特許 7512226 ガス濃縮装置、ガス検出システム、ガス濃縮方法、及びガス検出方法。

(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】2024-06-28

(45)【発行日】2024-07-08

(54)【発明の名称】ガス濃縮装置、ガス検出システム、ガス濃縮方法、及びガス検出方法。

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/00 20060101AFI20240701BHJP

   G01N 1/40 20060101ALI20240701BHJP

【ＦＩ】

G01N1/00 101R

G01N1/40

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021048503

(22)【出願日】2021-03-23

(65)【公開番号】P2022147316

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100149629

【弁理士】

【氏名又は名称】柘 周作

(74)【代理人】

【識別番号】100200148

【弁理士】

【氏名又は名称】今野 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100139538

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 航介

(74)【代理人】

【識別番号】100200115

【弁理士】

【氏名又は名称】杉山 元勇

(74)【代理人】

【識別番号】100200137

【弁理士】

【氏名又は名称】浅野 良介

(72)【発明者】

【氏名】濱崎 浩史

(72)【発明者】

【氏名】杉崎 吉昭

【審査官】三木 隆

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００８６３７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－００３３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２８１８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６８２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１０１７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５０４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１３２８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５４６５５７８（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２２／０３２４３４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１８３２０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１８１１２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １／００

Ｇ０１Ｎ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１隔壁によって囲われた、検体を格納する第１空間を有する第１容器と、
前記第１容器と第１経路によって気密に接続され、第２隔壁によって囲われた第２空間を有する第２容器と、
前記第２空間の容積を縮小または増大させる圧力制御装置と、
前記第２空間の内部の気体を排出する第２経路と、
前記第１空間と第３経路によって気密に接続され、前記第１空間内部の気体を排出する第１減圧装置と、
を有し、
前記第１空間内部の前記気体が排出され、その後、前記検体から発生したガスが前記第１容器に放出され、
前記第２容器内部の気体が排出され、その後、前記検体から発生した前記ガスが前記第１容器から前記第２容器に送られ、
前記第２容器の容積が縮小することで、前記検体から発生した前記ガスが前記第２容器内部において圧縮され濃縮ガスとなり、
前記濃縮ガスが前記第２経路から排出される、
ガス濃縮装置。

【請求項2】

前記第２空間と第４経路によって気密に接続され、前記第２空間内部を減圧する第２減圧装置をさらに有する、請求項１に記載のガス濃縮装置。

【請求項3】

前記第２隔壁は筒形の形状を有し、
前記圧力制御装置は、前記第２隔壁の内壁に密着し、前記筒形の形状が伸びる方向に動く第３隔壁と、前記第３隔壁を動かす第１駆動装置と、をさらに有する、請求項１又は請求項２に記載のガス濃縮装置。

【請求項4】

前記圧力制御装置は、前記第２空間内部に設けられ、通気口があいた袋型の形状を有する第４隔壁と、前記通気口と気密に接続され、前記第２空間の外部から前記第４隔壁内部に流体を出し入れするポンプと、をさらに有する、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項5】

前記圧力制御装置は、前記第２空間内部に設けられ、前記第２空間外部に接続され前記第２空間に対し気密な空間を内部に有し、伸縮可能な第５隔壁と、第５隔壁を伸縮させる第２駆動装置と、をさらに有する、請求項１又は請求項２に記載のガス濃縮装置。

【請求項6】

前記第１空間の容積を増大又は縮小させる第２圧力制御装置をさらに有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項7】

前記第１容器は、前記検体を加熱するヒータをさらに有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項8】

前記第１経路を冷却する冷却器をさらに有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項9】

前記第１経路を、気体が流通可能な開状態と不可能な閉状態とのいずれかに切り替える第１シャッタと、
前記第２経路を、気体が流通可能な開状態と不可能な閉状態とのいずれかに切り替える第２シャッタと、
をさらに有する請求項１から請求項８に記載のガス濃縮装置。

【請求項10】

前記圧力制御装置は、前記第２空間の容積を増大させることで、前記第１空間内部を減圧する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項11】

前記圧力制御装置は、前記第２空間の容積を増大させることで、前記第２空間内部を減圧する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項12】

前記圧力制御装置は、前記第２空間内部の圧力が前記第２空間外部の圧力を超えるまで前記第２空間の容積を縮小させる、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のガス濃縮装置。

【請求項13】

前記第１経路を、気体が流通可能な開状態と不可能な閉状態とのいずれかに切り替える第１シャッタと、
前記第２経路を、気体が流通可能な開状態と不可能な閉状態とのいずれかに切り替える第２シャッタと、
前記第１シャッタ、前記第２シャッタ、前記第１減圧装置、前記第２減圧装置、及び前記圧力制御装置を制御する制御回路と、をさらに有し、
前記制御回路は、
前記第１シャッタが閉状態で、前記第１減圧装置が前記第１空間を減圧する動作と、
前記第１シャッタと前記第２シャッタが閉状態で、前記第２減圧装置が前記第２空間を減圧する動作と、
前記第１シャッタが開状態に切り替わる動作と、
前記第１シャッタが閉状態に切り替わり、前記圧力制御装置が前記第２空間の容積を縮小させる動作と、
前記第２シャッタが開状態に切り替わる動作と、を制御する請求項２に記載のガス濃縮装置。

