JP2015197400A - ガス検出装置及びそれを用いたガス検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 吸着材に濃縮された成分ガスを脱離してガス検出部に導くまでの間に、脱離した成分ガスが希釈されることを低減し、検出精度の向上したガス検出装置を提供する。【解決手段】 本発明のガス検出装置は、鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、通気部に気体を通気するための通気手段と、気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、吸着材を加熱する加熱部と、成分ガスを検出するガス検出部とを備え、吸着材及びガス検出部は通気部の内部に配置されており、且つ、ガス検出部が吸着材の鉛直上方に配置されていることを特徴とする。【選択図】 図１
Description
本発明は、ガス検出装置及びそのガス検出方法に関する。より詳細には、揮発性有機化合物の検出に適したガス検出装置に関する。
ガスセンサにより検出可能なガスとしては、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile Organic Compound）；メタンなどの可燃性ガス；一酸化炭素や窒素酸化物などの有毒ガス；硫黄化合物などの悪臭ガスが挙げられる。上記ガスの中でも、ＶＯＣは毒性の高い化学物質を含み、頭痛やめまい、吐き気などの健康被害の原因となる、代表的な大気汚染物質として知られている。
ガスセンサは、比較的低濃度の成分ガスを検出する場合、成分ガスの濃度を高めるために加熱脱着法によるガス濃縮処理が行われることがある。このようなガス濃縮処理を行うガス検出装置として、例えば、特許文献１のにおい識別装置を挙げることができる。
図８に示すように、特許文献１のにおい識別装置２００では、サンプルガス導入部２０１からサンプルガスを捕集剤２０２に導入し、におい成分を捕集剤２０２に吸着させて濃縮した後、捕集剤２０２を加熱部２０３で加熱してにおい成分を脱離させ、キャリアガス供給部２０４から供給するキャリアガスにより、におい成分をガスセンサ２０５に導いて検出している。
しかしながら、特許文献１のようなガス濃縮処理では、におい成分が捕集剤２０２からガスセンサ２０５に導かれる際に、キャリアガスによって不必要に薄められてしまうため、期待するほどの測定感度の向上が得られなかった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸着材に濃縮された成分ガスを脱離してガス検出部に導くまでの間に、脱離した成分ガスが希釈されることを低減し、検出精度の向上したガス検出装置を提供することにある。
本発明のガス検出装置は、鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、通気部に気体を通気するための通気手段と、気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、吸着材を加熱する加熱部と、成分ガスを検出するガス検出部とを備え、吸着材及びガス検出部は通気部の内部に配置されており、且つ、ガス検出部が吸着材の鉛直上方に配置されていることを特徴とする。
また、本発明のガス検出装置は、吸着材は、鉛直方向に貫通した少なくとも１つの通気孔を有することを特徴とする。
また、本発明のガス検出装置は、通気手段は、吸着材の鉛直下方に配置されていることを特徴とする。
また、本発明のガス検出装置は、通気部に成分ガスを滞留させる開閉手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明のガス検出方法は、鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、通気部に気体を通気するための通気手段と、気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、吸着材を加熱する加熱部と、成分ガスを検出するガス検出部とを備え、吸着材及びガス検出部が通気部の内部に配置されており、且つ、ガス検出部が吸着材の鉛直上方に配置されたガス検出装置を用いたガス検出方法であって、通気手段により通気部に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガスを吸着材に吸着させる吸着工程と、吸着材を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