JP2006162491A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】結露のほかセンサに液水が浸入し凍結した場合でも、応答性を損なわずに圧力検出が可能な圧力センサを提供する。
【解決手段】センサ素子１３の被測定流体２側の受圧面１３ａを柔軟体１７で覆って密封し、前記センサ素子受圧面１３ａと柔軟体１７との間に不凍剤１８を充填した。
【選択図】図１

Description

本発明は、凍結対策がなされた圧力センサに関する。

被測定流体に含まれる水分による圧力センサの凍結防止策として、センサを保温あるいは加熱する手段が有効と考えられるが、電力を必要とし、コスト高となる等の理由から、従来から以下のような工夫がされている。
特許文献１に記載のセンサでは、被測定ガスの流路から導圧管によってセンサを遠ざけた位置に設け、導圧管の途中に被測定ガスを凝縮させる箱体を介装し、センサ素子部まで水分が到達しないようにすることで、該素子部では結露し難くしている。
同様な例として、特許文献２に記載のセンサでは、センサを遠ざけてはいないが、導圧路の途中にチェックバルブを設け、高湿ガスの浸入を防ぐことで、センサ素子部での結露を防いでいる。
さらに、特許文献３に記載のセンサでは、センサ素子の受圧面に不凍剤であるシリコーンゲルを塗布し、センサ素子部では結露しない構造としている。
特開平５−２７２３７２ 特開平９−１９５８１３ 特開平５−１１８９４４

しかしながら、特許文献１に記載のセンサでは、導圧管の配設によって被測定ガスの流路からセンサを遠ざけることで圧力検出応答が悪化し、また導圧管や箱体を接続するために、センサも含めそれぞれの構成部品を支持する部材が必要となり、構造が複雑で、部品点数が増大しコスト高となるという問題点があった。
特許文献２に記載のセンサでは、センサへの導圧部の構造が複雑で、部品点数が増大しコスト高となり、またチェックバルブが凍結すれば検出不能に陥る恐れがあるという問題点があった。
特許文献３に記載のセンサでは、構造は比較的コンパクトであるが、不凍剤の塗布量（特許文献３には、不凍剤の塗布量について記述はない）が不十分であったり、結露のほか液水浸入したりするような場合にはセンサは凍結し、また、不凍剤を厚く塗布し過ぎると、かえって検出応答が低下する恐れがあるという問題点があった。

本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、結露のほかセンサに液水が浸入し凍結した場合でも、応答性を損なわずに圧力検出が可能な圧力センサを提供することを目的とする。

このため本発明は、センサ素子の被測定流体側の受圧面を柔軟体で覆って密封し、前記センサ素子受圧面と柔軟体との間に不凍剤を充填する構成とした。

以上の構成によって、結露のほかセンサに液水が浸入し凍結した場合でも、凍結は前記柔軟体の被測定流体と接する側の表面で起こり、センサ素子には被測定流体に含まれていた水分は到達しないため、センサ素子受圧面での凍結が回避される。このため、従来のように、センサ素子受圧面に固着した凍結体の凍結前後の体積変化にともなって、該センサ素子受圧面が伸縮力を受けることが防止され、圧力検出精度の悪化、およびセンサ素子の破損を防止できる。
また、凍結は前記柔軟体の被測定流体と接する側の表面で起こるが、該柔軟体は伸縮可能なため、該柔軟体に固着した凍結体の凍結前後の体積変化にともなう伸縮力を該柔軟体が吸収し、センサ素子受圧面へ伸縮力を与えない。
そして、被測定流体の圧力は、柔軟体および不凍剤を介してそのままセンサ素子受圧面に伝えられるので、凍結発生の如何にかかわらず、高精度の圧力検出が可能となる。

