JP5238553B2

JP5238553B2 - ガス分析装置

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Publication number: JP5238553B2
Application number: JP2009053755A
Authority: JP
Inventors: 裕二岡田; 大介芹野; 省三田辺
Original assignee: Shimadzu Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Shimadzu Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010210266A

Description

本発明は、ガス分析装置の技術に関し、より詳細には、金属中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置の技術に関する。

ダイカスト鋳造法は、高圧・高速でアルミニウム、マグネシウム若しくは亜鉛又はこれらの合金等の溶融金属を金型内に射出し、充填成形することにより金属成形品（鋳造品）を製造する鋳造法である。しかし、かかる鋳造法は、溶湯の高速充填により周囲のガスが溶湯内に巻き込まれて、鋳造品中に保持炉の溶湯中のガス量に比べて多量のガス（気泡）が含有されてしまい、また、かかるガスと金属との反応によりできた酸化物等の介在物が鋳造品中に介在してしまうという問題がある。そのため、ダイカスト鋳造法により製造される鋳造品は、高温に保持されると、鋳造品中の圧縮ガスが膨張して鋳造品の表面にブリスターとして表出し、その結果、鋳造品の機械強度が著しく低減して、品質の信頼性が劣っていた。

そこで、これまでにも、今日の厳しい品質要求に応じて高品質で信頼性の高い鋳造品を提供すべく、鋳造品のガス量を低減するための新たなダイカスト鋳造法が提案されているところである（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。そして、そのような新たなダイカスト鋳造法を開発するに当たって重要な品質評価手段の一つとして、金属中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するためのガス分析装置に関する技術も幾つか提案されてきている（例えば、特許文献３又は特許文献４参照）。

通常、鋳造品などの金属中に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置としては、ランズレー式ガス分析装置や、極微量の水素元素や窒素元素に対するガス分析装置、又はこれら多元素の同時ガス分析装置などが提案されている。特に、従来アルミ鋳物用分析装置としては、上述したランズレー式ガス分析装置のように再溶解にてガス総量を測定する方法と、水素ガス分析装置のように電気伝導度変化率を用いて測定する方法とが知られている。

このような従来のガス分析装置では、主に、金属中に含まれる所定の組成成分を検出する検出手段として、ガス成分から所定の組成成分を分離して各組成成分を検出するガスクロマトグラフが用いられている。そして、この従来のガス分析装置のガスクロマトグラフでは、予め分析対象として所定の組成成分（ガス）が設定されており、分析時には、この設定された組成成分のみが分離検出され、定量分析されるように構成されている。

ところで、従来、金属中に内在するガス成分としては、大気成分の他、プランジャ用の潤滑剤や金型キャビティ用の離型剤等から生じる燃焼ガスが含まれ、その組成成分としては、具体的には、水素、酸素、窒素、メタン、一酸化炭素、及び二酸化炭素の無機系ガスの他、せいぜいメタン及びエタンの有機系ガスのみが含まれると考えられていた。そのため、従来のガス分析装置のガスクロマトグラフでは、これらの無機系ガスや有機系ガスのみが分析対象の組成成分として予め指定され、例えば、これらの指定された組成成分の総量に基づいてガス成分中の各組成成分の相対濃度などが演算され、かかる演算結果としての相対濃度が金属成形品（鋳造品）の評価に用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来のガス分析装置のように、上述した無機系ガスや有機系ガスだけを指定して演算された定量評価値としての相対濃度を用いて、金属成形品（鋳造品）の品質評価を行うと、例えば、異なる離型剤を用いた金属成形品（鋳造品）の品質評価を行った場合などでは、かかる品質評価の結果と金属成形品（鋳造品）の実性能や品質などの間で評価が異なり、品質評価にて良と評価されても、実際の金属成形品（鋳造品）の品質に問題がある場合などが発生していた。そのため、ガス分析装置における分析精度のさらなる向上が待望されているところであった。

