(57)【要約】  二酸化炭素検出器と二酸化炭素ガス発生装置とを備えた自己較正二酸化炭素センサ。二酸化炭素ガス発生装置は、加熱要素とこの加熱要素と熱伝導する二酸化炭素ガス放出固形材料とを含む。二酸化炭素ガス放出固形材料は、加熱要素により加熱されると二酸化炭素を放出する。また、自己較正二酸化炭素センサの較正方法も開示されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素検出器及び二酸化炭素ガス発生装置を備えた物品であって、
前記二酸化炭素ガス発生装置が加熱要素及び該加熱要素と熱伝導する二酸化炭素ガス放出固形材料を含み、
前記二酸化炭素ガス放出固形材料が加熱要素により加熱されると二酸化炭素を放出することを特徴とする物品。
【請求項２】
前記二酸化炭素ガス放出固形材料がグループ２の炭酸塩を含む請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記二酸化炭素ガス放出固形材料が炭酸マグネシウム又は炭酸カルシウムを含む請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記二酸化炭素ガス放出固形材料が加熱器上に配置される請求項１に記載の物品。
【請求項５】
更にハウジングを備え、前記二酸化炭素検出器及び二酸化炭素ガス発生装置がセンサハウジング内に配置される請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記二酸化炭素検出器が赤外線式二酸化炭素検出器を含む請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記二酸化炭素検出器が電気化学的な二酸化炭素検出器を含む請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記二酸化炭素検出器が二酸化炭素ガス発生装置に隣接して配置される請求項１に記載の物品。
【請求項９】
センサハウジング、該センサハウジング内に配置された二酸化炭素検出器及び該センサハウジング内に配置された二酸化炭素ガス発生装置を備えた自己較正二酸化炭素センサであって、
前記二酸化炭素ガス発生装置が加熱要素及び該加熱要素と熱伝導する二酸化炭素ガス放出固形材料を含み、該二酸化炭素ガス放出固形材料が該加熱要素により加熱されると二酸化炭素参照ガスを放出することを特徴とする自己較正二酸化炭素センサ。
【請求項１０】
前記二酸化炭素ガス放出固形材料がグループ２の炭酸塩を含む請求項９に記載の自己較正二酸化炭素センサ。
【請求項１１】
前記二酸化炭素ガス放出固形材料が加熱器上に配置される請求項９に記載の自己較正二酸化炭素センサ。
【請求項１２】
前記二酸化炭素検出器が赤外線式二酸化炭素検出器を含む請求項９に記載の自己較正二酸化炭素センサ。
【請求項１３】
前記二酸化炭素検出器が電気化学的な二酸化炭素検出器を含む請求項９に記載の自己較正二酸化炭素センサ。
【請求項１４】
二酸化炭素センサの較正方法において、
二酸化炭素検出器及び該二酸化炭素検出器に隣接する二酸化炭素ガス発生装置を用意する工程であって、該二酸化炭素ガス発生装置が加熱要素及び該加熱要素と熱伝導する二酸化炭素ガス放出固形材料を含む工程、
二酸化炭素ガス放出固形材料を加熱要素で加熱して既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程、
前記既知量の二酸化炭素ガスを二酸化炭素検出器で検出して二酸化炭素検出器から出力値を提供する工程、及び
前記既知量の二酸化炭素ガスに基づいて出力値を較正する工程を含む二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項１５】
前記固形材料を加熱する工程が二酸化炭素ガス放出固形材料を熱分解して既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程を含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項１６】
前記固形材料の加熱工程がグループ２の炭酸塩固形材料を熱分解して既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程を含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項１７】
前記固形材料の加熱工程が炭酸マグネシウム固形材料又は炭酸カルシウム固形材料を熱分解して既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程を含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項１８】
前記準備工程が、赤外線式二酸化炭素検出器と該赤外線式二酸化炭素検出器に隣接した二酸化炭素ガス発生装置とを準備することを含む、請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項１９】
