JPH0637327Y2 - 酸素分圧計 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （技術分野） 本考案は酸素分圧計に係り、特に浸炭炉や焼入れ炉等の
熱処理炉における炉内雰囲気中の酸素分圧測定等に有利
に用いられ得る酸素分圧計に関するものである。

（背景技術） 従来から、ジルコニア等の高温において酸素イオン伝導
性のある固体電解質を用いて、電気化学反応を利用した
酸素濃淡電池の原理により、製鋼における各種の炉、そ
の他の工業炉等における炉内雰囲気中の酸素濃度（酸素
分圧）を検知し、それらの炉の操炉状態を制御する等の
操作が、実施されている。

そして、この種の操作に用いられる酸素分圧計にあって
は、例えば特開昭55-1595号公報や特開昭60-233542号公
報、オーストラリア特許第513552号等に明らかにされて
いるように、一般に、有底円筒形状の固体電解質体の閉
塞端部の内外両面にそれぞれ電極を設け、そしてその内
側の電極を標準比較ガスとしての大気に接触せしめて、
基準酸素分圧の基準電極とする一方、外側の電極を被測
定ガスである炉内雰囲気に晒して測定電極としており、
そしてそれら基準電極と測定電極との間の酸素分圧の差
に基づく起電力を検出することにより、被測定ガス中の
酸素分圧が測定されている。また、このような酸素分圧
計においては、固体電解質体や電極、リード線を熱衝撃
から保護するために、通常、それらを、金属材料やセラ
ミック材料等を用いて形成された、被測定ガス導入口を
有する有底円筒形状の外套管内に収容し、且つその測定
電極を該外套管の閉端部との間で挟圧せしめてなる構造
が、採用されている。

ところで、このような構造の酸素分圧計において、固体
電解質体表面に配置されて被測定ガスに接触せしめられ
る測定電極としては、前記公報等にも示されているよう
に、従来から、白金を主体とした貴金属系の材料にて形
成されてなり、且つネット状等の多孔構造とされたもの
や渦巻状に巻かれたリード線構造のものなど、何れも、
被測定ガスに対して大きな接触面積が確保される形状の
ものが、用いられてきている。

しかしながら、本考案者らが検討したところによると、
かかる測定電極を構成する白金等の貴金属系材料は、特
に高温域で触媒能が高くなり、炉内に未分解状態で残存
するハイドロカーボン（CmHn）、例えばメタン（CH₄）
等を分解してしまうために、酸素分圧系の出力特性が影
響を受け、またその触媒能変化によって出力ドリフトを
生じることとなり、特に、上述の如き、従来から用いら
れている測定電極にあっては、被測定ガスに対する接触
面積が大きいために、かかる残存ハイドロカーボンの分
解による影響も大きく、更に該測定電極の劣化（脆化）
に伴って、その表面積がより増大することとなるため
に、ハイドロカーボンの分解が促進されて、酸素分圧計
の出力に一層大きなドリフトが惹起せしめられるといっ
た、大きな問題を内在していることが明らかとなったの
である。

（解決課題） ここにおいて、本考案は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その解決すべき課題とするとこ
ろは、白金等の貴金属系材料から成る測定電極を備えた
酸素分圧計において、かかる測定電極による残存メタン
等のハイドロカーボンの分解を抑制することによって、
その出力特性を改善し、出力のドリフトを可及的に低減
せしめることにある。

（解決手段） そして、かかる課題を解決するために、本考案にあって
は、有底円筒形状の固体電解質体の閉端部の内面に基準
電極を、またその外面に測定電極を、それぞれ配すると
共に、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状の外套管
内に、該固体電解質体を収容して、前記測定電極を該外
套管の閉端部との間に配するようにした酸素分圧計にお
いて、 前記測定電極を、Auの含有量が50重量％以上のAu−白金
族金属合金からなる、前記固体電解質体における閉端部
外面の周縁部からはみ出さない平面形状を有する板状体
にて、構成すると共に、前記固体電解質体の閉端部の外
面上に、貴金属材料からなる薄膜状の接合層を一体的に
設けて、かかる測定電極を、該接合層を介して、前記固
体電解質体の閉端部と前記外套管の閉端部との間で挟圧
したことを、その特徴とするものである。

（作用・効果） すなわち、このような本考案に従う構造とされた酸素分
圧計にあっては、その測定電極が、触媒能の低いAuを主
成分として形成されていると共に、該測定電極の被測定
ガスに対する接触面が、実質上、その外周端面のみによ
って、小さな面積をもって形成されているところから、
かかる測定電極による、炉内に残存するメタン等のハイ
ドロカーボンの分解が有利に抑制され得るのであり、ま
た、該測定電極における劣化が進行した場合にも、被測
定ガスに対する接触面積の増加が効果的に軽減され得る
のである。

