JP5396429B2 - ガス濃度検出センサー - Google Patents
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Description
被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサー素子と、
前記センサー素子の先端を覆う有底筒状の内側保護カバーと、
前記内側保護カバーよりも径が大きく、側面と底面とを有する外側保護カバーと、
前記外側保護カバーの側面と底面との境界部分に開けられた複数の外側ガス孔と、
前記内側保護カバーの内外の前記被測定ガスの流れを許容し、前記外側ガス孔よりも前記センサー素子の後端側に位置する内側ガス孔と、
を備え、
前記外側ガス孔の外部開口面と前記外側保護カバーの底面とのなす角が10°〜80°であるものである。
よい。
図2に示すガス濃度検出センサー100を複数作製した。具体的には、内側保護カバー130として、板厚が0.3mm、大径部132の軸方向長さ1.9mm、第1胴部134の軸方向長さが5.2mm、第2胴部136の軸方向長さが5.2mm、先端部138の軸方向長さが4.9mm、大径部132の内径が13.54mm、第1胴部134の内径が11.2mm、第2胴部136の内径が7.6mm、先端部138の内径が5.3mm、内側ガス孔の開口部の大きさが縦1.5mm,横0.3mmのものを用いた。更に、外側保護カバー140として、板厚が0.4mm、大径部142の軸方向長さが5.6mm、胴部144の軸方向長さが9.2mm、先端部146の軸方向長さが9.6mm、大径部142の内径が14.4mm、胴部144の内径が13.8mm、先端部146の内径が7.9mm、第1角部144b,第2角部146bの曲げ半径Rが1.0mmのものを用いた。そして、外側保護カバー140の第1外側ガス孔144aの内径φ1と、第2外側ガス孔146aの内径φ2とを表1の実施例1〜2に示すように種々変更したものを作製した。なお、表1における「ガス通過孔の角度」とは、内側保護カバーのガス通過孔の外部開口面と内側保護カバーの先端部の底面とのなす角を意味する。図2から分かるように実施例1,2ではガス通過孔の角度は90°である。また、ここで作製したガス濃度検出センサー100のセンサー素子110は、酸素濃度を検出するものとした。
第1外側ガス孔144a及び第2外側ガス孔146aの孔数及び内径φ1,φ2を表1の実施例3〜5に示す値とした点以外は、実施例1〜2と同様のものを作製した。
第1外側ガス孔144aの外部開口面と段差部145の底面とのなす角及び第2外側ガス孔146aの外部開口面と先端部146の底面とのなす角をいずれも同じ値θとし、この値θを表1のように変更した点以外は実施例1と同様のものを作成して、実施例6〜7,比較例1〜2とした。なお、図6(a)で示したように、第1外側ガス孔144aの中心軸の角度を図2の第1外側ガス孔144aと同じ45°として、孔を開ける位置をずらすことでなす角θの変更を行った。このようにしてなす角θを変更すると、第1外側ガス孔144aの外部開口面の外側保護カバー140の中心軸方向長さL及び胴部144の外周面から第1外側ガス孔144aの外部開口面のうち外側保護カバー140の中心軸に最も近い部分までの長さL2(図15参照)が変化する。実施例1(なす角θ=45°)のときの長さLは値0.71mmであった。実施例6及び比較例1のようになす角θの値を10°,5°と小さくすると、長さLは0.21mm、0.11mmと小さくなり、長さL2は1.20mm、1.30mmと大きくなった(図15(a),(b))。実施例7及び比較例2のようになす角θの値を80°、85°と大きくすると、長さLは1.20mm、1.30mmのように大きくなり、長さL2は0.22mm、0.13mmと小さくなった(図17(a),(b))。このなす角θと長さL,L2との関係は、第2外側ガス孔146aでも同じである。なお、図16,17からもわかるように、実施例6〜7,比較例1〜2では、第1外側ガス孔144aの内周面と外部開口面とのなす角は図4とは異なり90°以外の値となっている。これは第2外側ガス孔146aも同じである。
内側保護カバー130の先端部138がガス通過孔138aの代わりに図11に示したガス通過孔238aを備える(具体的には、ガス通過孔238aが先端部138の側面と底面との境界部分に位置し、ガス通過孔238aの外部開口面と先端部138の底面とのなす角は45°となっている)点以外は、実施例2と同様のものを作製して、実施例8とした。なお、ガス通過孔238aは、内径が1.0mmであり、等間隔に6箇所形成した。
