ITMI20002449A1

ITMI20002449A1 - Colonna per cromatografia

Info

Publication number: ITMI20002449A1
Application number: IT2000MI002449A
Authority: IT
Inventors: Paolo Magni; Giacinto Zilioli; Riccardo Facchetti
Original assignee: Thermoquest Italia S P A Ora T
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-05-15
Also published as: US7228067B2; WO2002040988A1; US20030053800A1; DE60136904D1; ATE417269T1; EP1238271B1; EP1238271A1; IT1319652B1

Description

La presente invenzione riguarda una colonna per cromatografia e, più in particolare, un complesso di colonna per cromatografia del tipo a riscaldamento diretto.

Sono già note alcune soluzioni tecniche in cui la colonna capillare viene sottoposta a riscaldamento diretto mediante un elemento elettricamente conduttore che viene posto a contatto della colonna capillare ed alimentato elettricamente in modo controllato.

Un simile approccio consente di ottenere diversi vantaggi, tra i quali la notevole riduzione dell'energia elettrica richiesta per riscaldare la colonna capillare e la rapida risposta del sistema ai programmi di temperatura che vengono impostati nel corso dell'analisi.

Alcune tra le varie possibilità di ottenere il riscaldamento diretto della colonna vengono ad esempio illustrate nel brevetto statunitense n. US-A-5808178 e nella corrispondente domanda di brevetto internazionale n. WO 97/14957 a nome Thermedics. Tra le varie soluzioni proposte, viene illustrato un complesso comprendente una colonna in silice fusa inserita in un tubo realizzato in acciaio, quest'ultimo avendo un diametro interno maggiore del diametro esterno della colonna per consentire l’inserimento della colonna stessa. Il tubo in acciaio è a sua volta rivestito da una guaina isolante realizzata con fibre di vetro intrecciate.

Un altro esempio viene descritto nel brevetto statunitense n. US-A-5611846 di Overton ed altri. Per il riscaldamento della colonna, questo documento suggerisce dì inserire la colonna in una guaina assieme ad un filamento conduttore, oppure di inserire direttamente la colonna in un tubo realizzato in materiale conduttore. In una pubblicazione degli stessi autori ("Novel Column Heater for Fast Capillary Gas Chromatography''; Overton ed altri - Journal of Chromatographic Science - Voi. 34 -Dicembre 1996) si sottolinea che la soluzione proposta di inserire direttamente una colonna capillare in un tubo realizzato in materiale conduttore è teoricamente preferibile per ottenere un riscaldamento ottimale della colonna stessa, ma si constata anche che questa soluzione si è rivelata impraticabile a causa delle rotture che si verificano in prossimità delle estremità sigillate del complesso di colonna. Ciò è dovuto principalmente a causa dei differenti coefficienti termici di dilatazione dei materiali.

Altri esempi di complessi di colonna a riscaldamento diretto si possono trovare nel brevetto statunitense n. US-A-5114439 di Yost ed altri, così come nel brevetto statunitense n. US-A-5005399 di Holtzclaw ed altri. Le colonne illustrate in questi documenti sono realizzate in silice e rivestite con uno strato in materiale conduttore, in particolare alluminio.

Tuttavia, a causa dei differenti coefficienti di espansione termica dei materiali, si verificano frequenti rotture della colonna capillare o del rivestimento conduttore depositato sulle stesse.

Un altro esempio di colonna a riscaldamento diretto per cromatografia è illustrato nel brevetto statunitense n. US-A-4484061 di Zelinka e Sims. Sulla colonna viene avvolto a spirale almeno un film sottile di materiale conduttore racchiuso tra due pellicole elettricamente isolanti. Il fissaggio alla colonna in fase di fabbricazione è assicurato da un adesivo ed il complesso viene quindi rivestito ulteriormente da una guaina a spirale. Una simile costruzione, oltre a risultare particolarmente complicata e laboriosa, può rivelarsi poco idonea a sopportare temperature elevate a causa dell'impiego di adesivi. Inoltre, mancando il diretto contatto tra il materiale conduttore riscaldante e la colonna, è difficile garantire un riscaldamento uniforme della colonna stessa.

