JP2022078387A

JP2022078387A - ガス分析装置およびガスサンプリング装置

Info

Publication number: JP2022078387A
Application number: JP2019070153A
Authority: JP
Inventors: 新士内山; Shinji Uchiyama
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2022-05-25
Also published as: WO2020202868A1

Abstract

【課題】酸素窒素の定量をより正確に行うことができるガス分析装置の提供。
【解決手段】ガス分析装置１は、試料ガスＳＧを分析する分析部１０と、入口および出口を有する所定容量のサンプルループ２１と、試料ガス供給路２０５とサンプルループ２１の入口とを接続し、かつ、サンプルループ２１の出口と試料ガス排出路２０６とを接続する第１の切替位置Ｘと、サンプルループ２１の入口とキャリアガス供給路２０４とを接続し、かつ、サンプルループ２１の出口と分析部１０とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブ２２と、試料ガス排出路２０６に設けられ、試料ガスＳＧの流路のガス圧力を切替バルブ２２の漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分析装置およびガスサンプリング装置に関する。

ガスクロマトグラフ（ＧＣ）の検出器の一つとして、誘電体バリア放電プラズマによるイオン化を利用した誘電体バリア放電イオン化検出器（ＢＩＤ）が知られている（特許文献１参照）。誘電体バリア放電イオン化検出器は、Ｈｅ、Ｎｅ以外の幅広い有機化合物や無機化合物を高感度で検出することができるため、微量の酸素窒素を分析するというニーズもある。

国際公開第２０１５/１０７６８８号

誘電体バリア放電イオン化検出器を用いたガスクロマトグラフ（ＣＧ－ＢＩＤ）に試料ガスを分析する際には、ガスサンプリング装置で試料ガスをサンプリングし、そのサンプリングされた試料ガスをガスクロマトグラフに導入する。ガスサンプリング装置は切替バルブを用いて試料ガスをサンプリングするが、バルブ摺動部からの微量の空気が漏れ込んで正確に定量できないという問題がある。

本発明の第１の態様によるガス分析装置は、試料ガスを分析する分析部と、入口および出口を有する所定容量の計量管と、試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記分析部とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備える。
本発明の第２の態様によるガスサンプリング装置は、入口および出口を有する所定容量の計量管と、試料ガスが供給される試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記試料ガスを分析部へ導く導入路とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備える。

本発明によれば、酸素窒素の定量をより正確に行うことができる。

図１は、ガス分析装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、切替位置Ｙの状態を示す図である。図３は、サンプリングの手順を示す図である。図４は、標準ガス中の酸素窒素の検出データを示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態のガス分析装置の概略構成を示すブロック図である。ガス分析装置１は、分析部１０と、分析部１０に一定量の試料ガスを供給するサンプリング部２０とを備えている。

分析部１０は、ガスクロマトグラフ部（ＣＧ部）１１と、誘電バリア放電イオン化検出部（ＢＩＤ部）１２とを備える。ＣＧ部１１は、試料導入路３０によりサンプリング部２０に接続されている。サンプリング部２０でサンプリングされた試料ガスＳＧは、キャリアガスＣＧの流れに乗ってサンプリング部２０からＣＧ部１１に設けられたキャピラリーカラム１１１に導入される。試料ガスＳＧを運ぶためのキャリアガスＣＧには、ヘリウムなどの不活性ガスが用いられる。

キャピラリーカラム１１１に導入された試料ガスＳＧに含まれる各種試料成分は、キャピラリーカラム１１１によって時間的に分離される。ＢＩＤ部１２は、ＣＧ部１１により分離された試料成分を検出する。ＢＩＤ部１２の詳細構成は、例えば国際公開第２０１５/１０７６８８号に記載のものと同様の構成であり、ここでは説明を省略する。

