JP2016520196A - ナノ多孔質膜を有する嗅気型漏洩検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】選択的分子透過性を備えながら、透過率を高め、検出限界の向上した嗅気型漏洩検出器を提供する。【解決手段】本発明は、ガスを吸入し、分析する嗅気型漏洩検出器（１０）に関し、ガスを吸入する嗅ぎ取りプローブと、嗅ぎ取りプローブ（１２）に接続されたガス輸送ポンプ（１３）と、吸入されるガスを高真空下で分析するために真空ポンプ（１５，１６）に接続された質量分析計を有する。嗅ぎ取りプローブ（１２）を通過したガスフローは、ガス透過性の孔（２０）を有する膜（１８）を介して導入される。膜（１８）は、ガスの一部を、前記ガスを高真空下で質量分析するために、排気ポンプ（１５，１６）の予備排気室に流入させる。嗅気型漏洩検出器は、検出限界向上のため、孔（２０）の直径（Ｄ）を、大気圧、室温での空気の自由行程（Ｉ）以下とすることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、分析対象となるガスを吸入する嗅気型漏洩検出器に関する。

嗅気型漏洩検出器はガス分析機能を有し、分析対象ガスを吸入する嗅ぎ取りプローブ（sniffing probe）を備えたものである。ガス分析は通常、質量分析計を用い、高真空条件で行われる。ガス質量分析においては、通常、試験対象の漏洩が疑われる箇所の近傍で、大気圧の空気（常圧空気）が吸入される。試験対象には、水素またはヘリウムなどのテストガスが充填されている。試験対象内のテストガス圧は、テストガスが漏洩個所から、試験対象近傍の大気中へ放出されるように、周囲環境（常圧環境）の大気圧よりも高く設定されている。嗅ぎ取りプローブによって吸入される空気は、メインフローまたは部分フローとして、高真空区画へ供給され、そこでテストガス（水素またはヘリウム）の分圧が測定される。

嗅気型漏洩検出器によるテストガス検出限界は、分析品質の臨界尺度となる。吸入される空気中のテストガスの、最小検出可能濃度が検出限界となる。検出限界が小さくなるほど、測定系の感度は高くなり、テストガスの割合を決定する精度が高くなる。

質量分析計の高真空区画への入り口に、ガス透過性の膜を設置し、吸入されるガスの一部をこの膜を通じて流入させることが知られている。公知の膜としては、水素やヘリウムなどの軽いテストガスを比較的多量に透過させ、これより重いガスの透過量が少なくなるよう設計された、焼結セラミック板がある。この公知の焼結セラミック板は、質量分析計の高真空区画に、ガスが直接流入する取入口を備えた、ガス質量分析計（全圧＜１０^−４ｍｂａｒ）に適したものである。しかし、例えば、カウンターフロー型漏洩検出器を備えた、高真空ポンプの前真空室へのガス取入口で用いる際、必要とされる１００倍程度のガス流量を生ずるためには、透過率が不十分である。

米国特許出願公開第２００８／２０２２１２号明細書

本発明は、重いガスよりも水素ガスを選択的に透過させる分子透過性を依然備えたものとしながら、透過率を十分に高めることにより、ガス質量分析用の嗅気型漏洩検出器の検出限界を向上させることを目的とする。

本発明の嗅気型漏洩検出器は、請求項１記載の特徴により定義されるものである。

本発明の嗅気型漏洩検出器は、吸入されるガスの、質量分析計への流入が膜を通じて行われるものであって、前記膜は、大気圧、室温での空気の自由行程と同等またはこれ未満の孔直径を有する、漏洩検出器である。大気圧は、９５０ｈＰａ〜１０５０ｈＰａであると考えられる。室温は、１５℃〜２５℃であると考えられる。本発明によれば、孔径が最大でも大気圧、室温下での、空気の自由行程と同等となる孔は、嗅気型漏洩検出器の流入口膜の前面における、比較的高い圧力下でも、ガス分子流を形成することがわかった。水素やヘリウムなどの軽いテストガスに対する透過率は特に高く、分析では不要の重いガスの透過率は低い。これは、真空区画への分子性のガス流を形成する。このガス流はテストガスを含むが、粘性はなく、ガス分子はそれぞれ独立に、異なる速度で運動する。水素やヘリウムなどのテストガスが属する軽いガスは、特に高速で運動するので、高真空区画でのその割合は、吸入されるガス流中の割合よりも高くなり、検出限界が向上する。従来の焼結膜技術でも一定のガス濃集は達成できたが、流入するガス流量が小さすぎるため検出限界は低く、（例えば開口を通じた）直接流入の場合よりも、検出限界が小さい場合さえあった。

