JP2022146694A - 濃縮装置及び濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低濃度の化学物質を効率的に測定するための濃縮装置及び濃縮方法を提供する。【解決手段】濃縮装置１０は、複数の吸着領域１３１を設けた吸着部１３と、各吸着領域１３１の加熱部１４と、吸引部１１から各吸着領域１３１に気体を導入する複数の管路１２と、各吸着領域１３１から気体を収集する濃縮部１６と、吸引部１１から濃縮部までの気流を生成する気流生成部２１とを備える。そして、化学物質を含んだ空気を、複数の管路１２を介して各吸着領域１３１に導入する吸着段階と、加熱部１４を用いて、各吸着領域１３１に吸着された化学物質を加熱脱離させて、濃縮部１６に導入する加熱脱離段階とを行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、気体中の化学物質を測定するための濃縮装置及び濃縮方法に関する。

人が生活する環境には、臭気等を生じる多様な化学物質が含まれる。このような気体中の化学物質を測定するために匂い濃縮装置が検討されている（特許文献１を参照）。この文献に記載された匂い濃縮装置においては、匂い成分を含有する気体が貯蔵される貯蔵部と、貯蔵部から排出された気体を冷却して匂い成分を凝縮する冷却部とが設けられている。そして、匂い成分の凝縮によって生成された液体が吸着する感応膜と、感応膜に吸着された液体を霧化又は気化する霧化又は気化部とを備える。

また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を使用した匂い検出装置も開発されている（特許文献２を参照）。この文献に記載された匂い検出装置においては、感応膜の電位変化に応じた出力信号を出力するイオンセンサと、感応膜上に配置され、検出対象の匂い物質を吸着することにより状態が変化し、感応膜の電位変化を生じさせる物質吸着膜とを用いる。そして、イオンセンサの出力信号を取得し、出力信号における予め定められた基準値からのオフセットが減少するように、イオンセンサを駆動させるための駆動信号を調整する。

特開２０１２－１８１１２３号公報 特開２０２１－０２１６１３号公報

ＭＥＭＳを用いた匂い検出装置等は室内湿度の影響などを大きく受ける。更に、人が生活する環境の臭気を測定する場合、人がいる空間に存在する臭気に含まれる化学物質の濃度では低過ぎるために、化学物質を分析することが難しい。

また、室内空気のような低濃度の臭気や化学物質を分析するためには、吸着管に３０分以上空気を通気して化学物質を吸着させ、それを分析装置にて吸着剤に吸着した化学物質を加熱脱着し、分析を行なうこともある。このような装置では、サンプリングから、結果を得るまでの時間を要する。

上記課題を解決するための濃縮装置は、複数の吸着領域を設けた化学物質の吸着部と、前記各吸着部の加熱部と、吸引部から前記各吸着領域に気体を導入する複数の管路と、前記各吸着領域から気体を収集する濃縮部と、前記吸引部から前記濃縮部までの気流を生成する気流生成部とを備える。

本発明によれば、低濃度の化学物質を効率的に測定できる。

実施形態の濃縮装置の全体概略図。 実施形態の構成例の説明図。 実施形態の処理手順の説明図。 他の実施形態の構成例の説明図。 他の実施形態の構成例の説明図。

以下、図１～図３に従って、濃縮装置及び濃縮方法を具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、室内の臭気を検出するために、室内環境の空気を吸引して、空気中の化学物質の濃度の測定や、においの判別を行なう。

図１に示すように、測定装置Ｄ１は、低濃度の化学物質を濃縮するために、濃縮装置１０、センサ２０、気流生成部２１、制御装置２２を備える。本実施形態では、この測定装置Ｄ１は、携帯可能な大きさで構成する場合を想定する。
この濃縮装置１０は、容器内に、吸引部１１、管路１２、吸着部１３、加熱部１４、管路１５、濃縮部１６、冷却部１７を備える。

吸引部１１は、室内環境の空気を吸入する開口部を備えたチューブである。
管路１２は、吸引部１１から吸引された空気を、吸着部１３の各吸着領域１３１にほぼ均等な割合で導く複数のチューブである。

吸着部１３は、化学物質を吸着する吸着剤が配置される複数の吸着領域１３１により構成される。この吸着剤は、測定対象の化学物質に応じて異なる。
加熱部１４は、各吸着領域１３１の周囲に密着して配置されて、各吸着領域１３１を加熱する。加熱部１４には、電熱線による抵抗加熱を用いるが、加熱方法はこれに限定されるものではない。

