JP5780809B2 - 導電性液体検知センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば高速増殖炉等の液体金属ナトリウム等の導電性液体を取り扱う設備において、導電性液体を送る配管やそれを貯える容器等の被検査体から導電性液体が漏洩、浸入等をしたことを検知する線状の検知センサに関し、特に構造物との摺動に伴う摩擦等の外力に対して強く、なお且つ検知対象となる導電性液体に対する応答性に優れる導電性液体検知センサに関する。

従来において、高速増殖炉等の液体金属ナトリウムを通す配管やそれを収納する容器においては、それら配管や容器の外側に導電性液体検知センサを設けて、万一の場合の液体金属ナトリウムの漏洩を検知するようにしている。配管や容器から液体金属ナトリウムが漏洩したとき、導電性液体検知センサが漏洩した液体金属ナトリウムを検知することにより、液体金属ナトリウムの漏洩を警報してオペレータに知らせる。液体金属ナトリウムを通す配管のバルブ等からの漏洩を監視することが目的である。このような導電性液体検知センサは、高速増殖炉等の関連施設に採用され、設置されている。

従来の導電性液体検知センサとしては、シース型導電性液体検知センサが知られている。この従来のシース型導電性液体検知センサとその計測回路の例を図７に示す。この従来例のシース型導電性液体検知センサは、シースケーブル１に内蔵する導電線３、３としてφ１．２程度のニッケルワイヤの２本を２芯線として使用し、この導電線３、３をφ４．２程度のシース２の中に収納し、シース２の中にマグネシア（ＭｇＯ）の粉末を絶縁材４として充填し、導電線３、３とシース２とを絶縁している。導電線３、３の先端はシース２の先端面から導出され、さらに互いに結合し、そのジャンクション部が電極５としてシース２の先端から導出されている。

この従来のシースケーブルを用いた導電性液体検知センサでは、導電性液体が電極５とシース２とに接触し、それらが導通し、短絡されることで、導電性液体の存在を検知する。そのための検知部６は例えば試験用のスイッチ７と、微弱電流を導電線４３に通電する電源８、導電線４３とシース２との短絡・導通を電気的に検知する電流計９を含む。この検知回路６のスイッチ７は、定期的に導電線３、３に通電して導電線３、３や電極５が断線していないことを確認する為のものである。通常は、スイッチ７は動作させず開状態となっている。このような導電性液体漏洩検知線は、気密性が要求されない広範囲な部位の検出に適用される。

しかしならが、前述した従来の導電性液体検知センサにおいては、弁ボックス等の配管系の構造物に取り付けた場合、度々溶融金属の存在を誤検知し、液体金属ナトリウムが漏れだしたとの誤警報を発生してしまうという問題があった。すなわち、液体金属ナトリウム等の導電性液体の漏洩無しに電極とシースとが短絡してしまうという問題である。その主な原因は、構造物の操作時や動作時の振動に伴い、シースケーブル１が移動し電極５がシース２や構造物に接触して、誤動作が生じる事が有ると言うことが判明している。

特開２００８−２６２６４号公報 特開２００３−３５６９４号公報 特開２００２−２７７３４１号公報 特表２００２−５２５５６６号公報 特開平１０−１８５７７０号公報

本発明は、このような従来の導電性液体検知センサにおける課題に鑑み、液体金属ナトリウム等の導電性液体の漏洩無しに電極とシースとが短絡してしまうことの無い導電性液体検知センサを提供することを目的とする。換言すると、誤動作の発生を防止しながら、導電性液体の漏洩を確実に検知することが出来る導電性液体検知センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記の目的を達成するため、導電線３の先端に設けた電極５をシース２の端部近くであって、同シース２の内部に設け、このシース２の端面を導電性液体が浸入する開放口９とすることにより、導電性液体が漏洩すること以外の原因によって電極５とシース２とが短絡することなく、導電性液体の浸入によってのみ短絡するようにした。

すなわち、本願発明による導電性液体検知センサは、導体からなるチューブ状のシース２の中に導電線３を絶縁状態で収納したシースケーブルを使用し、この導電線３の先端に電極５を設けている。この電極５をシース２の端部近くであって、同シース２の端面より内側に設けると共に、シース２内の電極５が先鋭で、その先端角度が３０゜以下とし、内径Ｘが８．４ｍｍ未満のシース２の端面から電極５の先端までの深さＹをＹ≦０．００６３Ｘ^６−０．２１５Ｘ^５＋３．０４５４Ｘ^４−２２．６６８Ｘ^３＋９３．８２８Ｘ^２−２０４．４９Ｘ＋１８３．４５とし、このシース２の端面を導電性液体が浸入する開放口９とし、この開放口９からシース２の端部に浸入した導電性液体が前記電極５とシース２とを電気的に導通することにより、導電性液体の存在を検知する。

