JPS588467B2 - ガスキヤリヤの熱微粒子検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明に関連する技術分野 この発明はガスキャリャの熱微粒子検出装置、特に大形
の発電機の状態監視装置に使われるガスキャリャの熱微
粒子検出装置に関するものである。

従来技術 最近に、米国特許第３，４ ２ ７．８ ５ ０号、第
３，５ ７ ３，４ ６ ０号にすべてあるような発電
機状態の監視装置として一般に知られている装置は発電
機冷却ガス中の熱微粒子の存在によって過熱した電気絶
縁物のような発電機内の過熱を検出するに使われている
。

熱微粒子は絶縁の熱劣化生成物として発電機に形成され
る。

これらの熱微子は１×１０−９ｍと１００×１０−９ｍ
の間の大きさの半径を有する。

監視装置において、常時に流れている冷却ガスの試料の
分子はガスイオン化室のα線源と平衡した状態にイオン
化される。

そこで、これらのイオン化．ガス検出器の二つの荷電し
た電極の間を通るとき完全に電着される。

この電着電流は次に増幅され、常時、監視される電流検
出装置にあたえられる。

所定の試料内に捕捉された熱微粒子が在ると、イオンの
若干は熱微粒子に付着して自由イオンの数が減少される
。

この荷電した熱微粒子は冷却ガスイオンに比べてはるか
に低い移動度をもっている。

それ故、ごくわずかの数の熱微粒子が電着されても全電
着電流の減少がおこる。

この減少は過熱によって起こされる熱微粒子が在ること
の表示信号として使われる。

上述のような、また現在使われているような発電機状態
監視装置の欠点は、放射源の汚染のみならず、ガス圧と
ガス純度と電流検出装置を通るガス流の変化も電着電流
の減少をおこし、そのため過熱状態の誤表示をするとい
うことである。

発明の開示 この発明によれば、ガスキャリャの熱微粒子を検出する
装置は、ガスキャリャのイオン化を行う装置を含むガス
イオン化室と、第１電極．第２電極、外側の容器、第１
、第２電極の間にあたえられる電源から成る第１検出器
と、この第１検出器と直列または並列に配置されて、第
３電極、第４電極、外側の容器、電３、第４電極の間に
あたえられる電源から成る第２検出器と、荷電した熱微
粒子が分解したイオン化ガスの流れをイオン化室から第
１検出器へ導く第１の導管と、前記第１検出器から第２
検出器へイオン化ガスを送り、または並列に接続された
第１検出器と第２検出器とを経たイオン化ガスを排出す
る第２の導管とを備え、前記第１検出器にあたえられる
電圧は前記ガスキャリャの自由イオンの相当な大きさの
電着を確実に行わせるような電位のものであり、また第
２検出器にあたえられる電圧はガスキャリャ内に分散し
た荷電した熱微粒子の電着を確実に行わせるような電位
のものであり、更に第１検出器、第２検出器のそれぞれ
の電極間の電流を検出する電流検出装置およびこれらの
検出装置の電流を比較する装置をも備えている。

作用効果 １ このガスキャリャはそれがイオン化されるイオン化室へ
うまく取出されて導入される。

イオン化室の下流にかなり小さい半径のイオンを集める
第１検出器が設置される。

かなり大きい半径のイオンを集めるためバイアス電圧を
あたえられた第２検出器もガスイオン化室の下流に設置
される。

第１検出器からのイオン電流を第２検出器からのイオン
電流と比べることによって冷却ガス中に熱微粒子が在る
ことを検出することができる。

前記二つの検出器を互いに直列に置いて第１の検出器は
小半径のイオン用にバイアス電圧をあたえられ、第２検
出器は大半径のイオン用にバイアス電圧をあたえられて
、熱微粒子の検出には第２検出器のイオン電流だけが監
視されればよい。

通列二つの検出器が直列か並列に設置Ｊｇならば、一方
の検出器は２×１０ ｍ以下の半径のイオンを集める
ようにバイアス電圧をあたえられ、また、他方の検出器
は８５×１０−９ｍ以下の半径のイオンを集めるように
バイアス電圧をあたえられる。