このようにガス分析装置が分析精度に劣る要因としては、従来のガス分析装置では、過去の知見に基づいて、分析対象である組成成分において一部の無機系ガスや有機系ガスの組成成分のみが設定されていたが、そもそも、金属中のガス成分にこれらの組成成分以外のその他の組成成分が含まれている場合には、これらの組成成分だけを指定して演算された相対濃度の相対誤差が自ずと大きくなる。つまり、従来のガス分析装置では、金属中のガス成分に含まれる組成成分を網羅して分析するものでないため、ガス成分の正確な全ガス量を確定することができず、その結果分析精度が劣ることになると考えられる。

なお、このような視点から、上述した特許文献３又は特許文献４に示したようなガス分析装置においても、新たな組成成分をこのような金属中のガス成分の全ガス量、すなわちガス成分に含まれる組成成分について詳細に検討したものではなく、上述したような分析精度の問題は依然として解消されていないままである。

国際公開第２００４／０５８４３４号特開２００４−９１８１８号公報特開平１−３０８９３９号公報実公平６−５６２７号公報

そこで、本発明では、ガス分析装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、金属中のガス成分の分析精度をより高めたガス分析装置を提案することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

発明者らは、金属中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置に関する多様な研究を進めるうちに、ガス成分に含まれる所定の組成成分の構成に着目して鋭意検討を行った結果、そもそも金属中のガス成分には、これまでに検討されていなかった組成成分として特に水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）が多く含まれていることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

すなわち、請求項１においては、金属中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置において、金属を減圧加熱して金属中のガス成分を抽出するガス抽出部と、前記ガス抽出部にて抽出されたガス成分のガス量を検出するガス量検出部と、前記ガス成分に含まれる水蒸気ガスとその他の一般組成成分とを並行して検出する組成成分検出部と、前記ガス量検出部により検出されたガス量、及び前記組成成分検出部により検出された検出値に基づいて所定の演算処理を行って、前記ガス成分に含まれる所定の組成成分に関する定量評価値を演算する演算処理部と、を具備してなり、前記組成成分検出部は、前記ガス成分のうち一般組成成分を分離して検出する第一組成成分検出部と、前記ガス成分のうち水蒸気ガスを分離して検出する第二組成成分検出部と、前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部にそれぞれ前記ガス成分を導入するガス導入系とを有し、前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部は、前記ガス導入系に対して前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部の順にそれぞれ直列に配設されるものである。

請求項２においては、前記ガス量検出部は、前記ガス抽出部にて抽出された前記ガス成分のガス圧を検出する第一ガス量検出部と、前記組成成分検出部を介して機外に排出される前記ガス成分のガス流量を検出する第二ガス量検出部と、を有するものである。

請求項３においては、前記組成成分検出部は、前記ガス成分から所定の組成成分を分離する分離用カラムと、該分離用カラムで分離された組成成分を検出する検出器を備えるガスクロマトグラフであるものである。

請求項４においては、前記金属は、鋳造品であるものである。

本発明の効果として、金属中のガス成分の分析精度をより高めることができる。

本発明の一実施例に係るガス分析装置の全体的な構成を示したブロック図。組成成分検出部の流路構成図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず、本実施例のガス分析装置１の全体構成について、以下に概説する。
図１に示すように、本実施例のガス分析装置１は、金属成形品としての鋳造品２中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するための分析装置であって、具体的には、ガス抽出部３と、ガス量検出部４と、組成成分検出部５と、演算処理部６と、制御部７等とで構成されている。鋳造品２としては、ダイカスト鋳造法により鋳造されたアルミニウム合金などが用いられる。

ガス抽出部３は、鋳造品２を減圧加熱して鋳造品２中のガス成分を抽出するための減圧加熱炉３０として構成されており、この減圧加熱炉３０には炉内を所定の圧力まで減圧する減圧ポンプ３１と、炉内温度を所定の温度まで加熱する加熱ヒータ３２等が設けられている。減圧加熱炉３０内には、上述した鋳造品２が配設されるが、かかる際には、減圧加熱炉３０内及び鋳造品２に対してそれぞれ表面洗浄が十分に行われる。なお、減圧ポンプ３１及び加熱ヒータ３２は、後述する制御部７に接続され、所定の減圧状態（〜１０Ｔｏｒｒ程度）や加熱状態（１００℃〜８００℃程度）となるように制御される。

