(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の電極用セラミック部材と、該電極用セラミック部材に嵌挿された中心電極とを、前記電極用セラミック部材の基端側の第１端面と、前記中心電極の外周から張り出す突出部の第２端面とにて、接合材により接合する液面センサに用いられる電極用セラミック部材において、
前記第１端面の内周側の角部に沿って、前記第１端面側から見て、幅１ｍｍ以上の前記接合材を溜める切り欠きを設けたことを特徴とする電極用セラミック部材。
【請求項２】
前記電極用セラミック部材の第１端面及び前記切り欠きの表面に、メタライズ加工を施したことを特徴とする前記請求項１に記載の電極用セラミック部材。
【請求項３】
前記切り欠きは、１又は複数の、Ｃ面取り又はＲ面取り、或いは前記Ｃ面取り及びＲ面取りの組み合わせによる切り欠きであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の電極用セラミック部材。
【請求項４】
前記切り欠きを、前記第１端面から４５〜７５度の角度で設けたことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の電極用セラミック部材。
【請求項５】
前記切り欠きは、１又は複数の段差であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の電極用セラミック部材。
【請求項６】
前記切り欠きは、前記角部における内に凸又は外に凸の形状であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の電極用セラミック部材。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれかに記載の電極用セラミック部材を、前記中心電極の外周に備えたことを特徴とする液面センサ。
【請求項８】
前記電極用セラミック部材の第１端面と前記中心電極の第２端面との間と、前記切り欠きとに、前記接合材を備えたことを特徴とする前記請求項７に記載の液面センサ。
【請求項９】
前記液面センサは、ボイラの液面レベルの検出用であることを特徴とする前記請求項７又は８に記載の液面センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばボイラにおいて、その水位制御を行うときに用いられる電極用セラミック部材及び液面センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばボイラ内に収容された液体（水）の高さ（液面レベル）を検出するために、いわゆる液面センサが使用されている。
この液面センサは、長尺の棒状であり、その軸中心には、先端が液面に接すると電流が流れる中心電極（電極棒）が配置されている。また、中心電極は、中心電極の外周を絶縁するために、筒状のセラミック部材に嵌挿されている（特許文献１参照）。
【０００３】
そして、この種の液面センサでは、図６に示す様に、中心電極１０１の外周の基端側、即ちボイラの外部に位置する部分にて、外側に環状に張り出すように鍔部１０３が設けられており、この鍔部１０３のセラミック部材１０７と対面する端面１０５とセラミック部材１０７の基端側の端面１０９とが、はんだ付け或いはろう付けにより接合されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４８０９７号公報  （第２頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、ボイラ内部は、高圧（１ＭＰａ以上）、高温（１５０〜２５０℃）、高アルカリ（ｐＨ＝１１以上）であり、特に高圧ボイラ内部にあっては、更に高圧（２〜２．５ＭＰａ）、高温（２００〜２５０℃）の過酷な環境であるため、中心電極１０１とセラミック部材１０７との接合部１１１から、蒸気が漏れることがあった。
【０００６】
この蒸気が漏れると、ボイラ内の圧力が低下するとともに、ボイラの外側の周囲に高アルカリの水が付着するという問題があった。
本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、中心電極とセラミック部材との接合部との間の気密性が高い電極用セラミックス部材及び液面センサを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、筒状の電極用セラミック部材（例えば水位電極用セラミック部材）と、該電極用セラミック部材に嵌挿された中心電極とを、前記電極用セラミック部材の基端側の第１端面と、前記中心電極の外周から張り出す突出部（例えば鍔部）の第２端面（即ち第１端面と対向する端面）とにて、接合材により接合する液面センサに用いられる電極用セラミック部材において、前記第１端面の内周側の角部に沿って、前記第１端面側から見て、幅１ｍｍ以上の前記接合材を溜める切り欠きを設けたことを特徴とする電極用セラミック部材を要旨とする。
