JP7461163B2

JP7461163B2 - 液体検知センサ

Info

Publication number: JP7461163B2
Application number: JP2020029666A
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: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021135096A

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、金属極と、を有し、液体の水位の増減方向に沿って配置された複数の金属空気電池と、前記液体と接触する前記金属空気電池の個数に基づいて変化する電気特性を検知する検知部と、空気室を有する支持体と、を有し、共通の前記支持体の側面に前記液体の水位の増減方向に沿って、各金属空気電池が支持されており、前記支持体の側面には複数の窓があり、各窓は、各金属空気電池の前記空気極にて塞がれており、各空気極の一方の面は、前記空気室に露出しており、前記空気極の他方の面に、前記金属極が対向していることを特徴とする。

本発明では、複数の前記金属空気電池は、前記検知部に個別に接続されている構成とすることができる。

本発明では、複数の前記金属空気電池は、前記検知部に並列に接続されている構成とすることができる。

本発明では、前記金属空気電池は、前記空気極と前記金属極とが筐体に固定された構造であり、前記筐体が前記支持体に支持され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、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、液体と接触する金属空気電池の個数に基づい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。

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方向に空間を介して対向する金属極（負極）３と、を有する複数の金属空気電池７を具備する。なお、各金属空気電池７に配置される空気極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。

図１に示すように、複数の金属空気電池７は、Ｙ方向（高さ方向）に間隔を空けて並設されている。これら金属空気電池７は、空気室５ａを有する支持体５の側面に固定支持されている。

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。

支持体５は、図示Ｙ方向に長く延出する有底の筒状体である。各金属空気電池７を固定支持する側部５ｂには、各金属空気電池７の空気極２と対向する部分に、空気極２よりも一回り小さい複数の窓が設けられており、各窓は、各空気極２により塞がれる。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。これにより、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。図１に示すように、空気室５ａの上端は開放端であり、このように、空気室５ａは、支持体５の側部５ｂに各金属空気電池７を配置することにより、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、各金属空気電池７の空気極２と接触している。

図１示す金属空気電池７は、空気極２と金属極３とが筐体６に保持されたセル構造を構成している。図１に示すように、各筐体６の下端には、給水口６ａが形成されており、液体が給水口６ａを通じて、筐体６の内部に流入できるようになっている。これにより、空気極２と金属極３の間の空間を液体で満たすことができる。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、各金属空気電池７には、検知部４が電気的に接続されている。接続方式を限定するものではないが、例えば、各金属空気電池７は、個別にて接続されており、このように個別に接続された電池ユニットに検知部４が電気的に接続されている。なお、図示しないが回路には、負荷（抵抗）が接続されており、検知部４では、電池ユニットの電気特性を検知することができる。「電気特性」を限定するものではないが、例えば、電圧値や、電流値である。

図１に示す液体検知センサ１では、水を含有する液体が、金属空気電池７の空気極２と金属極３間に供給されると、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、検知部４にて、電圧値、或いは電流値を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に浸る金属空気電池７の数が少ない。例えば、図２では、発電する金属空気電池７の数は１つであり、このため、検知部４にて検知される電圧値、或いは、電流値は小さくなる。

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に浸る金属空気電池７の数が多い。例えば、図２では、発電する金属空気電池７の数は３つであり、このため、検知部４にて検知される電圧値、或いは、電流値は、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では、複数の金属空気電池７を、液体８の水位の増減方向に向けて配置することで、液体８の水位により変化する、液体８に浸る金属空気電池７の数に応じた電気特性（電圧値や電流値等）を検知部４にて検知することができる。

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、金属空気電池７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。

上記のように、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６ａの位置は限定されるものではない。例えば、給水口６ａを、筐体６の底部以外に側部に設けることもできる。各金属空気電池７に設けられる給水口６ａの位置は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。

また、筐体６の液室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６ａ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、液室に空気口を設けることが好適である。

図１では、各金属空気電池７を個別に接続したが、並列に接続することもできる。各金属空気電池７を個別に接続することで、水位の変動に対する検知部４で検知される電気特性変化を大きくでき、水位の検知を精度良く且つ簡単に行うことが可能になる。一方、各金属空気電池７を並列に接続することで、検知部の入力ポートを減らすことができ、液体検知センサ１の低価格化を図ることができる。

また、図４に示す第２の実施の形態では、各金属空気電池７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４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。

本実施の形態の液体検知センサ１、１０では、液体８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４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。

本実施の形態の液体検知センサ１、１０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、複数の金属空気電池７の個数や、設置間隔を自由に設定することができ、使用用途に応じて、簡単な構造で精度良く水位測定を行うことができる。例えば、水位が浅い部分より、水位が深い部分できめ細かく水位を測定した場合は、下方から上方に向けて、金属空気電池７の間隔を一定にせず、上方に金属空気電池７を集中的に配置することで、高い水位を適切に測定することが可能である。

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：液体検知センサ
２：空気極
３：金属極
４：検知部
５：支持体
５ａ：空気室
５ｂ：側部
６：筐体
６ａ：給水口
７：金属空気電池
８：液体
１１：セパレータ

Claims

空気極と、金属極と、を有し、液体の水位の増減方向に沿って配置された複数の金属空気電池と、
前記液体と接触する前記金属空気電池の個数に基づいて変化する電気特性を検知する検知部と、
空気室を有する支持体と、
を有し、
共通の前記支持体の側面に前記液体の水位の増減方向に沿って、各金属空気電池が支持されており、
前記支持体の側面には複数の窓があり、各窓は、各金属空気電池の前記空気極にて塞がれており、各空気極の一方の面は、前記空気室に露出しており、前記空気極の他方の面に、前記金属極が対向していることを特徴とする液体検知センサ。
複数の前記金属空気電池は、前記検知部に個別に接続され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。
複数の前記金属空気電池は、前記検知部に並列に接続され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。
前記金属空気電池は、前記空気極と前記金属極とが筐体に固定された構造であり、前記筐体が前記支持体に支持され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、空間を介して対向していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか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から請求項４のいずれかに記載の液体検知センサ。