JP2015155087A - 携帯用のガス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要量のガスを簡易にその場で繰り返し発生させることができ、かつ安全に持ち運ぶことができる携帯用ガス発生装置を提供すること。【解決手段】（ａ）揮発性有機化合物を含浸させた第１の担体の領域および該揮発性有機化合物の蒸気を含む空間領域を含む気体供給容器、（ｂ）脱水反応を触媒する触媒材料を含み、気体供給用開口部を備えた反応容器、および（ｃ）前記気体供給容器内の前記空間領域と前記反応容器とを連通可能とさせ得る通気路を備えることを特徴とする携帯用のガス発生装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、携帯用のガス発生装置に関する。

ガス検知器には、可燃性ガスを検知するものや、一酸化炭素などの毒性ガスを検知するものなど種々のものが知られており、通常それらのガス検知器の点検は、検出対象となるガスまたは代替ガスをガス検出器に吹きかけることにより行っている。

検知対象ガスまたは代替ガスとしては、可燃性ガス検出器についてはアルコールやブタン、ライターガス（プロパンガス）や、あるいはガスコンロなどで採取される都市ガスをスポイト状の容器に採取して用いられており、また一酸化炭素検知器については、ライターガスの燃焼炎中の一酸化炭素を利用する方法（特許文献１）や、水素ガスを用いる方法が知られている。

また、目的とするガスを大きなガスボンベから小型バッグに小出しして、現場に持ち込んで点検することも行われている。

さらに、アセチレンガスやメタンガスを各種化学反応により発生させる装置も知られている（特許文献２）。

特開平８−１０５８２４号公報 特開２００６−５３６３１号公報

しかしながら、たとえば可燃性ガス検出器や一酸化炭素検出器には、通常、雑ガスの干渉性を防ぐために活性炭のフィルタが装着されている。このため、センサの動作を確認するためには、活性炭に吸着されにくい、メタン、エチレン、水素、一酸化炭素などを用いる必要があり、アルコールやプロパン、ブタンガスでは吸着されてしまい不適切である。また、ガスボンベから小出しにして小型バッグで持ち込む方法では、ガスの貯蔵性が悪く、携帯に不便であり、安全性に問題がある。さらに、一酸化炭素検出器の点検に水素を代用ガスとして用いる方法では、水素は一酸化炭素検出器にとっては干渉ガスであることを考慮すると、一酸化炭素検出器の健全性を確認したことにはならないという問題がある。

また、特許文献２に開示されるアセチレンガスやメタンガスを各種化学反応により発生させる装置では、用いられる反応が、発熱反応であり、また、水などの液体を移動させ反応を行うため、液漏れなどの心配もあり、取扱い上危険のある原料には適用できないといった問題がある。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、必要量のガスを簡易にその場で繰り返し発生させることができ、かつ、安全に持ち運ぶことができる携帯用ガス発生装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、（ａ）揮発性有機化合物を含浸させた第１の担体の領域および該揮発性有機化合物の蒸気を含む空間領域を含む気体供給容器、
（ｂ）脱水反応を触媒する触媒材料を含み、気体供給用開口部を備えた反応容器、および
（ｃ）前記気体供給容器内の前記空間領域と前記反応容器とを連通可能とさせ得る通気路
を備えることを特徴とする携帯用のガス発生装置に関する。

前記ガス発生装置においては、前記揮発性有機化合物の蒸気が、前記通気路を通して前記反応容器に導入され、該反応容器内において前記触媒材料の存在下、脱水反応によりガスが発生することによりガスが得られることが好ましい。

前記ガス発生装置は、さらに、前記気体供給容器中における前記空間領域内の気体を押出すための気体押出し手段、
前記通気路を通る気体のための通気制御手段、および
前記通気路または前記反応容器に連結され、前記反応容器内で発生したガスを押し出すためのガス押出し手段
が備えられてなることが好ましい。

