JP3151711U

JP3151711U - アンモニア濃度測定装置

Info

Publication number: JP3151711U
Application number: JP2009002560U
Authority: JP
Inventors: 之溥杉本; 智子大島
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2019-04-21

Abstract

【課題】炉内において迅速に測定できるアンモニア濃度測定装置を提供する。【解決手段】後端部１１から標準ガスＨを導入し先端部１２近傍から標準ガスＨを吹き出すようにしたガス導入管１０とその先端部１２から空間を介して一面側２１が対向し、両面２１及び２２に電極を取り付けたペレット形状又はディスク形状の固体電解質セラミックス２０と、ガス導入管１０の外側から適宜の空間を介して被嵌し、内保護管３０の先端部を固体電解質セラミックス２０に接合した内部保護管３０と、検査するガスの導出入孔４２、４３が先端部４１近傍に開口し、内部保護管３０の外側に被嵌した金属製保護管４０とを備える水素センサを有する。アンモニアガスが分離することで生成する水素ガス濃度を測定することにより未分離のアンモニアガス濃度を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス窒化炉内などのように高温下におけるアンモニアの濃度をアンモニアの分解により生成する水素濃度を測定することにより測定するアンモニア濃度測定装置に関する。

ガス窒化炉及びガス軟窒化炉を用いる窒化処理は高温の炉内に吹き込んだアンモニアを分解して生じる窒素ガスを用いて金属表面に窒素を浸透させる。被処理物の表面を過不足なく行うために、炉内には過剰量のアンモニアが吹き込まれる。吹き込んだアンモニアのうち分解・解離しなかったアンモニアは炉外に排出される。アンモニアの濃度を測定するプローブは炉内に直接配設することは困難であるため、未解離のアンモニア濃度を測定するために、排出されたガスをガス分析計に導入し、排出ガス中の未解離のアンモニアガスを測定している。

特公平７−９２４４９号公報

ところで、排出ガスの分析を行う場合、ガスの温度が低いと分析計へのガス導管内にガス中の高沸点・高融点物質が析出・堆積して、ガスの透過を妨げたり、分析値に誤差を生じさせたりするおそれがある。そのため、ガス導管の温度を高温に保つ必要がある。また、炉内から分析計に排出ガスを導出するためには若干の時間を要し迅速な濃度測定が困難である。

本考案は上記実情に鑑み為されたものであり、炉内において迅速にアンモニア濃度が測定できるアンモニア濃度測定装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係るアンモニア濃度測定装置の特徴は、後端部から標準ガスを導入し先端部近傍から前記標準ガスを吹き出すようにしたガス導入管と、
前記ガス導入管の前記先端部から空間を介して一面側が対向し、両面に電極を取り付けたペレット形状又はディスク形状の固体電解質セラミックスと、
前記ガス導入管の外側から適宜の空間を介して被嵌し先端部を前記固体電解質セラミックスに接合した内部保護管と、
検査するガスの導出入孔が先端部近傍に開口し、前記内部保護管の外側に被嵌した金属製保護管とを備える水素センサを有することにある。

上記課題を解決する請求項２に係るアンモニア濃度測定装置の特徴は、請求項１において、前記固体電解質セラミックスの一面側は前記ガス導入管に電気的に接続され、
前記固体電解質セラミックスの他面側は前記金属製保護管に電気的に接続され、
前記ガス導入管及び前記金属製保護管を介して前記固体電解質セラミックスに生じる起電力を測定することにある。

請求項１に係るアンモニア濃度測定装置によれば、アンモニアが解離して生成する水素濃度を水素センサにより測定することにより、間接的ではあるが高い精度でアンモニアガス濃度を測定することができる。また、最外部を金属製保護管にて保護しているため、水素濃度に応じた起電力を生じる固体電解質セラミックスを効果的に保護することが可能になる。

