JP5801398B2 - ガスセンサハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサハウジングに関する。加えて、本発明は、本発明によるガスセンサハウジングを備えるテストガス検出システムと、本発明によるガスセンサハウジングを備える漏れテストシステムと、に関する。

トレーサガスを使用する漏れテストおよび漏れ検出において、漏れテストが行われる対象は、漏れ検出器を用いて検出可能である構成物質を少なくとも１つ含むガスまたはガス混合物で満たされる。この漏れ検出器は、トレーサガスと通常称される追跡可能な構成物質の存在を、デジタル、電気、音響、または光の信号に変換する。

トレーサガスは、漏れの存在や大きさを検出するためと、検出されたらその場所を特定するためと、の両方に頻繁に使用される。これは、追跡可能な物質の増加量を記録するために、漏れの近くまたは漏れに直接接して検出器を使用することによって行われる。

検出器が漏れを記録するためには、漏れているトレーサガスの少なくとも一部が、漏れ検出器のガス検出センサに直接接触しなければならない。現在、漏れているトレーサガスを検出器のガス検出センサに運ぶための２つの主な原理が知られている。

ａ）ノズルを有する吸入管（しばしば探知機と称される）は、漏れ部位とガス検出センサとの間で利用される。吸入管の吸入口が漏れ部位に十分近い場合、トレーサガスは漏れ部位から吸引され、主に拡散によってセンサに到達してもよいよう、トレーサガスに反応するセンサのすぐ近くへ吸入管を介して運ばれ、この時検出器は、操作者に漏れを警告するために、例えば光および／または音響の信号を発するよう構成されている。

ｂ）ガス検出器は漏れ部位の非常に近くに位置するので、トレーサガスは主に拡散によって、トレーサガスに反応するセンサに達することができ、この時検出器は、操作者に漏れを警告するために、例えば光および／または音の信号を発するよう構成されている。

今日、一般にセンサ先端部またはビーズは、ハウジングトランジスタまたは他のマイクロ電子デバイスに広く使用される、ＴＯ１８等の標準ハウジングに取り付けられている。他のよく使用されるハウジングのタイプは、Ｆｉｇａｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｃ．により最初に用いられた、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｇａｓである同社のＴＧＳ８２１の様式であり、このハウジングのタイプは、今日、数多くのセンサメーカによって用いられている。

全てのセンサハウジングに共通するのは、それらが、例えば機械的衝撃、ほこり、および熱的衝撃に対してそのセンサ素子を機械的に保護するよう製造されている点である。

ガスセンサにおいては、サンプルガスの流れをセンサ素子の活性表面上に向かわせることによって、ガスがセンサに到達してもよい。このような手順は、正しいガス濃度がセンサの活性表面上で迅速に形成されるようにするが、流れまたは温度の変化によって誤った読み取りを引き起こす可能性があるという重大なリスクがある。

ガス流を活性表面上に向かわせることは、粒子汚染のリスク増にもつながる。そこで、センサ素子は拡散によってのみ周囲ガスと通じるよう構成されるのが一般的である。これを行うための一般的な方法は、焼結ディスクやＰＴＦＥ膜等の微細なフィルタをセンサ素子の前に配置することである。このような微細なフィルタは一般的に拡散膜とも呼ばれている。

拡散原理は非常に強力だが、それでも、活性表面上で正しいガス混合物を形成するのが遅い等の数少ない欠点がある。

手動漏れ検出という用途の一例において、センサは頻繁に、漏れが疑われる箇所のすぐ近くに運び込まれるか、または漏れのチェックが行われる表面上に単にさっとかざされる。そのように使用されるためには、反応速度が速いことが有益であることは明らかである。

センサを漏れ箇所に移動させる場合には、機械的衝撃並びに例えばほこり、油、およびグリース等の汚れによる汚染といった差し迫ったリスクもある。

一般に入手可能な今日のセンサのハウジングは、概して、そのような環境に耐えるための研究が十分になされていない。したがって、実際のセンサハウジングを保護するために、漏れ検出プローブには通常、少なくとも１つの追加バリアがプローブ先端部に備え付けられている。このような追加の保護バリアは、検出器の反応も遅らせる。

