JPS587940B2 - トクテイシユルイノカンゲンセイガスオ センタクテキニケンシユツスルタメノフクゴウガタガスケンチソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特定種類の還元性ガスを選択的に検出するた
めの複合型ガス検知素子に関するものである。

従来のガス検知素子及びこれを用いた装置においては、
種々の還元性ガスが無差別に検出されるものであったた
め、実際の使用にあたって、本来検出の目的とするガス
は、アルコールガス検出用、プロパンガス検出用、ＣＯ
ガス検出用等の各用途に応じて限定されるものであるに
もかかわらず、使用される雰囲気中に検出の目的とする
ガス以外の不要な還元性ガスが混入している場合でも検
出に際してこれらを区別することができず、このような
不要なガスによる影響で装置が本来の目的とは異なる誤
動作を起こすことが往々にしてあって精度上極めて信頼
性の乏しいものであった。

本発明は上記従来の欠点を克服するもので、それぞれフ
ィルターを通して選択的にガスが導入される一対のガス
感知部を複合して形成し、この一対の感知部が適当な回
路中において所望の特定種類の還元性ガスだけを選択的
に検出する作用を発揮し、以って、用途に応じてその目
的とする還元性ガスだけを検出し得て検出対象外の還元
性ガスの影響による誤差をなくし、検出装置の精度上の
信頼性を格段に向上せしめることができ、しかもこのよ
うな一対のガス感知部が複合一体化され、非常にコンパ
クトで、製作並びに装置への組込みなどにも便利な特定
種類の還元性ガスを選択的に検出するための複合型ガス
検知素子を提供せんとするものであって、その構成は次
の通りである。

本発明は、気密性を有する素材にて形成した両端が開口
せる筒状の容器内の中央部と両端開口部分とにそれぞれ
、酸化触媒を素材としてその酸化作用で一部の還元性ガ
スの透過を阻止するフィルターを配設し、且つ、一端部
のフィルターの酸化能力を他端部のフィルター並びに中
央部のフィルターの酸化能力よりも低くし、この中央部
フィルターと両端部フィルターとの間にそれぞれ、ガス
敏感性金属酸化物半導体からなる各ガス感知部および該
各ガス感知部に接続した一対の電極を配備してなる特定
種類の還元性ガスを選択的に検出するための複合型ガス
検知素子である。

本発明を具体的に説明するにあたり、先ず本発明におい
て用いられるフィルターの透過特性にていて説明してお
く。

このフィルターの素材としては、ＮｉＯ、Ｃｏ２０３、
Ｃｏｄ，Ｚｎ０１Ｓｎ０２、Ｆ ｅ ２ ０ ３、■２
０，、Ａｇ２０，ＣｕＯ等の各種の金属酸化物触媒、或
いは金属酸化物にＰｄ，Ｐｔ、Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ａｇ
，Ａｕ等の貴金属系の酸化触媒の一乃至数種類を添加し
たもの、或いはこのような貴金属系の酸化触媒をアスベ
スト、アルミナ、シリカ等の基材に混入または担持せし
めたもの等酸化触媒として働く任意の素材を採用し得る
。

そして、このような酸化触媒を素材とするフィルターは
、その酸化触媒としての能力に応じ、酸化され易い特定
一乃至数種類の還元性ガスに対しては、大気中の０２と
反応せしめて不活性ガスに変えることによりその還元性
ガスとしての透過を阻止し、その他の酸化されにくい還
元性ガスはそのまま透過するという選択的透過性を有し
、且つ、このようにして選択的に透過されるガスの種類
はフィルターの酸化能力の程度に依存するもので、その
関係は第１図のグラフに示す如くなる。

つまり、第１図のグラフは、酸化触媒を素材とするフィ
ルターの酸化能力と各種還元性ガスに対する透過率との
関係を示すもので、同グラフにおいて、縦軸はガス透過
率をパーセントで表わし、横軸はフィルターの酸化能力
即ち酸化触媒としての活性度を表わしており、同グラフ
中の曲線Ａ〜Ｅは、ＡがＣＯガス、ＢがＨ２ガス、Ｃが
エタノール、Ｄがイソブタン、Ｅがメタンに対するフィ
ルターの酸化能力と透過率との関係を示す。