サンプリング部２０は、試料ガスＳＧの計量管として機能するサンプルループ２１と、切替バルブ２２と、流路抵抗要素２３とを備えている。また、サンプリング部２０には、キャリアガスＣＧが供給されるキャリアガス供給ポート２０１と、試料ガスＳＧが供給される試料ガス供給ポート２０２と、供給された試料ガスＳＧをサンプリング部２０から排出する試料ガス排出ポート２０３とが設けられている。

切替バルブ２２は、６つのポートを有するバルブステータ２２Ｓと、ポート間の接続を切り替えるバルブロータ２２Ｒとを備えている。切替バルブ２２は、図１に示すようにキャリアガスＣＧのみがＣＧ部１１に導入される切替位置Ｘと、図２に示すようにサンプルループ２１内に保持された試料ガスＳＧをＣＧ部１１に導入する切替位置Ｙとの２つの切替状態が可能である。

図１に示す切替位置Ｘにおいては、ポート２とポート３、ポート４とポート５、ポート６とポート１とがそれぞれ接続される。上述した試料導入路３０は、ポート１に接続される。キャリアガス供給ポート２０１は、キャリアガス供給路２０４を介してポート６に接続される。サンプルループ２１の入口２１ａはポート５に接続され、出口２１ｂはポート２に接続される。試料ガス供給ポート２０２は、試料ガス供給路２０５を介してポート４に接続される。試料ガス排出ポート２０３は、試料ガス排出路２０６を介してポート３に接続される。

切替位置Ｘにおいては、ＣＧ部１１には、試料導入路３０を介してキャリアガス供給ポート２０１に供給されたキャリアガスＣＧが導入される。また、試料ガス供給ポート２０２に供給された試料ガスＳＧはサンプルループ２１を流れ、試料ガス排出路２０６を介して試料ガス排出ポート２０３から排出される。

図２に示す切替位置Ｙにおいては、ポート１とポート２、ポート３とポート４、ポート５とポート６とがそれぞれ接続される。切替位置Ｙでは、サンプルループ２１の入口２１ａはキャリアガス供給路２０４に接続され、出口２１ｂは試料導入路３０に接続される。その結果、サンプルループ２１内に保持された試料ガスＳＧがキャリアガスＣＧに押し流され、試料導入路３０を介してＣＧ部１１に供給される。一方、試料ガスＳＧが供給される試料ガス供給路２０５は試料ガス排出路２０６に接続されるので、試料ガス排出ポート２０３から排出されることになる。

（流路抵抗要素２３）
本実施の形態では、切替バルブ２２の摺動部からの大気（空気）の漏れ込みを防止するために、試料ガス排出路２０６に流路抵抗要素２３を設けた。流路抵抗要素２３は、試料ガス供給ポート２０２から試料ガスＳＧを供給した場合に、試料ガスＳＧが流れる流路のガス圧を漏れ防止圧力以上に維持するためのものである。例えば、流路抵抗要素２３には、ガス分析関係で使用されるキャピラリーチューブと呼ばれる内径が非常に小さな石英や金属のチューブが用いられる。

試料ガス排出路２０６に用いられる配管は内径が１ｍｍ程度のチューブであるが、流路抵抗要素２３には例えば内径０．１ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度のキャピラリーチューブを用いる。このような流路抵抗要素２３を設けることで、試料ガス排出ポート２０３が大気開放状態であっても、試料ガスＳＧの流路の圧力、すなわち、図１の切替位置Ｘでは試料ガス供給路２０５～サンプルループ２１～試料ガス排出路２０６から成る流路の圧力、図２の切替位置Ｙでは試料ガス供給路２０５～試料ガス排出路２０６から成る流路の圧力を、漏れ防止圧力以上に維持することができる。漏れ防止圧力としては、「大気圧＋５ｋＰａ」以上の圧力が好ましい。

