FR3130989A1 - Dispositif de chauffage pour une colonne de chromatographie - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de chauffage pour une colonne de chromatographie en phase gazeuse, comprenant un support comprenant une bande en un matériau thermiquement conducteur, ladite bande étant enroulée autour d’un axe avec deux extrémités opposées non jointives pour former un cylindre présentant une fente axiale, et un fil chauffant, enroulé sur ledit cylindre de sorte à former une piste adaptée pour recevoir une colonne de chromatographie enroulée en une ou plusieurs couches. Le support est apte à absorber la différence entre les dilatations thermiques de la colonne, du fil chauffant et la bande enroulée du support. Figure pour l’abrégé : Fig 1
Description
La présente invention concerne un dispositif de chauffage pour une colonne de chromatographie en phase gazeuse.
Etat de la technique
Une chaîne de mesure pour une analyse en chromatographie en phase gazeuse comprend un injecteur, au moins une colonne de séparation, et au moins un détecteur.
Pour les besoins de l’analyse, il est nécessaire de contrôler à tout endroit la température de la chaîne de mesure. Une règle de dimensionnement couramment admise est de maintenir la température de l’injecteur à une valeur constante au-dessus du point d’ébullition de l’échantillon gazeux à analyser.
En ce qui concerne la colonne, sa température doit être ajustée de façon à assurer une bonne séparation des différents pics de gaz constituant l’échantillon à analyser, tout en privilégiant une bonne vitesse d’analyse. Il est préférable de travailler à une température de colonne comprise entre le point de rosée et le point d’ébullition de l’échantillon.
En fonction de la nature de l’échantillon à analyser, deux types d’analyses sont typiquement mises en œuvre : l’analyse isotherme pendant laquelle la colonne est maintenue à température constante, et l’analyse utilisant une programmation de température par rampes linéaires, consistant à élever progressivement et par paliers la température de la colonne. Cette dernière méthode est particulièrement adaptée à des échantillons complexes, composés d’un mélange de substances présentant un écart important des points d’ébullition.
Les rampes de température sont ajustées selon la nature de l’échantillon et les besoins en capacité de séparation ou en temps d’analyse. Ces rampes permettent également de contrôler les phénomènes d’absorption/désorption entre la phase stationnaire sur la colonne et la phase mobile (gaz) dans la colonne. C’est ce partage entre la phase stationnaire et la phase mobile qui fixe la vitesse du transit d’un analyte donné et permet ainsi de séparer deux analytes différents présents dans un échantillon.
Par conséquent, le contrôle de la température doit être précis et homogène sur toute la circonférence de la colonne.
La colonne de chromatographie se présente sous la forme d’un tube capillaire en silice fondue, qui est typiquement enroulé sur un noyau de bobine.
Pendant l’analyse, la colonne et ledit noyau de bobine sont placés dans une enceinte thermique comprenant des moyens de chauffage permettant de contrôler précisément la température, par exemple de manière isotherme ou par programmation de rampes.
Ladite enceinte thermique présente un encombrement important dans les dispositifs de chromatographie couramment utilisés. Par ailleurs, en raison de l’inertie thermique d’une telle enceinte, la consommation d’énergie est élevée et le refroidissement est souvent lent, imposant un délai entre plusieurs analyses consécutives. En outre, une telle enceinte thermique est un élément coûteux dans un dispositif de chromatographie.
Un chauffage direct de la colonne et son noyau de bobine, par exemple par un fil chauffant, peut minimiser l’encombrement et l’inertie thermique du dispositif. Par contre, un tel chauffage direct est difficile à contrôler de manière précise et homogène. En particulier, il demande une bonne maitrise du ratio du transfert de la chaleur entre la colonne et le fil chauffant d’une part et entre la colonne et un dispositif de refroidissement de l’autre part.
Le document EP962767A1 illustre un système dans lequel un tube thermiquement isolant comprend une colonne, un fil chauffant et un capteur de température. Un tel dispositif nécessite une isolation qui est souple et résistante aux températures élevées. Une telle isolation est onéreuse à fabriquer et encombrante. En outre, le refroidissement est lent en raison de l’inertie thermique de l’ensemble.
