JP7111133B2 - ガス検知用マルチコプターおよびガス検知方法 - Google Patents

Description

本発明はガス検知用マルチコプターおよびガス検知方法に関する。

有毒ガスや可燃性ガスの漏洩は重大な事故の原因となり得るため、様々な技術分野において、ガスの漏洩を速やかに検知することが求められている。

例えば、製鉄所においては、様々な目的で加熱処理が行われるため、膨大な熱量が必要とされる。そこで、それら加熱処理の熱源として製鉄所内で発生する副生ガスを利用することが一般的に行われている。前記副生ガスとしては、主に高炉ガス（Ｂガス）、コークス炉ガス（Ｃガス）、転炉ガス（ＬＤガス）、およびそれらの混合ガス（Ｍガス）が用いられる。したがって、製鉄所内には、それらの副生ガスを貯蔵するタンクや、該副生ガスを所内の各工場へ分配するための配管がいたるところに設けられている。

しかし、上記副生ガスは、いずれも主成分として人体に有害な一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいるため、配管などから副生ガスが漏洩した場合、人命が危険にさらされる。また、一酸化炭素は可燃性ガスであるため、漏洩した場合、火災や爆発が生じる危険性もある。したがって、配管などからのガス漏れの検査は、製鉄所内における完全管理上きわめて重要である。

また、製鉄所の副生ガスに限らず、有毒ガスや可燃性ガスなどを取り扱う現場では、やはりガス漏れを検知して、事故の発生を防止することが求められている。

さらに、ガスの漏洩以外にも、換気が十分ではない空間における有毒ガスの滞留や、酸素濃度の低下を検知することに対する需要もある。例えば、鉄鋼製のタンクの内部に錆が生じた場合、錆の発生（鉄の酸化）により酸素が消費されるため、タンク内が酸欠状態となるため、作業者に危険が生じる。

そこで、上述したようなガスの検知を行うための様々な手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、ガス検出器と風向き指示器とを備えた可搬式のガス漏れ検査装置が提案されている。

また、特許文献２では、所定の経路を巡回してガスの漏洩を検知する、自律移動式の検査装置が提案されている。

特表２００３－５０１６１９号公報 特開平０８－２４９５６６号公報

特許文献１で提案されている装置は、手押し車などを利用して移動可能に構成されており、したがって、広範囲を移動しながら検査を行うことができる。しかし、検査できる範囲が地上付近に限られることに加え、実際にガスが漏洩していた場合には、作業者が危険にさらされるという問題がある。また、製鉄所や各種プラントなどでは、敷地が広大であり、配管も相当な長さを有しているため、このような装置で検査を行うためには多くの労力と時間が必要となってしまう。

また、特許文献２で提案されている装置は、自律移動しながら検査を自動的に行うことができるため、作業者が危険にさらされることは防止できる。しかし、車輪などを用いて走行するという構造上、やはり検査できる範囲が地上付近に限られる。また、広範囲を迅速に検査するという要求に対しては、依然として十分とはいえなかった。

特に、製鉄所や各種プラントなどにおける配管は、地上付近ではなく高所に設置されることも多いため、そのような高所であっても安全にガスを検知できる技術が求められている。

本発明は、上記実状に鑑み、地上付近に限らず空間全体におけるガスの検知を、広範囲にわたって迅速に行うことができるガス検知用マルチコプターを提供することを目的とする。また、本発明は、前記ガス検知用マルチコプターを用いたガス検知方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、特定の構造を有するマルチコプターを用いることにより、気流の特性を利用して効果的にガスの検知を行えることを知見した。

本発明は、上記知見に立脚するものであり、その要旨構成は次のとおりである。

１．ガス検知用マルチコプターであって、
機体本体部と、
前記機体本体部の水平方向外側に配置された、垂直方向の回転軸を有する複数のプロペラと、
前記機体本体部に直接取り付けられたガスセンサとを有し、
前記ガスセンサは、前記ガス検知用マルチコプターの水平方向中央かつ前記機体本体部の上面に設置されている、ガス検知用マルチコプター。

