JP2010008245A - 元素分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｏリング等のシール部材に均一な力を加えることができるようにし、導入口を確実に密閉することができ、さらに導入口の開閉を簡単な構成により自動化する。
【解決手段】元素分析装置１００の試料導入部４において、導入通路４１Ａを有するブロック体４１の導入口５を蓋部材４２により開閉する開閉機構が、閉塞位置Ｐにある蓋部材４２を中間位置Ｑに鉛直移動させて、その後、中間位置Ｑにある蓋部材４２を水平方向に水平移動させる。そして、中間位置Ｑにおいて蓋部材４２に設けられたＯリングがブロック体４１の上面と非接触にしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば鉄鋼や非鉄金属、セラミックスなどの測定試料中に含まれる窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）等の元素を分析する元素分析装置に関し、特に、るつぼ等の試料容器へ試料を導入する導入口部分の開閉機構に関するものである。

この種の試料分析装置において、例えば特許文献１に示すように、上部電極及び下部電極に狭持されたるつぼに測定試料を収容して、電圧を印加することにより、るつぼ内の測定試料を加熱して、それによって生じたガスを分析して前記測定試料の元素を分析する元素分析装置がある。

そして、この元素分析装置は、るつぼへ試料を導入した後、生じたガスを外部に漏らさないように、導入口を蓋部材で閉塞し、るつぼ及び導入通路内を密閉状態として試料を加熱する。

従来、導入口を開閉する蓋部材の開閉機構としては、Ｏリングを備えた蓋部材を片開きさせることで導入口を開閉する機構がある。そして、導入口を閉塞した状態において、エアシリンダ等のアクチュエータで蓋部材の片側を押圧して導入口を密閉している。

しかしながら、このような構成では、導入口の閉塞状態において蓋部材をエアシリンダ等のアクチュエータにより片側のみから力を作用させるものであり、Ｏリングに均等な力を加えることが困難であり、Ｏリングが均等に潰すことには難がある。その結果、導入口を確実に密閉することができないという問題がある。

さらに、蓋部材による導入口の開閉を自動化するためには、蓋部材を回転させる機構、及び閉塞位置にある蓋部材に引っ掛かりシール部材を押圧する機構などが必要であり、装置構成が複雑になるという問題がある。
特開平７−４９３２１号公報 特許２９４９５０１号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、Ｏリング等のシール部材に均一な力を加えることができるようにし、導入口を確実に密閉することができ、さらに導入口の開閉を簡単な構成により自動化することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に元素分析装置は、上部電極及び下部電極によりるつぼを挟持し、前記上部電極の上側に設けられた試料導入部から前記るつぼに試料を導入し、前記上部電極及び下部電極に電圧を印加することにより、前記るつぼを加熱して、それにより生じるガスから前記試料の元素を分析する元素分析装置であって、前記試料導入部が、試料を導入する導入口が上面に開口し、当該試料を前記るつぼに導く導入通路を有するブロック体と、前記導入口を閉塞する閉塞位置と、前記導入口を開放して、試料が導入される導入位置との間を移動する蓋部材と、前記ブロック体又は前記蓋部材に設けられ、前記蓋部材が前記閉塞位置にある状態において、前記ブロック体及び前記蓋部材に介在して前記導入口を密閉するシール部材と、前記蓋部材が水平方向にスライド可能となるように前記蓋部材の両端部を保持するスライド保持体を有し、当該スライド保持体を鉛直方向に昇降させることにより、前記閉塞位置と、当該閉塞位置から鉛直上方に離間し、前記シール部材とそのシール部材と対向する部材とが非接触である中間位置との間で前記蓋部材を昇降移動させる昇降駆動部と、前記蓋部材が前記中間位置にある状態において、前記スライド保持体のスライド方向に沿って前記蓋部材を前記中間位置と当該中間位置から水平方向に離間した前記導入位置との間でスライド移動させる水平駆動部と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、スライド保持体が蓋部材の両端部を保持しているため、昇降駆動部がスライド保持体を鉛直方向に昇降移動させる際に、蓋部材の両端部に均等な力を加えることができる。したがって、蓋部材が中間位置から閉塞位置へ移動する際には、蓋部材に均等な力を加えることができるので、シール部材にも均等な力を加えることができる。これによりシール部材は均等に潰されるため導入口を確実に密閉することができる。また、スライド保持体を用いて蓋部材を水平方向及び鉛直方向のみに移動させるだけで、導入口の開閉を行うことができるので、導入口の開閉を簡単な構成により自動化することができる。

