JP2019015661A

JP2019015661A - 分析装置

Info

Publication number: JP2019015661A
Application number: JP2017134571A
Authority: JP
Inventors: 康之福島; Yasuyuki Fukushima
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】所定の反応時間のガスを分析する。【解決手段】分析装置１００は、管形状の反応部１２２ａと、反応部１２２ａと交差する管形状であり、赤外線を透過させる透過窓１２６が反応部１２２ａとの交差箇所を挟んで両側に設けられた光通過部（交差部１２２ｂ、延在部１２４ａ、１２４ｂ）とを有する反応管１２０と、反応管１２０のうち、少なくとも反応部１２２ａを加熱する加熱炉１３０と、光通過部における一方の透過窓１２６に赤外線を入射させる光源部２２０と、光通過部における他方の透過窓１２６を透過した赤外線を受光する受光部２３０と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、分析装置に関する。

従来、ガスを定性分析したり、ガス中の物質の定量分析をしたりする際に、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外）分光分析装置が広く利用されている。従来のＦＴＩＲ分光分析装置は、測定対象のガスを収容するガスホルダと、ガスホルダに赤外線を照射する光源と、ガスホルダを通過した赤外線を分析する検出器とを備える。

近年、高温環境下のガスの分析が希求されている。しかし、上記従来のＦＴＩＲ分光分析装置は、ガスホルダが常温に配される。高温環境下のガスの組成と、高温環境下から常温まで冷却された後のガスの組成とは異なる。このため、従来のＦＴＩＲ分光分析装置では、高温環境下のガスの組成を分析することはできなかった。

そこで、電気炉で加熱された直線形状の石英管の一端から他端に向けてガスを流すとともに、石英管の一端から赤外線を入射させ、石英管の他端を通過した赤外線を分析する技術が開発されている（例えば、非特許文献１）。

Understanding the CVD process of (Si)-B-C ceramics through FTIR spectroscopy gas phase analysis, J. Berjonneau, F. Langlais, G. Chollon, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 7273-7285

上記非特許文献１の技術では、石英管内（高温環境下）で進行する反応の初期から後期に亘るすべての反応時間のガス組成が積算されて検出されることになる。このため、高温環境下で進行する反応において、所定の反応時間（滞留時間）のガスを分析することができない。

本開示は、このような課題に鑑み、所定の反応時間のガスを分析することが可能な分析装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様にかかる分析装置は、管形状の反応部と、前記反応部と交差する管形状であり、赤外線を透過させる透過窓が前記反応部との交差箇所を挟んで両側に設けられた光通過部とを有する反応管と、前記反応管のうち、少なくとも前記反応部を加熱する加熱炉と、前記光通過部における一方の透過窓に赤外線を入射させる光源部と、前記光通過部における他方の透過窓を透過した赤外線を受光する受光部と、を備える。

また、前記反応部内を流れるガスの流速を調整する反応制御部を備えてもよい。

また、窒素、アルゴン、ヘリウム、および、水素のうち、いずれか１または複数のパージガスを前記光通過部内に供給するパージガス供給部を備えてもよい。

また、光通過部内に迷光遮蔽機構を備えてもよい。

本開示によれば、所定の反応時間のガスを分析することが可能となる。

分析装置の概略的な構成を説明する図である。分析装置の具体的な構成例を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（分析装置１００）
図１は、分析装置１００の概略的な構成を説明する図である。図２は、分析装置１００の具体的な構成例を説明する図である。本実施形態の図１、図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、図１中、ガスの流れを白抜き矢印で示し、光（赤外線）の進行方向を破線の矢印で示す。図２中、光（赤外線）の進行方向を破線の矢印で示す。なお、図１中、理解を容易にするために、図２には示される延在部１２４ａ、１２４ｂ、透過窓１２６、パージガス供給部１７０を省略する。また、図２中、理解を容易にするために、図１には示される原料ガス供給部１４０、真空ポンプ１５０、反応制御部１６０、分析制御部２４０を省略する。