管路１５は、各吸着領域１３１からの空気を、濃縮部１６にほぼ均等な割合で導く複数のチューブである。
濃縮部１６は、管路１５によって導かれた気体を収集する。

冷却部１７は、各吸着領域１３１に冷風を吹き付けて空冷する。なお、冷却方法は空冷に限定されるものではなく、水冷を用いてもよい。また、室温による自然冷却が可能な場合には、冷却部１７を用いなくてもよい。
センサ２０は、濃縮部１６から排出された気体に含まれる測定対象の化学物質の濃度を測定する。例えば、ＭＥＭＳを使用した嗅覚センサを用いる。
気流生成部２１は、吸引部１１から、管路１２、吸着部１３、管路１５及び濃縮部１６を介して、センサ２０に至る気体の流れ（気流）を生成する。例えば、風量を変更可能なエアーポンプやファン等を用いる。

制御装置２２は、後述する濃縮プロセスに応じて、冷却部１７、気流生成部２１を制御する。制御装置２２は、通信装置、入力装置、表示装置、記憶装置、プロセッサを有する。なお、このハードウェア構成は一例であり、他のハードウェアを有していてもよい。通信装置は、他の装置との間で通信経路を確立して、データの送受信を実行するインタフェースである。入力装置は、利用者等からの入力を受け付ける装置である。表示装置は、各種情報を表示するディスプレイやタッチパネル等である。記憶装置は、制御装置２２の各種機能を実行するためのデータや各種プログラムを格納する。プロセッサは、記憶装置に記憶されるプログラムやデータを用いて、制御装置２２における各処理を制御する。

本実施形態では、図２に示すように、吸着部１３として、筒状の捕集管１３ａを用いる。この捕集管１３ａは、カートリッジチューブ内に、有機化合物等の測定対象の化学物質の吸着剤が充填されている。そして、加熱により、吸着剤に吸着された化学物質が脱離する。

複数の捕集管１３ａは、円筒状に配置されており、全体を加熱シート１４ａによって囲まれている。更に、冷却部１７として冷却ファン１７ａを備える。

（濃縮プロセス）
次に、図３を用いて、濃縮プロセスを説明する。
第１期間ｔ１において、制御装置２２は、気流生成部２１を起動して、吸引部１１から気流生成部２１まで、所定風量（例えば、第１風量）の気流を生成する。更に、制御装置２２は、加熱部１４を用いて、吸着部１３を加熱する。ここでは、吸着部１３の各吸着領域１３１を、例えば２２０～２８０°Ｃ程度に加熱する。この場合、各吸着領域１３１に吸着されていた化学物質が脱離する。

次に、第２期間ｔ２において、制御装置２２は、加熱部１４、気流生成部２１を停止するとともに、冷却部１７を稼動する。この場合、昇温されていた各吸着領域１３１の温度が室温まで低下する。

次に、吸着段階としての第３期間ｔ３（例えば数分間）において、制御装置２２は、冷却部１７を稼働させた状態で、気流生成部２１を起動して吸引部１１から気流生成部２１まで、第１風量の気流を生成する。第１風量としては、各経路に、それぞれ数１００ml／分～数Ｌ／分を用いる。更に、制御装置２２は、センサ２０により、ベースライン測定を行なう。そして、制御装置２２は、この測定値を、メモリに仮記憶する。第３期間ｔ３の終了時に、冷却部１７を停止させるとともに、センサ２０による測定を中断する。

次に、加熱脱離段階としての第４期間ｔ４において、化学物質の濃度の測定を行なう。具体的には、制御装置２２は、まず、加熱部１４を用いて、各吸着領域１３１を一気に昇温する。各吸着領域１３１の温度が２２０～２８０°Ｃ程度に上昇した場合、制御装置２２は、気流生成部２１を起動する。この場合、第１風量よりも少ない第２風量（遅い流速）の気流を生成する。加熱脱離時の第２風量としては、各経路に、それぞれ数ml／分～数１０ml／分の流速を用いる。この場合、センサ２０により、濃度の測定を行なう。

そして、制御装置２２は、第４期間ｔ４の測定値から、第３期間ｔ３の測定値を差し引くことにより、化学物質の濃度を算出する。そして、制御装置２２は、算出した濃度に時間割合〔第２風量・ｔ４／第１風量・ｔ３〕を乗算することにより、環境中の化学物質濃度を算出し、表示装置に出力する。
連続して測定する場合には、第２期間ｔ２～第４期間ｔ４の操作を繰り返す。

