JP2005351646A - ガス漏洩検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】 漏洩ガスを迅速に検出すること。
【解決手段】 漏洩が懸念されるガス分子１０９に、バックグランドとして存在するバックグランド分子１１１とはイオン化ポテンシャルが充分異なる添加分子２０１をあらかじめ添加する。カーボンナノチューブ１０３などを利用して強電界空間を形成し、ガス分子１０９と共に漏洩する添加分子２０１の電界イオン化電流の検出を試みる。添加分子２０１とバックグランド分子１１１のイオン化ポテンシャルが充分異なるので、少ない測定回数で充分な検出分解能を得ることができ、ガス分子１０９の漏洩検知が迅速化する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス分子をイオン化させてそのイオン電流を検出するガスセンサを用いたガス漏洩検知システムに関する。

従来のガス漏洩検知システムにおけるガスセンサとしては、強電界でガスをイオン化しているものがあり、パルス状の高電圧（例えば、特許文献４参照）、先細形状の先端を有する構造（例えば、特許文献１参照）、柱状導電体（例えば、非特許文献１参照）などにより強電界を実現していた。他方、ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）等を原料とする燃料ガスには、万一の漏れがガスセンサに頼らずとも容易に分かるようにするため、人間が臭いとして感知可能な付臭剤を添加することがおこなわれていた（例えば、特許文献２参照）。付臭剤としてターシャリーブチルメルカプタン、ジメチルサルファイド、テトラヒドロチオフェンなどが知られていた（例えば、特許文献３参照）。

図３は、前記非特許文献1 に記載された従来のガスセンサの構造を示すものである。図３において、柱状導電体はカーボンナノチューブ（以降、ＣＮＴと略す）であり、CNT１０３の直径は、３０ｎｍ程度と大変細いため、その先端には，比較的低い電圧で強い電界が発生し，周囲のガスをイオン化させていた。電流計１０７はイオン化による電流を検出し、ガスの種類に応じてある特定の印加電圧を超えた場合にイオン化電流が生じていた。イオン化電流の発生時の印加電圧（イオン化ポテンシャル、以降ＩＰと略す）がガスの種類によって異なる特徴を利用し，ガスの種類を分析していた。
特開平９−２１０９６３号公報 特開２００１−３１６６８５号公報 特開平８−２８５７６６号公報 米国特許第５４７５３１１号明細書 特開２０００−１４６９１２号公報 特開２００１−２１２５７０号公報 特開２００２−２９６１８６号公報 Ashish Modi, Nikhil Koratkar, Eric Lass, Bingqing Wei & Pulickel M. Ajayan: Nature vol.424 (2003年７月１０日号) p.171-p.174.

しかしながら、前記従来の構成では、ガスセンサのイオン化領域に常時存在するバックグランドガスのＩＰが検出したい目的のガスのものと接近していた場合、測定精度を上げて検出信号をバックグランドガスから分離するのに多数回の測定が必要で時間を要し、迅速な検出が出来ないという課題を有していた。例えば、燃料電池に使用される水素ガス（Ｈ₂）は爆発性を有し、その漏れを迅速に検出する必要のあるガスであるが、水素分子のＩＰは１５．４２６ｅＶであり、バックグランドとなる大気中ガス成分、すなわち、窒素（Ｎ₂、ＩＰ＝１５．５８０ｅＶ）と近い値を持っており、バックグランドから水素ガスによる信号を分離するには時間を要した。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、迅速な検出を可能としたガス漏洩検知システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のガス漏洩検知システムは、漏洩が懸念されるガスにあらかじめ添加された、バックグランドとして存在するガスとはＩＰが充分異なる分子の有無に関する測定を行う。

本構成によって、ガスセンサがバックグランドから分離しやすい分子を漏洩ガスにあらかじめ混入させているため、少ない測定回数で充分な分解能を得ることができる。

すなわち、本発明は、ガスセンサから得られるガスのイオン化ポテンシャルが、本来存在しているガスである分子Ａのイオン化ポテンシャルとは異なる場合に、分子Ｄからなる不純物ガスが含まれていると決定する、不純物ガスを検知する方法である。

