JP2023070840A - 熱伝導式ガスセンサおよびガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導式ガスセンサの向きや周辺環境の圧力が変わっても、検知対象ガスの濃度を高い精度で検知することができる熱伝導式ガスセンサおよびガス検知器を提供する。【解決手段】内部に被検ガスを導入するガス導入口を有するケーシングと、前記ケーシング内に配置された、コイル状の機能部を有する熱伝導素子と、前記ケーシング内において前記熱伝導素子を収納する熱伝導素子収納部材とを備えてなり、前記熱伝導素子収納部材は、前記熱伝導素子が収納される収納室と、前記収納室に被検ガスを導入する通気口とを有し、前記収納室において、前記熱伝導素子における前記機能部は、前記通気口を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導式ガスセンサおよびこれを備えたガス検知器に関する。

例えば可燃性ガスなどを検知するガスセンサとしては、熱伝導式ガスセンサが知られている。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。

このような熱伝導式ガスセンサとしては、ガス導入口を有するケーシング（キャップ）と、このケーシング内に配置された熱伝導素子を備え、熱伝導素子が、白金よりなる芯線の表面に金よりなる被覆膜が形成された構成のものが知られている（特許文献１参照。）。
この熱伝導式ガスセンサにおいては、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、ガス導入口からケーシング内に流入すると、熱伝導素子に検知対象ガスが接触することにより、発熱した熱伝導素子の温度が、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。

特開昭６１－１０５４５１号公報

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出器においては、当該熱伝導式ガスセンサの向きが変わると濃度指示値が変動する方向依存性や、周辺環境の圧力が変わると濃度指示値が変動する圧力依存性を有するという問題がある。このような問題が生じる理由は、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℃程度の高温に発熱し、この熱伝導素子の発熱によって当該熱伝導素子の周辺において気流が生じる。そして、熱伝導式ガスセンサの向きが変わったり、周辺環境の圧力が変わったりすると、気流の状態が変化する結果、熱伝導に差が生じることにより、濃度指示値が変動する。

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の向きや周辺環境の圧力が変わっても、検知対象ガスの濃度を高い精度で検知することができる熱伝導式ガスセンサおよびガス検知器を提供することにある。

本発明の熱伝導式ガスセンサは、内部に被検ガスを導入するガス導入口を有するケーシングと、
前記ケーシング内に配置された、コイル状の機能部を有する熱伝導素子と、
前記ケーシング内において前記熱伝導素子を収納する熱伝導素子収納部材と
を備えてなり、
前記熱伝導素子収納部材は、前記熱伝導素子が収納される収納室と、前記収納室に被検ガスを導入する通気口とを有し、
前記収納室において、前記熱伝導素子における前記機能部は、前記通気口を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれていることを特徴とする。

本発明の熱伝導式ガスセンサにおいては、前記機能部と前記機能部を取り囲む前記壁面との離間距離が０．２～２．０ｍｍであり、前記機能部と前記通気口との離間距離が０．８～２．２ｍｍであることが好ましい。
また、前記機能部の径が０．２～０．４ｍｍであることが好ましい。

また、本発明の熱伝導式ガスセンサにおいては、前記通気口を通過する気流を規制する、通気性を有する気流規制部材が、前記通気口を覆うよう配置されていることが好ましい。
また、前記気流規制部材がガラスウールよりなることが好ましい。

本発明のガス検知器は、上記の熱伝導式ガスセンサを備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導素子が収納される収納室において、当該熱伝導素子における機能部が、通気口を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれているため、熱伝導式ガスセンサの向きや周辺環境の圧力が変わっても、検知対象ガスの濃度を高い精度で検知することができる。
また、通気口を通過する気流を規制する気流規制部材が、通気口を覆うよう配置されることにより、検知対象ガスの濃度をより一層高い精度で検知することができる。

