JP4814771B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
また、素子収容部の内壁面に沿って設けられると共に、ガス通流部の周縁に配置されたガス通流部周縁加熱部の熱は、ガス通流部の周縁に伝導し、ガス通流部のフィルタが周縁から加熱され、フィルタ(ガス通流部)における結露が防止される。すなわち、フィルタが撥水フィルタや防爆フィルタ等から構成される場合、撥水フィルタによって、素子収容部内への液状の水分の侵入を防止することはもちろん、撥水フィルタを通過して素子収容部内で結露した結露水や、撥水フィルタから滲み出した水分や、防爆フィルタに付着した水分を加熱して気化(水蒸気化)させることでき、そして、気化することで生成した水蒸気を素子収容部外に積極的に排出することができる。その結果、素子収容部内の湿度が低下し、ガス検出素子における結露を防止できる。
さらに、ガス検出素子加熱部とガス通流部周縁加熱部とを、例えばセラミックスによって一体に形成すれば、これらを別々に制御せずに、一体に制御することができる。
さらにまた、このようなガスセンサによれば、フィルタ加熱ヒータによってフィルタが加熱されるので、フィルタにおける結露を防止できる。これにより、結露水に遮られずに、ガスを素子収容部内外に通流させることができる。
図1から図5に示すように、本実施形態に係る水素センサ1(ガスセンサ)は、ケース10と、ケース10の下面に形成されたハウジング20と、ハウジング20に収容されたガス検出素子31、31と、ハウジング20の後記する開口部24に設けられた積層体40Aと、ハウジング20内に配置されたヒータ51と、を主に備えている。
このような水素センサは、例えば、燃料電池システムにおいて燃料電池から排出されたオフガスが流れるオフガス配管105(図2参照)中の水素濃度を検出する場合や、その他、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の車内の水素濃度を検出する場合に使用される。
ケース10は、その外形が直方体形状であって、例えばポリフェニレンサルファイド製の容器であり、制御基板11を収容している。ケース10の長手方向の両端にはフランジ部12、12が形成されており、各フランジ部12にはカラー13が取り付けられている。そして、図2に示すように、各カラー13に挿入されたボルト14が、オフガスの流れるオフガス配管105に形成された取付座105Aに締結されることで、水素センサ1がオフガス配管105に固定されるようになっている。
制御基板11は、ガス検出素子31、31からの信号に基づいて、水素濃度を算出する機能と、後記する温度湿度センサ34が検出したガス検出室25の温度及び湿度に基づいて、ガス検出室25内が結露しないようにヒータ51の出力を制御する機能と、を備えている。
ハウジング20は、略有底円筒体であって(図3参照)、オフガス配管105に嵌合している(図2参照)。そして、ハウジング20とオフガス配管105との間には、Oリング21が介設され気密性が高められており、オフガスが漏れないようになっている。
ガス検出素子31、31は、ガス検出室25に取り込まれたオフガス中の水素濃度を検出する素子であり、ガス検出室25内に配置されている。詳細には、ガス検出素子31は金属製のステー32、32を介してベース33(端子台)に固定されており、ガス検出素子31が取り付けられたベース33がケース10の下面に固定されている。また、ガス検出素子31は制御基板11と接続されており(図2参照)、制御基板11は水素濃度を検知するようになっている。
なお、ベース33は、ハウジング20と同様に、熱伝導性を有する材料から形成されている。
例えば、水素の検出方式がガス接触燃焼式である場合、ガス検出素子31は検出素子と温度補償素子との対により構成される。そして、水素が各素子に接触し、燃焼した際に発生する熱を利用し、検出素子と温度補償素子と間の電気抵抗差に基づいて水素濃度が検出される。
また、水素の検出方式が半導体方式である場合、ガス検出素子31は、検出素子と検知素子との対により構成され、水素が各素子表面の酸素と接触・離脱した際に発生する抵抗値に基づいて、水素濃度が検出される。
