(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスに含有される成分を温度管理によって保持および解放する試料保持装置であって、
少なくとも一方の温度が変えられることによって前記成分の解放を行う互いに組み合わされる第１および第２の温度管理部材に前記試料ガスが通過する管を挟みこませることによって押圧力を与えつつ保持させ、
前記第１の温度管理部材または前記第２の温度管理部材の少なくとも一方には、該第１の温度管理部材および該第２の温度管理部材が互いに嵌め合わされた時に前記管が存在する空間を生じさせる溝が形成されており、
前記溝の深さは、前記第１の温度管理部材および前記第２の温度管理部材の双方に前記管が接触する大きさに制限され、
前記第１の温度管理部材は、前記管が表面に配置される突起を有し、
前記第２の温度管理部材は、前記突起がはめ込まれる窪みを有する、
ことを特徴とする試料保持装置。
【請求項２】
前記溝の幅は、前記第１の温度管理部材および前記第２の温度管理部材が互いに嵌め合わされた時に、前記管に接する空間が生ずる大きさに設定されており、
前記成分の温度を管理する温度管理流体が前記管に接する前記空間内を流れる、
ことを特徴とする請求項１に記載の試料保持装置。
【請求項３】
前記突起は、先端に丸みを帯びており、
前記管は、前記突起の根元の方から前記先端を経由して該根元に向かって配置され、該先端の形状に沿って丸みを帯びた状態で湾曲する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の試料保持装置。
【請求項４】
前記温度管理流体は、前記管に接する前記空間へと、前記突起の先端部分のうち丸みを帯びている部分から流し込まれることを特徴とする請求項３に記載の試料保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス分析システムにおいて用いられる試料保持装置に関しており、詳細には、試料ガス等に含まれる物質を温度管理によって保持した後に解放して分析装置内に与える試料保持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＣ(ガスクロマトグラフ)またはＧＣ−ＭＳ(ガスクロマトグラフ−質量分析)等のガス分析装置においては、クライオフォーカスやサーマルディソープション(加熱脱離)等の方法を用いて分析装置内に試料を導入する場合がある。クライオフォーカスによる試料導入は、試料中の分析目的成分を一度に導入することを目的とする。詳細には、クライオフォーカスにおいては、試料導入部をいったん冷却して目的成分を保持し、その後急速に加熱して試料を分析装置内に一気に導入させる。
【０００３】
また、サーマルディソープションによる試料導入は、試料の濃縮および夾雑物質の除去を目的としている。詳細には、サーマルディソープションにおいてはまず、目的成分を保持する特性を持つ充填材を詰めたトラップ管を冷却して、このトラップ管内に試料を導入して目的成分をトラップする。このようにして目的成分を濃縮した後に、トラップ管を加熱して保持した目的成分を分析装置内に導入する。
【０００４】
このような試料導入装置の冷却装置として、冷却部分に近接して設置された冷媒流路に液体窒素等の液状冷媒を流すことによって冷却を行う装置が知られている。特開平１１−１５３５２８号公報に開示の技術を従来例として挙げる事ができる。図１０は、冷媒を用いて冷却を行う従来の冷却装置を図示する模式図である。図１０に示す従来の冷却装置は、小径の冷媒流路４２を試料流路４０の外周部分に巻き付けて近接させている。冷媒流路４２内に流される冷媒によって、試料流路４０内の試料ガスが冷却される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
冷却装置においては、少ない冷媒で高い冷却能力を得ること、すなわち冷却効率の向上が求められている。しかしながら、従来の冷却装置の構成では、冷媒流路４２は試料流路４０に対して螺旋形の線状に接触している。したがって、接触面の面積は試料経路４０の全表面積に対して非常に少ない。これによって従来の冷却装置は冷却効率が低くなってしまい、多量の冷媒が必要となる。
【０００６】
