JP2007132841A - 液体加温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導管内に流れる液体の温度を短時間で一定の温度範囲に移行させるための、小型で低コストの液体加温装置を提供する。
【解決手段】平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段と、液体の流路を構成する導管であって、曲路をなして第一の加熱手段の伝熱表面に沿って接触して配置された前記導管と、任意的にこの導管を第一の加熱手段の伝熱表面に圧接する圧接手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、導管内を流れる液体の温度を加温する液体加温装置に関する。本発明に係る液体加温装置は、とくに液体クロマトグラフィーのカラムや検出器に供給すべき試料や溶離液、溶出液の温度をあらかじめ一定の範囲に保持するために好適に利用できる。

液体クロマトグラフィーの分野等においては、温度が日差再現性等の測定結果に少なからず影響を与えることがある。このため、カラムに供する液体の温度を一定に保持する等の操作が一般に行われる。また、例えば生化学分析の分野においても、試料等を一定の温度に保持する前処理操作が行われることがある。

たとえばイオン交換カラムを用いる糖化ヘモグロビン分析においては、温度変化により、イオン交換体と溶存イオン種との相互作用の大きさが変化し、その結果、糖化ヘモグロビンの分離およびカラムでの保持時間が変化してしまい、再現性の良い測定が困難となる。このため温度の調節、温調がきわめて重要である。

従来、このような温調の目的では、たとえば温調された室内に分析機器を設置したり、オーブンと称される温調機能を有する小箱のなかにカラムや温調すべき液体の流路導管を設置したりすることが行われている。また、一定温度に保持された水槽のなかに導管を設置するウォーターバス方式もある。加熱した空気を導管に当てる方式も一般的である。金属性の発熱体に溝を設け導管を埋設する方式等も実施されている。

温調された室内に分析装置を設置する場合は、分析装置の稼働に伴う発熱による微妙な温度変化には対処し難い。またこの場合、常温を超える前処理（たとえば５０℃）を行なう場合、装置全体を５０℃という高温下に置くことは動作不良等を生じかねず、しかも操作者の負担になる。さらにこの場合、分析に供する試料の劣化をも生じかねず、たとえば同一試料を種々の分析に供する場合は、試料をあらかじめ小分けしなければならない。

オーブンを用いて液体の温調を行なう場合、オーブン内の温度と装置が設置される室内の温度差が大きいと、オーブン内の温度が所定の温度に達するのに長時間が必要で、装置を稼働してからの待ち時間が長くなる。また、何らかの外部要因によりオーブン内の温度が所定の温度範囲外になった場合、所定の温度に戻るのに長時間を必要とすることがある。

ウォーターバス方式の温調装置は、比熱の大きい水の特質を利用した優れた温調機構であるが、水の交換・補充、バスの清掃といったメンテナンスが必要である。しかも十分な温調機能を実現するためには、一定のバス容積が必要で、装置全体を小型化することが困難である。

加熱した空気をたとえばらせんコイル状導管に当てて導管内の液体を加温することも行なわれている。この場合、細いノズルを介して熱風をコイルの一端から長手方向に向かって供給する場合、ノズルからの距離によってコイルには温度勾配が生じてしまうことがある。温調特性を高めるためにコイル長を十分にとるほどこの影響が問題となる。また、ノズルを幅広にしてコイルの長手方向に直角に熱風を当てる方式にすれば、コイルの温度勾配は解消されるが、装置が大きくなってしまうという問題が生じる。

金属性の発熱体に溝を設け、ここに導管を埋設する方式（たとえば特許文献１参照）も、金属発熱体の温度制御が比較的容易であることから優れた温調機構である。しかし装置自体は大型となってしまう。この方式で小型化の要求を満たそうとすると、発熱体部分を小型化しなければならない。この場合、溝に埋設できる導管の長さが不十分となり、結果的に導管を流れる液体の温度を所定の温度に上昇させるのが困難となる。

小型化のために、導管をらせんコイル状に巻いて筐体中に入れ、熱伝導性の部材たとえばハンダを流し込んで導管を埋設し、発熱体をこのハンダに密着固定して構成した液体温調ヒータが特許文献２に開示されている。また、この液体温調ヒータを糖化ヘモグロビン分析装置の分析カラムの直前に設置し、温調ヒータ、カラムおよび検出器をひとつの温調用オーブンのなかに入れることにより温度の変動を抑制し、分析結果の再現性を改善することができたという事例が特許文献３に記載されている。

