block according to the first embodiment of the present invention. In order to simplify the drawing, description of lead wires electrically connected to the
始めに、実施の形態1のセンサー部101について説明する。実施の形態1のセンサー部101は、固体電解質基板110、アノード電極膜112、カソード電極膜111、接着剤116、接着剤117、セラミックス基板113a、セラミックス基板113bを有する。
First, the
固体電解質基板110の一方の面にアノード電極膜112が形成され、その外周部(ガス拡散律速孔114を除く。)に塗布された無機系の接着剤116で、セラミックス基板113bが接合されている。固体電解質基板110の他方の面にカソード電極膜111が形成され、その外周部(ガス流通孔115を除く。)に塗布された無機系の接着剤117で、セラミックス基板113aが接合されている。セラミックス基板113aと113bとは、同一の材料又は同一の熱膨張係数、サイズ及び厚みを有する。固体電解質基板110とセラミックス基板113a及び113bとの間には隙間が形成されている。固体電解質基板110とセラミックス基板113aとの間の間隔(実施の形態1においては、100μmである。)は、固体電解質基板110とセラミックス基板113bとの間の間隔(実施の形態1においては、20μmである。)より大きい。
The
118は、カソード電極膜111に電気的に接続された電極端子部である(図2及び図3参照)。電極端子部118は、固体電解質基板110の1つの角に配置される。119は、アノード電極膜112に電気的に接続された電極端子部である。電極端子部119は、固体電解質基板110の電極端子部118と反対側の角に配置される。電極端子部118及び電極端子部119には、図示しないリード線がそれぞれ接続される。セラミックス基板113a及びセラミックス基板113bは、切り欠き部を有し、リード線がセラミックス基板113a又は113bに当たらない構造となっている。
接着剤116は、セラミックス基板113bの縁に沿ったCの字状の形状に形成される。ガス拡散律速孔114は、接着剤116の開孔部及びセラミックス基板113bと固体電解質基板110との間に形成された隙間である。ガス拡散律速孔114は、ガス濃度を測定する検出ガス(実施の形態1では水素ガス)を拡散しやすく、それより大きい分子サイズのものは拡散しにくいサイズ(断面積及び奥行き)を有する。
The adhesive 116 is formed in a C-shape along the edge of the
接着剤117は、セラミックス基板113aの縁に沿ったCの字状の形状に形成される。ガス流通孔115は、接着剤117の開孔部及びセラミックス基板113aと固体電解質基板110との間に形成された隙間である。ガス流通孔115の断面積は、ガス拡散律速孔114の断面積の2倍以上である。ガス流通孔115の長さ(奥行き)は、ガス拡散律速孔114の長さ(奥行き)より短い。この構成により、ガス流通孔115から、カソード電極膜111で生成されたガスが滞りなく排出される。
The adhesive 117 is formed in a C-shape along the edge of the
次に、実施の形態1のセンサーブロック103を説明する(図4参照)。センサーブロック103は、センサー部101のセラミックス基板113b(アノード電極膜112側)の外側にヒータ基板171bを配置し、セラミックス基板113a(カソード電極膜111側)の外側にヒータ基板171aを配置したものである。面状のヒータ基板171a及び171bは、セラミックス基板113a及び113bと接合しておらず、密接しているだけである。ヒータ基板171a及び171bのサイズは同一で、センサー部101のサイズより大きい。ヒータ基板171aは、その外側の表面に発熱体172aを有する。ヒータ基板171bは、その外側の表面に発熱体172bを有する。発熱体172a及び発熱体172bは面状ヒータである。発熱体172a及び172bの外周で規定される矩形は、センサー部101より大きいサイズを有する。
Next, the sensor block 103 of
次に、実施の形態1のセンサーブロック103を構成する各部の材料及び特性を説明する。
固体電解質基板110のサイズは10mm×10mm×0.4mm(厚み)であり、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体から形成される。バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体は、プロトンのみを伝導する材料である。固体電解質基板110の両面に、白金微粉末を含む白金ペーストを厚膜印刷法で印刷し、150℃の温度下で10分乾燥後、白金ペーストに最適な焼成温度、時間で焼成しアノード電極膜112及びカソード電極膜111を形成した。
Next, materials and characteristics of each part constituting the sensor block 103 of
The size of the
セラミックス基板113a及び113bのサイズは10mm×10mm×0.5mm(厚み)であり、フォルステライト材料から形成される。フォルステライト材料の熱膨張係数は、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体の熱膨張係数に対して±10%以内である。
The
接着剤116及び117として、無機系ガラスペーストを使用した。セラミックス基板113bの上面に、無機系ガラスペーストにガス拡散律速孔114の厚み制御用スペーサー材を混合したペーストを、図3に示した形状(接着剤116)に印刷した。セラミックス基板113bを、固体電解質基板110のアノード電極膜112側に位置合わせし圧接した。更に、その状態で150℃で10分乾燥後、無機系ガラスペーストに最適な焼成温度、時間で焼成し固体電解質基板110にセラミックス基板113bを接合すると共に、ガス拡散律速孔114を形成した。固体電解質基板110のカソード電極膜111側に、セラミックス基板113aを、セラミックス基板113bの接合方法と同様の方法で接合し、ガス流通孔115を形成した。
As the
ヒータ基板171a及び171bのサイズは12mm×12mm×0.5mm(厚み)である。ヒータ基板171a及び171bとして、電熱用マイカ基板を使用した。電熱用マイカ基板の片面に、厚み0.05mmの鉄−クロム系金属箔(日本金属工業(株)製 No.4L)をジグザグ状に化学的エッチング法で形成し、発熱体172a(又は172b)とした。ヒータ基板171a及び171bを、センサー部101の上面及び下面に密接させセンサーブロック103を作成した。
The size of the
実施の形態1のセンサーモジュール及びセンサー構造体を説明する。実施の形態1のセンサーモジュールは、図13(実施の形態8のセンサーモジュール107の断面図)におけるセンサーブロック104をセンサーブロック103に置き換えた構成を有する。実施の形態1のセンサーモジュールは、センサーブロック103を保温材411〜417で覆った構造を有する。実施の形態1のセンサー構造体は、図14及び15(実施の形態8のセンサー構造体108の断面図)におけるセンサーモジュール107を実施の形態1のセンサーモジュールに置き換えた構成を有する。センサーモジュール及びセンサー構造体の構造(保温材411〜417、センサー取り付け部材513及び金属ベース部材621を含む。)については、実施の形態8で詳細に説明する。
The sensor module and sensor structure of
実施の形態1のセンサーモジュールをセンサー取り付け部材513及び金属ベース部材621に取り付け(図15)、固体電解質基板110上の各点での温度を測定した。固体電解質基板110の角から1.5mmの場所に温度制御用熱電対を、セラミックス基板113aのカソード電極膜111側の中央部及びセラミックス基板113bのアノード電極膜112側の中央部に温度測定用熱電対を、アロンセラミックス(無機系の接着剤)で接合した。セラミックス基板113a及び113bに取り付けた温度測定用熱電対が検出する温度は、固体電解質基板110の両面の中央部(電極が形成されている故に、熱電対を取り付けることが出来ない。)の温度とほぼ同じであると考えられる。
The sensor module of
固体電解質基板110の角部の温度(温度制御用熱電対の検出温度)を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は5℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
