(57)【要約】【課題】水タンクを小型化できる電気化学式ＣＯセンサを提供すること。【解決手段】高分子固体電解質膜３１を含むセンサ素子３を備え、該センサ素子３における検知すべきガスと水分との反応を利用してＣＯ濃度を検出する電気化学式ＣＯセンサ１であって、前記センサ素子３を取り付ける取付部２ｂと、外気導入口２ｅおよび外気導出口２ｆが形成され導入された外気に含まれる水分を前記センサ素子に供給する外気導入部２ｃと、前記外気導入部２ｃ内で結露する水分を貯蔵する貯蔵部２ｄとを備えたハウジング２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子固体電解質膜を含むセンサ素子を備え、該センサ素子における検知すべきガスと水分との反応を利用してＣＯ濃度を検出する電気化学式ＣＯセンサであって、
前記センサ素子を取り付ける取付部と、外気導入口および外気導出口が形成され導入された外気に含まれる水分を前記センサ素子に供給する外気導入部と、前記外気導入部内で結露する水分を貯蔵する貯蔵部とを有するハウジングを備えていることを特徴とする電気化学式ＣＯセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の電気化学式ＣＯセンサにおいて、
前記外気導入口と前記外気導出口は、前記外気導入部の互いに直交する壁面に形成されていることを特徴とする電気化学式ＣＯセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の電気化学式ＣＯセンサにおいて、
前記外気導入口と前記外気導出口には、前記電気化学式ＣＯセンサが排気筒に取り付けられた燃焼器具の作動中には前記外気導入口と前記外気導出口を開とし、かつ燃焼器具の停止中には前記外気導入口と前記外気導出口を閉とする開閉手段が設けられていることを特徴とする電気化学式ＣＯセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学式ＣＯセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロトン導電体膜等の高分子固体電解質膜を有する電気化学式ＣＯセンサは、水分とＣＯが反応し、プロトン導電体膜中をプロトンが移動することによって発生する電流を測定することにより、ＣＯ濃度を検知している（たとえば、特許文献１および２参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７０１０１号公報
【特許文献１】特開２００４−２７９２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の電気化学式ＣＯセンサは、水分を常に供給する必要があるため、センサ本体の数倍にもなる大きさの水タンクを併設しなければならなかった。そのため、燃焼器具、たとえば給湯器の排気筒等の狭い空間に設置するためには、制約が多く、かつ常温から２５０℃程度の高温を繰り返し経験しなければならないため、密閉された水タンクからの水漏れ（蒸散）等も懸念されていた。
【０００４】
そこで本発明は、上記の課題に鑑み、水タンクを小型化できる電気化学式ＣＯセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、高分子固体電解質膜を含むセンサ素子を備え、該センサ素子における検知すべきガスと水分との反応を利用してＣＯ濃度を検出する電気化学式ＣＯセンサであって、前記センサ素子を取り付ける取付部と、外気導入口および外気導出口が形成され導入された外気に含まれる水分を前記センサ素子に供給する外気導入部と、前記外気導入部内で結露する水分を貯蔵する貯蔵部とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１記載の発明においては、高分子固体電解質膜を含むセンサ素子を備え、該センサ素子における検知すべきガスと水分との反応を利用してＣＯ濃度を検出する電気化学式ＣＯセンサであって、センサ素子を取り付ける取付部と、外気導入口および外気導出口が形成され導入された外気に含まれる水分をセンサ素子に供給する外気導入部と、外気導入部内で結露する水分を貯蔵する貯蔵部とを有するハウジングを備えている。それにより、外気導入部に導入される外気中の水分が結露して貯蔵部に貯蔵されるものをセンサ素子における反応に使われる水分の補給用とするので、予めハウジングに水分を貯蔵する必要がないため、ハウジングの大きさを従来の水タンクに比して小型化することができる。