【０００８】
本発明では、電極用セラミック部材の基端側（液面に接する先端側と反対側）の第１端面の内周に沿って、幅１ｍｍ以上の切り欠き（はんだやろう材等の接合材溜まり）が設けてある。つまり、第１端面の内周端である環状の角部に沿って、角部を切り欠いて、環状に接合材溜まりとなる切り欠きを設けてある。
【０００９】
これにより、接合材が切り欠き部分に溜まり、電極用セラミック部材と中心電極との間のうち内部の方まで入り込むため、例えば高圧ボイラに配置された液面センサの先端側（例えば高圧ボイラ等の容器内）から、電極用セラミック部材の基端側の第１端面と中心電極の突出部の第２端面との接合部分を介して、液面センサの外部に至る経路（リーク経路）のうち、前記接合部分の長さが長くなるので、その接合部分を介して蒸気が外部に漏出することを防止できる。
【００１０】
つまり、電極用セラミック部材に上述した切り欠きを設けることにより、接合部分における（センサ内部から外部への）経路を長くできるので、蒸気の漏出を効果的に防止できる。
（２）請求項２の発明は、前記電極用セラミック部材の第１端面及び前記切り欠きの表面に、メタライズ加工を施したことを特徴とする前記請求項１に記載の電極用セラミック部材を要旨とする。
【００１１】
本発明は、第１端面や切り欠きの表面における処理を示したものである。つまり、電極用セラミック部材の表面である第１端面や切り欠きの表面にメタライズ処理（更にはメッキ処理）を施すことにより、はんだやろう材等の接合材が強固に接合することができる。また、これにより、蒸気の漏出も効果的に防止できる。
【００１２】
（３）請求項３の発明は、前記切り欠きは、１又は複数の、Ｃ面取り又はＲ面取り、或いは前記Ｃ面取り及びＲ面取りの組み合わせによる切り欠きであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の電極用セラミック部材を要旨とする。
本発明は、切り欠きの形状を例示したものである。
【００１３】
つまり、電極用セラミック部材の第１端面の内周に沿って、１つのＣ面取り（１つの傾斜角のもの）、又は１つのＲ面取り（１つの半径Ｒのもの）により、切り欠きを形成することができる。
また、複数のＣ面取り（途中で傾斜角が折れ曲がったもの）、又は複数のＲ面取り（途中で半径Ｒが変化したもの）により、切り欠きを形成することもできる。
【００１４】
更には、１又は複数のＣ面取りと１又は複数のＲ面取りとを組み合わせて、切り欠きを形成することもできる。
（４）請求項４の発明は、前記切り欠きを、前記第１端面から４５〜７５度の角度で設けたことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の電極用セラミック部材を要旨とする。
【００１５】
本発明は、切り欠きの形状を例示したものである。
ここで、前記第１端面からの角度（傾斜角θ）とは、図５（ａ）に例示する様に、電極用セラミック部材をその中心軸に沿った平面で破断した場合（即ち軸方向断面）において、第１端面から内側に傾斜した角度であり、この角度が４５度以上の場合には、加工性が容易であるので好ましい。また、７５度以下の場合には、接合材が安定的に溜まり易く、上述した接合部分の経路を十分に長く設定できるので、蒸気の漏出を効果的に防止できるため好ましい。
【００１６】
尚、切り欠きの軸方向断面が曲線になっている場合には、この曲線の平均の傾き（曲線の左右両端を結ぶ線の傾き）が、前記角度の範囲であればよい。また、切り欠きの軸方向断面が、複数の直線や曲線が連なっているように複合化している場合にも、その複合化した線の平均の傾き（線の左右両端を結ぶ線の傾き）が、前記角度の範囲であればよい。
【００１７】
（５）請求項５の発明は、前記切り欠きは、１又は複数の（例えば垂直の）段差であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の電極用セラミック部材を要旨とする。
本発明は、切り欠きの形状を例示したものである。
【００１８】
ここでは、１又は複数の階段状の段差から切り欠きが形成されている。
（６）請求項６の発明は、前記切り欠きは、前記角部における内に凸（内側にへこんでいる）又は外に凸の形状であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の電極用セラミック部材を要旨とする。
【００１９】
