WO2016174866A1 - 化学物質濃縮器 - Google Patents

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中谷　将也
厚夫 中尾
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Definitions

  • the present disclosure relates to a chemical substance concentrator that can concentrate volatile organic compounds in a sample.
  • Exhaust gas, air, exhaled air, etc. contain volatile organic compounds (VOC).
  • VOC volatile organic compounds
  • a conventional detection system that detects a volatile organic compound contained in a sample, the volatile organic compound is adsorbed by an adsorption unit. Thereafter, the detection system desorbs the volatile organic compound from the adsorption unit. The detached volatile organic compound is detected by the detection unit.
  • Patent Document 1 is known as a prior document relating to the above-described conventional detection system.
  • the chemical substance concentrator includes a cylinder and a plurality of adsorbing portions provided at predetermined intervals on a surface facing the inside of the cylinder.
  • the chemical concentrator can easily pass the sample.
  • FIG. 1 is a perspective perspective view schematically showing a chemical substance concentrator in an embodiment.
  • FIG. 2 is a top perspective view schematically showing the chemical substance concentrator in the embodiment.
  • 3A is a cross-sectional view of the chemical substance concentrator shown in FIG. 2 taken along line 3A-3A.
  • 3B is a cross-sectional view of the chemical substance concentrator shown in FIG. 2 taken along line 3B-3B.
  • FIG. 3C is an enlarged view of the chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4A is a side cross-sectional view schematically showing another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4B is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4C is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4D is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4E is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4F is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4G is a top perspective view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 4H is a top perspective view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 5 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 6 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 7 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 8 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator in the embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective perspective view schematically showing a chemical substance concentrator 10 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a top perspective view schematically showing the inside of the chemical substance concentrator 10.
  • 3A is a schematic cross-sectional view taken along line 3A-3A of chemical substance concentrator 10 shown in FIG.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along line 3B-3B of the chemical substance concentrator 10 shown in FIG.
  • the chemical substance concentrator 10 adsorbs molecules of chemical substances contained in the sample.
  • the sample is, for example, a gas such as exhaust gas, living space air, or human breath.
  • the chemical substance is, for example, a volatile organic compound (VOC).
  • the chemical substance concentrator 10 includes a cylindrical body 11, an adsorption unit 12, and a desorption mechanism 94.
  • the cylinder 11 has an inlet 16 for taking the sample into the cylinder 11 and an outlet 17 for discharging the sample to the outside of the cylinder 11.
  • a flow path 13 is formed through which the sample flows from the inlet 16 to the outlet 17 in the flow direction D10.
  • the cylindrical body 11 can use various shapes, such as a cylinder and a square tube, for example.
  • the cross section of the cylinder 11 shown in FIG. 1 has a quadrangular shape.
  • the cylindrical body 11 has inner surfaces 11A, 11B facing each other, an outer surface 11C opposite to the inner surface 11A, and an outer surface 11D opposite to the inner surface 11B.
  • the inner surfaces 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B constitute a flow path 13.
  • the width W of the cross section of the flow path 13 is 1 mm, and the height H1 is 30 ⁇ m.
  • the length L of the flow path 13 is 10 mm.
  • the cylinder 11 is made of an insulator, or made of a material whose surface facing the flow path 13 is covered with an insulator.
  • the cylinder 11 is made of, for example, an insulator such as glass, quartz, sapphire, or ceramic, or a silicon substrate on which thermally oxidized silicon is formed.
  • the inner surfaces 11A and 11B of the cylinder 11 may be formed of different materials. In that case, the member forming the cylinder 11 may be exposed from either the inner surface 11A or the inner surface 11B.
  • the adsorption unit 12 adsorbs chemical molecules contained in the sample.
  • a plurality of suction portions 12 are provided on the inner surface 11A of the cylindrical body 11 with a predetermined interval B1 therebetween.
  • the adsorption part 12 has a cylindrical shape.
  • the adsorption part 12 has an end part 12A fixed to the inner surface 11A of the cylindrical body 11 and an end part 12B opposite to the end part 12A.
  • the end 12 ⁇ / b> B is provided and fixed on the inner surface 11 ⁇ / b> B of the cylinder 11.
  • FIG. 3C is an enlarged view of the chemical substance concentrator 10 and shows the periphery of the adsorption unit 12.
  • the adsorption part 12 is composed of a plurality of dense fibers 15. By forming the adsorption part 12 with a plurality of fibers 15, the surface area of the adsorption part 12 can be increased.
  • the sample A10 contains a medium B10 that is a gas and a chemical molecule C10 that floats on the medium B10. Since the adsorbing part 12 is an aggregate of the fibers 15, it has an uneven surface and adsorbs the chemical molecule C10 while entraining the gaseous sample A10 (medium B10) as shown in FIG. 3C. it can.
  • the interval B ⁇ b> 1 (see FIG. 2) between the adsorbing portions 12 adjacent to each other is larger than the interval D ⁇ b> 15 between the fibers 15.
  • the fiber 15 has anisotropy.
  • the fiber 15 is grown using a vapor phase method or a liquid phase method after forming a layer for controlling the growth direction of the fiber 15, a material layer serving as a nucleus of the fiber 15, and a catalyst layer on the inner surface 11 ⁇ / b> A.
  • the fibers 15 are preferentially oriented in a direction substantially perpendicular to the inner surface 11A.
  • the fiber 15 is made of, for example, a metal such as ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 , In 2 ⁇ x Sn x O 3 (for example, 0.1 ⁇ x ⁇ 0.2), NiO, CuO, TiO 2 , and SiO 2. It is formed of an oxide. By causing interaction between oxygen on the surface of the metal oxide and molecules of the chemical substance, the molecules of the chemical substance can be adsorbed efficiently.
  • the fiber 15 is a nanowire or a nanofiber.
  • the fiber 15 is covered with an adsorbent 115 that selectively adsorbs chemical molecules.
  • nickel or silver when carbon monoxide is selectively adsorbed, nickel or silver can be used as the adsorbent 115.
  • molybdenum when adsorbing ammonia or chlorine, molybdenum can be used as the adsorbent 115.
  • zeolite When adsorbing nitrogen oxides, zeolite can be used as the adsorbent 115.
  • palladium can be used as the adsorbent 115.
  • polyaniline When water is adsorbed, polyaniline can be used as the adsorbent 115.
  • adsorbing molecules of a polar organic substance polyethylene glycol, PDMS (polydimethylsiloxane), or the like can be used as the adsorbent 115.
  • the adsorbent 115 is preferably made of a material having a surface having the same polarity as the polarity of the molecular plane.
  • the adsorbent 115 can be appropriately selected according to the molecule of the chemical substance to be adsorbed.
  • the fiber 15 may be formed of an adsorbent 115 that selectively adsorbs chemical substances.
  • the fibers 15 forming the adsorption unit 12 adsorb molecules of chemical substances, the fibers 15 may not be covered with the adsorbent 115.
  • the average diameter of the adsorption part 12 is several tens of ⁇ m or more and several hundreds of ⁇ m or less.
  • the average diameter D1 of the suction part 12 in the first embodiment shown in FIG. 2 is about 200 ⁇ m.
  • the adsorption part 112 of the plurality of adsorption parts 12 is arranged with an interval B1 of about 200 ⁇ m from the adsorption part 212 adjacent to the adsorption part 112 of the plurality of adsorption parts 12.
  • the plurality of suction portions 12 are alternately arranged so that the centers 12C of the suction portions 12 located close to each other in the flow direction D10 do not overlap.
