(57)【要約】【課題】気体捕集を行う容器２内外に圧力差があっても捕集袋３内に所望量の気体を捕集する。【解決手段】容器２内外の圧力を測定する容器内圧力計１３と容器外圧力計１４により気体捕集前の容器２内外の圧力を測定して圧力差を求め、この圧力差に応じて捕集袋３内に捕集される気体量を算出しながら排気ポンプ４を駆動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器内に設けられた捕集袋と、
前記容器内の気体を排出する排気ポンプと、
を備え、前記排気ポンプが前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧させ前記捕集袋を膨張させることにより前記容器外の気体を前記捕集袋内に捕集する気体捕集装置であって、
前記容器内の圧力を測定する第１の圧力計と、
前記容器外の圧力を測定する第２の圧力計と、
前記第１の圧力計及び第２の圧力計から、前記容器外の気体が前記捕集袋内に捕集される前の前記容器内外の圧力値を取得し、取得した前記容器内外の圧力値の差に応じて前記容器内の圧力を調整する圧力調整器と、
前記圧力調整器によって調整された前記容器内外の圧力値の差に応じて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出する捕集量算出器と、
を備えることを特徴とする気体捕集装置。
【請求項２】
請求項１記載の気体捕集装置であって、
前記捕集量算出器は、前記圧力調整器によって調整された前記容器内外の圧力値の比と前記排気ポンプの排気量とに基づいて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出することを特徴とする気体捕集装置。
【請求項３】
請求項１に記載の気体捕集装置であって、
前記圧力調整器は、前記容器内の圧力が前記容器外の圧力と等しくなるように前記容器内の圧力を調整することを特徴とする気体捕集装置。
【請求項４】
容器と、
前記容器内に設けられた捕集袋と、
前記容器内の気体を吸引する排気ポンプと、
を備え、前記排気ポンプが前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧させ前記捕集袋を膨張させることにより前記容器外の気体を前記捕集袋内に捕集する気体捕集装置であって、
前記容器内の圧力を測定する第１の圧力計と、
前記容器外の圧力を測定する第２の圧力計と、
前記第１の圧力計及び第２の圧力計から、前記容器外の気体が前記捕集袋内に捕集される前の前記容器内外の圧力値を取得し、取得した前記容器内外の圧力値の差に応じて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出する捕集量算出器と、
を備えることを特徴とする気体捕集装置。
【請求項５】
請求項４記載の気体捕集装置であって、
前記捕集量算出器は、前記容器内外の圧力値の比と前記排気ポンプの排気量とに基づいて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出することを特徴とする気体捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器外の気体を容器内に設けられた捕集袋に捕集する気体捕集装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、気体の成分検査等の目的で気体を捕集する気体捕集装置が知られている。
【０００３】
特許文献１には、密閉式の容器内に捕集袋を設け、容器に設けられた気体採取管を捕集袋に接続し、容器内の空気を真空ポンプで吸引して容器内を減圧させることにより捕集袋を膨張させ、これにより気体採取管から捕集袋内に容器外の気体を取り込む気体捕集装置が開示されている。
【０００４】
この気体捕集装置には真空ポンプが吸引する空気量を測定する流量計が設けられている。真空ポンプが吸引する空気量と捕集袋に取りこまれる気体量とは等しいとの前提のもと、流量計の値が捕集袋に取り込むべき気体量の値になった時に吸引を停止させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−００２８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、気体捕集装置の容器内外に圧力差がある場合、真空ポンプが吸引する空気量と捕集袋に取り込まれる気体量とは等しくはならない。例えば気体捕集容器の内圧が外圧よりも低いとき、捕集袋に取り込まれる気体量は真空ポンプが吸引する空気量よりも多くなる。