本発明は、切り欠きの形状を例示したものである。
尚、内に凸の場合の方が、前記接合部分における経路が長くなるので、好適である。
（７）請求項７の発明は、前記請求項１〜６のいずれかに記載の電極用セラミック部材を、前記中心電極の外周に備えたことを特徴とする液面センサを要旨とする。
【００２０】
本発明の液面センサは、上述した電極用セラミック部材を前記中心電極の外周（側面の周囲）備えているので、絶縁性及び気密性に優れている。
（８）請求項８の発明は、前記電極用セラミック部材の第１端面と前記中心電極の第２端面との間と、前記切り欠きとに、前記接合材を備えたことを特徴とする前記請求項７に記載の液面センサを要旨とする。
【００２１】
本発明では、第１端面と第２端面との間と、切り欠きに接合材が充填されているので、広い範囲にわたり（従って長い経路にわたり）、電極用セラミック部材と中心電極とが接合している。そのため、蒸気の漏出を効果的に防止できる。
（９）請求項９の発明は、前記液面センサは、ボイラの液面レベルの検出用であることを特徴とする前記請求項７又は８に記載の液面センサを要旨とする。
【００２２】
本発明は、液面センサが用いられる対象（用途）を例示したものである。
つまり、上述した液面センサを用いることにより、例えば高圧ボイラ内の様な過酷な環境下であっても、水蒸気が漏出することなく、長期間にわたり液面レベルを正確に検出することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の電極用セラミック部材及び液面センサの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
本実施例の電極用セラミック部材を備えた液面センサは、高圧ボイラにおける液面レベル（水位）を検出するために用いられるものである。
【００２４】
ａ）まず、本実施例の液面センサについて説明する。
図１に示す様に、本実施例の液面センサ１は、長尺の棒状であり、金属（例えばステンレス）製の高圧ボイラ３を貫く様に配置されている。尚、高圧ボイラ３には、高温高圧の状態にて水５が収容されている。
【００２５】
前記液面センサ１は、電極用セラミック部材７と中心電極９とを備えており、中心電極９は、その側面の外周が、絶縁のために電極用セラミック部材７によって覆われ、中心電極９の先端（同図下方）は、所望の報知すべき液面（水面）の位置となるように設定されている。
【００２６】
また、液面センサ１の中心電極９の基端側（同図上方）と高圧ボイラ３の外壁１１とは、電気回路１３により電気的に接続されており、その電気回路１３には、電気回路１３に流れる電流を測定する測定器（例えば電流計）１５と電源１７とが配置されている。
【００２７】
ｂ）次に、前記液面センサ１の構造を更に詳しく説明する。
図２に一部破断して示す様に、液面センサ１は、主として、長尺の円筒形の電極用セラミック部材７と、電極用セラミック部材７に嵌挿された棒状の中心電極９と、電極用セラミック部材７の外周に固定された筒状の主体金具２３とから構成されている。
【００２８】
このうち、前記電極用セラミック部材７は、アルミナ純度９９．５重量％以上のセラミック材料からなる部材であり、その軸中心には、中心電極９が嵌挿される貫通孔２１が形成され、外周の一部には、環状の凸部２５が形成されている。特に本実施例では、図３に示す様に、電極用セラミック部材７の基端側（両図の上方）には、その第１端面３１の内周側の角部に沿って、第１端面３１側から見て、幅１ｍｍ以上の（後述する接合材溜まりである）切り欠き３３が設けられている。
【００２９】
この切り欠き３３は、内に凸となるように湾曲して切り欠かれたものであり、第１端面３１及び切り欠き３３の表面には、図示しないが、モリブデン−マンガンからなるメタライズ層が形成され、更に、その表面にニッケルからなるメッキ層が形成されている。
【００３０】
尚、電極用セラミック部材７の貫通孔２１の内周面のうち、その基端側には、ネジ山３５が形成されている。
図２に戻り、前記中心電極９は、導電性材（例えば軟鋼及びＳＵＳ３０４）からなり、その両端が電極用セラミック部材７の貫通孔２１から突出している。
【００３１】
そして、中心電極９の基端側の外周には、円盤状の鍔部４１が形成されており、更に鍔部４１より基端側には、ネジ部４３が設けられ、そのネジ部４３には、一対の座金４５、４７を挟んで一対の六角ナット４９、５１が螺合している。尚、このネジ部４３から電気回路１３に接続される構成となっている。
【００３２】
また、中心電極９の鍔部４１より先端側の外周には、ネジ部５２が設けられ、このネジ部５２が電極用セラミック部材７のネジ山３５と螺合している。
