(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-26
(45)【発行日】2024-01-10
(54)【発明の名称】気体成分検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 30/60 20060101AFI20231227BHJP
G01N 30/46 20060101ALI20231227BHJP
G01N 1/00 20060101ALI20231227BHJP
【FI】
G01N30/60 P
G01N30/46 G
G01N30/60 B
G01N1/00 101R
G01N1/00 101T
(21)【出願番号】P 2020067235
(22)【出願日】2020-04-03
【審査請求日】2023-02-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(73)【特許権者】
【識別番号】504253980
【氏名又は名称】有限会社ピコデバイス
(74)【代理人】
【識別番号】110000970
【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石田 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】津田 孝雄
【審査官】倉持 俊輔
(56)【参考文献】
【文献】実公昭35-028498(JP,Y1)
【文献】実開昭48-047397(JP,U)
【文献】実公昭47-001120(JP,Y1)
【文献】特開2007-010442(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2015/0059439(US,A1)
【文献】相馬芳枝,外1名,(第4講)ガスクロマトグラフ分析法,環境技術,日本,1979年,Vol.8,No.7,p766-770
【文献】内海貝,分離とクロマトグラムの基礎,第350回ガスクロマトグラフィー研究講演会,2017年
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N 30/60
G01N 30/46
G01N 1/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被検出気体の成分を検出するセンサと、
前記被検出気体が混合されたキャリアガスの搬送方向において、前記センサよりも上流側に配置されたカラムと、
前記カラムと前記センサとの間に接続された第1流路と、
を備え、
前記カラムは、前記カラムにおける前記キャリアガスの流速を、前記第1流路における前記キャリアガスの流速よりも遅くする遅延機構を含
み、
前記センサは、半導体式のセンサであり、
前記センサ、および、前記センサの検出面が内蔵されるキャビティを有するセンサデバイスをさらに備える、
気体成分検出装置。
【請求項2】
前記遅延機構は、
前記カラムの流路断面積を、前記第1流路の流路断面積よりも大きくしたものを含む、
請求項1に記載の気体成分検出装置。
【請求項3】
前記遅延機構は、
前記カラムを複数の個別流路で構成し、
前記複数の個別流路は、第1端および第2端においてそれぞれ1つの流路に結合し、
前記第1端は、前記第1流路に接続したものと含む、
請求項2に記載の気体成分検出装置。
【請求項4】
前記カラムの流速は、前記被検出気体の成分の分離能に基づいて設定され、
前記第1流路の流速は、前記センサの反応速度に基づいて設定されている、
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の気体成分検出装置。
【請求項5】
前記センサの検出面は、前記キャビティ内における前記キャリアガスの搬送方向に対して平行である、
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の気体成分検出装置。
【請求項6】
前記センサの出力信号から前記被検出気体の成分を検出する検出部を備え、
前記検出部は、前記センサの過渡応答から、前記成分を検出する、
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の気体成分検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスクロマトグラフィの技術を用いて、気体の成分を検出する気体成分検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、クロマトグラフィを用いて成分を検出する装置(例えば、特許文献1参照)が、各種実用化されている。そして、クロマトグラフィの一種として、ガスクロマトグラフィがある。ガスクロマトグラフィは、気体に含まれる成分を検出する。
【0003】
従来、ガスクロマトグラフィを用いた気体成分検出装置は、被検出気体をキャリアガスによって搬送し、検出器に曝すことによって、気体の成分を検出する。そして、このような気体成分検出装置は、カラムを用いる。
