JPS61112956A - 残り寿命表示器を具備した酸素感知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発　　明　　の　　背　　県 本発明は、宇宙船内における使用およびその他の用途に
適した酸素感知器に関するものである。

更に詳しく言えば本発明は、スペースシャトル内で使用
されるような酸素感知器の総合寿命の残留部分を測定す
る技術に関する。

第１図に示されるような酸素感知器は、７５丁で１気圧
の空気に暴露された場合に約８０００時間の総合スＦ砧
を右することが認められている。総合寿命の中に【ま、
有効な動作寿命ばかりでなく、試験、保存ａ３よびその
他の伸出による酸素への暴露時間も含まれる。第１図に
示されるＪ：うな感知器について翳１粋された総合寿命
は約９２００時間である。かかる感知器に関する米国航
空宇宙局（ＮＡＳＡ）の基本規格によれば、６２３６時
間のイｊ効動作寿命が規定されている。

なお、１９８４年８月１７日出願の米国特許出願第６４
１６５０号明細山中には、酸素感知器の寿命を延ばすた
めの手段Ｊ３よび方法が記載されている。

実際の飛行に先立って感知器の実質的な試験および動作
が必要とされるため、かかる感知器の総合寿命のかなり
の部分が実験室内での試験、各種の較＋［、おｊ、び予
定された打−１−げ時間面における宇宙船内での空気暴
露のために消費されてしまう。

実際の打−１−げが遅れると、それらの所要時間は更に
延長され、ぞのために感知器の総合寿命の更に多くの部
分が消費されてしまうこともある。要するに、感知器の
総合寿命のかなりの部分はこのようにして消費されてし
まうと言える。実際、上記およびその他の理由による感
知器出力の低下のため、スペースシャトルの飛行に先立
って早１１１１の感知器交換が必要となる場合が何度か
起こっている。

ＮＡＳＡは、一段と艮い動作寿命を有する宇宙用途のた
めの酸素感知器およびかかる感知器の残りの動作寿命を
知る技術に大きな関心を持っているのである。

現行の酸素感知器には、残り寿命を表示する手段が具備
されていむい。酸素感知器の寿命は、部分的には温度お
よび酸素分圧に依存する。それはまた、実験室内での試
験や打上げ前の酸素暴露によっても影響を受ける。その
ため、残りの動作寿命を正しく推定することは不可能で
ある。

残りの動作寿命を正しく推定することが不可能である結
果、時には宇宙船打上げの間際になって感知器の交換が
必要となったり、また時には飛行中に感知器の早期故障
が起こったりすることがあった。

発明の簡単な記述 本発明の目的の１つは、宇宙用途おＪ：びその伯の用途
のための酸素感知器の設計を改善してそれらの残り寿命
を測定し得るようにすることにある。

また、装置の点検によって残り寿命を測定し得るような
酸素感知器を提供することも本発明の目的の１つである
。

更にまた、残り寿命が容易に測定可能であるような宇宙
用途のための酸素感知器を提供することも本発明の目的
の１つである。

更にまた、残り寿命表示器を内蔵するように設計された
酸素感知器を提供することも本発明の目的の１つである
。

本発明のその他の目的および利点に関しては、一部は以
下の説明を読めば自ら明らかとなろうし、また一部は以
下の説明中において指摘されるであろう。

本発明の目的は、−態様に従λば、残り寿命表示器を有
するポータブル酸素感知器によって達成′？ｌ−ること
ができる。かかるポータブル酸素感知器は、拡散ＩＩ！
ｉｌ壁を通して浸透する酸素を還元し１ｑる感知電極、
感知器の寿命を決定する多孔質の銅の対電極、並びに直
列に接続されて両電極間に電気接続を形成する１帽の導
線と抵抗回路網と電量計回路網を含んでいる。また、感
知電極と対電極との間には、アルカリ水溶液によって電
解液導電路が形成されている。更にまた、電量計回路網
中には電量計が適宜に組込まれており、それによって対
ｌｉｄの残り寿命が視覚的に表示される。

