(57)【要約】【課題】試料ガス中の分析対象成分を濃縮して捕集することができるガスサンプリング装置を提供する。【解決手段】分析対象成分を選択的に吸着する吸着剤を充填した濃縮管１２と、該濃縮管を低温状態に保持する冷却手段１３と、前記濃縮管に前記試料ガスを導入するガス導入管１４及び濃縮管を通過したガスを導出するガス導出管１５と、前記濃縮管に導入する試料ガスの流量、流速を調整する流量調整手段１４Ｆと、前記濃縮管の入口部及び出口部にそれぞれ設けられた一対の封止手段１２Ｖと、ガス導入管とガス導出管とをバイパス弁１６Ｖを介して接続するバイパス管１６と、不活性ガスを導入する不活性ガス導入管１８とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象成分を含む試料ガスをサンプリングするためのガスサンプリング装置において、前記分析対象成分を選択的に吸着する吸着剤を充填した濃縮管と、該濃縮管を低温状態に保持する冷却手段と、前記濃縮管に前記試料ガスを導入するガス導入管及び濃縮管を通過したガスを導出するガス導出管と、前記濃縮管に導入する試料ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記濃縮管の入口部及び出口部にそれぞれ設けられた一対の封止手段とを備えているガスサンプリング装置。
【請求項２】
前記封止手段の反濃縮管側に、ガス導入管とガス導出管とをバイパス弁を介して接続するバイパス管が設けられている請求項１記載のガスサンプリング装置。
【請求項３】
前記ガス導入管には、前記濃縮管に不活性ガスを導入する不活性ガス導入管が切替弁を介して接続されている請求項１又は２記載のガスサンプリング装置。
【請求項４】
サンプリング時に前記濃縮管に導入される前記試料ガスの線速度は、毎秒２３．５ｃｍ以下に設定されている請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスサンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスサンプリング装置に関し、詳しくは、試料ガス中に微量に含まれる分析対象成分を濃縮してサンプリングするためのガスサンプリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、毒性を有するガスの除害処理を行う除害装置では、除害処理後の排ガスを分析装置で定期的に分析して有毒成分が確実に除害されていることを確認している。除害装置からの排ガスや高純度ガス製造装置で製造した高純度ガスを現地の分析装置で直接分析できない場合は、これらのガスをガスサンプリング容器に捕集して分析装置に搬送するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。また、分析装置に試料ガスとして導入されるガス中に含まれる分析対象成分の濃度が低い場合は、分析対象成分を濃縮する濃縮部を分析器の前段に配置した分析装置を使用するようにしている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５４１８８号公報
【特許文献２】特開２００４−３５４３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスサンプリング容器に捕集した試料ガスを、濃縮部を備えた分析装置で分析する場合、濃縮部での濃縮率に応じた体積以上のガスをガスサンプリング容器に捕集しなければならず、容積が大きな大型のガスサンプリング容器を用いる必要がある。さらに、大型のガスサンプリング容器を用いた場合は、試料ガスを捕集する際のガスサンプリング容器を含むガスラインのガス置換などに大量の試料ガスを必要とすることから、試料ガスの捕集に長時間を要するという問題があり、ガスサンプリング容器の前処理にも多くの不活性ガスやエネルギーを必要としている。
【０００５】