しかし、前述のように従来技術においては容器内外の圧力差は考慮されず、真空ポンプが吸引する空気量の値のみを基準に捕集袋に取り込まれる気体量を測定しているので、容器内外に圧力差があるときに捕集袋には本来取り込むべき量とは異なる量の気体が取り込まれる。そのため、定められた量の気体を検査対象としなければならない成分検査等において正確な検査結果が得られない等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る気体捕集装置は、容器と、前記容器内に設けられた捕集袋と、前記容器内の気体を排出する排気ポンプと、を備え、前記排気ポンプが前記容器内の気体を排気して前記容器内を減圧させ前記捕集袋を膨張させることにより前記容器外の気体を前記捕集袋内に捕集する気体捕集装置であって、前記容器内の圧力を測定する第１の圧力計と、前記容器外の圧力を測定する第２の圧力計と、前記第１の圧力計及び第２の圧力計から、前記容器外の気体が前記捕集袋内に捕集される前の前記容器内外の圧力値を取得し、取得した前記容器内外の圧力値の差に応じて前記容器内の圧力を調整する圧力調整器と、前記圧力調整器によって調整された前記容器内外の圧力値の差に応じて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出する捕集量算出器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る気体捕集装置は、前記捕集量算出器は、前記圧力調整器によって調整された前記容器内外の圧力値の比と前記排気ポンプの排気量とに基づいて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る気体捕集装置は、前記圧力調整器は、前記容器内の圧力が前記容器外の圧力と等しくなるように前記容器内の圧力を調整することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る気体捕集装置は、容器と、前記容器内に設けられた捕集袋と、前記容器内の気体を排出する排気ポンプと、を備え、前記排気ポンプが前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧させ前記捕集袋を膨張させることにより前記容器外の気体を前記捕集袋内に捕集する気体捕集装置であって、前記容器内の圧力を測定する第１の圧力計と、前記容器外の圧力を測定する第２の圧力計と、前記第１の圧力計及び第２の圧力計から、前記容器外の気体が前記捕集袋内に捕集される前の前記容器内外の圧力値を取得し、取得した前記容器内外の圧力値の差に応じて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出する捕集量算出器と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る気体捕集装置は、前記捕集量算出器は、前記容器内外の圧力値の比と前記排気ポンプの排気量とに基づいて前記捕集袋内に捕集される気体量を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
気体捕集装置の容器内外の圧力差を考慮した気体の捕集を行うので、所望の気体量を正確に捕集袋に取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る気体捕集装置を示す図である。
【図２】気体の捕集方法を示す図である。
【図３】本発明の気体捕集装置をたばこの自動喫煙装置に適用した図である。
【図４】たばこを自動喫煙した結果を示す図である。
【図５】本発明の気体捕集装置をたばこの自動喫煙装置に適用した図である。
【図６】本発明の気体捕集装置を風船の気体充填装置に適用した図である。
【図７】本発明の気体捕集装置を用いた流体解析の様子を示す図である。
【図８】本発明の気体捕集装置を混合ガス生成装置に適用した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、本発明に係る気体捕集装置の構成について図１を用いて説明する。気体捕集装置１００は容器２を備え、この容器２内に捕集袋３が収容されている。また、容器２は、容器２内の気体が排気ポンプ４によって排出され容器２の内圧が下がった場合でも変形しないように十分な剛性を有している。ここで、容器２には捕集袋３を容器２内に入れる際に開く扉や蓋等を設けても良い。また、容器２内部の捕集袋３が膨張する様子を目視できるように容器２の全体又は一部を透明部材で構成しても良い。具体的には、剛性を有する透明部材であるアクリル、ポリカーボネート、ガラス等を容器２の材料として使用しても好適である。また、捕集袋３としては伸縮性や柔軟性を有する袋部材が使用され、例えばテドラー（登録商標）バッグ等が使用される。
