JP2023148209A - 防爆形ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガス応答性能の向上を図る。【解決手段】素子ユニット３Ｂは、２つの収容部３３ａ，３３ｂが並設された均熱用台座３３が固定され、センサ本体に取り付けられるセンサホルダ３１と、２つの収容部３３ａ，３３ｂの一方に収容される水素センサ素子５と、対象エリアの可燃性ガスを水素センサ素子５に導入するガス導入穴３６ｂが形成されるとともに、ガス導入穴３６ｂに焼結フィルタ３６ｃが一体形成された第１のガス導入部材３６Ａと、２つの収容部３３ａ，３３ｂの他方に収容される環境センサ１１と、第１のガス導入部材３６Ａと並設され、対象エリアの可燃性ガスを環境センサ１１に導入するガス導入穴３６ｂが形成されるとともに、ガス導入穴３６ｂに焼結フィルタ３６ｃが一体形成された第２のガス導入部材３６Ｂと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、対象エリアにおいて、例えば水素などの爆発性を有する可燃性ガスを検出対象ガスとして検知する防爆形ガスセンサに関するものである。

従来、水素などの爆発性を有する可燃性ガスを検知する防爆形ガスセンサの一例として、例えば下記特許文献１に開示される特定ガス濃度センサが知られている。この特定ガス濃度センサは、熱伝導型のセンサであり、気流があるとその気流によるヒータからの熱を奪うため、正確な特定ガス濃度を計測することができない。また、特定ガスが水素のような可燃性ガスの場合、ヒータ加熱により発火し、その濃度によっては爆発の危険性がある。そこで、特許文献１に開示される特定ガス濃度センサでは、メッシュ構造を有するキャップでセンサ素子やヒータ部分を覆う構成を採用している。これにより、気流の遮断効果と防爆型の達成を実現している。

ところで、この種の熱伝導型の防爆形ガスセンサでは、後述する環境変化の影響をキャンセルするため、機器内に水素センサ素子とは独立した環境センサを備えている。

特許第５８８８７４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１の特定ガス濃度センサを含む従来の熱伝導型の防爆形ガスセンサは、水素センサ素子と環境センサが同じ空間に配置され、空間体積も大きいため、十分なガス応答性能を得ることができなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、ガス応答性能の向上を図ることができる防爆形ガスセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された防爆形ガスセンサは、センサ本体内の火災が外部に漏れないように素子ユニットが前記センサ本体に取り付けられ、対象エリアの検出対象ガスを検出する防爆形ガスセンサにおいて、
前記素子ユニットは、
２つの収容部が並設された均熱用台座が固定され、前記センサ本体に取り付けられるセンサホルダと、
前記２つの収容部の一方に収容されるセンサ素子と、
前記対象エリアの検出対象ガスを前記センサ素子に導入するガス導入穴が形成されるとともに、前記ガス導入穴に焼結フィルタが一体形成された第１のガス導入部材と、
前記２つの収容部の他方に収容される環境センサと、
前記第１のガス導入部材と並設され、前記対象エリアの検出対象ガスを前記環境センサに導入するガス導入穴が形成されるとともに、前記ガス導入穴に焼結フィルタが一体形成された第２のガス導入部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載された防爆形ガスセンサは、請求項１の防爆形ガスセンサにおいて、
前記センサ素子と前記第１のガス導入部材との間には多孔質フィルタが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、センサ素子と環境センサを別空間による収容部に収容した独立構造とし、センサ素子と環境センサそれぞれに対応して焼結金属からなるガス導入部材を配置した構成なので、センサ素子からの熱により環境センサの測定値に影響を受けることがなく、ガス応答性能の向上を図ることができる。

本発明に係る防爆形ガスセンサの改良後の素子ユニットの側断面図である。 本発明に係る防爆形ガスセンサの全体構成を示す斜視図である。 素子ユニットに設けられる水素センサ素子の外観図である。 本発明に係る防爆形ガスセンサの改良前の素子ユニットの側断面図である。 図４の改良前の素子ユニットと図１の改良後の素子ユニットによるガス応答率の比較図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、防爆構造の容器に導入される対象エリアの検出対象ガスを検出する防爆形ガスセンサに関するものである。以下、本実施の形態では、検出対象ガスとして水素ガスを検知する防爆形水素センサ（以下、水素センサと略称する）を例にとって説明する。