また、冷媒流路４２と試料通路４０との接触面には、圧着力が働いていない。したがって、ある１つの冷却装置において冷却能率に経時変化が生ずる余地があり、冷却が不安定となる。さらに、冷却装置の冷却能力は個々の冷却装置の組み上がり状態、即ち冷媒流路４２と試料流路４０との接触状態に大きく左右されてしまう。このため、冷却装置毎に保持能力または濃縮能力が異なってしまい、個々の冷却装置を同一の使用条件で用いることは困難となる。以上のような理由によって、冷却装置毎に、その使用経過に応じて、冷却条件の設定を行わねばならなかった。このような状態では、安定した高い冷却能力を保持することは困難である。
【０００７】
本発明は前記した問題点を解決することを目的としており、簡単な構造でありながら安定的かつ効率的な冷却能力を発揮する試料保持装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、試料ガスに含有される成分を温度管理によって保持および解放する試料保持装置であって、少なくとも一方の温度が変えられることによって成分の解放を行う互いに組み合わされる第１および第２の温度管理部材に試料ガスが通過する管を挟みこませることによって押圧力を与えつつ保持させ、第１の温度管理部材または第２の温度管理部材の少なくとも一方には、該第１の温度管理部材および該第２の温度管理部材が互いに嵌め合わされた時に管が存在する空間を生じさせる溝が形成されており、溝の深さは、第１の温度管理部材および第２の温度管理部材の双方に管が接触する大きさに制限され、第１の温度管理部材は、管が表面に配置される突起を有し、第２の温度管理部材は、突起がはめ込まれる窪みを有する。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の溝の幅が、第１の温度管理部材および第２の温度管理部材が互いに嵌め合わされた時に、管に接する空間が生ずる大きさに設定されており、成分の温度を管理する温度管理流体が管に接する空間内を流れる。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明の突起が先端に丸みを帯びており、管は、突起の根元の方から先端を経由して該根元に向かって配置され、該先端の形状に沿って丸みを帯びた状態で湾曲する。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明の温度管理流体が、管に接する空間へと、突起の先端部分のうち丸みを帯びている部分から流し込まれる。
【００１４】
【発明の作用および効果】
第１の発明によると、押圧力によって第１および第２の温度管理部材と管とが十分に接触し、第１の温度管理部材または第２の温度管理部材のうち温度が変わる方と管との間の熱の移動が良好に行われる。これによって、試料ガスに含有される成分の解放が速やかに行われ得る。
また、このような作用効果は溝の深さの設定という簡易な構成によって、さらに第１の温度管理部材および第２の温度管理部材を嵌め合わせるという簡易な組み立て工程によって得ることができる。
【００１５】
第２の発明によると、冷媒が管に直接的かつ継続的に、面状の広がりをもって接触する。これによって、温度管理流体と管との間の熱交換率が向上し、試料保持装置の性能が上がる。
【００１６】
第３の発明によると、第１の温度管理部材と第２の温度管理部材とを嵌め合わせる際に、管の形状が突起の形状に合わせて自動的に丸みを帯びる。管が鋭角に折れ曲がることを回避して試料ガスの流路面積を確保すると共に、管の丸みによる試料ガスの速度の変化によって熱交換率を向上させることが可能となる。
【００１７】
第４の発明によると、温度管理流体は、空間を流れて温度が変化する前に管の丸みを帯びている部分に接触する。これによって、丸みを帯びることによって熱交換率が高くなっている部分と温度管理流体との温度差が大きくなり、試料保持装置の熱交換率がさらに向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、分析システムの全体像を図を用いつつ説明する。図１は、本実施の形態の試料濃縮装置６を用いてガスクロマトグラフィ分析を行う分析システムの構成を例示する模式図である。含有される成分の分析が行われる試料ガスは、ガス採集用のバッグ１に捕集され貯留される。バッグ１に貯留されている試料ガスは、流路切替バルブ２によってその流入先が切り替えられる。
【００２１】
まず、流路切替バルブ２は実線で示される状態に切り替えられ、試料ガスはこの流路切替バルブ２を介してサンプル管３および流路遮断弁４による流路系を通過し、捕集ポンプ５に引かれる。時間が経過して流路系に試料ガスが充填されると、流路遮断弁４が閉じられた後に流路切替バルブ２が時計方向に１/６回転させられ、接続状態が破線によって例示されるように変化する。これによって、サンプル管３において計量された試料ガスは、試料濃縮装置６へと導入される。
