JP6195221B2 - 電極保持器 - Google Patents

Description

本発明は、容器内の液体の液位や電気伝導度等を検出するための電極を容器に取り付けるための電極保持器に関する。

従来から、ボイラの缶体内や給水タンク内の液体の液位や電気伝導度等を検出することが行われている。例えば、ボイラの缶体や給水タンクと連通する金属製容器に対して、電極保持器により絶縁状態で検出用電極を取り付け、検出用電極と金属製容器との間の電気的な導通状態に基づいて、液位や電気伝導度が検出される。

このような電極保持器は、例えば、下記特許文献１，２に開示されており、金属製容器に取り付けられる容器取付部材と、検出用電極が固定される電極軸と、容器取付部材と電極軸との隙間に介在する絶縁部材とを備えている。

ここで、絶縁部材としては、容器取付部材と電極軸との間の絶縁性等を考慮して、セラミックが使われていたが、近年、撥水性能に優れるフッ素樹脂が用いられるようになってきている。但し、金属製容器内が高温高圧になる条件下では、フッ素樹脂では強度不足で破壊してしまうおそれもあるため、未だにセラミックが用いられている。

特許第４４１９１５５公報 特開２０００−０４６６２９号公報

しかし、絶縁部材をセラミックで形成した場合、セラミックは硬質素材であり柔軟性に欠けるため、シール性能に限界があり、絶縁部材と容器取付部や電極軸との間の隙間から金属製容器内の蒸気が漏れてしまうおそれがある。また、セラミックは、撥水性能に劣るため、釉薬の塗布を必要とするが、釉薬は耐アルカリ性に難があると共に、釉薬が剥がれてしまうと絶縁劣化が生じてしまうおそれもある。また、セラミックは、割れてしまうおそれもある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高温高圧下の容器に設置された場合でも安定して良好なシール性を維持すると共に、耐久性を向上させることのできる電極保持器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電極保持器は、容器に固定されて、前記容器内の液体に浸される電極を保持する電極保持器において、前記容器に固定される金属製の筒状容器取付部材と、前記筒状容器取付部材の中空内部に延在するように設置され、前記電極が固定される金属製の電極軸と、前記筒状容器取付部材と前記電極軸との隙間に両者を絶縁して設置される絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材は、前記容器内に露出し、前記電極軸を保護するために被覆する撥水カバー部と、前記容器内に露出しないで、前記容器内の圧力により前記電極軸から受ける荷重が集中する部位を有する荷重部と、からなり、前記筒状容器取付部材は、前記絶縁部材の上端部分に位置させた前記荷重部を介して前記電極軸を支持し、かつ前記容器内の圧力により前記荷重部を介して前記電極軸から受ける荷重が集中する部位を有し、前記撥水カバー部は、撥水性及びシール性を有する樹脂である第一絶縁素材から形成され、前記荷重部は、前記第一絶縁素材よりも高強度の第二絶縁素材から形成されることを特徴とする。

本発明に係る電極保持器によれば、高温高圧下の容器に設置された場合でも安定して良好なシール性を維持すると共に、耐久性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電極保持器の縦断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る電極保持器の要部拡大縦断面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線による水平断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電極保持器について説明する。図１は、本実施形態に係る電極保持器の縦断面図である。図２は、本実施形態に係る電極保持器の要部拡大縦断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線による水平断面図である。本実施形態では、ボイラの缶体と連通する金属製の容器２に設置されて、容器２内の液体の液位や電気伝導度等を検出するための電極保持器１を例に挙げて説明する。

電極保持器１は、容器２に対して固定される容器取付部材１０と、容器２内の液体に浸される検出用の電極を保持する電極軸２０と、容器取付部材１０と電極軸２０との間に介在して両者を絶縁する絶縁部材３０とを備えている。

電極軸２０は、容器取付部材１０の中空内部を貫通して設置されており、電極軸２０と容器取付部材１０との隙間に、絶縁部材３０が充填されている。このような構成において、容器２に固定された容器取付部材１０は、絶縁部材３０を介して電極軸２０を保持している。

容器取付部材１０は、ステンレス製の部材であり、内部が中空の略円筒形状をしている。容器取付部材１０は、図１において上側に位置する露出部１１と、下側に位置する嵌合部１５とを有している。

露出部１１は、容器取付部材１０が容器２に嵌合設置された状態で、容器２の外側に露出する部分であり、上端に位置する小径部１２と、本体部１３とを備えている。小径部１２は、容器取付部材１０の中で最も内周面の内径が小さくなっており、容器取付部材１０の内周面と電極軸２０の外周面との間の隙間は、小径部１２において最も狭くなっている。すなわち、絶縁部材３０の肉厚は、小径部１２において最も薄くなっている。また、小径部１２は、後述するように、製造時に径方向内側へとかしめられている。

