JP5587263B2 - 燃焼炉自動清掃機 - Google Patents

Description

本出願は、Ｇｏｒｄｏｎ Ｃ． Ｆｏｒｄらによって２０１０年８月１２日に出願された米国仮出願第６１／３７３０１４号（発明の名称：燃焼炉自動清掃機）の利益と米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での優先権を主張する。なお、米国仮出願第６１／３７３０１４号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、分析装置用燃焼炉、特に自動清掃システムに関する。

誘導加熱炉を使用した無機固体試料の燃焼には、加圧された酸素に富む環境が必要である。一般に、この加圧された環境を維持するために石英製の燃焼管が使用される。更に、下流側の分析機器を損傷する恐れのある燃焼残留物を除去するために、一般にフィルタが燃焼管に隣接して被分析ガスの流れの中に置かれる。或る炉システムでは、燃焼管内に位置決めされたるつぼ内に試験片が置かれ、試験片を燃焼させるために誘導コイルで加熱される。その後、試験片から放出された気体を分析し、試験片の一以上の構成元素を判定する。その様にして使用される燃焼管は何回も使用できるが、各燃焼の後、一般に燃焼行程中に発生する酸化物やその他の汚染物質が管の内部を被覆する傾向がある。従って、分析工程において燃焼管とフィルタが塵や燃焼残留物で被覆される。これ等の燃焼副産物の除去は、質の高い分析結果を維持すると共に試料スループットを延長するために必須である。

燃焼管とこれに関連するフィルタを清掃する場合、フィルタと燃焼管の内部表面全体に亘ってワイヤブラシを移動させる必要がある。特許文献１は、手動操作ブラシを採用してフィルタと燃焼管から残留物を離脱させて回収する初期の設計を開示している。

現在の設計では、るつぼ台と下側シール組立体を下降させた時に、塵や燃焼残留物が燃焼管の下端を閉じる真空ダストドア上に回収される。この従来の設計では、回転しない清掃ブラシがフィルタと燃焼管を通して直線状に伸ばされる時、燃焼管と連通するマニホールドが真空源に接続される。そして、残留物は回収箱に移送される。この設計では、清掃が完了した時、真空ダストドアが開き、次の分析サイクルを可能にする。しかし、燃焼るつぼが真空ダストドア内に落ち、ドアが開かなくなる事態が頻繁に起こる。この様な事態が起こると、作業者は、追加の分析を継続する前にシステムを部分的に分解して修理しなければならない。また、従来の設計では、真空ダストドアや下部シールカップが、燃焼副生成物の堆積によって動かなくなってしまい、手動による清掃が必要となることがある。

米国特許第４２３４５４１号（１９８０年１１月１８日発行）

従って、フィルタと管の清掃をより良好に行える改善された分析用燃焼炉に対するニーズが存在する。

本発明のシステムは、燃焼管の上方のフィルタチャンバから容易に取り外せる清掃組立体を提供することでこの目標を達成する。本自動清掃組立体はブラシを有する。ブラシがフィルタチャンバを通して下降されて燃焼管内に入れられる時にブラシが回転する。この時、燃焼管の下端を通して真空引きが行われる。この結果、炉のフィルタと燃焼管から塵を取り除くための流速が改善され、圧力差が大きくなる。更に、本システムは、従来の真空ダストドアを無くし、すでに分析システムと接続されている既存の下側のシール組立体を採用する。また、この設計は、ブラシと下側のシール組立体を順番に並べることにより、燃焼管にくっついているるつぼを移動させる。本清掃システムは、分析結果を改善すると共に、るつぼのつまりや手動清掃のための停止時間を減少させることにより分析のスループットを拡大できる。

本発明のこれら及びその他の特徴、目的及び利点は、以下の本発明の記載を読むと共に添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。

