知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 独立行政法人産業技術総合研究所の特許一覧 ▶ 独立行政法人物質・材料研究機構の特許一覧
(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】2024-11-21
(45)【発行日】2024-11-29
(54)【発明の名称】ガス検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 27/12 20060101AFI20241122BHJP
G01N 27/04 20060101ALI20241122BHJP
G01N 31/00 20060101ALI20241122BHJP
【ＦＩ】
G01N27/12 B
G01N27/04 E
G01N27/12 D
G01N31/00 V
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023520911
(86)(22)【出願日】2022-03-29
(86)【国際出願番号】 JP2022015642
(87)【国際公開番号】W WO2022239551
(87)【国際公開日】2022-11-17
【審査請求日】2023-08-23
(31)【優先権主張番号】P 2021080920
(32)【優先日】2021-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110003339
【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】古賀 健司
(72)【発明者】
【氏名】洪 達超
(72)【発明者】
【氏名】石原 伸輔
【審査官】大瀧 真理
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１３６２９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１７５３６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１６８８１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０７３１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１２６３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５１５６２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２１／０７０７０５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第１９／０４９６９３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２１／０９５４４０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／１２
Ｇ０１Ｎ ２７／０４
Ｇ０１Ｎ ３１／００ － ３１／１０
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１ガス及び第２ガスを検出可能に構成され、第１センサ部と、前記第１センサ部の上流に位置する第１通過部と、を有する第１流路と、
第２センサ部と、前記第２センサ部の上流に位置する第２通過部と、を有する第２流路と、
前記第１及び２センサ部が並列接続され、前記第１及び第２センサ部の前記並列接続間の中点電位を検出可能に構成されたブリッジ回路と、
を備え、
前記第１及び第２センサ部並びに前記第１及び第２通過部が、前記第１ガスを前記第１及び第２流路に流した場合と、前記第２ガスを前記第１及び第２流路に流した場合とで、前記中点電位の極性が異なるように構成されており、
前記第１ガスは、アルケン類であり、
前記第２ガスは、アルコール類である
ガス検出装置。
【請求項2】
請求項１に記載のガス検出装置であって、前記第１通過部では、前記第１ガスが通過した際の酸の発生量が前記第２通過部よりも多く、
前記第２通過部では、前記第２ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１通過部よりも多く、
前記第１及び第２センサ部は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成されている
ガス検出装置。
【請求項3】
請求項２に記載のガス検出装置であって、前記第１通過部は、アルケン類をアルデヒド類に変換する第１触媒層と、前記第１触媒層より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第１反応層と、を有し、
前記第２通過部は、アルコール類をアルデヒド類に変換する第２触媒層と、前記第２触媒層より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第２反応層と、を有する
ガス検出装置。
【請求項4】
請求項２又は３に記載のガス検出装置であって、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、前記ブリッジ回路において前記第１及び第２センサ部に対して並列に接続された第３センサ部と、前記第３センサ部の上流に位置する第３通過部と、を有する第３流路を更に備え、
前記第３通過部では、前記第１ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１通過部よりも少なく、前記第２ガスが通過した際の酸の発生量が前記第２通過部よりも少ない
ガス検出装置。
【請求項5】
請求項２又は３に記載のガス検出装置であって、第３ガスを更に検出可能であり、
酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、前記ブリッジ回路において前記第１及び第２センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、前記第４センサ部の上流に位置し、前記第３ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１及び第２通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備える
ガス検出装置。
【請求項6】
請求項４に記載のガス検出装置であって、第３ガスを更に検出可能であり、
酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、前記ブリッジ回路において前記第１、第２、及び第３センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、前記第４センサ部の上流に位置し、前記第３ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１、第２、及び第３通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備える
ガス検出装置。
【請求項7】
請求項５又は６に記載のガス検出装置であって、前記第３ガスはアルデヒド類である、
ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガス検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスを検出するガス検出装置が様々な分野で活用されている。例えば、農業や食品の分野では、植物から放出されるエチレンや、エタノールなどの各種ガス分子を検出することで、その鮮度を評価して品質管理することが行われている。エチレン成分は、野菜や果物の熟成・老化を進行させる植物ホルモンであり、その濃度を適切に管理する必要がある。
【0003】
エチレンの濃度を電気化学的に検出可能な小型のガスセンサ（例えば、Ｄｒａｇｅｒ社製、Ｓｅｎｓｏｒ ＸＳ ＥＣ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒｓ ６８ ０９ １１５）などが市販されている。
また、特許文献１では、エチレン分子が遷移金属錯体に配位したときの、カーボンナノチューブの導電性の変化量から、エチレンを検出するセンサが開示されている。