２．前記複数のプロペラの数が２以上の偶数であり、
前記複数のプロペラは、各プロペラの回転軸が前記ガスセンサを中心とした点対称に配置されている、上記１に記載のガス検知用マルチコプター。

３．上記１または２に記載のガス検知用マルチコプターを用いてガスを検知するガス検知方法。

本発明によれば、地上付近に限らず空間全体におけるガスの検知を、広範囲にわたって迅速に行うことができる。また、本発明によれば、マルチコプターのプロペラの回転によって生じる気流の特性を利用して、ガスをガスセンサ付近に集めることができるため、効果的にガスを検知することができる。本発明は、漏洩したガスの検知などに好適に利用することができる。

なお、本発明において「ガスの検知」とは、ガス自体を検知することに加えて、ガス（気体）中に含まれる粒子を検知することも包含するものと定義する。気体中に含まれる粒子も、人体へ有害である場合や、爆発の危険を伴う場合があるため、ガス自体と同様に検知の需要がある。そして、本発明のマルチコプターは、ガス自体だけでなくガス中に含まれる粒子の検知にも利用することができる。なお、前記粒子は、液体であっても固体であってもよい。したがって、本発明における検知対象のガスには、ミスト状の液体粒子が分散したガスや、粉塵、ヒュームなどの固体粒子が分散したガスも含まれる。

本発明の一実施形態におけるガス検知用マルチコプターを模式的に表した上面図である。 本発明の一実施形態におけるガス検知用マルチコプターを模式的に表した側面図である。 気流の流れを確認するために行った実験を説明するための写真である。 気流の流れを確認するために行った実験の結果を説明するための写真である。 気流の流れを確認するために行った実験の結果を説明するための写真である。 気流の流れを確認するために行った実験の結果を説明するための写真である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるガス検知用マルチコプター１を模式的に表した上面図である。また、図２は、ガス検知用マルチコプター１を模式的に表した側面図である。

ガス検知用マルチコプター（以下、単にマルチコプターという場合がある）は、機体本体部１０と、機体本体部１０の水平方向外側に配置されたプロペラ２０とを備えている。プロペラ２０は、垂直方向の回転軸を有している。

図１、２に示した実施形態では、プロペラ２０の数は４個としているが、特に限定されることなく複数（２以上）であれば任意の数とすることができる。マルチコプターとしての性能および後述する気流制御の観点からは、プロペラの数を４以上の偶数とすることが好ましく、４、６、または８個とすることがより好ましい。

本実施形態におけるマルチコプター１は、機体本体部１０から、外周方向に略放射状に延在するプロペラ支持部３０と、プロペラ支持部３０の先端に設けられたプロペラ駆動部４０とをさらに備えており、プロペラ２０はプロペラ駆動部４０によって駆動される。なお、プロペラ駆動部４０およびプロペラ２０は、機体本体部１０に直接設けられていてもよい。

マルチコプター１は、さらに、機体本体部１０に直接取り付けられたガスセンサ５０を有している。ガスセンサ５０は、図１、２に示したように、マルチコプター１の水平方向中央かつ機体本体部１０の上面に設置されている。前記ガスセンサとしては、ガス中に含まれる気体成分を検知するセンサ（いわゆるガスセンサ）と、ガス中に含まれる粒子を検知する粒子センサの少なくとも一方を用いることができる。

上記配置とすることにより、ガス検知を効果的に行うことができる。その理由を以下に説明する。

まず、複数の高速な噴流はお互いに引き寄せられる性質を有しているため、プロペラ２０によって生じた気流は、周囲から取り込んだ気体をマルチコプター１の中央方向へ集めつつ、上方から下方へ向かって流れる。その際、形成された噴流は、コアンダ効果により壁面、すなわち機体の表面に引き寄せられる。その結果、周囲の気体は機体本体部１０の上面中央部へ集められることになる。したがって、ガスセンサ５０を、ガス検知用マルチコプター１の水平方向中央かつ機体本体部１０の上面に設置することにより、広範囲におけるガス漏洩を効果的に検知することができる。

