JP5927647B2 - ガス検知器 - Google Patents

Description

本発明は、所謂自己加熱型のガス検知素子を備えたガス検知器に関する。

一般に、自己加熱可能な、所謂自己加熱型のガス検知素子としては、接触燃焼式ガス検知素子、半導体式ガス検知素子、固体電解質式ガス検知素子等が知られている。

例えば、接触燃焼式ガス検知素子は、アルミナ等の金属酸化物焼結体に白金等の貴金属触媒を担持したガス感応部としての燃焼触媒部を、白金等の貴金属線に設けてあり、燃焼触媒部において検知対象となる被検知ガスを貴金属触媒と接触・燃焼させることで、燃焼の際に生じる温度変化を貴金属線の抵抗値の変化として検出する。被検知ガスの燃焼熱は被検知ガスの濃度に比例し、貴金属線の抵抗値は燃焼熱に比例するため、被検知ガスの燃焼による貴金属線の抵抗の変化値を測定することによって被検知ガスの濃度を測定することができる。

このような接触燃焼式ガス検知素子は、例えば、燃料電池からの水素の漏れを検知する水素ガスセンサとして、水素燃料電池自動車（ＦＣＶ）に採用されている。ＦＣＶは、ユーザーが燃料電池システムを起動させようと操作すると、まず水素ガスセンサが起動して水素の濃度を検知し、水素の漏れがないことを確認した後、燃料電池システムが起動する。このため、ＦＣＶでは、ユーザーが燃料電池システムを起動させようと操作してから実際に起動するまでにはタイムラグが発生することになり、このタイムラグを短くするために水素ガスセンサが起動してから水素を検知可能になるまでの時間を短縮することが求められる。近年では、ＦＣＶは−３５℃のような低温の環境下においても使用できるようになり、これに伴い、水素ガスセンサにおいても、−３５℃において使用可能、特にその環境下で水素を検知可能となるまでの時間が短いものが求められている。

尚、本発明における従来技術となる接触燃焼式ガス検知素子等の自己加熱型のガス検知素子は、一般的な技術であるため、特許文献等の従来技術文献は示さない。

しかし、前記従来の接触燃焼式ガス検知素子では、上述の通り、被検知ガスの燃焼に伴う温度変化を検出するものであるため、環境温度の影響を受け易かった。通常、接触燃焼式ガス検知素子を用いたガスセンサにおいては、温度補償素子を設けて環境温度の影響を少なくしているが、−２０℃〜−３５℃のような低温下では、ガス検知素子の温度が不安定となり検知精度に影響が出るという問題があった。

低温下で水素中のセンサ出力が不安定となる原因として、水素などの可燃性ガスの燃焼、酸化により生成した水蒸気が、ガス感応部の近傍に存在する部材、例えば貴金属線を支持する金属製の支持部などに結露したり、氷結したりすることによりガス検知素子の熱が奪われることが考えられる。

また、その他の自己加熱型のガス検知素子についても、ガス検知素子の温度は環境温度によって影響を受けるため、同様の問題が生じていた。

従って、本発明の目的は、低温下においても正確な検知出力が得られるガス検知器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るガス検知器の第一特徴構成は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を有するガス検知素子と、前記貴金属線材の両端部のそれぞれを支持する金属製の支持部と、前記支持部を加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記支持部の近傍に、または前記支持部に接触して備えられ、さらに前記加熱部は、前記ガス検知素子を収容するハウジングを取り付けた回路基板において当該ハウジングの反対側に備えてあり、前記支持部は前記回路基板を貫通する点にある。

本構成によれば、支持部を加熱する加熱部を設けることで、支持部をゼロ℃以上に加熱することができる。当該支持部を加熱した場合、ガス検知の際に、水素などの可燃性ガスの燃焼、酸化により生成した水蒸気が支持部に結露したり、氷結し難くなる。よって、ガス検知素子の温度を安定させ易くなり、その結果、センサ出力が安定する。従って、本発明のガス検知器であれば、低温下においても正確な検知出力が得られるようになる。 また、本構成によれば、近傍に設置された加熱部によって、または、接触している加熱部によってより効率よく支持部を加熱することができ、その分、加熱部の消費電力を抑えることができる。
また、本構成によれば、ガス検知素子を支持する支持部は、回路基板を貫通するように取付ける。仮に、加熱部を、ガス検知素子や支持部を収容するハウジングを取り付けた回路基板において当該ハウジングと同じ側に設置すれば、ハウジングが存在するため、加熱部によって支持部を直接加熱し難くなる。しかし、本構成のように、加熱部を、回路基板においてハウジングの反対側に設置すれば、回路基板を貫通した支持部の端部を直接加熱することができるため、加熱効率が向上する。