Ciò premesso, è scopo della presente invenzione quello di proporre un complesso di colonna per cromatografia che consente di ottenere un riscaldamento diretto perfettamente uniforme della colonna per tutta la sua lunghezza.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di proporre un complesso di colonna per cromatografia in grado di sopportare il riscaldamento diretto della colonna capillare a temperature elevate.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo particolarmente semplice ed economico per realizzare un complesso di colonna a riscaldamento diretto del tipo sopra citato.

Questi scopi sono raggiunti dalla presente invenzione, che riguarda un complesso di colonna a riscaldamento diretto per cromatografia, del tipo comprendente almeno una colonna capillare ed almeno un elemento in materiale elettricamente conduttore a contatto della colonna capillare, caratterizzato dal fatto che l'elemento in materiale conduttore comprende una pluralità di filamenti intrecciati per formare una maglia tubolare che avvolge la colonna capillare. Si ottiene così un simmetria geometrica particolarmente efficace a garantire una trasmissione uniforme del calore alla colonna ed una distribuzione di temperatura ottimale su tutta la superficie della stessa.

Secondo un aspetto peculiare della presente invenzione, la superficie interna della maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore è disposta a stretto contatto con la superficie esterna della colonna capillare. L’elemento riscaldante realizzato sotto forma di maglia tubolare, a differenza delle soluzioni note, consente un più intimo contatto tra colonna ed elemento riscaldante anche durante repentine variazioni della temperatura.

Inoltre, nel caso in cui la maglia in materiale elettricamente conduttore venga utilizzata non solo come mezzo riscaldante, ma anche come mezzo sensore per rilevare la temperatura della colonna, è così possibile ottenere anche un’elevata precisione nel controllo della temperatura della colonna.

La colonna capillare può essere realizzata in un materiale elettricamente isolante, quale ad esempio la silice fusa che viene ampiamente utilizzata per la realizzazione di colonne capillari destinate ad apparecchiature per cromatografia. In alternativa, la colonna capillare può essere comunque realizzata in materiale conduttore, in particolare in metallo, ed essere rivestita esternamente con materiale elettricamente isolante per evitare il contatto tra la colonna capillare e l'elemento riscaldante.

Il complesso di colonna secondo l’invenzione comprende inoltre una guaina tubolare di rivestimento che avvolge la maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.

Secondo una possibile forma di realizzazione, la guaina tubolare di rivestimento, costituita da materiale elettricamente e termicamente isolante, è realizzata da una pluralità di filamenti intrecciati. Ciò consente di realizzare delle guaine di rivestimento con materiali particolarmente resistenti ai calore, ad esempio filamenti in fibra ceramica, fibra di vetro o altro materiale isolante, offrendo così la possibilità di utilizzare la colonna anche a temperature relativamente elevate.

La struttura a maglia dell'elemento riscaldante e della guaina di rivestimento conferisce al complesso di colonna un'elevata flessibilità e consente di compensare le differenti dilatazioni termiche dei materiali senza alterare le prestazioni della colonna stessa.

Secondo una possibile forma di realizzazione, la guaina isolante può essere disposta a stretto contatto con la superficie esterna della maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.

In alternativa, la guaina tubolare in materiale isolante può avere sezione di diametro maggiore rispetto alla maglia tubolare disposta sulla colonna, in modo tale da consentire l’eventuale circolazione di un fluido di scambio termico per ottenere un rapido raffreddamento della colonna oppure una più omogenea distribuzione del calore su tutta la colonna.

L’invenzione riguarda ulteriormente un metodo per realizzare un complesso di colonna per cromatografia a riscaldamento diretto, caratterizzato dal fatto di prevedere l'intreccio di una pluralità di filamenti in materiale elettricamente conduttore a formare una maglia tubolare attorno ad una colonna capillare.

E' quindi possibile fabbricare il complesso di colonna secondo l'invenzione "intessendo" direttamente la maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore su una colonna capillare in silice fusa o su una colonna in metallo rivestita esternamente da materiale isolante. Anche la formazione della guaina tubolare di rivestimento isolante sulla maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore può essere realizzata altrettanto semplicemente nello stesso modo.