今日の市販のセンサは通常、概して多数の接続ピンを備えるハウジング内に存在する。したがって、漏れ検出プローブは概して、センサハウジングの接続ピンが挿入される整合接続ソケットを有する。

これらの今日の市販のセンサは、何の追加的保護なく、プローブ先端部への用途に適することはほとんどない。したがって、通常、何らかの保護“キャップ（ｃａｐ）”がセンサの上部にカチッと留められるか、ねじ留めされる。

そのような配置は、総距離の増加に加え、少なくとも、２つのフィルタバリアとともにそれらの間の密閉空間をもたらす。この配置は更に、活性表面により近い空間と通じる２つの小さな勾配に濃度勾配を分割することで、拡散速度を減速させる。

通常、個々のフィルタバリアは、自己支持形であることが必要となるので、一定の厚みが求められる。したがって、通常、一つ以上の追加フィルタバリアを提供すると、単にフィルタバリアを積み重ねただけの厚みを上回る厚みの増加が生じる。

したがって、本発明の目的は、ガスの存在を検出するための反応速度を増加することおよび次の検出が行えるように回復時間を短縮すること、を可能にする改良されたガスセンサハウジングを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有するガスセンサハウジングを用いることで達成される。

上記の目的は、一次ガス透過性膜の下でハウジング本体によって保持されるガスセンサと、信号がガスセンサからコネクタ素子へ伝達されてもよいようにその各端部がガスセンサと接続可能となるよう、ハウジング本体内に成形される少なくとも１つのコネクタ素子と、ハウジング本体に筐体をもたらすセンサエンベロープと、ガスセンサの上の所定の位置に一次ガス透過性膜を維持する手段と、ガスセンサと一次ガス透過性膜との間に分離距離をもたらすスペーサ部分と、を備えるガスセンサハウジングを提供することにより達成される。

本発明の更なる目的は、改良されたテストガス検出システムを提供することである。

この更なる目的は、請求項１４に記載の特徴を有するテストガス検出システムを用いることで達成される。

本発明のまた更なる目的は、改良された漏れテストシステムを提供することである。

このまた更なる目的は、請求項１５に記載の特徴を有する漏れテストシステムを用いることで達成される。

好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

ほんの一例として、本発明の実施形態が、添付の図面を参照しながら説明される。

本発明の更に他の目的および特徴は、添付の図面と併せて検討された下記の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、図面は説明のみのために考案されており、本発明の限度を定義するものではなく、これを知るためには添付の請求項を参照するべきであることは理解されたい。更に、図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、特に説明がなければ、本明細書に記載された構造および手順を単に概念的に描くことを意図しているものであることも理解するべきであろう。対応する特徴を示すために、異なる図面において同じ参照番号が用いられている。

本発明によるガスセンサハウジングの外観図である。 図１によるガスセンサハウジングの一つの実施形態の断面図である。 図１によるガスセンサハウジングの別の実施形態の断面図である。 図１によるガスセンサハウジングの更に別の実施形態の断面図である。 光学センサを備える、図１によるガスセンサハウジングの更に別の実施形態の断面図である。

本発明は、フィックの第２法則によると、ある濃度をガスセンサの活性表面上にもたらすために必要な時間は、この活性表面と拡散膜の外表面との間の距離の二乗に比例する、という点に基づいている。

フィックの第１法則は、拡散膜を通るガス流がこの膜を横断する濃度勾配に比例することを示す。

これら２つの基本的な拡散の特性は、今日知られているセンサの反応時間および回復時間を遅らせることが明らかとなっている。今日知られているセンサの回復時間は、６０から７０秒前後である。今日の検出器のなかには１から１０秒の回復時間を示すものもあるが、これは計器レベルの話であり、通常は９０％に相当する。この計器は、実際のセンサが回復するかなり前の時間にゼロを表示するように、リセットを促進する。