本発明の自動清掃機を採用した誘導炉の右側面図であり、一部はブロック図で示されている。 誘導炉の上方に位置決めされた自動清掃機の垂直断面での拡大詳細図である。 図２に示す清掃システムの下方に位置する誘導炉、燃焼管取り付けシステム及びるつぼ台の垂直断面である。 自動清掃機構と燃焼炉の垂直断面図であり、自動清掃機が上昇位置にある状態で示されている。 図４の構造の垂直断面図であり、自動清掃機が下降使用位置にある状態で示されている。 自動動作のための自動清掃機制御のプログラムを示す流れ図である。 自動清掃機ハウジングとフィルタ組立体の間のバイオネット取付部の斜視図である。 固定リング及びそれと清掃機組立体３０との関係を示す分解部分斜視図である。 カップ形状の下側シール体組立体の斜視図であり、残留物を除去するための真空開口部を示す。 燃焼管ベース体組立体と燃焼管の分解斜視図である。

最初に図１を参照すると、本発明の自動清掃機構を含む誘導炉組立体２０が示されている。炉２０は、ミシガン州セントジョセフのＬｅｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な炭素・硫黄分析器モデル番号ＣＳ６００に類似した分析器と共に使用できる。誘導炉２０は、取り外し可能な自動清掃機３０を有する。この動清掃機３０は、取付けフランジ４９によって炉ハウジング５０に密封固定された加熱フィルタ組立体４０にバイオネット接続部９５（図１及び図７）によって取り外し可能に取り付けられている。結合フランジ９６と溝９８を備えたバイオネット取付け部９５は、気体導入口１４（図１）と出口４２及び下方のダストフィルタ４０に関連するその他の接続部に近接してその上方に設けられているのが重要である。これらの接続部をバイオネット取付け部９５の下側に設けることにより、システムを保守のために日々分解する際に漏れが生じる可能性を大幅に減少できる。以下に述べるように清掃ブラシの回転中にバイオネット取付け部９５を所定の位置にロックするために、キー付きの軸方向に摺動可能なトルク固定リング６１（図２、図４、図５、図７及び図７Ａ）が採用されている。図７Ａの部分分解図に最も良く描かれているように、リング６１は、自動清掃機ハウジング３０外周壁３２’に対して、外れることなく且つ回転割出し可能に保持されている。この保持は壁３２’内の溝７３内で摺動して協働する、リング６１上の半径方向内側に延びたタブ７１によって行われる。溝７３は隆起部７５で終わっており、図７から分かるように、バイオネット取付け部におけるハウジング３０とフィルタ組立体４０との交差部の上方にリング６１を持ち上げることができるが、外れない様にハウジング３０に対して保持されている。バイオネット取付け部によって清掃機組立体ハウジング３０をフィルタ組立体ハウジング４１に固定する時には、リング６１が下方に移動され、これにより、リング６１の半径方向内側に突出したタブ６３が壁３２’の溝７９を摺動し、フィルタハウジング４１の外側円筒壁４１’の溝６５と係合する（図７）。これによりハウジング３０とハウジング４１が連結され、清掃工程の間にバイオネット取付け部が不意に緩むことが阻止される。

ハウジング５０は、迅速に取り外すことができる扉５２を有しており、この扉が取り外されると、誘導コイル５６（図３）によって取り囲まれた燃焼管５４が外部に晒される。管５４は、上側シール組立体５８（図４）により慣用の方法で、フィルタ組立体４０の下端に封止可能に結合される。試料保持用のるつぼ６２を保持する台６０（図３）は、カップ形状の組立体７０を介して、この組立体７０に結合されたロッド７４を備えた空気圧シリンダ７２（図１及び図３）によって上昇され、また燃焼管５４内に下降される。図３に示す位置では、シリンダロッド７４は上昇位置にあり、高周波コイル５６による誘導加熱によってるつぼ６２内の試料を燃焼させるためにるつぼ６２を燃焼管５４内に置く。