蓋部材の移動量を少なくして、水平駆動部の構成を簡単にするためには、蓋部材が、導入位置にある状態において、導入口と連通し、投入された試料を導入口へと導く試料投入孔を備えることが望ましい。

このように本発明によれば、Ｏリング等のシール部材に均一な力を加えることができるようにし、導入口を確実に密閉することができ、さらに導入口の開閉を簡単な構成により自動化することができる。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態における元素分析装置１００の斜視図、図２は元素分析装置１００にるつぼＺをセットした状態を示す電極部分２、３及び試料導入部４を主として示す断面図、図３は蓋部材４２の中間位置Ｑ及び導入位置Ｒを示す平面図、図４は蓋部材４２の閉塞位置Ｐ、中間位置Ｑ及び導入位置Ｒを示す模式図である。

＜装置構成＞

本実施形態に係る元素分析装置１００は、金属中に含まれる元素を分析する金属中元素分析装置であって、金属などの測定試料及び／又はフラックス（以下、特に区別しないときは「試料」という。）を収容する黒鉛るつぼＺを上部電極３と下部電極２とで狭持して、上部電極３の上側に設けられた試料導入部４から前記るつぼＺに試料を導入し、電圧を印加する（るつぼＺに通電する）ことにより、るつぼＺ内の試料を加熱して、その時に発生する分析用ガスを図示しない分析部に送って分析し、測定試料に含まれる元素を分析するものである。

本実施形態の分析部としては、例えば一酸化炭素（ＣＯ）を測定する非分散赤外線検出器等の酸素成分検出部と、例えば窒素（Ｎ_２）を測定する熱伝導度検出器等の窒素成分検出部とが考えられる。その他、水素成分分析部や硫黄成分検出部などでも良い。

上部電極３は、図１及び図２に示すように、試料導入部４の下部に固定され、その下側に開口したるつぼ収容空間Ｓ１を有している。その空間Ｓ１の上面には、るつぼＺの上端面と接触して電圧を印加するための電極面３１が形成されている。また、るつぼ収容空間Ｓ１の内周面は、測定時に下部電極２がシール部材（Ｏリング）を介して気密に嵌合される。また、上部電極３の側壁（下部電極２が嵌合される部分より上）には、分析用ガスを図示しない分析部に導くための導入管１１が接続されるガス取り出し孔３２が設けられている。上部電極３の内部には、冷却水を流通させるための流通路Ｓ２が形成されている。図１中、３Ａは、流通路Ｓ２内に冷却水を導入するための冷却水導入口であり、３Ｂは、流通路Ｓ２から外部に冷却水を導出するための冷却水導出口である。なお、電極面３１には、保護のためタングステンからなる環状板が固定されている。この環状板には、内側周面から外側周面に向かって径方向に延びる凹溝が、円周方向に複数設けられており、これにより上部電極３及び下部電極２でるつぼＺを狭持しても、るつぼ内部の空間とるつぼ収容空間Ｓ１、さらには、るつぼ内部の空間と導入管１１とが繋がり、分析用ガスを導入管１１に導くことができる。