【0004】
カラムは、所謂、被検出気体が混合されたキャリアガスの流路であり、検出器の上流側に配置される。そして、カラムの仕様を適宜設定することによって、被検出気体およびキャリアガスにおける複数の成分は、カラムを異なる伝搬時間で通過する。これにより、被検出気体に含まれる複数の成分が検出器に到達する時間は、異なる。したがって、検出器は、複数の成分を個別に検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、検出器として特定のセンサ(半導体式、接触燃焼式、電気化学式)を用いる場合、検出感度を所定レベルに確保しながら、検出時間を短くすることは、容易ではなかった。
【0007】
したがって、本発明の目的は、検出器として半導体センサのような特定のセンサを用いながら、高い検出感度を有し、且つ検出時間を短くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明の気体成分検出装置は、カラム、第1流路、および、遅延機構を備える。カラムは、被検出気体が混合されたキャリアガスの搬送方向において、半導体センサよりも上流側に配置される。第1流路は、カラムと半導体センサとの間に接続される。遅延機構は、カラムにおけるキャリアガスの流速を、第1流路におけるキャリアガスの流速よりも遅くする。
【0009】
この構成では、カラムを流れる被検出気体の流速は遅く、被検出気体の複数の成分の分離能は向上する。また、この構成では、半導体センサに到達する被検出気体の流速は速く、検出速度は高くなる。
【発明の効果】
【0010】
この発明によれば、高い検出感度を実現しながら、検出時間を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】
図1は、本発明の実施形態に係る気体成分検出装置の構成を示す図である。
【
図2】
図2は、濃度別の半導体センサの出力電圧の遷移状態を示すグラフである。
【
図3】
図3は、キャビティ内での流速別の半導体センサの出力電圧の遷移状態を示すグラフである。
【
図4】
図4は、本願発明の構成によるガスクロマトグラフィのクロマトグラムと、比較構成によるクロマトグラムとを示す図である。
【
図5】
図5は、本発明の実施形態に係る気体成分検出装置のおけるカラム部分の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の実施形態に係る気体成分検出装置について、図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る気体成分検出装置の構成を示す図である。なお、
図1は、気体成分検出装置の一例を、機能ブロック等を用いて模式的に示している。
【0013】
(気体成分検出装置10の構成)
図1に示すように、気体成分検出装置10は、第1流路21、および、カラム30を備える。さらに、気体成分検出装置10は、第2流路22、第3流路23、第4流路24、第5流路25、第6流路26、センサデバイス40、成分検出部43、ブロア51、フィルタ52、投入容器60、弁231、および、駆動部510を備える。
【0014】
第1流路21、第2流路22、第3流路23、第4流路24、第5流路25、および、第6流路26は、径が一定の管状である。
【0015】
第1流路21の一方端は、センサデバイス40に接続し、第1流路21の他方端は、カラム30に接続する。第2流路22の一方端は、カラム30に接続し、第2流路22の他方端は、ブロア51の吐出口に接続する。
【0016】
第3流路23の一方端は、第2流路22に接続し、第3流路23の他方端は、投入容器60に接続する。弁231は、第3流路23に設けられている。弁231の開閉によって、第2流路22と投入容器60との連通状態は、制御される。
【0017】
第4流路24の一方端は、センサデバイス40に接続し、第4流路24の他方端は、排出口240である。
【0018】
第5流路25の一方端は、ブロア51の吸入口に接続し、第5流路25の他方端は、フィルタ52に接続する。第6流路26の一方端は、フィルタ52に接続し、第6流路26の他方端は、キャリアガス取込口260に接続する。
【0019】
カラム30は、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34を備える。個別流路31の第1端、個別流路32の第1端、個別流路33の第1端、および、個別流路34の第1端は、流路結合部301によって結合する。個別流路31の第2端、個別流路32の第2端、個別流路33の第2端、および、個別流路34の第2端は、流路結合部302によって結合する。流路結合部301は、第1流路21に接続し、流路結合部302は、第2流路22に接続する。カラム30、すなわち、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34は、可撓性を有する材料からなり、被検出気体と反応しない材料からなる。なお、カラム30の具体的な構成は後述する。
