(57)【要約】【課題】小学校で理科の教材として使用するのに好適な酸素検知管を提供する。【解決手段】透明で筒状のガラス管１２の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤１３が装填され、検知剤の両端部にそれぞれパッキン１４、１５を介して、ガスを吸収するための除去剤１６、１７が封入され、ガラス管の両端部１８、１９は縮径して熱溶封されている酸素検知管１１であって、ガラス管の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、ガラス管の検知剤が装填された部位の長さＬ４は、３５〜６０ｍｍの範囲であり、検知剤は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体である。【選択図】図１
2020201177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のガラス管の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤が装填され、該検知剤の両端部にそれぞれパッキンを介して、ガスを吸収するための除去剤が封入され、前記ガラス管の両端部は縮径して熱溶封されている酸素検知管であって、
前記ガラス管の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、
前記ガラス管の前記検知剤が装填された部位の長さは、３５〜６０ｍｍの範囲であり、
前記検知剤は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であること
を特徴とする酸素検知管。
【請求項２】
筒状のガラス管の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤が装填され、該検知剤の両端部にそれぞれパッキンを介して、ガスを吸収するための除去剤が封入され、前記ガラス管の両端部は縮径して熱溶封されている酸素検知管であって、
前記ガラス管の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、
前記ガラス管の前記検知剤が装填された部位の容積は、３．２〜７．５×１０−７ｍ３ の範囲であり、
前記検知剤は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であること
を特徴とする酸素検知管。
【請求項３】
前記除去剤は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウムからなる塩基性物質のうち１つもしくは複数から選択されること
を特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の酸素検知管。
【請求項４】
前記除去剤は、硫化銅が含有されていること
を特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の酸素検知管。
【請求項５】
前記検知試薬の成分は、三塩化チタンであること
を特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の酸素検知管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素の空気中濃度を測定するための酸素検知管に関するものであり、更に詳しくは、特に小学校等で理科の教材として使用するのに好適な酸素検知管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の教材用の酸素検知管としては、(１)アルカリ性ピロガロールの酸素吸収による変色反応を原理とするものと、(２)三塩化チタンとの酸化還元反応により白色生成物を得ることを原理とするものとの２種類の酸素検知管が知られている。
【０００３】
これら(１)(２)の酸素検知管は、いずれも主にガラス管からなる筒状の検知管本体の内部に酸素と反応して変色反応を示す試薬をコーティングした担持体（検知剤）と、副次的に生成したガスを吸収するなどの目的の除去剤とが封入されて、両端部が熱溶封されている。
【０００４】
このような構成の酸素検知管は、使用時に両端を折り取り、専用の気体採取器を一端側の管口に接続して酸素の測定を行う。すなわち、気体採取器のハンドルを引いて、気体採取器内部が真空となることで生じる圧力差により、気体採取器側とは反対側に位置する他端側の管口から測定対象である気体が流入し、酸素検知管内部の検知剤が変色反応して、酸素濃度に応じた変色長を示す。
【０００５】
