特開 2023-69771 ガス検知器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023069771

(43)【公開日】2023-05-18

(54)【発明の名称】ガス検知器

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/18 20060101AFI20230511BHJP

【ＦＩ】

G01N27/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021181888

(22)【出願日】2021-11-08

(71)【出願人】

【識別番号】000250421

【氏名又は名称】理研計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100153497

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 信男

(72)【発明者】

【氏名】信澤 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】朝田 隆二

(72)【発明者】

【氏名】高橋 俊介

(72)【発明者】

【氏名】小川 高史

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA02

2G060AB18

2G060AE19

2G060BA05

2G060BB02

2G060BB12

2G060BD02

2G060HC02

2G060HC10

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器において、長時間使用しても、ゼロ出力値を安定に維持することができるガス検知器を提供する。
【解決手段】熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器であって、前記熱伝導式ガスセンサの動作を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記熱伝導式ガスセンサに所定の電圧を印加する定常通電モードと、前記熱伝導式ガスセンサへの通電を停止する通電停止モードとを交互に繰り返して実行する機能を有し、前記定常通電モードにおける出力値に基づいて被検ガスの濃度が算出されることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器であって、
前記熱伝導式ガスセンサの動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記熱伝導式ガスセンサに所定の電圧を印加する定常通電モードと、前記熱伝導式ガスセンサへの通電を停止する通電停止モードとを交互に繰り返して実行する機能を有し、
前記定常通電モードにおける出力値に基づいて被検ガスの濃度が算出されることを特徴とするガス検知器。

【請求項2】

前記定常通電モードの各々の実行時間が０．５～２．０秒間であることを特徴とする請求項１に記載のガス検知器。

【請求項3】

前記通電停止モードの各々の実行時間が２．０～１０．０秒間であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検知器。

【請求項4】

前記制御部は、前記定常通電モードを開始する前に、前記熱伝導式ガスセンサに対して前記所定の電圧まで段階的に昇圧する予備通電モードを実行する機能を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガス検知器。

【請求項5】

前記予備通電モードは、２回以上の段階で前記所定の電圧まで昇圧するものであることを特徴とする請求項４に記載のガス検知器。

【請求項6】

前記予備通電モードの各々の実行時間が０．０１～０．２０秒間であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のガス検知器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばブタンガスやプロパンガス等の可燃性ガスなどを検知するガス検知器としては、熱伝導式ガスセンサを備えてなるものが知られている。この熱伝導式ガスセンサは、ガスの種類や濃度によって環境雰囲気の熱伝導率が異なることを利用したものであり、被検ガスにおける熱伝導率の変化を検知対象ガスの濃度として検知するものである。
具体的には、熱伝導式ガスセンサは例えば金属コイルよりなる熱伝導素子を有し、この熱伝導素子に通電した状態で検知対象ガスが接触すると、当該検知対象ガス固有の熱伝導率により熱放散の状態が変化し、これにより、熱伝導素子の温度が変化する。そして、熱伝導素子の温度変化に伴い、当該熱伝導素子を構成する金属コイルの抵抗値が変化し、この抵抗値の変化量に基づいて検知対象ガスの濃度が測定される。

【0003】

熱伝導式ガスセンサに用いられる熱伝導素子としては、温度抵抗係数が高く、高温における耐蝕性が良好であることから、白金コイルが用いられている。また、熱伝導素子には、検知対象ガスに対して不活性であることが要請されている。
このような事情から、白金よりなる芯線の表面に、検知対象ガスに対して不活性な金属、例えば金よりなる被覆膜が形成された熱伝導素子を有する熱伝導式ガスセンサが提案されている（特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６１－１０５４５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、このような熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器においては、長時間使用すると、ゼロ出力値（ゼロ点）が経時的に変動する、具体的には、熱伝導素子の電流値が低下して、ゼロ出力値がマイナスにシフトする、という問題が判明した。このような現象が生じる理由は、以下のように推測される。
熱伝導式ガスセンサに通電した状態では、熱伝導素子は、例えば４００℃程度の高温に発熱する。そして、熱伝導素子が長時間高温に晒されると、芯線を構成する金属と被覆膜を構成する金属との合金化が促進されるため、熱伝導素子の抵抗値が変化する結果、ゼロ出力値が変動する。

【0006】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器において、長時間使用しても、ゼロ出力値を安定に維持することができるガス検知器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のガス検知器は、熱伝導式ガスセンサを備えたガス検知器であって、
前記熱伝導式ガスセンサの動作を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記熱伝導式ガスセンサに所定の電圧を印加する定常通電モードと、前記熱伝導式ガスセンサへの通電を停止する通電停止モードとを交互に繰り返して実行する機能を有し、
前記定常通電モードにおける出力値に基づいて被検ガスの濃度が算出されることを特徴とする。