【請求項14】

請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のガス濃縮装置と、
前記第２経路から排出された前記濃縮ガスから検出対象の物質を検出するケミカルセンサと、
を有するガス検出システム。

【請求項15】

前記ケミカルセンサの出力と接続され、前記ケミカルセンサが前記検出対象の物質を検出したか否かを判定し、判定結果を出力する判定回路をさらに有する請求項１４に記載のガス検出システム。

【請求項16】

気密性を有する第１容器に気体と検体を格納するステップと、
第１減圧装置が前記第１容器内部の前記気体を排出した後、ガスが前記検体から前記第１容器内部に放出されるステップと、
圧力装置が第２容器内部の気体を排出した後、前記検体から発生した前記ガスを前記第１容器から前記第２容器に送るステップと、
前記圧力装置が前記第２容器の容積を縮小することで、前記検体から発生した前記ガスを前記第２容器内部において圧縮して濃縮ガスとするステップと、
前記圧力装置が前記濃縮ガスを第２経路から排出するステップと、
を含むガス濃縮方法。

【請求項17】

気密性を有する第１容器に気体と検体とを格納するステップと、
第１減圧装置が前記第１容器内部の前記気体を排出した後、ガスが前記検体から前記第１容器内部に放出されるステップと、
圧力装置が第２容器内部の気体を排出した後、前記検体から発生した前記ガスを前記第１容器から前記第２容器に送るステップと、
前記圧力装置が前記第２容器の容積を縮小することで、前記検体から発生した前記ガスを前記第２容器内部において圧縮して濃縮ガスとするステップと、
前記圧力装置が前記濃縮ガスを前記第２容器からケミカルセンサ上に排出するステップと、
を含むガス検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ガス濃縮装置、ガス検出システム、ガス濃縮方法、及びガス検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

気中の物質を検出するケミカルセンサは、検体から空気中に放出される成分を検出することでガス検出や匂い検出に利用することができる。ガス検出や匂い検出には高い感度が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１８１１２３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、検体から放出される物質の濃度を高めるガス濃縮装置、高感度なガス検出システム、ガス濃縮方法、及びガス検出方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のガス濃縮装置は、第１隔壁によって囲われた、検体を格納する第１空間を有する第１容器と、前記第１容器と第１経路によって気密に接続され、第２隔壁によって囲われた第２空間を有する第２容器と、前記第２空間の容積を縮小または増大させる圧力制御装置と、前記第２空間の内部の気体を排出する第２経路と、前記第１空間と第３経路によって気密に接続され、前記第１空間内部の気体を排出する第１減圧装置と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【図2】ケミカルセンサの一例を示す構成図である。

【図3】第１の実施形態に係るガス検出システムの動作を示すフローチャートである。

【図4】第２の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【図5】第３の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【図6】第４の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【図7】第５の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【図8】第６の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

【0008】

（第１の実施形態）
図１をもとに、第１の実施形態のガス検出システム１０００を説明する。

【0009】

図１は、第１の実施形態のガス検出システム１０００の構成を示す概略図である。

【0010】

ガス検出システム１０００は、検体１から雰囲気に放出される検出対象の物質（匂い成分）を検出するシステムである。ガス検出システム１０００はガス濃縮装置１００、ケミカルセンサ２００、判定回路３００、不活性ガス供給部４００、インタフェース５００、を有する。本明細書において、匂い成分は、ケミカルセンサによって検出可能な気相中の物質を指し、必ずしも生体の嗅覚受容体に反応する物質ではない。

【0011】

ガス濃縮装置１００は、第１容器１０、第２容器２０、圧力制御装置３０、第１～第６気密経路４１、４２、４３、４４、４５、４６、第１～第４シャッタ５１、５２、５３、５４第１真空ポンプ６１、第２真空ポンプ６２、及び制御装置７０を有する。

【0012】

第１容器１０は、検体１を出し入れするために図示しない取り込み口を有し、取り込み口から取り込まれる検体１を格納する気密容器である。第１容器１０は、第１隔壁１１、及び第１隔壁１１に囲われた第１空間１２を有する。第１隔壁１１は、第１空間１２の内部と外部との間で気体が自由に移動できない構造を有する。第１空間１２は検体１を格納する空間である。第１空間１２の内部と外部との間に圧力差が生じても、第１隔壁１１は大きく変形せず、第１空間１２の体積が維持される。第１空間１２の容積Ｖ１とは、第１空間１２に収容できる体積のことであり、換言すると第１空間１２に格納された気体の体積である。

【0013】

第１真空ポンプ６１は、第１容器１０と第１気密経路４１を介して接続される。第１シャッタ５１は、第１気密経路４１に設けられる。ここで、気密経路とは、外部との気密を保ちながら経路内部に気体を流通させることが可能な構造を指す。気密経路として、樹脂や金属製のパイプを用いることができる。第１シャッタ５１は、第１気密経路４１内部を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。よって、第１シャッタ５１は、第１真空ポンプ６１と第１容器１０との間を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。第１シャッタ５１が開状態で第１真空ポンプ６１が動作すると、第１容器１０の第１空間１２に格納された気体が第１気密経路４１及び第１真空ポンプ６１を介して大気中に排出され、第１空間１２内部が減圧される。なお、第１気密経路４１の流通状態の切り替えは、第１真空ポンプ６１のオンオフの切り替えによって実現することもできる。第１気密経路４１の流通状態の切り替えを、第１真空ポンプ６１のオンオフの切り替えによって実現する場合、第１シャッタ５１を省略することができる。