本発明に係るガス検知器の第二特徴構成は、前記加熱部、前記回路基板、前記ハウジングの順に備えた点にある。
本構成によれば、加熱部を、回路基板においてハウジングの反対側に設置することを確実に規定できるため、回路基板を貫通した支持部の端部を直接加熱することができるため、加熱効率がより向上する。

本発明に係るガス検知器の第三特徴構成は、前記加熱部を、前記支持部に接続する前記回路基板の配線パターンの近傍に、または前記配線パターンに接触するように備えた点にある。
本構成によれば、加熱部の熱を、金属薄膜で形成した配線パターンを介して効率的に支持部に伝えることができるため、消費電力を抑えることができる。

本発明に係るガス検知器の第四特徴構成は、前記配線パターンにおいて、センサ駆動に直接関与しない配線は、前記加熱部から離間するように備えた点にある。
本構成によれば、回路基板において、センサ駆動に直接関与しない配線がある場合、当該配線を加熱部からできるだけ離間するような配線パターンとすれば、加熱部からの熱の拡散を抑制することができるため、より効率的に支持部を加熱することができる。従って、本構成であれば加熱部の消費電力をより抑制することができる

本発明のガス検知器を示す概略図である。 ガス検知素子を示す概略図である。 ブリッジ回路の概略図である。 ヒータを回路基板の配線パターンに接触するように設置したときの概略図である。 本発明のガス検知器のガス感度特性を調べたグラフである。 従来のガス検知器のガス感度特性を調べたグラフである。 従来のガス検知器の応答性試験後の写真図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示したように本発明のガス検知器Ｘは、貴金属線材１１を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部１２を有するガス検知素子１と、貴金属線材１１の両端部のそれぞれを支持する金属製の支持部２と、当該支持部２を加熱する加熱部５と、を備える。

本実施形態では、ガス検知素子１として接触燃焼式ガス検知素子を例示するが、これに限られるものではない。その他のガス検知素子として、熱線型半導体式ガス検知素子、固体電解質式ガス検知素子等、従来公知の自己加熱型のガス検知素子が挙げられる。

本実施形態に係るガス検知器Ｘは、図３に示すように、被検知ガス（水素ガスなどの可燃性ガス）を燃焼させて検知する接触燃焼式ガス検知素子１、環境の変化等、被検知ガスの燃焼以外の温度変化に基づく、接触燃焼式ガス検知素子１の抵抗値の変化を補正する温度補償素子１０と、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とをブリッジ回路に組み込んで構成してある。ブリッジ回路は、電源Ｅによって常時約９０〜１２０ｍＡの電流を供給し、接触ガス検知素子１を被検知ガスが接触燃焼し易い温度に保持してある。

接触燃焼式ガス検知素子１と温度補償素子１０とは、抵抗値が等しくなるように設定してある。このため、被検知ガスが存在しない場合には、ブリッジ回路は平衡状態となり、センサ出力Ｖは生じない。一方、被検知ガスが存在すると、その燃焼によって接触燃焼式ガス検知素子１の温度が上昇して抵抗値が大きくなるため、ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力Ｖが生じる。このセンサ出力Ｖは被検知ガスの濃度に比例するため、このガスセンサにより空気中の被検知ガスの濃度を測定することができる。

接触燃焼式ガス検知素子１の詳細な態様は、図２に示すように、コイル状の貴金属線材１１を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とするガス感応部１２を有する。貴金属線１１は、材質、線径、コイル径、コイル巻数等は、従来の接触燃焼式ガス検知素子に使用するものと同様で、特に限定されない。貴金属線１１の材質としては白金等を適用できる。

