(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置であって、
カラム加熱装置と、
前記カラム加熱装置内に、又は該カラム加熱装置に直接隣接して位置する第１の温度センサと、
前記カラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの間に配置されるガスクロマトグラフィカラムとを備え、該ガスクロマトグラフィカラムの温度は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの温度データに基づいて変更され、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記第１の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置。
【請求項２】
前記カラム加熱装置の下方に配置される第１の断熱層と、第２の断熱層とを更に備え、前記第２の温度センサは前記第２の断熱層の上方に、該第２の断熱層内に、又は該第２の断熱層の下方に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の基板は、２５℃において
【数１】
0006706252.tif 000019
より低い体積熱容量と、２５℃において
【数２】
0006706252.tif 000020
より高い熱伝導率と、２５℃において
【数３】
0006706252.tif 000021
より大きい、熱伝導率と熱膨張係数との比と、１００ＧＰａより高いヤング率とを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の基板は、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、炭化シリコン、タングステン、モリブデン、タングステン合金、モリブデン合金又はその組み合わせのうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置であって、
カラム加熱装置と、
前記カラム加熱装置内に、又は該カラム加熱装置に直接隣接して位置する第１の温度センサと、
前記カラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの間に配置されるガスクロマトグラフィカラムとを備え、該ガスクロマトグラフィカラムの温度は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの温度データに基づいて変更され、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置は、前記加熱要素と前記第１の基板との間に配置されるスペーサ層を更に備え、前記スペーサ層は、前記第１の温度センサを受け入れ、前記加熱要素に隣接して前記第１の温度センサを保持するように構成される、ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置。
【請求項７】
温度制御システムであって、
カラム加熱装置と、
ガスクロマトグラフィカラムに直に又は間接的に隣接して配置される第２の温度センサと、
前記カラム加熱装置内に、又は前記カラム加熱装置の上方に配置される第１の温度センサと、
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサから温度データを受信し、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの前記温度データに基づいて、制御信号を出力するように構成されるコントローラと、
前記コントローラから制御信号を受信し、前記カラム加熱装置への電力を調整して前記ガスクロマトグラフィカラムの前記温度を変更するように構成される電源と、
を備え、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記第１の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、温度制御システム。
【請求項８】
温度制御システムであって、
カラム加熱装置と、
ガスクロマトグラフィカラムに直に又は間接的に隣接して配置される第２の温度センサと、
前記カラム加熱装置内に、又は前記カラム加熱装置の上方に配置される第１の温度センサと、
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサから温度データを受信し、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの前記温度データに基づいて、制御信号を出力するように構成されるコントローラと、
前記コントローラから制御信号を受信し、前記カラム加熱装置への電力を調整して前記ガスクロマトグラフィカラムの前記温度を変更するように構成される電源と、
を備え、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記加熱要素と前記第１の基板との間に配置されるスペーサ層を更に備え、前記スペーサ層は、前記第１の温度センサを受け入れ、前記加熱要素に隣接して前記第１の温度センサを保持するように構成される、温度制御システム。
【請求項９】
前記コントローラは比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含む、請求項７又は８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ＰＩＤコントローラは、前記第１の温度センサからの前記温度データに基づいて、第１のＰＩＤ計算を達成し、前記第２の温度センサからの前記温度データに基づいて、第２のＰＩＤ計算を達成するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２のＰＩＤ計算は、前記第１のＰＩＤ計算を計算し、変更するために使用される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変更された第１のＰＩＤ計算に基づく制御信号が前記電源に与えられる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＰＩＤコントローラは、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの温度データの加重平均に基づいてＰＩＤ計算を達成するように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
カラム加熱装置を制御するためのシステムであって、前記システムは、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラを備え、該コントローラは、
前記温度データから推定カラム温度を求めることと、
前記推定カラム温度を現在の設定点温度と比較することと、
前記推定カラム温度と前記現在の設定点温度との前記比較から温度誤差を求めることと、
前記求められた温度誤差に基づいて、加熱要素に印加する電力レベルを調整することと、
を含む、プログラミング動作を実行するように更に構成され、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触しているガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記第１の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、カラム加熱装置を制御するためのシステム。
【請求項１５】
カラム加熱装置を制御するためのシステムであって、前記システムは、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラを備え、該コントローラは、
前記温度データから推定カラム温度を求めることと、
前記推定カラム温度を現在の設定点温度と比較することと、
前記推定カラム温度と前記現在の設定点温度との前記比較から温度誤差を求めることと、
前記求められた温度誤差に基づいて、加熱要素に印加する電力レベルを調整することと、
を含む、プログラミング動作を実行するように更に構成され、
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触しているガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱し、
前記加熱要素と前記第１の基板との間に配置されるスペーサ層を更に備え、前記スペーサ層は、前記第１の温度センサを受け入れ、前記加熱要素に隣接して前記第１の温度センサを保持するように構成される、カラム加熱装置を制御するためのシステム。
【請求項１６】
前記推定カラム温度は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの両方からのデータを用いて計算される、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の温度センサは、前記第２の温度センサより、前記加熱要素の近くに位置する、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記現在の設定点温度は、ガスクロマトグラフィカラムの所望の温度の関数である、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、発明者としてPaul Dryden他の名義で、２０１４年１０月３1日に出願された米国仮特許出願第６２／０７３，３９４号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６２／０７３，３９４号の開示全体が特に引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００２】