本発明の熱伝導式ガスセンサの一例における構成を示す説明用断面図である。 図１に示す熱伝導式ガスセンサを分解して示す説明図である。 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。 熱伝導素子収納部材における凹所を拡大して示す平面図である。 熱伝導素子収納部材における凹所およびその周辺部分を熱伝導素子の長手方向に沿って切断して示す説明用断面図である。 熱伝導素子収納部材における凹所およびその周辺部分を熱伝導素子の長手方向に垂直な方向に沿って切断して示す説明用断面図である。 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。 実施例の方向依存性試験において、熱伝導式センサにおける熱伝導素子収納部材の向きを示す説明図である。 実施例の方向依存性試験の結果を示すグラフである。 実施例の圧力依存性試験の結果を示すグラフである。

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、本発明の熱伝導式ガスセンサの一例における構成を示す説明用断面図である。図２は、図１に示す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１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。

ケーシング１１内における基板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。

熱伝導素子２５は、図３（ａ）に示すように、コイル状の機能部２５ａと、この機能部２５ａの両端の各々に一体に連結されたリード部２５ｂとにより構成されている。また、熱伝導素子２５は、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、芯線２５ｃと、この芯線２５ｃの表面に形成された被覆膜２５ｄ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０．１μｍ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２５における機能部２５ａの径（コイル径）は０．２～０．４ｍｍであることが好ましい。
また、熱伝導素子２５における機能部２５ａの長さ（コイル長）は、例えば０．３～１．２ｍｍである。
また、機能部２５ａを構成するコイルの巻き数は、例えば８～１２ターンである。
熱伝導素子２５の寸法の一例を挙げると、素線の線径が２０μｍ、機能部２５ａの径が０．３ｍｍ、機能部２５ａの長さが１．０ｍｍであり、機能部２５ａを構成するコイルの巻き数は１１ターンである。

この例における熱伝導素子収納部材２０の凹所２６は、図４にも示すように、熱伝導素子２５の長手方向（機能部２５を構成するコイルの軸方向）と同方向に伸びる長尺な平面形状を有し、凹所２６における中央領域に収納室Ｓが形成されている。また、この凹所２６の開口は収納室Ｓに被検ガスを導入する通気口２７とされている。この通気口２７は、ケーシング１１のガス導入口１１ａに対向するよう形成されている。

熱伝導素子収納部材２０の凹所２６において、収納室Ｓの両側には、熱伝導素子２５を支持する支持領域Ｒが形成されている。収納室Ｓの底面と支持領域Ｒの各々の底面との境界には段部が形成され、これにより、支持領域Ｒの各々の底面が収納室Ｓの底面より突出した状態とされている。そして、熱伝導素子収納部材２０には、２つの導電ピン２４が、熱伝導素子収納部材２０の裏面から当該熱伝導素子収納部材２０の厚み方向に伸びて支持領域Ｒに到達するよう設けられている。熱伝導素子２５におけるリード部２５ｂの各々の外端部は、導電ピン２４の各々の端面に電気的に接続された状態で固定支持されており、導電ピン２４の各々の端面は、エポキシ樹脂よりなるスポットコート２３によって覆われている。また、支持領域Ｒの各々には、樹脂封止材２８がスポットコート２３を覆うよう充填されている。

熱伝導素子収納部材２０の収納室Ｓにおいて、熱伝導素子２５における機能部２５ａは、通気口２７を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれている。この例では、図６に示すように、熱伝導素子２５における機能部２５ａは、熱伝導素子収納部材２０の収納室Ｓにおける２つの側壁面Ｗ１，Ｗ２と、底壁面Ｗ３とによって取り囲まれている。