そして、それによって、残存ハイドロカーボンの分解
や、或いは測定電極の劣化に伴う表面積の増大に起因す
る、酸素分圧計の出力のドリフトが極めて有効に抑制さ
れ得、装置の信頼性および耐久性が効果的に向上され得
ることとなるのである。

更にまた、本考案に係る酸素分圧計においては、その使
用時に高温に晒されることにより、測定電極と結合層と
が焼き付いて一体化することから、かかる一体化によっ
て、測定電極と結合層との間におけるススの析出が回避
されて、出力特性の安定化が図られ得ると共に、測定電
極のズレが有利に防止されて、振動等の外力に対する装
置の信頼性が向上され得ることとなるのである。

（実施例） 以下、本考案を更に具体的に明らかにするために、本考
案の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明す
ることとする。

先ず、第１図には、本考案に従う構造とされた酸素分圧
計の一具体例が示されている。かかる図において、２
は、酸素分圧計の主体を為す有底円筒状の固体電解質体
であって、高温において酸素イオン伝導性のあるもので
ある。なお、この固体電解質体２には、従来からの電気
化学反応を利用した酸素分圧計において用いられている
固体電解質の何れもが使用可能であり、例えば、ジルコ
ニアにカルシア、イットリア等の固溶させたもの、トリ
アにイットリアを固溶させたもの、酸化セリウムに酸化
ランタンを固溶させたもの等がある。

また、かかる固体電解質体２の閉端部の内面には、基準
電極としての内側電極６が設けられており、更に該固体
電解質体２の内部には、該内側電極６に対して先端開口
部が当接する状態で、円筒形状のエアー送入管８が、挿
入、配置せしめられている。そして、内側電極６に接続
されて、該内側電極６の信号（起電力）を取り出すリー
ド線（＋側）10が、かかるエアー送入管８内を通って外
部に導かれていると共に、かかるエアー送入管８の基部
側に装着された空気導入パイプ４を通じて、基準ガスと
しての空気が該エアー送入管８内に導かれて、その先端
に位置する内側電極６に接触せしめられるようになって
いる。

なお、かかる内側電極６としては、従来からの酸素分圧
計に用いられているものと同様な電極構成がそのまま採
用され得、例えばかかる閉塞端部の内面に対して、メッ
キ、スパッタリング、サーメット等の手法乃至は形態に
おいて密着、一体化せしめられたり、メッシュ等の形態
において接触状態に配されることとなる。また、かかる
内側電極６の材料としては、一般に白金が好適に用いら
れるが、その他、白金・ロジウム合金、白金・パラジウ
ム合金、金、銀、白金・銀合金等の材料も適宜に選択さ
れる。

更にまた、かかる固体電解質体２における閉端部の外側
面上には、その略全面に亘って、接合層としての金属膜
12が形成されている。ここにおいて、かかる金属膜12に
あっては、上記内側電極６と同様、白金族金属や金、
銀、或いはそれらの合金等の貴金属材料が何れも採用さ
れ得、そして、固体電解質体２の閉端部の外側面上に対
し、焼入れやメッキ、スパッタリング等の手法にて、一
体的に固着されることにより、密着形成されることとな
る。なお、この金属膜12は、実質的に電極を構成するも
のではないことから、その厚さが、特に限定されること
はないが、通常、0.5μｍ〜５μｍ程度に設定されるこ
ととなる。

一方、上述の如き固体電解質体２には、それよりも径の
大きな有底円筒形状を呈する外套管としての金属管14
が、該固体電解質体２の閉端部側から、その外表面を覆
うようにして外挿され、配置せしめられている。なお、
かかる金属管14にあっては、高温の炉内に挿入され、ま
た脆弱な固体電解質体２の保護管としても機能させられ
るものであることから、インコネル等の耐熱鋼や耐熱合
金によって作成されたものが好適に用いられることとな
る。

また、かかる金属管14は、固体電解質体２に対する外装
によって、その閉端部内面が、該固体電解質体２の閉端
部外面に対して対向位置せしめられており、そして、そ
れらの対向面間に、測定電極としての外側電極16が配さ
れている。

