JP2017198541A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】高温・高湿度環境において、高精度のガス濃度測定ができるガスセンサを提供する。【解決手段】水素センサのセンサ部は、ガス導入部１０１と、検知空間１０２と、継ぎ渡ボディー部１０３と、を有し、検知空間１０２には、水素センサチップを備えた水素センサボード１と、湿度センサ兼ガス温度センサを備えた湿度センサ兼ガス温度センサボード２と、結露防止ヒータを備えた結露防止ヒータ板３と、が互いに離間して設置されている。さらに、継ぎ渡ボディー部１０３から検知空間１０２に突出して、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２または結露防止ヒータ板３にそれぞれ達する複数のピン７が設置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００７−３０９９０５号公報（特許文献１）がある。この公報には、素子ケースの外側面と収容ケースの内側面とから構成され、回路基板を収容する収容空間を形成する収容空間形成面に、検出空間を形成する素子ケースを加熱するための発熱体を固着したガス検出器が記載されている。

特開２００７−３０９９０５号公報

高温・高湿度環境において、高温の水蒸気を含んだ水素ガスが水素センサに吹き付けられると、水素センサの検知空間に結露が発生し、これに起因して、高精度の水素濃度測定が難しくなるという問題があった。また、水素センサの検知空間に発生した結露が水素センサの電極部分に付着することにより、その電極部分が腐食して、水素センサが故障することが懸念された。

上記課題を解決するために、本発明によるガスセンサは、ハーメチックコネクタと、ガス導入部と、ハーメチックコネクタとガス導入部との間に設けられた検知空間と、を有する。検知空間には、ハーメチックコネクタからガス導入部へ向かって、互いに離間して設置された、ガスセンサを備えたガスセンサボードと、湿度センサ兼ガス温度センサを備えた湿度センサ兼ガス温度センサボードと、結露防止ヒータを備えた結露防止ヒータ板と、を有する。さらに、ハーメチックコネクタから検知空間に突出して、ガスセンサボード、湿度センサ兼ガス温度センサボードまたは結露防止ヒータ板にそれぞれ達する複数の接続端子が備わる。

本発明によれば、高温・高湿度環境において、高精度のガス濃度測定ができるガスセンサを提供することができる。

また、本発明によれば、高温・高湿度環境において、ガスセンサの故障を回避することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１による水素センサの全体構成の一例を説明するブロック図である。 実施例１による格納容器内における水素センサの配置の一例を示す模式図である。 実施例１による水素センサのセンサ部の設置の一例を示す概略図である。 実施例１による水素センサのセンサ部の構成の一例を示す概略図である。 図４に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 実施例１による水素センサのセンサ部の構成の一例を示す概略図である。 実施例１による水素センサのセンサ部の構成の一例を示す概略図である。 実施例１による水素センサのセンサ部をガス導入側から見た平面図である。 実施例１による水素センサボードの上面を示す平面図である。 実施例１による湿度センサ兼ガス温度センサボードの上面を示す平面図である。 実施例１による結露防止ヒータ板の上面を示す平面図である。 実施例２による水素センサのセンサ筐体に備わる第２キャップの第１例の断面図である。 実施例２による水素センサのセンサ筐体に備わる第２キャップの第２例の断面図である。 実施例３による水素センサボードの上面を示す平面図である。 実施例３による湿度センサ兼ガス温度センサボードの上面を示す平面図である。 実施例３による結露防止ヒータ板の上面を示す平面図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図とが対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もあり、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型ガスセンサは、大略０．５％以上の水素濃度では酸素濃度の影響を受けないので、酸素濃度が１％〜２０％の範囲で変化する過酷事故（Severe Accidents、以下ＳＡと略する。）環境下においても使用することができる。また、Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ型ガスセンサは、８５℃以下の温度では、水蒸気濃度に大きく影響されないこと、２ＭＧｙ程度のγ線照射についても致命的ではないことから、さらに、高温での水蒸気影響の補正を行うことで、結露の影響およびヨウ素の影響を取り除くことができれば、Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ型ガスセンサをＳＡ環境下でも使用することができる。

なお、Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ型ガスセンサに関しては、例えば特開２００９−３００２９７号公報に開示されているので、ここでの説明は省略する。

本実施例１では、ガスセンサとして、水素センサを例に説明し、ガスセンサを設置する格納容器として、商業用原子炉の一つであるＢＷＲ（Boiling Water Reactore）型原子炉（沸騰水型原子炉）を例に説明する。

《水素センサの全体構成》
本実施例１による水素センサの全体構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例１による水素センサの全体構成の一例を説明するブロック図である。

図１に示すように、センサ部１００は、ガス導入部１０１と、検知空間１０２と、継ぎ渡ボディー部１０３と、から構成される。検知空間１０２には、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３が互いに離間して設置されている。継ぎ渡ボディー部１０３は、検知空間１０２と電気的・機械的に接続されている。

指定の期間を過ぎた後の水素センサのキャリブレーションは、センサ部１００を接続１０４からはずして、格納容器外２０３または別の場所で行うことができる。

格納容器内２０１には、センサ部１００およびセンサ部１００と第１耐放射線ケーブル１０５とを繋ぐ接続１０４が設置され、格納容器内２０１と格納容器外２０３との境界部には、第１耐放射線ケーブル１０５および資材をやり取りするペネ１０６と呼ばれる接続孔がある。ペネ１０６は開閉が可能であり、格納容器内２０１に資材を入れる通路の役割をしている。

ペネ１０６の付近には、格納容器内２０１と格納容器外２０３とを繋ぐ中継器１０７が設置され、第２耐放射線ケーブル１０８（通例、耐放射線のグレードが低くなるケーブル）に引き継がれる。

