JP6380278B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、排出ガス中の酸素を効率よく排出しながら、チャンバ内に排出ガスを効果的に拡散させて、NOx検出精度と応答性の両方を向上させた高性能なガスセンサを提供しようとするものである。
平板状のセラミックシートを積層したガスセンサ素子内に設けられ、上記ガスセンサ素子の長手方向の端部に設けた多孔質の拡散層を介して、外部から被測定ガスが導入されるチャンバと、
上記チャンバ内のガス流れの上流側に配置されるポンプ電極を有して、被測定ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、
上記チャンバ内のガス流れの下流側に配置されるセンサ電極を有して、酸素濃度の低減した被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルを備え、
上記ガスセンサ素子は、上記チャンバに面する表面に上記ポンプ電極及び上記センサ電極が配置される第1のセラミックシートに、上記チャンバとなる開口を有する第2のセラミックシートと、上記開口を覆って上記チャンバを画成する第3のセラミックシートを順に積層した構造を有し、
上記チャンバは、チャンバ壁を構成する上記第1のセラミックシート及び上記第3のセラミックシートの少なくとも一方の表面が、上記ポンプセルの形成位置で上記チャンバ内方に凸となる反り形状を有し、かつ該表面の反り量が0.10%以上1.38%以下の範囲に設定されており、
上記拡散層と上記チャンバとは、上記拡散層の積層方向の高さHpと、上記ポンプセルの形成位置における上記チャンバの積層方向の平均高さHaveとが、Hp<Have、の関係を満たしている、ガスセンサにある。
したがって、上記態様によれば、良好なガス排出性とガス拡散性を両立させることができ、センサセルによる特定ガスの検出精度を向上させ、応答性を確保して、高性能なガスセンサを実現する。
以下に、ガスセンサの第1実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態のガスセンサは、例えば、NOxセンサとして内燃機関の排気通路に設置され、被測定ガスである排出ガス中に含まれる特定ガス成分としての窒素酸化物(すなわち、NOx)ガスを検出する。図1Bは、ガスセンサを構成する積層型ガスセンサ素子1を、図1Aは、素子先端部(すなわち、図の左端部)断面を示しており、その主要部で素子内に設けた空間であるチャンバ2内に、多孔質の拡散層21を介して、排出ガスが導入されるようになっている。図2に示すように、チャンバ2内には、ガス流れの上流側となる先端側(すなわち、図の左端側)に、ポンプセル3が配置され、ガス流れの下流側となる基端側(すなわち、図の右端側)に、センサセル4とモニタセル5が、並列配置されている。
図5、図6に、第2実施形態として示すように、ガスセンサ素子1の積層方向に対向するチャンバ2の壁面の両方を変形させることもできる。本実施形態において、図示しない拡散層21の形状や配置、拡散層21の高さHpとポンプセル3形成位置におけるチャンバ2の平均高さHaveの関係は、第1実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。具体的には、長手方向断面(例えば、図5参照)において、遮蔽シート13及びポンプ電極31が形成される固体電解質シート11を、チャンバ2に露出する表面が、チャンバ2の内方に凸となる反り形状を有し、ポンプ電極31の入口部aから出口部dへ向けて、徐々にチャンバ2高さが低くなり、ガス出口部で反り量が最大となる山形形状の反り面に形成される。第1実施形態と同様に、出口部dとその上流部の高さの関係は、例えば、入口高さHa>Hb>Hc≧出口高さHdとするのがよく、ポンプ電極31のガス入口部で断面積が最大となり、ガス出口部で断面積が最小となる。下流側E(センサ電極41、モニタ電極51形成位置)は、入口部aと下流側の中間部cの間の高さ、例えば、上流側の中間部bと同程度とすることができる。
ガス流量Qの一般式 Q=C×Δp
式中、C:ガス流れやすさを表す係数、である。
ここで、
気体の状態方程式 PV=nRTから、
差圧Δp=P1−P2
=nRT×(1/V1−1/V2)
=nRT×{(V2−V1)/V1・V2}
式中、P1:中央部の圧力、P2:側端部の圧力、R:気体定数、T:温度、である。
したがって、ガス流量Qは、差圧Δpに比例して大きくなり、側端部と中央部の容積差が大きいほど、流れやすくなる。
図13〜15に、第3実施形態として示すように、ガスセンサ素子1の積層方向に対向するチャンバ2の壁面に加えて、ガスセンサ素子の短手方向に対向するチャンバ2の壁面を構成する、チャンバ形成シート12の開口22の内表面の少なくとも一つを、反り形状とすることもできる。本実施形態において、チャンバ壁となる遮蔽シート13の反り形状、拡散層21の形状や配置、拡散層21の高さHpとポンプセル3形成位置におけるチャンバ2の平均高さHaveの関係は、第1実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
ができる。
反り量(%)=100×[チャンバ変形量(μm)/チャンバ端部間距離(μm)]
チャンバ端部位置は、図17Bにより規定した。すなわち、チャンバ垂直方向を任意に3点取り、チャンバ2の両側に近似線(点線)を引く。この近似線から垂直方向に0.5mmの範囲内で、任意に3点取り、近似線(点線)を引いて、これら近似線の交点をチャンバ端部とした。
平均高さHave=(ポンプセル入口高さHi+中央高さHc+出口高さHo)/3