ここで、容器２０内が高圧になった際に電極軸２０がその圧力により受ける力は、絶縁部材３０を介して、小径部１２の下端部分（図２の破線の円で囲まれた部分Ｂ）に集中し、容器取付部材１０は、電極軸２０から受ける荷重を実質的に小径部１２の下端部分において受ける。嵌合部１５は、容器２に嵌合固定される部分であり、嵌合部１５の外周表面には、容器２にねじ込んで固定設置するための雄ネジ部１６が形成されている。なお、露出部１１の本体部１３の外周面は、容器取付部１０の取り付け時にスパナを嵌める必要があるため、水平断面が正六角形となっている（図３参照）。

電極軸２０は、ステンレス製の棒状部材であり、容器取付部材１０の中空内部を貫通して上下に延在して設置されている。電極軸２０は、上側から順に、端子部２１と、軸方向と直交する径方向に突出した径方向突出部である第一フランジ部２３と、同じく径方向突出部である第二フランジ部２５と、電極取付部２８とを備えている。

電極軸２０の上端に位置する端子部２１は、電極保持器１を容器２に設置した状態で容器２の外側に露出しており、電源へと接続される端子である。第一フランジ部２３は、電極軸２０の径方向において外側に向けてフランジ形状に突出した部分であり、電極軸２０の軸周り全周に渡って突出している。さらに、第一フランジ部２３は、径方向外側に突出した先端が、上側に90°折れ曲がり、軸方向において上方に突出した形状（軸方向環状突出部２３１）をしている。

第二フランジ部２５は、第一フランジ部２３と同様に径方向外側に向けてフランジ形状に突出した部分であり、軸周り全周に渡って突出している。さらに、第二フランジ部２５は、径方向に突出した先端が、下側に90°折れ曲がり、軸方向において下方に突出した形状（軸方向環状突出部２５１）をしている。

電極軸２０の下端に位置する電極取付部２８は、容器２内の液中に浸される電極がねじ込まれて接続固定される部分であり、雌ねじが形成されている。また、電極軸２０の端子部２１と第一フランジ部２３との間であって、容器取付部材１０の小径部１２に対向する部分には、周方向全周に渡って径方向に掘られた環状溝２２が形成されており、この環状溝２２内には、Ｏリング２２１が設置されている。このＯリング２２１により、電極軸２０と絶縁部材３０との間のシール性を高めている。

絶縁部材３０は、端子部２１の下部付近から電極取付部２８の上部付近まで電極軸２０を被覆するように設置されており、全体として中空のチューブ形状をしている。絶縁部材３０は、図１において上側に位置し、容器２内に露出しない荷重部３１と、下側に位置し、容器２内に露出する撥水カバー部３５とを備えている。本実施形態では、この荷重部３１と撥水カバー部３５とで異なる素材を採用している。

荷重部３１は、絶縁部材３０の上端部分に位置しており、その下端は、電極軸２０の第一フランジ部２３の上端付近に位置している。荷重部３１において、容器２０内が高圧になった際にその圧力を受けて電極軸２０が上方に移動しようとする力は、電極軸２０と水平な境界で接する荷重部３１の下端内側部分（図２の破線の円で囲まれた部分Ａ）に集中する。

この電極軸２０にかかる荷重が集中する部分Ａを含む荷重部３１は、電極保持器１を設置した状態で容器２の内側に露出しておらず、液体に浸されることもないため、容器２内の雰囲気に接する場合に必要とされる撥水性、耐薬品性、耐アルカリ性等が要求されない。よって、本実施形態では、荷重部３１を構成する素材として、耐高圧性に優れた高強度の樹脂素材であるＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用いている。

また、図２に示すように、荷重部３１は、通常の雰囲気において、ステンレス製の部材である容器取付部材１０及び電極軸２０との間に微小の隙間ができるようなサイズで構成されている。荷重部３１の小径部１２近傍には、周方向全周に渡って径方向に掘られた環状溝３１５が形成されており、この環状溝３１５内には、Ｏリング３１６が設置されている。

また、後述するように、容器取付部材１０の小径部１２は、径方向内側へとかしめられている。よって、荷重部３１と容器取付部材１０との間に微小の隙間を設けても、小径部１２のかしめとＯリング３１６の設置により両者の境界におけるシール性を担保することができる。また、荷重部３１と電極軸２０との間の微小の隙間についても、小径部１２のかしめと、荷重部３１と電極軸２０との境界に設置された上記Ｏリング２２１によりシール性を担保することができる。

