JP4168468B2 - 低電力消費ガスクロマトグラフ・システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に化学試料を採取して、これらから所望の化合物を検出するためのガスクロマトグラフィ・システムに関する。詳細には、本発明は、温度プログラミング式分析のためのガスクロマトグラフ・カラム組立品に向けられる。さらに詳細には、本発明は、温度センサと電熱線とを有する毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材の最適パッケージが、このような構成部分自体および相互の内部接触を実質的に増加させ、同時に周囲と接触しているこれらの構成部分の表面積を小さくし、この最適パッケージによって電力の節約が達成される、ガスクロマトグラフ・カラム組立品に関する。さらにまた本発明は、熱効果を最適化して全体的に低電力消費システムを作るように配置されたガスクロマトグラフ・カラム組立品に形成された、毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と温度検出機構と加熱機構の組立品を含むガスクロマトグラフィ・システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能ガスクロマトグラフィは一般的には、操作に大量の電力を使用する大型の実験室用計器を用いることが必要となっている。これは特に、ガスクロマトグラフ・カラムを含む炉の温度が着実に増加されてガスクロマトグラフィ分離能力の範囲を広げる、クロマトグラフィ分離を温度プログラミングする標準操作の場合である。ガスクロマトグラフィ炉を加熱して温度プログラミングするために必要な大量の電力は、携帯用計装品、特に実地で使用される手持ち計装品において使用するためのガスクロマトグラフィの能力を制限している。大型の外部電源または大型電池がなければ、ガスクロマトグラフィの設計と操作は、主として小型で軽量の携帯用計器における非温度プログラミングの適用例に限定される。
【０００３】
ガスクロマトグラフィ技術が小型携帯用計器において実用的であるための追加要件は、この技術について商業的に入手可能なガスクロマトグラフィ毛管カラム技術と両立すること、およびこの技術を使用することである。毛管カラムの使用は実験室用ガスクロマトグラフィ計装では標準の慣行となっているので、広範囲の分離能力をもたらす多数の毛管カラムが現在では市販されている。広範囲の分離能力は、毛管ガスクロマトグラフ・カラムの内壁を被覆するポリマの化学組成の変化によって可能となった。ガスクロマトグラフィの必要とされる化学的分離を最適化するために、標準の厚さとカラム長とカラム内径とを有する毛管ガスクロマトグラフ・カラムにおいて、現在では商業的に入手可能な多くのポリマ被覆から選択ができるようになった。小型携帯用ガスクロマトグラフィ計器において、この商業的に入手可能なガスクロマトグラフ・カラム技術を難なく使用する能力は、携帯用または小型ガスクロマトグラフィ計器における同様な分析能力の実用化のために望ましいものである。
【０００４】
毛管ガスクロマトグラフ・カラムの温度プログラミングは、ガスクロマトグラフ・カラムを含む炉の温度の電子制御によって標準的に実施されている。炉内の温度変化に対するガスクロマトグラフ・カラム組立品の迅速で均一な温度応答を達成するために、毛管ガスクロマトグラフ・カラムが、カラムをワイヤフレーム支持体の上に巻き付けることによって標準的にまとめられている。カラムをワイヤフレーム支持体上に巻き付けることによって、毛管ガスクロマトグラフ・カラムと炉の空気との急速な温度平衡のために、毛管ガスクロマトグラフ・カラムと炉内の加熱された空気との広い表面接触が得られる。実験室用ガスクロマトグラフィ炉では、炉内空気は一般的にはファンによって混合されて、炉内における温度の均一性を達成する。実験室用ガスクロマトグラフィ計器は、一般的に温度プログラミングのために数キロワット台の電力を消費し、特に比較的高い操作温度では約数１０℃／分程度の温度上昇に電力制限される。小さな炉を有するさらに小型でさらに携帯可能なガスクロマトグラフィ計器が製造されているが、これらはそれでも、急速な分析時間のために特に数１０℃／分の温度上昇を必要とするときには、温度プログラミングのために１ｋＷ台またはそれ以上の電力が必要となる。
【０００５】
電力消費を減らし、計器の寸法を小さくする目的で、短いガスクロマトグラフ・カラム長を含むために十分な大きさの小さな加熱コンパートメントの寸法に対して、ガスクロマトグラフィ炉の寸法を小さくした。この結果得られたガスクロマトグラフィ計器は、温度プログラミングに関連する電力消費を避けるために一般的には等温で操作されるが、これはこのようなガスクロマトグラフィ計装の分析能力を大きく制限する。低電力温度プログラミングが実施された１つの事例は、１９９６年６月３〜５日にユタ州Ｓｎｏｗｂｉｒｄで開催された実地携帯用クロマトグラフィおよび分光測定法研究集会におけるＭａｓｗａｄｅｈ他による「Ｎｅｗ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｎｄ−Ｈｅｌｄ， Ｃｏｍｐａｃｔ， Ｄｉｓｐｏｓａｂｌｅ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ」（新世代の手持ち式小型使い捨てガスクロマトグラフィ装置）５６〜５９ページに記載されている。この事例では、０．７５℃／分の温度上昇において温度プログラミングのために１５Ｗの電力を消費する手のひらサイズのガスクロマトグラフィ・モジュールが実証された。モジュールによって電力消費を制限するために最高温度６０℃を有する短い温度上昇が使われた。
