JP5609633B2

JP5609633B2 - 電気炉を備えた分析装置

Info

Publication number: JP5609633B2
Application number: JP2010291569A
Authority: JP
Inventors: 信寛並河
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012137459A

Description

本発明は、電気炉を備えた分析装置に関し、例えば電気炉により試料を加熱して酸化分解するための反応部と、酸化分解後の試料を流通させるためのセル、セルに対して光を照射する光源及びセルを透過した光を検出するための検出器を有する測定部と、を備えた全有機体炭素測定装置（以下、ＴＯＣ計）や、試料水中の全窒素を分析する全窒素計（ＴＮ計）などの分析装置に関するものである。

下水、河川水、工場排水などの水質を分析する水質分析計として、試料中に含まれている全有機体炭素（ＴＯＣ）を測定するＴＯＣ計がある。ＴＯＣ計では、採取した試料水を反応部に導入し、試料中の炭素成分を酸化分解してＣＯ₂に変換し、そのＣＯ₂を含むガスを測定部のセルに導入して吸光度を測定することにより、試料水のＴＣ（全炭素）やＴＯＣ、ＩＣ（無機体炭素）を測定する（特許文献１参照。）。

特開２００７−９３２９０号公報

ＴＯＣ計を初めとして、電気炉を備えた反応部を備えた分析装置では、反応部は、燃焼管が電気炉内に挿入された構造となっており、電気炉による燃焼管の加熱が高効率にかつ均一になされるように電気炉の外周は断熱材からなる外壁によって囲われている。この外壁に用いられている断熱材は一般的にセラミックファイバーやアルミナ質繊維を主成分としている。しかし、断熱材の中には、加熱炉が温度上昇したときに加熱炉の熱膨張などの形状変化に耐えられずに破損してしまうものもあった。断熱材の材質にセラミックファイバーやアルミナ質繊維の中でも強度の優れた素材を使用すればそのような破損を防止することは可能であるが、そうすると、電気炉の外壁の断熱性能が低下し、電気炉による燃焼管の加熱効率が低下することもある。

そこで、本発明は、反応部の電気炉の加熱効率を低下させることなく、電気炉の外壁の破損を防止することを目的とするものである。

本発明は、炉心の少なくとも外周部が断熱材からなる外壁で囲われ、炉心の内部に燃焼管が挿入されて燃焼管に注入された試料に反応を起こさせる反応部を備えた分析装置であって、断熱材は少なくとも炉心の周方向に垂直な貫通溝を備え、貫通溝に弾力性をもつ緩衝材が挟み込まれていることを特徴とするものである。

上記断熱材は炉心の周方向にも貫通溝を備え、周方向貫通溝にも弾力性をもつ緩衝材が挟み込まれていることが好ましい。そうすれば、炉心の周方向に垂直な方向への伸縮性を外壁に与えることができる。

ところで、セラミックファイバーやアルミナ質繊維で構成された断熱材は、外部からの衝撃に対しても弱いという問題があった。ＴＯＣ計の製造にあたり、電気炉を振動させたり落下させたりしたときの衝撃テストが行なわれるが、この衝撃テストの際に断熱材が破損してしまうという問題があった。
そこで、断熱材の外周面が金属製カバーで覆われていることが好ましい。そうすれば、電気炉の外周面を囲う断熱材の外部からの衝撃に対する強度を補強することができ、断熱材の破損を防止できる。

本発明の反応部は、試料水中の炭素成分を酸化分解して二酸化炭素に変換する酸化反応部であり、該分析装置は、さらに前記酸化反応部からのガスを流通させるためのセル、前記セルに対して光を照射する光源及びセルを透過した光を検出するための検出器を有する測定部を備えた全有機体炭素測定装置とすることができる。

本発明の分析装置では、反応部の電気炉の炉心の周囲を囲う外壁が炉心の周方向に垂直な貫通溝を備え、貫通溝に弾力性をもつ緩衝材が挟み込まれているので、炉心の周方向に対する伸縮性を外壁にもたせることができ、炉心の温度上昇に伴なう変形によって外壁が破損されることを防止できる。

ＴＯＣ計の一実施例を示す流路構成図である。同実施例の酸化反応部の構造を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置における断面図である。

分析装置の一実施例としてのＴＯＣ計について図１を用いて説明する。
ＴＯＣ計２は、ＴＯＣ測定部３と、ＴＯＣ測定部３に設けられている酸化反応部４０の燃焼管４２にキャリアガスを送るキャリアガス供給部５と、それらを切り換える多ポートバルブ９によって構成されている。

多ポートバルブ９の共通ポートには試料水を計量して採取するためのサンプリングシリンジ１１が接続され、他のポートには試料導入部１３、試料水から無機炭素成分を除去する際に使用される塩酸１５、希釈水１７、ＩＣ反応器１９、燃焼管４２及び排出用ドレン２１がそれぞれ接続されており、オートサンプラから採取した試料をＴＯＣ測定部の燃焼管４２に注入できるようになっている。

サンプリングシリンジ１１は容量５ｍＬで、バレル下部にキャリアガスを導入するための通気ガス入口を備えている。その通気ガス入口は、電磁弁３７を介してキャリアガス供給部５に接続されている。ガス通気機構は、ここでは、サンプリングシリンジ１１によって実現される。