このように、小径部１２を内側へかしめた状態で、絶縁部材３０の荷重部３１とステンレス製の容器取付部材１０及び電極軸２０との間に微小の隙間ができるように構成すると、高温環境下で荷重部３１が熱膨張した場合に、これらの隙間により熱膨張を吸収することができ、熱膨張による破損を防止し、電極保持器１の耐久性を向上させることができる。また、隙間を設けておくことで、後述する組み立て時に、荷重部３１を容器取付部材１０及び電極軸２０と容易に組み立てることができる。なお、この隙間は、荷重部３１と容器取付部１０との間、荷重部３１と電極軸２０との間の何れか一方にだけ設けられていても良い。

撥水カバー部３５は、荷重部３１の下側に位置する絶縁部材３０の残りの部分であり、電極軸２０の第一フランジ部２３の上側部分から電極取付部２８の上側近傍において電極軸２０をカバーしている。

このように、撥水カバー部３５は、容器２内に露出する部分であるが、容器取付部材１０が電極軸２０を保持することによる荷重はそれほどかからない。よって、撥水カバー部３５は、強度はそれほど要求されないが、撥水性、耐薬品性、耐アルカリ性、シール性（柔軟性）、耐熱性等が要求される。本実施形態では、撥水カバー部３５を構成する素材として、撥水性、耐薬品性、耐アルカリ性、シール性、耐熱性に優れた樹脂素材であるフッ素樹脂（ＰＦＡ：テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）を用いた。

また、荷重部３１と撥水カバー部３５は、縦断面における両者の境界が互いに入り組んだ形状となるように構成されている。具体的には、図２の縦断面図に示すように、境界部分において、荷重部３１の下端部が逆さＵ字形状となるように軸方向に環状溝３１１が形成されると共に、撥水カバー部３５の上端部がＵ字形状となるように軸方向に環状溝３５１が形成されている。

さらに、荷重部３１と撥水カバー部３５との境界部分において、荷重部３１には、軸方向下側に突出する環状突出部３１３が形成され、撥水カバー部３５には、軸方向上側に突出する環状突出部３５３が形成されている。そして、撥水カバー部３５の環状突出部３５３が荷重部３１の環状溝３１１に嵌まり、荷重部３１の環状突出部３１３が撥水カバー部３５の環状溝３５１に嵌まるように構成されている。

このように、環状溝３１１，３５１に互いに相手側の軸方向の環状突出部３５３，３１３が嵌まり合うことで、両者の境界が互いに入り組んだ形状となっており、荷重部３１と撥水カバー部３５との境界におけるシール性能を大幅に向上させることができる。

これは、荷重部３１と撥水カバー部３５との境界を入り組んだ形状にしておくことで、後述するように、電極保持器１の製造時に撥水カバー部３５の素材であるＰＦＡの成形時の圧力が作用し、境界部分において荷重部３１が締め付けられるからである。

また、入り組んだ構成にしておくことで、高強度のＰＥＥＫで形成された荷重部３１が高温下で熱膨張して応力が発生したとしても、柔軟性に優れたＰＦＡで形成された撥水カバー部３５により緩和することができ、荷重部３１の熱膨張による応力集中や破断等を防止することができる。

また、上述した環状溝３１１には、Ｏリング３１２が設置されている。Ｏリング３１２により、荷重部３１と撥水カバー部３５との境界のシール性をさらに向上させることができる。

なお、境界部分において荷重部３１及び撥水カバー部３５に形成される環状溝３１１，３５１及び環状突出部３１３，３５３は、軸方向に形成された構成に限定されるのではなく、環状突出部３１３，３５３が相手側の環状溝３５１，３１１に互いに嵌まり合う構成であれば、環状溝及び環状突出部が、径方向に形成されたものでも良いし、軸方向や径方向に対して斜めに形成されたものでも良いし、これらを組み合わせた形状であっても良い。

荷重部３１を構成する素材は適宜変更可能であり、耐荷重性に優れた高強度絶縁素材を適宜用いることができる。荷重部３１の素材としては、例えば、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等のエンジニアリングプラスチックやセラミック等を用いることができる。

撥水カバー部３５を構成する素材も適宜変更可能であり、高撥水性、高柔軟性を有する絶縁素材を適宜用いることができる。撥水カバー部３５の素材としては、例えば、ＰＦＡ以外のフッ素系の絶縁樹脂やシリコン等を用いることができる。なお、本実施形態では、撥水カバー部３５を構成する樹脂素材を第一絶縁素材、荷重部３１を構成する素材を第二絶縁素材と称する。

以上、電極保持器１の構成について詳細に説明したが、続いて、電極保持器１の製造方法について説明する。まず、ステンレス製の容器取付部材１０と電極軸２０とをそれぞれ製造する。また、絶縁部材３０のうちＰＥＥＫ製の荷重部３１を、撥水カバー部３５とは別体に樹脂成形により製造する。続いて、図２に示すように、電極軸２０の環状溝２２にＯリング２２１を装着し、かつ荷重部３１の環状溝３１１にＯリング３１２を装着した状態で、電極軸２０を単独成形した荷重部３１に挿入する。これにより、電極軸２０の環状溝２２付近が荷重部３１によってカバーされる。