放射能が及ばない免震重要棟２１０には、本質安全防爆回路１１０、センサ部１００を制御する制御回路１１１、演算装置およびモニタ１１２およびバッテリー１１３などを備える制御・計測部１０９が設置されており、格納容器内２０１を監視する。制御・計測部１０９は免震重要棟２１０以外の場所に設置してもよい。

格納容器内２０１は、通例、防爆エリアに指定されていないが、センサ部１００が原因で水素爆発が発生しないように、センサ部１００を防爆構造にする、または、回路的に防爆するために本質安全防爆回路１１０を設置する。

次に、本実施例１による格納容器内における水素センサの配置について、図２を用いて説明する。図２は、本実施例１による格納容器内における水素センサの配置の一例を示す模式図である。

図２に示すように、ＢＷＲ型原子炉は、格納容器２００およびサプッションチャンバ２０４を備え、格納容器内２０１に核反応を司る圧力容器２０２が格納されている。典型的には、格納容器２００の上部の内壁にセンサ部１００および接続１０４が設置されており、第１耐放射線ケーブル１０５を、格納容器２００の内壁に沿ってペネ１０６まで引き、さらに、第２耐放射線ケーブル１０８を、中継器１０７を通して格納容器外２０３に引き出す。その後、原子力建屋などを経て免震重要棟２１０（図１参照）までケーブルを敷設する。

《水素センサのセンサ部の構成》
本実施例１による水素センサのセンサ部の設置について、図３を用いて説明する。図３は、本実施例１による水素センサのセンサ部の設置の一例を示す概略図である。図３では、ガス導入部１０１は省略している。

図３に示すように、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３が、検知空間１０２に互いに離間して設置されており、ガス導入口５から水素ガスが侵入する構成となっている。

ＳＡ時には、最初、高温水蒸気が噴き出し、遅れて水素ガスが出てくると考えられる。その時、水素ガスは軽いので、水素ガスは格納容器内２０１の上側に溜まることが予想される。一方、高温水蒸気は、室温であった格納容器２００（図２参照）の内壁に結露し、格納容器内２０１の上側から水滴が降り注ぐと予想される。そのため、ガス導入口５を下に向けており、下から上昇する水素ガスはガス導入口５から検知空間１０２に拡散で侵入する。その後、水素センサボード１に設置した水素センサチップ４に水素ガスが到着すると、水素ガスセンシングができる。

燃料電池自動車へ水素センサを適用する場合は、数秒の高速の応答速度を求められるが、ＳＡ時の水素センサでは、１０秒〜４０秒程度の応答速度でも格段のデメリットにはならない。

また、実際に格納容器内２０１に水素センサを設置する場合は、ＳＡ時にセンサ部１００を外部の爆発または衝撃から守るため、様々な筺体補強部１３を、検知空間１０２を取り囲むように設置することができる。これは、耐圧安全防爆対策に準じる形で、検知空間１０２が壊れないようにするための補強である。

また、水滴は格納容器２００の天井から落ちて、センサ部１００の外周に降り注ぐことになるので、水よけとして傘（庇）１１４を設置する。傘１１４の先端を、センサ部１００の先端より長くすることで、センサ部１００の外面の水による直接被爆を回避することができる。格納容器２００では、酸・アルカリ類が溶けだす可能性もあるので、その水溶液よけとしても傘１１４を用いることができる。センサ部１００の置き方としては、横置き、斜め下向きまたは上向きなどであってもよく、設置環境条件により随時対応することができる。なお、図３中、符号６は水素拡散経路、符号７はピン、符号８はスペーサを示す。

次に、本実施例１による水素センサのセンサ部の構成について、図４および図５を用いて説明する。図４は、本実施例１による水素センサのセンサ部（ガス導入部、検知空間および継ぎ渡ボディー部）の構成の一例を示す概略図である。図５は、図４に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。

Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ型ガスセンサの電極端子数（結線数）は、一般の水素センサに比べると多いことから、実装技術の工夫が必要となる。Ｐｔ−Ｔｉ−ＯゲートＭＩＳ型ガスセンサはシリコンを基板とするチップを使うので、チップ内にセンサＦＥＴ（Field Effect Transistor）、参照ＦＥＴ（Field Effect Transistor）およびチップ内ヒータが最小限必要となり、一般の水素センサに比べると多くの結線が必要になる。さらに、センサ筺体の電位を固定することも含めると、最多で２３本の接続端子が必要になる。内訳は、センサＦＥＴに５本、参照ＦＥＴに５本、チップ内ヒータに４本、湿度センサ兼ガス温度センサに４本、結露防止ヒータに４本、筺体電位固定に１本がそれぞれ必要となる。すなわち、最少でも１７本の接続端子が必要となる。

そこで、本実施例１では、ハーメチックコネクタおよびそれに適合するソケットを用いた、真空と外気との圧力漏れを防ぐことのできるハーメチックシール法を用いて、多数の接続端子と多芯ケーブルとを繋ぐ方法を適用した。このハーメチックシール法は、２００℃〜２５０℃程度において、１ＭＰａの圧力差に耐えることができる。

さらに、図４に示すように、規格化されたピン並びのハーメチックコネクタ２５を台座にして、長さが互いに異なる３種類のピン（接続端子）７を使用する。そして、ハーメチックコネクタ２５側（ガス導入部１０１と反対側）に、最も多くのピン７を必要とする水素センサボード１を設置し、ガス導入部１０１側（ハーメチックコネクタ２５と反対側）に、２本〜４本のピン７を必要とする結露防止ヒータ板３を設置し、水素センサボード１と結露防止ヒータ板３との間に、４本のピン７を必要とする湿度センサ兼ガス温度センサボード２を設置する。すなわち、ハーメチックコネクタ２５側からガス導入部１０１側へ向かって、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３が互いに離間して設置される。