ＧＣシステムでは、化合物が分離カラム（「カラム」）の全長を横切るのに必要とされる時間の長さが、その保持時間として知られている。化合物の保持時間に寄与する１つの要因が、分離カラムの温度である。カラムの温度を分析ごとに正確に制御することは、特定の化合物、すなわち、被分析物のための保持時間の再現性を与えるのに有益である。さらに、サンプル被分析物がカラムの中を移動している間にカラム温度をプログラムで変更することにより、有利なことに、分析時間を短縮し、ピークの広がりを抑えることができる。
【０００３】
カラムの温度の正確な制御は、当然、ＧＣ測定の全体性能にとって重要である。多くのカラム温度制御システムにおいて、温度センサは、種々の理由のためカラムから離間して位置するので、実際のカラム温度を測定しない。カラム温度はその長さに沿って一定であることが望ましいが、カラム加熱システムは、完全に等温の環境は提供しない。ＧＣ装置のユーザにとって、ＧＣカラムの長さに沿った熱勾配が小さいこと、及びカラムを通って移動する被分析物が、所望の保持特性を与える実効温度を受けることが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それゆえ、上記で論じられた既知のＧＣカラムヒータの少なくとも短所を克服する装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
代表的な実施形態によれば、装置が、カラム加熱装置と、ガスクロマトグラフィカラムに隣接して配置される第１の温度センサと、カラム加熱装置内に、又はカラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサとを備える。ガスクロマトグラフィカラムの温度が、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データに基づいて変更される。
【０００６】
代表的な実施形態によれば、本装置は、カラム加熱装置の下方に配置される第１の断熱層と、第２の断熱層とを更に備える。第２の温度センサは、第２の断熱層の上方に、又は第２の断熱層内に、又は第２の断熱層の下方に配置される。
【０００７】
代表的な実施形態によれば、カラム加熱装置は、第１の基板と、第１の基板の上方に配置される加熱要素と、カラム加熱装置の上方に配置される第２の基板とを備える。第２の基板は第１の側及び第２の側を有する。第２の側は、この第２の側と接触しているガスクロマトグラフィカラムを有するように構成される。カラム加熱装置からの熱は、第２の基板を通して伝達され、第２の基板と接触しているガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱する。
【０００８】
別の代表的な実施形態によれば、装置が、ガスクロマトグラフィカラムに隣接して配置される第１の温度センサと、カラム加熱装置内に、又はカラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサとを備える。ガスクロマトグラフィカラムの温度が、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データに基づいて変更される。また、本装置は、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データを受信するように構成されるコントローラを備える。電源が、コントローラから制御信号を受信し、カラム加熱装置への電力を調整するように構成される。
【０００９】
更に別の代表的な実施形態によれば、カラム加熱装置を制御するために、コントローラによって実行可能なプログラムを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体が開示される。コンピュータ可読媒体は、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するための受信コードセグメントと、温度データから加重平均を求めるための加重平均コードセグメントと、加重平均を現在の設定点と比較するための比較コードセグメントと、温度誤差を求めるための比例積分微分コードセグメントと、温度誤差から、加熱要素に印加する電力レベルを設定するための設定コードセグメントとを含む。
【００１０】
更に別の代表的な実施形態によれば、カラム加熱装置を制御するための装置が開示される。本装置は、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラを備える。コントローラは、プログラミング動作を実行するように更に構成される。プログラミング動作は、温度データから温度データの加重平均を求めることと、温度データの加重平均を現在の設定点温度と比較することと、温度データの加重平均と現在の設定点温度との比較から温度誤差を求めることと、求められた温度誤差に基づいて、加熱要素に印加する電力レベルを調整することとを含む。
【００１１】
本教示は、添付の図面とともに読まれるときに、以下の詳細な説明から最も良く理解される。それらの特徴は必ずしも縮尺通りに描かれていない。実用的なときはいつでも、類似の参照符号は類似の特徴を指している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】代表的な実施形態による、ＧＣシステムの簡略化されたブロック図である。
【図２Ａ】代表的な実施形態による、カラム加熱装置の組立分解図である。
【図２Ｂ】代表的な実施形態による、カラム加熱装置の組立分解図である。
【図２Ｃ】代表的な実施形態による、カラム加熱装置の組立分解図である。
【図３】代表的な実施形態による、コントローラの簡略化されたブロック図である。
【図４】代表的な実施形態による、ＧＣカラムの温度を制御する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明することのみが目的であり、限定を意図していないことが理解される。定義される用語は、本教示の技術分野において一般に理解され受け入れられている定義済みの用語の技術的意味及び科学的意味に加えられる。
【００１４】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、「１つの（a、an）」及び「その（the）」という語は、別段の指定がない限り、単数及び複数の双方の指示対象を含む。このため、例えば「デバイス（a device）」は１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。
【００１５】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、「実質的」又は「実質的に」という語は、その通常の意味に加えて、受け入れ可能な限界又は度合いの範囲内にあることを指す。例えば、「実質的にキャンセルされた」は、当業者であれば、そのキャンセルが受け入れ可能であると見なすことを意味する。
【００１６】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、「概ね」という語は、その通常の意味に加えて、当業者に受け入れ可能な限界又は量の範囲内にあることを指す。例えば、「概ね同じ」は、当業者であれば、比較される複数のアイテムを同じであると見なすことを意味する。
【００１７】
以下の詳細な説明において、本教示を十分に理解してもらうために、限定ではなく、説明のために、具体的な細部を開示する代表的な実施形態が記述される。例示的な実施形態の説明を分かりにくくするのを避けるために、既知のシステム、デバイス、材料、動作方法及び製造方法の説明は省略される場合がある。それにもかかわらず、当業者の理解の範囲内にあるシステム、デバイス、材料及び方法は、代表的な実施形態に従って用いることができる。
【００１８】
添付の図面において示されるような、種々の要素の互いの関係を説明するために、「上方」、「下方」、「最上部」、「最下部」、「上側」及び「下側」等の相対語を用いることができる。これらの相対語は、図面において示される向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きも包含することが意図される。例えば、デバイスが図面における見方に対して反転された場合、例えば、別の要素の「上方にある」と説明された要素は、その時点で、その要素の「下方に」存在することになる。同様に、デバイスが図面内の見方に対して９０度だけ回転した場合、別の要素の「上方にある」又は「下方にある」と説明された要素は、今度は、この他方の要素に「隣接している」ことになり、「隣接している」は、この他方の要素に当接しているか、又はそれらの要素間に１つ若しくは複数の層、材料、構造等を有するかのいずれかを意味する。本明細書において用いられるとき、別の要素の「上に配置される」又は「下方に配置される」要素は、その要素が、この別の要素に「隣接している」ことを意味する。「直に隣接している」は、この別の要素に当接していることを意味する。
【００１９】
特定の代表的な実施形態は、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）カラム加熱アセンブリに向けられる。代表的な実施形態によれば、ＧＣカラム加熱アセンブリは、ガスクロマトグラフィカラムに隣接して配置される第１の温度センサと、カラム加熱装置内、又はカラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサとを備える。ガスクロマトグラフィカラムの温度が、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データに基づいて変更される。また、そのシステムは、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラと、コントローラから制御信号を受信し、ＧＣカラムの温度を実質的に所望の値に保持するために、カラム加熱装置への電力を調整するように構成される電源とを備える。