The temperature of the corner portion of the solid electrolyte substrate 110 (temperature detected by the thermocouple for temperature control) was controlled at 350 ° C., and the temperature was measured. As a result, the temperature difference between the central portions of the
また、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差(固体電解質基板110に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板110の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度(制御温度)との差)は、25℃程度だった。従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差は30℃程度であったのと比較して、改善できた。
Further, the temperature difference between the central portion and the end portion in the same plane of the solid electrolyte substrate 110 (the temperature detected by the thermocouple for temperature measurement attached to the central portion of the surface of the ceramic substrate facing the
実施の形態1のセンサーブロック103では、センサー部101の両側に固体電解質基板110よりも大きいサイズを有するヒータ基板171a及び171bを密接させた。ヒータ基板171aとヒータ基板171bとを、固体電解質基板110と同程度の熱膨張係数を有する同一の材料で形成した。このようにセンサーブロック103を構成したので、固体電解質基板110を両面から等しく加熱することができ、温度の空間分布を、従来に比べてより均一にすることができた。
In the sensor block 103 of the first embodiment,
従来は、固体電解質基板内での温度が均一ではないため、ガス濃度の測定開始時の昇温速度又は測定終了時の降温速度を10℃/分程度より大きくすると、固体電解質基板が破壊する可能性があった。実施の形態1のセンサーブロック103を用いることにより、昇温/降温速度を20℃/分又はそれ以上とすることができ、迅速にガス濃度測定を行えるガス濃度測定装置を実現できる。 Conventionally, since the temperature in the solid electrolyte substrate is not uniform, the solid electrolyte substrate can be destroyed if the rate of temperature rise at the start of gas concentration measurement or the rate of temperature decrease at the end of measurement is greater than about 10 ° C / min. There was sex. By using the sensor block 103 according to the first embodiment, the temperature increase / decrease rate can be set to 20 ° C./min or more, and a gas concentration measurement device capable of quickly measuring the gas concentration can be realized.
セラミックス基板113a及び113bの熱膨張係数を固体電解質基板のそれに対して±10%以内とし、ヒータ基板171a及び171bとセンサー部101とを接合しない(密接させる)ので、接着剤116及び117の焼成時又はセンサー部101の昇温/降温時に固体電解質基板110が破壊しない。
Since the thermal expansion coefficients of the
実施の形態1の固体電解質基板110は、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体よりなるペロブスカイト構造のセラミックス材料から形成した。この材料は、プロトン伝導性が高く酸素イオン伝導性が小さい。従って、実施の形態1のセンサー部101は、水素ガス選択性の大きい水素ガスセンサーのセンサー部として有用である。実施の形態1のセンサー部101は、天然ガス中の水素濃度の測定時のように、還元性雰囲気中で使用可能な、固体電解質材料を用いた水素ガスセンサーのセンサー部として有用である。
The
実施の形態1のセンサー部101では、ガス流通孔115の断面積をガス拡散律速孔114の断面積より大きくしたので、ガス流通孔115から、分子サイズに関係なくガスを排出でき、選択性を有する高感度のガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
In the
なお、セラミックス基板113a及び113bに代え、多孔質体で形成した多孔質基板を使用し、多孔質体の孔を通じてガスを通す構成としても良い。この場合には、ガス拡散律速孔114、ガス流通孔115は不要であり、簡素な構成のセンサー部を実現できる。
Instead of the
《実施の形態2》
図5を用いて、本発明の実施の形態2のセンサー部を説明する。本発明の実施の形態2のセンサー部の断面図である。実施の形態2のセンサー部102は、固体電解質基板110、アノード電極膜112、カソード電極膜111、接着剤154、接着剤155、セラミックス基板153a、セラミックス基板153bを有する。実施の形態2のセンサー部102は、実施の形態1のセンサー部101の接着剤116、接着剤117、セラミックス基板113a、セラミックス基板113bを、接着剤154、接着剤155、セラミックス基板153a、セラミックス基板153bに置き換えたものであり、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
<< Embodiment 2 >>
The sensor unit according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. It is sectional drawing of the sensor part of Embodiment 2 of this invention. The sensor unit 102 according to the second embodiment includes a
接着剤154、接着剤155、セラミックス基板153a、セラミックス基板153bは、それぞれ接着剤116、接着剤117、セラミックス基板113a、セラミックス基板113bと同一の材料からそれぞれ形成される。
The adhesive 154, the adhesive 155, the ceramic substrate 153a, and the ceramic substrate 153b are respectively formed from the same material as the adhesive 116, the adhesive 117, the
セラミックス基板153aは、セラミックス基板113aと同一の外形を有し、中央部に円形のガス流通孔157を有する。セラミックス基板153bは、セラミックス基板113bと同一の外形を有し、中央部に円形のガス拡散律速孔156を有する。ガス流通孔157の断面積は、ガス拡散律速孔156の断面積より大きい。ガス拡散律速孔156は、ガス濃度を測定するガス(実施の形態2では水素ガス)を拡散しやすく、それより大きい分子サイズの分子は拡散しにくいサイズ(断面積)を有する。
The ceramic substrate 153a has the same outer shape as the
接着剤154は、セラミックス基板153aの縁に沿った環状の形状(周囲が閉じている。)に形成される。接着剤155は、セラミックス基板153bの縁に沿った環状の形状(周囲が閉じている。)に形成される。 The adhesive 154 is formed in an annular shape (the periphery is closed) along the edge of the ceramic substrate 153a. The adhesive 155 is formed in an annular shape (the periphery is closed) along the edge of the ceramic substrate 153b.