上記(１)の酸素検知管ついては、測定所要時間は１分４５秒であり、１回の測定に必要な空気の量は５０ｍＬであり、酸素検知管表面の発熱温度は約７０℃であり、市場価格は５回測定セット価格が１７，０００円（＠３，４００円）程度である。
上記(２)の酸素検知管ついては、測定所要時間は１分であり、１回の測定に必要な空気の量は５０ｍＬであり、酸素検知管表面の発熱温度は約７０℃であり、市場価格は１本あたり４７２円程度である。
(２)の酸素検知管ついては、呼吸の実験において発生する人由来の二酸化炭素の影響、及び環境温度の影響が、(１)の酸素検知管に比較して極めて小さく、教材としては(２)の酸素検知管が広く用いられている。
【０００６】
上記(１)の類似技術の酸素検知管としては、図３に示す（株）ガステック社製の酸素検知管１が市販されている。この酸素検知管１は、１回の測定所要時間は１分であり、１回の測定に必要な空気の量は５０ｍＬであり、酸素検知管表面の発熱温度は約７０℃であり、市場価格が５本入り２，３００円（＠４６０円）である。
【０００７】
この図３に示す酸素検知管１は、透明なガラス管２で形成され、ガラス管２の両端部３は縮径して熱溶封されている。ガラス管２の内部には検知剤４が充填されており、検知剤４の両端部には、それぞれパッキン５を介して除去剤６が充填されている。ガラス管２の表面には目盛り７が表示されている。図中の符号８は除去剤６の両端部３側に隣接するパッキンを示す（特許文献１参照）。
上述の気体採取器を用い、被測定ガスに反応して変色した検知剤６の先端部位を目盛り７に沿って読み取ることで酸素濃度が測定される。
【０００８】
酸素検知管１の全長Ｌ１は、２１０ｍｍであり、ガラス管２の内径は、５．０ｍｍで、外径は、７．０ｍｍであり、ガラス管２の検知剤が装填された部位の長さＬ２は、７２ｍｍであり、ガラス管２の検知剤４が装填された部位のガラス管２の容積は、１４×１０−７ｍ３ である。
また、検知剤４は、平均粒径が１５０〜１７０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体である。
【０００９】
その他の検知管に関連する特許出願としては、特開２００３−４７１７号公報「目盛ラベル及びこれを備えた検知管」（特許文献２参照）、特開２０１１−２４００号公報「ガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置」（特許文献３参照）、特開２０１４−９２４８７号公報「水銀化合物を用いない検知管」（特許文献４参照）、特開２００９−２５７８３８号公報「酢酸又は蟻酸検知管ならびに室内空気質の監視方法および建材品質の評価方法」（特許文献５参照）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−５４３３３号公報
【特許文献２】特開２００３−４７１７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４００号公報
【特許文献４】特開２０１４−９２４８７号公報
【特許文献５】特開２００９−２５７８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これら従来例の酸素検知管においては、１回の測定に必要な空気の量が５０ｍＬであるため、１回の測定に要する時間が１〜２分と長い。この酸素検知管は小学校の理科の授業で教材として複数本が使用されるが、限られた授業時間のなかで測定時間が長いと使い勝手が悪いという問題点を有している。
また、理科実験の一つである光合成実験の場合、植物を袋で囲った閉鎖空間を測定する際に、５０ｍＬの採取量では生徒一人ひとりが測定する場合に袋内の対象空気が足りなくなるという問題点を有している。
【００１２】
また、５０ｍＬの空気に含まれる全ての酸素が反応するために、反応熱により上昇する検知管表面の温度は７０℃程度になり、手で触れると短時間の接触で火傷を負うレベルである。従って、小学生の子供達にとっては、火傷の危険が伴うという安全上の問題点を有している。
【００１３】
さらに、１本の酸素検知管あたりに用いられる有害試薬、及び材料が多いために、販売、輸送及び廃棄に掛かる製品コストが高くなるという問題点を有している。
【００１４】