【0008】

本発明のガス検知器においては、前記定常通電モードの各々の実行時間が０．５～２．０秒間であることが好ましい。
また、前記通電停止モードの各々の実行時間が２．０～１０．０秒間であることが好ましい。

【0009】

また、本発明のガス検知器においては、前記制御部は、前記定常通電モードを開始する前に、前記熱伝導式ガスセンサに対して前記所定の電圧まで段階的に昇圧する予備通電モードを実行する機能を有することが好ましい。
また、前記予備通電モードは、２回以上の段階で前記所定の電圧まで昇圧するものであることが好ましい。
また、前記予備通電モードの各々の実行時間が０．０１～０．２秒間であることが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明のガス検知器によれば、熱伝導式ガスセンサに所定の電圧を印加する定常通電モードと、熱伝導式ガスセンサへの通電を停止する通電停止モードとを交互に繰り返して実行することにより、熱伝導式ガスセンサにおける熱伝導素子が長時間高温に晒されることがないため、長時間使用しても、ゼロ出力値を安定に維持することができる。
また、定常通電モードを開始する前に、熱伝導式ガスセンサに対して所定の電圧まで段階的に昇圧する予備通電モードを実行することにより、通電の開始時において、熱伝導式ガスセンサに対する熱衝撃が抑制されるため、ゼロ出力値をより一層安定に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。

【図2】図１に示すガス検知器における熱伝導式ガスセンサの構成を示す説明用断面図である。

【図3】図１に示すガス検知器における熱伝導式ガスセンサを分解して示す説明図である。

【図4】図２に示す熱伝導式ガスセンサにおける熱伝導素子の構成を示す説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は長手方向に切断した断面図、（ｃ）は長手方向に垂直な方向に切断した断面図である。

【図5】定常通電モードおよび通電停止モードを交互に繰り返して実行したときの印加電圧の変化を示すグラフである。

【図6】通電停止モードが終了した後に予備通電モードを実行したときの印加電圧の変化を示すグラフである。

【図7】実施例において測定した、検知対象ガスの濃度の指示値の経時的変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明のガス検知器の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。このガス検知器は、熱伝導素子２５および温湿度検知素子１６を有する熱伝導式ガスセンサ１０と、熱伝導式ガスセンサ１０の動作を制御する制御部３０とを備えてなる。

【0013】

図２は、図１に示すガス検知器における熱伝導式ガスセンサ１０の構成を示す説明用断面図である。図３は、図１に示すガス検知器における熱伝導式ガスセンサ１０を分解して示す説明図である。この熱伝導式ガスセンサ１０は、円筒状のケーシング１１を有する。このケーシング１１においては、一端側（図２において上端側）の開口がケーシング１１内に被検ガスを導入するガス導入口１１ａとされている。ケーシング１１内には、略円形の基板１５が、ケーシング１１の軸方向に垂直な面に沿って配置されている。この基板１５には、被検ガスの温度および湿度を測定する温湿度検知素子１６や、複数のスタッド１７が実装されている。また、基板１５には、後述する導電ピン２４が挿通される、それぞれ基板１５の厚み方向に貫通する２つの貫通孔１８が形成されている。

【0014】

基板１５上には、熱伝導素子２５を収納する、円盤上の熱伝導素子収納部材２０が配置されている。この熱伝導素子収納部材２０は、絶縁性および耐熱性を有する樹脂材料、例えばガラス繊維等の繊維を含有するポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂によって構成されている。
熱伝導素子収納部材２０の表面（図２において上面）には、熱伝導素子２５が収納された収納室Ｓを形成する凹所２６が形成されており、この凹所２６の開口が収納室Ｓに被検ガスを導入する通気口２７とされている。熱伝導素子２５は、熱伝導素子収納部材２０の厚み方向に伸びる２つの導電ピン２４に電気的に接続されている。
また、熱伝導素子収納部材２０には、温湿度検知素子１６に被検ガスを導入する通気路２１が、当該熱伝導素子収納部材２０の表面から裏面に貫通して伸びるよう形成されている。

【0015】

熱伝導素子２５は、図４（ａ）に示すように、金属製のコイルにより構成されている。また、熱伝導素子２５は、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、芯線２５と、この芯線２５ａの表面に形成された被覆膜２５ｂとによって構成されている。
芯線２５は、温度抵抗係数が高く、高温における耐蝕性が良好な金属例えば白金などにより構成されている。
被覆膜２５ｂは、検知対象ガスに対して不活性な金属例えば金などによって構成されている。被覆膜２５ｂの厚みは例えば１μｍである。被覆膜２５ｂを形成する方法としては、スパッタリングなどの適宜の薄膜形成法を利用することができる。
熱伝導素子の寸法の一例を挙げると、線径が２０μｍ、コイル径が０．３ｍｍ、コイル長が１．０ｍｍであり、コイルの巻き数は１１ターンである。