一般的に、キャリアガス供給ポート２０１に供給されるキャリアガスＣＧの圧力は「大気圧＋１００ｋＰａ」程度である。また、試料ガス排出路２０６に流路抵抗要素２３が設けられていない従来の構成では、試料ガス排出ポート２０３が大気開放されているので、試料ガス供給路２０５の圧力は供給源の圧力に依存するが、大気圧よりも若干高いがほぼ大気圧程度となっている。そのため、切替バルブ２２を切り替えた際に、大気（空気）が切替バルブ２２の摺動部から漏れ込んでしまうことになる。

一方、本実施の形態では、流路抵抗要素２３を設けたことにより、試料ガスＳＧが流れる試料ガス供給ポート２０２から試料ガス排出ポート２０３までの流路の圧力は、流路抵抗要素２３を設けない場合よりも高い圧力である漏れ防止圧力以上に維持される。その結果、切替バルブ２２を切り替えた際の摺動部からの漏れ込みを防止することができる。

なお、流路抵抗要素２３の配置としては、切替バルブ２２に接続している試料ガス流路の全てが大気圧よりも高い漏れ防止圧力以上となる配置が好ましい。流路抵抗要素２３の下流側には大気開放とされる試料ガス排出ポート２０３が設けられているので、試料ガス供給ポート２０２から流路抵抗要素２３までの流路は漏れ防止圧力以上となり、流路抵抗要素２３よりも下流側の流路はほぼ大気圧となる。そのため、流路抵抗要素２３は、切替バルブ２２のポート３から試料ガス排出ポート２０３までの試料ガス排出路２０６までに配置するのが好ましい。

流路抵抗要素２３としては、試料ガス排出路２０６に用いられる配管（例えば、内径１ｍｍ程度の配管）よりも流路抵抗が大きく、試料ガスＳＧの圧力が漏れ防止圧力以上となる流路構造体であれば、上述したキャピラリーチューブに限定されない。例えば、試料ガス排出路２０６に流路抵抗要素２３としての流量制御バルブを配置して、流量制御バルブの開度を漏れ防止圧力以上となるように調整しても良い。また、開閉バルブを試料ガス排出路２０６に設けて開閉したり、試料ガス排出ポート２０３を開閉栓で開閉したりして、切替バルブ２２を切り替える直前から切り替え完了となるまでの間、試料ガス流路の圧力を漏れ防止圧力以上に保持するようにしても良い。これらの開閉バルブや開閉栓も流路抵抗要素２３として機能する。

図３は、流路抵抗要素２３として流量制御バルブや開閉バルブや開閉栓などを設ける場合の、試料ガスＳＧのサンプリングの手順を示す図である。ここでは、流路抵抗要素２３として流量制御バルブを用いる場合を例に説明する。なお、切替バルブ２２の切り替えおよび流量制御バルブの開度制御は、手動で行っても良いし、モータ等により駆動しても良い。

手順＃１では、流量制御バルブを、試料ガス流路の圧力が漏れ防止圧力となる開度（以下では、漏れ防止開度と呼ぶことにする）に制御する。手順＃２では、切替バルブ２２を切替位置Ｘに設定する。試料ガス供給ポート２０２に供給された試料ガスＳＧは、試料ガス供給路２０５→サンプルループ２１→試料ガス排出路２０６のように流れて、試料ガス排出ポート２０３から排出される。手順＃３では、切替バルブ２２を切替位置Ｙに設定する。サンプルループ２１内の試料ガスＳＧはキャリアガスＣＧによって試料導入路３０に押し出され、分析部１０に供給される。手順＃４では、流量制御バルブの開度を漏れ防止開度から全開状態に制御する。

図４は、流路抵抗要素２３を設けたことによる効果を説明する図であり、試料ガス供給ポート２０２に標準ガスを供給した場合の、標準ガス中の酸素窒素の検出データを示す図である。ラインＬ１は流路抵抗要素２３を設けた場合のデータで、ラインＬ２は流路抵抗要素２３を設けなかった場合のデータである。ラインＬ２の場合、空気の漏れ込みの影響によって、符号Ｂ１，Ｂ２で示す酸素（Ｏ_２）および窒素（Ｎ_２）のピークの裾の部分の値がラインＬ１に比べて高くなっている。