まず、本発明における第一実施形態について説明する。
図１に本実施形態の構成を示す。配管１（被測定流体通路）には被測定ガス２が流れており、該配管１の管壁に円筒状のボス部１ａを設け、該ボス部１ａに、被測定ガス２の圧力を検出する圧力センサ１０が、シール材１２を挟んでねじ締結されている。
前記圧力センサ１０では、ハウジング１１内にセンサ素子１３（ダイアフラム）が、シール材１４を挟んで固定されている。センサ素子１３の受圧面１３ａの背面には、センサ素子１３が検出した信号を処理する処理回路１５が配置され、該処理回路１５と結線されている端子１６は、図示しない外部装置（電源、センサ出力装置）と接続されている。
さらに、柔軟体１７（フッ素系ゴム、あるいはシリコーンゴム）を、前記シール材１４とハウジング１１とで挟持して前記センサ素子１３の受圧面１３ａを覆い、該柔軟体１７、センサ素子１３、シール材１４とで囲まれた空間に、不凍剤１８（シリコーンオイル、あるいはエチレングリコール等の不凍液）が気泡を有することなく充填、密封されている。
上記構成を有した第１実施形態の作用を説明する。
燃料電池システムに圧力センサ１０を装着した例では、システム運転中の被測定ガス２は高温・高湿ガスで、システムが停止すると、配管１も含め温度が低下し、被測定ガス中の水蒸気が凝縮水化する。外気温が零下のときは、さらに凝縮水が凍結に至る。ここで、圧力センサ１０内側の導圧空間２ａ内に凝縮水が浸入し、柔軟体１７の表面で凍結しても、液体から固体に相変化するときの体積膨張、あるいはその後の温度上昇による体積収縮時の伸縮力は、柔軟体１７および不凍剤１８が変形して吸収し、センサ素子１３へは伝わらない。すなわち、圧力センサ１０内で凍結が発生しても、センサ素子１３が押されたり、引っ張られたり、あるいは歪みを生じたりすることはなく、被測定ガス２の圧力検出値に影響を与えることを防止でき、高精度な圧力検出性能を確保できる。
次に、本発明における第二実施形態について説明する。
図２に本実施形態の構成を示す。第一実施形態と同一の構成部は、同一符号を付し、説明を省略する。本実施形態においては、センサ素子の受圧面１３ａに加え、該受圧面１３ａと直交するハウジング１１内周面１１ａの全面を覆って、筒状の柔軟体２０（フッ素系ゴム、あるいはシリコーンゴム）を設ける。該柔軟体２０は、上下の両端にフランジ部２０ａ，２０ｂを形成され、センサ素子１３側のフランジ部２０ａは、シール材１４とハウジング１１との間に狭持し、他端の配管１側は、固定リング２１とハウジング１１との間に挟持している。
第二実施形態では、このような構成により、多量の凝縮水が圧力センサ１０内側の導圧空間２ａに浸入し、この凝縮水が凍結して該導圧空間２ａを塞いだ結果、配管１を流れる被測定ガス２と導圧空間２ａ内の受圧面１３ａを覆う第一の柔軟体１７との接触が遮断されたような場合でも、ハウジング１１内周壁を覆う第二の柔軟体２０の伸縮機能によって導圧空間２ａ内における凍結体（凍結し、導圧空間２ａを塞いだ凝縮水）の動きが許容されるので、この凍結体を介して被測定ガス圧がセンサ素子の受圧面１３ａに伝達され、精度の高い圧力測定が維持できる。
ここで、前記第二の柔軟体２０とハウジング内周壁１１ａとの間の空間は密封状態であれば良いが、この空間にも第二不凍剤２２（シリコーンオイル、あるいはエチレングリコール等の不凍液）を充填させてもよい。
前記第二不凍剤２２を充填しない場合、柔軟体２０に凍結した凍結体が導圧空間２ａ内を動き回りやすくなり、該凍結体の振動によって正確な圧力測定が妨げられ、また、動き回る凍結体によって柔軟体２０が損傷する懸念がある。
これに対し、前記第二不凍剤２２を充填した場合、上記のような懸念はなく、被測定ガス圧をより正確かつ迅速に伝達でき、また、柔軟体２０の損傷も防止できる。
なお、該第二の柔軟体２０を前記第一の柔軟体１７と一体に形成し、さらには、１つの空間に不凍剤を充填するような構成としてもよい。

上記第一実施形態および第二実施形態に共通する構成、作用についてより詳細に説明する。
柔軟体１７，２０のうち、導圧空間２ａへ露出している部位に、ひだ部１７ａ，２０ｃを設ける。すなわち、柔軟体１７，２０が弾性材で形成されていても被測定ガスの圧力や凍結体によって弾性変形した場合には、柔軟体１７，２０に生じる弾性力によって、圧力検出値に影響を与えてしまう。ここで、ひだ部１７ａ，２０ｃを設けて容易に伸縮できる構造とすることで、弾性変形を生じず圧力検出精度を良好に維持できる。ひだ部１７ａ，２０ｃの形状は、柔軟体１７，２０の伸縮量が、凍結体の相変化による伸縮量をカバーする程度の機能を発揮するように形成すれば良い。圧力検出応答をより向上させるためには、不凍剤１８，２２を非圧縮性液体として、圧力伝達速度を向上させるとよい。
また、前記柔軟体１７，２０を肉厚の薄い薄膜体（厚さ１ｍｍ以下が特に望ましい）としてもよい。特にセンサ素子１３の受圧面を覆う柔軟体１７は、厚さが薄いほど圧力検出応答を損なわないが、必要とされる強度や耐久性とのバランスから最適なものを選定すれば良い。

本発明の第一実施形態の構成図 本発明の第二実施形態の構成図

符号の説明

２ 被測定ガス
２ａ 導圧空間
１０ 圧力センサ
１１ ハウジング
１１ａ ハウジング内周壁
１３ センサ素子
１３ａ 受圧面
１７ 柔軟体
１７ａ ひだ部
１８ 不凍剤
２０ 柔軟体
２０ｃ ひだ部
２２ 不凍剤

Claims (7)

1. センサ素子の被測定流体側の受圧面を柔軟体で覆って密封し、前記センサ素子受圧面と柔軟体との間に不凍剤を充填したことを特徴とする圧力センサ。
2. 圧力センサのセンサ素子を保持するハウジングに、被測定流体圧力を前記センサ素子の受圧面に導く筒状の導圧空間が形成され、該導圧空間に面したハウジングの内周壁を第二の柔軟体で覆って密封したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ハウジングの内周壁と第二の柔軟体との間に不凍剤を充填したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記不凍剤は、非圧縮性液体であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記柔軟体は、厚さが１ｍｍ以下の薄膜体であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記柔軟体は、伸縮自在なひだ部を形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記第二の柔軟体は、前記センサ素子の受圧面を覆う柔軟体と一体形成にしたことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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