JP2019007796A - Gas sensor and gas alarm - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサ及びこれを用いたガス警報器に関する。特には、硫黄系ガスを含むガスに好適なガスセンサ及びこれを用いたガス警報器に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a gas alarm using the same. In particular, the present invention relates to a gas sensor suitable for a gas containing sulfur-based gas and a gas alarm using the same.
一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、CO、CH4、C3H8、CH3OH等に選択的に感応するデバイスである。ガスセンサは、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性が必要不可決である。 Generally, a gas sensor is a device that is used for applications such as a gas leak alarm, and is selectively sensitive to a specific gas, for example, CO, CH 4 , C 3 H 8 , CH 3 OH, or the like. Due to the nature of gas sensors, high sensitivity, high selectivity, high response, and high reliability are necessary.
しかしながら、その高感度故に家庭内で発生する様々なガスについても感度を有し、そのため対象ガス以外のガスを検知するガス警報器の誤報が発生する。誤報の原因となる雑ガスとしては、アルコール蒸気、シロキサン化合物類、SOx、NOx、塩基性ガス、その他VOC類等がある。これらの雑ガスの影響からセンサを守り、誤報を防止するために、ガスセンサ素子の上には、通常、フィルタパッケージが設置されており、そのパッケージ内に活性炭などのフィルタ材料が充填されている。 However, because of its high sensitivity, it also has sensitivity to various gases generated in the home, and therefore a false alarm of a gas alarm that detects gases other than the target gas occurs. Examples of miscellaneous gases that cause false alarms include alcohol vapor, siloxane compounds, SOx, NOx, basic gas, and other VOCs. In order to protect the sensor from the influence of these miscellaneous gases and prevent false alarms, a filter package is usually installed on the gas sensor element, and the package is filled with a filter material such as activated carbon.
従来、p型金属酸化物半導体のCOガスセンサに、NO、NO2、SO2を吸収するフィルタを配置する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1に開示されたフィルタは、活性炭からなるフィルタ層と、母材に含浸されたアルカリ金属炭酸塩水溶液からなるフィルタ層を別個の層として備える。そしてこれらのフィルタにより、NO、NO2、SO2などが検出素子に接触することを防止している。
Conventionally, a technique is known in which a filter that absorbs NO, NO 2 , and SO 2 is arranged in a p-type metal oxide semiconductor CO gas sensor (see, for example, Patent Document 1). The filter disclosed in Patent Literature 1 includes a filter layer made of activated carbon and a filter layer made of an alkali metal carbonate aqueous solution impregnated in a base material as separate layers. And these filters, NO, etc.
他に、大気中の硫黄酸化物ガスを主に室温で吸収除去する技術が知られている(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2に開示された硫黄酸化物吸収剤は、水酸化ジルコニウムと活性炭とアルカリ材と無機セメント材を主成分とした混練成型材であり、硫黄酸化物ガスを、活性炭により吸着し、アルカリ材により活性化された水酸化ジルコニウムと反応させて、室温で吸収除去するものであった。
In addition, a technique for absorbing and removing sulfur oxide gas in the atmosphere mainly at room temperature is known (see, for example, Patent Document 2). The sulfur oxide absorbent disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示された技術においては、CO検知を対象としたガスセンサのため、フィルタ層に活性炭を用いており活性炭からなるフィルタ層に対象ガスの一種であるLPガスが吸着されてしまい、対象ガスが正確に検知できないという問題があった。また、特許文献2に開示された技術においては、硫黄酸化物ガスの吸着除去に特化されており、他の硫黄系ガスの雑ガス対策がなされていないという問題があった。これらの問題を解決し、ガスセンサにおいて触媒毒となる硫黄被毒を抑制し、センサの耐環境性の向上と長期安定性の確立を図る必要がある。
However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since the gas sensor is intended for CO detection, activated carbon is used for the filter layer, and LP gas, which is a kind of target gas, is adsorbed to the filter layer made of activated carbon. There was a problem that the target gas could not be detected accurately. In addition, the technique disclosed in
本発明者らは、鋭意検討の結果、所定の硫黄吸収材を用いてフィルタを構成したガスセンサにより、硫黄系ガスの長期にわたる吸着除去を可能とし、ガスセンサ素子における硫黄被毒を抑制しうることに想到し、本発明の課題を解決するに至った。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、ガスセンサであって、検出対象ガスが導入される流入口と、前記流入口の下流側にあって前記流入口と連通する検出空間を有するケース体と、前記検出空間内に設けられたフィルタと、前記検出空間内であって、前記フィルタの下流側に配置されたガスセンサ素子とを備え、前記フィルタが、硫黄吸着フィルタを備え、前記硫黄吸着フィルタが、アルミナ、活性炭、ゼオライト、及びシリカから選択される担体と、前記担体に担持された、過マンガン酸カリウム及び炭酸カリウムから選択される活性成分とを含む硫黄吸着材を含んで構成されるガスセンサに関する。 As a result of intensive studies, the inventors have made it possible to adsorb and remove sulfur-based gas over a long period of time by using a gas sensor configured with a filter using a predetermined sulfur absorbent, and to suppress sulfur poisoning in the gas sensor element. As a result, the present invention has solved the problems of the present invention. That is, according to one embodiment of the present invention, a gas sensor is a case body having an inlet into which a detection target gas is introduced and a detection space that is downstream of the inlet and communicates with the inlet. And a filter provided in the detection space, and a gas sensor element disposed in the detection space and downstream of the filter, the filter comprising a sulfur adsorption filter, and the sulfur adsorption filter Gas sensor comprising a sulfur adsorbent comprising a support selected from alumina, activated carbon, zeolite, and silica, and an active component selected from potassium permanganate and potassium carbonate supported on the support About.