従って、従来例における酸素検知管においては、１回の測定に要する時間を短縮することと、検知管表面の温度を低くすることと、対象空気の採取量を減じることと、製品コストを低くすることとに解決しなければならない課題を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記従来例の課題を解決するための本発明の要旨は、筒状のガラス管の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤が装填され、該検知剤の両端部にそれぞれパッキンを介して、ガスを吸収するための除去剤が封入され、前記ガラス管の両端部は縮径して熱溶封されている酸素検知管であって、前記ガラス管の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、前記ガラス管の前記検知剤が装填された部位の長さは、３５〜６０ｍｍの範囲であり、前記検知剤は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることである。
【００１６】
前記従来例の課題を解決するための本発明の要旨は、筒状のガラス管の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤が装填され、該検知剤の両端部にそれぞれパッキンを介して、ガスを吸収するための除去剤が封入され、前記ガラス管の両端部は縮径して熱溶封されている酸素検知管であって、前記ガラス管の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、前記ガラス管の前記検知剤が装填された部位の容積は、３．２〜７．５×１０−７ｍ３ の範囲であり、前記検知剤は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることである。
【００１７】
また、前記除去剤は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウムからなる塩基性物質のうち１つもしくは複数から選択されること、；
前記除去剤は、硫化銅が含有されていること、；
前記検知試薬の成分は、三塩化チタンであること、；
を含むものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１に係る酸素検知管によれば、ガラス管の内径が３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、ガラス管の検知剤が装填された部位の長さが３５〜６０ｍｍの範囲であり、検知剤の平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることによって、酸素検知管を小型化して検知剤の装填量を低減させたことで、１回の測定に必要な空気量を１０ｍＬに低減させて、１回の測定に要する時間を３０秒程度に短縮した。また、検知管表面の温度を６０℃程度に低く抑えた。
そして、酸素検知管を小型化したことにより、携帯性や保管性が向上しただけでなく、酸素検知管に用いられる検知剤等の材料を低減させて、有害試薬の使用量、輸送、廃棄に掛かる製品コストを低く抑えた。
また、検知剤の平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることによって、従来の検知剤よりも粗大な基体粒子の担体を用いたことにより、試料ガスの検知剤に対する過剰な物理吸着が抑制されて、変色長さの拡大につながった。そして、変色強度が強くなり、変色境界が鮮明となり、酸素検知管を小型化しても目盛りの視認性が向上したという種々の優れた効果を奏する。
【００１９】
本発明の請求項２に係る酸素検知管によれば、ガラス管の内径が３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、ガラス管の検知剤が装填された部位の容積が３．２〜７．５×１０−７ｍ３ の範囲であり、検知剤の平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることによって、酸素検知管を小型化して検知剤の装填量を低減させたことで、１回の測定に必要な空気量を１０ｍＬに低減させて、１回の測定に要する時間を３０秒程度に短縮した。また、検知管表面の温度を６０℃程度に低く抑えた。
そして、酸素検知管を小型化したことにより、携帯性や保管性が向上しただけでなく、酸素検知管に用いられる検知剤等の材料を低減させて、有害試薬の使用量、輸送、廃棄に掛かる製品コストを低く抑えた。
また、検知剤の平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることによって、従来の検知剤よりも粗大な基体粒子の担体を用いたことにより、試料ガスの検知剤に対する過剰な物理吸着が抑制されて、変色長さの拡大につながった。そして、変色強度が強くなり、変色境界が鮮明となり、酸素検知管を小型化しても目盛りの視認性が向上したという種々の優れた効果を奏する。
【００２０】
除去剤は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウムからなる塩基性物質のうち１つもしくは複数から選択されることによって、これらが塩化水素除去剤としての役目を果たすこととなり、塩化水素を捕集して漏気を起こさないという優れた効果を奏する。