ガス感応部１２は、触媒担体に貴金属触媒を担持してある。貴金属触媒としては、白金、パラジウム、白金とパラジウム等が使用でき、特に限定されない。触媒担体は、特に限定されないが、例えばアルミナ、シリカアルミナ等の金属酸化物にセリア等の希土類金属酸化物を担持した焼結体を適用することができる。金属酸化物としてアルミナ及びアルミナシリカの少なくともいずれか一方を用いる場合には、作製する触媒担体の細孔径を小さく、比表面積を大きくすることができるため、触媒担体に貴金属触媒を高分散させることができる。もちろん、触媒担体はセリア等の希土類金属酸化物焼結体を主成分とすることもできる。

図１に示すように、貴金属線材１１の両端部のそれぞれは、金属製の支持部２によって支持される。本実施形態では、当該支持部２としてニッケルピンを使用した場合について説明するが、これに限られるものではない。当該ニッケルピン２は、センサ基台３および回路基板６を貫通するように取付けてあり、貴金属線材の抵抗値はニッケルピン２を介して測定可能にしてある。センサ基台３には、ガスが流通可能な通気口４１を備える円筒形状のハウジング４が取付けてある。

本発明のガス検知器Ｘは、ニッケルピン２を加熱する加熱部５を備える。当該加熱部５は、ニッケルピン２を加熱できる態様であればどのような構成であってもよく、チップ状の固定抵抗なども適用できる。

本構成のようにニッケルピン２を加熱する加熱部であるヒータ５を設けることで、例えばニッケルピン２をゼロ℃以上に加熱することができる。当該ニッケルピン２を加熱した場合、ガス検知の際に、水素などの可燃性ガスの燃焼、酸化により生成した水蒸気がニッケルピン２などに結露したり、氷結し難くなる。よって、ガス検知素子１の温度を安定させ易くなり、その結果、センサ出力が安定し、低温下においても正確な検知出力が得られるようになる。

例えば、ヒータ５を回路基板６に配設する場合、当該ヒータ５は、回路基板６においてハウジング４の反対側に、当該回路基板６を貫通するニッケルピン２の近傍に設置するとよい。このようにヒータ５を設置することで、ヒータ５を、回路基板６を貫通したニッケルピン２の端部の近傍により近い位置に設置することができる。そのため、ヒータ５によって効率よくニッケルピン２を加熱することができる。仮にヒータ５を回路基板６においてハウジング４と同じ側に設置すれば、ハウジング４などが存在するため、ヒータ５によってニッケルピン２を直接加熱し難くなる。

本実施形態では、ヒータ５を、ニッケルピン２に接続する回路基板６の配線パターン６１に接触するように設置する（図４）。通常、当該配線パターン６１は金属薄膜で形成される。本構成によれば、ヒータ５の熱を、当該配線パターン６１を介して効率的にニッケルピン２に伝えることができる。

尚、回路基板６において、センサ駆動に直接関与しない配線がある場合、当該配線をヒータ５からできるだけ離間するような配線パターン６１とすれば、ヒータ５からの熱の拡散を抑制することができるため、より効率的にニッケルピン２を加熱することができる。従って、本構成であればヒータ５の消費電力をより抑制することができる。

本発明のガス検知器Ｘにおいて、ヒータ５は、ガス感応部１２の近傍に存在する部材の表面の表面にて水蒸気が氷結する虞がある場合に駆動するとよく、例えば雰囲気温度が０℃以下、或いは−１０℃以下になった場合にヒータ５を駆動するとよい。
特に雰囲気温度が−１０℃以下になった場合は、ガス感応部１２の近傍に存在する部材であるニッケルピン２等の表面において、水素などの可燃性ガスの燃焼、酸化により生成した水蒸気が結露して氷結し易くなっている。そのため、雰囲気温度が−１０℃以下になった場合にヒータ５を駆動すれば、氷結した氷を溶かして水分を揮散させることができる。