ここにおいて、かかる外側電極16にあっては、Auの含有
量が50重量％以上のAu−白金族金属合金によって、上記
固体電解質体２および金属管14等の部材とは別の単体構
造として形成されている。即ち、Auは、白金族金属に比
して、その触媒能が小さいことから、Auの含有量を50重
量％以上とすることによって、該外側電極16の触媒能を
調節し、抑えることができるのである。なお、Auの含有
量が50重量％より少ないと、その触媒能が大きくなり過
ぎてしまうこととなる。

また、かかる外側電極16は、所定厚さの円板形状を有し
ており、固体電解質体２の閉端部外面よりも所定寸法小
さな平面形状をもって形成されていることによって、該
固体電解質体２の閉端部外面の周縁部からはみ出さない
ようにされている。なお、該外側電極16の厚さは、特に
限定されるものではないが、被測定ガスに対する接触面
積の確保やコスト等の点から、通常、0.1mm〜1mm程度の
厚さのものが、好適に用いられることとなる。

そして、この外側電極16は、固体電解質体２と金属管14
との間において、それらの底壁部（閉端部）間に介装せ
しめられ、その両端面が、該固体電解質体２の底壁部外
面に固着された金属膜12と金属管14の底壁部内面とに対
して、それぞれ当接し、密着せしめられた状態で、それ
ら両部材間で挟圧保持されている。そして、それによっ
て、かかる外側電極16にあっては、金属膜12と電気的に
一体化せしめられて、固体電解質体２の底壁部外面上
に、電気的な接続状態下に配されているのであり、以て
該固体電解質体２を挟んで、前記内側電極６に対して、
対向配置せしめられているのである。

さらに、上記固体電解質体２における筒壁部の外側に
は、金属管14との間に、所定間隙の空間が形成されてお
り、そして金属管14の基部（閉口部）側に近接した内周
面上に配されたＯリング18にて、かかる空間の基部側開
口が外部に対してシールされることにより、ガス流通空
間20が形成されている。そしてまた、かかる金属管14に
は、その閉鎖された先端部位に近接する筒壁部におい
て、第２図にも示されているように、二つの被測定ガス
導入口22、22が相対向して設けられており、これらの被
測定ガス導入口22を通じて、被測定ガスが外部からガス
流通空間20内に導き入れられることによって、かかる被
測定ガスが、金属管14と固体電解質体２との底壁部間に
配設された外側電極16に接触せしめられ得るようになっ
ている。

そして、そこにおいて、かかる外側電極16にあっては、
前述の如く、固体電解質体２の底壁部外面からはみ出さ
ない大きさの板状体にて形成されており、その両側面
が、固体電解質体２の底壁部外面に固着された金属膜12
および金属管14の底壁部内面に対してそれぞれ密着した
状態で配設されているところから、被測定ガス導入口22
内に導かれた被測定ガスに対しては、その外周面のみに
おいて接触せしめられることとなるのである。

更にまた、上記金属管14の基部側端部（開口側端部）に
は、取付金具24が螺着されている。そして、該取付金具
24との間に配されたスプリング30にて、固体電解質体２
が、その底壁部外面が金属管14の底壁部に向かって押し
付けられる方向に付勢されているのであり、それによっ
て、それら固体電解質体２と金属管14との間における、
前記外側電極16に対する挟圧力（保持力）が付与せしめ
られている。また、かかる取付金具24とエアー送入管８
の基部に設けられたフランジ部28との間にも、スプリン
グ26が介装されており、そしてこのスプリング26の付勢
力によって、かかるエアー送入管８が、前述の如き、内
側電極６に対する当接状態下に保持せしめられているの
である。

なお、かかる取付金具24の外周面には、リード線（一
側）32が接続されており、外側電極16に対して電気的に
接続せしめられた金属管14、取付金具24を通じて、かか
る外側電極16の信号（起電力）が外部に取り出されるよ
うになっている。

そして、このような構造とされた酸素分圧計にあって
は、金属管14の基部（開口部）側に近接した外周面に形
成されたフランジ部34において、熱処理炉の炉壁等の取
付壁36に設けられた取付座38に対して固定されることに
よって、熱処理炉に装着されることとなる。

すなわち、このような装着状態下、かかる酸素分圧計に
あっては、金属管14に設けられた被測定ガス導入口22を
通じて炉内ガス（被測定ガス）がガス流通空間20内に導
き入れられ、固体電解質体２と金属管14との間に介装さ
れている外側電極16に接触せしめられることによって、
基準ガスとしての空気に接触させられている内側電極６
との間において、それらの酸素分圧の差に基づいて起電
力が発生することとなり、これによって、従来と同様に
して被測定ガスとしての炉内ガス中の酸素分圧を求める
ことができるのであり、そして、このようにして得られ
た酸素分圧をもとに、公知の手法に従い、カーボン・ポ
テンシャル値を算出することができ、以てかかるカーボ
ン・ポテンシャル値に基づいて、炉内雰囲気の制御が行
なわれることとなるのである。

