JP2006038537A

JP2006038537A - ガス検出装置

Info

Publication number: JP2006038537A
Application number: JP2004216542A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nomi; 隆能美
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP4398320B2

Abstract

【課題】監視区域の水素ガスを早期に検知すること。
【構成】監視区域にある水素関連施設から空気をサンプリングするサンプリング管１０を設け、そのサンプリング管１０の基端側にドライポンプ１２を設ける。そして、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する質量分析計ＭＳも管１０の基端側に備える。こうして、この質量分析計により、空気中に漏洩した水素ガスを検知する。
サンプリング管の先端部又は途中にメンブレンフィルタ１３，１５を設けて、防滴効果を持たせると共に、水素の選択透過性を高める。また、そのメンブレンフィルタは、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径のフィルタで構成してある。
質量分析計はヒータで加熱され、また差動排気システムにより、サンプリング管と質量分析計を接続している。
【選択図】図１

Description

本発明はガス検出装置に関するものである。

近年、燃料電池の開発に伴い、水素を扱う水素ステーション（水素スタンド）と呼ばれる施設が建てられている。水素は爆発の危険性があることから、水素ステーションなどの施設において、水素ガスの漏洩を早期に検出できる防災システムの確立が望まれている。しかし、水素ガスは、空気より軽く、分子が小さいためため、配管などから漏洩すると、空気中に拡散してしまい、水素ガスの検知は非常に困難である。また爆発に備えて防爆用のガス検知器を使用した場合、ガスの検知により時間がかかってしまうという問題があった。

ガスを検知する手段としては、半導体式や接触燃焼式といった汎用のガスセンサの他に、質量分析計がある。質量分析計は、検知対象であるガスを一分子から１００％までの範囲で検出できる優れた機器であるが、主に室内で使用する精密な分析用の機器であるため、屋外でのガスの漏洩の検出には適していない。特許文献１には、この質量分析計を使用して、機器類の気密性をテストする質量分析型ガス漏れ検知器が開示されている。
特開平６−１３７９８６号公報

しかし、このガス漏れ検知器には、屋外におけるガスの検出にあたって、ノイズを除去する手段が講じられていなかった。つまり、屋外でガスをサンプリングすると、対象となるガスだけでなく、空気中の水分をも検出することになる。質量分析計は、その非常に高感度の特性のため、わずかな水分をも検出してしまうと、得られるマススペクトルのピークがぼやけ、何のガスを検出したか識別できなくなってしまうという問題があった。そこで、本発明は、質量分析計を使用して、監視区域の水素ガスを早期に検知することを目的とする。

本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、監視区域から空気をサンプリングするサンプリング管と、該サンプリング管の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する質量分析計とを備えたガス検出装置において、前記質量分析計により、前記空気中の水素ガスを検知することを特徴とするものである。

また、サンプリング管の先端部又は途中にメンブレンフィルタを設け、そのメンブレンフィルタを、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径のフィルタで構成することを特徴とするものである。また、質量分析計をヒータで加熱することを特徴とするものである。更に、質量分析計の圧力を高い真空状態に保ち、サンプリング管内を大気圧状態に保ち、該質量分析計と前記サンプリング管をガス導入管を介して接続したことを特徴とするものである。

質量分析計により、空気中に漏洩した水素ガスを検知するようにしたので、通常のガスセンサに比べ、著しく早くガスを検知でき、ガスを低濃度から高濃度まで検知することが可能となる。またサンプリング管を使用することで、監視区域において漏洩したガスを質量分析計に導入することができる。

また、サンプリング管の先端部に、メンブレンフィルタを設けたので、防滴効果が向上し、サンプリング管内に水が浸入するのを防止できる。また、サンプリング管に、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径のメンブレンフィルタを設けたので、サンプリング管の途中で爆発が生じることを防ぐことができる。

また、質量分析計をヒータで加熱するようにしたので、質量分析計内のガス用の配管内に水滴が付着したりした際、水滴の凍結を防止することができる。

図１は本発明のガス検出装置Ｇを説明するためのシステムブロック図である。本発明のガス検出装置Ｇは、質量分析計ＭＳと、サンプリング管１０とドライポンプなどを備えたサンプリング部分とから構成される。

図において、ＭＳは質量分析計である。質量分析計ＭＳは、イオン化部２，質量分離部４（分析部ともいう），検出部６とで構成されており、サンプリング管１０の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する。

質量分析計ＭＳのイオン化部２としては、最も一般的な電子衝撃イオン化（ＥＩ）法が一例として使用される。これは、加速した電子を試料（中性）分子に衝突させ、イオン化させる方法である。

質量分離部４については、例えば、最も普及している、四重極型を使用している。四重極型は４本のポール状電極の対角線各２本に同一極性の同一電圧をかけ、この極性を高速で切り換えるときにポール内を通過できるイオンの質量数がポールにかけた電圧に比例することを利用して、特定の質量電荷比（ｍ／z）をもつイオン（本実施形態の場合は水素イオン）のみを通過させ分離を行うものである。なお、ｍは分子量、ｚは電荷数である。

