JP4886367B2 - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、可燃性ガスの漏洩を検知するためのガスセンサ及びその製造方法に関するものである。
都市ガスやプロパンガス等の可燃ガスの漏洩を検知するためのガスセンサとして、従来より、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化する基板の表裏面にそれぞれ電圧印加用の電極を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかるガスセンサは、金属を含浸させた植物系炭化材の基板の表面に電圧印加用電極を形成し、該電極に導線を接続した構成とされていた。そして、基板に可燃ガスが吸着されて電気抵抗値が変化すると電圧印加用電極間を流れる電流が変化するので、漏洩ガスを検知することができるのである。
特開２００３−９０８１３号公報
しかしながら、上記従来のガスセンサにおいては、基板の表裏面にそれぞれ電圧印加用電極を真空蒸着等にて形成する必要があり、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。また、従来のガスセンサは、全体形状を屈曲等することができず、設置し得る位置が限定されてしまうという問題もあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、製造コストを抑制しつつ設置位置が限定されないガスセンサ及びその製造方法を提供することにある。
請求項１記載の発明は、炭素及び金属酸化物と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該炭素及び金属酸化物を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化するセンシング部材と、導電性材料と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該導電性材料を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、前記センシング部材の表裏面にそれぞれ密着させて取り付けられ、電圧印加が可能とされた電極部材とを具備したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスセンサにおいて、前記センシング部材は、その気孔率が５０〜８０％であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のガスセンサにおいて、前記電極部材は、その気孔率が６０〜８０％であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のガスセンサにおいて、前記電極部材は、繊維長が１〜２０ｍｍの炭素繊維を導電性材料とし、湿式抄紙法にて調製したものであることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のガスセンサにおいて、前記可燃性ガスが水素ガスであることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、炭素及び金属酸化物と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該炭素及び金属酸化物を調製することにより、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化する可撓性シート状部材から成るセンシング部材を得るセンシング部材形成工程と、導電性材料と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該導電性材料を調製することにより、可撓性シート状部材から成る電極部材を得る電極部材形成工程と、前記センシング部材形成工程で得られた濡れた状態のセンシング部材の表裏面に、前記電極部材形成工程で得られた濡れた状態の前記電極部材をそれぞれ密着させつつ積層する積層工程と、該積層工程で積層されたセンシング部材及び電極部材の積層方向に圧力を付与して圧着させる圧着工程と、該圧着工程の後、センシング部材の表裏面に電極部材が圧着された状態を維持しつつ乾燥する乾燥工程とを含むことを特徴とするガスセンサの製造方法。
請求項１の発明によれば、センシング部材の表裏面にそれぞれ電極部材を密着させつつ取り付けてガスセンサとしているので、真空蒸着法等による電極部材の形成に比べ、製造コストを抑制することができるとともに、センシング部材及び電極部材の双方が可撓性シート状部材から成るので、電極部材を含む全体として屈曲等が可能とされ、設置位置が限定されず汎用性を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、センシング部材の気孔率が５０〜８０％であるので、ガスセンサの強度を維持しつつ、センシング部材の可燃性ガスとの接触面積を大きくして反応をより良好とすることができる。
請求項３の発明によれば、電極部材の気孔率が６０〜８０％であるので、可燃性ガスのセンシング部材への透過を許容しつつ、電極部材の導電性の維持及びガスセンサの可撓性の維持を図ることができる。
請求項４の発明によれば、電極部材は、繊維長が１〜２０ｍｍの炭素繊維を導電性材料として湿式抄紙法にて調製したものであるので、炭素繊維が複雑に絡まり合って導電性をより向上させることができる。