Dans le document US7513936 A1, un autre système de chauffage direct de la colonne est proposé. Ledit système comprend deux disques comportant des éléments de chauffage, permettant de chauffer une colonne enroulée en forme de spirale planaire agencée entre lesdits disques. La tension mécanique de telles spires est difficile à maitriser et un tel dispositif est difficile à fabriquer de manière automatisée.
Le document US20170370888 illustre un support pour une colonne comprenant trois anneaux de support concentriques. Un anneau intérieur comporte un fil chauffant et est inséré dans un anneau intermédiaire sur lequel la colonne est enroulée en une seule couche. Les deux anneaux comportant le fil chauffant et la colonne sont insérés dans un anneau extérieur. Dans ce système, un chauffage homogène de la colonne est difficile à obtenir et ne favorise pas l’enroulement de la colonne en plusieurs couches.
Un but de l’invention est de concevoir un dispositif de chauffage compact pour une colonne capillaire permettant un chauffage direct (par exemple un chauffage résistif) avec un contrôle de température de manière précise et homogène sur la longueur de la colonne. Ledit dispositif doit permettre de programmer des rampes de température entre 20°C et 300°C de manière consécutive, et alternativement de chauffer la colonne de manière isotherme.
A cet effet, l’invention propose un dispositif de chauffage pour une colonne de chromatographie en phase gazeuse, comprenant
- un support comprenant une bande en un matériau thermiquement conducteur, ladite bande étant enroulée autour d’un axe avec deux extrémités opposées non jointives pour former un cylindre présentant une fente axiale,
- et un fil chauffant, enroulé sur ledit cylindre de sorte à former une piste adaptée pour recevoir une colonne de chromatographie enroulée en une ou plusieurs couches.
Le support est apte à absorber la différence entre les dilatations thermiques de la colonne, du fil chauffant et la bande enroulée du support.
La présente invention permet une géométrie plus compacte et l’emploi de colonnes plus longues, en utilisant un seul élément chauffant enroulé sur un support apte à compenser les dilatations mécaniques entre les différentes parties du système. L’invention permet de maintenir un bon contact thermique entre la colonne et l’éléments chauffant pendant le cycle de chauffage et de refroidissement.
Le dispositif de chauffage selon l’invention est conçu en en minimisant la quantité de matière utilisée pour réaliser le support, et en choisissant un matériau léger à fort coefficient de conductivité thermique.
Un tel dispositif de chauffage permet de minimiser l’énergie pour chauffer et refroidir la colonne et d’économiser du temps en facilitant un chauffage rapide et un refroidissement rapide. Ainsi, chaque cycle thermique de chromatographie permet des économies en énergie et en temps d’analyse.
De manière avantageuse, le fil chauffant est enroulé sous forme de spires jointives en une seule couche autour du cylindre. De préférence, la bande présente une extrémité repliée vers l’intérieur du cylindre sur un coté de la fente axiale. Le dispositif de chauffage peut comporter un capteur de température, inséré dans le repli d’un côté de la fente du cylindre.
De préférence, le support comprend deux flasques en un matériau thermiquement conducteur solidaires du cylindre s’étendant radialement vers l’extérieur à partir de chaque extrémité du cylindre. Dans certains modes de réalisation, au moins un flasque présente une languette pliable entre une position de montage où la languette s’étend radialement vers l’extérieur du flasque de sorte à permettre un enroulement de la colonne de chromatographie sur la piste et une position de maintien où la languette s’étend sensiblement parallèlement à l’axe du cylindre de sorte à maintenir la colonne de chromatographie enroulée sur la piste.
L’invention se rapporte aussi à un ensemble comprenant un dispositif de chauffage tel que décrit ci-dessus et une colonne de chromatographie capillaire enroulée sur la piste formée par le fil chauffant. De manière avantageuse, la colonne de chromatographie est enroulée sous forme de spires jointives formant au moins une couche s’étendant continument d’une flasque à l’autre, la colonne étant maintenue enroulée par chaque languette.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif de chauffage pour une colonne de chromatographie en phase gazeuse, comprenant :
- la fourniture d’une bande d’un matériau thermiquement conducteur ;
- l’enroulement de ladite bande autour d’un axe avec deux extrémités opposées non jointives de sorte à former un cylindre présentant une fente axiale;
- l’enroulement du fil chauffant sur ledit cylindre pour former une piste adaptée pour recevoir une colonne de chromatographie enroulée en une ou plusieurs couches.