前記ガスセンサが、前記活性成分が過マンガン酸カリウムであり、前記担体がアルミナ、ゼオライト、及びシリカから選択される、液化石油ガス用のガスセンサであることが好ましい。あるいは、前記ガスセンサが、前記活性成分が過マンガン酸カリウムであり、前記担体が活性炭、アルミナ、ゼオライト、及びシリカから選択される、メタンガス用のガスセンサであることが好ましい。 The gas sensor is preferably a gas sensor for liquefied petroleum gas, wherein the active component is potassium permanganate and the carrier is selected from alumina, zeolite, and silica. Alternatively, the gas sensor is preferably a gas sensor for methane gas in which the active component is potassium permanganate and the carrier is selected from activated carbon, alumina, zeolite, and silica.
前記ガスセンサにおいて、前記活性成分が、前記担体と前記活性成分の総重量に対して、1〜10重量%であることが好ましい。 In the gas sensor, the active ingredient is preferably 1 to 10% by weight based on the total weight of the carrier and the active ingredient.
前記ガスセンサにおいて、前記硫黄吸着材が、直径約0.1mm〜0.5mmの粒状物であることが好ましい。 In the gas sensor, the sulfur adsorbent is preferably a granular material having a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm.
前記ガスセンサにおいて、前記硫黄吸着フィルタが、1.0〜4.5mmの厚みであることが好ましい。 In the gas sensor, it is preferable that the sulfur adsorption filter has a thickness of 1.0 to 4.5 mm.
前記ガスセンサにおいて、前記フィルタが、雑ガス吸着フィルタをさらに含むことが好ましい。 In the gas sensor, it is preferable that the filter further includes a miscellaneous gas adsorption filter.
前記雑ガス吸着フィルタをさらに含むガスセンサにおいて、前記硫黄吸着フィルタと、前記雑ガス吸着フィルタとの総厚みが、4.0〜6.0mmであることが好ましい。 In the gas sensor further including the miscellaneous gas adsorption filter, it is preferable that a total thickness of the sulfur adsorption filter and the miscellaneous gas adsorption filter is 4.0 to 6.0 mm.
本発明は、別の実施形態によれば、ガス警報器であって、前述のいずれかに記載のガスセンサを備えるガス警報器に関する。 According to another embodiment, the present invention relates to a gas alarm device comprising the gas sensor according to any one of the foregoing.
本発明によれば、ガスセンサにおいて触媒毒となりうる硫黄被毒を抑制し、耐環境性及び長期安定性に優れたガスセンサを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sulfur poison which can become a catalyst poison in a gas sensor is suppressed, and the gas sensor excellent in environmental resistance and long-term stability can be provided.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
[第1実施形態:ガスセンサ]
本発明は第1実施形態によれば、ガスセンサに関する。図1は、本実施形態の第1態様によるガスセンサの一例を示す概念的な断面図である。図1を参照すると、ガスセンサ1は、主として、ガスセンサ素子10、センサベース30、ケース体40、金属メッシュ50、硫黄吸着材60、リード端子80を備えている。そして、金属メッシュ50a、bと硫黄吸着材60が、硫黄吸着フィルタを構成する。
[First Embodiment: Gas Sensor]
The present invention relates to a gas sensor according to the first embodiment. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view showing an example of a gas sensor according to the first aspect of the present embodiment. Referring to FIG. 1, the gas sensor 1 mainly includes a
本実施形態に係るガスセンサ1は外界からケース体40に流入し得る検出対象ガスを対象として、目的ガスの検出を行う。検出対象ガスは、任意のガスであってよく、特には限定されないが、付臭剤として硫黄系ガスが含まれるガスが挙げられる。検出対象ガスは、例えば、液化石油ガス(LPガス)やメタンを主成分とするメタンガスが含まれるが、これらには限定されない。なお、本発明において、メタンガスとは、メタンを主成分とし、エタン、プロパン、ブタン等を含んでもよいガスをいうものとし、メタンのみからなるガスには限定されない。ここで、検出対象ガス中には、一般的に、目的ガス、雑ガスが含まれている。本明細書において、雑ガスとは、ガスセンサにおいて誤報の原因となりうるガスをいうものとし、硫黄系ガス(SOX等)、アルコール蒸気、シロキサン化合物類、NOx、VOC類が含まれ得る。なお、本明細書においては、発明の目的との関係で、硫黄系ガスを雑ガスとは区別して記載する場合があるが、一般的に硫黄系ガスは雑ガスに含まれるものである。