それ故、この発明の装置は、発電機冷却ガス中の熱微粒
子を、ガス圧、監視装置を通る流量、および放射源の作
用にほとんど無関係であるような仕方で検出し、しかも
維持費を最小にすることができる。

実施例 １ 第１図は固定子１２と回転子１４を備えたガス冷却型の
発電機１０を示している。

これらの固定子と回転子は、たとえば水素のような冷却
ガスで満たされた気密のケーシング１６でおおわれてい
る。

ファン１８の吸入側は回転子や固定子などの発電機部品
を通るように冷却ガスを吸込み、そのガスはファン１８
の吐出側によって熱交換２０の中へ出され、そこで冷却
されて固定子と回転子とを通ってファン１８の吸込側に
再循環される。

ケーシング１６の外側にガスキャリャの一部分を循環さ
せる導管装置が入口導管２２と出口導管２４として設け
られる。

発電機１０から抽出されるガスは入口導管２２を通って
ガスイオン化室３２とコレクタ装置１３２に入れられ、
その後、出口導管２４を通って発電機１０に戻される。

冷却ガスが入口導管２２からガスイオン化室３２を通っ
てコレクク装置１３２へ入るとき、ガスイオン化室３２
はこの冷却ガスをイオン化する。

コレクク装置１３２は第２図のように直列に、または第
３図のように並列に接続された第１、第２の検出器３４
と１３４から成る。

電圧Ｖ１の電源４０がコレクタ装置１３２の中の第１検
出器３４だけの容器の中にある第１電極３５に接続され
ている。

電圧■，は電源１４０の電圧■２より小さく、冷却ガス
のイオンだけがコレクタ室３４に電着するように選定さ
れている。

電圧■２は第２検出器１３４の容器の中にある第３電極
１３５に接続されている。

電圧■２は電圧Ｖ１よりはるかに大きくて、冷却ガスイ
オンが電着するのみでなく、これより重いイオンも電着
するように選定されている。

この重いイオンが在る原因は冷却ガスのイオンに熱微粒
子が付着するためである。

コレクク装置１３２が第２図に示す配置から成ると、多
くの冷却ガスイオンは熱微粒子がない間には第１検出器
３４に電着し、Ｉ２（第２検出器）１３４のイオン化電
流はほとんど零である。

熱微粒子が在ると、Ｉ１（第１検出器３４のイオン化電
流）は減少して■２が増加する。

それ故、記録器のような監視装置によってＩ２を増幅し
、監視することによって発電機内の過熱を検出し、警報
を発して修正動作をすることができる。

実施例 ２ コレクタ装置１３２が第３図で示す配置から成ると、大
体ひとしい量の冷却ガスイオンが第１検出器３４と第２
検出器１３４に電着し、■１は常時には■２にひとしく
なる。

熱微粒子が在ると、■、は減少して■２が増加する。

それ故、■１と１２の差を検出して、記録器のような監
視装置でこの差を監視することによって発電機内の過熱
を検出して警報を発し、修正動作をすることができる。

第１図はイオン化電流■１と１２に応動する検出用の増
幅器４４、記録器４８、警報装置５０の全体の配置を示
し、これらは後述する第１、第２の電流検出装置と検出
された電流の比較装置とを含む。

第１図のガスイオン化室３２、コレクタ装置１３２のも
つと詳細を示す第２図については、ガスは孔２３を通っ
てガスイオン化室３２へ流入し、ガスイオン化室３２の
内面に分布した放射性物質の層２８によって低度の放射
を受ける。

