JP5536149B2 - 双方向バラスト - Google Patents
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Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、Ｐｅｔｅｒ Ｍ．Ｗｉｌｌｉｓによって２０１１年７月１９日に出願された「BIDIRECTIONAL BALLAST」と題する米国仮特許出願第６１／５０９，２２７号の利益及び米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張するものであり、この米国仮特許出願の開示全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
本出願は、Ｐｅｔｅｒ Ｍ．Ｗｉｌｌｉｓによって２０１１年７月１９日に出願された「BIDIRECTIONAL BALLAST」と題する米国仮特許出願第６１／５０９，２２７号の利益及び米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張するものであり、この米国仮特許出願の開示全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
本発明は、元素分析装置、特に分析物の収集に一個以上の双方向バラストを使用する分析装置に関する。この新しいバラストシステムは、既存のバラスト型ＣＨＮ（Ｓ）有機物測定器の範囲と性能を拡張するものである。
有機物質中の炭素、水素、窒素等の元素の測定が多くの理由で望まれている。近年、食品市場は、試料中のタンパク質の量を測定することに関心を持ってきており、この量は、窒素含有率によって測定することができる。従って、栄養市場に有益な情報を提供する際に窒素の測定は重要である。石炭やコークス試料の特性を決定する際には、炭素と水素の比率は、様々な他の有機物質中の炭素、水素及び窒素の比率と同じように望まれる。従ってこの所、これら及びその他の用途のために、元素分析装置が使用されている。
ミシガン州セントジョーゼフのＬｅｃｏ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＴｒｕＳｐｅｃ（登録商標）分析装置等、現在の有機燃焼分析装置では、高温炉内に酸素（０2）ガスが通される。炉内には、燃焼とその後の分析のために試料物質が配置される。燃焼ガスは、典型的には容積が６リットルの可動ピストンバラスト内に捕捉され、ガスは、約１．５気圧に加圧される。バラスト内が平衡状態にされた後で、ガスは、１０ｃｃのアリコートループを通して排出され、その後アリコートループは大気圧で平衡状態にされる。このプロセスにより、燃焼ガスの約１／９００の部分が、更なる分析のために使われる。収集されたガスの残りは、分析されることなく排出される。このシステムは、本譲受人に譲渡された特許文献１に記載されており、この特許文献１の開示を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５も、本発明のシステムで使用することができる燃焼システムの構成要素を開示している。特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５の開示も本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
このような元素分析装置では、アリコートループの内容物が、ヘリウム流に送り込まれ、そこで、非分散赤外検出器（ＮＤＩＲ）セルを使用して水（Ｈ2０）と二酸化炭素（ＣＯ2）が測定される。最後に、熱伝導度（ＴＣ）セルを使用して窒素（Ｎ2）が測定される。ＴＣセルは非識別型検出器なので、Ｎ2の測定前にまず燃焼で生じた他の全てのガスを除去しなければならない。ドース（dose）が大きいと、スクラバを頻繁に交換しなければならず、コストとダウンタイムが生じるので、小さいアリコートループが望ましい。
先行技術には改良の余地がある。まず、バラストは、試料サイズと濃度の上限に合わせてサイズが決められる。その結果、極めて小さい試料又は低濃度の試料は、Ｏ2で過剰に希釈され、試料の検出ダイナミックレンジの下限が制限される。また、バラストが満杯になった後はそれ以上ガスを収集できないので、バラスト容積が一定だと上限が制限される。また、よりゆっくりと（例えば、バラストを満杯にする時間より長い時間で）燃焼する物質の回収が行われないことがある。また、分析時間は、炉のパージ時間と；大きなバラストの充填、平衡及び排出時間と；アリコートのドースの充填、平衡及び除去時間とに基づいて決定される。
開示された発明は、試料の燃焼中に小型の双方向バラストの両側に燃焼ガスを連続的に交互に充填して（又は、複数の小型のバラストに交互に充填して）、分析を幾つかの小さい区画に分割できるようにすることによって、上記の制限を克服する。小型バラストの片側が充填されている間に、充填済みの他方のバラストからのガスが、小容積のアリコート・ドーサ（aliquot doser）を介して排出される。次にアリコートは、分析のためにヘリウム流に送り込まれる。アリコート容積に対するバラスト容積の比率は、９００：１とすることができ、その結果、従来のバラストシステムに比べて、スクラバガスが多く消費されることはない。