【００１５】
容器２には、捕集袋３の開口部に接続され捕集袋３内に容器２外の気体を取り込むための気体導入路５が設けられている。気体導入路５には開閉機構である電磁弁６が設けられている。また、容器２には、容器２と排気ポンプ４とを接続する排気路８が設けられ、排気路８には電磁弁９が設けられている。ここで、気体導入路５の電磁弁６および排気路８の電磁弁９の開閉動作ならびに排気ポンプ４の駆動制御は制御器１０により行われる。
【００１６】
また、容器２内には容器２の内圧を測定するために容器内圧力計１３が設けられ、他方で容器２外には容器２の外圧を測定するために容器外圧力計１４が設けられている。容器内圧力計１３及び容器外圧力計１４は圧力調整器１５に接続され、それぞれの測定値が圧力調整器１５に送られる。圧力調整器１５は制御器１０に接続し、後述するように気体捕集に先立って制御器１０に容器２内外の圧力差を調整すべき旨の信号を送る。
【００１７】
また、圧力調整器１５は捕集量算出器１６とも接続している。後述するように捕集量算出器１６は圧力調整器１５および排気ポンプ４の排気量ｖを測定する気体量測定器１７から送られる信号に基づいて捕集袋３に捕集される気体量Ｖを算出する。また捕集量算出器１６が算出する気体量Ｖは制御器１０に送られる。
【００１８】
次に、本発明にかかる気体捕集装置が行う気体捕集工程について図２を用いて説明する。まず、容器２外の気体を捕集する前に圧力調整器１５は容器２内外の圧力差を求める（Ｓ１）。すなわち、電磁弁６，９が閉状態であり捕集袋３内に容器２外の気体が入らない状態において、圧力調整器１５は容器内圧力計１３および容器外圧力計１４から圧力値を取得して容器内圧力値Ｐinおよび容器外圧力値Ｐoutに基づき圧力差ΔＰ（＝Ｐout−Ｐin）を求める。
【００１９】
次に、圧力調整器１５は容器２内外の圧力差ΔＰが予め定めた値ΔＰ0になるまで排気ポンプ４を駆動させる旨の指令を制御器１０に送る（Ｓ２）。例えばΔＰ0＝０と設定され、ΔＰ＜０（Ｐout＜Ｐin）の場合、圧力調整器１５は制御器１０に容器２の内圧Ｐinを下げる旨の指令を送り、制御器１０は排気路８の電磁弁９を開状態にするとともに排気ポンプ４を駆動させて容器２の気体を排出する。排気ポンプ４が容器２の気体を排出している間圧力調整器１５は容器２内外の圧力差ΔＰの測定を継続し、ΔＰ＝０となったときに制御器１０に対して排気ポンプ４の駆動を停止させる旨の指令を送る。なお、この圧力調整を行っている間、気体量測定器１７に対して排気ポンプ４の排気量ｖを算出しないように設定するか、または次のステップＳ３までに排気量ｖの値を０にするように設定するのが好適である。
【００２０】
容器２内外の圧力差がΔＰ0となった後、制御器１０は電磁弁６，９を開状態にすると共に排気ポンプ４を駆動し、容器２内の気体を排出する。これにより捕集袋３内には容器２外の気体が取り込まれる（Ｓ３）。このとき、排気ポンプ４の排気量ｖは気体量測定器１７によって測定され捕集量算出器１６に送られる。なお、ここで排気量ｖは排気ポンプ４の排気時間ｔ[ｍｉｎ]と実効排気速度Ｓｅ[Ｌ／ｍｉｎ]との積で表され、気体量測定器１７はこの値を捕集量算出器１６に送っている。捕集量算出器１６には圧力調整器１５からも容器内圧力値Ｐin、容器外圧力値Ｐout、および容器２内外の圧力差の値ΔＰ0が送信されており、これらの値と排気ポンプ４の排気量ｖとにもとづいて捕集袋３に捕集された気体量Ｖを算出して制御器１０に送る（Ｓ４）。
【００２１】
ここで、捕集袋３に捕集された気体量Ｖを求める数式について説明する。まず、ΔＰ0≠０であるとき、気体量Ｖは下記の数式１から求めることができる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
一方、ΔＰ0＝０であるとき、Ｖ＝ｖとなる。捕集量算出器１６は容器２内外の圧力差の値ΔＰ0をもとに何れかの数式を適用するか判断し、気体量Ｖを算出する。
【００２４】
次に、制御器１０は捕集量算出器１６から送信される気体量Ｖが予め定めた気体量Ｖ1に達したか否かを確認する。（Ｓ５）。ここで、Ｖ1の値は予め作業者が制御器１０に入力しても良く、また捕集袋３の容量等に応じて自動的に設定されるようにしても良い。気体量ＶがＶ1に達したとき、制御器１０は排気ポンプ４の運転を停止させるとともに電磁弁６，９を閉状態にする（Ｓ６）。この結果、捕集袋には所望量Ｖ1の気体が捕集される。
【００２５】
以上説明したように、本発明に係る気体捕集装置は、気体を捕集する前の容器２内外の圧力差を考慮した上で捕集袋３に捕集される気体量Ｖを算出する。これにより、所望の気体量Ｖを正確に捕集袋に取り込むことができる。