図18に示すガス濃度検出センサー700を複数作製した。ガス濃度検出センサー700は、保護カバー720として、内側保護カバー730と外側保護カバー740とを備えている。内側保護カバー730は、先端部738及びガス通過孔738aの形状が先端部138,ガス通過孔138aと異なる点,及び段差部137を備えない点以外は図2の内側保護カバー130と同じ構造であるため、先端部738,ガス通過孔738a以外の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。先端部738は、先端部138と異なり三角錐台を逆さにした形状をしており、胴部136と接続する部分の内径が7.4mm、底面の直径が2.4mmである。また、ガス通過孔738aは、先端部738の底面の中心点に位置する円形の孔であり、内径は1mmである。ガス通過孔738aの外部開口面と先端部738の底面とのなす角は0°である。外側保護カバー740は、第1外側ガス孔744a及び第2外側ガス孔746a以外は図2の外側保護カバー140と同じ構造であるため、第1外側ガス孔744a及び第2外側ガス孔746a以外の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第1外側ガス孔744aは、胴部144の側面に位置し、第2外側ガス孔746aは、先端部146の側面に位置している。そして、外側保護カバー740の第1外側ガス孔744aの内径φ1と、第2外側ガス孔746aの内径φ2とを表1の比較例1〜3に示すように種々変更したものを作製した。なお、第1外側ガス孔744a及び第2外側ガス孔746aは、実施例1〜2と同様に等間隔に6箇所開けた。
図19に示すガス濃度検出センサー800を作製した。ガス濃度検出センサー800の保護カバー820は、センサー素子110の先端を覆う板厚0.3mmの内側保護カバー830と、内側保護カバー830を覆う板厚0.3mmの中間保護カバー840と、中間保護カバー840を覆う板厚0.4mmの外側保護カバー850とを備えた3重構造をしている。内側保護カバー830は、金属製の主体金具802に外周面が当接しており軸方向長さが5.5mmで内径が6.8mmの円筒状の大径部832と、軸方向長さが13.9mmで内径が6.4mmの有底筒状の先端部834とを有している。先端部834の側面には、内径が1.5mmの内側ガス孔834aが12箇所形成されており、先端部834の底面の中心には、内径が5mmのガス通過孔834bが1箇所形成されている。ガス通過孔834bの外部開口面と先端部834の底面とのなす角は0°である。なお、内側ガス孔834aは、ジグザグ状に軸方向(図19の上下方向)に2段にずれた位置で等間隔に形成されている。中間保護カバー840は、金属製の主体金具802に内周面が当接しており軸方向長さが1.8mmで内径が13.9mmの大径部842と、軸方向長さが8.4mmで内径が9.1mmの円筒状の胴部844と、軸方向長さが5.5mmで内径が6.9mmの有底筒状の先端部846とを有している。大径部842と胴部844とは段差部843を介して接続されており、胴部844と先端部846とも段差を介して接続されている。段差部843には、図20に示すように、径11.6mmの円を中心線として幅1mm、角度40°分の円弧状の第1中間ガス孔843aが等間隔に6箇所形成されている。先端部846の底面の中心には、内径が1.1mmの第2中間ガス孔846aが1箇所形成されている。外側保護カバー850は、金属製の主体金具802に内周面が当接しており軸方向長さが5.6mmで内径が14.4mmの円筒状の大径部852と、軸方向長さが18.2mmで内径が13.8mmの有底筒状の先端部854とを有している。先端部854の側面には、内径が2mmの外側ガス孔854aが6箇所形成されている。なお、内側保護カバー830の先端部834と中間保護カバー840の先端部846とは当接しており、その結果、内側保護カバー830と中間保護カバー840とで囲まれた空間は、上室822と下室824とに分離されている。