一方、中心電極９の先端側にも、ネジ部５３が設けられ、そのネジ部５３には抜け防止用円盤５５がはめ込まれるとともに、長尺の接続ナット（六角ナット）５７が螺合している。この接続ナット５７には、中心電極９の軸方向に沿って並列に第１、第２ネジ５９、６１が取り付けられている。
【００３３】
本実施例では、図４に示す様に、中心電極９の鍔部４１における板厚方向の先端側の第２端面６３、即ち電極用セラミック部材７の第１端面３１と対向する第２端面６３は、接合材としてのＳｎ系のはんだ６５により第１端面３１と接合されるが、このはんだ６５は、上述した電極用セラミック部材７の切り欠き３３にも充填されている。
【００３４】
つまり、電極用セラミック部材７と中心電極９とは、第１端面３１と第２端面６３とではんだ付け接合されるとともに、切り欠き３３に充填されたはんだ６５によっても、はんだ付けされ、これにより接合部６６が形成されている。
図２に戻り、前記主体金具２３は、金属製（例えばＳＵＳ３０４）の円筒状の部材であり、主体金具２３と電極用セラミック部材７との間には、板パッキン７１、線パッキン７３、７５、充填用粉末７７が配置され、主体金具２３の端部７９を加締めることにより、電極用セラミック部材７に固定される。
【００３５】
尚、主体金具２３の外周には、六角形に形成された六角部８１と、六角部８１より先端側にネジ山が形成されたネジ部８３とが設けられており、このネジ部８３を高圧ボイラ３の壁部１１のネジ孔（図示せず）にネジ込み、六角部８１をスパナ等で回すことにより、液面センサ１が高圧ボイラ３に固定される。
【００３６】
ｃ）次に、液面センサ１の動作について説明する。
本実施例の液面センサ１では、水面が中心電極９の先端側に接するまでは、電流が流れる回路が形成されないので、電気回路１３（従って電流計１５）に電流は流れない。
【００３７】
一方、水面が上昇して、中心電極９の先端が水５と接する状態となると、「中心電極９−水５−高圧ボイラ３−電気回路１３」という閉回路が形成されるので、電気回路１３に電流が流れる。
よって、この電流（水位検知電流）を電流計１５で検出した場合には、水面が中心電極９に到達していると判断でき、一方、電流計１５で検出しない場合には、水面が中心電極９に到達していないと判断できる。
【００３８】
そして、液面センサ１を１個又は複数個（この場合は、検出したい液面の高さに対応して中心電極９の高低が異なるように設置したもの）用い、この液面センサ１により検知した水面の高さのデータに基づいて、水面の高さの制御を行うことができる。また、中心電極９の先端部に長尺の接続ナット５７を介して、長さの違う導電棒（例えばＳＵＳからなる棒材）を接続することにより、所望の水面の高さを検出して、同様に水面の高さの制御を行うことができる。
【００３９】
ｄ）次に、液面センサ１の製造方法について説明する。
・例えば、アルミナ材料（平均粒径０．１〜５μｍ）を所定量秤量し、有機溶剤を使用し、アトライターで、湿式強混合粉砕を２４時間行った。
・その後、乾燥を行い、パラフィンを添加し、１００ＭＰａ以上の圧力で、ラバープレスにより加圧成形を行った。
【００４０】
・次に、この加圧成型品を、前記図３に基づく筒状の電極用セラミック部材７の形状に削り加工した。
・脱脂処理後、大気雰囲気下にて、各焼成条件、例えば１５００〜１８００℃の温度で、４時間焼成を行った。
【００４１】
・その後、前記焼成品の基端側の端面３１及び切り欠き３３の表面に、メタライズ処理及びメッキ処理を行い、電極用セラミック部材７を得た。
・次に、電極用セラミック部材７の貫通孔２１に中心電極９を嵌挿し、電極用セラミック部材７の第１端面３１と中心電極９の鍔部４１の第２端面６３との間に、切り欠き３３に接合材としてのはんだ６５を充填して、はんだ付けを行いつつ、電極用セラミック部材７のネジ山３５と中心電極９のネジ部５２とを螺合した。
【００４２】
・次に、電極用セラミック部材７の外周に、パッキン７１〜７５等とともに主体金具２３を嵌め、主体金具２３を加締めて電極用セラミック部材７に固定した。
・その後、中心電極９の両端に、六角ナット４９、５１等の付属金具を組み付けて、液面センサ１を完成した。
【００４３】
ｅ）次に、上述した構成を有する本実施例の電極用セラミック部材７を備えた液面センサ１の効果について説明する。
本実施例の液面センサ１は、その電極用セラミック部材７の基端側の第１端面３１に、その内周側の角部に沿って、第１端面３１側から見て、幅１ｍｍ以上の接合材溜りである切り欠き３３が形成されている。
【００４４】
