JPH11326252A

JPH11326252A - 微細孔を有する蒸発表面付き熱蒸気センサ―

Info

Publication number: JPH11326252A
Application number: JP11095415A
Authority: JP
Inventors: Ganapati R Mauze; ガナパティ・アール・マウゼ; Michael Greenstein; ミカエル・グリーンステイン; Paul Lum; ポール・ラム; Jr Hewlett E Melton; ヒューレット・イー・メルトン・ジュニア
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 1999-11-26
Also published as: DE19914977A1; US20010000852A1; US6276196B2; US6202480B1; GB9907697D0; GB2335992A8; GB2335992B; GB2335992A

Abstract

(57)【要約】【課題】構成するのが比較的簡単で、且つ頑丈であっ
て特に蒸気濃度センサーに向くところのセンサーの提
供。【解決手段】ガス流における液体蒸気検出用のセンサ
ーにおいて、蒸発端１６０を有し且つ蒸発端１６０で蒸
発させるための液体の供給源１５６から液体を導く内穴
を有するミクロ細孔１５４と、ミクロ細孔１５４におい
て液体と接触していて、ミクロ細孔１５４を取り囲み且
つ内穴壁の部分を形成する感熱部分１４６，１４８を有
する湿り温度センサー１４４と、を含んで成り、液体で
濡れた湿り温度センサー１４４が、前記ガス流に置かれ
る時に、液体の蒸発に起因する熱損失により前記温度セ
ンサー１４４で検出される温度が前記ガス流の非蒸発温
度より低くなり、その温度降下を測定してガス流Ａにお
ける蒸気の濃度を決定するようにしたことを特徴とする
センサー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、ガス流における
蒸気濃度を決定する技法に関し、より詳細には、ガス流
の蒸発冷却を測定することによりガス流における蒸気濃
度を決定する装置と方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス中の蒸気濃度の測定は、多くの局面
において重要である。例えば、燃焼科学技術では、ガス
流における可燃ガスの濃度を知ることは有用である。あ
る領域の空気の湿度は、気象に関わる人々にとって興味
深いものである。有機化学関連の製造工場では、空気中
のある種の揮発性溶液の蒸気濃度をモニタすることは、
その地域の住民の安全上不可欠である。さらに、手術室
における患者の生理状態を評価するために、麻酔医は、
患者に投与されるガス流中の麻酔薬の濃度を知りたいで
あろう。ヒトの呼気中の水蒸気の濃度で、ヒトの呼吸器
系の働き具合が分かる。吸い込んだり吐き出したりして
いる空気の温度と湿気を検出することで、噴霧治療及び
毒性ガス吸入の中毒についての貴重な情報がヘルスケア
の専門家に提供される。

【０００３】表面音響波デバイス上に被覆した高分子フ
ィルムに吸収される蒸気の質量を測定する方式に基づく
蒸気濃度センサーが開発されている。例えば、Ｊａｙ
Ｗ．Ｇｒａｔｅ及びＭａｒｋＫｌｕｘｔｙは、Ａｎａ
ｌ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．６３，ｐｐ１７１９−１７
２７（１９９１）において、蒸気吸収が質量感応型共
振器類（ｍａｓｓ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｅｓｏｎａ
ｔｏｒｓ）の振動周波数を変化させる方式の湿度センサ
ーを記述している。また、Ｓ．Ｔｓｕｃｈｉｔａｎｉ等
は、”Ａｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎ
ｇｉｏｎｉｃｃｏｐｏｌｙｍｅｒａｎｄｉｔｓ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏａｈｕｍｉｄｉｔｙ
− ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｍｏｄ
ｕｌｅ”，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏ
ｒｓ，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．４，ｐｐ３７５−３８
６，１９８８において、ポリマーをベースとしたイン
ピーダンス効果湿度センサーを開示している。Ｔｓｕｃ
ｈｉｔａｎｉの湿度センサーでは、イオン性コポリマー
による吸湿によって電気回路のインピーダンスの変化が
生じ、それによって、振動周波数の変化が起こるのであ
る。しかし、蒸気吸収による蒸気濃度センサーは、全く
特異的ではなく、蒸気吸収センサーの校正用試料に存在
していなかった少しの吸収性蒸気によっても干渉され易
い。さらに、前述の蒸気センサー類は、湿度の降下に迅
速に応答しないことがある故、凝縮点近くでは十分に働
かない。それ故、広範囲の濃度にわたって機能するとこ
ろの極めて特異的な蒸気濃度センサの必要性は存在する
のである。

【０００４】湿度センサー類は、多年にわたって、天気
予報関係の大気湿度を測定するのに用いられている。そ
うした用途に対しては、１つの簡単な種類の湿度センサ
ーは、乾球温度計と湿球温度計を備えている。湿球温度
計は、ガーゼで湿らした球を付けた温度計を備えてい
る。一般に、水は、重力に抗する毛管作用によって容器
からガーゼの方へ上がる。空気が水蒸気に関して不飽和
である時、そのガーゼから水が蒸発する。ガーゼからの
水蒸発の冷却効果によって、湿球温度計の温度は、蒸発
が無かった真の空気温度より低くなる。湿球温度計の温
度は、”湿球温度”として知られている。”乾球温度”
として知られている、乾球温度計で測定される温度と、
湿球温度は、大気の湿度を決定するのに使われる。例え
ば、ＭｃＣａｂｅａｎｄＳｍｉｔｈ， ”Ｕｎｉｔ
ＯｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，
Ｃｈ．２４，３ｒｄ．ｅｄ．，（１９５６）参照。
そのような湿度センサーはサイズが大きくなりがちであ
る。それらの応答時間は、典型的には、極めて速いとい
うものではない。

【０００５】さらに最近になり、空気流の温度と相対湿
度を測定するのにマイクロ熱電対採用の湿気センサー類
が、例えば、”Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔｏｆａｍｉｃｒｏ−ｔｈｅｒｍｏｃｏｕ
ｐｌｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎ
ｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｒｅｌａｔｉｖ
ｅｈｕｍｉｄｉｔｙｐａｔｔｅｒｎｓｗｉｔｈｉ
ｎａｎａｉｒｓｔｒｅａｍ，”Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ
ａｎ．Ｅｎｇ．Ｖｏｌ．１１１，ＰＰ．２８３−２８
７，Ｎｏｖ．１９８９において報告されている。前述の
装置では、湿球熱電対の接合部は、硬く且つ多孔性であ
ると報告されている、吹きかけ式（ｓｐｒａｙｅｄ−ｏ
ｎ）窒化ホウ素コーティングで被覆されている。水をそ
の窒化ホウ素コーティングに供給するために、スリーブ
管が用いられる。熱電対の接合部を吹きかけ操作でコー
ティングするのは、容易な作業ではなく、スリーブを正
確に位置決めして、漏らさないで窒化ホウ素コーティン
グを濡らすようにするには、細心の注意が必要である。
また、金属又はガラスの表面上で安定な窒化ホウ素コー
ティングを形成することも困難である。さらに、水を十
分に導くのに適している多孔性構造を得るためには、多
少厚い窒化ホウ素層を形成する必要があるが、そうすれ
ばその層を脆くすると同時に熱伝達を遅くすることにな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】それ故、構成するのが
比較的簡単で、且つ頑丈であって特に蒸気濃度センサー
に向くところのセンサーの必要性は存在するのである。
堅固で、製作が簡単であり、且つ小型に作り得る蒸気セ
ンサーの必要性は、依然として存在するのである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】１様相において、本願発
明は、ガス流における気化性液体の蒸気濃度を検知する
センサーを提供するものである。該センサーの一実施例
は、ガス流の方向に開口を有する微細孔を含むものであ
る。微細孔は、ガス流への開口の所の蒸発端と、その蒸
発端で蒸発させるため気化液体を液体供給源から開口へ
導く内穴（ｌｕｍｅｎ）とをもっている。湿式変換（ｗ
ｅｔ−ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）温度センサー（又は、単
に”湿式温度センサー”）は、微細孔の蒸発端の温度を
検知することができる。湿式温度センサーは、感熱部分
が開口近くで微細孔中の液体と接触されている。その感
熱部分は、微細孔に外接し、内穴の部分を形成する。液
体が蒸発すると、蒸発の潜熱がガス流及びその周囲から
吸収されて、湿式温度センサー近辺が冷却されることに
なる。液体で湿った湿式温度センサーがガス流に置かれ
る時、前述の熱損失により、湿式温度センサーで検知さ
れる温度は、ガス流の非蒸発温度より低くなることにな
る。この温度降下を測定して、ガス流における蒸気濃度
を決めることができるのである。