ガス抽出部３には、鋳造品２から抽出されたガス成分を減圧加熱炉３０から排出し、後述するガス量検出部４や組成成分検出部５等を介して機外に排出するためのガス成分導出管３３が設けられており、このガス成分導出管３３に対する各部の取付位置としては、ガス成分の移送方向に沿って上流側から順に、減圧加熱炉３０→ガス量検出部４（第一ガス量検出部４０）→組成成分検出部５→ガス量検出部４（第二ガス量検出部４１）が配設されている。

ガス抽出部３では、減圧加熱炉３０内に鋳造品２を載置させた状態で、減圧ポンプ３１及び加熱ヒータ３２が作動されることで、かかる鋳造品２が加熱溶融されて鋳造品２中のガス成分が抽出される。そして、このようにして抽出されたガス成分が、ガス成分導出管３３を介してガス量検出部４や組成成分検出部５に移送された後に、機外へと排出される。

ガス量検出部４は、ガス抽出部３にて抽出されたガス成分のガス圧を検出する第一ガス量検出部４０としての圧力センサ及び電磁弁（図略）と、組成成分検出部５を介して機外に排出されるガス成分のガス流量を検出する第二ガス量検出部４１としての流量センサとで構成されている。

このうち、第一ガス量検出部４０としての圧力センサ及び電磁弁は、減圧加熱炉３０と組成成分検出部５との間に配設されている。圧力センサは、後述する演算処理部６に接続され、減圧加熱炉３０よりガス成分導出管３３内に導出されたガス成分のガス圧が検出されるとともに、電磁弁は、制御部７に接続され、制御部７により電磁弁が開閉制御されることでガス成分導出管３３内へのガス成分の導出が制御される。

本実施例では、後述する演算処理部６にて、圧力センサにより検出されたガス圧に基づいて、電磁弁による開放前後での減圧加熱炉３０内のガス圧の差が演算され、ガス成分の全ガス量が演算される。つまり、電磁弁を閉じた状態で、減圧加熱炉３０が減圧ポンプ３１により所定の圧力にまで減圧されて、かかる状態で鋳造品２が加熱溶融されると、所定の圧力下で減圧加熱炉３０内にガス成分が充満し、その後電磁弁が開放されて、減圧加熱炉３０内からガス成分がガス成分導出管３３へと導出されると、減圧加熱炉３０内の圧力は増加したガス成分の全ガス量に対応する分だけ増加する。そのため、第一ガス量検出部４０により検出された減圧加熱炉３０内のガス圧を演算することで、かかる演算値から減圧加熱炉３０にて抽出されたガス成分の全ガス量を算出することができるのである。

また、第二ガス量検出部４１としての流量センサは、ガス成分導出管３３において組成成分検出部５の下流側に配設され、後述する演算処理部６に接続されており、ガス成分導出管３３を流れるガス流量（ガス成分導出管３３より機外に排出されるガス流量）が検出される。本実施例では、後述する演算処理部６にて、第二ガス量検出部４１により検出されたガス流量に基づいて、ガス成分導出管３３を流れるガス量の変化を演算して、ガス成分の全ガス量が変化することなく組成成分検出部５より排出されているか否かが確認（チェック）される。

図２に示すように、組成成分検出部５は、ガス成分に含まれる水蒸気ガスとその他の一般組成成分とを並行して検出するように構成されており、具体的には、ガス成分のうち一般組成成分を分離して検出する第一組成成分検出部５０と、ガス成分のうち水蒸気ガスを分離して検出する第二組成成分検出部５１と、第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１にそれぞれガス成分を導入するガス導入系５ａ等とを有している。特に、本実施例の第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１は、ガス成分から所定の組成成分を分離する分離用のメインカラムＭＣ１〜ＭＣ４と、メインカラムＭＣ１〜ＭＣ４で分離された組成成分を検出する検出器５５・５８とを備えるガスクロマトグラフとして構成されている。

ここで、本実施例では、組成成分検出部５における分析対象の組成成分として、鋳造品２中のガス成分に含まれる全ての組成成分を指定することが可能となるように構成されており、特に、第一組成成分検出部５０では、一般組成成分としての無機系ガスや有機系ガスが分析対象の組成成分とされ、第二組成成分検出部５１では、水蒸気ガスが分析対象の組成成分とされる点が特徴である。つまり、従来では、かかるガス成分には少なくとも水蒸気ガスが含まれると認識されていなかったため、組成成分検出部５での分析対象の組成成分として指定されることはなかったところ、本実施例では、ガス成分から水蒸気ガスを分離して検出する構成を備えているところが特徴となっている。