このように、本発明は、（複数の）孔の開口をできる限り小さくし、かつ好ましくは、それらの直径をできるだけ同じものとする設計する考えの上に立ってなされたものである。これに関連して、小さな孔サイズにもかかわらず、比較的多量のガスを通過させるため、できるだけ多くの孔を設けることが特に有利である。

異なった技術分野、すなわち液中の高分子の限外濾過では、類似の膜が知られているが、嗅気型漏洩検出器の検出限界の向上に用い得るものではなく、高分子を設計に応じて精密に濾過するために使用されるものである。

孔の直径は、例えば、２０ナノメートル（ｎｍ）以下であってもよい。圧力差が大な場合でも好ましくない重いガスの通過を生じないように、孔のサイズをできるだけ同じにするため、いずれの孔の直径も、全孔の平均直径との差を最大でも５０％とすべきであり、最大で２０％とすることが好ましい。

十分に大きな割合のガスが透過しうるように、膜表面の全面積に対する全孔の面積比は、少なくとも２０％であり、好ましくは、少なくとも４０％である。膜表面の面積に対する全孔の面積比は、好ましくは、２５％から５０％の範囲にあってもよい。

孔の密度はなるべく高くすべきである。好ましくは、膜は表面積一平方ミクロンメートル（μｍ^２）ごとに、少なくとも２０個の孔を有するべきであり、２５個以上の孔を有することが好ましい。隣接する孔間の壁の厚み、すなわち、隣接する孔の外縁間の最少の距離は、できるだけ小さく、１００ｎｍ未満とすべきであり、好ましくは８０ｎｍ未満である。

孔の長さをできるだけ短くするため、膜の板厚は、１００μｍ未満とすべきであり、５０μｍ未満とすることが好ましく、１０μｍ以下であってもよい。

全孔の平均孔径と、吸入されるガス（空気）の平均自由行程との商は、大気圧、室温で０．５より大きいことが好ましい。吸入される空気の平均自由行程Ｉと圧力ｐには、以下の関係がなりたつ。

これから、約１０００ｍｂａｒにおける平均自由行程は、以下のように得られる。

６．６５×１０^−５ｍ・ｍｂａｒ／１０００ｍｂａｒ＝６６．５ｎｍ

本発明の嗅気型漏洩検出器によれば、予備排気を通じガスが対向流入する環境下で、真空圧力を最大で１０^−４ｍｂａｒとすることができ、この圧力はガス質量分析における検出限界を可能な中では最良のものとすることができる。

本発明の特性は、酸化アルミニウムのナノ多孔質膜を用いることにより、特に簡単に、かつ高い信頼性で、実現することができる。

図１は、嗅気型漏洩検出器の概観図である。 図２は、膜の平面図の部分拡大図である。

以下、本発明について、図面を参照しながらさらに説明する。

図１は、本発明にかかる嗅気型漏洩検出器１０を図示するものであり、嗅ぎ取りプローブ１２と、輸送ポンプ１３と、質量分析計１４と、真空ポンプ１５、１６を備える。嗅ぎ取りプローブ１２は、嗅ぎ取りプローブ１２を通じてガスを吸入する輸送ポンプ１３に、ガス流通が可能な形で接続されている。輸送ポンプ１３によって、嗅ぎ取りプローブ１２を通じて吸いこまれたガスは、ターボモレキュラーポンプ１５のガス取入口１７に供給される。ターボモレュラーポンプ１５は、連結された補助ポンプ１６とともに、質量分析計１４の真空ポンプ１５、１６を構成する。ガス取入口１７は、ガス透過性の多孔質膜１８を有し、これを通じて、ガスがターボモレキュラーポンプ１５に吸い込まれる。本目的のため、ターボモレキュラーポンプ１５は、質量分析計１４を排気するため、これと通気可能な形で接続されている。弁や、圧力測定装置は不要である。

