(57)【要約】  この発明は、食品加工産業または化学品−医薬品産業の製造プラントおよび装置デバイスにおいて、ファイバー・ブラッグ・グレーティングをセンサとして用いることによって、温度を測定または温度プロファイルを測定するための方法、ならびに、対応する装置デバイスおよび製造装置に関する。
2008504535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品加工産業または化学品−医薬品産業の製造プラントおよび装置デバイスにおいて温度を測定する方法であって、
ファイバー・ブラッグ・グレーティングを有する少なくとも１つのガラスファイバーを前記デバイスに導入すること、および前記ファイバー・ブラッグ・グレーティングからの反射信号を評価することにより、前記デバイスの温度プロファイルを測定することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記デバイスが、反応装置、蒸留塔または熱交換装置であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
コンピュータまたはデジタル・シグナル・プロセッサによって前記信号の評価を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
ガラスファイバーが、前記デバイスの中に、被覆加工されることなく導入されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
ガラスファイバーが、前記デバイスの中に、閉じた保護チューブ内で導入されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
ガラスファイバーの両方の端部が前記デバイスから外へ導かれており、伝達信号は追加的にまたは排他的に測定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
デバイスはマイクロデバイスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
−６０℃〜１１５０℃の温度範囲をモニターすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
製造プロセスの間に、ファイバー・ブラッグ・グレーティングによって反応装置内の温度を測定することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
ファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が設けられているガラスファイバーを温度センサーとして備えている食品加工産業または化学品−医薬品産業用の製造プラントおよび装置デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、化学品−医薬品産業（chemical-pharmaceutical industry）の製造プラントおよび装置デバイス（本明細書において、反応装置（reactors）とも称する）において、センサとしてファイバー・ブラッグ・グレーティングを用いることによって、温度または温度プロファイルを測定するための方法、ならびに、対応する製造プラントおよび装置デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学品−医薬品産業のプラントにおける温度測定には、従来においてＰＴ１００エレメントまたは熱電対が使用されている（例えば、P. ProfosおよびT. Pfeifer, Handbuch der industriellen Messtechnik ［Handbook of industrial metrology］, Oldenbourg, 2002, H. -R. Trankler, E. Obermeier （eds.）, Sensortechnik - Handbuch fur Praxis and Wissenschaft ［sensor technology - handbook for practice and science］, Springer Verlag, 1998, 第９２３頁以下参照）。これらの工業的規格寸法は、小さい寸法を有する反応装置（例えば、キャピラリー反応装置またはマイクロ反応装置）の幾何学的構造に対して、理想的に適合してはいない。本明細書において、キャピラリー反応装置とは、１０ｍｍまでのチャンネル寸法を有するチューブ状の反応装置を意味することが意図されている。マイクロ反応装置は、１ミリメートル未満の三次元的構造を有する反応装置を意味することが常套的に意図されている（Angewandte Chemie, Int. Ed. 2004, 43, 406-446参照）。これに加えて、ケーブル・フィードスルー（cable feed-throughs）については（特に、熱制御のために二重ジャケットを装備した反応装置の場合）、かなりの費用が追加される。