前記ガス発生装置は、さらに前記反応容器の外側に加熱手段が備えられてなることが好ましい。

前記ガス発生装置において、前記触媒材料が、第２の担体に含浸されたものであることが好ましい。

本発明のガス発生装置によれば、少量の気体のみが移動する態様を実現することができ、安全に試薬を保持できるため、携帯用として好都合である。また、このような系で脱水反応を進行させることにより、必要時に必要な量のガスを繰り返し発生させることが可能となる。また、通常高圧ガスとして持ち運ばなければならないエチレンなどの気体を、現場で簡易に生成させることができる。

本発明の一実施形態であるガス発生装置の概略図である。 本発明の一実施形態である押出し手段と通気制御手段を備えたガス発生装置の概略図である。 本発明の一実施形態である加熱手段を備えたガス発生装置の概略図である。 本発明の一実施形態であるガス発生装置の概略図である。

本発明の携帯用のガス発生装置は、（ａ）揮発性有機化合物を含浸させた第１の担体の領域および該揮発性有機化合物の蒸気を含む空間領域を含む気体供給容器、（ｂ）脱水反応を触媒する触媒材料を含み、気体供給用開口部を備えた反応容器、および（ｃ）前記気体供給容器内の前記空間領域と前記反応容器とを連通可能とさせ得る通気路を備えることを特徴とする。

本発明のガス発生装置１について添付の図面を参照して説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。

まず、各実施形態に共通する構成要素を説明する。

気体供給容器２の材質は、内部に保持する揮発性有機化合物２１により影響を受けないものであれば特に限定されるものではないが、ガラス、プラスチックなどが好ましく使用できる。気体供給容器の容量は、ガス発生装置全体の大きさにもよるが、５〜１００ｍｌ程度であることが好ましい。

通気路は、気体供給容器２内の空間領域２３と反応容器４とを連通可能とさせ得るものであり、気体供給容器２中の揮発性有機化合物２１の蒸気を反応容器４に導くためものである。したがって、このような機能を発揮できる態様であれば、特に限定されるものではない。その一例として、一端部が気体供給容器内２の空間領域２３に位置し、他端部が反応容器４に接続されるような通気管３が挙げられる。通気管３は気体供給容器２や反応容器４と同様に、気体供給容器３中の揮発性有機化合物２１や反応容器４中の脱水反応を触媒する触媒材料４１により影響を受けないものであれば特に限定されるものではないが、ガラス、プラスチックなどを好適に用いることができる。通気管３の径や長さは、ガス発生装置１全体の大きさにもよるが、外径：４〜６ｍｍ程度、長さ：３〜５ｃｍ程度であることが好ましい。

反応容器４の材質は、内部に保持する脱水反応を触媒する触媒材料４１および導入される揮発性有機化合物２１により影響を受けないものであれば特に限定されるものではないが、ガラス、プラスチックなどが好ましく使用できる。反応容器の容量は、ガス発生装置全体や、気体供給容器の大きさにもよるが、５〜１０ｍｌ程度であることが好ましい。

本発明の携帯用のガス発生装置は、装置自体の大きさは、携帯用である点、および、揮発性有機化合物や触媒材料を補充することなく一定回数繰り返して使用可能とする点を考慮すると、ハガキ大のサイズ以下程度であることが好ましい。