図１、図２に示すように、分析装置１００は、反応ユニット１１０と、分析ユニット２１０とを含んでいる。反応ユニット１１０は、高温環境下で原料ガスの反応（例えば、熱分解反応）を進行させる。分析ユニット２１０は、反応ユニット１１０内の高温環境下のガスに赤外線を通過させ、ガスの組成を分析したり、ガス中の所定の物質の定量を行ったりする。以下、反応ユニット１１０および分析ユニット２１０について詳述する。

（反応ユニット１１０）
反応ユニット１１０は、反応管１２０と、加熱炉１３０と、原料ガス供給部１４０と、真空ポンプ１５０と、反応制御部１６０と、パージガス供給部１７０とを含んでいる。

図２に示すように、反応管１２０は、本体部１２２と、延在部１２４ａ、１２４ｂと、透過窓１２６と、迷光遮蔽機構１２８とを含んでいる。反応管１２０内は、減圧（大気圧より低圧）状態に維持される。本体部１２２は、例えば、石英で形成された十字管（クロス管）で構成される。具体的に説明すると、図１に示すように、本体部１２２は、反応部１２２ａと、交差部１２２ｂ（光通過部）とを含んでいる。反応部１２２ａは、円管形状であり、軸方向が、図１中、Ｘ軸方向に延在している。交差部１２２ｂは、円管形状であり、軸方向が、反応部１２２ａの軸方向と直交する。つまり、交差部１２２ｂの軸方向は、図１中、Ｚ軸方向に延在する。反応部１２２ａと交差部１２２ｂとは、内部空間が連通している。

図２に示すように、延在部１２４ａ（光通過部）は、交差部１２２ｂの一端側に接続される。延在部１２４ｂ（光通過部）は、交差部１２２ｂの他端側に接続される。延在部１２４ａと、延在部１２４ｂとは、実質的に構成が等しい。このため、以下、延在部１２４ａの具体的な構成について詳述し、延在部１２４ｂについての説明を省略する。

延在部１２４ａは、延在管１２４ａａと、拡大管１２４ａｂとを含んでいる。延在管１２４ａａは、金属で構成されたＴ字管である。延在管１２４ａａの主部の一端の開口は、交差部１２２ｂの一端の開口に接続される。延在管１２４ａａは、主部の軸方向が交差部１２２ｂの軸方向と一致するように、交差部１２２ｂに接続される。延在管１２４ａａの主部の他端の開口は、拡大管１２４ａｂの一端の開口に接続される。延在管１２４ａａの分岐部（主部から分岐された部）には、後述するパージガス供給部１７０からパージガスが供給される。

拡大管１２４ａｂは、金属で構成され、一端から他端に向かって内径が漸増する。拡大管１２４ａｂの一端の開口は、延在管１２４ａａの他端の開口に接続される。拡大管１２４ａｂの他端の開口は、透過窓１２６に封止される。拡大管１２４ａｂは、軸方向が延在管１２４ａａの軸方向と一致するように、延在管１２４ａａに接続される。つまり、延在部１２４ａ（延在管１２４ａａ、拡大管１２４ａｂ）は、軸方向が交差部１２２ｂの軸方向と一致するように設けられる。

なお、交差部１２２ｂと延在管１２４ａａとの接続箇所、延在管１２４ａａと拡大管１２４ａｂとの接続箇所は、大気の混入を防止（または、抑制）するように真空シール（例えば、ガスケット、Ｏリング）が為されている。

透過窓１２６は、赤外線を透過させるとともに、拡大管１２４ａｂの他端の開口を封止する。透過窓１２６は、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｒ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）等で構成される。

迷光遮蔽機構１２８は、交差部１２２ｂと延在管１２４ａａとの接続箇所に設けられる。迷光遮蔽機構１２８は、赤外線の光路と等しい、または、光路よりわずかに大きい孔が形成された、金属製の円板である。

図１に戻って説明すると、加熱炉１３０は、例えば、電熱線（コイル）を巻回した電気炉であり、本体部１２２を１０００℃程度に加熱する。加熱炉１３０は、炉本体１３２を含んでいる。炉本体１３２には、第１貫通孔１３４が形成される。第１貫通孔１３４は、図１中、Ｘ軸方向に延在する。第１貫通孔１３４の孔径は、反応部１２２ａの外径よりわずかに大きい。第１貫通孔１３４に反応部１２２ａが収容される。第２貫通孔１３６は、第１貫通孔１３４と連通して、炉本体１３２に形成される。第２貫通孔１３６は、図１中、Ｚ軸方向に延在する。つまり、第１貫通孔１３４の軸方向と、第２貫通孔１３６の軸方向とは直交している。第２貫通孔１３６の孔径は、交差部１２２ｂの外径よりわずかに大きい。第２貫通孔１３６には、交差部１２２ｂが収容される。

