JP3711281B2

JP3711281B2 - 導電性液状物質の漏洩センサ

Info

Publication number: JP3711281B2
Application number: JP2003077441A
Authority: JP
Inventors: 裕田所; 勝己矢口; 英一吉田
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004286521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性を有する液状物質を検知対象とする漏洩センサに関し、更に詳しく述べると、芯線を保持する多数の碍子列の外周を金属製のコイルが取り囲むようにして、耐久性を向上し、誤動作を防止した導電性液状物質の漏洩センサに関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば液体金属や溶融金属化合物を用いた材料腐食試験装置などにおける漏洩検知に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
各種の液体を保持している機器においては、万一、液体が容器等から漏洩したときに、それを迅速且つ確実に検知する必要がある場合も多い。使用液体が導電性を有していれば、その性質を利用した漏洩センサが構成できる。従来技術の一例を図７に示す。この漏洩センサは、中心に芯線挿通孔を有する多数の電気絶縁性の碍子１０の列に金属製の芯線１２を挿通し、その碍子列を金属製の編組チューブ１４が取り囲むようにしてセンサ本体部を構成している。ここで碍子１０は短尺の円筒形状である。また編組チューブ１４は、金属細線を用いて全体をチューブ状に編み上げたものである。漏洩検知の動作原理は、漏洩物質（導電性液状物質）が芯線と編組チューブ間に付着すると、芯線と編組チューブ（即ちアース）との間の電気抵抗が変化するため、この電気抵抗の変化を検出することで漏洩の有無を検知するというものである。
【０００３】
このような同軸ケーブル状の漏洩センサは、通常、導電性液状物質を保持している容器等の外側に、底部全体をカバーするように、曲がりくねった形状で敷設される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の漏洩センサでは、使用状態・使用環境によっては、実際には漏洩が発生していないのに漏洩検知信号が生じるといった誤動作が起き易い問題があった。編組チューブは柔軟性や引っ張り強度の面では優れているが、高温における使用では温度変化による熱膨張と収縮の繰り返し損傷や高温酸化による劣化が激しいため、編組チューブを構成している金属細線の断線や表面酸化物による毛羽立ちが生じる。誤動作の原因は、この毛羽立った金属細線が芯線に接触し短絡する（図７の符号Ｘで囲んだ箇所参照）ためである。
【０００５】
また従来の漏洩センサでは、漏洩物質が急速に固化する性質を有する場合、特に漏洩量が少ないと、編組チューブで漏洩物質が遮断されてそのまま固化することがある。すると、漏洩物質は芯線まで浸透しないため、漏洩検知ができない。このように、漏洩を検知すべき導電性液状物質の性状や漏洩状況によっては検知できなかったり、検知感度が低くなる問題も生じる。
【０００６】
本発明の目的は、耐久性に優れ、誤動作を防止でき、検知感度も良好な導電性液状物質の漏洩センサを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、耐熱・耐食性物質からなり中心に芯線挿通孔を有する多数の電気絶縁性の碍子の列に金属製の芯線を挿通し、その碍子列の外周を金属製の保護部材で取り囲んだ構造のセンサ本体部を備え、芯線と保護部材間の電気抵抗の変化を検出することで導電性液状物質の漏洩の有無を検知するセンサにおいて、碍子列の外周を取り囲む保護部材としてコイルを用いることを特徴とする導電性液状物質の漏洩センサである。
【０００８】
ここで、碍子は、円筒状碍子と、該円筒状碍子の内径よりも大きな外径の球状碍子との２種類を交互に配列したものとする。これらにおいて、円筒状碍子の側面に、導電性液状物質が十分に浸入可能な大きさで且つ外周面から内周面まで達する貫通穴を形成するのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る漏洩センサの一つの実施形態を示す説明図である。この漏洩センサは、センサ本体部２０と、その両端に位置する接続部２２とからなる。これは、特に大気中高温（例えば７００〜９００℃）の環境下で使用するのに好適な導電性液状物質の漏洩センサである。センサ本体部２０は、センサとして機能する部分であり、接続部２２は、センサ本体部と外部配線とを接続するための部分である。
