JP5288461B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサに関し、特に水による異常作動を防止するガスセンサに関するものである。

従来のガスセンサには、ガス検出部を収容する収容室内に液体状の水が浸入するのを防止する撥水フィルタと、収容室を加熱してガス検出部における結露を防止するヒータが備えられている構造を持つもの（特許文献１参照）や、焼結フィルタ及び撥水フィルタを重ねて設置すると共に、同様に収容室を加熱するヒータを持った構造を持つもの（特許文献２参照）等がある。
特開２００７−０４０７５７号公報 特開２００６−２８４４９８号公報

しかしながら、上述のガスセンサの構造では、次のような問題がある。
（１）撥水フィルタとしてたとえばテフロン（登録商標）系材料による防水材料を用いた場合には、水の回り込みによる内部浸入がある。
（２）各フィルタ材料を重ねて設置すると、中間層に水分が滞留しやすいという問題がある。
（３）構成部品が多くセンサが大きくなりがちである。また、加熱機構の消費電力も大きい。
（４）防爆用金網に結露水が膜状に付着した場合、ガス検出部へのガス透過が阻害される。

そこで本発明は、上述した課題に鑑み、従来よりも単純な構造でガス検出部への水分の浸入を防止して水による異常作動を防ぐことができるガスセンサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明のガスセンサは、外部からガス導入用開口部を介して被検知ガスが導き入れられるガス検出室を有するセンサ筐体と、前記ガス検出室内に配置され、被検知ガスの濃度を検出するためのセンサ素子と、前記ガス導入用開口部に設けられ、メッシュ部材及び該メッシュ部材の両面に成膜されたゼオライトの疎水性膜または親水性膜からなり、防爆性および防水性を有するフィルタと、からなり、前記フィルタの前記ゼオライトの表面に固定され、前記センサ素子の動作時、前記フィルタを水の蒸発温度以上の一定温度に加熱するヒータをさらに備えていることを特徴とする。

なお、上述の課題を解決するための手段の説明における符号は、以下の発明の実施の形態の説明における構成要素の参照符号に対応しているが、これらは、特許請求の範囲の解釈を限定するものではない。

また、請求項における「防水性」、「疎水性」および「親水性」の意味は、以下の通りとする。すなわち、「防水性」とは、水が内部に入らないことを意味し、「疎水性」とは、物質の表面が水をはじく（水滴の接触角が大きい）性質・材質を意味し、「親水性」とは、表面に薄い水の被膜ができる（水滴の接触角が小さい）性質を意味し、ここでは、いずれも、センサ筐体２に水が付着してもガス検出室２Ａへの浸入を食い止める性質をフィルタ６が有することを示している。

本発明によれば、センサ素子を収容したガス検出室と外部との間に防爆性および防水性を有する１個のフィルタを備えているので、単純な構造でガス検出部（センサ素子）への水分の浸入を防止して水による異常作動を防ぐことができる。また、−３０℃〜＋１２０℃の環境で使用可能となる。また、湿潤雰囲気で連続しようした際でも、水分によるセンサ出力の誤動作がほとんど起きないガスセンサを得ることができる。また、ガス流路からガス検出部までの経路が短く、単純な構造であるため、小型で高速応答が可能である。

以下、本発明のガスセンサの実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態では、本発明のガスセンサとして、ＦＣ（燃料電池）搭載車両用の水素センサに適用した場合について説明する。

図１は、本発明の主旨を理解するのに役立つ参考例に係るガスセンサの構成を示す構
成図である。ガスセンサ１は、その内部空間がガス検出室２Ａとなる円筒状のセンサ筐体
２の一方の開口に嵌合されたベース部３に、水素ガス検出素子としてのセンサ素子４が搭
載され、このセンサ素子４と電気的に接続されたリードピン５が、ベース部３を貫通して
備えられている。

センサ筐体２は、その内側のほぼ中間に突出した部分で形成された段部２ａと、段部２ａの根本部分につながる小径部２ｂと、小径部２ｂからセンサ筐体２の他方の開口（ガス導入用開口部）２Ｂに至って形成された大径部２ｃとを有する。