図21に示すガス濃度検出センサー900を作製した。ガス濃度検出センサー900の保護カバー920は、センサー素子110の先端を覆う板厚0.3mmの内側保護カバー930と、内側保護カバー930を覆う板厚0.4mmの外側保護カバー940とを備えた2重構造をしている。内側保護カバー930は、金属製の主体金具902に内周面が当接しており軸方向長さが1.5mmで内径が13.7mmの円筒状の大径部932と、軸方向長さが12.4mmで内径が6.9mmの有底筒状の先端部934とを有している。大径部932と先端部934とは、段差を介して接続されている。先端部934の側面には、内径が1.5mmの内側ガス孔934aが等間隔に6箇所形成されている。外側保護カバー940は、金属製の主体金具902に内周面が当接しており軸方向長さが5.5mmで内径が14.4mmの円筒状の大径部942と、軸方向長さが15.3mmで内径が13.8mmの有底筒状の先端部944とを有している。先端部944の側面には、内径が2mmの第1外側ガス孔944aが等間隔に6箇所形成されている。先端部944の底面の中心には、内径が3.8mmの第2外側ガス孔944bが1箇所形成されている。
実施例1〜8,比較例1〜7の各ガス濃度検出センサーにつき、以下のセンサー出力の応答性とセンサー素子の被水性を調べた。その結果を表1及び図23に示す。センサー出力の応答性とセンサー素子の被水性の試験方法は以下の通りである。
まず、図1のようにガス濃度検出センサーを配管200に取り付けた。この状態で、エンジンの排ガスの代わりに、被測定ガスとしてバーナー燃焼によりNO濃度70ppm、ラムダ1.05に制御した基準ガスを流してセンサー出力が安定するのを待った。その後、ガス導入口を通じて酸素を基準ガス中に導入し、NO濃度70ppm、ラムダ1.35の混合ガスを流してセンサー出力が安定するのを待った。すると、センサー素子110が酸素濃淡電池として機能して起電力が発生し、センサー出力が立ち上がった。ここで、基準ガス中に酸素を導入した時点から、センサー出力がその立ち上がりの最大値の10%になるまでに要する時間t10とセンサー出力がその立ち上がりの最大値の90%になるまでに要する時間t90とを求め、その差Δt(=t90−t10)を応答時間(単位:sec)とした。この応答時間が短いほどガス濃度検出センサーの応答性が高い。
被水性は、図22に示す壊れだし水量測定装置950を用いて求めた。すなわち、壊れだし水量測定装置950として、直径28mmの2本のパイプ960,970を角度が150°となるように繋ぎ合わせ、繋ぎ目から300mmの位置に切替バルブ990を介して送風機980を接続し、繋ぎ目から送風機980とは反対側に向かって400mmの位置にガス濃度検出センサー100を配置したものを用意した。そして、繋ぎ目部分に任意の量の水を蓄えた状態で、送風機980を所定の駆動条件で運転し、送風機980からパイプ960へ送風した。この送風によって繋ぎ目部分の水をセンサー100に向かって飛散させて、蓄えられていた水を全てパイプ970の外へ放出した。その際、センサー素子110からの出力に異常が見られるか否かを確認した。1つのガス濃度検出センサーについて同じ水量で同じ試験を10回行い、1回も異常が見られない場合には、水量を10cm3増やして同様に試験を10回行い、10回のうち1回でも異常が見られるまで水量を10cm3ずつ増やして同様に試験を繰り返した。そして、1回でも異常が見られたときの試験当初の水量を壊れだし水量(単位:リットル)として、この壊れだし水量の逆数を被水性(単位:1/リットル)とした。この被水性が小さい値であるほどセンサー素子110への水の付着が抑制されている。なお、送風機の所定の駆動条件とは、センサー素子110のヒーターへの通電を終了した後、図22に示す切替バルブ990をバイパス990aに接続した状態で送風機980により風速約75m/sの大気の流れを作り、切替バルブ990をパイプ960に切替え、3秒間パイプ960に送風することをいう。
実施例2,比較例4,比較例7のガス濃度検出センサーにつき、運転時の振動によって配管に溜まった水がセンサ素子に被水する現象を模擬した振動試験を行った。振動試験の様子を図24に示す。この振動試験は、以下のように行った。まず、加振機に取り付けられた試験チャンバーにガス濃度検出センサーを鉛直方向から45°傾けて取り付けた。また、ガス濃度検出センサーには、ヒーターの出力を制御するコントローラーと、ヒーターのパワー制御値を測定するためのセンサー出力モニターを接続した。次に、試験チャンバー内に水を入れ、加振機により10〜200Hzの間で周波数を変化させながら正弦波で試験チャンバーを振動させた。振動中は、センサー素子内のヒーターが100℃になるようにコントローラーで制御を行い、このときのヒーターのパワー制御値をセンサー出力モニターにて測定した。なお、センサー素子に付着する水が多いほどセンサー素子の温度が低下して、ヒーターの出力を大きくすべくパワー制御値が大きい値となる。