また、特許文献１では、エチレン分子が遷移金属錯体に配位したときの、カーボンナノチューブの導電性の変化量から、エチレンを検出するセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１３／１８４２２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記のようなセンサを備えたガス検出装置では、エチレンの以外の有機化学物質にも応答することがあり、エチレンと、その他のガスとの２種以上のガスを識別して検出することに対応していない。
また、ガスクロマトグラフィーを用いた手法では、２種以上の各種ガスの検出が可能であるが、装置が大型であることに加え、分析に非常に多くの時間と手間がかかる。
また、ガスクロマトグラフィーを用いた手法では、２種以上の各種ガスの検出が可能であるが、装置が大型であることに加え、分析に非常に多くの時間と手間がかかる。
【0006】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、１つのガス検出装置で２種以上のガスを識別可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一形態に係るガス検出装置は、第１ガス及び第２ガスを検出可能に構成され、第１流路と、第２流路と、ブリッジ回路と、を備える。
上記第１流路は、第１センサ部と、上記第１センサ部の上流に位置する第１通過部と、を有する。
上記第２流路は、第２センサ部と、上記第２センサ部の上流に位置する第２通過部と、を有する。
上記ブリッジ回路は、上記第１及び２センサ部が並列接続され、上記第１及び第２センサ部の前記並列接続間の中点電位を検出可能に構成されている。
上記第１及び第２センサ部並びに上記第１及び第２通過部が、上記第１ガスを上記第１及び第２流路に流した場合と、上記第２ガスを上記第１及び第２流路に流した場合とで、上記中点電位の極性が異なるように構成されている。
上記第１流路は、第１センサ部と、上記第１センサ部の上流に位置する第１通過部と、を有する。
上記第２流路は、第２センサ部と、上記第２センサ部の上流に位置する第２通過部と、を有する。
上記ブリッジ回路は、上記第１及び２センサ部が並列接続され、上記第１及び第２センサ部の前記並列接続間の中点電位を検出可能に構成されている。
上記第１及び第２センサ部並びに上記第１及び第２通過部が、上記第１ガスを上記第１及び第２流路に流した場合と、上記第２ガスを上記第１及び第２流路に流した場合とで、上記中点電位の極性が異なるように構成されている。
【0008】
本発明のガス検出装置では、複数の流路に設けられるセンサ部を１つのブリッジ回路で並列接続することで、複数の流路に対して２種以上のガスを流したときにブリッジ回路から得られる出力結果が相互に異なるように構成することができる。したがって、本発明によれば、１つのガス検出装置で２種以上のガスを識別することが可能となる。
【0009】
ガス検出装置では、上記第１ガスをアルケン類とし、上記第２ガスをアルコール類とすることができる。
この場合、上記第１通過部では、上記第１ガスが通過した際の酸の発生量が上記第２通過部よりも多くすることができる。
上記第２通過部では、上記第２ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１通過部よりも多くすることができる。
上記第１及び第２センサ部は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成することができる。
この場合、上記第１通過部では、上記第１ガスが通過した際の酸の発生量が上記第２通過部よりも多くすることができる。
上記第２通過部では、上記第２ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１通過部よりも多くすることができる。
上記第１及び第２センサ部は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成することができる。
【0010】
上記第１通過部は、アルケン類をアルデヒド類に変換する第１触媒層と、上記第１触媒層より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第１反応層と、を有してもよい。
上記第２通過部は、アルコール類をアルデヒド類に変換する第２触媒層と、上記第２触媒層より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第２反応層と、を有してもよい。
上記第２通過部は、アルコール類をアルデヒド類に変換する第２触媒層と、上記第２触媒層より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第２反応層と、を有してもよい。
【0011】
ガス検出装置は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、上記ブリッジ回路において上記第１及び第２センサ部に対して並列に接続された第３センサ部と、上記第３センサ部の上流に位置する第３通過部と、を有する第３流路を更に備えてもよい。
上記第３通過部では、上記第１ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１通過部よりも少なく、上記第２ガスが通過した際の酸の発生量が上記第２通過部よりも少なくてもよい。
上記第３通過部では、上記第１ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１通過部よりも少なく、上記第２ガスが通過した際の酸の発生量が上記第２通過部よりも少なくてもよい。
【0012】
ガス検出装置は、第３ガスを更に検出可能に構成することができる。
この場合、ガス検出装置は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、上記ブリッジ回路において上記第１及び第２センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、上記第４センサ部の上流に位置し、上記第３ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１及び第２通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備えた構成とすることができる。
また、ガス検出装置は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、前記ブリッジ回路において前記第１、第２、及び第３センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、前記第４センサ部の上流に位置し、前記第３ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１、第２、及び第３通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備えた構成とすることもできる。
ガス検出装置では、上記第３ガスをアルデヒド類とすることができる。
この場合、ガス検出装置は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、上記ブリッジ回路において上記第１及び第２センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、上記第４センサ部の上流に位置し、上記第３ガスが通過した際の酸の発生量が上記第１及び第２通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備えた構成とすることができる。
また、ガス検出装置は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、前記ブリッジ回路において前記第１、第２、及び第３センサ部に対して並列に接続された第４センサ部と、前記第４センサ部の上流に位置し、前記第３ガスが通過した際の酸の発生量が前記第１、第２、及び第３通過部よりも少ない第４通過部と、を有する第４流路を更に備えた構成とすることもできる。
ガス検出装置では、上記第３ガスをアルデヒド類とすることができる。
【発明の効果】
【0013】
以上のように、本発明によれば、１つのガス検出装置で２種以上のガスを識別可能な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の第１の実施形態に係るガス検出装置の模式図である。
【図2】第１の実施形態に係るガス検出装置にエチレンとエタノールとをそれぞれを導入した時の第１及び第２センサ部の電流値の変化率を示すグラフである。
【図3】第１の実施形態に係るガス検出装置にエチレンとエタノールとの両方を含む試料ガスを導入した時の中点電位Ｖ１の経時変化を例示するグラフである。