【０００６】
小型クロマトグラフィ分析計装の急速温度プログラミングのために必要な事項は、米国特許第５０１４５４１号にＳｉｄｅｓとＣａｔｅｓによって記載されている。彼らは、その分析目的を達成するために、毛管ガスクロマトグラフ・カラムの温度を２０秒以内に５０℃から１２０℃までに上昇させるための要件を記載している。彼らはこれを小型ガスクロマトグラフ・カラム組立品によってなし遂げ、この場合、標準的なガスクロマトグラフィ炉が、ガスクロマトグラフ・カラムが巻き付けられる管状熱伝導体支持物によって取り替えられている。管状支持物内部の加熱エレメントが温度プログラミングのために使用される。この計器は寸法の小さなガスクロマトグラフを達成するが、電力消費は１ｋＷ台であり、この商用計器の携帯式操作のためには携帯式発電機が推奨される。
【０００７】
急速加熱のためのガスクロマトグラフ・カラム組立品の熱量を減少する重要性は、米国特許第３１５９９９６号にＮｏｒｅｍによって確認された。この発明は、３つの平行な孔と、１つの電熱線すなわち測温抵抗線（温度センサの一型式）を含むのに十分な長さとを有し、残りの孔はガスクロマトグラフ・カラムとして機能するためにコーティングされた、ガラス管からなる。このような装置は、小型の慣習的なガスクロマトグラフィ炉よりも小さな熱量を有するが、ガラス管のかなり大きな質量を加熱するために大量の電力がまだ必要となる。
【０００８】
小型ガスクロマトグラフィによって電力消費を大幅に減らす他の一方法としては、ガスクロマトグラフィ炉の電熱検出エレメントを小型にして、これらをガスクロマトグラフ・カラムに合体することによるものがある。米国特許第５００５３９９号は、断熱材料からなるマンドレルの上に巻き付けられた薄膜被覆毛管ガスクロマトグラフ・カラムを使用することによってこれを達成する。ガスクロマトグラフ・カラムを取り囲む薄膜を通過する電流は、カラムを抵抗式に加熱するために使用される。この取組み方は慣習的なガスクロマトグラフィ炉よりもはるかに少ない電力を使用するが、ガスクロマトグラフ・カラムの断熱支持物も加熱エレメントと接触して加熱されるので、マンドレル材料と接触するガスクロマトグラフ・カラムの大きな表面積のために、ガスクロマトグラフ・カラムを加熱するためにかなりの電力をやはり必要とする。この取組み方の重大な欠点は、十分な均一性を有する故障のないかなりの長さの環状薄膜被覆を作ることの難点である。ガスクロマトグラフ・カラムと接触する断熱材の熱量は、１２ボルトなどの電池電圧を使用する急速温度プログラミングのためには、１アンペア程度またはそれ以上の電流が一般的に必要であるほどの大きさである。このような大電流の薄膜抵抗加熱器における導通には、薄膜に実質的に欠陥がないことが必要である。厚さの不均一性が結果的にむらのある加熱になると同時に、微細汚染、粒子、取扱いによる摩耗、または応力に起因する薄膜の典型的なきず、および（カラムのコイル状巻きなどの）曲げによる損傷は、局部的なホット・スポットや薄膜の破損を生じさせ、その結果として加熱エレメントの故障を来す。この取組み方のさらなる難点は、商業的に入手可能なガスクロマトグラフ・カラム技術と両立しないことであり、関心のある各ガスクロマトグラフ・カラムの特殊な薄膜抵抗被覆バージョンは、非常に高品質の膜の大規模で全方向性の精密蒸着を必要として製造しなければならない。薄膜抵抗加熱器の取扱い、操作、および製造による技術的問題があれば、これは重大な難点である。
【０００９】
米国特許第４７２６８２２号による類似の取組み方は、低電力操作を特許請求してはいないが、加熱毛管ガスクロマトグラフ・カラム組立品を小型化するための環状薄膜加熱器および断熱層に頼るものである。米国特許第５００５３９９号に関して前節で検討した取扱い、操作、および製造上の非実用性に加えて、複数の薄膜の狭い間隔はさらなる難点を示す。
【００１０】
毛管ガスクロマトグラフ・カラム組立品による電力消費を減らすための別の取組み方が、Ｈｏｌｌａｎｄ他の「Ｈａｎｄｈｅｌｄ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｗｅａｐｏｎｓ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｔｒｅａｔｙ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ（化学兵器条約検査計測のための手持ち式ガスクロマトグラフィ計装）」、Ｆｉｅｌｄ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｗａｓｔｅｓ ａｎｄ Ｔｏｘｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（有害廃棄物および有毒化学製品のための実地選別法）、第１巻、Ａｉｒ ＆ Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、ピッツバーグ、１９９５年の２２９〜２３５ページ）に発表されている。この取組み方では、ガスクロマトグラフ毛管カラムは、小さなプラスチック管の内部に同軸の加熱器とセンサ・ワイヤに沿って置かれている。