積層体40Aは、撥水フィルタ41と防爆フィルタ42とヒータ43(フィルタ加熱ヒータ)とを備え、ガス検出素子31から遠ざかるオフガス配管105に向かって、防爆フィルタ42、ヒータ43、撥水フィルタ41の順で積層されることで一体に構成された、3層構造を有する薄型の円盤体である。すなわち、ヒータ43は、撥水フィルタ41と防爆フィルタ42とで挟まれており、これらは相互に接触している。
そして、積層体40Aは、開口部24に蓋をするようにハウジング20に設けられている。
防爆フィルタ42は、防爆性を確保するためのフィルタであり、例えば、液体状の水を通すことが可能な程度の金属製のメッシュや多孔質体から構成される。
なお、ヒータ43には、オフガスを通流させるための複数の貫通孔43aが形成されている(図3、図4参照)。
ヒータ51は、素子収容部の内壁面に沿って配置された略有底円筒状(おわん型)の電気ヒータである。詳細には、ヒータ51は、ガス検出素子加熱部として機能する筒状の周壁部52と、その中心に開口部53aが形成されたリング状を呈し、ガス通流部周縁加熱部として機能する底壁部53と、を備えている。このようなヒータ51は、例えばPTCヒータやセラミックスヒータから構成され、周壁部52と底壁部53とは一体に構成され、一体で発熱するようになっている。
また、周壁部52の熱は、ガス検出室25内のオフガスにも伝導し、オフガス中の水分の結露が防止されるようになっている。
このような水素センサ1によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)ヒータ51の周壁部52の熱が、ハウジング20の周壁部22、ベース33を介して、ガス検出素子31に伝導し、ガス検出素子31を加熱することができる。これにより、ガス検出素子31の温度を適切に制御することができ、ガス検出素子31における結露を防止し、水素濃度を好適に検出することができる。
(2)ヒータ51の底壁部53と、ヒータ43とによって、撥水フィルタ41及び防爆フィルタ42を加熱することができ、結露水等を積極的に排出すると共に、結露水等によって遮断されることなく、ガス検出室25の内外にオフガスを通流させることができる。
(3)ヒータ51は、周壁部52と底壁部53とが一体に構成されているので、制御基板11は、周壁部52と底壁部53とを一体で制御することができる。
このような弾性部材55A〜55Cを介在させる構成によれば、通電時にヒータ51が径方向及び/又は軸方向(高さ方向)に膨張しても、ヒータ51からハウジング20及び/又はベース33への応力伝達を低減させることができる。すなわち、ヒータ51を形成する材料の熱膨張率と、ハウジング20(素子収容部)を形成する材料の熱膨張率との差に基づく、熱膨張による水素センサ1の変形を防止することができる。
なお、図7では、ヒータ本体57が熱伝導部58の内周面に沿って配置された構成を示しているが、その他に、ヒータ本体57が熱伝導部58の外周面に沿って配置された構成であってもよい。ただし、ガス検出室25を好適に加熱するべく、図7に示すように、ヒータ本体57は熱伝導部58の径方向内側に配置されることが好ましい。
さらに、図9に示すように、ヒータ51の一部、詳細には、底壁部53に代えて、熱伝導性の高い金属等から形成された熱伝導部63を備えるヒータ64としてもよい。このような構成にすれば、PTCヒータ等から形成される発熱部分の形状を簡易にすることができる。
図12(a)に示す積層体40Bは、ガス検出素子31から遠ざかる方向に向かって(図4参照)、ヒータ43、防爆フィルタ42、撥水フィルタ41が順に積層することで構成されている。このような積層体40Bによれば、ヒータ43と撥水フィルタ41との間に、防爆フィルタ42が介在しており、ヒータ43が撥水フィルタ41に直接接触していないので、撥水フィルタ41の耐熱温度を下げることができる。