【図4】本発明の第２の実施形態に係るガス検出装置の模式図である。
【図5】第２の実施形態に係るガス検出装置の模式図である。
【図6】第２の実施形態に係るガス検出装置の模式図である。
【図7】第２の実施形態に係るガス検出装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
＜第１の実施形態＞
［ガス検出装置１０の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス検出装置１０の模式図である。ガス検出装置１０は、相互に異なる種類の第１ガス及び第２ガスを検出可能に構成される。ガス検出装置１０は、第１流路Ｆ１と、第２流路Ｆ２と、ブリッジ回路ＢＣと、を備える。
［ガス検出装置１０の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス検出装置１０の模式図である。ガス検出装置１０は、相互に異なる種類の第１ガス及び第２ガスを検出可能に構成される。ガス検出装置１０は、第１流路Ｆ１と、第２流路Ｆ２と、ブリッジ回路ＢＣと、を備える。
【0016】
流路Ｆ１，Ｆ２は、相互に並列で配置されており、一方向に試料ガスＧを流すことが可能なように構成されている。
第１流路Ｆ１は、第１センサ部Ｓ１と、第１センサ部Ｓ１の上流に位置する第１通過部Ｔ１と、を有する。
第２流路Ｆ２は、第２センサ部Ｓ２と、第２センサ部Ｓ２の上流に位置する第２通過部Ｔ２と、を有する。
第１流路Ｆ１は、第１センサ部Ｓ１と、第１センサ部Ｓ１の上流に位置する第１通過部Ｔ１と、を有する。
第２流路Ｆ２は、第２センサ部Ｓ２と、第２センサ部Ｓ２の上流に位置する第２通過部Ｔ２と、を有する。
【0017】
ガス検出装置１０では、試料ガスＧが、ポンプＰを介して導入口Ｆ０から第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２の両方に同時に導入される。第１流路Ｆ１に導入された試料ガスＧは、第１通過部Ｔ１を通過して第１センサ部Ｓ１に到達する。第２流路Ｆ２に導入された試料ガスＧは、第２通過部Ｔ２を通過して第２センサ部Ｓ２に到達する。
通過部Ｔ１，Ｔ２は、通過する過程の試料ガスＧに含まれる第１及び第２ガスに対して相互に異なる作用を及ぼすように構成される。
センサ部Ｓ１，Ｓ２は、通過部Ｔ１，Ｔ２を通過した第１及び第２ガスを異なる電気信号として検出可能に構成される。
通過部Ｔ１，Ｔ２は、通過する過程の試料ガスＧに含まれる第１及び第２ガスに対して相互に異なる作用を及ぼすように構成される。
センサ部Ｓ１，Ｓ２は、通過部Ｔ１，Ｔ２を通過した第１及び第２ガスを異なる電気信号として検出可能に構成される。
【0018】
ガス検出装置１０は、センサ部Ｓ１，Ｓ２で検出される電気信号を統合して１つの出力結果を得るためにブリッジ回路ＢＣを用いる。
ブリッジ回路ＢＣは、センサ部Ｓ１，Ｓ２が並列接続され、センサ部Ｓ１，Ｓ２の並列接続間の中点電位Ｖ１を検出可能に構成される。つまり、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２で検出される電気信号に応じた中点電位Ｖ１が、並列接続されたセンサ部Ｓ１，Ｓ２に接続された導線間の電位差として検出される。
より詳細に、ブリッジ回路ＢＣは、直流電源ＰＳと接地点との間において、第１センサ部Ｓ１と第１可変抵抗Ｒ１とを直列に接続した回路と、第２センサ部Ｓ２と第２可変抵抗Ｒ２とを直列に接続した回路と、が並列に接続された構成を有する。中点電位Ｖ１は、第１センサ部Ｓ１と第１可変抵抗Ｒ１との間の第１接続点と、第２センサ部Ｓ２と第２可変抵抗Ｒ２との間の第２接続点と、の間の電位差として得られる。ガス検出装置１０では、第１及び第２接続点に接続された電位検出部Ｍによって中点電位Ｖ１を検出することができる。電位検出部Ｍは、少なくとも接続点間の電位差の極性を検出可能に構成されていればよく、例えば検流計を用いることができる。
ブリッジ回路ＢＣは、センサ部Ｓ１，Ｓ２が並列接続され、センサ部Ｓ１，Ｓ２の並列接続間の中点電位Ｖ１を検出可能に構成される。つまり、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２で検出される電気信号に応じた中点電位Ｖ１が、並列接続されたセンサ部Ｓ１，Ｓ２に接続された導線間の電位差として検出される。
より詳細に、ブリッジ回路ＢＣは、直流電源ＰＳと接地点との間において、第１センサ部Ｓ１と第１可変抵抗Ｒ１とを直列に接続した回路と、第２センサ部Ｓ２と第２可変抵抗Ｒ２とを直列に接続した回路と、が並列に接続された構成を有する。中点電位Ｖ１は、第１センサ部Ｓ１と第１可変抵抗Ｒ１との間の第１接続点と、第２センサ部Ｓ２と第２可変抵抗Ｒ２との間の第２接続点と、の間の電位差として得られる。ガス検出装置１０では、第１及び第２接続点に接続された電位検出部Ｍによって中点電位Ｖ１を検出することができる。電位検出部Ｍは、少なくとも接続点間の電位差の極性を検出可能に構成されていればよく、例えば検流計を用いることができる。
【0019】
ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２部及び通過部Ｔ１，Ｔ２が、第１ガスを流路Ｆ１，Ｆ２に流した場合と、第２ガスを流路Ｆ１，Ｆ２に流した場合とで、中点電位Ｖ１の極性が異なるように構成される。センサ部Ｓ１，Ｓ２部及び通過部Ｔ１，Ｔ２の構成は、第１及び第２ガスの組み合わせに応じて様々に決定可能である。
これにより、ガス検出装置１０は、中点電位Ｖ１の極性によって、試料ガスＧに含まれる第１及び第２ガスを識別可能となる。
これにより、ガス検出装置１０は、中点電位Ｖ１の極性によって、試料ガスＧに含まれる第１及び第２ガスを識別可能となる。
【0020】
なお、ブリッジ回路ＢＣとしては、上記の構成に限定されず、上記と同様の機能が得られる範囲内において様々な構成を採用可能である。
【0021】
［ガス検出装置１０の構成例］
第１の実施形態に係るガス検出装置１０の構成例として、第１ガスをアルケン類とし、第２ガスをアルコール類とした場合の構成について説明する。アルケン類としては、例えば、エチレンやプロピレンなどが挙げられる。また、アルコール類としては、例えば、メタノールやエタノールやプロパノールなどが挙げられる。
第１の実施形態に係るガス検出装置１０の構成例として、第１ガスをアルケン類とし、第２ガスをアルコール類とした場合の構成について説明する。アルケン類としては、例えば、エチレンやプロピレンなどが挙げられる。また、アルコール類としては、例えば、メタノールやエタノールやプロパノールなどが挙げられる。
【0022】
通過部Ｔ１，Ｔ２は、センサ部Ｓ１，Ｓ２間で検出される酸の空間濃度の差が、アルケン類とアルコール類とで逆方向の変化になるように、通過部Ｔ１，Ｔ２を通過したアルケン類及びアルコール類に対して作用を及ぼす構成とすることができる。
具体的に、第１通過部Ｔ１は、アルケン類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも多くなるように構成される。この一方で、第２通過部Ｔ２は、アルコール類が通過した際の酸の発生量が第１通過部Ｔ１よりも多くなるように構成される。
センサ部Ｓ１，Ｓ２は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成される。
上記構成により、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２が、アルケン類及びアルコール類に対して、相互に異なる電気抵抗値の変化を示すことで、アルケン類及びアルコール類に応じた異なる極性の中点電位Ｖ１が検出される。これにより、ガス検出装置１０では、第１及び第２ガスの識別が可能となる。
具体的に、第１通過部Ｔ１は、アルケン類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも多くなるように構成される。この一方で、第２通過部Ｔ２は、アルコール類が通過した際の酸の発生量が第１通過部Ｔ１よりも多くなるように構成される。
センサ部Ｓ１，Ｓ２は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成される。
上記構成により、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２が、アルケン類及びアルコール類に対して、相互に異なる電気抵抗値の変化を示すことで、アルケン類及びアルコール類に応じた異なる極性の中点電位Ｖ１が検出される。これにより、ガス検出装置１０では、第１及び第２ガスの識別が可能となる。