程と、吸着材から脱離した成分ガスをガス検出部で検出する検出工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明のガス検出方法は、鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、通気部に気体を通気するための通気手段と、気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、吸着材を加熱する加熱部と、成分ガスを検出するガス検出部とを備え、吸着材及びガス検出部が通気部の内部に配置されており、且つ、ガス検出部が吸着材の鉛直上方に配置され、通気部に成分ガスを滞留させる開閉手段を備えたガス検出装置を用いたガス検出方法であって、開閉手段を開状態にして、通気手段により通気部に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガスを吸着材に吸着させる吸着工程と、開閉手段を閉状態にして、吸着材を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程と、加熱工程から所定時間後に開閉手段を開状態にして、吸着材から脱離した成分ガスをガス検出部で検出する検出工程とを含むことを特徴とする。
本発明のガス検出装置によれば、吸着材に濃縮された成分ガスを脱離してガス検出部に導くまでの間に、脱離した成分ガスが希釈されることを低減し、検出精度の向上したガス検出装置を提供することができる。
以下、本発明のガス検出装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。なお、実施形態の説明において、説明の便宜上、上、下、左、右の表現を用いるが、これらの表現は示した図に基づくものであって発明の構成を限定するものではない。
〔実施形態１〕
図１は、実施形態１に係るガス検出装置１００の概略構成を示した斜視図である。最初に、図１を用いて、実施形態１に係るガス検出装置１００の概略構成について説明する。
図１は、実施形態１に係るガス検出装置１００の概略構成を示した斜視図である。最初に、図１を用いて、実施形態１に係るガス検出装置１００の概略構成について説明する。
ガス検出装置１００は、鉛直方向に延びる通気部１１を内部に有する筐体１０と、通気部１１に気体を通気するための通気手段２０と、気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材３０と、吸着材３０を加熱する加熱部４０と、成分ガスを検出するガス検出部５０とを備えている。さらに、吸着材３０及びガス検出部５０は通気部１１の内部に配置されており、且つ、ガス検出部５０が吸着材３０の鉛直上方に配置されている。
筐体１０は、内部に鉛直方向に延びる通気部１１を有する。また、筐体１０の上部および下部には、外部から気体を通気部１１に導入し、外部へ排出するための通気口１２および通気口１３が設けられている。筐体１０は、耐熱性、非腐食性を備える樹脂材料もしくは金属材料で形成されている。
通気手段２０は、例えば、一般的なファンユニットが用いられており、筐体１０内部の通気部１１の下方に配置されている。通気手段２０では、ファンユニットを駆動して通気部１１を負圧にすることにより、外部の気体を通気口１２から通気部１１に通気させる。通気手段２０としては、ファンユニット以外にも真空ポンプ等を用いることもできる。また、ガス検出装置１００を通気手段を有する別の機器に搭載する場合には、その通気手段を利用するようにしてもよい。
吸着材３０は、気体中に含まれる成分ガスを吸着する材料であり、天然ゼオライトまたは合成ゼオライト、活性炭、シリカ、アルミナ等の材料で構成されている。また、吸着材３０は、例えば直方体や円柱体の形状であり、筐体１０と同様に内部に鉛直方向に延びる通気孔３１が形成されており、通気孔３１の上部と下部が開口している。なお、吸着材３０は、吸着性能が異なる複数の吸着材を組合せて構成してもよい。
ここで、吸着性能の差異とは、成分ガス６０と吸着材３０の性状に起因するもので、具体的には、成分ガス６０の分子サイズと吸着材３０が備える細孔の大きさの大小関係や、成分ガス６０と吸着材３０の間の相互作用（極性、静電引力、水素結合、分子間力等に由来する）の大きさの違い等により、吸着量が異なることを意味する。
加熱部４０は、吸着材３０の全体を例えば６０〜２００℃程度まで加熱することができる加熱手段が用いられる。加熱部４０は、例えば、ニクロム線、フィルムヒーター等の加熱手段を吸着材３０の周囲に巻き付けて構成することができる。