検出部６は光電子増倍管などを備え、分離された１つのイオンを検出する。検出部６は、外部のデータ解析処理装置８と接続され、検出信号をデータ解析処理装置へ送るように構成されている。そして、イオンを質量ごとに分離して検出することにより、横軸(イオンの質量数)／縦軸(イオンの検出強度)からなるMSスペクトルを得るように構成されている。データ解析処理装置８は、質量分析計ＭＳからのスペクトルデータを処理して必要なピーク値のみ選択してデータ解析する。

質量分析計ＭＳを構成するイオン化部２，質量分離部４，及び検出部６は、ガス分析するにあたって、高い真空度を必要とするので、真空ポンプとしてのターボ分子ポンプＴＭＰとドライポンプ９を２台直結して、質量分析計ＭＳの室内の圧力を１０↑−５Ｔｏｒｒ程度の圧力にしている。この圧力は、１０↑−４〜１０↑−６Ｔｏｒｒの範囲で調整され、その中で好ましい値が、１０↑−５Ｔｏｒｒである。なお、ポンプの台数を増やして、イオン化部２、質量分離部４，検出部６の室内の圧力を、順次低下させるような差動排気系のシステムを構成するようにしてもよい。

以上で説明した質量分析計ＭＳに関する部分は、既に知られている他の質量分析計ＭＳに置き換えることが可能である。例えば、イオン化や質量分離の原理の異なる、ソフトイオン化法や、イオントラップ式や、磁場型、ＴＯＦ式などの他の質量分析計を使用してもよい。

続いて、サンプリング部分について説明する。１０はサンプリング管で、その先端は監視区域に設置され、基端にはドライポンプ１２が接続されて、監視区域から空気をサンプリングしている。ここで監視区域は、例えば水素ステーションなどの水素を貯蔵した施設などである。

本実施形態では、真空ポンプとして、油動作液を使用する「ウェットポンプ」を使用せずに、油動作液を使用しない「ドライポンプ」を使用している。これは、「ウェットポンプ」を使用すると、排気動作を行わせるのに必要な動作液である油が原因となって、質量分析計ＭＳ内で油汚染となって、スペクトルに油成分による干渉ピークが生じるからである。また油中にサンプルガスが溶存して、いつまでも残存ピークとしてサンプルピークが消滅しないといった問題も生じる。

サンプリング管１０の内径は、流速が低下しないように、できるだけ細くすることが望ましい。この内径は、監視区域からドライポンプ１２までの距離によって調整され、例えばその距離が１ｍ程度なら、内径が０．３ｍｍ程度以下のサンプリング管が使用される。また、その距離が１０ｍ程度なら、サンプリング管の内径を０．５２ｍｍ程度に調整して、所定時間内に一定流量の空気をサンプリングできるように管径は調整される。

サンプリング管１０の先端部には、第１のメンブレンフィルタ１３が設けられ、また、サンプリング管１０の途中には、第２のメンブレンフィルタ１５が設けられる。メンブレンフィルタとしては、ゴム等の高分子膜、セラミック多孔体、金属焼結体、液膜などが使用される。第１のメンブレンフィルタ１３は例えば、高分子膜から形成され、孔径が０．０１〜１μｍのものが使用され、好ましくは０．０５μｍのものが使用される。また第２ののメンブレンフィルタ１５の孔径は１μｍ〜０．３ｍｍのものが使用され、好ましくは、０．５μｍ程度のものが使用される。この第２のメンブレンフィルタ１５としては、特に金属焼結体又は金網が使用される。

メンブレンフィルタ１３，１５には、その孔径によって、「防滴」、「水素の選択性」、「消炎（水素ガスによる爆発を防止）」という３つの機能（効果）がある。孔径が０．６ｍｍ未満であれば、消炎の効果があり、５０μｍ以下であれば防滴の効果がある。そして、孔径が１０μｍ以下であれば、酸素分子などをカットして、分子径の小さい水素分子だけを効率よく選択して透過させる膜（フィルタ）となる。

サンプリング管１０において、ドライポンプ１２の一次側と質量分析計ＭＳは、細い管径のガス導入管２０によって接続されている。そして、ガス導入管２０の途中には、流量制御用のニードルバルブ２２が設けられ、ガス導入管２０の流路を絞っている。なお、ニードルバルブ２２に変えてオリフィスを使用してもよい。ここで、サンプリング管１０のドライポンプ側１２の圧力は、７６０ｔｏｒｒ（およそ１０↑３ｔｏｒｒ）で、質量分析計ＭＳの圧力は、１０↑−５ｔｏｒｒで、高い真空状態にあり、両者の圧力差は大きい。このため、サンプリング管１０と質量分析計ＭＳとを、ガス導入管２０を介して接続し、ニードルバルブ２２によってその流路を絞ってある。こうすることで、質量分析計ＭＳの真空状態を保ち、かつガス成分も通過できるようにすることが可能となり、いわゆる差動排気系が構成されている。このような差動排気系のシステムを介して質量分析計ＭＳにサンプリングした空気を導入するので、質量分析計ＭＳに不純物が入りにくく、長期のモニタリングが可能となる。