適当な低度の放射被覆はトリウム２３２を含み、これは
ガスイオン化室３２を通過するガス分子から正および負
のイオン対の形成をおこすα線源である。

第１検出器３４の動作を考えると、ガスは孔３６を通っ
て容器の中へ入り第１電極３５、第２電極２６の間を通
過しガス出口３７に至ることがわかる。

電圧■１の直流電源４０によってコレクタ負荷４２を通
って第１電極３５に正電圧が印加され、第２電極２６に
負電圧が印加される。

第１電極３５は絶縁物３９によって第１検出器３４から
絶縁されている。

負に荷電したイオンは第１電極３５に集められ、この作
用は負に荷電した第２電極２６からの反発によって強め
られる。

コレクタ負荷４２へ流入する電流は増幅器４４で増幅さ
れ、記録器４８に記録される。

同様に、イオン化ガスは孔１３６を通って容器の中へ入
り、第３電極１３５、第４電極１２６の間を通過し、ガ
ス出口１３７に至る。

このガスは出口１３７を通って出口導管２４へ入る。

直流電源１４０によって第２検出器１３４の第３電極１
３５に正電圧が印加され、第４電極１２６に負電圧が印
加される。

直流電源１４０は以下にのべるように直流電源４０より
高い電圧のものである。

第３電極１３５は絶縁物１３９によって第２検出器１３
４と絶縁されている。

コレクタ負荷１４２へ流入する第３電極１３５からの電
流は増幅器１４４で増幅され、記録器１４８に記録され
る。

１５０は警報器である。作用効果 ２ 今のべたガスイオン化室の動作原理は現在、発電機状態
監視装置に使われているものといずれも同じである。

従来のものと、この発明によるものとの相違は、各電極
に異なるバイアスをあたえた二つの検出器を使うことで
ある。

この発明の利点は、たとえば水素のような冷却ガスイオ
ンの移動度と、荷電した熱微粒子の移動度とを比較した
差から得られるものである。

水素イオンの移動度は１気圧における水素で１３．６ｃ
ｍ’／ボルト・秒、または５気圧では２．７２ｃｍ’／
ボルト・秒である。

所定の電界によって電着する荷電粒子の移動度があたえ
られると、その荷電粒子の半径は次式で得られる。

ここに、■＝移動度ｍ２／ボルト・秒 μ＝水素ガスの粘度＝０．８８×１０−５ニュートン秒
／ｍ’ ａ”粒子半径＝１０−７ないし１０−９７７ｉｋλ＝平
均自由行程＝ ３．４ × １ ０−８ｍ、ｅ−電子の
荷電＝１．６×１０ ”クーロン、そして、これらは
すべて５気圧の水素における値である。

コレクタ室に使われる電極は、たとえばそれぞれ０．６
３ｃｍと１．２３ｃｍの直径と、全長が７．３ｍ、６．
４ｃｍ’の電極間体積をもつ同軸型の円筒である。

監視装置をとおる普通の流量は１００ｃｍ’／秒であり
、電着空間の水素の滞留時間は０．０６４秒である。

電極間隔は０．３ｃｍであるから４、７ｃｍ／秒程度の
イオン速度がイオンの完全な電着を生ずるに必要である
。

電圧差１０ボルト、電極間隔０．３ｃｍのとき、電極電
位は３３．３ボルト／ｃｍになり、４．７ｍ秒の速度に
対しｏ． ｌ ４ １ｃｍ’／ボルト・秒なる移動度を
有するイオン、すなわち、上記の式から約１．４ｎｍ（
ｌｎｍはｌ０’ｍ）の半径のイオンが捕集されると予測
される。

ほとんどの極微粒子はこれより大きい半径をもち、その
結果、このような状況ではもつとひくい移動度で電着さ
れるが、水素イオンは第２電極２６と第１電極３５との
間に在る電界によって量的に取去られる程度に小さいも
のである。

これにたいして、第３電極１３５への５００ボルトとい
う印加電圧、すなわち１６６７ボルト／ｃｍなる電界は
２．８ ２ × １ ０ ”ｃｍ’ボルト・秒なる低
い移動度で荷電した熱極微粒子のイオンを電着させる。