【0023】
通過部Ｔ１，Ｔ２は、異なる酸化能を有する構成とすることができる。
具体的に、第１通過部Ｔ１には、アルケン類をアルデヒド類に変換する第１触媒層Ｃ１と、第１触媒層Ｃ１より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第１反応層Ａ１と、を設けることができる。
第２通過部Ｔ２には、アルコール類をアルデヒド類に変換する第２触媒層Ｃ２と、第２触媒層Ｃ２より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第２反応層Ａ２と、を設けることができる。
この構成により、通過部Ｔ１，Ｔ２間の酸の発生量の差から、アルケン類及びアルコール類がより選択的に検出されやすく、アルケン類及びアルコール類をより確実に識別することができる。
具体的に、第１通過部Ｔ１には、アルケン類をアルデヒド類に変換する第１触媒層Ｃ１と、第１触媒層Ｃ１より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第１反応層Ａ１と、を設けることができる。
第２通過部Ｔ２には、アルコール類をアルデヒド類に変換する第２触媒層Ｃ２と、第２触媒層Ｃ２より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第２反応層Ａ２と、を設けることができる。
この構成により、通過部Ｔ１，Ｔ２間の酸の発生量の差から、アルケン類及びアルコール類がより選択的に検出されやすく、アルケン類及びアルコール類をより確実に識別することができる。
【0024】
ガス検出装置１０におけるセンサ部Ｓ１，Ｓ２の一構成例について説明する。
本構成例に係るセンサ部Ｓ１，Ｓ２では、酸との接触によって電気抵抗値が減少する性質を有する半導体材料を用いた。半導体材料としては、超分子ポリマーで分散されたカーボンナノチューブを用いた。
また、第１触媒層Ｃ１では、Ｐｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用いた。第２触媒層Ｃ２では、Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用いた。反応層Ａ１，Ａ２ではいずれも、ヒドロキシルアミン塩類を用いた。触媒層Ｃ１，Ｃ２及び反応層Ａ１，Ａ２の構成の詳細については後述する。
中点電位Ｖ１の変化を最も高感度に検出するための初期設定として、最初に清浄ガス（空気）を導入し、ＲＳ１（第１センサ部Ｓ１の電気抵抗値）＝ＲＲ１（第１可変抵抗Ｒ１の電気抵抗値）、ＲＳ２（第２センサ部Ｓ２の電気抵抗値）＝ＲＲ２（第２可変抵抗Ｒ２の電気抵抗値）、Ｖ１（中点電位）＝０に設定する。その後、ガス検出装置１０にエチレン及びエタノールをそれぞれ導入し、センサ部Ｓ１，Ｓ２の電流値の変化を測定した。
本構成例に係るセンサ部Ｓ１，Ｓ２では、酸との接触によって電気抵抗値が減少する性質を有する半導体材料を用いた。半導体材料としては、超分子ポリマーで分散されたカーボンナノチューブを用いた。
また、第１触媒層Ｃ１では、Ｐｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用いた。第２触媒層Ｃ２では、Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用いた。反応層Ａ１，Ａ２ではいずれも、ヒドロキシルアミン塩類を用いた。触媒層Ｃ１，Ｃ２及び反応層Ａ１，Ａ２の構成の詳細については後述する。
中点電位Ｖ１の変化を最も高感度に検出するための初期設定として、最初に清浄ガス（空気）を導入し、ＲＳ１（第１センサ部Ｓ１の電気抵抗値）＝ＲＲ１（第１可変抵抗Ｒ１の電気抵抗値）、ＲＳ２（第２センサ部Ｓ２の電気抵抗値）＝ＲＲ２（第２可変抵抗Ｒ２の電気抵抗値）、Ｖ１（中点電位）＝０に設定する。その後、ガス検出装置１０にエチレン及びエタノールをそれぞれ導入し、センサ部Ｓ１，Ｓ２の電流値の変化を測定した。
【0025】
図２は、上記構成例に係るセンサ部Ｓ１，Ｓ２における電流値の変化率（％）を例示するグラフである。
図２に示されるように、エチレンを導入した時には第２センサ部Ｓ２より第１センサ部Ｓ１で電流値が上昇し、エタノールを導入した時には第１センサ部Ｓ１より第２センサ部Ｓ２で電流値が上昇する。つまり、エチレンを導入した時とエタノールを導入した時とで電流値が相対的に逆の変化を示す。
この結果、ガス検出装置１０では、エチレンを検出すると中点電位Ｖ１が正電位を示し、エタノールを検出すると中点電位Ｖ１が負電位を示す。つまり、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２間の中点電位Ｖ１の極性を検出するだけで、エチレンとエタノールとを即時に識別することができる。したがって、本発明のガス検出装置１０では、独立した各センサの電気信号の検出や、各データの比較、解析を必要とせず、２種以上のガスを容易かつ即時に識別できる。
図２に示されるように、エチレンを導入した時には第２センサ部Ｓ２より第１センサ部Ｓ１で電流値が上昇し、エタノールを導入した時には第１センサ部Ｓ１より第２センサ部Ｓ２で電流値が上昇する。つまり、エチレンを導入した時とエタノールを導入した時とで電流値が相対的に逆の変化を示す。
この結果、ガス検出装置１０では、エチレンを検出すると中点電位Ｖ１が正電位を示し、エタノールを検出すると中点電位Ｖ１が負電位を示す。つまり、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ２間の中点電位Ｖ１の極性を検出するだけで、エチレンとエタノールとを即時に識別することができる。したがって、本発明のガス検出装置１０では、独立した各センサの電気信号の検出や、各データの比較、解析を必要とせず、２種以上のガスを容易かつ即時に識別できる。
【0026】
ガス検出装置１０における触媒層Ｃ１，Ｃ２及び反応層Ａ１，Ａ２の構成の具体例について説明する。
第１触媒層Ｃ１は、アルケン類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する性質を有し、アルコール類を酸化させる性能が乏しい触媒又は酸化触媒を備える。
第１触媒層Ｃ１には、パラジウム触媒を用いることが好ましい。
パラジウム触媒は、均一系（溶液系）及び不均一系（固体系）のパラジウム触媒が採用可能であるが、パラジウムイオン（Ｐｄ２＋）、（Ｐｄ３＋）、（Ｐｄ４＋）、その金属酸化物、又は金属パラジウム（Ｐｄ（０））を無機固体物に担持した不均一系触媒（固相触媒）が、センサとしての取り扱いに優れ、パラジウム触媒とアルケン類の接触効率を向上させる上で好ましい。
第１触媒層Ｃ１は、アルケン類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する性質を有し、アルコール類を酸化させる性能が乏しい触媒又は酸化触媒を備える。
第１触媒層Ｃ１には、パラジウム触媒を用いることが好ましい。
パラジウム触媒は、均一系（溶液系）及び不均一系（固体系）のパラジウム触媒が採用可能であるが、パラジウムイオン（Ｐｄ２＋）、（Ｐｄ３＋）、（Ｐｄ４＋）、その金属酸化物、又は金属パラジウム（Ｐｄ（０））を無機固体物に担持した不均一系触媒（固相触媒）が、センサとしての取り扱いに優れ、パラジウム触媒とアルケン類の接触効率を向上させる上で好ましい。
【0027】
パラジウムイオン（Ｐｄ２＋）、（Ｐｄ３＋）、（Ｐｄ４＋）、その金属酸化物、又は金属パラジウムを担持する無機固体物は、例示的には、活性炭、ゼオライト、二酸化チタン、シリカゲルなどの無機固体材料である。また、好ましくは、これらに塩化銅（ＣｕＣｌ２、ＣｕＣｌ）や、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を添加する。これにより、アルケン類のアルデヒド類及び／又はケトン類への酸化（一般的にこの触媒反応はＷａｃｋｅｒ酸化反応として知られる）が活性化し、安定性が向上し得る。
【0028】
無機固体物は、好ましくは、Ｖ２Ｏ５－ＴｉＯ２、ＣｅＯ２－ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５－ＣｅＯ２、Ｖ２Ｏ５－ゼオライト、ＣｅＯ２－ゼオライト、Ｖ２Ｏ５－ＳｉＯ２、ＣｅＯ２－ＳｉＯ２、Ｖ２Ｏ５－Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２－Ａｌ２Ｏ３、Ｃｕ２Ｏ－ＴｉＯ２、Ｃｕ２Ｏ－ＴｉＯ２、ＣｕＯ－ＴｉＯ２、ＣｕＯ－ＴｉＯ２、Ｃｕ２Ｏ－ゼオライト、Ｃｕ２Ｏ－ＳｉＯ２、ＣｕＯ－ゼオライト、ＣｕＯ－ＳｉＯ２、Ｃｕ２Ｏ－Ａｌ２Ｏ３、ＣｕＯ－Ａｌ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５－シリカアルミナ、ＣｅＯ２－シリカアルミナ、Ｃｕ２Ｏ－シリカアルミナ、ＣｕＯ－シリカアルミナ、Ｖ２Ｏ５－ＺｎＯ、ＣｅＯ２－ＺｎＯ、Ｃｕ２Ｏ－ＺｎＯ、ＣｕＯ－ＺｎＯ、Ｖ２Ｏ５－ＺｒＯ２、ＣｅＯ２－ＺｒＯ２、Ｃｕ２Ｏ－ＺｒＯ２、ＣｕＯ－ＺｒＯ２、Ｖ２Ｏ５－ＷＯ３、ＣｅＯ２－ＷＯ３、Ｃｕ２Ｏ－ＷＯ３、及び、ＣｕＯ－ＷＯ３からなる群から選択される。ここで、表記「Ｖ２Ｏ５－ＴｉＯ２」とは、ＴｉＯ２にＶ２Ｏ５が添加されていることを意図し、他も同様である。