前記用意する工程が、電気化学的な二酸化炭素検出器及び該電気化学的な二酸化炭素検出器に隣接した二酸化炭素ガス発生装置を用意する工程を含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項２０】
前記固形材料の加熱工程が既知量のエネルギーを加熱要素に供与して既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程を含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項２１】
較正する工程後に、前記二酸化炭素ガス放出固形材料を加熱要素で再加熱して第二の既知量の二酸化炭素ガスを放出させる工程、
第二の既知量の二酸化炭素ガスを二酸化炭素検出器で検出して二酸化炭素検出器からの出力値を提供する工程、及び
第二の既知量の二酸化炭素ガスに基づいて出力値を再較正する工程を更に含む請求項１４に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項２２】
前記加熱する工程及び再加熱する工程が少なくとも１週間の時間間隔で生起される請求項２１に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【請求項２３】
前記加熱する工程及び再加熱する工程が少なくとも１ヶ月の時間間隔で生起される請求項２１に記載の二酸化炭素センサの較正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[Para 1]この開示は、二酸化炭素センサ用較正装置（calibration device for a carbon dioxide sensor）に関する。特に、本発明は二酸化炭素センサを較正する二酸化炭素参照ガス（a carbon dioxide reference gas）の内部発生に関する。
【背景技術】
【０００２】
[Para 2]空気中の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する機器及び変換装置は、特許文献に記載されており、また、市場で商業的に入手可能な製品の形態にある。これら多くの機器は、ＣＯ２分子が放射する電磁波の赤外線波長領域内の吸収スペクトルに基づく。かかるスペクトルは、公知の技術に従って分光機器によって検出及び分析可能である。ＣＯ２の吸収が空気の他の構成成分から外れた特定の波長を測定することにより、要求される感度及び特異性で出力信号を引き出すことが可能である。
【０００３】
[Para 3]その他の機器は、触媒電極を用いて、電子の交換により二酸化炭素が酸化又は還元される固体電解質又は電気化学電池に基づいている。検出される二酸化炭素濃度の測定時に、二酸化炭素の酸化又は還元に起因する電流の流れが検出される。しかし、二酸化炭素センサに関する１つの問題は、時間の経過と共にセンサの感度が損なわれることである。例えば、電気化学電池の可使寿命は、センサ内の二酸化炭素の検出に使用される電池の触媒電極の活性によって定まる。この活性は、センサの感度を下方にズレさせる（drift downward）ような汚染ガスや有害物によって時間の経過と共に徐々に低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[Para 4]二酸化炭素センサを内蔵した機器が定期的に較正されると、二酸化炭素センサの増幅率を調整することにより上記感度の下方へのズレ（downward sensitivity drift）を補償することができ、欠陥のある二酸化炭素センサを直ちに元に戻すことができる。しかし、機器を補修するのが困難な状況であるならば、あるいは、その他に二酸化炭素センサの較正が自由に行えないならば、二酸化炭素センサが正しく機能していることを確認するのは多くの場合不可能である。従って、二酸化炭素センサが可使寿命の終わりに達すると、検出電池の出力は警報又は他の状態を作り出すことが不十分となる。その結果、毒性のガス濃度を呈する状況が生じることもあり得るが、二酸化炭素センサは必要な警告を与えることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[Para 5]自己較正二酸化炭素センサが開示される。センサは、二酸化炭素検出器及び二酸化炭素ガス発生装置を備えている。一実施の形態において、二酸化炭素ガス発生装置は、加熱要素及びこれに隣接した二酸化炭素ガス放出固形材料を有する。二酸化炭素ガス放出固形材料は、加熱要素により加熱されると二酸化炭素ガスを放出する。
【０００６】
[Para 6]他の実施の形態において、自己較正二酸化炭素センサは、センサハウジングと、センサハウジング内に配置された二酸化炭素検出器と、センサハウジング内に配置された二酸化炭素ガス発生装置とを備えている。二酸化炭素ガス発生装置は、加熱要素及びこれに隣接した二酸化炭素ガス放出固形材料を有する。二酸化炭素ガス放出固形材料は、加熱要素により加熱されると、既知量（a known amount）の二酸化炭素参照ガスを放出する。
【０００７】