このガスクロマトグラフィ組立品が使用する電力は、商用ガスクロマトグラフィ炉で必要とされる電力よりもはるかに少ない。この組立品を温度プログラミングするために必要な典型的な電力はそれでも、急速短ガスクロマトグラフ・カラム構成についてカラム長１ｍ当たり数１０ワット台である。このガスクロマトグラフ・カラム構成は、ＯｖｅｒｔｏｎとＣａｒｎｅｙの「Ｎｅｗ Ｈｏｒｉｚｏｎｓ ｉｎ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｆｉｅｌｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（ガスクロマトグラフィの新たな視野：微小化されたガスクロマトグラフィ技法の実地適用）」、Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（分析化学における傾向）、第１３巻、１９９４年の２５２〜２５７ページに報告され、またＯｖｅｒｔｏｎ他の「Ａ Ｎｅｗ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ ｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（環境分析のための新しい携帯式超小型ガスクロマトグラフ）」、Ｆｉｅｌｄ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｗａｓｔｅｓ ａｎｄ Ｔｏｘｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（有害廃棄物および有毒化学製品のための実地選別法）、第１巻、Ａｉｒ ＆ Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、ピッツバーグ、１９９５年の２０７〜２１２ページに報告されている。小型携帯式ガスクロマトグラフィ計器による電池式急速温度プログラミングでは、所要電力はもっと低くなる。この取組み法は商業的に入手可能なガスクロマトグラフィ毛管カラムを使用できるようにするが、毛管ガスクロマトグラフ・カラム、電熱線、およびセンサ・ワイヤを小さなプラスチック管に通すという難点によって、組立品の実用的な長さは数メートルに限られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基本的な目的は、低い電力消費で速い温度プログラミング速度を達成するガスクロマトグラフ・カラム組立品を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに１つの目的は、毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と温度センサと電熱線との革新的なパッケージを提供して、コイル状断面の中におけるこれらの構成部分の内部接触を増し、同時にコイル状断面の周囲に露出した各構成部分の表面積の部分を減らすことである。
【００１３】
本発明のさらに１つの目的は、空気または断熱された周辺に直接露出したコイル状断面の内部におけるパックされた構成部分の表面積の量を最適に減らすことである。
【００１４】
本発明のさらに１つの目的は、ガスクロマトグラフ・カラム部材、加熱機構、および温度検出機構とのパックされた組合せの内部で、熱交換とエネルギー変換を可能にすることである。
【００１５】
本発明のさらに１つの目的は、内部的に加熱され、パックされた構成部分の低熱量セットからなり、周辺への熱損失と構成部分の温度を上げるために必要な熱との両方を減らすために、組立品の外表面は、組立品内部の構成部分の全表面積と比較して小さな表面積を有する、全体的ガスクロマトグラフ・カラム組立品を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに１つの目的は、商業的に入手可能な標準的などのようなガスクロマトグラフ毛管カラム部材でも、低電力小型ガスクロマトグラフ・カラム組立品の中に容易に組み込む能力を有するシステムを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リード部分と、化学試料を中に含むコイル部分を形成しており隣り合った位置にある複数のコイル状ループとを有する、所定の長さの毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材を備えた、低電力消費ガスクロマトグラフ・システムを提供する。毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材に入っている化学試料の温度を測定するために、温度検出機構が設けられ、これはガスクロマトグラフ・カラム部材のコイル部分を形成する複数のコイル状ループの各々と隣接した位置にある。ガスクロマトグラフ・カラム部材に入っている化学試料を加熱するために、加熱機構が設けられており、これは毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材の複数のコイル状ループの周りであって同軸の位置に設けられている。