この構造では、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３からそれぞれ電気的導通をとるピン７と、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３のそれぞれの表面に形成された配線とを接続する電気・機械技術が必要となるが、これらについては、後述する（後述の図９、図１０および図１１参照）。

また、この構造では、図５に示すように、複数のピン７の配置は円内に所定の規則で並べることができるので、このようなピン７の配置を採用する場合は、水素センサボード１はハーメチックコネクタ２５に最も近い位置に配置するのが望ましい。なお、湿度センサ兼ガス温度センサボード２と結露防止ヒータ板３の順序は入れ替えることはできる。しかし、ガス導入部１０１における結露の防止並びに検知空間１０２における水素センサチップ近傍の湿度およびガス温度の計測には、ハーメチックコネクタ２５側から、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３の順序に設置するのが望ましい。

後述の実施例３で説明するように、台座の外周部に複数のピンを並べる方式もある。この場合、台座の筺体径は大きくなるが、台座の外周部にハーメチックシール法により複数のピンを並べることができる。この場合のメリットは、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３の配置順序を用途に応じて入れ替えることができる点にある。

本実施例１では、ピン７の平面配置は、ＭＩＬ−ＤＴＬ−５０１５対応ピン配置に準拠している。

センサＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）は温度特性を有するが、これは原理的には参照ＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）との差分を用いて補償することができる。水素応答強度にはチップ温度依存性があるので、チップ温度を固定するにはチップ内ヒータが必要になる。チップ内ヒータの温度特性をあらかじめ測定しておけば、チップ内ヒータの抵抗からチップ温度を計測することができる。このチップ内ヒータは、適当な高温で動作させれば、水素センサチップ上の結露を防止する働きもできる。

さらに、高温・高湿度環境では、特に、湿度はセンサＦＥＴの水素ガスセンシング強度に影響を及ぼすので、その強度補正のため、湿度センサは必須である。本実施例１では、モリブデン細線を４端子マイクロヒータ構造にしたデバイスを用いている。そのため、湿度測定では、湿度センサを４５０℃程度の高温に熱して使用する。また、湿度センサは、温度センサとしても使用することができる。すなわち、温度測定では、モリブデン細線の抵抗の温度特性を利用することができ、この場合は、低電流での使用となる。

従って、電流領域をスイッチして使えば、上記デバイスを湿度センサとしても温度センサとしても使うことができる。本実施例１では、上記デバイスを湿度センサおよび温度センサとして使用することから、これを湿度センサ兼ガス温度センサと称している。

水素センサチップ内にチップ内ヒータを形成しているので、発熱が抑えられる低電流の場合には、チップ内ヒータの電気抵抗の温度依存性から、チップ温度を計測することができる。しかし、本実施例１では、湿度センサ兼ガス温度センサを、水素センサチップの近傍に設置することにより、水素センサチップ周辺の雰囲気ガスの温度を計測することができる。

ＳＡ時には、水素センサチップ内に形成されるチップ内ヒータは、水蒸気飽和が無くなった２００℃前後の温度（例えば１８０℃〜２２０℃の温度）に固定して使用することが多い。これは、チップ温度を一定にすることで、温度補正の手間が大幅に省けるためである。また、測定したいチップ最大温度に設定すれば、温度補正が非常に少なくなるメリットがある。しかし、湿度センサ兼ガス温度センサは、マイクロヒータ構造であるので、湿度センサ兼ガス温度センサの周囲は断熱されて高温にはならず、湿度センサ兼ガス温度センサが水素センサチップを加熱することはない。そのため、水素センサチップの温度を所定の温度に固定できるようにチップ内ヒータを使用することが望ましいので、湿度センサ兼ガス温度センサを用いて、水素センサチップ周辺の雰囲気ガスの温度を計測する。

《結露防止対策》
結露防止の対策について、図４を用いて具体的に説明する。

本実施例１では、結露対策のために、結露防止ヒータを検知空間１０２に設置する。

ＳＡ時には、水素センサが設置される環境は、高温・高湿度環境になり、その中に水素センサは設置される。このため、ＳＡ時に、高温水蒸気および水素を含むガスがセンサ筺体を暴露すると、最初、センサ筺体の外部表面は温度が低いので、格納容器の内壁に結露が発生する。水素センサチップおよび湿度センサ兼ガス温度センサが格納されている検知空間１０２は、最低一面だけはガスが出入りするガス導入口５が必要であるため、そのガス導入口５近傍に防水膜を着けたとしても水蒸気の侵入はゼロにはできない。また、防水膜を水蒸気が通過する時には、当初の温度よりは下がっていると考えられ、ガス導入口５の中も結露する可能性が大きい。

そこで、本実施例１では、結露防止板ヒータ３を加熱して、検知空間１０２に熱流が通りやすくすることによって、結露を防止する。

図４に示すように、検知空間１０２には、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３が互いに離間し、３段になって設置されている。水素センサボード１の上面には水素センサチップが配置されており、水素センサボードの上面に形成された配線等を通じて、水素センサチップと複数のピン７（例えば１４本）とが電気的に接続されている。また、湿度センサ兼ガス温度センサボード２の上面には湿度センサ兼ガス温度センサが配置されており、湿度センサ兼ガス温度センサボード２の上面に形成された配線等を通じて、湿度センサ兼ガス温度センサと複数のピン７（例えば４本）とが電気的に接続されている。また、結露防止ヒータ板３の上面には結露防止ヒータが配置されており、結露防止ヒータ板３の上面に形成された配線等を通じて、結露防止ヒータと複数のピン７（例えば４本）とが電気的に接続されている。