[Para 7]また、二酸化炭素センサを較正する方法の事例が開示される。方法の事例は、二酸化炭素検出器及びこれに隣接した二酸化炭素ガス発生装置を準備することが含まれる。二酸化炭素ガス発生装置は、加熱要素及びこれに隣接した二酸化炭素ガス放出固形材料を有する。この際、方法には次のようなことが含まれる。即ち、二酸化炭素ガス放出固形材料を加熱要素で加熱して既知量の二酸化炭素ガスを放出させ、既知量の二酸化炭素ガスを二酸化炭素検出器で検出して二酸化炭素検出器からの出力値を提供する。次いで、放出された既知量の二酸化炭素ガスに基づいて出力値を較正する。
【０００８】
[Para 8]本発明の上記課題を解決するための手段は、開示される各々の実施の形態又は本発明のあらゆる実施について記載することを意図するものではない。図面及び以下の詳細な説明（発明を実施するための最良の形態）は、これら実施の形態をより具体的に例証する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
[Para 9]添付の図面に関連する本発明の種々の実施の形態における以下の詳細な説明を考慮に入れると、本発明をより完全に理解することができるであろう。[Para13]本発明は様々な変形や代替の形態に修正可能であるが、その細部は、図面の実施例によって示されており、詳細に説明されるであろう。しかし、説明される特定の実施の形態に本発明を限定する意図はないことが理解されるべきである。それどころか、意図するところは、本発明の精神及び範囲にある全ての変形例、均等物及び代替物に及ぶものである。図面は、特定の縮尺率で描かれていないし、単に説明を容易にするために提示している。
【００１０】
[Para14]本発明は二酸化炭素センサ用較正装置に関する。特に、本発明は、二酸化炭素センサを較正する二酸化炭素参照ガスの内部発生に関する。多くの実施の形態において、自己較正二酸化炭素センサは、センサハウジングと、センサハウジング内に配置された二酸化炭素検出器と、センサハウジング内に配置された二酸化炭素ガス発生装置とを備えている。二酸化炭素ガス発生装置は、加熱要素及びこれに隣接した二酸化炭素ガス放出固形材料を含むことができる。二酸化炭素ガス放出固形材料は、加熱要素により加熱されると、既知量の二酸化炭素参照ガスを放出する。センサは、二酸化炭素ガス発生装置により放出された既知量の二酸化炭素に基づいて較正されることができる。
【００１１】
[Para15]他に指示されていなければ、成分の数量や、分子量，反応条件等の特性、明細書及び特許請求の範囲で用いられるものなどを表す全ての数字は、全ての例において用語「約（about）」で修正されると理解すべきである。従って、これに反する指示がない限り、前記明細書及び添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、本発明の教示を活用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化することのある近似値である。[Para16]端点による数値範囲の詳述は、当該範囲に含まれる全ての数値を含む（例えば、１〜５は、１，１.５，２，２.７５，３，３.８０，４及び５を含む）。
【００１２】
[Para17]本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されているように、単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は、内容が違った方式で明確に記載されていない限り、複数の指示対象を含む。このように、例えば“a heating element (加熱要素)”なる言及は２以上の加熱要素を含む。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されているように、用語“ｏｒ(又は)”は、内容が違った方式で明確に記載されていない限り、一般に“及び／又は”を含む文章に用いられる。
【００１３】
[Para18]図１に示すように、自己較正二酸化炭素センサ１０は、二酸化炭素検出器２２及び二酸化炭素ガス発生装置３４をしっかりと取り囲むことができるセンサハウジング１２を備えている。幾つかの実施の形態において、センサハウジング１２は金属で形成することができるが、これは必ずしも必要条件ではない。一実施の形態において、センサハウジング１２はニッケルメッキした鋼鉄で形成される。[Para19]幾つかの実施の形態において、二酸化炭素検出器２２は、センサハウジング１２内に配置された支持プレート１８で支持される。幾つかの実施の形態において、二酸化炭素検出器２２は電気化学電池の形態からなる。
【００１４】
[Para20]図示の二酸化炭素検出器２２は、下部及び上部電池プレート２４，２６と、固体電解膜２８と、下部及び上部触媒電極３０，３２とを有する。下部及び上部電池プレート２４，２６は、例えば疎水性のテフロンＴＭ（登録商標）製ディスクとすることができるが、これは必ずしも必要条件ではない。この図示の実施の形態において、下部電池プレート２４は支持プレート１８と下部触媒電極３０の間にサンドイッチされ、下部触媒電極３０は固体電解膜２８と下部電池プレート２４の間にサンドイッチされ、上部触媒電極３２は固体電解膜２８と上部電池プレート２６の間にサンドイッチされている。触媒電極３０，３２としては、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ａｇ等の群から選ばれる元素、又はこの群の元素の合金もしくは混合物、又はカーボンブラックと混合した上記群の多孔質の元素、又はカーボンブラック及びナフロン粒子と混合した上記群の多孔質の元素を挙げることができる。
