JPS6238344A - 不純物センサ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、流体中の不純物を捕集するセンサに関し、特
に不純物計に好適なものである。

〔発明の背景〕

従来の不純物計のセンサは、特開昭５３−１４４７９８
号に記載のように、水素検出装置に於て、被測定流体側
高圧部と測定側低圧部を隔てて水素透過性金属膜を設け
、更に該金属膜の前記低気部側に。

多孔質支持体を隣接して設けるようになっていた。

しかし、水素の拡散表面積、透過膜をより薄くする方法
あるいは、水素以外のナトリウム中の不純物たとえば酸
素や炭素などを同時に検出することなどの点については
、必ずしも充分配慮されてぃ　　゛るとは言えない、ま
た、装置の検出感度は、透過膜を拡散する気体の量に比
例する。

−Ｄ Ｑ”　　　　（Ｐ　Ｎａ　　Ｐ　ｖ）　　　　　　−−
（１）Ｑ：透過膜を拡散するガス量 Ｓ：透過表面積 Ｄ：拡散係数 ｄ：透過膜の厚さ ＰＮａ：ナトリウム側のガスの分圧 Ｐｖ：低圧部のガスの分圧 従って、検出計としては、拡散表面積および拡散係数の
大きいものおよび透過膜の厚さが薄いもの程、検出計の
感度を向上させることができる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、検出感度を向上できる不純物センサを
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、多孔質体の表面に金属粒子をコーテングして
不純物センサを構成した点に特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図は、液体金属たとえば液体ナトリウム中の不純物
（水素、炭素、酸素など）を検出するためのセンサの断
面を示したものである。このセンサは、多孔質状の物質
である多孔質体１を介して外側の高圧側である液体ナト
リウム２と内側の低真空側３とに仕切られている。多孔
質状の物質の外側の表面には、微粒子４がコーディング
されている。今、ナトリウム中の不純物として水素の例
をとりあげてセンサの機能を説明する。微粒子としては
、水素を実過しやすいニッケルなどが考えられる。ナト
リウム中に溶解する水素は、圧力差（分圧差）によって
低圧側３に向かって、微粒子４のコーティング層および
多孔質１を通過する。

このときの水素の拡散量Ｑは、（１）式で示したように
、透過表面に比例し、透過膜の厚さに逆比例する。微粒
子をコーティングしたことによる透過表面積の増加は、
半球を平面に敷きつけた場合、平坦な面に比べて約１．
６倍増加する。実際には、微粒子は積層になってコーテ
ィングされているので、表面はさらに起伏が大きくなり
１表面積も１．６倍よりも大きなものになっている。ま
た、コーティング層に塗布する粒子は、できるだけ微細
なものが好ましい。例えば、１μｍ以下の超微粒子など
がよい。超微粒子は、触媒作用などの効果があるためナ
トリウム中の水素が微粒子の金属内に拡散するときの活
性化エネルギーを低下させることが期待できるので、透
過量をそれぞれ増加させることができる。コーテイング
量の厚さは、できるだけ薄い方が水素の透過量を増加す
ることができるので薄い方が好ましい。通常は、気体の
み透過し、液体のナトリウムは透過しないように。

コーティング層にナトリウム側から多孔質に至る貫通孔
が存在しないものであればよい。コーティング層の厚さ
は、粒子の大きさにも依存するが、数１０μｍの厚さが
あれば充分である。また、多孔質の厚さは、数Ｉ程度の
厚さがあれば、ナトリウム側の高圧側と低圧側との間に
数気圧の圧力差に対して、コーティング層の変形を防止
できる。

第１図に示す構造では、ナトリウム中の水素は。

粒子をコーティングした層を拡散して、低圧層に透過す
る。このとき多孔質層の拡散抵抗は、気体に対しては、
殆ど無視でき、検出計の透過抵抗としては、粒子のコー
ティング層だけである。今このコーティング層は、従来
に較べて表面積が。

１．６倍以上あり、厚さも１７５〜１／１０に薄くでき
るため、検出感度も８〜１６倍も向上することが可能で
ある。

コーティング層の形成の仕方としては、微粒子をペース
トに溶解させ、これを多孔質の表面に塗布して、焼結さ
せるだけでよい。焼結温度としては、検出計を使用する
温度以上で処理すればよい。