  • the plurality of adsorbing units 12 are alternately arranged so that the centers 12C of the adsorbing units 12 adjacent to each other in the flow direction D10 do not overlap.
  • the sample passes between the plurality of adsorption parts 12 and flows from the inlet 16 to the outlet 17 in the flow direction D10. At this time, the sample is unlikely to flow between the plurality of fibers 15 in one adsorption part 12. This is because the plurality of fibers 15 are densely packed in one adsorption part 12, and the pressure loss in the adsorption part 12 is about 3 to 4 digits larger than the pressure loss between the plurality of adsorption parts 12. is there.
  • the height H2 of the suction portion 12 in the height direction DH from the inner surface 11A toward the inner surface 11B is 30 ⁇ m.
  • the suction part 12 extends from the inner surface 11A to the inner surface 11B. That is, the height H1 of the flow path 13 in the height direction DH is equal to the height H2 of the suction portion 12, and is 30 ⁇ m in the first embodiment.
  • a desorption mechanism 94 is provided on the outer surface 11C opposite to the inner surface 11A. By operating the desorption mechanism 94, the molecules of the chemical substance adsorbed on the adsorption unit 12 are desorbed from the adsorption unit 12 into the sample. Thereby, the chemical substance concentrator 10 can concentrate the chemical substance contained in the sample.
  • the desorbed chemical substance molecule is detected by, for example, a detection sensor provided downstream of the chemical substance concentrator 10 in the flow direction D10. Further, the adsorption unit 12 can recover the adsorption function by desorbing the molecules of the adsorbed chemical substance.
  • the desorption mechanism 94 is a heating unit 14 that is connected to the external power source 18 and heats the plurality of adsorption units 12.
  • the heating unit 14 in the first embodiment is made of a metal wire, a wiring pattern of a resistance heating material, or the like.
  • the heating unit 14 may be formed of a thin film made of NiCr processed into a meander shape.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of another chemical substance concentrator 10A in the embodiment.
  • the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the chemical substance concentrator 10 shown in FIGS. 1 to 3C.
  • the heating unit 14 that is the desorption mechanism 94 is provided inside the cylinder 11. Specifically, the heating unit 14 is provided between each of the plurality of adsorption units 12 and the cylindrical body 11. An insulating layer 20 is provided between each of the plurality of adsorption units 12 and the heating unit 14. Thereby, the current flowing through the heating unit 14 does not flow into the adsorption unit 12. Therefore, the heating unit 14 can efficiently heat the adsorption unit 12.
  • the heating unit 14 has opposite surfaces 14A and 14B.
  • the insulating layer 20 has opposite surfaces 20A and 20B.
  • the surface 14 ⁇ / b> B of the heating unit 14 is provided on the inner surface 11 ⁇ / b> A of the cylindrical body 11.
  • the surface 20B of the insulating layer 20 is provided on the surface 14A of the heating unit 14.
  • the surface 20A of the insulating layer 20 faces the flow path 13.
  • the end 12 ⁇ / b> A of the adsorption unit 12 is provided on the surface 20 ⁇ / b> A of the insulating layer 20.
  • the insulating layer 20 is very thin, and the adsorption unit 12 is substantially in contact with the heating unit 14.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10B in the embodiment.
  • the chemical substance concentrator 10B shown in FIG. 4B does not include the insulating layer 20 of the chemical substance concentrator 10A shown in FIG. 4A.
  • the adsorption unit 12 has an insulating property.
  • a surface 14 ⁇ / b> A of the heating unit 14 faces the flow path 13.
  • the end portions 12 ⁇ / b> A of the plurality of adsorption units 12 are provided in the heating unit 14.
  • suction part 12 does not need to have insulation.
  • the adsorbing portion 12 made of the aggregate of fibers 15 has a small heat capacity due to its structure, the adsorbing portion 12 is in contact with the heating portion 14 in the chemical substance concentrators 10A and 10B shown in FIGS. 4A and 4B. By being substantially in contact with each other, it is efficiently heated and the adsorbed molecule C10 can be desorbed. Thereby, the adsorption
  • the heating unit 14 may be made of a heat generating material such as a metal wire or a resistance heating material.
  • the heating unit 14 includes a plurality of heating portions A14 that respectively face the plurality of adsorption units 12, and a plurality of connection portions B14 that connect the plurality of heating portions A14 in series.
  • the plurality of heating portions A14 of the heating unit 14 are opposed to and substantially in contact with the end portions 12A of the plurality of adsorption units 12 through the thin insulating layer 20, respectively.
  • the plurality of heating portions A14 of the heating unit 14 are in contact with the end portions 12A of the plurality of adsorption units 12, respectively.
  • the heating portion A14 is made of a heat generating material patterned on the surface of the end portion 12A of the adsorption portion 12 or the surface 20B of the insulating layer 20 facing the end portion 12A.
  • the connection portion B14 is smaller than the heating portion A14. Has an area. As a result, only the adsorption unit 12 can be heated, so that the cooling rate after heating is increased, the chemical substance molecule C10 can be adsorbed and desorbed at high speed, and the adsorption unit 12 can be functioned with less power consumption. it can.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10C according to the embodiment.
  • the chemical substance concentrator 10 ⁇ / b> C includes a heating unit 114 that is a desorption mechanism 94 that heats the adsorption unit 12 instead of the heating unit 14 of the chemical substance concentrator 10 illustrated in FIG. 3A.
  • the heating unit 114 includes a lower electrode 141, nanofibers 142, and an upper electrode 143.
  • the nanofiber 142 is provided between the lower electrode 141 and the upper electrode 143.
  • the nanofiber 142 has conductivity.
  • the nanofiber 142 is electrically connected to the lower electrode 141 and the upper electrode 143.
  • the lower electrode 141 and the upper electrode 143 are connected to the external power source 18.
  • the upper electrode 143 is provided on the outer surface 11 ⁇ / b> C of the cylindrical body 11.
  • the nanofiber 142 generates heat due to the resistance of the nanofiber 142 when a current flows. Therefore, the nanofiber 142 can be used as the heating unit 14 of the chemical substance concentrator 10 shown in FIG. 3A.
  • the heating unit 114 becomes high temperature with less power. Therefore, the adsorption part 12 can be efficiently heated with low power. Moreover, the heat capacity of the nanofiber 142 is small. Therefore, the cooling speed of the heating unit 114 is fast. Therefore, the heating unit 114 using the nanofibers 142 can increase the heating / cooling rate of the adsorption unit 12.
  • the fibers 15 of the adsorption unit 12 and the nanofibers 142 of the heating unit 14 may be formed of the same material. Further, the fiber 15 and the nanofiber 142 may be formed of different materials.
  • chemical substance concentrators 10A and 10B illustrated in FIGS. 4A and 4B may include the heating unit 114 illustrated in FIG. 4C instead of the heating unit 14.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10D in the embodiment. 4D, the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the chemical substance concentrator 10A shown in FIG. 4A.
  • the chemical substance concentrator 10D includes a vibration unit 24 that is a desorption mechanism 94 instead of the heating unit 14 of the chemical substance concentrator 10A illustrated in FIG. 4A.
  • the vibration unit 24 can desorb the molecule C10 of the chemical substance adsorbed on the adsorption unit 12 by vibrating the adsorption unit 12.
  • the vibration unit 24 includes a lower electrode 241, a piezoelectric body 242 and an upper electrode 243.