【0014】

第２容器２０は、第１空間１２から送りこまれた検出対象の物質を含む気体を格納し、圧縮する気密容器である。第２容器２０は、第２隔壁２１、及び第２隔壁２１に囲われた第２空間２２を有する。第２隔壁２１は、第２空間２２内部と外部とで気体が自由に移動できない構造を有する。第２空間２２は第１空間１２から送り込まれた気体を格納する空間である。第２容器２０は、第２気密経路４２を介して第１容器１０と接続される。第２シャッタ５２は、第１容器１０と第２容器２０の間の第２気密経路４２に設けられる。第２シャッタ５２は、第２気密経路４２内部を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。よって、第２シャッタ５２は、第１容器１０と第２容器２０との間を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。

【0015】

第２真空ポンプ６２は、第３気密経路４３を介して第２容器２０と接続される。第３シャッタ５３は、第３気密経路４３に設けられる。第３シャッタ５３は第３気密経路４３を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。よって、第３シャッタ５３は、第２容器２０と第２真空ポンプ６３との間を気体流通可能な開状態と、気体流通不能な閉状態とに切り替えることができる。第３シャッタ５３が開状態で第２真空ポンプ６２が動作すると、第２空間２２に格納された気体が第３気密経路４３を介して排出され、第２空間２２内部が減圧される。なお、第３気密経路４３の流通状態の切り替えは、第２真空ポンプ６２のオンオフの切り替えによって実現することもできる。第３気密経路４３の流通状態の切り替えを、第２真空ポンプ６２のオンオフの切り替えによって実現する場合、第３シャッタ５３を省略することができる。

【0016】

第２容器２０は、第４気密経路４４を介してケミカルセンサ２００とつながっている。第４気密経路４４には、第４シャッタ５４が設けられる。第４シャッタ５４は、例えば３方弁である。３方弁の一端は、第５気密経路４５を介して不活性ガス供給部４００につながっている。第４シャッタ５４は、第２空間２２とケミカルセンサ２００とが気体流通可能な第１開状態、不活性ガス供給部４００とケミカルセンサ２００とが気体流通可能な第２開状態、及び第２空間２２とケミカルセンサ２００と不活性ガス供給部４００とのいずれの間も気体流通不能な閉状態と、の少なくとも３つの状態に切り替えることができる。第４シャッタ５４は、第２容器２０とケミカルセンサ２００との間を気体流通可能な第１開状態と、気体流通不能な閉状態（又は第２開状態）とに切り替えることができる。第４シャッタ５４は、不活性ガス供給部４００とケミカルセンサ２００との間を気体流通可能な第２開状態と、気体流通不能な閉状態（又は第１開状態）とに切り替えることができる。

【0017】

圧力制御装置３０は、第２空間２２の容積を増大・縮小する装置である。第２空間２２の容積Ｖ２とは、第２空間２２に収容できる体積のことであり、換言すると第２空間２２の内部に格納された気体の体積である。容積Ｖ２は最大値Ｖ２Ｌから最小値Ｖ２Ｓまでの値をとる。望ましくは、容積Ｖ２の最大値Ｖ２Ｌは容積Ｖ１よりも大きい。

【0018】

圧力制御装置３０は、第２空間２２の内部に格納された気体圧力を制御できる。圧力制御装置３０は、第２シャッタ５２が開状態で第２空間２２の容積を増大・縮小させることで、開状態の気密経路から第２空間２２内に気体を出し入れできる。例えば、第２シャッタ５２が閉状態、かつ第３シャッタ５３が閉状態、かつ第４シャッタが第１開状態で、圧力制御装置３０が第２空間２２の容積をゆっくりと縮小させることで、第２空間２２内部の気体をケミカルセンサ２００に送り出すことができる。圧力制御装置３０は、第２シャッタ５２、第３シャッタ５３、第４シャッタ５４のすべてが閉状態で第２空間２２の容積を増大・縮小させることで、第２空間２２の内部の気体を膨張あるいは収縮させることができる。第２空間２２内部の気体が膨張すると内部の気体圧力は減少する。第２空間２２内部の気体が収縮すると気体圧力は増大する。

【0019】

圧力制御装置３０の構造は、第２空間２２の容積を可変とするものであれば、特に限定されない。圧力制御装置３０の一例として、図１にはピストン型の圧縮機構を記載した。ピストン型の圧縮機構では、シリンダ型の第２隔壁２１内部に密着する可動隔壁であるピストン３４が設けられる。圧力制御装置３０内部のモータ等の動力によってピストン３４を図１の紙面横方向に動かすことで、第２空間２２の容積を増大・縮小させることができる。