【0029】
固体触媒は、好ましくは、（Ｐｄ,ＰｄＯ,ＰｄＯ２）ｘ（Ｖ２Ｏ５）ｙ（ＴｉＯ２）ｚで表される。式中のｘ、ｙ及びｚはそれぞれ、０．０００１≦ｘ≦０．１、０．００１≦ｙ≦０．５、０．４０≦ｚ≦０．９９８、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす。（Ｐｄ,ＰｄＯ,ＰｄＯ２）は、ＰｄとＰｄＯとＰｄＯ２が任意の存在比で混在している状態を示す。このような固体触媒を用いれば、上述したＷａｃｋｅｒ反応が促進する。
【0030】
固体触媒は、好ましくは、粉末であり、多孔質材料に担持又は内包されていてもよい。これにより、パラジウム触媒とヒドロキシルアミン塩類と半導体材料との離隔を容易にする。
【0031】
このような多孔質材料は、好ましくは、紙、セルロース、疎水性ポリマー、親水性ポリマー、多孔質ガラス、ガラスファイバー、多孔質炭素材料、及び、多孔質酸化物からなる群から選択される。これらの材料であれば、試料ガスが導入され、Ｗａｃｋｅｒ反応を阻害することはない。
【0032】
好ましくは、多孔質材料は、１０ｍ２／ｇ以上５０００ｍ２／ｇ以下の範囲の比表面積を有し、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲の細孔径を有し、０．０５ｃｍ３／ｇ以上０．９０ｃｍ３／ｇ以下の細孔容積を有する。これにより、反応に必要かつ将来的な交換を不要とするだけの固体触媒を担持できる。
【0033】
第１触媒層Ｃ１は、パラジウム触媒又は固体触媒を充填したカラムを備えてもよい。これにより、試料ガスに含まれるアルケン類とパラジウム触媒との接触を効率的に行うことができる。試料ガスはカラムに導入されるため、カラム内を通過する試料ガスの流速を遅くすれば、パラジウム触媒との接触時間が長くなり、アルケン類からアルデヒド類／ケトン類への変換率を向上することができる。
【0034】
第１触媒層Ｃ１は、加熱装置をさらに備えてもよい。これによりＷａｃｋｅｒ反応触媒の活性が増大し得る。加熱装置は、パラジウム触媒を２５℃以上２００℃以下の温度範囲で加熱できる任意の加熱装置を採用できる。
【0035】
第１触媒層Ｃ１は、酸素（Ｏ２）や水蒸気（Ｈ２Ｏ）を加湿する加湿装置を前段にさらに備えてもよい。これによりＷａｃｋｅｒ反応触媒の活性が増大し得る。
【0036】
第２触媒層Ｃ２は、アルコール類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する性質を有し、アルケン類を酸化させる性質を有しない触媒又は酸化触媒を備える。このような酸化剤又は酸化触媒は、クロロクロム酸ピリジニウム、ニクロム酸ピリジニウム、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）等を担持させた二酸化チタンなどであるが、Ｖ２Ｏ５であることが好ましい。
【0037】
反応層Ａ１，Ａ２におけるヒドロキシルアミン塩類は、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）を揮発性の酸で中和して得られる。例示的には、ハロゲン酸塩、硝酸塩及びトリフルオロ酢酸塩からなる群から選択される中和塩である。反応層Ａ１，Ａ２で発生した酸が揮発性であれば、離隔したセンサ部Ｓ１，Ｓ２まで拡散によって到達することができる。
【0038】
なお、硫酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩など不揮発性の酸からなる中和塩に、ＮａＣｌなどの揮発性の酸からなる中和塩を混合したものも、前述の揮発性の酸で中和して得られる塩（例示的には、ハロゲン酸塩、硝酸塩、及びトリフルオロ酢酸塩）に含まれる。
【0039】
これらのヒドロキシルアミン塩類は、容易に入手又は合成可能である。中でも、アルデヒド類又はケトン類と反応した際に揮発性の高い強酸が発生するものが、センサ部Ｓ１，Ｓ２に含まれる半導体材料を強く正孔ドープし、アルケン類の高感度検出につながるため好ましく、例示的には、ヒドロキシルアミンのハロゲン酸塩（ＮＨ２ＯＨ・ＨＣｌ、ＮＨ２ＯＨ・ＨＢｒ）やトリフルオロ酢酸塩（ＮＨ２ＯＨ・ＣＦ３ＣＯＯＨ）である。
【0040】
あるいは、ヒドロキシルアミン塩類は、ヒドロキシアミン誘導体ＮＨ２ＯＲ（Ｒは、芳香族、環式若しくは非環式の炭化水素化合物、又は、それらの誘導体である）のハロゲン酸塩、硝酸塩、トリフルオロ酢酸塩からなる群から選択される有機化合物の中和塩である。例えば、メチル化、アセチル化されたヒドロキシルアミン塩類があり得る。中でも、Ｒが芳香族のベンゼン環又はニトロベンゼンを含むハロゲン酸塩（ＮＨ２ＯＲ・ＨＣｌ、ＮＨ２ＯＲ・ＨＢｒ）、トリフルオロ酢酸塩（ＮＨ２ＯＲ・ＣＦ３ＣＯＯＨ）等であり、Ｏ－ベンジルヒドロキシルアミン塩酸塩などが例示される。なお、本明細書において、「誘導体」とは、官能基の導入、酸化、還元、原子の置換などを行っても元の構造や性質が大幅に変化しない程度に改変された化合物等を意図する。
【0041】
あるいは、ヒドロキシルアミン塩類は、ヒドロキシルアミンが、高分子や無機化合物の表面に坦持された固体材料ＮＨ２ＯＱ（Ｑは、高分子、ポリマービーズ、シリカゲルなど）であって、ハロゲン酸、硝酸、トリフルオロ酢酸処理によって中和されたものであってもよい。
【0042】
ヒドロキシルアミン塩類の代わりに、カルボニル化合物と縮合反応を起こすことが知られているアミン塩類やヒドラジン塩類、及びそれらの誘導体を用いてもよい。
【0043】
ヒドロキシルアミン塩類が結晶又は粉末状態の場合には、多孔質フィルターに内包されていてもよい。これにより、反応層Ａ１，Ａ２の取り扱いが簡便になる。
【0044】
このような多孔質フィルターは、ヒドロキシルアミン塩類との反応性がなく、ヒドロキシルアミン塩類を担持可能な細孔を有する材料からなればよい。例示的には、ろ紙等に代表される紙、疎水性ポリマー、親水性ポリマー、ポリマーフィルター、多孔質ガラス、多孔質炭素材料、及び多孔質酸化物からなる群から選択される材料からなる。これらは、市販品を容易に入手できる多孔質フィルターである。水による濡れを防ぐ目的では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの疎水性ポリマーからなる多孔質フィルターが好ましい。
【0045】
反応層Ａ１，Ａ２は、ヒドロキシルアミン塩類を充填したカラムを備えてもよい。これにより、触媒層Ｃ１，Ｃ２で生成したカルボニル化合物（アルデヒド類又はケトン類）とヒドロキシルアミン塩類との接触を効率的に行うことができる。生成したカルボニル化合物を含有するガスはカラムに導入されるため、カラム内を通過するガスの流速を遅くすれば、ヒドロキシルアミン塩類との接触時間が長くなり、アルデヒド類／ケトン類から酸への変換率を向上することができる。
【0046】
センサ部Ｓ１，Ｓ２における半導体材料は、酸の吸着によって電気抵抗値が変化する半導体材料であれば特に制限はないが、このような材料には、炭素材料、導電性高分子、無機半導体などがある。酸の吸着によって、電気抵抗値が増えるか減るかは、半導体材料の性質に依存するが、どちらの性質のものでも用いることができる。正孔ドープによって電気抵抗値が減少するｐ型半導体では、酸の吸着によって電気抵抗値が減少するものが多く、本明細書で用いているカーボンナノチューブはｐ型半導体であり、酸との接触によって電気抵抗値が減少することが知られている。なお、本明細書では、前述のように正孔ドープによって電気抵抗値が下がる半導体材料を例として説明を進めるが、正孔ドープによって電気抵抗値が上がる半導体材料を採用した場合には、同半導体材料を組み込んだブリッジ回路の中点電位の応答が逆となることは言うまでもない。
【0047】
炭素材料は、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン、フラーレン、及び、これらの誘導体からなる群から選択される材料である。これらは、酸の吸着によって電気抵抗値が変化することが知られている。中でも、カーボンナノチューブは入手が容易であるとともに、優れた電気物性と安定性を有しており、好ましい。誘導体としては、表面にアミン、カルボン酸等の官能基を有するものや、表面を分散剤等により被覆したものを意図する。