実施の形態2のセンサー部102を用いて、実施の形態1と同様の温度測定を行った結果、実施の形態1と同様に、固体電解質基板110内の温度の空間分布が従来に比べ均一であることが確認できた。実施の形態2のセンサー部102は、実施の形態1のセンサー部101と同様の効果を奏する。
As a result of performing the same temperature measurement as in the first embodiment using the sensor unit 102 in the second embodiment, the spatial distribution of the temperature in the
《実施の形態3》
図6及び図7を用いて、本発明の実施の形態3のセンサーブロックを説明する。図6及び図7は、本発明の実施の形態3のセンサーブロックの断面図及び分解斜視図である。実施の形態3のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス(水素)を検出する。実施の形態3のセンサーブロック104は、発熱体172aを有するヒータ基板171a、良熱伝導性基板201a、センサー部101(実施の形態1のセンサー部)、良熱伝導性基板201b及び発熱体172bを有するヒータ基板171bを有する。実施の形態1のセンサーブロック103(図4)と異なる点は、センサー部101とヒータ基板171aとの間に良熱伝導性基板201aを配置し、センサー部101とヒータ基板171bとの間に良熱伝導性基板201bを配置した点である。その他の構成は、実施の形態1のセンサーブロック103と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
<< Embodiment 3 >>
A sensor block according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7 are a sectional view and an exploded perspective view of a sensor block according to Embodiment 3 of the present invention. The sensor block of the third embodiment detects gas (hydrogen) using a known limit current detection method. The sensor block 104 of the third embodiment includes a
良熱伝導性基板201a及び201bのサイズは12mm×12mm×0.5mmであり、窒化アルミニウムの焼結体から形成される。窒化アルミニウムの焼結体は、良熱伝導体であり、熱伝導率は170W/m・Kである。熱伝導性基板201a及び201bサイズは、ヒータ基板171a及び171bと同じであり、センサー部101のサイズ(10mm×10mm)より大きい。良熱伝導性基板201aは、ヒータ基板171a及びセラミックス基板113aとは接合されておらず、密接している。熱伝導性基板201bは、ヒータ基板171b及びセラミックス基板113bとは接合されておらず、密接している。
The size of the good heat conductive substrates 201a and 201b is 12 mm × 12 mm × 0.5 mm, and is formed from a sintered body of aluminum nitride. The sintered body of aluminum nitride is a good thermal conductor and has a thermal conductivity of 170 W / m · K. The sizes of the thermally conductive substrates 201a and 201b are the same as the
実施の形態3のセンサーブロック104について、実施の形態1と同様、固体電解質基板110の角部の温度を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は2℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
For the sensor block 104 of the third embodiment, the temperature of the corner portion of the
また、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差(固体電解質基板110に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板110の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度(制御温度)との差)は、15℃±3℃程度だった。従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が30℃程度であったのと比較して、半分まで改善できた。
Further, the temperature difference between the central portion and the end portion in the same plane of the solid electrolyte substrate 110 (the temperature detected by the thermocouple for temperature measurement attached to the central portion of the surface of the ceramic substrate facing the
実施の形態3のセンサーブロック104では、センサー部101の両側に固体電解質基板110よりも大きいサイズを有する良熱伝導性基板201a及び201bとヒータ基板171a及び171bとを密接させた。ヒータ基板171aとヒータ基板171bとを、固体電解質基板110と同程度の熱膨張係数を有する同一の材料で形成した。このようにセンサーブロック103を構成したので、固体電解質基板110を両面から等しく加熱することができ、温度の空間分布を、従来に比べてより均一にすることができた。ヒータ基板から、良熱伝導性基板を介してセンサー部の表面全体を加熱することができた。
In the sensor block 104 of the third embodiment, the good thermal conductive substrates 201a and 201b having a size larger than the
良熱伝導性基板201a及び201bの熱伝導率は、セラミックス基板113a及び113b(実施の形態3ではフォルステライト基板であり、熱伝導率は4W/m・K)の熱伝導率より大きいほどヒータ基板171a及び171bからの熱をセンサー部101へ効率よく伝導できる。現実的には、良熱伝導性基板の熱伝導率は20W/m・K以上であれば良い。良熱伝導性基板201a及び201bとして、アルミナセラミックス基板(熱伝導率:23W/m・K)を用いた場合にも十分な効果を奏することが確認されている。この他、アルミナ或いはアルミナを主成分とするセラミックス、ベリリア、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックス材料や、アルミニウム、銅、銀などの金属材料及び高品質グラファイト・シートなどの材料から良熱伝導性基板201a及び201bを形成しても良い。
The heat conductivity of the good heat conductive substrates 201a and 201b is larger than that of the
セラミックス基板113a及び113bの熱膨張係数を固体電解質基板110のそれに対して±10%以内とし、ヒータ基板171a及び171b、良熱伝導性基板201a及び201bとセンサー部101とを互いに接合しない(密接させる)ので、接着剤116及び117の焼成時又はセンサー部101の昇温/降温時に固体電解質基板110が破壊しない。
実施の形態3のセンサーブロック104は、実施の形態1のセンサーブロック101よりも、固体電解質基板110内の温度分布を均一にできるので、精度が高いガスセンサー及びガス濃度検出装置を実現できる。
The thermal expansion coefficients of the
Since the sensor block 104 of the third embodiment can make the temperature distribution in the
図6においては、ヒータ基板171a、171b及び良熱伝導性基板201a、201bの大きさが、固体電解質基板110、セラミック基板113a、113bよりも大きかった。この構成に代えて、良熱伝導性基板201a、201bの大きさを固体電解質基板110、セラミック基板113a、113bよりも大きくし、ヒータ基板171a、171bの大きさを固体電解質基板110、セラミック基板113a、113bと同一にしても良い。但し、図6の構成の方が、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差を小さくするために好ましい。
ヒータ基板171a、171bの大きさが良熱伝導性基板201a、201bより大きくても良い。
In FIG. 6, the
The size of the
《実施の形態4》
図8を用いて、本発明の実施の形態4のセンサーブロックを説明する。図8は、本発明の実施の形態4のセンサーブロックの断面図である。実施の形態4のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス(水素)を検出する。実施の形態4のセンサーブロック105は、上下連通した良熱伝導性基板251、センサー部101(実施の形態1のセンサー部)、発熱体172bを有するヒータ基板171bを有する。実施の形態1のセンサーブロック103(図4)と異なる点は、センサー部101とヒータ基板171bとの間に上下連通した良熱伝導性基板251を配置し、ヒータ基板171aを取り除いた点である。その他の構成は、実施の形態1のセンサーブロック103と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
<< Embodiment 4 >>
A sensor block according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of a sensor block according to Embodiment 4 of the present invention. The sensor block of Embodiment 4 detects gas (hydrogen) using a known limit current detection method. The sensor block 105 according to the fourth embodiment includes a
良熱伝導性基板251は、U字型の形状をしており、センサー部101の上面及び下面に密接して配設される。良熱伝導性基板251の外側(実施の形態4では、アノード電極膜112側)に、発熱体172bを有するヒータ基板171bが密接して取り付けられている。良熱伝導性基板251は、厚み0.5mmの金属アルミニウム基板(熱伝導率:236W/m・K)から形成される。
良熱伝導性基板251のアノード電極膜112及びカソード電極膜111と平行なそれぞれの面及びヒータ基板171bの大きさは、固体電解質基板110、セラミックス基板113a及び113bよりも大きい。
The good thermal conductive substrate 251 has a U-shape and is disposed in close contact with the upper and lower surfaces of the
The surfaces of the good thermal conductive substrate 251 parallel to the
実施の形態4のセンサーブロック105について、実施の形態1と同様、固体電解質基板110の角部の温度を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は約30℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。即ち、ヒータ基板が固体電解質基板110に対して1つの面にしか取り付けられていないものの、ヒータ基板171bからの熱を良熱伝導性基板251を介して、固体電解質基板110のもう一つの面に伝えることができた。固体電解質基板110同一面内の中央部と端部の温度差は、従来に比べ、若干改善された。
For the sensor block 105 of the fourth embodiment, the temperature of the corner portion of the
実施の形態4のセンサーブロック105は、簡素な構成で、固体電解質基板110内の温度分布をある程度小さくできる。センサーブロック105は、高精度なガスセンサー及びガス濃度測定装置には使用できないが、検出ガスの有無の判定など、厳しい測定精度が要求されないガスセンサー及びガス濃度測定装置を簡易な構成で実現できる。
図8において、ヒータ基板171bを取り外し、ヒータ基板171aを設けても良い。良熱伝導性基板251は、センサー部101とヒータ基板171aとの間に配置される。
The sensor block 105 of the fourth embodiment has a simple configuration and can reduce the temperature distribution in the
In FIG. 8, the
《実施の形態5》
