JP5185636B2

JP5185636B2 - 本質安全防爆機器

Info

Publication number: JP5185636B2
Application number: JP2008007589A
Authority: JP
Inventors: 圭小野; 孝典塚原
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: JP2009170278A

Description

本発明は、駆動用電源として、例えばニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池やニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池などの二次電池が用いられる本質安全防爆機器に関する。

一般に、例えば地下の工事現場や坑道、その他の人が立ち入る場所や作業領域などにおいて、その環境の空気中に一酸化炭素ガスや硫化水素ガスなどの危険性ガスが含有されるおそれがある場合や、空気中の酸素ガス濃度が低下しているおそれがある場合など、環境雰囲気の空気が危険な状態となっている可能性あるいは危険な状態となる可能性がある場合が少なくない。
そして、環境雰囲気の空気において、含有される危険性ガスの濃度が高いことにより、または酸素ガス濃度が低いことにより、人に対して危険な状態となったときには、そのことを直ちに知ることが必要であり、このような要請から、現在までに種々のタイプの可搬式のガス警報器が提案されている。

近年においては、環境保全に対する意識が高まっていることから、乾電池の使用をできるだけ低減することが望まれており、このような可搬式のガス警報器においては、例えばニッケル水素電池などの二次電池が駆動用電源として内蔵され、充電動作を行うことによって繰り返し使用可能に構成されている。

一般に、ニッケル水素電池のような二次電池は、完全に放電しない状態で再充電を行うと、電力が残っているにもかかわらず、電力供給を停止してしまうメモリー効果が発生することが知られており、メモリー効果を回復させるためには、ある一定の電圧まで強制放電（リフレッシュ）させることが必要とされている。
二次電池を強制放電させる方法としては、通常、二次電池を駆動源とする機器に対応する、リフレッシュ機能を有する充電器を利用した方法が一般的に利用されている（例えば特許文献１参照）。

而して、上記のような可搬式のガス警報器においては、可燃性のガスや蒸気を含む爆発性雰囲気の存在により、引火、爆発が発生し得る環境で使用されるため、二次電池とガスセンサーや信号処理回路との間に、例えば抵抗や、ＰＴＣサーミスタあるいはヒューズ等の電流制限手段を挿入してガスセンサーや信号処理回路等での短絡によっても可燃性ガスへの引火を可及的に防止して電力を供給する、いわゆる「本質安全防爆」の規格を満足する構成であることが必要とされている。

そして、本質安全防爆型のガス警報器においては、外部にエネルギーを放出することができないため、強制放電（リフレッシュ）機能を有する充電器を利用して二次電池の強制放電を行うことができず、充放電が繰り返し行われることにより生ずるメモリー効果を回復することができないのが実情であった。
また、二次電池を強制放電させる際には、電池性能を劣化させる等の不具合が生じることを防止するために、電池容量に応じた放電電流で放電させ、かつ、電池電圧を一定の値以下に低下させないことが必要とされる。

特開平１０−１０６６３２号公報

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って、二次電池の残存電力を機器内部において安全に強制放電させることができ、従って、二次電池のメモリー効果を回復することができて二次電池本来の機能を長時間の間にわたって維持することのできる本質安全防爆機器を提供することを目的とする。

本発明の本質安全防爆機器は、駆動用電源として二次電池が用いられ、当該二次電池よりの電力を電流制限手段を介して各構成部材に供給する本質安全防爆機器であって、
各構成部材に対して動作指令信号を発するＣＰＵが第１の電流制限手段が挿入された状態で二次電池に接続されると共に二次電池からの供給電力により動作される負荷が第２の電流制限手段が挿入された状態で二次電池に接続された主動作制御回路と、前記第２の電流制限手段と負荷との間の位置を二次電池と短絡させる強制放電回路と、二次電池の電池電圧を監視する電池電圧監視回路とを有する充放電回路を具えてなることを特徴とする。

本発明の本質安全防爆機器においては、二次電池としてニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池が用いられた構成とすることができる。

