JP5244004B2

JP5244004B2 - 検査装置

Info

Publication number: JP5244004B2
Application number: JP2009073434A
Authority: JP
Inventors: 清貴杉浦; 博之真藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Ceramic Device Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Ceramic Device Co Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010223860A

Description

複数種類のガスを混合して供給する混合ガス供給装置、特にガスセンサの特性検査用の検査装置に用いられる混合ガス供給装置に関する。

従来より、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種のガスセンサが用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いて形成したＮＯｘセンサが公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２００６−２８４２２３号公報特許第３５３７９８３号公報

特許文献１および特許文献２に開示されているＮＯｘセンサをはじめとするガスセンサは、測定電極において測定対象ガス成分を分解させると、その際に発生する酸素イオンの量が測定電極と基準電極とを流れる電流に比例することを利用して、該測定対象ガス成分の濃度を求めるようになっている。そのため、あらかじめ測定対象ガス成分の濃度が既知の混合ガスを用いて、個々のガスセンサにおける濃度値と電流値との関係（感度特性）を特定しておく必要がある。あるいは、少なくとも、実際の測定ガスに類似する混合ガスを利用して、ガスセンサが正常に動作する（想定される電流値の電流が実際に流れる）ことを検査しておくことが必要である。

上述のような感度特性は、ガスセンサの測定精度を直接に左右するものであることから、これを得る場合においては、供給する混合ガスにおける各ガス成分の存在比が経時的に安定している必要がある。特に、測定対象ガス成分の存在比がｐｐｍオーダー程度に小さい場合、係る経時的安定性が確保されていないと、測定する度に感度特性が大きく異なることになり、得られる感度特性の信頼性、つまりはガスセンサの信頼性が確保できなくなる。

また、混合ガスに水蒸気を含むようにする場合、気化器を用いて水を水蒸気化することによってこれを行うことが一般的であるが、その際、気化されなかった水に混合ガス中のガス成分が溶解してしまうと、混合ガスの濃度が設定値からずれることになり、この場合も、得られる感度特性の信頼性が保証されなくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、混合比の経時的安定性に優れた混合ガス供給装置、およびこれを含むガスセンサの検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、複数種類のガスを混合して供給する混合ガス供給装置であって、混合ガスの主成分ガスが流れる第一の供給経路に、水を気化して水蒸気として前記主成分ガスと混合させる気化器が接続されてなり、前記気化器の下流側に設けた、前記主成分ガスと前記水蒸気との混合ガスが流れる予備混合路に、前記混合ガスの前記主成分ガスおよび水蒸気以外の残余のガスが流れる第二の供給経路を合流させることにより、前記混合ガスが流れる一の混合ガス供給路が形成されてなる、混合ガス供給装置と、前記混合ガス供給装置の前記混合ガス供給路に接続された測定チャンバと、前記測定チャンバに挿入されたガスセンサを対象に所定の測定を行う測定装置と、を備える検査装置であって、前記主成分ガスが窒素ガスであり、前記残余のガスが酸素ガスとＮＯガスであり、前記第二の供給経路において、前記酸素ガスの供給路と前記ＮＯガスの供給路とを合流させてなり、前記気化器、前記混合ガス供給路、および前記チャンバに、前記気化器および前記チャンバの内部の雰囲気ガスを所定温度範囲に保つためのヒータが付設されてなり、前記測定装置による前記所定の測定を、前記チャンバ内の雰囲気ガスの温度を１００℃〜１２０℃に保って行う、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の検査装置であって、前記混合ガス供給路に、ガスミキサーを備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の検査装置であって、前記ガスミキサーがスタティックミキサーであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の検査装置であって、前記測定装置は、前記測定チャンバに挿入された前記ガスセンサに対しプローブを接続することにより、所定の電気的測定を行う、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、混合比の異なる、水蒸気を含む複数種類のガスを混合する際に、主成分ガスに対し気化器によって水蒸気を混合した後に、水に対する溶存を避けたいガスを混合することができるので、水蒸気以外のガスを同時に混合し、その後に水蒸気を混合するような場合に比して、主成分ガス以外のガスについての混合比の経時的安定性に優れた混合ガスを供給することができる。

本発明の実施の形態に係る検査装置１の構成を概略的に示す模式図である。混合ガス供給装置２の比較例としての混合ガス供給装置１００２を含む、検査装置１００１の構成を概略的に示す模式図である。ガスセンサ１０１の構造を模式的に示す断面図である。ガスセンサ１０１についての電流測定結果を示す図である。ガスセンサ１０１についての電流測定結果を示す図である。