たとえば、通常水素計としての検出計は５００℃で使用
されるので、この場合には、焼結温度は少なくとも５０
０℃であればよい。

コーティング層の粒子は、これまで述べてきたようにニ
ッケルばかりに限ったものではない。測定しようとする
ナトリウム中の不純物に対応して選定してやればよい。

例えば、水素の場合には、ニッケル以外にバナジウムな
ども考えられる。炭素の場合は、純鉄などが考えられる
。酸素に対してはイツトリウムをドープしたＺｒ０ｚな
どのセラミックスが考えられる。

また、多孔質体１の材質としては、外圧に耐える構造部
材であればよく１通常は５ＵＳ３０４あるいはＳＵＳ　
３１６の焼結体が考えられる。これ以外にセラミックス
なども挙げられる。焼結体のポーラス（公称のろ過精度
）は、数μｍ前後のものであればとくに拡散抵抗として
影響しない。

第２図を用いて第１図の変形例を説明する。第２図は、
多孔質体４の先端をディスク５状にしたものである。こ
のディスクは、多孔質体でもよいが、全くの多孔質性を
持たない金属板（多孔質体と同一の金屑であれば溶接性
などの点で有利）であればよい。第１図のようにコーン
状であると、曲率をもった部分のコーティングの作業性
が必ずしもよいとはいえないが、第２図に示す構造の場
合は、ディスク５はとくに透過領域としなくてもよいの
で、必ずしも粒子をコーティングする必要がないため、
検出計の製作に当たって加工のための工数を低減できる
。すなわち、多緯質体を軸方向に回転させるのみで、円
筒の外表面に、均一なコーティング層を作りやいことに
なる。

第３図に応用例を示す。第３図に示す検出計は、一つの
多孔質体１の表面に異なった種類６，７゜８の粒子をコ
ーティングしたものである。コーティング粒子６，７．
８は、ナトリウム中の測定しようとする不純物に最適な
透過性能を有するものである。たとえば、水素に対して
はニッケル、炭素に対して純鉄、酸素に対してはＺｒ０
ｚなどが一例として挙げられる。

このように、一つの多孔質体１に種類の異なった粒子６
，７．８をコーティングすることによって、ナトリウム
中から同時に異なった不純物（水素、炭素、酸素など）
をガスとして抽出が可能である。これを分析計で識別す
ることによって、一つの検出計で多元素を同時に計測す
ることができる。その−例をあとで述べる。

また、上述のようにコーティングする領域を必ずしも３
領域に分ける必要がなく、１種類のものでも、あるいは
３種類以上のものを領域ごとコーティングしてもよい。

第４図に、粒子のコーティング方法の応用例を示す。多
孔質体１の表面に粒子４をコーティングする。この粒子
のコーティング層は、多孔質層の表面に近い方に粒子径
の大きいものを１表面から次第に遠ざかるにつれて１粒
子径が小さくなるようにコーティングしたものである。

粒子をコーティングする多孔質体１は１表面は通常ろ過
精度よりも小さな粒子をコーティングした場合には１粒
子が空孔をふさいでしまい、気体の透過抵抗を増大させ
てしまう可能性がある。そこで、第４図に示したように
、ろ過精度よりも大きな粒子をまずはじめに多孔質の表
面にコーティングして、次第に粒子径の小さなものを積
層状にしていくことによって、多孔質の目づまりを防止
でき、しかも粒子をコーティングしたことによる透過表
面積の増大および微粒子としての触媒的効果を発揮でき
る検出計が提供できる。

第５図に粒子をコーティングした検出計を用いたナトリ
ウム中不純物計の一実施例を示す。

ナトリウムの入口１０および出口１１をもつナトリウム
容器１２内に粒子をコーティングした多孔質体１の不純
物センサ１３が挿入されている。

センサ１３の一端は閉じられ、他端はパイプ１４に接続
され、配管１５．弁１６を介して質量分析計１７に接続
している。質量分析計１７は、その信号を記録計２０に
出力するように接続されている。センサ１３の外側はナ
トリウム２１と接し、内側は弁１８を介してポンプ１９
で真空に排気されている。多孔質体１には、第３図に示
したように３種類の異なった粒子がコーティングされて
いる場合を例にとって、第５図の機能を説明する。