第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１は、組成成分検出部５に設けられたガス導入系５ａにおいて、ガス導入系５ａを流れるガス成分の上流側から下流側に向けて、第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１の順にそれぞれ直列に配設されている。すなわち、組成成分検出部５では、上述したガス成分導出管３３よりガス導入系５ａに導入されたガス成分は、まず第一組成成分検出部５０に移送され、次いでその下流側に配設される第二組成成分検出部５１に移送されるように構成されている。そして、各第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１には、それぞれ分離用のメインカラムＭＣ１〜ＭＣ４と、メインカラムＭＣ１〜ＭＣ４で分離された組成成分を検出する検出器５５・５８が設けられているため、各第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１において、ガス成分に含まれる水蒸気ガスとその他の一般組成成分とが並行して検出されるのである。

第一組成成分検出部５０では、鋳造品２中のガス成分に含まれる鋳造品２中のガス成分に含まれる組成成分として、水素、酸素、窒素、メタン、一酸化炭素、及び二酸化炭素などの無機系ガスと、炭化水素類として炭素数が１〜６までの成分を含む有機系ガスとが分離して検出される。炭素数ｎの炭化水素類をＣｎと表すとすると、有機系ガスとしては、例えば、Ｃ１成分（メタン）、Ｃ２成分（エタン、エチレン）、Ｃ３成分（プロパン、プロピレンなど）、Ｃ４成分（ｎ−ブタン、ｉ−ブタンなど）、Ｃ５成分（ｎ−ペンタン、ｉ−ペンタンなど）、Ｃ６成分（ベンゼンなど）が挙げられる。

なお、第一組成成分検出部５０にて分析対象となる組成成分としては、有機系ガスであれば、Ｃ３成分〜Ｃ６成分は、ガス成分に極微量程度（〜十数ｐｐｍ）しか含まれないため、少なくとも、Ｃ１成分（メタン）及びＣ２成分（エタン）が設定されることが好ましい。ただし、第一組成成分検出部５０を構成するメインカラムＭＣ１〜ＭＣ３の分離性能や検出器５５の検出精度を考慮して、他のＣ３成分〜Ｃ６成分を分析対象とすることは何ら差し支えない。

具体的に、図２に示す第一組成成分検出部５０の流路構成図を概説すると、ガス抽出部３より延出されたガス成分導出管３３が実線及び点線で示す二つの接続状態に切り替え可能な第一切替バルブＶ１のポートａと接続されており、第一切替バルブＶ１のポートｃには、キャリブレーションのための標準ガスが供給される標準ガス供給口が接続されている。また、第一切替バルブＶ１のポートｂは、サンプリングバルブである第二切替バルブＶ２のポートａと接続されている。

第二切替バルブＶ２においても、同様に実線及び点線で示す二つの接続状態に切り替え可能とされており、第二切替バルブＶ２のポートａはポートｊと接続されており、ポートｊとポートｃとの間には、第一計量管５３が接続されている。また、第二切替バルブＶ２のポートｅとポートｉの間には第一プレカラムＰＣ１が接続され、ポートｈは第一チョークカラムＣＣ１を介して排気口（ＶＥＮＴ）に連通されている。さらに、ポートｇには第一ダミーカラムＤＣ１が接続され、その第一ダミーカラムＤＣ１の他端とポートｄとは共にキャリアガスの供給圧を制御しながら供給するキャリアガス供給口５４に接続されている。

第二切替バルブＶ２のポートｆは、第一メインカラムＭＣ１を介して同様に実線及び点線で示す二つの接続状態に切り替え可能な第三切替バルブＶ３のポートａに接続されており、第三切替バルブＶ３のポートｃ及びポートｅはそれぞれ第二メインカラムＭＣ２及び第三メインカラムＭＣ３を介して熱伝導度検出器（ＴＣＤ）の第一検出器５５のサンプル側流路へと延出されている。また、第三切替バルブＶ３のポートｂとポートｆとは直結されており、ポートｄは第二ダミーカラムＤＣ２に接続されている。そして、この第二ダミーカラムＤＣ２の他端には、上述したキャリアガス供給口５４が接続されると共に、第一リファレンスカラムＲＣ１を介して第一検出器５５のリファレンス側流路に接続されている。