このような導電性液体検知センサでは、電極５がシース２の端面より内側に設けられているので、シース２が構造物に接触しても、シース２と電極５の短絡が起こらない。しかもシース２の端面は開放口９となっているため、液体金属ナトリウム等の導電性液体がこの開放口９からシース２の内部に浸入し、電極５と接触する。これにより、液体金属ナトリウム等の導電性液体が電極５に達すると、この電極５とシース２とが導通し、導電性液体の漏洩が確実に検知される。

このような導電性液体検知センサにおいて、シース２の端部にその先端面の開放口９に連なるスリット１０を開設すると、導電性液体が開放口９からシース２の端部に浸入しやすくなるので、導電性液体検知センサの感度を得るために好ましい。電極５はシース２の端部の中に配置するが、絶縁材４からは露出されている。スリット１０の深さは、シース２の中の絶縁材４が埋め込まれた位置までとする。

導電性液体が例えば液体金属ナトリウムである場合、その濡れ性が最も悪い時の波高ｈは８．４ｍｍである。従って、シース２の内径Ｘが８．４ｍｍ以上の時は、液体金属ナトリウムは、シース２の開放口９からその内部に容易に浸入することが出来る。これに対し、シース２の内径Ｘが８．４ｍｍ未満の時は、開放口９からその内部に浸入し得る液体金属ナトリウムの深さＤは限られる。それはシース２の端面からＤ＝０．００６３Ｘ^６−０．２１５Ｘ^５＋３．０４５４Ｘ^４−２２．６６８Ｘ^３＋９３．８２８Ｘ^２−２０４．４９Ｘ＋１８３．４５の深さまでとなる。従って、配管系から流れ出る液体金属ナトリウムを電極５で検知するためには、シース２の端面から電極５の先端までの深さＹは、前記深さＤ以下、すなわちＹ≦Ｄとする必要がある。

また、導電性液体が液体金属ナトリウムである場合、後述するように、シース２の内径Ｘを或る値より大きくすることにより、酸化ナトリウムの表面層に邪魔されず液体ナトリウムを電気的に感知することが出来る。具体的には、シース２の内径Ｘをφ３．８以上、より好ましくはφ６．４以上とするとよい。
さらに後述するように、電極５の先端を鋭くすることにより酸化ナトリウムの表面層が有っても、それに邪魔されず液体ナトリウムを電気的に感知することが出来る。具体的には、電極５の先端の角度θを３０゜以下、より好ましくは２０゜以下とするのがよい。

以上説明した通り、本願発明による導電性液体検知センサでは、シースケーブル１が何らかの外力で移動しても電極５は、構造物やシース２と電極５が接触によって誤動作が発生せず、しかも確実に導電性液体の存在を検知することが出来る。すなわち、機械的にシスケーブル１が移動しても、電極５が構造物やシース２との接触が排除され、確実に導電性液体の漏洩を検知することが出来る。よって、信頼性の高い導電性液体検知センサを得ることが出来る。

本発明による導電性液体検知センサの一実施例を示す全体概略断面図である。 本発明による導電性液体検知センサの一実施例の先端部分を示す要部拡大概略断面図である。 本発明による導電性液体検知センサの一実施例の先端部分を示す要部拡大斜視図である。 導電性液体である液体金属ナトリウムの固体表面の接触状態を示す断面図である。 本発明による導電性液体検知センサの一実施例におけるシース先端から電極までの必要深さを示すグラフである。 本発明による導電性液体検知センサの他の実施例の先端部分を示す要部拡大概略断面図である。 導電性液体検知センサの従来例を示す全体概略断面図である。

本発明は、シースによって電極を保護しながら、シースの端面からシースの内部に導電性液体を浸入可能とすることで、構造物の操作や動作時の振動やその他人的なの外力によるシースケーブル１の移動によって電極５が構造物やシース２との接触で生じる誤動作を防ぎながら、導電性液体の存在によって電極５とシース２との間の短絡、導通が確実に起こるようにし、前記の目的を達成するものである。
以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的且つ詳細に説明する。