  • the lower electrode 241 has opposite surfaces 241A and 241B.
  • the piezoelectric body 242 has opposite surfaces 242A and 242B.
  • the upper electrode 243 has opposite surfaces 243A and 243B.
  • the piezoelectric body 242 is provided between the lower electrode 241 and the upper electrode 243.
  • a surface 241B of the lower electrode 241 is provided on the inner surface 11A of the cylinder 11.
  • the surface 242B of the piezoelectric body 242 is provided on the surface 241A of the lower electrode 241.
  • the surface 243B of the upper electrode 243 is provided on the surface 242A of the piezoelectric body 242.
  • a plurality of insulating layers 20 are disposed on the surface 243 ⁇ / b> A of the upper electrode 243.
  • the end portions 12B of the plurality of adsorption portions 12 are joined to the surface 243A of the upper electrode 243 via the insulating layer 20.
  • an alternating voltage having a frequency of 1 MHz to 1 GHz between the lower electrode 241 and the upper electrode 243 the piezoelectric body 242 can be vibrated, and the molecule C10 of the chemical substance adsorbed on the adsorption portion 12 is desorbed by the vibration.
  • the piezoelectric body 242 is made of, for example, a piezoelectric material such as Pb (Zr, Ti) O 3 (lead zirconate titanate) or AlN (aluminum nitride).
  • FIG. 4E is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10E according to the embodiment.
  • a chemical substance concentrator 10E shown in FIG. 4E includes a vibrating part 124 instead of the vibrating part 24 of the chemical substance concentrator 10D shown in FIG. 4D.
  • the adsorption unit 12 is formed in one vibration unit 24.
  • the vibration unit 124 has a plurality of regions 124A to 124C that are separated from each other.
  • Each of the plurality of regions 124A to 124C of the vibration unit 124 includes a lower electrode 241, a piezoelectric body 242, and an upper electrode 243.
  • the capacitance of each of the regions 124A to 124C of the vibration unit 124 can be reduced, so that the resonance frequency of the regions 124A to 124C of the vibration unit 124 can be increased, and the regions 124A to 124C of the vibration unit 124 can be increased.
  • the regions 124A to 124C can be vibrated at different frequencies or at different timings, and selectivity can be given to desorption of molecules of the adsorbed chemical substance.
  • FIG. 4F is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10F according to the embodiment.
  • the chemical substance concentrator 10F includes a light irradiation unit 34 that functions as a desorption mechanism 94 instead of the heating unit 14 of the chemical substance concentrator 10 illustrated in FIG. 3A.
  • the light irradiation unit 34 is provided on the outer surface 11 ⁇ / b> D of the cylindrical body 11. By irradiating the adsorption unit 12 with light from the light irradiation unit 34, the molecule C10 of the chemical substance adsorbed on the adsorption unit 12 can be desorbed.
  • the cylinder 11 is preferably made of a material having a high light transmittance, such as glass.
  • a halogen lamp, a laser, a near infrared lamp, an infrared lamp, or the like can be used.
  • the heating units 14 and 114, the vibrating units 24 and 124, and the light irradiation unit 34 function as a desorption mechanism 94 that desorbs the molecule C10 of the chemical substance adsorbed on the adsorption unit 12.
  • the detachment mechanism 94 may not necessarily be provided depending on the intended use of the chemical substance concentrators 10, 10A to 10F.
  • an electrode may be connected to the fiber 15 of the adsorption unit 12 to pass an electric current.
  • suction part 12 itself functions as a heating part.
  • suction part 12 is not restricted to a cylindrical shape.
  • the adsorption part 12 may have an elliptical column shape or a polygonal column shape.
  • suction part 12 may have cone shape, a pyramid shape, or an elliptical cone shape.
  • FIG. 4G is a top perspective view of still another chemical substance concentrator 10G in the embodiment.
  • the adsorbing portions 12 are arranged in a row at intervals in the flow direction D10 from the inlet 16 toward the outlet 17 with the centers 12C of the plural adsorbing portions 12 overlapping. ing.
  • the pressure loss of the fluid can be further reduced, the sample can be easily passed through the flow path 13 even with a small pump having a small transport capacity.
  • the adsorption unit is filled with carbon nanofibers as an adsorbent inside the cylinder.
  • the density of the adsorbent filled in the adsorbing part is high, the pressure loss of the adsorbing part becomes high. Therefore, the sample is difficult to pass through the adsorption part.
  • FIG. 4H is a cross-sectional view of still another chemical substance concentrator 10H in the embodiment.
  • the same parts as those in the chemical substance concentrator 10G shown in FIG. 4G are denoted by the same reference numerals.
  • the plurality of adsorbing portions 12 are arranged in a row without any interval in the flow direction D10.
  • the number of the adsorbing portions 12 provided along the flow direction D10 is one, and the distance D15 between adjacent fibers 15 of the fibers 15 arranged along the flow direction D10 in one adsorbing portion 12 is the adsorbing portion 112.
  • a distance B1 see FIG.
  • the adsorption unit 12 is not limited to an aggregate of a plurality of fibers 15.
  • the adsorption part 12 may be formed of a material having a large number of fine pores such as a porous body.
  • the sample containing chemical substance molecules is inserted into the chemical substance concentrator 10. Those molecules are adsorbed by the adsorption part 12 in the flow path.
  • the height H1 of the flow path 13 is 30 ⁇ m, and the width W in the direction perpendicular to the height H1 and the flow direction D10 is 1 mm.
  • the chemical concentrator 10 has a pressure loss of about 3.2 kPa and a Reynolds number of 4.9.
  • the chemical substance concentrator 10 has a pressure loss of about 16 kPa and the Reynolds number is 24.7.
  • the chemical concentrator 10 has a pressure loss of about 31.9 kPa and a Reynolds number of 49.3.
  • a sample can be inserted into the chemical substance concentrator 10 using a small pump having a maximum static pressure of 80 kPa.
  • the inserted sample A10 flows so as to circulate around the adsorbing portion 12 as a laminar flow, and flows along the flow path 13.
  • the adsorbing portion 12 since the adsorbing portion 12 has a micro-size to sub-micro size uneven structure resulting from the fibers 15, vortex flows are generated in the vicinity of the unevenness.
  • a heavy substance such as VOC contained in the sample hits the fiber 15 by centrifugal force, so that it can be effectively adsorbed by a normal cylindrical adsorbing portion.
  • the Reynolds number is preferably less than 3000.
  • the flow of the sample A10 becomes a laminar flow behind the adsorption unit 12.
  • the Reynolds number is preferably less than 150.
  • FIG. 5 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator 30 in the embodiment.
  • the same parts as those in the chemical substance concentrator 10 shown in FIGS. 1 to 3C are denoted by the same reference numerals.
  • the chemical substance concentrator 30 is different from the chemical substance concentrator 10 in that it has a space above the adsorption unit 12. Other configurations are the same as those of the chemical substance concentrator 10.
  • the chemical substance concentrator 30 has a cylindrical body 11 and a plurality of adsorption portions 12 provided on the inner surface 11A of the cylindrical body 11.
  • the end portion 12B of the suction portion 12 is provided on the inner surface 11A, and the end portion 12A faces the inner surface 11B with a gap.
  • a space through which the sample flows is formed above the adsorption unit 12, that is, between the end 12A of the adsorption unit 12 and the inner surface 11B.
  • the height H3 that is the distance between the inner surfaces 11A and 11B of the flow path 13 is 40 ⁇ m
  • the height H2 of the suction portion 12 is 30 ⁇ m.
