JP2019158898A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング(3)と、
該ハウジングの軸方向先端側(Z1)に配設された素子カバー(4)と、を備える、ガスセンサ(1)であって、
上記センサ素子は、
該センサ素子の内部に上記被測定ガスが導入される被測定ガス室(241)と、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(20)と、
上記固体電解質体上に設けられた基準電極(213)と、
上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整するポンプセル(211p)を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するポンプ電極(211)と、
上記被測定ガス中の上記ガス濃度に応じた信号を出力するセンサセル(212s)を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するセンサ電極(212)と、
上記固体電解質体に対向配置され、上記固体電解質体を加熱するヒータ(23)と、を備え、
上記素子カバーは、
上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー(5)と、
該インナカバーの外側に空間(41)を空けて配設された有底形状のアウタカバー(6)と、
上記アウタカバー内へ上記被測定ガスを導入するアウタ側面流通孔(611)と、
上記アウタカバー内へ導入された上記被測定ガスを上記インナカバー内へ導入するインナ側面流通孔(511)と、
上記アウタカバーの上記軸方向先端側の底面(62)に設けられたアウタ底面流通孔(621)と、
上記インナカバーの上記軸方向先端側の底面(52)に設けられたインナ底面流通孔(521)と、を備え、
上記ポンプ電極は、上記センサ電極よりも上記センサ素子の上記軸方向先端側に形成されており、
上記ガスセンサの上記軸方向において、上記インナ側面流通孔の基端位置(513)が上記ポンプ電極の先端位置(211F)よりも上記軸方向先端側にあり、
上記インナ側面流通孔の上記基端位置と、上記ポンプ電極の上記先端位置との間の、上記軸方向における距離L4は、0.5mm以上であることを特徴とするガスセンサにある。
また、参考発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサ素子(2)と、
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング(3)と、
該ハウジングの軸方向先端側(Z1)に配設された素子カバー(4)とを備え、
上記センサ素子の先端(21)には、該センサ素子の内部に被測定ガスを導入するためのガス導入部(25)が設けられており、
上記素子カバーは、上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー(5)と、該インナカバーの外側に空間(41)を空けて配設された有底筒形状のアウタカバー(6)とを有し、
上記インナカバーの側面(51)には、上記被測定ガスが流通するインナ側面流通孔(511)が設けられており、上記インナカバーの底面(52)には、上記被測定ガスが流通するインナ底面流通孔(521)が設けられており、
上記インナカバーには、上記軸方向先端側に向かって縮径する縮径段差部(53)が設けられており、上記インナ側面流通孔は、上記縮径段差部よりも軸方向基端側(Z2)に設けられており、
上記アウタカバーの側面(61)には、上記被測定ガスが流通するアウタ側面流通孔(611)が設けられており、
上記アウタ側面流通孔は、該アウタ側面流通孔の先端位置(612)が上記インナカバーの上記底面よりも上記軸方向先端側に配置するように設けられており、
上記センサ素子の上記先端(21)と上記インナ側面流通孔の基端位置(513)との軸方向(Z)における距離L1が1.6mm以下である、ガスセンサ(1)にある。
次に、ガスセンサの実施形態について、図1〜図10を参照して説明する。なお、本明細書において、「軸方向先端側」とは、ガスセンサの軸方向の一方側であり、ガスセンサが被測定ガスに晒される側をいう。また、「軸方向基端側」とは、その反対側をいう。
次に、インナカバーの外径Φ1とアウタカバーの内径Φ2との関係を調整したガスセンサの実施形態について説明する。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、実施形態1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態1におけるものと同様の構成要素等を表す。