実施例1〜6は、いずれも拡散層21の高さHpがチャンバ2の平均高さHaveより低く、チャンバ2の高さは、ポンプセル3の入口高さHiに対して、中央高さHc及び出口高さHoが低くなっている。このうち、実施例1、2は、ポンプセル3の入口から出口まで高さが徐々に低くなり、又は中央及び出口の高さが同じであり、実施例3〜6は、中央及び出口の高さがほぼ同等か中央がわずかに高くなっている。比較例5は、拡散層21の高さHpをチャンバ2の平均高さHaveより高くしてある。
大きく)、センサセル4とモニタセル5の差分電流値が安定しないためNOx電流値を測定不可能であるものを×、モニタセル5の酸素電流値が小さく(バックグラウンドが小さく)、センサセル4とモニタセル5の差分電流値が安定するためNOx電流値を測定可能であるものを○とした。ガス応答性は、NOxガス濃度変動に対する応答が悪く、NOx電流値が安定せず測定不可能であるものを×、NOxガス濃度変動に対する応答が良く、NOx電流値が安定するため測定可能であるものを○とした。また、チャンバ凹み形状とした実施例、比較例のチャンバ反り量とO2排出能力の関係を図19Aに示した。
11 固体電解質シート(第1のセラミックシート)
12 チャンバ形成シート(第2のセラミックシート)
13 遮蔽シート(第3のセラミックシート)
2 チャンバ
21 拡散層
3 ポンプセル
31 ポンプ電極
4 センサセル
41 センサ電極
Claims (9)
- 被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサであって、
平板状のセラミックシート(11〜13)を積層したガスセンサ素子(1)内に設けられ、上記ガスセンサ素子の長手方向の端部に設けた多孔質層(21)を介して、外部から被測定ガスが導入されるチャンバ(2)と、
上記チャンバ内のガス流れの上流側に配置されるポンプ電極(31)を有して、被測定ガス中の酸素を汲み出すポンプセル(3)と、
上記チャンバ内のガス流れの下流側に配置されるセンサ電極(41)を有して、酸素濃度の低減した被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセル(4)を備え、
上記ガスセンサ素子は、上記チャンバに面する表面に上記ポンプ電極及び上記センサ電極が配置される第1のセラミックシート(11)に、上記チャンバとなる開口(22)を有する第2のセラミックシート(12)と、上記開口を覆って上記チャンバを画成する第3のセラミックシート(13)を順に積層した構造を有し、
上記チャンバは、チャンバ壁を構成する上記第1のセラミックシート及び上記第3のセラミックシートの少なくとも一方の表面が、上記ポンプセルの形成位置で上記チャンバ内方に凸となる反り形状を有し、かつ該表面の反り量が0.10%以上1.38%以下の範囲に設定されており、
上記拡散層と上記チャンバとは、上記拡散層の積層方向の高さHpと、上記ポンプセルの形成位置における上記チャンバの積層方向の平均高さHaveとが、Hp<Have、の関係を満たしている、ガスセンサ。 - 上記表面の反り量は、上記ガスセンサ素子の長手方向及び短手方向における最大変形量に基づいて算出される、請求項1に記載のガスセンサ。
- 上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の長手方向をガス流れ方向として、上記ポンプ電極のガス入口部における断面積よりもガス出口部における断面積が小さくなり、かつ、上記ガスセンサ素子の短手方向において、上記チャンバ端部の少なくとも一方の壁面の高さよりも上記ポンプ電極の中央部位置における高さが低くなる形状であり、上記多孔質層は、上記ポンプ電極のガス入口部に沿って配置される、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の長手方向において、上記ポンプ電極のガス入口部からガス出口部に向けて、断面積が徐々に小さくなり、ガス流れ方向の中央部より下流側において最小断面積となる形状である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の短手方向において、上記チャンバの一方又は両方の端部から上記ポンプ電極の中央部位置へ向けて高さが徐々に低くなる形状である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の短手方向に対向するチャンバ壁を構成する、上記第2のセラミックシートの上記開口の内表面のうち少なくとも一つが、上記ポンプセルの形成位置で上記チャンバ内方に凸となる反り形状を有している、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記第1のセラミックシートは、酸素イオン導電性の固体電解質シートであり、上記チャンバと反対側の表面に、上記ポンプ電極又は上記センサ電極に対応する基準電極(32)を有して、上記ポンプセル又は上記センサセルを構成する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記第2のセラミックシート及び上記第3のセラミックシートは、被測定ガスの透過性を有しない絶縁性シートである、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 被測定ガスは内燃機関の排出ガスであり、特定ガス成分は窒素酸化物ガスである、請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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