【０００８】上述の温度降下を測定するため、一実施例
では、湿式変換温度をガス流温度と比較するのに二重変
換式（ｄｕａｌ−ｔｒａｓｄｕｃｅｒ）温度センサーが
設けられる。前述の二重変換式温度センサーでは、湿式
変換温度センサーは、蒸発表面の温度を検知し、そして
参照温度センサーは、参照として蒸発の無い状態のガス
温度を検知する。

【０００９】一実施例では、蒸気濃度を迅速に決定する
ために定常状態の温度を得ることができるよう多数の微
細孔を設けて蒸発面積を増やすことができる。均一な寸
法と形状を持った微細孔を形成できる上、薄層の材料を
使って小形の温度センサーを作ることができるため、急
速熱伝達を達成して、蒸気検知の応答時間を速めること
ができる。微細孔は小さい故、温度センサーが様々な方
位に向けられている時でも毛管作用によって微細孔に液
体を保持することができる。従って、本願発明を使え
ば、重力に比例した位置に無関係で且つ小ディメンショ
ンを必要とする用途にさえ、急速蒸気濃度センサーを作
ることができる。

【００１０】本願発明のセンサーは、編みガーゼ付きの
在来型センサー類以上に有益である。第１に、編みガー
ゼに関して、滴下させないで十分な液体を供給できるよ
う、サーミスタヘッド又は熱電対接合部のような感温ユ
ニットの周りを均一に包むことができる編み材を作るこ
とは困難である。また、繊維材は編み合わされず且つ抜
け易いことがあり、患者の気道におけるような、ある種
の用途には望ましくない。同様に、窒化ホウ素のよう
な、脆く且つ壊れやすい材料は、はげ落ちることがあ
り、その上、熱及び質量の伝達が望ましくないパターン
となるであろう。在来型のガーゼ式湿度センサーでは、
水は、毛管作用で、繊維質のガーゼを通して容器中の水
から温度計へ重力に抗して吸引される。これは、水の容
器とガーゼによって湿球温度計の配置が困難になる故、
到達が困難な場所での湿度センサーの使用には役立たな
い。本願発明によるガーゼレス蒸気濃度センサーの実施
例は、患者の気道のような到達困難な場所での使用が可
能である。本明細書で用いられる時、用語”ガーゼレ
ス”（ｗｉｃｋｌｅｓｓ）は、毛管作用で重力に抗して
液体容器から液体を導く繊維状材料が無いことを意味す
る。

【００１１】本願発明により、濃度の情報が要求される
蒸気に関して極めて特異的なセンサーを作ることができ
る。例えば、アルコール蒸気の濃度センサーは、湿式変
換温度センサーと接触した微細孔（群）にアルコールを
供給することにより作ることができる。前述の蒸気濃度
センサーは、ガス流に他の蒸気が存在していてもガス流
におけるアルコール濃度を測定できるよう十分作動す
る。湿り（ｗｅｔ）接合部でのアルコールの蒸発に関す
る駆動力は、ガス流におけるその他の揮発性物質の蒸気
圧とは無関係である。前述の特異的センサーは、吸収蒸
気濃度センサー以上に有益である。何故なら、そのよう
な吸収蒸気濃度センサーの蒸気吸収率は、ガス中の他の
蒸気の存在で影響を受けるからである。本願発明のセン
サーの別の利点は、種々の液体を容器から種々の湿式変
換温度センサーへ導く微細孔群を設けることにより、幾
つかの別々の蒸気を検知する蒸気センサーを作ることが
できるということである。

【００１２】本願発明の装置のさらに別の利点は、自動
化システムを使って且つ大量生産でそれらを容易に製造
することができるということである。当該装置の多くの
部品類は、材料等を層状にし（ｌａｙｅｒｉｎｇ）且つ
それらの層を集積回路製造に使われるプロセスと同様の
方法で処理することにより作製することができる。前述
のプロセスを利用すれば、極めて小サイズの蒸気センサ
ーを作製することができる。そのような小サイズの蒸気
センサーは、生理上のモニタリングから、その性能があ
る種の蒸気の存在もしくは濃度によって影響される装置
の制御までの範囲に及ぶ、様々な用途に利用することが
できる。一例として、水で湿った材料の乾燥時間は、乾
燥が行われる所の空気の水分湿度によって変化する。

【００１３】

【発明の実施の形態】１様相において、本願発明は、蒸
発表面での蒸発の潜熱吸収に起因する温度降下を測定し
てガス中の液体の蒸気濃度を決められるように、微細孔
から液体を気化させる技法を提供するものである。

【００１４】図１は、ガス中の揮発性液体の蒸気の存在
もしくは濃度を決めるための、本願発明の蒸気センサー
の実施例を示す。蒸気センサー（又は装置）１００は、
電気ケーブル１１６によってプロセッサ１１８に接続さ
れた二重変換温度センサー１１４を有していて、その二
重変換温度センサー１１４からの温度データを処理して
ガス中の蒸気濃度を表示することができる。湿度（又は
蒸気濃度）は、コンピュータモニタ、液晶ディスプレ
イ、発光ダイオードディスプレイ、紙プリンタ、プロッ
タ、指針付き検流計、等々のような表示装置１２０に表
示させることができる。本明細書で用いられる時、用
語”二重変換温度センサー”（ｄｕａｌ−ｔｒａｎｓｄ
ｕｃｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ）
は、２つの別々の変換器である。１つは液体の蒸発によ
るガス流の定常状態の熱損失の場合の液体の温度を検知
するためのものと、他の１つは蒸発の無い状態のガス流
の温度を検知するためのものと、を備えたセンサーを指
す。これによって２つの温度間の差を決めることができ
る。理解すべきは、温度が明確に計算される必要がない
とはいえ、もし前述のセンサーが、前述の温度差をその
特性から引出せるように測定し得るところの、温度依存
特性（例えば、蒸気濃度をそれから決め得るところの、
抵抗又は電圧差）を有する２つの変換器を備えているな
ら、センサーは、前述の二重変換温度センサーであると
考えられる、ということである。

【００１５】二重変換温度センサー１１４は、ガスの温
度を検知する参照温度センサー１３０と、ガス中の液体
の蒸気の不飽和度に依存した範囲で気化によって蒸気分
子をガスに逃がすであろうところの、液体の温度を検知
する湿式変換温度センサー１４４とを備えている。本明
細書で用いられる時、用語”湿式変換温度センサー”
は、液体が液体と接触しているガスへ蒸発によって蒸気
を逃がす場合の温度センサーと接触している液体の温度
を測定するのに使われるところの、典型的には、電気式
の、温度検知装置を指す。結果として、蒸発表面の近辺
は、蒸発の潜熱によってバルクガス（即ち、その温度が
蒸発によって著しく影響されないガス流のかさ）のそれ
より低い定常状態の温度まで冷えることになる。

