CN104181262B - 一种无冷区低功耗的小型炉箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无冷区低功耗的小型色谱炉箱，毛细管色谱柱绕在薄壳式金属筒外表面上，加热筒内壁贴有加热膜、或绕制有加热金属丝，使薄壳式金属筒成为加热均温筒，简称加热筒。保温炉箱的前后箱壁开孔，使加热筒内部空间与外界相通，而加热筒的前后两个横截面边沿和整个加热筒的外部都被热密封在保温炉箱的内部。炉箱的顶部安装有色谱进样器和检测器，并且都被加热恒温至设定温度。色谱柱的入口端连接到进样器，出口端连接到检测器。毛细管色谱柱的主要部分因绕在加热筒外表面上而与加热筒同温。这种小型炉箱还适合以低功耗为先且控温精度要求较高的场合。

Description

一种无冷区低功耗的小型炉箱

技术领域

本发明涉及气相色谱仪技术领域，具体地涉及一种无冷区低功耗的小型色谱柱炉箱，用于台式色谱仪和便携式色谱仪。

背景技术

气相色谱仪广泛应用在食品安全检测、环境污染检测、石油化工分析、药物和天然产物分析、香精香料分析、酒类生产质量控制分析、香烟生产质量控制分析、以及临床样品分析等。随着社会的发展，越来越强调节能、快速分析和现场分析。

传统的气相色谱仪功率消耗很高，主要是在色谱柱的炉箱加热上。色谱仪在程序升温过程中，最高功耗可达2KW。我国目前气相色谱仪的保有量已经超过8万台，几乎都是传统型的，所以电功消耗总量也是相当高的。

国内外一直在努力降低气相色谱仪的功率消耗，特别是在快速色谱和便携式气相色谱仪的研发方面，研制出多种降低功耗的方法和技术。但是至今能够实现程序升温操作的低功耗色谱柱加热均温技术都遇到一个共同的难题：毛细管色谱柱引出端的温度因离开色谱柱主体而又没有辅助加热装置，导致引出端的温度低于色谱柱主体的温度，专业术语称之为冷端，离开色谱柱主体的空间称之为冷区。冷端现象造成色谱峰展宽，分离能力下降，导致检测性能下降。

为了解决这个问题，最新的国外商品仪器采用了将低功耗色谱柱加热组件放入一个带有内循环风扇和辅助加热的炉箱中来消除冷区的方法，使色谱柱的引出端得到小型色谱炉箱的额外加热。这个方法要求小炉箱的温度控制与色谱柱的加热速率和温度值同步，以避免加热炉膛的温度干扰色谱柱加热系统的温度变化。所以这个系统不仅控制比较复杂，精度要求高，成本较高，而且峰值功率消耗在800-1200W，抵消了低功耗色谱柱加热系统的重要优点。

因此，如何提供一种无冷区低功耗的色谱柱加热均温系统，同时满足使用普通毛细管色谱柱、用户可以更换色谱柱、操作简单、制作简单、使用成本低的要求，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无冷区低功耗的小型炉箱的技术方案，用于低功耗均温加热色谱柱并且消除冷区。

本发明采用加热筒外表面与保温炉箱内膛之间形成的空间作为色谱柱引出端的保温区。毛细管色谱柱紧密排绕在加热筒的外壁，电热模贴在加热筒的内壁上。利用色谱进样器和检测器的相对高温产生的热辐射加热位于其下方的毛细管柱引出端，辅以色谱柱载气的热传导传热和加热筒升温时的热辐射，保证色谱柱引出端的温度总是高于色谱柱主体的温度。

加热筒两端与保温箱的前后两个内壁紧贴，保温箱壁与加热筒的内腔相应位置开孔，使外界与加热筒的内腔直接连通，但是与保温箱内膛不连通；

冷却风扇固定在保温箱外面与加热筒内腔开孔部位对应的位置。可以对加热筒进行强制风冷。

三只热敏电阻分别固定在加热筒的外表面上、以及色谱进样器和检测器的加热块上，并于温度控制器相连接。温度控制器分别控制加热筒、色谱进样器和色谱检测器的温度。

优选地，所述色谱进样器和检测器暴露在炉膛顶部的金属部分能有效热辐射到毛细管柱的引出端，又不过分影响色谱柱主体的相应部分，设计上将色谱进样器和检测器之间的轴线距离L设定为L=D+d1/2+d2/2，其中D是加热筒直径，d1和d2分别是进样器和检测器暴露在炉膛顶部的金属部分的直径。