この場合、水素センサボード１の上面と湿度センサ兼ガス温度センサボード２の下面との隙間距離および湿度センサ兼ガス温度センサボード２の上面と結露防止ヒータ板３の下面との隙間距離は１ｍｍ〜４ｍｍ程度である。この隙間距離は、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３のそれぞれの平面の大きさに比べて非常に小さいので、加温効率が著しく高くなる。

この３段組みの構造は、センサケース２０およびハーメチックコネクタ２５に内蔵されている。センサケース２０内の複数のピン７は、ハーメチックコネクタ２５内で複数のコネクタピン２９とそれぞれ繋がり、ハーメチックシール２８を通じてボディーパイプ２４内の継ぎ線２６に接続されている。また、防爆仕様を簡易にするため、通例、検知空間１０２の実効空間（検知空間１０２の内容積から、設置物体の体積を減じた容積）の体積（実効体積）は１０ｍＬ以下に形成している。

結露防止ヒータ板３の上面と、結露防止ヒータ板３の上面に対向し、ガス導入口５ａが形成されたセンサケース２０の上面との隙間距離は１ｍｍ〜４ｍｍ程度である。これにより、放射加熱とガスによる伝熱効率が上がり、結露防止ヒータ板３で発熱した熱をガス導入口５ａが形成されたセンサケース２０の上面に効率よく伝えることができる。

特に、センサケース２０は金属で形成しているので、センサケース２０の上面が温められると、さらに、センサケース２０の円柱側面（上面と一体に形成された側面）に流れる熱流３０によって、センサケース２０の円柱側面の温度が上昇して、結露を防ぐことができる。この時、加熱されたセンサケース２０の円柱側面は、センサケース２０を覆う第２キャップ２１の円柱側面を効率的に温めることができる。

結露防止ヒータ板３で、センサケース２０を効率よく加熱することができるので、ガス導入部１０１に設置される防水膜またはヨウ素吸着剤などに、結露が発生する危険性を、ガス導入部１０１の熱流３１などで防ぐことができる。この加熱により防水膜に含まれる水分が除去されて、防水膜の腐食を防止することができる。また、銀系微粒子によるヨウ素吸着剤を装填した場合には、この加熱により銀系微粒子の表面に結露した水分が除去されて、ヨウ素吸着効率の低下を防止することができる。

さらに、熱が、ピン７およびコネクタピン２９を通じてボディーパイプ２４へ逃げること、ボディーパイプ２４内を真空封止したこと、コネクタピン２９およびボディーパイプ２４内の継ぎ線２６を直径０．５ｍｍ程度の細線にしたことによって、センサケース２０内の熱の拡散が少なくなり、センサケース２０内の断熱性を高くすることができる。

検知空間１０２の実効体積３２を、例えば１０ｍＬ以下に調整したい場合は、スペーサ８を装着することができる。実効体積３２が１０ｍＬ以下にできれば、センサ筺体を作製する際、水素センサにおける耐圧防爆仕様が緩和されるメリットがある。

このように、本実施例１では、水素センサチップ、湿度センサ兼ガス温度センサ、結露防止ヒータを近接して配置することにより、検知空間１０２に設置した水素センサチップによって、水素ガスの濃度を結露の影響を受けることなく計測することができる。

さらに、センサ部１００を円柱状構造に設計することにより、センサ部１００の内面がスムーズなカーブを取ることで結露しづらくなり、検知空間１０２での結露が発生し難くなるという効果がある。また、結露が発生し難くするため、検知空間１０２の内壁を鏡面仕上げにしてもよい。

《水素センサのセンサ部の具体的な構成》
本実施例１による水素センサのセンサ部の具体的な構成について説明する。

１．センサ部１００の全体構造について
センサ部１００の全体構造について、図６を用いて説明する。図６は、本実施例１による水素センサのセンサ部（ガス導入部、検知空間および継ぎ渡ボディー部）の構成の一例を示す概略図である。なお、図６では、図４に示した水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３は省略し、これらを備える検知空間を符号１０２で示している。

図６に示すように、ハーメチックコネクタ２５を用いて、検知空間１０２と継ぎ渡ボディー部１０３とを継いでおり、継ぎソケット２３を用いて、継ぎ渡ボディー部１０３と接続１０４とを継いでいる。継ぎ渡ボディー部１０３のボディーパイプ２４内の継ぎ線２６を介して、ハーメチックコネクタ２５に備わるコネクタピン２９と、継ぎソケット２３に備わるコネクタピンとを通電している。

すなわち、センサ部１００の末端は、継ぎソケット２３を介して接続１０４に接続される。従って、指定の期間を過ぎた後の水素センサのキャリブレーションは、継ぎソケット２３をはずして、格納容器外２０３（図１および図３参照）にて行うことができる。

２．ガス導入部１０１の実装について
ガス導入部１０１の実装について、図７および図８を用いて説明する。図７は、本実施例１による水素センサのセンサ部（ガス導入部、検知空間および継ぎ渡ボディー部）の構成の一例を示す概略図である。図８は、本実施例１による水素センサのセンサ部をガス導入側から見た平面図である。なお、図７では、図４に示した水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３は省略し、これらを備える検知空間を符号１０２で示している。

