JPH047950B2 - - Google Patents

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圧部側に、
多孔質支持体を隣接して設けるようになつてい
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
ているとは言えない。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。

QαＳ・Ｄ／ｄ（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 P_Na：ナトリウム側のガスの分圧 P_V：低圧部のガスの分圧 従つて、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
イ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がコーテイングされて
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、水素を透過しやすいニツケルなどが考え
られる。ナトリウム中に溶解する水素は、圧力差
（分圧差）によつて低圧側３に向かつて、微粒子
４のコーテイ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。微粒子をコーテイ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めた場合、平
坦な面に比べて約1.6倍増加する。実際には、微
粒子は積層になつてコーテイングされているの
で、表面はさらに起伏が大きくなり、表面積も
1.6倍よりも大きなものになつている。また、コ
ーテイ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、液体ナトリウムは透過しないように、コー
テイ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。コーテイング
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mm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、コーテイ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、粒子をコーテイ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、粒子のコーテイング層だけである。
今このコーテイング層は、従来に較べて表面積
が、1.6倍以上あり、厚さも1/5〜1/10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。

コーテイ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500℃であればよい。

コーテイング層の粒子は、これまで述べてきた
ようにニツケルばかりに限つたものではない。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、
ニツ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ZrO₂などのセラ
ミツクスが考えられる。

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、通常はSUS304あるい
はSUS316の焼結体が考えられる。これ以外にセ
ラミツ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の先端をデイスク５状にした
ものである。このデイスクは、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
と同一の金属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、
曲率をもつた部分のコーテイ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、デイスク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イングする必要
がないため、検出計の製作に当たつて加工のため
の工数を低減できる。すなわち、多孔質体を軸方
向に回転させるのみで、円筒の外表面に、均一な
コーテイ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の表面に異なつた種類６，
７，８の粒子をコーテイングしたものである。コ
ーテイング粒子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、水素に対してはニツケ
ル、炭素に対して純鉄、酸素に対してはZrO₂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に種類の異なつ
た粒子６，７，８をコーテイングすることによつ
て、ナトリウム中から同時に異なつた不純物（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つて、一
つの検出計で多元素を同時に計測することができ
る。その一例をあとで述べる。

また、上述のようにコーテイングする領域を必
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
テイングしてもよい。

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

粒子をコーテイングする多孔質体１は、表面は
通常ろ過精度よりも小さな粒子をコーテイングし
た場合には、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イ
ングして、次第に粒子径の小さなものを積層状に
していくことによつて、多孔質の目づまりを防止
でき、しかも粒子をコーテイ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図に粒子をコーテイ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内に粒子をコーテイングした多
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種類の異なつたコーテイングされている場合
を例にとつて、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
計の真空側に向かつて拡散し、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H₂、
CO、CO₂、H₂OあるいはO₂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
重極型質量分析計を用いた場合には、４重極の電
圧をスキヤンニングすることによつて、各気体
は、質量数／電荷によつて分離され、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、酸素および炭素濃
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、キヤリアガスを流して、これによつて運ば
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つたところで、これ
を放出させてガスクロマトグラフで分析するとい
う手段も考えられる。

多孔質体の表面にコーテイングする物質は、必
ずしもこれまで述べてきたニツケル、鉄、ZrO₂
といつたものに限つたものではない。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
す主要因であつたり、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
よつて測定されている。例えば、窒素、塩素があ
る。こ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イン
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
とつ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、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イングした不純
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1/5〜1/10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、コーテイングする粒
子を微細なものにすることによつて、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、コーテイ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つ
て、一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、金属粒子をコー
テイングすることにより単位面積当りの透過表面
積を広くでき、且つ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…コーテイング粒子。

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イングし
   て成る不純物センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、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イ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項において、多孔質体の表
   面にコーテイ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。