気体供給容器２内において揮発性有機化合物を含浸する第１の担体２０は、揮発性有機化合物、たとえばギ酸などを溶液の状態で携帯するのが危険であり、また不便であるため、揮発性有機化合物２１を含浸させるために好ましくは用いられるものである。したがって、この第１の担体２０は、揮発性有機化合物２１と反応せず、しかも揮発性有機化合物２１を含み得るものであればよい。第１の担体２０は、気体供給容器２内に適当な空間２３ができる程度、すなわち容器の１／１０〜１／２の範囲で装填される。気体供給容器２内の空間２３は、雰囲気温度に応じた飽和蒸気圧の揮発性有機化合物２１の蒸気を含んでいることとなる。第１の担体２０の材質としては、たとえば、有機物を含まないセラミックス繊維からなるフェルト状セラミックス、または多孔質セラミックスなどを使用することができる。含浸させる量を増大させるためには、フェルト状の材料が好ましい。第１の担体の液体保持能力は、０．５ｍｌ／ｃｍ³以上であることが好ましい。これにより、容積１０ｍｌ程度の容器に５ｃｍ³程度の担体を組み合わせて用いれば、１〜５ｍｌ程度の飽和蒸気を繰り返し発生させることができ、ギ酸などの揮発性有機化合物については１回の補充で１２ヵ月以上点検使用が可能となる。

揮発性有機化合物２１は、常温常圧で大気中に容易に揮発する有機化学物質のうち、常温では液体、すなわち沸点範囲がおおよそ５０〜１００℃から２４０〜２６０℃にあるものを意味する。このような揮発性有機化合物を担体に含浸させて気体供給容器内に入れることにより、容器中の空間に揮発して反応に使用可能な濃度の飽和蒸気を得ることができる。脱水反応によりガスを発生することができる有機化合物であれば特に限定されるものではないが、たとえば、室温（２５℃）での飽和蒸気圧が４０〜１００ｈＰａ程度の揮発性を有するものが好適に用いられる。具体的には、ギ酸およびエタノールなどが挙げられる。濃硫酸との脱水反応によりギ酸はおおよそ０℃以上で一酸化炭素を発生し（式１）、エタノールは、反応条件によりジエチルエーテルおよびエチレン（式２）を発生する。エタノールの脱水反応の場合、点検用ガスとして有用であるのはエチレンであるが、エチレンを選択的に得るためには、反応温度を１７０℃程度まで上昇させる必要がある。ギ酸を使用する場合、反応性を考慮すると、０．１〜１規定のものを使用することが好ましい。
（式１） ＨＣＯＯＨ → ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ
（式２） Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ → Ｃ₂Ｈ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ

反応容器４中に含まれる脱水反応を触媒する触媒材料４１は、特に限定されるものではないが、脱水反応を触媒する化合物を意味する。脱水反応を触媒する化合物には、濃硫酸およびリン酸、その他同様の触媒活性を有する化合物が挙げられる。

反応容器４内に配置され、脱水反応を触媒する触媒材料４１を含浸する第２の担体４０は、第１の担体２０と同様の材料を用いることができる。この第２の担体４０は、含浸量が多いことも必要であるが、それ以上に、たとえば揮発性有機化合物２１を脱水する場合、第２の担体４０は、そこに含浸されている触媒材料４１と揮発性有機化合物２１とが接触し反応する反応場となるため、表面積が大きいことが好ましい。このため、フェルト状よりも、表面積の大きい球状、棒状、塊状など、表面が相互に密着しないで、間に隙間が生じる構造のものが良い。触媒の表面積を増やすことにより、反応場を増大させて反応効率を上げることができる。材料的には、ギ酸などの揮発性有機化合物２１、濃硫酸やリン酸などの触媒材料４１、および発生する一酸化炭素などの発生ガスと反応しない材料であればよい。これらの点から多孔質アルミナセラミックスボールを用いることが特に好ましい。第２の担体４０の液体保持能力は、反応を円滑に促進できる点から、０．１〜１ｍｌ／ｃｍ³程度であることが好ましい。この場合、濃硫酸やリン酸などの触媒材料４１の含浸量は、個々の態様において適宜決定されるものであるが、全体で５ｃｍ³の担体に対し、濃硫酸であれば、１〜２ｍｌ含浸させて用いることが好ましく、リン酸であれば、１規定の物を１〜２ｍｌ含浸させて用いれば脱水反応の触媒として機能する。また、第２の担体４０の比表面積は、１０〜５００ｍ²／ｇ程度であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態は、図１に示されるように、第１の担体２０に含浸された揮発性有機化合物２１を含む気体供給容器２と、第２の担体４０に含浸された脱水反応を触媒する触媒材料４１を含む反応容器４とを通気管３が接続している携帯用のガス発生装置１である。図１では、通気管３は、一端部が気体供給容器２の蓋２２に設けられた開口部２５から中栓２４を貫通して空間領域２３に位置され、他端部は、反応容器４の底部材４９を貫通して反応容器内部に接続されている。これにより、反応容器４の気体供給用開口部４５を閉鎖することにより、ガス発生装置全体の密封性が保たれる。この態様においては、第１の担体２０から揮発した揮発性有機化合物２１の蒸気が、空間２３に貯留され、その貯留された揮発性有機化合物２１の蒸気が通気管３を通じて反応容器４に常に移動し、反応容器４内においてガスが発生し、そのガスは、たとえばフィルタ４３を経て、反応容器４から気体供給用開口部４５を通じてガス検出器５へと排気する。図１ではガス検出器へと排気される形態となっているが、もちろん発生させたガスは、様々な用途に使用可能である。フィルタ４３は、未反応の揮発性有機化合物２１や、反応の副生物などを吸着し、所望のガスのみを得るために用いることができ、活性炭フィルタなどが好適に使用される。