そこで本発明は、試料ガス中の分析対象成分を確実に捕集することができ、装置の小型化が図れるとともに、試料ガスを捕集する際の試料ガス量の低減や試料ガスの捕集に要する時間の短縮を図ることができるガスサンプリング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のガスサンプリング装置は、分析対象成分を含む試料ガスをサンプリングするためのガスサンプリング装置において、前記分析対象成分を選択的に吸着する吸着剤を充填した濃縮管と、該濃縮管を低温状態に保持する冷却手段と、前記濃縮管に前記試料ガスを導入するガス導入管及び濃縮管を通過したガスを導出するガス導出管と、前記濃縮管に導入する試料ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記濃縮管の入口部及び出口部にそれぞれ設けられた一対の封止手段とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明のガスサンプリング装置は、前記封止手段の反濃縮管側にガス導入管とガス導出管とをバイパス弁を介して接続するバイパス管が設けられていること、前記ガス導入管には前記濃縮管に不活性ガスを導入する不活性ガス導入管が切替弁を介して接続されていること、サンプリング時に前記濃縮管に導入される前記試料ガスの線速度が毎秒２３．５ｃｍ以下に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のガスサンプリング装置によれば、濃縮管内に分析対象成分を濃縮して捕集し、封止手段によって濃縮管内に分析対象成分を封入した状態で分析装置に搬送することができるので、ガスサンプリング容器となる濃縮管を小型化することができるだけでなく、濃縮管内を含めた管路内のガス置換に要する試料ガス量の低減を図ることができ、捕集作業に要する時間の短縮も図れる。さらに、濃縮部を備えていない通常の分析装置で低濃度の被分析成分を分析することができる。また、バイパス管や不活性ガス導入管を設けておくことにより、ガス置換操作やパージ操作を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のガスサンプリング装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】冷却手段の一例を示す冷却装置の斜視図である。
【図３】冷却装置の冷却部に濃縮管を装着した状態を示す斜視図である。
【図４】実施例１で使用したガス分析装置の説明図である。
【図５】実施例１における濃縮体積と線速度と分析器の出力との関係を示す図である。
【図６】実施例１における置換ガス量と分析器の出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本形態例に示すガスサンプリング装置１１は、除害装置で除害処理後の排ガスなどの試料ガス中の分析対象成分を選択的に吸着する吸着剤を充填した濃縮管１２と、該濃縮管１２を低温状態に保持する冷却手段１３と、濃縮管１２に試料ガスを導入するガス導入管１４及び濃縮管１２を通過したガスを導出するガス導出管１５と、濃縮管１２の入口部及び出口部にそれぞれ設けられた一対の封止手段である封止弁１２Ｖ，１２Ｖと、各封止弁１２Ｖ，１２Ｖのそれぞれの反濃縮管１２側でガス導入管１４とガス導出管１５とをバイパス弁１６Ｖを介して接続するバイパス管１６とを備えている。
【００１１】
前記ガス導入管１４には、試料ガス導入部１４ａから濃縮管１２に導入する試料ガスの流量、流速を調整する流量調整手段（マスフローコントローラー：ＭＦＣ）１４Ｆと、サンプリング時の低温で凝結するなどして濃縮管１２を閉塞するおそれのある成分、例えば水分を除去する精製器１７と、試料ガス導入弁１４Ｖ及び閉止弁１１Ｖとが設けられるとともに、流量調整手段（ＭＦＣ）１８Ｆで流量調節した不活性ガスを濃縮管１２に導入する不活性ガス導入管１８が切替弁１８Ｖを介して接続されている。
【００１２】
前記冷却手段１３は、濃縮管を所望の温度に冷却できれば任意のものを使用することができるが、図２に示すような冷却モジュール５１、例えば、各種冷却用機器を収容した本体５２の上部に円筒形の吸熱部５３を突出させたツインバード工業株式会社製スターリング方式冷凍機を用いることが好ましい。このようなスターリング方式冷凍機を用いた冷却モジュール５１は、図３に示すように、吸熱部５３に前記濃縮管１２を巻き付けて周囲を適宜な断熱状態として冷却運転を行うことにより、濃縮管１２を−１００℃程度まで冷却可能な能力を備えており、通常の冷凍サイクルを利用した冷凍機や液体窒素などの各種冷媒を用いるものに比べて小型化や低コスト化を図ることができる。