つまり、透過気体として水素、酸素、および炭素を考え
てみる。

ナトリウム中の水素、酸素および炭素は、検出計の真空
側に向かって拡散し、真空側に移行する。

これら透過した水素、酸素および炭素の気体はそれら単
体で存在しにくいので、例えばＨｔ＊ＧＯ。

Ｃｏｘ　、ＨｚＯあるいは０２等の化学形態をとる。

これらの気体は、真空ポンプで排気するが、一部は質量
分析計に導入される。この質量分析計に４電極型質量分
析計を用いた場合には、４重極の電圧をスキャンニング
することによって、各気体は。

質量数／ｆ２を荷によって分離され、出力としてイオン
電流がとり出される。これらのイオン電流値を用いて単
位時間当りの透過した水素、酸素および炭素量を算出す
ることができる。これらの透過量からナトリウム中の水
素、水素および炭素濃度を推定するためには、予め、用
いる検出計をナトリウム中に既知の不純物量を添加する
か、あるいはナトリウムの代りに気体として不純物（水
素、酸素、炭素など）濃度が既知のものを用いて質量分
析計の出力との関係、すなわち検量線をもとめておけば
、質量分析計の出力から、任意のナトリウム中不純物濃
度を決定することができる。

気体の成分の分析は、必ずしも、質量分析計のみに限定
されるものではなく、ガスクロマトグラフによる方法も
考えられる。分析量が少ない場合には、キャリアガスを
流して、これによ妻で運ばれる水素や炭素などの微量濃
度を一定時間捕集して、所定の分析下限濃度になったと
ころで、これを放出させてガスクロマトグラフで分析す
るという手段も定えられる。

多孔質体の表面にコーティングする物質は、必ずしもこ
れまで述べてきたニッケル、鉄、ＺｒＯ２といったもの
に限ったものではない。これは、現在ナトリウム中の不
純物のなかで、酸素や炭素あるいは水素が構造材料の腐
食や浸炭、脱炭に及ぼす主要因であったり、ナトリウム
・水反応事故の拡大を防止するために早期に検出する重
要な元素であるからである。この外にもプラント運転上
種種のナトリウム中の不純物濃度がサンプリングによっ
て測定されている。例えば、窒素、塩素があるにれらの
不純物の計測に対して、ナトリウム中での共存性がよく
、しかも窒素や塩素に対して透過性のよい粒子を多孔質
体の表面のコーティングできれば、これらの元素もオン
ラインで計測できることになる。もし、これらが実現で
きれば、これまでの湿式による化学分析による工程を大
巾に削減できることになり、プラント運転や保守にとっ
て経済的効果が大きく、しかも、それらの元素が要因と
なる事故などがあるとすれば１種々の対策がたてやすく
なる。

多孔質体の表面に粒子をコーティングした不純物センサ
を用いるために、 （１）透過表面積を１．６倍以上広く、しかも（２）透
過膜厚を従来の１１５〜１／１０と薄くできるので、検
出計の検出感度を８〜１６倍以上高めることが可能とな
る。さらに、コーティングする粒子を微細なものにする
ことによって、その触媒的作用の効果を発揮させ検出計
としての透過性能を向上させることができる。

また、コーティングする粒子を測定しようとする不純物
に適した物質を用いることによって、−個の検出計で多
種類の不純物を同時に検出できるので、各々個々に不純
物計を設置する必要がなくなり、装置の経済性、測定値
の信頼性を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、透過表面積と透過膜を薄
くできるので、検出感度を高めることができる不純物セ
ンサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による不純物センサの断面図
、第２図は本発明の他の実施例による不純物センサの断
面図、第３図は本発明のさらに他の実施例による不純物
センサの断面図、第４図は本発明による不純物センサの
多孔質体に対するコーテイング材の付着状態を示す概念
図、第５図は本発明による不純物センサを利用した不純
物計の全体系統図である。 １・・・多孔質体、２・・・液体ナトリウム、４，６，
７゜８・・・コーティング粒子。　　　　　　　　　　
　　・−・、代理人　弁理士　小川勝男：ヘ− 化１図　　　来２図　　　　荊３図 高皐図 １υ　　　２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多孔質体の表面に金属粒子をコーテングして成る不
   純物センサ。 ２、特許請求範囲第１項に於て、多孔質体の表面の円周
   方向又は軸方向に分割して、種類の異なつた金属粒子を
   コーティングしたことを特徴とした不純物センサ。 ３、特許請求範囲第１図に於て、多孔質体の表面にコー
   ティングする金属粒子を、多孔質体の表面に近い程粒径
   を大きくし、表面から遠ざかるにつれて、順次粒径を小
   さくしたことを特徴とした不純物センサ。