このように、揮発性有機化合物２１の蒸気が、通気管３を通して反応容器４に導入され、反応容器４内において触媒材料４１の存在下、脱水反応によりガスが発生し、そのガスが得られることが好ましい。この際、気体供給用開口部４５は、たとえば中栓４４により適切な開口面積となるよう調整することができる。図１においては、フリンジ部を有するアダプタ４８が設けられており、ガス検知器５の気体導入口に反応容器４の気体供給用開口部４５からの発生ガスを効率的に導入する構成をとっている。反応容器４の気体供給用開口部４５は、使用時以外は、アダプタ４８の上から、またはアダプタ４８に代えて蓋をするか、または気体供給用開口部用の栓をするなどして閉塞させることができる。

本実施形態において、気体供給容器２の中栓２４および反応容器４の中栓４４や底部材４９には、揮発性有機化合物２１や触媒材料４１と反応せず、ある程度の弾力性を有する、たとえばプラスチックやシリコーンなどの材料を用いることができる。また、気体供給容器２の蓋２２や反応容器４に取り付けられたアダプタ４８には、それぞれ気体供給容器２および反応容器４と同様の材料を用いることができる。

本実施形態では、通気管３は、反応容器４の一端部（触媒材料４１が配置される領域の一端部）に接続されているが、このような態様に限らず、触媒材料４１が配置される領域の中間部に接続されてもよく、揮発性有機化合物２１などの特性に基づき、反応が生じ易い位置に設置されればよい。たとえば、揮発性有機化合物２１の蒸気が空気よりも分子量が多いまたは少ない場合には、反応容器４の一端部（触媒材料４１が配置される領域の一端部）に通気管３が接続されることで、気体供給用開口部４５を下方または上方になるように位置して使用すれば、揮発性有機化合物２１の蒸気を効率よく反応容器４に導くことができ、効率的に所望のガスを得ることができる。

本発明の別の実施形態は、図２に示されるように、第１の実施形態に、さらに気体押出し手段６、気体押出し手段６を気体供給容器２に接続させるための接続管６１、通気管３を通る気体のための通気制御手段７、および通気管３に接続管８１により連結され、反応容器４内で発生したガスを押し出すためのガス押出し手段８が備えられたガス発生装置１である。ガス押出し手段８は、図２では通気管３に連結されているが、反応容器４に連結されていてもよい。