【００１６】図２および図３は、図１の蒸気センサーと
して用いることができる二重変換温度センサーの実施例
を示す。この実施例では、二重変換温度センサー１２８
は、ガス流１３１のガスの参照温度を測定できるよう参
照熱電対１３０がガス流１３１に露出されている。この
実施例では、参照熱電対１３０は液体で湿らされること
はなく、従って、その温度は、”乾式変換温度”と呼ば
れてよいものである。熱電対１３０は、第１乾式変換金
属層１３２と第２乾式変換金属層１３４とから構成され
て、層１３２，１３４が互いに接触する乾式変換熱電対
接合部１３６を形成する。熱電対１３０に接続された導
線（図２には図示されていない）を用いて（即ち、第１
乾式変換金属層１３２と第２乾式変換金属層１３４に接
続して）、温度を表す電気信号をプロセッサ１１８に送
信することができる。熱電対においては、熱電対接合部
１３６の両端の電圧差は、その熱電対接合部の温度に依
存して生ずる。この電圧差を測定して、熱電対接合部１
３６が経験した温度を決めることができる。熱電対１３
０は、熱絶縁体１３７で支持され、これが今度は基板１
３８に支持されている。好ましくは、熱電対の感熱部分
であるところの、熱電対接合部１３６の周りの熱電対領
域は、ギャップ１４０に位置する。ギャップ１４０は、
基板１３８と熱絶縁体１３７から（例えば、化学腐食又
はレーザ削摩により）形成することができる。ギャップ
１４０は、熱電対接合部１３６近くのガス流による接触
表面積を大きくしてガス流から熱電対接合部１３６への
熱伝達を助長できるようガス流１３１に対してオープン
の状態に作ることができる。あるいは、ギャップ１４０
は、熱電対接合部が絶縁体１３７上でそれを完全に覆う
ことができる位に、十分狭くしてもよい。

【００１７】参照熱電対１３０の隣りに、又は近くに
は、”湿式変換”温度センサー、この場合は、湿式変換
熱電対１４４がある。湿式変換熱電対１４４はまた、２
つの金属層、即ち、第１湿式変換金属層１４６及び第２
湿式変換金属層１４８をもっていて、その間に湿式熱電
対接合部１５０を形成する。蒸気検知中はガス流に露出
されている湿式変換熱電対１４４も熱絶縁体１３７で支
持されている。微細孔１５４は、熱絶縁体１３７と、第
２湿式金属層１４８と、第１湿式金属層１４６とを貫通
して、流体容器１５６からガス流１３１への開口１５８
まで流体が通ずるようにする。液体は、開口１５８の表
面から蒸発する。蒸発の潜熱に起因した熱損失によっ
て、開口１５８の温度が、乾式参照熱電対１３０で検知
されたそれより降下する。熱絶縁体層１３７は任意選択
（オプション）であることに注意。熱絶縁体層が無い場
合は、基板１３８が、熱電対１３０，１４４を直接支持
し、微細孔１５４は、その基板と湿式変換金属層１４
６，１４８とを貫通できる。

【００１８】液体が開口１５８から蒸発すると、代わり
の液体が、例えば、毛管作用によって、液体容器１５６
から微細孔１５４を経由して蒸発表面１６０に移ること
ができる。好ましくは、感熱部分（即ち、熱電対接合部
１５０）は、開口１５８に近い微細孔１５４の接合部分
に外接して、微細孔１５４にある液体から湿式変換熱電
対接合部１５０への熱伝達を高める。ガス流における蒸
気の存在又は量を検知するためにそのガス流中へ二重変
換温度センサー１２８を入れた後、湿式変換熱電対１４
４の温度が定常状態温度になるように、液体の移動は、
十分長い時間の間、開口１５８の近くの液体蒸発を実質
的に一定に維持するのに十分であることが好ましい。
（図には示されていない）導線を使って湿式変換熱電対
１３８を電気回路に接続して、その温度を測定するか又
は乾式熱電対１３０から収集されたデータと比較しても
よい。

【００１９】図４は、微細孔１５４とその蒸発表面１６
０をより詳細に示す。矢印Ａは、ガス流におけるガスの
流れを示す。矢印Ｂは、微細孔１５４を通って蒸発表面
１６０へ向かう補充液体の流れを示す。本願発明の適用
は、特定の科学的理論のどれにも依存するものではない
が、蒸気で飽和したガスの境界層は、蒸発表面１６０の
所にあるということが考えられる。蒸気の濃度は、蒸発
表面１６０から距離によって徐々に減少する。ガス流に
ある液体表面からの蒸発での質量移動は、広く研究され
てきており、化学工学の原理に熟練した当業者には十分
理解されるものである。

【００２０】微細孔は、液体容器１５６から開口１５８
へ速度制限されずに液体を引き込むのに十分な毛管力を
有することが望ましい。好ましくは、液体が開口１５８
から蒸発する際、十分な量の液体が液体容器１５６から
（例えば、毛管力によって）流れて、所望の場所にいっ
たん置かれると湿式変換熱電対１４４を定常状態の温度
に到達させ得るものである。例えば、湿度センサーの場
合、蒸気センサー１００の正常動作条件下で、水−質量
−伝達−制限されずに、約１％〜１００％飽和に対する
約１℃及び４５℃の間で、微細孔１５４は、ガス流の低
めの相対湿度において、同じ乾式温度の高めの相対湿度
におけるより高い蒸発速度を有する。熱絶縁体１３７と
基板１３８によって参照熱電対１３０と湿式変換熱電対
１４４を互いに極めて接近して保持し、それらが、実質
的に同じ蒸発前の温度と湿度を示す程に十分接近してい
るガス部分の温度を検知するようにする。典型的には、
参照熱電対１３０は、参照熱電対が液体の蒸発で影響を
受けることがないように、湿式変換熱電対１４４の上流
に置かれる。

【００２１】ガスの蒸気濃度を測定するためのセンサー
の別の実施例を図５及び図６に示す。これらの図におい
て、矢印Ａは、ガス流の流れの方向を示す。この実施例
では、湿式温度センサーは、蒸発の目的で液体を微細孔
１５８Ｂの開口へ供給できるよう液体容器１５６にそれ
ぞれ接続された複数の微細孔１５８Ｂを備えている。微
細孔１５８Ｂは、熱電対接合部１５０Ｂを貫通して開口
１６０Ｂに達する。前述の複数の微細孔によって、熱電
対接合部の面積に対する蒸発表面の面積の比を比較的大
きくでき、従って、ガス流の特性に変化があっても比較
的速く熱伝達が定常状態に達することが可能となる。図
７は、微細孔１５８Ｂの数が異なっていることを除け
ば、図５及び図６と同様の別の実施例の断面図であっ
て、同断面図は、図５及び図６のそれらに対して垂直な
ものと等価である。

【００２２】図８及び図９は、同じ液体容器に接続され
た多重微細孔に関する別の実施例を示す。この実施例で
は、熱伝導体であって、熱電対接合部１５０Ｄを他の電
気回路に接続するところの、金属材料を縮小して、微細
孔からの蒸発に起源しない熱伝達の量を減らすようにす
る。微細孔１５８Ｄをもつ熱電対接合部１５０Ｄの領域
外の部分１６４，１６５では、”湿った”第１金属層１
４６と”湿った”第２金属層１４８とは、ブリッジ１６
８，１７０になるようサイズが縮小されて、そこを通る
熱伝達を減らすようにする。この方法で、望ましくない
外部の影響からの湿式変換温度センサーの熱電対接合部
部分の隔離が改善されるのである。