【０００７】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気化学式ＣＯセンサにおいて、前記外気導入口と前記外気導出口は、前記外気導入部の互いに直交する壁面に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明においては、外気導入口と外気導出口は、外気導入部の互いに直交する壁面に形成されている。それにより、電気化学式ＣＯセンサを、ＣＯを含むガスの流れ方向が垂直方向でも水平方向でも、その流れ方向に応じた角度で取り付けることができる。
【０００９】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電気化学式ＣＯセンサにおいて、前記外気導入口と前記外気導出口には、前記電気化学式ＣＯセンサが排気筒に取り付けられた燃焼器具の作動中には前記外気導入口と前記外気導出口を開とし、かつ燃焼器具の停止中には前記外気導入口と前記外気導出口を閉とする開閉手段が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明においては、外気導入口と前記外気導出口には、電気化学式ＣＯセンサが排気筒に取り付けられた燃焼器具の作動中には外気導入口と外気導出口を開とし、かつ燃焼器具の停止中には外気導入口と外気導出口を閉とする開閉手段が設けられている。それにより、貯蔵部に貯留される水分の蒸散を軽減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、外気導入部に導入される外気中の水分が結露して貯蔵部に貯蔵されるものをセンサ素子における反応に使われる水分の補給用とするので、予めハウジングに水分を貯蔵する必要がないため、ハウジングの大きさを従来の水タンクに比して小型化することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、電気化学式ＣＯセンサを、ＣＯを含むガスの流れ方向が垂直方向でも水平方向でも、その流れ方向に応じた角度で取り付けることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、貯蔵部に貯留される水分の蒸散を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る電気化学式ＣＯセンサの構成を示す略断面図であり、図１（Ｂ）は、センサ素子の拡大断面図である。図１において、本実施形態の電気化学式ＣＯセンサ１は、ハウジング２、センサ素子３、ガスケット４、金属製ワッシャ５、拡散制御板７、金属製キャップ８およびピン端子９，１０から構成されている。
【００１６】
ハウジング２は、たとえば円筒状の金属製容器からなり、中間よりやや上側に形成されたくびれ部２ａの上方のセンサ素子取付部２ｂと、くびれ部２ａの下側にセンサ素子取付部２ｂと同径に形成された外気導入部２ｃと、外気導入部２ｃの下側に外気導入部２ｃより小径に形成された貯蔵部２ｄとを有する。外気導入部２ｃには、その底面に外気導入口２ｅが形成されていると共に、側面に外気導出口２ｆが形成されている。すなわち、外気導入口２ｅと外気導出口２ｆは、外気導入部２ｃの互いに直交する異なる壁面に形成されている。
【００１７】
センサ素子３は、図１（Ｂ）に示すように、プロトン導電体膜等の高分子固体電解質膜３１の両面に白金（Ｐｔ）を担持した電極である検知極３２および対極３３を設けた構造を有する。
【００１８】
金属製ワッシャ５は、くびれ部２ａで支持され、水蒸気供給口５ａが形成されている。拡散制御板７は、金属板に拡散制御孔７ａが形成されているものである。金属キャップ８は、活性炭等のガス吸着フィルタ８ｃを内蔵し、その上方にガス導入孔８ａが形成されると共に下部にガス導出孔８ｂが形成されている。
【００１９】