【００２２】
濃縮装置６は、タンク７から供給される液体窒素または液化炭酸ガス等の冷媒を用いて試料ガスを冷却し、試料ガス中の成分を保持および濃縮する。その後、試料濃縮装置６に備え付けられた加熱ヒータ９の電源がオンにされると、試料ガスは加熱されて解放される。試料濃縮装置６には温度モニタ８が取り付けられており、冷却時および加熱時の温度が計測される。温度モニタ８の出力結果に基づく適切な温度制御によって加熱および冷却が行われる。加熱によって解放された試料ガスはガスクロマトグラフィ１０に導入され、適切に設定された分析カラムおよび分離条件に基づき、成分毎の含有量が求められる。そして、この含有量は、結果出力装置１１に出力される。
【００２３】
図２は、試料濃縮装置６の基本的な構造を例示する斜視図である。試料濃縮装置６は、互いに嵌め合わされる外部金属製熱容量体６１と内部金属製熱容量体６２とによって構成される。さらに、２つの熱容量体６１および６２の間に挟み込まれる試料通路パイプ(トラップ管)６３と、試料ガスを冷却するために注入される冷媒の通路となる注入通路６５と、試料ガスを加熱するためのヒータ９とが備え付けられている。外部金属製熱容量体６１および内部金属製熱容量体６２は、第１および第２の温度管理部材の一例である。
【００２４】
図３〜図５は内部金属製熱容量体６２の、図６および図７は外部金属製熱容量体６１の詳細な構造を例示する矢視図、透視図または断面図である。内部金属製熱容量体６２は、つば状の部分と、この部分に取り付けられた突起状の部分とによって構成される。この突起の先端の断面の形状は図２に例示されるように、一方向においては四角形であり（図３）、その方向に直行する方向においては半円形（図４）である。さらに、内部金属製熱容量体６２は、図４に例示されるように、少なくとも１つの方向（この例においては図４に向かった平面方向）においては先端に近づくにつれて細くなるように成形されている。そして、内部金属性熱容量体６２が挿入される外部金属製熱容量体６１は、図６および図７に例示されるように、内部金属性熱容量体６２の突起がぴったりと密着して嵌まり込む形状を有する凹部６１ａが形成されている。ここで、図７は図６のＡ−Ａ’断面における構成を例示する断面矢視図である。
【００２５】
熱容量体６２は、図２を参照すれば理解されるように、真中の折り曲げ部分が熱容量体６２の突起の先端となっている面６２ｂを有する。面６２ｂには、トラップ管６３が収められる溝６７が、面６２ｂの長手方向に沿って形成されている。熱容量体６２のつばの部分には、この溝６７の延長部である２箇所の部分に孔７０がそれぞれ設けられる。使用の際には、溝６７に沿って取り付けられるトラップ管６３は、孔７０を通って熱容量体６１の内部へと入り込む。
【００２６】
次に、トラップ管６３および溝６７について詳細に説明する。図８および図９は溝６７の形状、およびトラップ管６３が取り付けられた溝６７の様子を例示する断面図である。図８および図９に例示される熱容量体６２の断面は、図４のＢ−Ｂ’断面である。溝６７の断面の形状は、長辺が表面に平行であり短辺が垂直である長方形に、円の一部を切り取った形状の丸みを帯びたへこみがさらに付加された形状となっている。
【００２７】
図９に例示されるようにトラップ管６３が溝６７のへこみに嵌めこまれた熱容量体６２が熱容量体６１に取り付けられると、トラップ管６３は外部金属製熱容量体６１および内部金属製熱容量体６２の双方に接触して押圧力を受ける。これによって、トラップ管６３はへこみの部分において熱容量体６２に密着する。このような状態にするには、溝６７の奥行きをトラップ管６３の外径とほぼ同じでありつつも若干小さく設定しておけば良い。以上のようにトラップ管６３が熱容量体６１および熱容量体６２に接触する一方で、溝６７の長方形の２つの短辺の近辺においてはそれぞれ隙間が生じている。これらの隙間は、トラップ管６３の外径よりも長方形の長辺を予め長く設定しておくことによって生じたものである。
【００２８】
これらの隙間が冷媒通路６８として機能し、図２〜図５の注入通路６５から注入された冷媒がトラップ管６３に接触しつつ通過する道筋となる。図９を参照すれば理解されるように、冷媒とトラップ管６３との接触は面状になり、接触が線状だった従来の構成よりも冷却効率が大幅に向上する。これによって、冷媒の流量を減少させることが可能となり、成分分析のコストが削減される。