【0048】
また、カーボンナノチューブは、グラフェンの重なりの層数によって、単層、二層、多層カーボンナノチューブと分けられるが、本発明ではいずれも採用できる。中でも、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の一部は、半導体性を有しており、酸に対して電気抵抗値の変化を生じやすいため好ましい。また、ＳＷＣＮＴの表面は疎水的で安定なグラフェンシートであり、湿度変化に対する応答が小さく、酸によって変性しにくいことからも好ましい。
【0049】
ＳＷＣＮＴが半導体となるか金属体となるかは、グラフェンシートの巻き方のキラリティーによって決定され、合成されたＳＷＣＮＴは、半導体と金属体を２：１の割合で含む混合物である。酸の蒸気に対するＳＷＣＮＴの応答感度、すなわち電気抵抗値の変化量を増大させる目的で、半導体ＳＷＣＮＴを分離精製し、半導体ＳＷＣＮＴを半導体材料として供することもできる。半導体を分離精製する方法は、国際公開２０１９／０４９６９３に記載のカラム分離法などが採用できる。金属型カーボンナノチューブ対する半導体型単層カーボンの含有量比が２よりも大きくてもよい。
【0050】
また、通常、強いπ－π相互作用によってバンドル構造を形成しているＳＷＣＮＴを１本ずつに分散させてから電極上に塗布することで、酸蒸気と接触できるＳＷＣＮＴの表面積が増すので、酸蒸気への応答感度が増大し、それにより、アルデヒドの検出感度を増大させることができる。ＳＷＣＮＴを分散させる方法としては、溶媒中での超音波処理に加えて、分散剤による分散処理を併用することが採用できる。分散剤としては、国際公開２０１９／０４９６９３に記載の超分子ポリマーの他、ポリフルオレンなどのπ共役高分子や、ドデシル硫酸ナトリウムなどの両親媒性界面活性剤が採用できる。溶媒としては、有機溶媒と水が採用できる。有機溶媒の中でも、オルトジクロロベンゼンはＳＷＣＮＴの分散性が高いことが知れており、好ましい。
【0051】
半導体材料として用いられる導電性高分子は、例えば、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリパラフェニレン及びそれらの誘導体からなる群から選択される導電性高分子である。これらの導電性高分子であれば、酸の蒸気に接触することによって電気抵抗値が変化するので、センサ部Ｓ１，Ｓ２中の半導体材料として採用できる。
【0052】
例えば、ｐ型半導体であるポリチオフェンの場合には、広く実用化されているＰＥＤＯＴ（ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ＰＳＳ（ポリ（４－スチレンスルホン酸））のように、酸によって正孔ドープされることにより、導電性が上昇する。また、ポリアニリン、ポリピロールなどの塩基性官能基を含有した導電性高分子は、酸分子との親和性が高く、酸分子の吸着によるバンドギャップの変化に伴って電気抵抗値が変化するため、より好ましい。
【0053】
無機半導体は、例えば、ＳｎＯ２（酸化スズ）、Ｉｎ２Ｏ３（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）などガスセンサとして実績のある無機酸化物半導体が採用できる。
【0054】
半導体材料は、酸が吸着しやすいよう、内部空間を有しながら重なりあって、高い比表面積を有していることが望ましく、多孔体や網目構造体（ネットワーク）を形成してもよい。半導体材料は薄膜であることが、検出感度の向上において望ましい。
【0055】
半導体材料は、通常使用される電極材料からなる電極上に担持されるが、電極は、例示的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの合金、又はグラッシーカーボンなどの導電性炭素材料からなる群から選択される材料からなる。電極の形状は、例示的には、櫛形電極等である。
【0056】
流路Ｆ１，Ｆ２の通過部Ｔ１，Ｔ２での動作原理を説明する。
パラジウム触媒を含む第１触媒層Ｃ１は、試料ガスＧ中に含まれるアルケン類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する。アルケン類の酸化に関わる基質は、例示的には、酸素（Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）である。前述の基質が酸素と水である場合には、大気成分から容易に入手できるため望ましい。また、第２触媒層Ｃ２は、試料ガスＧ中に含まれるアルコール類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する。
パラジウム触媒を含む第１触媒層Ｃ１は、試料ガスＧ中に含まれるアルケン類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する。アルケン類の酸化に関わる基質は、例示的には、酸素（Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）である。前述の基質が酸素と水である場合には、大気成分から容易に入手できるため望ましい。また、第２触媒層Ｃ２は、試料ガスＧ中に含まれるアルコール類を酸化させてアルデヒド類及び／又はケトン類に変換する。
【0057】
反応層Ａ１，Ａ２では、ヒドロキシルアミン塩類が、触媒層Ｃ１，Ｃ２で生成したカルボニル化合物（アルデヒド類又はケトン類）と縮合反応し、酸の蒸気を発生する。ここでは、簡素化のため、カルボニル化合物としてアセトアルデヒド、及び、ヒドロキシルアミン塩類としてヒドロキシルアミン塩酸塩の場合を下記の式に示す。他のカルボニル化合物とヒドロキシアミン塩類の組み合わせであっても、同様の縮合反応によって酸を発生する。
ＣＨ３ＣＨＯ＋ＮＨ２ＯＨ・ＨＣｌ→ＣＨ３ＣＨ＝ＮＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ＨＣｌ
ＣＨ３ＣＨＯ＋ＮＨ２ＯＨ・ＨＣｌ→ＣＨ３ＣＨ＝ＮＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ＨＣｌ
【0058】
第１の実施形態に係るガス検出装置１０は、アルケン類及びアルコール類のいずれか一方を含む試料ガスＧのみならず、アルケン類及びアルコール類の両方を含む試料ガスＧからアルケン類及びアルコール類をそれぞれ検出することができる。一例として、ガス検出装置１０は、中点電位Ｖ１の経時変化からアルケン類及びアルコール類をそれぞれ検出することができる。
【0059】
例えば、試料ガスＧがエチレンとエタノールの両方を含むとき、エタノールが触媒に吸着するため、エタノール由来の酸の検出がエチレン由来の酸の検出よりも遅延する。これを利用して、中点電位Ｖ１の経時変化から、エタノールを識別することができる。
図３は、図１に示すガス検出装置１０にエチレンとエタノールとの両方を含む試料ガスＧを導入した時の中点電位Ｖ１の経時変化を例示するグラフである。
具体的には、時点ａにおいてガス検出装置１０に試料ガスＧが導入された後、まずエチレン由来の酸がセンサ部Ｓ１，Ｓ２に到達し、中点電位Ｖ１が上昇する。この挙動により、エチレンの存在を確認することができる。その後、時点ｂにおいて空気を導入することにより、触媒に吸着したエタノールを押し流す。これにより、エタノール由来の酸がセンサ部Ｓ１，Ｓ２に到達し、エタノール由来の酸がエチレン由来の酸よりも多く検出されるようになることで中点電位が下降する。この挙動により、エタノールの存在を確認することができる。
このように、ガス検出装置１０では、中点電位Ｖ１の経時変化から、エチレン及びエタノールの両方を含む試料ガスＧからエチレン及びエタノールをそれぞれ検出することができる。
図３は、図１に示すガス検出装置１０にエチレンとエタノールとの両方を含む試料ガスＧを導入した時の中点電位Ｖ１の経時変化を例示するグラフである。
具体的には、時点ａにおいてガス検出装置１０に試料ガスＧが導入された後、まずエチレン由来の酸がセンサ部Ｓ１，Ｓ２に到達し、中点電位Ｖ１が上昇する。この挙動により、エチレンの存在を確認することができる。その後、時点ｂにおいて空気を導入することにより、触媒に吸着したエタノールを押し流す。これにより、エタノール由来の酸がセンサ部Ｓ１，Ｓ２に到達し、エタノール由来の酸がエチレン由来の酸よりも多く検出されるようになることで中点電位が下降する。この挙動により、エタノールの存在を確認することができる。
このように、ガス検出装置１０では、中点電位Ｖ１の経時変化から、エチレン及びエタノールの両方を含む試料ガスＧからエチレン及びエタノールをそれぞれ検出することができる。