なお、図において、３０は加熱手段としてのヒータである。ヒータ３０は１００℃で質量分析計ＭＳ全体とガス導入管２０を加熱するものである。これは、質量分析計ＭＳ内部では圧力が低いことから、質量分析計ＭＳ内のガス用の配管（キャピラリ）内に水滴が付着したりすると、大気圧下に比べ凍結しやすいからで、この凍結を防止するためである。特に、ガス導入管２０におけるニードルバルブ２２で絞られ、細くなった部分は凍結の可能性が高いので、ヒータ３０による加熱が望まれる。

次に、屋外の監視区域にある図示しない水素ステーションなどの施設において、配管などの亀裂箇所から、水素が漏洩する場合について説明する。水素ガスは空気中へと拡散されるが、その一部は、サンプリング管１０の先端部にあるメンブレンフィルタを通って、サンプリングされる。

この時、サンプリング管１０の先端部にはメンブレンフィルタ１３が設けてあるので、雨粒がサンプリング管１０に入ることはなく、サンプリング管１０内部へは気体のみを通過させて、空気中の水分（液体）の浸入を阻止する事が可能となる。つまり、雨粒などの水滴の大きさは、２０〜５０μｍの粒径でメンブレンフィルタ１３より大きいので、メンブレンフィルタ１３を設けることで防滴効果が向上し、屋外にガス検出装置Ｇを設置しても支障がない。

またメンブレンフィルタ１３に０．０５μｍという孔径の小さいものを使用することで、検知対象である分子径の小さい水素分子のみを透過させて酸素分子がサンプリング管１０に流入するのを防止できる。このように水素分子だけを選択することで、サンプリング管１０に入る水素ガスを濃縮することができる。

サンプリング管１０によって吸い込まれた水素ガスは、大部分がドライポンプ１２側へ導かれて、排気され大気中に放出されるが、その一部は、ガス導入管２０及びニードルバルブ２２を通って、質量分析計ＭＳに導入される。

ところで、「サンプリング管１０の内径は、流速が低下しないように、できるだけ細くするとことが望ましい」と前述した。これは、一つは流速を低下させないことで、ガスの漏洩時は、早期にガスを検出するためであるが、もう一つ理由がある。それは、太い径の管を使用すると、水素ガスをサンプリングしている際に爆発を起こす危険があるからである。

水素ガスの消炎距離、即ち、爆発によって炎が生じるのに必要な最低限の距離は、０．６mmである。つまり、サンプリング管１０の内径を０．６ｍｍ未満にしておけば、サンプリング管１０の距離を伸ばしても、その途中で爆発が生じることを防ぐことができる。本実施形態では、０．６mm未満の内径のサンプリング管１０を使用しているので、特に爆発の問題は生じることはないが、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径の第２のメンブレンフィルタ（金属製フィルタ）１５を設けることで、吸引した水素ガスによる爆発をより確実に防止することが可能となる。

また管径が小さく、管内がより低い圧力下では、そのサンプリング管１０を流れる気体分子の流れは、粘性流から分子流となり、分子が互いに衝突しない平均自由工程が大きくなるので、結果として水素ガスが濃縮された状態となる。

サンプリングした水素ガスを含んだ空気が、質量分析計ＭＳに導入されると、イオン化部２でイオン化され、質量分離部４で、特定の質量電荷比をもつ水素イオンのみを通過させ分離を行い、検出部６が、その分離されたイオンを検出する。そして、検出部６は、検出信号をデータ解析処理装置８へ送る。ここで、質量電荷比２にピークを有するマススペクトルが得られることから、そのピークを水素分子と認識して検出する。このようにして、質量分析計ＭＳにより、屋外（監視区域）において空気中に漏洩した水素ガスを検知する。なお、データ解析処理装置８は、水素ガス（水素分子）を検知した際、火災が発生したと判断し、図示しない火災警報部を動作させるようにしてもよい。

本発明のガス検出装置Ｇを説明するためのシステムブロック図である。

符号の説明

２イオン化部、４質量分離部、６検出部、
８データ解析処理装置、１０サンプリング管、１２ドライポンプ、１３メンブレンフィルタ、１５メンブレンフィルタ、２０ガス導入管、
２２ニードルバルブ、３０ヒータ、
ＭＳ質量分析計、ＴＭＰターボ分子ポンプ、

Claims

監視区域から空気をサンプリングするサンプリング管と、該サンプリング管の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する質量分析計とを備えたガス検出装置において、
前記質量分析計により、前記空気中の水素ガスを検知することを特徴とするガス検出装置。
サンプリング管の先端部又は途中にメンブレンフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
前記メンブレンフィルタは、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径のフィルタであることを特徴とする請求項２記載のガス検出装置。
前記質量分析計をヒータで加熱することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
前記質量分析計の圧力を高い真空状態に保ち、前記サンプリング管内を大気圧状態に保ち、該質量分析計と前記サンプリング管をガス導入管を介して接続したことを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。