【００２３】参照温度センサーによるガス流の温度と微
細孔の液体からの蒸発性熱損失による温度とを字義通り
に得ることは有用であるとはいえ、ガス流における蒸気
の濃度又は存在は、これらの温度を数値的に実際に決定
しなくても、乾式変換器と湿式変換器の間の電気的特性
の差を単に測定するだけで都合よく決めることができ
る。図１０及び図１１では、湿式変換熱電対１４４の第
２湿式変換金属層１４８は、ブリッジ導体１７１を通し
て第２乾式変換金属層１３４と電気的に接触している。
好ましくは、第２乾式変換金属層１３４、ブリッジ導体
１７１、及び第２湿式変換金属層１４８は、全て同じ金
属から作られ、従って、これらの第２金属層１３４，１
４８間の接合部上の温度変化に起因した電圧差を決めな
ければならないと云う問題が除去される。さらに、第１
乾式変換金属層１３２と第１湿式変換金属層１４６も同
一金属から作られ、これによって製造工程の複雑さが著
しく軽減されることになろう。この配置構成では、乾式
変換参照熱電対１３０と湿式変換熱電対１４４とによっ
て測定された温度間の差を決めるには、第１湿式変換金
属層１４６と第１乾式変換金属層１３２との間の電圧だ
けを測定すればこと足りる。このように、湿式変換熱電
対１４４と乾式変換参照熱電対１３０との間の温度差５
５．．．は、第２乾式変換金属層１３４又は第２湿式変
換金属層１４８には導体リードが必要ない故、２つの導
体リードだけを使って測定することができる。

【００２４】図１２及び図１３に示した代替実施例で
は、上述のものと似ている湿式変換熱電対１４４と乾式
変換参照熱電対１３０に加えて、乾式変換参照熱電対１
３０と湿式変換熱電対１４４と接触している固体支持体
の温度を検知するところの固体接触熱電対１６２も設け
られる。前述のように、乾式変換参照熱電対１３０は、
好ましくは、ガス流Ａから熱電対接合部１３６への熱伝
達を助長するべく熱電対接合部１３６の下にギャップ１
４０を設ける。対照的に、固体接触熱電対１６２は、好
ましくは、支持体の層（図６の場合、熱絶縁体１３７）
と直接接触させて、空気流の温度と支持体層の温度との
間の差はどれも蒸気濃度決定に際して測定し且つ補償で
きるようにする。固体接触熱電対１６２は、好ましく
は、第１金属層及び異なった第２金属層を包含し、それ
は、乾式変換熱電対１３６又は湿式変換熱電対１４４の
何れかにおける第１及び第２金属層と同じ材料であって
よい。

【００２５】図１４及び図１５は、２つの異なった蒸気
を検知できる蒸気センサーの別の実施例を示す。このセ
ンサーでは、第１液体容器１５６が第１液体を含むこと
ができる。この第１液体は、第１湿式変換熱電対１４４
の所で第１微細孔１５４からガス流Ａの中に蒸発させ
る。第２液体は、第２湿式変換熱電対１４４Ａの所で第
２微細孔１５４Ａからガス流Ａの中に蒸発させる。乾式
変換参照熱電対１３０は、蒸発が無いガス流の温度を測
定し、そして固体接触熱電対１６２は、熱電対の固体支
持体の温度を測定する。分かり易くするため、図１５で
は、熱電対の詳細な構造と支持体の構造は、図示されて
いない。

【００２６】微細孔近くの固体構造体からの伝導性熱伝
達の効果をさらに軽減するために、熱絶縁体層１３７よ
りなお優れた熱絶縁も形成することができる。図１６及
び図１７は、内穴壁１６６を除く、微細孔１５４の周り
に実在する領域上の熱絶縁体層１３７と湿式変換熱電対
接合部１５０との間に介在しているギャップ１６４を平
面図で示す。ギャップ１６４は、検知中のガス流からの
ガスで充満させることができる。ガス流に向かって開い
ている通気穴によってガスをギャップ１６４に充填する
ことができる。あるいは、ギャップ１６４に異なったガ
ス（例えば、熱伝導度又は熱容量が比較的低いもの）を
充填し、そして通気穴を密封してそのガスをギャップ１
６４に溜めることもできる。

【００２７】図１８及び図１９は、上述の二重変換温度
センサーが接続構造体と共に用いられる装置を示す。図
示したように、二重変換温度センサー１１４Ａは、ガス
フローチャネル１７０におけるガス流Ａの経路に配置さ
せる。ガスフローチャネル１７０の出口端１７２は、二
重変換温度センサー１１４Ａを通してガスを引込めるよ
うポンプコネクタ１７４を介してガスポンプ（図示せ
ず）に接続する。好ましくは、二重変換温度センサー
は、ガス流Ａの上流側チャネル１７７とポンプコネクタ
１７４への接続、並びに電気リードへの接続を可能にす
るモジュール１７６として構成する。金属層１３４，１
３２，１４８，１４６とそれぞれ接続するリード１８０
Ａ，１８０Ｂ，１８０Ｃ，１８０Ｄ付き電気コネクタ１
７８を用いて、乾式変換参照熱電対１３０と湿式変換熱
電対１４４への電気的連絡を行うことができる。ガスチ
ャネル上流、ポンプコネクタ１７４、及び電気コネクタ
１７８を含む、モジュール１７６、並びにそれに接続さ
れる構造物は、種々の部品類を”スナップオン式”（ｓ
ｎａｐ−ｏｎ）取付具で一緒に取付けられるように構成
して、ねじ、クランプ、リベット、接着剤、等のような
手のこんだ締付け機構を必要としないようにすることが
期待される。図２０は、図１８及び図１９に図示したも
のに垂直な断面図を示す。

【００２８】図２１は、微細孔が管形の熱電対接合部に
存在する場合の蒸気センサーの別の実施例を示す。この
場合、２つの金属がそこで会合するところの、熱電対接
合部がくるまって円筒表面の形状、即ち、管形の熱電対
接合部となる。図２２は、隣接した層を有する管形熱電
対接合部の一部を示す。図２１及び図２２において、熱
電対接合部１８２は管形であって、第１金属層１８４Ａ
と第２金属層１８４Ｂから作られる。２つの管形層１８
４Ａ及び１８４Ｂは２つの別々の端末から相互の方へ延
び、そして部分１８４Ｃで接触し且つ重なり合う。管形
熱電対接合部１８２の内穴１８５は、その蒸気を検出中
の液体で満たす。金属層１８４Ａと１８４Ｂをその内穴
１８５の液体から絶縁する絶縁体層１８７を示す。絶縁
体層１８７と金属層１８４Ａと１８４Ｂとを通って液体
を横切る微細孔（即ち、貫通穴）１８６が熱電対接合部
１８２にあって、管形熱電対接合部１８２を経由して内
穴１８５から蒸発用の外部表面まで液体を通過させるこ
とができる。矢印Ｄで表されたガス流が熱電対接合部１
８２を通って流れて熱電対接合部１８２の微細孔１８６
から液体を蒸発させる。微細孔近辺の蒸発冷却は、管の
２つの端末と熱電対出力メータとに接続されたリード線
を介して測定される。実際には、熱電対接合部１８２の
金属層は、絶縁体管上への堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）によって形成してよい。しかし、絶縁体管は、熱電
対接合部を作動させるのに必ずしも必要ではなく、従っ
て、熱電対接合部は、他の手段によって、例えば、別の
金属の管上に熱電対の対として金属管を形成することに
よって、構成してもよい。