【００１３】
濃縮管１２の冷却温度は、試料ガス中の分析対象成分を吸着剤が十分に吸着できる温度以下に設定する必要があるが、試料ガス中の他の含有成分の状態に応じて最適な温度に設定すればよい。
【００１４】
前記濃縮管１２の内部に充填する吸着剤は、あらかじめ設定された温度に冷却された状態で、濃縮管１２内に試料ガスを流通させたときに、試料ガス中の分析対象成分を低温吸着可能な適宜な吸着剤を選択可能であり、例えば、大気成分の分析に適しているポーラスポリマー系で、スチレン−ジビニルベンゼンを含む吸着剤を用いることができる。吸着剤の充填量は任意であり、試料ガスの種類、分析対象成分の種類、試料ガス中の分析対象成分の濃度などの各種条件に応じて設定することができる。
【００１５】
濃縮管１２は、サンプリング時の低温に耐えられる材料で、分析対象成分の分析に悪影響を与えない材料、通常は、ステンレス鋼のパイプで形成され、濃縮管１２の内径や長さは、前記各種条件や冷却手段の構造などに合わせて設定することが可能であるが、通常は、内径を３〜５ｍｍ、長さを２００〜３００ｍｍ程度に設定すればよい。
【００１６】
サンプリングを行う際に濃縮管１２に流通させる試料ガスの量や線速度は、試料ガス中の分析対象成分の濃度及び濃縮管１２に充填した吸着剤の量に応じて設定することができるが、通常は、吸着剤の体積の４００倍以下に設定することが好ましく、線速度は、２３．５  ｃｃ／ｓｅｃ以下に設定することが好ましい。
【実施例１】
【００１７】
図１に示す構成のガスサンプリング装置１１を使用し、アルシンを使用する半導体製造設備に設置された除害装置から大気中に放出される排ガス中のアルシンの濃度を測定する場合を想定した実験を行った。内径４ｍｍ、長さ２５０ｍｍのステンレス鋼製パイプからなる濃縮管１２に、吸着剤として架橋度の高いポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体からなるポーラスポリマービーズを５ｃｍ３充填した。濃縮管１２を含む封止弁１２Ｖ，１２Ｖ間のラインの容積は２０ｃｍ３であり、吸着剤の充填長さは約２００ｍｍである。また、冷却手段１３には、ツインバード工業株式会社製８０Ｗ型ＦＰＳＣモジュールを使用し、濃縮管１２の冷却温度は−７０℃に設定した。不活性ガス導入管１８から導入する不活性ガスには窒素ガスを使用した。
【００１８】
サンプリング状態の評価を行うため、図４に示すガス分析装置２１を使用した。このガス分析装置２１は、前記ガスサンプリング装置１１から取り外した濃縮管１２を接続する試料ガス導入経路２２と、キャリアガス導入経路２３と、複数の切替弁２４，２５と、試料ガスを計量する計量管２６と、複数のカラム２７，２８，２９，３０と、分析器３１とを備えている。この分析装置２１は、各切替弁２４，２５を所定の順序で切り替えることにより、計量管２６で計量した被分析成分を分析器３１で分析するように形成されている。
【００１９】
基準ガスには、窒素ガスベースアルシン１ｐｐｍｖ／ｖの標準ガスを、窒素ガスによってアルシンの濃度を５ｐｐｂｖ／ｖに希釈したガスを使用した。また、試料ガスには、窒素ガス中に酸素２０％ｖ／ｖ、二酸化炭素５００ｐｐｍｖ／ｖを含み、水中にバブリングさせて水分を添加した大気を模擬したガスで前記標準ガスを希釈し、アルシンの濃度を５ｐｐｂｖ／ｖに調整したものを使用した。
【００２０】
加熱処理などの前処理により内部を十分にパージして封止弁１２Ｖ，１２Ｖを閉じた状態の濃縮管１２を閉止弁１１Ｖを介してガスサンプリング装置１１に取り付けた後、切替弁１８を試料ガス導入部１４ａ側に切り替え、バイパス弁１６Ｖを開いた状態で試料ガス導入弁１４Ｖ及び閉止弁１１Ｖを開き、流量調整手段１４Ｆで流量調整した試料ガスをガス導入管１４に導入し、五酸化リンを使用した精製器１７で水分を除去した試料ガスをバイパス管１６に流通させてガス導出管１５から導出することにより、濃縮管１２の入口側に位置する封止弁１２Ｖまでのガスライン内を試料ガスに置換した。
【００２１】