この電気化学式ＣＯセンサ１は、金属製ワッシャ５の上にセンサ素子３を設置して、その対極３３を金属製ワッシャ５の水蒸気供給孔５ａを介して外気導入部２ｃ側に露出させると共に、反対側の検知極３２に拡散制御板７を介して金属キャップ８を重ね、金属キャップ８の周りをガスケット４でパッキングした上で、ハウジング２の上部開口にカシメ固定して構成されている。また、金属キャップ８には、その上部に電気的に接続されたピン端子９が図示の横方向に延出する形で設けられ、ハウジング２には、貯蔵部２ｄの外側底面に電気的に接続されたピン端子１０が図示の横方向に延出する形で設けられている。
【００２０】
上述の構成を有する電気化学式ＣＯセンサ１は、たとえば図２に示す給湯システムに使用される。
【００２１】
図２において、給湯器監視装置１１は、給湯器１２に接続されている。給湯器１２は、駆動用ＡＣ電源１００Ｖを使用する屋内設置型（ＦＥ型）であり、給湯器監視装置１１を介して給湯器１２で必要な駆動用電源が供給されている。排ガスが通過する排気筒１３の所定位置には、排ガス中のＣＯ濃度を検知する電気化学式ＣＯセンサ１と、排気温度を検出する温度センサ１５が設けられている。この電気化学式ＣＯセンサ１と温度センサ１５の検出出力は、それぞれ、給湯器監視装置１１に供給されている。
【００２２】
この給湯器１２本体の下端部には、バーナ１７に必要な空気を供給するファン１８が設けられており、このファン１８からの空気と、電磁制御弁１９で制御されガス供給管２０からの供給される燃焼ガスとが、給湯器１２本体内のバーナ１７に送られて、ガスが燃焼するようになっている。そして、このバーナ１７の上方に配設された熱交換器１６において、図示しない給水管から送られる水が所定温度の湯に沸きあげられるようになっている。バーナ１７からのＣＯを含んだ排ガスは、給湯器１２の上端部に設けられた排気筒１３の排気口１３ａから外部に排気される。
【００２３】
図３は、図２の給湯器１２の排気筒１３に図１の電気化学式ＣＯセンサ１を設置した設置例を示し、排気の流れが垂直方向の場合を示す図である。電気化学式ＣＯセンサ１は、給湯器１２の排気筒１３の内側にガス導入孔２ｅが排気の流れ方向（垂直方向）に向くように固定される。ハウジング２の外気導入部２ｃの大きさは、ガス導入孔２ｅが排ガスの流速の速い排気筒１３の中心近くにほぼ位置する寸法とされ、ガス導出孔２ｆはピン端子９，１０側に設けられる。
【００２４】
すなわち、ガス導入孔２ｅは、排ガスの流れ方向に向き全圧がかかるようにし、ガス導出孔２ｆは、排気筒１３の内壁面に近い場所に設けられる。このように設置することにより、電気化学式ＣＯセンサ１内の排ガスの導入、導出の流れが良くなる。
【００２５】
上述の構成において、排気筒１３内の排ガス中に含まれるＣＯは、金属キャップ８のガス導入孔８ａから電気化学式ＣＯセンサ１に導入され、ガス吸着フィルタ８ｃ、導出孔８ｂおよび拡散制御板７の拡散制御孔７ａを通過して、センサ素子３の検知極３２に到達する。そして、検知極３２において、ハウジング２の外気導入部２の外気導入口２ｅから導入された排ガス中の水分（水蒸気）が、対極３３から高分子固体電解質膜３１に供給されて、下記に示す酸化反応が起こり、検知極３２にプロトン（２Ｈ+ ）と電子（２ｅ- ）を発生させる。
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
【００２６】
検知極３２に発生した電子（２ｅ- ）は、高分子固体電解質膜３１の内部を通過できないので検知極３２に滞留する。
【００２７】
一方、プロトン（２Ｈ+ ）は、高分子固体電解質膜３１の内部を通過して対極３３に移動し、ここで酸素と下記に示す還元反応を起こして、対極３３に水（Ｈ2 Ｏ）を生成する。
２Ｈ+ ＋Ｏ2 ／２＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・・・（２）
【００２８】
したがって、検知極３２と対極３３との間に電圧（起電力）が生じる。そこで、検知極３２と対極３３にそれぞれ電気的に接続されハウジング２の外部に引き出されたピン端子９および１０間に負荷（図示しない）を接続すると、検知極３２に滞留した電子（２ｅ- ）の対極３３に向かう流れが負荷に生じ、これにより、対極３３から負荷を経て検知極３２に向かって電流が流れるので、この電流を電流−電圧変換することで、排ガス中のＣＯ濃度に応じた電圧値のＣＯ濃度検出信号が得られる。
【００２９】