（作用）
環境の空気を、各吸着領域１３１に接続された複数の管路で分散させることにより、各吸着領域１３１に化学物質を吸着させる。そして、各吸着領域１３１に吸着させた化学物質を加熱脱離させた後で、複数の管路１５で回収することにより、空気中の化学物質の濃度を濃縮することができる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、第１期間ｔ１において、気流を生成しながら、加熱部１４を用いて、吸着領域１３１を加熱する。これにより、吸着領域１３１に吸着していた化学物質を脱離させて、吸着領域１３１を初期化することができる。

（２）本実施形態では、第２期間ｔ２において、気流を生成しながら、吸着領域１３１を冷却する。これにより、吸着領域１３１を吸着可能な状態にすることができる。
（３）本実施形態では、第３期間ｔ３において、吸着領域１３１を冷却した状態で、測定を行なう。これにより、空気中に含まれる化学物質は、吸着領域１３１で吸着されるため、吸着されない化学物質（ノイズ）を含めたベースラインを検出することができる。

（４）本実施形態では、第４期間ｔ４において、吸着領域１３１を昇温した状態で、化学物質の濃度の測定や、においの判別を行なう。これにより、吸着領域１３１に吸着されていた化学物質を脱離させることができる。この場合、第１風量よりも少ない第２風量の気流を生成するため、化学物質の濃度の低下を抑制でき、湿度の影響を抑制できる。

（５）本実施形態では、複数の管路１２，１５により、大容量の空気を、各吸着領域１３１に通気できるので、圧損を抑制して、吸着面積を大きくして、吸着時の所要時間を短くすることができる。従って、測定現場で測定結果を確認することができる。

（６）本実施形態では、加熱部１４は、吸着領域１３１の周囲に密着して配置されて、吸着領域１３１を加熱する。これにより、吸着領域１３１全体を短時間に加熱し、化学物質を脱離させることができる。

（７）本実施形態では、気流生成部２１を、濃縮部１６の下流に設けることにより、下流からの圧力により、吸引部１１から空気を吸引する。これにより、空気中の化学物質を吸着領域１３１に直接、導入することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、化学物質の測定により、臭気の特定を行なう。測定対象は、空気中の化学物質であれば、臭気の測定に限定されるものではない。この場合、特定の成分を測定するために、前処理や特定成分に合わせた吸着剤・センサの組み合わせを選択する。例えば、無極性物質に特異的な吸着剤とセンサの組み合わせを用いる。

・上記実施形態では、捕集管１３ａに、測定対象の吸着剤を充填する。これに代えて、複数の化学物質を吸着する吸着領域を設けてもよい。例えば、捕集管１３ａに、複数の吸着剤を直列に詰めて、複数種類のガスを吸着させる。この場合には、例えば、汎用的なセンサを用いる。
また、特性の異なる複数のセンサを用いてもよい。ここで、加熱脱離段階において、各センサから出力される信号強度分布から、化学物質や、においを予測するようにしてもよい。この場合には、化学物質や、においの基準試料を用いて、各センサから出力される信号強度分布を教師情報とする機械学習（例えば、深層学習）により、各センサの信号強度分布を入力し、化学物質や、においを判別する予測モデルを生成する。そして、室内環境の空気を吸引したときの信号強度分布を、予測モデルに入力して、化学物質や、においを判別して、表示装置に出力する。これにより、化学物質や、においについて、判別（嗅分け）、種類の変化の測定、特定の成分の濃度変化の測定等を行なうことができる。
なお、濃縮装置１０が、信号強度分布をクラウド等のサーバに送信するようにしてもよい。この場合、信号強度分布を受信したサーバにおいて、予測モデルを用いて、信号強度分布からにおいの判別等を行なう。

・上記実施形態では、吸引部１１によって吸引された空気を、管路１２によって吸着領域１３１に導く。ここで、管路１２上に、フィルタを設けてもよい。例えば、反応性の高い酸を取り除くために、不揮発性のアルカリを含む前処理用吸着剤を通して、空気を吸着領域１３１に導入する。これにより、測定対象以外の化学物質によって、吸着領域１３１の吸着剤の劣化を抑制することができる。

・上記実施形態では、複数の筒状の捕集管１３ａの周囲を加熱シート１４ａによって囲む。吸着剤を配置して吸着領域１３１を、均一に加熱することができれば、構成は、これに限定されるものではない。例えば、平板状に吸着領域を配置してもよい。