前記数式によって、このことは、生ずることが予測され
る熱微粒子の普通の範囲に十分入る約１２．６ｎｍなる
半径の荷電した熱微粒子に相当する。

第１図と第２図に示したこの発明では、第１検出器３４
と第２検出器１３４とは従来のガスイオン化室３２と組
合わせて直列に使われる。

電源４０の相当低い電圧であるが、すべての水素イオン
を電着させるのに十分な電圧（たとえば１０ボルト）が
第１の従来のイオンコレクタの電極に印加される。

電源１４０からの相当高い電圧（たとえば５００ボルト
）は第３電極１３５に印加されるが、この電圧はフラツ
シオーバがおこるにはかなり低いのでそのおそれはない
。

５気圧の水素のフラツシオーバは２９．２ＫＶより大き
い電圧であることを要する。

第２検出器１３４は第１検出器３４と同じ寸法のもので
よく、この場合には５００ボルトの電圧が適当であるが
、もつと大形の電極でつくられてもよく、その場合には
同じ作用させるにもつと低い電圧を使ってもよい。

熱微粒子がないときには、ガスイオンキャリャのすべて
が第１検出器３４に付着するので、第２検出器１３４に
は電着電流は全くおこらない。

ガス圧の変化監視装置を流れる流量の、また放射線源の
作用の変化があってもこのことは決して変わらない。

しかし熱微粒子が在ると、１２．６ｎｍ以下の半径の荷
電した熱微粒子は第２検出器１３４（電源１４０から５
００ボルトを受けている）にガスキャリャから電着され
て電着電流を生じ、この電流は増幅され記録され、また
は警報を発することに使われる。

コレクタ室の寸法、バイアス電圧、およびガスキャリャ
の流量を変えることによって前記情報の分野の専門家は
、ガス冷却型発電機に遭遇するような熱微粒子のいかな
る大きさのものも検出する装置を設計することができ、
且つ唯一の禁止事項はフラツシオーバをなくすことであ
ることはいうまでもない。

前述の原理、すなわち二つの検出器を使い、その一方は
ガスイオンを電着させるようにバイアス電圧をあたえら
れ、他方は荷電した熱微粒子を電着させるようにバイア
ス電圧をあたえられる原理を使用して、別の実施例とし
てイオン化した冷却ガスに並列にこれらの二つの検出器
を配置してもよい。

第３図はこの並列配置を示している。監視装置の同じ代
表的流量１００ｃｍ’／秒をこれらの検出器にあたえる
と、各検出器を通る流量は５０ｃｍ’／秒になる。

電着空間の水素の滞留時間０． １ ２ ８秒である。

この空間が０．３ｃｍのとき、完全な電着を生ずるには
２． ３ ５ ｃｍ／秒程度のイオン速度が必要である
。

第２電極２６にたいして１０ボルトの電圧差、すなわち
３３．３ボルト／秒で２． ３ ５ ｃｍ／秒なる速度
に対してＯ−０７ｃｍ’／ボルト・秒なる移動度を持っ
たイオンすなわち２ｎｍの半径のイオンが捕えられる。

大部分の熱微粒子はもつと大きい半径をもち、その結果
、このような状況ではもつと低い移動度で電着されるが
、水素イオンは電界によってその量がなくされる程度に
小さいものである。

これにたいし、第４電極１２６にたいして第３電極１３
５に５００ボルトを印加し、すなわち１６６７ボルト／
ｃｍなる電界では荷電した熱微粒子は１．４ ｔ ×
１ ０−”ｃｍ’／ボルト・秒程度に低い移動度をもっ
た荷電微粒子のイオンを電着させる。

従って、このことは約１ ９ ｎｍの半径の荷電した熱
微粒子に相当し、微粒子の普通の範囲にも十分入るもの
である。

第３図について、二つの同じ第１、第２検出器３４と１
３４は従来のガスイオン化室３２と組合わせて使われ、
このガスイオン化室３２から流れるイオン化したガスキ
ャリャは第１検出器３４と第２検出器１３４とに分けら
れる。

電源４０からの相当低いけれどもあらゆるガスキャリャ
のイオンを電着させるほど高い電圧、たとえば大形の発
電機工業に実際行われているようなガスキャリャが水素
であるとき１０ボルトの電圧が第１検出器３４の一つの
電極に印加される。