そして、給湯器１２が停止されると、排気筒１３内の温度が低下し、外気導入部２ｃに導入された外気（すなわち排ガス）に含まれる水分（水蒸気）が結露して生じた水分が、貯蔵部２ｄの内側底部に水分６として貯蔵される。この貯蔵部２ｄに貯蔵された水分６は、検知極３２で行われる酸化反応に利用される水分を補給することができる。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、外気（排ガス）中の水分が結露して貯蔵部２ｄに貯蔵されるものを検知極３２における酸化反応に使われる水分の補給用とするので、予めハウジング２に水分を貯蔵する必要がないため、水タンクの大きさを従来に比して小型化することができる。
【００３１】
次に図４は、図２の給湯器１２の排気筒１３に図１の電気化学式ＣＯセンサ１を設置した設置例を示す図であり、排気の流れが水平方向の場合を示す図である。電気化学式ＣＯセンサ１は、給湯器１２の排気筒１３の内側上部にガス導入孔２ｅが排気の流れ方向（水平方向）に向くように固定される。ハウジング２の外気導入部２ｃの大きさは、ガス導入孔２ｅが排ガスの流速の速い排気筒１３の中心近くにほぼ位置する寸法とされ、ガス導出孔２ｆはピン端子９，１０側に設けられる。
【００３２】
図４においては、センサ内で結露した水分は、外気導入部２ｃの内壁と外気導入口２ｅが形成されている壁面で構成される貯蔵部に水分６として貯蔵される。この貯蔵部に貯蔵された水分６は、検知極３２で行われる酸化反応に利用される水分を補給することができる。
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、外気（排ガス）中の水分が結露して貯蔵部２ｄに貯蔵されるものを検知極３２における酸化反応に使われる水分の補給用とするので、予めハウジング２に水分を貯蔵する必要がないため、ハウジング２の大きさを従来の水タンクに比して小型化することができる。また、外気導入口２ｅと外気導出口２ｆは、外気導入部２ｃの互いに直交する壁面に形成されているので、電気化学式ＣＯセンサ１を、ＣＯを含むガスの流れ方向が垂直方向でも水平方向でも、その流れ方向に応じた角度で取り付けることができる。
【００３４】
以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００３５】
たとえば、外気導入口１１ｂとガス排出口１１ｃの数は、上述の実施形態ではそれぞれ１個示されているが、複数個でも良い。
【００３６】
また、外気導入口２ｅおよび外気導出口２ｆには、バイメタルスイッチや形状記憶合金等を用いて、給湯器作動中（温度が高い）は、外気導入口２ｅおよび外気導出口２ｆを開とし、給湯器停止中（温度が低い）は、外気導入口２ｅおよび外気導出口２ｆを閉とする開閉手段を設けても良い。この場合、給湯器停止中（温度が低い）は、外気導入口２ｅおよび外気導出口２ｆを閉とされるので、貯蔵部２ｄに貯留される水分６の蒸散を軽減することができる。
【００３７】
また、上記開閉手段は、給湯器の作動中に外気導入口２ｅから導入されるガスの流速により開となり、給湯器の停止により外気導入口２ｅからガスが導入されなくなると閉となる開閉弁タイプのものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る電気化学式ＣＯセンサの構成を示す略断面図である。
【図２】本発明の電気化学式ＣＯセンサを給湯システムに使用した場合を示す図である。
【図３】図２の給湯器の排気筒に図１の電気化学式ＣＯセンサを設置した設置例を示し、排気の流れが垂直方向の場合を示す図である。
【図４】図２の給湯器の排気筒に図１の電気化学式ＣＯセンサを設置した設置例を示し、排気の流れが水平方向の場合を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      電気化学式ＣＯセンサ
２      ハウジング
２ｂ    取付部
２ｃ    外気導入部
２ｄ    貯蔵部
２ｅ    外気導入口
２ｆ    外気導出口
３      センサ素子
３１    高分子固体電解質膜
３２    検知極
３３    対極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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