本発明のガス漏洩検知システムによれば、漏洩ガスを迅速に検出することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるガス漏洩検知システムの構成図である。図１において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１において、容器１０８で外部に漏れないようになっているガス分子１０９の漏洩を検知するため、キャビネット１１０で囲んだ空間のガス分析をおこなえる位置に、ＣＮＴ１０３に発生する強電界でガスをイオン化させ分析するガスセンサを配置している。

分子をイオン化させる電極としては、先端が鋭く尖った電界集中を生じさせる電極ならＣＮＴに限らず、どのような構造物でもかまわないし、分析対象のガスに光を照射し、電界ではなく光によりイオン化させてもかまわない。

ガス分子１０９はＩＰ＝１５．４２６ｅＶを有する水素分子（Ｈ₂）であり、容器１０８は燃料電池ユニットを模式化したものである。

ガス分析はキャビネット１１０内部の空気に対しておこなわれ、ガス分析時のバックグランド分子１１１は空気の構成分子である。また、添加分子２０１はヘリウムであり、そのＩＰは２４．５８７ｅＶである。添加量は体積百分率で１％程度とした。望ましい添加量は最低０．１％以上、最大１０％程度であるが、この範囲の値に限定するものではない。

特に、漏洩ガスに新たな分子を添加しなければ図４に示す従来のガス漏洩検知システムの構成となり、図４と比較すると図１は比較的容易に実現可能な構成であることがわかる。ヘリウムは空気に比較し軽いので、水素同様上昇する傾向がある。

従って、ガスセンサはヘリウムが溜まりやすいキャビネットの上部に設置し、検知しやすくした。表１には空気中の各成分の体積百分率（％）およびＩＰ（ｅＶ）を示す。

空気中の主な成分は窒素、酸素、アルゴン、水であり、微量な二酸化炭素が含まれている。空気中のネオンやヘリウムは大変微量でバックグランドには無いとしてかまわない。主な空気成分の中で、最大のＩＰはアルゴンの１５．７５９ｅＶであり、最小のＩＰは酸素の１２．０７５ｅＶである。

実際、水素のガス漏れが無い場合、ヘリウムは検知されなかった。

容器１０８に微細な孔をあけ、故意に中のガスを漏洩させたところ、添加分子と思われるヘリウムが検知された。添加分子２０１のＩＰはバックグランドの最大ＩＰ値より８．８ｅＶ高く、その検出はガスセンサに印加する電圧を１回走査するだけで成功し、電圧を多数回走査する必要は無かった。

なお、電圧を走査するのではなく、パルス的に電圧を印加し、そのパルス高を変化させても同様の検出は可能であった。

このように、ＩＰの差異が最低０．５ｅＶ以上、好ましくは１ｅＶ程度もあれば、一般的な電圧変動や電気ノイズより充分大きな値であるため、バックグランドから容易く添加分子の信号を分離できる。

かかる構成によれば添加分子２０１のＩＰをバックグランドガスのＩＰとは充分異なる値とすることにより、添加分子の検出が多数回の測定をおこなわなくとも高い分解能で検出可能となり水素ガスの漏れを迅速に検出することができる。

添加分子（ヘリウム）の量は被添加ガス（水素）の量に比較し少量であるため、添加分子を検出しようとすると、むしろ測定に時間がかかると疑念する向きがあると思われるが、ガスの検出方式が電界イオン化式であるため検出感度自体は充分高く、ＩＰの値の大きく異なったものを検出することによる分解能の高さがむしろ有利に働いた。

そもそも、イオンの検出は大変高感度におこなうことができる方式であり、２次電子増倍管などを用いて分子一個を検出することさえ、条件によっては可能である。

したがって、他の検知方式に比較し、本方式のガスセンサは最も高感度となる潜在能力を有しており、微量なガスの漏洩を検出する手段として大変優れた方式である。また、ＣＮＴを利用しなくとも先端の鋭く尖った構造はフォトリソグラフィーを利用して作製することも可能であることから、製造コストを低く抑える有利な特徴を有しており、かつ、小型なセンサであることからガスが漏洩する恐れがある多くの場所にセンサを設置でき、安全を確保するのに役立つ。