＜検査装置の概要＞
図１は、本発明の実施の形態に係る検査装置１の構成を概略的に示す模式図である。検査装置１は、混合ガスを所望される混合比にて供給する混合ガス供給装置２と、混合ガス供給装置２から混合ガスの供給が導入される測定チャンバ３と、測定チャンバ３に配置したガスセンサ１０１の所定位置にプローブ４を接続することにより、所定の電気的測定を行える測定装置５と、を備える。

なお、図１においては図示の単純化のために混合ガス供給装置２に対して１つの測定チャンバ３が接続される場合を例示しているが、混合ガス供給装置２からの供給配管を分岐させることにより、複数の測定チャンバ３が一の混合ガス供給装置２に接続される態様であってもよい。係る場合、複数のガスセンサ１０１に対する測定が同時並行的に行えるようになっていることが好ましい。

また、図１においては図示の簡単のため、２つのプローブ４によってガスセンサ１０１の端部を挟む態様にてプローブ４がガスセンサ１０１に接続される場合を例示しているが、実際のプローブ４の個数や接続態様はこれに限られるものではなく、ガスセンサ１０１の具体的構造に応じて、適宜に用意されたプローブ４を、適宜の位置に接続する態様であってよい。

測定装置５としては、測定対象となるガスセンサ１０１の種類および所望される測定内容の測定が行える測定器等が適宜に用いられればよい。

＜混合ガス供給装置＞
次に、混合ガス供給装置２の構成について詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、窒素（Ｎ₂）ガスを混合比（流量比）が最大の第１主成分とし、酸素（Ｏ₂）ガスを次に混合比の大きな第２主成分として１０％〜１８％程度含み、微量成分として、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を全体のおよそ数％程度含む混合ガス、あるいはさらに、数百ｐｐｍオーダーの一酸化窒素（ＮＯ）ガスを含む混合ガスを混合ガス供給装置２による供給の対象であるとする。これは、ＮＯｘセンサが対象とする、内燃機関からの排ガス成分に類似するガスを供給する場合に該当する。

このようなガス種の混合ガスを供給するべく、混合ガス供給装置２は、窒素供給系１０と、水供給系２０と、酸素供給系３０と、ＮＯ供給系４０とを備えている。それぞれの供給系には、それぞれの物質の供給源（ボンベもしくはタンクなど）として、窒素供給源１１と、水供給源２１と、酸素供給源３１と、ＮＯ供給源４１とを備えている。また、流量調整を行うためのマスフローコントローラー１２、２２、３２、および４２と、バルブ１３、２３、３３、および４３が、それぞれの供給路１４、２４、３４、および４４の途中に備わっている。

これら４つの供給系のうち、窒素供給系１０の供給路１４と水供給系２０の供給路２４とは、気化器５０に接続されている。気化器５０においては、水供給系２０から供給される水が気化され、水蒸気とされて、窒素供給系１０から供給される窒素と混合される。なお、気化器５０には、内部の雰囲気を加熱することができるヒータＨ１が付設されている。ヒータＨ１は図示しない温度コントローラによって制御される。

気化器５０における水蒸気と窒素との混合は、ヒータＨ１によって気化器５０内の雰囲気を１００℃から１２０℃程度の範囲で加熱した状態で行われる。これによって、水が気化することなく残留することが好適に防止される。混合された水蒸気と窒素の混合ガスは、気化器５０から第１予備混合路６０に流出される。

一方、酸素供給系３０とＮＯ供給系４０とは、合流点Ｃ１で合流し、両者から供給される酸素とＮＯとの混合ガスが、第２予備混合路７０を流れるようになっている。

そしてさらに、第２予備混合路７０は合流点Ｃ２で第１予備混合路６０に合流するようになっている。これにより、両者から供給されるガスの混合ガス、つまりは、４つの供給系からの全てのガスの混合ガスが、混合ガス供給路８０を流れることになる。なお、混合ガス供給路８０の合流点Ｃ２の近傍には、ガスミキサー８１が設けられており、混合ガスは、ガスミキサー８１による十分な混合を経た上で、混合ガス供給路８０の端部の供給口８３から測定チャンバ３へと供給されるようになっている。また、混合ガス供給路８０にはバルブ８２が設けられており、バルブ８２によって、測定チャンバ３へと供給される混合ガスの流量が調整される。