加熱手段は、複数のコイル状ループの各々の周りにらせん状に巻かれた絶縁された電線部材であり、毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と温度検出機構と加熱機構との組合せで、複数のコイル状ループの各々の長さの合計によって規定される長さと、複数のコイル状ループ、温度検出機構及び加熱機構の断面積を合わせたものによって規定される断面積とをそれぞれ有するガスクロマトグラフ・カラム組立品を形成している。また、温度検出機構及び加熱機構は、内部の面接触を最大化して、複数のコイル状ループの断面積全体にわたって熱の移送を均一化するように配置された複数のコイル状ループを有するガスクロマトグラフ・カラム組立品のコイル部分の断面積全体にわたって、複数のコイル状ループのうちの少なくとも２つに隣接した、コイル部分内の位置にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１から図７までを参照すると、特に小型の携帯式ガスクロマトグラフ計器において有用な低電力消費ガスクロマトグラフ・システムが示されている。全体的概念では、低電力消費は、温度検出機構１４と加熱機構１６との組み合わせた毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２の独特のパッキングと位置選定の計画案によって具体化され、このパッキングと位置選定の計画案は、次の文節で述べるように、上記の構成部分自体と相互の内部接触を実質的に増加させ、同時に外部環境と接触する上記の構成部分の表面積量を、低操作電力要件にまで実質的に減らす。
【００１９】
低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０は一般に、ガスクロマトグラフ・カラム部材１２からなるガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の中に化学試料を導入するための注入装置１８、温度検出機構１４、および加熱機構１６を含む。ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の構成部分は図３にはっきり示されている。
【００２０】
検出装置２２がガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の出口部に結合され、蒸気が存在するガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の中にある化学品を測定ならびに分析する。多くの商業的に入手可能な検出装置２２が存在し、本明細書に記載されているように本発明の概念には重要ではないが、このような装置は、水素炎イオン化、炎光光度法、質量分光測定法、イオン移動度、電子捕獲、およびその他の電離技法を含むことができる。
【００２１】
プログラミング式コンピュータ２４がシステム１０に結合されて、注入装置１８、検出装置２２、ならびにガスクロマトグラフ・カラム組立品２０内の低減電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０に関連するパラメータの制御を行う。
【００２２】
本発明による低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０は、多くの周知の注入装置１８、検出装置２２、ならびに多分遠隔モニタ類と共に使用するように考えられていることを理解すべきである。しかしながら、コンピュータ２４、注入装置１８、および検知装置２２、ならびにこれらに付属する電子パッケージは、本技術分野ではよく知られた種々の回路構造コンフィギュレーションを呈することができ、コンフィギュレーションは、これらが相応の化学試料をガスクロマトグラフ・カラム組立品２０ならびに適切な加熱機構と制御機構の供給することを除いて、本発明には密接に関係しない。こうして、電子パッケージのすべて、コンピュータ２４、検出装置２２、または注入装置１８は本発明の概念の一部を形成するものではないので、明確にするために、これらのさらなる議論は省略する。さらにまた、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の入口領域と出口領域は一般に加熱され、高温に維持されて、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０における可能なコールド・スポットによる分析物の停止および減速を防止する。しかしながら、このような加熱器は本技術分野ではよく知られており、さらに時には、注入装置１８および検出装置２２に含められることもあるが、このような加熱器は、本明細書に記載されるような発明概念の部分を形成しないので、図には示されていない。
【００２３】
図１、図３、図４を詳しく参照すると、リード部分２６（入口部分と出口部分の両方に同じ要素番号が付けられている）とガスクロマトグラフ・カラム組立品２０のコイル部分２８とを含む、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０が示されている。リード部分２６とコイル部分２８は、図３に示すようにガスクロマトグラフ・カラム部材１２、温度検出機構１４、および加熱機構１６とからなる。毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２は、中に化学試料を入れた所定の長さを有する。ガスクロマトグラフ・カラム部材１２は、石英ガラスまたはそのような材料で形成することもできる。
【００２４】