【0016】

熱伝導素子収納部材２０の表面上には、円形の通気性シート１２が、通気口２７および通気路２１の開口を覆うよう配置されている。この通気性シート１２を構成する材料としては、ガラスウールなどを用いることができる。
通気性シート１２上には、例えばステンレス（ＳＵＳ３１６）よりなる円形の焼結金網１３が、その周縁部がケーシング１１の内壁面に固定されて配置されており、焼結金網１３と熱伝導素子収納部材２０とによって、通気性シート１２が挟持されている。
また、ケーシング１１内における基板１５の下方には、例えばエポキシ樹脂接着剤などの接着剤が硬化されてなる封止剤１４が、ケーシング１１の下側の開口を塞ぐよう設けられている。

【0017】

制御部３０は、熱伝導素子用電源３１と、温湿度検知素子用電源３２と、熱伝導素子２５の電流を測定する電流計３５と、湿度測定用電圧計３６と、温度測定用電圧計３７とを有する。熱伝導素子用電源３１および電流計３５は、導電ピン２４を介して熱伝導素子２５に電気的に接続されている。また、温湿度検知素子用電源３２、湿度測定用電圧計３６および温度測定用電圧計３７は、スタッド１７を介して温湿度検知素子１６に電気的に接続されている。

【0018】

本発明のガス検知器においては、制御部３０は、図５に示すように、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５に所定の電圧Ｖｓを印加する定常通電モードＭ１と、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５への通電を停止する通電停止モードＭ２とを交互に繰り返して実行する機能を有するものである。そして、定常通電モードＭ１における出力値に基づいて被検ガスの濃度が算出される。
定常通電モードＭ１において、熱伝導素子２５に印加される所定の電圧Ｖｓは、例えば０．２～２．０Ｖである。

【0019】

定常通電モードＭ１の各々の実行時間は０．５～２秒間であることが好ましく、より好ましくは０．７～１．２秒間である。
定常通電モードＭ１の各々の実行時間が０．５秒間未満である場合には、熱伝導素子２５が必要な温度に到達しないため、検知対象ガスの濃度を高い精度で測定することが困難となることがある。一方、定常通電モードＭ１の各々の実行時間が２秒間を超える場合には、熱伝導素子２５が高温に維持され続けることにより、熱伝導素子２５において合金化が生じることなどの経時的な劣化が進行する結果、抵抗の変化、ゼロ出力値の変動が生じやすくなる。

【0020】

また、通電停止モードＭ２の各々の実行時間は２．０～１０.０秒間であることが好ましく、より好ましくは３～４秒間である。
通電停止モードＭ２の各々の実行時間が２秒間未満である場合には、熱伝導素子２５が十分に冷却される前に、定常通電モードＭ１による発熱が生じるため、熱伝導素子２５において合金化が生じることなどの経時的な劣化が進行する結果、抵抗の変化、ゼロ出力値の変動が生じやすくなる。また、通電停止モードＭ２の各々の実行時間が長すぎると、ガス検知の応答が遅くなるデメリットが生じる。通電停止モードＭ２の各々の実行時間が４秒間以下であれば、１０秒間以内にガスの検知を確実に実行することができる。

【0021】

また、本発明のガス検知器においては、制御部３０は、図６に示すように、定常通電モードＭ１を開始する前に、熱伝導式ガスセンサ２０における熱伝導素子２５対して所定の電圧Ｖｓまで段階的に昇圧する予備通電モードＭ３を実行する機能を有することが好ましい。

【0022】

予備通電モードＭ３は、２回以上の段階で所定の電圧Ｖｓまで昇圧する、すなわち２回以上の昇圧で所定の電圧Ｖｓに達するものであることが好ましい。
予備通電モードＭ３における昇圧の回数が２回未満である場合、すなわち段階的昇圧を実施しない場合には、熱伝導素子２５に局所的な熱衝撃ストレスが加わり、熱伝導素子２５において合金化が生じることなどの経時的な劣化が進行する結果、抵抗の変化、ゼロ出力値の変動が生じやすくなる。
また、各段階における昇圧の電圧値は、所定の電圧Ｖｓに達するまでを等分割で昇圧したときの値であることが好ましい。
また、予備通電モードＭ３の各々の実行時間（所定の電圧Ｖｓに到達するまでの時間）は０．０１～０．２０秒間であることが好ましい。

【0023】

また、定常通電モードＭ１を開始してから次の定常通電モードＭ１を開始するまでのサイクル時間は、３秒間以上であることが好ましく、より好ましくは４秒間以上である。また、サイクル時間の上限値は、ガス検知器に要求される性能に応じて適宜設定されるが、サイクル時間が長ければ長いほど、ガス検知の応答が遅くなるデメリットがあることから、通常１１秒間以下、好ましくは５秒間以下である。