ガスミキサー８１としては、いわゆるスタティックミキサー（静止型混合器）を用いるのが好適な一例であるが、ダイナミックミキサーを用いる態様であってもよい。

また、混合ガス供給路８０には、ヒータＨ２が付設されている。なお、好ましくは、測定チャンバ３にもヒータＨ３が設けられる。ヒータＨ２およびヒータＨ３は図示しない温度コントローラによって制御される。これらのヒータＨ２およびヒータＨ３によって、測定チャンバ３内の雰囲気は、１００℃から１２０℃程度の範囲で保たれる。

なお、図１においては、窒素供給源１１から窒素供給路１４、第１予備混合路６０さらには混合ガス供給路８０の供給口８３に至る供給経路がコの字型に図示されているが、これはあくまで便宜上のものであって、実際の混合ガス供給装置２における配管配置を示すものではない。

図２は、本実施の形態に係る混合ガス供給装置２の比較例としての混合ガス供給装置１００２を含む、検査装置１００１の構成を概略的に示す模式図である。検査装置１００１における、混合ガス供給装置１００２以外の構成要素は検査装置１と同じである。

混合ガス供給装置１００２も混合ガス供給装置２と同様に、窒素供給系１０１０と、水供給系１０２０と、酸素供給系１０３０と、ＮＯ供給系１０４０とを備えている。そして、それぞれの供給系には、それぞれの物質の供給源として、窒素供給源１０１１と、水供給源１０２１と、酸素供給源１０３１と、ＮＯ供給源１０４１とを備えている。また、流量調整を行うためのマスフローコントローラー１０１２、１０２２、１０３２、および１０４２と、バルブ１０１３、１０２３、１０３３、および１０４３が、それぞれの供給路１０１４、１０２４、１０３４、および１０４４の途中に備わっている。

また、混合ガス供給装置１００２は、窒素供給系１０１０と、酸素供給系１０３０と、ＮＯ供給系１０４０とが、合流点Ｃ１００１で一度に合流し、窒素と酸素とＮＯの混合ガスが予備混合路１０６０を流れる構成を有している（下流側からみれば、予備混合路１０６０を構成する配管が三方に分岐して、それぞれの供給路の配管となっている）。そして、予備混合路１０６０と水供給系２０の供給路２４とが、気化器１０５０に接続されている。なお、予備混合路１０６０と混合ガス供給路１０８０とには、ヒータＨ１００１およびヒータＨ１００２が備わっている。混合ガス供給装置１００２においても、バルブ１０８２で流量が調整されつつ、供給口１０８３に接続された測定チャンバ３に対して混合ガスが供給される。

このような構成を有する混合ガス供給装置１００２においては、混合の順番は異なるものの、混合されるガスの種類は混合ガス供給装置２と同じであるので、一見すると、混合ガス供給装置２と同様の混合ガスが得られるように見受けられる。しかしながら、本実施の形態のように、個々の混合比（流量比）を異ならせて複数のガス種を混合しようとする場合、混合ガス供給装置１００２の合流点Ｃ１００１においては、流量差に起因して生じる圧力によって、混合比の小さいガスの合流が阻害され、合流点Ｃ１００１の手前で滞留してしまうことが起こり得る。その結果、各供給源からは連続的にガスを供給しているにもかかわらず、断続的にしか混合されない不具合が起こりやすい。

一方、本実施の形態に係る混合ガス供給装置２のように、合流点Ｃ２において第１予備混合路６０に第２予備混合路７０を合流させることによって混合ガスを得る構成は、別の見方をすれば、第１予備混合路６０から混合ガス供給路８０へと流れる主成分の窒素ガスに、酸素とＮＯとを混合させる構成であるともいえる。すなわち、混合ガス供給装置２においては、いわば、流量比が最大の窒素ガスをキャリアガスとして流しつつ、酸素とＮＯを輸送させる態様が実現されている。このような態様にて混合を行う本実施の形態に係る混合ガス供給装置２は、混合比の小さいガスの混合を安定的に行える点で、混合ガス供給装置１００２よりも優れているといえる。

また、混合ガス供給装置１００２の場合、予備混合路１０６０を流れる窒素、酸素、およびＮＯの混合ガスに対し、気化器１０５０において水蒸気が混合されるので、聞かされずに残っている水に、混合ガス中の酸素やＮＯが溶解してしまうことが起こりうる。

これに対して、混合ガス供給装置２の場合は、気化器５０における混合対象は水蒸気と窒素であり、酸素やＮＯは混合の対象となっていないので、酸素やＮＯが気化していない水への溶解が起こることはない。また、ヒータＨ１によって水蒸気状態が保たれた混合ガスが合流点Ｃ２に達するので、合流点Ｃ２においても未気化の水への酸素やＮＯの溶解が生じない。このことも、混合ガスの安定性を高める効果を奏している。