ここで、上記効果を確認するために、行った実験について説明する。前記実験では、気流の流れを可視化するために、スモークを用いてガスの漏洩を模擬し、ガスセンサとして、粒子センサの一種である煙検知器を搭載したマルチコプターにより、スモークを検知できるかどうかを試験した。

具体的には、図３に示すように、実際の製鉄所などにおいて配管が設置されるような高さにスモークマシン（スモーク発生器）を設置し、前記スモークマシンから、略水平方向（図中、左から右方向）にスモークを噴射した。

図４は、矢印で示すようにスモークの下方から上方へ、スモークへ近づけるようにマルチコプターを移動させた際の写真である。上述したように、プロペラによって生じる気流によりスモークがマルチコプターの方向に吸い込まれているとともに、吸い込まれたスモークは、マルチコプターの上面中央のガスセンサ（本実験では煙検知器）の位置に集まっていることが分かる。

図５は、矢印で示すように、スモークの側方からスモークへ近づけるように水平にマルチコプターを移動させた際の写真である。この場合でも、図４に示した場合と同様、プロペラによって生じる気流によりスモークが吸い込まれ、マルチコプター上面中央のガスセンサの位置に集まっていることが分かる。

図６は、矢印で示すようにスモークの上方から下方へ、スモークへ近づけるようにマルチコプターを移動させた際の写真である。この場合、プロペラによって下方への気流が生じているにもかかわらず、マルチコプターの方向へスモークが吸い込まれ、ガスセンサの位置に到達していることが分かる。また、図６から分かるように、このような位置関係の場合には、コアンダ効果によりマルチコプターの機体本体部まではスモークが引き寄せられているものの、機体本体部よりも上方の空間にはスモークが回り込んでいない。したがって、このような場合にもガスを検知するためには、本発明のようにマルチコプターの機体本体部の上面に、直接ガスセンサを設けることが重要である。本発明のマルチコプターのように、機体本体部の上面に直接ガスセンサが設けられていない場合には、コアンダ効果を有効に利用することができないため、マルチコプター自体をガスの存在する位置に十分近づけないと検知することが難しい。そのため、例えば、検査対象の配管とマルチコプターとが衝突してしまう危険がある。

図４～６に示した結果から分かるように、本発明によれば、マルチコプターの移動方向にかかわらず、周囲の気体をガスセンサの位置に引き寄せることができるため、効果的にガスの漏洩を検知することができる。実際、上記実験においても、図４～６に示した状態で煙検知器が作動した。

上述した気流の引き寄せ効果をさらに高めるという観点からは、複数のプロペラの回転面が単一の平面上（図２の破線Ａ）に存在するようプロペラ２０を配置し、ガスセンサ５０の取り付け高さは、前記平面の高さ＋１０ｃｍ以下とすることが好ましい。すなわち、図２のプロペラの回転面よりも１０ｃｍ高い面（破線Ｂ）よりも下方にガスセンサ５０を設置する。また、同様の観点から、プロペラ２０の回転中心とガスセンサ５０の中心との間の水平方向における距離をＬとしたとき（図１参照）、ガスセンサ５０の取り付け高さは、前記平面の高さ＋２Ｌ以下とすることが好ましい。なお、その際、ガスセンサ５０は、ガスセンサ５０の中心がすべてのプロペラ２０の回転中心と等距離となるよう配置することが好ましい。

また、同様に上述した気流の引き寄せ効果をさらに高めるという観点からは、前記複数のプロペラの数を４以上の偶数とし、前記複数のプロペラを、各プロペラの回転軸が前記ガスセンサを中心とした点対称となるよう配置することが好ましい。

なお、ガスセンサ５０としては、特に限定されることなく、任意のガスを検知することができるセンサを使用することができる（ガス中に含まれる粒子を検知するセンサも含む）。検知対象のガスについてもとくに限定されないが、本発明は有毒ガス、可燃性ガス、引火性ガスなど、危険性の高いガスの検知に極めて有効に適用できる。前記ガスセンサとしては、例えば、比較的小型、軽量な市販のガスセンサを用いることもできる。その際には、必要に応じ、マルチコプターの形状に合わせてガスセンサを改造して用いてもよい。