优选地，所述小型炉箱的炉膛热容量尽可能的低，使炉膛温度能够很快地跟踪加热筒的温度升温或者降温，但是总是处于略高于加热筒的温度。所述的保温炉箱内壁的六个面中，除安装有色谱进样器和检测器的上部外，其余5个面都不用金属薄板覆盖、或者部分用厚度≤0.3毫米的带有孔网的金属薄板覆盖。

本发明具有如下优点：

1、在不使用辅助加热系统的条件下，实现了色谱柱引出端无冷区的功能，极大地简化了色谱炉箱的结构设计和不同加热温区的温度跟随控制系统。大幅度降低成本；

2、色谱柱的加热均温筒内部与外界相通，有一定的对流散热，因此温度平衡速度很快。降温时开启位于炉箱外部的风扇，强制对流散热，而且因加热筒的热容很低，所以降温速度很快，可达60℃/min甚至更快；

3、因为要利用炉箱内发热物体的热幅射和热传导给色谱柱引出端加热，所以可以采用强化的炉箱保温设计而不会降低色谱柱快速热平衡的性能。因节能而节省电功耗。传统的色谱炉箱为了温度能快速平衡，有意设计炉箱的整体保温性能较低，确保散热能力，因此加热功耗高。

附图说明

图1是所发明的一种无冷区小型炉箱装置前视图。

图2是本发明的一种无冷区小型炉箱装置立体示意图。

图中：100-加热筒；101-加热膜；102-冷却风扇；110-毛细管色谱柱；121-色谱进样器；122-色谱检测器；200-保温箱；205-保温箱内膛；210-保温箱前壁；211-前壁通气孔；220-保温箱后壁；221-后壁通气孔；300-温度控制器；310-热敏电阻。

图3是用所发明的小炉箱和色谱柱均温加热装置用于多环芳烃类标样分析谱图。图中1-萘，2-苊，3-菲，4-蒽，5-荧蒽，6-芘。

图4是用所发明的小炉箱和色谱柱均温加热装置用于多种混合标样分析谱图。

图中：1、甲醇、乙醛；2、乙醇；3、丙酮；4、二氯甲烷；5、正己烷；6、氯仿；7、呋喃；8、二氯乙烷；9、苯；10、正丁醇；11、乙二醇、三氯乙烯、庚烷12、甲苯；13、辛烷；14、乙苯、邻二甲苯；15、间二甲苯；16、对二甲苯；17、壬烷；18、癸烷。

具体实施方式

本发明涉及一种无冷区低功耗的小型色谱炉箱。适用于小型气相色谱仪中的炉箱以及多维色谱仪中独立的色谱柱炉箱。方法原理是：毛细管色谱柱绕在薄壳式金属筒外表面上，加热筒内壁贴有加热膜、或绕制有加热金属丝，使薄壳式金属筒成为加热均温筒，简称加热筒。保温炉箱的前后箱壁开孔，使加热筒内部空间与外界相通，而加热筒的前后两个横截面边沿和整个加热筒的外部都被热密封在保温炉箱的内部。炉箱的顶部安装有色谱进样器和检测器，并且都被加热恒温至设定温度。色谱柱的入口端连接到进样器，出口端连接到检测器。利用进样器和检测器与色谱柱连接部件的热传导和热辐射，加热连接段的色谱柱。毛细管色谱柱的主要部分因绕在加热筒外表面上而与加热筒同温。炉箱的热平衡是靠被加热部件在炉膛内自然散热和热辐射、加热筒内腔与外界相通自然散热、或者靠风扇将外界空气与加热筒内壁强迫热交换散热降温来实现。这种小型炉箱还适合以低功耗为先且控温精度要求较高的场合。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，为一种无冷区的小型炉箱示意图，所述的无冷区的小型炉箱由加热筒100、加热丝101、冷却风扇102、毛细管色谱柱110、色谱进样器121、检测器122、保温箱200、温度控制器300和热敏电阻301组成。