同グラフに示す如く、これらのガスの中ではＣＯガスが
最も透過が阻止され易く、フィルターが同グラフの横軸
に符号Ｆ１で示す程度の比較的低い酸化能力を持つ場合
には、ＣＯガスのみ透過が阻止されて他のガスは殆ど透
過することとなる。

これはつまり、この程度の酸化能力においては、上記各
ガスの中で最も酸化され易いＣＯガスがフィルターの触
媒作用で大気中の０２で酸化されて不活性なＣＯ２とな
る結果ＣＯガス自体の透過は阻止され、一方これより酸
化されにくい他の各ガスは殆ど酸化作用を受けずにその
まま透過されるためである。

また、フィルターの酸化能力がこれよりもう少し高くて
同グラフに符号Ｆ２で示す程度である場合には、ＣＯガ
スに加えてその次に酸化され易いＨ２ガスも酸化されて
Ｈ２Ｏに変わるので、この二種類のガスの透過が阻止さ
れてその他のガスが透過されることとなる。

以下同様にして、フィルターの酸化能力が高くなるにつ
れて酸化され易いものから順に透過を阻止されるガスの
種類が増し、同グラフに例示したガスについていえば、
同グラフに符号Ｆ３で示す程度の酸化能力においてはＣ
Ｏ，Ｈ２、アルコールの三者が透過を阻止されてイソブ
タンとメタンが透過し、符号Ｆ４で程度の酸化能力にお
いてはメタンだけが透過されることとなる。

また、符号Ｆ。で示す程度にまでフィルターの酸化能力
を低くすると同グラフ中にＡ−Ｅで示すガスのすべてが
透過される。

これら種々の酸化能力を有するフィルターの具体例を次
の（表１）に示しておく。

同表中の酸化能力を示す符号は、第１図グラフに示す符
号に対応する。

このような酸化触媒を用いたフィルターの特性を利用し
て本発明の素子が構成されており、以下、本発明の実施
例を図面に依拠して詳説する。

第２図において、１はセラミック或いはガラス等の絶縁
性材料または絶縁コートされた金属パイプ等にて形成し
た両端が開口せる筒状の容器で、その周壁からガスが透
過することがないように適当な密度並びに厚みを持たせ
て形成されている。

該容器１内の中央部には前述せる如き任意の酸化触媒を
素材とするフィルター２ｃが装填され、該フィルター２
ｃの両側にはそれぞれカス感知部３ａ及び３ｂが収容さ
れ、さらにその外側の容器両端開口部分にもそれぞれ酸
化触媒を素材とするフィルター２ａ，２ｂが装填されて
いる。

上記両ガス感知部３ａ，３ｂの素材としては、ＳｎＯ２
、■ｎＯ３、Ｔｉ０２、ＺｎＯ，Ｎｉｐ，Ｃｒ２０３等
の各種金属酸化物半導体の単体、若しくは複数種類の金
属酸化物半導体を混合したもの、或いはこのような金属
酸化物半導体を主材料としてこれにＰｄ、ｐ３ｐｈ、Ｉ
ｒ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ等の触媒を添加したものやアルミ
ナ、シリカ等を含有せしめたものなど、金属酸化物半導
体を主体としたガス感知作用を有する任意の素材を採用
し得る。

この各感知部３ａ及び３ｂにはそれぞれ各一対の電極４
ａ＋４ａ’及び４ｂ，４ｂ’が装備されている。

当実施例では、上記電極４ａ＋４ａ’及び４ｂ，４ｂ’
は、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の電極材料をきめの粗
いアルミナやガラスなどに焼付ける等の方法によって通
気性を阻害しない程度のポーラスな状態に形成し、これ
を各感知体３ａ ，３ｂの両端部に配置している。