【００１５】
固体電解膜２８としては、例えば、ナフロン、又はナフロン／７ＳｉＯ２-２Ｐ２Ｏ５-ＺｒＯ２やナフロン／ＺｒＰ粒子等のナフロン複合体、又は高温用サンディア・ポリマー・エレクトロライト・オールタネイティブ（Sandia Polymer Electrolyte Alternative：ＳＰＥＡ）を挙げることができる。電気化学的な二酸化炭素ガス検出器２２の実例としては、米国特許第４,８５１,０８８号及び第５,３２２,６１２号明細書や米国特許出願公開第２００４/０１５８４１０号公報の１以上に示されたタイプのものがあり、これら全ての特許文献は本明細書に援用される。
【００１６】
[Para21]幾つかの実施の形態において、二酸化炭素検出器２２は、赤外線(ＩＲ)式二酸化炭素センサの形式からなる。ＩＲ二酸化炭素センサの実例が、米国特許第６,４５６,９４３号明細書や米国特許出願公開第２００２/０１５７４４７号、第２００４/００５０１４２号及び第２００４/０２０６９０６号公報に記載されており、これら全ての特許文献は本明細書に援用される。[Para22]二酸化炭素ガス発生装置３４すなわち参照ガス発生装置３４は、二酸化炭素検出器が自己較正され得るよう、二酸化炭素検出器２２に供給される二酸化炭素参照ガスを発生する。多くの実施の形態において、二酸化炭素ガス発生装置３４はセンサハウジング１２内で既知量の二酸化炭素を発生し、既知量の二酸化炭素は二酸化炭素検出器２２により検出される。
【００１７】
[Para23]幾つかの実施の形態において、二酸化炭素ガス発生装置３４は、二酸化炭素ガス発生チャンバ３６（図２参照）及びガス拡散制御板３８を備えている。幾つかの実施の形態において、ガスセンサ１０はまた活性炭フィルタ４０を備えている。ガス拡散制御板３８は、二酸化炭素ガス発生チャンバ３６と任意の活性炭フィルタ４０とを二酸化炭素検出器２２から分離でき、電気化学的な二酸化炭素検出器２２上の上部電池プレート２６に境を接するか、あるいはＩＲ二酸化炭素検出器（図示せず）のＩＲ検出チャンバに境を接している。
【００１８】
[Para24]図２に示すように、二酸化炭素ガス発生チャンバ３６は、加熱要素４２と、加熱要素４２に極めて近接する、隣接する、接触する、さもなければ熱的に結合する二酸化炭素ガス放出固形材料４４とを格納している。二酸化炭素ガス放出固形材料４４は、加熱されると、二酸化炭素参照ガスを生成する。
【００１９】
[Para25]多くの実施の形態において、二酸化炭素ガス放出固形材料４４は、加熱要素４２に電圧を印加すると、既知の温度に加熱され、その結果二酸化炭素ガス放出固形材料を熱分解して、既知量の二酸化炭素を生成するグループ２の炭酸塩材料を含む。幾つかの実施の形態において、二酸化炭素ガス放出固形材料は、２００〜１５００℃、又は２００〜１０００℃、又は２５０〜５００℃、又は５００〜１５００℃、又は７５０〜１２５０℃の温度範囲に加熱される。その際、加圧状態にある二酸化炭素参照ガスは、ガス拡散制御板３８の穴４８ｂを通って直接二酸化炭素検出器２２に流入することができる。
【００２０】
[Para26]多くの実施の形態において、グループ２の炭酸塩材料としては、炭酸ベリリウム（ＢｅＣＯ３）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、又は炭酸ラジウム（ＲａＣＯ３）が挙げられる。幾つかの実施の形態において、グループ２の炭酸塩材料としては、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）又は炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が挙げられる。その他の実施の形態において、二酸化炭素ガス放出固形材料がグループ２の炭酸塩ではない。これらの実施の形態においては、二酸化炭素ガス放出固形材料として炭酸銅（ＣｕＣＯ３）を挙げることができる。
【００２１】
[Para27]自己較正ガスセンサ１０が較正されると、加熱器４２は、これに電圧が印加されて、材料４４を所定の温度に所定の時間加熱し、これにより、材料４４はガス検出器２２に供給される加圧の二酸化炭素参照ガスを放出する。ガス検出器２２は、参照ガスを検出し、下部と上部触媒電極３０，３２間に参照信号を発生させる。この信号はセンサ１０の自己較正の実行に用いられる。かかる自己較正後に、加熱器４２の電源が断たれ、参照ガスの加圧が無視し得るレベルに低下する。
【００２２】
[Para28]自己較正ガスセンサ１０の自己較正は、所望により断続的に繰り返され得る。多くの実施の形態において、二酸化炭素ガス放出固形材料は、加熱要素で再加熱され、続いて既知量の二酸化炭素ガスを放出することができる。続いて生じる既知量の二酸化炭素ガスは、検出され、そして、二酸化炭素検出器の出力値の較正に用いることができる。幾つかの実施の形態において、加熱工程と再加熱工程は、少なくとも１日、１週間、１ヶ月又は１年の時間間隔で生起する。