【００２９】蒸気センサーの作製本願発明の蒸気センサ
ーは、自動化工程による組立法にうまく適応する。幾つ
かの好ましい実施例では、本願発明の二重変換温度セン
サーは、本来、層状材料から作られる故、それらは、集
積回路組立の分野で周知の製造工程に特に適合する。例
えば、基板１３８は、シリコン（ケイ素）、二酸化シリ
コン、ポリシリコン、窒化シリコン、等々であってよ
く、熱絶縁体１３７は、窒化シリコン、ポリイミド、又
は低熱伝導度をもったその他の適当な高分子類であって
よく、熱電対用の金属層は、熱電対の構成に適した任意
のバイメタル層の組合せであってよい。

【００３０】前述のように、層状構造体の構成に半導体
類の組立法を採用して、本願発明の基板、熱絶縁体、熱
電対、等々を形成することができる。実例として、二重
変換温度センサーの実施例は、シリコン基板、シリコン
に凹部と空洞をエッチングするためのＳｉＯ２の犠牲
（防食）層、熱絶縁体用のポリイミド層、熱電対バイメ
タル層に使われる銅ーコンスタンタンを用いて作ること
ができる。

【００３１】熱電対のバイメタル層の組合せ、例えば、
白金ーロジウム、銅ーコンスタンタン、鉄ーコンスタン
タン、ニッケルクロム合金ーニッケルアルミニウム合
金、等は、当分野で周知である。熱電対の構成に適する
材料リストに関しては、Ｍａｎｕａｌｏｎｔｈｅｕ
ｓｅｏｆＴｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓｉｎＴｅ
ｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＡＳ
ＴＭｍａｎｕａｌＳＴＰ４７０Ｂ，１９８１参
照。熱電対に適するその他の材料は、ＪｕｌｉａｎＧａ
ｒｄｎｅｒ，Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ，Ｐｒｉｎｃｉ
ｐｌｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｃｈ．
５，ＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ，１９９
４に報告されている。金属層を載せて、所望のディメン
ションが得られるようにそれらをエッチングする方法
は、当分野で周知である。

【００３２】当分野で周知のように、ガラス及びＳｉＯ
₂は、適当な薬品類、例えば、緩衝化フッ化水素酸（Ｈ
Ｆ）混合液で腐食させることができ、シリコンは、水酸
化カリウム（ＫＯＨ）、好ましくは、水酸化テトラメチ
ルアンモニウム（ＴＭＡＨ）で腐食させることができ；
ガラス、ＳｉＯ₂、ポリシリコン、及びチッ化シリコン
は、熟練した当業者に周知のプラズマ化学を使ってドラ
イエッチングでき；チッ化シリコンはまた、リン酸（Ｈ
₃ＰＯ₄）でウェットエッチングすることもできる。これ
らのエッチング法は、各材料（例えば、シリコン、チッ
化シリコン、ポリシリコン、ＳｉＯ₂、ＮｉＦｅ）に不
同に影響することも分かっている。この差は、材料固有
の物理的化学的特性に起因する。前述の材料についての
様々なエッチング用試薬を使用した場合の腐食速度が異
なるため、１つの材料は迅速に、そして別のものは極め
てゆっくりと差別的にエッチングすることが可能とな
る。エッチング速度についての前述の差を有利に利用し
て空洞類、溜め槽類（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）、及びそ
の類を作ることができる。

【００３３】（微細構造を含む）構造を形成するエッチ
ング方法と固体半導体技術に用いられるエッチング材料
は、当分野で周知である。微細構造を形成する方法の例
としては、例えば、ＪｕｄｙａｎｄＭｕｌｌｅ
ｒ，”ＭａｇｎｅｔｉｃＭｉｃｒｏａｃｔｕａｔｉｏ
ｎｏｆＴｏｒｓｉｏｎａｌＰｌｏｙｓｉｌｉｃｏ
ｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，” Ｄｉｇ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎ
ｆ．Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄ
Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｗｅ
ｄｅｎ，Ｊｕｎｅ２５−２９，１９９５，ｐｐ．３３
２−３３９；及びＰｉｓｔｅｒｅｔａｌ．，”Ｍｉ
ｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄＨｉｎｇｅｓ，” Ｓｅ
ｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，Ａ．３３，
１９９２，ｐｐ．２４９−２５６があり、その微細構造
を作製する方法の記述は、参考として本明細書に引用さ
れている。

【００３４】二酸化シリコンのエッチング方法は次の文
献に記述されている。Ｓｔｅｉｎｂｒｕｃｈｅｌｅｔ
ａｌ．，Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄｒｙｅｔｃ
ｈｉｎｇｏｆｓｉｌｉｃｏｎｄｉｏｘｉｄｅ −
Ａｃａｓｅｓｔｕｄｙｏｆｄｉｒｅｃｔｒｅ
ａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ，” Ｊ．Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ
ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１３２（１），ｐ
ｐ．１８０−１８６，Ｊａｎ．１９８５、及びＴｅｎｎ
ｅｙｅｔａｌ．，”ＥｔｃｈＲａｔｅｓｏｆ
ＤｏｐｅｄＯｘｉｄｅｉｎＳｏｌｕｔｉｏｎｓｏ
ｆＢｕｆｆｅｒｅｄＨＦ，”Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃ
ｈｅｍ．Ｓｏｃ．ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅａｎｄＴ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１２０（８），ｐｐ．１０９１−
１０９５，Ａｕｇ．１９７３。ポリシリコンのエッチン
グ法は、Ｂｅｒｇｅｒｏｎｅｔａｌ．，”Ｃｏｎｔ
ｒｏｌｌｅｄＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＥｔｃｈｉｎ
ｇｏｆＰｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ，” Ｓｏｌｉｄ
ＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ａｕｇｕｓｔ
１９８２，ｐｐ．９８−１０３、及びＢ．Ｌ．Ｓｏｐｏ
ｒｉ，”ＡＮｅｗＤｅｆｅｃｔＥｔｃｈｆｏｒ
ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎ，”
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．ＳｏｌｉｄＳ
ｔａｔｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１３１
（３），ｐｐ．６６７−６７２，Ｍａｒ．１９８４で説
明されている。チッ化シリコンのエッチング法は、ｖａ
ｎＧｅｌｄｅｒｅｔａｌ．，”Ｔｈｅｅｔｃｈ
ｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎＮｉｔｒｉｄｅｉｎ
ＰｈｏｓｐｈｏｒｉｃＡｃｉｄｗｉｔｈＳｉｌｉ
ｃｏｎＤｉｏｘｉｄｅａｓａｍａｓｋ，”
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．ＳｏｌｉｄＳ
ｔａｔｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１１４
（８），Ａｕｇ．１９６７，ｐｐ．８６７−８７２に記
述されている。シリコンのエッチング法は、Ｍ．Ｊ．Ｄ
ｅｃｌｅｒｃｑ，”ＡｎｅｗＣＭＯＳＴｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙＵｓｉｎｇＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＥｔ
ｃｈｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎ，”ＩＥＥＥＪ．
ｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ，Ｖｏ
ｌ．ＳＣ−１０，Ｎｏ．４，Ａｕｇ．１９７５，ｐｐ．
１９１−１９６；Ｋ．Ｅ．Ｂｅａｎ，”Ａｎｉｓｏｔｒ
ｏｐｉｃＥｔｃｈｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎ，”
ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｘ
ｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−２５，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔ．１９
７８，ｐｐ．１１８５−１１９３；ＯｓａｍｕＴａ
ｂａｔａ，”ｐＨ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＴＭＡＨｅ
ｔｃｈａｎｔｓｆｏｒｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏ
ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，” ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡ
ｃｔｕａｔｏｒｓ，Ａ５３，１９９６，ｐｐ．３３５−
３３９；及びＲｏｂｂｉｎｓ，ｅｔａｌ．，”Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌＥｔｃｈｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎ
ＩＩ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆＨＦ，ＨＮＯ
３，Ｈ２Ｏ及びＨＣ２Ｈ３ＯＯ２，” Ｊ．ＯｆＴｈ
ｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ
ｙ，１０７（２），Ｆｅｂ．１９６０，ｐｐ．１０８−
１１１に記述されている。これらのエッチング方法は、
参考として本明細書に引用されている。