  • the suction part 12 is not in contact with the inner surface 11B. That is, the chemical substance concentrator 30 has a two-layer structure of a region 31 where the adsorption part 12 is formed and a region 32 where the adsorption part 12 is not formed.
  • the pressure loss of the chemical substance concentrator 30 can be calculated in a state where the flow path in which the adsorption part 12 is formed and the flow path in which the adsorption part 12 is not formed are connected in parallel.
  • the pressure loss is larger in the region 31 where the suction part 12 is formed than in the region 32 where the suction part 12 is not formed.
  • the pressure loss in the region 31 is preferably the same as the pressure loss in the region 32 or a difference of about one digit.
  • FIG. 6 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator 30A in the embodiment.
  • the adsorption unit 12 is inclined so as to extend toward the inlet 16 of the flow path 13.
  • the end 15B of the fiber 15 is disposed on the inner surface 11A.
  • the end 15 ⁇ / b> A of the fiber 15 is located closer to the inlet 16 of the flow path 13 than the end 15 ⁇ / b> B of the fiber 15. That is, the fiber 15 extends from the inner surface 11A at an acute angle with respect to the sample flow direction D10. That is, the end portions 12B of the plurality of adsorption portions 12 are located downstream of the end portion 12A in the sample flow direction D10.
  • the molecules of the chemical substance are adsorbed not only on the end portion 12 ⁇ / b> A that is the upper surface of the adsorption portion 12 but also on the fibers 15 inside the adsorption portion 12.
  • the fibers 15 inclined toward the inlet 16 are formed using crystalline fibers.
  • crystalline fibers For example, when hexagonal ZnO is used, a crystal layer serving as a nucleus of the fiber 15 is formed.
  • the crystal layer is formed using sputtering such as PVD (Physical Vapor Deposition).
  • Particles deposited by sputtering fly with a wide solid angle.
  • the c-axis direction of the obtained columnar crystal grows with dispersion from the vertical axis with respect to the substrate surface. Dispersion is strongly dependent on the flight angle of the particles.
  • the target is offset and the portion directly above the target erosion part is masked with a shielding plate.
  • a sputtering device flies particles so that a vertical component may not fly. Therefore, a columnar crystal layer having a c-axis inclined in one direction with respect to the substrate surface can be obtained.
  • fibers 15 inclined with respect to the substrate surface can be obtained.
  • the fiber 15 having an angle with respect to the flow direction D10 can be formed by setting the plane of the substrate to the inner surface 11A of the cylinder 11. The angle is, for example, 45 degrees to 80 degrees.
  • FIG. 7 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator 40 in the embodiment.
  • the same parts as those in the chemical substance concentrator 10 shown in FIGS. 1 to 3C are denoted by the same reference numerals.
  • the inlet 16 of the flow path 13 may be provided above the adsorption unit 12. That is, the fibers 15 of the adsorption part 12 extend vertically from the surface 14 ⁇ / b> A toward the inflow port 16. Accordingly, the flow direction D40 in which the sample flows has a component from the end 12A to the end 12B of the adsorption unit 12 and is inclined with respect to the adsorption unit 12.
  • FIG. 8 is a side sectional view schematically showing still another chemical substance concentrator 40A in the embodiment.
  • the flow path 13 of the inlet 16 may be inclined with respect to the adsorption unit 12. That is, the inflow port 16 is provided above the side near the inflow port 16 of the inner surface 11 ⁇ / b> A provided with the adsorption portion 12. In this way, the suction portion 12 may be inclined relative to the flow path 13.
  • the flow direction D40A in which the sample flows has a component from the end 12A to the end 12B of the adsorption unit 12 and is inclined with respect to the adsorption unit 12.
  • the chemical substance concentrators 40 and 40A can efficiently adsorb chemical molecules.
  • the chemical substance concentrator 10 (10A to 10H, 30, 30A, 40, 40A) includes the cylindrical body 11 and the plurality of adsorption portions 12 provided inside the cylindrical body 11.
  • the cylindrical body 11 forms a flow path 13 in which a sample A10 containing a chemical substance flows in the flow direction D10.
  • the plurality of adsorption units 12 adsorb chemical substances and desorb the adsorbed chemical substances.
  • the adsorption part 12 is an aggregate of a plurality of fibers 15 made of a metal oxide.
  • the plurality of adsorbing portions 12 are arranged with an interval B1 therebetween.
  • the interval B ⁇ b> 1 between the adsorbing portions 12 adjacent to each other among the plurality of adsorbing portions 12 may be larger than the interval D ⁇ b> 1 between the plurality of fibers 15 in the adsorbing portion 12.
  • the cylindrical body 11 may have an inner surface 11A on which a plurality of suction portions 12 are provided, and an inner surface 11B that faces the inner surface 11A of the cylindrical body 11 and is separated from the plurality of suction portions 12. .
  • the end 12A of the adsorption unit 12 may be located downstream in the flow direction D10 from the end 12B.
  • the plurality of fibers 15 may be made of ZnO.
  • the desorption mechanism 94 desorbs the chemical substances adsorbed by the plurality of adsorption units 12 from the plurality of adsorption units 12.
  • the desorption mechanism 94 may be a heating device 14 that heats the plurality of adsorption units 12.
  • the desorption mechanism 94 may be a vibration unit 24 that vibrates the plurality of adsorption units 12.
  • the desorption mechanism 94 may be the light irradiation unit 34 that irradiates light to the plurality of adsorption units 12.
  • the plurality of suction units 12 may be arranged alternately.
  • the plurality of suction units 12 may be arranged in a row.
  • the plurality of adsorbing portions 12 may be arranged in a line in the cross section of the cylindrical body 11 other than the above cross section without leaving an interval.
  • the plurality of adsorbing units 12 may desorb the adsorbed chemical substance into the sample A10.
  • the chemical substance concentrators 10, 10A to 10H, 30, 30A, 40, and 40A may be provided, for example, in piping provided in the detection system.
  • the cylinder 11 is a pipe of the detection system.

