JP7430557B2

JP7430557B2 - 液検知センサ

Info

Publication number: JP7430557B2
Application number: JP2020055491A
Authority: JP
Inventors: 昌樹高橋; 真弘瀬下
Original assignee: Fujikura Composites Inc
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-02-13
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021156671A

Description

本発明は、金属空気電池を備えた液検知センサに関する。

屋内の作業現場等で、液漏れ検知システムが使用される。液漏れ検知システムでは、液漏れ箇所に、液検知センサを配置する。液検知センサでは、外部から液体が接触した際の電気的な変化を捉え、液漏れを検知する。

例えば、特許文献１に記載の発明では、液検知センサの近傍に漏液があったときに、導液路を通して、液体が液検知センサに運ばれて、液体を検知している。

特開２００６－１３３０７５号公報国際公開第２０１２／０２０５０７号特開２０１７－１４８３３２号公報

しかしながら、これら特許文献に記載の発明では、結露と漏水を適切に区別することができない問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、結露等の微量な液体は検知せず、誤検知を抑制することができる液検知センサを提供することを目的とする。

本発明における液検知センサは、正極と、負極とを有し、前記正極と前記負極との間に液体が浸透することで発電する金属空気電池と、開口部を有し、前記開口部を通して前記液体を収容可能な収容容器と、を具備し、前記金属空気電池は、前記収容容器内に所定量以上収容された前記液体と接触可能に、前記収容容器に保持されており、前記収容容器には、前記液体を、前記収容容器内から外部に放出可能な孔が設けられており、前記孔の開口面積は、前記開口部の開口面積よりも小さく形成されており、前記収容容器は、上部、底部、及び、前記上部と前記底部間を繋ぐ側部、を有し、前記側部には、前記金属空気電池が前記液体と接触可能な液接触部が設けられており、前記開口部は、前記上部に設けられ、前記孔は、前記液接触部よりも下方に設けられる、ことを特徴とする。

本発明の液検センサによれば、金属空気電池とは別に、液体を収容可能な収容容器を備え、金属空気電池は、収容容器内に所定量以上の液体が収容されたときに、液体と接触するように保持されている。これにより、結露程度の少量では、金属空気電池が液体と接触しないように制御することができるので、結露と漏水を適切に区別する液検知が可能となる。

図１Ａは、第１の実施の形態における液検知センサの斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａの斜視図をＡ－Ａ線に沿って高さ方向に切断し矢印方向から見た断面図である。図２Ａは、第２の実施の形態における液検知センサの斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａの斜視図をＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断し矢印方向から見た断面図である。図３Ａ及び、図３Ｂは、液検知センサを構成する金属空気電池の一例を示す拡大断面図である。本実施の形態における液検知センサを備えた液検知装置のブロック図である。

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。

本実施の形態における液検知センサ１は、金属空気電池２と、金属空気電池２を保持する収容容器７と、を具備する。図４に示すように、液検知センサ１は、更に、送信部８を備えている。

金属空気電池２は、例えば、図３Ａに示す構造を備える。すなわち、金属空気電池２は、負極（負極）３と、正極（正極）５と、負極３及び正極５を支持する筐体６とを有する。

筐体６は、空気室６ａと、液室６ｂとの複数の空間を有しており、空気室６ａは、例えば、上端が開放されている。空気室６ａと液室６ｂとを隔てる内壁部６ｃには、空気室６ａと液室６ｂとの間を貫通する窓が設けられており、該窓は、正極５により塞がれている。正極５は、窓枠に接着剤等を介して接合されている。そして、正極５が、空気室６ａ内にて、内壁部６ｃにより保持された状態では、正極５の一方の面５ａは、空気室６ａ側に露出している。また、正極５の他方の面５ｂは、負極３と対向している。このように、空気室６ａは、筐体６と正極５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６ａ内を満たし、正極５と接触している。

図３Ａに示すように、負極３は、液室６ｂ内に配置されている。負極３と正極５との間には、間隔が空いており、負極３と正極５との間に、液室６ｂ内に流入した液体を介在させることができる。図３Ａに示すように、負極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、負極３の下部を揺動させることができる。このため、正極５と負極３との間に生成物が堆積したときに、負極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、負極３及び正極５の破損を抑制することが出来る。

図３Ａに示すように、筐体６には、液室６ｂに通じる給水口１０が設けられている。液体は、この給水口１０を通じて、液室６ｂ内に供給される。

負極３を構成する金属は、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、負極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。

正極５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、負極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。触媒層は、少なくとも集電体の一方の面に形成されている。