【００１０】
この実施形態では、センサ本体部２０は、電気絶縁性を有する同一形状の円筒状碍子２４を多数一列に配列し、それらの中心に形成されている芯線挿通孔２６に金属製の芯線２８を挿通し、多数の円筒状碍子２４からなる列の外周を金属製のコイル３０で取り囲んだ構造である。詳細構造及び曲げ状態を図２に示す。
【００１１】
円筒状碍子２４は、セラミックス系材料（例えばアルミナやステアタイト等）などの耐熱・耐食性物質からなる。円筒状碍子２４の内径は芯線２８が余裕を持って挿通可能な寸法とし、外径や長さ寸法も使用する芯線の線径などに応じて決定するのがよい。セラミックス系材料は殆ど変形しないため、軸方向寸法が大きくなるとセンサ本体部２０の曲げ自由度が乏しくなる。そこで、小さな曲率で曲げて取り付ける必要がある場合には、短尺形状として互いに密着させずに若干の隙間があくようにして多数配列する。円筒状碍子は、長さの異なるものを複数種類組み合わせて配列してもよい。また、センサ本体部を曲げると、隣接する碍子同士が擦れ合うことから、碍子の両端面の周縁部分に面取り加工やアール加工を施しておくのが好ましい。
【００１２】
芯線２８としては、銅線でもよいが、酸化による材質劣化を極力抑えるために耐熱金属線（ここではニッケル線）を使用している。線径は、漏洩センサの設置条件や強度などに応じて決定する。例えば、狭いスペースに小さな曲率で曲げながら設置する場合には、線径が小さい方が敷設しやすいが、極端に細径になると強度や耐久性が乏しくなる。そのような場合には、可撓性（曲げ自由性）の高い１mm程度の線径が適している。また線径を大きくすることによって、繰り返し損傷・高温酸化等による劣化を抑制することができるから、曲げ自由性を問わない場合には、線径を２〜３mmとすることも可能である。従って、一般的には、使用条件・使用環境（敷設の自由性、強度、耐久性など）を考慮し、０．５〜３mm程度の範囲から適宜決定することになる。
【００１３】
コイル３０は、ステンレス鋼など耐熱性・耐酸化性に優れ、必要な強度を確保できる材料からなる線材を螺旋状に巻き付けたものである。コイル外径は、内側の碍子２４を保護でき、曲げなどの変形に対して自由性を確保できる空間を有すること（曲げた時に碍子との摩擦が生じないこと）が望ましく、碍子外径の２倍程度（ギャップ１〜２mm程度）とするのがよい。コイルピッチは、検知対象物である導電性液状物質がコイル内部に浸入できるように設定する。漏洩物質が凝固せず流動性が高い場合にはコイルの隙間は殆ど無くてもよい。たとえ自然状態で隙間が無いようなコイルであっても、敷設時に曲げられることで自然にある程度の隙間は生じるからである。そこで図面では、便宜的に自然状態で隙間が無いように描いている。漏洩物質の性状にもよるが、一般的には０．５〜１mm程度の隙間のあるコイルが好ましい。なお図２では、分かり易くするために、曲がり部分でコイルを非常に疎に（コイルの隙間を非常に広げて）描いているが、実際にはもっと密になる。
【００１４】
センサ本体部２０の両端に位置する接続部２２の構造は次の如くである。芯線２８の端部は、絶縁被覆３１（ゴム等による被覆）が施されたリード線３２を介して外部に導かれる。リード線３２は電気抵抗の少ない金属線（銅やアルミニウム等）からなり、リード線３２と芯線２８とは突き合わせスリーブ３４を圧着することで接続する。従ってこの突き合わせスリーブ３４は、圧着性の良好な銅などからなる。なお、碍子列の端部近傍は、ステンレス鋼製のチューブ３６を被せることで保護する。突き合わせスリーブ３４によるリード線３２と芯線２８との接続部の外周にはステンレス鋼製のアダプタ３８を被せて、エポキシ樹脂により固定する。更に、それらの最外周にステンレス鋼製のカラー４０を設け、その両端部でアタプタ３８及びコイル３０と溶接等によって接合し、内部構造を保護する。芯線２８とリード線３２は、アダプタ３８及びチューブ３６、カラー４０との短絡による誤動作が生じないように、碍子及びエポキシ樹脂により絶縁されている。
【００１５】
この漏洩センサの動作原理は、基本的には従来と同様である。即ち、漏洩物質が芯線２８とコイル３０との間に付着すると、芯線２８とコイル３０（即ちアース）間の電気抵抗が変化するため、この電気抵抗の変化を検出することで漏洩の有無を検知するというものである。そのため漏洩センサは、導電性液状物質を保持している容器等の外側に、底部全体をカバーするように、曲がりくねった形状で敷設される。この漏洩センサでは、センサ本体部２０を曲げたときでも、コイル３０は追従性が良好で、塑性変形することなく曲げることができ、曲がり部の劣化を抑えることができる。また、コイル３０の採用によって、従来の編組チューブのような劣化による毛羽立ちが生じないため、短絡による誤動作が生じることはない。更に、コイルピッチを調整することによって、漏洩物質の芯線への浸透性を確保することができ、漏洩検知感度も向上する。