加熱機構１６は、ガスクロマトグラフ・カラム部材１２の内部に入れられた化学試料を加熱する。加熱機構１６は、図３に示すように毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２の周りに位置している。加熱機構１６は、ガスクロマトグラフ・カラム部材１２の周りに同軸に巻き付けられた絶縁電線部材の形を取ることもでき、また特に、さらに図３に示すように、ガスクロマトグラフ・カラム１２と温度検出機構１４との組合せの周りにらせん状に巻かれることもできる。加熱機構すなわち電熱線１６の巻き付けは、コイル部分２８の手巻きが完成すると、構成部分を取扱う場合の困難性を軽減する。一般に、電熱線すなわち加熱機構１６は、らせん巻きのためには１０゜またはそれ以下のピッチに相当する。１０゜またはそれ以下のピッチは、低電力消費ガスクロマトグラフ組立品２０の電力要件に悪影響を及ぼすことはなかったが、約２０゜以上のピッチ角度での電熱線１６の広範囲の巻き付けは、結果的にガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の電力消費を増加させた。実際の使用における電熱線１６は、電熱線１６の外部に形成された約０．００３”厚の絶縁層を有する直径０．００５”のクロメル線で構成することもできる。このような絶縁線部材１６の使用は、単位長さ当たり低い熱量をもたらすという点で有利である。
【００２５】
ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の一構成部分を形成する温度検出機構１４は、毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２の内部に含まれたガス試料の温度を測定し、温度検出機構１４は、好ましい実施形態では、図３に示すようにガスクロマトグラフ・カラム部材１２の所定の長さの実質的に全体にわたって延び、このカラム部材１２のそばに位置する。図示するように、温度検出機構１４は、位置的に毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２のそばに置くことができ、電熱線１６の巻きコイルの内部に取り付けることもできる。様々な形式の温度検出機構１４の実験によれば、特定の温度センサが低熱量設計であるかぎり、多くの周知の温度検出機構１４を使用して低電力結果を達成できたことを示している。低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０に適用可能なこのような温度検出機構１４には、温度の関数として抵抗の変化をもたらす絶縁された細線の形状の合金などの抵抗温度装置が含まれる。抵抗温度装置は一般に、温度センサの全長に沿った温度の分布測定を行う。温度のより局部的な測定または一点測定を行う他の形式の温度検出素子の使用も本発明の範囲内であり、このような温度検出素子は、図に示される温度検出素子の代りに使用される熱電対の形状にすることもできる。このような構成配置では、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０は、毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材１２、加熱機構すなわち電熱線１６、およびコイル状構成部分の温度を測定するためにカラム組立品２０のコイル部分２８に入れられた点温度センサからなる。直径が約０．０１０”の電線で形成された熱電対などの大きな熱量を有する温度センサを代用すると、非常に低い熱量の組立品の温度プログラミングに必要な電力要件を僅かに増加させ、これはこのような温度をある局部的な温度に上げるためにより多くの熱を必要とする結果であることが、実験中にわかった。
【００２６】
図４に示すように、カラム組立品２０のコイル部分２８は密閉ハウジング３０の中に囲まれている。この様式で、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０のコイル部分２８は外部環境から断熱されている。密閉ハウジング３０は、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０のコイル部分２８をカプセル包囲し、コイル部分２８の周りに形成されたさやの形状にすることもできる。
【００２７】
さや、すなわち密閉ハウジング３０は、コイル部分２８をフォイル包装し、ならびに絶縁材料の内部にコイル部分２８を置くによって形成することもできる。密閉ハウジング３０を形成する絶縁材料は、カリフォルニア州ＳｕｎｎｙｖａｌｅにあるＬｏｃｋｈｅｅｄ Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｃｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能な高保温複合ファイバセラミック断熱材の形状で試験された。ＨＴＰ−１６の呼称をもつ高保温複合ファイバセラミック断熱材は、低電力消費をもたらす点で成功裡に使用され、このような材料は、約０．５４Ｂｔｕ−ｉｎ．／ｆｔ² −ｈｒ−゜Ｆの低い熱伝導率と約０．２Ｂｔｕ ｐｅｒ／ｌｂ−゜Ｆの低い比熱を有した。
【００２８】