電源１４０からのもつと高い電圧が第２検出器１３４に
印加されるが、フラツシオーバを生ずるほどの電圧では
ない。

ガスイオンの移動度が高いため、二つの検出器の何れか
にすべてのガスイオンが電着する。

二つの検出器を通る冷却ガスの流量は同じであるから、
熱微粒子がないとき、印加電圧の差に関係なく、第１検
出器３４と第２検出器１３４とに電着するガスイオンか
ら生ずる電流は大体等量である，これらの二つの電流の
差が差動増幅器４６で検出され、増幅器４４で増幅され
、記録器４８で記録されるが、熱微粒子がないときはＯ
であり、ガス圧の変化コレクタ装置１３２の流量の変化
、放射線源の作用の変化があっても変らない。

熱微粒子が在るときには、第１検出器３４の電流は相当
減少する。

この理由は自由イオンが熱微粒子と結合し、その結合し
た粒子は大きい半径と、低い移動度とを有するからであ
る。

しかし第２検出器１３４は電極の電圧が大きいため、も
つとも軽量の微粒子（５００ボルトの電圧で１９ｎｍの
半径まで）を電着させることができ、第２検出器の電着
電流は第１検出器からの電流よりも減少が小さい。

これらの二つの電流の差は増幅器４４で増幅さわへ記録
器４８で記録される。

増幅器４４の出力は警報器５０またはその他の適当な表
示器を働かすのに使われる。

この発明の装置は、現在使われている発電機の状態監視
装置とはちがって、冷却ガスの中に熱微粒子が在るとき
だけに働かされる。

それ故、この発明の主旨は、一方の検出器はガスキャリ
ャのイオンの存在のみを計測するようにバイアス電圧を
あたえられ、他方の検出器は荷電した熱微粒子を含むあ
らゆるイオンの存在を計測するようにバイアス電圧をあ
たえられて、これらの場合に得られる電着電流の差をも
とにしているということである。

【図面の簡単な説明】

第１図は一部分を断面で示し、ガスイオン化室と検出器
との接続の仕方を説明したガス冷却型発電機の略図、第
２図はガスイオン化室と、二つの直列に接続された検出
器との略図、第３図はガスイオン化室に二つの並列の検
出器が接続された実施例の略図である。 なお、これらの図面において同一符号はそれぞれ相当部
分を示している。 図面において、 ３２・・・・・・ガスイオン化室、３４・・・・・・第
１検出器、１３４・・・・・・第２検出器、４２，４４
．４８，（第２図）・・・・・・第１電流検出装置、１
４２，１４４，１ ４８，１ ５０（第２図）・・・・
・・第２電流検出装置、４４，４８（第１図）および４
２，１４２，４４，４６，４８．５０（第３図）・・・
・・・比較装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスキャリャのイオン化を行う装置を有するガスイ
   オン化室、第１電極と、第２電極と、外側の容器と、前
   記第１と第２の電極の間にあたえられ、前記ガスキャリ
   ャのイオン化ガス電着を確実に行うような電位をもった
   電源とから成る第１検出器、この第１検出器に直列また
   は並列に接続され、第３電極と、第４電極と、外側の容
   器と、前記第３、第４電極の間にあたえられ、荷電した
   熱微粒子の電着を確実に行うたうな電位をもった電源と
   から成る第２検出器、前記第１、第２電極の間の電流を
   検出する第１電流検出装置、前記第３，第４電極の間の
   電流を検出する第２電流検出装置、および前記第１電流
   検出装置および第２電流検出装置によって検出される両
   電流の値を比較する装置を備えたガスキャリャの熱微粒
   子検出装置。 ２ ガスイオン化室はガスキャリャのイオン化を行う放
   射線源を含み、第２検出器の電圧は荷電した熱微粒子の
   電着を確実に行うような大きさを持つようになされた特
   許請求の範囲１記載のガスキャリャの熱微粒子検出装置
   。