De préférence, ledit procédé comprend en outre la fourniture de deux flasques en un matériau thermiquement conducteur, et l’assemblage de chaque flasque à une extrémité respective du cylindre.
Avantageusement, ledit procédé comprend en outre l’enroulement d’une colonne de chromatographie sur la piste formée par le fil chauffant.
Dans certains modes de réalisation, ledit au moins un flasque comprend une languette s’étendant radialement vers l’extérieur, le procédé comprenant en outre, après l’enroulement de la colonne de chromatographie sur la piste, une étape de pliage de chaque languette sensiblement parallèlement à un axe du cylindre.
De préférence, au moins une des pièces d’un matériau thermiquement conducteur est en tôle.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de chauffage d’une colonne de chromatographie, comprenant :
- la fourniture d’un ensemble tel que décrit ci-dessus,
- la connexion du fil chauffant à une source électrique pour porter ledit fil à une température déterminée,
la colonne de chromatographie étant chauffée par conduction à partir du support et du fil chauffant.
Dans certains modes de réalisation, le chauffage engendre une différence de dilatation thermique du support supérieure et de la colonne de chromatographie, le cylindre se déformant par déplacement des bords de la fente pour absorber ladite différence de dilatation thermique.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La est une vue en perspective d’un dispositif de chauffage selon l’invention, comportant une colonne de chromatographie.
La est une vue de côté du dispositif de chauffage comportant une colonne de chromatographie.
La est une vue en coupe du dispositif de chauffage comportant une colonne de chromatographie.
La est une vue du dessous en coupe dans un plan perpendiculaire à l’axe d’un détail d’un mode de réalisation d’une fente axiale.
La est une vue d’un flasque.
La est une vue en coupe illustrant l’agencement du fil chauffant et de la colonne de chromatographie.
La est une vue du dessus en détail de deux languettes pliables.
La est une vue de détail d’une languette pliable.
Description détaillée de modes de réalisation
Les figures 1-3 illustrent un dispositif de chauffage pour une colonne 4 de chromatographie selon l’invention.
Un tel dispositif comprend un support de colonne de chromatographie sous forme d’une bande 1 en un matériau thermiquement conducteur. Avantageusement, ladite bande 1 consiste en un matériau léger à fort coefficient de conductivité thermique, par exemple de l’aluminium ou du magnésium.
Par « léger », on entend dans le présent texte un matériau dont la densité est inférieure à 3.
Par « fort coefficient de conductivité thermique », on entend dans le présent texte un coefficient de conductivité thermique supérieur ou égal à 220 W/m.K.
Dans certains modes de réalisation, ladite bande 1 est en tôle. Dans d’autres modes de réalisation, la bande peut être obtenue par usinage.
Ladite bande 1 est enroulée autour d’un axe X pour former un cylindre. Ledit cylindre peut présenter une base circulaire, ovale, elliptique, ou toute autre forme courbe adéquate.
Les extrémités 12, 13 de la bande sont agencées de manière non-jointive pour former une fente axiale 16, c’est-à-dire parallèle à l’axe X, apte à absorber des dilatations thermiques du dispositif. La largeur de ladite fente est typiquement inférieure à 1 mm.
Dans certains modes de réalisation, les extrémités 12, 13 de la bande 1 sont repliées dans la zone de la fente axiale 16. Un tel mode de réalisation d’une fente axiale 16 est illustré dans la qui montre une coupe dans un plan P perpendiculaire à l’axe X, tel qu’indiqué dans la . De préférence, les portions repliées sont agencées de manière à stabiliser le dispositif de chauffage assemblé.