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読む
ことによって一層口く理解されよう。

発明の詳細な説明 第１図は従来の酸素感知器であって、本質的に見ればこ
れは銅−空気電池である。かかる感知器は好ましくは重
合体材料から成る外部ケーシング１０を含んでいて、そ
の下端には絶縁ブッシング１２が配置され、またその上
端には外部からねじ込まれたプラスチック挿入体１４が
配置されている。これらのブッシング１２と挿入体１４
との間に感知器セルの必須構成要素がイｌｌ　ｆＦｔし
ている。詳しく述べれば、ブラダ−（ｂｌａｒｌｄｅｒ
　）　１５の上部と挿入体１４との間には不透過性のワ
ッシャ１３が配置されでいる。これにより、ブラダ−１
５の内方へ伸びる最上部分は膜２０の外側部分に接しτ
保１！ｆされると共に、雰囲気に暴露されるへき鋭２０
の区域が規定されることになる。ネオプレンまたはぞの
他適宜のゴム（たとえばエチレンプロピレンゴム）から
成る伸縮性のブラダ−１５は、感知器セルの必須構成要
素を側面から包囲し、そしてこれらの構成要素とケーシ
ング１０との間に位置している。ケーシング１０の下方
部分においてはブラダ−１５がケーシングの壁から隔離
していて横方向に膨張することができ、またケーシング
１０とブラダ−１５との間の空間１８内および外部の雰
囲気中におけるガス圧を平衡させる手段どして通気孔１
（）が設【ノられている。感知器セルの必須（１４成要
索の上部には重合体膜２０が位置している。かかる重合
体膜はそれの外面に接触する＝７− 酸素の分Ｈに比例した速度で酸素を通過さ電！る性質を
有している。その結果、感知器の外部に接触した酸素は
膜２０を通過１）、そして感知電極２２に到達すること
になる。

感知電極２２は多孔質の金属から成っており、またそれ
は金めつぎされている。感知電極２２−Ｌの金は、酸素
の電気化学的還元に対する触媒としての機能を有してい
る。金めつきの程度は酸素の効果的な還元を可能にする
のに十分なもので２７ければならないが、かかる効果的
な還元を達成するために役立つ金めつきの程痕は当業者
にとって自明であろう。多孔質の感知電極２２は水酸化
カリウム電解液に接触し、そして感知電極の細孔は水酸
化カリウム電解液で含浸されている。かかる水酸化カリ
ウム電解液は感知器セルの内室に収容されており、その
内室にはまた多孔質の銅の対電極２４が配置されている
。銅の対電極２４は、それ自体も多孔質であり得る絶縁
リング２８によって感知電極２２から隔離されている。

次に第２図を参照しながら説明すれば、感知器Ｉｔ　１
２２と銅の対電極１２４との間には適当な回路部分が接
続されている。なお、第２図中に示されｌこ構成要素に
は、第１図中の対応する構成要素の参照番号に１００を
加えた参照番号が付けられＣいる。かかる回路部品の中
には、接続用導線１Ｊ１（）および１３２、並びに渇痕
変化を補償ｔＪ−るためのり−ミスタ１４８を含んだ抵
抗回路網１７Ｉ４が含まれている。第２図中における点
線で囲まれＩこ抵抗回路網１４４は、導線１３０および
１３２の間に選ばれた電圧を発生し、電圧πｔｉ４ｏに
並列に接続されている。かかる抵抗回路網は、サーミス
タ１４８と直列の可変抵抗１４６、およびサーミスタ１
４８と並列の可変抵抗１５０から成っている。

上記の回路部品の中にはまた、感知電極１２２と多孔質
の銅の対電極１２４との間に流れる電流によって抵抗回
路網１４４の両端間に発生する電圧の読みを得るための
電圧計１／１ｏ−ｔ３含まれている。かかる電圧１１１
４０は、第１図の重合体膜２０の外面に接触している酸
素の分圧を指示するために役立つ。

重合体膜２０を通って酸素が拡散し、そして水酸化カリ
ウム電解液の含浸された感知電極２２に接触すると、外
部の導線および回路部品を通して多孔質の銅の対電極２
４から導かれた電子によって酸素は電気化学的に還元さ
れ、それと同時に銅の対電極２４は電気化学的に酸化さ
れる。一定の温度下では、これらの反応の速度、従って
それに付随して流れる電流は監視すべき環境中における
酸素分圧に比例する。かかる電流は、感知電極２２（ま
たは１２２）と多孔質の銅の対電極２／Ｉ（または１２
４）とを接続する第２図の抵抗回路網１４４０両端間に
電圧を発生させる。かかる電圧は、抵抗回路網の両端に
接続された電圧ｈ１によって測定される。第１図の導線
３０は導線３１を介して感知電極２２に接続され、また
電極３２は多孔質の銅の対電極２４に接続されている。