【００３５】熱絶縁体の例は、ポリイミド、例えば、Ｄ
ｕＰｏｎｔＣｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，
ＤＥ）から市販のＰＩ−２２１１、である。ポリイミド
層は、典型的には、スピニング（ｓｐｉｎｎｉｎｇ）で
形成される。前述の層は、ドライプラズマエッチングで
腐食することができる。当該用途に適しているポリイミ
ド材料は、ＤｕＰｏｎｔＣｏｍｐａｎｙ及びＣｉｂａ
ＧｅｉｇｙＣｏｒｐ．（Ｇｒｅｅｎｓｂｏｒｏ，Ｎ
Ｃ）のような薬品供給元から市販されている。ポリイミ
ドのスピニング及びエッチング法は、当分野で周知であ
る。例えば、Ａｈｎ，ｅｔａｌ．，”ＡＰｌａｎａ
ｒＶａｒｉａｂｌｅＲｅｌｕｃｔａｎｃｅＭａｇ
ｎｅｔｉｃＭｉｃｒｏｍｏｔｏｒｗｉｔｈＦｕｌ
ｌｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｔｏｒＡｎｄ
ＷｒａｐｐｅｄＣｏｉｌｓ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ
ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳ
ｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ ’９３），ＦｏｒｔＬａｕ
ｄｅｒｄａｌｅ，Ｆ１，Ｆｅｂ．７−１０，１９９３参
照。その他熟練した当業者に周知の、ポリオレフィンの
ような、高分子系材料、アクリル系材料、、スチレン素
地高分子類、等々を用いてもよい。

【００３６】前述のように、サーミスタ類のような、そ
の他の電気的温度検知装置類及び材料類を熱電対の代わ
りに用いて、温度差を検知し、そして蒸気濃度を計算す
るための又はガス流における蒸気の有無を決定するため
の電気信号を生成することができる。適当なサーミスタ
類には、酸化バリウム又は酸化ストロンチウムのような
焼結酸化物類及びそれらを種々の比率で混合した混合物
類の小形ビーズ（溶球類）又は細片類がある。これらの
ビーズ又は細片類は、典型的には、それらを周囲から保
護するために、ガラスの薄層で被覆される。ビーズ又は
細片類は、典型的には、溶球又は細片の電気抵抗を測定
する回路に接続されているところの白金／インジウムの
導線と繋がれる。ビーズ又は細片類は、適当な焼結酸化
物と共に加圧成形し、次いで、それらをガラス層でカプ
セル封止して作ることができる。サーミスタ類の細片類
は、それらを貫通する微細孔を有し、各微細孔が液体蒸
発用の開口に合うようにして、作ることができる。サー
ミスタ類及びそれらの作製方法は、当分野で周知であ
る。

【００３７】管状熱センサー（例えば、図２１に図示さ
れているもの）を備えた装置は、例えば、先ず、支持管
を作り、次いで、その管の上に熱電対接合部を堆積さ
せ、その後、管並びに熱電対接合部の上に微細孔を形成
することにより作製することができる。熱電対接合部
は、２つの金属で続けてコーティングすることにより形
成することができる。また、支持管をサーミスタ材料で
被覆して、蒸発熱損失中の温度測定用サーミスタを形成
することもできる。微細孔は、きりもみ（ｄｒｉｌｌｉ
ｎｇ）、エッチング、及びレーザ削摩のような穴あけツ
ール類と技法を使って管上に形成することができる。微
細孔はまた、金属層を堆積させる前にマスキングをして
形成することもできる。

【００３８】蒸気センサーの使用法本願発明の蒸気センサーは、ガス流中でそのガス流の速
度とは相対的に無関係にガス流における液体の蒸気の濃
度又は蒸気の存在を測定するのに用いることができる。
本開示では水ー湿度の例がより詳細に記述されていると
はいえ、本願発明による蒸気センサーは、アルコール
類、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、
イソプロパノール、ブタノール、ケトン、例えば、アセ
トン、アルデヒド、例えば、ホルムアルデヒド；芳香性
液体、例えば、ベンゼン及びトルエン、四塩化炭素のよ
うな有機塩素、等々を含む有機液体類のような、その他
の液体の蒸気濃度を検知できるように作製することがで
きるものと理解すべきである。説明の便宜上、本明細書
で用いられる時、用語”湿度”（ｈｕｍｉｄｉｔｙ）
は、ガスにおける液体の蒸気の飽和度を指し、この場
合、蒸気は水の蒸気又はその他の液体の蒸気であってよ
く、そしてガスは空気又は他の気体類であってよい。よ
り明確な意味では、本明細書の方程式におけるように、
湿度は、蒸気の無いガスの単位質量における蒸気の質量
として表されたガス中の蒸気濃度を指す。

【００３９】本願発明の蒸気センサーを使用するため
に、特定ガスにおける種々の濃度と温度に対応する条件
に関して特定の種類の二重変換温度センサーで蒸気セン
サーを校正することにより、ルックアップテーブル、グ
ラフ、又はコンピュータデータベースを得ることができ
る。例えば、空気中の水蒸気に対する乾湿計図又はグラ
フは、それぞれ異なった温度で種々の空中水蒸気濃度を
有する種々の空気サンプルを用いて湿度センサーを校正
することにより得ることができる。さらに、前述のデー
タは、参照温度センサーと湿式変換温度センサーによっ
て発生された電気信号をガスサンプルの蒸気濃度及び温
度と相関させることができるように、ディジタルコンピ
ュータに電子的に蓄積することができる。コンピュータ
は、参照及び湿式変換温度センサーの電気信号によって
その対応する蒸気濃度を表示できるようプログラムする
ことができる。本明細書で用いられる時、用語”乾湿球
温度計法”（ｐｓｙｃｈｒｏｍｅｔｒｙ）及び”乾湿球
温度計の”（ｐｓｙｃｈｒｏｍｅｔｒｉｃ）は、ガス中
の蒸発可能な（即ち、揮発性の）液体類の蒸気の濃度の
測定を指す。蒸発可能な（即ち、揮発性の）液体類の例
は、室温で０．１ｍｍＨｇ以上の蒸気圧を有するもの
である。熟練した当業者は、温度センサーの電気特性が
分かれば、そこからの電気信号を使って、温度を数値的
に真正に計算しなくても蒸気濃度を計算することができ
る、ということは分かるであろう。

【００４０】乾湿球温度計法の理論は、当分野で周知で
ある。例えば、ＭｃＣａｂｅａｎｄＳｍｉｔｈ，
ＵｎｉｔＯｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｆＣｈｅｍｉｃ
ａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌ
ｌ，Ｃｈ．２４，３ｒｄｅｄ，（１９５６）及びＲｏ
ｂｅｒｔＰｅｒｒｙ（ｅｄ．），Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｃｈａｐｔｅ
ｒｓｏｎ ”Ｐｓｙｃｈｒｏｍｅｔｒｙ” ａｎｄ
”Ｓｏｌｉｄｓｄｒｙｉｎｇｆｕｎｄａｍｅｎｔ
ａｌｓ，” ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（１９６３）のよ
うな文献には、加湿操作、乾湿計図、及び湿球温度対乾
球温度の理論が記述されている。簡単には、本願発明の
参照温度センサーによって測定されるような、ＭｃＣａ
ｂｅ又はＰｅｒｒｙの乾球温度に対応する、乾式変換温
度は、蒸気含量が測定されることになるガスの温度を表
す。ＭｃＣａｂｅ又はＰｅｒｒｙの湿球温度に対応す
る、湿式変換温度は、連続したガス流における断熱状態
下で少量の液体によって到達された定常状態の、非平衡
温度である。本願発明においては、液体が、過度の速度
で湿式変換温度センサーを通って移動しない限り、その
状態は、機能状態にある蒸気センサーにとって断熱状態
に近似する。