図４に示すように、平板状の捕集容器１３ｂに吸着剤を収納する。この捕集容器１３ｂには、等間隔で複数の管路１２，１５の接続孔が設けられており、接続孔に対応して収納された吸着剤の吸着領域を構成する。この場合には、捕集容器１３ｂの両側面を挟み込むように加熱シート１４ｂを密着させる。

また、図５に示すように、中空筒状の捕集容器１３ｃに吸着剤を収納してもよい。捕集容器１３ｃには、等間隔で複数の管路１２，１５の接続孔が設けられており、接続孔に対応して収納された吸着剤の吸着領域を構成する。この場合にも、捕集容器１３ｃの両側面を挟み込むように加熱シート１４ｃを密着させる。

・上記実施形態では、濃縮部１６にセンサ２０を接続して、化学物質の測定を行なう。化学物質の測定は、リアルタイムで測定を行なう場合に限定されるものではない。例えば、濃縮部１６において、気体をガスバッグ等に封入してもよい。この場合、封入された気体を、後で測定装置を用いて、化学物質の測定を行なう。

・上記実施形態では、濃縮装置１０の吸着部１３の下流側に気流生成部２１を設ける。気流生成部２１の配置は下流に限定されるものではない。例えば、気流生成部２１を、吸着部１３の上流に設けてもよい。
・上記実施形態では、制御装置２２は、濃縮プロセスに応じて、冷却部１７、気流生成部２１を制御する。冷却部１７、気流生成部２１を操作して、濃縮プロセスを手動で行なってもよい。

・上記実施形態では、制御装置２２は、環境中の化学物質濃度を算出し、表示装置に出力する。ここで、測定場所を変更した複数の測定毎に算出した化学物質濃度をメモリに記録して、複数の測定結果を比較できる形態で、表示装置に一覧表示させてもよい。これにより、測定装置Ｄ１を携帯して移動して、測定を繰り返すことにより、臭気源との遠近を把握することができる。
更に、測定装置Ｄ１に、自己位置取得手段として、３次元加速度センサを設けて、制御装置２２が加速度を取得するようにしてもよい。この場合、制御装置２２は、加速度を積分した移動量から、化学物質濃度の測定時に自己位置を検出する。そして、制御装置２２は、測定装置Ｄ１の自己位置（測定位置）に関連付けて、化学物質濃度を記録する。更に、制御装置２２が、測定位置と化学物質濃度とのマッピングにより、化学物質濃度が相対的に高い方向を臭気源の方向として予測して、表示装置に出力するようにしてもよい。
なお、上述のように、複数のセンサを用いて、化学物質や、においを判別しながら、臭気源との遠近や予測結果を出力してもよい。

Ｄ１…測定装置、１０…濃縮装置、１１…吸引部、１２，１５…管路、１３…吸着部、１３ａ…捕集管、１３ｂ，１３ｃ…捕集容器、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…加熱部、１６…濃縮部、１７，１７ａ…冷却部、２０…センサ、２１…気流生成部、２２…制御装置、１３１…吸着領域。

Claims (5)

1. 複数の吸着領域を設けた化学物質の吸着部と、
   前記吸着部の加熱部と、
   吸引部から前記各吸着領域に気体を導入する複数の管路と、
   前記各吸着領域から気体を収集する濃縮部と、
   前記吸引部から前記濃縮部までの気流を生成する気流生成部とを備えたことを特徴とする濃縮装置。
2. 前記各吸着領域を冷却する冷却部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の濃縮装置。
3. 前記気流生成部を、前記濃縮部の下流に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の濃縮装置。
4. 前記加熱部及び前記気流生成部を制御する制御装置を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記吸着部を用いた吸着時には、前記気流生成部を用いて、第１風量の気流を生成し、
   前記加熱部による加熱脱離時には、前記気流生成部を用いて、前記第１風量よりも少ない第２風量の気流を生成することを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の濃縮装置。
5. 複数の吸着領域を設けた化学物質の吸着部と、
   前記吸着部の加熱部と、
   吸引部から前記各吸着領域に気体を導入する複数の管路と、
   前記各吸着領域から気体を収集する濃縮部と、
   前記吸引部から前記濃縮部までの気流を生成する気流生成部とを備えた濃縮装置を用いて、前記化学物質を濃縮する濃縮方法であって、
   前記化学物質を含んだ空気を、前記複数の管路を介して前記各吸着領域に導入する吸着段階と、
   前記加熱部を用いて、前記吸着部に吸着された化学物質を加熱脱離させて、前記濃縮部に導入する加熱脱離段階とを行なうことを特徴とする濃縮方法。

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