燃焼管ベース組立体８０（図３及び図９）は、管５４の下端を組立体７０に封止可能に結合するオーリング８１を有し、これにより、試料の燃焼中は、組立体７０の気体導入口７６（図８）を通して酸素が上方に流れ、分析のために燃焼副生成物を気体出口４２（図１）へと運ぶ。酸素は燃焼管５４の上方の螺旋状保持体４５（図２）の中央開口部４４にも供給される。この供給は、酸素導入口１４（図１）と、開口部４４と連通するインレットランス８２及び延長シャフト４７内の適切な封止された通路８６とによって行われる。清掃中は、塵及び残留物は、図１と図３において矢印Ａで示されているように空気流に乗って、組立体７０へ、詳しくは開口部７６（図３及び図８）を通して流れる。この開口部はダストトラップ１０２と関連して使用される真空ホース７７と空気作動式のピンチバルブ７８（図１）に通じており、ダストトラップ１０２は、自動清掃機３０と共同して燃焼残留物を真空除去するための真空クリーナ１００にホース１０１によって接続されている。

ハウジング５０は、容易に取り外すことができる燃焼管組立体９０（図１）を有している。この燃焼管組立体９０はベース組立体８０と協働し、２０１０年９月２４日に出願された米国特許出願第１２／８８９６２８号（発明の名称：EASILY REMOVABLE COMBUSTION TUBE）に詳細に記載されているように、燃焼ハウジング５０の下端から燃焼管５４を容易に引き出すことができる。なお、この米国特許出願の開示内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。

シリンダ７２の動作によりロッド７４が上昇され、ロッド７４によりるつぼ６２が燃焼管５４内に上昇されると共に、管の下端が組立体７０と組立体８０との間の封止された境界部によって封止される。この封止は、試料の燃焼とその後の分析器による分析のため行われるだけでなく、清掃シーケンスの間も行われる。誘導加熱式ヒータ５６は、燃焼中にるつぼの上方の中心に位置決めされた酸素ランス開口部４４（図２、図４及び図５）を通して注入される酸素の影響下で試料を燃焼させるために燃焼試料を約１０００℃〜約１５００℃に加熱する。

次に、同軸に位置合わせされた螺旋保持体４５、第１ブラシ４６、延長シャフト４７及び第２ブラシ４８を燃焼管５４内に伸ばして入れるための機構について図２〜図６を参照して議論する。自動清掃組立体３０は、ピストンロッド３６に結合されたピストン３４を収容する壁３２を備えたシリンダ３７を有する。ロッドは、固定の円筒ガイドスリーブ３８を取り囲んでおり、このガイドスリーブ３８は、スリーブ３８に対して固定された関係にあるねじ付き駆動ナット３９を外れないように保持している。好適な空気圧源から空気圧を受ける導管３１（図１）によって空気圧がピストン３４の上側の面に加えられるとピストン３４が下降し、導管３７を通して空気圧がピストン３４の下側の面に加えられるとピストン３４が上昇する。適切な空気弁３５及び３５’が導管３１及び３７に結合され、コントローラ９２によって順番に作動される。このコントローラ９２は、図６の流れ図に部分的に示されているように、シリンダ７２、弁７８、クリーナ１００及び、通路８６に空気又は酸素を供給するための弁を作動させるためにプログラムされている。

ピストン３４の上昇及び下降は、インレットランス８２（図２）によってピストンロッド３６に結合されたねじ付きリードスクリュー６４によって、ブラシ４６、４８と保持体４５の回転運動に変換される。従って、ピストン３４が移動すると、リードスクリュー６４に螺合する固定された駆動ナット３９を通してリードスクリュー６４が上下に移動し、これによりリードスクリューが回転する。また、リードスクリュー６４は、リテーナ６６の下方のスラスト軸受６８によって支持されている。ワイパーシール６７がリテーナ６０とスラスト軸受６８との間で延在している。リードスクリュー６４の下端は、幾分可撓性のあるピン結合部６９（図２）によってインレットランス８２に結合されている。インレットランス８２は、フィルタ組立体４０の上端の円筒開口部８４に摺動可能に係合するオーリングシール８３を有する。インレットランス８２は、上昇位置にあるとき、自動清掃組立体３０をフィルタ組立体４０に結合する取付け・空気導入フランジ８８内の通路８５（図４）からの空気流を阻止する。清掃ブラシが降下される時、フランジ８８内の１２０°間隔の３個の通路８５が大気に開放されて空気をその中に引き込むことができる。一方、清掃中は、導管１０１（図１）によってダスト回収箱１０２に結合された真空クリーナ１００等の真空源からチャンバ内に真空が供給される。ダスト回収箱１０２を通しての入力は真空ホース７７とピンチバルブ７８に結合され、ピンチバルブ７８はカップ状組立体７０に結合されており、開口部７６（図８）を通して真空引きが行われる。開口部７６は、燃焼管ベース組立体８０（図９）により燃焼管５４の下端に摺動可能に結合されている。圧縮可能な導管７７上のピンチバルブ７８は、クリーナ１００が真空引きをした時に、燃焼管５４とフィルタ組立体４０の上端の大気と、導管７７との間に大きな圧力差を提供する。ピンチバルブ７８が開かれると、流れの速い清掃用空気が、パルス化された酸素によって助けられながら、ランス８２を通して残留物を取り除き、この取り除かれた残留物は真空クリーナ１００内に捕捉される。塵及び残留物を回収する空気流のための流路は図１及び図３において矢印Ａで示されている。