図２に示すように、本実施の形態の水素センサ１は、検知したガス濃度や警告ランプなどの各種表示内容を表示する表示部２ａが設けられたセンサ本体２と、センサ本体２内の火災が外部に漏れないようにセンサ本体２に取り付けられ、対象エリアに存在する水素ガスを検知する素子ユニット３と、素子ユニット３が検知した検知信号を出力するセンサケーブルや電源用ケーブルなどの各種ケーブルをセンサ本体２から外部に導出するためのケーブル導出部４を備えて概略構成される。

素子ユニット３は、図３に示すような素子本体５ａがメタルキャンの容器からなる水素センサ素子５を備えている。

水素センサ素子５と環境センサ１１は素子ユニット３の内部に格納され、この空間内でガスを検知する。なお、図示はしないが、外部空気（大気）と素子ユニット３との空間の間には、通気抵抗のある焼結金属と防塵／防水用の多孔質フィルタ（水素センサ素子５の上部のみに存在）が設けられる。

ここで、水素センサ素子５を含む素子ユニット３として、本件出願人による従来の構造では、素子ユニット３と大気との間に全面焼結金属を採用していた。しかし、本発明に係る水素センサは耐圧防爆認証取得を目的としており、上記全面焼結金属では防爆性能が得られない。このため、図４に示す構造に素子ユニット３Ａに変更した。

図４の素子ユニット３Ａは、前述した水素センサ素子５と環境センサ１１に加え、センサホルダ２１、アナログ基板２２、均熱用台座２３、多孔質フィルタ２４、素子カバー２５、ガス導入部材２６、センサカバー２７を備えて概略構成される。

センサホルダ２１は、例えばステンレス鋼からなり、段付き貫通穴２１ａが形成され、センサ本体２に取り付けられる。

アナログ基板２２は、センサホルダ２１の段付き貫通穴２１ａに設けられ、センサ本体２の不図示の回路基板と電気的に配線接続される。

均熱用台座２３は、例えばステンレス鋼からなり、温度を一定に保って加熱され、センサホルダ２１の段付き貫通穴２１ａ内のアナログ基板２２の下部に設けられる。

水素センサ素子５は、均熱用台座２３に取り付け、アナログ基板２２に配線接続されており、対象エリアから導入される水素ガスを検出する。

多孔質フィルタ２４は、防塵／防水用のフィルタとして、水素センサ素子５の直下に設けられる。

環境センサ１１は、均熱用台座２３に水素センサ素子５と並設して取り付け、アナログ基板２２に配線接続されており、素子ユニット３Ａ近傍の環境（例えば温度と湿度）を測定する。

素子カバー２５は、例えばステンレス鋼からなり、水素センサ素子５と環境センサ１１を覆うようにセンサホルダ２１の先端部に取り付けられる。

ガス導入部材２６は、素子カバー２５の中央で図４の紙面奥行き方向に並設され、対象エリアからの水素ガスを導入するためのガス導入穴２６ａが形成されており、ガス導入穴２６ａの下端部分にはステンレス鋼からなる焼結フィルタ２６ｂが一体形成される。

焼結フィルタ２６ｂは、センサ本体２内の火災が外部に漏れないように火を遮断し、異物をブロックして対象エリアから導入される水素ガスを水素センサ素子５側に通過させる。

センサカバー２７は、例えばアルミニウム合金鋳物からなり、対象エリアからの水素ガスを導入するための複数の開口穴２７ａが形成されており、素子カバー２５およびガス導入部材２６を覆うようにセンサ本体２に着脱可能に取り付けられる。

しかしながら、上述した図４の素子ユニット３Ａでは、水素センサ素子５と環境センサ１１が素子カバー２５内の同一空間内に配置され、大気と素子ユニット３Ａ内のガス導入部材２６の面積を絞ったこと、素子カバー２５内における水素センサ素子５と多孔質フィルタ２４の空間体積が大きいことからガス導入部材２６から水素センサ素子５に水素ガスが導入されるまでに時間を要してガス応答性能が低下した。

このため、本実施の形態では、図１に示す素子ユニット３Ｂを採用することでガス応答性能の改善を図った。図１の素子ユニット３Ｂでは、水素センサ素子５と環境センサ１１の空間を独立させ、焼結金属の空間の直上に水素センサ素子５が配置される構造となっている。