【００２６】
なお、前述したように、ΔＰ0＝０と設定し、気体を捕集する前に容器内外の圧力差を０にするように圧力調整を行うことにより、気体量測定器１７から送られる排気ポンプ４の排気量ｖを測定するのみで捕集袋３に取り込まれる気体量Ｖを把握することができる。この場合においては捕集量算出器１６を省略して排気量ｖを直接制御器１０に送っても良い。
【００２７】
また、圧力調整器１５を省略しても本発明の効果を奏することができる。すなわち、気体捕集前に測定された容器２内外の圧力値を捕集量算出器１６に送り、捕集量算出器１６にて圧力差ΔＰを算出し、さらにΔＰと排気ポンプ４の排気量ｖとをもとに捕集袋３に取り込まれる気体量Ｖを算出することにより所望量の気体を捕集袋３内に取り込むことができる。
【００２８】
次に、この気体捕集装置１００を種々の装置に適用した実施態様について説明する。図３には本発明の気体捕集装置１００をたばこの自動喫煙装置２００に適用した態様が示されている。
【００２９】
たばこの自動喫煙装置２００はたばこ２０に含まれるタールおよびニコチンの量を測定するための装置であり、たばこ２０の煙を捕集して煙に含まれるタールやニコチンの量を検出する。たばこ２０の煙の捕集方法については国際標準化機構（ＩＳＯ）により規定が設けられており、１分間のうち２秒間を煙の捕集期間と定め、当該捕集期間で３５ｃｃの煙をたばこ２０のフィルタ部分２１から捕集する。この捕集作業を所定の回数、たとえばたばこ２０の火がフィルタ部分２１に及ぶまで行う。自動喫煙装置２００はこの捕集方法に従ってたばこ２０の煙を捕集する。
【００３０】
自動喫煙装置２００はたばこ２０が気体導入路５に挿入されており、その他の構成は上述の気体捕集装置１００と同様である。たばこ２０の煙はたばこ２０のフィルタ部分２１を経由して捕集袋３に取り込まれるように構成されている。煙の捕集に先立ち、圧力調整器１５は容器２内外の圧力差ΔＰを求め、圧力差ΔＰを所定値ΔＰ0に調整するように制御器１０に指令を送る。制御器１０は当該指令に基づいて排気ポンプ４を駆動させる。容器２内外の圧力差がΔＰ0に調整された後、制御器１０は１分間のうち２秒間だけ電磁弁６，９を開状態にすると共に排気ポンプ４を駆動して容器２内の気体を排出させ、捕集袋３内に煙を取り込ませる。ここで、ポンプの駆動に当たり、制御器１０は容器２内外の圧力差ΔＰ0に基づいて２秒間に捕集袋３内に３５ｃｃの煙が取り込まれるための排気ポンプ４の駆動条件を算出し、当該条件下で排気ポンプ４を駆動させる。
【００３１】
例えば、前述した数式１、及びｖ＝ｔ×Ｓｅより、Ｐout＝１０１３２４[Ｐａ]、Ｐin＝３９１３４[Ｐａ]（ΔＰ0＝６２１９０[Ｐａ]）、Ｓｅ＝１[Ｌ／ｍｉｎ]の時、排気時間ｔ＝０．３３３ｍｉｎ（＝２[ｓｅｃ]）における気体量Ｖが３５ｃｃとなる。つまり、上述の条件化においては、ΔＰ0が６２１９０Ｐａとなった際に（または、Ｐinが３９１３４Ｐａになった際に）２秒間電磁弁６，９を開状態にすると共に排気ポンプ４を駆動して容器２内の気体を排出させると、捕集袋３内には３５ｃｃの煙が取り込まれることになる。
【００３２】
この自動喫煙装置２００を用いた煙捕集の実験結果を図４に示す。実験に当たり、ΔＰ0＝０と設定し、煙の捕集前に容器２内外の圧力差を０に調整した後に煙を捕集した。また、実験は複数の捕集袋３を用いて行ない、１分間のうち２秒間煙を捕集する作業の回数を捕集作業回数と呼ぶと、この捕集作業回数を各捕集袋３ごとに変更して煙の捕集を行なった。
【００３３】
図４では、煙を取り込んだ時間（２秒間×捕集作業回数）を横軸に取り、捕集袋３に捕集された気体量Ｖを縦軸に取っている。プロットされた点は実測値を示し、実線は煙の取り込みを３５ｃｃ／２秒間の割合で行った場合の理論値を示している。図４に示されるように、自動喫煙装置２００が国際標準化機構が規定する量の気体を正確に捕集できていることが理解される。
【００３４】
なお、図３では気体導入路５に挿入できるたばこ２０は１本のみであったが、図５に示すように気体導入路５を複数本設けて複数本のたばこ２０に同時に火を点けてまとめて煙を捕集するようにしても良い。この場合、制御器１０はたばこ２０の本数に３５ｃｃを掛けた量の煙が２秒間に捕集袋３に取り込まれるように排気ポンプ４の駆動条件を設定する。たばこ２０に含まれるタール、ニコチン量を特定するには複数本のたばこ２０の煙を捕集して得られた結果を平均化する必要があるが、図５のように複数本のたばこ２０の煙を一度に捕集することにより作業時間の短縮が図られる。
【００３５】