本発明の本質安全防爆機器においては、二次電池の残存電力を、電流制限手段を介して意図的に回路短絡させて強制放電させることができるが、当該電流制限手段は仮に電流制限手段より先の回路で短絡故障が起きた場合であっても、抵抗自身で電力を消費することにより、着火源に至るような危険な温度上昇や火花の発生を防止するものであるので、二次電池の充放電を繰り返し行うことによって生ずるメモリー効果による二次電池の残存電力を機器内部において安全に強制放電（リフレッシュ）することができ、しかも、二次電池の強制放電が電池電圧が監視されながら行われることにより、電池性能を劣化させる等の不具合が生じることを防止することができ、二次電池のメモリー効果を確実に回復することができるので、二次電池本来の機能を長時間の間にわたって維持することができる。

以下、本発明について、本質安全防爆型のガス警報器（以下、単に「防爆型ガス警報器」という。）を例に挙げて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る防爆型ガス警報器の一例における構成を示す正面図、図２は、図１に示す防爆型ガス警報器の上面図、図３は、図１に示す防爆型ガス警報器の背面図、図４は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図、図５は、図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。
この防爆型ガス警報器１０は、裏面側ハウジング部材１２と、この裏面側ハウジング部材１２に枠状のパッキンＰを介して連結固定される、例えば透明な樹脂材料よりなる表面側ハウジング部材１３とにより構成される、全体が略箱型形状のハウジング１１を具えている。このハウジング１１は、手で握って保持することのできる大きさとされている。

ハウジング１１の内部には、必要な種々の機能素子が実装された平板状の動作制御用回路基板３０がハウジング１１の正面および背面に沿って延びるよう配設されており、この動作制御用回路基板３０の表面側において、中央領域にパネル状表示機構３１が設けられていると共に、裏面側において、動作制御用回路基板３０等の電子部品が配置される空間と互いに水密状態で区画された空洞部２５Ａを有する区画室２５が形成されていると共にこの区画室２５の左右両側に、駆動用電源である円柱状の二次電池（蓄電池）５０が配置されている。

区画室２５の内部空間は、表面側ハウジング部材１３における表示部１８の下方位置に形成された警報音放音用開口（以下、「前方放音用開口」という。）１５に設けられた防塵ネット（図示せず）を介して外部に連通していると共に、区画室２５の一部を形成する裏面側ハウジング部材１２の上壁に形成された警報音放音用開口（以下、「上方放音用開口」という。）１６およびこの上方放音用開口１６に設けられた防塵ネット（図示せず）を介して外部に連通している。

ハウジング１１の下部には、互いに異なる種類のガスを検知する例えば４つのボタン型のガスセンサーが、当該ガスセンサーを面方向に並んだ状態で保持するセンサー保持部が形成されたセンサーホルダー３７と、内部に各々のセンサー保持部に通ずるガス流路が形成されたセンサーキャップ３８とによって、固定された状態で保持されてなるセンサユニット３５が着脱自在に装着されたセンサユニット装着部１７が形成されている。符号３９は、センサー基板である。
ガスセンサーとしては、例えば、ガルバニ型ガスセンサー素子よりなる酸素ガス検知用のガスセンサー３６Ａ、例えば接触燃焼式ガスセンサー素子よりなる炭化水素ガスを％ＬＥＬ（爆発下限界濃度）の測定レンジで検知するガスセンサー３６Ｂ、例えば定電位電解式ガスセンサー素子よりなる一酸化炭素ガス検知用のガスセンサー３６Ｃ、例えば定電位電解式ガスセンサー素子よりなる硫化水素ガス検知用のガスセンサー３６Ｄなどを挙げることができる。

ハウジング１１の裏面における、区画室２５に対応する位置には、正面側に向かうに従って小径となる略円柱状空間部を形成する例えば３段の階段状の凹所により構成されたブザー配置室２０が形成されており、ブザー配置室２０を塞ぐよう蓋体１４が設けられている。
ブザー４０は、例えば円板状の金属板の一面上における中央部に円板状の圧電セラミックスが貼り合わせられた振動子よりなる薄板状の圧電素子により構成されており、例えばポリカーボネイトよりなるフィルム状の緩衝部材４５により、ハウジング１１に対して直接的に固定されない状態で配置されている。すなわち、金属板の周縁部が樹脂よりなる緩衝部材に装着されて中央部に空隙Ｃ１が形成された状態で、固定され、さらに、当該緩衝部材４５が、ブザー４０が配置された位置に対応する位置においてハウジング１１との間に空隙Ｃ２が介在する状態で、その周縁部がハウジング１１に固定されている。