図9を用いて、本発明の実施の形態5のセンサーブロックを説明する。図9は、本発明の実施の形態5のセンサーブロックの断面図である。実施の形態5のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス(水素)を検出する。実施の形態5のセンサーブロック106は、上下連通した良熱伝導性基板264、良熱伝導性基板201a、センサー部101(実施の形態1のセンサー部)、良熱伝導性基板201b、発熱体172bを有するヒータ基板171bを有する。
<< Embodiment 5 >>
The sensor block according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a sectional view of a sensor block according to the fifth embodiment of the present invention. The sensor block of Embodiment 5 detects gas (hydrogen) using a known limit current detection method. The sensor block 106 according to the fifth embodiment includes a good heat conductive substrate 264, a good heat conductive substrate 201a, a sensor unit 101 (a sensor unit according to the first embodiment), a good heat conductive substrate 201b, and a
実施の形態3のセンサーブロック104(図6)と異なる点は、良熱伝導性基板201bとヒータ基板171bとの間に上下連通した良熱伝導性基板264を配置し、ヒータ基板171aを取り除いた点である。その他の構成は、実施の形態3のセンサーブロック104と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
A difference from the sensor block 104 (FIG. 6) of the third embodiment is that a good heat conductive substrate 264 communicated with the good heat conductive substrate 201b and the
良熱伝導性基板264は、U字型の形状をしており、良熱伝導性基板201a及び201bの外側に密接して配設される。良熱伝導性基板264の外側(実施の形態5では、アノード電極膜112側)に、発熱体172bを有するヒータ基板171bが密接して取り付けられている。良熱伝導性基板264は、厚み0.5mmの金属アルミニウム基板(熱伝導率:236W/m・K)から形成される。
良熱伝導性基板264のアノード電極膜112及びカソード電極膜111と平行なそれぞれの面、ヒータ基板171b、良熱伝導性基板201a及び201bの大きさは、固体電解質基板110、セラミックス基板113a及び113bよりも大きい。
The good heat conductive substrate 264 has a U-shape and is disposed in close contact with the outside of the good heat conductive substrates 201a and 201b. A
The surfaces of the good heat conductive substrate 264 parallel to the
実施の形態5のセンサーブロック106について、実施の形態1と同様、固体電解質基板110の角部の温度を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は約30℃以内(実施の形態4と同程度)だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、改善できた。即ち、ヒータ基板が固体電解質基板110に対して1つの面にしか取り付けられていないものの、ヒータ基板171bからの熱を良熱伝導性基板264を介して、固体電解質基板110のもう一つの面に伝えることができた。
For the sensor block 106 of the fifth embodiment, as in the first embodiment, the temperature of the corner portion of the
また、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差(固体電解質基板110に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板110の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度(制御温度)との差)は、25℃程度だった。従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が30℃程度であったのと比較して、改善できた。
実施の形態5のセンサーブロック106は、簡素な構成で、固体電解質基板110内の温度分布をある程度小さくできる。実施の形態5のセンサーブロック106は、簡素な構成で、固体電解質基板110内の温度分布をある程度小さくできる。センサーブロック106は、高精度なガスセンサー及びガス濃度測定装置には使用できないが、検出ガスの有無の判定など、厳しい測定精度が要求されないガスセンサー及びガス濃度測定装置を簡易な構成で実現できる。
図9において、ヒータ基板171bを取り外し、ヒータ基板171aを設けても良い。良熱伝導性基板264は、良熱伝導性基板201aとヒータ基板171aとの間に配置される。
Further, the temperature difference between the central portion and the end portion in the same plane of the solid electrolyte substrate 110 (the temperature detected by the thermocouple for temperature measurement attached to the central portion of the surface of the ceramic substrate facing the
The sensor block 106 according to the fifth embodiment has a simple configuration and can reduce the temperature distribution in the
In FIG. 9, the
《実施の形態6》
図10を用いて、本発明の実施の形態6の発熱体を説明する。図10は、本発明の実施の形態6の発熱体の斜視図である。発熱体301は、鉄−クロム系薄板材料(実施の形態6では、厚み0.05mmの、日本金属工業(株)製 金属箔No.4Lである。)から渦巻き状形成される。渦巻きの間隔は、内側ほど広い(間隔303、304、305の順に広くなる)。発熱体の両端にそれぞれ、リード線接続用の幅広の端子部306及び端子部307が設けられている。この発熱体301をヒータ基板の表面に取り付けることにより、ヒータ基板自体において、その表面温度が中心部より周辺部の方が高くなる。端子部306及び端子部307は、発熱体301に対して90度の角度で曲げられ、ヒータ基板の開孔部(図示しない)に挿入される。発熱体301をヒータ基板に密着させ、端子部306−端子部307間に電力を供給すると、固体電解質基板110の周辺部と中央部の温度差がより少ないセンサーブロックが実現できる。
<< Embodiment 6 >>
A heating element according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view of a heating element according to the sixth embodiment of the present invention. The heating element 301 is formed in a spiral shape from an iron-chromium thin plate material (in the sixth embodiment, it is a metal foil No. 4L made by Nippon Metal Industry Co., Ltd. having a thickness of 0.05 mm). The interval between the spirals is wider toward the inner side (in the order of
実施の形態3のセンサーブロック104(図6)の発熱体172a及び172bを発熱体301に代えたセンサーブロックを作成し、実施の形態1と同様、固体電解質基板110の角部の温度を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は2℃以内だった(実施の形態3と同程度)。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
A sensor block is created by replacing the
また、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差(固体電解質基板110に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板110の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度(制御温度)との差)は、5℃〜10℃程度だった。従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が30℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
Further, the temperature difference between the central portion and the end portion in the same plane of the solid electrolyte substrate 110 (the temperature detected by the thermocouple for temperature measurement attached to the central portion of the surface of the ceramic substrate facing the
実施の形態6の発熱体301を用いたセンサーブロックでは、固体電解質基板に形成した電極膜のほぼ全域の温度のバラツキを5℃以内とすること可能である。固体電解質基板110の加熱温度の低温化が可能である。従って、プロトンの伝導面積が広く、検出感度が高く、測定値の長期安定性が確保できるガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
In the sensor block using the heating element 301 according to the sixth embodiment, it is possible to keep the temperature variation of almost the entire region of the electrode film formed on the solid electrolyte substrate within 5 ° C. The heating temperature of the
《実施の形態7》
図11を用いて、本発明の実施の形態7の良熱伝導性基板を説明する。図11は、本発明の実施の形態7の良熱伝導性基板の斜視図である。良熱伝導性基板350は、良熱伝導性基板351及び352から構成される。良熱伝導性基板351のサイズは12mm×12mm×0.5mmであり、窒化アルミニウムから形成される。良熱伝導性基板351は、中央に5mm×5mmの開孔部を有する。良熱伝導性基板352は、純度96%のアルミナから形成され、良熱伝導性基板351の開孔部とほぼ同じサイズを有する。良熱伝導性基板351の方が良熱伝導性基板352より熱伝導率が大きい。
<< Embodiment 7 >>
A good heat conductive substrate according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a perspective view of a good heat conductive substrate according to the seventh embodiment of the present invention. The good heat conductive substrate 350 is composed of good heat conductive substrates 351 and 352. The size of the good heat conductive substrate 351 is 12 mm × 12 mm × 0.5 mm, and is made of aluminum nitride. The good heat conductive substrate 351 has an opening of 5 mm × 5 mm in the center. The good heat conductive substrate 352 is made of alumina having a purity of 96%, and has almost the same size as the opening portion of the good heat conductive substrate 351. The good thermal conductivity substrate 351 has a higher thermal conductivity than the good thermal conductivity substrate 352.