The gas sensor 1 according to the present embodiment detects a target gas for a detection target gas that can flow into the
ガスセンサ1の各構成について説明する。ガスセンサ1を構成するケース体40は略円筒体であり、その一端に、ケース体直径よりも小さい口径の流入口41を有する。流入口41の口径は、例えば、4mm〜6mm程度であって良いが、特定の寸法には限定されない。また、ケース体内径は、流入口41の口径よりも大きく、かつ、6mm〜8mm程度であってよく、ケース体外径は、7.5〜9mm程度であってよいが、特定の寸法には限定されない。ケース体40の他端は、センサベース30の上段部に嵌め込まれて固着され、ケース体40内部に検出空間42が形成される。
Each configuration of the gas sensor 1 will be described. The
流入口41の下流側にある、検出空間42内部には、硫黄吸着フィルタが設けられる。本明細書において、下流、上流とは、図中gで示すガスの流れの向きに対して定義される。硫黄吸着フィルタは、検出空間42とほぼ同じ径を有する円板状の形状を有しており、金属メッシュ50a、bで保持された硫黄吸着材60から構成される。金属メッシュ50は、ステンレス製のネットであり、これらの金属メッシュ50としては、例えば、目開きが約0.1〜0.2mm、線径が約0.8〜0.12mm、開口率が約30〜40%のものを用いることができるが、これらには限定されない。ケース体40の流入口41に取り付けられた金属メッシュ50aは、硫黄吸着材60の押さえとして機能する。硫黄吸着材60の下流側(図1では硫黄吸着材60の下側)における二重の金属メッシュ50b、50cは、硫黄吸着材60の押さえとして機能するとともに、ガス漏れ警報器の検査規定として法律に定められた防爆構造の規格を満たすために設けられている。
A sulfur adsorption filter is provided in the
硫黄吸着材60は、担体と、前記担体に担持された活性成分とを含んでいる。担体は、アルミナ、活性炭、ゼオライト、及びシリカから選択される1以上であることが好ましい。また、担体に担持される活性成分としては、過マンガン酸カリウム及び炭酸カリウムから選択される1以上であることが好ましい。 The sulfur adsorbent 60 includes a carrier and an active component carried on the carrier. The support is preferably at least one selected from alumina, activated carbon, zeolite, and silica. Moreover, as an active ingredient carry | supported by a support | carrier, it is preferable that it is 1 or more selected from potassium permanganate and potassium carbonate.
担体は、例えば、目的ガスによって選択することができ、目的ガスが、プロパン、ブタン(イソブタン)を主成分とするLPガスの場合には、アルミナ、ゼオライト、及びシリカから選択される1以上を用いることが好ましい。目的ガスが、メタンを主成分とするガスの場合には、アルミナ、活性炭、ゼオライト、及びシリカから選択される1以上であることが好ましい。これらの担体はいずれも多孔質性であってよい。活性成分は、過マンガン酸カリウム、もしくは炭酸カリウム、あるいはそれらの混合物であってよい。過マンガン酸カリウムも、炭酸カリウムも、上記いずれの担体にも担持させることができる。また、活性成分と担体の総重量を100%とした場合の活性成分の割合は、1〜10重量%であることが好ましい。 The carrier can be selected depending on, for example, the target gas. When the target gas is LP gas mainly composed of propane and butane (isobutane), one or more selected from alumina, zeolite, and silica are used. It is preferable. When the target gas is a gas containing methane as a main component, it is preferably at least one selected from alumina, activated carbon, zeolite, and silica. Any of these carriers may be porous. The active ingredient may be potassium permanganate or potassium carbonate, or a mixture thereof. Both potassium permanganate and potassium carbonate can be supported on any of the above carriers. The ratio of the active ingredient is preferably 1 to 10% by weight when the total weight of the active ingredient and the carrier is 100%.
このような、所定の担体に活性成分を担持させた硫黄吸着材60は、市販品を用いることもできるし、任意の方法で調製したものを用いることもできる。硫黄吸着材60は粒状物であって、好ましくは粉状、球状、破砕状、またはペレット状であってよく、その直径あるいは長径は、約0.1mm〜0.5mmとすることが好ましい。所定の範囲の直径を持つ粒子は、より大きな粒径、例えば、2〜3mmの粒径をもつ硫黄吸着材を、ミル等を用いて粉砕し、篩等を用いて分級することにより得ることができる。
As such a