請求項５の発明によれば、可燃性ガスが水素ガスであるので、当該水素ガスの漏洩等を確実に検知することができる。
請求項６の発明によれば、濡れた状態のセンシング部材の表裏面に濡れた状態の電極部材をそれぞれ密着させつつ積層した後、これらの積層方向に圧力を付与して圧着、乾燥させているので、ガスセンサによる可撓性を維持させつつ、真空蒸着等による電極部材の形成に比べ、製造コストをより低減させることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係るガスセンサは、可燃性ガスの漏洩を検知するためのものであり、図１に示すように、センシング部材２と、該センシング部材２の表裏面にそれぞれ密着させて取り付けられた電極部材３、４と、各電極部材３、４から不図示の電源まで延設された配線ｈ１、ｈ２とから主に構成されている。
本実施形態に係るガスセンサは、可燃性ガスの漏洩を検知するためのものであり、図１に示すように、センシング部材２と、該センシング部材２の表裏面にそれぞれ密着させて取り付けられた電極部材３、４と、各電極部材３、４から不図示の電源まで延設された配線ｈ１、ｈ２とから主に構成されている。
センシング部材２は、炭素及び金属酸化物を湿式抄紙法にて調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、水素から成る可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化するものである。具体的には、ＺｎＯ、ＣｄＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＣｕＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｖ２Ｏ５の金属酸化物、炭素、或いは触媒作用を有する金属等と水を混合してスラリーを得た後、凝集剤を添加してフロックを生成し、当該フロックを抄紙してシート状の多孔質部材を得ることによりセンシング部材２を得ている。
また、水との混合時に所定の気孔調製剤を投与することにより、得られるセンシング部材２の気孔率（空隙率）を略５０〜８０％（より好ましくは、略６０〜７０％）としている。かかる気孔率は、大きすぎると強度が著しく低下して破損し易くなってしまうとともに、小さすぎると可燃性ガスとの接触面積が小さくなり、反応が低下してしまうことを鑑みて設定されている。これにより、ガスセンサ１の強度を維持しつつ、センシング部材２の可燃性ガスとの接触面積を大きくして反応をより良好とすることができる。
更に、空気中での抵抗値Ｒａと水素雰囲気での抵抗値Ｒｇとの比（Ｒａ／Ｒｇ）をセンシング部材２の感度としたとき、その厚みが０．１８ｍｍの場合にはＲａ／Ｒｇ＝１．８６、０．３１ｍｍの場合にはＲａ／Ｒｇ＝１．７６となった。一方、センシング部材の厚みを０．５９ｍｍとした場合には、Ｒａ／Ｒｇ＝１．０７となり良好な感度が得られないことが分かった。これは、センシング部材２の厚みが増加することで、電極部材３，４間に存在する金属酸化物（ＳｎＯ２等）の量が過大となってしまい、感度が悪化してしまうと考えられる。従って、センシング部材２をなるべく薄く形成するのが好ましい。
電極部材３、４は、導電性材料を湿式抄紙法にて調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、電圧印加が可能とされたものである。導電性材料は、繊維長が略１〜２０ｍｍ（より好ましくは、５〜１０ｍｍ）の炭素繊維を含むものであり、かかる導電性材料を含む材料を混合して抄紙し、紙状のものとしてそれぞれの電極部材３、４を得ている。
具体的には、炭素繊維（他に抄紙時に必要な材料含む）と水とを混合してスラリーを得た後、凝集剤を添加してフロックを生成し、当該フロックを抄紙してシート状の多孔質部材を得ることにより電極部材３、４を得ている。また、水との混合時に所定の気孔調製剤を投与することにより、得られる電極部材３、４の気孔率（空隙率）を略６０〜８０％としている。
かかる気孔率は、大きすぎると電極部材の導電性が損なわれてしまうとともに、小さすぎると可燃性ガスのセンシング部材２への透過が許容され難くなってしまうことを鑑みて設定されている。これにより、可燃性ガスのセンシング部材への透過を許容しつつ、電極部材の導電性の維持及びガスセンサの可撓性の維持を図ることができる。また、可燃性ガスの透過を良好とするには、電極部材３、４をなるべく薄く形成するのが好ましい。
かかる気孔率は、大きすぎると電極部材の導電性が損なわれてしまうとともに、小さすぎると可燃性ガスのセンシング部材２への透過が許容され難くなってしまうことを鑑みて設定されている。これにより、可燃性ガスのセンシング部材への透過を許容しつつ、電極部材の導電性の維持及びガスセンサの可撓性の維持を図ることができる。また、可燃性ガスの透過を良好とするには、電極部材３、４をなるべく薄く形成するのが好ましい。
尚、上記炭素繊維に代えて、金属や炭素など導電性を有した素材を繊維中心や表面に付着させ或いは織り込んだ繊維、アクリル繊維に硫化銅を結合させた繊維、金属メッキを施した繊維、又は導電性高分子を含んだ繊維等としてもよい。特に、繊維長が略１〜２０ｍｍの炭素繊維を導電性材料として湿式抄紙法にて調製したものとすれば、炭素繊維が複雑に絡まり合って導電性をより向上させることができる。
配線ｈ１、ｈ２は、電極部材３及び４の一部から延設され、当該一対の電極部材３、４に対して電圧を印加可能とするものである。これにより、センシング部材２が可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化することから、電極部材３、４に電圧を印加させつつ流れる電流を検知すれば、可燃性ガスの存在を検知することができる。
