JP7427471B2

JP7427471B2 - 液体検知センサ

Info

Publication number: JP7427471B2
Application number: JP2020029663A
Authority: JP
Inventors: 昌樹高橋; 真弘瀬下
Original assignee: Fujikura Composites Inc
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2024-02-05
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021135095A

Description

本発明は、金属空気電池を備えた液体検知センサに関する。

例えば、下記特許文献には、河川などの水位を検知可能な水位センサが開示されている。

特許文献１に記載の発明には、本体パイプ内にリードスイッチ基板が設けられ、フロートの水位に応じて、フロートの高さ位置に対応するリードスイッチを導通させる。リードスイッチ基板への電力供給は、ソーラーパネル及び無線機基板で行われる。無線機基板は、マイクロコンピュータ、無線機、及び充電池を備えて構成される。ソーラーパネルからの電力は充電池に供給され蓄積される。ソーラーパネル及び充電池が、水位センサの電源部を構成している。

また、特許文献２に記載の発明には、支柱に、水に浮かぶフロート部が挿通されており、水に浮かんだフロート部の高さを、センサ部で検出することで、水位を計測する。また電源部は、電池からなる電源Ｖｃｃと、リードスイッチからなる電源スイッチＳＷで構成されている。

特開２０１８－１９４３６３号公報特開２０１８－１８９５０５号公報

しかしながら、これら特許文献に記載の発明における水位センサは、外部電源として充電池を必要とし、水位測定の際に十分に充電されていることを要する。このため、例えば、特許文献１のように、ソーラーパネルにより、充電池を充電する方式では、使用状況によっては、充電池が十分に充電されていないことがあり、適切に水位測定を行うことができない。また、これら特許文献では、水位測定の有無に係らず、常に電池への充電がされていなければならず長寿命化を図りにくく、またメンテナンス等も必要と考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部電源を必要とすることなく、適切に水位を検知することが可能な水を含有する液体を検知するセンサを提供することを目的とする。

本発明の液体検知センサは、空気極と、前記空気極に間隔を空けて対向する金属極と、
前記空気極及び前記金属極を保持する筐体と、液体の水位により、前記空気極及び前記金属極の前記液体との接触面積の変化に応じた電気特性を検知する検知部と、を有し、前記空気極及び前記金属極は、前記水位の増減方向に延出し、前記水位の測定範囲を満たす長さ寸法を備えた板状電極或いはシート状電極であり、前記筐体は、前記水位の増減方向に延出する前記空気極及び前記金属極を支持しており、前記筐体は、空気室と液室を備え、前記金属極は前記液室内に配置されており、前記空気極にて前記空気室と液室の間の側面が塞がれており、前記空気極の前記金属極と対向する側と反対側の面は前記空気室に露出しており、前記筐体には、前記液室に通じる下部側に給水口が設けられるとともに、前記液室の上部側に空気口が設けられる、ことを特徴とする。

本発明では、前記空気極と前記金属極は、空間を介して対向している構成とすることができる。

本発明では、前記空気極と前記金属極は、セパレータを介して対向している構成とすることができる。

本発明の液体検知センサによれば、電池反応の面積に応じて変化する電気特性を検知することで、液体の水位を、外部電源を必要とすることなく、簡単な構造にて適切に検知することができる。

図１は、第１の実施の形態における液体検知センサの縦断面図である。図２は、低い水位の液体検知状態を示す液体検知センサの縦断面図である。図３は、高い水位の液体検知状態を示す液体検知センサの縦断面図である。図４は、第２の実施の形態における液体検知センサの縦断面図である。図５は、第３の実施の形態における液体検知センサの縦断面図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１に示す液体検知センサ１は、空気極（正極）２と、空気極２とＸ方向に空間を空けて対向する金属極（負極）３と、検知部４とを、具備して構成される。空気極２と金属極３は、金属空気電池を構成する。