そのため、フィックの法則に従って、拡散距離および拡散膜の後方の内部体積を最小化することが有益であることが認識されている。

したがって、追加の保護バリアを必要とする手動または他のプローブにガスセンサを一体化する時、検出されるガスが活性表面に到達するために拡散しなければならない距離を最小化することが望ましい。

図１には、本発明によるガスセンサハウジング１の外観図が示されている。ガスセンサハウジング１は、検出されるべきガスが通過して拡散する必要のある一次ガス透過性膜２または拡散膜２を有する。この一次ガス透過性膜２は、例えば図示されているように、例えば金属製エンベロープであってもよいセンサエンベロープ９の内向き突出縁部６によって所定の位置に保持されてもよい。あるいは、一次ガス透過性膜２は、接着または溶接によって所定の位置に保持されてもよい。一対のコネクタ素子１０は、ガスセンサハウジング１の底部から突出する。

図２は、図１によるガスセンサハウジングの第一の実施形態の断面図を示す。ガスセンサ３は、一次ガス透過性膜２の下で、ハウジング本体１１によって保持されている。ハウジング本体１１は、低製造コストをもたらすために、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）を少なくとも一部に含む熱可塑性材料等の熱可塑性材料から成形されてもよい。ＰＥＥＫは、約２５０℃までの温度で優れた熱的および機械的特性を有する。

２つのコネクタ素子１０は、ハウジング本体１１内に成形され、これは、その各端部がハウシング本体１１の底部から突出し、ハウジング本体１１の上部に到達することで、ガスセンサ３との接続が可能となるようになされる。接続リード線５は、電気信号がガスセンサ３からコネクタ素子１０へ伝達されてもよいように、コネクタ素子１０とガスセンサ３とを接続する。接続リード線５は、貴金属合金ワイヤのリード線５であってもよく、さらにコネクタ素子１０に溶接されてもよい。

センサエンベロープ９はハウジング本体１１に筐体を提供し、内向き突出縁部６を介して、一次ガス透過性膜２をガスセンサ３の上の所定に位置に維持する。したがって、センサエンベロープ９の内向き突出縁部６は、ハウジング本体１１から遠ざかろうとする一次ガス透過性膜２の動きを制限する。ハウジング本体１１と一体的に形成され、少なくとも部分的にガスセンサ３を取り囲む環状スペーサ部分７は、ガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘをもたらし、分離距離Ｘも接続リード線５を収容するのに必要な空間を提供する。上記のように、別の実施形態において、一次ガス透過性膜２は、センサエンベロープ９および環状スペーサ部分７のどちらか一方または両方に接着または溶接されることで、所定の位置に保持されてもよい。

図２に示されるように、ガスセンサ３は、ハウジング本体１１の凹部８内に置かれてもよい。別の実施形態においては、ハウジング本体１１と一次ガス透過性膜２との間に作られた空間の体積が図２に示された実施形態よりも大きくなるので、この配置では有益性が少ないとしても、ガスセンサ３は当然ハウジング本体１１の非凹状の平面上に置かれてもよい。

また更なる実施形態においては、ハウジング本体１１と一次ガス透過性膜２との間に作られた空間の体積、つまりガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘ、を更に最小化することが予測されている。これは、任意の二次ガス透過性膜４を、ハウジング本体１１の環状スペーサ部分７と一次ガス透過性膜２との間に導入することにより可能である。電気絶縁性を有する二次ガス浸透性膜４を適用することによって、分離距離Ｘを更に減少させることが可能である。これは、二次ガス透過性膜４が、導電性である可能性のある一次ガス透過性膜２に接続リード線５が接触しないようにし得るからである。

このような二次ガス透過性膜４は、例えば、少なくとも部分的にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または類似のハロゲン化炭化水素ポリマーから製造されてもよい。好適な膜は、例えばＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから提供される。このようなＰＴＦＥ膜は、優れた電気絶縁性を提供し、約２５０℃までの温度で優れた熱的および機械的特性を有する。