De manière avantageuse, l’une des extrémités 12 de la bande est repliée pour former une cavité apte à maintenir un capteur de température 11 par l’élasticité du matériau. De manière alternative, le capteur de température 11 peut être fixé dans la cavité au moyen d’une colle ou d’un ciment.
Le dispositif de chauffage comprend en outre deux flasques 2 agencés de manière coaxiale aux deux extrémités parallèles du cylindre. En référence à la , lesdits flasques 2 sont typiquement en forme d’anneaux plans perpendiculaires à l’axe X. Les flasques 2 consistent en un matériau léger à fort coefficient de conductivité thermique, par exemple de l’aluminium ou du magnésium. De manière avantageuse, les flasques 2 sont en tôle, et de manière particulièrement avantageuse en tôle d’aluminium.
Les flasques 2 comportent un ensemble de languettes 21, 22 et 23 pliées en direction du cylindre et de l’autre flasque respective, dont la fonction sera décrite ultérieurement.
L’utilisation de tôle, permettant la mise en forme par découpage et pliage de la bande et des flasques, est particulièrement adaptée pour minimiser le coût de fabrication du dispositif.
Le dispositif de chauffage comporte un fil chauffant 3 enroulé sur l’extérieur du cylindre formé par la bande 1 de sorte à former une piste chauffante. Le fil chauffant 3 comprend de préférence un revêtement en émail et un vernis, ou un revêtement en céramique. Le diamètre du fil chauffant 3 peut être adapté en fonction de la résistance et de l’échauffement résultant souhaité, et en fonction du diamètre du cylindre. Dans certains modes de réalisation, ledit fil chauffant 3 est enroulé sur la surface du cylindre en spires jointives. De manière illustrative et non limitative, le fil chauffant 3 peut être enroulé en une seule couche tel qu’illustré dans la . Dans d’autres modes de réalisation, le fil chauffant 3 peut être enroulé en plusieurs couches. Les spires sont délimitées latéralement par les flasques 2. Les extrémités du fil chauffant 3 sont connectées à une source électrique permettant de chauffer le fil chauffant 3 par effet Joule.
La colonne 4 est enroulée en une ou plusieurs couches sur la piste formée par le fil chauffant 3. De préférence, la colonne 4 est enroulée en spires jointives qui sont limitées latéralement par les flasques 2 et limitées radialement par les languettes 21 repliées sur la face extérieure du cylindre. De manière avantageuse, la colonne 4 enroulée présente un diamètre extérieur sensiblement identique au diamètre extérieur des flasques 2.
On va maintenant décrire les étapes d’assemblage du dispositif de chauffage et de la colonne 4. Une première étape consiste à enrouler la bande 1 sous forme de cylindre et de replier les extrémités 12, 13 pour former une fente axiale 16. De manière facultative, on peut insérer un capteur de température 11 dans le repli du bord 12 de la bande 1. On assemble ensuite les flasques 2 sur les deux extrémités du cylindre. En référence aux figures 5-8, les flasques comportent plusieurs languettes 21, 23 dont une extrémité est reliée à la circonférence du flasque et l’autre extrémité s’étend en direction radiale vers l’extérieur ou vers l’intérieur du flasque. D’autres languettes 22 peuvent être agencées sur le flasque en direction tangentielle.
L’étape suivante consiste à enrouler le fil chauffant 3 sur le cylindre en une ou plusieurs couches de spires jointives, de manière qu’au moins une couche s’étend continument d’un flasque à l’autre. Le fil chauffant 3 peut être maintenu sur le cylindre en utilisant une cosse soudée sur une extrémité du fil chauffant 3, et en vissant ladite cosse sur la bande 1 ou les flasques 2, ou en enroulant le fil chauffant en une ou plusieurs spires autour d’une languette 21, 22, 23 non rabattue. La colonne 4 est ensuite enroulée en spires jointives en une ou plusieurs couches sur la piste formée par le fil chauffant 3, formant au moins une couche s’étendant continument d’un flasque à l’autre, et en laissant dépasser les extrémités 41, 42 de la colonne.