また吸着材の外周を覆う中空形状のセラミックヒーターを配置したり、吸着剤の外周を覆う中空形状の金属材料にフィルムヒーターやセラミックヒーター等を取り付け、金属材料を通して間接的に吸着材を加熱するような構成のものでもよい。
ガス検出部５０は、例えば、SnO2等の酸化物半導体からなる一般的な半導体式ガスセンサを用いることができる。ガス検出部５０の検知方式は、半導体式の固定センサに限定されるものではなく、電気化学センサ、ガスによる赤外・紫外光吸収や表面プラズモン共鳴等を利用した光学センサ、光イオン化検出（ＰＩＤ）方式センサ、干渉増幅反射（ＩＥＲ）方式センサ、ガス吸着膜を形成した水晶振動子の周波数変化を検出する方式のセンサ、ガス吸着膜を形成したＳＡＷ（表面弾性波）デバイスの周波数変化を検出するセンサなども用いることができる。ガス検出部５０は、吸着材３０とともに通気部１１の内部に備えられており、ガス検出部５０が吸着材３０の上方に配置されている。
図２及び図３は、ガス検出装置１００の断面図である。図２は、外部の気体を通気部１１に通気している状態を示し、図３は、吸着材３０から成分ガス６０を脱離している状態を示している。図２及び図３を用いて、実施形態１に係るガス検出装置１００のガス検出方法について説明する。
実施形態１に係るガス検出装置１００のガス検出方法は、下記の３つの工程を含むことを特徴としている。
１．通気手段２０により通気部１１に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガス６０を吸着材３０に吸着させる吸着工程
２．吸着材３０を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程
３．吸着材３０から脱離した成分ガスをガス検出部５０で検出する検出工程
吸着工程では、図２に示すように、通気手段２０のファンユニットを動作させて外部の気体を筐体１０の通気部１１に通気させている。気体は通気部１１の上方から下方へと流れ、その間に通気部１１内部の吸着材３０に気体中の成分ガス６０が吸着されていく。このため、通気を所定時間続けることにより、成分ガスを吸着材３０に吸着させて濃縮させることができる。
１．通気手段２０により通気部１１に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガス６０を吸着材３０に吸着させる吸着工程
２．吸着材３０を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程
３．吸着材３０から脱離した成分ガスをガス検出部５０で検出する検出工程
吸着工程では、図２に示すように、通気手段２０のファンユニットを動作させて外部の気体を筐体１０の通気部１１に通気させている。気体は通気部１１の上方から下方へと流れ、その間に通気部１１内部の吸着材３０に気体中の成分ガス６０が吸着されていく。このため、通気を所定時間続けることにより、成分ガスを吸着材３０に吸着させて濃縮させることができる。
加熱工程では、図３に示すように、成分ガスを吸着した吸着材３０を加熱することにより、吸着材３０から成分ガス６０を脱離させている。加熱温度は、検出目的とする成分ガス６０の物性値に応じて、例えば６０〜２００℃の温度範囲に設定される。
検出工程では、筐体１０の通気部１１、または、吸着材３０の通気孔３１が煙突のように機能する。すなわち、暖められた気体が煙突内部を上昇して負圧が発生することで、さらに下方の気体を上方に誘引させる、いわゆる「煙突効果」を利用して、吸着材３０から脱離した成分ガス６０を吸着材３０の鉛直上方にあるガス検出部５０に導いて検出している。
このように、実施形態１に係るガス検出装置１００では、吸着材３０から脱離した成分ガスを、「煙突効果」により誘引されるわずかな気体の流れでガス検出部５０に導いているため、吸着材３０から脱離した成分ガス６０が希釈されることを低減できる。そのため高濃度の成分ガスをガス検出部５０で検出することができ、成分ガスの検出精度を向上することができる。
なお、「煙突効果」による気体の流れが弱く、吸着材３０から脱離した成分ガス６０をガス検出部５０に十分導けない場合は、通気手段２０を吸着工程とは逆方向に動作させて上向きの気流を発生させることで、成分ガス６０をガス検出部５０へ導く補助を行うようにしてもよい。
通気手段２０は吸着材３０の上方に配置してもよいが、下方に配置するのがより望ましい。上方に配置した場合には、加熱工程おいて吸着材より脱離し上昇する高温の成分ガスに通気手段２０がさらされるため、通気手段２０に耐熱性が求められるが、下方に設置することで高温の成分ガスにさらされないため通気手段２０に耐熱性が必要なくなるからである。