図２に示すように、第二組成成分検出部５１では、鋳造品２中のガス成分に含まれる鋳造品２中のガス成分に含まれる組成成分として、水蒸気（水蒸気ガス、Ｈ₂Ｏ）が分離されて検出される。すなわち、組成成分検出部５（第二組成成分検出部５１）にて、ガス成分に含まれる水蒸気ガスを分離して検出することで、後述するように、ガス成分に含まれる組成成分の分析精度を向上することができる。

具体的に、図２に示す第二組成成分検出部５１の流路構成図を概説すると、第一組成成分検出部５０の第二切替バルブＶ２のポートｂが第四切替バルブＶ４のポートａに接続されており、この第四切替バルブＶ４においても、同様に実線及び点線で示す二つの接続状態に切り替え可能とされており、第四切替バルブＶ４のポートｅとポートｆとの間には第
二計量管５６が接続されている。ポートｃはキャリアガスの供給圧を制御しながら供給するキャリアガス供給口５７に接続されており、ポートｄは第四メインカラムＭＣ４を介して熱伝導度検出器（ＴＣＤ）としての第二検出器５８のサンプル側流路へと延出されるとともに、第二リファレンスカラムＲＣ２を介して第二検出器５８のリファレンス側流路に接続されている。そして、ポートｅがポートｂに接続されて、このポートｂにガス成分導出管３３の下流側が接続されている。

なお、切替バルブＶ１〜Ｖ４は、後述する制御部７に接続されており、その切り替え動作は図示しない制御回路によって自動的に制御される。また、第一検出器５５及び第二検出器５８は、後述する演算処理部６に接続されており、各検出器５５・５８の出力信号が演算処理部６に入力され、演算処理部６において所定の演算処理やデータ処理などが行われる。

図１に戻って、演算処理部６は、パーソナルコンピュータなどで具現化され、図示せぬキーボードなどの操作部や、ディスプレイやプリンタなどの出力部等が付設されている。本実施例の演算処理部６では、ガス量検出部４により検出されたガス量、及び組成成分検出部５により検出された検出値に基づいて所定の演算処理を行って、ガス成分に含まれる所定の組成成分に関する定量評価値が演算される。

演算処理部６にて演算される「定量評価値」としては、ガス成分に含まれる組成成分の定量評価に関する所定の値を採用することができ、例えば、所定の組成成分の濃度や、組成成分ごとの相対濃度や、ガス成分の全ガス圧・全ガス量や、各組成成分のガス発生量や、単位重量当たりのガス量や、全ガス圧／組成成分の濃度の比や、ガス成分のガス流量などが演算される。

演算処理部６における所定の演算処理の具体的内容としては、「所定の組成成分の濃度」は、上述した第一検出器５５及び第二検出器５８より入力された検出信号（分析値）に基づいて、時間経過に伴って順次得られる検出信号によりクロマトグラムが作成され、そのクロマトグラムに現れたピークの面積から所定の組成成分の濃度が演算される。
また、「組成成分ごとの相対濃度」は、予め分析対象として設定された組成成分の濃度が全て演算された後に、組成成分ごとの相対濃度が演算される。

「ガス成分の全ガス圧」は、上述したガス量検出部４を構成する第一ガス量検出部４０より入力された検出信号に基づいて、例えば、減圧加熱炉３０の容量や温度に基づいて演算される。このガス成分の全ガス圧は、組成成分の濃度と相関があり、全ガス圧／組成成分の濃度の比が演算されることで、ガス成分が確実に組成成分検出部５にて検出されているか否かを定量的に評価することができる。

「ガス成分のガス流量」は、上述したガス量検出部４を構成する第二ガス量検出部４１により入力された検出信号に基づいて、一定のガス成分が組成成分検出部５を通過して機外に排出されるガス成分の流量が演算される。特に、このガス成分の流量は、経時変化（変化量）を演算することで、組成成分検出部５などでガス成分の反応や結露による欠損を把握することができる。

