(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に試料入口が形成され、他端にガス出口が形成された直管状の一つの熱分解用管と、前記ガス出口側に接続されるＣＯ2 分析計とを備えた炭素分別分析装置において、前記一つの熱分解用管が大径部と細径部とからなり、この熱分解用管の大径部に、その上流側から下流側にかけてキャリアガス導入口、試料を低温加熱して試料中の有機炭素を揮発・熱分解させるための低温加熱部、試料を高温加熱して試料中の元素状炭素を熱分解させるための高温加熱部が相互に間隔をおいて順に設けられているとともに、前記細径部には前記低温加熱部での低温加熱により揮発・熱分解された有機炭素および高温加熱部での高温加熱により熱分解された元素状炭素に含まれるＨＣやＣＯなどの炭素化合物をＣＯ2 に酸化させるための酸化触媒を内蔵した高温酸化部が設けられ、これら低温加熱部、高温加熱部並びに高温酸化部に対応する熱分解用管部分の外周にはそれぞれ個別に温度設定可能なヒータが巻設されていることを特徴とする炭素分別分析装置。
【請求項２】
前記高温加熱部と高温酸化部との間の熱分解用管部分には、酸素または空気などの助燃ガスを導入するための助燃ガス導入管が接続されている請求項１に記載の炭素分別分析装置。
【請求項３】
前記助燃ガス導入管と熱分解用管との接続部分には、熱分解用管内に導入される助燃ガスを予め加熱するためのヒータが設けられている請求項２に記載の炭素分別分析装置。
【請求項４】
前記熱分解用管のガス出口には、熱分解用管の大径部の低温加熱部での低温加熱により発生されるＣＯ2 および高温加熱部での高温加熱によって発生されるＣＯ2 並びに高温酸化部で酸化されたＣＯ2 をキャリアガスによってＣＯ2 分析計に送るように熱分解用管とＣＯ2 分析計とを接続する状態と、前記熱分解用管内に流入されるパージガスを排気流路を経て外部に排出するように熱分解用管と排気流路とを接続する状態とに切替可能な三方切替え弁が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の炭素分別分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試料中の有機炭素と元素状炭素とを分別分析する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中の全浮遊粒子状物質（ＴＳＰ）中に含まれる炭素成分の１つである元素状炭素はＳＯ2 のＳＯ4 2-の酸化に関与し、その濃度によっては気候変動をひき起こす可能性がある。この元素状炭素を分析する手法の一つに、元素状炭素とＴＳＰ中に含まれる他の炭素成分である有機炭素とを熱的に分離して分析する手法がある。
【０００３】
図６は、従来の炭素分別分析を行う装置の構成を概略的に示すもので、この図において、６１は熱分解用管で、その一端側には試料Ｓを挿入するための開閉自在な蓋を有する試料入口６２が形成され、他端側にはガス出口６３が形成されている。そして、この熱分解用管６１の試料入口６２側（以下、上流側という）にはキャリアガスＣＧの導入口６４が形成されている。そして、６５は熱分解用管６１のキャリアガス導入口６４より下流側の外周に巻設されるヒータで、低温および高温に温度設定できるようにしてある。また、６６はガス出口６３に適宜の流路（図示していない）を介して接続されるＣＯ2 分析計である。さらに、６７は試料Ｓを載せるための試料ボートである。
【０００４】