【００２１】
除去剤は、硫化銅が含有されていることによって、塩化水素と反応して変色すると共に、塩化水素除去剤として破過したかしていないかを視認できることとなるという優れた効果を奏する。
【００２２】
検知試薬の成分は、三塩化チタンであることによって、酸化還元反応により白色生成物を得るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る酸素検知管の正面図である。
【図２】本発明に係る酸素検知管のガラス管の断面を略示的に示す説明図である。
【図３】従来例に係る酸素検知管の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１において、符号１１は酸素検知管を示し、この酸素検知管１１は、透明で筒状のガラス管１２の内部に酸素と反応して変色反応を示す検知剤１３が装填され、この検知剤１３の両方の端部にそれぞれパッキン１４、１５を介して、ガスを吸収するための除去剤１６、１７が封入され、ガラス管１２の両方の端部１８、１９は縮径して熱溶封されている。ガラス管２の表面には目盛り２０が表示されている。図中の符号２１、２２は除去剤１６、１７の端部１８、１９側に隣接するパッキンを示す。
【００２５】
酸素検知管１１の全長Ｌ３は、１４０〜１５０ｍｍであり、ガラス管１２の内径は、３．４０〜４．００ｍｍの範囲であり、外径は、５．６〜６．０ｍｍであり、ガラス管１２の検知剤１３が装填された部位の長さＬ４は、３５〜６０ｍｍの範囲であり、ガラス管１２の検知剤１３が装填された部位のガラス管の容積は、３．２〜７．５×１０−７ｍ３ の範囲である。
また、検知剤１３は、平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体である。基体粒子は、アルミナ、シリカゲル等からなり、検知試薬は、三塩化チタン等からなる。
【００２６】
除去剤１６、１７は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウムからなる塩基性物質のうち１つもしくは複数から選択されることが望ましい。これらが塩化水素除去剤としての役目を果たすこととなり、塩化水素を捕集して漏気を起こさない。
【００２７】
また、除去剤１６、１７は、硫化銅が含有されていることが望ましい。硫化銅が塩化水素と反応して変色すると共に、塩化水素除去剤として破過したかしていないかを視認できることとなる。
【００２８】
検知試薬の成分は、三塩化チタンであることが望ましい。酸化還元反応により白色生成物を得ることとなる。
【００２９】
（実施例１）
・１回の測定に必要な空気の量を１０ｍＬ以下となるように工夫した。
１回の測定に必要な空気の量が１０ｍＬで最適な色変色が得られるように検知試薬の量を試行錯誤し、１本あたりの三塩化チタン水溶液の添加量を１／５とすることでねらいが実現した。
【００３０】
（実施例２）
・従来品の酸素検知管である全長２１０ｍｍ、外径７．０ｍｍのサイズから、本願発明は全長１４５ｍｍ、外径５．６ｍｍのサイズにコンパクト化を図った。
必要な空気量５０ｍＬ吸引を前提とした従来の条件でコンパクト化したガラス管をもって試作した酸素検知管においては、測定精度を満足する変色長さが得られたが、１０ｍＬ吸引での測定を可能とするためには、１／５の吸引量で同様の変色長さが得られるための工夫が必要であった。
そこで、担体（基体粒子）の粒径の調整でコントロールを行った。従来技術で用いられていた検知剤の担体の平均粒径が１５０〜１７０μｍであったのに対し、本願発明では平均粒径１７７〜２５０μｍのより粗大な担体を用いた。これにより試料ガスの検知剤に対する過剰な物理吸着が抑制され、変色長さの拡大につながった。
【００３１】
（実施例３）
・反応熱による温度上昇を抑制した。
（１）酸素検知管に封入される検知剤は、特定のガスに反応して変色が起きる検知試薬を、微細な細孔あるいは凹凸を有する担体（基体粒子）に物理的あるいは化学的に吸着・接着させて作製する。ガラス管内の検知剤の色の変化を目で見ながら変色した層の長さを目盛りと比較して濃度測定に使用する。
図２に示すように、ガラス管１２の内壁面に接する箇所に位置する検知剤１３ａは、変色反応が目視による測定に寄与するが、ガラス管１２の中心部分に位置する検知剤１３ｂは、構造上目視できない。
従って、目で見えず、測定に寄与しない発熱反応は無駄な温度上昇の原因となるため、従来品のガラス管２の内径５．０ｍｍ、外径７．０ｍｍから、本願発明のガラス管１２は内径３．４０〜３．８０ｍｍ、外径５．６ｍｍに調整した。
