JPH079080Y2

JPH079080Y2 - 酸素分圧計

Info

Publication number: JPH079080Y2
Application number: JP1988153400U
Authority: JP
Inventors: 朗永島; 秋信服部
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2003-11-25
Also published as: JPH0272967U

Description

【考案の詳細な説明】（技術分野）本考案は酸素分圧計に係り、特に浸炭炉や焼入れ炉等の
熱処理炉における炉内雰囲気中の酸素分圧測定等に有利
に用いられる酸素分圧計に関するものである。

（背景技術）従来から、ジルコニア等の高温において酸素イオン伝導
性のある固体電解質体を用いて、電気化学反応を利用し
た酸素濃淡電池の原理により、製鋼における各種の炉、
その他の工業炉等における炉内雰囲気中の酸素濃度（酸
素分圧）を検知し、それらの炉の操炉状態を制御する等
の操作が、実施されている。

そして、この種の操作に用いられる酸素分圧計にあって
は、例えば特開昭55−1595号公報や特開昭60−233542号
公報、オースラリア特許第513552号等に明らかにされて
いるように、一般に、有底円筒形状の固体電解質体の閉
塞端部の内外両面にそれぞれ電極を設け、そしてその内
側の電極を標準比較ガスとしての大気に接触せしめて、
基準酸素分圧の基準電極とする一方、外側の電極を被測
定ガスである炉内雰囲気中に晒して測定電極としてお
り、そしてそれら基準電極と測定電極との間の酸素分圧
の差に基づく起電力を検出することにより、被測定ガス
中の酸素分圧が測定されている。また、このような酸素
分圧計においては、固体電解質体や電極、リード線を熱
衝撃から保護するために、通常、それらを、金属材料や
セラミックス材料等を用いて形成された、被測定ガス導
入口を有する有底円筒形状の外套管内に収容し、且つそ
の測定電極を該外套管の閉端部との間で挟圧せしめてな
る構造が、採用されている。

ところで、このような構造の酸素分圧計において、固体
電解質体表面に配置されて被測定ガスに接触せしめられ
る測定電極としては、前記公報等にも示されているよう
に、従来から、白金を主体とした基金属系の材料にて形
成されてなり、且つネット状等の多孔構造とされたもの
や渦巻状に巻かれたリード線構造のものなど、何れも、
被測定ガスに対して大きな接触面積が確保される形状の
ものが、用いられてきている。

しかしながら、本考案者らが検討したところによると、
かかる測定電極を構成する白金等の貴金属系材料は、特
に高温域で触媒能が高くなり、炉内に未分解状態で残存
するハイドロカーボン（CmHn）、例えばメタン（CH₄）
等を分解してしまうために、酸素分圧計の出力特性が影
響を受け、またその触媒能変化によって出力ドリフトを
生じることとなり、特に、上述の如き、従来から用いら
れている測定電極にあっては、被測定ガスに対する接触
面積が大きいために、かかる残存ハイドロカーボンの分
解による影響も大きく、更に該測定電極の劣化（脆化）
に伴って、その表面積がより増大することとなるため
に、ハイドロカーボンの分解が促進されて、酸素分圧計
の出力に一層大きなドリフトが惹起せしめられるといっ
た、大きな問題を内在していることが明らかとなったの
である。

（解決課題）ここにおいて、本考案は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その解決すべき課題とするとこ
ろは、白金等の貴金属系材料から成る測定電極を備えた
酸素分圧計において、かかる測定電極による残存メタン
等のハイドロカーボンの分解を抑制することによって、
その出力特性を改善し、出力のドリフトを可及的に低減
せしめることにある。