【0060】
＜第２の実施形態＞
［概要］
本発明の第２の実施形態に係るガス検出装置１０は、流路Ｆ１，Ｆ２に加えて他の流路を設けている点で第１の実施形態と異なる。本実施形態では、ガス検出装置１０に他の流路を設けることで、第１の実施形態の構成に対して追加の機能を付加することができる。
以下、本実施形態に係るガス検出装置１０に設ける流路の一例として第３流路Ｆ３及び第４流路Ｆ４について説明するが、本実施形態に係るガス検出装置１０に設ける各流路の構成及び流路の本数などといった構成は必要とされる機能に応じて適宜決定可能である。
［概要］
本発明の第２の実施形態に係るガス検出装置１０は、流路Ｆ１，Ｆ２に加えて他の流路を設けている点で第１の実施形態と異なる。本実施形態では、ガス検出装置１０に他の流路を設けることで、第１の実施形態の構成に対して追加の機能を付加することができる。
以下、本実施形態に係るガス検出装置１０に設ける流路の一例として第３流路Ｆ３及び第４流路Ｆ４について説明するが、本実施形態に係るガス検出装置１０に設ける各流路の構成及び流路の本数などといった構成は必要とされる機能に応じて適宜決定可能である。
【0061】
［第３流路Ｆ３を設けた構成］
図４は、第３流路Ｆ３が設けられたガス検出装置１０の模式図である。図４に示すガス検出装置１０では、第３流路Ｆ３を設けることで、アルケン類及びアルコール類の両方を含む試料ガスＧから、中点電位Ｖ１の経時変化を考慮することなく、アルケン類及びアルコール類をそれぞれ即時に検出することが可能となる。
第３流路Ｆ３は、流路Ｆ１，Ｆ２に対して並列で配置され、第３センサ部Ｓ３と、第３センサ部Ｓ３の上流に位置する第３通過部Ｔ３と、を有する。ガス検出装置１０では、試料ガスＧが、ポンプＰを介して導入口Ｆ０から第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、及び第３流路Ｆ３に同時に導入される。
図４は、第３流路Ｆ３が設けられたガス検出装置１０の模式図である。図４に示すガス検出装置１０では、第３流路Ｆ３を設けることで、アルケン類及びアルコール類の両方を含む試料ガスＧから、中点電位Ｖ１の経時変化を考慮することなく、アルケン類及びアルコール類をそれぞれ即時に検出することが可能となる。
第３流路Ｆ３は、流路Ｆ１，Ｆ２に対して並列で配置され、第３センサ部Ｓ３と、第３センサ部Ｓ３の上流に位置する第３通過部Ｔ３と、を有する。ガス検出装置１０では、試料ガスＧが、ポンプＰを介して導入口Ｆ０から第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、及び第３流路Ｆ３に同時に導入される。
【0062】
第３センサ部Ｓ３は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、ブリッジ回路ＢＣにおいてセンサ部Ｓ１，Ｓ２に対して並列に接続される。
ブリッジ回路ＢＣには、第３センサ部Ｓ３に直列に接続する第３可変抵抗Ｒ３が設けられる。
第３通過部Ｔ３では、アルケン類が通過した際の酸の発生量が第１通過部Ｔ１よりも少なく、アルコール類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも少ない。具体的に、第３通過部Ｔ３には、アルケン類及びアルコール類を実質的に変換しない第３触媒層Ｃ３と、第３触媒層Ｃ３より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第３反応層Ａ３と、が設けられる。
第３触媒層Ｃ３は、例えば、触媒層Ｃ１，Ｃ２に用いられる触媒を担持しない無機固体物を用いることができる。特に、第１触媒層にＰｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用い、第２触媒層にＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２に用いる場合には、第３触媒層Ｃ３にＴｉＯ２を用いることが好ましい。
なお、第３通過部Ｔ３は、第３触媒層Ｃ３と第３反応層Ａ３との少なくとも一方を設けない構成とすることもできる。
ブリッジ回路ＢＣには、第３センサ部Ｓ３に直列に接続する第３可変抵抗Ｒ３が設けられる。
第３通過部Ｔ３では、アルケン類が通過した際の酸の発生量が第１通過部Ｔ１よりも少なく、アルコール類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも少ない。具体的に、第３通過部Ｔ３には、アルケン類及びアルコール類を実質的に変換しない第３触媒層Ｃ３と、第３触媒層Ｃ３より下流に位置し、アルデヒド類と反応して酸を発生させる第３反応層Ａ３と、が設けられる。
第３触媒層Ｃ３は、例えば、触媒層Ｃ１，Ｃ２に用いられる触媒を担持しない無機固体物を用いることができる。特に、第１触媒層にＰｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用い、第２触媒層にＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２に用いる場合には、第３触媒層Ｃ３にＴｉＯ２を用いることが好ましい。
なお、第３通過部Ｔ３は、第３触媒層Ｃ３と第３反応層Ａ３との少なくとも一方を設けない構成とすることもできる。
【0063】
ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ２，Ｓ３間の中点電位Ｖ２を更に検出可能に構成される。第２センサ部Ｓ２では、第３センサ部Ｓ３よりもアルコール類が通過した際の電流値の変化が大きくなる。これにより、センサ部Ｓ２，Ｓ３間の中点電位Ｖ２の極性によって、アルコール類の有無を識別することができる。
これにより、この構成のガス検出装置１０では、例えば、中点電位Ｖ１の初期の極性からアルケン類を検出し、中点電位Ｖ２の極性からアルコール類を検出することができる。つまり、この構成のガス検出装置１０では、アルケン類及びアルコール類の両方を含む試料ガスＧから、中点電位Ｖ１の経時変化を考慮することなく、アルケン類及びアルコール類をそれぞれ即時に検出することができる。
なお、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ３間の中点電位Ｖ３を更に検出可能なようにブリッジ回路ＢＣを構成することで、中点電位Ｖ３の極性からアルケン類をより確実に検出することが可能となる。
これにより、この構成のガス検出装置１０では、例えば、中点電位Ｖ１の初期の極性からアルケン類を検出し、中点電位Ｖ２の極性からアルコール類を検出することができる。つまり、この構成のガス検出装置１０では、アルケン類及びアルコール類の両方を含む試料ガスＧから、中点電位Ｖ１の経時変化を考慮することなく、アルケン類及びアルコール類をそれぞれ即時に検出することができる。
なお、ガス検出装置１０では、センサ部Ｓ１，Ｓ３間の中点電位Ｖ３を更に検出可能なようにブリッジ回路ＢＣを構成することで、中点電位Ｖ３の極性からアルケン類をより確実に検出することが可能となる。
【0064】
［第４流路Ｆ４を設けた構成］
図５は、第４流路Ｆ４が設けられたガス検出装置１０の模式図である。図５に示すガス検出装置１０では、第４流路Ｆ４を設けることにより、第１及び第２ガスに加え、これらとは異なる種類の第３ガスを検出することが可能となる。第３ガスとしては、例えば、アルデヒド類が挙げられる。
第４流路Ｆ４は、流路Ｆ１，Ｆ２に対して並列で配置され、第４センサ部Ｓ４と、第４センサ部Ｓ４の上流に位置する第４通過部Ｔ４と、を有する。ガス検出装置１０では、試料ガスＧが、ポンプＰを介して導入口Ｆ０から第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、及び第４流路Ｆ４に同時に導入される。
図５は、第４流路Ｆ４が設けられたガス検出装置１０の模式図である。図５に示すガス検出装置１０では、第４流路Ｆ４を設けることにより、第１及び第２ガスに加え、これらとは異なる種類の第３ガスを検出することが可能となる。第３ガスとしては、例えば、アルデヒド類が挙げられる。
第４流路Ｆ４は、流路Ｆ１，Ｆ２に対して並列で配置され、第４センサ部Ｓ４と、第４センサ部Ｓ４の上流に位置する第４通過部Ｔ４と、を有する。ガス検出装置１０では、試料ガスＧが、ポンプＰを介して導入口Ｆ０から第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、及び第４流路Ｆ４に同時に導入される。
【0065】
第４センサ部Ｓ４は、酸の空間濃度によって電気抵抗値が変化するように構成され、ブリッジ回路ＢＣにおいてセンサ部Ｓ１，Ｓ２に対して並列に接続される。