センサ筐体２の段部２ａには、防爆性および防水性を有するフィルタ６が配置されている。フィルタ６は、小径部２ｂに圧入されるドーナツ状のフィルタ抑え９と、大径部２ｃに圧入されるドーナツ状のフィルタ抑え１０とで、段部２ａに押し付けられて固定されている。

上述の構成のガスセンサ１のセンサ筐体２は、燃料電池から排出される排ガスが流れる配管２０に設けられた円筒状のセンサ取付部２０ａに装着され固定されている。

フィルタ６は、熱伝導性のメッシュ部材としての防爆用の金網７と、この金網７の両面に成膜されたゼオライト８とからなる。金網７は、ＳＵＳ（ステンレススチール）製金網であり、たとえば ＳＵＳ３０４ １００メッシュ品が使用されている。ゼオライト８は、たとえば、疎水性の性質を持ったゼオライトであるシリカライトが用いられ、金網７を基材として水熱合成などの成膜方法で成膜される。これにより、金網７の空隙部（穴）は、ゼオライト８によって完全に被覆される。

図２は、金網７にゼオライト８を成膜したフィルタ６を示し、（Ａ）は拡大図、（Ｂ）は（Ａ）における白ヌキ四角で囲んだ部分のさらなる拡大図である。図２（Ａ）においては、白ヌキ楕円で囲んだ部分に、露出した金網７が見えている。図２から、金網７のメッシュの細孔部もゼオライト８によって被覆されていることが分かる。ゼオライト８は、疎水性かつ結晶性多孔質の材料であるから、排ガスに含まれる水素は、その細孔を通過することができるが、排ガスに含まれる水滴は、ゼオライト８の疎水性により通過できない。したがって、金網７に疎水性膜であるゼオライト８を成膜したフィルタ６は、防爆性と防水性を持つフィルタとして作用する。

センサ素子４は、リードピン５を介してガス濃度検出回路（図示しない）に電気的に接続されていると共に、フィルタ６を介して配管２０のガス流路に連通するガス検出室に露出されている。センサ素子４は、白金等で構成された測温抵抗体であり、通電電流により自己発熱する。

上述の構成のガスセンサ１において、センサ素子４は、配管２０からフィルタ６のゼオライト８および金網７を通過した排ガス中に水素ガス（被検知ガス）が存在する場合、水素ガスの濃度に応じて熱伝導率が変わり、自己発熱した測温抵抗体から奪われる熱量が変化する。センサ素子４の測温抵抗体から熱が奪われることにより、温度が下がり、抵抗値も下がる。ガス濃度検出回路は、センサ素子４の測温抵抗体の抵抗値の変化を計測することにより、水素ガスの濃度を検出することができる。

また、排ガス中に含まれる水滴は、フィルタ６のゼオライト８によってガス検出室内への浸入が妨げられ、センサ素子４の水による異常作動を引き起こすことはない。

このように、本参考例のガスセンサによれば、金網７にゼオライト８が成膜されたフィルタ６を備えているので、防爆性および防水性を有する１個のフィルタ６という単純な構造で、ガス検出部（センサ素子）への水分の浸入を防止して水による異常作動を防ぐことができる。また、本参考例のガスセンサは、−３０℃〜＋１２０℃の環境で使用可能となる。また、湿潤雰囲気で連続使用した際でも、水分によるセンサ出力の誤動作がほとんど起きないガスセンサを得ることができる。また、ガス流路からガス検出部までの経路が短く、単純な構造であるため、小型で高速応答が可能である。

（本発明の一実施形態）本発明の本発明の一実施形態では、上述の参考例の構成に加え
て、フィルタ６を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする。

図３は、本発明の一実施形態に係るガスセンサの構成を示す構成図である。図３において、フィルタ６のゼオライト８の表面には、ヒータ１２が、熱伝導率の高い熱伝導性樹脂１１で接着、固定されている。熱伝導性樹脂１１は、たとえば、株式会社スリーボンドから市販されている低硬化収縮一液性エポキシ配合樹脂「ＴｈｒｅｅＢｏｎｄ ２２７０Ｃ」等が使用される。また、ヒータ１２は、自己発熱すると共にその抵抗値が温度により変化する白金等の測温抵抗体で構成されている。

図３に示すように、ヒータ１２は、ヒータ制御手段としての定温度制御回路１３に接続されており、その制御により、発熱温度が水の蒸発温度すなわち１００℃、またはそれ以上の一定温度になるように加熱される。