【0020】
センサデバイス40は、キャビティ41、および、センサ42を備える。キャビティ41は、センサデバイス40の筐体によって形成された空間であり、流入口411と流出口412とを備える。流入口411は、第1流路21に連通し、流出口412は、第4流路24に連通する。
【0021】
センサ42は、検出面420を有する。センサ42は、検出面420がキャビティ41内で露出するように、センサデバイス40の筐体に配置される。センサ42は、検出面420に接触した気体の成分の濃度に応じた強度の電圧を、出力端子421から出力する。センサ42は、具体的には、例えば、半導体式のセンサである。なお、センサ42は、半導体式のセンサに限らず、接触燃焼式、電気化学式のセンサであってもよい。
【0022】
成分検出部43は、センサ42の出力電圧を用いて、被検出気体の成分、および、その濃度を検出する。なお、成分検出部43は、既知の構成であり、具体的な説明は省略する。
【0023】
ブロア51は、流体を一方向に搬送する装置であり、例えば、圧電体を用いたブロアである。圧電体を用いたブロアとすることで、ブロア51を小型化できる。ブロア51には、駆動部510が接続されている。駆動部510は、ブロア51に駆動電力を供給する。ブロア51は、この駆動電力によって駆動し、吸入口から吐出口へ流体を搬送する。
【0024】
フィルタ52が、気体清浄化フィルタであり、例えば、空気に含まれる塵、微粒子等の不純物を濾過する。投入容器60は、被検出気体を収容する。例えば、気体成分検出装置がヒトの呼気中の特定の成分(例えばアセトン成分)を検出するために用いる装置の場合は、ヒトの呼気があらかじめ投入容器60に収容されている。
【0025】
(気体成分検出装置10における被検出気体の搬送および成分の検出方法)
上記構成において、ブロア51を駆動し、弁231を開放する。これにより、キャリアガスの元となる空気は、キャリアガス取込口260から第6流路26に流入し、フィルタ52で濾過される。これにより、キャリアガスが生成される。キャリアガスは、フィルタ52から第5流路25に搬送され、ブロア51に吸入される。ブロア51は、キャリアガスを、第2流路22に吐出する。
【0026】
第2流路22にキャリアガスが流れると、投入容器60から第3流路23を介して、被検出気体が第2流路22に流れ込む。これにより、被検出気体は、キャリアガスに混合し、被検出気体が混合したキャリアガス(以下、説明の便宜上、混合ガスと称する。)は、第2流路22からカラム30に搬送される。
【0027】
カラム30に搬入された混合ガスは、流路結合部302において、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34に分離する。混合ガスは、それぞれに、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34に流れる。この際、個別流路31-34に流れる混合ガスの流速は、低下する。個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34に流れた混合ガスは、流路結合部301で結合し、第1流路21に流入する。個別流路31-34に流れる混合ガスが合流することによって、第1流路21での混合ガスの流速は、再び、高くなる。
【0028】
第1流路21を流れた混合ガスは、流入口411からキャビティ41内に流入し、流出口412から第4流路24を介して、排出口240から排出される。この際、混合ガスが、キャビティ41内において、センサ42の検出面420に接触することで、被検出気体の成分は検出される。
【0029】
そして、被検出気体の複数の成分は、カラム30での流速が異なるので、センサ42は、複数の成分を個別に検出できる。
【0030】
(カラム30の具体的な構成)
上述のように、カラム30は、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34を備える。個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34は、流路結合部301と流路結合部302との間において並列に接続されている。
【0031】
個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34は、径が一定の管状である。個別流路31の流路断面積S31、個別流路32の流路断面積S32、個別流路33の流路断面積S33、および、個別流路34の流路断面積S34は、同じである。なお、本願おいて、流路断面積とは、管の延びる方向に対して直交する面で管を切断したときの、内部空間の切断面の面積であり、カラムが複数の個別流路を有する場合は、それらの個別流路のそれぞれの断面積を加算した面積を指す。
【0032】