また、ハウジング１１の裏面におけるブザー配置室２０に近接した位置には、ブザー配置室２０とハウジング１１の内部空間、具体的には、動作制御用回路基板３０等の電子部品が配置される空間とを連通させる空間部２８が区画室２５内の空洞部２５Ａとは独立して形成されており、当該空間部２８にブザー４０と動作制御用回路基板３０との接続用リード（図示せず）が配線されている。

駆動用電源である二次電池（蓄電池）５０は、例えばＡＡＡサイズ（単４型）のニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池，ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池などが用いられており、金属よりなるスリーブ状放熱部材５１が例えば二次電池５０の外周面の全周にわたって密着して設けられて保持枠部材５２によって保持された状態で、ハウジング１１内に配置されている。
スリーブ状放熱部材５１が設けられていることにより、短絡時における二次電池５０の温度の上昇の程度を規定範囲内に抑制することができて電源部に要求される防爆仕様を満足するものとなる。

この防爆型ガス警報器１０においては、ブザー音による警報報知機構に加えて更に、警報用発光素子３２の発光および警報用振動発生器３３による振動による警報報知機構を具えた構成とされている（図４参照）。

また、この防爆型ガス警報器１０においては、例えば導電性熱可塑性エラストマー組成物よりなるプロテクトカバー６０が装着されており、プロテクトカバー６０が装着された状態においては、外部に露出されるハウジング１１の連続した樹脂表面部分の大きさが所定の大きさ例えば１００ｃｍ²以下に規制され、これにより、静電気対策が十分で信頼性の高い防爆性を有するものとなる。また、プロテクトカバー６０を構成する材料それ自体の耐衝撃性によって、防爆型ガス警報器１０の緩衝材（保護材）としても機能するので、防爆型ガス警報器１０が故障または破損することを防止することができ、適正な動作状態に維持することができる。

以上において、図１における符号５５は、「ＰＯＷＥＲ」および「ＭＯＤＥ」が二段に表示されたメインスイッチとモード切替えスイッチを兼ねた第１の操作用ボタン、５６は、「ＡＩＲ」と表示された、ガスセンサーの種類、すなわち当該ガスセンサーの検知対象ガスの種類に応じて警報発生基準を変更する機能調整用の第２の操作用ボタン、１９は、ハウジング１１の正面およびこれに続く上面、両側面領域のそれぞれに形成された警報用発光部、図２における５７は、例えばガスセンサーにより検知されて動作制御用回路基板３０の記憶素子に記録されたガス濃度データを読み出すための赤外線通信ポート、図３における５８は、駆動用電源である二次電池５０を充電するための充電端子である。

而して、上記防爆型ガス警報器１０の動作制御回路基板３０においては、二次電池５０からの電力が、電流制限手段を介して、各構成部材に対する動作制御を行うＣＰＵ、ガスセンサー３６Ａ〜３６Ｄ、および、警報報知機構を含む負荷などの構成部材に供給されるよう主動作制御回路が構成されており、また、図６に示すように、二次電池５０が外部へのエネルギーの放出を防止するためのブロッキングダイオード７８を介して充電端子５８に接続されており、これにより、防爆型ガス警報器１０がいわゆる「本質安全防爆」の規格を満足するよう構成されている。
また、この動作制御回路基板３０においては、防爆型ガス警報器１０が適宜の充電器に装着されることにより充電端子５８を介して二次電池５０を充電すると共に、二次電池５０の残存電力を強制放電するための充放電回路７０が形成されている。

充放電回路７０は、互いに直列に接続された２つの二次電池５０，５０の一方の極（電力供給側の極）に、互いに並列に接続される第１および第２の制限抵抗素子の一方（第１の制限抵抗素子７４）を介してＣＰＵ電源７２が接続されると共に第２の制限抵抗素子７５を介して例えば警報報知機構を構成する警報用発光素子３２および警報用振動発生器３３などの負荷７６が接続され、当該ＣＰＵ電源７２および負荷７６が、二次電池５０の他方の極に接続されたＣＰＵ７３に接続されて構成された、主動作制御回路の一部を構成するメイン回路７１と、第２の制限抵抗素子７５と負荷７６との間の位置を二次電池５０と短絡させる強制放電回路８０と、二次電池５０の電池電圧を監視する電池電圧監視回路８５とを有する。

強制放電回路８０は、ＣＰＵ７３に対して並列状態で二次電池５０，５０と接続された、ＣＰＵ７３からの動作指令信号Ｎ１によりＯＮ−ＯＦＦ制御される例えば電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）８１よりなるＳＷ素子と、第２の制限抵抗素子７５とにより構成されている。