炉本体１３２のうち、反応部１２２ａの外周に隣接する領域には電熱線が配置されている。なお、交差部１２２ｂは電熱線と干渉しないように設けられている。

原料ガス供給部１４０は、例えば、マスフローであり、反応部１２２ａの一端側から反応部１２２ａ内に原料ガスを供給する。反応部１２２ａ内に原料ガスが供給されると、加熱炉１３０による加熱によって原料ガスの熱分解反応が進行する。

真空ポンプ１５０は、反応部１２２ａの他端側からガスを排気する。したがって、反応部１２２ａ（反応管１２０）の内部は、減圧状態となる。

反応制御部１６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。反応制御部１６０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して反応ユニット１１０全体を管理および制御する。本実施形態において、反応制御部１６０は、原料ガス供給部１４０および真空ポンプ１５０のいずれか一方または両方を制御して、反応部１２２ａ内を流れるガスの流速を調整する。

図２に示すように、パージガス供給部１７０は、窒素、アルゴン、ヘリウム、および、水素のうち、いずれか１または複数のパージガスを延在管１２４ａａの分岐部に供給する。これにより、延在部１２４ａ、１２４ｂがパージガスで満たされることになる。

（分析ユニット２１０）
図１に戻って説明すると、分析ユニット２１０は、光源部２２０と、受光部２３０と、分析制御部２４０とを含んでいる。光源部２２０は、交差部１２２ｂ、反応部１２２ａ内に赤外線を通過させる。受光部２３０は、本体部１２２を通過した赤外線を受光する。

分析制御部２４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。反応制御部１６０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して分析ユニット２１０全体を管理および制御する。分析制御部２４０は、光源部２２０が出射する赤外線の波数（例えば、４５０〜７８００ｃｍ^−１）や出射タイミングを制御する。また、分析制御部２４０は、受光部２３０が受光した赤外線に基づく信号をフーリエ変換してスペクトルを不図示の表示部に表示する。

図２に戻って、光源部２２０、受光部２３０の具体的な構成について説明する。光源部２２０は、光源２２２と、ミラー部２２４と、接続管２２６ａ、２２６ｂと、ノイズ低減部２２８とを含み、延在部１２４ａの透過窓１２６に赤外線を入射させる。

光源２２２は、赤外線を出射する。ミラー部２２４は、内部にミラー２２４ａを収容する。光源２２２から出射される赤外線の径は、ミラー部２２４に近づくにつれ漸増する。ミラー２２４ａは、光源２２２からの赤外線を平行光に変換して出射する。ミラー２２４ａは、例えば、凹面鏡やレンズで構成される。ミラー２２４ａを備えることにより、光源２２２から出射された赤外線を平行光のビームとすることができ、後述する検出器２３２の検出感度を向上させることが可能となる。

接続管２２６ａは、一端が光源２２２に接続され、他端がミラー部２２４に接続される。接続管２２６ａは、赤外線が透過しない材質で形成された管である。接続管２２６ａは、例えば、金属（ＳＵＳ：Steal special Use Stainless）で構成されたフレキシブル配管である。接続管２２６ａは、光源２２２とミラー２２４ａとの間に形成される赤外線の光路を囲繞する。接続管２２６ｂは、一端がミラー部２２４に接続され、他端が延在部１２４ａの透過窓１２６に接続される。接続管２２６ｂは、例えば、金属（ＳＵＳ）で構成されたフレキシブル配管である。接続管２２６ｂは、ミラー２２４ａと透過窓１２６との間に形成される赤外線の光路を囲繞する。

ノイズ低減部２２８は、窒素、アルゴン、ヘリウム、および、水素のうち、いずれか１または複数のノイズ除去ガスを接続管２２６ａに供給する。これにより、接続管２２６ａ内、ミラー部２２４内、接続管２２６ｂ内が加圧状態（大気圧を上回る圧力）となる。