吸着工程において、気体が通気部１１の下方から上方に流れるように通気手段２０を動作させてもよいが、気体がガス検出部５０を経由してから吸着材３０に吸着されるように、通気部１１の上方から下方に気体が流れるようにするのがより望ましい。このようにすることで、気体に最初から高濃度で成分ガスが含まれている場合には吸着剤３０に吸着させて濃縮させる必要が特にないため、そのままガス検出部５０で検出することが可能となる。
吸着剤３０より脱離した成分ガスをガス検出部５０で検出する際には、加熱工程開始から所定時間後の検出値を読み取るようにするほか、時間変動する検出値のピーク値を読み取ったり、加熱工程開始後から所定時間内の検出値の積算値を読み取るようにしてもよい。通気孔３１は、「煙突効果」が得られる範囲内であれば、鉛直方向から多少傾いて形成されていてもよい。
なお、ガス検出装置１００において、通気部１１内部に吸着性能が異なる複数の吸着材３０を備えて、吸着材３０毎に上記の加熱工程と検出工程を繰り返すことにより、複数の成分ガスを高精度で検出することができる。
〔実施形態２〕
図４は、実施形態２に係るガス検出装置１００の断面図である。実施形態２に係るガス検出装置１００では、吸着材３０付近に成分ガスを滞留させる開閉手段１４を設けたことを特徴しており、ガス検出装置１００の他の構成要素については実施形態１と同じであるため、同じ符号を付記して重複する説明を省略する。
図４は、実施形態２に係るガス検出装置１００の断面図である。実施形態２に係るガス検出装置１００では、吸着材３０付近に成分ガスを滞留させる開閉手段１４を設けたことを特徴しており、ガス検出装置１００の他の構成要素については実施形態１と同じであるため、同じ符号を付記して重複する説明を省略する。
図４に示すように、実施形態２に係るガス検出装置１００は、吸着材３０付近に成分ガス６０を滞留させる開閉手段１４を設けたことを特徴している。開閉手段１４は、例えばシャッター機構のように気体の流れを遮断するものであり、筐体１０内部の吸着材３０とガス検出部５０の間を開閉するように設けられている。
実施形態２に係るガス検出装置１００のガス検出方法では、開閉手段１４を下記のように動作させている。
１．吸着工程：開閉手段１４を開状態にして、通気手段２０を動作させてガスを吸着する。
２．加熱工程：開閉手段１４を閉状態にして、吸着材３０を加熱し、脱離した成分ガス６０を吸着材３０付近に滞留させる。
３．検出工程：所定時間経過後に開閉手段１４を開状態にし、成分ガス６０を煙突効果によりガス検出部５０へ導き、ガス検出する。
１．吸着工程：開閉手段１４を開状態にして、通気手段２０を動作させてガスを吸着する。
２．加熱工程：開閉手段１４を閉状態にして、吸着材３０を加熱し、脱離した成分ガス６０を吸着材３０付近に滞留させる。
３．検出工程：所定時間経過後に開閉手段１４を開状態にし、成分ガス６０を煙突効果によりガス検出部５０へ導き、ガス検出する。
実施形態１では脱離した成分ガス６０が随時ガス検出部５０に送られるが、実施形態２では脱離した成分ガス６０を一旦滞留させてからまとめてガス検出部５０に送るため、より濃縮効果が高くなり、検出精度を向上することができる。
なお、実施形態２のガス検出装置１００の変形例として、図５に示すように、通気手段２０の前段または後段に第２の開閉手段１５を追加して、加熱工程では第１の開閉手段１４と第２の開閉手段１５を閉じて、吸着材３０を完全に密閉してもよい。
上記変形例の構成によれば、吸着材３０から脱離した成分ガス６０を吸着材３０付近に滞留させる際に希釈されることを低減することができ、ガス検出部５０における成分ガス６０の検出精度をより一層向上させることができる。
〔実施形態３〕
図６は、実施形態３に係るガス検出装置１００に用いられる吸着材３０の斜視図である。実施形態３に係るガス検出装置１００では、吸着材３０の変形例について説明する。
図６は、実施形態３に係るガス検出装置１００に用いられる吸着材３０の斜視図である。実施形態３に係るガス検出装置１００では、吸着材３０の変形例について説明する。
実施形態３に係るガス検出装置１００の吸着材３０は、図６に示すように、複数の通気孔３１が設けられている。このように、吸着材３０に設ける通気孔３１は１つに限定されるものではなく、複数の通気孔３１であってもよい。通気孔３１を複数設けることにより吸着材３０の表面積が増えるため、吸着材３０への成分ガス６０の吸着と脱離が行われやすくなり、成分ガス６０の濃縮効果を高め、検出時間も短縮することができる。