図７に示すように、センサケース２０の上面と、ガス導入口５が形成された第２キャップ２１の上面との間に、防水膜１０が３層構造で設置されている。すなわち、検知空間１０２側からガス導入口５側へ向かって、第１防水膜１０Ａ、第２防水膜１０Ｂおよび第３防水膜１０Ｃが順に互いに離間して設置されている。第１防水膜１０Ａと第２防水膜１０Ｂとの間には、防水膜押え１２が装填され、第２防水膜１０Ｂと第３防水膜１０Ｃとの間には、第１キャップ２７が装填されている。第１キャップ２７は、防水膜押え１２およびセンサケース２０を取り囲むように装填されている。さらに、ガス導入部１０１および検知空間１０２を囲むように第２キャップ２１が形成されている。

第１キャップ２７のガス導入口５側の上面には、第３防水膜１０Ｃが形成され、第３防水膜１０Ｃの上面には、細孔付き銀板１１が形成されている。細孔の開口径は、通例、２μｍ〜３００μｍ程度、代表的な値としては１００μｍ程度であり、開口径の２倍程度の間隔で細孔は形成されている。

このように、１００μｍ程度の径（通例、２μｍ〜３００μｍ程度の径）を有する多数の細孔を銀板１１に形成し、この銀板１１をセンサ筐体の前面に実装する。また、ガス導入部１０１から検知空間１０２へのヨウ素の侵入を回避するために、銀板１１を第３防水膜１０Ｃと第２キャップ２１の上面との間に設置する。これにより、水素センサのヨウ素被毒を回避することができる。

銀板１１の上面には、ゴミの侵入を防止し、検知空間１０２での水素爆発による火炎の進行を止めるための金属焼結体からなるポーラス板２２が形成されている。第２キャップ２１の上面とポーラス板２２との間に銀系微粒子によるヨウ素吸着剤を挿入する場合もある。

通例、検知空間１０２の実効体積は１０ｍＬ以下にしている。水素センサのセンサ筺体は円柱型であり、センサ部１００の長さは２２０ｍｍ程度、センサ部１００をガス導入部１０１側から見た円の外径は４０φ±２ｍｍ程度である。

図８に示すように、第２キャップ２１の上面には、例えば１ｍｍφ〜３ｍｍφ程度の径を有するガス導入口５が７個形成されている。このうち、２０ｍｍφの円周上に等間隔で６個のガス導入口５が形成され、中心に１個のガス導入口５が形成されている。

ポーラス板２２は、工場電気設備防爆指針に従い、青銅またはステンレス鋼で結成されている。また、ヨウ素被毒に強いチタン製のポーラス板２２も使用することができる。

防水膜１０には、１μｍ径〜数μｍ径の多孔を有する樹状テフロン膜（厚さ０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ）を使用する。または、防水膜１０には、１０μｍ〜１００μｍの粒径を有するチタン焼結体を数μｍ〜数１０μｍのポーラス焼結体にして、陽極酸化法で表面に酸化チタン（撥水性金属酸化物）を数μｍ程度成長させた撥水性金属酸化物多孔質体を使用する。その際、大きな穴径が発生する可能性があるので、その厚さは、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とする。

撥水性金属酸化物多孔質体の耐水圧（数ｋＰａ）は樹状テフロン膜の耐水圧（数１０ｋＰａ）に比べて低いが、２ＭＧｙ程度の強度なγ線にも強い耐性がある。従って、ＳＡ環境下で水素センサの水没が無ければ、結露防止ヒータによる加熱効果も含めて、撥水性金属酸化物多孔質体を防水膜１０に使用することができる。

また、不織布付き樹状テフロン膜では、０．６２ＭＧｙ程度のγ線を照射した後も、１０ｋＰａ程度の耐水圧を維持することができる。

このような樹状テフロン膜、不織布付き樹状テフロン膜または撥水性金属酸化物多孔質体などを実装することは、検知空間１０２における防水対策となり、さらに、γ線対策となる。

本実施例１では、センサケース２０、第１キャップ２７、第２キャップ２１およびボディーパイプ２４などはステンレス鋼または銅で作製している。ＳＡ環境下においても、センサ部１００の剛性を保証する意味から、例えばボディーパイプ２４および第１キャップ２７は、３ｍｍ程度の厚さを有している。

３．検知空間１０２の実装について
検知空間１０２の実装について、図９、図１０および図１１を用いて説明する。図９は、本実施例１による水素センサボードの上面を示す平面図である。図１０は、本実施例１による湿度センサ兼ガス温度センサボードの上面を示す平面図である。図１１は、本実施例１による結露防止ヒータ板の上面を示す平面図である。

図９に示すように、水素センサボード１には、センサＦＥＴ、参照ＦＥＴおよびチップ内ヒータを有する水素センサチップがセンサチップ貼り付け部４０に装填されている。チップ内ヒータの消費電力を抑えるため、水素センサボード１に０．０ｍｍ〜１．４ｍｍ程度の段差を有する溝を形成し、その溝内に断熱材を介して水素センサチップを装着する。断熱材には、例えば２ＭＧｙのγ線照射でも脆弱性を示さないＰＥＥＫ材を使用する。

水素センサボード１には、上面から下面を貫通する複数のピン穴５０およびピン逃げ穴５１，５２が形成されている。

ピン穴５０には、貫通電極４３が形成されている。貫通電極４３は、水素センサボード１の上面におけるピン穴５０の周囲に円形に形成された、金などの金属からなる第１の電極と、この第１の電極と一体に、ピン穴５０の穴側壁に形成された、金などの金属からなる第２の電極とから形成されている。水素センサボード１に形成された複数の貫通電極４３はそれぞれ、水素センサチップの平面配置に従って、他の貫通電極４３およびボンディングパッド４４などと、金などの金属からなる配線４７によって互いに電気的に接続されている。

