(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質からなる基材に、酸素ガスをイオン化可能な材料からなる第一電極、及び、第二電極を設け、前記各電極へのガス接触率を異ならせる規制手段を設けてあるガス検知素子を備え、前記ガス検知素子の両電極間に電圧を印加する電圧供給部を備え、前記ガス検知素子を加熱する加熱手段を設けて、前記ガス検知素子を加熱した状態で、そのガス検知素子に電圧を供給したときに流れる出力電流に基づいて前記電極に接触したガス中の酸素濃度を測定可能に構成して、メタンを主成分とした燃料ガスの燃焼機器排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置であって、
前記第一電極上でメタンガスが酸化する限界温度以下の設定温度に、前記第一電極の温度を維持する温度維持機構を設けた酸素濃度測定装置。
【請求項２】
前記燃焼機器排ガスを前記設定温度以下に冷却して、前記ガス検知素子に導入する排ガス冷却導入機構を設けてある、請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
前記酸素ガスをイオン化可能な材料が白金であり、前記設定温度が３８０℃以上４００℃以下である請求項１〜２のいずれか１項に記載の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質からなる基材に、酸素ガスをイオン化可能な材料からなる第一電極、及び、第二電極を設け、前記各電極へのガス接触率を異ならせる規制手段を設けてあるガス検知素子を備え、前記ガス検知素子の両電極間に電圧を印加する電圧供給部を備え、前記ガス検知素子を加熱する加熱手段を設けて、前記ガス検知素子を加熱した状態で、そのガス検知素子に電圧を供給したときに流れる出力電流に基づいて前記電極に接触したガス中の酸素濃度を測定可能に構成して、メタンを主成分とした燃料ガスの燃焼機器排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。
つまり、このような酸素濃度測定装置は、メタンを主成分とした燃料ガスの前記燃焼機器排ガス中に含まれる酸素をモニタすることによって、例えば、前記燃焼機器の空燃比を制御するなどして燃焼を制御するなどの用途に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の酸素濃度測定装置は、燃焼排ガス中の酸素濃度を測定するような場合であっても、排ガスを直接検知する構成を採用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の酸素濃度測定装置によれば、メタンを主成分とした燃料ガスの燃焼機器排ガス中の酸素濃度を測定する場合に、酸素濃度が正確には測定されず、特に燃料過多の燃焼条件で酸素濃度が過少に測定されてしまうことがあるという問題点があり、燃焼機器の燃焼状態を誤って認識してしまう虞があった。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑み、燃焼条件によらず正確に酸素濃度を測定する事のできる酸素濃度測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先の問題点が、排ガス中に未燃メタンガス成分が含まれている事に起因するものであるという知見を新たに見いだし、このような現象は、排ガスの温度が通常６００℃にも達しているという状況から、前記未燃メタンガスが前記酸素濃度測定装置におけるガス検知素子の電極上で酸化され、前記電極上でのメタンガスの酸化にともない酸素が消費され（ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ）、消費された酸素分だけ出力電流が減少してしまう現象に基づくのではないかと考え、前記メタンガスが電極上で酸化される条件を調べたところ、例えば、白金電極においては、ガス温度が４００℃を越える条件下で酸化されはじめるなど、メタンガスと電極との関係で限界温度が求められ、その限界温度以下のガス温度では先の問題点がほとんど起きないという新知見を得た。
本発明は、これら新知見に基づきなされた物であって、
上記目的を達成するための本発明の特徴構成は、固体電解質からなる基材に、酸素ガスをイオン化可能な材料からなる第一電極、及び、第二電極を設け、前記各電極へのガス接触率を異ならせる規制手段を設けてあるガス検知素子を備え、前記ガス検知素子の両電極間に電圧を印加する電圧供給部を備え、前記ガス検知素子を加熱する加熱手段を設けて、前記ガス検知素子を加熱した状態で、そのガス検知素子に電圧を供給したときに流れる出力電流に基づいて前記電極に接触したガス中の酸素濃度を測定可能に構成して、メタンを主成分とした燃料ガスの燃焼機器排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に、
前記第一電極上でメタンガスが酸化する限界温度以下の設定温度に、前記第一電極の温度を維持する温度維持機構を設けたことにあり、
前記燃焼機器排ガスを前記設定温度以下に冷却して、前記ガス検知素子に導入する排ガス冷却導入機構を設けてあれば好ましく、
前記酸素ガスをイオン化可能な材料が白金であり、前記設定温度が３８０℃以上４００℃以下であればよい。
【０００６】
〔作用効果〕
つまり、前記第一電極上でメタンガスが酸化する限界温度以下の設定温度に、前記第一電極の温度を維持する温度維持機構を設けたことによって前記ガス検知素子による酸素濃度測定をガス温度が前記限界温度以下に維持された状態で酸素ガス濃度測定を行う事ができるようになる。そのため、酸素濃度を測定中に、そのガス中に含まれるメタンの酸化反応がほとんど起きないように抑制することができ、酸素濃度測定の際にメタンの酸化に伴う酸素消費に基づく出力電流の減少が検出されてしまうような状況は起きにくくなった。そのため、前記ガス検知素子による酸素に対する出力電流のみを正確に求めることができるようになって、酸素濃度を正確に求めることができるようになった。