Dans certains modes de réalisation le capteur de température 11 est inséré après l’enroulement de la colonne par un perçage dans un des flasques à proximité de la languette 23. De manière avantageuse, ledit capteur de température 11 est couvert sur toute sa périphérie par la bande 1 afin d’optimiser la réponse du capteur de température 11. Le capteur de température comporte typiquement un câble d’alimentation électrique 24 qui passe à travers un orifice percé dans un des flasques.
Enfin, les languettes 21, 22, 23 sont repliées autour de la colonne 4, leur position après assemblage étant sensiblement parallèle à un axe du cylindre, afin de délimiter radialement la colonne enroulée. On commence, de manière illustrative et non limitative, par la languette 22 qui est agencée en direction tangentielle afin de bloquer la rotation des flasques 2 par rapport à la bande 1. On plie ensuite la languette 23 qui peut être utilisée pour maintenir un câble 24 alimentant le capteur de température, ou être pliée de manière à ne pas couvrir ledit câble 24. La languette 23 ferme l’orifice comprenant le capteur de température 11, bloquant ainsi ledit capteur de température 11 en translation dans la direction de l’axe du cylindre. Dans certains modes de réalisation, la languette 23 est rabattue pour fermer la cavité comprenant le capteur de température 11 avant de remplir ladite cavité par une colle ou un ciment afin de fixer le capteur de température 11.
On plie ensuite successivement les languettes 21 autour de la colonne. Chaque languette peut être rabattue soit du côté extérieur, soit du côté intérieur de la bande 1.
L’élasticité des languettes 21,22,23 permet de les manipuler plusieurs fois afin d’optimiser l’agencement des flasques et de la colonne, et, par exemple, d’insérer le capteur de température à une étape ultérieure du montage ou de changer le capteur de température entre différentes analyses de chromatographie.
Les extrémités 41 de la colonne 4 peuvent ensuite être fluidiquement connectées respectivement à un injecteur et un détecteur dans un dispositif de chromatographie.
On va maintenant décrire les étapes de chauffage et refroidissement pendant une analyse de chromatographie en phase gazeuse.
Le dispositif se trouve à température ambiante qui est typiquement entre 15°C et 25°C. Le fil chauffant 3 est connecté et alimenté par un courant électrique, afin de chauffer ledit fil chauffant 3 par effet Joule. Ledit fil 3 chauffe la colonne par conduction à une température prévue pour l’analyse de chromatographie. La température prévue pour l’analyse de chromatographie est supérieure à la température ambiante et peut monter jusqu’à 350°C ou plus. La montée en température peut typiquement atteindre des valeurs jusqu’à 120°C par minute. La bande 1, les flasques 2 et la colonne 4 sont chauffés simultanément par le fil chauffant 3. Du fait que l’inertie thermique desdits composants est faible, le chauffage est rapide et une stabilisation peut être atteinte dans un intervalle qui est, à titre illustratif et non limitatif, compris entre 1 et 10 secondes. Compte tenu de l’homogénéité du chauffage, un seul capteur de température 11 est suffisant pour connaître la température de la colonne.
Après déconnexion de l’alimentation, la colonne et le support reviennent à température ambiante. La forme du dispositif favorise un refroidissement par convection du support et de la colonne. Le refroidissement peut être accéléré par convection forcée par un dispositif adapté, par exemple un ventilateur ou une source de gaz froid.
Compte tenu de la différence des coefficients de dilatation thermique des matériaux employés, une différence de dilatation thermique entre le support et la colonne de chromatographie peut se produire lors des variations de température. La fente axiale 16 formée par les extrémités 12 et 13 de la bande, présente une largeur variable, adaptée pour absorber mécaniquement ladite différence de dilatation, de manière à éviter la rupture de la colonne.
On injecte alors un liquide vaporisé à analyser dans la colonne 4 et on démarre l’analyse. Ladite analyse peut être effectuée à une température constante, ou, de manière alternative, en utilisant une rampe de température, consistant à élever progressivement et/ou par paliers la température de la colonne 4. L’alimentation électrique du fil chauffant 3 est ensuite arrêtée et le dispositif refroidit à température ambiante.