また、下部電極２は、図１に示すように、電極面２１上に黒鉛るつぼＺが載置され、昇降機構１２により上部電極３に対して昇降移動するものである。また、下部電極２の内部には、冷却水を流通させる流通路Ｓ３が形成されている。図１中、２Ａは、流通路Ｓ３内に冷却水を導入するための冷却水導入口であり、２Ｂは、流通路Ｓ３から外部に冷却水を導出するための冷却水導出口である。なお、電極面２１上には、保護のためタングステンからなる円板が固定されている。

試料導入部４は、上部電極３及び下部電極２により狭持されたるつぼＺに試料を導入（投下）するものである。その構成は、特に図２、図３及び図４に示すように、試料を導入する導入口５が上面に開口したブロック体４１と、導入口５を開閉するための蓋部材４２と、ブロック体４１に固定されて設けられ、蓋部材４２を閉塞位置Ｐ（図４（ａ））と中間位置Ｑ（図３（Ａ）、図４（ｂ））との間で昇降移動させる昇降駆動部４３と、蓋部材４２を中間位置Ｑ（図３（Ａ）、図４（ｂ））と導入位置Ｒ（図３（Ｂ）、図４（ｃ））との間で水平移動させる水平駆動部４４と、を具備する。

ここでまず、前記各位置について詳述しておく。閉塞位置Ｐとは、蓋部材４２がＯリング６を押圧変形させて導入口５を密閉する位置のことであり、中間位置Ｑとは、閉塞位置Ｐから鉛直上方に数ミリ離間し、Ｏリング６とそのＯリング６と対向する部材（本実施形態ではブロック体４１）とが非接触である位置のことである。また、導入位置Ｒとは、中間位置Ｑから水平方向に離間し、導入口５に試料を導入するための位置のことである。

以下、ブロック体４１、蓋部材４２、昇降駆動部４３及び水平駆動部４４について説明する。

ブロック体４１は、基台１０１に立設された一対のベース部材１０２に固定されており（図１参照）、図２に示すように、試料を導入する２つの導入口５が上面に開口し、内部に試料をるつぼＺに導くための導入通路４１Ａを有する。この導入通路４１Ａは、異なる試料を別々に導入できるよう２つの通路に分岐しており、上端開口（導入口）５が蓋部材４２により開閉されるとともに、下端開口が上部電極３に形成された試料通過孔３０１に連通している。

蓋部材４２は、ブロック体４１の上部に設けられ、導入口５を開閉するものであり、矩形形状をなす。その左右両端部には、後述するスライド保持体４３１に形成されたスライド溝４３１Ｍにスライド可能に嵌合する等断面形状の突条部４２１が形成されている。この突条部４２１は、蓋部材４２の本体部よりも厚み寸法が小さく形成されている。さらに、この突条部４２１が設けられていない端部の一方には、後述する水平駆動部４４の駆動軸４４１の先端部が嵌合するＴ字溝が設けられている。

また、蓋部材４２の本体部の下面（ブロック体４１との対向面）には、閉塞位置Ｐにおいて、蓋部材４２の下面及びブロック体４１の上面との間に介在して導入口５を密閉するシール部材であるＯリング６が設けられている。このＯリング６は、図３（Ａ）に示すように、蓋部材４２が閉塞位置Ｐにある状態において、導入口５の周囲を囲むように、導入口５それぞれに対応して２つ設けられている。

さらに、蓋部材４２には、導入口５の開口形状と略同一形状をなす試料投入口４２２が２つ設けられている。この試料投入口４２２は、図３（Ｂ）に示すように、Ｏリング６の外部に設けられており、蓋部材４２が導入位置Ｒにある状態おいて、平面視において各導入口５と重なり合って合致し、連通するように設けられている。

そして、蓋部材は、図３及び図４に示すように、後述する昇降駆動部４３及び水平駆動部４４により、中間位置Ｑを経由して、閉塞位置Ｐと導入位置Ｒとの間を鉛直移動又は水平移動して導入口５を開閉する。