上記によれば、センシング部材２の表裏面にそれぞれ電極部材３、４を密着させつつ取り付けてガスセンサ１としているので、真空蒸着法等による電極部材の形成に比べ、製造コストを抑制することができるとともに、センシング部材２及び電極部材３、４の双方が可撓性シート状部材から成るので、電極部材３、４を含む全体として屈曲等が可能とされ、設置位置が限定されず汎用性を向上させることができる。
上記ガスセンサ１は、例えば図２に示すように、可燃性ガスを流通させる２本の配管Ｋ１、Ｋ２を接続するための継手部位（それぞれの配管Ｋ１、Ｋ２に一体的に形成されたフランジＫ１ａ、Ｋ２ａ）に配設されることにより、当該配管Ｋ１、Ｋ２を流通する可燃性ガスが継手部位から漏れるのを検知することができる。これら配管Ｋ１、Ｋ２のフランジＫ１ａ、Ｋ２ａ間においては、シール部材５を挟持させつつボルトＢ及びナットＮにて締め上げるとともに、シール部材５より外側が可燃性ガスの漏洩経路６とされ、当該漏洩経路６に屈曲させた状態のガスセンサ１（図３参照）が配設されている。
これにより、シール部材５の劣化等で配管Ｋ１、Ｋ２を流れる可燃性ガスが、シール部材５より外側に漏れた場合、その漏れた可燃性ガスが漏洩経路６を流れてガスセンサ１に至り、漏洩を検知することができる。従って、屈曲させた状態のガスセンサ１が漏洩経路６を塞ぐ如く配設されているので、配管Ｋ１、Ｋ２の継手部位における可燃性ガスの漏洩を確実に検知することができる。尚、配管Ｋ１、Ｋ２を流れる可燃性ガスとして、例えば燃料電池などに使用される水素ガスとすることができ、その場合、当該水素ガスの漏洩等を確実に検知することができる。
次に、上記ガスセンサ１の製造方法について、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、炭素及び金属酸化物を湿式抄紙法にて調製することにより、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化する可撓性シート状部材から成るセンシング部材２を得る（センシング部材形成工程Ｓ１）。それと並行して（或いはその後別個に）、導電性材料を湿式抄紙法にて調製することにより、可撓性シート状部材から成る電極部材３、４を得る（電極部材形成工程Ｓ２）。
まず、炭素及び金属酸化物を湿式抄紙法にて調製することにより、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化する可撓性シート状部材から成るセンシング部材２を得る（センシング部材形成工程Ｓ１）。それと並行して（或いはその後別個に）、導電性材料を湿式抄紙法にて調製することにより、可撓性シート状部材から成る電極部材３、４を得る（電極部材形成工程Ｓ２）。
そして、センシング部材形成工程Ｓ１で得られた濡れた状態（抄紙後であって乾燥する前）のセンシング部材２の表裏面に、電極部材形成工程Ｓ２で得られた濡れた状態（抄紙後であって乾燥する前）の電極部材３、４をそれぞれ密着させつつ積層する（積層工程Ｓ３）。これにより、センシング部材２の表面及び裏面に電極部材３、４が密着した３層のものを得る。
その後、積層工程Ｓ３で積層されたセンシング部材２及び電極部材３、４の積層方向に対して比較的強い且つ面方向に均一な圧力を付与して、各層を圧着させる（圧着工程Ｓ４）。これにより、各層が互いに固着されることとなり、固着が確認された後、センシング部材２の表裏面に電極部材３、４が圧着された状態を維持しつつ乾燥させて（乾燥工程Ｓ５）ガスセンサ１を得る。
上記製造方法によれば、濡れた状態のセンシング部材２の表裏面に濡れた状態の電極部材３、４をそれぞれ密着させつつ積層した後、これらの積層方向に圧力を付与して圧着、乾燥させているので、ガスセンサ１による可撓性を維持させつつ、真空蒸着等による電極部材の形成に比べ、製造コストをより低減させることができる。
次に、本実施形態に係るガスセンサの温度依存性に関わる実験結果について説明する。
アラミド繊維、炭素繊維、酸化スズ粉末を混合（原料重量比 １：１：２）し、湿式抄紙法にてセンシング部材を調製するとともに、アラミド繊維、炭素繊維を混合（原料重量比 １：２）し、湿式抄紙法にて電極部材を調製し、当該センシング部材の表裏面に電極部材を積層状態で密着させることによりガスセンサを得た。
アラミド繊維、炭素繊維、酸化スズ粉末を混合（原料重量比 １：１：２）し、湿式抄紙法にてセンシング部材を調製するとともに、アラミド繊維、炭素繊維を混合（原料重量比 １：２）し、湿式抄紙法にて電極部材を調製し、当該センシング部材の表裏面に電極部材を積層状態で密着させることによりガスセンサを得た。
かかるガスセンサをセラミックヒータにて加熱し、水素ガス及びメタンガスを可燃性ガスとしてそれぞれ流通させて電気抵抗値を測定した。水素ガスを流通させた際の温度、抵抗値変化率を図７、メタンガスを流通させた際の温度、抵抗値変化率を図８に示した。図７から、水素ガスを流通させた場合、２００〜２７５℃に亘る範囲で当該水素ガスを検知しており、検知性能が良好であることが分かる。また、図８から、２７５℃付近において最大の抵抗値変化率となっていることから、可燃性ガスの種類によってガスセンサを作動させる温度を調整することで、更に良好な検出を行うことができることが分かる。