上記構成の炭素分別分析装置の動作について説明すると、まず、熱分解用管６１内の所定位置に試料Ｓを載置した試料ボート６７を設け、その状態でヒータ６５を低温（例えば４００℃程度）に設定して試料Ｓを加熱すると、試料Ｓ中に含まれる有機炭素が揮発しＣＯ2 となった後、キャリアガスＣＧによってＣＯ2 分析計６６に運ばれ、ＣＯ2 濃度が測定される。次に、ヒータ６５を高温（例えば１０００℃程度に設定し、試料Ｓをさらに加熱すると、試料Ｓ中に含まれる元素状炭素が熱分解されＣＯ2 となった後、キャリアガスＣＧによってＣＯ2 分析計６６に運ばれ、ＣＯ2 濃度が測定される。そして、上記各測定によって得られたＣＯ2 濃度に基づいて、試料Ｓ中の有機炭素および元素状炭素の量をそれぞれ求めることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の炭素分別分析装置では、単一のヒータ６５しか用いてないため、これを低温から高温に設定するには時間がかかり、高温から低温に設定するにはさらに時間がかかる。そして、低温で揮発するＨＣ成分はＣＯ2 分析計６６による検出は困難なため、ＨＣガス検知器が必要となり、また、温度不足により酸化不十分になればＣＯが発生し誤差が生じることになる。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、試料中の有機炭素および元素状炭素を分別して精度よく分析することができるとともに、その分析に要する時間を短縮し、短時間で所定の分析を高精度に行うことができる炭素分別分析装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、一端に試料入口が形成され、他端にガス出口が形成された直管状の一つの熱分解用管と、前記ガス出口側に接続されるＣＯ2 分析計とを備えた炭素分別分析装置において、前記一つの熱分解用管が大径部と細径部とからなり、この熱分解用管の大径部に、その上流側から下流側にかけてキャリアガス導入口、試料を低温加熱して試料中の有機炭素を揮発・熱分解させるための低温加熱部、試料を高温加熱して試料中の元素状炭素を熱分解させるための高温加熱部が相互に間隔をおいて順に設けられているとともに、前記細径部には前記低温加熱部での低温加熱により揮発・熱分解された有機炭素および高温加熱部での高温加熱により熱分解された元素状炭素に含まれるＨＣやＣＯなどの炭素化合物をＣＯ2 に酸化させるための酸化触媒を内蔵した高温酸化部が設けられ、これら低温加熱部、高温加熱部並びに高温酸化部に対応する熱分解用管部分の外周にはそれぞれ個別に温度設定可能なヒータが巻設されていることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
上記炭素分別分析装置においては、低温加熱部および高温加熱部のヒータを同時に動作させてこれら両部をそれぞれ所定の温度に設定しておくことができるので、炭素分別分析における昇温および冷却に要する時間が不要となり、それだけ分析に要する時間が短縮される。
【０００９】
そして、高温加熱部とガス出口との間の細径部には、有機炭素および元素状炭素に含まれるＨＣやＣＯなどの炭素化合物をＣＯ2 に酸化させるための高温酸化部が設けられているので、ＨＣやＣＯがそのままＣＯ2 分析計に流れることがなくなり、ＣＯ2 の分析精度が向上する。
【００１０】
また、前記高温加熱部と高温酸化部との間の熱分解用管部分には、酸素または空気などの助燃ガスを導入するための助燃ガス導入管が接続されている構成とすることにより（請求項２）、酸素存在下での低温におけるＣＯも完全にＣＯ2 に変換することができるため、ＣＯ発生に起因するＣＯ2 分析計の誤差を無くすことができる。
【００１１】
さらに、前記助燃ガス導入管と熱分解用管との接続部分に、熱分解用管内に導入される助燃ガスを予め加熱するためのヒータを設ける場合（請求項３）、酸素や空気など助燃ガスの導入によって、低温加熱部または高温過熱部で発生したガスの温度が低下させることがなくなり、ＣＯ2 濃度をより高精度に測定できる。
【００１２】