昇降駆動部４３は、蓋部材４２を閉塞位置Ｐと中間位置Ｑとの間を蓋部材４２の姿勢を実質的に保ったまま鉛直移動させるものである。そして、昇降駆動部４３は、図２に示すように、蓋部材４２の両端部に設けられた突条部４２１それぞれに対応して設けられ、ブロック体４１に固定されている。

具体的に、昇降駆動部４３は、蓋部材４２に設けられた突条部４２１にスライド可能に嵌合して保持するスライド溝４３１Ｍを有するスライド保持体４３１と、当該スライド保持体４３１の下部に接続される駆動軸４３２を有するエアシリンダ４３３とを備える。この駆動軸４３２は、鉛直方向に沿って進退移動するように設けられている。また、このエアシリンダ４３３は、圧縮空気源（図示しない）から電磁弁を介して供給される空気により動作する。なお、電磁弁は、制御機器（図示しない）により制御される。

蓋部材４２の両端部に設けられる昇降駆動部４３は、構成が同一であり、同一の動作をするものであり、蓋部材４２の突条部４２１に対して同一の力を作用するように構成されている。また、蓋部材４２の突条部４２１に嵌合するスライド保持体４３１は同一形状をなす。

水平駆動部４４は、蓋部材４２を中間位置Ｑと導入位置Ｒとの間を蓋部材４２の姿勢を実質的に保ったまま水平移動させるものである。そして、水平駆動部４４は、図１に示すように、蓋部材４２の突条部４２１が設けられていない端部であって、Ｔ字溝が形成された端部側に設けられ、ブロック体４１又はベース部材１０２等に固定されている。

具体的に、水平駆動部４４は、蓋部材４２に着脱可能に接続される駆動軸４４１を有するエアシリンダ４４２を備える。駆動軸４４１は、水平方向に沿って進退移動するように設けられており、Ｔ字形状の先端部を有する。この先端部が、前述した蓋部材４２のＴ字溝に嵌合することにより、蓋部材４２と駆動軸４４１とが接続されている。具体的には、駆動軸４１１の先端部は、蓋部材４２と水平方向には相対移動不能且つ鉛直方向には相対移動可能に接続されている。これにより、蓋部材４２が閉塞位置Ｐから中間位置Ｑに鉛直方向に移動する際に、駆動軸４１１が蓋部材４２の鉛直方向の移動を妨げないようにするとともに、駆動軸４１１が鉛直方向に変形しないようにしている。さらに、蓋部材４２と駆動軸４４１とが接続している状態において、駆動軸４４１を進退移動する方向を軸に約９０度回転させることにより、蓋部材４２のＴ字溝から駆動軸４４１を取り外すことができるようにしている。また、エアシリンダ４４２は、圧縮空気源（図示しない）から電磁弁を介して供給される空気により動作する。なお、電磁弁は、制御機器により制御される。

なお、昇降駆動部４３に用いられている圧縮空気源と水平駆動部４４に用いられている圧縮空気源とは同一のものである。圧縮空気源として同一のもの用いていることにより、装置全体のコンパクト化が可能となるだけではなく、装置を簡単な構成にすることができる。

次に、このような構成における蓋部材４２の開閉動作について図３及び図４を参照して説明する。

まず、蓋部材４２が閉塞位置Ｐにある状態（図４（ａ））において、制御機器により昇降駆動部４３を作動させ、スライド保持体４３１を鉛直移動させる。これにより、蓋部材４２は中間位置Ｑまで鉛直移動する（図３（Ａ）、図４（ｂ））。この際、蓋部材４２のＯリング６が設けられている下面と、ブロック体４１の上面とが略平行なまま鉛直移動するため、閉塞位置Ｐと中間位置Ｑとの間の移動で、Ｏリング６がブロック体４１と擦ることはない。なお、閉塞位置Ｐから中間位置Ｑまでの距離はわずかであり、蓋部材４２を速やかに移動させることができる。