【００２９】
熱容量体６２を熱容量体６１にアセンブリして図１の試料濃縮装置１を構成する手順を説明する。まず、トラップ管６３を内部金属製熱容量体６２の２つのトラップ管用孔７０に通した後に溝６７におおよそ沿わせておく。そして、トラップ管６３を溝６７のへこみの部分に位置させつつ内部金属製熱容量体６２を外部金属製熱容量体６１の奥まで挿入する。その後、外部金属製熱容量体６１と内部金属製熱容量体６２とを嵌め合わせた状態のまま互いに固定する。
【００３０】
以上のような手順によって、トラップ管６３は外部金属製熱容量体６１および内部金属製熱容量体６２の双方に接触した状態で組み付けられる。その接触の度合いは、トラップ管用溝６７を金属加工する時に非常に精度良く調整することが可能である。さらに、トラップ管６３は、溝６３のへこみの部分に嵌めこまれることによって位置決めされる。この位置決めによって図９に例示されるようにトラップ管６３の両脇に自ずと空間が生じ、冷媒通路６８を流れる冷媒とトラップ管６３との接触面積が十分に確保される。
【００３１】
図２を参照すると理解されるように、トラップ管６３は半円状に折り曲げられた面６２ｂに沿うことによって自身も半円状に折り曲げられる。したがって、変形によって生ずる力が折り曲げ部分の全体に分散される。これによって、トラップ管６３が鋭角に折れ曲がることによる試料ガスの通過面積の減少を予め回避することが可能となる。
【００３２】
以上のように、熱容量体６１および熱容量体６２を組み付けることによって、トラップ管６３の形状、トラップ管６３と熱容量体６１および熱容量体６２との接触状態、冷媒通路６８の寸法および形状ならびに冷媒とトラップ管６３との接触面積が自ずと定まる。すなわち、組み付けを行えば、所期の濃縮装置６の冷却性能および加熱性能が実現される。
【００３３】
したがって、熱容量体６１および熱容量体６２を作成するための金属の機械加工を高精度に行っておけば、同じ構成部材を複数製作する場合に各構成部材同士の間のばらつきを問題が無い程度にまで減少させることができる。これによって、本実施の形態の濃縮装置６を複数個用意した場合にも、個体間の濃縮性能には差が殆どつかず安定する。複数個の濃縮装置６を用いて均一の条件で濃縮を行うことが可能となり、個々の濃縮装置６毎に設定を行わなければならないという従来は必要であった手間が省かれる。
【００３４】
その上、トラップ管６３には熱容量体６１および熱容量体６２によって常に押圧力が与えられる。したがって、トラップ管６３と熱容量体６１および熱容量体６２とが常に接触し、熱交換が時間に依らず一定となる。
【００３５】
さらに、トラップ管６３が溝６７に嵌まった状態を維持しつつ熱容量体６１および熱容量体６２を組み付けるという簡単な組み立て手順を行えば、本実施の形態の濃縮装置６が手に入る。したがって、組み立てに対して特別の注意および熟練は不要となる。
【００３６】
図２〜図５に例示される本実施の形態の内部金属製熱容量体６２は、折れ曲がっている面６２ｂに隣り合う２つの互いに対向する面６２ａのみが、先端が半円形である先細り形状を有する。これは、濃縮装置６の組み立て時におけるトラップ管６３の整形性を考慮したものであり、他の面に同様の形状を有させることも可能である。また、面６２ａの先端の半円の半径を更に大きくするとともに直線部分を小さくして、面６２ａのほぼ全体を円弧状の形状とすることも可能である。この場合にも、内部金属製熱容量体６２の形状に合わせて外部金属製熱容量体６１の凹部６１ａを成形することによって、トラップ管６３に押圧力を与えること、およびトラップ管６３の付近に隙間を生じさせて冷媒通路６８を形成することは可能である。
【００３７】
冷媒の注入通路６５は、図５に例示されるように内部金属製熱容量体６２の内部を貫通する通路であり、熱容量体６２の先端であり溝６７とぶつかる地点６６において冷媒通路６８と連通する。このようにして、注入通路６５から冷媒通路６８を経て孔７０へと抜ける冷媒の道筋が形成される。以上のような構成によって、トラップ管６３のうちで最も温度が低くなる部分は、冷媒がトラップ管６３からまだ熱を受け取っていない地点６６の付近の部分となる。トラップ管６３内の試料ガスを冷却する道筋は、以上のようになる。
【００３８】
一方、トラップ管６３内の試料ガスを加熱するために内部金属製熱容量体６２には、図２のヒータ９が嵌めこまれる孔６９が図５に例示されるように設けられている。