実施の形態3のセンサーブロック104(図6)の良熱伝導性基板201a及び201bに代え、良熱伝導性基板350を使用したセンサーブロックを作成し、実施の形態1と同様、固体電解質基板110の角部の温度を350℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板113a及び113bの電極膜側の中央部の温度差は2℃〜3℃以内だった(実施の形態3より若干大きい)。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例1のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が40℃〜50℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
Instead of the good heat conductive substrates 201a and 201b of the sensor block 104 (FIG. 6) of the third embodiment, a sensor block using the good heat conductive substrate 350 is created, and the
また、固体電解質基板110の同一面内の中央部と端部との温度差(固体電解質基板110に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板110の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度(制御温度)との差)は、ややばらつくものの10℃程度だった。従来例2の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が30℃程度であったのと比較して、改善できた。
Further, the temperature difference between the central portion and the end portion in the same plane of the solid electrolyte substrate 110 (the temperature detected by the thermocouple for temperature measurement attached to the central portion of the surface of the ceramic substrate facing the
実施の形態7の良熱伝導性基板350を用いたセンサーブロックでは、固体電解質基板に形成した電極膜のほぼ全域の温度のバラツキを従来に比べて小さくすること可能である。固体電解質基板の加熱温度の低温化が可能である。従って、プロトンの伝導面積が広く、検出感度が高く、測定値の長期安定性が確保できるガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。 In the sensor block using the highly heat conductive substrate 350 according to the seventh embodiment, it is possible to reduce the temperature variation in almost the entire region of the electrode film formed on the solid electrolyte substrate as compared with the conventional case. The heating temperature of the solid electrolyte substrate can be lowered. Therefore, it is possible to realize a gas sensor and a gas concentration measuring device that have a wide proton conduction area, high detection sensitivity, and can ensure long-term stability of measurement values.
《実施の形態8》
図12〜図15を用いて、本発明の実施の形態8のガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置(水素ガス濃度測定装置である。)を説明する。
図12は、本発明の実施の形態8のガス濃度測定装置の構成を示すブロック図である。ガス濃度測定装置109は、センサー構造体108、温度制御部121、電圧制御部122、電流検出部123及びガス濃度算出部124を有する。センサー構造体108は、センサーモジュール107を有する。
<< Embodiment 8 >>
A gas sensor structure and a gas concentration measurement device (a hydrogen gas concentration measurement device) according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the gas concentration measuring apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. The gas concentration measuring device 109 includes a sensor structure 108, a
図13は、本発明の実施の形態8のセンサーモジュールの断面図である。センサーモジュール107は、センサーブロック104(実施の形態3のセンサーブロック。図6参照)を保温材411〜417で覆った構成を有する。保温材411〜417は、マイカ材から形成される。センサーブロック104のガス拡散律速孔114及びガス流通孔115側には、ガス出入り口421が形成されている。
FIG. 13 is a cross-sectional view of the sensor module according to the eighth embodiment of the present invention. The sensor module 107 has a configuration in which the sensor block 104 (the sensor block according to the third embodiment, see FIG. 6) is covered with heat insulating materials 411 to 417. The heat insulating materials 411 to 417 are formed from mica materials. A gas inlet / outlet port 421 is formed on the gas diffusion
センサーモジュール107は、センサー構造体108のセンサー取り付け部材513に取り付けられる。図14は、本発明の実施の形態8のセンサーモジュール取り付け部材の断面図である。センサー取り付け部材513は、マシーナブルセラミックス(コーニング社製マコール)で形成される。センサー取り付け部材513は、その先端部に複数のネジ穴514を有する。 The sensor module 107 is attached to the sensor attachment member 513 of the sensor structure 108. FIG. 14 is a cross-sectional view of a sensor module mounting member according to Embodiment 8 of the present invention. The sensor mounting member 513 is made of machinable ceramics (Morcol manufactured by Corning). The sensor attachment member 513 has a plurality of screw holes 514 at the tip.
センサーモジュール107の周辺部には、ネジ穴514と同数の開孔部が設けられている。センサーモジュール107は、その開孔部に挿入されたセンサーモジュール支持体519によって、センサー取り付け部材513に固定される。具体的には、始めにセンサーモジュール支持体519が、センサー取り付け部材513のネジ穴514にネジ520で固定された後、センサーモジュール107がセンサーモジュール支持体519に嵌め込まれる。最後に、耐熱性バネ515をセンサーモジュール支持体519の先端(ネジ520と反対側の端)に嵌め、耐熱性バネ515を圧縮した状態でE−リング516をセンサーモジュール支持体519の先端の溝に挿入する。このようにして、センサーモジュール107をセンサー取り付け部材513に固定した。センサーモジュール支持体519のネジ520の上部には、他の部分より太く、センサーモジュール107の周辺部の開孔部より径が大きな間隔形成部512が形成されているので、センサーモジュール107とセンサー取り付け部材513との間が所定の間隔に保たれる。この構成により、センサーモジュール107から発生する熱が、センサー取り付け部材513に伝わりにくくなる。 In the periphery of the sensor module 107, the same number of openings as the screw holes 514 are provided. The sensor module 107 is fixed to the sensor mounting member 513 by a sensor module support 519 inserted in the opening. Specifically, first, the sensor module support 519 is fixed to the screw hole 514 of the sensor attachment member 513 with the screw 520, and then the sensor module 107 is fitted into the sensor module support 519. Finally, the heat-resistant spring 515 is fitted to the tip of the sensor module support 519 (the end opposite to the screw 520), and the E-ring 516 is compressed in the groove at the tip of the sensor module support 519 with the heat-resistant spring 515 compressed. Insert into. In this way, the sensor module 107 was fixed to the sensor attachment member 513. A gap forming portion 512 that is thicker than the other portions and larger in diameter than the peripheral opening portion of the sensor module 107 is formed on the upper portion of the screw 520 of the sensor module support 519. A predetermined distance is maintained between the member 513 and the member 513. With this configuration, heat generated from the sensor module 107 is not easily transmitted to the sensor mounting member 513.