一方、ラインＬ１では、酸素（Ｏ_２）および窒素（Ｎ_２）のピークの裾の部分の上昇が見られない。すなわち、空気の漏れ込みが防止され、正確な酸素窒素の定量が可能となる。さらに、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）およびＣＯのピークの高さがラインＬ２よりも高くなっており、流路抵抗要素２３を設けたことにより試料ガス検出の感度が向上している。

上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係るガス分析装置は、試料ガスＳＧを分析する分析部と、入口および出口を有する所定容量の計量管と、試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記分析部とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備える。

試料ガス排出路２０６に流路抵抗要素２３を設けたので、図１に示す切替位置Ｘの状態において、試料ガス供給ポート２０２と流路抵抗要素２３との間の試料ガスが流れる流路の圧力は、切替バルブ２２の漏れ防止圧力以上に維持される。その結果、切替バルブ２２を切り替えた際に、切替バルブ２２の摺動部から大気圧の空気が試料ガスＳＧに漏れ込むのを防止することができ、分析部１０による窒素酸素の定量をより正確に行うことができる。特に、ｐｐｍオーダーの高検出精度を有する誘電体バリア放電イオン化検出器を用いたガスクロマトグラフ（ＣＧ－ＢＩＤ）において好適である。

［２］上記［１］に記載のガス分析装置において、前記漏れ防止圧力は「大気圧＋５ｋＰａ」以上に設定するのが好ましい。それにより、切替バルブ２２の摺動部からの大気（空気）の漏れ込みを確実に防止することができる。

［３］上記［１］または［２］に記載のガス分析装置において、流路抵抗要素はキャピラリーチューブである。流路抵抗要素２３をキャピラリーチューブで構成することにより、装置のコストアップを抑えることができる。

［４］一態様に係るガスサンプリング装置は、入口および出口を有する所定容量の計量管と、試料ガスが供給される試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記試料ガスを分析部へ導く導入路とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備える。

図１のようにサンプリング部２０の試料ガス排出路２０６に流路抵抗要素２３を配置することで、切替バルブ２２の摺動部から大気圧の空気が試料ガスＳＧに漏れ込むのを防止することができ、大気の混入の無い試料ガスＳＧを分析部１０へ供給することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ガス分析装置、１０…分析部、１１…ガスクロマトブラフ部（ＣＧ部）、１２…誘電体バリア放電イオン化検出部（ＢＩＤ）、２０…サンプリング部、２１…サンプルループ、２２…切替バルブ、２３…流路抵抗要素、３０…試料導入路、２０１…キャリアガス供給ポート、２０２…試料ガス供給ポート、２０３…試料ガス排出ポート、２０４…キャリアガス供給路、２０５…試料ガス供給路、２０６…試料ガス排出路

Claims

試料ガスを分析する分析部と、
入口および出口を有する所定容量の計量管と、
試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記分析部とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、
前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備えるガス分析装置。
請求項１に記載のガス分析装置において、
前記漏れ防止圧力は「大気圧＋５ｋＰａ」以上に設定される、ガス分析装置。
請求項１または２に記載のガス分析装置において、
前記流路抵抗要素はキャピラリーチューブである、ガス分析装置。
入口および出口を有する所定容量の計量管と、
試料ガスが供給される試料ガス供給路と前記計量管の入口とを接続し、かつ、前記計量管の出口と試料ガス排出路とを接続する第１の切替位置と、前記計量管の入口とキャリアガス供給路とを接続し、かつ、前記計量管の出口と前記試料ガスを分析部へ導く導入路とを接続する第２の切替位置とを有する切替バルブと、
前記試料ガス排出路に設けられ、前記試料ガスの流路のガス圧力を前記切替バルブの漏れ防止圧力以上に維持する流路抵抗要素と、を備えるガスサンプリング装置。