図１に戻って、制御部７は、上述した組成成分検出部５を構成する、切替バルブＶ１〜Ｖ４の電磁解放弁などを制御するものであって、上述した演算処理部６と同一のパーソナルコンピュータにて具現化することができる。この制御部７では、所定の制御プログラムによって各部の動作が制御されて、ガス成分のチャージングやサンプリングなどが実行される。

ここで、本実施例のガス分析装置１の分析手順を、以下に説明する。
まず、ガス分析装置１を用いて鋳造品２中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するには、ガス抽出部３内に所定の分析対象となる鋳造品２が載置される。そして、分析が開始されると、ガス抽出部３において減圧ポンプ３１及び加熱ヒータ３２が作動されてて、鋳造品２が減圧加熱される。このとき、ガス抽出部３は、制御部７により所定の減圧状態（〜１０Ｔｏｒｒ程度）や加熱状態（〜８００℃程度）となるように制御される。

そして、ガス抽出部３にて鋳造品２が減圧加熱されてガス成分が抽出されると、ガス成分がガス抽出部３からガス成分導出管３３を介して組成成分検出部５に移送される。このとき、第一ガス量検出部４０において、電磁弁が開放されるとともに、圧力センサによりガス抽出部３より移送された直後のガス成分導出管３３内のガス成分のガス圧が検出され、検出された検出信号が演算処理部６に出力される。

組成成分検出部５に移送されたガス成分は、第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１において、次の分析順序にて、ガス成分に含まれる所定の組成成分が分析される。

まず、組成成分検出部５では、切替バルブＶ１〜Ｖ４が図２中に実線で示す接続状態に切り替えられている。ガス成分導出管３３を介して一定流量で供給されたガス成分は、第一組成成分検出部５０の第一計量管５３及び第二組成成分検出部５１の第二計量管５６を通過して、組成成分検出部５よりガス成分導出管３３を介して機外に排出されるとともに、第一計量管５３及び第二計量管５６には所定容量のガス成分が保持される。

なお、組成成分検出部５より排出されるガス成分は、第二ガス量検出部４１としての流量センサによりガス成分導出管３３を流れるガス流量（ガス成分導出管３３より機外に排出されるガス流量）が検出され、検出信号が演算処理部６に出力される。

このとき、第一組成成分検出部５０では、キャリアガス供給口５４より供給されるキャリアガス（アルゴンガス）が第一プレカラムＰＣ１及び第一チョークカラムＣＣ１を通過して排出されるとともに、第一ダミーカラムＤＣ１を介して第一メインカラムＭＣ１に流されている。これにより、後述するように第一プレカラムＰＣ１内部に吸着している成分などが運び去られる。

次いで、第一組成成分検出部５０では、第一、第二切替バルブＶ１、Ｖ２において、図２中に点線で示す接続状態に切り替えられると、第一組成成分検出部５０では、キャリアガス供給口５４を介して供給されるキャリアガスは第一計量管５３を先と逆方向に流れて、ガス成分が押し出される。押し出されたガス成分は、第一プレカラムＰＣ１を通過した後に第一メインカラムＭＣ１に導入され、ガス成分が第一メインカラムＭＣ１を通過する間に、主として、酸素、窒素、メタンを中心とする第一群と、二酸化炭素、エタンを中心とする第二群とに分離される。ガス成分に水素や一酸化炭素が含まれている場合には、これらの成分は第一群に属する。第一メインカラムＭＣ１から流出した第一群に属する各成分は、第三メインカラムＭＣ３に導入され、第三メインカラムＭＣ３を通過する間に組成成分ごとに分離されて第一検出器５５へ送られる。

そして、所定時間が経過した時点で、第三切替バルブＶ３が図２中に点線で示す接続状態に切り替えられる。この切り替えのタイミングは第一群に属する成分が第一メインカラムＭＣ１を通過した後、第二群に属する成分が流出し始めるまでの間になるように予め設定される。第一メインカラムＭＣ１から流出するガス成分は、第二メインカラムＭＣ２に導入され、第二メインカラムＭＣ２を通過する間に組成成分ごと分離されて第一検出器５５へ送られる。第一検出器５５では、始めに第三メインカラムＭＣ３により分離された酸素、窒素、メタンの順に組成成分が検出され、次いで、第二メインカラムＭＣ２により分離された二酸化炭素、エタンの順に組成成分が検出され、組成成分の量に応じた検出信号あ演算処理部６に出力される。