さらに、本発明に係る気体捕集装置１００を適用した他の装置として、図６に風船用の気体充填装置３００を示す。この気体充填装置３００は、捕集袋３の代わりに風船３０が容器２内に収容されている他は気体捕集装置１００と同様の構成を備えている。制御器１０が電磁弁６，９を開状態にし、それと同時に排気ポンプ４を駆動させることにより容器２内の圧力が下がり、風船３０に容器２外の気体が充填される。風船３０にヘリウムガス等を充填する場合には気体導入路５の導入口にガスボンベ等の気体源を接続する。
【００３６】
従来の気体充填装置においては風船３０は容器等には収容されておらず、気体の過充填により風船３０が破裂した際にその破裂音の大きさから風船３０の周囲にいた小児が驚いて泣くなどの問題があったが、本発明における気体充填装置３００においては密閉式の容器２内に風船３０が収容されており、風船３０の破裂音は容器２外に殆ど伝わらないか、減衰した状態で外に伝わるので周囲に与える影響は小さくて済む。
【００３７】
また、本発明にかかる気体充填装置３００は容器２内の圧力を低減させることにより風船３０を膨らませるので、風船３０に気体を充填する気体源の圧力は大気圧と同等かわずかに高い程度でも十分に風船３０に気体を充填できる。従来風船３０に接続される気体源は高圧のガスボンベ等であって慎重に取り扱う必要があったが、本発明にかかる気体充填装置３００は高圧の気体源を必要としないので取り扱いが簡便である。
【００３８】
さらに、本発明に係る気体捕集装置１００を流体解析に使用する形態を図７に示す。流路４０には複数の気体捕集装置１００が一定間隔（例えば５ｍ間隔）で配置されている。
【００３９】
流体解析に当たり、流路４０の端部から既知濃度のエアロゾルや気体（以下では「気体等」と記す）を放出し、流路４０内の複数の地点において一定量の気体等を捕集して気体等の濃度変化等を調べることにより気体等の挙動を解析する。気体等を捕集する際、気体捕集装置１００は一定の時間間隔（例えば５秒おき）ごとに捕集袋３に予め定められた量の気体等を取り込む。気体等を取り込んだ後の捕集袋３は容器２から取り出されて容器２には新しい捕集袋３が収容される。この捕集袋３の交換は図示しない交換手段等によって行われる。捕集袋３の交換後、容器２内外に圧力差が生じた場合にはその圧力差を所定値ΔＰ0に補正した後に気体捕集を行う。このような気体捕集を行うことにより気体捕集装置１００が置かれた位置における気体等の濃度等の時間変化を把握することができる。
【００４０】
さらにこの気体捕集を全ての気体捕集装置１００が同期して行う。空間的に離れた位置に配置された複数の気体捕集装置１００が一定の時間間隔で気体捕集を行うことにより、放出された気体等の空間的、時間的な濃度分布を求めることができ、これにより流路４０内を拡散する気体等の挙動を解析することができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る気体捕集装置１００を適用した他の装置として混合気体生成装置４００を図８に示す。混合気体生成装置４００は、気体導入路５が複数本設けられている他は気体捕集装置１００と同様の構成を備える。本実施形態においては捕集袋３に複数種の気体が充填される。すなわち、各気体導入路５にはそれぞれ異なる種類の気体源（図示せず）が接続されている。制御器１０は、排気ポンプ４を駆動させ、また生成される混合気体について予め定められた各種気体の混合割合に従い、各電磁弁６を開く時間および開く順序を決定し、決定された時間、順序にしたがって電磁弁６の開閉動作を行って捕集袋３内に複数種の気体を取り込ませる。混合気体の混合割合は電磁弁６の開時間を制御することにより容易に変更することができる。
【００４２】
また、捕集袋３は密閉容器２内に収容されているので、気体が混合されたときに気体同士が化学反応を起こす等により捕集袋３が溶かされて混合気体が捕集袋３外に漏れても容器２内にこの混合気体が閉じ込められるから、外部への混合気体の漏洩を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４３】
２  容器、３  捕集袋、４  排気ポンプ、５  気体導入路、６，９  電磁弁、８  排気路、１０  制御器、１３  容器内圧力計、１４  容器外圧力計、１５  圧力調整器、１６  捕集量算出器、１７  気体量測定器、４０  流路、１００  気体捕集装置、２００  自動喫煙装置、３００  気体充填装置、４００  混合気体生成装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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