【００２０】
図１は、代表的な実施形態による、ＧＣシステム１００の簡略化されたブロック図である。ＧＣシステム１００の数多くの態様が、当業者に知られている。したがって、ＧＣシステム１００の或る特定の既知の構成要素の細部は省略される。或る特定の事例では、実現される場合がある既知の構成要素の代表的な例が言及されるが、例示のために提示されており、限定することは全く意図していない。
【００２１】
ＧＣシステム１００は、サンプル入口１０１を備える。サンプル入口１０１は、汚染物質トラップ１０２に流体的に結合される。汚染物質トラップ１０２はカラム１０３に流体的に結合され、カラム１０３は、ガスクロマトグラフィにおいて有用な様々のカラムのうちの１つとすることができる。一実施形態では、汚染物質トラップ１０２は、同時に出願された、同一所有者の米国特許出願第１４／０５７，０２２号（２０１３年１０月１８日出願）において記述されるのと同様とすることができ、その開示は特に引用することにより本明細書の一部をなすものとする。汚染物質トラップ１０２は、サンプル入口１０１からのサンプル内の汚染物質を捕捉し、捕捉された汚染物質がカラム１０３に達するのを防ぐように構成されるマイクロ流体汚染物質トラップである。汚染物質トラップ１０２を含むことは単なる例示であり、本教示は、汚染物質トラップを備えないＧＣシステム、又は上記で引用されたばかりの出願において記述されるようなマイクロ流体汚染物質トラップを備えないＧＣシステムにおいて使用する場合も考えられることに留意されたい。
【００２２】
カラム１０３は化学サンプルの成分を分離する。カラム１０３は、１つの溶融シリカ又は金属管（図示せず）を備えるキャピラリカラムとすることができ、化学サンプルの成分を分離するために、管の内部がコーティングされているか、サンプル入口１０１からのサンプルと相互作用する粒子を充填されている。
【００２３】
カラム１０３は、代表的な実施形態に関連して以下で更に十分に説明されることになるカラム温度制御装置１０４と接触するように与えられる。カラム温度制御装置１０４によって、保持時間が制御され、一方、カラム１０３の加熱の均一性が比較的改善される。さらに、特定の実施形態では、カラム１０３は、比較的十分に冷却することができ、最終的に、既知のＧＣシステムに比べて被分析物の保持時間の再現性及び分析サイクル時間を改善することができる。カラム温度制御装置１０４のこれらの利点及び他の利点が、代表的な実施形態に関連して以下で更に十分に説明される。
【００２４】
カラム１０３は、検出器１０５に接続され、検出器１０５は、カラム１０３によって分離される成分の存在を、そして多くの場合にその量を検出する。一般的に、検出器１０５は、炎イオン化検出器（ＦＩＤ）、質量分析計検出器（ＭＳＤ）、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）、電子捕獲検出器（ＥＣＤ）、窒素リン検出器（ＮＰＤ）、硫黄化学発光検出器（ＳＣＤ）、窒素化学発光検出器（ＮＣＤ）、パルス型炎光光度検出器（ＰＦＰＤ）、ヘリウムイオン化検出器（ＨＩＤ）又は炎光光度検出器（ＦＰＤ）等の既知のＧＣ検出器である。
【００２５】
また、ＧＣシステム１００は、コントローラ１０６及び電源１０７を備える。コントローラ１０６は、ＧＣシステム１００の複数のコントローラ（図示せず）のうちの１つとすることができるか、又はＧＣシステムの唯一のコントローラとすることができる。ここでは、カラム温度制御装置１０４によってカラム１０３の加熱を保持することに関するコントローラ１０６の機能が説明される。コントローラ１０６又は他のコントローラの他の機能は、本教示に関連しないので、説明されない。
【００２６】
一般的に、コントローラ１０６は、本明細書において論じられる種々の機能を実行するために数多くのやり方（例えば、専用のハードウェアを備える等）で実現することができる。「プロセッサ」はコントローラの１つの例であり、コントローラは、本明細書において論じられる種々の機能を実行するためにコンピュータ可読媒体（ソフトウェア（例えば、マイクロコード））を用いてプログラミングすることができる１つ又は複数のマイクロプロセッサを利用する。コントローラ１０６は、プロセッサを利用して、又は利用することなく実現することができ、幾つかの機能を実行する専用のハードウェアと、他の機能を実行するプロセッサ（例えば、１つ又は複数のプログラミングされたマイクロプロセッサ及び関連する回路）との組み合わせとして実現することもできる。本開示の種々の実施形態において利用することができるコントローラ構成要素の例は、限定はしないが、従来のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。
【００２７】
種々の実施態様において、コントローラ１０６は１つ又は複数の記憶媒体（本明細書では包括的に「メモリ」と呼ばれ、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能リードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的プログラム可能リードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能リードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ドライブ、フロッピーディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ等の揮発性及び不揮発性コンピュータメモリ）に関連付けられる場合がある。幾つかの実施態様では、記憶媒体は、コントローラ１０６上で実行されるときに、本明細書において論じられる機能のうちの少なくとも幾つかを実行する１つ又は複数のプログラムで符号化される場合がある。種々の記憶媒体がコントローラ１０６内に固定される場合があるか、又は持ち運び可能な場合があり、本明細書において論じられる本教示の種々の態様を実現するために、その記憶媒体上に記憶された１つ又は複数のプログラムをプロセッサ又はコントローラにロードできるようにする。「プログラム」又は「コンピュータプログラム」という用語は、コントローラ１０６をプログラミングするために利用することができる任意のタイプのコンピュータコード（例えば、ソフトウェア又はマイクロコード）を指す一般的な意味において本明細書において使用される。
【００２８】
図３及び図４に関連して以下で更に十分に説明されるように、コントローラ１０６は、少なくとも２つの温度センサ（図１には示されない）からの温度データを受信するように構成され、また温度データに基づいて、電源１０７に制御信号を与えるように構成される。電源１０７は、幾つかの既知の電源のうちの１つであり、カラム１０３の温度を概ね所望の温度に保持するために、カラム温度制御装置１０４の電力を調整するように構成される。
【００２９】
図２Ａは、代表的な実施形態による、カラム温度制御装置２００（「装置」と呼ばれる場合もある）の組立分解図を示す。とりわけ、本実施形態のカラム温度制御装置２００は、本明細書に記載のＧＣシステム１００におけるカラム温度制御装置１０４として使用する場合が考えられる。
【００３０】
カラム温度制御装置２００は、表面２０７の上方に配置されるＧＣカラム２０２を有するように構成されるカラム加熱装置２０１を備える。ＧＣカラム２０２は、図１の代表的な実施形態に関連して説明されたカラム１０３として使用することを意図する。
【００３１】
カラム温度制御装置２００は更に、第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４を備える。第１の温度センサ２０３は、第１のカラム加熱装置２０１内に配置される。代替的には、第１の温度センサ２０３は、第１のカラム加熱装置２０１の上方に配置される場合がある。第１の温度センサ２０３は、具体的には、図２Ｂの代表的な実施形態において後に説明され、そして、発明者としてSammye E. Traudt他の名義で、２０１４年９月１３日に出願された、同一所有者の同時係属の米国仮特許出願第６２／０５０，１２５号において記載されているように、カラム加熱装置２０１内に埋め込まれる。その特許出願の開示全体が引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００３２】
図２Ａは、第２の温度センサ２０４のための２つの異なる代表的な配置を示す。第１の断熱層２０５がカラム加熱装置２０１の下方に配置され、断熱層２０６が、ＧＣカラム２０２及び第２の温度センサ２０４の上方に配置される。一実施形態では、第２の温度センサ２０４は、図に示されるように、ＧＣカラム２０２の上方、断熱層２０６の下方に配置される場合がある。別の実施形態では、第２の温度センサ２０４は、断熱層２０６の上方に配置される場合がある。温度センサの場所は、従来技術のＧＣシステムにおいて取り込まれなかったリアルタイム温度勾配を反映するように設計される。
【００３３】
好ましくは、第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４はいずれも、熱電対又は白金抵抗温度計（ＰＲＴ）のようなデバイスである。第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４は、熱環境の変化を検出するほど十分迅速に反応しなければならない。とりわけ、第１の温度センサ２０３は、カラム加熱装置内の比較的速い温度変化を追跡するコントローラにデータを与えなければならない。加熱要素の場所及び第２の温度センサ２０４に対するその相対位置によるが、第２の温度センサ２０４は、より緩やかな温度変化を受ける熱環境にある場合がある。その結果として、ＧＣカラム環境内の温度変化は、第２の温度センサ２０４において検出する前に、第１の温度センサ２０３からの測定値に反映される場合がある。