特許文献２および３に開示された液体温調ヒータは、カラムに供給する試料や溶離液の温度を短時間で一定の温度範囲に移行させる小型の予熱管として好適なものである。しかし、筐体にコイル状導管を埋設する製造コストと、埋設のために使用するハンダ等の熱伝導性材料に対する材料コストおよび各種法的規制への対策コストは軽視できず、解決の余地を残している。また、この温調ヒータの設計値を決定するための試作には、ハンダ等の熱伝導性材料で導管を埋設するまでの工程は必要なので、試作に要した材料の再利用や廃棄にも手間やコストが掛かる。さらにまた、十分な温調特性を実現するために、コイル状にする導管は所定の長さ以上のものが必要であり、このためコイルとしての直径・全長において改善の余地を残している。

実開昭６１−８４８６０号公報 特開平９−２５１０１５号公報 特許第３５０３３３１号公報

本発明の目的は、導管内に流れる液体の温度を短時間で一定の温度範囲に移行させるための、小型で低コストの液体加温装置を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために、簡単な構成で導管と発熱体との接触面をいかに確保するか等鋭意検討を重ねて本発明を完成した。

すなわち本発明は、平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段と、液体の流路を構成する導管であって、曲路をなして第一の加熱手段の伝熱表面に沿って接触して配置された前記導管と、任意的にこの導管を第一の加熱手段の伝熱表面に圧接する圧接手段と、を備えた液体加温装置である。

本発明に係る液体加温装置おける液体の流路を構成する導管は曲路をなして平面状の伝熱表面に接触しているので、一定面積内に十分な接触面が確保され、熱交換効率すなわち温調効率が高く、装置の小型化とくに薄型化が実現できる。

本発明は、平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段と、液体の流路を構成する導管であって、曲路をなして第一の加熱手段の伝熱表面に沿って接触して配置された前記導管と、を備えた液体加温装置を提供する。好ましくは、本発明に係る液体加温装置はこの導管を第一の加熱手段の伝熱表面に圧接する圧接手段を更に備える。

ここで、平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段における平面状とは、厳密に幾何学的な意味における平面の形状に限定されるものではない。巨視的な曲面の一部からなる言わば略平面状というほどの意味であり、なだらかな凸面や凹面をもカバーする。

伝熱表面とは、それ自体金属製または非金属性の発熱体であってもよいし、他の発熱体に接した熱伝導性の部材たとえばアルミニウム等の金属であってもよい。また、伝熱表面と導管との間に、電子機器に汎用される熱伝導シートや熱伝導グリースを介することも好適である。発熱体としては、限定されるものではないが制御可能な電熱ヒータが好適に使用できる。

液体の流路を構成する導管は、温調しようとする温度範囲において熱耐性を有し、かつ、その中を流通させようとする液体に化学的に安定な部材で構成されていれば特に制限はない。たとえば、通常の液体クロマトグラフィーで使用されているステンレス、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン等が例示できる。導管の内径等についても特に制限はなく、本発明の加温装置を使用する目的に応じて適宜選択することができる。たとえば糖化ヘモグロビンの分析等において、液体流量を１．５ｍｍ／分とするような場合、内径０．２ｍｍ程度の導管を使用することが例示できる。

温調効果を高め小型化を実現するために、本発明では、導管は曲路をなして加熱手段の伝熱表面に沿って配置する。曲路の好ましい形態として、渦巻き状、反転渦巻き状および蛇行する曲路が例示できる。いずれの形状にしても、導管を伝熱表面に接して隙間なく敷き詰めることが小型化のために望ましい。

渦巻状と言っても円形渦巻きに限るものではなく、本発明の液体加温装置を設置する場所に応じて適宜、楕円形状、三角形状、四角形状あるいは多角形状渦巻きをなすものを製造し使用することができる。しかしながら、特に好適な形状は円形渦巻きである。導管中を流れる液体の温度勾配の大部分は、円形渦巻きの半径方向に生じ、実質的に円対称の安定した温度勾配が生じる。発熱体としても円対称の面状発熱体を製造・入手することは容易であり、円形渦巻き形状の導管とよく適合する。平面上にできるだけコンパクトに導管を配置する上で、曲率を最小とするのは円形渦巻きであり、曲率が小さければ剛性の高い導管の製造にとっては好ましく、流路抵抗も最小にできるという点においても円形渦巻き形状は有利である。

反転渦巻き状とは、渦巻きの中心部において流路がＵターンする渦巻き形状のことである。この形状において、導管は出口から入口にわたって上下に重なる部分を生じたり、入口または出口を平面の上下方向に向ける必要がなく、この加温装置の薄型化を容易に達成することができる。