図１Ａ及び、図１Ｂに示すように、収容容器７は、上部７ａと、底部７ｂと、上部７ａと底部７ｂとの間を繋ぐ側部７ｃと、を有して構成される。上部７ａには、開口部１１が形成されている。また、図１Ｂに示すように、金属空気電池２が保持される収容容器７の側部７ｃの一部は、開口しており、この開口した部分が、液接触部７ｄを構成している。

図１Ｂ及び、図３Ａに示すように、金属空気電池２は、液接触部７ｄを塞ぐように、側部７ｃの外面に取り付けられる。これにより、第１の実施の形態における収容容器７は、上部７ａに形成された開口部１１を除いて密閉された空間を構成している。図３Ａに示すように、金属空気電池２の給水口１０は、収容容器７の液接触部７ｄと対向している（接している）。これにより、収容容器７に収容された液体は、液接触部７ｄを介して給水口１０から金属空気電池２の液室６ｂ内に供給される。

水を含有する液体が、液室６ｂに供給されると、例えば、負極３を構成する金属が、Ｍｇであるとき、負極３側では、下記（１）で示す酸化反応が生じる。また、正極５においては、下記（２）で示す還元反応が生じる。したがって、金属空気電池２の全体としては、下記（３）に示す反応が起こり、発電（放電）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

本実施の形態では、図１Ｂに示すように、収容容器７の液接触部７ｄは、底部７ｂから所定高さの位置に設けられている。したがって、開口部１１から収容容器７内に供給された液体が液接触部７ｄの位置まで溜まって初めて、金属空気電池２の液室６ｂに液体が供給される。このため、結露程度の微量な液体では、液接触部７ｄまで液体が溜まるほどの液量はなく、上記（３）の電池反応は生じず、発電しない。すなわち、結露が生じても、金属空気電池２は発電せず、液検知センサ１は液検知しない。これに対し、結露よりも液量の多い、例えば、漏水時には、液体が、液接触部７ｄまで溜まり、液体が、液接触部７ｄから金属空気電池２内に供給されることで、金属空気電池２が発電し、液検知センサ１により漏水を検知することができる。このように、本実施の形態の液検知センサ１では、結露と漏水とを適切に区別した液検知が可能になる。これにより、結露の際に金属空気電池２が発電して誤検知することを防止することができる。また、本実施の形態では、金属空気電池２を収容容器７に保持する簡易な構造で、結露と漏水とを区別可能な液検知センサ１を実現することができる。

図２Ａは、第２の実施の形態における液検知センサの斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａの斜視図をＢ－Ｂ線に沿って高さ方向に切断し矢印方向から見た断面図である。

図２Ｂでは、図１Ｂと異なって、収容容器７の底部７ｂに複数の孔７ｅが形成されている。これら孔７ｅを合わせた開口面積は、上部７ａに形成された開口部１１の開口面積より小さい。このように底部７ｂに孔７ｅを設けることで、開口部１１から収容容器７内に収容される結露程度の少量の液体は、孔７ｅから外部に放出されて収容容器７内に溜まるのを抑制できる。また、孔７ｅの開口面積を、開口部１１の開口面積より小さくすることで、開口部１１から収容容器７内に漏水が収容された際に、孔７ｅから外部に放出される液量よりも、供給量が上回り、収容容器内に液体を溜めることができ、液検知が可能になる。孔７ｅの開口面積と開口部１１の開口面積との比や、液接触部７ｄの底部７ｂからの高さ位置は、検知範囲の漏水量などに応じて適切に調整することができる。孔７ｅの数は、複数個でなく、１つであってもよい。また、孔７ｅを形成する位置は、底部７ｂに限定されるものでなく、液接触部７ｄより下側の側部７ｃであってもよい。

また、図２に示す収容容器７のように、液接触部７ｄよりも下方に、開口部１１よりも小さい面積の孔７ｅを設けることで、収容容器７を小さい容量としても、結露等の検知範囲外の少量の液体が液接触部７ｄまで溜まらないように制御することができる。これにより、液検知センサ１の小型化を図ることができる。

また、金属空気電池２の構成は、図３Ａに示すように、正極５及び負極３を支持する筐体６内に液室６ｂとなる空間を設け、この液室６ｂ内に、収容容器７の液接触部７ｄを通して液体が流れ込む構造としてもよいし、図３Ｂに示すように、正極５と負極３の間にセパレータ１２を介在させる構成としてもよい。