分析を複数の小さい区画に分割することによって、低濃度材料が過剰に希釈されることが防止される。また、区画の数は限定されず、従って、必要に応じて高濃度物質又は低速燃焼物質の分析時間を延長することができる。バラストの充填は、試料物質が炉内に投入される直前に開始できる。このような初期のバラストサンプリングは、実時間ブランク測定が望まれる場合、これを可能にする。大きなバラストを備えた従来の測定機では、ブランクの測定に完全な分析シーケンスが必要とされる。燃焼期間中にガスを連続的に検出することによって、分析時間を自動的に調整してＯ2と洗浄剤（scrubbing reagent）を節約することができる。また、収集段階と分析段階が重なっているので、全体の分析時間を大幅に短縮することができる。
本発明は、燃焼用の試料を収容する燃焼炉を備えた分析装置を含む。燃焼炉からの燃焼副生成物の流路は、弁によって双方向バラストチャンバに結合されており、燃焼中にチャンバへの燃焼副生成物の充填とチャンバからの燃焼副生成物の排出を交互に行うように弁が順次作動される。
また、本発明は、試料中の元素の濃度を測定する方法を提供するものであり、この方法は、試料を燃焼させる段階と、双方向バラストの両側又は複数の低容積バラストにおいて燃焼副生成物ガスの収集と排出を交互に行う段階とを含む。
本発明は、また、チャンバを画定する外側壁と、この壁の両端にある封止エンクロージャと、チャンバ内に位置決めされた可動ピストンと、ピストンの両側で前記チャンバに結合されたガスポートとを有する分析装置用の双方向バラストチャンバである。
本発明の以上あるいはその他の特徴、目的及び利点は、添付図面を参照し以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。
最初に、好ましい実施形態である図１を参照すると、単一の双方向バラストチャンバ１０が示されている。図２は、２個の小型で低容量の個別バラストチャンバ１００及び１１０を使用する代替実施形態である。図１では、バラストＡに燃焼副生成物が充填されているとき、チャンバＡ及びＢを分離するピストン１２が、バラスト１０の上端に移動する。この間に、バラストＢは、ドースループ（Dose Loop）Ｂを介して排出する。ピストン行程の終わりで完全停止すると、炉圧の所定の圧力上昇が、検出器１４によって検出される。アリコートは、この過剰充填中に短い平衡時間を有する。圧力上昇によって、通常は弁とセンサのそれぞれに結合されたコントローラ１６が起動し、弁の状態を変化させてバラストＢを充填し始める。同時に、ドーサが切り換えられて、ドースループＢの内容物をヘリウム流に放出し、バラストＡの排気によりドースループＡに充填する。
図２のシステムは、１対の比較的小型で低容積（約０．５リットル）バラストチャンバ１００及び１１０を使用する類似の方式で動作する。両方のシステムにおいて、コントローラ１６は、スライドゲート弁１〜４とそれらの状態を図４〜図６に示すように制御し、バラストチャンバＡ及びＢはそれぞれ、燃焼サイクル中に５〜２０回充填と排出が行われて、分析物が取得される。
燃焼は大気圧より僅かに高い圧力で起こり、その結果、炉の密閉に対する要求度が低くなる。バラストピストン１２は、両側にＯ2を有し、ピストンとＯリング間の領域においてＯ2と平衡させることができる。炉バラストとアリコートループは自動的にパージされる。何故なら、分析は、再びベースライン（ブランクレベル）に達するまで（供給路に燃焼汚染物質が存在しない状態になるまで）続くからである。次の分析は、現在の分析においてベースラインに達した直後に開始できる。
図４は、多数のサンプリングサイクルの内の２個のサンプリングサイクルの間において、図１と図２に示すバラストチャンバと共に使用される弁の制御を示すタイミング図である。
図５Ａ〜図５Ｄは、図１と図２のバラストＡの充填とバラストＢの放出を制御するためのスライドゲート弁と流路の概要図である。
図６Ａ〜図６Ｄは、図１と図２のバラストＢの充填とバラストＡの放出のためのスライドゲート弁と流路の概要図である。
分析は、１回又は複数回のブランクを注入することで始まり、次に試料が燃焼炉に導入される。中間ピークは、分析が進むにつれて高さが変化し、燃焼が終わった後でブランクレベルに戻る。２個のバラスト並びにドースループＡ及びＢは、自己浄化され、次の分析の準備をするために現状では必要とされているパージを無くすことができる。図３は、システムのＴＣセル出力を示す。個々のピークは、弁と検出セルに結合されたコントローラ１６によって積分されて、総窒素量の測定値が提供される。ＮＤＩＲセンサは、燃焼中に存在する試料の水素と炭素の含有量を表わす類似の信号を提供する。バラスト４．５リットルの相当物の燃焼時間は、約１．５分である。分析が９個の区画に分割された場合、各区画は約１０秒続く。
図７は、本発明のシステムに関連して使用することができる典型的な比較的小型の双方向バラストチャンバ１０を示す。このバラストチャンバは、円筒状ガラス外側壁１５を有し、密封端板１８及び２０が、複数の支持体２２によって壁１５に対して密封され離間された関係で支持されている。図１に概略的に示すように、各端板１８及び２０のガス入口及び出口は、図７に示す接続部２４等の密封ガス接続である。チャンバは、２個の離間されたＯリング１１及び１３を有する浮動円盤形ピストン１２を有する。ピストン１２は、チャンバ１０を両側（ＡとＢ）に分割し、図７では下降位置で示されており、この位置では、バラスト容積Ａが排出されており、ピストン１２より上のバラスト容積Ｂが充填されている。