なお、複数の通気孔３１の孔の形状、大きさや数は、吸着材３０の表面積、煙突効果による上昇気流の大きさ、流路抵抗等に基づいて適宜設定すればよい。
図７は、実施形態３に係るガス検出装置１００の吸着材３０の別の変形例を示した断面図である。図７に示す吸着材３０では、複数の通気孔３１が設けられているとともに、吸着材３０の内部に通気孔３１と近接して加熱部４０が埋め込まれている。図７に示す吸着材３０によれば、短時間で均一に吸着材３０を昇温できるため、脱離した成分ガス６０の濃度が一気に高まるので、低濃度の成分ガスであっても濃度が低下する前に、ガス検出部５０により高精度で検出することができる。
本発明のガス検出装置は、ＶＯＣ以外にも気体中に含まれる各種微量ガスを検出することができ、空気の汚れを検知して清浄を行う空気清浄機等に利用することができる。
１０ 筐体
１１ 通気部
１２、１３ 通気口
１４、１５ 開閉手段
２０ 通気手段
３０ 吸着材
３１ 通気孔
４０ 加熱部
５０ ガス検出部
６０ 成分ガス
１００ ガス検出装置
１１ 通気部
１２、１３ 通気口
１４、１５ 開閉手段
２０ 通気手段
３０ 吸着材
３１ 通気孔
４０ 加熱部
５０ ガス検出部
６０ 成分ガス
１００ ガス検出装置
Claims (6)
- 鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、
前記通気部に気体を通気するための通気手段と、
前記気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、
前記吸着材を加熱する加熱部と、
前記成分ガスを検出するガス検出部とを備え、
前記吸着材及び前記ガス検出部は前記通気部の内部に配置されており、且つ、前記ガス検出部が前記吸着材の鉛直上方に配置されていることを特徴とするガス検出装置。 - 前記吸着材は、鉛直方向に貫通した少なくとも１つの通気孔を有することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
- 前記通気手段は、前記吸着材の鉛直下方に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のガス検出装置。
- 前記通気部に前記成分ガスを滞留させる開閉手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のガス検出装置。
- 鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、前記通気部に気体を通気するための通気手段と、前記気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、前記吸着材を加熱する加熱部と、前記成分ガスを検出するガス検出部とを備え、前記吸着材及び前記ガス検出部が前記通気部の内部に配置されており、且つ、前記ガス検出部が前記吸着材の鉛直上方に配置されたガス検出装置を用いたガス検出方法であって、
前記通気手段により前記通気部に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガスを前記吸着材に吸着させる吸着工程と、
前記吸着材を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程と、
前記吸着材から脱離した成分ガスを前記ガス検出部で検出する検出工程と
を含むことを特徴とするガス検出方法。 - 鉛直方向に延びる通気部を内部に有する筐体と、前記通気部に気体を通気するための通気手段と、前記気体中に含まれる成分ガスを吸着する吸着材と、前記吸着材を加熱する加熱部と、前記成分ガスを検出するガス検出部とを備え、前記吸着材及び前記ガス検出部が前記通気部の内部に配置されており、且つ、前記ガス検出部が前記吸着材の鉛直上方に配置され、前記通気部に前記成分ガスを滞留させる開閉手段を備えたガス検出装置を用いたガス検出方法であって、
前記開閉手段を開状態にして、前記通気手段により前記通気部に気体を通気して、気体中に含まれる成分ガスを前記吸着材に吸着させる吸着工程と、
前記開閉手段を閉状態にして、前記吸着材を加熱して成分ガスを脱離させる加熱工程と、
前記加熱工程から所定時間後に前記開閉手段を開状態にして、前記吸着材から脱離した成分ガスを前記ガス検出部で検出する検出工程と
を含むことを特徴とするガス検出方法。
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