図３Ｂに示す金属空気電池では、負極（金属極シート）３と、セパレータ１２と、正極（空気極シート）５とが、積層されたラミネート構造である。

限定するものではないが、各シート間を、粘着層を介して固定することができる。負極３及び正極５の材質は、上記に記載した通りである。セパレータ１２は、電気的に絶縁性、イオン透過性、及び、液浸透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３Ｂに示すように、セパレータ１２は、正極５と負極３の間に挟まれた検知領域１２´´と、該セパレータ１２が折り曲げられて、負極３の外面３ｂと重なる液吸収領域１２´と、を有する。図３Ｂに示すように、金属空気電池２を構成するセパレータ１２の液吸収領域１２´を、収容容器７の側部７ｃに開口した液接触部７ｄ側に向けて、金属空気電池２が、側部７ｃの外面に保持される。これにより、セパレータ１２の液吸収領域１２´と、液接触部７ｄとが対向した（接した）状態にでき、液接触部７ｄを通して供給される液体を、セパレータ１２の液吸収領域１２´から吸収することができる。液体は、液吸収領域１２´から検知領域１２´´にわたって、浸み込まれることで、上記の電池反応が生じ、金属空気電池２を発電させることができる。

図３Ｂに示したラミネータ構造の金属空気電池２を用いた場合でも、結露程度の微量な液体は、収容容器７の液接触部７ｄまで溜まらず、したがって、上記の電池反応は生じない。したがって、金属空気電池２は発電せず、液検知センサ１は液検知しない。これに対し、結露よりも液量の多い、例えば、漏水時には、液体が、収容容器７の液接触部７ｄまで溜まり、したがって、液体は、金属空気電池２のセパレータ１２に浸み込まれる。これにより、金属空気電池２が発電し、液検知センサにより漏水を検知することができる。このように、本実施の形態の液検知センサでは、結露と漏水とを適切に区別することができ、したがって、結露の際に金属空気電池２が発電して誤検知することを防止することができる。

本実施の形態では、液検知センサ１の金属空気電池２が液体と接触することで発電し、その電力で無線基板を起動させることができ、液体との接触を外部へ報知することができる。図４に示すように、本実施の形態における液検知センサ１は、金属空気電池２と、送信部８と、を有する。例えば、送信部８が無線基板である。本実施の形態では、無線報知を可能とするが、更に、その機能に付随して次のような機能を持たせることも可能である。すなわち、金属空気電池２では、液漏れに基づく電池反応により電圧値（抵抗値）が変化する。この電圧変化に基づく検知信号を、送信部８から無線で受信部９に送信する。受信部９では受信した検知信号に基づいて、液漏れが発生したことを検知し、自動的に装置等を停止させたり、人に、液漏れが生じたことを報知することができる。このとき、検知信号に対し閾値を用いて、検知信号のレベルが閾値を越えた場合に、液漏れが生じたと判別したり、液漏れのレベルを判断することもできる。一方、結露が生じても、金属空気電池２は電池反応せず、電圧変化は生じない。したがって、検知信号が、送信部８から受信部９に送信されることはなく、誤検知を防止することができる。

本実施の形態では、液検知センサ１は、外部電源を必要とせず、無線で、金属空気電池で得られた検知信号を送信部８から受信部９に送ることができる。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。

本実施の形態の液検知センサ１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、液体が塩を含まない成分である場合、セパレータや液室内に塩を含ませておくことが好ましい。
本実施の形態の液検知センサ１の使用用途を限定するものではないが、屋内での作業現場等に適用することができる。

本発明の液検知センサによれば、漏水検知センサとして、有効に適用することが出来る。特に、本発明では、小型の液検知センサを実現でき、且つ液検知センサは、外部電源を必要としない。したがって、使い勝手に優れ、対象物や場所を問わず、簡単に使用することができる。

１：液検知センサ
２：金属空気電池
３：負極
５：正極
６：筐体
６ａ：空気室
６ｂ：液室
６ｃ：内壁部
７：収容容器
７ａ：上部
７ｂ：底部
７ｃ：側部
７ｄ：液接触部
７ｅ：孔
８：送信部
９：受信部
１０：給水口
１１：開口部
１２：セパレータ
１２´ ：液吸収領域
１２´´ ：検知領域

Claims

正極と、負極とを有し、前記正極と前記負極との間に液体が浸透することで発電する金属空気電池と、
開口部を有し、前記開口部を通して前記液体を収容可能な収容容器と、を具備し、
前記金属空気電池は、前記収容容器内に所定量以上収容された前記液体と接触可能に、前記収容容器に保持されており、
前記収容容器には、前記液体を、前記収容容器内から外部に放出可能な孔が設けられており、前記孔の開口面積は、前記開口部の開口面積よりも小さく形成されており、
前記収容容器は、上部、底部、及び、前記上部と前記底部間を繋ぐ側部、を有し、
前記側部には、前記金属空気電池が前記液体と接触可能な液接触部が設けられており、
前記開口部は、前記上部に設けられ、前記孔は、前記液接触部よりも下方に設けられる、
ことを特徴とする液検知センサ。