このピン穴５０にピン７を差し込むことにより、ピン７と貫通電極４３とを電気的に接続することができる。

水素センサチップと配線４７とを電気的に接続するため、水素センサボード１の上面には、水素センサチップとワイヤボンディングするためのボンディングパッド４４およびバー状ボンディングパッド４５が形成されている。

ピン逃げ穴５１および水素センサボード１の周端部に形成された半円のピン逃げ穴５２は、複数のピン７を湿度センサ兼ガス温度センサボード２または結露防止ヒータ板３へ接続するための接続回避用の穴であり、ピン穴５０に形成された貫通電極４３のような電極は形成されていない。図９中に、ピン穴５０に接続されたピン７以外であって、ピン逃げ穴５１，５２を通るピン７の配置位置を符号５３（点線）示す。

水素センサボード１の厚さは、例えば２±０．５ｍｍであり、水素センサボード１は、例えばアルミナにより構成されている。

ヨウ素の被毒による腐食を防ぐ目的で、水素センサチップのワイヤボンディングは、ポッティング（樹脂盛り）で固めることが望ましい。

図１０に示すように、湿度センサ兼ガス温度センサボード２には、モリブデン細線を４端子マイクロヒータ構造にした湿度センサ兼ガス温度センサがセンサ貼り付け部４１に装填されている。センサ貼り付け部４１に０．４ｍｍ程度の穴を掘り、マイクロヒータが湿度センサ兼ガス温度センサボード２に形成された貫通空間４２を通るように、湿度センサ兼ガス温度センサを接着している。

水素センサボード１と同様に、湿度センサ兼ガス温度センサボード２には、上面から下面を貫通する複数のピン穴５０が形成されている。

ピン穴５０には、貫通電極４３が形成されている。貫通電極４３は、湿度センサ兼ガス温度センサボード２の上面におけるピン穴５０の周囲に円形に形成された、金などの金属からなる第１の電極と、この第１の電極と一体に、ピン穴５０の穴側壁に形成された、金などの金属からなる第２の電極とから形成されている。湿度センサ兼ガス温度センサボード２に形成された複数の貫通電極４３はそれぞれ、湿度センサ兼ガス温度センサボード２の上面に形成されたボンディングパッドなどと、金などの金属からなる配線４７によって互いに電気的に接続されている。

このピン穴５０にピン７を差し込むことにより、ピン７と貫通電極４３とを電気的に接続することができる。図１０中に、ピン穴５０に接続されたピン７以外のピン７の配置位置を符号５３（点線）で示す。

図１１に示すように、結露防止ヒータ板３には、室温での電気抵抗が１０Ω〜６００Ω程度の結露防止ヒータ配線５４が形成されている。具体的には、結露防止ヒータ配線５４は、Ａｕ（金）配線またはＰｄＡｇ（パラジウム銀）配線であり、その幅は、例えば３００μｍ程度である。パラジウム銀は、高抵抗を実現することができ、抵抗の温度特性が非常に小さいので、ヒータとして使いやすい。なお、窒化シリコンなどの無機絶縁膜で保護しても、ヨウ素環境下で抵抗が上がり、銀の腐食が発生する懸念があるが、パラジウム銀の表面に、２５０℃の環境温度でも耐えうる適当な接着剤を塗ることによって、銀の腐食は防止することができる。

本実施例１に示す結露防止ヒータ板３の最大幅は、例えば２８±２ｍｍ程度である。

このように、結露防止ヒータ板３をガス導入口５の近くに置き、結露防止ヒータ板３を加熱することにより、ガス導入口５の近くにおける結露を抑制し、かつ、水素ガスをスムーズにガス導入口５から拡散させることができる。

湿度センサ兼ガス温度センサボード２は、水素センサボード１の近くに設置する必要があり、水素センサボード１の近傍に設置した。湿度センサ兼ガス温度センサボード２は、所謂マイクロヒータ構造であるため、熱容量が極端に小さく、チップや基板を直接加温することは難しいが、断熱性が良いことから、結露防止ヒータ板３と水素センサボード１との中間に設置している。水素センサチップには、チップ温度を制御するためチップ内ヒータが組み込まれているので、水素センサチップはもちろん水素センサボード１も加温することができる。従って、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３の順序で、３段に組み込んだ構造が望ましい。

また、本実施例１で示すハーメチックコネクタ２５のピン配置は、コンパクトな実装を実現することができる。

《水素センサの特徴および効果》
外部加熱が可能な環状炉に、本実施例１によるセンサ筐体を入れた後、１６５℃程度で水蒸気が飽和する量の水を入れ、環状炉をゆっくり加温した。１４５℃程度から、理論的に予測できる圧力０．４ＭＰａを０．１ＭＰａ下回ったことから、センサ部１００のガス導入部１０１および検知空間１０２のどこかにおいて結露の発生が予想された。

しかし、結露防止ヒータに対して０Ｗ〜５Ｗまでの電力を投入すると、５Ｗ程度の電力において、温度上昇は僅かであったが、圧力は０．３ＭＰａ〜０．４３ＭＰａへ数分で昇圧した。この圧力が上昇する現象は１６５℃においても同様に得られた。なお、本実施例１によるセンサ筺体を、室温（２５℃）の大気中に入れて、５Ｗ程度の電力を結露防止ヒータに投入すると、第２キャップ２１の表面温度は約４３℃程度まで昇温する。

このように、本実施例１による結露防止ヒータは、検知空間１０２およびガス導入部１０１の加温に有効なことが分かった。同様な現象は３Ｗの電力でも見られたが、０．６Ｗの電力では見られなかったので、結露防止ヒータの効果であることは、明らかである。また、ボディーパイプ２４の表面の温度上昇は僅かであり、検知空間１０２とボディーパイプ２４との間での断熱性を確認することができた。