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Abstract

化学物質濃縮器は、筒体と、筒体の内部に面する面に所定の間隔を空けて設けられた複数の吸着部とを備える。その化学物質濃縮器は、試料を容易に通過させることができる。

Description

化学物質濃縮器
　本開示は、試料中の揮発性有機化合物を濃縮できる化学物質濃縮器に関する。
　排気ガス、空気および呼気等には、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が含まれている。試料中に含まれる揮発性有機化合物を検出する従来の検出システムにおいて、揮発性有機化合物は、吸着部で吸着される。その後、検出システムは、揮発性有機化合物を吸着部から脱離する。脱離された揮発性有機化合物は、検出部で検出される。
　なお、上記の従来の検出システムに関する先行文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０１２－２２０４５４号公報
　化学物質濃縮器は、筒体と、筒体の内部に面する面に所定の間隔を空けて設けられた複数の吸着部とを備える。
　その化学物質濃縮器は、試料を容易に通過させることができる。
図１は実施の形態における化学物質濃縮器を模式的に示す斜視透視図である。 図２は実施の形態における化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視図である。 図３Ａは図２に示す化学物質濃縮器の線３Ａ－３Ａにおける断面図である。 図３Ｂは図２に示す化学物質濃縮器の線３Ｂ－３Ｂにおける断面図である。 図３Ｃは実施の形態における化学物質濃縮器の拡大図である。 図４Ａは実施の形態における他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｂは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｃは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｄは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｅは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｆは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図４Ｇは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視面図である。 図４Ｈは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視面図である。 図５は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図６は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。 図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
　以下では、本開示の実施の形態に係る化学物質濃縮器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
　図１は実施の形態における化学物質濃縮器１０を模式的に示す斜視透視図である。図２は、化学物質濃縮器１０の内部を模式的に示す上面透視図である。図３Ａは、図２に示す化学物質濃縮器１０の線３Ａ－３Ａにおける模式断面図である。図３Ｂは、図２に示す化学物質濃縮器１０の線３Ｂ－３Ｂにおける模式断面図である。
　化学物質濃縮器１０は、試料中に含まれる化学物質の分子を吸着する。試料は、例えば、排気ガス、生活空間の空気、人の呼気などの気体である。化学物質は、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）である。
　化学物質濃縮器１０は、筒体１１と、吸着部１２と、脱離機構９４とを備える。
　筒体１１は、試料を筒体１１の内部に取り込む流入口１６と、試料を筒体１１の外部に吐き出す排出口１７とを有する。筒体１１の内部には、試料が流入口１６から排出口１７まで流れ方向Ｄ１０に流れて通過する流路１３が形成されている。筒体１１は、例えば、円筒や角筒など様々な形状を用いることができる。図１に示す筒体１１の断面は四角形状を有する。図３Ｂに示すように、筒体１１は、流路１３に面する互いに対向する内面１１Ａ、１１Ｂと、内面１１Ａの反対側の外面１１Ｃと、内面１１Ｂの反対側の外面１１Ｄとを有する。内面１１Ａ、１１Ｂは流路１３を構成する。
　実施の形態において流路１３の断面の幅Ｗは１ｍｍであり、高さＨ１は３０μｍである。流路１３の長さＬは１０ｍｍである。
　筒体１１は絶縁体よりなる、もしくは、流路１３に面する面が絶縁体で被覆されている材料よりなる。筒体１１は、例えば、ガラスや石英やサファイア、セラミックなどの絶縁体や、熱酸化シリコンが形成されたシリコン基板よりなる。
　筒体１１の内面１１Ａ、１１Ｂは互いに異なる材料より形成されていてもよい。その場合には、筒体１１を形成する部材は内面１１Ａもしくは内面１１Ｂのいずれか一つから露出していてもよい。
　吸着部１２は、試料に含まれる化学物質の分子を吸着する。筒体１１の内面１１Ａには、複数の吸着部１２が互いに所定の間隔Ｂ１を空けて設けられている。吸着部１２は円柱形状を有する。吸着部１２は、筒体１１の内面１１Ａに固定されている端部１２Ａと、端部１２Ａの反対側の端部１２Ｂとを有する。化学物質濃縮器１０では、端部１２Ｂは筒体１１の内面１１Ｂに設けられて固定されている。
　図３Ｃは化学物質濃縮器１０の拡大図であり、吸着部１２の周辺を示す。吸着部１２は、密集する複数の繊維１５よりなる。吸着部１２を複数の繊維１５で形成することにより、吸着部１２の表面積を大きくすることができる。試料Ａ１０は、気体である媒体Ｂ１０と、媒体Ｂ１０に浮遊する化学物質の分子Ｃ１０とを含有する。吸着部１２は、繊維１５の集合体であることから、凹凸を有する表面を有しており、図３Ｃに示すように気体である試料Ａ１０（媒体Ｂ１０）を巻き込みながら化学物質の分子Ｃ１０を吸着できる。
　筒体１１の流れ方向Ｄ１０に直角の断面において、互いに隣り合う吸着部１２の間の間隔Ｂ１（図２参照）は、繊維１５の間の間隔Ｄ１５よりも大きい。
　繊維１５は異方性を有している。繊維１５は、内面１１Ａに繊維１５の成長方向を制御する層や繊維１５の核となる材料層や触媒層を形成した後、気相法や液相法を用いて成長させる。繊維１５は、内面１１Ａに対して略垂直の方向に優先的に配向している。
　繊維１５は、例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２－ｘＳｎｘＯ３（例えば、０．１≦ｘ≦０．２）、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２などの金属酸化物により形成されている。金属酸化物の表面の酸素と化学物質の分子とが相互作用を起こすことで、効率よく化学物質の分子を吸着することができる。繊維１５は、ナノワイヤまたはナノファイバである。
　繊維１５は、化学物質の分子を選択的に吸着する吸着材１１５で被覆されている。
　例えば、一酸化炭素を選択的に吸着する場合、吸着材１１５としてニッケルや銀を用いることができる。また、アンモニアや塩素を吸着する場合、吸着材１１５としてモリブデンを用いることができる。窒素酸化物を吸着する場合、吸着材１１５としてゼオライトを用いることができる。水素を吸着する場合、吸着材１１５としてパラジウムを用いることができる。水を吸着する場合、吸着材１１５としてポリアニリンを用いることができる。また、有極性有機物質の分子を吸着する場合、吸着材１１５としてポリエチレングリコールや、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などを用いることができる。この場合、吸着材１１５は、分子の面の極性と同じ極性を有する表面を有する材料よりなることが好ましい。このように、吸着材１１５は、吸着する化学物質の分子に応じて適宜選択することができる。
　なお、繊維１５は、化学物質の分子を選択的に吸着する吸着材１１５で形成されてもよい。また、吸着部１２を形成する繊維１５自体が、化学物質の分子を吸着する場合、繊維１５は、吸着材１１５で被覆されていなくてもよい。
　吸着部１２の平均直径は、実施の形態１では、数十μｍ以上、数百μｍ以下である。図２に示す実施の形態１における吸着部１２の平均直径Ｄ１は約２００μｍである。
　複数の吸着部１２のうちの吸着部１１２は、複数の吸着部１２のうちの吸着部１１２に隣り合う吸着部２１２と約２００μｍの間隔Ｂ１を空けて配置されている。複数の吸着部１２は、流れ方向Ｄ１０において互いに近くに位置する吸着部１２の中心１２Ｃが重ならないように互い違いに配置されている。実施の形態における化学物質濃縮器１０では、複数の吸着部１２は、流れ方向Ｄ１０において互いに隣り合う吸着部１２の中心１２Ｃが重ならないように互い違いに配置されている。
　試料は、複数の吸着部１２の間を通過して、流入口１６から排出口１７へ流れ方向Ｄ１０に流れる。このとき、試料は、１つの吸着部１２の中の複数の繊維１５の間には流れにくい。これは、１つの吸着部１２において複数の繊維１５は密集しているので、吸着部１２内の圧力損失は、複数の吸着部１２の間の圧力損失よりも３桁～４桁程度大きいからである。