517は、センサーモジュール107及びセンサーモジュール支持体519全体を覆う防爆キャップである。防爆キャップ517は、微細な金属粉末を焼結した多孔質材料(SUSの微粉末)から形成される。防爆キャップ517は、測定ガス流速の変動による測定値の変動を緩和する機能、センサー部を保護する機能及び防爆機能を有する。測定ガスは防爆キャップ517を透過する。 Reference numeral 517 denotes an explosion-proof cap that covers the entire sensor module 107 and the sensor module support 519. The explosion-proof cap 517 is formed of a porous material (SUS fine powder) obtained by sintering fine metal powder. The explosion-proof cap 517 has a function of mitigating fluctuations in measured values due to fluctuations in the measurement gas flow rate, a function of protecting the sensor unit, and an explosion-proof function. The measurement gas passes through the explosion-proof cap 517.
518は、複数の貫通孔を有するセラミックス製の耐熱性絶縁管である。それぞれの貫通孔に、センサーモジュール107から導出されるヒータ基板171a及び171b、固体電解質基板110の温度制御用熱電対(図示しない)、固体電解質基板110のアノード電極膜112及びカソード電極膜111に接続されたリード線がそれぞれ挿入される。耐熱性絶縁管518は、各リード線を保護しリード線間を絶縁する。これらのリード線をまとめて、「リード線692」と表記する。
Reference numeral 518 denotes a ceramic heat-resistant insulating tube having a plurality of through holes. The
図15は、本発明の実施の形態8のガスセンサー構造体全体の断面図である。621は、センサー取り付け部材513を取り付ける金属ベース部材である。金属ベース部材621はキャップ622に嵌め込まれる。キャップ622は、リード線保護キャップ624に嵌め込まれる。センサー構造体108全体は、測定部外壁652の貫通孔にネジ止めされる。 FIG. 15 is a sectional view of the entire gas sensor structure according to the eighth embodiment of the present invention. Reference numeral 621 denotes a metal base member to which the sensor attachment member 513 is attached. The metal base member 621 is fitted into the cap 622. The cap 622 is fitted into the lead wire protection cap 624. The entire sensor structure 108 is screwed to the through hole of the measurement unit outer wall 652.
センサーモジュールに接続されたリード線692は、耐熱性絶縁管518に挿入され、更に絶縁性チューブ654に挿入され、、電極ピン651に接続される。ケーブル694中の外部リード線693と電極ピン651とは、重ねスリーブ圧接部655において圧着接続される。 The lead wire 692 connected to the sensor module is inserted into the heat resistant insulating tube 518, further inserted into the insulating tube 654, and connected to the electrode pin 651. The external lead wire 693 and the electrode pin 651 in the cable 694 are crimped and connected at the overlapping sleeve press contact portion 655.
金属ベース部材621と測定部外壁652との間にはOリング671が挿入される。気密端子板623に電極ピン651がOリング673を介して取り付けられる。気密端子板623は、金属ベース部材621の先端にOリング672を介して取り付けられる。センサー構造体108の測定部外壁652の内側のガスと外側の空気とが接する部分においては、Oリング671、672及び673が締め付けられるように構成されている。従って、センサー構造体108内部と外部との気密性が保たれる。従って、センサー構造体108は、可燃性ガス(例えば、プロパンガス又は天然ガス)、爆発性ガス(例えば、水素ガス)又は有毒性ガス(例えば、一酸化炭素ガス)のガス濃度測定装置のセンサー構造体として有効である。なお、Oリング671を取り除き、金属ベース部材621をテーパーネジで測定部外壁652へ取り付け、接続部分にテフロン(登録商標)製のガスシールテープを巻き付けガスシールする構成としても良い。 An O-ring 671 is inserted between the metal base member 621 and the measurement unit outer wall 652. Electrode pins 651 are attached to the hermetic terminal plate 623 via O-rings 673. The hermetic terminal plate 623 is attached to the tip of the metal base member 621 via an O-ring 672. O-rings 671, 672, and 673 are configured to be tightened at a portion where the gas inside the measurement unit outer wall 652 of the sensor structure 108 contacts the air outside. Accordingly, the airtightness between the inside and outside of the sensor structure 108 is maintained. Therefore, the sensor structure 108 is a sensor structure of a gas concentration measuring device for combustible gas (for example, propane gas or natural gas), explosive gas (for example, hydrogen gas) or toxic gas (for example, carbon monoxide gas). It is effective as a body. The O-ring 671 may be removed, the metal base member 621 may be attached to the measurement unit outer wall 652 with a taper screw, and a gas seal tape made of Teflon (registered trademark) may be wound around the connection portion to perform gas sealing.
図12に戻って説明する。温度制御部121は固体電解質基板110に取り付けた温度制御用熱電対の出力信号を入力し、発熱体172a及び172bへ流れる電流を調整し、固体電解質基板110の温度を所定値(例えば、350℃)に制御する。電圧制御部122は、アノード電極膜112とカソード電極膜111との間に所定の電圧を印加する。電流検出部123は、アノード電極膜112とカソード電極膜111との間に流れる電流を検出する。ガス濃度算出部は、電流検出部123が検出した電流に基づき、測定ガスのガス濃度を算出する。
ガス濃度測定装置は、ガス濃度の値をディスプレイ上に表示しても良く、又はガス濃度が所定の閾値を超えたならば、警告ランプを点灯し、警告ブザーを鳴らしても良い。又、ガス濃度測定装置は、有線又は無線通信により、ホスト機器(例えばコンピュータ)にガス濃度の情報及び/又はガス濃度が所定の閾値を超えたという情報を送っても良い。
Returning to FIG. The
The gas concentration measuring device may display the value of the gas concentration on the display, or if the gas concentration exceeds a predetermined threshold value, it may turn on a warning lamp and sound a warning buzzer. Further, the gas concentration measuring device may send information on the gas concentration and / or information that the gas concentration has exceeded a predetermined threshold to a host device (for example, a computer) by wired or wireless communication.
なお、センサーブロック104に代え実施の形態1〜実施の形態7で説明したセンサーブロックを使用しても良い。 In place of the sensor block 104, the sensor block described in the first to seventh embodiments may be used.
