JP5160631B2 - 空気汚染センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、空気入口、空気出口、センサユニット及び排気装置を有する空気汚染センサシステムであって、前記排気装置は、前記空気入口から前記センサユニットを通じて前記空気出口への気流を確立するよう構成され、前記センサユニットは、前記気流から空中汚染物質を除去するためのフィルタを有し、前記センサユニットは、前記フィルタにより前記気流から除去された空中汚染物質の量に基づいて出力信号を発生するよう構成されたシステムに関する。

空気汚染センサシステムは、空中に浮遊する汚染物質、特に健康被害を招く大気汚染物質の濃度を監視するために用いられる。空気処理システムに具備される濾過処理システムとの組み合わせで、空気汚染センサシステムは、空気処理システムからの循環空気を受ける室部の内部の空中汚染物質の濃度を監視し制御するために用いることができる。

空気汚染センサシステムは、空気入口、空気出口、センサユニット及び排気装置を有し、この排気装置は、センサユニットを通じて空気入口から空気出口へと空気の流れを確立するように構成される。センサユニットは、例えばフィルタを用いて当該気流から空気汚染物質を取り除くことにより、或いは電磁放射線との相互作用によって気流中の空気汚染物質の存在を判定することによって、空気汚染物質との相互作用を介して機能する。

本発明による空気汚染センサシステムのセンサユニットは、当該気流から空気汚染物質を除去するためのフィルタを有する。結果として、このセンサユニットは、単位時間当たりのフィルタにより除去される空気汚染物質の量に比例した大きさを持つ出力信号を発生する。

動作の間、空気汚染物質の量は、センサユニットにおいて増加して堆積されていく。したがって、或る特定の空気汚染レベルで測定された出力信号の大きさは、時間とともに変化する可能性がある。これは例えば、フィルタ又は濾過処理特性の変化に起因するものである。空気汚染センサシステムの寿命は、規定されたセットの条件の下で測定された出力信号の大きさが、きれいなフィルタの存在における初期時に測定された値に対して或る特定のパーセンテージ（例えば５０％）に変化するまでの時間として定義される。

センサユニットと排気のための換気装置とを有する空気汚染センサシステムは、国際特許出願に係る文献のＷＯ２００６／０１６３４６Ａ１から知られている。この既知の空気汚染センサシステムのセンサユニットは、粒子降下部を有する。メンテナンスの問題及び出力信号の信頼性に関して、このような空気汚染センサシステムの寿命を向上させる進行中の必要性がある。

本発明の目的は、寿命を向上させた冒頭の段落に記載の種類の空気汚染センサシステムを提供することである。

本発明によれば、この目的は、排気装置が当該出力信号によって制御されるように構成されるものとして達成される。

冒頭の段落に記載される種類の空気汚染センサシステムの寿命を向上させるため、重要なのは、動作中、センサユニット内部の空気汚染物質の堆積のレート及び量を可及的に小さくすることを確実することである。当該センサユニットの出力信号が排気装置を制御するためのフィードバック信号として用いられる場合、センサユニットを通じた空気流量を、例えば、当該出力信号が或る所定の値を超えたときに低減させることができる。これにより、センサユニットにおける空気汚染の堆積のレートが減り、もって空気汚染センサシステムの寿命が延びる。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項２に規定される。この実施例において、排気装置は、当該出力信号が第１の所定値を超えるときに体積流量レートが減ったものとなるように当該気流を調整するよう構成される。この実施例はさらに、空気汚染センサシステムの寿命を伸ばす。何故なら、減らされた空気汚染物質の量しか、当該気流が低下した体積流量レートを有するところの時間期間の間当該センサユニット内部に堆積しないからである。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項３に規定される。この実施例において、当該出力信号が第２の所定値を下回るときに、体積流量レートが減ったものとなるように当該気流を調整するよう構成される。この実施例はさらに、減らされた量の空気汚染物質しか、当該気流が減らされた体積流量レートを有するところの時間期間においてセンサユニット内部に堆積しないことになるので、空気汚染センサシステムの寿命を伸ばす。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項４に規定される。この実施例において、排気装置は、当該出力信号が第１の所定の値を超過するか又は当該出力信号が第２の所定値を下回るときに、所定の時間期間、当該気流の体積流量レートをゼロに減らすように構成される。この実施例はさらに、当該所定の時間期間において当該センサユニット内部に空気汚染物質が堆積しないので、空気汚染センサシステムの寿命を伸ばす。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項５に規定されている。この実施例において、出力信号は、当該気流の体積流量レートがゼロに減らされている所定の時間期間においてゼロにリセットされ、これにより、出力信号の信頼性及び再現性を高め、もって空気汚染センサシステムの寿命を伸ばすことになる。空気汚染センサシステムを通じる気流がない場合、センサユニット内部には汚染物質が堆積することができず、出力信号は、定義上ゼロである筈である。そして、出力信号における存在する可能性のある非ゼロオフセット値を、ゼロリセットにより相殺することができる。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項６に規定される。この実施例において、当該フィルタは、空気透過可能な深さフィルタである。この実施例はさらに、空気汚染センサシステムの寿命を伸ばす。何故なら、フィルタ又は濾過処理特性が当該フィルタ内部に堆積された汚染物質の量に応じて大幅に変わることになる前に、センサユニットに堆積されることの許容される汚染物質の塊の最大量を増加させるからである。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項７に規定される。この実施例において、空気汚染センサシステムは、空気入口とセンサユニットとの間の湾曲した経路に当該気流を従わせるための構成を有する。この実施例は、空気汚染センサシステムの寿命をさらに伸ばす。何故なら、これは、当該センサが感度を落とすかもしれない理由となる大きな空中粒子が当該フィルタに到達するのを回避し、これにより、フィルタに堆積するのを回避するからである。