【0024】

このようなガス検知器においては、検知対象ガス例えばブタンやプロパン等の可燃性ガスを含む被検ガスが、焼結金網１３および通気性シート１２を介して、熱伝導素子収納部材２０の収納室Ｓに流入すると、熱伝導素子２５に検知対象ガスが接触する。そして、定常通電モードＭ１においては、発熱した熱伝導素子２５の温度が、検知対象ガスの濃度に応じて変化するため、当該熱伝導素子２５の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化量に基づいて検知対象ガスの濃度が算出されて出力される。

【0025】

このようなガス検知器によれば、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５に所定の電圧Ｖｓを印加する定常通電モードＭ１と、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５への通電を停止する通電停止モードＭ２とを交互に繰り返して実行することにより、定常通電モードＭ１において発熱した熱伝導素子２５は、通電停止モードＭ２において放冷される。これにより、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５が長時間高温に晒されることがないため、ガス検知器を長時間連続して使用しても、ゼロ出力値を安定に維持することができ、従って、検知対象ガスの検知について長時間にわたって高い信頼性が得られる。

【0026】

また、定常通電モードＭ１を開始する前に、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５に対して所定の電圧Ｖｓまで段階的に昇圧する予備通電モードＭ３を実行することにより、通電の開始時において、熱伝導式ガスセンサ１０における熱伝導素子２５に対する熱衝撃が抑制されるため、ゼロ出力値をより一層安定に維持することができる。

【0027】

以上、本発明のガス検知器の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。
例えば熱伝導式ガスセンサは、図２および図３に示すものに限定されず、種々の構成のものを採用することができる。
また、制御部は、定常通電モードＭ１と通電停止モードＭ２とを交互に繰り返して実行する機能を有するものであれば、種々の構成のものを採用することができる。

【実施例0028】

図１乃至図４に示す構成に従い、下記の仕様の熱伝導素子（２５）を用いてガス検知器を作製した。
［熱伝導素子（２５）］
構成：白金よりなる芯線（２５ｃ）の表面に金よりなる被覆膜（２５ｄ）が形成されて構成され、機能部（２５ａ）における巻き数が１１ターンである。
寸法：線径が２０μｍ、機能部（２５ａ）の径が０．３ｍｍ、機能部（２５ａ）の長さが１．０ｍｍである。

【0029】

〈試験〉
上記のガス検知器を、窒素ガス下において、下記の制御条件１～制御条件３で運転させ、検知対象ガスの濃度の指示値（体積％）の経時的変化を測定した。結果を図７に示す。
［制御条件１］
下記の定常通電モード（Ｍ１）を実行した後、下記の通電停止モード（Ｍ２）を実行する動作を繰り返す（図５参照）。
定常通電モード（Ｍ１）：印加電圧（所定の電圧）＝１．５Ｖ，実行時間＝１秒間
通電停止モード（Ｍ２）：実行時間＝３秒間
［制御条件２］
下記の予備通電モード（Ｍ３）を実行してから、下記の定常通電モード（Ｍ１）を実行した後、下記の通電停止モード（Ｍ２）を実行する動作を繰り返す（図６参照）。
予備通電モード（Ｍ３）：昇圧段階数＝３回，各昇圧段階における昇圧の電圧値＝０．５Ｖ，実行時間＝０．２秒間
定常通電モード（Ｍ１）：印加電圧（所定の電圧）＝１．５Ｖ，実行時間＝１秒間
通電停止モード（Ｍ２）：実行時間＝２．８秒間
［制御条件３］
熱伝導素子に対して１．５Ｖの印加電圧で連続して通電する。

【0030】

図７の結果から明らかなように、定常通電モードと通電停止モードとを交互に繰り返して実行することにより、長時間使用しても、ゼロ出力値が安定に維持されることが確認された。
また、定常通電モードを開始する前に、予備通電モードを実行することにより、ゼロ出力値がより一層安定に維持されることが確認された。

【符号の説明】

【0031】

１０ 熱伝導式ガスセンサ
１１ ケーシング
１１ａ ガス導入口
１２ 通気性シート
１３ 焼結金網
１４ 封止材
１５ 基板
１６ 温湿度検知素子
１７ スタッド
１８ 貫通孔
２０ 熱伝導素子収納部材
２１ 通気路
２４ 導電ピン
２５ 熱伝導素子
２５ａ 機能部
２５ｂ リード部
２５ｃ 芯線
２５ｄ 被覆膜
２６ 凹所
２７ 通気口
３０ 制御部
３１ 熱伝導素子用電源
３２ 温湿度検知素子用電源
３５ 電流計
３６ 湿度測定用電圧計
３７ 温度測定用電圧計
Ｍ１ 定常通電モード
Ｍ２ 通電停止モード
Ｍ３ 予備通電モード
Ｓ 収納室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】