また、従来品のガラス管２の検知剤４が装填された部位のガラス管２の容積は、１４×１０−７ｍ３ であるのに対し、本願発明のガラス管１２の検知剤１３が装填された部位のガラス管の容積は、３．２〜７．５×１０−７ｍ３ の範囲であり、体積量が２２〜５５％となっても十分な性能が維持された。
【００３２】
（２）担体（基体粒子）に担持させる試薬の量を減らすことも過剰な反応熱を抑制することにつながる。１本あたり１／５ですむようにし、８０％削減できるように改良した。
有色の検知試薬であるため、添加量が減少すれば検知剤の色は相対的に薄くなるが、担体のミクロな凹凸による光の屈折率や透過率をコントロールすることで、測定前の酸素検知管として必要な呈色状態を維持できるよう工夫した。
【００３３】
以上のような酸素検知管は、酸素検知管を小型化して検知剤の装填量を低減させたことで、１回の測定に必要な空気量を１０ｍＬに低減させて、１回の測定に要する時間を３０秒程度に短縮した。
つまり、１回の測定に要する時間を従来例の１〜２分から３０秒程度に短縮したことにより、小学校の理科の授業で教材として使用する際の使い勝手が向上した。
【００３４】
また、検知管表面の温度を６０℃程度に低く抑えた。つまり、熱反応による検知管表面の温度上昇を従来例の７０℃程度から６０℃程度に低く抑えたことにより、火傷によるリスクが低減し、教育現場で使用し易くなった。
【００３５】
そして、酸素検知管を小型化したことにより、携帯性や保管性が向上しただけでなく、酸素検知管に用いられる検知剤等の材料を低減させて、有害試薬の使用量、輸送、廃棄に掛かる製品コストを低く抑えた。
酸素検知管を小型化したことにより、梱包に使用される箱が小さくなり、これにより携帯が便利になるだけでなく、保管場所の省スペース化が可能となった。
製品コストを低く抑えたことにより、教材として使用するうえで価格が下がり、従来は教員による演示や班ごとの代表者が実測していた現状が改善され、すべての受講生徒が測定を行うことができるようになった。
また、空気採取量が１０ｍＬになったことで、光合成実験などの限られたサンプル空気においても多くの受講生徒が同時に測定を行えることができるようになり、教育効果が向上した。
【００３６】
具体的には酸素検知管を小型化し、充填物の量を減らしたことによりコストダウンが図れ、１本あたりの販売価格が従来の５本入り２，３００円（＠４６０円）から５本入り１，３８０円（＠２７６円）となり、より安価に提供できた。
酸素検知管の長さが従来品は２１０ｍｍだったのに対し、１４５ｍｍと小型化することができたため、１本あたりの材料費（ガラス管）が低廉な価格になった。
【００３７】
また、検知剤は平均粒径が１７７〜２５０μｍの範囲の基体粒子の周囲に検知試薬をコーティングした粒体であることによって、従来の検知剤よりも粗大な基体粒子の担体を用いたことにより、試料ガスの検知剤に対する過剰な物理吸着が抑制されて、変色長さの拡大につながった。そして、変色強度が強くなり、変色境界が鮮明となり、酸素検知管を小型化しても目盛りの視認性が向上した。
【００３８】
次に、以下のような実験を行ったのでその結果を表に示す。
（実験例１）
ヒトの呼気を袋に採取して、呼気中の酸素濃度を測定する実験を従来品と本発明の酸素検知管とで行った結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
2020201177.tif 000003
【００４０】
（実験例２）
プランターで栽培している植物を袋で覆い、二酸化炭素を吹き込んだ後、日光の当たる場所に静置して、袋の中の酸素濃度を経時的に測定した結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
2020201177.tif 000004
【００４２】
（実験例３）
ガラス製の瓶の中にロウソクを設置し、外気の出入りがないようにした上でロウソクを燃焼させ、燃焼の前後で瓶内の空気中濃度を測定した結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
2020201177.tif 000005
【符号の説明】
【００４４】
１    酸素検知管
２    ガラス管
３    端部
４    検知剤
５    パッキン
６    除去剤
７    目盛り
８    パッキン
１１  酸素検知管
１２  ガラス管
１３、１３ａ、１３ｂ  検知剤
１４、１５  パッキン
１６、１７  除去剤
１８、１９  端部
２０  目盛り
２１、２２  パッキン
【図１】
2020201177.tif 000006
【図２】
2020201177.tif 000007
【図３】
2020201177.tif 000008