【００３４】
第１の断熱層２０５及び第２の断熱層２０６は、ＧＣシステムの性能を妨げることなく、十分な断熱を与えるのに適した材料から形成される。具体的には、第１の断熱層２０５及び第２の断熱層２０６は、約０．２５インチ厚を有するガラス織物材料（glass fabric material）から形成され、それらの層が接触するカラム加熱装置２０１及びＧＣカラム２０２の外面に対する第１の断熱層２０５及び第２の断熱層２０６の共形性を改善するために、「ブランケット」として設けることができる。代替的には、第１の断熱層２０５及び第２の断熱層２０６は、限定はしないが、ガラス繊維（fiberglass）、ガラス布（glass cloth）、玄武岩等を含む、他のタイプの断熱材を含む場合がある。第１の断熱層２０５及び第２の断熱層２０６のために選択される材料は、一般に、ＧＣ実行後に十分に、かつ迅速に冷却できるようにしながら、ＧＣ実行中にカラム加熱装置２０１と周囲環境との間の十分な熱障壁を与える必要がある。
【００３５】
本開示においてより十分に説明されるように、第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４は、コントローラ１０６にデータを与え、電源１０７によってカラム加熱装置２０１を含むカラム温度制御装置１０４に与えられる電力に関する判断が行われる。第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４の両方からの温度値に基づいてカラム加熱装置２０１に与えられる電力を制御することによって、ＧＣカラム２０２の温度を、既知の方法に比べて、より正確に制御することができる。とりわけ、カラム加熱装置２０１内、又はカラム加熱装置２０１上に第１の温度センサ２０３を配置することによって、カラム加熱装置２０１の温度についての比較的速いフィードバックをコントローラ１０６に与えることができる。一実施形態では、第１の温度センサ２０３はカラム加熱装置２０１と物理的に接触しており、カラム加熱装置２０１は、カラム加熱装置２０１内に収容される加熱要素２１３（図２Ａには示されない）に印加される電力の変化に応答して、迅速な温度変化を助長するように設計される。対照的に、加熱要素２１３から相対的に離れているため、第２の温度センサ２０４は、より大きく熱的に分離される。その結果として、加熱要素の電力変調から生じる温度変化は、加熱要素と第２の温度センサ２０４との間にあるＧＣカラム２０２及び任意の介在層にわたって温度情報が流れたのちにのみ第２の温度センサ２０４によって検出されることになる。
【００３６】
さらに、ＧＣカラム２０２及び第２の断熱層２０５の界面に第２の温度センサ２０４を配置することによって、カラム加熱装置２０１の加熱要素２１３（図２Ａには示されない）からの熱が流れる表面２０７に隣接するＧＣカラムの側と反対にあるＧＣカラム２０２の側において温度を測定できるようになる。したがって、図２Ａの代表的な実施形態において示されるように第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４を配置することによって、カラム加熱装置２０１から、カラム加熱装置２０１から最も離れたＧＣカラム２０２の側への熱勾配のリアルタイムの指示が与えられる。図２Ｂは、カラム加熱装置２０１内の第１の温度センサ２０３の２つの代表的な場所を示す、カラム加熱装置２０１の組立分解図を示す。カラム加熱装置２０１は、実質的に平坦である第１の基板２０８を備える。オプションで、第１の基板２０８の上方にスペーサ層２０９が配置される。
【００３７】
スペーサ層２０９に凹部２１０が設けられ、幾つかの実施形態では、第１の温度センサ２０３を受け入れる。他の実施形態では、第１の温度センサ２０３は、介在層２１４と第２の基板２１５との間に位置することができる。ＧＣカラム温度制御装置２００内の他の場所に第１の温度センサ２０３を取り付けることによって、或る程度は便益が実現される場合があるが、加熱要素２１３に極めて近接して第１の温度センサ２０３を配置することが、ヒータ制御にとって有益である。
【００３８】
好ましくは、第１の温度センサ２０３は、ＧＣカラム２０２と加熱要素２１３との間に配置される。具体的には、第１の温度センサ２０３は、介在層２１４と第２の基板２１５との間に配置することができる。代替的には、第１の温度センサ２０３は、「外側に」（すなわち、第１の基板２０８の下方、又は第２の基板２１５の上方に）配置することができる。
【００３９】
加熱要素２１３は、オプションの介在層２１２と、オプションの介在層２１４（以下では、介在層２１４と呼ばれる）との間に配置される。介在層２１２及び２１４は一般に、同じ材料から形成される。また、介在層２１２、２１４は、加熱要素２１３と第１の基板２０８及び第２の基板２１５との間の電気絶縁体としての役割を果たすように選択することもできる。第１の基板２０８と同様に、第２の基板２１５も実質的に平坦である。第２の基板２１５は、それと熱的に接触しているＧＣカラム（図２Ｂには示されない）を有するように構成される。具体的には、ＧＣカラムは第２の基板２１５の表面２０７の上方に配置され、加熱要素２１３からの熱は、第２の基板２１５を通してＧＣカラムに伝達される。図２Ｂを再検討することから理解できるように、表面２０７は実質的に平坦である。
【００４０】
第１の基板２０８及び第２の基板２１５は、単一の層、又は同じ若しくは異なる材料の複数の層を備えることができる。以下で更に十分に説明されるように、カラム加熱装置２０１は、第２の基板２１５に接触しているＧＣカラムを実質的に均一に加熱する。
【００４１】
当業者によって理解されるべきであるように、物体の「熱質量」は、熱エネルギー（すなわち、熱）を蓄積する能力の指標である。したがって、比較的低い熱質量を有する材料は、比較的高い熱質量の材料より、温度を変更するのに必要とする熱が少ない。以下で更に十分に説明されるように、迅速に加熱及び冷却できるようにするために、カラム加熱装置２０１の第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は比較的低い熱質量を有する。
【００４２】
熱質量（単位Ｊ／Ｋ）は、材料の比熱ｃｐと物体の質量ｍとの積である。便宜上、熱質量は、材料の密度ρと、表面積Ａｓと、表面積に対して垂直な厚さｔとの積として更に規定することができる。組み合わせると、熱質量は、
熱質量＝（ρｃｐｔＡｓ）
と表すことができる。
【００４３】
カラム加熱装置２０１の表面積は、加熱されるカラムのサイズに基づいて一定であるので、ここで論じられる場合、表面積は定数と見なされる。残りの項が更に検討される。項ρｃｐは、材料の体積熱容量としても知られており、材料固有の特性である。熱質量を最小化するために、この項は最小化されるべきである。代表的な実施形態では、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料は、２５℃において、約
【数１】
0006706252.tif 000002
未満の体積熱容量を有する。
【００４４】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料の選択は、機械的剛性、低い熱勾配及び熱変形に対する耐性によって更に限度が設けられる。これらの限度は、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために必要とされる材料の最小厚を決定する際に特に重要である。熱質量とともに、これらは完全に独立した特性ではないので、材料の選択は、それらの全てを考慮して行われる。最終的な目的は、より迅速に加熱及び冷却できるようにするために、第１の基板２０８及び第２の基板２１５の場合に相対的に低い熱質量を達成しながら、第２の基板２１５の面２０７にわたって低い熱勾配を達成することである。
【００４５】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５にわたる熱勾配は、基板の異なる部分が異なる熱環境にあることから生じる。例えば、加熱要素２１３は、完全に均質な熱プロファイルを有するわけではない。さらに、第１の基板２０８及び第２の基板２１５の外縁は通常、周囲温度環境に対して、より大きく曝露されることになる。したがって、第１の基板２０８及び第２の基板２１５にわたって熱勾配が存在する可能性がある。第１の基板及び第２の基板のための選択された材料が、熱流に対して低い耐性を有する、すなわち、高い熱伝導率ｋを有するときに、勾配は低減される。それゆえ、ＧＣカラムと接触している面２０７が温度に関して実質的に均一であるように、特に第２の基板２１５の場合に比較的高い熱伝導率を有する材料を有することが望ましい。代表的な実施形態によれば、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料は、２５℃において約
【数２】
0006706252.tif 000003
より高い熱伝導率を有する。
【００４６】