電池電圧監視回路８５は、ＣＰＵ７３に対して並列状態で二次電池５０，５０と接続された例えば負荷抵抗素子８６と、第１の制限抵抗素子７４とにより構成されており、ＣＰＵ７３によって検出される当該電池電圧監視回路８５に流れる電流に基づいて電池電圧が監視される。

充放電回路７０の一構成例を示すと、例えば、二次電池５０，５０として、各々、容量が８００ｍＡ、電圧が２．４ＶであるＡＡＡサイズ（単４型）のニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池２個が直列に接続されて電源部が構成されている場合において、第１の制限抵抗素子７４として、抵抗値が４Ωであるもの、第２の制限抵抗素子７５として、抵抗値が１０Ωのものが用いられ、これにより、後述する強制放電動作時における放電電流を電池容量に応じた適正な大きさ、例えば０．３Ｃ（２４０ｍＡ）とすることができる。なお、第１の制限抵抗素子７４が、第２の制限抵抗素子７５よりも抵抗値が大きいものが用いられた構成とされていてもよい。

上記構成の防爆型ガス警報器１０においては、第１の操作ボタン５５を操作して防爆型ガス警報器１０を動作状態とすると、二次電池５０，５０よりＣＰＵ電源７２を介してＣＰＵ７３に電力が供給されてガスセンサー３６Ａ〜３６Ｄおよびパネル状表示機構３１が動作状態となる。この状態で環境雰囲気の空気が拡散してガスセンサー３６Ａ〜３６Ｄに到達し、目的とするガスについてその濃度検知が行われ、その結果がパネル状表示機構３１に表示される。そして、検知対象ガスの濃度が当該ガスについて設定された基準値を超えたときにはＣＰＵ７３より警報動作信号Ｎ２が負荷７６を構成する警報報知器機構に発せられ、これにより、例えばブザー４０が作動されて前方放音用開口１５および上方放音用開口１６を介して警報音が外部に発せられる。
例えば、検知対象ガスが酸素ガス（Ｏ₂ガス）の場合には、基準値は例えば１８．０体積％（ｖｏｌ％）とされ、それ以下となったときに警報動作信号が発せられる。また、基準値は、検知対象ガスが炭化水素ガス（ＨＣガス）の場合には、例えば１０％ＬＥＬ（爆発下限界濃度に対するガス濃度）とされ、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）の場合には例えば２５ｐｐｍとされ、硫化水素ガス（Ｈ₂Ｓガス）の場合には例えば１０ｐｐｍとされ、当該基準値を超えたときに警報動作信号Ｎ２が発せられる。
上記防爆型ガス警報器１０においては、複数の種類の警報報知機構が設けられているが、それらの全部が一斉に駆動されることは必要ではなく、各警報報知機構が順次に所定時間だけ駆動されるサイクル的警報動作が行われることが好ましい。

そして、防爆型ガス警報器１０は、監視動作（ガス検知動作）の終了後に、次の使用機会に備えて、当該防爆型ガス警報器１０に対応する（専用の）充電器に装着されて二次電池５０の充電処理などが行われるが、二次電池５０，５０の充電処理を行うに際しては、防爆型ガス警報器１０の繰り返しの使用に伴って不可避的に生ずる二次電池５０，５０のメモリー効果を回復する強制放電処理が必要に応じて行われる。例えば防爆型ガス警報器１０の連続使用可能時間が１８時間である二次電池５０，５０の機能が、１２時間程度となるまで機能が低下した場合などに、充電処理を行う前に強制放電処理が行われる。