さらにまた、前記熱分解用管のガス出口には、熱分解用管の大径部の低温加熱部での低温加熱により発生されるＣＯ2 および高温加熱部での高温加熱によって発生されるＣＯ2 並びに高温酸化部で酸化されたＣＯ2をキャリアガスによってＣＯ2 分析計に送るように熱分解用管とＣＯ2 分析計とを接続する状態と、前記熱分解用管内に流入されるパージガスを排気流路を経て外部に排出するように熱分解用管と排気流路とを接続する状態とに切替可能な三方切替え弁が設けられているという構成とする場合（請求項４）、外部から流入する空気や熱分解用管内をパージするために流すパージガスなどＣＯ2 分析計に流すことなく、外部に排出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の炭素分別分析装置の構成の一例を概略的に示す図で、この図において、１は直管状の一つの熱分解用管で、例えば大径部１ａと細径部１ｂとからなり、石英または耐熱セラミックスなど耐熱性を有する素材で形成され、その耐熱温度は１２００℃以上である。２は熱分解用管１の大径部１ａの一端側に形成される試料入口で、試料Ｓを挿入するための開閉自在な蓋２ａが設けられている。３は蓋２ａの近傍に設けられるキャリアガス導入口で、キャリアガス導入路４が接続されている。このキャリアガス導入路４の上流側には、図示してないが、ＨｅまたはＮ2 などの不活性ガス源およびＯ2 または空気などの助燃ガス源が設けられ、不活性ガスまた助燃ガスのいずれかを択一的にキャリアガスＣＧとして熱分解用管１内に導入できるように構成されている。
【００１４】
５，６は前記熱分解用管の大径部１ａに適宜の間隔をおいて設けられる低温加熱部、高温加熱部で、いずれも室温から１２００°付近まで任意の温度に設定できるヒータ５ａ，６ａを例えば大径部１ａに巻設して形成されており、低温加熱部５では試料Ｓ中の有機炭素が揮発・熱分解され、高温加熱部６では試料Ｓ中の元素状炭素が熱分解される。
【００１５】
７は前記大径部１ａの下流側に連なる細径部１ｂに設けられる高温酸化部で、細径部１ｂの外周に巻設されるヒータ８と、酸化銅または白金などを層状に内蔵した酸化触媒９とからなる。
【００１６】
１０は前記細径部１ｂの下流側に形成されるガス出口で、このガス出口１０には流路１１を介して例えば非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）などよりなるＣＯ2 分析計１２が設けられている。１３は流路１１に介装される切替え弁としての三方電磁弁で、その第１のポート１３ａがガス出口１０に、第２のポート１３ｂがＣＯ2 分析計１２側にそれぞれ接続され、第３のポート１３ｃには排気流路１４が接続されており、通常時（電源オフ時）、ガス出口１０側とＣＯ2 分析計１２とが連通するように構成されている。なお、１５はＣＯ2 分析計１２の下流側に設けられるガス排出路である。
【００１７】
そして、１６は試料Ｓを載置する試料ボートで、試料入口２を経て大径部１ａ内に挿入または取り出しできるとともに、大径部１ａ内を自由にスライドできる程度の大きさに形成されている。
【００１８】
次に、上記構成の炭素分別分析装置の動作について、図２をも参照しながら説明する。まず、蓋２ａを開けて、有機炭素の揮発・熱分解に必要な温度、例えばＨｅ雰囲気下では５００℃程度、空気雰囲気下では３００℃程度に設定されている低温加熱部５に達するよう熱分解用管１内に試料Ｓを試料ボート１６に載せた状態で挿入し、例えば３〜５分間、揮発・熱分解させる。なお、ＨｅまたはＮ2 などの不活性雰囲気で揮発・熱分解を行うときはキャリアガス入口３からＨｅまたはＮ2 などの不活性ガスを導入し、空気またはＯ2 雰囲気で揮発・熱分解を行うときも同様にキャリアガス入口３から空気またはＯ2を導入する。
【００１９】
前記低温加熱部５における試料Ｓの低温加熱によって揮発・熱分解した有機炭素は、キャリアガスＣＧによって高温酸化部７に送られる。この高温酸化部７は、ヒータ８によって例えば１０００℃といった高温に保持されているので、前記有機炭素に含まれるＨＣやＣＯなどが酸化されてＣＯ2 となる。このＣＯ2 はキャリアガスＣＧによって三方電磁弁１３を経てＣＯ2 分析計１２に送られ、その濃度が測定される。
【００２０】