　実施の形態１において、内面１１Ａから内面１１Ｂに向かう高さ方向ＤＨにおける吸着部１２の高さＨ２は、３０μｍである。吸着部１２は、内面１１Ａから内面１１Ｂまで延びている。つまり、高さ方向ＤＨにおける流路１３の高さＨ１は吸着部１２の高さＨ２と等しく、実施の形態１では３０μｍである。
　内面１１Ａの反対側の外面１１Ｃには脱離機構９４が設けられている。脱離機構９４を動作させることにより、吸着部１２に吸着された化学物質の分子を吸着部１２から試料中に脱離させる。これにより、化学物質濃縮器１０は、試料に含まれる化学物質を濃縮することができる。
　脱離された化学物質の分子は、例えば、流れ方向Ｄ１０における化学物質濃縮器１０の下流に設けられた検出センサにより検出される。また、吸着した化学物質の分子を脱離させることにより、吸着部１２は、吸着機能を回復させることができる。
　図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０では、脱離機構９４は、外部電源１８に接続されて複数の吸着部１２を加熱する加熱部１４である。実施の形態１における加熱部１４は、金属線や抵抗加熱材料の配線パターンなどからなる。例えば加熱部１４は、ミアンダ形状に加工したＮｉＣｒからなる薄膜より形成されていてもよい。
　図４Ａは実施の形態における他の化学物質濃縮器１０Ａの断面図である。図４Ａにおいて、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａでは、脱離機構９４である加熱部１４は、筒体１１の内部に設けられている。具体的には、加熱部１４は、複数の吸着部１２のそれぞれと筒体１１との間に設けられる。複数の吸着部１２のそれぞれと加熱部１４との間には絶縁層２０が設けられる。これにより、加熱部１４に流れる電流は吸着部１２へ流れない。そのため、加熱部１４は、吸着部１２を効率よく加熱することができる。加熱部１４は互いに反対側の面１４Ａ、１４Ｂを有する。絶縁層２０は互いに反対側の面２０Ａ、２０Ｂを有する。加熱部１４の面１４Ｂは、筒体１１の内面１１Ａ上に設けられている。絶縁層２０の面２０Ｂは加熱部１４の面１４Ａ上に設けられている。絶縁層２０の面２０Ａは流路１３に面している。化学物質濃縮器１０Ａでは、吸着部１２の端部１２Ａは絶縁層２０の面２０Ａに設けられている。絶縁層２０は非常に薄く、吸着部１２は加熱部１４に実質的に接触している。
　図４Ｂは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｂの断面図である。図４Ｂにおいて、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ｂは、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａの絶縁層２０を備えていない。化学物質濃縮器１０Ｂでは、吸着部１２は絶縁性を有する。加熱部１４の面１４Ａが流路１３に面している。化学物質濃縮器１０Ｂでは、複数の吸着部１２の端部１２Ａは加熱部１４に設けられている。なお、吸着部１２は絶縁性を有していなくてもよい。
　繊維１５の集合体からなる吸着部１２はその構造状から熱容量が小さいので、図４Ａと図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ａ、１０Ｂにおいて、吸着部１２は、加熱部１４と接触しているもしくは実質的に接触していることで効率よく加熱され、吸着した分子Ｃ１０を脱離させることができる。これにより、繊維１５からなる吸着部１２は、少ない消費電力で化学物質を脱離させることができる。
　また、加熱部１４は金属線や抵抗加熱材料等の発熱材料よりなっていてもよい。例えば、加熱部１４は、複数の吸着部１２にそれぞれ対向する複数の加熱部分Ａ１４と、複数の加熱部分Ａ１４を直列に接続する複数の接続部分Ｂ１４とを有する。図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａでは加熱部１４の複数の加熱部分Ａ１４は薄い絶縁層２０を介して複数の吸着部１２の端部１２Ａにそれぞれ対向し、実質的にそれぞれ接触している。図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ｂでは加熱部１４の複数の加熱部分Ａ１４は複数の吸着部１２の端部１２Ａにそれぞれ接触している。加熱部分Ａ１４は、吸着部１２の端部１２Ａの面、または端部１２Ａに対向する絶縁層２０の面２０Ｂの部分にパターン形成された発熱材料よりなる、接続部分Ｂ１４は、加熱部分Ａ１４より小さい面積を有する。これにより、吸着部１２のみを加熱することが出来るため、加熱後の冷却速度が上がり高速で化学物質の分子Ｃ１０の吸着と脱離ができ、さらに少ない消費電力で吸着部１２を機能させることができる。
　図４Ｃは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｃの断面図である。図４Ｃにおいて、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｃは、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４の代わりに、吸着部１２を加熱する脱離機構９４である加熱部１１４を備える。加熱部１１４は、下部電極１４１、ナノファイバー１４２および上部電極１４３を備える。ナノファイバー１４２は、下部電極１４１と上部電極１４３との間に設けられている。ナノファイバー１４２は導電性を有する。ナノファイバー１４２は下部電極１４１および上部電極１４３と電気的に接続している。下部電極１４１および上部電極１４３は外部電源１８に接続されている。上部電極１４３は筒体１１の外面１１Ｃに設けられている。
　ナノファイバー１４２は、電流が流れることにより、ナノファイバー１４２が有する抵抗により発熱する。したがって、ナノファイバー１４２を図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４として利用することができる。
　ナノファイバー１４２を利用することにより、加熱部１１４は少ない電力で高温となる。そのため、低電力で、効率よく吸着部１２を加熱することができる。また、ナノファイバー１４２の熱容量は小さい。そのため、加熱部１１４の冷える速度は速い。したがって、ナノファイバー１４２を用いた加熱部１１４は、吸着部１２の加熱冷却速度を速くすることができる。
　吸着部１２の繊維１５と加熱部１４のナノファイバー１４２は、同じ材料で形成されていてもよい。また、繊維１５とナノファイバー１４２とは、異なる材料で形成されていてもよい。
　なお、図４Ａと図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ａ、１０Ｂは、加熱部１４の代わりに、図４Ｃに示す加熱部１１４を備えてもよい。
　図４Ｄは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｄの断面図である。図４Ｄにおいて、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｄは、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａの加熱部１４の代わりに、脱離機構９４である振動部２４を備える。振動部２４は吸着部１２を振動させることにより、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離することができる。振動部２４は、下部電極２４１、圧電体２４２および上部電極２４３を有する。下部電極２４１は互いに反対側の面２４１Ａ、２４１Ｂを有する。圧電体２４２は互いに反対側の面２４２Ａ、２４２Ｂを有する。上部電極２４３は互いに反対側の面２４３Ａ、２４３Ｂを有する。圧電体２４２は下部電極２４１と上部電極２４３との間に設けられている。下部電極２４１の面２４１Ｂは筒体１１の内面１１Ａに設けられている。圧電体２４２の面２４２Ｂは下部電極２４１の面２４１Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ｂは圧電体２４２の面２４２Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ａには複数の絶縁層２０が配置されている。複数の吸着部１２の端部１２Ｂは、絶縁層２０を介して上部電極２４３の面２４３Ａに接合している。下部電極２４１と上部電極２４３間に１ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数の交番電圧を印加することで圧電体２４２を振動させることができ、その振動により吸着部１２に吸着された化学物質の分子Ｃ１０は脱離する。圧電体２４２は、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛）やＡｌＮ（窒化アルミ）等の圧電材料により形成されている。