二次拡散膜４が適用された実施形態においては、一次拡散膜２を金属製メッシュ等のより開放的な構造と交換することが可能である。この場合、金属製メッシュは、二次拡散膜４を維持し機械的に保護するという目的を果たすのみである。金属製メッシュはしばしば一般的な焼結ディスクよりも薄く製造されてもよいので、これは有益である。

図３には本発明によるガスセンサハウジング１の別の実施形態が示されており、この別の実施形態が図１によるガスセンサハウジングの断面図で表されている。第一の実施形態と同様に、ガスセンサ３は、一次ガス透過性膜２の下でハウジング本体１１によって保持されている。

第一の実施形態と同様に、２つのコネクタ素子１０は、ハウジング本体１１内に成形され、これは、その各端部がハウシング本体１１の底部から突出し、ハウジング本体１１の上部に到達することで、ガスセンサ３との接続が可能となるようになされる。接続リード線５は、第一の実施形態と同様、電気信号がガスセンサ３からコネクタ素子１０へ伝達されてもよいように、コネクタ素子１０とガスセンサ３とを接続する。

第一の実施形態と同様、センサエンベロープ９はハウジング本体１１に筐体を提供し、内向き突出縁部６を介して、一次ガス透過性膜２をガスセンサ３の上の所定に位置に維持する。したがって、センサエンベロープ９の内向き突出縁部６は、ハウジング本体１１から遠ざかろうとする一次ガス透過性膜２の動きを制限する。あるいは、上述されたように、一次ガス透過性膜２は、接着または溶接によって所定の位置に保持されてもよい。

しかし、図３によるこの別の実施形態を図１の実施形態と区別しているのは、図３によるこの別の実施形態において、少なくとも部分的にガスセンサ３を取り囲み、ガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘを提供する環状スペーサ部分７が、ハウジング本体１１と一体的に形成されておらず、むしろハウシング本体１１と一次ガス透過性膜２との間に配置された別個の存在である、という事実である。また更に別の実施形態が図４に示されている。この図４によるまた更に別の実施形態において、少なくとも部分的にガスセンサ３を取り囲み、ガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘを提供するスペーサ部分７が、センサエンベロープ９と一体的に形成されているという点で、図４による実施形態は図２および３による実施形態とは異なる。さらに別の実施形態においては、一次ガス透過性膜２は、上述のように、センサエンベロープ９および環状スペーサ部分７のどちらか一方または両方に接着または溶接されることで、所定の位置に保持されてもよい。

図３に示されるように、第一の実施形態と同様、ガスセンサ３は、ハウジング本体１１の凹部８内に置かれてもよい。または、更に別の実施形態においては、ハウジング本体１１と一次ガス透過性膜２との間に作られた空間の体積が、図３に示された実施形態よりも大きくなるので、この配置では有益性が少ないとしても、ガスセンサ３は当然ハウジング本体１１の非凹状の平面上に置かれてもよい。

また更なる実施形態においては、ハウジング本体１１と一次ガス透過性膜２との間に作られた空間の体積、つまりガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘ、を更に最小化することが行い得る。これは、第一の実施形態と同様、任意の二次ガス透過性膜４を、環状スペーサ部分７と一次ガス透過性膜２との間に導入することにより可能である。電気絶縁性を有する二次ガス浸透性膜４を適用することによって、分離距離Ｘを更に減少させることが可能である。これは、二次ガス透過性膜４が、導電性である可能性のある一次ガス透過性膜２に接続リード線５が接触しないようにし得るからである。

追加的な形態としては、平面的なチップであるガスセンサ３とともに、上記提案された様々な実施形態のガスセンサハウジング１を使用することが好ましい。薄膜ガスセンサ３は、他の種類のセンサと比べて、更に迅速な拡散および回復を提供することにより、優れた性能をもたらすことが分かっている。回復時間が通常６０から７０秒前後である今日の一般的なセンサと比較すると、薄膜ガスセンサ３の回復時間は１０秒前後である。