気体供給容器２中における空間領域２３内の気体を押し出すための気体押出し手段６は、特に限定されるものではないが、たとえば、スポイト形状、ポンプ形状の手動気体押出し手段や、ポンプなどを用いることができ、気体押出し手段６を気体供給容器２の空間領域２３に連通させる場合は、空間領域２３に存在する気体を気体押出し手段６中に逆流させないよう、逆止弁を設けてもよい。また、図２とは異なり、気体供給容器２中における空間領域２３内の気体を押し出すための気体押出し手段６は、気体供給容器２を加温して揮発性有機化合物２１の蒸発量を増やし空間領域２３の蒸気を通気管に押し出す加温手段などとしてもよい。

また、気体押出し手段６に制御手段等を設けることにより、押し出す気体の量を制御し、反応容器４に入る揮発性有機化合物２１の蒸気の量を調節することもできる。

通気制御手段７は、コックやガスメーターを備えた調節バルブといった気体供給容器２から反応容器４へと供給される気体の供給を遮断する、あるいはその通気量を調節することができる手段である。通気制御手段７を用いて、反応容器４に入る揮発性有機化合物２１の蒸気の量を予め特定の量に調整することにより、発生させるガスの量を制御することも可能である。

反応容器４内で発生したガスを押し出すためのガス押出し手段８は、通気管３または反応容器４に連結され、反応容器４内の発生したガスを装置外へ送り出すことができる手段である。このガス押出し手段８は、特に限定されるものではないが、たとえば、スポイト形状、ポンプ形状の手動気体押出し手段や、ポンプなどを用いることができ、逆流を防ぐために逆止弁を設けてもよい。また、反応容器４内に十分にガスを発生させた場合には、ガス押出し手段８により押し出す気体の量を制御することにより、ガス発生装置１から排出するガスの量を制御することもできる。

本発明においては、気体供給容器２を２つまたはそれ以上用いて、通気制御手段７により切り替えを行って１つのガス発生装置で複数の種類のガスを発生させる態様とすることもできる。このような態様で使用する場合には、先に発生させたガスを十分に排気し、反応容器内をクリーニングした後、別の気体供給容器を反応容器に連通させることが好ましい。

本発明のまた別の実施形態においては、図３に示されるように、反応容器４の外側に、反応容器４を加熱するための加熱手段９を設けることができる。これにより、常温で進行しない脱水反応であっても、本発明のガス発生装置１に適用することができる。このような反応には、エタノールを脱水し、エチレンを得る反応があり、反応は、約１７０℃で進行する。点検ガスとしての用途を考慮すると、エタノールの脱水反応は加熱して１７０〜２００℃の範囲で行うことが好ましい。この温度以下であると、副生成物として、ジエチルエーテルや未反応のエタノールなどを生じ、可燃性ガス検出器の点検には、検出器の活性炭フィルタに吸着されてしまい、センサにまで到達できないことから適切でないためである。

また、本発明の別の実施形態は、通気管を設けない態様である。そのような態様は、たとえば図４に示されるように、気体供給容器２と反応容器４とが接続部材１０により連結されて、気体供給容器２と反応容器４とを相対移動させることにより、気体供給容器２の内部と反応容器４の内部とを連絡させる構成である。図４では、気体供給容器２の上部に、外周に雄ネジを有する接続部を有し、反応容器４の下部に、外周に雄ネジを有する接続部を有し、それらの両雄ネジと螺合する内周に雌ネジが形成された略筒状の接続部材１０が設けられている。気体供給容器２の上部に設けられた接続部には、中栓２７が設けられ、反応容器４の下部に設けられた接続部には中栓４７が設けられている。中栓２７、４７には、通気管と同様に機能する第１の通気路２６と、第２の通気路４６がそれぞれ形成されている。気体供給容器２および反応容器４のいずれか一方をまたは両方を、中栓２７の端面と中栓４７の端面とが離れるように相対的に回転させることにより、気体反応容器２の中栓２７に設けられた第１の通気路２６と反応容器４の中栓４７に設けられた第２の通気路４６をそれぞれの間の空間を通じて連通させることができ、さらに第１の通気路２６と第２の通気路４６の位置合わせをすることで、気体供給容器２から反応容器４へ揮発性有機化合物２１を含む気体の移動を効率的に行うことができる。そして不使用時には両容器を連通時とは逆の方向に相対的に回転させ、中栓２７の端面と中栓４７の端面とを接合させ、第１の通気路２６と第２の通気路４６とを不通とすることにより遮蔽できるような構造としている。中栓２７の端面と中栓４７の端面とが接合する際は、通気路２６と４６とが連通しない位置になるように構成される。図４に示されているのは、気体供給容器２および反応容器４が、各々の通気路２６、４６が連通しないように遮断され、さらに反応容器の蓋４２により密閉された状態であり、不使用時の安全性を保つことができる。