更に、分子の電界イオン化は温度や湿度の変化に対して影響を受け難い現象であるため、例えば吸着現象を利用した従来の検出方式に比較し、温度湿度に関して安定しており、特に車載用に有利である。

なお、本実施の形態において、ヘリウムを用いたが、添加分子をヘリウムに限定するものではない。例えば、ネオンはＩＰ＝２１．５６４ｅＶでヘリウムと同様にバックグランドガスより充分高い値のため利用可能であり、また、バックグランドで最小のＩＰを有する酸素（１２．０７５ｅＶ）より充分低いＩＰ値を有する分子、例えばアンモニア（ＩＰ＝１０．１５ｅＶ）を用いても、短時間に検知できる。

加えて、アンモニアは人間が感知できる臭いを有しているため、ガスセンサが故障で機能しなくとも、その漏れが臭いから検知でき、より安全である。もちろん、添加分子のＩＰがバックグランドの最小ＩＰ値と最大ＩＰ値の間であっても、其々のバックグランド成分のＩＰと充分異なる値であればかまわない。また、添加分子が空気より重い場合はガスセンサをキャビネットの下方に取り付けたほうが良いことは言うまでも無い。

なお、本実施の形態において、バックグランドガスは空気成分であったが、キャビネット内部を空気以外のガスで置換した場合は、バックグランドガスはその置換ガスとなる。一例として、窒素ガスで置換した場合、バックグランドガスにはＩＰ＝１５．５８０ｅＶの窒素のみとなり、水素ガスへの添加分子として選べるガスはバックグランドガスより低いＩＰに注目した場合、ＩＰ＜１３ｅＶ程度であれば充分で、その種類は豊富になる。例えばメタン（ＩＰ＝１２．９８ｅＶ）、二酸化炭素（ＩＰ＝１３．７９ｅＶ）等を利用できる。

特に、この様に添加ガスをバックグランドのＩＰより低い値のものを選ぶことにより、ガスセンサは漏れの無い場合イオン化電流を生じさせない状態に保持することを可能とし、検出能力が高くなることに加え、ガスセンサの消費電力を低く抑えられると共に、イオン流によるダメージが無くガスセンサの寿命を伸ばすことにも貢献する。

なお、本実施の形態において、水素の漏洩を検出する場合としたが、漏洩物を水素に限定するものではない。例えば都市ガスに利用される天然ガスはメタン（ＩＰ＝１２．９８ｅＶ）をその成分とし、空気をバックグランドとしてその漏れを検出しようとした場合、バックグランドの酸素（ＩＰ＝１２．０７５ｅＶ）と大差ないＩＰであるため、より低いＩＰを有する、たとえば、ＩＰ＝１０ｅＶ程度のブタンを添加すればよい。

また、従来から用いられている付臭剤ジメチルサルファイド（ＩＰ＝８．６８５ｅＶ）などは、酸素より低いＩＰを有し、これら付臭剤をイオン化方式のガスセンサで検知すれば燃料ガスの漏洩の検出は高速に行える。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２のガス漏洩検知システムの配線図である。図２において、図１、図３および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。キャビネット１１０内部や容器１０８内部のガス分子に関してはその記載を省略する。

図２において、キャビネット１１０にはアクチュエータ３０２によって開閉される扉３０１を設け、キャビネット１１０内部の自動的な換気手段を実現している。アクチュエータ３０２の制御は、ガスセンサ内部で発生するイオン流の増減に伴う入力信号３０４によって検知回路３０３が作動し、出力信号３０５により行われる。キャビネット１１０内部のガスは排気用のファン３０７によってガスセンサ内部のイオン化空間に常時取り込まれる構成とした。

なお、扉３０１の開閉方法はその形態を限定するものでは無く、引き戸式のものでも蝶番式のものでもかまわない。特に、キャビネット１１０が燃料電池を備えた車両の場合は扉でなく窓がその機能を担うことがある。