所定のサイズ、形状とした硫黄吸着材60は、好ましくはバインダーなどで結着されることなく、粒状物のまま金属メッシュ50a、bで保持され、硫黄吸着フィルタを構成する。硫黄吸着フィルタの厚みは、1.0mm〜4.5mmとすることが好ましく、1.5mm〜4.5mmとすることがより好ましい。硫黄を十分に吸着除去するとともに、フィルタを通過する目的ガスの十分な拡散速度を確保し、センサの応答性を確保する観点からである。硫黄吸着フィルタの厚みは、金属メッシュ50a、50b間の距離で定義することができる。
The
硫黄吸着フィルタは、検出ガスのうち、目的ガスを通過させ、硫黄系ガスを吸着することができる。硫黄系ガスとしては、付臭剤としてガスに混合される化合物に由来して生成しうるSOxガス、H2Sガスが挙げられるが、これらには限定されない。本発明を構成する硫黄吸着材60は、これらのいずれの硫黄系ガスも吸着することができる。
The sulfur adsorption filter can pass the target gas out of the detection gas and adsorb the sulfur-based gas. Examples of the sulfur-based gas include, but are not limited to, SOx gas and H 2 S gas that can be generated from a compound mixed with the gas as an odorant. The
ガスセンサ素子10は、検出空間42内に配置され、段付き円板であるセンサベース30の上側に固定されている。ガスセンサ素子10の固定位置は、硫黄吸着フィルタの下流側である。ガスセンサ素子10は、薄膜型半導体式のガスセンサ素子であってよい。図2にガスセンサ素子10の概念的な断面図を示す。図2に示すように、ガスセンサ素子10は、シリコン基板(以下Si基板)11、熱絶縁支持層12、ヒーター層13、電気絶縁層14、ガス検知部15を備える。なお、図2は薄膜型半導体式のガスセンサ素子の構成を概念的に示したものであり、各部の大きさや厚さは厳密なものではなく、またその相対的な関係等は図面に表示される態様に限定されるものではない。
The
Si基板11はシリコン(Si)により形成され、ガス検知部15が直上に位置する箇所に貫通孔が形成される。熱絶縁支持層12はこの貫通孔の開口部に張られてダイアフラム様に形成されており、Si基板11の上に設けられる。熱絶縁支持層12は、詳しくは、熱酸化SiO2層12a、CVD−Si3N4層12b、CVD−SiO2層12cの三層構造となっている。熱酸化SiO2層12aは、熱絶縁層として形成され、ヒーター層13で発生する熱をSi基板11側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化SiO2層12aは、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるSi基板11への貫通孔の形成を容易にする。CVD−Si3N4層12bは、熱酸化SiO2層12aの上側に形成される。CVD−SiO2層12cは、ヒーター層13との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。CVD(化学気相成長法)によるSiO2層は内部応力が小さい。
The
ヒーター層13は、薄膜状のPt−W膜であって、熱絶縁支持層12のほぼ中央の上面に設けられる。また、ヒーター層13は、図示しない駆動処理部に接続され、給電される。電気絶縁層14は、電気的に絶縁を確保するスパッタSiO2層であり、熱絶縁支持層12およびヒーター層13を覆うように設けられる。電気絶縁層14は、ヒーター層13と感知層電極15bとの間に電気的な絶縁を確保することができる。また、電気絶縁層14は、ガス感知層15cとの密着性を向上させる。
The
ガス検知部15は、詳しくは、一対の接合層15a、一対の感知層電極15b、ガス感知層15c、ガス選択燃焼層15dを備える。接合層15aは、例えば、Ta膜(タンタル膜)またはTi膜(チタン膜)であり、電気絶縁層14の上に左右一対に設けられる。この接合層15aは、感知層電極15bと電気絶縁層14との間に介在して接合強度を高めている。感知層電極15bは、例えば、Pt膜(白金膜)またはAu膜(金膜)であり、ガス感知層15cの感知電極となるように左右一対に設けられる。ガス感知層15cは、SnO2層であり、一対の感知層電極15bを渡されるように電気絶縁層14の上に形成される。このガス感知層15cは、多孔質体や柱状構造体であり、比表面積を増大させている。これにより検知する目的ガスとの接触面積を増加させ、感度を高めている。なお、ガス感知層15cはSnO2以外にも、In2O3、WO3、ZnO、または、TiO2等の金属酸化物を主成分とする薄膜の層としても良い。
Specifically, the
ガス選択燃焼層15dは、パラジウム(Pd)、白金(Pt)または酸化パラジウム(PdO)などの少なくとも一種の触媒を担持した焼結体であり、触媒担持Al2O3焼結材である。Al2O3も多孔質体や柱状構造体であるため、孔を通過するガスが触媒に接触する機会を増加させることができる。そして、検知する目的ガスよりも酸化活性の強い還元性の雑ガスの燃焼反応を促進し、目的ガスの選択性を高めることができる。つまり、目的ガスに対して雑ガスを酸化除去できる。ガス感知層15cへ達する目的ガスのガス濃度が高まり、より高感度なガスセンサ素子10が得られる。なお、ガス選択燃焼層15dは、このAl2O3以外にも、Cr2O3、Fe2O3、Ni2O3、ZrO2、SiO2、または、ゼオライト等の金属酸化物を主成分としても良い。ガス選択燃焼層15dは、電気絶縁層14、一対の接合層15a、一対の感知層電極15b、および、ガス感知層15cの表面を覆うように設けられる。
The gas
このようなダイアフラム構造を有するガスセンサ素子10は、高断熱、低熱容量としうる構造である。また、ガスセンサ素子10は、感知層電極15b、ガス感知層15c、ガス選択燃焼層15d、ヒーター層13の各構成要素をMEMS(微小電気機械システム)等の技術により熱容量を小さくすることができる。したがって、ヒーター駆動時における温度の時間変化が速くなり、熱脱離をごく短時間で起こすことができる。
The
そして、ガスセンサ素子10のヒーター層13は図示しない駆動処理部と電気的に接続されており、駆動処理部がヒーター層13をヒーター駆動する。また、ガスセンサ素子10のガス検知部15(詳しくは感知層電極15bを介してガス感知層15c)は、同じく図示しない駆動処理部と電気的に接続されており、駆動処理部がガス感知層15cの電気抵抗値(センサ抵抗値という)を読み出すことができる。このガスセンサ素子10は、様々な気体成分と接触することによりSnO2層であるガス感知層15cのセンサ抵抗値が変化する現象を利用するセンサである。詳細なメカニズムについては、本出願人による特開2016-200547に記載の通りである。なお、本実施形態においては、半導体式ガスセンサ素子を図示して説明したが、他にも、接触燃焼式ガスセンサ素子や電気化学式ガスセンサ素子を搭載したガスセンサとすることもできる。