本発明の空気汚染センサシステムの実施例は、請求項８に規定される。この実施例において、空気汚染センサシステムは、気流の少なくとも一部の相対的な湿度を減らすよう構成された加熱素子を有する。この実施例は、空気汚染センサシステムの寿命をさらに伸ばす。何故なら、センサユニットの内部における湿気の吸収及び／又は凝結を減らし、これにより、望ましくない電流の発生を回避するからである。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明する実施例に基づいて明らかとされる。

以下、本発明の例を、添付図面を参照して詳しく説明する。
本発明による空気汚染センサシステムの第１の実施例の概略図。 本発明による空気汚染センサシステムの他の実施例の概略図。 本発明による空気汚染センサシステムの他の実施例の概略図。 本発明による空気汚染センサシステムの他の実施例の概略図。 空気汚染センサシステム１の実施例の動作の第１の例をグラフで示すグラフ。 空気汚染センサシステム１の実施例の動作の第２の例をグラフで示すグラフ。 空気汚染センサシステム１の実施例の動作の第３の例をグラフで示すグラフ。 空気汚染センサシステム１の実施例の動作の第４の例をグラフで示すグラフ。

なお、これらの図は概略的なものであり、一律の尺度で描かれていない。これら図の各部分の相対寸法や比率は、図における簡明化及び便宜上の理由により、サイズを誇張したり縮小したりして示している。

図１の空気汚染センサシステム１は、空気入口１１、空気出口１２、センサユニット２及びファン３を有する。本発明の目的のため、ファン３は、ポンプ又は空気密度の局部的な差によって生じる熱的煙突効果により空気を移動させるよう構成された加熱素子のような他の排気装置により置き換えることができる。動作に入ると、ファン３は、センサユニット２を通じて圧力降下をなし、これにより、センサユニット２を通じて気流４を確立することになり、その体積流量レートは、ファン３の回転速度により決まる。この体積流量レートは、単位時間当たりの所与の体積を通る空気の体積を示す。

図１において、センサユニット２は、気流４における空中粒子の存在を検知するよう構成された粒子センサユニットである。この目的のため、センサユニット２は、気流４から帯電した粒子を除去するように構成された空気透過性の深さフィルタ２２を有する。これら帯電した粒子は、センサユニット２に具備される粒子帯電ユニット２３により形成され、空気入口１１とフィルタ２２との間に位置づけられる。

本発明の目的のため、センサユニットは、空気汚染物質の存在を検知するよう構成された装置とすることができる。但し、その検知機能は、フィルタによる気流からの汚染物質の除去を含むことを前提とする。この発明の状況において、当該フィルタは、気流から空中汚染物質を除去するように構成された装置とすることができる。

空気汚染センサシステム１の動作の間、フィルタ２２には、粒子量が増加して堆積されていく。結果として、フィルタ２２の気流抵抗が増大し、これにより、気流のための或る特定のファン誘導の駆動力において存在する気流４の体積流量レートを低下させる。

図１において、フィルタ２２は、少なくとも数ｍｍの厚さを持つ空気透過性深さフィルタである。結果として、フィルタ２２の気流抵抗は、堆積された粒子量に対して感度が高くない。したがって、フィルタ２２は、センサユニット２が十分に信頼性の高い出力信号を供給することがもはやできない程度までに気流４の体積流量レートが低下するような程にフィルタの気流抵抗が増大する前に気流４から比較的に大量の粒子を除去することができる。