一方、第二組成成分検出部５１では、第四切替バルブＶ４が図２中に点線で示す接続状態に切り替えられると、キャリアガス供給口５７を介して供給されるキャリアガス（ヘリウムガス）が第二計量管５６を先と逆方向に流れ、ガス成分が押し出される。押し出されたガス成分は、第四メインカラムＭＣ４を通過する間に、ガス成分に含まれる水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素に分離されて、されて第二検出器５８に送られる。第二検出器５８では、この組成成分を検出し、その量に応じた検出信号が演算処理部６に出力される。

なお、本実施例の第二組成成分検出部５１では、第四メインカラムＭＣ４にて二酸化炭素を分離して検出するように構成されているが、これは、比較的安定なガスである二酸化炭素を第一組成成分検出部５０と同時にダブルチェックすることで、一酸化炭素などの不安定ガスの反応による欠損を把握しようとするものである。

このようにして、組成成分検出部５では短時間の間に、第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１から検出信号が得られ、この検出信号が演算処理部６に出力される。演算処理部６では、ガス量検出部４（第一ガス量検出部４０及び第二ガス量検出部４１）により検出されたガス量、及び組成成分検出部５により検出された検出値に基づいて所定の演算処理が行われて、ガス成分に含まれる所定の組成成分に関する定量評価値が演算される。

表１〜表３は、或る離型剤（水性離型剤及び油性離型剤）を用いた鋳造品２に対して、本実施例のガス分析装置１にて測定した際に描出される定量評価値を示したものである。
なお、各表において、分析対象としての他の組成成分（例えば、Ｃ３成分以上の有機系ガスなど）は、各表に記載した組成成分に比べて十分に検出量が小さいため示していない。また、試料１、２、５はブランク試験結果であり、試料５は試料３、４の鋳造品２の分析を行った後のブランク試験結果である。試料３は水性離型剤を用いた鋳造品２に対する分析結果であり、試料４は油性離型剤を用いた鋳造品２に対する分析結果である。

表１及び表２は、ガス成分の所定の組成分析を行った結果であり、試料１及び試料２の結果から、酸素と窒素の比率がおおよそ大気中の比率に近いことが確認された。これは、組成成分検出部５での空気の取り込みではなく、減圧加熱炉３０での空気の混入が原因であると考えられる。また、試料３及び試料４の結果から、油性離型剤を用いた場合の方が、水性離型剤を用いた場合よりも水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）や水素の濃度が高いことが確認された。
また、表２に示すように、試料３及び試料４においてガス圧／総濃度の比率を比較すると、水性離型剤を用いた場合と油性の離型剤を用いた場合とで近似する値（１．０）となることが確認された。ただし、総濃度において水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）の濃度を考慮しないとすると、水性離型剤を用いた場合（１．４）と油性の離型剤を用いた場合（２．２）とで一致しなくなることが確認された。

また、表３に、所定の組成成分の相対濃度を示す。このように、ガス成分に含まれる所定の組成成分の相対濃度を比較する際にも、水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）を考慮しないと、他の組成成分において相対濃度の相対誤差が大きくなることが分かる。

以上のように、本実施例のガス分析装置１は、鋳造品２中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置１において、鋳造品２を減圧加熱して鋳造品中のガス成分を抽出するガス抽出部３と、ガス抽出部３にて抽出されたガス成分のガス量を検出するガス量検出部４と、ガス成分に含まれる水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）とその他の一般組成成分とを並行して検出する組成成分検出部５と、ガス量検出部４により検出されたガス量、及び組成成分検出部５により検出された検出値に基づいて所定の演算処理を行って、ガス成分に含まれる所定の組成成分に関する定量評価値を演算する演算処理部６とを具備してなるため、鋳造品２中のガス成分の分析精度をより高めることができる。