第１の基板２０８及び第２の基板２１５は、カラム加熱装置２０１のための機械的構造を与える。とりわけ、第１の基板２０８及び第２の基板２１５は、ＧＣカラム２０２及び第２の温度センサ２０４だけでなく、カラム加熱装置２０１の種々の比較的軟質の構成要素に対して十分な支持を与える。有益なことに、第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は、十分な支持を与えるほど十分に硬質である。材料の剛性は、その弾性率（又はヤング率）Ｅに関連付けられる。材料が高い弾性率を有する場合には、低い弾性率を有する材料と同じ剛性を与えるのに必要な材料が少ない（例えば、部品がより薄い）。それゆえ、十分な剛性を達成するのに必要とされる材料の（熱）質量が少ないように、高い弾性率を示す材料を有することが有益である。代表的な実施形態によれば、第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料は、約１００ＧＰａより大きいヤング率を有する。剛性に加えて、第１の基板２０８及び第２の基板２１５は、加熱要素２１３を第２の基板２１５と接触させておくために、そして、ＧＣカラム２０２を表面２０７と直接接触させておくか、又は表面２０７と間接的に（すなわち、ＧＣカラム２０２と表面２０７との間の介在層（図示せず）と）接触させておくために、表面平坦性を維持しなければならない。平坦性に関する問題は、急速な温度変化からの変形又は「バックリング（buckling）」に起因して生じる場合がある。例えば、構成要素が非対称に冷却されるときのように、その構成要素内に大きな熱勾配が存在する場合には、構成要素の複数の部分が、他の部分が一定のままであろうとする一方で、熱膨張に起因して大きくなろうとする。最悪の場合、これは、バックリング又は破損を引き起こす可能性がある。
【００４７】
熱膨張に起因して機械的に変形する可能性は、高い熱伝導率ｋ、低い熱膨張係数α又はその両方を有する材料を選択することによって最小化することができる。高い熱伝導率を有する材料は、材料内の大きな熱勾配の形成に耐える。低い熱膨張を有する材料は、著しい熱勾配下にあっても、あまり大きくならない。高い熱伝導率、低い熱膨張係数又はその両方を有する材料を選択することによって、バックリングへの十分な耐性を与えながら、より少ない材料（例えば、より薄い部品）を、それゆえ、より低い熱質量を使用できるようになる。代表的な実施形態によれば、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料は、２５℃において、約
【数３】
0006706252.tif 000004
より大きい、熱伝導率と熱膨張係数との比を有する。
【００４８】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料の選択に関する別の検討事項は、材料の電気絶縁特性である。材料は、この機能を果たすために、積み重ねられたカラム加熱装置２０１内に更なる材料を追加しなければならないのを回避するために実質的に電気的に絶縁性であることが有益である。
【００４９】
最後に、約４５０℃より高い温度において、カラム加熱装置２０１内で有効である、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料を選択することが重要である。
【００５０】
表１は、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための材料を選択する際に考慮されるべき要因のうちの幾つかの要約を提示する。
【００５１】
【表１】
0006706252.tif 000005
【００５２】
代表的な実施形態では、第２の基板２１５はシリコンを含む。一般に、第２の基板２１５を形成するシリコン層は、具体的には単結晶シリコン又は多結晶シリコンであり、約０．３ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを有する。具体的には、第２の基板２１５は、約０．６７５ｍｍの厚さを有する＜１，０，０＞シリコンを含む。代表的な実施形態では、第１の基板２０８は、具体的には、単結晶シリコン又は多結晶シリコンである。第１の基板２０８は、約０．６７５ｍｍの厚さを有する＜１，０，０＞シリコンウェハを含むことができ、第２の基板２１５は、それぞれ約０．６７５ｍｍの厚さを有する２つの＜１，０，０＞Ｓｉウェハを含む。第２の基板２１５のために２つのウェハを使用することにより、幾分改善された保持時間再現性が与えられる。とりわけ、第２の基板２１５は、特別な研磨又はドーピングを必要としない。第１の基板２０８は、第２の基板２１５と同じ材料から、同じ仕様で形成することができる。
【００５３】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のためのシリコンの使用は例示にすぎないことに留意されたい。より一般的には、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は、２５℃において約
【数４】
0006706252.tif 000006
より低い体積熱容量（ρｃｐ）と、２５℃において約
【数５】
0006706252.tif 000007
より高い熱伝導率（ｋ）と、２５℃において約
【数６】
0006706252.tif 000008
より大きい、熱伝導率と熱膨張係数との比（ｋ／α）と、約１００ＧＰａより高いヤング率（Ｅ）とを有するように選択される。
【００５４】
これらの物理的特性は、低い熱質量、機械的剛性、低い熱勾配及び変形への耐性を含む、幾つかの限度内でカラム加熱装置２０１のより迅速な加熱及び冷却を達成するために望ましい。表２は、或る材料範囲にわたってこれらの４つの特性を比較する。
【００５５】
【表２】
0006706252.tif 000009
【００５６】
上記に基づいて、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は、２５℃において約
【数７】
0006706252.tif 000010
より低い体積熱容量を有するべきである。それゆえ、銅、アルミナ、ニクロム、ステンレス鋼、ニッケル、サファイア、窒化シリコン、炭化タングステン、酸化ベリリウム、黄銅、青銅、アルミニウム黄銅、鉄及びベリリウムは、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための好ましい材料ではない。
【００５７】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は、２５℃において約
【数８】
0006706252.tif 000011
より高い熱伝導率を有するべきである。この仕様は更に排除する。それゆえ、パイレックス（登録商標）ガラス、雲母、チタン、石英ガラス、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム、炭化ホウ素、インジウムリン、ニオブ、レニウム及びタンタルは、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための好ましい材料ではない。
【００５８】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は更に、（２５℃において）２５℃において約
【数９】
0006706252.tif 000012
より大きい、熱伝導率ｋと熱膨張係数αとの比を有するべきである。それゆえ、アルミニウム、マグネシウム、銀、亜鉛及び金は、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための好ましい材料ではない。
【００５９】
第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために選択される材料は更に、約１００ＧＰａより高いヤング率を有するべきである。それゆえ、グラファイトは、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のための好ましい材料ではない。
【００６０】
上記の分析に基づいて、第２の基板２１５、又は第１の基板２０８及び第２の基板２１５のために使用することができる例示的な材料は、シリコン、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、炭化シリコン、タングステン、モリブデン、タングステン合金（特に銅との合金）、モリブデン合金（特に銅との合金）及びその組み合わせを含む。
【００６１】
１つの代表的な実施形態では、加熱要素２１３は、介在層２１２と２１４との間に配置される。介在層２１２、２１４は、一般に、同じ材料から形成され、それぞれ、第２の比較的低い熱質量を有する。さらに、介在層２１２、２１４はそれぞれ、電気絶縁性の材料から形成される。とりわけ、第１の基板２０８及び第２の基板２１５が電気絶縁性である場合には、介在層２１２、２１４は省くことができる。しかしながら、介在層２１２、２１４の材料が、比較的高い温度において、導電性が高くなる可能性がある（例えば、シリコン）場合には、加熱要素と第１の基板２０８及び第２の基板２１５との間に電気絶縁体が必要とされる。したがって、第１の基板２０８及び第２の基板２１５がシリコンを含む代表的な実施形態では、介在層２１２、２１４が必要とされる場合がある。しかしながら、とりわけ、別の代表的な実施形態では、この絶縁機能を果たすために、介在層２１２、２１４を含むのではなく、加熱要素に面する第１の基板２０８及び第２の基板２１５の面をガラス又は他の誘電体の層でコーティングすることができる。
【００６２】
代表的な実施形態では、介在層２１２、２１４はそれぞれ、ケイ酸塩（フィロケイ酸塩）鉱物シートからなる雲母を含む。一般に、雲母材料は、Ｘ２Ｙ４−６Ｚ８Ｏ２０（ＯＨ，Ｆ）４であり、ただし、ＸはＫ、Ｎａ若しくはＣａであるか、又は頻度は低いが、Ｂａ、Ｒｂ若しくはＣｓであり、ＹはＡｌ、Ｍｇ若しくはＦｅであるか、又は頻度は低いがＭｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｌｉ等であり、Ｚは主にＳｉ又はＡｌであるが、Ｆｅ３＋又はＴｉを含むこともできる。第１の介在層２１２及び第２の介在層２１４のための雲母の使用は、例示にすぎず、雲母に類似の熱質量、導電率、及び急速な温度変化に起因する機械的歪みへの耐性を有する他の材料も考えられる。例えば、ガラス繊維等の織布（fabrics）及び玄武岩が、所望の特性を与える。