従って、ピストン３４を作動させると、清掃ブラシが回転すると共に前進するだけでなく、通路８５とインレットランス８２の移動とにより、ブラシが回転しながら燃焼管５４内を下方に移動している間、塵と残留物を誘導炉から運ぶ空気流を大気に開放する。清掃サイクルの開始時において、一般的に燃焼副生成物を分析器に運ぶフィルタチャンバの出力管４２の流れが、酸素のパルスによって瞬間的に反転され、フィルタ組立体４０の円筒ハウジング４１内に同心的に取り付けられたダストフィルタ１１０（図２）を清掃するのを助ける。ダストフィルタは、周囲のコイルヒータ１１２によって約１２０℃に加熱され、燃焼工程中にフィルタ上に回収された材料から水分を除去する。種々の弁の一連の動作を提供して上で述べた様な清掃工程を達成するためのコントローラ９２（図１）のプログラミングが、図６の自明の標識が付けられた流れ図に関連して示されている。

添付の請求項で定義された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、ここで述べた本発明の好適な実施形態についての種々の変形例を行い得ることは当業者であれば明らかである。

２０ 燃焼炉
３０ 清掃組立体
４６、４８ ブラシ
３４ ピストン
３９ ナット
６４ リードスクリュー
１００ 真空源

Claims (25)