請求項２に係るアンモニア濃度測定装置によれば、標準ガスを導入するガス導入管と最外部を保護する金属製保護管とを固体電解質セラミックスに接続する配線として利用することで構成部材の簡略化、装置の高信頼性化が実現できる。

実施形態における水素センサの概略外観図（ａ）及び（ａ）の概略ｂ−ｂ断面図である。実施例の結果を示すグラフである。

本考案のアンモニア濃度測定装置について実施形態に基づき以下詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態のアンモニア濃度測定装置は、ガス導入管１０と固体電解質セラミックス２０と内部保護管３０と金属製保護管４０とその他必要な部材（図略）とを有する水素センサ１を有する。この水素センサ１はガス窒化炉及びガス軟窒化炉内に挿入して用いる。検査するガスは炉内のガスである。

ガス導入管１０は金属製であり、後端部１１から先端部１２に向けて標準ガス（水素）が導入されている。標準ガスの導入は図略の定量ポンプなどにより流量を制御した状態で行うことができる。

固体電解質セラミックス２０はＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型セラミックスやアルミナから形成される円板状の部材である（なお、固体電解質セラミックス２０の形状は円板状であることは必須ではなくその他の形状、例えばペレット形状を採用することもできる。）。一面側２１にてガス導入管１０の先端部１２に対向する。一面側２１と先端部１２との間は空間を介しており離隔している。ペロブスカイト型セラミックスは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの何れかがＡサイトに、Ｚｒ、Ｃｅの何れかがＢサイトに、また、Ｂサイトのドーパント材としてＩｎ、Ｙｂ、Ｙの何れかをＢサイト全体を基準として１〜３０モル％使用する。例えば、ＣａＺｒ_0.9Ｉｎ_0.1Ｏ_3-a、ＳｒＺｒ_0.95Ｙｂ_0.05Ｏ_3-aの組成を有する（ａは０．９５〜１．０である。）。固体電解質セラミックス２０の一面側２１と他面側２２とには電極が形成される。電極はＰｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉなどの層にて形成する。一面側２１に形成された電極はガス導入管１０に電気的に接続される。

内部保護管３０はガス非透過性の材料から形成され、例えば、緻密なセラミックスから形成される。内部保護管３０の先端部３１はシール材（図略）にて固体電解質セラミックス２０の一面２１に固着する。内部保護管３０は固体電解質セラミックス２０と共に先端部３１側が閉塞した管を形成する。シール材及び内部保護管３０は固体電解質セラミックス２０を形成するペロブスカイト型セラミックスの使用温度域における熱膨張係数に近い熱膨張係数をもつ材料（例えばセラミックス、ガラスシール材）から形成することが望ましい。シール材は特に流動点が使用温度以上である材料が望ましい。内部保護管３０はガス導入管１０を適宜の空間（例えば、直接接触しない程度や、標準ガスの流れを阻害しない程度）を介して外部から被嵌している。内部保護管３０とガス導入管１０との間にはスペーサ（図略）を介設しても良い。ガス導入管１０の後端部１１から導入した標準ガスはガス導入管１０の先端部１２から固体電解質セラミックス２０の一面側２１に向けて噴出した後、内部保護管３０とガス導入管１０との間を通って内部保護管３０の後端部３２から排出される。

金属製保護管４０は内部保護管３０を外側から更に被嵌し更に保護する管状の金属製部材である。金属製保護管４０は先端部４１が閉塞している。金属製保護管４０の先端部４１の内面である底面には固体電解質セラミックス２０の他面側２２に形成された電極が接触し電気的に接続されている。金属製保護管４０の先端部４１側から僅かに後端部に向けた部位にガスの導出入孔４２及び４３が形成される。導出入孔４２及び４３の間に固体電解質セラミックス２０が位置している。導出入孔４２及び４３の開口の大きさは固体電解質セラミックス２０が充分に露出し、ガスが淀みなく導出入できる大きさである。