【００１６】
図３は本発明に係る漏洩センサの他の実施形態を示す説明図である。この漏洩センサも外周の保護部材にコイルを使用しており、基本的な構成は前記図１と同様であるので、対応する部材には同一符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。碍子部の詳細を図４に示し、またセンサ本体部の曲げ状態を図５に示す。
【００１７】
この実施形態では、碍子として円筒状碍子５０と、該円筒状碍子５０の内径よりも大きな外径の球状碍子５２との２種類を使用し、それらを交互に配列している。図４のＡに円筒状碍子５０と球状碍子５２との組み合わせ状態（但し、図面を分かり易くするために両者を離して描いてある）を示し、Ｂには円筒状碍子５０の詳細を、Ｃには球状碍子５２の詳細を、それぞれ示す。円筒状碍子５０の中心に形成されている芯線挿通孔５４と、球状碍子５２に形成されている芯線挿通孔５６とに芯線２８を挿通する。碍子材料としては、前述のように、耐熱性、漏洩物質に対する耐食性、電気絶縁性といった観点からセラミックス系材料が最適である。
【００１８】
しかし、セラミックス系材料は殆ど変形しないために、芯線２８の被覆には短尺の円筒状碍子を配列するが、曲がり部分では円筒状碍子同士に隙間が生じる。もし、その隙間が大きすぎるとコイルが芯線に接触する恐れがある。そこで、この実施形態では、円筒状碍子５０の両端面を、球状碍子５２の球面形状に対応した凹陥面５１に加工している。このような円筒状碍子５０の間に、球状碍子５２を挟み込むことによって、図５に示すように、センサ本体部２０を曲げたときに碍子間に大きな隙間が生じないようにし、コイル３０が芯線２８に接触するのを確実に防止している。
【００１９】
しかし、碍子間に隙間が全く形成されないような構造にしたり、隙間を極端に小さくしすぎると、漏洩物質が芯線にまで到達せず漏洩センサとしての機能が十分に発揮できなかったり、漏洩物質が芯線に到達するまでに時間がかかり感度が悪くなることも予想される。そこで、そのような場合には、円筒状碍子５０の側面に、外周側から内周側に達する貫通穴５８を設ける。貫通穴５８の形成個数は任意である。貫通穴５８の大きさは、漏洩物質が容易に浸入可能な寸法であればよい。なお、球状碍子にも貫通孔を設けてもよいが、製作の容易性などの点からは円筒状碍子の対向する外周面間を横断するように貫通穴を形成するのがよく、それだけで十分である。碍子の側面に貫通穴５８を設けることによって、コイル３０と芯線２８との不要な接触を防ぎつつ、漏洩物質の芯線２８への浸入が容易になる。
【００２０】
このような漏洩センサの使用状態の一例を図６に示す。Ａは縦断面を、Ｂは平面（Ｙ₁−Ｙ₂間）を表している。これは材料腐食試験装置への適用例である。この装置は、試験融液を保持している鍔付き内容器６２と、それを取り囲む外容器６４との２重構造であり、蓋体６６がＯリング６８を介して外容器６４のフランジ部に載置され、複数本のボルト７０で締め付けることによって密封可能となっている。なお鍔付き内容器６２は、外容器６４のフランジ部内側の凸部６５に載置した状態で保持されている。鍔付き内容器６２には試験融液７２（ここではナトリウム化合物試薬融液）が収容され、該試験融液中に試験片７４が浸漬される。試験片７４は試験片保持具７６によって保持されており、該試験片保持具７６は蓋体６６を貫通して吊り下げられている。その他、攪拌機７８と熱電対８０を設ける。外容器６４の外側には、側面から底部にかけて電気ヒータ８２を設置する。
【００２１】
このような材料腐食試験装置において、外容器６４の内側面、特に底面にできるだけ広範囲にわたって均一に漏洩センサ８４を敷設する。具体的には、図６のＢに示すように、底面上に曲がりくねった蛇行形状にして左右対称に配置し、スポット溶接で固定する。勿論、渦巻き形状などでにしてもよい。漏洩センサ８４の接続部を端子部８６に接続し、配線にて制御盤８８に導くようにする。このように内外２重の容器構造にすると、万一、鍔付き内容器６２から試験融液７２の漏洩が生じても外容器６４で受け止めることができるし、その漏洩発生は、直ちに漏洩センサ８４によって検知され、制御盤８８から漏洩警報として報知させることができる。
【００２２】
本発明は、各種液体金属（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｈｇ，Ｐｂ，Ｂｉ等の純金属及びそれらの合金）、あるいはそれらの化合物（ＬｉＯＨ，ＮａＯＨ，Ｎａ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ₂，ＮａＣｌ等）の漏洩検知に好適であるし、その他、各種のイオン性溶液（ＨＮＯ₃，ＨＣｌ，Ｈ₂ＳＯ₄，ＣＨ₃ＣＯＯＨ等）の漏洩検知にも適用できる。