センサユニット２は、気流４における空中粒子の存在に基づいて出力信号２１を発生するよう構成される。出力信号２１の大きさは、単位時間当たりフィルタ２２により気流４から除去される粒子の量に依存している。出力信号２１は、データ評価ユニット５により処理される。データ評価ユニット５は、出力信号２１に基づいてフィードバック信号５１を生成するよう構成される。コントローラ６は、フィードバック信号５１を処理するよう構成される。ファン３は、電圧６１によりコントローラ６により制御されるように構成される。

出力信号２１は、気流４の体積流量レートに正比例する。当該体積流量レートがファン３に供給される電圧６１により影響を受けると、出力信号２１は、電圧６１の大きさに依存することになる。異なる電圧６１で測定される出力信号２１の解析は、異なる電圧６１により誘導されるような気流４における差に対して出力信号２１を自動的に補償することにより簡単化されることができる。この目的のため、データ評価ユニット５は、補償アルゴリズムを有してもよい。

図１の空気汚染センサシステム１は、センサユニット２と接触して位置づけられる加熱素子２４を有する。加熱素子２４は、センサユニット２の内部における湿気の吸収及び／又は凝結を減らすために空気の相対的湿度を低下させるように構成される。したがって、センサユニット２の内部の絶縁性の表面に沿って流れる電流の如き望ましくない電流の発生が回避されることになり、これにより、寿命、測定精度及び測定信頼性に関する空気汚染センサシステム１の性能が向上する。加熱素子２４は、抵抗性の加熱素子とすることができ、また、センサユニット２に近接して位置づけられるようにしてもよい。

図２は、空気入口１１とセンサユニット２との間の湾曲経路に気流４を従わせるための構成を有する空気汚染システム１の実施例を示している。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、この構成は、それぞれ湾曲したエアダクト７１及び７２である。図２Ｃにおいて、この構成は、複数の平行なプレート７３であり、これらの表面は、気流４に直角に方向づけられる。図２Ｃの実施例において、気流４は、センサユニット２に達する前に平行プレート７３の間のジクザグ経路を横断するように強制される。気流４が空気汚染センサシステム１を出る部分（すなわち、排気装置３と空気出口１２との間の部分）に関して、これを、気流４を所望の方向に導くような形で構成することができる。

図２Ａ〜図２Ｃに示される実施例は、慣性効果か又は重力効果により生じるセンサユニット２の粒子堆積上流を通じる気流４からの粒子除去の結果として、センサユニット２への比較的大きな空中粒子の入り込みを防止する。これは、例えばセンサユニット２が超微細粒子センサであるときに、特定の範囲内の相当直径を有する粒子に対して感応性があるものとしてセンサユニット２を具体的に構成するときに特に有用である。超微細粒子は、約１０ｎｍないし約２．５μｍの相当直径を持つ粒子である。超微細粒子センサは、周囲空気において通常生じる濃度での大きな空中粒子に対して比較的低い感度を有する。このような大きな空中粒子は、フィルタ２２に堆積するのを回避されることが可能である。何故なら、重力沈降か又は慣性効果（固体表面との衝突であり、その後に粘着性貼り付けとなる）を通じて、フィルタ２２の上流における気流４からの堆積をなすそれらの傾向が比較的に大きいからである。

また、外部気流を確立することのできるエアダクトの内部に空気汚染センサシステム１が用いられる場合、空気入口１１は、外部気流の方向に対して適正に位置づけられることができ、空気汚染センサシステム１により外部気流からサンプリングされる空気を強制して、空気入口１１を通じて空気汚染センサシステム１に入ることができるようになる前に、流動方向及び／又は流量レートの大幅な変化をなすようにする。外部気流に対してサンプリングされた空気の流動方向及び／又は流量レートの変化は、比較的に大きな粒子が流体力学的慣性効果により空気汚染センサシステム１に入ることを回避させるのにも役立つものである。

図３は、空気汚染センサシステム１の実施例の動作の一例をグラフで示している。図３の上のグラフは、時間の関数として出力信号２１の例を示している。上のグラフには、所定の値Ｓ_１が示される。ファン３に供給される電圧６１は、通常、公称の気流Ｆ_ｎがセンサユニット２を通じるよう確立されるような公称電圧に設定されている。センサ信号２１が所定の値Ｓ_１を超えるとき、ファン３の回転速度を低下させこれにより体積流量レートＦ_ｒを低下させもってフィルタ２２内部の汚染物質の堆積のレートを低下させるために、電圧６１を低下させるために用いられる。このようなフィードバック機能は、センサユニット２の寿命を伸ばす。