受光部２３０は、検出器２３２と、接続管２３４と、ノイズ低減部２３６とを含んでいる。検出器２３２は、例えば、ＭＣＴ（Mercury Cadmium Telluride）検出器で構成され、延在部１２４ｂの透過窓１２６を透過した赤外線を受光する。接続管２３４は、一端が延在部１２４ｂの透過窓１２６に接続され、他端が検出器２３２に接続される。接続管２３４は、例えば、金属（ＳＵＳ）で構成されたフレキシブル配管である。接続管２３４は、透過窓１２６と検出器２３２との間に形成される赤外線の光路を囲繞する。

ノイズ低減部２３６は、窒素、アルゴン、ヘリウム、および、水素のうち、いずれか１または複数のノイズ除去ガスを接続管２３４に供給する。これにより、接続管２３４内が加圧状態となる。

なお、光源２２２と接続管２２６ａとの接続箇所、接続管２２６ａとミラー部２２４との接続箇所、ミラー部２２４と接続管２２６ｂとの接続箇所、接続管２２６ｂと透過窓１２６との接続箇所、透過窓１２６と接続管２３４との接続箇所、接続管２３４と検出器２３２との接続箇所は、外部の光の混入を防止（または、抑制）するようにシールが為されている。ただし、ノイズ低減部２２８、２３６によって、接続管２２６ａ内、ミラー部２２４内、接続管２２６ｂ内、接続管２３４内は大気圧を上回る圧力となるため、これらの接続箇所は、気密性を維持する必要はない。

以上説明したように、本実施形態の分析装置１００は、本体部１２２の形状を工夫することで、原料ガス供給部１４０から真空ポンプ１５０に向かって流れる反応ガスの流れ方向と、赤外線の通過方向とを直交（交差）させることができる。つまり、反応部１２２ａを流れるガスの流れと直交する方向に赤外線を通過させて分析を行うことが可能となる。これにより、赤外線が通過する箇所に対応する反応時間（滞留時間）が経過したガスのみの分析、すなわち、その場測定（ｉｎ−ｓｉｔｕ分析）を行うことができる。

したがって、分析装置１００は、高温環境下でのみ存在する物質（例えば、ラジカル等）や、常温に冷却されると異なる物質に変換される物質を分析することが可能となる。これらの物質は、従来測定することができなかったものである。つまり、分析装置１００は、反応中のガスの組成をそのまま分析することができる。

また、上記反応制御部１６０を備える構成により、分析対象の反応時間を変更することができ、様々な反応時間が経過したガスの組成を分析（抽出）することが可能となる。具体的に説明すると、反応部１２２ａを通過するガスの流速Ｖ（ｍ／ｓ）は、Ｖ＝Ｑ／Ａで算出することができる。なお、Ｑはガスの流量（ｍ^３／ｓ）、Ａは反応部１２２ａの流路断面積（ｍ^２、図１、図２中、ＹＺ断面の面積）である。したがって、反応制御部１６０は、まず、分析対象とする反応時間に基づいて流速Ｖを決定する。具体的に説明すると、反応制御部１６０は、原料ガスが、分析対象とする滞留時間（反応時間）に、赤外線の通過箇所（交差部１２２ｂの軸の箇所）に到達するように流速Ｖを決定する。そして、反応制御部１６０は、決定した流速Ｖとなる流量Ｑを算出する。さらに、反応制御部１６０は、算出した流量Ｑと、反応部１２２ａの圧力と、反応部１２２ａの温度（加熱炉１３０の加熱温度）と、気体の状態方程式とに基づいて、原料ガス供給部１４０および真空ポンプ１５０のいずれか一方または両方を調整する。

また、上記パージガス供給部１７０を備える構成により、原料ガスおよび原料ガス由来の物質が、本体部１２２から透過窓１２６へ流出してしまう事態を回避することができる。これにより、透過窓１２６の汚染を防止することが可能となる。したがって、透過窓１２６の赤外線の透過率を維持することができる。

また、上記ノイズ低減部２２８、２３６を備える構成により、赤外線が通過する空間（領域）への大気の混入を防止することができる。これにより、大気中の水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）等によって、検出器２３２のノイズが増大してしまう事態を回避することが可能となる。したがって、検出器２３２の検出感度（Ｓ／Ｎ比）の低下を防止することができる。