残り寿命表示器として役立つ制御１回路網１５４を追加
しようとする上記のような従来の酸素感知器の構造の細
部について、以下に若干の事項を述べることとする。酸
素透過性の膜は、フッ素化エチレンプロピレン小合体（
ＦＥＰ）とテトラフルオロＴヂレン重合体（ＰＴＦＥ）
との複合体である。かかる膜は、適当な酸素透過性を有
するその他の重合体（たとえばポリスルホン）から成っ
ていて１）よい。その他の代用可能な膜については、米
［１特許第３６１６４１１号明細書を参照されたい。

水酸化カリウム電解液は２５（重量）％のＫＯＩＩＦＰ
Ｉ液である。酸素透過性の膜は厚さが通例的０゜０２５
Ｉｌｌｌｌｌである。感知ＮｗＡは、直径３．３ｃｍか
つ厚さ０．１４ｃｍの円板である。対電極は、７．６牙
の重量を有しかつ中心部に孔を設けた銅製の円筒体であ
る。円筒体の外径は１．８１、内径は０゜８　ＣＩＩ、
かつ長さは１．２Ｃ１ｌである。感知電極と対電極との
間隔は１１程度であるが、これは特に重要でない。

かかる感知器が空気または酸素に暴露されると、酸素ガ
スは膜を通って浸透し、そして感知電極において還元さ
れる。それと同時に、銅の対電極は酸化されて酸化銅に
なる。その結果として生じた電流は外部の抵抗回路網を
通って流れて電圧を発生し、その電圧は電圧計によって
読取られる。

通例、７５″Ｆの温度下では、（第２図の回路中の電ｌ
訂回路網を考禰に入れなければ）上記の抵抗回路網１４
４は１１０オームの抵抗を有している。感知器が約１気
圧の空気に暴露されると、約４００マイクロアンペア（
μＡ）の電流が生じ、そして抵抗回路網の両端には４４
ミリボルト（ａ＋Ｖ）の出力電圧が発生する。かかる電
圧は、抵抗回路網の両端に接続された電圧計に指示され
、酸素分圧を直読し得るように較正された目盛板によっ
て読取られる。第１図の膜の暴露面、第２図の抵抗回路
網の抵抗値、および感知器が暴露される一定温度の空気
中の酸素濃度のいずれもが上記のごとき従来の装置にお
いて規定された通りに維持されるものとすれば、かかる
従来の感知器の寿命は約８８００時間である。

上記のごとき従来の酸素感知器は長年にわたって使用さ
れてきた。すなわち、上記のごとき酸素感知器は８１以
」−の期間にわたってＮＡＳＡに納入されてきたのであ
る。

１９８４年８月１７日出願の米国特許出願第６４１６５
１号明細書中に記載されている通り、かかる従来の装置
の感度低下を防止するため、感知電極２２の暴露面およ
びそれに付随するｌ！Ｉ２０の面積が顕箸に縮小された
。それに伴って、可変抵抗１４６および１５０並びにサ
ーミスタ１４８の抵抗値も変更された。このようにする
と、新しい装置では電流が減少するものの、元の装置と
同じ電圧出力が得られた。意外にも、膜２０および感知
電極２２の面積を大幅に縮小したにもかかわらず感度は
維持されることが判明したのである。このような発見お
よびそれに基づ〈発明は、上記の米国特許出願明細書中
に開示されている。

従来の酸素感知器は、約１年という比較的短い総合寿命
を有していた。ところが、１９８４年８月１７日出願の
米国特許出願用６／Ｉ　１６５０号の発明に従えば、か
かる酸素感知器の総合寿命は大幅に延長された。すなわ
ち、かかる米国特許出願明細書中に開示された発明によ
れば、１年を越える総合寿命、実際には２年以上から１
０年または２０年にも及ぶ総合寿命を持った酸素感知温
厚可能となったのである。