The
リード端子80は、センサベース30から突出して設けられる電極である。2本のリード端子80は、ガスセンサ素子10を構成するヒーター層13(図2参照)を駆動するための電極であり、他の2本のリード端子80はガス感知層15c(図2参照)のセンサ抵抗値を計測するための電極である。いずれも図示しない駆動処理部に接続される。
The
本実施形態によるガスセンサ1によれば、流入口41から検出空間42内に流入した検出ガスは、硫黄吸着材60の粒状物の間を通過、拡散する。そして、その間に、硫黄系ガスが硫黄吸着材60により、検出ガスから吸着除去される。この作用により、目的ガスを選択的にガスセンサ素子10に接触させることができる。そして、ガスセンサ素子10は、硫黄吸着材60を通過した雑ガスの除去と、目的ガスを対象とする検出とを行うことができる。本実施形態によるガスセンサ1によれば、ガスセンサ素子10の硫黄被毒を抑制し、ガスセンサ1の耐環境性、長期信頼性を向上することができる。
According to the gas sensor 1 according to the present embodiment, the detection gas that has flowed into the
次に、本実施形態による第2態様のガスセンサについて説明する。図3は、本実施形態の第2態様によるガスセンサの一例を示す概念的な断面図である。図3を参照すると、ガスセンサ2は、主として、ガスセンサ素子10、センサベース30、ケース体40、金属メッシュ50、硫黄吸着材60、雑ガス吸着材70、リード端子80を備えている。
Next, the gas sensor of the 2nd mode by this embodiment is explained. FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view showing an example of a gas sensor according to the second aspect of the present embodiment. Referring to FIG. 3, the
第2態様のガスセンサ2において、図1及び2と同じ符号を付した部材については、図1及び図2を参照して説明した第1態様のガスセンサ1と同様の構成であってよく、説明を省略する。第2態様のガスセンサ2においては、流入口41の下流に二層のフィルタが設けられる。具体的には、検出ガスの流入の向きに対して、上流側に硫黄吸着フィルタが設けられ、下流側に雑ガス吸着フィルタがさらに設けられている。
In the
硫黄吸着フィルタの構成は第1態様と同じであってよく、金属メッシュ50a、50dにより硫黄吸着材60を保持した構成となっている。雑ガス吸着フィルタは、主として硫黄系ガス以外の雑ガスを吸着し、検出ガスから除去する。雑ガス吸着フィルタも、硫黄吸着フィルタと同様に、粒子状の雑ガス吸着材70を金属メッシュ50b、50dで挟み込み、保持することにより構成することができる。雑ガス吸着材70としては、雑ガスを吸着、除去しうる一般的な吸着材であってよく、検出ガスがLPガスの場合には、アルミナ、ゼオライト、シリカゲル、モレキュラーシーブ、気体選択的透過膜、カオリナイト、ケイ酸成分などを基材として用いることができ、それらに触媒等を担持させ雑ガスのみを除去する、メタンガスの場合には、活性炭、アルミナ、ゼオライト、シリカゲル、モレキュラーシーブ、気体選択的透過膜、カオリナイト、ケイ酸成分を用いることができるが、これらには限定されない。雑ガス吸着材の粒子形状、粒子径などは、硫黄吸着材と同様であってもよく、異なっていてもよい。雑ガス吸着フィルタの厚みは、3mm〜4.5mmとすることが好ましい。雑ガス吸着フィルタの厚みは、金属メッシュ50b、50d間の距離で定義することができる。硫黄吸着フィルタと雑ガス吸着フィルタとの総厚みを、4.0〜6.0mmとすることで、雑ガスの除去性と、目的ガスの拡散性を確保し、ガスセンサの良好な応答性を確保できるためである。
The configuration of the sulfur adsorption filter may be the same as in the first embodiment, and the
図示する態様においては、検出ガスの流入の向きに対して、上流側に硫黄吸着フィルタが設けられ、下流側に雑ガス吸着フィルタが設けられているが、設置の順序は特には限定されず、下流側に硫黄吸着フィルタ、上流側に雑ガス吸着フィルタが設けられていてもよい。また、雑ガス吸着フィルタは、異なる2以上のフィルタ層から構成することもでき、それぞれが異なる種類の吸着材を保持していてもよい。その場合でも、硫黄吸着フィルタと複数の雑ガス吸着フィルタとの総厚みは、上記同様、4.0〜6.0mmとすることが好ましい。 In the illustrated embodiment, a sulfur adsorption filter is provided on the upstream side and a miscellaneous gas adsorption filter is provided on the downstream side with respect to the inflow direction of the detection gas, but the order of installation is not particularly limited, A sulfur adsorption filter may be provided on the downstream side, and a miscellaneous gas adsorption filter may be provided on the upstream side. Further, the miscellaneous gas adsorption filter may be composed of two or more different filter layers, and each may hold different types of adsorbents. Even in this case, the total thickness of the sulfur adsorption filter and the plurality of miscellaneous gas adsorption filters is preferably 4.0 to 6.0 mm as described above.