Si une différence de dilatation thermique entre le support et la colonne 4 de chromatographie s’était produite pendant la montée en température, le dispositif va retourner dans sa géométrie initiale pendant le refroidissement, et la déformation de la fente axiale 16 formée par les extrémités 12 et 13 sera inversée.
On peut par la suite recommencer un cycle d’analyse sur le même échantillon ou sur un autre liquide à analyser.
Claims (15)
- Dispositif de chauffage pour une colonne (4) de chromatographie en phase gazeuse, comprenant
- un support comprenant une bande (1) en un matériau thermiquement conducteur, ladite bande (1) étant enroulée autour d’un axe avec deux extrémités opposées non jointives pour former un cylindre présentant une fente axiale (16),
- et un fil chauffant (3), enroulé sur ledit cylindre de sorte à former une piste adaptée pour recevoir une colonne (4) de chromatographie enroulée en une ou plusieurs couches.
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le fil chauffant (3) est enroulé sous forme de spires jointives en une seule couche autour du cylindre.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bande (1) présente une extrémité repliée vers l’intérieur du cylindre sur un coté de la fente axiale (16).
- Dispositif selon la revendication 3, comportant un capteur de température (11), inséré dans le repli d’un côté de la fente du cylindre.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le support comprend deux flasques en un matériau thermiquement conducteur solidaires du cylindre s’étendant radialement vers l’extérieur à partir de chaque extrémité du cylindre.
- Dispositif selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel au moins un flasque présente une languette (21) pliable entre une position de montage où la languette (21) s’étend radialement vers l’extérieur du flasque de sorte à permettre un enroulement de la colonne (4) de chromatographie sur la piste et une position de maintien où la languette (21) s’étend sensiblement parallèlement à l’axe du cylindre de sorte à maintenir la colonne (4) de chromatographie enroulée sur la piste.
- Ensemble comprenant le dispositif selon l’une des revendications précédentes et une colonne (4) de chromatographie capillaire enroulée sur la piste formée par le fil chauffant (3).
- Ensemble selon la revendication 7 dans sa relation de dépendance vis-à-vis de la revendication 6, dans lequel la colonne (4) de chromatographie est enroulée sous forme de spires jointives formant au moins une couche s’étendant continument d’une flasque à l’autre, la colonne (4) étant maintenue enroulée par chaque languette (21).
- Procédé de fabrication d’un dispositif de chauffage pour une colonne (4) de chromatographie en phase gazeuse, comprenant :
- la fourniture d’une bande (1) d’un matériau thermiquement conducteur ;
- l’enroulement de ladite bande (1) autour d’un axe avec deux extrémités opposées non jointives de sorte à former un cylindre présentant une fente axiale (16);
- l’enroulement du fil chauffant (3) sur ledit cylindre pour former une piste adaptée pour recevoir une colonne (4) de chromatographie enroulée en une ou plusieurs couches.
- Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre la fourniture de deux flasques en un matériau thermiquement conducteur, et l’assemblage de chaque flasque à une extrémité respective du cylindre.
- Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, comprenant en outre l’enroulement d’une colonne (4) de chromatographie sur la piste formée par le fil chauffant (3).
- Procédé selon la revendication 10 en combinaison avec la revendication 11, dans lequel au moins un flasque comprend une languette (21) s’étendant radialement vers l’extérieur, le procédé comprenant en outre, après l’enroulement de la colonne (4) de chromatographie sur la piste, une étape de pliage de chaque languette (21) sensiblement parallèlement à un axe du cylindre.
- Procédé selon l’une des revendications 9-12 dans lequel au moins une des pièces d’un matériau thermiquement conducteur est en tôle.
- Procédé de chauffage d’une colonne (4) de chromatographie, comprenant :
- la fourniture d’un ensemble selon la revendication 8,
- la connexion du fil chauffant (3) à une source électrique pour porter ledit fil à une température déterminée,
- Procédé selon la revendication 14, dans lequel le chauffage engendre une différence de dilatation thermique du support supérieure et de la colonne (4) de chromatographie, le cylindre se déformant par déplacement des bords (12,13) de la fente pour absorber ladite différence de dilatation thermique.
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- 2021-12-17 FR FR2113796A patent/FR3130989A1/fr active Pending
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