1. 分析装置の燃焼炉のための清掃システムであって、
   第１の端と第２の端を有する燃焼炉と、
   前記第１の端において燃焼炉を真空引きするために前記第１の端に選択的かつ封止可能に結合される真空源と、
   前記第２の端に結合され、清掃工程の間、前記燃焼炉を通る気体の流れを増加させるための加圧気体源と、
   前記燃焼炉の壁を研磨するための機械的清掃装置と、
   前記機械的清掃装置に接続された駆動装置であって、前記真空源が前記第１の端を通して燃焼炉から残留物を除去する状態で、前記清掃装置を選択的に移動させて前記第２の端から燃焼炉内に入れる駆動装置と
   を含む清掃システム。
2. 前記清掃装置はブラシである、請求項１に記載の清掃システム。
3. 前記燃焼炉の前記第２の端に隣接して位置決めされたフィルタハウジングを更に含み、前記フィルタハウジングは通路を有し、前記ブラシが燃焼炉内に移動される時に、前記通路を通して加圧気体が前記フィルタハウジング内に導入される、請求項２に記載の清掃システム。
4. 前記ブラシは、迅速に取り外せるカップリングによって前記フィルタハウジングに結合されたハウジング内に回転可能に取り付けられている、請求項３に記載の清掃システム。
5. 前記迅速に取り外せるカップリングはバイオネット取り付け部である、請求項４に記載の清掃システム。
6. 前記迅速に取り外せるカップリングは、キー付き摺動固定リングを有する、請求項５に記載の清掃システム。
7. 前記真空源は、ピンチバルブによって選択的に閉止及び開放される可撓性導管によって前記第１の端に結合された真空クリーナを有する、請求項６に記載の清掃システム。
8. 前記燃焼炉は円筒形の燃焼管を有する、請求項７に記載の清掃システム。
9. 前記駆動装置は、前記ブラシが結合されたリードスクリューに結合されたピストンを含み、更に前記リードスクリューと係合する固定駆動ナットを有し、前記ピストンが作動されると、前記ブラシが前記燃焼炉に入るにつれて前記ブラシが回転する、請求項８に記載の清掃システム。
10. 燃焼管と燃焼管用の上側及び下側シール組立体とを含む分析炉の燃焼管のための清掃システムであって、
    燃焼管の下端から燃焼管を真空引きするために下側シール組立体に選択的かつ封止可能に結合される真空源と、
    前記上側シール組立体の領域において前記燃焼管の上方に位置決めされた回転可能なブラシと、
    前記ブラシに接続された駆動装置であって、前記真空源が前記下側シール組立体を通して燃焼管の下端から残留物を除去する状態で、前記ブラシを選択的に回転させると共に下降させて燃焼管に入れる駆動装置と
    を含む清掃システム。
11. 燃焼管の上方に位置決めされたフィルタハウジングを更に含み、前記フィルタハウジングは気体入口を有し、前記ブラシが燃焼管に向けて移動される時に、加圧気体が前記フィルタハウジング内に導入される、請求項１０に記載の清掃システム。
12. 前記回転可能なブラシは、迅速に取り外せるカップリングによって前記フィルタハウジングに結合されたハウジング内に取り付けられている、請求項１１に記載の清掃システム。
13. 前記迅速に取り外せるカップリングはバイオネット取り付け部である、請求項１２に記載の清掃システム。
14. 前記迅速に取り外せるカップリングは、キー付き摺動固定リングを有する、請求項１３に記載の清掃システム。
15. 前記真空源は、ピンチバルブによって選択的に閉止及び開放される可撓性導管によって前記下側シール組立体に結合された真空クリーナを有する、請求項１０に記載の清掃システム。
16. 前記ピンチバルブは、炉のパージ容量を最小限にするために前記下側シール組立体に近接している、請求項１５に記載の清掃システム。
17. 前記燃料炉は、前記燃焼管に近づくために取り外せる扉を備えたケーシング内に収容されている、請求項１６に記載の清掃システム。
18. 分析装置の燃焼炉のための清掃システムであって、
    内部壁と、第１の端と、第２の端とを有する燃焼炉と、
    分析のために試料を燃焼させるべく試料保持用のるつぼを前記燃焼炉内に置くために前記第１の端を通して前記燃焼炉内に移動可能な台と、
    前記第１の端において燃焼炉を真空引きするために前記第１の端に選択的かつ封止可能に結合される真空源と、
    前記燃焼炉の前記第２の端に結合される加圧気体源と、
    前記第２の端から前記燃焼炉内に伸びる機械的清掃装置と、
    前記機械的清掃装置に接続された駆動装置であって、前記加圧気体が前記燃焼炉を通って前記真空源へと流れている間に、前記燃焼炉にくっついている可能性のあるつぼを移動させるために前記清掃装置を前記２の端から燃焼炉内に入れる駆動装置と
    を含む清掃システム。
19. 前記清掃装置はブラシを有する、請求項１８に記載の清掃システム。
20. 前記燃焼炉の前記第２の端に隣接して位置決めされたフィルタハウジングを更に含み、前記フィルタハウジングは通路を有し、前記ブラシが燃焼炉内に移動される時に、前記通路を通して加圧気体がフィルタハウジング内に導入される、請求項１９に記載の清掃システム。
21. 前記ブラシは、迅速に取り外せるカップリングによって前記フィルタハウジングに結合されたハウジング内に回転可能に取り付けられている、請求項２０に記載の清掃システム。
22. 前記迅速に取り外せるカップリングはバイオネット取り付け部である、請求項２１に記載の清掃システム。
23. 前記迅速に取り外せるカップリングは、キー付き摺動固定リングを有する、請求項２２に記載の清掃システム。
24. 前記真空源は、ピンチバルブによって選択的に閉止及び開放される可撓性導管によって前記第１の端に結合された真空クリーナを有する、請求項２３に記載の清掃システム。
25. 前記燃焼炉は、円筒形の壁を備えた円筒形の燃焼管を有する、請求項１８に記載の清掃システム。

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