下記は、図１と図２に示すシステムの利点の要約である。
・分析速度が速い（時間が１／２未満）。
・使用されるＯ2が少なく（典型的には１／２未満）分析コストが減少し、分析で量が規定され、オペレータは、可変充填バラストの場合のように予測する必要がない。
・必要な試薬が減少し（１／２未満）、分析コストが低減する。
・ダイナミックレンジがより大きい（低レベルと高レベル）（上限がバラストサイズにより限定されず、下限が希釈によって限定されない）。
・希釈が少ないので信号対雑音比が改善される。
・バラストが小さい（パッケージ占有面積が小さい）。
・ブランクが極めて高速で、ブランクが分析の前後に自動で行われる。
・パージ時間が高速（システムが自己洗浄する）。
・バラストピストンが０リング間のＯ2と平衡する。
・燃焼圧力が低い。
・分析速度が速い（時間が１／２未満）。
・使用されるＯ2が少なく（典型的には１／２未満）分析コストが減少し、分析で量が規定され、オペレータは、可変充填バラストの場合のように予測する必要がない。
・必要な試薬が減少し（１／２未満）、分析コストが低減する。
・ダイナミックレンジがより大きい（低レベルと高レベル）（上限がバラストサイズにより限定されず、下限が希釈によって限定されない）。
・希釈が少ないので信号対雑音比が改善される。
・バラストが小さい（パッケージ占有面積が小さい）。
・ブランクが極めて高速で、ブランクが分析の前後に自動で行われる。
・パージ時間が高速（システムが自己洗浄する）。
・バラストピストンが０リング間のＯ2と平衡する。
・燃焼圧力が低い。
本システムは、既存の制御回路を使用して弁を制御し圧力を測定できる。既存のＴＣ又はＩＲセル組立体を検出器として使用でき、またバラスト及びドーサ・オーブン（doser oven）のために温度コントローラを使用できる。ミシガン州セントジョーゼフのＬｅｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているソフトウェアＬａｂＶｉｅｗ（商標）が、システムを制御し、データを収集することができる。デュアル回転式ドーサ又はデュアル往復型ドーサを使用することができる。小さい炉は、バラストチャンバを保持する。 ０．５リットルの２個のバラスト又は直径３インチｘ長さ５インチの０．５リットルバラストを使用することができる。システムは、燃焼分析を評価するためにＬｅｃｏ社製のモデルNo.ＦＰ６２８又はＴｒｕＭａｃ（登録商標）コントローラに接続できる。幾つかのシステムでは、複数（３個以上）の比較的低容積のバラストチャンバを使用し、ドーサへの試料の充填と放出を順次行うように制御してもよい。
本明細書の教示により、複数の双方向又は一方向バラストを使用して分析装置の性能を改善できることは当業者に明らかであろう。また、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなくそのような或いはその他の修正を行えることは当業者に明らかであろう。
１０ 双方向バラストチャンバ
１２ ピストン
１４ 検出器
１６ コントローラ
１００、１１０ 個別バラストチャンバ
１２ ピストン
１４ 検出器
１６ コントローラ
１００、１１０ 個別バラストチャンバ
Claims (10)
- 分析装置であって、
燃焼用の試料を収容するための燃焼炉と、
前記燃焼炉からの燃焼副生成物の流路と、
双方向バラストチャンバと、
前記バラストチャンバを前記燃焼副生成物の流路に結合する弁であって、前記チャンバへの燃焼副生成物の充填と前記チャンバからの燃焼副生成物の排出を交互に行うために順次作動される弁とを有する分析装置。 - 前記バラストチャンバは、前記チャンバを２個の両側の区画に分割する可動ピストンを有する、請求項１に記載の分析装置。
- 試料を燃焼させる段階と、
双方向バラストの両側において燃焼副生成物の収集と排出を交互に行う段階とを含む、試料中の元素の濃度を測定する方法。 - 前記収集する段階が、更に前記双方向チャンバと関連付けられた弁を順次作動させて前記チャンバの両側において充填と排出を交互に行う段階を含む、請求項３に記載の方法。
- 分析装置用の双方向バラストチャンバであって、
チャンバを画定する外側壁と、
前記壁の両端にあるエンクロージャと、
前記チャンバ内に位置決めされた可動ピストンと、
前記ピストンの両側で前記チャンバと結合されたガスポートとを有する双方向バラストチャンバ。 - 前記壁が円筒状である、請求項５に記載のチャンバ。
- 前記ピストンが円盤状である、請求項６に記載のチャンバ。
- 前記ピストンが１対の離間された封止Ｏリングを有する、請求項７に記載のチャンバ。
- 前記ガスポートに結合された弁を更に有する、請求項８に記載のチャンバ。
- 前記弁を交互に作動させて前記ピストンの両側においてガスの充填と排出を交互に行うように前記弁に結合されたコントローラを更に備えた、請求項９に記載のチャンバ。
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