本態様によるガスセンサ2によれば、硫黄を含有する化合物のみならず、他の雑ガスの除去性能にも優れており、特にセンサが被毒してしまうある特定の物質に対し、センサの信頼性を向上させることができるといった利点がある。
According to the
[第2実施形態:ガス警報器]
本発明は、第2実施形態によれば、ガス警報器である。本実施形態によるガス警報器は、第1実施形態において詳述したガスセンサと、ガスセンサの駆動処理部と、ガスセンサによるセンシング結果に基づいて警報を発する警報発生部と、電源部を備えている。電源部は、警報器に内蔵可能な電池式の電源であってもよく、商用電源に接続可能な機構であってもよい。本実施形態によるガス警報器は、センサにおける硫黄被毒が抑制されており、応答性が高く、長期間にわたって安定な、信頼性の高いものとなっている。
[Second Embodiment: Gas Alarm]
The present invention is a gas alarm device according to the second embodiment. The gas alarm device according to the present embodiment includes the gas sensor described in detail in the first embodiment, a drive processing unit of the gas sensor, an alarm generation unit that issues an alarm based on a sensing result by the gas sensor, and a power supply unit. The power supply unit may be a battery-type power supply that can be built in the alarm device or a mechanism that can be connected to a commercial power supply. The gas alarm device according to the present embodiment suppresses sulfur poisoning in the sensor, has high responsiveness, is stable over a long period, and has high reliability.
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples of the present invention. However, the present invention is not limited to the scope of the following examples.
[試験例:硫黄吸着材の選定]
硫黄吸着フィルタを構成する硫黄吸着材を選定した。試験例1では、KMnO2を担持したアルミナ(Purafil社製、Purafil(登録商標)SelectChemisorbant)を粉砕し、直径約0.1mm〜0.5mmに分級した硫黄吸着材を用いた。この硫黄吸着材において、アルミナ担体とKMnO2との総重量に対するKMnO2の割合は8重量%であった。試験例2では、KCO3を担持した活性炭・アルミナ(Purafil社製、PurafilPuracarb(登録商標))を粉砕し、直径約0.1mm〜0.5mmに分級した硫黄吸着材を用いた。この硫黄吸着材において、KCO3の活性炭・アルミナ担体に対する割合は、1〜5重量%であった。活性炭とアルミナの重量比は、1:1であった。比較試験例1では、Caを担持したシリカゲルを、直径約0.1mm〜0.5mmに分級した硫黄吸着材を用いた。比較試験例2では、Agを担持したゼオライトを、直径約0.1mm〜0.5mmに分級した硫黄吸着材を用いた。比較試験例3では、NaMnO2を担持したアルミナ(Purafil社製、PurafilSP(登録商標))を粉砕し、直径約0.1mm〜0.5mmに分級した硫黄吸着材を用いた。
[Test example: Selection of sulfur adsorbent]
The sulfur adsorbent constituting the sulfur adsorption filter was selected. In Test Example 1, alumina adsorbing KMnO 2 (Purafil (registered trademark) SelectChemisorbant manufactured by Purafil) was pulverized, and a sulfur adsorbent classified to a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm was used. In this sulfur adsorbent, the proportion of KMnO 2 relative to the total weight of the alumina support and KMnO 2 was 8 wt%. In Test Example 2, a sulfur adsorbent obtained by pulverizing activated carbon / alumina (Purafil Puracarb (registered trademark) manufactured by Purafil) carrying KCO 3 and classifying it to a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm was used. In this sulfur adsorbent, the ratio of KCO 3 to the activated carbon / alumina carrier was 1 to 5% by weight. The weight ratio of activated carbon to alumina was 1: 1. In Comparative Test Example 1, a sulfur adsorbent obtained by classifying silica gel supporting Ca into a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm was used. In Comparative Test Example 2, a sulfur adsorbent obtained by classifying zeolite supporting Ag into a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm was used. In Comparative Test Example 3, a sulfur adsorbent obtained by pulverizing alumina (PurafilSP (registered trademark)) supported by NaMnO 2 and classifying it to a diameter of about 0.1 mm to 0.5 mm was used.
試験例1、2及び比較試験例1〜3の硫黄吸着材について、SO2ガスを用いた場合の、流通法による破か試験を行った。具体的には、50℃の恒温槽内に設置した、内径20mmの吸着管の中に、6mlの硫黄吸着材を充填し、ベースガスを乾燥空気として、100ppmのSO2ガスを、0.5NL/minで、48時間にわたって吸着材に流通させた。流通開始から1時間ごとに、吸着管の上流にある入口と、下流にある出口において、流通ガスをサンプリングし、SO2ガス濃度を測定した。その結果、SO2の出口濃度が入口濃度の50%以上になるまでの時間が、48時間未満のものを「破か(×)」とし、48時間以上のものを、「吸着性保持(○)」と定義した。結果を表1に示す。比較試験例1〜3の硫黄吸着材ではいずれも破かしてしまったが、試験例1、2の硫黄吸着材では48時間後においてもSO2ガスに対する吸着性が保持されていた。この結果より、本発明に係るガスセンサにおいては、試験例1、2の硫黄吸着材を用いることで、硫黄系ガスに対する吸着量の向上が可能となることがわかった。 The sulfur adsorbents of Test Examples 1 and 2 and Comparative Test Examples 1 to 3 were subjected to a breakage test using a flow method when SO 2 gas was used. Specifically, 6 ml of sulfur adsorbent is filled in an adsorption tube having an inner diameter of 20 mm installed in a constant temperature bath at 50 ° C., and 100 ppm of SO 2 gas is 0.5 NL using base gas as dry air. / Min for 48 hours through the adsorbent. Every hour from the start of the flow, the flow gas was sampled at the inlet upstream of the adsorption tube and the outlet downstream, and the SO 2 gas concentration was measured. As a result, the time until the outlet concentration of SO 2 reaches 50% or more of the inlet concentration is “Break (×)” when the time is less than 48 hours, ) ”. The results are shown in Table 1. Although all of the sulfur adsorbents of Comparative Test Examples 1 to 3 were broken, the sulfur adsorbents of Test Examples 1 and 2 maintained the adsorptivity to SO 2 gas even after 48 hours. From this result, in the gas sensor according to the present invention, it was found that the adsorption amount for the sulfur-based gas can be improved by using the sulfur adsorbents of Test Examples 1 and 2.