（解決手段）そして、かかる課題を解決するために、本考案にあって
は、有底円筒形状の固体電解質体の閉端部の内面を基準
電極を、またその外面に測定電極を、それぞれ配すると
共に、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状の外套管
内に、該固体電解質体を収容して、前記測定電極を該外
套管の閉端部との間において挟圧するようにした酸素分
圧計において、前記測定電極を、前記固体電解質体の閉
端部外面に対して、その周縁部からはみ出すことなく接
触せしめられ得る平面形状を有する板状体にて構成し、
前記外套管の閉端部内面との間で挟圧保持せしめるよう
にしたことを、その特徴とするものである。

（作用・効果）すなわち、このような本考案に従う構造とされた酸素分
圧計にあっては、固体電解質体表面に設置されて被測定
ガスに接触せしめられる測定電極が、板状体（プレー
ト）形状にて形成され、固体電解質体の閉端部外面と外
套管の閉端部内面との間で、その両側面をそれら固体電
解質体および外套管に対してそれぞれ面接触させた状態
で、挟圧、保持せしめられているところから、該測定電
極における被測定ガスに対する接触面が、実質上、その
外周端面のみによって構成されることとなるのである。

そして、それ故、かかる酸素分圧計においては、測定電
極の被測定ガスに対する接触面の面積が小さく設定され
得ることから、該測定電極による炉内に残存するメタン
等のハイドロカーボンの分解が有利に抑制され得ると共
に、かかる接触面が測定電極の外周端面にて構成されて
いるところから、該測定電極における劣化が進行した場
合にも、被測定ガスに対する接触面積の増加が良好に回
避され得るのであり、それによってその出力特性が効果
的に改善され、残存ハイドロカーボンの分解による出力
のドリフトが可及的に低減され得るのである。

（実施例）以下、本考案を更に具体的に明らかにするために、本考
案の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明す
ることとする。

先ず、第１図において、２は、酸素分圧計の主体を為す
有底円筒形状の固体電解質体であって、高温において酸
素イオン伝導性のあるものである。なお、この固体電解
質体２には、従来からの電気化学反応を利用した酸素分
圧計において用いられている固体電解質の何れもが使用
可能であり、例えば、ジルコニアにカルシア、イットリ
ア等を固溶させたもの、トリアにイットリアを固溶させ
たもの、酸化セリウムに酸化ランタンを固溶させたもの
等がある。

また、かかる固体電解質体２の閉鎖端部の内面には、基
準電極としての内側電極６が設けられており、更に固体
電解質体２の内部には、該内側電極６に対して先端開口
部が当接する状態で、円筒形状のエアー送入管８が、挿
入、配置せしめられている。そして、内側電極６に接続
されて、該内側電極６の信号（起電力）を取り出すリー
ド線（＋側）10が、かかるエアー送入管８内を通って外
部に導かれていると共に、かかるエアー送入管８の基部
側に装着された空気導入パイプ36を通じて、基準ガスと
しての空気が該エアー送入管８内に導かれて、その先端
に位置する内側電極６に接触せしめられるようになって
いる。

なお、かかる内側電極６としては、従来からの酸素分圧
計に用いられているものと同様な電極構成がそのまま採
用され得、例えばかかる閉塞端部の内面に対して、メッ
キ、スパッタリング、サーメット等の手法乃至は形態に
おいて密着、一体化せしめられたり、メッシュ等の形態
において接触状態に配されることとなる。また、かかる
内側電極６の材料としては、一般に白金が好適に用いら
れるが、その他、白金・ロジウム合金、白金・パラジウ
ム合金、金、銀、白金・銀合金等の材料も適宜に選択さ
れる。

一方、かかる固体電解質体２における閉端部の外側面上
には、測定電極としての外側電極４が配されており、更
に該固体電解質体２の外側には、それよりも径の大きな
有底円筒形状を呈する外套管としての金属管12が、該固
体電解質体２の閉鎖側端部から、その外表面を覆うよう
にして外挿せしめられている。なお、かかる金属管12に
あっては、高温の炉内に挿入され、また脆弱な固体電解
質体２の保護管としても機能させられるものであるとこ
ろから、インコネル等の耐熱鋼や耐熱合金より作製され
たものが好適に用いられることとなる。