５ ａ ， ５ ａ’及び５ｂ，５ｂ’は上記各電極４
ａｔ４ａ’及び４ｂ，４ｂ’から容器１の外部に導出し
たリード線である。

さらに、上記容器１の外周面部には、上記各フィルター
２ａ，２ｂ，２ｃ及び各感知部３ａ ，３ｂを適温に加
熱するヒーター６が被嵌せしめられている。

そして、上記各フィルター２ａ，２ｂ，２ｃの酸化能力
は、一方の端部のフィルター２ａより他端部のフィルタ
ー２ｂの酸化能力を高くし、且つ、中央部のフィルター
２０は酸化能力の高い方のフィルター２ｂと同程度又は
それ以上の酸化能力を持たせてお《という条件のもとで
、後述する如く、検出すべきガスの種類に応じて適宜設
定してお匂容器１内の中央部に上述せる酸化能力のフィ
ルタ−２ｃを設けているのは、この部分において通気性
を阻害しないようにしながら、少なくとも上記他端部の
フィルター２ｂにおいて透過を阻止されるガスが、一端
部（酸化能力の低い方）のフィルター２ａからガス感知
部３ａを通ってガス感知部３ｂに侵入することを防止す
るためである。

上記各フィルター２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ適当な酸
化能力を持たせるには、前記のフィルター具体例を示し
た（表１）からも解るように、フィルター素材や温度条
件などを選定しでおけばよい。

つまり、例えば金属酸化物やアスベスト、アルミナ、シ
リカ、水晶などの基材に貴金属系酸化触媒を添加してフ
ィルターを形成するような場合、貴金属系酸化触媒の添
加量を多くすれば触媒作用即ち酸化能力を強くすること
ができるわけであるから、フィルター２ａに対してフィ
ルター２ｂ及び２ｃの組成を変えておけば酸化能力に差
を持たせることができる。

或いはまた、各フィルター２ａ，２ｂ，２ｃに個々にヒ
ーターを設けてこれらのヒーターによる加熱温度条件を
変えておくことによっても、その温度条件に応じて各フ
ィルター２ａ，２ｂ ， ２ｃに酸化能力が調整される
。

このような構造の素子の成形手段としては、例えば、予
め容器１とこれに収納される各部材とを成形しておいて
圧力せしめる方法、或いは、先ず容器１を除いた各部材
を所定形状に一体的に予備成形しておき、その周囲に容
器１の形成するための絶縁材料を包着せしめて焼上げる
方法、または中央部フィルター２０を境とする両側の部
分を先ず別個に成形しておいて、この両部分を、その間
に中央部フィルター２０を介した状態で一体に溶着せし
める方法等を任意に採用し得る。

このようにして本発明の素子Ｓが構成され、この素子Ｓ
は通常第３図に示すような回路に組み込まれて利用され
る。

即ち、この回路は、本発明の素子Ｓにおいて一体的に装
備された一対の感知部３ａ及び３ｂを電源７に対して互
いに並列な状態に接続し、且つ、両感知部３ａ及び３ｂ
にそれぞれ抵抗８ａ，８ｂを直列に接続すると共に、こ
の間に電気作動物９を接続することにより、上記両感知
体３ａ及び３ｂから得られる各出力の差にあたる電圧が
電気作動物９にかかるようにしたものである。

上記電気作動物９としては、メーター、警報器、換気扇
、電磁弁やその他各種の制御機器等を任意に採用し得る
。

次に、上記の如き回路に組込まれた時の本発明の素子の
作用を説明すると、例えば、上記各フィルター２ａ，２
ｂ，２ｃのうち、一方の端部のフイルター２ａの酸化能
力を同グラフに符号Ｆ２で示す程度とし、他端部のフィ
ルター２ｂ及び中央部のフィルター２ｃの酸化能力を同
グラフに符号Ｆ３で示す程度にした場合、同グラフから
解るように、同グラフに示す各還元性ガスの中で、ＣＯ
ガスとＨ２ガスは両端のフィルター２ａと２ｂにおいて
共に透過を阻止されるので前記両感知部３ａ ，３ｂに
は殆ど到達し得す、また、イソブタンとメタンは各フィ
ルター２ａ，２ｂ，２ｃのいずれをも殆んど自由に透過
するので両感知部３ａ，３ｂにおいてほぼ同程度に感知
される。