空気極２及び金属極３は、Ｙ方向（高さ方向）に所定長さで延出する板状電極あるいはシート状電極である。Ｙ方向は、液体の水位の増減方向であり、測定範囲に応じて、空気極２及び金属極３の長さ寸法を調整することが可能である。なお、空気極２及び金属極３は、特に限定されるものではないが、ほぼ同じ大きさ（対向面積）であることが好ましい。

限定されるものではないが、空気極２は、集電体と触媒層（反応部）とを有して構成される。集電体に求められる特性は、金属極３から放出される電子を、触媒層へ伝える導電性と、酸素を透過させる通気性である。集電体の構成を限定するものでないが、例えば、金網や発泡金属等、既存のものを用いることができる。また、触媒層に求められる特性は、液体を外部に放出しない疎水性及び、酸素を透過させる通気性である。触媒層には既存の材質を用いることができる。

金属極３は、マグネシウム（Ｍｇ）、Ｍｇ合金、亜鉛（Ｚｎ）、Ｚｎ合金、アルミニウム（Ａｌ）、或いは、Ａｌ合金のうちいずれかであることが好ましい。このうち、金属極３を構成する金属は、Ｍｇ、或いは、Ｍｇ合金であることがより好ましい。

図１に示すように、空気極２及び金属極３は、筐体５に保持されている。筐体５は、空気室５ａと、液室５ｂとの複数の空間を有しており、空気室５ａは、上端が開放されている。空気室５ａと液室５ｂとを隔てる内壁部５ｃには、空気室５ａと液室５ｂとの間を貫通する窓が設けられており、該窓は、空気極２により塞がれている。空気極２は、窓の外枠に接着剤等を介して接合されている。そして、空気極２が、空気室５ａ内にて、内壁部５ｃにより保持された状態では、空気極２の一方の面２ａは、空気室５ａ側に露出している。また、空気極２の他方の面２ｂは、金属極３と対向している。このように、空気室５ａは、筐体５と空気極２の組立により、上端を除いて閉塞空間とされている。したがって、空気は、空気室５ａ内を満たし、空気極２と接触している。

図１に示すように、金属極３は、液室５ｂ内に配置されている。金属極３と空気極２との間には、Ｘ方向に間隔が空いており、金属極３と空気極２との間に、液室５ｂ内に流入した液体を介在させることができる。図１に示すように、金属極３の下部は、自由端であることが好ましい。このように自由端とすることで、金属極３の下部を揺動させることができる。このため、空気極２と金属極３との間に生成物が堆積したときに、金属極３を撓らせることができ、生成物による押圧力を緩和でき、金属極３及び空気極２の破損を抑制することが出来る。

図１に示すように、筐体５には、液室５ｂに通じる給水口６が設けられている。液体は、この給水口６を通じて、液室５ｂ内に供給される。

図１に示すように、空気極２と金属極３との間には、電気特性を検知可能な検知部４が接続されている。検知部４は、空気極２と金属極３に接続された負荷（抵抗）９と、空気極２と金属極３との間の電圧を測定する電圧計７とを備えた電気回路で構成される。

図１に示す液体検知センサ１では、水を含有する液体が、液室５ｂ内に供給されると、例えば、金属極３を構成する金属が、Ｍｇであるとき、金属極３側では、下記（１）で示す酸化反応が生じる。また、空気極２においては、下記（２）で示す還元反応が生じる。したがって、全体としては、下記（３）に示す反応が起こり、放電（発電）が行われる。
（１）２Ｍｇ →２Ｍｇ^２＋＋４ｅ^－
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ →４ＯＨ^－
（３）２Ｍｇ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）_２

上記の電池反応による放電時に電流が生じるため、同一負荷がかかる空気極２と金属極３との両端の電圧を、電圧計７で測定することで放電レベルを知ることができる。

図２に示すように、液体８の水位が低い状態では、液体８と、空気極２及び金属極３との接触面積は小さく、このため、検知部４に流れる電流は小さい。したがって、電圧計７にて検知される電圧値は小さくなる。