　図４Ｅは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｅの断面図である。図４Ｅにおいて、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄと同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅは、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄの振動部２４の代わりに振動部１２４を備える。図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄでは１つの振動部２４は吸着部１２が形成されている。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅでは、振動部１２４は互いに分離している複数の領域１２４Ａ～１２４Ｃを有する。振動部１２４の複数の領域１２４Ａ～１２４Ｃのそれぞれが下部電極２４１と圧電体２４２と上部電極２４３とを有する。この構造により、振動部１２４の領域１２４Ａ～１２４Ｃのそれぞれの静電容量を低減できるので、振動部１２４の領域１２４Ａ～１２４Ｃの共振周波数を上げることが可能であり、振動部１２４の領域１２４Ａ～１２４Ｃを高周波で容易に駆動して振動させることができる。また、領域１２４Ａ～１２４Ｃごとに異なる周波数で振動させることや、異なるタイミングで振動させることができ、吸着した化学物質の分子の脱離に選択性を持たせることができる。
　図４Ｆは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｆの断面図である。図４Ｆにおいて、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｆは、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４の代わりに、脱離機構９４として機能する光照射部３４を備える。光照射部３４は筒体１１の外面１１Ｄに設けられている。吸着部１２に光照射部３４で光を照射することにより、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離することができる。化学物質濃縮器１０Ｆでは筒体１１は、例えばガラスなどの、光の透過率が高い材料よりなることが好ましい。光照射部３４としては、例えば、ハロゲンランプやレーザー、近赤外ランプ、赤外ランプなどを用いることができる。
　このように、加熱部１４、１１４と振動部２４、１２４と光照射部３４は、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離させる脱離機構９４として機能する。なお、化学物質濃縮器１０、１０Ａ～１０Ｆの使用用途によって、脱離機構９４は必ずしも設けなくてもよい。
　また、吸着部１２の繊維１５に電極を接続して電流を流してもよい。これにより、吸着部１２はそれ自身が加熱部として機能する。
　なお、吸着部１２の形状は円柱形状に限られない。例えば、吸着部１２は、楕円柱形状や多角柱形状を有していてもよい。また、吸着部１２は、円錐形状、角錐形状、または楕円錐形状を有していてもよい。
　図４Ｇは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｇの上面透視図である。図４Ｇにおいて、図２に示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。また、図４Ｇに示すように、吸着部１２は、流入口１６から排出口１７へ向かう流れ方向Ｄ１０において、複数の吸着部１２の中心１２Ｃが重なった状態で間隔を空けて１列に配置されている。これにより、流体の圧力損失をより低減することができるため、輸送能力の小さい小型のポンプであっても、流路１３に試料を容易に通過させることができる。
　前述の従来の検出システムにおいて、吸着部は、筒体の内部に、吸着体として、カーボンナノファイバーが充填されている。しかしながら、吸着部は、充填される吸着体の密度が高い場合、吸着部の圧力損失は高くなる。そのため、試料は、吸着部を通過しにくい。
　図４Ｈは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｈの断面図である。図４Ｈにおいて、図４Ｇに示す化学物質濃縮器１０Ｇと同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｈでは、流れ方向Ｄ１０において複数の吸着部１２は間隔を空けずに１列に配置されている。例えば、流れ方向Ｄ１０に沿って設けられる吸着部１２は１つであり、１つの吸着部１２において流れ方向Ｄ１０に沿って配置される繊維１５の隣り合う繊維１５間の距離Ｄ１５は、吸着部１１２及び吸着部２１２との間の流れ方向Ｄ１０に垂直な方向の距離Ｂ１（図２参照）よりも小さい。これにより、流体の圧力損失を低減した状態で吸着部１２の密度を増加させることができるため、試料を効率よく吸着部１２に吸着させることができる。
　また、吸着部１２は、複数の繊維１５の集合体に限られない。吸着部１２は、例えば、多孔質体等の多数の微細空孔を有する材料により形成されていてもよい。
　以下、化学物質濃縮器１０の動作について説明する。
　化学物質の分子を含む試料は、化学物質濃縮器１０に挿入される。それらの分子は、流路内の吸着部１２に吸着される。
　例えば、実施の形態における化学物質濃縮器１０では、流路１３の高さＨ１は３０μｍであり、高さＨ１と流れ方向Ｄ１０とに直角の方向の幅Ｗは１ｍｍである。１ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約３．２ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は４．９である。また、５ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約１６ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は、２４．７である。１０ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約３１．９ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は４９．３である。
　このような構成とすることにより、例えば、最大静圧８０ｋＰａの小型のポンプを用いて、試料を化学物質濃縮器１０内に挿入することができる。
　吸着部１２が流路の断面の全面に渡って充填されている比較例の化学物質濃縮器について検討する。この化学物質濃縮器において１ｍｌ／ｍｉｎの流量で試料を流す場合、化学物質濃縮器の圧力損失は約１０００００ｋＰａ以上である。そのため、容量の小さい小型のポンプでは比較例の化学物質濃縮器に試料を挿入することが難しい。
　図３Ｃに示すように、挿入された試料Ａ１０は層流として吸着部１２を回り込むように流れ、流路１３に沿って流れる。このとき吸着部１２の近傍では吸着部１２が繊維１５からなることに起因したマイクロサイズからサブマイクロサイズの凹凸構造からなるため、凹凸近傍で渦流が発生する。この渦流により試料中に含まれるＶＯＣなどの重い物質が遠心力により繊維１５へ当たることで通常の円柱状の吸着部より効果的に吸着することができる。
　また、化学物質濃縮器１０に試料Ａ１０を送る場合、レイノルズ数は、３０００未満であることが望ましい。これにより、試料Ａ１０の流れは、吸着部１２の後方において層流となる。
　さらに、レイノルズ数は１５０未満であることが好ましい。このような構成により、吸着部１２の後方にカルマン渦が発生しない。したがって、吸着部１２の後方にも試料Ａ１０が回り込み、より多くの化学物質の分子Ｃ１０が吸着される。
　図５は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器３０を模式的に示す側断面図である。図５において、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器３０は、吸着部１２の上方に空間を有する点で、化学物質濃縮器１０と相違する。その他の構成は、化学物質濃縮器１０と同様である。
　化学物質濃縮器３０は、筒体１１と、筒体１１の内面１１Ａに設けられた複数の吸着部１２とを有する。吸着部１２の端部１２Ｂは内面１１Ａに設けられ、端部１２Ａは内面１１Ｂと間隔を空けて対向する。
　吸着部１２の上方すなわち吸着部１２の端部１２Ａと内面１１Ｂとの間には、試料が流れる空間が形成されている。
　例えば、流路１３の内面１１Ａ、１１Ｂ間の距離である高さＨ３は４０μｍであり、吸着部１２の高さＨ２は３０μｍである。吸着部１２は内面１１Ｂとは、接触していない。つまり、化学物質濃縮器３０は、吸着部１２が形成された領域３１と、吸着部１２が形成されていない領域３２の２層構造を有する。
　化学物質濃縮器３０の圧力損失は、吸着部１２が形成された流路と、吸着部１２が形成されていない流路が並列に接続されている状態で計算できる。
　なお、吸着部１２が形成された領域３１は、吸着部１２が形成されていない領域３２よりも圧力損失が大きい。領域３１と領域３２の圧力損失の差が大きくなると、吸着部１２が形成された領域３１に試料が流れにくくなる。そのため、領域３１の圧力損失は、領域３２の圧力損失と同じまたは、１桁程度の差であることが好ましい。
　図６は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器３０Ａを模式的に示す側断面図である。図６において、図５に示す化学物質濃縮器３０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示す化学物質濃縮器３０Ａでは、吸着部１２は、流路１３の流入口１６に向かって延びるように傾いている。繊維１５の端部１５Ｂは、内面１１Ａに配置されている。繊維１５の端部１５Ａは、繊維１５の端部１５Ｂよりも、流路１３の流入口１６のより近くに位置する。つまり、繊維１５は、試料の流れ方向Ｄ１０に対して鋭角を向いて内面１１Ａから延びる。すなわち、複数の吸着部１２の端部１２Ｂは、端部１２Ａよりも、試料の流れ方向Ｄ１０において下流に位置している。