ガス置換後にバイパス弁１６Ｖを閉じるとともに封止弁１２Ｖ，１２Ｖを開き、あらかじめ設定された温度に冷却されている濃縮管１２に試料ガスを流通させ、あらかじめ設定された量の試料ガスをあらかじめ設定された線速度で導入した後、試料ガス導入弁１４Ｖを閉じるとともに切替弁１８を不活性ガス導入管１８側に切り替え、不活性ガス導入管１８から流量調整手段１８Ｆで流量調節した窒素ガスを導入し、冷却状態の濃縮管１２内に流通させ、濃縮管１２内から酸素などのアルシンの分析に悪影響を与える成分をパージした。あらかじめ設定された量の窒素ガスで濃縮管１２内をパージした後、封止弁１２Ｖ，１２Ｖを閉じて分析対象成分であるアルシンを、窒素雰囲気中の吸着剤に吸着させた状態で濃縮管１２内に封入した。
【００２２】
そして、全ての弁を閉じた状態でガスサンプリング装置１１から濃縮管１２を取り外し、この濃縮管１２をガス分析装置２１の試料ガス導入経路２２に接続した状態で、所定のパージ操作を行った後、ガス分析装置２１の通常の分析操作により、アルシンの濃度を分析した。なお、濃縮管１２からのアルシンの取り出しは、濃縮管１２を適度な温度に維持して吸着剤からアルシンを離脱させること以外は、通常のガスサンプリング容器を用いた場合と同様にして行うことができる。
【００２３】
吸着剤への試料ガスの濃縮体積と吸着剤を通過する試料ガスの線速度とにおける最適範囲を知るための実験を行った。線速度は、Ａ：１１．７ｃｍ／ｓｅｃ，Ｂ：２３．５ｃｍ／ｓｅｃ，Ｃ：３５．２ｃｍ／ｓｅｃ，Ｄ：５８．７ｃｍ／ｓｅｃの４段階に設定し、濃縮体積については、濃縮管１２の体積である５ｃｍ３に対して試料ガスの量を、２０倍（１００ｃｍ３），４０倍（２００ｃｍ３），１００倍（５００ｃｍ３），２００倍（１０００ｃｍ３），４００倍（２０００ｃｍ３），６００倍（３０００ｃｍ３），８００倍（４０００ｃｍ３）の７段階に設定した。結果を図５に示す。
【００２４】
この実験結果から、線速度が低い場合は、一般にサンプリングに長時間を要することになるが、線速度を高くしすぎると、分析対象成分が吸着剤に十分に吸着できず、線速度が２３．５ｃｍ／ｓｅｃを超えると分析対象成分が吸着剤を通過してしまうため、アルシン濃度の分析結果が低くなることがわかる。また、濃縮体積は、少ないと十分な分析を行えなくなるときがあるが、多くし過ぎると、吸着剤が破過して分析対象成分が吸着剤を通過してしまうため、濃縮体積が２０００ｃｍ３（４００倍）を超えるとアルシン濃度の分析結果が低くなることがわかる。
【００２５】
さらに、試料ガス導入後のパージ操作における窒素ガスの量を、濃縮管１２を含むラインの体積である２０ｃｍ３に対してＥ：１０倍（２００ｃｍ３），Ｆ：２０倍（４００ｃｍ３），Ｇ：５０倍（１０００ｃｍ３），Ｈ：１００倍（２０００ｃｍ３）の４段階に設定し、パージガス量と分析結果との関係を調べた。その結果を、基準ガスの分析結果（Ｊ）とともに図６に示す。この結果から、パージガス量が少ないと、濃縮管１２内に残存する空気成分の酸素がアルシンの分析に悪影響を及ぼすため、大気中のアルシンの濃度を分析する際には、パージガス量を濃縮管容積に対して５０倍以上に設定すべきであることがわかる。
【００２６】
なお、他の分析対象成分についても、吸着剤の種類や冷却温度を適宜設定することにより、同様のサンプリングを行うことができる。また、サンプリング後に濃縮管内に封入されたガス中に分析対象成分の分析に悪影響を及ぼす成分が存在しない場合は、サンプリング後のパージ操作におけるパージガス量を少なくしたり、パージ操作を省略したりすることも可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１１…ガスサンプリング装置、１１Ｖ…閉止弁、１２…濃縮管、１２Ｖ…封止弁、１３…冷却手段、１４…ガス導入管、１４ａ…試料ガス導入部、１４Ｆ…流量調整手段、１４Ｖ…試料ガス導入弁、１５…ガス導出管、１６…バイパス管、１６Ｖ…バイパス弁、１７…精製器、１８…不活性ガス導入管、１８Ｆ…流量調整手段、１８Ｖ…切替弁、２１…ガス分析装置、２２…試料ガス導入経路、２３…キャリアガス導入経路、２４，２５…切替弁、２６…計量管、２７，２８，２９，３０…カラム、３１…分析器、５１…冷却モジュール、５２…本体、５３…吸熱部
【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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