なお、セラミックス基板113a、113b、153a及び153bとしてフォルステライト基板を用いたが、耐熱性を有し且つ熱膨張係数が固体電解質基板のそれに対して±20%以内の材料であれば良い。ヒータ基板171a、171bにマイカ板を用いたが、耐熱性があり電気的絶縁性を有する材料であれば良い。
Although forsterite substrates are used as the
本発明の実施の形態の固体電解質型ガスセンサーは、水素ガスセンサーであった。本発明は、これに限らず固体電解質材料又はガス拡散律速孔のサイズを調整することにより、固体電解質で検知できるその他のガス(例えば、酸素ガス、炭化水素ガス)、又は湿度等のセンサーにも適用できる。例えば酸素ガスセンサーの場合、実施の形態におけるアノード電極膜112はカソード電極膜、カソード電極膜111はアノード電極膜として機能する。
The solid electrolyte gas sensor according to the embodiment of the present invention is a hydrogen gas sensor. The present invention is not limited to this, but by adjusting the size of the solid electrolyte material or the gas diffusion rate controlling hole, it can also be applied to other gases (for example, oxygen gas, hydrocarbon gas) that can be detected by the solid electrolyte, or sensors such as humidity. Applicable. For example, in the case of an oxygen gas sensor, the
本発明によれば、固体電解質基板の両面を均一に加熱制御できるので、ガス濃度を安定して連続測定できる、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。本発明の、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置は、連続したガス流量中のガス濃度の連続測定に有用である。 According to the present invention, since both surfaces of the solid electrolyte substrate can be uniformly heated and controlled, it is possible to realize a solid electrolyte gas sensor and a gas concentration measuring apparatus capable of continuously measuring gas concentration stably. The solid electrolyte type gas sensor and gas concentration measuring apparatus of the present invention are useful for continuous measurement of gas concentration in a continuous gas flow rate.
固体電解質基板を、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物イオン伝導性のペロブスカイト型セラミックスで形成した場合、還元性ガス中の水素濃度を連続して測定できる、水素ガスセンサー及び水素ガス濃度測定装置を実現できる。このような水素ガスセンサーは、天然ガスを一定燃焼カロリーで燃焼させる必要がある発電システムにおいて、天然ガス中の水素ガス濃度の測定値を用い、総燃焼カロリーを算出し、天然ガスの供給バルブを自動制御するためのガスセンサーとして有用である。燃料電池用ガス中の水素ガス濃度の連続計測にも有効な手段となる。 Hydrogen gas sensor and hydrogen gas concentration measuring device that can continuously measure the hydrogen concentration in the reducing gas when the solid electrolyte substrate is made of perovskite ceramics with barium, zirconium, cerium, indium oxide ion conductivity Can be realized. Such a hydrogen gas sensor uses a measured value of the hydrogen gas concentration in the natural gas to calculate the total combustion calorie in a power generation system that needs to burn natural gas with a constant combustion calorie. It is useful as a gas sensor for automatic control. This is also an effective means for continuous measurement of the hydrogen gas concentration in the fuel cell gas.
本発明によれば、固体電解質基板の中央部と周辺部の温度差を小さく制御できる。即ちアノード電極及びカソード電極の大部分がプロトン伝導に寄与できる。従って、感度が高く、ガス濃度検出範囲が広く、固体電解質基板の加熱温度が比較的低い、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。 According to the present invention, the temperature difference between the central portion and the peripheral portion of the solid electrolyte substrate can be controlled to be small. That is, most of the anode electrode and cathode electrode can contribute to proton conduction. Therefore, it is possible to realize a solid electrolyte type gas sensor and a gas concentration measuring device with high sensitivity, a wide gas concentration detection range, and a relatively low heating temperature of the solid electrolyte substrate.
本発明の固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置は、例えば高精度なガス濃度測定を行う必要があるシステムの固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置として有用である。 The solid electrolyte type gas sensor and gas concentration measuring device of the present invention are useful as a solid electrolyte type gas sensor and gas concentration measuring device of a system that needs to perform highly accurate gas concentration measurement, for example.
101、102 センサー部
103、104、105、106 センサーブロック
107 センサーモジュール
108 センサー構造体
109 ガス濃度測定装置
110 固体電解質基板
111 カソード電極膜
112 アノード電極膜
113a、113b、153a、153b セラミックス基板
114、156 ガス拡散律速孔
115、157 ガス流通孔
116、117、154、155 接着剤
118、119 電極端子部
121 温度制御部
122 電圧制御部
123 電流検出部
124 ガス濃度算出部
171a、171b ヒータ基板
172a、172b、301 発熱体
201a、201b、350、351、352 良熱伝導性基板
251、264 上下連通した良熱伝導性基板
303、304、305 間隔
306、307 端子
411、412、413、414、415、416、417 保温材
421 ガス出入り口
512 間隔形成部
513 センサー取り付け部材
514 ネジ穴
515 耐熱性バネ
516 E−リング
517 防爆キャップ
518 耐熱性絶縁管
519 センサーモジュール支持体
520 ネジ
621 金属ベース部材
622 キャップ
623 気密端子板
624 リード線保護キャップ
651 電極ピン
652 測定部外壁
654 絶縁性チューブ
655 重ねスリーブ圧接部
671、672、673 Oリング
692 リード線
693 外部リード線
694 ケーブル
711 固体電解質基板
712 セラミックス基板
713 補助基板
714 発熱体
721 アノード電極膜
722 カソード電極膜
723、724 無機系接着剤
725 ガス拡散律速孔
726 アノード電極室
751 センサー部
752 平坦部
753 セラミックス製円柱
754 リード線
755 金属製のフタ
761 金属製のケース
762 金属製のカン
763 通気孔
765 外部リード線
811 固体電解質
812 検知極
813 基準極
814 パネル型ヒータ
821 発熱体
822 集電電極
823 ヒータリード線
824 リード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101,102 Sensor part 103,104,105,106 Sensor block 107 Sensor module 108 Sensor structure 109 Gas concentration measuring apparatus 110 Solid electrolyte substrate 111 Cathode electrode film 112 Anode electrode film 113a, 113b, 153a, 153b Ceramic substrate 114, 156 Gas diffusion rate controlling hole 115, 157 Gas flow hole 116, 117, 154, 155 Adhesive 118, 119 Electrode terminal part 121 Temperature control part 122 Voltage control part 123 Current detection part 124 Gas concentration calculation part 171a, 171b Heater substrate 172a, 172b , 301 Heating elements 201a, 201b, 350, 351, 352 Good thermal conductive substrates 251, 264 Good thermal conductive substrates in vertical communication 303, 304, 305 Spacing 306, 307 Terminals 411 412, 413, 414, 415, 416, 417 Heat insulating material 421 Gas inlet / outlet 512 Interval forming portion 513 Sensor mounting member 514 Screw hole 515 Heat resistant spring 516 E-ring 517 Explosion-proof cap 518 Heat resistant insulating tube 519 Sensor module support 520 Screw 621 Metal base member 622 Cap 623 Airtight terminal plate 624 Lead wire protection cap 651 Electrode pin 652 Measurement unit outer wall 654 Insulating tube 655 Overlay sleeve pressure contact portion 671, 672, 673 O-ring 692 Lead wire 693 External lead wire 694 Cable 711 Solid Electrolyte substrate 712 Ceramic substrate 713 Auxiliary substrate 714 Heating element 721 Anode electrode film 722 Cathode electrode film 723, 724 Inorganic adhesive 725 Gas diffusion rate limiting hole 726 Ano Electrode chamber 751 Sensor portion 752 Flat portion 753 Ceramic cylinder 754 Lead wire 755 Metal lid 761 Metal case 762 Metal can 763 Vent hole 765 External lead wire 811 Solid electrolyte 812 Detection electrode 813 Reference electrode 814 Panel type Heater 821 Heating element 822 Current collecting electrode 823 Heater lead wire 824 Lead wire
Claims (20)
前記固体電解質基板の第1の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス拡散律速孔を形成するガス拡散律速部形成基板と、
前記固体電解質基板の第2の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス流通孔を形成するガス流通部形成基板と、を有し、
前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板がセラミックス基板又は多孔質基板であることを特徴とする限界電流式の固体電解質型ガスセンサー。 A solid electrolyte substrate having a pair of electrode films formed on both sides;
A gas diffusion rate-limiting part forming substrate that forms a gas diffusion rate-limiting hole, at least a part of which is bonded directly to the first surface of the solid electrolyte substrate or via another member disposed on the outer periphery of the electrode film;
A gas flow-portion forming substrate that forms a gas flow hole, at least a part of which is bonded to the second surface of the solid electrolyte substrate directly or via another member disposed on the outer periphery of the electrode film. ,
A limiting current type solid electrolyte gas sensor, wherein the gas diffusion rate controlling part forming substrate and the gas flow part forming substrate are a ceramic substrate or a porous substrate.