続いて、荷重部３１の環状溝３１５にＯリング３１６を装着した状態で、荷重部３１が被せられた電極軸２０を容器取付部材１０の中空内部に挿入し、図１に示す場所に位置させる。これにより、まず、容器取付部材１０、電極軸２０及び絶縁部材３０の荷重部３１が組み立てられる。

次に、容器取付部材１０と電極軸２０との間の隙間を埋めると共に、電極軸２０の容器取付部材１０から下方に突出した部分をカバーするように、熱可塑性樹脂であるＰＦＡを充填してインサート成形することで、撥水カバー部３５を形成する。そして、小径部１２を径方向内側へ所定寸法かしめることで、電極保持器１が完成する。

以上、本実施形態について説明したが、本実施形態によれば、容器取付部材１０と電極軸２０との間に介在する絶縁部材３０を、素材の異なる荷重部３１と撥水カバー３５とから構成し、容器２内の高圧時に電極軸２０から受ける荷重の集中する荷重部３１は、耐荷重性に優れた高強度絶縁素材を使用し、高温高圧環境になり得る容器２内に露出する撥水カバー部３５は、高撥水性、高柔軟性を有する絶縁素材から構成することで、電極保持器１を高温高圧下の容器２に設置した場合でも安定した良好なシール性能を維持すると共に、耐久性を向上させることができる。

例えば、電極保持器１が設置された容器２内が高温高圧になった場合、容器２の外側の大気圧との圧力差により電極軸２０が外に飛び出そうとする力が荷重部３１に集中してかかることになるが、荷重部３１を形成するＰＥＥＫが高強度の素材であるため、大きな荷重による破壊を防ぐことができる。

また、容器２内が高温のアルカリ環境になった場合であっても、容器２内に露出している撥水カバー部３５を形成するＰＦＡが、撥水性、耐薬品性、耐アルカリ性、シール性、耐熱性に優れた素材であるため、電極軸２０を確実に保護し、劣化を防止することができる。

なお、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、電極保持器１を構成する各部材の形状やサイズ、素材等は適宜変更可能である。

１ 電極保持器
１０ 容器取付部材
１１ 露出部
１２ 小径部
１３ 本体部
１５ 嵌合部
１６ 雄ネジ部
２０ 電極軸
２１ 端子部
２２ 環状溝
２２１ Ｏリング
２３ 第一フランジ部
２３１ 軸方向環状突出部
２５ 第二フランジ部
２５１ 軸方向環状突出部
２８ 電極取付部
３０ 絶縁部材
３１ 荷重部
３１１ 環状溝
３１２ Ｏリング
３１３ 環状突出部
３１５ 環状溝
３１６ Ｏリング
３５ 撥水カバー部
３５１ 環状溝
３５３ 環状突出部
２ 容器

Claims (4)

1. 容器に固定されて、前記容器内の液体に浸される電極を保持する電極保持器において、
   前記容器に固定される金属製の筒状容器取付部材と、
   前記筒状容器取付部材の中空内部に延在するように設置され、前記電極が固定される金属製の電極軸と、
   前記筒状容器取付部材と前記電極軸との隙間に両者を絶縁して設置される絶縁部材と、を備え、
   前記絶縁部材は、前記容器内に露出し、前記電極軸を保護するために被覆する撥水カバー部と、前記容器内に露出しないで、前記容器内の圧力により前記電極軸から受ける荷重が集中する部位を有する荷重部と、からなり、
   前記筒状容器取付部材は、前記絶縁部材の上端部分に位置させた前記荷重部を介して前記電極軸を支持し、かつ前記容器内の圧力により前記荷重部を介して前記電極軸から受ける荷重が集中する部位を有し、
   前記撥水カバー部は、撥水性及びシール性を有する樹脂である第一絶縁素材から形成され、
   前記荷重部は、前記第一絶縁素材よりも高強度の第二絶縁素材から形成されることを特徴とする電極保持器。
2. 前記荷重部は、前記筒状容器取付部材及び前記電極軸との境界の少なくとも一方に微小の隙間が形成されるように構成されており、
   前記隙間をシールするためのＯリングをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電極保持器。
3. 前記荷重部は、前記撥水カバー部との境界部分に、環状溝と環状突出部とが形成され、
   前記撥水カバー部は、前記荷重部との境界部分に、環状溝と環状突出部とが形成され、
   前記荷重部の前記環状突出部が前記撥水カバー部の前記環状溝に嵌まり、前記撥水カバー部の前記環状突出部が前記荷重部の前記環状溝に嵌まるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電極保持器。
4. 前記荷重部と前記撥水カバー部との境界部分に設置されたＯリングをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の電極保持器。

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