【0020】

制御回路７０は、ガス濃縮装置１００の各部を制御する回路である。制御装置７０は、第１～第４シャッタ５１～５４及び圧力制御装置３０と接続され、制御信号を出力する。図４には、制御装置７０と第１～第４シャッタ５１～５４及び圧力制御装置３０とが、図示しない無線を介して接続された例を示すが、配線を介して有線接続されてもよい。制御回路７０は、制御信号の出力によって、第１～第４シャッタ５１～５４の開閉タイミングや圧力制御装置３０の動作を制御することで、ガス濃縮装置１００にガス濃縮動作を実施させる。制御回路７０は、Ｉ／Ｆ５００に接続される。Ｉ／Ｆ５００からガス濃縮動作の開始を指示されたとき、制御回路７０はガス濃縮装置１００の各部を制御し、ガス濃縮装置１００はガス濃縮動作を実施する。なお、制御回路７０はガス濃縮装置１００の動作だけでなくケミカルセンサ２００、判定回路３００、及び不活性ガス供給部４００に接続され、ガス検出システム１０００全体の動作を制御してもよい。また、ケミカルセンサ２００は、気体を液体に取り込む機構を含んで、液体の匂い成分を検知するものであってもよい。

【0021】

ケミカルセンサ２００は、第２容器２０から第４気密経路４４を介して送り込まれた気体中に含まれる検出対象の物質を検出し、図１中の電圧値や電流値等で表される電気信号として判定回路３００に出力する装置である。ケミカルセンサ２００は、第４気密経路４４を介して送り込まれた気体を連続的に検出する構成であっても、送り込まれた気体が検出に十分な量に達するまで捕集容器にためこんで検出部に送り込む構成であってもよい。

【0022】

ケミカルセンサ２００の一例として、図２に示すグラフェンＦＥＴ装置を説明する。図２は、ケミカルセンサの一例を示す構成図である。グラフェンＦＥＴ装置は、基板２２１上にグラフェンによって形成された感応膜２２２をチャネルとして利用した電界効果トランジスタである。感応膜２２２の一端にはソース電極２２３が電気的に接続される。感応膜２２２他端にはドレイン電極２２４が設けられる。ソース電極２２３とドレイン電極２２４の間に位置する感応膜表面２２２ａ上にはゲート絶縁膜２２５ａを介してゲート電極２２５が設けられる。感応膜２２２上に検出対象の物質２２９と結合する受容体２２７などが設けられ、感応膜２２２を覆うように液膜２２８が設けられる。液膜２２８に検出対象の物質２２９を含む気体を吹き付けられると、検出対象の物質２２９が液膜２２８に取り込まれ、受容体２２７と結合する。グラフェンＦＥＴ装置は、受容体２２７との結合によって変化するドレイン電流特性から検出対象の物質２２９の有無を判別できる。グラフェンＦＥＴ装置は、感応膜２２２にかかる応力によって導電度が変わるため、高圧の気体に対する検出精度が低く、常圧に近い気体に対する検出精度が高いという特性を有する。

【0023】

なお、ケミカルセンサ２００の種類及び検出方法はグラフェンＦＥＴ装置に限定されず、ガスクロマトグラフィ装置（ＧＣ）、ガスクロマトグラフィ質量分析装置（ＧＣＭＳ）、核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ）、等任意の検査装置及び検査方法を用いることができる。

【0024】

図１に示す判定回路３００は、ケミカルセンサ２００の出力と接続される。判定回路３００は、ケミカルセンサ２００の出力信号を解析し、ケミカルセンサ２００が検査した気体中に特定の物質が規定以上含まれているかを判定する。判定回路３００は、ケミカルセンサ２００が検査した気体に含まれる検出対象の物質の特性や種類を特定してもよい。判定回路３００の判定方法は特に限定されず、ケミカルセンサ２００の種類・特性に応じて適宜選択できる。例えば、判定回路３００は信号強度が規定値以上であるか否かを判別してもよいし、判定回路３００内部に保持される参照パラメータと比較して近似性を判定し物質の種類を同定してもよい。判定回路３００は、判定結果をＩ／Ｆ５００に出力する。

【0025】

不活性ガス供給部４００は、第４シャッタが第２開状態のときに、窒素ガスをケミカルセンサ２００の検出部に送り込む。検査動作を完了した後のケミカルセンサ２００に窒素ガスを送りこんで残留した検体成分を排出させることで、次サイクルの検査時に残留した検体成分が反応して検出精度（信号ノイズ比）が悪化するのを防ぐことができる。なお、不活性ガス供給部４００は、供給するガスを窒素ガスからケミカルセンサ２００を汚染しない任意の種類のガスに置き換えてもよい。

【0026】

図３をもとに、第１の実施形態のガス検出システム１０００の動作を説明する。図３は第１の実施形態に係るガス検出システムの動作を示すフローチャートである。

【0027】

ここでは、第１空間の容積をＶ１、第１空間１２内部の気体圧力をＰ１、第２空間の容積をＶ２、第２空間２２内部の気体圧力をＰ２、大気圧をＰ０、として表現する。簡単のため、検体１の体積は無視して説明する。簡単のために、第２空間の容積Ｖ２は最大値Ｖ２Ｌと最小値Ｖ２Ｓの２値をとるものとして説明するが、Ｖ２はＶ２ＬとＶ２Ｓとの中間値をとることができる。ガス濃縮装置１００各部の動作は制御回路７０によって制御されるが、簡単のために各ステップでの説明を省略する。