図４に示すように、定温度制御回路１３は、ヒータ１２の抵抗Ｒｈと共にブリッジを構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒｔと、反転入力端子および非反転入力端子がブリッジに接続されたオペアンプＯＰとを有するヒータ抵抗測定手段としてのヒータ抵抗測定回路ＭＣと、オペアンプＯＰの出力端子に抵抗Ｒ３を介してベースが接続され、電源Ｖｃｃにエミッタが接続され、ブリッジにコレクタが接続されたヒータ電流制御手段としてのｐｎｐ型トランジスタＱ１とから構成されている。定温度制御回路１３は、ブリッジにより、予め設定された、水の蒸発温度以上の一定温度時に、ヒータ１２の抵抗値Ｒｈが（Ｒｔ×Ｒ２／Ｒ１）に等しい一定値になるように、ヒータ１２に流れるヒータ電流を制御する。

このような構成において、フィルタ６は、センサ素子４の動作時、ヒータ１２により水の蒸発温度１００℃以上の一定温度に加熱されるため、フィルタ６のゼオライト８に付着した水滴は短時間で乾燥する。

このように、一実施形態によれば、定温度制御回路１３の制御によるヒータ１２の発熱によって、フィルタ６を水の蒸発温度以上の一定温度に加熱することができ、センサ休止時にフィルタ６に付着した水滴を、少ない消費電力で短時間に乾燥させることができるため、ゼオライト８による水分除去効果が長期間にわたって持続するため、ヒータ１２がない参考例よりも水分除去効果が高くなる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

例えば、上述の参考例及び一実施形態では、ゼオライト８として、疎水性の性質を持ったゼオライトであるシリカライトが用いられているが、これに代えて、親水性の性質を持ったＬＴＡ（Linde Type A）型ゼオライト等の親水性膜を成膜しても良い。この場合も、排ガスに含まれる水素は、金網７に成膜されたＬＴＡ型ゼオライトの細孔を通過することができるが、排ガスに含まれる水滴は、ＬＴＡ型ゼオライトの親水性により通過できない。したがって、金網７の表面に親水性膜であるＬＴＡ型ゼオライトを成膜したフィルタ６は、防爆性と防水性を持つフィルタとして作用する。

また、上述の実施形態では、水素センサに適用した場合について説明したが、本発明は、これに限らず、水分の浸入とガス検出部への接触が問題とされるＶＯＣセンサやＣＯセンサ等の他のガスセンサにも適用可能である。また、本発明は、ＦＣ（燃料電池）搭載車両の配管中水素濃度を計測する水素センサのみならず、多量の水蒸気が発生する定置式を含む他の燃料電池システムにも適用可能である。

本発明の主旨を理解するのに役立つ参考例に係るガスセンサの構成を示す略断面図である。（参考例） 図１のガスセンサにおける金網にゼオライトを成膜したフィルタを示し、（Ａ）は拡大図、（Ｂ）は（Ａ）における白ヌキ四角で囲んだ部分のさらなる拡大図である。（参考例） 本発明の一実施形態に係るガスセンサの構成を示す図である。（一実施形態） 図３における定温度制御回路の構成を示す回路図である。（一実施形態）

符号の説明

１ ガスセンサ
２ センサ筐体
２Ａ ガス検出室
２Ｂ ガス導入用開口部
４ センサ素子
６ フィルタ
７ 金網（メッシュ部材）
８ ゼオライト（疎水性膜、親水性膜）
１２ ヒータ

Claims (1)

1. 外部からガス導入用開口部を介して被検知ガスが導き入れられるガス検出室を有するセンサ筐体と、前記ガス検出室内に配置され、被検知ガスの濃度を検出するためのセンサ素子と、前記ガス導入用開口部に設けられ、メッシュ部材及び該メッシュ部材の両面に成膜されたゼオライトの疎水性膜または親水性膜からなり、防爆性および防水性を有するフィルタと、からなり、
   前記フィルタの前記ゼオライトの表面に固定され、前記センサ素子の動作時、前記フィルタを水の蒸発温度以上の一定温度に加熱するヒータをさらに備えていることを特徴とするガスセンサ。