次に、制御機器により水平駆動部４４を作動させ、スライド保持体４３１のスライド溝４３１Ｍに沿ったスライド方向に蓋部材４２を水平移動させる。蓋部材４２には試料導入孔４２２が設けられているため、この試料導入孔４２２とブロック体４１の上面の導入口５とが平面視において重なり合う位置が導入位置Ｒとなる（図３（Ｂ）、図４（ｃ））。このため、中間位置Ｑから導入位置Ｒまでの距離もわずかであり、蓋部材４２を速やかに移動させることができる。

さらに、蓋部材４２が中間位置Ｑにある状態において、蓋部材４２に設けられたＯリング６とブロック体４１とが非接触であるため、蓋部材４２を水平移動する際にＯリング６がブロック体４１と擦れることが無く、摩擦力が加わることがない。したがって、蓋部材４２を中間位置Ｑと導入位置Ｒとの間でスムーズに移動させることができる。

次に、ユーザが導入口５へ試料を導入する。この際、２つの導入口５からそれぞれ異なる試料を導入すれば、２種類の試料を混ぜ合わせることなく別々に導入することができる。そして、試料を導入した後に、再び制御機器により水平駆動部４４を作動させ、蓋部材４２を導入位置Ｒから中間位置Ｑへ水平移動させる（図３（Ａ）、図（ｂ））。

さらに、制御機器により昇降駆動部４３を作動させて、蓋部材４２を中間位置Ｑから閉塞位置Ｐへ鉛直移動させる（図４（ａ））。蓋部材４２が中間位置Ｒから閉塞位置Ｐへ移動する際に、蓋部材４２のＯリング６が設けられている下面と、ブロック体４１の上面とは平行である。これにより、Ｏリング６がブロック体４１と接触して、導入口５を閉塞するときに、Ｏリング６には均等な力が加えられる。さらに、蓋部材４２が閉塞位置Ｐにある状態で、蓋部材４２のＯリング６が設けられている下面と、ブロック体４１の上面とが平行な状態である。なお、スライド保持体４３１のスライド溝４３１Ｍの下を向く面が、蓋部材４２の突条部４２１の上面に押圧力を作用する。これにより、均一に潰されたＯリング６が蓋部材４２とブロック体４１との間に介在するので、導入口５は確実に密閉される。

これらの動作により、導入口５が確実に密閉された状態、すなわちるつぼＺ及び導入通路４１Ａ内が密閉された状態において、試料の測定を行うことができる。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係る元素分析装置１００によれば、スライド保持体４３１が蓋部材４２の両端部を保持しているため、昇降駆動部４３がスライド保持体４３１を鉛直方向に昇降移動させる際に、蓋部材４２の両端部に均等な力を加えることができる。したがって、蓋部材４２が中間位置Ｑから閉塞位置Ｐへ移動する際には、蓋部材４２に均等な力を加えることができるので、Ｏリング６にも均等な力を加えることができる。これによりＯリング６は均等に潰されるため導入口５を確実に密閉することができる。また、スライド保持体４３１を用いて蓋部材４２を水平方向及び鉛直方向のみに移動させるだけで、導入口５の開閉を行うことができるので、導入口５の開閉を簡単な構成により自動化することができる。

また、水平駆動部４４により蓋部材４２が中間位置Ｑと導入位置Ｒとの間を水平移動する際は、Ｏリング６が常にブロック体４１とは非接触な状態であるため、この水平移動によってＯリング６が擦れることがない。このため、蓋部材４２は中間位置Ｑと導入位置Ｒとの間をスムーズに移動することが可能となる。さらに、Ｏリング６にかかる負荷が低減されるため、Ｏリング自体も長く使用することが可能となる。