【００２３】
【実施例】
本発明品と比較品を用いて温度サイクル試験を行った。本発明品は図１に示す構造であり、比較品は図７に示す従来構造のセンサ本体部を有するものである。材質及び寸法は次の通りである。
（１）本発明品
芯線…材質：ニッケル材、線径＝１mm
円筒状碍子…材質：アルミナ（９９．７質量％Ａｌ₂Ｏ₃）、外径＝３mm、内径＝１．６mm、長さ５mm
コイル…材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、コイル外径＝５mm、線の直径＝０，３mm、コイルの隙間≒０mm、長さ＝１９００mm
（２）比較品
芯線…材質：ニッケル材、線径＝１mm
円筒状碍子…材質：ステアタイト（６０質量％ＳｉＯ₂，３０質量％ＭｇＯ）、外径＝３．２mm、内径１．５mm、長さ３．２mm
編組チューブ…材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、外径＝８．２mm、細線の直径＝０．１２mm、長さ＝１９００mm
【００２４】
このような漏洩センサを図６に示す材料腐食試験装置に組み込み、温度サイクル試験を行った。温度サイクルは、２〜３時間かけてヒータ温度を７００〜９００℃に昇温し、試験片浸漬のため７００〜９００℃の一定温度で約１時間保持した後、２４時間以上かけて室温まで自然冷却するのが代表的パターンである。このような温度サイクルの試験を３回実施した。試薬には水酸化ナトリウムと過酸化ナトリウムの混合試薬（２回）と水酸化ナトリウムと酸化ナトリウムの混合試薬（１回）を用いた。
【００２５】
試験終了後に観察した結果、本発明品ではコイル表面が酸化被膜で覆われていたが、コイルや碍子に破損や変形などの損傷は全く認められなかった。それに対して従来構造の比較品では、編組チューブに部分的な変形や酸化物による毛羽立ちが認められた。
【００２６】
また温度サイクル試験を２０回実施したところ、比較品では２０回目に漏洩警報が作動した。しかし、試薬漏洩の痕跡は認められず、誤動作であることが判明した。それに対して本発明品では誤動作は生じなかった。誤動作を生じた比較品について詳細に観察した結果、碍子を覆っている編組チューブに、そのほぼ全長にわたって細線の切断と毛羽立ちが認められた。また、ステアタイト製の碍子には、温度サイクルと外容器内に浸入したナトリウム化合物蒸気（水酸化ナトリウム等）の付着による化学変化により、割れが生じていた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る漏洩センサは、上記のように、碍子列の外周に保護部材として金属製のコイルを用いる構造としたので、繰り返し温度変化やそれによる膨張・収縮があっても、従来の編組チューブのような細線切断や毛羽立ちが生じず、耐久性が向上し、誤動作発生を防止でき、信頼性が著しく向上する。また、交換や点検などメンテナンスに要する手間や費用を節約できる。
【００２８】
また、コイルピッチ（コイル隙間）を適切に設定することで、漏洩物質（導電性液状物質）の十分な浸透性を確保することができるので、液体金属等の凝固し易い液体であっても検知感度が低下する恐れはない。更に、曲げの自由性も良好であるので、曲がりくねった蛇行形状の敷設が困難となることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る漏洩センサの一実施形態を示す説明図。
【図２】そのセンサ本体部における曲げ状態の拡大説明図。
【図３】本発明に係る漏洩センサの他の実施形態を示す説明図。
【図４】その碍子部の拡大説明図。
【図５】そのセンサ本体部における曲げ状態の拡大説明図。
【図６】漏洩センサを材料腐食試験装置に組み込んだ状態の説明図。
【図７】従来の漏洩センサのセンサ本体部の一例を示す説明図。
【符号の説明】
２０センサ本体部
２２接続部
２４円筒状碍子
２６芯線挿通孔
２８芯線
３０コイル

Claims

耐熱・耐食性物質からなり中心に芯線挿通孔を有する多数の電気絶縁性の碍子の列に金属製の芯線を挿通し、その碍子列の外周を金属製の保護部材で取り囲んだ構造のセンサ本体部を備え、芯線と保護部材間の電気抵抗の変化を検出することで導電性液状物質の漏洩を検知するセンサにおいて、
碍子は、円筒状碍子と、該円筒状碍子の内径よりも大きな外径の球状碍子との２種類からなり、それらが交互に配列されていている碍子列の外周を取り囲む保護部材としてコイルを用いることを特徴とする導電性液状物質の漏洩センサ。
円筒状碍子の側面に、導電性液状物質が浸入可能な大きさの貫通穴が形成されている請求項１記載の導電性液状物質の漏洩センサ。