前記第1及び第2の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項3に記載の固体電解質型ガスセンサー。 A first heat-conductive substrate disposed in close contact with the upper and lower substrates between the gas diffusion rate controlling portion forming substrate and the heater substrate; and between the gas flow portion forming substrate and the heater substrate. And a second good heat conductive substrate disposed in close contact with the upper and lower substrates,
4. The solid electrolyte according to claim 3, wherein the thermal conductivity of the first and second good thermal conductive substrates is larger than the thermal conductivity of the gas diffusion rate-limiting part forming substrate and the gas flow part forming substrate. Type gas sensor.
前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第2の良熱伝導性基板と、
前記第1の良熱伝導性基板の前記ガス拡散律速部形成基板と対向しない側の面と、前記第2の良熱伝導性基板の前記ガス流通部形成基板と対向しない側の面と、にそれぞれ密接して連通する第3の良熱伝導性基板と、
前記第3の良熱伝導性基板の外側の前記第1の面又は前記第2の面と平行な面に密接して配置された面状のヒータ基板と、
を更に有し、
前記第1の良熱伝導性基板、第2の良熱伝導性基板及び第3の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型ガスセンサー。 A first good thermal conductive substrate disposed in close contact with a surface of the gas diffusion rate limiting portion forming substrate that is not opposed to the solid electrolyte substrate;
A second heat-conductive substrate disposed in close contact with the surface of the gas flow part forming substrate that is not opposed to the solid electrolyte substrate;
The surface of the first good heat conductive substrate on the side not facing the gas diffusion rate limiting portion forming substrate and the surface of the second good heat conductive substrate on the side not facing the gas flow portion forming substrate. A third good thermal conductive substrate in close communication with each other;
A planar heater substrate disposed in close contact with the first surface or the surface parallel to the second surface outside the third good thermal conductivity substrate;
Further comprising
The thermal conductivity of the first good thermal conductivity substrate, the second good thermal conductivity substrate, and the third good thermal conductivity substrate is the thermal conductivity of the gas diffusion rate controlling portion forming substrate and the gas flow portion forming substrate. The solid oxide gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is larger.
ガス拡散律速孔が形成された或いは形成するように、前記アノード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、
ガス流通孔が形成された或いは形成するように、他方のカソード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、
該両多孔質基板或いはセラミックス基板の外側面に前記多孔質基板或いはセラミックス基板より大きいサイズの良熱伝導性基板が配設され、
前記良熱伝導性基板の両外側面に前記良熱伝導性基板と同一サイズかより大きいサイズの面状ヒータが配設されたことを特徴とする固体電解質型水素ガスセンサー。 An anode electrode is formed on one surface of a solid electrolyte substrate made of a ceramic material of proton and oxide ion conductors with barium, cerium, zirconium, and indium oxides, and a cathode electrode is formed on the other surface, respectively.
A porous substrate or a ceramic substrate is joined so as to cover the anode electrode so that a gas diffusion rate controlling hole is formed or formed,
A porous substrate or a ceramic substrate is bonded so as to cover the other cathode electrode so that a gas flow hole is formed or formed,
A good heat conductive substrate having a size larger than the porous substrate or the ceramic substrate is disposed on the outer surface of the both porous substrates or the ceramic substrate,
A solid oxide hydrogen gas sensor, wherein planar heaters having the same size as or larger than the good heat conductive substrate are disposed on both outer side surfaces of the good heat conductive substrate.
前記固体電解質型ガスセンサーを保持し、セラミックス材料から形成され円筒形状の形状を有するセンサー取り付け部材と、
前記固体電解質型ガスセンサー全体を覆う金属製の防爆部材と、
前記センサー取り付け部材一端に取り付けられ、円筒形状を有するステンレス鋼製の金属ベース部材と、
前記金属ベース部材の他端にキャップで取り付けられ、電極ピンを有する気密端子板と、
を有し、
前記固体電解質型ガスセンサーに接続されたリード線が、前記センサー取り付け部材及び前記金属ベース部材の内部空洞を通って前記電極ピンの一端に接続され、
前記電極ピンの他端には外部リード線が接続され、
前記金属ベース部材の外周部とガス濃度検出装置の取り付け面、前記金属ベース部材と前記気密端子板部、及び前記気密端子板と前記電極ピンの挿入部が、それぞれ気密状態で接続されている構造を特徴とする固体電解質型ガスセンサー構造体。 A solid oxide gas sensor according to any one of claims 1 to 17,
A sensor mounting member that holds the solid electrolyte gas sensor and is formed of a ceramic material and has a cylindrical shape;
A metal explosion-proof member covering the entire solid oxide gas sensor;
A metal base member made of stainless steel having a cylindrical shape, attached to one end of the sensor attachment member,
An airtight terminal plate attached with a cap to the other end of the metal base member and having electrode pins;
Have
A lead wire connected to the solid oxide gas sensor is connected to one end of the electrode pin through an internal cavity of the sensor mounting member and the metal base member;
An external lead wire is connected to the other end of the electrode pin,
A structure in which the outer peripheral portion of the metal base member and the mounting surface of the gas concentration detection device, the metal base member and the airtight terminal plate portion, and the airtight terminal plate and the electrode pin insertion portion are connected in an airtight state, respectively. Solid electrolyte type gas sensor structure characterized by the above.
前記固体電解質基板を加熱し、所定の温度に制御する温度制御部と、
前記一対の電極膜の間に所定の電圧を印加する電圧制御部と、
前記一対の電極膜の間に流れる電流を検出する電流検出部と、
少なくとも前記電流検出部が検出した電流からガス濃度を算出するガス濃度算出部と、
を有することを特徴とする、ガス濃度測定装置。 A solid oxide gas sensor according to any one of claims 1 to 17, and
A temperature control unit for heating the solid electrolyte substrate and controlling it to a predetermined temperature;
A voltage controller that applies a predetermined voltage between the pair of electrode films;
A current detection unit for detecting a current flowing between the pair of electrode films;
A gas concentration calculation unit for calculating a gas concentration from at least the current detected by the current detection unit;
A gas concentration measuring device comprising:
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