これにより、はんだ６５が切り欠き３３に溜まり、電極用セラミック部材７と中心電極９との間のうち内部の方まで入り込むため、高圧ボイラ３に配置された液面センサ１の先端側（高圧ボイラ３内）から、電極用セラミック部材７の基端側の第１端面３１と中心電極９の鍔部４２の第２端面６３との接合部６６を介して、液面センサ１の外部に至る経路（リーク経路）のうち、接合部６６の長さが長くなるので、その接合部６６を介して蒸気が外部に漏出することを防止できる。その結果、高圧ボイラ３に用いられる液面センサ１の耐久性が向上するという利点がある。
【００４５】
特に、本実施例では、切り欠き３３は内に凸となるように湾曲して設けられているので、リーク経路が長く、その点からも、蒸気の漏出を効果的に防止できる。
ｆ）次に、本発明の効果を確認した実験例について説明する。
【００４６】
図５及び下記表１に示す様に、各種の形状の切り欠き（接合材溜まり）を有する本発明例の液面センサ（試料Ｎo.２、３、５〜８）や、比較例である切り欠きを有しない液面センサ（試料No.１）及び切り欠きの幅が短い液面センサ（試料No.４）を、上述した方法により、それぞれ１０本づつ製造した。
【００４７】
詳しくは、図５（ａ）に示す様に、電極用セラミック部材の中心軸に沿った断面において、第１端面から３０〜７５°の傾斜角θにて内側に直線状に傾斜した切り欠きが設けられた試料No.２〜７の液面センサや、図５（ｂ）に示す様に、傾斜の角度が９０°の階段状に切り欠かれた（段加工の）試料No.８の液面センサを製造した。
【００４８】
そして、これらの液面センサを、高圧ボイラに取り付け、高圧ボイラ内の圧力を２〜２．４ＭＰａ、温度２２０℃とし、電極用セラミック部材と中心電極との接合部からの蒸気の漏出の状態を調べた。その結果を、同じく下記表１に記す。
尚、この表１で「×」は１０本全てのサンプルで蒸気の漏れがあることを示し、「△」は１０本のサンプルを作ると５〜９本は漏れがないことを示し、「○」は１０本のサンプル全てに蒸気の漏れがないことを示す。
【００４９】
【表１】
0003706857.tif 000002
【００５０】
この表１から明らかな様に、本発明の範囲内の試料Ｎo.２、３、５〜８は、電極用セラミック部材の第１端面の角部に切り欠きが設けてあり、かつその幅が１ｍｍ以上であり、しかも、第１端面と第２端面との間だけでなく、切り欠きにはんだが充填されているので、その接合部における蒸気の漏れが無い（又は少ない）ことが分かる。
【００５１】
それに対して、本発明の範囲外の試料No.１、４は、切り欠きがないか、又は切り欠きがあってもその幅が０．５ｍｍと短く、蒸気の漏れが発生するので、好ましくない。
（実施例２〜５）
次に、他の実施例について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００５２】
尚、実施例２〜５の電極用セラミック部材は、前記実施例１とは、切り欠きの形状が異なっている。
図５（ｃ）に示す様に、本実施例２の電極用セラミック部材８５では、その切り欠き８７の形状（中心軸に沿った断面形状：以下同様）は、直線が途中で外側に突出するように折れ曲がっている。
【００５３】
尚、この場合に傾斜角θは、切り欠き８７の両端をつないだ線分の傾斜角である。
図５（ｄ）に示す様に、本実施例３の電極用セラミック部材８９では、その切り欠き９１は、外側に凸に湾曲した曲線の形状をしている。
【００５４】
図５（ｅ）に示す様に、本実施例４の電極用セラミック部材９３では、その切り欠き９５は、内側に凸に湾曲が連続した形状をしている。
図５（ｆ）に示す様に、本実施例５の電極用セラミック部材９７では、その切り欠き９９は、複数の階段が設けられた形状である。
【００５５】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の液面センサを高圧ボイラに取り付けた状態を示す説明図である。
【図２】  実施例１の液面センサを一部破断して示す正面図である。
【図３】  実施例１の電極用セラミック部材を一部破断して示す正面図である。
【図４】  実施例１の液面センサの要部を一部破断し拡大して示す正面図である。
【図５】  実験例や他の実施例の電極用セラミック部材を破断して示す正面図である。
【図６】  従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１…液面センサ
３…高圧ボイラ
７、８５、８９、９３、９７…電極用セラミック部材
９…中心電極
３１…第１端面
３３、８７、９１、９５、９９…切り欠き
６３…第２端面
４１…鍔部
６５…接合材（はんだ）
６６…接合部
【図１】
0003706857.tif 000003
【図２】
0003706857.tif 000004
【図３】
0003706857.tif 000005
【図４】
0003706857.tif 000006
【図５】
0003706857.tif 000007
【図６】
0003706857.tif 000008