通気管を設けない態様の別の形態としては、図４に示されるネジによる螺合に限定されることなく、螺合での接続に代えて、気体供給容器２の上部と反応容器４の下部とを、容器の軸回りに互いに対して回転可能となるように凹凸嵌合してもよい。この実施形態では、気体供給容器２と反応容器４のいずれか一方または両方を相対回転させることにより、気体供給容器２と反応容器４の中栓２７、４７とは軸方向へ移動することなくその場で同軸回転し、気体供給容器２と反応容器４とが連通可能となる。なお、気体供給容器２と反応容器４とを直接嵌合せずに、接続部材により気体供給容器２と反応容器４とを嵌合接続させても構わない。この際、ガス反応装置自体の密閉性は、従来公知の手段により確保することができる。

本実施形態において、気体供給容器２の中栓２７および反応容器４の中栓４４、４７には、揮発性有機化合物２１や触媒材料４１と反応せず、ある程度の弾力性を有する、たとえばプラスチックやシリコーンなどの材料を用いることができ、中栓２７、４７には、摩耗などを生じにくくするため、テフロン（登録商標）加工を施してもよい。また、接続部材１０や反応容器４の蓋４２には、それぞれ気体供給容器２および反応容器４と同様の材料を用いることができる。

１ ガス発生装置
２ 気体供給容器
２０ 第１の担体
２１ 揮発性有機化合物
２２ 蓋
２３ 空間領域
２４ 中栓
２５ 開口部
２６ 第１の通気路
２７ 第１の通気路を有する中栓
３ 通気管
４ 反応容器
４０ 第２の担体
４１ 触媒材料
４２ 蓋
４３ フィルタ
４４ 中栓
４５ 気体供給用開口部
４６ 第２の通気路
４７ 第２の通気路を有する中栓
４８ アダプタ
４９ 底部材
５ ガス検知器
６ 気体押出し手段
６１ 接続管
７ 通気制御手段
８ ガス押出し手段
８１ 接続管
９ 加熱手段
１０ 接続部材

Claims (5)

1. （ａ）揮発性有機化合物を含浸させた第１の担体の領域および該揮発性有機化合物の蒸気を含む空間領域を含む気体供給容器、
   （ｂ）脱水反応を触媒する触媒材料を含み、気体供給用開口部を備えた反応容器、および
   （ｃ）前記気体供給容器内の前記空間領域と前記反応容器とを連通可能とさせ得る通気路
   を備えることを特徴とする携帯用のガス発生装置。
2. 前記揮発性有機化合物の蒸気が、前記通気路を通して前記反応容器に導入され、該反応容器内において前記触媒材料の存在下、脱水反応によりガスが発生することにより該ガスが得られる請求項１記載のガス発生装置。
3. さらに、前記気体供給容器中における前記空間領域内の気体を押出すための気体押出し手段、
   前記通気路を通る気体のための通気制御手段、および
   前記通気路または前記反応容器に連結され、前記反応容器内で発生したガスを押し出すためのガス押出し手段
   が備えられてなる請求項１または２記載のガス発生装置。
4. 前記反応容器の外側に加熱手段が備えられてなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス発生装置。
5. 前記触媒材料が、第２の担体に含浸されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス発生装置。

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