実施例8,比較例4,比較例7のガス濃度検出センサーにつき、予め外側保護カバー内及び内側保護カバー内に水が入った状態から水が抜けるまでの様子を確認する水抜き試験を行った。この試験は、図22に示した壊れだし水量測定装置950を用いて行った。具体的には、まず、ガス濃度検出センサーを鉛直方向から45°傾けた状態でパイプ970に取り付けた。そして、パイプ960,970の繋ぎ目には水がない状態とし、代わりに予めガス濃度検出センサーの外側保護カバー内及び内側保護カバー内に任意の量の水を注入した。その状態で、送風機980を所定の駆動条件で運転し、送風機980からパイプ960へ送風した。送風中は、センサー素子内のヒーターが100℃になるように制御を行い、このときのヒーターのパワー制御値を測定した。なお、内側保護カバー内に水が注入されセンサー素子に水が付着しているとセンサー素子の温度が低下するため、ヒーターの出力を大きくすべくパワー制御値が大きい値となる。そのため、送風により内側保護カバー内の水が抜けていくに従って、パワー制御値は小さくなっていく。
Claims (6)
- 被測定ガスの所定のガス濃度を検出可能なセンサー素子と、
前記センサー素子の先端を覆う有底筒状の内側保護カバーと、
側面と底面とを有する外側保護カバーと、
前記外側保護カバーの側面と底面との境界部分に開けられた複数の外側ガス孔と、
前記内側保護カバーの内外の前記被測定ガスの流れを許容し、前記外側ガス孔よりも前記センサー素子の後端側に位置する内側ガス孔と、
を備え、
前記外側ガス孔の外部開口面と前記外側保護カバーの底面とのなす角が10°〜80°であり、
前記外側保護カバーは、円筒状の胴部と、該胴部よりも径の小さい有底筒状の先端部と、該胴部と該先端部とを接続する段差部と、を有しており、
前記外側ガス孔は、前記外側保護カバーの胴部の側面と前記外側保護カバーの段差部の底面との境界部分である第1角部に開けられた複数の第1外側ガス孔と、前記外側保護カバーの先端部の側面と底面との境界部分である第2角部に開けられた複数の第2外側ガス孔と、からなり、
前記内側ガス孔は、前記第1外側ガス孔よりも前記センサー素子の後端側に位置しており、
前記外側保護カバーの胴部及び段差部と前記内側保護カバーとで囲まれ、前記内側ガス孔により前記内側保護カバーの内部と連通する第1ガス室と、
前記外側保護カバーの先端部と前記内側保護カバーとで囲まれ、前記第1ガス室と直接には連通していない第2ガス室と、
前記第2ガス室内と前記内側保護カバーの内側との間の前記被測定ガスの流れを許容するガス通過孔と、
を備えたガス濃度検出センサー。 - 前記複数の第2外側ガス孔は、開口部の総面積が前記第1外側ガス孔の開口部の総面積より大きい、
請求項1に記載のガス濃度検出センサー。 - 前記ガス通過孔は、前記第2外側ガス孔の延長上の領域以外の位置に開けられている、
請求項2に記載のガス濃度検出センサー。 - 前記複数の第1外側ガス孔は、いずれも開口部の面積が同じであり、
前記複数の第2外側ガス孔は、いずれも開口部の面積が同じであり、
前記複数の第2外側ガス孔は、1つあたりの開口部の面積が前記第1外側ガス孔の1つあたりの開口部の面積以上である、
請求項2又は3に記載のガス濃度検出センサー。 - 前記複数の第1外側ガス孔は、互いに等間隔に位置する3つ以上の孔であり、
前記複数の第2外側ガス孔は、互いに等間隔に位置する3つ以上の孔である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス濃度検出センサー。 - 前記ガス通過孔は、前記内側保護カバーの側面と底面との境界部分に開けられ、
前記ガス通過孔の外部開口面と前記内側保護カバーの底面とのなす角が10°〜80°である、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス濃度検出センサー。
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