蛇行する曲路とは、変曲点を複数含む任意の曲線状の流路を意味するものであり、波状に蛇行する流路に限定するものではない。蛇行する曲路を採用する利点は、この液体加温装置を設置する目的・場所に応じて流路の形状を自由に設計することができるということである。

本発明においては、温調効率を高めるために導管を加熱手段に圧接する圧接手段を使用することが好ましい。この圧接手段は、曲路をなした導管をまとめて、平面状の伝熱表面に圧接・固定する。そのために、圧接手段は導管を加熱手段との間でサンドイッチ状に挟んで固定するクランプ手段を備えることが望ましい。このクランプ手段は、導管を伝熱表面に押圧する強さを調節できるものであることが望ましい。それにより、熱交換効率が変わりうるからである。またときには、このクランプ手段は、導管を加熱手段から解放して、導管または加熱手段を交換可能とするものであることが望ましい。このことは、装置の試作に伴う材料コストの節約および廃棄物の削減に寄与する。

圧接手段の部材には、導管を加熱手段に圧接できる程度の剛性を有するものであれば制限はなく、アルミニウムなどの金属や各種合成樹脂が使用できる。圧接手段は断熱性の部材を有していてもよい。保温のためと、外部環境に起因する温度の変動が導管内の液体に及ぶのを防止するためである。圧接手段本体を断熱性の部材で形成してもよいし、圧接面側の部材をたとえば金属にして、周囲に単泡ネオプレンゴム等の断熱材を張り付けることでも同様の効果を得ることができる。

圧接手段が平面状の伝熱表面を有する第二の加熱手段であり、この伝熱表面を導管に向けて、第一の加熱手段の伝熱表面との間で導管を挟圧する構成にすることも好適である。このとき、第一の加熱手段と第二の加熱手段の設定温度を同一にすなわち発熱体を共有する構成とすることにより、低コスト化、小型化および温調効率の向上をはかることができる。あるいは、第一の加熱手段と第二の加熱手段の設定温度を独立に制御する構成とすることにより、要求される温調効率に最適な運転条件を追求する余地を残しておくのも好ましい。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。図１において、平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段は、ヒータ１（Ａ−Ａ断面図）の上に密着させたアルミブロック２によって構成されている。液体の流路を構成する導管３は、ステンレスパイプを円形渦巻状に巻いて構成した。導管を第一の加熱手段の伝熱表面に圧接する圧接手段は、アルミニウム製の円板４と、導管を加熱手段との間でサンドイッチ状に挟んで固定するクランプ手段５とからなる。円板４は、円柱状中心部がアルミブロック２に嵌入するとともにクランプ手段５のネジによって、導管３を介してアルミブロック２に押圧・固定できるようになっている。円板４には中心部付近に導管の出口穴６を開け、渦巻状に巻いた導管３の中心部側の一端をここから外部に取り出すようにしている。ステンレスパイプを円形渦巻状に巻くときには、図１の組み立て図と同様の構造を有するヨーヨーのような治具を用いて密に巻いた好適な円形渦巻きが形成できる。

円形渦巻きのほかに、楕円形の渦巻き、反転渦巻きおよび蛇行する曲路の例をそれぞれ図２、図３および図４に示す。

本発明の液体加温装置の要部を説明する図である。円形渦巻状導管、組み立て平面図および断面図を示す。 楕円形の渦巻き状の曲路の例を示す図である。 反転渦巻き状の曲路の例を示す図である。 蛇行する曲路の例を示す図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ アルミブロック
３ 導管
４ 円板
５ クランプ手段
６ 導管の出口穴

Claims (7)

1. ・平面状の伝熱表面を有する第一の加熱手段と、
   ・液体の流路を構成する導管であって、曲路をなして前記第一の加熱手段の伝熱表面に沿って接触して配置された前記導管と、
   を備えた液体加温装置。
2. 前記導管を前記第一の加熱手段の伝熱表面に圧接する圧接手段を更に備えた、請求項１記載の液体加温装置。
3. 前記圧接手段が断熱性の部材を有し、前記第一の加熱手段の伝熱表面との間で前記導管を挟圧する請求項２に記載の液体加温装置。
4. 前記圧接手段が平面状の伝熱表面を有する第二の加熱手段であり、この伝熱表面を前記導管に向けて、前記第一の加熱手段の伝熱表面との間で前記導管を挟圧する請求項２に記載の液体加温装置。
5. 前記曲路が渦巻き状の曲路である請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体加温装置。
6. 前記曲路が反転渦巻き状の曲路である請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体加温装置。
7. 前記曲路が蛇行する曲路である請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体加温装置。

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