前記有機炭素の揮発・熱分解を所定時間行った後、試料Ｓを元素状炭素の熱分解に必要な温度（例えば８５０°Ｃ程度）に設定されている高温加熱部６に試料ボート１６ごと移動させる。この移動に際しては、試料入口２の蓋２ａを開けなければならないが、このとき、試料入口２側から空気が熱分解用管１内に流入し、空気中のＣＯ2 がＣＯ2 分析計１２側に流れるのを防ぐため、三方電磁弁１３を切替えて、ガス出口１０と排気流路１４とを連通させておき、流入空気を外部に排出させる。
【００２１】
そして、前記高温加熱部６において試料Ｓを前記温度で所定の時間例えば３〜５分間高温加熱して熱分解を行わせる。この高温加熱により熱分解された元素状炭素は、有機炭素の場合と同様に、キャリアガスＣＧにより高温酸化部７に送られ、元素状炭素に含まれるＨＣやＣＯなどが酸化されてＣＯ2 となり、このＣＯ2 がキャリアガスＣＧによって三方電磁弁１３を経てＣＯ2 分析計１２に送られ、ここでＣＯ2 濃度を測定された後、ガス排出路１５に排出される。
【００２２】
図２（Ａ）は、前記炭素分別分析装置の熱分解用管１内の温度分布を概略的に示すグラフであり、横軸は試料入口２からの距離、縦軸は熱分解用管１内の温度である。
【００２３】
そして、同図（Ｂ）は、前記炭素分別分析装置よって得られたＣＯ2 発生量を概略的に示すグラフであり、横軸は分析開始時からの経過時間、縦軸はＣＯ2 発生量である。このグラフの最初の山（１）は、有機炭素を揮発・熱分解したことによるＣＯ2 の発生量を示し、次の山（２）は、元素状炭素を熱分解したことによるＣＯ2 の発生量を示している。このように有機炭素と元素状炭素にそれぞれ対応したＣＯ2 発生量が得られるので、この結果から試料Ｓ中に含まれていた有機炭素と元素状炭素の量を分別して分析することができる。
【００２４】
上述したように、この発明の炭素分別分析装置は、一つの熱分解用管１の大径部１ａに、キャリアガス導入口３、試料Ｓ中の有機炭素を揮発・熱分解させるための低温加熱部５および試料Ｓ中の元素状炭素を熱分解させるための高温加熱部６がこの順で設けられているので、低温加熱部５および高温加熱部６の各ヒータ５ａ，６ａを同時に動作させ、これら各部５，６をそれぞれ所定の温度になるように予め設定しておくことができるので、炭素分別分析における昇温や冷却に要する時間が不要となり、それだけ、分析時間に要する時間が短縮される。
【００２５】
そして、熱分解用管１の高温加熱部６の下流側の細径部１ｂには、ＨＣやＣＯなどの炭素化合物をＣＯ2 に酸化させるための高温酸化部７が設けられ、この高温酸化部７のヒータ８を動作させて予め所定の温度になるように設定しておくことができるので、低温加熱部５および高温加熱部６での試料Ｓの低温加熱および高温加熱により熱分解された有機炭素および元素状炭素にＨＣやＣＯなどの炭素化合物が混入していても、前記高温酸化部７においてこれらの炭素化合物が確実に酸化されてＣＯ2 となるので、ＨＣやＣＯがそのままＣＯ2 分析計１２に流れることがなくなり、ＣＯ2 分析計１２における測定誤差をなくしてＣＯ2 の分析精度を向上することができる。
【００２６】
この発明の炭素分別分析装置は、上記実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。例えば、試料Ｓを載せた試料ボート１６を、低温加熱部５から高温加熱部６に移動する際、試料入口２の蓋２ａを開けるのに代えて、図３に示すように、試料ボート１６に鉄製の支持具１７を連設するとともに、熱分解用管１の外部下方に熱分解用管１と平行にガイド１８を設け、このガイド１８に磁石よりなる駆動部１９を移動自在に設け、この磁石駆動部１９の磁力により熱分解用管１の外側から支持具１７を、図３中の矢印ＸまたはＹ方向に移動させるようにしてもよい。この構成の炭素分別分析装置においては、蓋２ａを開けることなく、外気遮断状態で試料Ｓを移動させることができる。
【００２７】