収納空間Ｓにおいて、熱伝導素子２５における機能部２５ａと、当該機能部２５ａを取り囲む壁面（図示の例では、側壁面Ｗ１，Ｗ２および底壁面Ｗ３の各々）との離間距離は、０．２～２．０ｍｍであることが好ましい。また、機能部２５ａを取り囲む壁面のうち、通気口２７に対向しない壁面（図示の例では側壁面Ｗ１，Ｗ２）と機能部２５ａとの離間距離は、０．２～１．２ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．４～１．０ｍｍである。
機能部２５ａと壁面との離間距離が過小である場合には、熱伝導素子２５が放熱しすぎてしまうため、熱伝導素子２５が必要な温度に到達しにくくなることがある。一方、機能部２５ａと壁面との離間距離が過大である場合には、通気口２７の向きが上向きのときに熱伝導素子２５からの上昇気流が大きくなり、通気口２７の向きが下向きの場合と比べて、熱伝導素子２５の放熱の状態が大きく異なるため、通気口２７の向きが上向きから他の向き例えば下向きに変わったり、周辺環境の圧力が変わったりすると、濃度指示値が変動しやすくなることがある。

また、収納空間Ｓにおいて、熱伝導素子２５における機能部２５ａと、通気口２７との離間距離は０．８～２．２ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１．２～１．８ｍｍである。
機能部２５ａと通気口２７との離間距離が過小である場合には、通気口２７の向きが上向きのときに熱伝導素子２５からの上昇気流が大きくなり、通気口２７の向きが下向きの場合と比べて、熱伝導素子２５の放熱の状態が大きく異なるため、通気口２７の向きが上向きから他の向き例えば下向きに変わったり、周辺環境の圧力が変わったりすると、濃度指示値が変動しやすくなることがある。一方、機能部２５ａと通気口２７との離間距離が過大である場合には、検知対象ガスを検知したときの出力が小さくなることがある。

熱伝導素子収納部材２０の表面上には、通気口２７を通過する気流を規制する円形のシート状の気流規制部材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。
この気流規制部材１２を構成する材料としては、通気性を有するものが用いられ、その具体例としては、ガラスウール、石英ウール、アルミナウールなどが挙げられる。
また、気流規制部材１２の厚みは、例えば０．２～０．８ｍｍである。

気流規制部材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、気流規制部材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。

図７は、本発明の熱伝導式ガスセンサを備えた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、図１に示す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。
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（図２参照）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（図２参照）を介して温湿度検知素子１６に電気的に接続されている。

このようなガス検知器においては、熱伝導素子２５に例えば０．２～２．０Ｖの電圧が印加された状態で、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および気流規制部材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。これにより、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。

上記の熱伝導式ガスセンサ１０によれば、熱伝導素子２５が収納される収納室Ｓにおいて、当該熱伝導素子２５における機能部２５ａが、通気口２７を除き、気流を遮断する壁面Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３によって取り囲まれているため、熱伝導式ガスセンサ１０の向きや周辺環境の圧力が変わっても、収納室Ｓ内における気流の状態の変化が抑制され、その結果、検知対象ガスの濃度を高い精度で検知することができる。
また、通気口２７を通過する気流を規制する気流規制部材１２が、通気口２７を覆うよう配置されることにより、通気口２７を通過する気流の状態の変化が抑制されるので、検知対象ガスの濃度をより一層高い精度で検知することができる。

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。
例えば熱伝導素子収納部材２０の収納室Ｓとしては、熱伝導素子２５における機能部２５ａが、通気口２７を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれる構造であれば、図４および図５に示すものに限定されず、種々の形状のものを採用することができる。
また、熱伝導素子収納部材２０における樹脂封止材２８は必須のものではなく、スポットコート２３が露出した状態とされていてもよい。