そして、制御基板11の指令に従ってヒータ71が発熱すると、周壁部72の熱はガス検出室25内のオフガスに伝導し、オフガスが加熱されるようになっている。天壁部73の熱はステー32を介してガス検出素子31に伝導し、ガス検出素子31が加熱されるようになっている。
また、ヒータ71とハウジング20との間には、弾性部材74A、弾性部材74Bが介設されており、発熱時にヒータ71が熱膨張しても、ヒータ71からハウジング20に応力が伝導しないようになっている。
11 制御基板
15 温度湿度センサ
20 ハウジング(素子収容部)
22 周壁部
22a 内周面(内壁面)
23 底壁部
23a 底面(内壁面)
25 ガス検出室
31 ガス検出素子
33 ベース(素子収容部)
33a 下面(内壁面)
34 温度湿度センサ
40A、40B、40C、40D 積層体
41 撥水フィルタ
42 防爆フィルタ
43 ヒータ(フィルタ加熱ヒータ)
51 ヒータ
52 周壁部(ガス検出素子加熱部)
53 底壁部(ガス通流部周縁加熱部)
55A、55B、55C 弾性部材
56 ヒータ
57 ヒータ本体
58 熱伝導部
59 周壁部(ガス検出素子加熱部)
60 底壁部(ガス通流部周縁加熱部)
63 熱伝導部
71 ヒータ
72 周壁部(ガス加熱部)
73 天壁部(ガス検出素子加熱部)
74A、74B 弾性部材
Claims (5)
- ガスを検出するガス検出素子と、
ガスが取り込まれるガス検出室を有すると共に、その内壁面に取り付けられた前記ガス検出素子を収容する素子収容部と、
前記素子収容部の内外へガスを通流させるガス通流部と、
ヒータと、
を備えるガスセンサであって、
前記ヒータは、
前記素子収容部の内壁面に沿って設けられ、前記ガス検出室内のガスを加熱すると共に、前記素子収容部を介して熱を伝導させ前記ガス検出素子を加熱するガス検出素子加熱部と、
前記素子収容部の内壁面に沿って設けられると共に、前記ガス通流部の周縁に配置され、当該ガス通流部を周縁から加熱するガス通流部周縁加熱部と、
を備え、
前記ガス通流部は、
前記素子収容部の内外へガスを透過しつつ、ガスに含まれる液体を透過しない撥水フィルタと、
前記素子収容部の内外へガスを透過しつつ、防爆性を確保する防爆フィルタと、
ガスを通流させるための少なくとも1つの貫通孔を有する共に、前記撥水フィルタと前記防爆フィルタとの間で当該撥水フィルタ及び当該防爆フィルタと接触するように配置され、当該撥水フィルタ及び当該防爆フィルタを直接的に加熱するフィルタ加熱ヒータと、
を備える
ことを特徴とするガスセンサ。 - 前記ガス通流部における外部から前記ガス検出室に向かうガスの通流向きにおいて、前記撥水フィルタ、前記フィルタ加熱ヒータ及び前記防爆フィルタは、この順で積層している
ことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記ヒータは通電することで発熱する電気ヒータであり、
前記ガス検出素子加熱部と前記ガス通流部周縁加熱部とは一体で構成されており、
前記ヒータに電力を供給すると共に、前記ヒータの出力を制御する制御基板と、
前記制御基板と前記ヒータとを接続し、電力の供給経路となる第1配線及び第2配線と、
を備え、
前記第1配線及び前記ヒータの第1接続部分と、前記第2配線及び前記ヒータの第2接続部分とは、前記ヒータ全体に通電するように離れている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のガスセンサ。 - 前記フィルタ加熱ヒータは、通電することで発熱する電気ヒータであって、前記制御基板から電力が供給されると共に、前記制御基板によってその出力が制御され、
前記ガス検出室の温度及び湿度を検出する温度湿度センサを備え、
前記制御基板は、前記温度湿度センサの検出する温度及び湿度に基づいて、前記ヒータ及び前記フィルタ加熱ヒータの出力を制御する
ことを特徴とする請求項3に記載のガスセンサ。 - 前記ヒータと前記素子収容部との間に介在された弾性部を備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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