図１は、本発明による導電性液体検知センサの一実施例を示す全体概略断面図と検知部の検査回路図であり、図２は、その先端部分を示す要部拡大概略断面図、図３は、その先端部分を示す要部拡大概略斜視図である。
導電性液体検知センサの本体をなすシースケーブル１は、導電線３、３としてφ１．２程度のニッケルや銅等のワイヤを内蔵している。この導電線３、３をチューブ状のシース２の中に収納し、さらにこのシース２の中にマグネシア（ＭｇＯ）粉末等の無機材料粉末からなる絶縁材４を充填し、シース２とその中の導電線３、３とを互いに絶縁している。このようなシースケーブル１の先端部分に導電性液体検知センサを構成する。

検出センサの先端の電極５を従来の剥き出し構造とせず、シース２の先端部の絶縁材４を除去し、シース２内で導電線３、３の接合処理を行うことにより、電極５をシース２の端面より内側に設ける。これにより、誤接触を防止する構造となっている。さらにシース２の端面は、導電性液体がその内部に流れ込んで電極５に到達し得るように先端面を開放口９として開口する。さらにシース２の端部にこの開放口９に通じるスリット１０を設けている。

より具体的には、まずシース２の端面からマグネシア（ＭｇＯ）粉末等の無機材料粉末からなる絶縁材４を除去し、シース２の先端部内部の導電線３、３の先端部を絶縁材４から露出する。さらにこの２芯の導電線３、３の先端をロウ付けや溶接等の手段で接合し、この接合部を電極５とする。この電極５は、シース２の端面よりその内側に設ける。シース２の先端面は、閉じずに開放口９とする。さらに、シース２の先端部には、その前記開放口９から縦方向にスリット１０を開設する。このスリット１０は、シース２の周方向にほぼ等角度間隔で２個所ないしは数カ所設ける。スリット１０の深さは、絶縁材４の端面より深くしない。

この導電性液体検知センサにより漏洩した導電性液体を電気的に検知するための検知部６は、微弱電流を導電線３、３に通電する電源８と、試験用のスイッチ７を介して導電線３、３に接続され、漏洩時に導電線３、３とシース２との導通・短絡により導電線３、３に微弱電流が流れるのを電気的に検知する電流計９とを含む。導電性液体の漏洩を監視するときは、前記スイッチ７を開いた状態とする。他方、スイッチ７を閉じると、電流計９で電源８から導電線３、３を介して通電される微弱電流が検知されるので、これにより導電線３、３や電極５が断線していないかどうかの導通試験を行うことが出来る。

なお、図示の例では、導電線３、３は１つのシース２に２芯収納されており、通常は片側１芯分の導電線３を使用する。他方の片側１芯分の導電線３は、予備或いは通電試験用の導線として使用することが出来る。もちろん必要に応じて両側２芯分の導電線３、３を同時使用することも出来る。

このような導電性液体検知センサは、その先端を液体金属ナトリウム等の導電性液体の配管等に添わせて当該配管等から漏出する導電性液体を検知する。導電性液体が前記シース２の先端面である開放口９からシース２の中に浸入し、そこにある電極５と接触すると、電極５とシース２とが導電性液体を介して導通し、短絡する。これを前述した検知部６により検知し、前記配管等から導電性液体が漏出したことを知ることが出来る。

図４は、配管等の構造物の表面に添って液体金属ナトリウム等の導電性液体が漏洩し流れる時の波形を示している。導電性液体が液体金属ナトリウムである場合、その波高ｈはｈ＝２λｓｉｎ（θ／２）で求められる。
λ：毛管長＝（γ／ρｇ）^１／２
ρ：密度
ｇ：重力の加速度
γ：表面張力＝７×１０^−６Ｔ^２−０．１０９Ｔ＋２１１．７６
Ｔ：温度（℃）
（以上、出典：内田老鶴圃２００７年刊「固体表面の濡れ制御」、日本機械学会２００９年刊、「伝熱工学資料改訂第５版」）

これにより、液体金属ナトリウムの波高ｈが最大になるときは、温度Ｔが液体金属ナトリウムの融点のときであって、且つ液体金属ナトリウムと接触面との濡れ性が最も悪いときである。そのときの液体金属ナトリウムの波高ｈはｈ＝８．４ｍｍになる。具体的には、液体金属ナトリウムと接触面の濡れ性が最も悪いとき、図４に示すθはθ＝１８０°となり、液体金属ナトリウムは温度が９７．７℃でｈ＝８．４ｍｍ、温度が５００℃でｈ＝７．９ｍｍとなる。

図３に示すシース２の内径Ｘが８．４ｍｍ以上のときは、液体金属ナトリウムの温度が９７．７℃以上である限り、液体金属ナトリウムの波高ｈは８．４ｍｍ以下であるため、当該液体金属ナトリウムは、前記シース２の先端面である開放口９からシース２の中に浸入し、そこにある電極５と接触することが出来る。