さらには、混合ガス供給装置１００２の場合、予備混合路１０６０を流れる時点で酸素およびＮＯを含む混合ガスがヒータＨ１００１による加熱の対象となるが、混合ガス供給装置２の場合、酸素およびＮＯが加熱を受けるのは、混合ガス供給路８０を流れるときのみであるので、酸素とＮＯの反応が生じにくくなっている。

＜検査装置における測定例＞
次に、混合ガス供給装置２を含む検査装置１において、ガスセンサ１０１を対象に行われる測定の測定例を、混合ガス供給装置１００２を含む検査装置１００１を用いて行った場合と対比しつつ説明する。

図３は、係る測定の対象たるガスセンサ１０１の構造を模式的に示す断面図である。図３に示すガスセンサ１０１は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアを主成分とするセラミックスを構造材料として構成されたＮＯｘセンサである。

係るガスセンサ１０１は、第一の内部空室１０２が第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０を通じて外部空間に開放されたガス導入口１０４と連通し、第二の内部空室１０３が第三の拡散律速部１３０を通じて第一の内部空室１０２と連通する構成を備える、いわゆる直列二室構造型のＮＯｘセンサである。係るガスセンサ１０１を用い、以下のようなプロセスが実行されることで、被測定ガス中のＮＯｘガス濃度が算出される。

まず、第一の内部空室１０２に導入された被測定ガスは、ガスセンサ１０１の外面に設けられた外部ポンプ電極１４１と、第一の内部空室１０２に設けられた内部ポンプ電極１４２と、両電極の間のセラミックス層１０１ａとによって構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルのポンピング作用（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）によって、酸素濃度が略一定に調整されたうえで、第二の内部空室１０３に導入される。第二の内部空室１０３においては、同じく電気化学的ポンプセルである、外部ポンプ電極１４１と、第二の内部空室１０３に設けられた補助ポンプ電極１４３と、両電極の間のセラミックス層１０１ｂとによって構成される補助ポンプセルのポンピング作用により、被測定ガス中の酸素が汲み出されて、被測定ガスが十分な低酸素分圧状態とされる。

係る低酸素分圧状態の被測定ガス中のＮＯｘは、第二の内部空室１０３に保護層１４４に被覆される態様にて設けられた測定電極１４５において還元ないし分解される。そして、係る還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定電極１４５と、基準ガス導入口１４５に通じる多孔質アルミナ層１４６内に設けられた基準電極１４７と、両者の間のセラミックス層１０１ｃとによって構成される電気化学的ポンプセルである測定ポンプセルによって汲み出される。そして、その際に生じる電流（ＮＯｘ電流）の電流値と、ＮＯｘ濃度との間に線型関係があることに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が求められる。

以降の説明では、検査装置１および検査装置１００１においては、測定電極１４５と基準電極１４７との間を流れる電流を測定装置５による測定の対象であるとする。ただし、実際の測定においては、測定電極１４５とリード線Ｌ１にて導通する端子電極１５１と、基準電極１４７とリード線Ｌ２にて導通する端子電極１５２とに２つのプローブ４を当接させたときに、両者の間を流れる電流を測定するものとする。なお、ガスセンサ１０１における測定対象や、端子電極およびリード線の配置態様は、これらに限られるものではない。

測定装置５による測定に際し、ガスセンサ１０１は、ガス導入口１０４の備わる側を測定チャンバ３に挿入させ、端子電極１５１および１５２が備わる側を測定チャンバ３外に突出させる態様にて配置される。図１には、係る状態が例示されている。

図４および図５は、上述のような構成を有するガスセンサ１０１について、混合ガスを測定チャンバ３に対して連続的に供給しつつ、測定電極１４５と基準電極１４７との間を流れる電流を測定した結果を示す図である。

図４は、混合ガスの目標混合比を窒素：水蒸気＝９７：３と定めた場合の結果を示している図４（ａ）が検査装置１００１を用いた場合の結果を示しており、図４（ｂ）が検査装置１を用いた場合の結果を示している。なお、この場合、混合ガスにはＮＯは含まれないことから、流れる電流は、実際のガスセンサ１０１による測定に際しては、オフセットされる電流に相当する。

図４（ａ）に示す検査装置１００１による測定結果では、概ね０．０５μＡの電流が流れるなかで、時間が経過しても断続的に最大で０．０５μＡ程度の電流量の変動があるが、図４（ｂ）に示す検査装置１による測定結果では、経過時間が大きくなると電流量はほぼ安定している。