さらに、測定エレメントは１つの位置における温度を提供するだけであるので、十分な（または完全な）温度プロファイルを記録するためには、多数のエレメントが必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、従来技術に基づいて、小さいチャンネル寸法を有する反応装置、例えばキャピラリー反応装置またはマイクロ反応装置において、軸方向の温度プロファイルを、反応が起こっている間にリアルタイムで測定することを、この出願は目的とする。一般に、反応中に、そして反応装置内で、リアルタイムにて温度プロファイルを測定することについては、大きな需要がある。この場合の問題は、狭い幾何学的構造、反応チャンネルのアクセス可能性、関連する物質に起因して必要とされる場合がある爆発保護（explosion protection）、および使用するセンサの耐食性（corrosion resistance）である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
驚くべきことに、ファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧｓ（fiber Bragg gratings))を有するガラスファイバーは、化学品−医薬品産業の装置デバイスおよび生産プラント、特に非常に小さい直径を有する反応装置、例えばマイクロ反応装置における軸方向の温度プロファイル測定のためのすべての要件を満足するということが、今日では見出されている。
【０００５】
プローブとしてのこれらＦＢＧｓの特定の利点は、１つのガラスファイバーに多数の（例えば、３０箇所以上の）測定サイトを設けることができ、従って単独のファイバーを用いることによって、反応装置の長さ全体にわたって温度プロファイルを記録することができるということである。（ＰＴ１００エレメントまたは熱電対とは対照的に、）このことに加えて、プロセスエンジニアリング装置において、空間的に実際に任意的に分布された温度測定を、センサのサプライおよび応答のための最小の基礎設備コストにて行うことができる。この場合に、ガラスファイバーに沿った複数の測定ポイントどうしの間について要求される最小の間隔は約５ｍｍであって、最大の間隔についての制限は実質的に存在しない。このようにして、非常に短い反応装置についても、非常に長い反応装置についても、温度プロフィルを記録することが可能である。従って、多数の（または複数の）測定ポイントで測定するためには１つの接続のみを必要するだけであるので、温度プロファイルを測定するために必要とされる設備については小さいものを維持することができる。従って、基本的に、この測定方法は、化学プロセス・エンジニアリングについて常套の装置であって、メートル範囲の装置寸法を有し、最小の空間的要求を伴う測定方法が有利であるような装置、例えば、反応装置、蒸留塔、熱交換装置、ミキサー、セパレータなどについてだけ使用可能できるというものではない。しかしながら、使用する測定プローブの小さな直径（例えば、直径１００〜３００μｍ）によって、例えば２００〜１０００μｍの範囲のチャンネル横断面への直接的なアクセスが許容されるので、小さいチャンネル寸法を有する反応装置、例えばキャピラリー反応装置またはマイクロ反応装置は、本発明によって特に有利な効果を得ることができる。
【０００６】
例えば反応を等温的（isothermally）に実施することを目的として、強い発熱反応についてキャピラリー反応装置またはマイクロ反応装置を使用する場合に、このことは特に重要である。安全性の要求（不十分な温度モニタリングの場合には、反応が「暴走（run away）」し、それによって圧力が上昇して、装置の爆発を生じる可能性さえあり得る）、または反応の選択性（反応装置におけるホットスポットは、例えば、選択性について大幅な低下（deterioration）を引き起こす可能性がある）は、この方法に関連付けられることもある。しかしながら、今日において利用することができる測定方法に基づいて、反応セクションの全体に等温条件が実際に行き渡っているか否かをチェックすることは、ほとんど不可能である。本発明の方法は、このような目的を達成することができる方法であって、以下に説明するように、その達成を直接的な方法で行うことができる。
【０００７】
この発明に関して、ファイバー・ブラッグ・グレーティング「ＦＢＧｓ」とは、ガラスファイバーのコアに、光学的に活性な構造であって、ファイバーに沿って屈折率が本質的に周期的に変調することによって特徴付けられる構造を有すること（「グレーティング（grating）」）を意味することを意図している。屈折率におけるこの変調によって、各変調ステップでは、入射光の部分的な後方散乱がもたらされる。変調ステップの適切に選択されたスペーシング（ブラッグ条件）によって、後方散乱光における波長の狭い範囲について、建設的干渉（constructive interference）を達成することが可能である［www.inventivefiber.com.sg/FBG.html, K. O. Hill et al., Appl. Phys. Lett. 32, p647 （1978）］。