更に別の図５による実施形態が、図１によるガスセンサハウジングの断面図によって示されている。しかし、この実施形態において、光学ガスセンサ３は、一次ガス透過性膜２の下で、ハウジング本体１１によって保持されている。ハウジング本体１１は、以前と同様、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）を少なくとも一部に含む熱可塑性材料等の熱可塑性材料から成形されてもよい。

コネクタ素子１０は、光ファイバ導体によってクラッド部１２とともに構成される。光信号（点線矢印１３）がガスセンサ３に伝達されそしてガスセンサ３から伝達されてもよいよう、このコネクタ素子１０は、その端部がハウジング本体１１の底部近くに到達可能でありかつガスセンサ３に到達するように、ハウジング本体１１内に成形される。

センサエンベロープ９はハウジング本体１１に筐体を提供し、内向き突出縁部６を介して、一次ガス透過性膜２をガスセンサ３の上の所定に位置に維持する。したがって、センサエンベロープ９の内向き突出縁部６は、ハウジング本体１１から遠ざかろうとする一次ガス透過性膜２の動きを制限する。あるいは、前述したように、一次ガス透過性膜２は、接着または溶接によって所定の位置に保持されてもよい。ハウジング本体１１と一体的に形成され、少なくとも部分的にガスセンサ３を取り囲む環状スペーサ部分７は、ガスセンサ３と一次ガス透過性膜２との間の分離距離Ｘを提供する。あるいは、分離距離Ｘは当然、図３または図４の実施形態に従って提供されてもよい。更に別の実施形態において、上記のように、一次ガス透過性膜２は、センサエンベロープ９および環状スペーサ部分７のどちらか一方または両方に接着または溶接されることで、所定の位置に保持されてもよい。

一例として、水素（Ｈ_２）に反応する光学ガスセンサは、ブラッグ−フィルタ／スクリーンまたは鏡を、ガスが吸収されるにつれて光学的特性（回析）が変化するパラジウム（Ｐｄ）で被覆することによって得られてもよい。他の例としては、ある一種または複数種のガスに露出されると変色し、その結果、ある波長の光の反射および／または吸収が生じる物質が挙げられる。

本発明は更に、上記の実施形態のいずれか一つによるガスセンサハウジング１を備えるテストガス検出システムに関連する。

本発明は更に、上記の実施形態のいずれか一つによるガスセンサハウジング１を備える漏れテストシステムに関連する。

そのようなテストガス検出システムおよび漏れテストシステムは概して、ハウジング内に含まれるガスセンサと、センサから評価回路に信号を伝達する光学または電気コンダクタと、評価回路、ヒューマン・マシン・インタフェース、およびマシン・マシン・インタフェースを備える計器と、を備える。システムが手動操作向けである場合、システムが、
センサと、時には評価回路と、または完全な計器までもが取り付けられるハンドルを備えていることも一般的である。

添付の特許請求の範囲に記載されている発明の範囲を逸脱することなく、前述の発明の実施形態を変更することが可能である。

“含む”、“備える”、“組み込む”、“からなる”、“有する”、および“ある”等の表現は、本発明が包括的に解釈されることを意図しているという点、すなわち、明確に説明されていない事項、構成要素、または要素も存在できる点、を説明し主張するために使用される。単数形での記載は、複数形としても解釈され、また逆も同様である。

添付の特許請求の範囲において括弧内に含まれる参照番号は、特許請求の範囲を理解するのに役立つことを目的としており、これらの特許請求の範囲で主張された対象を制限するものであると決して解釈されるべきではない。