また、前記温度維持機構としては、排ガスの温度を前記設定温度以下に冷却するものとしてあれば、前記ガス検知素子の加熱に伴っても、前記排ガスの温度は前記ガス検知素子の温度までしか上昇せず、前記ガス検知素子の温度を前記限界温度以下で酸素検知容易な温度域に設定するだけの通常の設定で、前記メタンの酸化を抑制することが出来る。
尚、前記第一電極としては、白金等の貴金属材料が一般に用いられるが、白金を用いる場合には、先の限界温度が約４００℃であるという新知見に基づき前記設定温度を、通常前記ガス検知素子を用いる３８０℃以上４００℃以下設定しておくことが望ましい。というのは、前記ガス検知素子の基材は、例えば３８０℃以下の低温では、固体電解質としての性質を示しにくくなるからである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２に示すように、固体電解質からなる基材１０に、酸素をイオン化可能な材料からなる第一電極１１、及び、第二電極１２を設けるとともに、前記各電極１１、１２へのガス接触効率を異ならせる規制手段１３を設け、前記各電極１１、１２および基材１０を加熱する加熱手段１４を設けてあるガス検知素子１を備え、図１に示すように、前記ガス検知素子１の両電極１１、１２間に電圧を印加する電圧可変機構２１内蔵の電圧供給部２０を備え、燃焼制御機構３１を内蔵してあるガス燃焼機器３０からの排ガス路３２にバイパス路３３を設けて、前記ガス検知素子１を配設して酸素濃度測定装置を構成してある。
前記バイパス路３３には外側壁に多数のフィン３４を設けるとともに、外気と接触容易にして、前記バイパス路３３に流通する排ガスを冷却する排ガス冷却導入機構Ｆを構成してある。
【０００８】
前記固体電解質は、通常酸化ジルコニウムに、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化イットリウム等を１０モル％程度添加して安定化させたものを用い、前記第一電極および第二電極は、酸素をイオン化可能な材料のうち、貴金属が好適に用いられ、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等が用いられる。
前記規制手段は、前記基材１０の前記第一電極１１側を覆うカバー部材１３ａを設けるとともに、そのカバー部材１３ａにガス流通孔１３ｂを設けて構成し、前記第一電極１１に対するガス接触率を前記第二電極１２に対するガス接触率よりも低くなるように設定するものであり、このような構成に替えて、多孔質のフィルタを前記第一電極１１を被覆した状態に設けて構成してあってもよい。
前記加熱手段１４は、前記ガス検知素子１の近傍に、加熱用コイル１４ａを設け、前記電圧供給部２０からの電圧供給を受け、ジュール熱を発生させられる構成にしてあるものである。
【０００９】
前記酸素濃度測定装置は、都市ガス燃焼装置の排ガス路に設けて用いられ、例えば４５０℃の排ガスが前記バイパス路に流入した場合には、前記排ガスは３５０℃以下に冷却された状態で前記ガス検知素子に達し、前記ガス検知素子が４００℃でガス濃度を測定するものであると、前記排ガス中のメタンは、ほぼ４００℃に加熱された状態になり、電極上ではほとんど酸化されないが、排ガス中の酸素は、前記電極でイオン化されるとともに、固体電解質に検知されるので、前記メタンの影響を受けることなく、前記酸素濃度に基づく出力電流を生じることになる。そのため、排ガス中の未燃メタンによらない正確な酸素濃度測定を行うことができる。
このようにして得られた酸素濃度は、ガス燃焼機器の燃焼制御情報として前記ガス燃焼機器の燃焼制御機構に入力され、ガス供給量や、空気供給量の調整などの燃焼制御に利用される。
【００１０】
【実施例】
白金電極にメタンを接触させたときの酸化活性の温度依存性を調べたところ、図３に示すようになった。図３より、白金電極上では４００℃以下の環境では酸化が促進せず、ほとんど酸素検知に影響しないことがわかった。
また、このように温度維持機構を設けた本発明の酸素濃度測定装置と、温度維持機構を設けていない従来の酸素濃度測定装置とをガスエンジンの排ガス中の酸素濃度測定に適用したところ、その出力特性は図４に示すようになった。
図４より、本発明の酸素濃度測定装置は、酸素濃度と出力とが酸素濃度の低濃度領域から高濃度領域にかけて全般的に比例関係にあるのに対し、従来のものは、酸素濃度の上昇にともなって、次第に低下していることが分かり、前記ガスエンジンの燃焼効率低下に伴う未燃メタンガスの酸化にともなう電子移動のため、出力電圧が低下して観測されているものと考えられる。
尚、本発明においては、前記排ガス冷却導入機構と、前記ガス検知素子を加熱する加熱手段とを合わせて、温度維持機構と称するものであるが、この温度維持機構は上述の構成に限ることなく、
前記ガス検知素子の温度を検知するセンサ類を設けるとともに、そのガス検知素子の加熱手段及び冷却手段を設け、前記ガス検知素子を所定温度に加熱・冷却制御する制御装置を設けて構成するなど、種々の態様を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素濃度測定装置の概略図
【図２】ガス検知素子の要部縦断斜視図
【図３】白金電極による限界温度を示すグラフ
【図４】本発明の酸素濃度測定装置と従来の酸素濃度測定装置との長期安定性の比較グラフ
【符号の説明】
１    ガス検知素子
２０  電圧供給部
３０  燃焼機器
Ｆ    温度維持機構
【図１】
0003698494.tif 000002
【図２】
0003698494.tif 000003
【図３】
0003698494.tif 000004
【図４】
0003698494.tif 000005