図３の下のグラフは、時間の関数としての気流４の体積流量レートを示している。時刻ｔ_３１及びｔ_３３において、出力信号２１は、所定の値Ｓ_１を超過し、気流４の体積流量レートは、公称の体積流量レートＦ_ｎから減ぜられた体積流量レートＦ_ｒに減少させられる。減ぜられた体積流量レートＦ_ｒは、有限値又はゼロとすることができる。図３において、減ぜられた体積流量レートＦ_ｒは、有限の値である。図３において、減ぜられた体積流量レートＦ_ｒは、出力信号２１が所定の値Ｓ_１を下回るまで維持され、その時（ｔ_３２及びｔ_３４）には、公称の体積流量レートＦ_ｎが回復する。

図４は、空気汚染センサシステム１の実施例の動作の例をグラフで示しており、ファン３は、出力信号２１が所定の値Ｓ_１を超えるときに所定の時間期間Ｔｏにおいてオフに切り換えられるよう構成される。時刻ｔ_４１において、出力信号２１は、所定の値Ｓ_１を超え、気流４の体積流量レートは、公称の体積流量レートＦ_ｎからゼロに低下させられる。センサユニット２は、気流４がゼロのときに出力信号２１を発生することができない。したがって、公称の体積流量レートＦ_ｎは、所定の時間期間Ｔｏ（この間には、図４の上のグラフに示されるように、出力信号２１がない）の後に回復する。ｔ_４１からｔ_４２の所定の時間期間Ｔｏの間は、ｔ_４２において出力信号２１が第１の所定の値Ｓ_１よりも低い値を有するほどに空気汚染物質の濃度が減少しているので、公称の体積流量レートＦ_ｎが回復する。時刻ｔ_４３において、出力信号２１は再び所定の値Ｓ_１を超過し、体積流量レートはゼロに再び減少する。所定の時間期間Ｔｏの後、公称の体積流量レートＦ_ｎは時刻ｔ_４４において回復する。但し、ｔ_４４において、出力信号２１は、所定の値Ｓ_１を依然として超えているので、当該体積流量レートは、直ちにゼロへ減少する（実際、センサユニット２は、出力信号２１を生成するために有限のサンプリング時間Ｔｓを必要とする）。所定の時間期間Ｔｏの後、公称の体積流量レートＦ_ｎは、時刻ｔ_４５において回復する。ここで、出力信号２１は、公称の体積流量レートＦ_ｎを維持することができるように所定の値Ｓ_１よりも低い値にまで減少している。

空気汚染センサシステム１の他の実施例において、出力信号２１の幾つかの所定の値は、気流４の体積流量レートの適切な低減が行われるべきところで規定されるようにすることができる。図５には、このような実施例の動作の例が示される。図３及び図４と同様に、図５の上のグラフは、時間の関数として出力信号２１の一例を示している。図５の下のグラフは、時間の関数として気流４の体積流量レートを示している。図５において、出力信号２１が第１の所定の値Ｓ１を超過したとき（時刻ｔ_５１及びｔ_５３）、気流４の体積流量レートは、第１の有限の低下した体積流量レートＦ_ｒ１にまで減少させられる。出力信号２１がその後に（時刻ｔ_５４で）第２の所定値Ｓ_２を超えるとき、当該体積流量レートは、さらに第２の低下した体積流量レートＦ_ｒ２にまで減少させられる。図５において、第２の低下した体積流量レートＦ_ｒ２は、有限の値であるが、ゼロになることもできる。

空気汚染センサシステム１の他の実施例において、ファン３を、センサ信号２１が所定の値を下回るとき所定の時間期間においてオフに切り換わるように構成することができる。図６は、このような実施例の動作の一例をグラフで示している。図６の上のグラフは、時間の関数として出力信号２１の例を示している。所定の値Ｓ_３は、上のグラフに示される。出力信号２１が所定の値Ｓ_３（時刻ｔ_６１及びｔ_６３）を下回るとき、ファン３は、公称の体積流量レートＦ_ｎからゼロへと気流４の体積流量レートを低減するためにオフに切り換えられる。所定の時間期間Ｔｏの後、このファンは、当該公称の体積流量レートＦ_ｎ（時刻ｔ_６２，ｔ_６４及びｔ_６５）を再度確立するためにオンに戻るよう切り換えられることになる。出力信号２１が、依然として、（必要な有限サンプリング時間Ｔｓ内で測定されるような）所定の値Ｓ_３よりも低い場合、ファン３は、後続の所定の時間期間Ｔｏの間、再びオフに切り換えられることになる。