[実施例1:SO2曝露によるLPガスセンサ警報濃度の変化]
図1に従って実施例1−1のガスセンサを、図3に従って実施例1−2〜1−5のガスセンサ組み立てた。いずれのガスセンサも、硫黄吸着材として、試験例1のKMnO2/アルミナ触媒を用いた。雑ガス吸着フィルタに充填する雑ガス吸着材としては、活性炭を含まない、汎用の吸着材を用いた。各センサの硫黄吸着フィルタ及び、雑ガス吸着フィルタの層厚みを下記表2に示す。
[Example 1: Change in LP gas sensor alarm concentration due to SO 2 exposure]
The gas sensor of Example 1-1 was assembled according to FIG. 1, and the gas sensor of Examples 1-2 to 1-5 was assembled according to FIG. All gas sensors used the KMnO 2 / alumina catalyst of Test Example 1 as a sulfur adsorbent. As the miscellaneous gas adsorbing material filled in the miscellaneous gas adsorption filter, a general-purpose adsorbing material not containing activated carbon was used. Table 2 below shows the layer thicknesses of the sulfur adsorption filter and the miscellaneous gas adsorption filter of each sensor.
これらのセンサにおいて、硫黄を含むガスの曝露による耐久試験を行い、耐久試験前、耐久試験後の警報濃度を比較した。警報濃度とは、実験対象のガスセンサを備えるガス警報器が警報を発するガス濃度である。本実施例は、LPガス検出センサを念頭に置いて、イソブタンガス濃度を警報濃度とした。20℃における初期の警報濃度は、実施例1−1〜1−5のいずれのセンサも、2000ppmとなるように設定した。耐久試験前のセンサにおける、−10℃における警報濃度は、実施例1−1〜1−5のいずれのセンサも、国の基準で定めるLPガスの規格濃度範囲である、500ppm〜4500ppmの範囲内であった。 In these sensors, a durability test was performed by exposure to a gas containing sulfur, and the alarm concentrations before and after the durability test were compared. The alarm concentration is a gas concentration at which a gas alarm device including a gas sensor to be tested issues an alarm. In this example, with the LP gas detection sensor in mind, the isobutane gas concentration was used as the alarm concentration. The initial alarm concentration at 20 ° C. was set to 2000 ppm for all the sensors of Examples 1-1 to 1-5. The alarm concentration at −10 ° C. of the sensor before the durability test is within the range of 500 ppm to 4500 ppm, which is the standard concentration range of LP gas determined by national standards for all the sensors of Examples 1-1 to 1-5. Met.
実施例1−1〜1−5のセンサについて、SO2曝露試験を行った。ベースガスを加湿空気として、6.6ppmのSO2ガスを96時間にわたって供給した。また、SO2曝露試験を行ったものとは別に、実施例1−1、1−2のセンサについて、H2S曝露試験を行った。ベースガスを加湿空気として、5ppmのH2Sガスを、27.6時間にわたって供給した。 The sensor of Example 1-1 to 1-5 were subjected to SO 2 exposure test. The base gas was humidified air and 6.6 ppm of SO 2 gas was supplied over 96 hours. Separately from the SO 2 exposure test, the H 2 S exposure test was performed on the sensors of Examples 1-1 and 1-2. The base gas was humidified air, and 5 ppm of H 2 S gas was supplied over 27.6 hours.
SO2曝露試験後、H2S曝露試験後のセンサについて、警報濃度を測定したところ、−10℃、20℃における警報濃度は、いずれも国の基準で定める上記規格濃度範囲であった。このことから、本発明に係る、硫黄吸着フィルタを備えるLPガスセンサは、硫黄被毒を抑制し、本発明により安定なセンサを提供することができることが確認された。 When the alarm concentration was measured for the sensor after the SO 2 exposure test and the sensor after the H 2 S exposure test, the alarm concentrations at −10 ° C. and 20 ° C. were both within the above-mentioned standard concentration range defined by national standards. From this, it was confirmed that the LP gas sensor provided with the sulfur adsorption filter according to the present invention can suppress sulfur poisoning and can provide a stable sensor according to the present invention.