一方、図３に示すように、液体８の水位が高い状態では、液体８と、空気極２及び金属極３との接触面積は大きく、このため、検知部４に流れる電流は、図２よりも大きくなる。したがって、電圧計７にて検知される電圧値は、図２よりも大きくなる。

このように、本実施の形態の液体検知センサ１は、金属空気電池の構造を利用し、検知部４にて、液体８の水位により、空気極２及び金属極３の液体８との接触面積の変化に応じる電気特性を検知することで、液体８の水位を測定することができる。特に、本実施の形態の液体検知センサ１は、外部電源を必要とせずに発電が可能であるので、簡単な構造にて液体８の水位を適切に測定することができる。このように、本実施の形態の液体検知センサ１は、使い勝手が良く、また外部環境の影響も受けにくい。例えば、特許文献１のような構成では、外部環境により、充電池に十分な充電がされていない可能性があり、その場合、水位測定を適切に行うことができない。これに対して、本実施の形態では、特に定期的なメンテナンス等も必要とせず、水位測定を行いたい場所に液体検知センサ１を設置しておくことで、液体検知センサ１への液体の流入により、金属空気電池の発電により水位測定を開始させることができ、使用環境に左右されにくく、適切な水位測定を行うことが可能である。

ここで、限定するものではないが、「液体の水位」とは、例えば、河川、海水、ダム、貯水槽、浴槽、汚水槽、屋内や自動車内への浸水による水位を例示することができる。雨や上方から液体が降り注ぐ使用環境下では、空気室５ａ内に雨や液体が入らないように、空気室５ａ内への空気の供給を確保しつつ、空気室５ａの上方を塞ぐことが好ましい。

本実施の形態の液体検知センサ１では、上記のように、外部電源を必要とせず、長期間、屋内や屋外に、液体検知センサ１を設置しておいても、液体８が、液室５ｂに供給されると、電池反応が生じて、水位測定が開始される。なお、「外部電源」とは、液体検知センサ１を作動させるために、液体検知センサ１とは別に設けられた電力源を指す。

検知部４から出力される電気特性は、例えば、電圧値や電流値であり、電気特性に基づいて、水位を知ることができる。制御部（図示しない）により、電気特性から水位を換算することが可能である。例えば、利用者は、算出された水位を、液体検知センサ１の設置場所から離れた場所で知ることが可能である。このように、水位は、検知部４にて、或いは無線報知で認識することが可能である。例えば、この電圧変化に基づく検知信号を送信部（図示せず）から無線で受信部（図示せず）に送信する。受信部では検知信号を受信して、水位を液体検知センサ１から遠隔の位置で報知することができる。無線方式を限定するものでなく、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ等、既存の方式を用いることができる。

また、本実施の形態において、給水口６の位置は、限定されるものではない。例えば、給水口６を、筐体５の底部に設けることができる。或いは、給水口６を図１よりも高い位置に設けることで、液体８の水位が、給水口６よりも高い位置にまで上がって初めて水位測定を開始することができる。したがって、低い水位測定を意図的に排除することができる。

また、液室５ｂの上部近傍に空気口を有していることが好ましい。例えば、液室の開口部が給水口６のみの場合、河川増水により、空気交換が出来ずに、液体８が液室内に入りにくくなるため、液室５ｂに空気口を設けることが好適である。

図１に示す筐体５は、空気室５ａと液室５ｂの双方を有していたが、少なくとも空気室５ａのみ設けられる構造であってもよい。図４に示す第２の実施の形態では、上端が開放された空気室５ａを備えた筐体５を有している。一方、図４に示す筐体５には、壁で囲まれた液室５ｂは設けられておらず、空気室５ａに配置された空気極２と対向する外側に、金属極３が外部に露出した状態で配置される。図４に示す液体検知センサ１０では、液体が、外部に露出する金属極３にダイレクトに接触するため、水位測定の検知精度を高めることができると共に、検知時間ずれが生じるのを防止することができる。