【0028】

ステップＳ０では、ガス濃縮装置１００が初期状態に設定される。すなわち、第１～第４シャッタ５１～５４は閉状態、Ｖ２＝Ｖ２Ｌ、Ｐ２＝Ｐ０に設定される。

【0029】

ステップＳ１～Ｓ６は、ガス濃縮装置１００のガス濃縮動作である。

【0030】

ステップＳ１では、図示しない取り込み口から取り込まれる検体１が第１容器１０の第１空間１２内部に格納される。

【0031】

ステップＳ２は、第１空間１２から気体が排出されるステップである。まず、第１シャッタ５１が開状態にされる。次に、第１真空ポンプ６１によって気体が第１空間１２から大気中に排出されて第１空間１２が減圧される。その後、第１シャッタ５１が閉状態にされる。十分に時間が経過すると、既に気体が排出された第１空間１２内部に検体１から検出対象、例えば匂い成分を含んだ気体が放出される。第１空間１２内部の気体は、高濃度（容量％基準）の匂い成分を含んでおり、気体圧力は大気圧よりも小さくなる（Ｐ１＜Ｐ０）。

【0032】

ステップＳ３は、第２空間２２から気体が排出されるステップである。ステップＳ３では、まず、第３シャッタ５３が開状態にされる。次に、第２真空ポンプ６２によって気体が第２空間２２から大気中に排出されて減圧される。その後、第３シャッタ５３が閉状態にされる。ステップＳ３終了時、第２空間２２内部の気体圧力Ｐ２は、第１空間内部の気体圧力Ｐ１よりも小さい（Ｐ２＜Ｐ１）。ステップＳ３終了時、第２空間２２が真空状態あるいは真空状態に近いこと（Ｐ２＝０）が望ましい。

【0033】

ステップＳ４は、第１空間１２に格納された高濃度の匂い成分を含んだ気体が、第２空間２２に送り出されるステップである。ステップＳ４では、第２シャッタ５２が開状態にされる。この時、第１空間１２と第２空間２２の圧力差によって、Ｐ１＝Ｐ２となるまで第１空間１２から第２空間２２に気体が流れ込む。ステップＳ４において第２空間２２の容積Ｖ２＝Ｖ２Ｌが第１空間１２の容積Ｖ１よりも大きくしておくと、第１空間１２に格納された気体の大部分が第２空間２２に流れ込むため、より望ましい。ステップＳ４の終了時、Ｐ２＜Ｐ０である。

【0034】

ステップＳ５は、第２空間２２に格納された気体が圧縮されるステップである。ステップＳ５では、まず、第２シャッタ５２が閉態にされる。その後、圧力制御装置３０は、第２空間内部の圧力が第２空間外部の圧力をわずかに超える（Ｐ２＞Ｐ０）まで圧縮する。このとき、第２空間２２の容積Ｖ２は、Ｖ２ＬからＶ２Ｓに縮小する。ステップＳ５終了時、第２空間２２に格納された気体は高濃度の匂い成分を含んだ濃縮気体となる。

【0035】

ステップＳ６は、第２空間２２に格納された濃縮気体が、ケミカルセンサ２００に送り出されるステップである。ステップＳ６では、第４シャッタ５４が第１開状態にされる。この時、第２空間２２の気体圧力とケミカルセンサ２００検出部の圧力（大気圧Ｐ０）と差によって、ケミカルセンサ２００にほぼ大気圧Ｐ０の濃縮気体が流れ込む。

【0036】

ステップＳ７では、ケミカルセンサ２００が送り込まれた濃縮気体中に含まれる物質を検出し、検出結果の電気信号を判定回路３００に出力する。

【0037】

ステップＳ８では、判定回路３００がケミカルセンサ２００の出力信号を解析し、解析した気体中に特定の物質が規定以上含まれているかを判定する。判定回路３００は、判定結果をＩ／Ｆ５００に出力する。ユーザは、Ｉ／Ｆ５００を介して接続された任意の装置に判定結果を出力し、検体１に特定の匂い成分が含まれるか否かを知ることができる。

【0038】

ステップＳ９では、第４シャッタ５４が第２開状態になり、不活性ガス供給部４００から窒素ガスがケミカルセンサ２００の検出部に送り込まれる。

【0039】

異なる種類の検体を連続して検査する場合、ステップＳ１、Ｓ２は、ステップＳ５以降と並行して行ってもよい。

【0040】

以上説明したステップＳ０～Ｓ９によって、ガス検出システム１０００は高濃度の匂い成分が含まれる濃縮気体を検査する。

【0041】

第１の実施形態のガス検出システム１０００の効果について説明する。

【0042】

匂い成分、すなわち気相に拡散する物質の中には、常温常圧でごく少量・低濃度しか気相に存在しないものがある。一般的なケミカルセンサが精度よく、感度よい検出を実現するには、検出対象の物は大量・高濃度であることが望ましい。

【0043】

例えば、検体付近の気体を捕集して圧縮すれば、単位体積当たりの物質量（ｍｏｌ／Ｌ）基準で高濃度の匂い成分含有気体を作ることができるが、ケミカルセンサ２００の種類ごとに精度よく検査可能な気体圧力が決まっているため利用できない。例えば、グラフェンＦＥＴの感応膜は、圧力を検知して導電度が変化するため、所定以上に加圧したガスを検出部に吹き付けることで出力信号にノイズが発生してしまう。

【0044】

また、例えば、匂い成分の吸着と脱離あるは凝縮を利用して匂い成分を濃縮できるが、濃縮に時間がかかるだけでなく、匂い成分の種類によって吸着性や沸点が異なり、検体から放出される匂い成分全体を濃縮することができない。