上述のように、どちらの検査装置における測定も、一定の混合比を有する混合ガスが測定チャンバ３に供給される状態を前提に（目標に）行われている。よって、図４（ａ）に示す結果は、検査装置１００１においては、実際に測定チャンバ３に供給される混合ガスの混合比が変動していることを指し示すものと解される。特に、所々で見られるスパイク状の電流量の変動（脈動）は、混合ガス濃度に急激な変動が生じていることを示唆するものである。これに対し、図４（ｂ）に示す結果では、初期以外はほとんど電流量の変動がなく、安定している。すなわち、混合ガス供給装置２の構成は、水蒸気の混合が安定してなされていることを示している。

また、図５は、図４に示した測定結果を得た際の混合ガスに、さらに、ＮＯを、目標混合値を５００ｐｐｍとして混合させたときの、測定電極１４５と基準電極１４７との間を流れる電流を測定した結果を示す図である。図５（ａ）が検査装置１００１を用いた場合の結果を示しており、図５（ｂ）が検査装置１を用いた場合の結果を示している。なお、図５（ａ）、（ｂ）ともに横軸両端部分の測定プロファイルは評価とは無関係である。

図５（ａ）に示す検査装置１００１による測定結果では、図中に矢印にて示す箇所に比較的長時間の電流量の低下（うねり）があるが、図５（ｂ）に示す検査装置１による測定結果では、このようなうねりはみられず、電流量は安定している。図５に示す結果は、本実施の形態に係る検査装置１においては、混合ガスにおけるＮＯガスの混合比が連像的に安定している状態で、測定がなされていることを指し示しているといえる。すなわち、混合ガス供給装置２のようにＮＯガスを気化器５０より下流側で混合させる構成が、混合ガスを供給する際の、混合比の経時的安定性の確保という点で、優れているといえる。

以上、説明したように、本実施の形態に係る混合ガス供給装置においては、混合比の異なる、水蒸気を含む複数種類のガスを混合する際に、主成分ガスに対し気化器によって水蒸気を混合した後に、水に対する溶存を避けたいガスを混合するようにしているので、水蒸気以外のガスを同時に混合し、その後に水蒸気を混合するような場合に比して、主成分ガス以外のガスについての混合比の経時的安定性に優れた混合ガスを供給することができる。

１、１００１検査装置
２、１００２混合ガス供給装置
３測定チャンバ
４プローブ
５測定装置
１０、１０１０窒素供給系
２０、１０２０水供給系
３０、１０３０酸素供給系
４０、１０４０ＮＯ供給系
５０、１０５０気化器
８０、１０８０混合ガス供給路
８１ガスミキサー
８２バルブ
１０１ガスセンサ
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ（ガスセンサ１０１の）セラミックス層
１０２第一の内部空室
１０３第二の内部空室
１０４ガス導入口
１４５測定電極
１４７基準電極
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１００１合流点
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ１００１、Ｈ１００２ヒータ

Claims

複数種類のガスを混合して供給する混合ガス供給装置であって、
混合ガスの主成分ガスが流れる第一の供給経路に、水を気化して水蒸気として前記主成分ガスと混合させる気化器が接続されてなり、
前記気化器の下流側に設けた、前記主成分ガスと前記水蒸気との混合ガスが流れる予備混合路に、前記混合ガスの前記主成分ガスおよび水蒸気以外の残余のガスが流れる第二の供給経路を合流させることにより、前記混合ガスが流れる一の混合ガス供給路が形成されてなる、
混合ガス供給装置と、
前記混合ガス供給装置の前記混合ガス供給路に接続された測定チャンバと、
前記測定チャンバに挿入されたガスセンサを対象に所定の測定を行う測定装置と、
を備える検査装置であって、
前記主成分ガスが窒素ガスであり、
前記残余のガスが酸素ガスとＮＯガスであり、
前記第二の供給経路において、前記酸素ガスの供給路と前記ＮＯガスの供給路とを合流させてなり、
前記気化器、前記混合ガス供給路、および前記チャンバに、前記気化器および前記チャンバの内部の雰囲気ガスを所定温度範囲に保つためのヒータが付設されてなり、
前記測定装置による前記所定の測定を、前記チャンバ内の雰囲気ガスの温度を１００℃〜１２０℃に保って行う、
ことを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
前記混合ガス供給路に、ガスミキサーを備えることを特徴とする検査装置。
請求項２に記載の検査装置であって、
前記ガスミキサーがスタティックミキサーであることを特徴とする検査装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の検査装置であって、
前記測定装置は、前記測定チャンバに挿入された前記ガスセンサに対しプローブを接続することにより、所定の電気的測定を行う、
ことを特徴とする検査装置。