質量分析式嗅気型漏洩検出器１０は、軽ガス検出用のカウンターフロー型漏洩検出器である。ガスは、排気ポンプ１５、１６の予備排気区画に導入され、質量分析計１４の高真空区画には導入されない。これにより、吸入されたガスのわずかな割合が、好ましくは、質量分析計１４に拡散流入する。結果として、特に高い感度を得るために多量のガスを吸入でき、その際、膜１８を通じて軽ガスを濃集することができる。

膜１８の表面の上面図の微細部分を拡大した図を図２に示す。膜１８は、複数の孔２０を有し、孔２０は、膜１８の表面に統計的に均一に分布している。其々の孔２０は、膜１８を完全に貫通している。膜は、厚み３０μｍの板状であり、各孔２０の長さは約３０μｍである。よって、各孔２０の長さは、膜１８の厚みに等しい。

図２は、膜１８が、表面積１μｍ^２あたり、約２６個の孔を有することを示している。隣接する孔２０間の最短距離ｄ（中心―中心）の平均値は１００ｎｍである。ここで、最短距離の平均値は、直接に隣接する孔と孔の中心から中心へ計測した最短距離を全ての孔について平均した値である。全孔２０の平均直径Ｄは２０ｎｍであり、他の実施形態では、２０ｎｍ未満であってもよい。

膜１８表面の面積に対する全ての孔２０の面積の比は、５０％であり、全体として膜面の半分がガス透過可能な構成となっている。

このように、本発明は、ガス取入口が単一の開口からなるオリフィスで形成されておらず、個々の孔が、ガス取入口の圧力でクヌーセンの分子流条件に適合するガス用多孔質膜からなるものとする見地に基づくものである。微細な孔サイズにかかわらず、高真空圧１０^−４ｍｂａｒが得られるだけの量のガスを透過しうるほど、高い孔密度が選択される。
ここで、ガス分子流中のガス成分は、物理法則にのっとって、（分子ごとに）それぞれ独立に運動し、独自の透過性を有する。分子の透過率は、個々のガス成分の分子量の１／２乗に逆比例する。そこで、窒素や酸素や他の空気成分に比べ、水素が所定の開口に対する顕著な透過性を示す。

Claims (10)

1. ガスを吸入し、分析するための嗅気型漏洩検出器（１０）であって、
   ガスを吸入する嗅ぎ取りプローブ（１２）と、
   前記嗅ぎ取りプローブ（１２）に接続したガス輸送ポンプ（１３）と、
   吸入されたガスを高真空で分析するために排気ポンプ（１５，１６）に接続された質量分析計とを備え、
   嗅ぎ取りプローブ（１２）を流通したガスフローはガス透過性の孔（２０）を有する膜（１８）を通じて導入され、
   前記膜（１８）は、前記ガスの高真空下での質量分析のために、ガスフローの一部の排気ポンプ（１５，１６）の予備排気区画への流入を可能とするものであり、
   孔（２０）の直径（Ｄ）が、大気圧、室温での空気の自由行程（Ｉ）と同等またはそれ未満であることを特徴とする、漏洩検出器。
2. 質量分析式の前記嗅気型漏洩検出器 （１０）は、カウンターフロー型漏洩検出器であることを特徴とする、請求項１に記載の嗅気型漏洩検出器。
3. 前記孔の直径がそれぞれ、２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の嗅気型漏洩検出器。
4. 各孔（２０）の直径の、膜（１８）の全孔（２０）の平均直径との差が最大で５０％（好ましくは２０％未満）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
5. 膜（１８）表面の全面積に対する全孔の開口面積の比が、少なくとも２５％（好ましくは少なくとも４０％）であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
6. 前記膜（１８）が、厚み１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満の板状であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
7. 前記膜（１８）が、酸化アルミニウムからなる多孔質板であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
8. 隣接する孔（２０）間の最短距離が １００ｎｍ未満、好ましくは８０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
9. 前記膜（１８）が表面の面積１μｍ^２あたり、少なくとも２０個（好ましくは少なくとも２５個）の孔を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。
10. 吸入されたガスの平均自由行程（Ｉ）と圧力（ｐ）の間に、Ｉ・ｐ＝６．６５×１０^−５ｍ・ｍｂａｒの関係が成り立つ時、孔の直径と、吸入されたガスの平均自由行程（Ｉ）の比（クヌーセン数）が、０．５より高いことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の嗅気型漏洩検出器。

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