【0045】

ガス検出システム１０００は、低圧状態の第１空間１２に検体１を格納することで、匂い成分が第１空間１２に充満し、容量比（％）基準で高濃度の匂い成分を含む気体を作ることができる。第１空間１２内部の気体は第２空間２２に移され、大気圧Ｐ０近くまで圧縮されることで、匂い成分は単位体積当たりの物質量（ｍｏｌ／Ｌ）基準でさらに高濃度に濃縮される。

【0046】

ガス濃縮装置１００が濃縮した気体には、検体１から放出された匂い成分が容量比（％）基準で高濃度に含まれる。つまり、濃縮気体に含まれる検体１以外に由来する成分が少ないため、ケミカルセンサ２００はノイズを検出しにくくなり、高い精度で匂い成分を検出できる。

【0047】

ガス濃縮器１００が濃縮した気体には、検出対象から放出された匂い成分が単位体積当たりの物質量（ｍｏｌ／Ｌ）基準で高濃度に含まれる。つまり、１サイクルの検査に使用する匂い成分の量が多くなり、高い感度で匂い成分を検出できる。

【0048】

ガス濃縮器１００が濃縮した気体は、大気圧に近い状態でケミカルセンサ２００に送られる。ケミカルセンサ２００の種類によらず安定した条件でセンシングが可能となり、高い精度で匂い成分を検出できる。

【0049】

ガス濃縮器１００は、検体１から第１空間１２に拡散した匂い成分全体を濃縮できる。ガス検出システム１０００は、検体１に含まれる匂い成分の種類や物性によらず短時間で濃縮できるため、高い信頼性で匂い成分を検出できる。

【0050】

以上説明した通り、第１の実施形態によれば、検体由来の匂い成分を濃縮して気体を検査することで高感度かつ高精度の検出を実現するガス検出システム１０００を提供できる。

【0051】

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の変形例では、ガス検出システム１００１の第１空間１２及び第２空間２２内部の減圧に第１真空ポンプ６１及び第２真空ポンプ６２を使用しない点で第１の実施形態と異なる。第１の実施形態の変形例に係るガス濃縮装置１０１とガス検出システム１００１の構成は、図１に示すガス濃縮装置１００とガス検出システム１０００と同等のものであるが、第１真空ポンプ６１及び第２真空ポンプ６２が停止状態である。第１の実施形態の変形例では、第１気密経路４１の第１真空ポンプ６１に接続された端部と、第２気密経路４３の第２真空ポンプ６２に接続された端部とが大気（圧力Ｐ０）に解放されたものとして考える。

【0052】

以下、ガス検出システム１００１の動作を説明する。

【0053】

第１の実施形態の変形例では、圧力制御装置３０によって、第１空間１２の減圧及び第２空間２２の減圧が実現される。ガス検出システム１００１の動作は、第１の実施形態で説明したステップＳ０～Ｓ３をそれぞれステップＳ２０～Ｓ２３に置き換えて実現できる。

【0054】

ステップＳ２０では、ガス濃縮装置１００が初期状態に設定される。すなわち、第１～第４シャッタ５１～５４は閉状態、Ｖ２＝Ｖ２Ｓ、Ｐ２＝Ｐ０に設定される。

【0055】

ステップＳ２１では、検体１が第１空間１２内部に格納される。

【0056】

ステップＳ２２は、第１空間１２から気体が排出されるステップである。ステップＳ２２では、まず、第２シャッタ５２が開状態にされる。次に、圧力制御装置３０によって第２空間２２の容積Ｖ２がＶ２ＳからＶ２Ｌに増大する。続いて、第２シャッタ５２が閉状態、第３シャッタ５３が開状態になる。その後、第２空間２２の容積Ｖ２がＶ２ＬからＶ２Ｓに縮小する。最後に、第３シャッタ５３が閉状態となる。容積Ｖ２の増大と縮小を任意の回数繰り返すことで、第１空間１２内部の気体が大気中に排出される。

【0057】

ステップＳ２３では、第２シャッタ５２、第３シャッタ５３及び第４シャッタが閉状態で、第２空間２２の容積Ｖ２がＶ２ＳからＶ２Ｌに増大する。第２空間２２の気密を確保したまま、容積Ｖ２が増大するため第２空間２２内部の気体圧力が低下する。

【0058】

第１の実施形態の変形例では、減圧に圧力制御装置３０を使用するため、第１真空ポンプ６１、第２真空ポンプ６２の一方又は両方が故障した状態でも動作できる。このように、第１の実施形態の変形例によれば、第１の実施形態よりも簡易な構成で濃縮動作を実現でき、故障に対する冗長性を備えたガス濃縮装置１０１とガス検出システム１００１とを提供できる。

【0059】

（第２の実施形態）
第２の実施形態のガス検出システム１００２及びガス濃縮装置１０２は、圧力制御装置３１として隔壁膜型（風船型）圧縮機構を用いる点で第１の実施形態と異なる。