強制放電処理は、第１の操作ボタン５５を操作することにより、ＣＰＵ７３から動作指令信号Ｎ１が電界効果型トランジスタ８１のゲートＧに入力されて電界効果型トランジスタ８１が動作状態（ＯＮ状態）とされると、二次電池５０から供給される電流が電界効果型トランジスタ８１のソースＳからドレインＤに向けて流れ、第２の制限抵抗素子７５と負荷７６との間の位置が二次電池５０，５０と短絡され、これにより、第２の制限抵抗素子７５によって電力が消費されて二次電池５０の残存電力が強制的に放電される。
このような強制放電動作時においては、二次電池５０からの電力がメイン回路７１にも供給されてＣＰＵ７３が動作状態とされており、電池電圧監視回路８５によって検出される当該電池電圧監視回路８５に流れる電流値に基づいて電池電圧が一定の値以下、具体的には例えば電池１本あたり１．０Ｖ（上記実施例では、２本の二次電池５０が直列に接続されているので、２．０Ｖ）以下にまで低下しないようＣＰＵ７３によって監視される。そして、電池電圧が一定の値にまで低下したことが検出されると、ＣＰＵ７３から動作指令信号Ｎ１が電界効果型トランジスタ８１のゲートＧに入力されて電界効果型トランジスタ８１が非動作状態（ＯＦＦ状態）とされて強制放電動作が終了される。

而して、上記構成の防爆型ガス警報器１０によれば、充放電が繰り返し行われることによって不可避的に生ずるメモリー効果に起因する二次電池５０の残存電力を、適正な大きさの抵抗値を有する第２の制限抵抗素子７５を介して意図的に回路短絡させて、外部へエネルギーを放出することなく機器内部において強制放電させる特定の二次電池５０，５０の放電方法が実行される構成とされていることにより、二次電池５０，５０の残存電力を安全に強制放電すること（二次電池５０，５０のリフレッシュを行うこと）ができ、しかも、二次電池５０，５０の強制放電が電池電圧が監視されながら行われることにより、電池性能を劣化させる等の不具合が生じることを防止することができ、従って、二次電池５０，５０本来の機能を長時間の間にわたって維持することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明は、ガス警報器に限定されるものではなく、電池駆動型のものであって、本質安全防爆仕様が求められる機器において極めて有用である。
また、強制放電終了後、防爆機器本体と通信機能を有する専用の充電器に強制放電動作が終了した旨の動作指令信号を送り、二次電池の充電処理が自動的に開始されるよう構成することができる。

本発明に係る防爆型ガス警報器の一例における構成を示す正面図である。図１に示す防爆型ガス警報器の上面図である。図１に示す防爆型ガス警報器の背面図である。図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。本発明に係る防爆型ガス警報器における二次電池の充放電回路の構成を示す図である。

符号の説明

１０防爆型ガス警報器
１１ハウジング
１２裏面側ハウジング部材
１３表面側ハウジング部材
１４蓋体
１５前方放音用開口（警報音放音用開口）
１６上方放音用開口（警報音放音用開口）
１７センサユニット装着部
１８表示部
１９警報用発光部
２０ブザー配置室
２５区画室
２５Ａ空洞部
２８空間部
３０動作制御用回路基板
３１パネル状表示機構
３２警報用発光素子
３３警報用振動発生器
３５センサユニット
３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄガスセンサー
３７センサーホルダー
３８センサーキャップ
３９センサー基板
４０ブザー
４５緩衝部材
５０二次電池（蓄電池）
５１スリーブ状放熱部材
５２保持枠部材
５５第１の操作用ボタン
５６第２の操作用ボタン
５７赤外線通信ポート
５８充電端子
６０プロテクトカバー
７０充放電回路
７１メイン回路
７２ＣＰＵ電源
７３ＣＰＵ
７４第１の制限抵抗素子
７５第２の制限抵抗素子
７６負荷
７８ブロッキングダイオード
８０強制放電回路
８１電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）
８５電池電圧監視回路
８６負荷抵抗素子
Ｐパッキン
Ｃ１空隙
Ｃ２空隙
Ｇゲート
Ｓソース
Ｄドレイン
Ｎ１動作指令信号
Ｎ２警報動作信号

Claims

駆動用電源として二次電池が用いられ、当該二次電池よりの電力を電流制限手段を介して各構成部材に供給する本質安全防爆機器であって、
各構成部材に対して動作指令信号を発するＣＰＵが第１の電流制限手段が挿入された状態で二次電池に接続されると共に二次電池からの供給電力により動作される負荷が第２の電流制限手段が挿入された状態で二次電池に接続された主動作制御回路と、前記第２の電流制限手段と負荷との間の位置を二次電池と短絡させる強制放電回路と、二次電池の電池電圧を監視する電池電圧監視回路とを有する充放電回路を具えてなることを特徴とする本質安全防爆機器。
二次電池として、ニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池が用いられることを特徴とする請求項１に記載の本質安全防爆機器。
ガス警報器として構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の本質安全防爆機器。