他方、液体金属ナトリウムの温度が９７．７℃以上で、図３に示すシース２の内径Xが８．４ｍｍ未満のときは、液体金属ナトリウムと接触面の濡れ性が最も悪いときに、当該液体金属ナトリウムがシース２の端面からその内部に浸入し得る最大深さＤ（ｍｍ）は、シース内径Ｘ（ｍｍ）とすると、Ｄ＝０．００６３Ｘ⁶−０．２１５７Ｘ⁵＋３．０４５４Ｘ⁴−２２．６６８Ｘ³＋９３．８２８Ｘ²−２０４．４９Ｘ＋１８３．４５である。よってこのとき、図３に示す電極５のシース２の先端から電極５までの深さＹ（ｍｍ）は、０＜Ｙ≦Ｄとする必要がある。このシース２の内径Ｘ（ｍｍ）に対する必要なシース２の先端から電極５までの深さＹ（ｍｍ）の関係を表したグラフを図５に示す。

液体ナトリウムのように酸化しやすい導電性液体は、大気中に漏洩すると表面が酸化しながら流れていく。一般に金属酸化物は金属よりも電気抵抗が高く、多くのものが絶縁性を有する。ナトリウムの酸化物もナトリウムに比べて電気抵抗が高い。
液体ナトリウムを大気中で酸化させると、表面にフワフワした酸化物が出来て、スプーンですくい取ったりかき分けたりすることが出来る。その形態は卵白をホイップして薄くのばした如き状態に近い。そのた、このような酸化物の表面層に前記導電性液体センサの電極５を接触しても、酸化ナトリウムの表面層に邪魔されて液体ナトリウムを電気的に感知しないことがある。

そこで検討した結果、シース２の内径Ｘを或る値より大きくすることにより、酸化ナトリウムの表面層が有っても、それに邪魔されず液体ナトリウムを電気的に感知 することが出来ることが判明した。実験によれば、液体ナトリウムの温度が２００℃の場合、シース２の内径がφ３．８では、液体ナトリウムの検知が可能であり、φ６．４以上であれば確実に液体ナトリウムの検知が可能であることが分かった。

さらに、図６（Ａ）や同（Ｂ）に示すように、電極５の先端を鋭くすることにより酸化ナトリウムの表面層が有っても、それに邪魔されず液体ナトリウムを電気的に感知することが出来ることも判明した。実験によれば、液体ナトリウムの温度が２００℃の場合、電極５の先端の角度θが３０゜では、液体ナトリウムの検知が可能であり、２０゜以下であれば確実に液体ナトリウムの検知が可能であることが分かった。

なお実験によれば、図１〜図３に示すように、電極５の先端が丸くても、電極５及び／又は液体ナトリウムに振動を与えると、酸化ナトリウムの表面層が有っても、それに邪魔されず液体ナトリウムを電気的に感知することが出来ることも明らかとなった。ただし、振動機を設けるコストや設置スペースが必要であるため、現実的に採用しかねるところである。

本発明による導電性液体検知センサは、シースケーブル１が構造物の振動等により移動して電極５がシース２や構造物に接触して誤検知を起こすことなく、液体金属ナトリウム等の導電性液体を通す配管やそれを収納する容器から導電性液体が漏洩したことを検出することが出来るため、液体金属ナトリウム等の導電性液体を使用する装置に設置して導電性液体の漏洩の監視等に適用することができる。

１ シースケーブル
２ シース
３ 導電線
４ 絶縁材
５ 電極
９ 開放口
１０ スリット

Claims (1)

1. 導体からなるチューブ状のシース（２）の中に導電線（３）を絶縁状態で収納したシースケーブルを使用し、この導電線（３）の先端に電極（５）を設け、この電極（５）と前記シース（２）との導通により、検知対象となる導電性液体の存在を検知する導電性液体検知センサであって、前記電極（５）をシース（２）の端部近くであって、同シース（２）の端面より内側に設けると共に、シース（２）内の電極５が先鋭で、その先端角度が３０゜以下とし、内径Ｘが８．４ｍｍ未満のシース（２）の端面から電極（５）の先端までの深さＹをＹ≦０．００６３Ｘ^６−０．２１５Ｘ^５＋３．０４５４Ｘ^４−２２．６６８Ｘ^３＋９３．８２８Ｘ^２−２０４．４９Ｘ＋１８３．４５とし、このシース（２）の端面を導電性液体が浸入する開放口（９）とし、この開放口（９）からシース（２）の端部に浸入した導電性液体が前記電極（５）とシース（２）とを電気的に導通することにより、導電性液体の存在を検知することを特徴とする導電性液体検知センサ。

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