さらに素子ユニット３Ｂの構造について図１を参照しながら詳細に説明する。図１の素子ユニット３Ｂは、前述した水素センサ素子５と環境センサ１１に加え、センサホルダ３１、アナログ基板３２、均熱用台座３３、均熱カバー３４、多孔質フィルタ３５、ガス導入部材３６、センサカバー３７を備えて概略構成される。

センサホルダ３１は、例えばステンレス鋼からなり、段付き貫通穴３１ａが形成され、センサ本体２に取り付けられる。

アナログ基板３２は、センサホルダ３１の段付き貫通穴３１ａに設けられ、センサ本体２の不図示の回路基板と電気的に配線接続される。

均熱用台座３３は、例えばステンレス鋼からなり、温度を一定に保ち、収容部３３ａ，３３ｂが並設されており、センサホルダ３１の段付き貫通穴３１ａ内のアナログ基板３２の下部に設けられる。

均熱カバー３４は、例えばステンレス鋼からなり、均熱用台座３３の収容部３３ａ，３３ｂの形状に合わせたカップ状に形成され、均熱用台座３３の収容部３３ａ，３３ｂの一方（例えば３３ａ）に取り付けられる第１の均熱カバー３４Ａと、均熱用台座３３の収容部３３ａ，３３ｂの他方（例えば３３ｂ）に取り付けられる第２の均熱カバー３４Ｂからなる。

水素センサ素子５は、均熱用台座３３の収容部３３ａ，３３ｂの一方に取り付けられる第１の均熱カバー３４Ａの上部に位置して均熱用台座３３の収容部３３ａに収容され、アナログ基板３２に配線接続されており、対象エリアから導入される水素ガスを検出する。

多孔質フィルタ３５は、防塵／防水用のフィルタとして、水素センサ素子５の直下（水素センサ素子５と後述する第１のガス導入部材３６Ａとの間）に設けられる。

環境センサ１１は、水素センサ素子５と並設して均熱用台座３３の収容部３３ａ，３３ｂの他方に取り付けられる第２の均熱カバー３４Ｂに収容され、アナログ基板３２に配線接続されており、素子ユニット３Ｂ近傍の環境を測定する。具体的には、温度、湿度などの環境を測定するセンサが挙げられる。

ガス導入部材３６は、焼結金属からなり、図１の紙面左右方向に並設される第１のガス導入部材３６Ａと第２のガス導入部材３６Ｂから構成される。

第１のガス導入部材３６Ａは、水素センサ素子５の下部に設けられる。第１のガス導入部材３６Ａは、下部の外周部分にフランジ３６ａが形成され、対象エリアからの水素ガスを導入するためのガス導入穴３６ｂが形成されており、ガス導入穴３６ｂの下端部分にはステンレス鋼からなる焼結フィルタ３６ｃが一体形成される。

第２のガス導入部材３６Ｂは、環境センサ１１の下部に第１のガス導入部材３６Ａと並設される。第２のガス導入部材３６Ｂは、第１のガス導入部材３６Ａと同様に、下部の外周部分にフランジ３６ａが形成され、環境センサ１１を水素センサ素子５と同等の雰囲気に晒すため、第１のガス導入部材３６Ａと同様のガス導入穴３６ｂが形成されており、ガス導入穴３６ｂの下端部分にはステンレス鋼からなる焼結フィルタ３６ｃが一体形成される。

第１のガス導入部材３６Ａの焼結フィルタ３６ｃは、センサ本体２内の火災が外部に漏れないように火を遮断し、異物をブロックして対象エリアから導入される水素ガスを水素センサ素子５側に通過させる。また、第２のガス導入部材３６Ｂの焼結フィルタ３６ｃは、センサ本体２内の火災が外部に漏れないように火を遮断し、異物をブロックして対象エリアから導入される水素ガスを環境センサ１１側に通過させる。

ガス導入部材３６（３６Ａ，３６Ｂ）は、センサカバー３７の中央部に取り付けられる六角穴付き止めねじ３８の締結により六角穴付き止めネジ３８の先端をフランジ３６ａに当接させることで位置決め固定される。