【００４１】二重変換温度センサーがガス流中に置かれ
ると、最初に、湿式変換温度センサーの温度は、ガスの
それにほぼ等しくなるか、又は参照温度センサーがする
であろうより余計に、それに近づこうとするであろう。
もしそのガスが問題の液体の蒸気で飽和されていない場
合、液体は、湿式変換温度センサーを囲んでいる液体か
ら蒸発するであろう。その状態は断熱故、蒸発の潜熱
は、湿式変換温度センサーと周囲空気から供給される。
湿式変換温度センサーの温度がガスのそれ以下に降下す
ると、検知し得る熱がガスから湿式変換温度センサーと
微細孔開口にある液体に伝達される。結局、定常状態に
達し、その点で、ガスによって湿式変換温度センサーと
液体に供給される熱は、湿式変換温度センサー近辺の液
体の蒸発による熱損失と等しくなる。この点で、湿式変
換温度センサーは、ある温度、湿式変換温度に落ち着
く。蒸気濃度の測定に比較的良く適合する状態で起こる
定常状態では、湿式変換温度センサー上を通るガスの速
度は、放射熱伝達がガスと液体間の伝導及び対流熱伝達
と較べて小さくなるように、適度に高速であることと、
水が蒸発できる表面積は一定に留まることが好ましい。

【００４２】これより、乾湿温度計法のエネルギー伝達
を説明しよう。例証となる実施例として水の蒸発を用
い、そして用語”湿度”を使っているが、熟練した当業
者に明らかなように、その数学的手続きは、その他の液
体類にも等しく適用できる、ということに注意。熱伝達
は、次式で表すことができる。ｑ＝ＭＮ｛Ｌｗ＋Ｃ（ｔ−ｔｗ）｝Ｅｑ．（１）ここで、ｑは、液体に伝達される検知し得る熱の率であ
り、Ｍは、液体から蒸発される蒸気の分子量であり、Ｎ
は、蒸気伝達のモル率であり、Ｌｗは、液体の蒸発の潜
熱であり、Ｃは、蒸気の熱容量であり、ｔは、ガスの温
度であり、そしてｔｗは、湿式変換器温度である。項”
Ｃ（ｔ−ｔｗ）”の値は、通常、Ｅｑ．（１）のＬｗと
較べて非常に小さい故、湿度と湿式及び乾式変換器温度
との間の関係は、次式で示すことができる。（Ｈ−Ｈｗ）Ｌｗ＝ −Ｋ（ｔ−ｔｗ）Ｅｑ．（２）ここで、Ｈは、問題の湿度であり、Ｈｗは、湿式変換器
温度ｔｗでの飽和湿度であり、Ｌｗは、温度ｔｗでの液
体の蒸発の潜熱であり、そしてＫは、乾燥ガスの分子
量、熱伝達係数、及び液体とガス間の質量伝達係数に依
存する定数である。

【００４３】Ｅｑ．（２）のパラメータに基づく種々の
条件に関するデータは、熟練した当業者による日常の実
験で得ることができる。幾つかの一般的な液体と蒸気の
混合物に関する前述のデータは、文献で利用できる。例
えば、グラフの形の乾湿度計データは、上記のＰｅｒｒ
ｙの論文で、空気ー水混合物、空気−ベンゼン、空気ー
トルエン、空気−四塩化炭素について利用できる。その
ようなデータに基づき、参照温度と湿式変換器温度を得
た後、そのデータを検索して湿度（即ち、ガス中の蒸気
の濃度）を決定することができる。ガス流の温度が分か
れば、相対湿度（％）と絶対湿度（蒸気の質量／ガスの
単位質量）を相互に変換することができる。

【００４４】さらに、Ｅｑ．（２）は、コンピュータ、
例えば、電子式ディジタルコンピュータ、マイクロプロ
セッサ、等々においてプログラム化して、参照温度（即
ち、乾式変換器温度）と湿式変換器温度に基づく湿度
（即ち、蒸気濃度）を表示するようにしてよい。ガス中
の水以外の蒸気の濃度を決めるためには、その液体と蒸
気、並びに二重変換温度センサーがその中で使われるこ
とになるガスに適合できるように、液体と接触し得る材
料、例えば、バイメタル熱電対材料、熱絶縁体、等を選
択しなければならない。さらに、温度、蒸気濃度の計
算、装置の制御、又は温度センサーからの電気信号から
蒸気濃度への直接変換、等についてのアルゴリズムを、
コンピュータ、チップ類、（フロッピーディスク類、ハ
ードディスク類、コンパクトディスク類、テープ類のよ
うな）記憶装置類、等に長期又は短期記憶用として格納
することができる。

【００４５】本願発明のセンサーは、ガーゼの代わりに
温度変換器に極めて接近した微細孔が使われることを除
けば、在来の乾湿球湿度センサーとほぼ同様に、大気中
の水湿度を測定する通常の湿度センサーとして使用され
る実施態様に適合させることができる。例えばガス流中
の有機蒸気の、濃度を測定するのに、その他の実施例を
応用してもよい。これらの場合、使われる有機材料はど
れも、例えば、熱絶縁体は、ガス及び蒸気と相容するよ
う、且つ熱及び質量の伝達は（この場合、非水性蒸気濃
度に関する温度を測定する）蒸気センサーが適切に機能
するのに十分であるように、選択される。特定の温度、
例えば、約２５℃の室温で水より速く蒸発する液体類に
対しては、装置に十分な微細孔を設けて、装置を質量−
伝達−制限（ｍａｓｓ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｌｉｍｉ
ｔ）しないよう十分な速度で液体を伝達するようにしな
ければならない。

【００４６】前述の蒸気センサーは、広範囲の用途に使
用することができる。例えば、天気予報、化学工場のガ
ス監視、患者呼気中のガス測定、並びに乾燥工程を監視
するための蒸気検出用としての、慣習的湿度測定にそれ
らを用いることが可能である。

【００４７】本願発明の好ましい実施例を詳細に記述且
つ図解してきたが、熟練した当業者は、本開示に基づい
て、発明の範囲内で諸修正をなし得るものと理解すべき
である。

【００４８】以下、発明の実施例を要約列挙する。

【００４９】＜１＞ガス流Ａにおける液体蒸気検出用
のセンサー１００において、蒸発端１６０を有し且つ蒸
発端１６０で蒸発させるための液体の供給源１５６から
液体を導く内穴を有するミクロ細孔１５４と、ミクロ細
孔１５４において液体と接触していて、ミクロ細孔１５
４を取り囲み且つ内穴壁の部分を形成する感熱部分１４
６，１４８を有する湿り温度センサー１４４と、を含ん
で成り、液体で濡れた湿り温度センサー１４４が、ガス
流Ａに置かれる時に、液体の蒸発に起因する熱損失によ
り前記温度センサー１４４で検出される温度がガス流Ａ
の非蒸発温度より低くなり、その温度降下を測定してガ
ス流Ａにおける蒸気の濃度を決定するようにしたセンサ
ー１００。