また、上記迷光遮蔽機構１２８を備える構成により、加熱炉１３０から放出される赤外線等の外乱が、本体部１２２を通過する赤外線および本体部１２２から検出器２３２に進行する赤外線に混入する事態を回避することができる。これにより、検出器２３２のノイズを低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、光通過部（交差部１２２ｂ、延在部１２４ａ、１２４ｂ）の軸方向が、反応部１２２ａの軸方向と直交する構成を例に挙げて説明した。しかし、光通過部の軸方向は、反応部１２２ａの軸方向と交差していればよい。また、光通過部の軸方向が、反応部１２２ａの軸方向と交差せずともよい。少なくとも反応部１２２ａと、光通過部とが交差していればよい。換言すれば、光通過部内を通過する赤外線が反応部１２２ａ内を通過すればよい。

また、上記実施形態において、延在部１２４ａの端部および延在部１２４ｂの端部に透過窓１２６が設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、透過窓１２６は、光通過部（交差部１２２ｂ、延在部１２４ａ、１２４ｂ）における反応部１２２ａとの交差箇所を挟んで両側に設けられていれば、設置位置は、端部でなくてもよい。

また、上記実施形態において、分析装置１００がノイズ低減部２２８、２３６を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、ノイズ低減部２２８、２３６は必須の構成ではない。例えば、分析制御部２４０が、分析現場の大気の状態に基づいてノイズを除去してもよい。

また、上記実施形態において、反応制御部１６０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、反応制御部１６０は、必須の構成ではない。例えば、本体部１２２の反応部１２２ａの流路断面積を変更することで、ガスの流速を変更して、分析対象の反応時間を変更してもよい。

また、上記実施形態において、迷光遮蔽機構１２８が、交差部１２２ｂと延在管１２４ａａとの接続箇所に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、迷光遮蔽機構１２８は、交差部１２２ｂと延在管１２４ａａとの接続箇所に代えて、または、加えて、他の箇所、例えば、延在管１２４ａａと拡大管１２４ａｂとの接続箇所に設けられてもよい。

また、上記実施形態において、迷光遮蔽機構１２８が、赤外線の光路と等しい、または、光路よりわずかに大きい孔が形成された、金属製の円板で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、迷光遮蔽機構１２８は、外乱の混入を防止できれば構成に限定はない。例えば、迷光遮蔽機構１２８は、赤外線の光路幅と等しい、または、光路幅よりわずかに大きいスリットが形成された、金属製の円板で構成されてもよい。また、迷光遮蔽機構１２８は、外乱の波長をカットするバンドパスフィルタで構成されてもよい。

また、上記実施形態において、加熱炉１３０が本体部１２２全体を均一の温度に加熱する構成を例に挙げて説明した。しかし、加熱炉１３０は、例えば、本体部１２２の一端から他端に向かって高温になるように加熱してもよい。

本開示は、赤外線を利用してガスを分析する分析装置に利用することができる。

１００分析装置
１２０反応管
１２２ａ反応部
１２２ｂ交差部（光通過部）
１２４ａ延在部（光通過部）
１２４ｂ延在部（光通過部）
１２６透過窓
１２８迷光遮蔽機構
１３０加熱炉
１６０反応制御部
１７０パージガス供給部
２２０光源部
２３０受光部

Claims

管形状の反応部と、前記反応部と交差する管形状であり、赤外線を透過させる透過窓が前記反応部との交差箇所を挟んで両側に設けられた光通過部とを有する反応管と、
前記反応管のうち、少なくとも前記反応部を加熱する加熱炉と、
前記光通過部における一方の透過窓に赤外線を入射させる光源部と、
前記光通過部における他方の透過窓を透過した赤外線を受光する受光部と、
を備える分析装置。
前記反応部内を流れるガスの流速を調整する反応制御部を備える請求項１に記載の分析装置。
窒素、アルゴン、ヘリウム、および、水素のうち、いずれか１または複数のパージガスを前記光通過部内に供給するパージガス供給部を備える請求項１または２に記載の分析装置。
前記光通過部内に迷光遮蔽機構を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の分析装置。