従来の酸素感知器を使用する字型飛行士またはその他の
使用者は、現行の感知器の最大有効寿命が約１年である
ことを知っていた。宇宙船内に設置されたいかなる感知
器も１年以内に交換しなＬＪればならなかった。すなわ
ち、従来の慣例に従えば、これらの感知器の設置日を配
録し、イして１年以下の点検または使用期間後にイれら
を交換することが必要だったのである。しかるに、上記
の米国特許出願の発明によってかかる感知器の総合寿命
が大幅に伸びた！こめ、事態は名しくゆ化しＩご。

米国特許出願第６４１６５（１月明細０１中の記載に従
って製造された感知器は、１イ［未満から５年、１０年
、１５年あるいはそれ以トにまで及ぶ残り寿命を有する
場合があり得る。このように残り寿命が大幅に異なるた
め、かかる感知器の使用に際しては大きな混乱の生じる
ことがある。

従って、総合寿命の消費部分および残留部分を測定する
だめの何らかの手段が装備されれば、２〜３年間の短１
す１用途にお番ジる上記のごとき感知器の使用にとって
大きな助けとなるはずである。

このたび、本発明者はかかる手段を開発した。

それは、上記の装置中に電量計回路網を組込むことにＪ
、って達成される。

総合寿命の残留部分を測定するための本発明手段を説明
するため、再び第２図を参照しながら話を進めることに
Ｊる。

り・１電極１２４と抵抗回路網１７Ｉ４との間の導線１
３２中に接続し得る電量計回路網１５４は、感知器の過
去の使用Ｗ歴および総合寿命のうちで既にｉｌ’ｌ費さ
れた部分を酩視し、ぞれとの関連において感知器の残り
寿命または予想耐用年数を表示するために役〜γつ。か
かる電量計回路網は、温度補償されＩＣ抵抗回路網およ
びぞれと並列に接続された％ｊＭｉｌ　１５　ｆ３から
成っている。電量計回路網１５１はまた、感知電極１２
２と抵抗回路網１４４との間の導線１３０中に直列に接
続することもできる。

電量計１５６１．１通常の電量計であって、Ｎｍ　ｉｔ
自体の抵抗の１０〜１００分の１程度の好適な抵抗値を
有する温度補償された抵抗回路網と並列に接続されてい
る。このような構成によれば、全電流の既知部分を電量
計中に通過させることができる。電−計回路網１５４中
の抵抗回路網は抵抗回路網１４４と同様なものであって
、線路１３２中に直列に接続された２個の可変抵抗１５
８および１６０を含んでいる。また、かかる抵抗回路網
の一部として、サーミスタ１６２が可変抵抗１６０と並
列に接続されている。

電量計回路網中の劃１１おＪ、び残りの構成すＶ素は、
対電極１２４の酸化された稈１０を視覚的に表示し、ま
た逆に対電極１２４の）１゛酸化分の割合を視覚的に表
示するように調節される。

本発明の回路中には化学型１１ｉｉ１を使用することが
好ましい。第２図に示されたような回路と組合わせて使
用するためには、毛管内において水銀、銀、銅などが水
性イオン溶液を含む小さな間隙を通して対電極へ移行す
るような原理に基づく電量８１が石川である。消費され
たか命は、金属が一方から使方の側へ移行するのに伴い
毛管の全長に沿って間隙が移動することによって表示さ
れる。