　これにより、試料は、吸着部１２内の繊維１５の間にも入りやすくなる。そのため、化学物質の分子は、吸着部１２の上面である端部１２Ａだけでなく、吸着部１２の内部の繊維１５にも吸着される。
　流入口１６に向かって傾斜する繊維１５は、結晶性の繊維を用いて形成される。例えば、六方晶系のＺｎＯを用いる場合、繊維１５の核となる結晶層を形成する。結晶層は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等のスパッタリングを用いて形成される。
　スパッタリングで蒸着される粒子は、広い立体角で飛翔する。得られる柱状結晶のｃ軸方向は、基板面に対して垂直軸から分散を有して成長する。分散は、粒子の飛翔角度に強く依存する。
　スパッタリング装置において、ターゲットをオフセットさせ、ターゲットエロージョン部の直上を遮蔽板でマスキングする。これにより、スパッタリング装置は、垂直成分が飛翔しないように粒子を飛ばす。したがって、基板表面に対して、一方向に傾斜したｃ軸を有する柱状結晶の結晶層が得られる。
　形成した結晶層に、気相法や液相法を用いて繊維を形成することにより、基板面に対して傾斜した繊維１５を得ることができる。例えば、基板の平面を筒体１１の内面１１Ａとすることにより、流れ方向Ｄ１０に対して角度を有する繊維１５を形成することができる。角度は、例えば、４５度～８０度である。
　図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器４０を模式的に示す側断面図である。図７において、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示す化学物質濃縮器４０では、流路１３の流入口１６を吸着部１２の上方に設けてもよい。つまり、吸着部１２の繊維１５は、表面１４Ａから流入口１６に向かって垂直に延びている。これにより、試料が流れる流れ方向Ｄ４０が吸着部１２の端部１２Ａから端部１２Ｂに向かう成分を有して、吸着部１２に対して傾斜している。
　図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器４０Ａを模式的に示す側断面図である。図８において、図７に示す化学物質濃縮器４０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８に示す化学物質濃縮器４０Ａでは、流入口１６の流路１３を吸着部１２に対して角度を有するように傾斜させてもよい。つまり、流入口１６は、吸着部１２が設けられた内面１１Ａの流入口１６に近い側の上方に設けられている。このように、流路１３に対して吸着部１２を相対的に傾けてもよい。これにより、試料が流れる流れ方向Ｄ４０Ａは、吸着部１２の端部１２Ａから端部１２Ｂに向かう成分を有して、吸着部１２に対して傾斜している。
　これにより、試料は、吸着部１２の繊維１５の間に入り込むことができる。化学物質濃縮器４０、４０Ａは、化学分子を効率よく吸着することができる。
　上述のように、化学物質濃縮器１０（１０Ａ～１０Ｈ、３０、３０Ａ、４０，４０Ａ）は、筒体１１と、筒体１１の内部に設けられた複数の吸着部１２とを備える。筒体１１は化学物質を含む試料Ａ１０が流れ方向Ｄ１０に流れる流路１３を形成する。複数の吸着部１２は、化学物質を吸着してかつ吸着した化学物質を脱離させる。吸着部１２は、金属酸化物からなる複数の繊維１５の集合体である。流れ方向Ｄ１０に対して垂直な筒体１１の断面において、複数の吸着部１２は互いに間隔Ｂ１を空けて配置されている。
　筒体１１の断面において、複数の吸着部１２のうちの互いに隣り合う吸着部１２の間の間隔Ｂ１は、吸着部１２における複数の繊維１５の間の間隔Ｄ１よりも大きくてもよい。
　筒体１１は、複数の吸着部１２が設けられている内面１１Ａと、筒体１１の内面１１Ａと対向してかつ複数の吸着部１２から離間している内面１１Ｂとを有していてもよい。
　吸着部１２の端部１２Ａは、端部１２Ｂよりも、流れ方向Ｄ１０において下流に位置していてもよい。
　複数の繊維１５はＺｎＯよりなっていてもよい。
　脱離機構９４は、複数の吸着部１２に吸着された化学物質を複数の吸着部１２から脱離させる。
　脱離機構９４は複数の吸着部１２を加熱する加熱装置１４であってもよい。
　脱離機構９４は複数の吸着部１２を振動させる振動部２４であってもよい。
　脱離機構９４は複数の吸着部１２に光を照射する光照射部３４であってもよい。
　複数の吸着部１２は互い違いに配置されていてもよい。
　複数の吸着部１２は一列に配置されていてもよい。
　複数の吸着部１２は、筒体１１の上記断面以外の断面において間隔を空けずに一列に配置されていてもよい。
　複数の吸着部１２は、吸着した化学物質を試料Ａ１０内に脱離させてもよい。
　なお、化学物質濃縮器１０、１０Ａ～１０Ｈ、３０、３０Ａ、４０，４０Ａは、例えば、検出システムに設けられる配管内に設けられていてもよい。この場合には、筒体１１は検出システムの配管である。
　以上、一つまたは複数の態様に化学物質濃縮器について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
１０，１０Ａ～１０Ｈ，３０，３０Ａ，４０，４０Ａ　　化学物質濃縮器
１１　　筒体
１１Ａ　　内面（第一の内面）
１１Ｂ　　内面（第二の内面）
１２　　吸着部
１２Ａ　　端部（第一の端部）
１２Ｂ　　端部（第二の端部）
１３　　流路
１４　　加熱部
１５　　繊維
１６　　流入口
１７　　排出口
１８　　電源
９４　　脱離機構

Claims (13)

  1. 　化学物質を含む試料が流れ方向に流れる流路を形成する筒体と、
    　前記筒体の内部に設けられて、前記化学物質を吸着してかつ前記吸着した化学物質を脱離させる複数の吸着部と、
    を備え、
    前記複数の吸着部のそれぞれの吸着部は、金属酸化物からなる複数の繊維の集合体であり、
    前記流れ方向に対して垂直な前記筒体の断面において、前記複数の吸着部は互いに間隔を空けて配置されている、化学物質濃縮器。
  2. 前記筒体の前記断面において、前記複数の吸着部のうちの互いに隣り合う吸着部の間の間隔は、前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部における前記複数の繊維の間の間隔よりも大きい、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
  3. 前記筒体は、前記複数の吸着部が設けられている第一の内面と、前記筒体の前記第一の内面と対向してかつ前記複数の吸着部から離間している第二の内面とを有する、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
  4. 前記筒体は、第一の内面と前記第一の内面に対向する第二の内面とを有し、
    前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部は、前記第一の内面に設けられた第一の端部と、前記第一の端部の反対側にありかつ前記第二の内面に対向する第二の端部とを有し、
    前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部の第一の端部は、前記第二の端部よりも、前記流れ方向において下流に位置している、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
  5. 前記複数の繊維はＺｎＯよりなる、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
  6. 前記複数の吸着部に吸着された前記化学物質を前記複数の吸着部から脱離させる脱離機構をさらに備えた、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
  7. 前記脱離機構は前記複数の吸着部を加熱する加熱装置である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
  8. 前記脱離機構は前記複数の吸着部を振動させる振動部である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
  9. 前記脱離機構は前記複数の吸着部に光を照射する光照射部である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
  10. 前記複数の吸着部は互い違いに配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
  11. 前記複数の吸着部は一列に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
  12. 前記複数の吸着部は、前記筒体の前記断面以外の断面において間隔を空けずに一列に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
  13. 前記複数の吸着部は、前記吸着した化学物質を前記試料内に脱離させる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
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