前記ガスセンサの検知方式についても特に限定されることなく、任意の方式のセンサを使用することができる。前記ガスセンサとしては、例えば、定電位電解式センサ、ニューセラミック式センサ、隔膜ガルバニ電池式センサ、および光散乱式センサが挙げられる。

定電位電解式センサは、一定の電位に保たれた電極上で検知対象のガスを電気分解し、そのときに発生する電流を検知することによってガスを検知するセンサである。この方式では、一酸化炭素（ＣＯ）や硫化水素（Ｈ₂Ｓ）などを検出することができる。

ニューセラミック式センサは、検知素子の表面で可燃性ガスが燃焼すると素子の温度が変化し、電気抵抗が変化することを利用してガスを検知するセンサである。この方式では、メタン（ＣＨ₄）などの可燃性ガスの検出が可能となる。

隔膜ガルバニ電池式センサは、電池と同様の構造を持ったセンサ内において、素子から取り込まれた酸素（Ｏ₂）によって電解液内で酸化・還元反応が起こり、電流が流れることを利用してガスを検知するセンサである。隔膜ガルバニ電池式センサでは、酸素（Ｏ₂）の検出が可能である。

また、光散乱式センサは、ガス中に含まれる粒子によって散乱される光の量が粒子濃度に依存することを利用したセンサである。光散乱式センサを用いることにより、ガス中に含まれる粉塵等の粒子を検知することができる。

なお、本発明におけるガスセンサとしては、上記のタイプに限定されることなく、検知対象に応じて任意のものを用いることができる。

ガス検知用マルチコプター１は、さらに、任意の部材や装置を備えることができる。例えば、図２に示したように機体本体部１０の下部に支持脚６０を備えることが好ましい。また、ガスセンサ５０によってガスを検知した場合に、光および音の少なくとも一方による警報を発する警報手段を備えることもできる。また、ガスセンサ５０による検知信号を無線で送信する送信手段を備えることも好ましい。前記送信手段は、例えば、ガス検知の有無を信号として送信するものであってもよく、また、ガスセンサ５０による検出強度を信号として送信するものであってもよい。

また、本発明のマルチコプターは、さらに機体本体部およびプロペラの外側に、該機体本体部に対し回転自在に取り付けられた受動回転球殻を備えることが好ましい。受動回転球殻は、例えば、複数の棒状部材で構成された球または多面体形状の殻であってよい。多面体形状の受動回転球殻である場合には、該多面体を構成する辺の位置に棒状部材が配されており、前記棒状部材は前記多面体の頂点の位置で互いに連結されており、多面体の面の位置はガスが通過可能なように解放されている。また、機体本体部に対し受動回転球殻を回転自在に取り付ける方法はとくに限定されないが、例えば、３軸ジンバルを用いることができる。

受動回転球殻を備えることにより、機体本体部およびプロペラが周囲の設備や地面などと接触して破損することを防止できる。本発明のマルチコプターでは、ガスセンサが機体本体部の上面に直接取り付けられているため、受動回転球殻とガスセンサとが干渉することもない。

１ ガス検知用マルチコプター
１０ 機体本体部
２０ プロペラ
３０ プロペラ支持部
４０ プロペラ駆動部
５０ ガスセンサ
６０ 支持脚

Claims (3)

1. ガス検知用マルチコプターであって、
   機体本体部と、
   前記機体本体部の水平方向外側に配置された、垂直方向の回転軸を有する複数のプロペラと、
   前記機体本体部に直接取り付けられたガスセンサとを有し、
   前記複数のプロペラは、回転面が単一の平面上に存在するように配置されており、
   前記ガスセンサは、前記ガス検知用マルチコプターの水平方向中央、前記機体本体部の上面、かつ前記複数のプロペラの回転面よりも１０ｃｍ高い面より下方に設置されている、ガス検知用マルチコプター。
2. 前記複数のプロペラの数が２以上の偶数であり、
   前記複数のプロペラは、各プロペラの回転軸が前記ガスセンサを中心とした点対称に配置されている、請求項１に記載のガス検知用マルチコプター。
3. 請求項１または２に記載のガス検知用マルチコプターを用いてガスを検知するガス検知方法。

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