図２に示す定電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０’の一実施形態では、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０は、ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０と外部環境との間の断熱を増す目的で、真空コンテナ３２の内部に入れられている。
【００２９】
ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０のコイル部分２８が、大気環境中で先に記述したようなフォイル・ラップで形成されたさやすなわちハウジング３０と、真空中に含まれたフォイル・ラップと、先に論考したような絶縁ハウジング材を有する組立品２０を含む、低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０または１０’について、一連の試験を実施した。高保温複合ファイバセラミック断熱材による実験のために、各々がパックされたコイル組立品２８を保持するために円形溝を含むＨＴＰ−１６の２×２×０．５”の小片の間に、パックされたコイル組立品２８を置いた。他の温度プログラミング式分析を開始することができるように断熱囲い組立品を急速に冷却するために、温度プログラミング式分析の終わりに加熱された構成部分を冷却する必要がある。ガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０のパックされたコイル２８が入った円形溝の経路に沿って置かれた囲いの中の直径約１〜２ｍｍの小さな開口は、急速冷却を可能にするために使用される小型電動ファンとともに、十分な空気の通過をもたらすことがわかった。断熱囲いを通じて開口を設けることは、毛管ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０の温度プログラミングに必要な電力を大幅に増加させることにはならなかった。管被覆されたガスクロマトグラフ・カラム設計のための電力要件と比較するために、同じ毛管ガスクロマトグラフ・カラム組立品２０を、先に記述したＨｏｌｌａｎｄ他の従来の技術システム（１９９５年）の設計にしたがって約０．０６３”の内径と約０．０１２”の壁厚とを有する１．０メートルの長さのテフロン管の中に置いた。
【００３０】
低電力ガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０は、温度センサ１４がフィードバック制御素子として役立つ加熱回路を使用して温度プログラミングされた。回路は、温度センサ１４によって検出された温度が目標温度より低い間は、電熱線１６に電流を送った。それから目標温度のためのコンピュータ発生電圧勾配を使用することによって、加熱回路はコンピュータ発生勾配に従って、その結果、対象とするガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０の温度プログラミングされた温度上昇となった。先に論考されたＭａｓｗａｄｅｈ他の従来の技術（１９９６年）によって使用される温度プログラミングをシミュレートするために、加熱回路を使用する温度プログラミングを選択した。加熱回路に必要な電流はディジタル電流計を使用して測定して、プロセッサに記録し、それから３０秒間の加熱温度上昇中に必要な平均電力を計算した。次の表１と表２は、（１）３２℃から５５℃までの温度プログラミングおよび（２）３２℃から１８０℃までの温度プログラミングについて、０．７５℃／秒のために必要な平均電力を要約したものである。これらの条件に必要な平均電力を下記の表に要約する。
【００３１】
表１
３２℃から５５℃までの０．７５℃／秒のために必要な平均電力
形式 平均電力（ワット）
空気中のフォイル・ラップ付の本システム ０．５２
真空中のフォイル・ラップ付の本システム ０．５３
断熱ハウジング材料中の本システム ０．６０
テフロン管被覆構成部分を使用するＨｏｌｌａｎｄ
他（１９９５年）の従来技術によるシステム ３．４
Ｍａｓｗａｄｅｈ他（１９９６年）の低電力ガスクロ
マトグラフ・システム用の従来技術によるシステム １５．０
【００３２】
表１は、必要な電力が、従来技術によるＭａｓｗａｄｅｈ他（１９９６年）のシステムで達成される低電力温度プログラミングの３０分の１しかないことを、明白に示している。また従来技術によるＨｏｌｌａｎｄ他（１９９５年）のシステムによって報告された低電力管被覆設計に関しても、８５％の電力低減が実証された。フォイルで包まれたパックされたコイル組立品２０を使用する空気中および真空中における本発明による低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０によって、類似の結果が得られる。断熱囲いを使用する電力要件も、０．６０ワットであるが、空気中において０．５２および真空中において０．５３を示したフォイルで包まれたパックされた組立品２０ほど低くはない平均電力によって、低いことが示されている。
【００３３】
表１の結果のために使用された温度プログラミングは、従来技術によるＭａｓｗａｄｅｈ他（１９９６年）のシステムで記述されたガスクロマトグラフィ−イオン移動度分光測定器の適用のためには、比較的低い温度に制限された。ガスクロマトグラフィを使用する広範囲の化学的分離を達成するために、一般に広い温度範囲がプログラミングで使用される。しかしながら、プログラミング温度は大気温度に対して上昇するので、周囲への熱伝導は増加し、結果としてプログラミングのために必要な電力も増加する。本発明による低電力消費ガスクロマトグラフ・システム１０の低い電力要件を実証するために、使用されるプログラミングの温度上限を１８０℃にまで延ばした。次の表２に平均電力の結果を要約するが、これは、周知の従来技術と本発明の概念との間の平均電力の大幅低減を再度示すものである。