したがって、これまで本発明の基礎的で新規の特徴が、好適な実施形態に適用されながら示され、説明され、指摘されてきたが、例示されたデバイスおよびその操作の形態および詳細について、様々な省略、代替、および変更が当業者によって行われてもよいことは理解されよう。例えば、これらの要素の組み合わせの全ておよび／または同じ結果に達するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を果たす方法のステップは、本発明の範囲内であることが明確に意図されている。更に、本発明の記載された任意の形態または実施形態に関して示されたおよび／または説明された構造および／または要素および／または方法のステップは、設計事項の一般的事項として記載、説明、または示唆された他の形態または実施形態に組み込まれてもよいことが認識されるべきである。したがって、ここに添付された特許請求の範囲に示されたようにのみ限定されるものである。

１ ガスセンサハウジング
２ 一次ガス透過性膜
３ ガスセンサ
４ 二次ガス透過性膜
５ 接続リード線
６ 内向き突出縁部
７ 環状スペーサ部分
８ 凹部
９ センサエンベロープ
１０ コネクタ素子
１１ ハウジング本体
１２ クラッド部
１３ 点線矢印

Claims (11)

1. ガスセンサハウジング（１）であって、
   一次ガス透過性拡散膜（２）の下でハウジング本体（１１）によって保持される、あるガス濃度がその活性表面上で形成されるためのガスセンサ（３）と、
   信号が前記ガスセンサ（３）からコネクタ素子へ（１０）伝達されてもよいようにその各端部が前記ガスセンサ（３）と接続可能となるよう、前記ハウジング本体（１１）内に成形される少なくとも１つのコネクタ素子（１０）と、
   前記ハウジング本体（１１）に筐体をもたらすセンサエンベロープ（９）と、
   前記ガスセンサ（３）の上の所定の位置に前記一次ガス透過性拡散膜（２）を維持する手段と、
   前記ガスセンサ（３）と前記一次ガス透過性拡散膜（２）との間に分離距離（Ｘ）をもたらすスペーサ部分（７）と、
   電気絶縁性を有し、かつ前記スペーサ部分（７）と前記一次ガス透過性拡散膜（２）との間に提供される二次ガス透過性拡散膜（４）と、
   を備え、
   前記一次ガス透過性拡散膜（２）は、前記ハウジング本体（１１）から遠ざかろうとする前記一次ガス透過性拡散膜（２）の動きを制限する前記センサエンベロープ（９）の内向き突出縁部（６）によって、前記ガスセンサ（３）の上の所定の位置に維持され、
   拡散距離およびガス透過性拡散膜の後方の内部体積が最小化される、ガスセンサハウジング（１）。
2. 前記スペーサ部分（７）が前記ハウジング本体（１１）と一体的に形成される、請求項１に記載のガスセンサハウジング（１）。
3. 前記スペーサ部分（７）が、前記ハウジング本体（１１）と前記一次ガス透過性拡散膜（２）との間に配置された別個の存在である、請求項１に記載のガスセンサハウジング（１）。
4. 前記スペーサ部分（７）が前記センサエンベロープ（９）と一体的に形成される、請求項１に記載のガスセンサハウジング（１）。
5. 前記二次ガス透過性拡散膜（４）が、少なくとも部分的にポリテトラフルオロエチレンまたは類似のハロゲン化炭化水素ポリマーから製造される、請求項１に記載のガスセンサハウジング（１）。
6. 前記ハウジング本体（１１）が熱可塑性材料から成形される、請求項１から５のいずれか一項に記載のガスセンサハウジング（１）。
7. 前記ハウジング本体（１１）が、ポリエーテル・エーテル・ケトンを少なくとも一部に含む熱可塑性材料から成形される、請求項６に記載のガスセンサハウジング（１）。
8. 前記ガスセンサ（３）が平面的なチップのガスセンサ（３）である、請求項１から７のいずれか一項に記載のガスセンサハウジング（１）。
9. 前記ガスセンサ（３）が薄膜ガスセンサ（３）である、請求項１から８のいずれか一項に記載のガスセンサハウジング（１）。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のガスセンサハウジング（１）を備えるテストガス検出システム。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載のガスセンサハウジング（１）を備える漏れテストシステム。

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