検知回路３０３が添加分子を検知した際に、以下の３つの動作をするように回路およびプログラムを組んだ。（１）静電気もしくは火気に注意するように警告メッセージを音声で流す回路のスイッチを入れる。（２）アクチュエータ３０２を作動させ、車内もしくは室内を換気する。（３）イオン化を生じさせる電界をＯＦＦにし、イオン流を消滅させる。

なお、ガスセンサのイオン化空間はガス透過性のある多孔体３０６で外部と仕切られており、イオン流がキャビネット１１０内部に流入し、漏洩ガスに引火する恐れは無い構造としたが、念のため、イオン化電界はＯＦＦにした。ガスセンサのイオン化空間を多孔体３０６で仕切ってあるので、ピンホール状に１箇所だけ孔を開けた場合に比べ、ガスの透過量が充分得られ、検出感度は仕切りが無い場合と比べ遜色ないものであった。

かかる構成によれば音声警告回路・換気回路・イオン流閉じ込め構造を設けることにより、漏洩ガスの検出とともにその対策が自動的に講じられることととなり高い安全性を確保することができる。

本発明にかかるガス漏洩検知システムは、漏洩ガスを迅速に検出する能力を有し、水素ガスを利用する燃料電池の保安設備等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるガス漏洩検知システムの構成図 本発明の実施の形態２におけるガス漏洩検知システムの配線図 従来のガスセンサの構造図 従来のガス漏洩検知システムの構成図

符号の説明

１０１ Ｓｉ基板
１０２ ＳｉＯ₂膜
１０３ カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１０４ 絶縁体
１０５ 電極
１０６ 電源
１０７ 電流計
１０８ 容器
１０９ ガス分子
１１０ キャビネット
１１１ バックグランド分子
２０１ 添加分子
３０１ 扉
３０２ アクチュエータ
３０３ 検知回路
３０４ 入力信号
３０５ 出力信号
３０６ 多孔体
３０７ ファン

Claims (10)

1. ガス分子をイオン化させる方式のガスセンサと、
   バックグランドとしてガスセンサに流入するガス成分のイオン化ポテンシャルとは充分異なる値のイオン化ポテンシャルを有した分子Ｄをあらかじめ混合させた分子Ａを主成分とするガスを密閉する設備を備え、
   分子Ａと共に密閉設備から漏洩する分子Ｄをガスセンサにより検知する機能を有したガス漏洩検知システム。
2. 添加分子Ｄのイオン化ポテンシャルが、バックグランドとしてガスセンサに流入する主なガス成分の中で最小のイオン化ポテンシャルを有する分子Ｂよりも、充分低い請求項１記載のガス漏洩検知システム。
3. 添加分子Ｄが人間の感知し得る臭いを有する請求項１記載のガス漏洩検知システム。
4. 添加分子Ｄをイオン化させる空間から外界にイオン流が漏れ出ない様にする障壁構造をガスセンサに設けた請求項１記載のガス漏洩検知システム。
5. ガスセンサの障壁構造がガス透過性を有する多孔質体である請求項４記載のガス漏洩検知システム。
6. 添加分子Ｄの検知と同時にガスのイオン流をオフにする請求項１記載のガス漏洩検知システム。
7. 添加分子Ｄの検知により静電気もしくは火気に注意するように警告メッセージを音声で流す回路のスイッチを入れる機能を備えた請求項１記載のガス漏洩検知システム。
8. 添加分子Ｄの検知により、車内もしくは室内を換気する回路のスイッチを入れる機能を備えた請求項１記載のガス漏洩検知システム。
9. 前記分子Ａのイオン化ポテンシャルと前記分子Ｄのイオン化ポテンシャルとの差が０．５ｅＶ以上である請求項１記載のガス漏洩検知システム。
10. ガス分子をイオン化させるガスセンサを用いて不純物ガスを検知する方法であって、
    前記ガスセンサから得られるガスのイオン化ポテンシャルが、本来存在しているガスである分子Ａのイオン化ポテンシャルとは異なる場合に、分子Ｄからなる不純物ガスが含まれていると決定する工程を有する、方法。
    
    

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