次に、インナカバー5の全長L2に対する、インナカバー5の縮径段差部53とこの縮径段差部53より軸方向先端側Z1にあるインナカバー5との合計長さL3の比(すなわち、L3/L2)を調整したガスセンサの実施形態について説明する。図12に示すごとく、本実施形態のガスセンサ1は、軸方向Zにおいて、インナカバー5の縮径段差部53とこの縮径段差部53より軸方向先端側Z1にあるインナカバー5との合計長さL3と、インナカバー5の全長L2とが、0.5≦L3/L2≦0.7の関係を満足する。
本例においては、実施形態1において示した距離L1の長さが異なる複数のガスセンサについて、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する。なお、実施形態1においては、センサ素子としてNOxセンサ素子を有する所謂NOxセンサについて説明したが、本実験例以降では、センサ素子として、A/Fセンサ素子を備えた所謂A/Fガスセンサを用い、その空燃比の応答性に基づいた評価を行う。A/Fセンサの方がNOxセンサよりも、素子カバーの構成の変更による影響を受けやすいためである。センサ素子の種類が異なる点を除き、本実験例に使用したガスセンサの構成は、実施形態1と同様である。本実験例以降において用いられた符号のうち、上述の実施形態1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態1と同様の構成要素等を示す。
センサ出力の応答性は、以下のように63%応答時間を測定することによって評価した。具体的には、まず、図13に示すごとく、ディーゼルエンジン71に連結された排気管72にガスセンサ1を取り付けた。次いで、ガスセンサ1のセンサ素子2が内蔵するヒータ23を発熱させ、センサ素子2が内蔵する電極(図示略)に電圧を印加することによってガスセンサ1を駆動させた(図1参照)。一方、図13に示すごとく、ディーゼルエンジン71を作動させることによって、排気管72内にガス流速15m/sの排ガスを流通させた。ガスセンサ1の出力は、検出回路771を介して接続された外部のコンピュータ773によって経時的に計測される。そして、空燃比(すなわち、A/F)を30から40に変化させた時からガスセンサ1の出力が63%変化するまでに要する時間(すなわち、63%応答時間)を計測した。本例においては、センサ素子2の先端21とインナ側面流通孔511の基端位置513との軸方向Zにおける距離L1が異なる複数のガスセンサ1について63%応答時間を測定した(図1及び図13参照)。そして、L1=0(mm)のガスセンサの63%応答時間を1とし、他のガスセンサの63%応答時間をその相対値によって表した。その結果を後述の図17に示す。
センサ素子への被水量は、以下のように被水面積を計測することによって評価した。まず、板状のセンサ素子2の側面と先端面にカーボンを塗布することにより、センサ素子2を黒色に着色させた(図15(a)及び図16(a)参照)。このセンサ素子2を用いて、実施形態1と同様の構成のガスセンサ1を構築した(図1参照)。次いで、図14に示すごとく、パイプ74内にガスセンサ1と水噴射ノズル75を取り付けた。両者の取り付け位置は、ガスセンサ1のアウタカバー6のアウタ側面流通孔611と水噴射ノズル75の噴射口751とが同じ高さに位置するように調整した(図1、図2、図14参照)。パイプ74は、ヒータ761を内蔵する加熱パイプ76に連結されている。そして、ヒータ761によって温度280℃に加熱された空気GAを流速12.6m/sで加熱パイプ76からパイプ74内に送りこみ、ガスセンサ1内のセンサ素子2の温度を200℃とする条件下において、水噴射ノズル75から0.2mlの水GWを5回噴射した。その後、センサ素子2の側面及び先端面を観察した。センサ素子が被水すると、例えば図15(b)及び図16(b)に示されるように、被水部分におけるカーボンが剥がれ、黒色から灰色〜白色に変化する。そして、画像解析によって、カーボンが剥がれた領域の面積を測定した。この面積が被水面積である。本例においては、上述の距離L1が異なる複数のガスセンサについて被水面積を測定した。そして、L1=0(mm)のガスセンサの被水面積を1とし、他のガスセンサの被水面積をその相対値によって表した。その結果を後述の図17に示す。
本例においては、実施形態2において示したアウタカバー6の内径Φ2に対するインナカバー5の外径Φ1の比(すなわち、Φ1/Φ2)が異なる複数のガスセンサ1について、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する(図11参照)。センサ素子の種類が上述の実験例1と同様に異なる点を除いては、本実験例に使用したガスセンサは、実施形態2と同様の構成である。また、センサ出力の応答性及びセンサ素子への被水量の評価方法は実験例1と同様であるが、本例においては、Φ1/Φ2=0.9のガスセンサの63%応答時間を1とし、他のガスセンサの63%応答時間をその相対値によって表した。被水面積についても同様である。その結果を図18に示す。