Si può così apprezzare la semplicità di realizzazione del complesso di colonna secondo l'invenzione, così come la possibilità di ottenere la produzione di un simile complesso di colonna a costi contenuti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari dalla descrizione che segue, fatta a titolo illustrativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 è una vista in sezione trasversale di un complesso di colonna secondo una possibile forma di realizzazione dell'invenzione;

- la Figura 2 illustra la composizione di una porzione del complesso di colonna di Figura 1 ;

- la Figura 3 è una vista in sezione trasversale di un complesso di colonna secondo una forma di realizzazione alternativa dell'invenzione; e

- la Figura 4 illustra la composizione di una porzione del complesso di colonna di Figura 3;

Facendo riferimento inizialmente alle Figure 1 e 2, un complesso di colonna secondo la presente invenzione comprende una colonna capillare 10, realizzata ad esempio in silice fusa, avvolta in una maglia tubolare 20 realizzata in materiale elettricamente conduttore. La maglia tubolare 20 è a sua volta circondata da un guaina tubolare 30 in materiale isolante.

In alternativa alia forma di realizzazione qui illustrata a titolo di esempio, la colonna capillare 10 può anche essere realizzata in metallo, ad esempio acciaio o altri metalli conduttori idonei, ed essere rivestita esternamente con materiale isolante, costituito ad esempio da una guaina in poliammide, per evitare il contatto tra la colonna capillare metallica e la maglia tubolare 20.

La maglia tubolare 20 viene formata intrecciando tra loro una pluralità di sottili filamenti 25 realizzati in un materiale elettricamente conduttore, quale ad esempio nichel, o comunque in qualsiasi materiale, metallico o non metallico, avente idonee caratteristiche di conducibilità elettrica.

Rispetto alle soluzioni note, che prevedono un singolo filo conduttore affiancato alla colonna o un tubo conduttore che ospita al suo interno la colonna, l'elemento conduttore a maglia tubolare offre una maggiore riproducibilità delle caratteristiche elettriche in quanto la variabilità dei parametri di tali elementi conduttori noti (sezione, lunghezza, contatto, dilatazione, ecc.) è superiore rispetto alla sommatoria dei singoli filamenti che formano la maglia.

E' poi da considerare anche la vantaggiosa possibilità di poter realizzare un elemento riscaldante a maglia tubolare utilizzando filamenti intrecciati in materiali conduttori aventi caratteristiche elettriche e termiche differenti tra loro. Ciò consente di produrre un elemento conduttore avente una "nuova caratteristica" termica od elettrica che può essere sfruttata in particolari applicazioni, ad esempio una desiderata variazione di resistività complessiva dell'elemento riscaldante in funzione della temperatura.

L'elemento conduttore realizzato sotto forma di maglia 20 è intrecciato preferibilmente a stretto contatto con la colonna, senza risultare tuttavia solidale ad essa. La maglia può quindi “deformarsi" rispetto alla colonna, a seguito della differenza di dilatazione dei singoli filamenti conduttori rispetto alla colonna, ma la struttura a maglia risulta intrinsecamente in grado di assorbire tali "deformazioni" senza che si verifichino rotture in corrispondenza delle estremità del complesso come avviene in alcune soluzioni proposte nella tecnica nota per il riscaldamento diretto della colonna, quale ad esempio un tubo in materiale elettricamente conduttore.

La maggiore flessibilità del complesso consente inoltre altri vantaggi, ad esempio quello di ridurre il faggio di curvatura del complesso di colonna, nonché quello di permettere l’uso di colonne capillari aventi diametro interno relativamente grande.

Alimentando energia elettrica alle estremità della maglia tubolare 20 in materiale elettricamente conduttore è così possibile ottenere il riscaldamento diretto della colonna 10 con trasmissione del calore perfettamente omogenea grazie alla simmetria geometrica della sezione. La maglia tubolare 20 può anche essere utilizzata quale mezzo sensore per determinare la temperatura della colonna capillare con elevata precisione. Per controllare il riscaldamento della colonna può essere vantaggiosamente utilizzato un sistema come quello descritto nella precedente domanda di brevetto italiana n. MI99A-002708 a nome della stessa Richiedente.