センサカバー３７は、例えばアルミニウム合金鋳物からなり、対象エリアからの水素ガスを導入するための複数の開口穴３７ａが形成されており、ガス導入部材３６およびセンサホルダ３１の先端部を覆うようにセンサ本体２に着脱可能に取り付けられる。

ところで、環境センサ１１は、正確な補正のために、水素センサ素子５と同一空間にあることが望ましい。

ここで、図４の改良前の素子ユニット３Ａと図１の改良後の素子ユニット３Ｂのガス応答性を評価するため、温度を安定させた状態で素子ユニット３Ａ，３Ｂの外側に評価用チャンバーを取り付けてガス応答性試験を行った。

このガス応答性試験では、評価用チャンバーの継手ＩＮ側（もう片方はＯＵＴ側）にベースガスを流し、安定した出力をベース出力とする。また、１％水素ガスを流し、安定した出力を水素感度（変化量）として応答率を算出した。なお、水素ガスを導入するときは評価用チャンバーの直前までガスを流してから継手に挿入し、ガス置換時間による誤差を排除した。

図５は上述したガス応答性試験による改良前後の素子ユニット３Ａ，３Ｂのガス応答率の比較結果を示す。

図５からも明らかなように、改良前の素子ユニット３Ａでは、５０％応答が約２４秒であるのに対し、改良後の素子ユニット３Ｂでは、５０％応答が約１２秒となり、ＪＩＳ Ｔ ８２０６で規定される５０％応答２０秒以内を満足する結果が得られた。

このように、上述した実施の形態によれば、水素センサ素子と環境センサを別空間による収容部に収容した独立構造とし、水素センサ素子と環境センサそれぞれに対応して焼結金属からなるガス導入部材を配置した素子ユニットを採用したので、水素センサ素子からの熱により環境センサの測定値に影響を受けることがなく、ガス応答性能の向上を図ることができる。

ところで、上述した実施の形態では、水素センサに採用した場合の構成を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。水素ガス以外に例えば可燃性ガスなどのガスを検知する防爆形センサに採用することもできる。

以上、本発明に係る防爆形ガスセンサの最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１ 水素センサ（防爆形水素センサ）
２ センサ本体
２ａ 表示部
３，３Ａ，３Ｂ 素子ユニット
４ ケーブル導出部
５ 水素センサ素子
１１ 環境センサ
２１ センサホルダ
２１ａ 段付き貫通穴
２２ アナログ基板
２３ 均熱用台座
２４ 多孔質フィルタ
２５ 素子カバー
２６ ガス導入部材
２６ａ ガス導入穴
２６ｂ 焼結フィルタ
２７ センサカバー
２７ａ 開口穴
３１ センサホルダ
３１ａ 段付き貫通穴
３２ アナログ基板
３３ 均熱用台座
３３ａ，３３ｂ 収容部
３４（３４Ａ，３４Ｂ） 均熱カバー
３５ 多孔質フィルタ
３６（３６Ａ，３６Ｂ） ガス導入部材
３６ａ フランジ
３６ｂ ガス導入穴
３６ｃ 焼結フィルタ
３７ センサカバー
３７ａ 開口穴
３８ 六角穴付き止めねじ

Claims (2)

1. センサ本体内の火災が外部に漏れないように素子ユニットが前記センサ本体に取り付けられ、対象エリアの検出対象ガスを検出する防爆形ガスセンサにおいて、
   前記素子ユニットは、
   ２つの収容部が並設された均熱用台座が固定され、前記センサ本体に取り付けられるセンサホルダと、
   前記２つの収容部の一方に収容されるセンサ素子と、
   前記対象エリアの検出対象ガスを前記センサ素子に導入するガス導入穴が形成されるとともに、前記ガス導入穴に焼結フィルタが一体形成された第１のガス導入部材と、
   前記２つの収容部の他方に収容される環境センサと、
   前記第１のガス導入部材と並設され、前記対象エリアの検出対象ガスを前記環境センサに導入するガス導入穴が形成されるとともに、前記ガス導入穴に焼結フィルタが一体形成された第２のガス導入部材と、を備えたことを特徴とする防爆形ガスセンサ。
2. 前記センサ素子と前記第１のガス導入部材との間には多孔質フィルタが設けられることを特徴とする請求項１に記載の防爆形ガスセンサ。

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