標準ガスとしては水素濃度が１％程度のガスを用いることができる。外部の雰囲気に含まれる水素濃度との差に応じた起電力が固体電解質セラミックス２０の一面側２１と他面側２２との間に生じる。この起電力はガルバニ電池の原理に基づくものであり、その起電力Ｅは（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ｛Ｐ_Ｈ２（１）／Ｐ_Ｈ２（２）｝に基づき算出できる（Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、Ｆ：ファラデー定数、Ｐ_Ｈ２（１）：ガス窒化炉及びガス軟窒化炉内の水素分圧、Ｐ_Ｈ２（２）：標準ガス中の水素分圧）。この式より、ガス窒化炉及びガス軟窒化炉内の水素分圧が算出できる。何らかの手段（圧力計など）により測定したガス窒化炉及びガス軟窒化炉内の全圧を用いて水素濃度が算出できる。未解離のアンモニアが無いとして算出した水素濃度と全てのアンモニアが未解離であるとして算出した水素濃度と実際の炉内の水素濃度とを用いて未解離のアンモニアの濃度を算出することができる。

従って、炉内の水素ガスの濃度を直接測定することにより、未解離のアンモニアの濃度を算出することが可能になる。その結果、排出ガス中のアンモニアの濃度測定が不要となるため、より簡潔なガス窒化炉及びガス軟窒化炉を構成することができる。

また、ガス導入管１０と金属製保護管４０とを配線としての利用することにより構成要素を減少することができ、より簡潔な構成とすることができる。

図１に示した水素センサ１において、固体電解質セラミックス２０としてＳｒＺｒ_0.95Ｙｂ_0.05Ｏ_3-aから形成した。固体電解質セラミックス２０は直径６ｍｍ、厚み１ｍｍのディスク形状とし、その両面にＰｔ製の電極を取り付けた。

５８０℃に保持したガス軟窒化炉に水素センサ１を固定した。窒素に１体積％の水素を添加したガスを標準ガスとしてガス導入管１０の他端部１１から導入した。ガス軟窒化炉内の雰囲気はアンモニアガス７８体積％、窒素ガス１９体積％、二酸化炭素ガス３体積％の割合で導入し、その状態で固体電解質セラミックス２０の起電力を経時的に測定し、水素濃度を算出した。並行してガス軟窒化炉内からの排出ガス中の未解離のアンモニアガスの濃度を常法にて測定した。結果を図２に示す。図２より明らかなように、未解離のアンモニアガス濃度（●）が増加するにつれて水素センサ起電力（□）及び水素濃度（■）が低下していることが分かった。

従って、水素濃度を測定することにより未解離のアンモニアガス濃度を算出することができることが分かった。

１…水素センサ
１０…ガス導入管１１…後端部１２…先端部
２０…固体電解質セラミックス２１…一面側２２…他面側
３０…内部保護管３１…先端部３２…後端部
４０…金属製保護管４１…先端部４２、４３…導出入孔

Claims

後端部から標準ガスを導入し先端部近傍から前記標準ガスを吹き出すようにしたガス導入管と、
前記ガス導入管の前記先端部から空間を介して一面側が対向し、両面に電極を取り付けたペレット形状又はディスク形状の固体電解質セラミックスと、
前記ガス導入管の外側から適宜の空間を介して被嵌し先端部を前記固体電解質セラミックスに接合した内部保護管と、
検査するガスの導出入孔が先端部近傍に開口し、前記内部保護管の外側に被嵌した金属製保護管とを備える水素センサを有することを特徴とするアンモニア濃度測定装置。
前記固体電解質セラミックスの一面側は前記ガス導入管に電気的に接続され、
前記固体電解質セラミックスの他面側は前記金属製保護管に電気的に接続され、
前記ガス導入管及び前記金属製保護管を介して前記固体電解質セラミックスに生じる起電力を測定する請求項１に記載のアンモニア濃度測定装置。