電量計回路網１５４中に温度補償された抵抗回路網が含
まれる理由は、電量計の抵抗の温度係数を考虐Ｊること
により、電量計の直線表示の変化率おＪ、び変化ｍが常
に全電流に比例しかつ対電極１２４の酸化速度および酸
化量に対応するようにりることにある。対電極１２４の
酸化速度、従って第１図に関連して記載されたような酸
素感知器の総合寿命は、１９８４年８月１７日出願の米
国１Ｓ１晶ｌ］出願第６４１６５０号明ｌＩＩ書中に一
層詳しく説明されている通り、周囲雰囲気に暴露される
感知器４′Ｅｉ１２２の区域の大きさに依存する。それ
故’ｍ　Ｉ　ｆｆ１回路網１５／ｌ申の抵抗およびサー
ミスタの抵抗値は感知電極１２２の大きさに応じて変え
るわ・」である。また、かかる電量計回路網を回路中に
導入した場合には、電圧計１４４に対する所望の電圧出
力を維持するために抵抗回路網１４４中の抵抗および１
ノーミスタの抵抗値を変更することも必要となる。本発
明に基づくような構造物は様々な形態を取りｌりる。か
かる形態の一例が第１図に示されている。第１図は酸素
感知器用ケーシング１０の細部を示している。第１図中
に示された゛　　　ような感知器は、好ましくは第３お
よび４図に示されるような外被１６０の内部に収容され
る。外被１６０は、内側の円筒形本体部分１６２を含ん
でいる。外被１６０は概して円筒形を成しており、そし
て第１図の概して円（１状の＋１４造物を収容Ｊ−るこ
とが可能にイｒっている。第１図の感知器を第３および
４図の外被の内部に装るりるためには、第１図の１Ｍ構
造物ケーシング１０を外被１６０の円筒形拡大端部１６
４内に樽入りればよい。外被１６０の内側の本体部分１
６２どＡ側の円筒形拡大端部１６４とは、テーパ部分１
６（ｉにＪ：って連結されている。拡大端部１６４に１
．Ｌ１雰囲気中の酸素分圧を測定する場合にかかる構造
物をパネルまたはその他の支持構造物に取付ｌ〕ること
を容易にする手段（たとえば、複数の陥凹部１６８）を
設番フることができる。外被１６０の反対側の端部１７
／ＩにＳよ、回路ハウジング１１を外被１６０の内部に
保持するために固定用ナツト１７０を使用することがで
きる。イの場合、ナツト１７０と外被１６０の端部１７
４との間には座金またはスペー（Ｊ−１７２が配置され
る。また、たとえば導線１３０′　および１３２′を保
持するための手段のごときイの他の補助構造物１７６が
設けられ、導線は第２図中に１４０として示された（し
かし第３おＪ、び４図中には示されていない）酸素分圧
指示器；Ｌで伸びる。かかる指示器は、観測を容易にす
る！こめ、宇宙船のｈｌ器パネル内に設置される。

軸１１−された電量計１５６は、第３図に示されるごど
く、外被１６０に取付【ノることができる。

［１盛板１８４と比較するためにのぞきガラス１８２を
見ることができるようにするため、劃■１１５６ののぞ
ぎガラス１８２は外被１６０の外側に取ｆ・Ｈ）られて
いる。なお、のぞぎガラス１８２は第２図中に１５６と
して示された電量計の一部である。

＝１９− 使用する電ωｈ口ま、のぞきガラスのごとき表示手段を
具備した通常の銀電聞計または水銀電量計であればよい
。

次に第４図を見ると、部分的に点線で示されている通り
、第２図中に示された同じ参照番号の導線に対応する２
本の導線１５５および１５７が電量計１５６から伸びて
いる。かかる導線１５５および１５７は、外被１６０の
内部に収容されＩこ酸素感知器の回路ハウジング１１内
に含；トれる回路部品と電吊泪１５６との間を市１Ａ１
８続りる。

第４図の酸素感知器はまた、導Ｉ’ｄ　１３　ｒ）お、
Ｊ、び１３２によっＣ回路ハウジング１１どｔｆｉｋ的
に接続されている。更にまた、補助Ｍ’ｌｂ物１７６か
ら伸びる導線１３０′および１３２′が、外被１６０の
内部の感知器を第２図中に１４０として示されたような
電圧計に接続することができる。

実際の使用に当っては、宇宙船内のパネルまたはその他
の構造物に設けられた取付台から外被１６０を取外し、
そして電量計１５６を観測すればよい。装置の総合寿命
の消費部分および残留部分に関ザる測定を行うためには
、それだけで事足りるのである。

回路ハウジング１１内の可変抵抗の調節は、４個の調節
ねじを回すことによって達成することがでさる。外被１
６０の外側からの調節を可能にする／、：め、かかる調
節ねじの一個の頭部１７８が外被１６０の外部にまで伸
びているところが示されている。