図６の実施例については、所定の値Ｓ_３は、せいぜい比較的少量の空気汚染だけを有する公称上は「きれいな」空気において測定されたセンサ信号２１に対応して、これにより空気汚染の連続的な記録を必要ないものとすることが好ましい。この実施例において、ファン３がオフに切り換えられている所定の時間期間Ｔｏの間はフィルタ２２の内側に汚染物質が堆積しないので、空気汚染センサシステム１の寿命が伸びる。

図４及び図６において、気流４の体積流量レートは、同様の所定の時間期間Ｔｏの間ゼロに低減される。但し、出力信号２１が所定の値Ｓ_１を超過するときに体積流量レートがゼロに低減される間の第１の所定時間期間と、出力信号２１が所定の値Ｓ_３を下回るときに体積流量レートがゼロに低減される間の第２の所定時間期間とを有し、第１の所定時間期間が第２の所定時間期間とは異なるものとすることもできる。

当業者であれば、これまで説明した実施例の特徴を組み合わせることができることを理解することになる。この態様において、空気汚染センサシステム１の実施例は、出力信号２１が所定の値Ｓ_１を超過したとき、また、出力信号２１が所定の値Ｓ_３を下回ったとき、オフに切り換えられるようにファン３を構成し、これによりファン３がオンに切り換えられた状態を維持する出力信号２１の値の範囲を規定し、当該範囲がＳ_３の下限及びＳ_１の上限を有するものとして、得ることができる。Ｓ_１及びＳ_３に対して同じ値を用いることもできる。この態様において、フン３は、当該ファンが所定の時間期間Ｔｏの間再びオフに切り換えられる前に、必要な有限サンプリング時間Ｔｓにおいて空中汚染物質の濃度をセンサユニット２に測定させるために、周期的にオンに切り換えられるように構成される。

これまで説明した実施例において、起こりうる非ゼロオフセット信号を補償するために、ファン３がオフに切り換えられるところの時間期間においてセンサ信号２１のゼロリセットを適用することが便利である。フィルタ２２を空気が通過しない場合、センサ信号２１は、定義上ゼロとなる筈である。非ゼロオフセット信号は、例えば、空気汚染センサシステム１の内部の電子回路に影響を及ぼす温度変化のために上昇することができる。センサニット２を通じたゼロ体積流量レートにおけるセンサ信号２１に対するゼロリセットの適用も、センサ信号２１の信頼性を向上させる。

以上、本発明を、図面及びこれまでの説明において詳しく図示しかつ説明したが、このような図示及び説明は、例示的又は典型的なものであり限定的なものと解釈すべきではなく、本発明は、開示した実施例に限定されない。開示した実施例の変形は、図面、開示内容及び添付の請求項の検討により、請求項記載の発明を実施する当業者により理解され実施されることができる。請求項において、「有する」なる文言は、他の要素を排除するものではなく、単数表現は複数を排除しない。或る特定の方策が相互に異なる従属請求項に挙げられているという点は、これら方策の組み合わせが活用できないことを示すものではない。請求項における参照符号は、当該範囲を限定するものと解釈してはならない。

Claims (6)

1. 空気入口、空気出口、センサユニット及び排気装置を有する空気汚染センサシステムであって、前記排気装置は、前記空気入口から前記センサユニットを通じて前記空気出口への気流を確立するよう構成され、前記センサユニットは、前記気流から空中汚染物質を除去するためのフィルタを有し、前記センサユニットは、単位時間当たり前記フィルタにより前記気流から除去される空中汚染物質の量に依存する大きさをもつ出力信号を発生するよう構成され、前記排気装置は、前記出力信号により制御されるよう構成され、前記排気装置は、前記出力信号が第１の所定値を上回るとき及び該第１の所定値より小さい第２の所定値を下回るときに体積流量レートを減じるよう前記気流を調整するように制御される、システム。
2. 請求項１に記載の空気汚染センサシステムであって、前記気流の当該減じられた体積流量レートは、所定の時間期間の間ゼロである、システム。
3. 請求項２に記載の空気汚染センサシステムであって、前記所定の時間期間において前記出力信号をゼロにリセットするよう構成されるシステム。
4. 請求項１に記載の空気汚染センサシステムであって、前記フィルタは、空気透過可能な深さフィルタである、システム。
5. 請求項１に記載の空気汚染センサシステムであって、前記空気入口と前記センサユニットとの間の湾曲経路に前記気流を従わせるための構成を有するシステム。
6. 請求項１に記載の空気汚染センサシステムであって、前記気流の少なくとも一部の相対湿度を低下させるよう構成された加熱素子を有するシステム。

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