【００５０】＜２＞複数のミクロ細孔１５８Ｂが互い
に隣接していて、湿り温度センサーへの熱伝達を高める
べく共通の液体容器１５６によって液体供給されるよう
にした、前記＜１＞に記載のセンサー１００。

【００５１】＜３＞感熱部分１４６，１４８は、２面
から成る層の形をしていて、ミクロ細孔１５８Ｂが１面
から他面へその感熱部分１４６，４８を貫通する、前記
＜１＞に記載のセンサー１００。

【００５２】＜４＞層状の感熱部分１４６，１４８
が、その感熱部分１４６，１４８を容器１５６から熱絶
縁するところの熱絶縁層１３７で支えられ、ミクロ細孔
１５８Ｂがその熱絶縁層１３７を貫通して液体容器１５
６と液体連絡するようにした、前記＜３＞に記載のセン
サー１００。

【００５３】＜５＞感熱部分１４６，１４８が、熱電
対接合及びサーミスターの類である、前記＜４＞に記載
のセンサー１００。

【００５４】＜６＞液体容器１５６を限定する基板１
３８と、感熱部分１４６，１４８及び熱絶縁層１３７の
間を遮る熱絶縁層１３７とを包含し、且つさらに、付加
された複数のミクロ細孔１５８Ｂが液体容器１５６まで
感熱部分１４６，１４８を貫通して、湿り温度センサー
の所で定常状態温度を達成するべく蒸発を増進させるよ
うにした、前記＜４＞に記載のセンサー１００。

【００５５】＜７＞複数の温度センサー１４４，１４
４Ａと、各組が別々の温度センサーで検出され且つ別々
の液体の容器１５６，１５６Ａと液体連絡状態にある複
数組のミクロ細孔１５４，１５４Ａとを包含し、各組に
おける液体蒸発の温度を測定して前記液体の各々の蒸気
濃度を検出できるようにした、前記＜４＞に記載のセン
サー１００。

【００５６】＜８＞ミクロ細孔の各組が、同一液体の
供給を受ける複数のミクロ細孔１５８Ｂからなる、前記
＜７＞に記載のセンサー１００。

【００５７】＜９＞ガス含有ギャップ１４０が、熱絶
縁層１３７と感熱部分１４６，１４８の少なくとも一部
分との間に介在し、固体を通って感熱部分１４６，１４
８への伝導性熱伝導を減らすようにした、前記＜７＞に
記載のセンサー１００。

【００５８】＜１０＞ガス流Ａの非蒸発温度を検出す
るための参照温度センサー１３０を包含し、その参照温
度センサー１３０が、第３の材料１３２の層と第４の材
料１３４の層との表面接合を含んでいて、その表面接合
の電気的特性がガス流Ａの非蒸発温度の変化に応じて変
化する感熱部分を有する、前記＜６＞に記載のセンサー
１００。

【００５９】

【発明の効果】本願発明のセンサーは、ガス流における
液体蒸気検出用のセンサーにおいて、蒸発端を有し且つ
前記蒸発端で蒸発させるための液体の供給源から液体を
導く内穴を有するミクロ細孔と、前記ミクロ細孔におい
て液体と接触していて、前記ミクロ細孔を取り囲み且つ
内穴壁の部分を形成する感熱部分を有する湿り温度セン
サーと、を含んで成り、液体で濡れた前記湿り温度セン
サーが、前記ガス流Ａに置かれる時に、液体の蒸発に起
因する熱損失により前記温度センサーで検出される温度
が前記ガス流の非蒸発温度より低くなり、その温度降下
を測定して前記ガス流における蒸気の濃度を決定するよ
うにしたことを特徴とするセンサーである。したがっ
て、本発明によれば、構成するのが比較的簡単で、且つ
頑丈であって特に蒸気濃度センサーに向くところのセン
サーを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明による蒸気濃度センサーの一実施例を
示す。

【図２】図１の蒸気センサーとして用いることができる
二重変換温度センサーの平面図を示す。

【図３】図２に示した二重変換温度センサーの断面図を
示す。

【図４】図２に示した二重変換温度センサーの湿式変換
温度センサーの一部分の断面図を示す。

【図５】本願発明による複数微細孔を有する湿式変換温
度センサーの一部分の平面図を示す。

【図６】図５に示した湿式変換温度センサーの一部分の
断面図を示す。

【図７】図５及び図６のそれと類似の複数微細孔を有
し、図５及び図６に垂直の方位を有する湿式変換温度セ
ンサーの一部分の断面図を示す。

【図８】本願発明による複数微細孔を有する湿式変換温
度センサーの別の実施例の一部分の平面図を示す。

【図９】図８の湿式変換温度センサーの一部分の断面図
を示す。

【図１０】二重変換温度センサーの変換器間に導体のブ
リッジを有する、別態様の温度センサーの平面図を示
す。

【図１１】図１０に示した二重変換温度センサーの断面
図を示す。

【図１２】固体サポートの温度を検知するための温度セ
ンサーを含む、本願発明による装置の一部分の平面図を
示す。

【図１３】図１２に示した装置の一部分の断面図を示
す。

【図１４】種々の液体の蒸発表面の温度を検知するため
の多重温度センサーを含む、本願発明による装置の一部
分の平面図を示す。

【図１５】図１４に示した装置の一部分の断面図を示
す。

【図１６】温度検知素子を熱的に絶縁するための空気ギ
ャップを有する湿式温度センサーを含む、本願発明によ
る装置の一部分の平面図を示す。

【図１７】図１６に示した装置の一部分の断面図を示
す。

【図１８】温度センサーをガスの流れと電気回路に接続
するためのコネクタを含む、本願発明による装置の一部
分の平面図を示す。

【図１９】図１８に示した装置の一部分の断面図を示
す。

【図２０】図１８及び図１９に示された装置の、それと
直角の方向に向けられた装置部分の断面図を示す。

【図２１】本願発明による管状熱電対接合部の断面図を
示す。

【図２２】図２１に示した管状熱電対接合部の一部分の
断面図を示す。

【符号の説明】

１００液体蒸気検出用のセンサー１３２材料１３４材料１３７熱絶縁層１３８熱絶縁層１４０ガス含有ギャップ１４４温度センサー１４４Ａ温度センサー１４６感熱部分１４８感熱部分１５４ミクロ細孔１５４Ａミクロ細孔１５６供給源１５８ミクロ細孔１５８Ｂミクロ細孔１６０蒸発端Ａガス流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミカエル・グリーンステインアメリカ合衆国カルフォルニア州，ロス・アルトス，コンヴングトン・ロード 860 (72)発明者ポール・ラムアメリカ合衆国カルフォルニア州，ロス・アルトス，テンプルバー・ウェイ 690 (72)発明者ヒューレット・イー・メルトン・ジュニアアメリカ合衆国カルフォルニア州，サニーベイル，ロイヤル・アン・ドライヴ 1138

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス流Ａにおける液体蒸気検出用のセン
サーにおいて、蒸発端１６０を有し且つ蒸発端１６０で蒸発させるため
の液体の供給源１５６から液体を導く内穴を有するミク
ロ細孔１５４と、ミクロ細孔１５４において液体と接触していて、ミクロ
細孔１５４を取り囲み且つ内穴壁の部分を形成する感熱
部分１４６，１４８を有する湿り温度センサー１４４
と、を含んで成り、液体で濡れた湿り温度センサー１４４が、ガス流Ａに置
かれる時に、液体の蒸発に起因する熱損失により前記温
度センサー１４４で検出される温度がガス流Ａの非蒸発
温度より低くなり、その温度降下を測定してガス流Ａに
おける蒸気の濃度を決定するようにしたことを特徴とす
るセンサー。