そして、アルコールは一端部のフィルター２ａだけを透
過し得るので、一方の感知部３ａには感知され得るが他
方の感知部３ｂでは感知され得ないこととなる。

従って、このように各フィルター２ａ ， ２ｂ ，２
Ｃの酸化能力を定めた場合には、第３図の回路に示す如
く上記両感知部３ａ ，３ｂの出力の差を最終的な出力
として取出すようにしておけば、アルコールだけが充分
に検出され、他の還元性ガスの出力は殆んど打消される
。

尤も、実際にはこのような設定条件においても、各フィ
ルター２ａ，２ｂ，２ｃの酸化能力に応じてアルコール
より酸化され易いＨ２ガス等も多少は透過され、またア
ルコールより酸化されにくいイソブタン等も多少は透過
が阻止されるので、これらのガスに対しても上記の回路
において少しは最終的な出力が出てくるが、これらの出
力はアルコールに対する出力に比べて非常に小さいため
、アルコールに対して秀れた選択的検出効果が得られる
ことは間違いない。

同様にして、その他の各還元性ガスについても、それに
応じてフィルター２ａとフィルター２ｂ及び２ｃとの酸
化能力を適宜しておくことにより、その所望の特定単一
種類の還元性ガスを選択的に検出し得る。

また、フィルター２ａとフィルター２ｂ及び２ｃとの酸
化能力の差を大きくしておけば、その間において透過率
の変わる数種類の還元性ガスを選択的に検出せしめるこ
ともできる。

こゝで、本発明の素子を用いた場合の特定種類のガスに
対する選択的検出効果につき、当発明者が行った実験の
結果を次の（表２）に示してお匂なお、この実験は、イ
ソブタンを選択的に検出するようにしたもので、第２図
に示す形状の素子において、一端側のフィルター２ａに
は前記（表１）中の酸化能力Ｆ３に相当するフィルター
を、他端側および中央部のフィルター２ｂ，２ｃにはと
もに前記（表１）の酸化能力Ｆ４に相当するフィルター
を用いた。

加熱温度は３７０℃である。また、ガス感知部３ａ，３
ｂの金属酸化物半導体にはそれぞれＳｎＯ２の単体を用
いた。

そして、第３図に示す回路に組込み、電源７の電圧を１
０■、抵抗８ａの抵抗値を１０ＫΩ、抵抗８ｂの抵抗値
を１２ＫΩとして、（表２）に示す各ガス中でのガス感
知部３ａ，３ｂの各抵抗値および電気作動物９にかメる
出力電圧を測定した。

測定は自然流通法で行ったものである。

この表から、上記実験条件によれば、空気中における場
合と比較してイソブタン１ ０ ０ ０ ｐｐｍ中では
出力電圧が大きく変化し、他のガス中では出力電圧の変
化が小さく、イソブタンが選択的に検出されることが解
る。

第４図は本発明の素子Ｓの他の実施例を示すものであり
、これは、円筒状の容器１の中心軸部に、セラミックや
ガラス等の絶縁材料にて形成した棒状の電極担持体１０
を貫挿せしめてあり、該電極相持体１０の外周面部に電
極１４ａ，１４ａ’及び１４ｂ，１４ｂ’が長手方向及
び周方向にそれぞれ分離した状態で被着形成され、この
電極担持体１０と容器１の周壁との間に、中央部フィル
ター？ｃ及びその両側のガス感知部３ａ，３ｂ並びに両
端開ｂ側に臨んだ各フィルター２ｂ，２ｃが装填されて
いる。