【０００８】
さらに、屈折率変調を改良すること、例えば、格子構造（grating structure）内のコントラストにバリエーションを設けることによって、反射した光に側帯波が発生することを最小化することが可能である。ＦＢＧｓは、一般に、１ｍｍ〜２５ｍｍの長さを有する（例えば、F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, http://oemagazine.com/fromTheMagazine/jan01/Tutorial.pdf 参照）。
【０００９】
一般に６μｍ〜９μｍのコア直径を有するシングル・モードのガラスファイバーが、ＦＢＧｓの生産に通常使用されている。このファイバーは、ゲルマニウムによってドーピングがなされている。商業的に最も利用可能なファイバーは、より高いゲルマニウム濃度によって光電感度（または光感受性（photosensitivity))が増大しているものである。ＦＧＢ構造は、保護プラスチック被覆を除去した後、またはそれを適用する前に、ＵＶレーザー（波長約２４０ｎｍ）によってファイバーコアに形成（インスクライブ（inscribe))される。この場合に、ＦＧＢの構造は、レーザーのビーム経路（beam path）のフェーズマスクによって、または、ファイバーの位置におけるレーザーの２つのサブビームの重ね合せによって得られる干渉パターンによって、規定される。光電感度を増幅させるためには、さらす前に、ファイバーに高圧にて水素を富化（enrich）させることが一般に行われている。ＦＧＢ構造をインスクライブした後、ファイバーを熱処理する過程で、水素は洩れ出す傾向がある［F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38,（2001）、または｛http://oemagazine.com/fromTheMagazine/jan01/Tutorial.pdf｝］。この方法は、例えば、ドレスデン（Dresden）のＡＯＳによって用いられている。
【００１０】
この方法の他に、クラッドを除去することなく、ファイバーにＦＢＧｓを形成（スクライブ（scribe))することもできる。対応する方法は、米国のＳａｂｅｕｓ［www.sabeus.com］によって行われている。
【００１１】
ＦＢＧｓの主要な適用用途は通信産業に存在する。今日において、高いキャパシティでの長距離のデータ通信は、ガラスファイバーを用いることによって実施されている。従って、受動素子（passive component）、例えばフィルター、挿入／分岐多重装置（add/drop multiplexers）、分散補償器（dispersion compensators）、ダイオードレーザー用の周波数標準または光増幅器のための利得等化フィルター（gain flattening filter）等を、ＦＢＧｓを用いて製造することができる［R. Kashyap, "Fiber Bragg Gratings", Academic Press, 458 （1999）, F. Ouelette, Spie's OEmagazine, p38, （2001）］。
【００１２】
周期的なグレーティング（格子）のブラッグ波長が格子定数および屈折率に依存するという事実は、センサ用途において利用されている。これら２つの数値は温度に依存するので、ブラッグ波長（Bragg wavelength）を測定することによって、温度測定を行うことができる。この他に、機械的数値、例えば、張力または圧縮力なども幾何学的構造に影響を及ぼすので、好適な配置においては、これらを測定することもできる。この特性を用いることによって、結合されたファイバーの支援を受けて、航空機内の支持構造物（supporting structures）（"Structural Health Monitoring"） http://www.Aiaa.Org/images/about/03_TC_Highlights/aiaa-sen.Pdf］または構造物の装入または状態を評価［http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/ge_etal2002d.pdf, Y.J. Rao, Shanglian Huang, Optical Engineering 76, p449, （2002）］することができる。
【００１３】
もう１つの配置において、ファイバーのコアからクラッドの中に光の一部を散乱させて、ファイバーのクラッド表面において媒質の屈折率を測定することも可能である［K. Schroeder et al., Measurement Science and Technology 12（7）, p757 （2001）］。