【0060】

図４をもとに、第２の実施形態のガス検出システム１００２について説明する。図４は、第２の実施形態に係るガス検出システムの構成を示す概略図である。

【0061】

第２の実施形態の圧力制御装置３１は、隔壁膜３５とポンプ３６を有する。隔壁膜３５は、気体を透過しない膜質材料で構成され、通気口が空いた袋型の形状を有する。隔壁膜３５は、例えば樹脂製の密封バッグである。隔壁膜３５は、気密状態が保たれた第２空間２２内部に設けられる。隔壁膜３５の通気口は、第２容器２０外部のポンプ３６に第２隔壁２１を貫通して接続される。ポンプ３６は、第２空間２２の外部から隔壁膜３５内部に流体、例えば空気を出し入れすることで、隔壁膜３５及び内部の気体の体積を膨張あるいは収縮させる。圧力制御装置３１は、第２空間２２の体積全体に占める隔壁膜３５の体積を変化させることで第２空間２２の容積Ｖ２を変化させる。

【0062】

第２の実施形態の圧力制御装置３１は、第２空間２２の気密を保つ隔壁に密着させた構造物が駆動する圧縮機構をもたない。このため、隔壁と構造物との隙間、例えばピストン型の圧縮機構におけるピストンとシリンダの間から気体が漏れることがない。つまり、ガス濃縮装置１０２の濃縮効率が向上し、ガス検出システム１００２は高い検出感度を実現できる。

【0063】

また、第２の実施形態の圧力制御装置３１は、機械的に駆動して摩擦する部分を持たないため、摩擦によって揮発した潤滑剤や摩耗した部品に由来する成分が濃縮気体に混入しにくい。このため、ケミカルセンサ２００の検出精度と信頼性が向上する。

【0064】

第２の実施形態によれば、第１の実施形態よりも高い濃縮効率を有するガス濃縮装置１０２と、第１の実施形態よりも高い感度と高い精度を有するガス検出システム１００２とを提供できる。

【0065】

（第３の実施形態）
第３の変形例のガス検出システム１００３は、圧力制御装置３２として伸縮チャンバー型（アコーディオン型）圧縮機構を用いる点で第１の実施形態の濃縮装置と異なる。

【0066】

図５をもとに、第３の実施形態のガス検出システム１００３について説明する。図５は、第３の実施形態に係るガス検出システム１００３の構成を示す概略図である。

【0067】

第３の変形例の圧力制御装置３２は、隔壁３７と駆動装置３８を有する。隔壁３７は、内部に気密な構造を有し、伸縮することで隔壁３７が変形し、隔壁３７内部の気密空間の体積が変化する。隔壁３７は、例えば折り畳み可能な蛇腹構造を備え、隔壁３７の気密空間とつながる通気口が空いたふいご型の形状を有する。隔壁３７は、気密状態が保たれた第２容器２０の第２空間２２内部に設けられる。通気口は、第２空間２２の気密を保つように第２隔壁２１を貫通して第２空間２２外部のポンプ３６に接続される。隔壁３７は、隔壁３７内部の気密空間と第２空間２２との間で気体が流通することを妨ぐ。駆動装置３８は、隔壁３７の蛇腹構造の両端の距離を伸縮させることで、隔壁３７及び内部空間の体積を変化させる。駆動装置３８は、隔壁３７の内部に設けてもよい。なお、駆動装置３８に代えて、第２の実施形態に示すポンプ３６を隔壁３７の内部空間に流体を出し入れすることで、隔壁３７の体積を変化させてもかまわない。

【0068】

圧力制御装置３２は、隔壁３７及び内部の気密空間の体積を変化させることで第２空間２２の容積Ｖ２を変化させる。

【0069】

第３の実施形態の圧力制御装置３２は、隔壁の隙間から気体が漏れることがない。つまり、ガス検出システム１００３は、高い濃縮効率と高い感度を実現できる。第３の実施形態の圧力制御装置３２は、機械的に駆動して摩擦する部分を持たないため、摩擦によって揮発した潤滑剤や摩耗した部品に由来する成分が濃縮気体に含まれにくい。このため、ケミカルセンサ２００の検出精度、信頼性が向上する。

【0070】

第３の実施形態の圧力制御装置３２は、第２の実施形態の圧力制御装置３１とは異なり、必ずしもポンプ３６を必要としない。圧力制御装置３２は、ポンプ３６を省略することで、圧力制御装置３１と比して小型化することができる。圧力制御装置３２の隔壁３７の体積は、駆動装置３８の駆動や変位量によって制御される。つまり、圧力制御装置３２の隔壁３７の体積は、各ステップの動作で大きく変化する第２空間２２の内部圧力Ｐ２の影響を受けにくい。圧力制御装置３２は、圧力制御装置３１と比して第２空間２２の容積Ｖ２を高い精度で制御できる。

【0071】

第３の実施形態によれば、第１の実施形態よりも高い濃縮効率を有する濃縮装置１０３と、第１の実施形態よりも高い感度と高い精度を有するガス検出システム１００３とを提供できる。