また、図４に示すように、熱分解用管１の高温加熱部６と高温酸化部７との間の熱分解用管１の細径部１ｂに酸素または空気などの助燃ガスＪを導入するための助燃ガス導入管２０を接続し、熱分解用管１の細径部１ｂ内に助燃ガスＪを導入するようにしてもよく、このようにした場合、低温加熱部５で揮発・熱分解された有機炭素に含まれるＨＣやＣＯなどの炭素化合物の高温酸化部７での燃焼（酸化）を促進して所望のＣＯ2 を発生することができ、ＣＯ発生に起因するＣＯ2 分析計１２の誤差を無くすることができる。なお、２１は助燃ガス導入管２０に介装される開閉弁としての二方電磁弁である。
【００２８】
さらに、図５に示すように、助燃ガス導入管２０と熱分解用管１との接続部分、すなわち、助燃ガス導入管２０の熱分解用管１に近い部分および熱分解用管１の助燃ガス導入管２０との接続部外周にヒータ２２を設け、熱分解用管１内に導入される助燃ガスＪを予め加熱するようにしてもよい。このようにした場合、低温加熱部５または高温加熱部６において生じたガスが、助燃ガスＪの添加によって冷却されることがなく、所望のＣＯ2 を発生させてＣＯ2 濃度をより高精度に測定することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、低温加熱部および高温加熱部のヒータを同時に動作させたてこれら両部をそれぞれ所定の温度に各別に設定しておくことができるので、炭素分別分析における昇温や冷却に要する時間が不要となり、それだけ分析に要する時間を短縮し、短時間で試料中の有機炭素と元素状炭素とを分別して分析することができる。
【００３０】
しかも、高温加熱部とガス出口との間には、有機炭素および元素状炭素に含まれるＨＣやＣＯなどの炭素化合物をＣＯ2 に酸化させるための高温酸化部が設けられているので、ＨＣやＣＯがそのままＣＯ2 分析計に流れることがなくなり、ＣＯ2 の分析精度を向上することができる。
【００３１】
また、請求項２に記載の炭素分別分析装置によれば、酸素存在下での低温におけるＣＯも完全にＣＯ2 に変換できるので、ＣＯ発生に起因するＣＯ2 分析計の誤差を無くすことができる。
【００３２】
また、請求項３に記載の炭素分別分析装置によれば、酸素や空気などの助燃ガスの導入によって、低温加熱部または高温加熱部で発生したガスの温度が低下されることがなくなり、ＣＯ2 濃度をより高精度に測定でき、さらにまた、請求項４に記載の炭素分別分析装置によれば、外部から導入する空気や熱分解用管内をパージするために流すパージガスなどＣＯ2分析計に流したくないガスを外部に排出することができるので、炭素分別分析をより速くより正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の炭素分別分析装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】  （Ａ）は前記炭素分別分析装置の熱分解用管における温度分布を概略的に示すグラフ、（Ｂ）は前記炭素分別分析装置による分析結果を概略的に示すグラフである。
【図３】  前記炭素分別分析装置の他の実施の形態を概略的に示す図である。
【図４】  前記炭素分別分析装置のさらに他の実施の形態を概略的に示す図である。
【図５】  前記炭素分別分析装置のさらに他の実施の形態を概略的に示す図である。
【図６】  従来の炭素分別分析装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…熱分解用管、１ａ…大径部、１ｂ…細径部、２…試料入口、３…キャリアガス導入口、５…低温加熱部、５ａ…ヒータ、６…高温加熱部、６ａ…ヒータ、７…高温酸化部、８…ヒータ、１０…ガス出口、１２…ＣＯ2 分析計、１３…三方切替え弁、２０…助燃ガス導入管、Ｓ…試料。
【図１】
0003840019.tif 000002
【図２】
0003840019.tif 000003
【図３】
0003840019.tif 000004
【図４】
0003840019.tif 000005
【図５】
0003840019.tif 000006
【図６】
0003840019.tif 000007