【００６３】
加熱要素２１３は具体的には、ワイヤヒータ又はフォイルヒータ等の抵抗性加熱要素である。他のタイプの加熱要素も考えられる。加熱要素はかなり薄く、それゆえ、カラム加熱装置２００の各層の所望の平坦性を実質的に妨げないことが有益であることは理解されたい。既知の薄膜製造方法によれば、当業者の理解し得る範囲内にあるそのような比較的薄い加熱要素が考えられる。
【００６４】
図２Ｃは、別の代表的な実施形態による、カラム加熱装置２０１の組立分解図を示す。カラム加熱装置２０１の多くの態様は、図２Ｂに関連して上記で説明されたカラム加熱装置２０１の態様と実質的に同じである。したがって、図２Ｂのカラム加熱装置２０１の特徴に共通している種々の特徴の多くの細部は繰り返されない。とりわけ、カラム加熱装置２０１の共通の要素の種々の特徴は同じである。例えば、同じ材料（例えば、シリコン）から形成されるとき、カラム加熱装置２０１の他の構成要素に対する第１の基板２０８及び第２の基板２１５の熱質量の相対的な大きさは、上記で説明されたのと同じである。
【００６５】
カラム加熱装置２０１は、その上方に配置された加熱要素２１３を有する第１の基板２０８を備える。しかしながら、とりわけ、図２Ｃのカラム加熱装置２０１は、上記でオプションであると言及された、スペーサ及び介在層２０９、２１２、２１４を備えない。
【００６６】
図２Ｃは、カラム加熱装置２０１の代替の実施形態における他の第１の温度センサの２つの代表的な場所を示す。一実施形態では、第１の温度センサ２０３は、第１の基板２０８の上方、加熱要素２１３の下方に配置される。別の実施形態では、第１の温度センサ２０３は、加熱要素２１３と第２の基板２１５との間に位置する。上記で言及されたように、ＧＣカラム温度制御装置２００内の他の場所に第１の温度センサ２０３を取り付けることによって、或る程度は便益が実現される場合があるが、加熱要素２１３に極めて近接して第１の温度センサ２０３を配置することが、ヒータ制御にとって有益である。
【００６７】
また、カラム加熱装置２０１は、加熱要素２１３の上方に配置される第２の基板２１５を備える。第２の基板２１５は、それと直接接触しているか、又は間接的に（すなわち、ＧＣカラムと第２の基板２１５との間の介在層（図示せず）と）接触しているＧＣカラム（図２Ｃには示されない）を有するように構成される。具体的には、ＧＣカラムは、第２の基板２１５の表面２０７の上方に配置され、加熱要素２１３からの熱は、図２Ｂの代表的な実施形態に関連して上記で説明されたように、第２の基板２１５を通して伝達される。第１の基板２０８及び第２の基板２１５は、同じ材料又は異なる材料の単一の層又は複数の層を備えることができる。上記の第２の基板２１５の熱分配を通して、装置２０１は、第２の基板２１５と接触しているＧＣカラムを実質的に均一に加熱する。
【００６８】
ＧＣカラム温度制御装置２００は、図２Ｂ及び図２Ｃに示されるように、加熱要素２１３を備えるカラム加熱装置２０１内に配置されるか、又は直接隣接して配置される第１の温度センサ２０３を備える。加熱要素２１３内に、又は加熱要素２１３に隣接して第１の温度センサ２０３を配置することによって、加熱要素２１３の温度についてのフィードバックを比較的速くコントローラ１０６に与えることができるようになる。さらに、ＧＣカラムの加熱要素とは反対の側に第２の温度センサ２０４を配置することによって、リアルタイムの温度勾配が取り込まれる。
【００６９】
図３は、代表的な実施形態による、コントローラ１０６の簡略化されたブロック図を示す。簡略化されたブロック図は、ＧＣカラム、又はＧＣカラムの直近の周囲、又はその両方の温度を実質的に所望のレベルに維持するために、加熱要素２１３に与えられることになる要求電力を決定する際に有用であるコントローラ１０６の構成要素を示す。とりわけ、ＧＣカラムの温度制御に関係しない他のハードウェア及びファームウェアを含む、コントローラ１０６の他の構成要素は、図示又は説明されない。
【００７０】
コントローラ１０６は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ３０１を含む。ＰＩＤコントローラ３０１は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又は他の類似のデバイス等の、ソフトウェア、マイクロコントローラ又はプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）において具現されることができる。ＰＩＤコントローラ３０１は、３つの別々の定数パラメータを伴うＰＩＤコントローラアルゴリズムで具現され、多くの場合に、比例値、積分値及び微分値による３項制御と呼ばれる。そのアルゴリズムは、ソフトウェア、ファームウェア又は両方の組み合わせの形で与えられる。後に更に十分に説明されるように、プログラム（命令コード）の形のＰＩＤコントローラアルゴリズムをメモリ３０２又は他のコンピュータ可読媒体に記憶することができ、そのアルゴリズムは、ＧＣカラム（例えば、ＧＣカラム２０２）を所望のレベルまで加熱するために、ＰＩＤコントローラ３０１に、電源のための設定点を決定させることができる。とりわけ、ＰＩＤコントローラ３０１がソフトウェアにおいて具現される代表的な実施形態では、それはメモリ３０２に記憶することができる。
【００７１】
また、コントローラ１０６は、数学処理構成要素又はアルゴリズム３０３を含み、その構成要素又はアルゴリズムは、第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４から温度データを受信し、第１の温度センサ２０３又は第２の温度センサ２０４のいずれかが単独で提供できる値より、正確なカラム温度の改善された推定値を計算するように構成される。アルゴリズムブロック３０３は、具体的には、ハードウェア、ファームウェア若しくはソフトウェア、又はその組み合わせにおいて具現されるプロセッサを備える。代替的には、アルゴリズムブロック３０３は、抵抗器対等のアナログ回路を備える。好ましい実施形態では、そのアルゴリズムは、２つの温度センサの加重平均を求めるために使用される。第１の温度センサ及び第２の温度センサからのデータの加重平均を計算することは、第１の温度センサ２０３からの温度を値（Ｘ）と乗算し、第２の温度センサ２０４からの温度を値（１−Ｘ）と乗算することによって達成することができる。とりわけ、Ｘの値は、周囲遮断（ambient rejection）を最適化することによって決定され、後に更に十分に説明される。加重平均は、ＧＣカラム２０２付近の温度の推定値を与え、Ｘの値を適切に選択することにより、この推定値は、第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４からデータを連続して収集し、解釈することを通して時間枠内で実質的に正確であることが可能である。加重平均アルゴリズムが説明されるが、温度入力データを処理し、推定カラム温度を導出する他の手法も考えられる。
【００７２】
一般に、アルゴリズムブロック３０３は、或る範囲の条件にわたって実際のカラム温度にできる限り近い温度値を求めるように構成される。現実世界の状況において変化することになる１つの条件は周囲温度である。第１の温度センサ２０３及びＧＣカラム２０２における温度は、周囲温度が変化するのに応じて、異なるように変化する可能性がある。第１の温度センサ２０３の値のみを入力として使用するとき、ＰＩＤコントローラ３０１は、第１の温度センサ２０３の場所付近における周囲温度シフトの影響しか補償することができない。システム内の熱抵抗に起因して、行われる補償は、ＧＣカラム２０２における周囲温度の影響を厳密には補償しない。この結果として、カラム温度が全体的にわずかに変化することになる。サンプルピークがカラムを横切るとき、それゆえ、わずかに異なる平均温度を受けることになり、結果として生じるピーク溶出時間はわずかにシフトすることになる。カラム温度変化は通常、周囲温度変化の分数になる。再現可能なピーク溶出時間を維持するために（それは最も容易な被分析物識別を可能にする）、この分数をできる限り小さくしておくことが最適である。「周囲遮断」は、周囲温度変化と実効カラム温度変化との間の関係を説明するために与えられる用語であり、周囲温度変化を、結果として生じるカラム温度変化で割ることによって与えられる。周囲遮断は、正又は負のいずれかとすることができる。いずれの場合でも、周囲遮断の絶対値を最大化することが望ましい。良好なＧＣシステム内の周囲遮断は通常、約１００：１である。
【００７３】
第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４の適切に選択された加重平均を使用することによって、実際のカラム温度がより良好に近似されるので、ＰＩＤコントローラ３０１は、カラムにおける周囲シフトをより正確に補償することができる。変動する周囲条件下でＧＣカラム２０２を通る化合物の溶出時間を通して実際のカラム温度を測定することによって、第２の温度センサ２０４を含むことが周囲遮断を改善する際にいかに有効であるかを判断することができる。
【００７４】
有益には、Ｘの値は、結果として、化合物保持に影響を及ぼさない周囲温度変動が生じるように選択される。実験的に、同じ公称ＧＣ条件（例えば、オーブン、入口、検出器温度及び圧力設定点）下で同じサンプルを繰り返し注入し、Ｘ及び周囲温度が変更されるときの保持時間又は保持指標のシフトを観測することによって、Ｘを実質的に最適化することができる。保持指標、すなわち、所与の被分析物のための保持の相対的な指標を用いて、実効カラム温度を決定することができる。周囲温度変化を実効カラム温度の変化で割ることによって、熱システムの周囲遮断が与えられる。
【００７５】