すなわち、本実施例のガス分析装置１は、分析対象である組成成分において一部の無機系ガスや有機系ガスの組成成分のみを設定するだけでなく、特に、分析対象となる組成成分に金属中のガス成分に多く含まれる水蒸気ガス（Ｈ₂Ｏ）を設定するものである。そのため、鋳造品２中のガス成分に含まれる組成成分を網羅して分析することができるとともに、ガス成分の正確な全ガス量を確定することができるため、金属中のガス成分の分析精度をより高め、ひいては金属成形品としての鋳造品の品質評価精度を高めることができるのである。

また、本実施例のガス分析装置１では、組成成分検出部５は、ガス成分のうち一般組成成分を分離して検出する第一組成成分検出部５０と、ガス成分のうち水蒸気ガスを分離して検出する第二組成成分検出部５１とを有するため、第二組成成分検出部５１において水蒸気ガスの検出感度の調整が容易となる。

特に、この組成成分検出部５は、第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１にそれぞれガス成分を導入するガス導入系５２を有し、ガス導入系５２に対して第一組成成分検出部５０及び第二組成成分検出部５１の順にそれぞれ直列に配設されるため、第二組成成分検出部５１がガス導入系５２の下流側に配設されることで、第二組成成分検出部５１に導入されるガス成分の温度プロファイルの調整が容易となり、水蒸気ガスの検出感度をより向上させることができる。すなわち、組成成分検出部５に導入されるガス成分は、高温状態（数百℃）にあるが、ガス導入系５２中を移送される間に、第二組成成分検出部５１にて水蒸気ガスを検出するための最適温度となるように容易に調整することができる。

また、ガス量検出部４は、ガス抽出部３にて抽出されたガス成分のガス圧を検出する第一ガス量検出部４０と、組成成分検出部５を介して機外に排出されるガス成分のガス流量を検出する第二ガス量検出部４１と、を有するため、ガス成分のより正確な全ガス量を精度よく確定することができるため、定量評価値の信頼性をより高めることができる。

また、上述した実施例において組成成分検出部５は、ガスクロマトグラフとして構成されているが、かかる組成成分検出部５の構成としては、各種のものが考えられるが、金属中のガス成分に含まれる組成成分を検出できるものとしては、典型的な構成として、ガスクロマトグラフが好ましく用いられる。

なお、本実施例のガス分析装置１の構成としては、上述した実施例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１ガス分析装置
２鋳造品
３ガス抽出部
４ガス量検出部
５組成成分検出部
６演算処理部
７制御部
４０第一ガス量検出部
４１第二ガス量検出部
５０第一組成成分検出部
５１第二組成成分検出部

Claims

金属中のガス成分に含まれる所定の組成成分を分析するガス分析装置において、
金属を減圧加熱して金属中のガス成分を抽出するガス抽出部と、
前記ガス抽出部にて抽出されたガス成分のガス量を検出するガス量検出部と、
前記ガス成分に含まれる水蒸気ガスとその他の一般組成成分とを並行して検出する組成成分検出部と、
前記ガス量検出部により検出されたガス量、及び前記組成成分検出部により検出された検出値に基づいて所定の演算処理を行って、前記ガス成分に含まれる所定の組成成分に関する定量評価値を演算する演算処理部と、
を具備してなり、
前記組成成分検出部は、前記ガス成分のうち一般組成成分を分離して検出する第一組成成分検出部と、前記ガス成分のうち水蒸気ガスを分離して検出する第二組成成分検出部と、前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部にそれぞれ前記ガス成分を導入するガス導入系とを有し、
前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部は、前記ガス導入系に対して前記第一組成成分検出部及び第二組成成分検出部の順にそれぞれ直列に配設される、
ことを特徴とするガス分析装置。
前記ガス量検出部は、
前記ガス抽出部にて抽出された前記ガス成分のガス圧を検出する第一ガス量検出部と、
前記組成成分検出部を介して機外に排出される前記ガス成分のガス流量を検出する第二ガス量検出部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
前記組成成分検出部は、前記ガス成分から所定の組成成分を分離する分離用カラムと、該分離用カラムで分離された組成成分を検出する検出器を備えるガスクロマトグラフであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス分析装置。
前記金属は、鋳造品であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のガス分析装置。