【００２３】
[Para29]図１に示すように、センサハウジング１２は、ガス検出器２２及び参照ガス発生装置３４を収容する連続したハウジングを形成している。従って、この本発明の構成においては、ガス検出器２２及び参照ガス発生装置３４は、別個に及び分離したハウジングに収容されない。
【００２４】
[Para30]図３に示すように、制御装置５０は、ガス検出器２２により検出された二酸化炭素に基づいて出力５２を提供する。制御装置５０は、また、参照ガス発生装置３４を制御してガス検出器２２を較正できる。出力５２は各種の装置に接続することができる。例えば、出力５２を警報指示装置に接続させて、検出される二酸化炭素濃度が予め定めた限界値を超えている場合に警告を発することができ、あるいは、出力５２を人工呼吸器等の装置に接続させて、検出されるガスの影響を制御できる。自己較正を予めプログラム化して、例えば年に２回又は年に１回など、スケジュール通り運用することができるであろう。また、外部ボタンの押釦により較正を始動させることもできるであろう。較正が進行中である時は、較正が行われていて、制御装置５０が瞬間的に機能不能にあるとする警報／警告を制御装置５０は与えることができる。
【００２５】
[Para31]図示の実施の形態において、下部及び上部触媒電極３０，３２は、抵抗５４を介して電源の端子間に接続している。抵抗５４とガス検出器２２の間の接点は、増幅器５６前後のフィードバック回路の増幅率制御素子５８を有する増幅器５６に接続している。増幅器５６の出力は、出力５２を提供するプロセッサ６０に接続している。また、プロセッサ６０は、スイッチ６２を制御して電源Ｓを選択的に加熱器４２に接続させることができ、これにより参照ガス発生装置３４に電圧が印加される。
【００２６】
[Para32]正常な作動中には、プロセッサ６０は、増幅器５６の出力に基づいて出力５２を提供すると共に、スイッチ６２が開成するようにスイッチ６２を制御する。このようにして、参照ガス発生装置３４の電源が断たれ、周囲のガス濃度がガス検出器２２により正常に検出されていることを出力５２は指示する。ガス検出器２２により正常に検出されているこの周囲のガスは、センサハウジング１２の１以上の適当な穴（図示せず）を通ってガスセンサ１０に流入し、任意の活性炭フィルタ４０を流れ、その後、ガス拡散制御板３８の１以上の穴４８ａを通ってガス検出器２２に流入する。
【００２７】
[Para33]自己較正中は、プロセッサ６０がスイッチ６２を制御してスイッチ６２を閉成する。このようにして、参照ガス発生装置３４に電圧が印加されて、二酸化炭素参照ガスを生成すると共に、上述のように参照ガスがガス検出器２２に供給される。プロセッサ６０は、増幅器５６の出力を受信し、１以上の較正パラメータを変更することができる。較正処理が完了すると、また、その後の正常なガス検出作動中に、プロセッサ６０は、１以上の較正パラメータを用いて、感度又は他の変化に対するあらゆる変化をガスセンサに補償させる較正された出力５２を提供することができる。これにより、自己較正ガスセンサ１０が較正される。
【００２８】
[Para34]制御装置５０は、前述の較正を断続的に必要又は所望に応じて何度でも繰り返すことができる。繰り返される上記較正の時間間隔は、周期的でも非周期的であってもよく、所望によりいかなる長さであってもよい。
[Para35]  多くの実施の形態において、センサハウジング１２内のボード又は他の支持体に、回路５０をチップとして又は別の方法で実装することができる。更にまた、出力５２をセンサハウジング１２の外部に送ることができる。
【００２９】
[Para36]図１は、センサハウジング１２が、ガス検出器２２及び参照ガス発生装置３４を収容する連続したハウジングを形成する実施の形態を示している。しかし、これに代えて、所望により、ガス検出器２２及び参照ガス発生装置３４を別個に及び分離したハウジングに収容してもよい。
【００３０】
[Para37]本明細書に引証された特許、特許文献及び刊行物の全ての完全な開示は援用される。以上の詳細な説明及び例は、理解を明確にするためにのみ提示されている。これらから当然のことながら不必要な限定はない。当業者にとって自明の変形例は特許請求の範囲に定義された発明の範囲内に包含されるので、本発明は図示されかつ説明された正確な細部にまで限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】[Para10]実施例の自己較正二酸化炭素センサの概略断面図である。
【図２】[Para11]図１に示す自己較正二酸化炭素センサの参照ガス発生装置の概略断面図である。
【図３】[Para12]図示の自己較正二酸化炭素センサに使用し得る回路図である。
【図１】
2008545963.tif 000003
【図２】
2008545963.tif 000004
【図３】
2008545963.tif 000005
【国際調査報告】
2008545963.tif 000006
2008545963.tif 000007
2008545963.tif 000008