〈実施例１〉
図１乃至図６に示す構成に従い、下記の仕様の熱伝導式センサを作製し、この熱伝導式センサを用いて、図７に示す構成のガス検知器を作製した。
［ケーシング（１１）］
材質：ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂
寸法：全長＝１６．６ｍｍ，ガス導入口（１１ａ）の径＝１１．０ｍｍ
［気流規制部材（１２）］
材質：ガラスウール
寸法：直径＝１２．８ｍｍ，厚み＝０．４０ｍｍ
［熱導電素子収納部材（２０）］
材質：ガラス繊維を含有するポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂
寸法：直径＝１６．０ｍｍ，厚み＝６．７ｍｍ
収納室（Ｓ）の寸法：長さ（熱伝導素子の長手方向の寸法）＝２．５ｍｍ，幅＝２．２ｍｍ，高さ＝４ｍｍ
［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：素線の線＝２０μｍ，機能部（２５ａ）の径＝０．３ｍｍ，機能部（２５ａ）の長さ＝１．０ｍｍである。
以上において、熱伝導素子（２５）の機能部（２５ａ）と収納室（Ｓ）の側壁面（Ｗ１，Ｗ２）との離間距離は、それぞれ０．９５ｍｍであり、熱伝導素子（２５）の機能部（２５ａ）と収納室（Ｓ）の底壁面（Ｗ３）との離間距離は、１．７５ｍｍである。また、熱伝導素子（２５）の機能部（２５ａ）と通気口（２７）との離間距離は１．９５ｍｍである。

［方向依存性試験］
上記のガス検知器を、イソブタンガス（濃度１００体積％）雰囲気下において運転させ、熱導電素子収納部材（２０）の向きが図８に示す方向となる姿勢１～姿勢６に変更しながら、出力値を測定し、姿勢１の出力値を１００％としたときの相対出力値を求めた。ここで、各姿勢の出力値は、当該姿勢で３０秒間保持した後に測定した。結果を図９に示す。

［圧力依存性試験］
上記のガス検知器を、イソブタンガス（濃度１００体積％）雰囲気下において運転させ、環境圧力が基準圧力（常圧）であるときの出力値を１００％とした場合に、環境圧力を変化させたときの相対出力値を調べた。結果を図１０に示す。図１０において、環境圧力の値はゲージ圧を示す。

〈比較例１〉
熱導電素子収納部材を用いなかったこと以外は実施例１と同様の構成の熱伝導式ガスセンサおよびガス検知器を作製した。
このガス検知器について、実施例１と同様にして方向依存性試験および圧力依存性試験を行った。結果を図９および図１０に示す。

図９および図１０の結果から明らかなように、実施例１に係るガス検知器によれば、熱伝導式ガスセンサの向きや周辺環境の圧力が変わっても、検知対象ガスの濃度を高い精度で検知することができることが確認された。

１０ 熱伝導式ガスセンサ
１１ ケーシング
１２ 気流規制部材
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
２３ スポットコート
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
２８ 樹脂封止剤
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
Ｒ 支持領域
Ｓ 収納室
Ｗ１，Ｗ２ 側壁面
Ｗ３ 底壁面

Claims (6)

1. 内部に被検ガスを導入するガス導入口を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に配置された、コイル状の機能部を有する熱伝導素子と、
   前記ケーシング内において前記熱伝導素子を収納する熱伝導素子収納部材と
   を備えてなり、
   前記熱伝導素子収納部材は、前記熱伝導素子が収納される収納室と、前記収納室に被検ガスを導入する通気口とを有し、
   前記収納室において、前記熱伝導素子における前記機能部は、前記通気口を除き、気流を遮断する壁面によって取り囲まれていることを特徴とする熱伝導式ガスセンサ。
2. 前記機能部と前記機能部を取り囲む前記壁面との離間距離が０．２～２．０ｍｍであり、前記機能部と前記通気口との離間距離が０．８～２．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導式ガスセンサ。
3. 前記機能部の径が０．２～０．４ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導式ガスセンサ。
4. 前記通気口を通過する気流を規制する、通気性を有する気流規制部材が、前記通気口を覆うよう配置されてい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熱伝導式ガスセンサ。
5. 前記気流規制部材がガラスウールよりなることを特徴とする請求項４に記載の熱伝導式ガスセンサ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱伝導式ガスセンサを備えてなることを特徴とするガス検知器。

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