つまり、かかる構造においては、両感知部３ａ及び３ｂ
のそれぞれに対する各一対の電極１４ａ，１４ａ’及び
ｉ４ｂ，１４ｂ’は、周方向に向き合った状態で装備さ
れ、これらの電極１４ａ，１４ａ’及び１４ｂ，１４ｂ
’は直接外部に導出されている。

従って前記第２図に示されるようなリード線５ａ，５ａ
’及び５ｂ，５ｂ’を必要とせず、且つ、回路への組込
みに便利である。

１６は上記容器１の外周面に被着した膜状のヒーターで
あり、このヒーターとしては前述せる如きコイル状のヒ
ーターを用いてもよいが、特に膜状ヒーターにした場合
には高抵抗のものが得られるのでこれに対する電圧供給
としてトランスを用いずに商用電源をそのまま使用でき
る利点がある。

尚、このような構造において、電極担持体をパイプ状に
し、その中にヒーターを挿入するようにしてもよい。

そして、かかる実施例においても、各フィルタ−２ａ
，２ｂ ，２ｃの酸化能力の関係は前記実施例の場合と
同様に構成され、以って、第３図に示されるような回路
に組込まれることにより前述せる如き選択的なガス検出
作用を発揮する。

叙上の如く、本発明のガス検知素子は、一対のガス感知
部を備え、この両感知部を、気密な周壁を持つ筒状の容
器内において、その中央部及び両端部に設けた酸化能力
に応じた選択的なガス透過性を有する各フィルターの間
に配設することにより、両感知部がそれぞれフィルター
を通して各感知部に導入されるガスだけを選択的に感知
するようにし、且つ、一端部のフィルターより他端部並
びに中央部のフィルターの酸化能力を高くすることによ
って各ガス感知部に導入され得るガスの種類に差を持た
せ、以って、この差にあたる特定種類の還元性ガスに対
してのみ両感知部の感度が顕著に異なるようにしてある
ため、該両感知部の出力の差を取出すブリッジ回路等に
組込まれることにより、特定種類の還元性ガスだけを選
択的に検出せしめてその他の還元性ガスによる影響を非
常に小さくすることができる。

そして、第１図のグラフから解る如く、各フィルターの
酸化能力の選定の仕方によって所望の特定還元性ガスを
上述せるようにして選択的に検出し得るので、任意の用
途において、その用途に応じた検出の目的とする特定還
元性ガスだけを選択的に検出せしめ、検出対象外の不要
な還元性ガスによる装置の誤動作を防止し得て検出精度
を格段に向上することができる。

しかも、このような選択的な検出作用を発揮せしめるた
めの一対のガス感知部並びに各感知部に対するフィルタ
ーを複合して一体化した構造に形成してあるため、それ
ぞれフィルターを備えた一対の感知部を別個に形成する
ような場合に比べ、構造が合理化されて非常にコンパク
トになり、装置への組込みにも便利であり、且つ、材料
費などが削減されて経済性に富む等、実用に適した多犬
の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の素子において用いられるフィルターの
酸化能力と各種還元性ガスに対する透過率との関係を示
すグラフ、第２図は本発明の実施例を示す断面図、第３
図は本発明の素子を用いたガス検出装置の回路構成の一
例を示す回路図、第４図は本発明の他の実施例を示す断
面図である。 １……容器、２ａ，２ｂ，２ｃ……フィルター、３ａ，
３ｂ……ガス感知部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 気密性を有する素材にて形成した両端が開口せる筒
   状の容器内の中央部と両端開口部分とにそれぞれ、酸化
   触媒を素材としてその酸化作用で一部の還元性ガスの透
   過を阻止するフィルターを配設し、且つ、一端部のフィ
   ルターの酸化能力を他端部のフィルター並びに中央部の
   フィルターの酸化能力よりも低くし、この中央部フィル
   ターと両端部フィルターとの間にそれぞれ、ガス敏感性
   金属酸化物半導体からなる各ガス感知部および該各ガス
   感知部に接続した各一対の電極を配備してなる特定種類
   の還元性ガスを選択的に検出するための複合型ガス検知
   素子。