コントローラ１０６は、温度設定点モジュール３０４を備え、そのモジュールは、ＰＩＤコントローラ３０１に現在の電力設定点を与える。アルゴリズムブロック３０３は、最新の計算からの加重平均値をＰＩＤコントローラ３０１に与える。ＰＩＤコントローラ３０１は、温度誤差を求めるために、温度設定点モジュール３０４からの設定点温度と、加重平均値との間の差を計算する。ＰＩＤコントローラアルゴリズムは、Ｐと温度誤差とを乗算したものを加算し、Ｉと第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４から最後に温度データが受信されて以降の時間にわたる温度誤差の積分とを乗算したものを加算し、その後、Ｄと温度誤差の導関数とを乗算したものを加算する。温度誤差を計算し、最終的に、電源１０７によって加熱要素２１３に印加される電力の値を求めるのを繰り返すたびに、Ｐ、Ｉ及びＤの有用な値を決定する種々の手段がある。
【００７６】
温度誤差は瞬時的な誤差であり、それゆえ、以前にどの値であったか、又は後にどの値になるかとは無関係である。しかしながら、積分は、ゾーンがオンに切り替えられた時点、又は温度が設定点付近にあった時点のような、特定の時点からの全ての温度誤差の連続的な和である。導関数は、現在の測定値と、先行する測定値のうちの１つ又は複数とに基づく。一実施形態では、導関数は、一定時間だけ離間して測定された、最新の温度誤差と先行する温度誤差との間の温度変化を、２つの温度誤差を求めた時間差で割った値とすることができる。しかしながら、雑音の影響を低減するために、導関数を計算する更に複雑な手段が必要とされる場合があり、本教示によって考えられる。とりわけ、導関数は、時間的にずれた２回の測定間の差から計算することができるが、この単純な技法は、あまりにも雑音の影響を受けやすい場合があり、望むほどの制御を与えない場合がある。導関数のための雑音の影響を受けにくい値を計算する数多くの既知の方法がある。例えば、複数のデータ点への関数の最小二乗当てはめを実行することができ、この関数から導関数を計算することができる。複数のデータ点が、現在の計算までの期間にわたる場合であっても、計算された導関数は、その期間内の特定の時点、例えば、その期間の中間の場合の推定値になる。有益には、導関数の推定は、少ない数のデータ点を用いて関数を当てはめることによって、又は最新の測定の時点に対応する時点において関数値を求めることによって、最新の温度測定の時点にできる限り近い時点に行われるべきである。
【００７７】
加熱要素２１３に与えるために、ＰＩＤコントローラ３０１が電源１０７のための新たな電力レベルを求めると、電源１０７は新たな電力レベルを印加する。その後、更なるデータが第１の温度センサ及び第２の温度センサから収集され、そのプロセスが繰り返される。一般に、そのプロセスは、次の測定を開始する前に繰り返される。具体的には、繰り返し間の間隔（温度測定間の経過時間）は、熱ゾーンの熱応答の速度に匹敵するほど十分に短い必要がある。既知のように、熱応答は、印加電力が変化する時点と、この変化が第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４において検知された時点との間の遅延を表す。熱応答は、とりわけ、ヒータとセンサとの間の熱抵抗と、システムに関連付けられる種々の熱質量とを組み合わせた影響から生じる。高速システムは、低い熱抵抗又は低い熱質量、又はその両方を有することになる。
【００７８】
温度が測定されるたびに、ＰＩＤ計算が実行され、ヒータ電力がこの新たな値に調整される。当然、これは全てアナログ回路において行うことができ、その場合、全てが、離散的ではなく、連続しており、間隔は存在しない。
【００７９】
図４は、代表的な実施形態による、ＧＣカラムの温度を制御する方法４００の流れ図を示す。方法４００は具体的には、図１〜図３に関連して上記で説明された実施形態に関連して実施される。とりわけ、方法４００は、コントローラ１０６のハードウェア、ソフトウェア又はファームウェアを通して複数の方法で実行することができる。代表的な実施形態では、プログラムを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体が、コントローラ内（例えば、メモリ３０２内）に設けられる。このプログラムは、その方法を達成するためのコードを含む。以下の方法のそれぞれの部分において、コードの異なる態様が開示される。そのようなコードは、当業者によって容易に決定され、本実施形態の説明を明確にするために繰り返されない。
【００８０】
ステップＳ４０１では、その方法は温度を測定することを含む。上記で言及されたように、温度測定は第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４によって行われる。第１の温度センサ２０３及び第２の温度センサ２０４から温度データを受信するために、コンピュータ可読媒体内に受信コードセグメントが設けられる。
【００８１】
ステップＳ４０２では、上記で説明されたように、コントローラ１０６においてカラム温度推定値が求められる。好ましい実施形態では、温度データから加重平均温度を求めるために、コンピュータ可読媒体内に加重平均コードセグメントが設けられる。
【００８２】
ステップＳ４０３では、コントローラ１０６において、カラム温度推定値と現在の設定点との間の比較が行われる。カラム温度推定値と、現在の設定点温度とを比較するために、コンピュータ可読媒体内に比較コードセグメントが設けられる。この比較に基づいて、ＰＩＤコントローラ３０１において温度誤差が求められる。温度誤差を求めるためにコンピュータ可読媒体内に比例積分微分コードセグメントが設けられる。
【００８３】
ステップＳ４０４では、上記で説明されたように、ＰＩＤアルゴリズムが、加熱要素２１３に印加する必要がある新たな電力レベルを求める。温度誤差から加熱要素に印加する電力レベルを設定するために、コンピュータ可読媒体内に設定コードセグメントが設けられる。
【００８４】
ステップＳ４０５では、上記で説明されたように、ＰＩＤコントローラからの電力レベル入力に基づいて、電源１０７は、加熱要素２１３に印加される電力レベルを調整する。温度誤差に基づいて加熱要素２１３に印加する電力レベルを調整するために、コンピュータ可読媒体内に調整コードセグメントが設けられる。
【００８５】
図示されるように、そのプロセスはＳ４０１において開始して繰り返される。言及されたように、これは、熱ゾーンがいかに速く応答するかによって決まる。具体的には、代表的な実施形態の熱ゾーンは、毎秒５０回サービスサイクルが実施される。既知のように、サービスサイクル実施は、温度データを用いてＰＩＤコントローラ３０１においてＰＩＤ計算を実行することと、上記のＧＣシステム１００内のカラム温度制御装置１０４に与えられる電力を変更するために電源１０７に制御信号を与えることとを含む。
【００８６】
本開示の観点から、本教示を踏まえて、それらの方法及びデバイスを実現できることに留意されたい。さらに、種々の構成要素、材料、構造及びパラメータは説明及び例示としてのみ含まれており、制限する意味は全くない。本開示の観点から、本教示は、添付の特許請求の範囲内にとどまりながら、他の適用例において実現することができ、これらの適用例を実現するために必要とされる構成要素、材料、構造及び装置を決定することができる。
【００８７】
例示的な実施形態
ここで開示されている主題により提供される例示的な実施形態は、特許請求の範囲及び以下の実施形態を含むが、これらに限定されない。
Ａ１．ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置であって、
カラム加熱装置と、
カラム加熱装置内に、又はカラム加熱装置に直接隣接して位置する第１の温度センサと、
カラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
第１の温度センサと第２の温度センサとの間に配置されるガスクロマトグラフィカラムとを備え、ガスクロマトグラフィカラムの温度は、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データに基づいて変更される、ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置。
Ａ２．カラム加熱装置の下方に配置される第１の断熱層と、第２の断熱層とを更に備え、第２の温度センサは第２の断熱層の上方に、第２の断熱層内に、又は第２の断熱層の下方に配置される、実施形態Ａ１に記載の装置。
Ａ３．カラム加熱装置は、第１の基板と、第１の基板の上方に配置される加熱要素と、カラム加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、第２の側は、この第２の側と接触しているガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、カラム加熱装置からの熱は第２の基板を通して伝達され、第２の基板に接触しているガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱する、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ４．第２の基板はシリコンを含む、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ５．第２の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ６．第１の基板はシリコンを含む、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ７．第１の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ８．第２の基板は、２５℃において
【数１０】
0006706252.tif 000013
より低い体積熱容量と、２５℃において
【数１１】
