(57)【要約】【課題】良好な精度が確保でき、小型化でき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるカラムとガス分析装置とガス分離装置を実現する。【解決手段】ガスを成分ごとに分離するカラムにおいて、ガスが分子流領域から粘性流領域になる断面積を有し且つガスの入口からガスの出口に向かって曲率半径が連続的に小さくなって行くスパイラルパイプ形状の流路を具備したことを特徴とするカラムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを成分ごとに分離するカラムにおいて、
ガスが分子流領域から粘性流領域になる断面積を有し且つガスの入口からガスの出口に向かって曲率半径が連続的に小さくなって行くスパイラルパイプ形状の流路
を具備したことを特徴とするカラム。
【請求項２】
前記流路は半導体プロセスにより形成されたこと
を特徴とする請求項１記載のカラム。
【請求項３】
ガスの成分を分析するガス分析装置において、
前記カラムの入口に接続されガスをパルス的に前記カラムに導入する導入手段と、
前記カラムの出口に接続されガス成分を検出する検出手段と前記カラム内部を減圧する減圧手段と、
を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス分析装置。
【請求項４】
ガスの特定成分を分析するガス分離装置において、
前記ガス分析装置の出力出口に接続されガスから特定成分のガスを分離する分離手段
を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラムとガス分析装置とガス分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離装置は、ガスクロマトグラフのガス成分ごとに分離するための装置であり、カラム（分離管）と呼ばれている。
図３に示すように、ガスクロマトグラフは、Ｈｅ、Ｈ2、Ｎ2、ＡｒなどのキャリアガスＡを流し、そこに計量されたサンプルガスＢを導入して恒温槽２に配置されたカラム１を通すことにより、サンプルガスＢを時間的に成分毎に分離して検出器３で測定する。
【０００３】
図４に示すように、カラム１の内部には、充填剤４を詰めた充填カラムや、管壁に多孔性吸着剤を層状に担持させキャピラリーカラムで分離される。
図５に示す如く、分離ピークＣの出現時間で定性分析、ピーク面積で定量分析を行う。
カラムは長さが数ｍ〜数１０ｍのものが使われるが、図６に示す如く、シリコン基板上にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）流路を形成して充填剤を詰めたＭＥＭＳカラム５が提案されている。
【０００４】
複数成分のガスを含有する被処理ガスＤから、特定のガスを分離するガス分離装置には、図７に示す、特開２００７-３８０４２号公報のように、充填材又は邪魔板７が設けられた分離装置６を真空ポンプ８で排気して減圧状態にして、供給バルブ９により、被処理ガスＤを間欠的（パルス的）に供給することで、被処理ガスＤ中に含まれるガスの各構成成分の分子量によって原子や分子の熱運動や拡散速度が異なることを利用して、特定ガスを分離する方法が提案されている。
１１は排出バルブである。
他に、膜分離方法、深冷分離方法、遠心分離方法、電磁分離方法等がある（図示せず）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３７２２８７号公報
【非特許文献１】(社)日本分析化学会ガスクロマトグラフィー研究懇談会編、「キャピラリーガスクロマトグラフィー」、第８刷、朝倉書店、２００６年９月１０日出版、Ｐ.1−Ｐ.５
【非特許文献２】統合センシングデータベース／有毒ガスセンシング ／ガス分離ＭＥＭＳカラム、［平成２２年２月２６日検索］インターネット＜ＵＲＬ：http://www.sensing-db.net/technology.php?tid=134。＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような装置においては、以下の問題点がある。
図３従来例では。
分離するガス成分に適した充填剤や吸着剤を選択したカラムを準備する必要がある。
ガスの吸着・脱着を利用するため分離時間が数分で、連続的に分離できない。
分離するためにはカラムの長さが数ｍ〜数10ｍ必要であり、小型化できない。
キャリアガスが必要であり、分離されたガスがキャリアガスで希釈されてしまう。
【０００７】
図６従来例では。
分離するガス成分に適した充填剤や吸着剤を選択したカラムを準備する必要がある。
ガスの吸着・脱着を利用するため分離時間が数秒から数分で、連続的に分離できない。
ＭＥＭＳ技術で小型化できるが、充填剤や吸着剤の形成方法に難がある。
流路内における内周外周の距離差をなくす必要がありターン数を対照にしなければならない。
キャリアガスが必要であり、分離されたガスがキャリアガスで希釈されてしまう。
【０００８】
図７従来例では。
整流や調圧を目的とした邪魔板または充填剤が必要である。
分離装置（カラム）の長さが必要であり、装置が大型になってしまう。
装置が大型になり、イニシャルコスト、ランニングコストがかかる。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、
良好な精度が確保でき、安価で、効率が良好で、設計の自由度が高く、小型化でき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるカラムとガス分析装置とガス分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１のカラムにおいては、