【００１４】
しかしながら、化学プロセスエンジニアリング装置または食品加工産業において、ＦＢＧｓを使用して温度プロフィルを測定することは、従来技術においては何ら言及されていなかった。しかしながら、驚くべきことに、しばしば攻撃的な反応体および場合によっては極端なパラメータ、例えば温度および圧力のために、当業者が、ガラスファイバーがそれらの負荷に耐えられないであろうとか、またはファイバーがそれらＦＧＢ特性、すなわち「格子構造」を変更されない状態に保つであろう等ということを予想することができないような場合であっても、ＦＢＧｓを使用することができる。ガラスの中に形成（スクライブ）する構造は、変動（variations）に関して、特に加熱作用によって、安定であるとは言えないが、その代わりに、基本的に、ガラスの「ビスカス・マス（または粘性の質量（viscous mass))」について失われる可能性がある。しかしながら、驚くべきことに、そのような反応装置においても、構造は十分に安定しており、使用することができる。
【００１５】
この使用に好適なガラスファイバーは、二酸化ケイ素系のすべてのガラスファイバー、特に、電気通信において使用されており、知られてもいる二酸化ケイ素系のガラスファイバーである。
【００１６】
本発明の方法において、複数のＦＢＧｓが設けられたガラスファイバーは、反応チャンネルのフロープロファイル（flow profile）に沿って、（ホルダーおよびメカニカルなガイド部材に沿ってまたはフリーな状態で）配置されており、フィードスルーを通って外部へ導かれる。調製されたガラスファイバーの反射スペクトルは、光源、クロスカプラー、またはサーキュレータおよび分光計を用いて測定される。スペクトルは、好適なデバイス、好ましくはコンピュータまたはデジタル・シグナル・プロセッサ（digital signal processor）を用いて周期的に測定される。
【００１７】
個々のＦＢＧｓの反射プロファイルのセントロイド（または重心（centroids))は、較正曲線（calibration curve）によって、局部の温度に関連付けられている。ＦＢＧｓの反射プロファイルは、予測される温度範囲内でのオーバーラップを除くような方法で、幾何学的に形成される。このようにして、調製されたファイバーの反射スペクトルを測定することによって、導入されたすべてのＦＢＧｓの評価を同時に行うことができる。
【００１８】
個々のＦＢＧｓの較正は、ファイバーの全体を種々の温度（できる限り意図されている測定範囲をカバーする温度）にて等温浴に浸漬させることによって記録される。全体の温度の範囲は、回帰線（regression line）を計算することによって、または二次多項式（second-order polynominal）をそれぞれのファイバー・ブラッグ・グレーティングの測定値に適合させることによって、構築される。
【００１９】
上述した方法の別法として、取り付けの状況によって、参照温度計によって測定されたファイバー・ブラッグ・グレーティングの部位におけるそれぞれの局部温度と、較正されるべきファイバー・ブラッグ・グレーティングの反射の重心の測定された位置とを比較することによって、その場において較正を行うこともできる。この場合に、反応装置は、温度の変動がそれぞれ最小化されるような方法で、種々の温度にて理想的に操作される。ファイバー・ブラッグ・グレーティングが設けられており、前もって較正されているようなガラスファイバーは、例えば、参照温度計として考えることができる。
【００２０】
更なる変形例では、ガラスファイバーのクラッドが、反応物によって溶かされたり、製品に入ったりすることはないように、そのガラスファイバーのクラッドが除去されている。測定プローブ（石英ガラス）に用いられる材料は、大部分の化学反応について、使用することが許容され、および非常に良好な化学的安定性によって特徴付けられるので、このようなことも可能である。
【００２１】
その他の変形例において、ガラスファイバーへの反応体の化学的作用を排除するために、ガラスファイバーは、反応から材料的にシールされた保護チューブを通して供給される。より良好な熱伝達のために、この保護チューブに適当な媒質を充填することもできる。そのために、この保護チューブは、適切に選ばれた材料（すなわち、周囲の媒質、例えば反応体に対して十分な不活性を有する材料）によって形成される。
【００２２】
その他の変形例において、送信された構成要素を評価することによってＦＢＧｓの反射プロファイルの位置を求めることができるように、ガラスファイバーの両方の端部はデバイスから外へ導かれる。
その他の変形例において、ガラスファイバーは、反応装置内に設けられている静的ミキサーに組み込まれる。
その他の変形例において、ガラスファイバーはマイクロミキサーのフローチャンネルの中に導入される。
【００２３】