通常の１１ｔ　ｆｌ　ｉｔはほぼ比例的に動作Ｊるから
、宇宙船用酸素感知器の外被１６０の外側に取付けられ
１．Ｔ？ｌｆ吊泪１５６の観測によって有効寿命の約１
／２がＷｉ費され！こことがわかる場合には、装置の総
合ズＩ命の１／２が残っていると結論して差支えない。

また、外側に取ト１けられた電は４に近接した外被１６
０の表面上に酸素感知器の予想総合寿命を年数で目盛っ
ておけば、酸素感知器を点検Ｊ−る技術者は予想寿命年
数の一定部分が既に消費されかつ予想寿命年数の一定部
分がまだ残っていることを知ることができるわけである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術に基づく酸素感知器の軸方向断面図、
第２図は本発明に関連して使用されるような感知および
表示回路の略図、第３図は本発明に基づく感知および表
示機構の外被の側面図、そして第４図は第３図の感知お
よび表示機構の部分断面側面図である。 図中、１２２は感知器（へ、１２　／Ｉ　１．Ｌ多孔質
の銅の対電極、１３０おＪ：び−１：１２は導線、１　
／Ｉ　Ｏｌ、１電ｌｉｔ、１４４　Ｌ、ｔｌｌｔ抗Ｆ１
ｒ８ｍ、１　／ｌ　６３−３　、に　Ｕ　１　ｈＯは可
変抵抗、１／Ｉ８はリーミスタ、１５４１．を電量計回
路網、１５６は電閉泪、１５８および１６０は可変抵抗
、そして１６２はＩ７−−ミスタを表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気中の酸素を監視するためのポータブル酸素感知
   器において、（ａ）拡散障壁を通して浸透する酸素を還
   元し得る感知電極、（ｂ）多孔質の銅の対電極、（ｃ）
   前記両電極間に電解液導電路を形成するアルカリ水溶液
   、（ｄ）前記両電極間に直列の電気接続回路を形成する
   １組の導線と少なくとも１個の抵抗／サーミスタ回路網
   、（ｅ）前記直列の電気接続回路の一部分に並列に接続
   された、前記酸素感知器の残り寿命を表示するための電
   量計、並びに（ｆ）前記直列の電気接続回路の別の部分
   に並列に接続された、監視すべき空気中の酸素分圧を指
   示するための電圧計を有することを特徴とする、残り寿
   命の表示が可能である酸素感知器。 ２、前記アルカリ水溶液が水酸化カリウムの溶液である
   特許請求の範囲第１項記載の酸素感知器。 ３、前記対電極が多孔質の銅から成る特許請求の範囲第
   １項記載の酸素感知器。 ４、前記電量計が水銀電量計である特許請求の範囲第１
   項記載の酸素感知器。 ５、前記直列の電気接続回路のうちで前記電量計と並列
   に接続された部分を調節することにより、前記電量計の
   読みを前記酸素感知器の寿命に合致させることができる
   特許請求の範囲第１項記載の酸素感知器。 ６、前記直列の電気接続回路のうちで前記電圧計と並列
   に接続された部分を調節することにより、前記電圧計の
   読みを前記酸素分圧に合致させることができる特許請求
   の範囲第１項記載の酸素感知器。 ７、前記直列の電気接続回路のうちで前記電量計と並列
   に接続された部分が、前記電量計の正確な動作を保証す
   るために前記部分の温度補償を可能にするサーミスタを
   含む特許請求の範囲第１項記載の酸素感知器。 ８、前記直列の電気接続回路のうちで前記電圧計と並列
   に接続された部分が、前記電圧計の正確な動作を保証す
   るために前記部分の温度補償を可能にするサーミスタを
   含む特許請求の範囲第１項記載の酸素感知器。 ９、前記直列の電気接続回路のうちで前記電量計と並列
   に接続された第１の部分が、前記電量計の正確な動作を
   保証するために前記第１の部分の温度補償を可能にする
   第１のサーミスタを含み、かつ前記直列の電気接続回路
   のうちで前記電圧計と並列に接続された第２の部分が、
   前記電圧計の正確な動作を保証するために前記第２の部
   分の温度補償を可能にする第２のサーミスタを含む特許
   請求の範囲第１項記載の酸素感知器。