本例においては、実施形態3において示したインナカバー5の全長L2に対する、インナカバー5の縮径段差部53とこの縮径段差部53より軸方向先端側Z1にあるインナカバー5との合計長さL3の比(すなわち、L3/L2)が異なる複数のガスセンサについて、センサ出力の応答性、及びセンサ素子への被水量を評価する(図12参照)。センサ素子の種類が実験例1と同様に異なる点を除いては、本実験例に使用したガスセンサは、実施形態3と同様の構成である。また、センサ出力の応答性及びセンサ素子への被水量の評価方法は実験例1と同様であるが、本例においては、L3/L2=0.9のガスセンサの63%応答時間を1とし、他のガスセンサの63%応答時間をその相対値によって表した。被水面積についても同様である。その結果を図19に示す。
次に、センサ素子のポンプ電極の先端位置と、インナカバーにおけるインナ側面流通孔の基端位置との関係を調整したガスセンサの実施形態について図面を参照して説明する。なお、本形態及び後述の実験例4においては、インナ側面流通孔のことを適宜「側面流通孔」という。図20〜図23に例示されるように、本形態のガスセンサ1は、ガス導入部25、ポンプ電極211等を備えたセンサ素子2を有する。
本例は、ポンプ電極211の先端位置211Fと、インナカバー5の側面流通孔511の基端位置513との関係を変更した2つのガスセンサについて、センサ電極の温度変動を比較する例である(図20〜図23参照)。
2 センサ素子
3 ハウジング
4 素子カバー
5 インナカバー
511 インナ側面流通孔
6 アウタカバー
611 アウタ側面流通孔
Claims (4)
- 被測定ガス(G)中のガス濃度を検出するセンサ素子(2)と、
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング(3)と、
該ハウジングの軸方向先端側(Z1)に配設された素子カバー(4)と、を備える、ガスセンサ(1)であって、
上記センサ素子は、
該センサ素子の内部に上記被測定ガスが導入される被測定ガス室(241)と、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(20)と、
上記固体電解質体上に設けられた基準電極(213)と、
上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整するポンプセル(211p)を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するポンプ電極(211)と、
上記被測定ガス中の上記ガス濃度に応じた信号を出力するセンサセル(212s)を、上記固体電解質体を介して上記基準電極とで構成するセンサ電極(212)と、
上記固体電解質体に対向配置され、上記固体電解質体を加熱するヒータ(23)と、を備え、
上記素子カバーは、
上記センサ素子の上記軸方向先端側を覆うように配設された有底筒形状のインナカバー(5)と、
該インナカバーの外側に空間(41)を空けて配設された有底形状のアウタカバー(6)と、
上記アウタカバー内へ上記被測定ガスを導入するアウタ側面流通孔(611)と、
上記アウタカバー内へ導入された上記被測定ガスを上記インナカバー内へ導入するインナ側面流通孔(511)と、
上記アウタカバーの上記軸方向先端側の底面(62)に設けられたアウタ底面流通孔(621)と、
上記インナカバーの上記軸方向先端側の底面(52)に設けられたインナ底面流通孔(521)と、を備え、
上記ポンプ電極は、上記センサ電極よりも上記センサ素子の上記軸方向先端側に形成されており、
上記ガスセンサの上記軸方向において、上記インナ側面流通孔の基端位置(513)が上記ポンプ電極の先端位置(211F)よりも上記軸方向先端側にあり、
上記インナ側面流通孔の上記基端位置と、上記ポンプ電極の上記先端位置との間の、上記軸方向における距離L4は、0.5mm以上であることを特徴とするガスセンサ。 - 上記距離L4は、1mm以上であることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 上記アウタ側面流通孔は、該アウタ側面流通孔の先端位置(612)が上記インナカバーの上記軸方向先端側よりもさらに先端側に配置するように設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 上記アウタ側面流通孔の基端位置(613)は、上記インナ底面流通孔よりも上記軸方向において同じかもしくは基端側に設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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