その他の変形例において、ガラスファイバーは、任意のマイクロ反応装置、例えばそのフローチャンネルまたはミキサーユニットに、導入されたり組み込まれたりすることができる。
特定の変形例において、ガラスファイバーは、それ自身が反応チャンバーまたはフローチャンネルの中で静的ミキサーとして機能するような方法で、マイクロ反応装置に導入することもできる。
【００２４】
その他の変形例において、測定点を更に展開（develop）させるために、反応装置内に複数のガラスファイバーを供給することもできる。
【００２５】
本発明の方法は、基本的に、特に液相反応系、気相反応系および複数相の反応系における反応について、温度測定を行うことが好都合な種々の（またはあらゆる）反応または製造方法のために、好適である。
【００２６】
この場合に、温度測定は−６０℃〜１１５０℃までの範囲で可能である；本発明のＦＢＧｓは、好ましくは９００℃までの測定、特に好ましくは２５０℃まで、更に特に好ましくは２００℃まで、場合によっては特に１５０℃までの測定を行うのに適している。
【００２７】
この出願は、本発明のＦＧＢが装備されているガラスファイバーが温度センサとして取り付けられている化学品−医薬品産業の製造プラントおよび装置デバイスにも関連する。それらは、反応装置、蒸留塔、熱交換器、ミキサー、セパレータなどであることが好ましく、更に小さいチャンネル寸法、例えばキャピラリー反応装置またはマイクロ反応装置を有する反応装置は特に好ましい。
【００２８】
この出願は、本発明のＦＧＢが設けられているガラスファイバーが温度センサーとして取り付けられている、食品加工産業における装置、例えば、乾燥機、オーブン、特にマイクロ波加熱式オーブン（もしくは電子レンジ）、または誘導オーブン（induction oven）にも関連している。
以下の例は、本発明を説明することを意図するものであって、本発明を限定することを意図するものではない。
【００２９】
（実施例）
直径２ｍｍ、長さ１ｍおよび二重の冷却ジャケットを有しているキャピラリー反応装置の中に、（図３に示すような間隔で）８つの測定ポイントを有するファイバーを導入した。ファイバーは、Ｔ型ピースを通して、反応装置アウトプット（図１）から始めて導入し、ファイバーのシールは、液体クロマトグラフィーにおけるＨＰＬＣキャピラリーとして通常用いられるシールを用いて、Ｔ型ピースのところで行った。測定する反応として、テトラヒドロフラン溶媒中の低温の有機金属反応（organometallic reaction）を、−５０℃の冷媒温度にて実施した。この目的のために、キャピラリーの入口部で２つの成分は激しく混ぜられて、強い発熱反応によって温度プロファイルが形成された。定常状態の反応について、８つのセンサについての温度のプロファイルを、時間の関数として、６分の時間的間隔で、図４に示している。測定された温度を、ファイバー・ブラッグ・グレーティングの位置に割り当てることによって、選ばれた時点での、長手方向の温度プロファイルを表すことが可能となる。図５はそのような温度プロファイルであって、Ｔ＝６分で図４の測定値から導き出された温度プロファイルを示している。エダクト（educts）の入口は、０ｍｍの位置にある。０．８０ｍ／ｓの流量にて、反応装置中における成分の滞留時間は１．２秒であった。反応装置の中に局部的なホットスポットが存在していたことは、温度プロファイルから明らかであり、このようなことは、従来の方法によれば、著しいコストをかけた場合にのみ検出することができたであろうと考えられる。反応装置のアウトレットにおける温度の更新された上昇は、最後のグレーティングの位置によって、冷却ジャケットの終わりの直後にて明らかにされる。
【００３０】
温度プロファイルへの修正された冷却能力の影響を図６に示している。約４０秒の後に、冷却剤のスループットを増大（３０％の増大）させることによって、冷却能力も向上している。反応装置における長手方向の温度プロファイルについての効果は、冷却能力が変化する前と変化した後のプロファイルどうしを比較することによって、図７に示されている。使用した温度の測定の方法は、冷却能力を向上させた後に、ホットスポット温度がどの程度の著しい低下を示すかということ（約４℃）を、明らかに示している。
【００３１】
測定は、Institut fur Zuverlassigkeit und Mikrointegration of the Fraunhofer-Gesellschaft（ミュンヘン）からの技術的援助を受けて実施した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
（原文に記載なし）
【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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【国際調査報告】
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