さらに、個別流路31の内部構造、個別流路32の内部構造、個別流路33の内部構造、および、個別流路34の内部構造は同じである。内部構造が同じであるとは、例えば、管の内壁面に形成される吸着体または担体の材料、厚みが同じであることを意味する。管内に吸着体や担体を充填する構造と比較して、管の内壁面に吸着体または担体を形成する構成とすることによって、個別流路31、個別流路32、個別流路33、および、個別流路34の内部構造を、より精度良く同じにしやすく、有効である。なお、カラム30は、パックドカラムまたはキャピラリーカラムのいずれを用いてもよい。固定相や液相はそれぞれ公知のものを用いることができる。
【0033】
このような構成において、個別流路31の流路断面積S31、個別流路32の流路断面積S32、個別流路33の流路断面積S33、および、個別流路34の流路断面積S34は、第1流路21の流路断面積S21と同じである。
【0034】
カラム30としての流路断面積は、個別流路31の流路断面積S31、個別流路32の流路断面積S32、個別流路33の流路断面積S33、および、個別流路34の流路断面積S34を加算した面積である。したがって、カラム30の流路断面積は、第1流路21の流路断面積S21よりも大きくなる。これにより、カラム30を流れる混合ガスの流速は、第1流路21を流れる混合ガスの流速よりも遅くなる。すなわち、カラム30は、遅延機構として機能する。
【0035】
(気体成分検出装置10の構成による作用効果)
気体成分検出装置10は、上述の構成を備えることによって、次の作用効果を得られる。
【0036】
図2は、濃度別の半導体センサの出力電圧の遷移状態を示すグラフである。
図2は、検出対象とする1種類の成分(例えば、アセトン)を検出する場合を示している。
図2において、横軸は、検出開始からの経過時間を示し、縦軸は、ベースライン電圧に対する電圧差ΔVを示す。
図2は、濃度DE1、濃度DE2、濃度DE3、および、濃度DE4の場合を示している。濃度DE3は、濃度DE4よりも高く、濃度DE2は濃度DE3よりも高く、濃度DE1は濃度DE2よりも高い。すなわち、濃度DE1>濃度DE2>濃度DE3>濃度DE4の関係にある。
【0037】
図2に示すように、センサ42を用いた場合、検出対象の成分の濃度が高くなるほど、飽和時の電圧差ΔVは、高くなる。したがって、気体成分検出装置10は、電圧差ΔVの大きさから、成分の濃度を検出できる。
【0038】
図3は、キャビティ内での流速別の半導体センサの出力電圧の遷移状態を示すグラフである。
図3は、検出対象とする1種類の成分(例えば、アセトン)を検出する場合を示している。
図3において、横軸は、検出開始からの経過時間を示し、縦軸は、ベースライン電圧に対する電圧差ΔVを示す。
図3は、流速FV1、流速FV2、流速FV3、および、流速FV4の場合を示している。流速FV3は、流速FV4よりも高く、流速FV2は流速FV3よりも高く、流速FV1は流速FV2よりも高い。すなわち、流速FV1>流速FV2>流速FV3>流速FV4の関係にある。
【0039】
図3に示すように、センサ42を用いた場合、検出対象の成分を含む混合ガスの流速が高くなるほど、ベースライン電圧に対する電圧差ΔV(出力電圧)が飽和する時間は早くなる。すなわち、過渡応答は高速になる。このため、流速が高くなるほど、短時間で検出対象の成分を検出できる。すなわち、第1流路21の流速を高くすることで、検出時間を短くできる。
【0040】
ここで、例えば、本願の構成を備えない従来のカラムでは、カラムの流速は、第1流路21の流速と同等になってしまう。カラムでの流速が高くなると、カラムにおける被検出気体の成分の分離能が低下し、検出対象の成分に対して所望の感度は、得られない。
【0041】
しかしながら、本願発明の気体成分検出装置10では、上述のように、カラム30での流速は、第1流路21での流速よりも遅く(低く)できる。これにより、カラム30での被検出気体の成分の分離能の低下を抑制でき、高い感度で、検出対象の成分を検出できる。
【0042】
図4は、本願発明のガスクロマトグラフィの構成によるクロマトグラムと、比較構成によるクロマトグラムとを示す図である。比較構成とは、本願発明のような流路断面積の大きなカラム30を備えておらず、第1流路21と同じ流路断面積で、カラム30の個別流路31-34の長さの合計値と同等の長さのカラムを備えた構成を示す。
図4に示すように、本願構成を備えることによって、検出対象の成分の信号強度は、比較構成よりも高くなる。したがって、本願の気体成分検出装置10は、高い感度で、検出対象の成分を検出できる。
【0043】
このように、本実施形態の構成を備えることによって、気体成分検出装置10は、検出対象の成分を高い感度で検出しながら、検出時間を短くできる。
【0044】
さらに、
図2(B)に示すように、過渡応答の期間においても、濃度と電圧差ΔVとの関係は、飽和状態と同じである。したがって、過渡応答の期間中であっても、検出対象の成分の濃度を高精度に検出することは、可能である。これにより、例えば、