以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば図５、及び図６に示すような配管の継手部位に配設するようにしてもよい。図５のものは、２本の配管Ｋ１、Ｋ２のフランジＫ１ａ、Ｋ２ａと、蝶番７ａを中心として揺動して開閉可能とされた継手部材７と、該継手部材７がフランジＫ１ａ、Ｋ２ａを挟持しつつ閉じた状態とするボルトＢ及びナットＮと、フランジＫ１ａ、Ｋ２ａ間に挟持されたシール部材５と、フランジＫ１ａ、Ｋ２ａ間で構成される漏洩経路６と、該漏洩経路６におけるシール部材５より外側において屈曲した状態（図３参照）にて配設されたガスセンサ１とを有している。
また、図６のものは、２本の配管Ｋ１、Ｋ２のフランジＫ１ａ、Ｋ２ａと、雌ネジが形成された螺合部材８及び雄ネジが形成された螺合部材９から成る継手部材と、螺合部材８に形成された孔に例えば丸められた状態にて充填されたガスセンサ１と、フランジＫ１ａ、Ｋ２ａ間に挟持されたシール部材５と、フランジＫ１ａ、Ｋ２ａ間で構成される漏洩経路６とを有している。
上記何れの他の実施形態においても、屈曲或いは丸めた状態のガスセンサ１が漏洩経路６を塞ぐ如く配設されているので、配管Ｋ１、Ｋ２の継手部位における可燃性ガスの漏洩を確実に検知することができる。検知し得る可燃性ガスは、水素ガスやメタンガスに限定されず、着火、衝撃の付与、或いは空気に触れることにより燃えるガスであれば足り、例えば二硫化炭素、硫化水素、アンモニア、一酸化炭素、硫化カルボニル、アセチレン、エチレン、プロピレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、メチルアルコール、エチルアルコール、エチルエーテル、アセトアルデヒド、アセトン、酢酸、酢酸エチル、酢酸アミル、酢酸ビニル等であってもよい。
炭素及び金属酸化物と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該炭素及び金属酸化物を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化するセンシング部材と、導電性材料と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該導電性材料を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、センシング部材の表裏面にそれぞれ密着させて取り付けられ、電圧印加が可能とされた電極部材とを具備したガスセンサであれば、外観形状が他の形状のもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。
１ ガスセンサ
２ センシング部材
３、４ 電極部材
５ シール部材
６ 漏洩経路
７ 継手部材
８、９ 螺合部材（継手部材）
Ｋ１、Ｋ２ 配管
Ｋ１ａ、Ｋ２ａ フランジ
２ センシング部材
３、４ 電極部材
５ シール部材
６ 漏洩経路
７ 継手部材
８、９ 螺合部材（継手部材）
Ｋ１、Ｋ２ 配管
Ｋ１ａ、Ｋ２ａ フランジ
Claims (6)
- 炭素及び金属酸化物と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該炭素及び金属酸化物を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化するセンシング部材と、
導電性材料と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該導電性材料を調製して得られた可撓性シート状部材から成るとともに、前記センシング部材の表裏面にそれぞれ密着させて取り付けられ、電圧印加が可能とされた電極部材と、
を具備したことを特徴とするガスセンサ。 - 前記センシング部材は、その気孔率が５０〜８０％であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
- 前記電極部材は、その気孔率が６０〜８０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガスセンサ。
- 前記電極部材は、繊維長が１〜２０ｍｍの炭素繊維を導電性材料とし、湿式抄紙法にて調製したものであることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のガスセンサ。
- 前記可燃性ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のガスセンサ。
- 炭素及び金属酸化物と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該炭素及び金属酸化物を調製することにより、可燃性ガスに反応して電気抵抗値が変化する可撓性シート状部材から成るセンシング部材を得るセンシング部材形成工程と、
導電性材料と水を混合してスラリーを得た後、フロックを生成し、当該フロックを抄紙する湿式抄紙法にて当該導電性材料を調製することにより、可撓性シート状部材から成る電極部材を得る電極部材形成工程と、
前記センシング部材形成工程で得られた濡れた状態のセンシング部材の表裏面に、前記電極部材形成工程で得られた濡れた状態の前記電極部材をそれぞれ密着させつつ積層する積層工程と、
該積層工程で積層されたセンシング部材及び電極部材の積層方向に圧力を付与して圧着させる圧着工程と、
該圧着工程の後、センシング部材の表裏面に電極部材が圧着された状態を維持しつつ乾燥する乾燥工程と、
を含むことを特徴とするガスセンサの製造方法。
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