[実施例2:SO2曝露によるメタンガスセンサ警報濃度の変化]
図1に従って実施例2−1のガスセンサを、図3に従って実施例2−2〜2−5のガスセンサを組み立てた。いずれのガスセンサも、硫黄吸着材として、試験例1のKMnO2/アルミナ触媒を用いた。雑ガス吸着フィルタに充填する雑ガス吸着材としては、活性炭を用いた。各センサの硫黄吸着フィルタ及び、雑ガス吸着フィルタの層厚みを下記表3に示す。
[Example 2: Change in alarm concentration of methane gas sensor due to SO 2 exposure]
The gas sensor of Example 2-1 was assembled according to FIG. 1, and the gas sensor of Examples 2-2 to 2-5 was assembled according to FIG. All gas sensors used the KMnO 2 / alumina catalyst of Test Example 1 as a sulfur adsorbent. Activated carbon was used as the miscellaneous gas adsorbing material to be filled in the miscellaneous gas adsorption filter. Table 3 below shows the layer thicknesses of the sulfur adsorption filter and the miscellaneous gas adsorption filter of each sensor.
これらのセンサにおいて、硫黄を含むガスの曝露による耐久試験を行い、耐久試験前、耐久試験後の警報濃度を比較した。警報濃度とは、実験対象のガスセンサを備えるガス警報器が警報を発するガス濃度である。本実施例は、メタンガス検出センサを念頭に置いて、メタンガス濃度を警報濃度とした。20℃における初期の警報濃度は、実施例2−1〜2−5のいずれのセンサも、3000ppmとなるように設定した。耐久試験前のセンサにおける、−10℃における警報濃度は、実施例2−1〜2−5のいずれのセンサも、国の基準で定めるメタンガスの規格濃度範囲である、1000ppm〜12500ppmの範囲内であった。 In these sensors, a durability test was performed by exposure to a gas containing sulfur, and the alarm concentrations before and after the durability test were compared. The alarm concentration is a gas concentration at which a gas alarm device including a gas sensor to be tested issues an alarm. In this example, the methane gas concentration was set as the alarm concentration with the methane gas detection sensor in mind. The initial alarm concentration at 20 ° C. was set to 3000 ppm for all the sensors of Examples 2-1 to 2-5. The alarm concentration at −10 ° C. in the sensor before the durability test is within the range of 1000 ppm to 12500 ppm, which is the standard concentration range of methane gas determined by the national standards for all the sensors of Examples 2-1 to 2-5. there were.
実施例2−1〜2−5のセンサについて、SO2曝露試験を行った。また、SO2曝露試験を行ったものとは別に、実施例2−1、2−2のセンサについて、H2S曝露試験を行った。SO2曝露試験、H2S曝露試験とも、試験条件は、実施例1と同様とした。 The sensor of Example 2-1 to 2-5 were subjected to SO 2 exposure test. Further, from those performed SO 2 exposure test Separately, the sensor of Example 2-1 and 2-2 were subjected to H 2 S exposure test. In both the SO 2 exposure test and the H 2 S exposure test, the test conditions were the same as in Example 1.
SO2曝露試験後、H2S曝露試験後のセンサについて、警報濃度を測定したところ、−10℃、20℃における警報濃度は、いずれも国の基準で定める上記規格濃度範囲であった。このことから、本発明に係る、硫黄吸着フィルタを備えるメタンガスセンサは、硫黄被毒を抑制し、本発明により安定なセンサを提供することができることが確認された。 When the alarm concentration was measured for the sensor after the SO 2 exposure test and the sensor after the H 2 S exposure test, the alarm concentrations at −10 ° C. and 20 ° C. were both within the above-mentioned standard concentration range defined by national standards. From this, it was confirmed that the methane gas sensor provided with the sulfur adsorption filter according to the present invention can suppress sulfur poisoning and can provide a stable sensor according to the present invention.
本発明に係るガスセンサは、電池駆動を念頭においた低消費電力型ガスセンサとして有用である。 The gas sensor according to the present invention is useful as a low power consumption gas sensor with battery driving in mind.
1 ガスセンサ
2 ガスセンサ
10 ガスセンサ素子
11 Si基板
12 熱絶縁支持層
13 ヒーター層
14 電気絶縁層
15 ガス検知部
15a 接合層
15b 感知層電極
15c ガス感知層
15d ガス選択燃焼層
30 センサベース
40 ケース体
41 流入口
42 検出空間
50 金属メッシュ
60 硫黄吸着材
70 雑ガス吸着材
80 リード端子
g 検出ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記流入口の下流側にあって前記流入口と連通する検出空間を有するケース体と、
前記検出空間内に設けられたフィルタと、
前記検出空間内であって、前記フィルタの下流側に配置されたガスセンサ素子と
を備えるガスセンサであって、
前記フィルタが、硫黄吸着フィルタを備え、
前記硫黄吸着フィルタが、アルミナ、活性炭、ゼオライト、及びシリカから選択される担体と、前記担体に担持された、過マンガン酸カリウム及び炭酸カリウムから選択される活性成分とを含む硫黄吸着材を含んで構成される、ガスセンサ。 An inlet into which the gas to be detected is introduced;
A case body having a detection space on the downstream side of the inlet and communicating with the inlet;
A filter provided in the detection space;
A gas sensor comprising: a gas sensor element disposed in the detection space and downstream of the filter;
The filter includes a sulfur adsorption filter;
The sulfur adsorption filter includes a sulfur adsorbent containing a support selected from alumina, activated carbon, zeolite, and silica, and an active component selected from potassium permanganate and potassium carbonate supported on the support. Configured gas sensor.
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