0006706252.tif 000014
より高い熱伝導率と、２５℃において約
【数１２】
0006706252.tif 000015
より大きい、熱伝導率と熱膨張係数との比と、１００ＧＰａより高い機械的剛性とを有する、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ９．第２の基板は、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、炭化シリコン、タングステン、モリブデン、タングステン合金、モリブデン合金又はその組み合わせのうちの１つを含む、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ａ１０．加熱要素と第１の基板との間に配置されるスペーサ層を更に備え、層は、第１の温度センサを受け入れ、加熱要素に隣接して第１の温度センサを保持するように構成される、先行する実施形態のいずれかに記載の装置。
Ｂ１．温度制御システムであって、
ガスクロマトグラフィカラムに隣接して配置される第１の温度センサと、
カラム加熱装置内に、又はカラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信し、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データに基づいて、制御信号を出力するように構成されるコントローラと、
コントローラから制御信号を受信し、カラム加熱装置への電力を調整してガスクロマトグラフィカラムの温度を変更するように構成される電源と、
を備える、温度制御システム。
Ｂ２．コントローラは比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含む、実施形態Ｂ１に記載のシステム。
Ｂ３．ＰＩＤコントローラは、第１の温度センサからの温度データに基づいて、第１のＰＩＤ計算を達成し、第２の温度センサからの温度データに基づいて、第２のＰＩＤ計算を達成するように構成される、実施形態Ｂ１又はＢ２に記載のシステム。
Ｂ４．第２のＰＩＤ計算は、第１のＰＩＤ計算を計算し、変更するために使用される、実施形態Ｂ１、Ｂ２又はＢ３に記載のシステム。
Ｂ５．変更された第１のＰＩＤ計算に基づく制御信号が電源に与えられる、実施形態Ｂ１〜Ｂ４のいずれかに記載のシステム。
Ｂ６．ＰＩＤコントローラは、第１の温度センサ及び第２の温度センサからの温度データの加重平均に基づいてＰＩＤ計算を達成するように構成される、実施形態Ｂ１〜Ｂ５のいずれかに記載のシステム。
Ｃ１．カラム加熱装置を制御するためのシステムであって、装置は、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラを備え、コントローラは、
温度データから推定カラム温度を求めることと、
推定カラム温度を現在の設定点温度と比較することと、
推定カラム温度と現在の設定点温度との比較から温度誤差を求めることと、
求められた温度誤差に基づいて、加熱要素に印加する電力レベルを調整することと、
を含む、プログラミング動作を実行するように更に構成される、カラム加熱装置を制御するためのシステム。
Ｃ２．推定カラム温度は、第１の温度センサ及び第２の温度センサの両方からのデータを用いて計算される、実施形態Ｃ１に記載のシステム。
Ｃ３．第１の温度センサは、第２の温度センサより、加熱要素の近くに位置する、実施形態Ｃ１又はＣ２に記載のシステム。
Ｃ４．現在の設定点温度は、ガスクロマトグラフィカラムの所望の温度の関数である、実施形態Ｃ１、Ｃ２又はＣ３に記載のシステム。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置であって、
カラム加熱装置と、
前記カラム加熱装置内に、又は該カラム加熱装置に直接隣接して位置する第１の温度センサと、
前記カラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの間に配置されるガスクロマトグラフィカラムとを備え、該ガスクロマトグラフィカラムの温度は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの温度データに基づいて変更される、ガスクロマトグラフィカラム温度制御装置。
請求項２：
前記カラム加熱装置の下方に配置される第１の断熱層と、第２の断熱層とを更に備え、前記第２の温度センサは前記第２の断熱層の上方に、該第２の断熱層内に、又は該第２の断熱層の下方に配置される、請求項１に記載の装置。
請求項３：
前記カラム加熱装置は、第１の基板と、該第１の基板の上方に配置される加熱要素と、該カラム加熱要素の上方に配置される第２の基板とを備え、前記第２の基板は第１の側及び第２の側を有し、前記第２の側は、該第２の側と接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを有するように構成され、前記カラム加熱装置からの熱は前記第２の基板を通して伝達され、前記第２の基板に接触している前記ガスクロマトグラフィカラムを実質的に均一に加熱する、請求項１に記載の装置。
請求項４：
前記第２の基板はシリコンを含む、請求項３に記載の装置。
請求項５：
前記第２の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、請求項３に記載の装置。
請求項６：
前記第１の基板はシリコンを含む、請求項３に記載の装置。
請求項７：
前記第１の基板は単結晶シリコン又は多結晶シリコンを含む、請求項３に記載の装置。
請求項８：
前記第２の基板は、２５℃において
【数１３】
0006706252.tif 000016
より低い体積熱容量と、２５℃において
【数１４】
0006706252.tif 000017
より高い熱伝導率と、２５℃において約
【数１５】
0006706252.tif 000018
より大きい、熱伝導率と熱膨張係数との比と、１００ＧＰａより高い機械的剛性とを有する、請求項３に記載の装置。
請求項９：
前記第２の基板は、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、炭化シリコン、タングステン、モリブデン、タングステン合金、モリブデン合金又はその組み合わせのうちの１つを含む、請求項３に記載の装置。
請求項１０：
前記加熱要素と前記第１の基板との間に配置されるスペーサ層を更に備え、前記層は、前記第１の温度センサを受け入れ、前記加熱要素に隣接して前記第１の温度センサを保持するように構成される、請求項３に記載の装置。
請求項１１：
温度制御システムであって、
ガスクロマトグラフィカラムに隣接して配置される第１の温度センサと、
前記カラム加熱装置内に、又は前記カラム加熱装置の上方に配置される第２の温度センサと、
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサから温度データを受信し、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの前記温度データに基づいて、制御信号を出力するように構成されるコントローラと、
前記コントローラから制御信号を受信し、前記カラム加熱装置への電力を調整して前記ガスクロマトグラフィカラムの前記温度を変更するように構成される電源と
を備える、温度制御システム。
請求項１２：
前記コントローラは比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含む、請求項８に記載のシステム。
請求項１３：
前記ＰＩＤコントローラは、前記第１の温度センサからの前記温度データに基づいて、第１のＰＩＤ計算を達成し、前記第２の温度センサからの前記温度データに基づいて、第２のＰＩＤ計算を達成するように構成される、請求項９に記載のシステム。
請求項１４：
前記第２のＰＩＤ計算は、前記第１のＰＩＤ計算を計算し、変更するために使用される、請求項１０に記載のシステム。
請求項１５：
前記変更された第１のＰＩＤ計算に基づく制御信号が前記電源に与えられる、請求項１１に記載のシステム。
請求項１６：
前記ＰＩＤコントローラは、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサからの温度データの加重平均に基づいてＰＩＤ計算を達成するように構成される、請求項９に記載のシステム。
請求項１７：
カラム加熱装置を制御するためのシステムであって、前記装置は、第１の温度センサ及び第２の温度センサから温度データを受信するように構成されるコントローラを備え、該コントローラは、
前記温度データから推定カラム温度を求めることと、
前記推定カラム温度を現在の設定点温度と比較することと、
前記推定カラム温度と前記現在の設定点温度との前記比較から温度誤差を求めることと、
前記求められた温度誤差に基づいて、加熱要素に印加する電力レベルを調整することとを含む、プログラミング動作を実行するように更に構成される、カラム加熱装置を制御するためのシステム。
請求項１８：
前記推定カラム温度は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの両方からのデータを用いて計算される、請求項１７に記載のシステム。
請求項１９：
前記第１の温度センサは、前記第２の温度センサより、前記加熱要素の近くに位置する、請求項１７に記載のシステム。
請求項２０：
前記現在の設定点温度は、ガスクロマトグラフィカラムの所望の温度の関数である、請求項１７に記載のシステム。
【図１】
0006706252.tif 000022
【図２Ａ】
0006706252.tif 000023
【図２Ｂ】
0006706252.tif 000024
【図２Ｃ】
0006706252.tif 000025
【図３】
0006706252.tif 000026
【図４】
0006706252.tif 000027