図2の計測時間tmのように、電圧差ΔVが飽和する前の過渡応答期間内において成分を検出でき、気体成分検出装置10は、検出時間をさらに短くできる。
【0045】
なお、この際、第1流路21の流路断面積S21は、センサ42の検出の過渡応答特性、すなわち、反応速度に基づいて設定し、カラム30の流路断面積(各個別流路31、32、33、34の流路断面積S31、S32、S33、S34の和)は、被検出気体の成分の分離能に基づいて、設定するとよい。すなわち、第1流路21の流路断面積S21とカラム30の流路断面積との比は、センサ42において精度を保持でき、時間短縮が可能な最適な計測時間tmと、カラム30で必要とされる分離能に基づいて、設定されているとよりよい。
【0046】
また、上述のカラム30では、個別流路31の長さL31、個別流路32の長さL32、個別流路33の長さL33、および、個別流路34の長さL34は、可能な限り同じであることが好ましい。これにより、個別流路31、32、33、34における分離能の差が小さく、または、無くなり、より高い感度で、検出対象の成分を検出できる。ただし、これら個別流路31の長さL31、個別流路32の長さL32、個別流路33の長さL33、および、個別流路34の長さL34は、気体成分検出装置10の必要とする最低限の分離能の範囲内において、異なっていてもよい。なお、この概念は、流路断面積、内部構造に対しても適用でき、分離能の許容する範囲内において異なっていてもよいが、可能な限り同じであることが好ましい。
【0047】
また、センサ42の検出面420は、キャビティ41における混合ガスの搬送方向に対して平行であることが好ましい。検出面420と搬送方向とが平行であることによって、信号強度のベースラインのバラツキは、低減される。これは、例えば、混合ガスの接触によるセンサ42の検出面420の温度変化を抑制できるからである。
【0048】
これにより、センサ42の出力電圧のSN比を改善できる。したがって、気体成分検出装置10は、検出対象の成分を、さらに高精度に検出できる。
【0049】
また、上述の流速の制御は、第2流路22の上流側に配置されたブロア51によって実現される。そして、第2流路22の流路断面積S22は、第1流路21の流路断面積S21と同じである。これにより、第2流路22に流速計等を配置して、流速を計測し、駆動部510にフィードバックすることで、第1流路21の流速は、容易に制御できる。そして、第2流路22における第3流路23との接続位置よりも上流側に、流速計を配置することで、流速計が、被検出気体に曝されることを抑制できる。
【0050】
また、上述の構成では、第2流路22において、第1流路21と同様の流速を稼いだ後に、カラム30において、一時的に流速を低減させている。そして、流速の高い第2流路22に第3流路23が接続している。これにより、投入容器60から被検出気体は、高い流速によって、第2流路22に引き込まれ、気体成分検出装置10は、被検出気体を効率的に引き込むことができる。
【0051】
また、第3流路23は、カラム30の複数の個別流路31-34に接続させることも可能である。ただし、上述のように、第3流路23が第2流路22に接続することで、被検出気体の引き込みは、効率的になる。
【0052】
また、上述の説明では、複数の個別流路31-34によってカラム30を構成することで、カラム30の流路断面積を第1流路21の流路断面積S21よりも大きくする態様を示した。しかしながら、例えば、
図5に示すような別の態様を適用することも可能である。
図5は、本発明の実施形態に係る気体成分検出装置のおけるカラム部分の構成を示す概略図である。
【0053】
図5に示すように、カラム30Aは、第1流路21および第2流路22よりも径の大きな管状である。すなわち、カラム30Aの流路断面積S30Aは、第1流路21の流路断面積S21、および、第2流路22の流路断面積S22よりも大きい。
【0054】
このような構成であっても、気体成分検出装置は、高い検出感度を実現しながら、検出時間を短くできる。
【0055】
なお、上述の
図1に示す構成と
図5に示す構成とを組み合わせることも可能である。すなわち、
図1に示すカラムの個別流路の流路断面積は、第1流路21の流路断面積S21よりも大きくてもよい。また、カラムとしての流路断面積が第1流路21の流路断面積S21よりも大きければ、個別流路の流路断面積は、第1流路21の流路断面積S21に対して小さい等、異なっていてもよい。
【符号の説明】
【0056】
10:気体成分検出装置
21:第1流路
22:第2流路
23:第3流路
24:第4流路
25:第5流路
26:第6流路
30、30A:カラム
31、32、33、34:個別流路
40:センサデバイス
41:キャビティ
42:センサ
43:成分検出部
51:ブロア
52:フィルタ
60:投入容器
231:弁
240:排出口
260:キャリアガス取込口
301:流路結合部
302:流路結合部
411:流入口
412:流出口
420:検出面
421:出力端子
510:駆動部