Attorno alla maglia tubolare 20 è avvolta una guaina di rivestimento tubolare 30 formata intrecciando una pluralità di filamenti 35 realizzati in materiale elettricamente isolante, o più preferibilmente in materiale avente contemporaneamente caratteristiche isolanti rispetto ad elettricità e calore. I filamenti 35 possono essere realizzati ad esempio in fibra di ceramica o fibra di vetro, materiali aventi le caratteristiche isolanti richieste oltre a presentare la capacità di resistere a temperature elevate. Ad esempio, le fibre di ceramica possono resistere a temperature superiori a 500 °C, in particolare anche fino a 1000 °C. Queste temperature risultano ampiamente più elevate rispetto al limite massimo dell'intervallo di temperatura (da circa -100 °C a circa 450 °C) a cui è soggetta una colonna per cromatografia di tipo noto durante l'esercizio.

Altri materiali aventi idonee caratteristiche isolanti e caratteristiche di resistenza a elevate temperature possono comunque essere utilizzati.

Nella forma di realizzazione illustrata nelle Figure 1 e 2, la maglia tubolare 20 in materiale elettricamente conduttore è disposta a contatto con la colonna capillare 10, e la guaina tubolare 30 in materiale isolante avvolge la maglia tubolare 20 a contatto con essa.

E opportuno sottolineare che, in un complesso di colonna così realizzato, l’elemento riscaldante e la guaina isolante non sono solidali tra loro pur essendo disposti sostanzialmente in stretto contatto reciproco. Questa struttura consente così di compensare le inevitabili differenze di dilatazione termica dei materiali utilizzati, senza che si verifichino quindi problemi di rottura del complesso di colonna.

Nelle Figure 3 e 4, è illustrata una forma di realizzazione alternativa dell'invenzione, per la quale sono stati conservati gli stessi riferimenti numerici che identificano parti comuni con la forma di realizzazione precedentemente illustrata.

Similmente alla forma di realizzazione precedente, il complesso di colonna delle Figure 3 e 4 comprende una colonna capillare 10 in silice fusa sulla quale è avvolta a stretto contatto una maglia tubolare 20 formata da filamenti 25 in materiale conduttore. Anche in questo caso, la colonna capillare 10 può essere comunque realizzata in metallo ed opportunamente rivestita esternamente da materiale elettricamente isolante per impedire il contatto tra colonna 10 ed elemento conduttore 20.

L’insieme così formato è alloggiato all’interno di una guaina tubolare in materiale isolante 40 avente diametro interno maggiore del diametro esterno della maglia tubolare 20. Ciò consente di formare un'intercapedine 45 nella quale può essere fatto circolare un fluido .di scambio termico per rendere più rapido il raffreddamento della colonna o per rendere più uniforme la distribuzione del calore nel complesso di colonna così realizzato.

La guaina tubolare isolante 40 può essere ad esempio realizzata con una pellicola in materiale plastico, ad esempio poliammide o altri materiali plastici idonei. In alternativa, la guaina tubolare può essere realizzata sotto forma di un tubo in materiale plastico, oppure in materiale metallico con un rivestimento interno plastico o comunque elettricamente isolante.

Per realizzare un complesso di colonna secondo la presente invenzione possono essere utilizzate macchine di tipo noto che realizzano maglie tubolari avvolte su supporti di sezione circolare, ad esempio le stesse macchine utilizzate nella produzione di cavi elettrici schermati o simili, eventualmente modificate per essere idonee a trattare i materiali che costituiscono il complesso di colonna secondo l'invenzione.

Il metodo di produzione del complesso di colonna secondo l'invenzione risulta particolarmente semplice da mettere in pratica. Sulla colonna capillare 10 viene prima "intessuta", a stretto contatto con la colonna, una maglia tubolare 20 formata da una pluralità di filamenti 25 in materiale conduttore.

Al di sopra della maglia tubolare 20, può quindi essere intessuta la guaina tubolare 30, a stretto contatto con la maglia sottostante 20, intrecciando tra loro una pluralità di filamenti 35 in materiale isolante per ottenere un complesso di colonna come illustrato nelle Figure 1 e 2.

In alternativa, il complesso di colonna rappresentato nelle Figure 3 e 4 può essere ottenuto semplicemente infilando la colonna 10 con la rispettiva maglia tubolare 20 nella guaina tubolare isolante 40.