このように、本実施例１によれば、高温・高湿度環境においても、検知空間１０２に結露防止ヒータを設置したことにより、検知空間１０２における結露の発生を防止することができる。これにより、水素センサの測定精度を向上させることができる。さらに、検知空間１０２における結露の発生を防止したことにより、水素センサの検知空間１０２に発生した結露が原因で、水素センサの電極部分が腐食することを防ぐことができ、水素センサの故障も回避することができる。

本実施例２による水素センサを図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、本実施例２による水素センサのセンサ筐体に備わる第２キャップの第１例の断面図である。図１３は、本実施例２による水素センサのセンサ筐体に備わる第２キャップの第２例の断面図である。

ＳＡ開始時に、高温・高湿度環境にセンサ筺体が暴露された時、室温であったセンサ部１００が暴露ガス温度に短時間で近づくには、センサ部１００の第１キャップ２７および第２キャップ２１に熱伝導率の高い材質を使用することが望ましい。

そこで、第１キャップ２７および第２キャップ２１の材質を熱伝導率の低いステンレス鋼（１６．７Ｗ／ｍ℃）から、熱電伝導率の高い銅系材料に変更した。純銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍ℃程度であり、純銅は、ステンレス鋼の２０倍高い熱伝導率を有する。これにより、結露防止ヒータの昇温による、第１キャップ２７および第２キャップ２１の温度追随時間を短くすることができる。

図１２は、ステンレス鋼からなる円柱の内側面に銅板を配置した第２キャップ２１の一例を示している。図１２に示す第２キャップ２１は、外側にステンレス鋼７１、内側に銅７０を配置した構造である。ヨウ素による被毒が強い場合には、ステンレス鋼７１に代えてチタンを用いることができる。

図１３は、ステンレス鋼からなる円柱の内側面に銅板とチタン板とを積層して配置した第２キャップ２１の他の例を示している。図１３に示す第２キャップ２１は、外側にステンレス鋼７１、内側にチタン７２を配置し、さらに、外側と内側との間に、銅７０を配置している。検知空間１０２でのヨウ素侵入による腐食を防御するには、好ましい構造である。ヨウ素による被毒が強い場合には、ステンレス鋼に代えてチタンを用いることができる。

本実施例３による水素センサを図１４、図１５および図１６を用いて説明する。図１４は、本実施例３による水素センサボードの上面を示す平面図である。図１５は、本実施例３による湿度センサ兼ガス温度センサボードの上面を示す平面図である。図１６は、本実施例３による結露防止ヒータ板の上面を示す平面図である。

前述の実施例１では、水素センサボード１、湿度センサ兼ガス温度センサボード２および結露防止ヒータ板３を、配置規格のある複数のピンに対応する実装を行ったが、円周上に配置された複数のピンに対応する実装を行うこともできる。

実装される台座の筺体径は大きくなるが、ハーメチックシール法により１７本〜２７本の複数のピンを円周上に並べることができる。この場合、複数のピンは全て円周上に配置できるので、特に、水素センサボードにおいて、水素センサチップ内の電極パッドのレイアウト並びに水素センサボードの上面に形成されるボンディングパッドおよび配線のレイアウトの自由度が大きくなるメリットがある。

図１４、図１５および図１６に、２４本のピンのレイアウトの一例を示す。２４本のピンのなかで、１本のピンはセンサ筺体と同電位にするために用いる。水素センサボード８１、湿度センサ兼ガス温度センサボード８２および結露防止ヒータ板８３の組み立て配置は、前述の実施例１の組み立て配置と同様である。図１４、図１５および図１６の符号９１は、センサ筐体の円周を示す。

図１４に示すように、水素センサボード８１には、複数のピン穴５０が形成され、複数のピン穴５０のそれぞれに形成された貫通電極４３とピン７７Ａとが電気的に接続されている。さらに、湿度センサ兼ガス温度センサボード８２に接続されるピン７７Ｂおよび結露防止ヒータ板８３に接続されるピン７７Ｃが接触しないように、ピン７７Ｂ，７７Ｃを通す部分も設けられている。

図１５に示すように、湿度センサ兼ガス温度センサボード８２には、複数（４個）のピン穴５０のそれぞれに形成された貫通電極４３とピン７７Ｂとが電気的に接続されている。湿度センサ兼ガス温度センサ８２は４端子素子なので、電流端子と電圧端子とを対構造とし、対称な配線配置を実現することができる。

図１６に示すように、結露防止ヒータ板８３には、複数（４個）のピン穴５０のそれぞれに形成された貫通電極４３とピン７７Ｃとが電気的に接続されている。結露防止ヒータは４端子素子なので、電流端子と電圧端子とを対構造とし、対称な配線配置を実現することができる。

結露防止ヒータ板８３を円形とすることができるので、ヒータの熱効率はさらに上がる。互いに隣り合うピン７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃの互いの円周距離を５ｍｍ程度に設計することにより、ピン７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃが配置される円の直径は３８ｍｍ程度となるので、センサ筺体の円周９１の直径を４８ｍｍ程度とすることができる。