ガスを成分ごとに分離するカラムにおいて、ガスが分子流領域から粘性流領域になる断面積を有し且つガスの入口からガスの出口に向かって曲率半径が連続的に小さくなって行くスパイラルパイプ形状の流路を具備したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２のカラムにおいては、請求項１記載のカラムにおいて、
前記流路は半導体プロセスにより形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３のガス分析装置においては、請求項１又は請求項２記載のカラムを有するガス分析装置において、
ガスの成分を分析するガス分析装置において、前記カラムの入口に接続され前記ガスをパルス的に前記カラムに導入する導入手段と、前記カラムの出口に接続されガス成分を検出する検出手段と前記カラム内部を減圧する減圧手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４のガス分離装置においては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載のカラムとガス分析装置とを有するガス分離装置において、
ガスの特定成分を分析するガス分離装置において、前記ガス分析装置の出力出口に接続され前記ガスから特定成分のガスを分離する分離手段を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
ガス中の分子の平均自由行程、分子量、平均速度などのパラメータによって、流路内を拡散する時間が異なること、曲率半径が連続的に小さくなるスパイラル形状であるために生じる内壁と衝突する回数が異なることから、成分ごとに検出器に達する時間が異なることを利用できる。
【００１５】
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できるカラムが得られる。
分離するガス成分に適した充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラムが実現できるとともに、ほぼ連続的にガス分離ができ、効率が良好なカラムが得られる。
【００１６】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
連続して曲率半径が小さくなるスパイラル形状を半導体プロセスで形成することで、小形化、精密化が確保できるカラムが得られるとともに、再現性よく歩留まりが高いカラムが作製できるため、製造コストが低減できるカラムが得られる。
【００１７】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できることから、ガス分析の精度が向上できるガス分析装置が得られる。
キャリアガス、カラムの充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラムが実現できることから、装置が小型にでき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるガス分析装置が得られる。
【００１８】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できることから、ガス分析の精度が向上できるガス分離装置が得られる。
キャリアガス、カラムの充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラムが実現できることから、装置が小型にでき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるガス分離装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【図４】図３の要部構成説明図である。
【図５】図３の動作説明図である。
【図６】従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である。
【図７】従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２は図１の動作説明図である。
図において、図７と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図７との相違部分のみ説明する。
【００２１】
図１において、カラム２１は、ガスが分子流領域から粘性流領域になる断面積を有し且つガスＤの入口からガスＤの出口に向かって曲率半径が連続的に小さくなって行くスパイラルパイプ形状の流路２１１を有する。
スパイラルカラム２１は、ガス分子の平均自由行程λよりカラム径ｄがλ/ｄの値が０．０１〜１０の範囲になるように構成される。また、スパイラルカラム２１は、入口から出口にむかって曲率半径が連続的に小さくなっていくスパイラル形状になっている。
【００２２】
スパイラルカラム２１には、ガスＤの流れを妨げる充填剤や吸着剤は詰めない。スパイラルカラム２１はＭＥＭＳ技術などを用いて微小流路が形成できる。
カラムの材質は、流路の内壁においてガスＤの吸着作用が最小となるような材料、例えば、シリコンなどで、内壁の表面粗さが小さい加工方法を用いる。
同一基板上に細密配置できるため、例えば、チップサイズ５ｃｍ×５ｃｍなど、温度制御する体積が小さいことから分離に適した温度制御が簡単にできる。
【００２３】
導入手段２２は、カラム２１の入口に接続され、ガスＤを断続的・パルス的に、カラム２１に導入する。
この場合は、導入手段２２は供給バルブが使用されている。
検出手段２３は、カラム２１の出口に接続され、ガス成分を検出する。