【００３９】
次に作用を説明する。注入通路６５から熱容量体６２の内部へと注入された冷媒は、地点６６において溝６７に流入して初めてトラップ管６３に接触する。そして、冷媒は図９の冷媒通路６８を通過する時に、トラップ管６３およびその内部の試料ガスを冷却する。その後冷媒は、図２の孔７０、または外部金属製熱容量体６１と内部金属製熱容量体６２との合わせ目から溢れ出し、濃縮装置６の外部に放出される。
【００４０】
トラップ管６３の内部を通過する試料ガスは、濃縮装置６の入り口から濃縮装置６の面６２ｂの折れ曲り部までの直線区間において、冷媒通路６８中の冷媒によって冷却され次第に温度が低下していく。そして、直進していた冷媒は折れ曲がり部で流れの方向が変えられ、この折れ曲がり部においてトラップ管６３の壁と試料ガスとの熱交換が最も活発となる。このように、地点６６付近で濃縮装置６内の最低温度まで冷却された試料ガスは、含有する分析対象成分が液化されてトラップ管６３内で濃縮される。冷媒とトラップ管６３との接触が図９に例示されるように面状にされたことと、溝６７の始点から終点までという継続性を持って冷媒がトラップ管６３に直接的に接触することと、冷媒の温度が溝６７の内部のうちではこの折れ曲がり部において最低であることとによって、少量の冷媒で効率的に試料の濃縮を行うことが可能となる。
【００４１】
そして、サンプル管３で計量された試料ガスが通過し終わると冷媒の供給が停止され、代わりに図１のヒータ９のスイッチが入れられて電源から電力が供給され、濃縮装置６の温度が上昇する。詳細には、ヒータ９によってまず内部金属製熱容量体６２の温度が上昇し、これと接触する外部金属製熱容量体６１に熱が移動して濃縮装置６全体の温度が上昇する。内部金属製熱容量体６２および外部金属製熱容量体６１はともに金属製であり熱伝搬性に優れ、温度上昇は迅速である。ここで、図９に例示されるようにトラップ管６３に対する接触面積は、外部金属製熱容量体６１よりも、溝６７内のへこみの部分においてトラップ管６３に密着している内部金属製熱容量体６２の方が多くなっている。したがって、トラップ管６３には主に内部金属製熱容量体６２から熱が与えられる。
【００４２】
トラップ管６３内において液化および濃縮された試料成分は、温度上昇に伴って与えらえられる熱によって気化し、キャリアガスとともに高濃度でガスクロマトグラフィ１０に供給される。
【００４３】
なお、例えば、図２に例示されるように溝６７は内部金属製熱容量体６２に形成されている。しかし、外部金属製熱容量体６１の凹部６１ａの壁面に溝６７を形成しても良い。この場合にも、押圧力を与えられつつトラップ管６３が保持されるという作用が得られる。このように、本実施の形態の設計は適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスクロマトグラフィ分析システムの構成を例示する全体図である。
【図２】  試料濃縮装置６の構成を例示する斜視図である。
【図３】  内部金属製熱容量体６２の構成を例示する矢視図である。
【図４】  内部金属製熱容量体６２の構成を例示する一部切欠図である。
【図５】  内部金属製熱容量体６２の構成を例示する断面矢視図である。
【図６】  外部金属製熱容量体６１の構成を例示する透視図である。
【図７】  外部金属製熱容量体６１の構成を例示する断面矢視図である。
【図８】  溝６７の形状を例示する、内部金属性熱容量体６２の断面図である。
【図９】  外部金属性熱容量体６１および内部金属製熱容量体６２の間にトラップ管６３が取り付けられた構成を例示する断面図である。
【図１０】  試料通路４０に対する従来の冷媒流路４２の取り付けの構成を示す矢視図である。
【符号の説明】
６  濃縮装置
６１  外部金属製熱容量体
６１ａ  凹部
６２  内部金属製熱容量体
６３  試料通路パイプ（トラップ管）
６７  溝
【図１】
0003726706.tif 000002
【図２】
0003726706.tif 000003
【図３】
0003726706.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003726706.tif 000008
【図８】
0003726706.tif 000009
【図９】
0003726706.tif 000010
【図１０】
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