複数のピン７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃを円周上に配置することにより、水素センサボード８１内の水素センサチップの各電極をピン７７Ａまで繋ぐ配線の設計に余裕を有するメリットがある。円周上のピン配置のメリットは、水素センサボード８１、湿度センサ兼ガス温度センサボード８２および結露防止ヒータ板８３の組み立て順序を変えられる点と、特に、水素センサボード８１の上面における配線設計が楽になる点である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 水素センサボード
２ 湿度センサ兼ガス温度センサボード
３ 結露防止ヒータ板
４ 水素センサチップ
５，５ａ ガス導入口
６ 水素拡散経路
７ ピン（接続端子）
８ スペーサ
１０，１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 防水膜
１１ 銀板
１２ 防水膜押え
１３ 筐体補強部
２０ センサケース
２１ 第２キャップ
２２ ポーラス板
２３ 継ぎソケット
２４ ボディーパイプ
２５ ハーメチックコネクタ
２６ 継ぎ線
２７ 第１キャップ
２８ ハーメチックシール
２９ コネクタピン
３０，３１ 熱流
３２ 実効体積
４０ センサチップ貼り付け部
４１ センサ貼り付け部
４２ 貫通空間
４３ 貫通電極
４４ ボンディングパッド
４５ バー状ボンディングパッド
４７ 配線
５０ ピン穴
５１，５２ ピン逃げ穴
５３ ピン配置位置
５４ 結露防止ヒータ配線
７０ 銅
７１ ステンレス鋼またはチタン
７２ チタン
７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ ピン
８１ 水素センサボード
８２ 湿度センサ兼ガス温度センサボード
８３ 結露防止ヒータ板
９１ 円周
１００ センサ部
１０１ ガス導入部
１０２ 検知空間
１０３ 継ぎ渡ボディー部
１０４ 接続
１０５ 第１耐放射線ケーブル
１０６ ペネ
１０７ 中継器
１０８ 第２耐放射線ケーブル
１０９ 制御・計測部
１１０ 本質安全防爆回路
１１１ 制御回路
１１２ 演算装置およびモニタ
１１３ バッテリー
１１４ 傘（庇）
２００ 格納容器
２０１ 格納容器内
２０２ 圧力容器
２０３ 格納容器外
２０４ サプッションチャンバ
２１０ 免震重要棟

Claims (13)

1. 第１接続部と、
   ガス導入部と、
   前記第１接続部と前記ガス導入部との間に設けられた検知空間と、
   を有し、
   前記検知空間に、ガスセンサを備えた第１基板、湿度センサを備えた第２基板およびヒータを備えた第３基板が、前記第１接続部から前記ガス導入部に向かって、互いに離間して設置され、
   前記第１接続部から前記検知空間に突出して、前記第１基板、前記第２基板および前記第３基板にそれぞれ達する複数の第１接続端子、複数の第２接続端子および複数の第３接続端子を備える、ガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記湿度センサは、温度センサとしても機能する、ガスセンサ。
3. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１基板に備える前記ガスセンサは、前記複数の第１接続端子と電気的に接続し、
   前記第２基板に備える前記湿度センサは、前記複数の第２接続端子と電気的に接続し、
   前記第３基板に備える前記ヒータは、前記複数の第３接続端子と電気的に接続する、ガスセンサ。
4. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１基板と前記第２基板との距離および前記第２基板と前記第３基板との距離は、１ｍｍ以上、かつ、４ｍｍ以下である、ガスセンサ。
5. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記ガス導入部と前記検知空間との間に位置し、複数の第１ガス導入口を備える第１上面と、前記第１上面と一体に形成される第１側面と、から構成されるセンサケースによって、前記検知空間は囲まれ、
   前記センサケースの前記第１上面と前記第３基板との距離が、１ｍｍ以上、かつ、４ｍｍ以下である、ガスセンサ。
6. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記ガス導入部と前記検知空間との間に位置し、複数の第１ガス導入口を備える第１上面と、前記第１上面と一体に形成される第１側面と、から構成されるセンサケースによって、前記検知空間は囲まれ、
   前記第１上面と前記ガス導入部を挟んで対向し、複数の第２ガス導入口を備える第２上面と、前記第２上面と一体に形成される第２側面と、から構成されるキャップによって、前記ガス導入部および前記センサケースは囲まれる、ガスセンサ。
7. 請求項６記載のガスセンサにおいて、
   前記ガス導入部は、
   前記センサケースの前記第１上面側に配置された防水膜と、
   前記キャップの前記第２上面側に配置され、複数の細孔が形成された銀板と、
   を有する、ガスセンサ。
8. 請求項７記載のガスセンサにおいて、
   前記複数の細孔の開口径は、２μｍ以上、かつ、３００μｍ以下である、ガスセンサ。
9. 請求項６記載のガスセンサにおいて、
   前記ガス導入部は、
   前記センサケースの前記第１上面側に配置された防水膜と、
   前記キャップの前記第２上面側に配置された、金属焼結体からなるポーラス板と、
   前記防水膜と前記ポーラス板との間に配置され、複数の細孔が形成された銀板と、
   を有する、ガスセンサ。
10. 請求項９記載のガスセンサにおいて、
    前記ポーラス板と前記キャップの前記第２上面との間に、前記第２上面に接してヨウ素吸着剤が形成されている、ガスセンサ。
11. 請求項６記載のガスセンサにおいて、
    前記キャップの形状は、円柱である、ガスセンサ。
12. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    ボディー部と、
    複数の第４接続端子を備える第２接続部と、
    をさらに有し、
    前記ボディー部の一方の端部が、前記第１接続部の前記検知空間と反対側に接続され、前記ボディー部の他方の端部が、前記第２接続部に接続され、
    前記複数の第１接続端子、前記複数の第２接続端子および前記複数の第３接続端子と、前記複数の第４接続端子とが、前記ボディー部の中に設置された複数の継ぎ線により電気的に接続されている、ガスセンサ。
13. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記検知空間の実効体積が１０ｍＬ以下である、ガスセンサ。

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