この場合は、検出手段２３は、熱伝導度検出器が使用されている。
減圧手段２４は、カラムの出口２１に接続され、カラム２１内部を減圧する。
この場合は、減圧手段２４は、真空ポンプが使用されている。
【００２４】
なお、検出器２３と真空ポンプ２４の配置は、スパイラルカラム２１に検出器２３と真空ポンプ２４の順番で設置されても良く、スパイラルカラム２１に真空ポンプ２４と検出器２３の順番で設置されても良いことは勿論である。
ここまでの構成で、ガス分析装置としての機能２０ａを有する。
【００２５】
分離手段２５は、真空ポンプ２４の出力出口に接続され、処理ガスＤから特定成分の分離ガスＥを分離し、処理ガスＦを排出する。
この場合は、分離手段２５は、分離バルブが使用されている。
【００２６】
ガス分析装置の機能２０ａに、分離バルブ２５を付加し、図２で後述する検出ピークのタイミングによって分離バルブ２５で流路を切り替えることで、処理ガスＥから特定の成分である分離ガスＦを抽出することができる。
ここまでの構成で、ガス分離装置としての機能２０ｂを有する。
【００２７】
以上の構成において、図２に分離ピークの概念図を示す。
処理ガスＤは、注入３１ａ時点で所定の容積がスパイラルカラム２１に導入される。
スパイラルカラム２１の内部は減圧されており、ガス中の分子の平均自由行程、分子量、平均速度などのパラメータによって、流路内を拡散する時間が異なること、曲率半径が連続的に小さくなるスパイラル形状であるために生じる内壁と衝突する回数が異なることから、成分ごとに熱伝導度検出器２３に達する時間が異なる。
【００２８】
第１の周期３２ａでみると、第１の分離ピーク３３ａは、Ａ成分３４ａ、Ｂ成分３５ａ、Ｃ成分３６ａのようにピーク分離できる。
同様に、第２の周期３２ｂでみると、第２の分離ピーク３３ｂは、Ａ成分３４ｂ、Ｂ成分３５ｂ、Ｃ成分３６ｂのようにピーク分離できる。
【００２９】
なお、図２は概念を示すものであって、特定のガス成分を表記したものではない。
図２の分離ピークで、予め被処理ガスＤに含まれる成分ごとの分離時間の検量線を準備しておくことによって、ガス分析装置が実現できる。
また、予め被処理ガスＤに含まれる成分ごとの分離時間の検量線を準備しておき、各成分の分離ピークと同期して分離バルブ２５を操作することで、特定のガスを分離するガス分離装置が実現できる。
【００３０】
この結果、
ガス中の分子の平均自由行程、分子量、平均速度などのパラメータによって、流路内を拡散する時間が異なること、曲率半径が連続的に小さくなるスパイラル形状であるために生じる内壁と衝突する回数が異なることから、成分ごとに検出器に達する時間が異なることを利用できる。
【００３１】
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できるカラム２１が得られる。
分離するガス成分に適した充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラム２１が実現できるとともに、ほぼ連続的にガス分離ができ、効率が良好なカラム２１が得られる。
【００３２】
連続して曲率半径が小さくなるスパイラル形状を半導体プロセスで形成することで、小形化、精密化が確保できるカラム２１が得られるとともに、再現性よく歩留まりが高いカラム２１が作製できるため、製造コストが低減できるカラム２１が得られる。
【００３３】
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できることから、ガス分析の精度が向上できるガス分析装置が得られる。
キャリアガス、カラムの充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラム２１が実現できることから、装置が小型にでき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるガス分析装置が得られる。
【００３４】
ガスの分子流から粘性流領域で、成分ごとに分離する方式であることから、キャリアガスが不要であること、分離された成分がキャリアガスで希釈されることなく良好な精度が確保できることから、ガス分析の精度が向上できるガス分離装置が得られる。
キャリアガス、カラムの充填剤や吸着剤が不要であることから、安価なカラムが実現できることから、装置が小型にでき、イニシャルコスト、ランニングコストが低減できるガス分離装置が得られる。
【００３５】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ      キャリアガス
Ｂ      サンプルガス
Ｃ      分離ピーク
１      カラム
２      高温槽
３      検出器
４      充填剤
５      ＭＥＭＳカラム
Ｄ      被処理ガス
６      分離装置
７      充填材又は邪魔板
８      真空ポンプ
９      供給バルブ
１１    排出バルブ
２０ａ  ガス分析装置
２０ｂ  ガス分離装置
２１    カラム
Ｄ      処理ガス
Ｅ      処理ガス
Ｆ      分離ガス
２２    供給バルブ
２３    熱伝導度検出器
２４    真空ポンプ
２５    分離バルブ
３１ａ  注入
３２ａ  第１の周期
３３ａ  第１の分離ピーク
３４ａ  Ａ成分
３５ａ  Ｂ成分
３６ａ  Ｃ成分
３１ｂ  注入
３２ｂ  第２の周期
３３ｂ  第２の分離ピーク
３４ｂ  Ａ成分
３５ｂ  Ｂ成分
３６ｂ  Ｃ成分
【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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