【００３４】
表２
３２℃から１８０℃までの０．７５℃／秒のために必要な平均電力
形式 平均電力（ワット）
空気中のフォイル・ラップ付の本システム ２．０
真空中のフォイル・ラップ付の本システム １．６
断熱ハウジング材料中の本システム ２．６
空気中の囲いさやのない本システム ３．１
テフロン管被覆構成部分を使用するＨｏｌｌａｎｄ
他（１９９５年）の従来技術によるシステム １８．０
【００３５】
図５を参照すると、これは、表２の最初の例として示されている０．７５℃／秒の速度で空気中のフォイルで包まれたガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０の加熱に必要な時間と温度センサ出力電力との関係を示す。図５は、グラフの下部分における内部電熱線１６によって使用される瞬間電力のための生データに向けられている。温度センサ１４によって報告される温度プログラミングされた温度上昇は、グラフの上部トレースに示されている。温度上昇は実質的に直線であり、温度上昇中に消費される平均電力は約２．０ワットである。温度上昇速度は表１に示す実験に使用された速度と同じであったので、結果として、この温度上昇の最初の３０秒間における電力の積算と平均は表１に示すように約０．５ワットの電力となった。
【００３６】
周知のように、温度プログラミング中に必要な平均電力は、温度上昇速度の増加とともに増加する。図６のグラフに、３２℃と１８０℃の間における様々な温度上昇速度における空気中のフォイルで包まれた低電力ガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０に必要な平均電力を示す。このような組立品のための温度プログラミング速度の大きな増加には、平均電力の比較的小さな増加が必要である。周辺への熱伝達の時間がより短いので、急速な温度プログラミング速度は、より少ない全電力を消費することができる。本発明によるシステム１０が平均電力要件を、全電力要件をさらに減らす電池式携帯用計器においても急速温度上昇を可能にするレベルにまで低下させ、同時に温度プログラミング式分析の速度を上げることは重要である。
【００３７】
図６に、１メートルのＨＴＰ断熱包囲低電力ガスクロマトグラフ毛管カラム組立品２０を使用する急速ガスクロマトグラフィの一例を示す。この組立品には、イリノイ州ＤｅｅｒｆｉｅｌｄのＡｌｌｔｅｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から購入された約０．３２ｍｍの内径を有する１メートルのＳｕｌｆｕｒ−ＡＴカラムを入れた。水素炎イオン化検出器に直接連結されたこの短いカラムによるクロマトグラフィのために、ヘリウム１０ｍＬ／分のカラム流量を採用した。持続時間３０秒のための２℃／秒の温度プログラミングを、出発温度を４０℃にして使用した。このような条件は３０秒以内で、ノナン（Ｃ₉ ）とドデカン（Ｃ₁₂）との間の半揮発性アルカン炭化水素の高速低分解能分離をもたらした。
【００３８】
本発明を、本発明の特定の形式および実施形態に関して記載したが、上で論じた実施形態の他に様々な変形形態も、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく利用できることを理解されたい。例えば、具体的に図示し説明した要素の代りに機能的に等価な要素を作用することができ、図示し説明した要素の比例数量を変えることもでき、また記載された形成方法の諸段階では、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の段階を反転または挿入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスクロマトグラフ・カラム組立品におけるコイル部分を示す、低電力消費ガスクロマトグラフ・システムの概略図である。
【図２】ガスクロマトグラフ・カラム組立品のコイル部分が真空環境の中に位置する、図１に示す低電力消費ガスクロマトグラフ・システムの一実施形態の概略図である。
【図３】ガスクロマトグラフ・カラム組立品のリード部分の構成部分を示すリード部分の概略図である。
【図４】図１の断面線４−４に沿ってとったガスクロマトグラフ・カラム組立品のコイル部分の断面図である。
【図５】０．７５℃／秒の速度で３２℃から１８０℃までの低電力ガスクロマトグラフ毛管カラム組立品の温度プログラミングを示す、低電力消費ガスクロマトグラフ・システムのグラフである。
【図６】複数の異なる温度プログラミング速度についての、低電力消費ガスクロマトグラフ・システムによる３２℃から１８０℃までの線形温度上昇を温度プログラミングするために必要な平均電力を示すグラフである。
【図７】本発明による低電力消費ガスクロマトグラフ・システムを使用するいくつかの半揮発性アルカン炭化水素の分離のための、急速ガスクロマトグラフィ・データを示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 低電力消費ガスクロマトグラフ・システム