さらに、昇降駆動部４３により蓋部材４２が閉塞位置Ｐから中間位置Ｑへ移動する際には、蓋部材４２とブロック体４１とが非接触な位置であればよいため、蓋部材４２を閉塞位置Ｐから数ミリ鉛直移動させれば足りる。したがって、蓋部材４２が閉塞位置Ｐから中間位置Ｑへ移動する際に必要となる力はわずかで済む。また、蓋部材４２には試料導入孔４２２が設けられているため、この試料導入孔４２２とブロック体４１の上面の導入口５とが平面視において重なり合う位置が導入位置Ｒとなるため、中間位置Ｑから導入位置Ｒまでの距離もわずかである。したがって、蓋部材４２を閉塞位置Ｐから導入位置Ｒへ移動する際に必要となるエネルギを削減することができ、導入口５の開閉におけるエネルギコストを削減することができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態の蓋部材には試料導入孔が２つ設けられていたが、蓋部材が導入位置にある状態おいて、平面視において全ての導入口を包含し、連通する１つの試料投入孔を設けたものであっても良い。また、導入口は１つであっても良いし、３つ以上であっても良い。

また、前記実施形態のシール部材は、蓋部材に設けられていたが、ブロック体に設けられていてもよいし、ブロック体と蓋部材との両部材に設けられていても良い。

また、昇降駆動部又は水平駆動部を作動させる際には、ユーザがその度に制御機器を操作して作動するようにしても良いし、ユーザが制御機器を一度操作するだけで、蓋部材が閉塞位置にある状態から導入位置へ移動して、ユーザが試料を導入した後に再び閉塞位置へ移動するように、昇降駆動部及び水平駆動部を自動的に作動するものであっても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本実施形態における元素分析装置の斜視参考図。 元素分析装置１にるつぼＺをセットした状態を示す電極部分及び試料導入部を主として示す断面図。 蓋部材の中間位置及び導入位置を示す平面図。 蓋部材の閉塞位置、中間位置及び導入位置を示す模式図。

符号の説明

１００・・・元素分析装置
Ｚ ・・・るつぼ
２ ・・・下部電極
３ ・・・上部電極
４ ・・・試料導入部
４１ ・・・ブロック体
４１Ａ・・・導入通路
４２ ・・・蓋部材
Ｐ ・・・閉塞位置
Ｑ ・・・中間位置
Ｒ ・・・導入位置
４３ ・・・昇降駆動部
４３１・・・スライド保持体
４４ ・・・水平駆動部
５ ・・・導入口
６ ・・・シール部材

Claims (2)

1. 上部電極及び下部電極によりるつぼを挟持し、前記上部電極の上側に設けられた試料導入部から前記るつぼに試料を導入し、前記上部電極及び下部電極に電圧を印加することにより、前記るつぼを加熱して、それにより生じるガスから前記試料の元素を分析する元素分析装置であって、
   前記試料導入部が、
   試料を導入する導入口が上面に開口し、当該試料を前記るつぼに導く導入通路を有するブロック体と、
   前記導入口を閉塞する閉塞位置と、前記導入口を開放して、試料が導入される導入位置との間を移動する蓋部材と、
   前記ブロック体又は前記蓋部材に設けられ、前記蓋部材が前記閉塞位置にある状態において、前記ブロック体及び前記蓋部材に介在して前記導入口を密閉するシール部材と、
   前記蓋部材が水平方向にスライド可能となるように前記蓋部材の両端部を保持するスライド保持体を有し、当該スライド保持体を鉛直方向に昇降させることにより、前記閉塞位置と、当該閉塞位置から鉛直上方に離間し、前記シール部材とそのシール部材と対向する部材とが非接触である中間位置との間で前記蓋部材を昇降移動させる昇降駆動部と、
   前記蓋部材が前記中間位置にある状態において、前記スライド保持体のスライド方向に沿って前記蓋部材を前記中間位置と当該中間位置から水平方向に離間した前記導入位置との間でスライド移動させる水平駆動部と、を具備する元素分析装置。
2. 前記蓋部材が、前記導入位置にある状態において、前記導入口と連通し、投入された試料を前記導入口へと導く試料投入孔を備える請求項１記載の元素分析装置。