Vengono così prodotti, in modo continuo e a costi contenuti, dei complessi di colonna che possono essere poi tagliati per ottenere colonne a riscaldamento diretto per apparecchiature cromatografiche aventi una qualsiasi lunghezza desiderata.

Varie modifiche, soprattutto per quanto concerne i materiali, possono essere apportate rispetto alle forme di realizzazione illustrate a titolo esemplificativo senza uscire dall'ambito della presente invenzione.

Ad esempio, filamenti di materiali isolanti diversi possono essere intrecciati assieme per formare la guaina tubolare di rivestimento se si desiderano conferire particolari proprietà al rivestimento stesso. La stessa guaina tubolare 30 realizzata con i filamenti 35 in materiale isolante può eventualmente essere formata con diametro maggiore rispetto alla maglia tubolare 20 e alla colonna 10 se si desidera mantenere distanziata la guaina isolante 30 dal resto del complesso, indipendentemente dal fatto che sia prevista la circolazione di un fluido di scambio termico nell'intercapedine che viene così formata. Se viene comunque prevista la circolazione di un fluido nell’intercapedine, la tenuta della guaina "ingrandita" 30 può essere ad esempio realizzata con eventuali pellicole di rivestimento interne e/o esterne alla guaina 30.

La realizzazione del complesso di colonna secondo l’invenzione si adatta agevolmente alla configurazione che presenta una colonna quando viene installata in un'apparecchiatura per cromatografia, vale α dire la configurazione di un avvolgimento a più spire.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Complesso di colonna a riscaldamento diretto per cromatografia, del tipo comprendente almeno una colonna capillare ed almeno un elemento in materiale elettricamente conduttore a contatto di detta colonna capillare, caratterizzato dal fatto che detto elemento in materiale conduttore comprende una pluralità di filamenti intrecciati per formare una maglia tubolare che avvolge detta colonna.
2. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie interna di detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore è disposta a stretto contatto con la superficie esterna di detta colonna capillare.
3. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una guaina di rivestimento tubolare che avvolge detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
4. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare è realizzata in materiale elettricamente isolante.
5. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare è realizzata in materiale termicamente isolante.
6. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare è realizzata con un materiale in grado di resistere a temperature superiori a 400 °C.
7. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare in materiale isolante è realizzata da una pluralità di filamenti intrecciati.
8. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare in materiale isolante è formata da una pellicola.
9. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la superficie interna di detta guaina di rivestimento tubolare in materiale isolante è disposta a stretto contatto con la superficie esterna di detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
10. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta guaina di rivestimento tubolare in materiale isolante ha diametro maggiore rispetto a detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
11. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore costituisce un mezzo riscaldante per detta colonna capillare.
12. Complesso di colonna per cromatografia secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore costituisce un mezzo sensore per determinare la temperatura di detta colonna capillare. 13. Complesso di colonna secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta colonna capillare è realizzata in silice fusa o altro idoneo materiale elettricamente isolante. 14. Complesso di colonna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta colonna capillare è realizzata in materiale elettricamente conduttore, quale un metallo o simile, ed è rivestita esternamente con materiale elettricamente isolante per isolare elettricamente detta colonna rispetto a detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
13. Metodo per realizzare un complesso di colonna a riscaldamento diretto per cromatografia, caratterizzato dal fatto di prevedere l’intreccio di una pluralità di filamenti in materiale elettricamente conduttore a formare una maglia tubolare attorno ad una colonna capillare.
14. Metodo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di prevedere ulteriormente l'intreccio di una pluralità di filamenti in materiale elettricamente isolante a formare una guaina tubolare attorno a detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
15. Metodo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di prevedere ulteriormente l’intreccio di una pluralità di filamenti in materiale termicamente isolante a formare una guaina tubolare attorno a detta maglia tubolare in materiale elettricamente conduttore.
16. Metodo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato da fatto di prevedere l'inserimento dì detta colonna capillare e di detta maglia in materiale elettricamente intrecciata su detta colonna in una guaina di rivestimento tubolare avente diametro maggiore rispetto a detta colonna e a detta maglia tubolare.