【0072】

（第４の実施形態）
第４の実施形態のガス濃縮装置１０４及びガス検出システム１００４は、第１容器１０にも圧力制御装置３３を有する点で第１の実施形態と異なる。

【0073】

図６をもとに、第４の実施形態のガス検出システム１００４について説明する。図６は、第４の実施形態に係るガス検出システム１００４の構成を示す概略図である。

【0074】

圧力制御装置３３は第１空間１２の容積を変化させる装置であり、圧力制御装置３０と同様の構造で実現することができる。第１の実施形態のステップＳ４において、圧力制御装置３３が第１空間１２の容積を収縮させる。ステップＳ４において、第２シャッタ５２が開状態にされるとＰ１＝Ｐ２になるまで、Ｖ２と（Ｖ１＋Ｖ２）との比に応じた量の気体が第１空間１２内部から第２空間に流れ込む。第１空間１２の容積Ｖ１が小さくなることで、Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の値が大きくなる。第１空間１２内部から第２空間２２に送り出す気体の量が増加し、第２空間２２で圧縮できる気体の量が増加する。このため、濃縮される匂い成分の量が増え、ガス濃縮装置１０４の濃縮効率が向上する。

【0075】

このように、第４の実施形態によれば、第１の実施形態よりも高い濃縮効率を有するガス濃縮装置１０４と、高い感度を有するガス検出システム１００４を提供できる。

【0076】

（第５の実施形態）
第５の実施形態のガス濃縮装置１０５及びガス検出システム１００５は、ヒータ８０を有する点で第１の実施形態と異なる。

【0077】

図７をもとに、第５の実施形態のガス検出システム１００５について説明する。図７は、第５の実施形態に係るガス検出システム１００５の構成を示す概略図である。

【0078】

第５の実施形態の第１容器１０にはヒータ８０が設けられる。ヒータ８０は、検体１を直接あるいは間接的に温めることで匂い成分の揮発を促し、濃縮される匂い成分の量を増やす。加熱された検体１の温度は、ガス検出システム１００５が置かれた環境温度よりも高い。

【0079】

第５の実施形態の第１容器１０の内部あるは気密経路４２には、さらに冷却装置８１が設けられてもよい。冷却装置８１は、ヒータ８０によって検体１から蒸発した水分を冷却することで凝縮・分離する。水分の分離により、第２空間２２に流入する気体に含まれる匂い成分の割合が増加し、ガス濃縮装置１０５の濃縮効率が向上する。特に、匂い成分の凝固点が水の凝固点より低い場合、両者の凝固点の中間の温度に冷却装置８１の温度を設定することで、水分は除去しながら匂い成分は除去しない構成を実現可能である。

【0080】

このように、第５の実施形態によれば、第１の実施形態よりも高い濃縮効率を有するガス濃縮装置１０５と、高い感度を有するガス検出システム１００５を提供できる。

【0081】

（第６の実施形態）
第６の実施形態のガス濃縮装置１０６及びガス検出システム１００６は、第１容器１０を有さない点で第１の実施形態と異なる。

【0082】

図８をもとに、第６の実施形態のガス検出システム１００６について説明する。図８は、第６の実施形態に係るガス検出システム１００６の構成を示す概略図である。

【0083】

第６の実施形態のガス濃縮装置１０６では、第２空間２２に検体１が格納される。

【0084】

ガス検出システム１００６の動作を説明する。ガス検出システム１００６の動作は、第１の実施形態で説明したステップＳ１～ステップＳ４をステップＳ１１、Ｓ１２に置き換えて実現できる。

【0085】

ステップＳ１１では、検体１が第２空間２２内部に格納される。

【0086】

ステップＳ１２は、第２空間２２から気体が排出されるステップである。ステップＳ１２では、まず、第３シャッタ５３が開状態にされる。次に、第２真空ポンプ６２によって第２空間２２から気体が大気中に排出される、その後、第３シャッタ５３が閉状態にされる。十分に時間が経過すると、既に気体が排出された第２空間２２内部に検体１から匂い成分が放出される。

【0087】

ガス検出システム１００６は、低圧環境下で匂い成分を拡散させるステップＳ１２と匂い成分を圧縮するステップＳ５が同じ第２容器２０で実現される。このため、複数ステップを並行して進めることができず連続サイクルの動作に時間がかかる一方、簡易な構成で濃縮動作を実現できる。

【0088】

このように、第６の実施形態によれば、第１の実施形態よりも簡易な構成で濃縮動作を実現できるガス濃縮装置１０６とガス検出システム１００６とを提供できる。

【0089】

第１～第６の実施形態は、適宜組み合わせて実現できる。例えば、第１容器１０に設けられる圧力制御装置３３に隔壁膜型圧縮機構や伸縮チャンバー型圧縮機構を採用してもよい。以上、説明した第１～第６の実施形態によれば、検体由来の匂い成分を濃縮して気体を検査することで高感度かつ高精度の検出を実現するガス検出システムを提供できる。

【0090】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0091】

１ 検体
１０ 第１容器
１１ 第１隔壁
１２ 第１空間
２０ 第２容器
２１ 第２隔壁
２２ 第２空間
３０～３３ 圧力制御装置
３４ ピストン
３５ 隔壁膜
３６ ポンプ
３７ 隔壁
３８ 駆動装置
４１ 第１気密経路
４２ 第２気密経路
４３ 第３気密経路
４４ 第４気密経路
４５ 第５気密経路
５１ 第１シャッタ
５２ 第２シャッタ
５３ 第３シャッタ
５４ 第４シャッタ
６１ 第１真空ポンプ
６２ 第２真空ポンプ
７０ 制御回路
８０ ヒータ
８１ 冷却装置
１００～１０６ ガス濃縮装置
２００ ケミカルセンサ
３００ 判定回路
４００ 不活性ガス供給部
１０００～１００６ ガス検出システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】