ところで、かかる固体電解質体２の外面に接して配され
る外側電極４は、上記内側電極６と同様、白金の他、白
金を主体とした合金やその他の貴金属系材料を用いて形
成されたものであるが、ここでは、本考案に従って、前
記固体電解質体２とは別部材として、単体構造にて構成
されており、該固体電解質体２の閉鎖端部の外面周縁部
から外方にはみ出さない平面形状を有する薄肉の円板
（プレート）形状をもって形成されている。そして、該
外側電極４は、固体電解質体２と金属管12との間におい
て、それらの底壁部（閉鎖端部）間に介装せしめられ、
その両側面が、それら固体電解質体２の底壁部外面と金
属管12の底壁部内面とに対して接触した状態で、それら
両部材間で挟圧保持されているのである。なお、かかる
外側電極４の厚さは、特に限定されるものではないが、
通常、コスト等との関係から、1mm以下の厚さのものが
好適に用いられることとなる。

また、上記固体電解質体２の外側には、金属管12との間
に、所定間隙の空間が画成されており、そして金属管12
の基部（開口部）側に近接した内周面上に配されたＯリ
ング24にて、かかる空間の基部側開口が外部に対してシ
ールされることにより、ガス流通空間14が形成せしめら
れている。そしてまた、かかる金属管12には、その閉塞
された先端部位に近接する筒壁部において、第２図から
も明らかなように、二つの被測定ガス導入口16、16が相
対向して設けられており、これらの被測定ガス導入口16
を通じて、被測定ガスが外部からガス流通空間14内に導
き入れられることによって、かかる被測定ガスが、金属
管12と固体撮像素子２との底壁部間に配設された外側電
極４に接触せしめられ得るようになっている。

すなわち、かかる外側電極４にあっては、固体撮像素子
２の底壁部外面からはみ出さない大きさの薄肉のプレー
ト形状にて形成されており、その両側面が、それぞれ固
体撮像素子２の底壁部外面および金属管12の底壁部内面
に対して接触した状態で配設されているところから、被
測定ガス導入口16内に導かれた被測定ガスに対しては、
その外周面のみにおいて接触せしめられることとなるの
である。

更にまた、上記金属管12の基部側端部（開口側端部）に
は、取付金具26が螺着されている。そして、該取付金具
26との間に配されたスプリング28にて、固体電解質体２
が、その底壁部外面が金属管12の底壁部に向かって押し
付けられる方向に付勢されているのであり、それによっ
て、それら固体電解質体２と金属管12との間における、
前記外側電極４に対する挟圧力（保持力）が付与せしめ
られている。また、かかる取付金具26とエアー送入管８
の基部に設けられたフランジ部32との間にも、スプリン
グ34が介装されており、そしてこのスプリング34の付勢
力によって、かかるエアー送入管８が、前述の如き、内
側電極６に対する当接状態下に保持せしめられているの
である。

なお、かかる取付金具26の外周面には、リード線（−
側）30が接続されており、外側電極４に対して電気的に
接続せしめられた金属管12、取付金具26を通じて、かか
る外側電極４の信号（起電力）が外部に取り出されるよ
うになっている。

そして、このような構造とされた酸素分圧計にあって
は、金属管12の基部（開口部）側に近接した外周面に形
成されたフランジ部18において、熱処理炉の炉壁等の取
付壁20に設けられた取付座22に対して固定されることに
よって、熱処理炉に装着されることとなる。

すなわち、上述の如き構造とされた酸素分圧計にあって
は、金属管12に設けられた被測定ガス導入口16を通じて
炉内ガス（被測定ガス）がガス流通空間14内に導き入れ
られ、固体電解質体２と金属管12との間に介装されてい
る外側電極４に接触せしめられることによって、基準ガ
スとしての空気に接触せしめられている内側電極６との
間において、それらの酸素分圧の差に基づく起電力が発
生することとなり、これによって、従来と同様にして被
測定ガスとしての炉内ガス中の酸素分圧を求めることが
できるのであり、そして、このようにして得られた酸素
分圧をもとに、公知の手法に従い、カーボン・ポテンシ
ャル値を算出することができ、以てかかるカーボン・ポ
テンシャル値に基づいて、炉内雰囲気の制御が行なわれ
ることとなるのである。