そして、そのような酸素分圧の測定に際して、かかる酸
素分圧計にあっては、外側電極16が、Auの含有量が50重
量％以上のAu−白金族金属にて形成されることにより、
その触媒能が効果的に抑えられていると共に、該外側電
極16における被測定ガスに対する接触面が、その外周面
のみによって構成されることにより、充分に小さな面積
をもって形成されていることから、かかる外側電極16に
よる炉内に残存するハイドロカーボンの分解が有利に抑
制され得るのであり、以てそのような分解されたハイド
ロカーボンによるセンサ出力への影響が良好に抑制され
得て、出力のドリフトが可及的に低減され得ることとな
るのである。

因みに、第３図には、浸炭炉におけるカーボン・ポテン
シャル（CP）値に関して、従来の酸素分圧計を用いた場
合と本考案に従う構造とされた酸素分圧計を用いた場合
における比較が為されている。そこにおいて、縦軸に
は、酸素分圧計にて検出された検出値から換算されるCP
値が示され、一方横軸には、浸炭炉内に載置された鋼箔
を分析して、実際に鋼箔が浸炭されているCP値を求めた
値が示されている。

かかる図中、理論値は、実際の鋼箔分析CP値と酸素分圧
計換算CP値が等しい場合を示すものであるが、この理論
値に対して、従来の酸素分圧計を用いた場合には、その
差、即ち測定誤差が大きく、これに対して、本考案に従
う構造とされた酸素分圧計を用いた場合には、理論値に
近い値が求められており、この結果からしても、本考案
に係る酸素分圧計においては、その出力特性の大幅な改
善が実現されることが明らかである。

また、かかる酸素分圧計においては、その使用時に及ぼ
される高温によって、外側電極16が、金属膜12に対して
焼き付き、一体的に固着させめられることとなる。それ
に、それによって、それら外側電極16と金属膜12との間
への被測定ガスの侵入が防止され得ることから、該外側
電極16の劣化（脆化）に起因する出力のドリフト量の増
加が回避され得るのであり、更に、振動等が及ぼされた
際における、該外側電極16のズレが防止され得て、装置
の信頼性および測定精度の安定性が、極めて有効に達成
され得ることとなるのである。

以上、本考案の一実施例について詳述してきたが、これ
は文字通りの例示であって、本考案はかかる具体例にの
み限定して解釈されるものではない。

例えば、接合層（12）は、必ずしも固体電解質体２にお
ける閉端部の外側面の全面に亘って形成する必要はな
く、外側電極16が当接される部分だけに設けるようにし
ても良い。

また、外套管（14）には、必ずしも、金属管を用いる必
要はなく、外側電極16のリード線を別途設けること等に
よって、アルミナ等のセラミック材料等にて形成するこ
とも可能である。

その他、一々列挙はしないが、本考案は当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様にお
いて実施され得るものであり、また、そのような実施態
様が、本考案の趣旨を逸脱しない限り、何れも本考案の
範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないと
ころである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係る酸素分圧計の一具体例を示す縦
断面説明図であり、第２図は、かかる酸素分圧計の先端
部を示す斜視説明図である。また、第３図は、従来の酸
素分圧計と本考案に従う酸素分圧計とにおける換算CP値
と鋼箔分析CP値との関係を示すグラフである。 2:固体電解質体 6:内側電極（基準電極） 12:金属膜（接合層）、14:金属管（外套管） 16:外側電極（測定電極） 22:被測定ガス導入口

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】有底円筒形状の固体電解質体の閉端部の内
   面に基準電極を、またその外面に測定電極を、それぞれ
   配すると共に、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状
   の外套管内に、該固体電解質体を収容して、前記測定電
   極を該外套管の閉端部との間に配するようにした酸素分
   圧計において、 前記測定電極を、Auの含有量が50重量％以上のAu−白金
   族金属合金からなる、前記固体電解質体における閉端部
   外面の周縁部からはみ出さない平面形状を有する板状体
   にて、構成すると共に、前記固体電解質体の閉端部の外
   面上に、貴金属材料からなる薄膜状の接合層を一体的に
   設けて、かかる測定電極を、該接合層を介して、前記固
   体電解質体の閉端部と前記外套管の閉端部との間で挟圧
   したことを特徴とする酸素分圧計。