また、図５に示す第３の実施の形態では、図４に示す第２の実施の形態を構成する空気極２と金属極３との間に、セパレータ１１を介在させた。

なお、限定するものではないが、空気極２とセパレータ１１間、及び金属極３とセパレータ１１間を、粘着層を介して固定することができる。粘着層は、空気極２及び金属極３の縁部に部分的に設けられることが好ましい。

セパレータ１１は、電気的に絶縁性且つイオン透過性を有する材質で形成される。例えば、不織布、織布、多孔性薄膜等である。

図５では、セパレータ１１を、空気極２と金属極３の間にのみ介在させたが、例えば、セパレータ１１を、図５の状態から金属極３の外面３ａ側にまで延出させることも可能である。

また、空気極２と金属極３との間に、セパレータ１１を介在させたラミネート構造の支持体は、図５に示す筐体５でなくてもよい。ただし、空気極２の金属極３と対向する側と反対側の面は、常に空気が接触する構造を備えることが必要である。

本実施の形態の液体検知センサ１、１０、２０では、液体の接触により、自己発電するが、このように、自己発電させるには、必ずしも必要ではないが、液体８内に塩が存在している方が望ましい。塩を限定するものではないが、例えば、塩化ナトリウムを挙げることができる。したがって、液体８が塩を含まない成分である場合、液体８が液体検知センサ１、１０、２０に接触した際に、液体８内に塩を供給可能な塩供給手段を備えることが好ましい。例えば、図５に示すように、空気極２と金属極３との間にセパレータ１１を介在させた構成では、セパレータ１１内に塩を含ませておくことが可能である。

以上のように、本実施の形態の液体検知センサ１、１０、２０を用いることで、液体の水位を検知することができる。特に本実施の形態では、水位を、アナログ値で取得することができ、水位をきめ細かく測定することができる。

また、本実施の形態では、検知部４では、電圧計７により電圧値を測定したが、電流値を測定してもよい。検知する電気特性を特に限定するものではない。

また、本実施の形態では、空気極２と金属極３を１組備えた電池セルを構成するが、このような電池セルを複数具備した電池ユニットにて液体検知センサ１、１０、２０を構成することもできる。このとき、各電池セルを直列に接続しても並列に接続してもどちらでもよい。使用用途によって接続方式を変えることができる。

本発明の液体検知センサによれば、外部電源を必要とせず、また、屋内、屋外問わず、水位を測定したい場所に設置することができる。このように、液体検知センサを作動させるにあたり、下準備や定期的なメンテナンス等が必要なく、使い勝手に優れ、また、外部環境の影響も受けにくく、簡単な構造にて水位測定を精度良く行うことができる。

１、１０、２０：液体検知センサ
２：空気室
３：金属極
４：検知部
５：筐体
５ａ：空気室
５ｂ：液室
５ｃ：内壁部
６：給水口
７：電圧計
８：液体
１１：セパレータ

Claims

空気極と、
前記空気極に間隔を空けて対向する金属極と、
前記空気極及び前記金属極を保持する筐体と、
液体の水位により、前記空気極及び前記金属極の前記液体との接触面積の変化に応じた電気特性を検知する検知部と、
を有し、
前記空気極及び前記金属極は、前記水位の増減方向に延出し、前記水位の測定範囲を満たす長さ寸法を備えた板状電極或いはシート状電極であり、
前記筐体は、前記水位の増減方向に延出する前記空気極及び前記金属極を支持しており、
前記筐体は、空気室と液室を備え、
前記金属極は前記液室内に配置されており、前記空気極にて前記空気室と液室の間の側面が塞がれており、前記空気極の前記金属極と対向する側と反対側の面は前記空気室に露出しており、
前記筐体には、前記液室に通じる下部側に給水口が設けられるとともに、前記液室の上部側に空気口が設けられる、ことを特徴とする液体検知センサ。
前記空気極と前記金属極は、空間を介して対向していることを特徴とする請求項１に記載の液体検知センサ。
前記空気極と前記金属極は、セパレータを介して対向していることを特徴とする請求項１に記載の液体検知センサ。