そして、そのような酸素分圧の測定に際して、かかる酸
素分圧計にあっては、外側電極４における被測定ガスに
対する接触面が、その外周面のみによって形成されてい
るところから、かかる被測定ガスに対する接触面が充分
に小さな面積をもって形成され得て、該外側電極４によ
る炉内に残存するメタン等のハイドロカーボンの分解が
有利に抑制され得るのであり、以てそのような分解され
たハイドロカーボンによるセンサ出力への影響が良好に
抑制され得て、出力のドリフトが可及的に防止され得る
こととなるのである。

また、かかる酸素分圧計にあっては、その外側電極４の
劣化（脆化）に起因する、該外側電極４の被測定ガスに
対する接触面積の増加も、有利に回避され得るところか
ら、かかる電極の劣化に伴う出力のドリフトの増加も有
効に解消され得るのである。

因みに、第３図には、浸炭炉におけるカーボン・ポテン
シャル（CP）値に関して、従来の酸素分圧計を用いた場
合と本考案に従う構造とされた酸素分圧計を用いた場合
における比較が為されている。

そこにおいて、縦軸には、酸素分圧計にて検出される検
出値から換算されるCP値が示され、一方横軸には、浸炭
炉内に載置された鋼箔を分析して、実際に鋼箔が浸炭さ
れているCP値を求めた値が示されている。理論値は、実
際の鋼箔分析CP値と酸素分圧計換算CP値が等しい場合を
示すものであるが、この理論値に対して、従来の酸素分
圧計を用いた場合には、その差が大きく、これに対し
て、本考案に従う構造とされた酸素分圧計を用いた場合
には、理論値に近い値が求められており、この結果から
しても、本考案に係る酸素分圧計においては、その出力
特性の著しい改善が実現されることが明らかである。

以上、本考案の一実施例について詳述してきたが、これ
は文字通りの例示であって、本考案はかかる具体例にの
み限定して解釈されるものではない。

例えば、外套管には、必ずしも、金属管（12）を用いる
必要はなく、外側電極４のリード線を別途設けること等
によって、アルミナ等のセラミックス材料等にて形成す
ることも可能である。

その他、一々列挙はしないが、本考案は当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様で実
施され得るものであり、またそのような実施態様が、本
考案の趣旨を逸脱しない限り、何れも本考案の範囲内に
含まれるものであることは、言うまでもないところであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係る酸素分圧計の一具体例を示す縦
断面説明図であり、第２図は、かかる酸素分圧計の先端
部を示す斜視説明図である。また、第３図は、従来の酸
素分圧計と本考案に従う酸素分圧計とにおける換算CP値
と鋼箔分析CP値との関係を示すグラフである。 2:固体電解質体、4:外側電極 6:内側電極、8:エアー送入管 10:内側電極リード線 12:金属管、14:ガス流通空間 16:被測定ガス導入口 20:炉壁、24:Oリング 26:取付金具、28,34:スプリング 30:外側電極リード線 36:空気導入パイプ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】有底円筒形状の固体電解質体の閉端部の内
面に基準電極を、またその外面に測定電極を、それぞれ
配すると共に、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状
の外套管内に、該固体電解質体を収容して、前記測定電
極を該外套管の閉端部との間において挟圧するようにし
た酸素分圧計において、前記測定電極を、前記固体電解質体の閉端部外面に対し
て、その周縁部からはみ出すことなく接触せしめられ得
る平面形状を有する板状体にて構成し、前記外套管の閉
端部内面との間で挟圧保持せしめたことを特徴とする酸
素分圧計。