ブリッジ回路ＢＣには、第４センサ部Ｓ４に直列に接続する第４可変抵抗Ｒ４が設けられる。
第４通過部Ｔ４では、アルデヒド類が通過した際の酸の発生量が通過部Ｔ１，Ｔ２よりも少ない。具体的に、第４通過部Ｔ４には、アルケン類及びアルコール類を実質的に変換しない第４触媒層Ｃ４が設けられる。
第４触媒層Ｃ４は、例えば、触媒層Ｃ１，Ｃ２に用いられる触媒を担持しない無機固体物を用いることができる。特に、第１触媒層にＰｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用い、第２触媒層にＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２に用いる場合には、第４触媒層Ｃ４にＴｉＯ２を用いることが好ましい。
なお、第４通過部Ｔ４は、第４触媒層Ｃ４を設けない構成とすることもできる。
ブリッジ回路ＢＣには、第４センサ部Ｓ４に直列に接続する第４可変抵抗Ｒ４が設けられる。
第４通過部Ｔ４では、アルデヒド類が通過した際の酸の発生量が通過部Ｔ１，Ｔ２よりも少ない。具体的に、第４通過部Ｔ４には、アルケン類及びアルコール類を実質的に変換しない第４触媒層Ｃ４が設けられる。
第４触媒層Ｃ４は、例えば、触媒層Ｃ１，Ｃ２に用いられる触媒を担持しない無機固体物を用いることができる。特に、第１触媒層にＰｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用い、第２触媒層にＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２に用いる場合には、第４触媒層Ｃ４にＴｉＯ２を用いることが好ましい。
なお、第４通過部Ｔ４は、第４触媒層Ｃ４を設けない構成とすることもできる。
【0066】
ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ２，Ｓ４間の中点電位Ｖ４を更に検出可能に構成される。
第４通過部Ｔ４では、アルデヒド類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも少ない。このため、第２センサ部Ｓ２では、第４センサ部Ｓ４よりもアルデヒド類が通過した際の電流値の変化が大きくなる。これにより、センサ部Ｓ２，Ｓ４間の中点電位Ｖ４の極性によって、アルデヒド類の有無を識別することができる。
また、ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ２，Ｓ４間の中点電位Ｖ４に代えて、センサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５を検出可能に構成されていてもよい。この構成では、センサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５の極性によって、アルデヒド類の有無を識別することができる。
第４通過部Ｔ４では、アルデヒド類が通過した際の酸の発生量が第２通過部Ｔ２よりも少ない。このため、第２センサ部Ｓ２では、第４センサ部Ｓ４よりもアルデヒド類が通過した際の電流値の変化が大きくなる。これにより、センサ部Ｓ２，Ｓ４間の中点電位Ｖ４の極性によって、アルデヒド類の有無を識別することができる。
また、ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ２，Ｓ４間の中点電位Ｖ４に代えて、センサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５を検出可能に構成されていてもよい。この構成では、センサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５の極性によって、アルデヒド類の有無を識別することができる。
【0067】
更に、ガス検出装置１０では、図６に示すように、第２通過部Ｔ２における第２触媒層Ｃ２と第２反応層Ａ２との間の位置において分岐させることで、第４流路Ｆ４を設けてもよい。この場合、第２通過部Ｔ２の第２触媒層Ｃ２が、第４通過部Ｔ４における図５に示す第４触媒層Ｃ４を兼ねる構成となる。第２触媒層Ｃ２ではアルデヒド類から実質的に酸を発生させないため、図６に示す構成でも図５に示す構成と同様の機能を得ることができる。
なお、上記のセンサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５を検出する構成では、第１通過部Ｔ１における第１触媒層Ｃ１と第１反応層Ａ１との間の位置において分岐させることで、第４流路Ｆ４を設けることができる。
なお、上記のセンサ部Ｓ１，Ｓ４間の中点電位Ｖ５を検出する構成では、第１通過部Ｔ１における第１触媒層Ｃ１と第１反応層Ａ１との間の位置において分岐させることで、第４流路Ｆ４を設けることができる。
【0068】
図７は、図４に示す第３流路Ｆ３が設けられた構成に対して第４流路Ｆ４が追加されたガス検出装置１０の模式図である。図７に示すガス検出装置１０では、第３流路Ｆ３による作用と第４流路Ｆ４による作用とが同時に得られる。第４流路Ｆ４は、流路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に対して並列に接続されている。
ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ３，Ｓ４間の中点電位Ｖ６を更に検出可能に構成される。
ガス検出装置１０では、ブリッジ回路ＢＣが、センサ部Ｓ３，Ｓ４間の中点電位Ｖ６を更に検出可能に構成される。
【0069】
図７に示すガス検出装置１０を用いることで、アルケン類、アルコール類、及びアルデヒド類の少なくとも１つを含み得る試料ガスＧについて、当該試料ガスＧに含まれるアルケン類、アルコール類、及びアルデヒド類の組み合わせを、中点電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６の極性の組み合わせとして即時に識別することができる。
【0070】
なお、試料ガスＧに含まれる２種以上のガスの濃度が極端に異なる場合には、極端に濃度の低いガスが含まれないものとして出力結果が得られることがある。このため、試料ガスＧに含まれる２種以上のガスを精度よく識別するために、試料ガスＧのうち最も高い濃度のガスと最も低い濃度のガスとの濃度の比率を、常識的な範囲に留めることが好ましく、具体的に、１００００倍以内に留めることが望ましく、１０００倍以内に留めることがより望ましく、１００倍以内に留めることが更に望ましい。
【0071】
具体的に、第１触媒層Ｃ１にＰｄ／Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２を用い、第２触媒層Ｃ２にＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２用い、第３触媒層Ｃ３にＴｉＯ２用い、反応層Ａ１～Ａ３にヒドロキシルアミン塩類を用い、センサ部Ｓ１～Ｓ４に超分子ポリマーで分散させたＳＷＣＮＴを用いた構成において、試料ガスＧに含まれるエチレン、エタノール、及びアセトアルデヒドの組み合わせ（１）～（８）と、中点電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６の極性の組み合わせと、の対応関係は表１に示すようになる。
【0072】
【表1】
【0073】
表１に示すように、試料ガスＧに含まれるエチレン、エタノール、及びアセトアルデヒドの組み合わせ（１）～（８）ではいずれも、中点電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６の極性の組み合わせが相互に異なる。したがって、この構成のガス検出装置１０では、中点電位Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６の極性の組み合わせによって、試料ガスＧにおけるエチレン、エタノール、及びアセトアルデヒドの有無を即時に判断することができる。
【符号の説明】
【0074】
１０…ガス検出装置
Ｆ１～Ｆ４…流路
Ｔ１～Ｔ４…通過部
Ａ１～Ａ３…反応層
Ｃ１～Ｃ４…触媒層
Ｓ１～Ｓ４…センサ部
Ｖ１～Ｖ６…中点電位
Ｒ１～Ｒ４…可変抵抗
ＢＣ…ブリッジ回路
Ｐ…ポンプ
Ｍ…電位検出部
Ｆ１～Ｆ４…流路
Ｔ１～Ｔ４…通過部
Ａ１～Ａ３…反応層
Ｃ１～Ｃ４…触媒層
Ｓ１～Ｓ４…センサ部
Ｖ１～Ｖ６…中点電位
Ｒ１～Ｒ４…可変抵抗
ＢＣ…ブリッジ回路
Ｐ…ポンプ
Ｍ…電位検出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】