本発明の実施例について説明する。

〔実施例１〕
従来公知の方法により、貴金属線材１１として白金または白金合金をコイル状に加工したものに、アルミナに対してセリアを２ｍｏｌ％担持した触媒担体に貴金属触媒として白金触媒を１０ｗｔ％担持したガス感応部１２を、素子径が０．３ｍｍ程度の略球形となるように設け、白金線の両端を、それぞれニッケルピン２に接続した。

同様の方法により、接触燃焼式ガス検知素子１とは貴金属触媒を設けないことのみが異なる温度補償素子１０を作製し、接触燃焼式ガス検知素子１と共に、図３に示すブリッジ回路に組み込み、ヒータ５を回路基板６においてハウジング４の反対側、かつ当該回路基板６を貫通するニッケルピン２の近傍に設置してガス検知器Ｘを作製した。

〔実施例２〕
このように作製した本発明のガス検知器Ｘについて、周囲の温度が２０℃，−４０℃の時の水素のガス濃度に対するガス感度特性を調べた。ガス感度特性は、本発明のガス検知器Ｘおよびヒータ５を設けない従来のガス検知器について調べた。

その結果、ヒータ５を設けた本発明のガス検知器Ｘでは、図５に示すように、２０℃と−４０℃とでセンサ出力にほとんど変化がなかったのに対し、従来のガス検知器では、図６に示すように、−４０℃におけるセンサ出力が著しく低下した。

また、−４０℃で水素感度が低下した従来のガス検知器について、ハウジングを取り外し、ガス感応部の周囲を調べたところ、図７に示すように、ガス感応部の周りに水蒸気が氷結していることが分かった。これは、ガス感応部での水素の燃焼によって発生した水蒸気が周囲の環境により冷やされて凍ったためである。このため、本発明に係るガス検知素子は、可燃性ガスを燃焼させて検知する場合等、ガス検知の際に水（水蒸気）が発生する場合に特に有効であることが分かった。

〔別実施の形態１〕
上述した実施形態では、ヒータ５をニッケルピン２の近傍に設置する場合について説明した。しかし、このような態様に限られるものではなく、ヒータ５をニッケルピン２に接触させて設置してもよい。この場合、より効率よくニッケルピン２を加熱することができる。

〔別実施の形態２〕
上述した実施形態では、ヒータ５を、ニッケルピン２に接続する回路基板６の配線パターン６１に接触するように設置した場合について説明した。しかし、このような態様に限られるものではなく、配線パターン６１を介して効率的にニッケルピン２に伝えることができる態様であれば、ヒータ５を配線パターン６１の近傍に設置するようにしてもよい。

〔別実施の形態３〕
上述した実施形態では、雰囲気温度が０℃以下、或いは−１０℃以下になった場合にヒータ５を駆動する場合について説明した。しかし、このような態様に限られるものではなく、この条件に加えて、被検知ガスを検知した場合にヒータ５を駆動するように構成してもよい。
本手段では、雰囲気温度が−１０℃以下になった場合、かつ被検知ガスを検知した場合に加熱部を駆動するため、より消費電力を抑えた駆動方法となる。

本発明は、所謂自己加熱型のガス検知素子を備えたガス検知器に利用できる。

Ｘ ガス検知器
１ ガス検知素子
１１ 貴金属線材
１２ ガス感応部
２ 支持部
５ 加熱部
６ 回路基板

Claims (4)

1. 貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を有するガス検知素子と、前記貴金属線材の両端部のそれぞれを支持する金属製の支持部と、前記支持部を加熱する加熱部と、を備え、
   前記加熱部は、前記支持部の近傍に、または前記支持部に接触して備えられ、さらに前記加熱部は、前記ガス検知素子を収容するハウジングを取り付けた回路基板において当該ハウジングの反対側に備えてあり、前記支持部は前記回路基板を貫通するガス検知器。
2. 前記加熱部、前記回路基板、前記ハウジングの順に備えてある請求項１に記載のガス検知器。
3. 前記加熱部は、前記支持部に接続する前記回路基板の配線パターンの近傍に、または前記配線パターンに接触するように備えてある請求項１又は２に記載のガス検知器。
4. 前記配線パターンにおいて、センサ駆動に直接関与しない配線は、前記加熱部から離間するように備えてある請求項３に記載のガス検知器。