１２ 毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材
１４ 温度検出機構
１６ 加熱機構、電熱線
１８ 注入装置
２０ ガスクロマトグラフ・カラム組立品
２２ 検出装置
２４ プログラミング式コンピュータ
２６ リード部分
２８ コイル部分
３０ 密閉ハウジング
３２ 真空コンテナ

Claims (14)

1. （ａ）リード部分と、化学試料を中に含むコイル部分を形成しており隣り合った位置にある複数のコイル状ループとを有する毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と、
   （ｂ）前記ガスクロマトグラフ・カラム部材のコイル部分を形成する前記複数のコイル状ループの各々と隣接した位置にあり、前記毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材の内部に含まれた前記化学試料の温度を測定するための温度検出手段と、
   （ｃ）前記毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材の前記複数のコイル状ループの周りであって同軸の位置にあり、前記毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材の内部に含まれた前記化学試料を加熱するための加熱手段と
   を備えており、
   前記加熱手段が、前記複数のコイル状ループの各々の周りにらせん状に巻かれた絶縁された電線部材であり、
   前記毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と前記温度検出手段と前記加熱手段とが、前記複数のコイル状ループの各々の長さの合計によって規定される長さと、前記複数のコイル状ループ、前記温度検出手段及び前記加熱手段の断面積を合わせたものによって規定される断面積とをそれぞれ有するガスクロマトグラフ・カラム組立品を形成しており、
   内部の面接触を最大化して前記複数のコイル状ループの断面積全体にわたって熱の移送を均一化するように配置された該複数のコイル状ループを有するガスクロマトグラフ・カラム組立品のコイル部分における前記断面積全体にわたって、前記温度検出手段及び前記加熱手段が、前記複数のコイル状ループのうちの少なくとも２つに隣接した、前記コイル部分内の位置にあることを特徴とするガスクロマトグラフ・システム。
2. 前記温度検出手段が、前記クロマトグラフ・カラム部材の前記リード部分及び前記コイル部分の全体にわたって延びていることを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ・システム。
3. 前記絶縁された電線部材が、前記ガスクロマトグラフ・カラム部材の複数のコイル状ループの各々の周りに巻き付けられるときに、約１０゜のピッチを有することを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ・システム。
4. 前記絶縁された電線部材が、クロメルから形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスクロマトグラフ・システム。
5. 前記温度検出手段が、前記毛管ガスクロマトグラフ・カラム部材と軸方向に整列した関係をもって位置していることを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ・システム。
6. 前記温度検出手段が、該温度検出手段の長さの少なくとも一部分にわたって分布温度を測定するための手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のガスクロマトグラフ・システム。
7. 前記温度検出手段が抵抗熱検出装置であることを特徴とする請求項５に記載のガスクロマトグラフ・システム。
8. 前記ガスクロマトグラフ・カラム組立品の少なくとも前記コイル部分が、外部環境から熱的に遮断されていることを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ・システム。
9. 前記ガスクロマトグラフ・カラム組立品の前記コイル部分を囲う密閉ハウジングを含むことを特徴とする請求項８に記載のガスクロマトグラフ・カラム組立品。
10. 前記密閉ハウジングが断熱材料で形成されていることを特徴とする請求項９に記載のガスクロマトグラフ・システム。
11. 前記密閉ハウジングが、前記コイル部分の周りに形成されたさやであることを特徴とする請求項９に記載のガスクロマトグラフ・システム。
12. 前記さやが、熱伝導性のフォイル材料で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のガスクロマトグラフ・システム。
13. 前記さやに密閉されたコイル部分が、真空チャンバの中に密封されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスクロマトグラフ・システム。
14. 前記密閉ハウジングが、外部環境から前記コイル部分を断熱するための真空チャンバを形成していることを特徴とする請求項９に記載のガスクロマトグラフ・システム。

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