保温箱200的外部尺寸为长×宽×高等于258mm×103mm×253mm，内部尺寸为长×宽×高等于225mm×70mm×220mm，保温箱200四周内壁为厚度15mm的保温材料，保温材料为玻璃纤维布包裹的玻璃纤维与二氧化硅气溶胶颗粒复合毡。

加热筒100为直径120mm，厚度0.6mm，高度70mm的铝筒；加热丝101为38m阻值为0.133Ω/m、直径为0.4mm的铜漆包线，将其单层绕在加热筒100的内壁；毛细管色谱柱110为石英毛细管30m×0.32mm×0.4mm，将其单层绕在加热筒100的外表面上，整个加热筒100悬挂固定在炉箱后壁220中间偏下位置（参考图1），加热筒100两端边沿与保温箱200的前后两个壁210和220的内壁紧贴，保温箱壁210和220与加热筒的内腔相应位置分别开孔211和221，使外界与加热筒100内腔直接连通，但是与保温箱内膛205不连通；

冷却风扇102固定在保温箱后壁220的开孔部位；

色谱进样器121和色谱检测器122安装在色谱炉箱顶部，石英毛细管柱的入口端111与色谱进样器121相连，毛细管柱出口端112与色谱检测器122相连；

三只热敏电阻310分别固定在加热筒100的外表面上、以及色谱进样器121和检测器122的加热块上，并与温度控制器300相连接。温度控制器分别控制加热筒100、色谱进样器121和色谱检测器122的温度。

将本实施例用于对多环芳烃标样进行分离分析。

样品：萘，苊，菲，蒽，荧蒽，芘（样品浓度200ppm）

气相色谱条件：

分流/不分流进样口温度280℃；FID检测器温度300℃；不分流进样，进样量1mL；30m×0.32mm×0.4mmSE-30石英毛细管色谱柱（科分，大连科美精密仪器有限公司），载气类型：H2，载气流速：2mL/min；程序升温：40℃保持2min，以25℃/min的速率升至140℃，再以10℃/min的速率升至280℃保持10min。

谱图见图3。

应用例2：

如图1所示，为一种无冷区的小型炉箱示意图，所述的无冷区的小型炉箱由加热筒100、加热丝101、冷却风扇102、毛细管色谱柱110、色谱进样器121、检测器122、保温箱200、温度控制器300和热敏电阻301组成。

保温箱200的外部尺寸为长×宽×高等于258mm×103mm×253mm，内部尺寸为长×宽×高等于225mm×70mm×220mm，保温箱200四周内壁为厚度15mm的保温材料，保温材料为玻璃纤维布包裹的玻璃棉。

加热筒100为直径100mm，厚度0.6mm，高度70mm的铝筒，加热膜101贴在加热筒100的内壁，毛细管色谱柱110为不锈钢毛细管MXT-530m×0.25mm×0.5mm（Restek，美国），将其单层绕在加热筒100的外表面上，整个加热筒100悬挂固定在炉箱后壁220中间偏下位置（参考图1），加热筒100两端边沿与保温箱200的前后两个壁210和220的内壁紧贴，保温箱壁210和220与加热筒的内腔相应位置分别开孔211和221，使外界与加热筒100内腔直接连通，但是与保温箱内膛205不连通；

冷却风扇102固定在保温箱后壁220的开孔部位；

色谱进样器121和色谱检测器122安装在色谱炉箱顶部，石英毛细管柱的入口端111与色谱进样器121相连，毛细管柱出口端112与色谱检测器122相连；

三只热敏电阻（310）Pt100分别固定在加热筒100的外表面上、以及色谱进样器121和检测器122的加热块上，并与温度控制器300相连接。温度控制器分别控制加热筒100、色谱进样器121和色谱检测器122的温度。

将本实施例用于对多种混合标样进行分离分析。

样品：甲醇、乙醛、乙醇、丙酮、二氯甲烷、正己烷、氯仿、呋喃、二氯乙烷、苯、正丁醇、乙二醇、三氯乙烯、庚烷、甲苯、辛烷、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、壬烷、癸烷（样品浓度1000ppm）

气相色谱条件：分流/不分流进样口温度250℃；FID检测器温度250℃；30m×0.25mm×0.5mmMXT-5色谱柱（Restek，美国）；载气类型：H₂，载气流速：1mL/min；分流进样，分流比50：1，进样量1μL；程序升温：30℃保持8min，以10℃/min的速率升温至175℃恒2min。色谱图见图4。

Claims (7)

1.一种无冷区低功耗的小型炉箱，其特征在于：该装置由加热筒(100)、加热丝或加热膜(101)、冷却风扇(102)、毛细管色谱柱(110)、色谱进样器(121)、色谱检测器(122)、保温箱(200)、温度控制器(300)和热敏电阻(310)组成；

所述加热筒(100)、为二端开口的筒状结构；保温箱(200)为一密闭的空腔；

于加热筒(100)的内壁贴有加热丝或加热膜(101)，毛细管色谱柱(110)绕在加热筒(100)的外表面上，毛细管色谱柱的入口端(111)与色谱进样器(121)相连，毛细管色谱柱出口端(112)与色谱检测器(122)相连，加热筒(100)两端边沿与保温箱(200)的前后两个壁(210)和(220)的内壁面紧贴，于保温箱前后两个壁(210)和(220)上与加热筒的内腔相应位置分别开有前壁通孔(211)和后壁通孔(221)，使外界与加热筒(100)内腔直接连通；

冷却风扇(102)固定在保温箱壁(210)或(220)的开孔部位；

三只热敏电阻(310)分别固定在加热筒(100)的外表面上、以及色谱进样器(121)和检测器(122)的加热块上，并且热敏电阻(310)与温度控制器(300)通过导线相连接；温度控制器分别控制加热筒(100)、色谱进样器(121)和色谱检测器(122)的温度；

所述毛细管色谱柱(110)的引出端(111)与(112)的加热是靠色谱进样器(121)和色谱检测器(122)的热辐射和加热筒的热辐射、以及载气的热传导实现的；因为正常使用时，色谱进样器和色谱检测器的温度总是高于毛细管色谱柱的最高温度，而且加热筒(100)温度总是处于炉膛内部(205)的相对最低值，保证了位于色谱进样器和检测器下方的毛细管柱引出端(111)与(112)的温度总是高于毛细管色谱柱主体的温度；所述的色谱进样器(121)和检测器(122)的轴线之间的距离L大于加热筒的直径D，设进样器暴露在炉膛顶部的金属部分直径为d1，检测器暴露在炉膛顶部的金属部分直径为d2，则L的最佳值为L＝D+d1/2+d2/2，使其热辐射的区域既能覆盖毛细管色谱柱的引出端，又不过分影响色谱柱主体的相应部分。

2.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：

色谱进样器(121)和色谱检测器(122)安装在色谱炉保温箱外侧壁面上，色谱进样器(121)和检测器(122)分别通过其上设有的加热块进行加热，色谱进样器(121)和检测器(122)的加热块均置于色谱炉保温箱内膛(205)中。

3.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：

加热丝或加热膜(101)、以及色谱进样器(121)和检测器(122)的加热块分别通过导线经温度控制器(300)与外电源相连，通过温度控制器分别控制加热筒(100)、色谱进样器(121)和色谱检测器(122)的温度。

4.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：加热筒(100)两端边沿四周均与保温箱(200)的前后两个壁(210)和(220)的内壁面紧密贴接，使加热筒(100)的内部空腔与保温箱内膛(205)互不连通，即外界与保温箱内膛(205)不连通。

5.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：冷却风扇(102)固定在保温箱内膛侧壁的外面，具体位置是在保温箱壁(210)或(220)的开孔部位。

6.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：所述的保温炉箱(200)炉膛内壁的六个面中，除安装有色谱进样器(121)和检测器(122)的上部外，其余5个面都不用金属薄板覆盖、或者部分用厚度≤0.3毫米的带有孔网的金属薄板覆盖，以降低炉膛热容量，使炉膛温度能够很快地跟踪加热筒(100)温度升温或者降温，但是总是处于略高于加热筒的温度。

7.根据权利要求1所述的小型炉箱，其特征在于：所述加热筒(100)悬挂在保温箱(200)内部。