キャリアガス供給部５は、高純度空気をキャリアガスとして供給するものであり、上流側から順にキャリアガス入口２３、電磁弁２５、圧力を調節する調圧弁２７、その圧力を計量する圧力計２９、流量を調節するマスフローコントローラ３１、流量計３３、及び加湿器３５が接続されて構成されている。流量が計量されて加湿されたキャリアガスは燃焼管４２に送られる。また、サンプリングシリンジ１１にも加湿用の流量調整されたキャリアガスが通気ガスとして電磁弁３７を介してサンプリングシリンジ１１に供給される。

酸化反応部４０については後述するが、酸化反応部４０の燃焼管４２は上部に試料注入部４３を備え、内部に試料中の炭素成分の全てをＣＯ₂に変換するための金属酸化物や貴金属からなる酸化触媒を備えている。燃焼管４２は電気炉の炉心４１に挿入されて加熱されるようになっている。試料注入部４３にはキャリアガスの逆流を防止する逆止弁４４を介してキャリアガス供給部５が接続されている。燃焼管４２の下部の出口には、冷却部４８と逆流防止トラップ４９を介してＩＣ反応器１９のキャリアガス導入口に接続されている。

ＩＣ反応器１９はＩＣ測定時にはＩＣ反応液１９ａとしてリン酸５３がポンプ５５によって供給され、ＩＣ反応器１９に試料水が直接注入され、注入された試料水中のＩＣがＣＯ₂として発生し、除湿用電子クーラ５１に導かれる。ＩＣ反応器１９のＩＣ反応液１９ａはドレン用電磁弁５７から排出される。

除湿用電子クーラ５１を経たガスは水分を除去する除湿器やハロゲンスクラバ６１及び異物を除去するためのメンブレンフィルタ６３を介して非分散形赤外分析方式（ＮＤＩＲ）のセル６５に導かれる。セル６５の両端には光源６７及び検出器６９が対向して備えられており、検出器６９の信号はＴＣに相当する。排出された二酸化炭素はＣＯ₂アブソーバ７１に吸着される。除湿用電子クーラ５１には水分除去するためのドレンポット５９が接続されている。

ここで、酸化反応部４０について図２を用いて説明する。
酸化反応部４０の電気炉は円筒形状の炉心４１と炉心４１の上面の一部を除いた周囲全体を囲う外壁４４及びさらにその外周面を保護するカバー４５により構成されている。炉心４１の上面に燃焼管４２を先端から挿入するための孔が設けられており、挿入された燃焼管４２を加熱するようになっている。

炉心４１を囲う外壁４４は、例えばセラミックファイバーやアルミナ繊維質などを主成分とする断熱材により構成されており、炉心４１による加熱の均一化と効率化が図られている。カバー４５は例えばアルミニウム製の板状部材からなり、外壁４４の外周面に巻かれた状態で例えばボルトとナットからなる締結具４５によって固定されている。カバー４５は外壁４４の外部からの衝撃による破損等を防止するために設けられている。

外壁４４は上下方向に４の部材が積層され、各部材間に緩衝材４４ａが挟まれて接着剤で接着されて構成されている。外壁４４が複数の部材の積層によって構成されているのは、炉心４１を内部に収容した状態の外壁４４を形成するための便宜上の理由であるが、この構造を利用し、各部材の間に緩衝材４４ａを挟み込むことで、緩衝材４４ａの弾力性を利用して外壁４４に上下方向への伸縮性をもたせることができる。なお、外壁はこの例に限られず、３以下の部材で構成されていてもよいし、５以上の部材で構成されていてもよい。

また、この例では、外壁４４が炉心４１の周面、下面及び上面周縁部を覆う構造となっているが、炉心４１の上面をまったく覆わない構造や炉心４１の周面のみを囲う構造であってもよい。その場合には、外壁４４を複数の部材の積層によって構成する必要がなく、一体構造からなるものであってもよい。炉心４１の上面をまったく覆わない構造や炉心４１の周面のみを囲う構造では、炉心４１の上下方向への伸縮による外壁４４への影響を考慮する必要がないからである。

外壁４４を構成する各部材は、それぞれ炉心４１の外周方向に対して垂直な方向に配置された２本の貫通溝をもち、その貫通溝に緩衝材４４ｂが挟み込まれている。この貫通溝は炉心４１を中心とする対称な位置に配置されている。また、緩衝材４４ｂが挟み込まれている貫通溝は１箇所にのみ設けられていてもよいし、３箇所以上に設けられていてもよい。

この例において緩衝材４４ｂが挟み込まれた貫通溝の幅は２ｍｍ程度である。外壁４４の上面を構成する最上部の部材の中央部には、燃焼管４３の着脱を可能にする穴４４ｃが設けられている。外壁４４の内部の炉心４１を収容する空洞部分の内径は炉心４１の外形よりも僅かに大きく、外壁４４と炉心４１との間の隙間に緩衝材４６が介在している。また、外壁４４の最上部の部材と炉心４１の上面との間には、例えば２ｍｍ程度の隙間が炉心４１の熱膨張を考慮して設けられている。

炉心４１の温度が上昇すると炉心４１と外壁４４はともに熱膨張するが、炉心４１と外壁４４の材質の違いにより膨張量が異なる。この膨張量の異なりが原因となり、従来では反応部の外壁が破損するという問題があった。この実施例では、その膨張量の違いを吸収するために外壁４４と炉心４１との間の隙間に緩衝材４６が挿入され、さらに外壁４４には緩衝材４４ｂが挟み込まれた炉心４１の周方向に垂直な貫通溝が設けられている。緩衝材４４ｂの存在によって外壁４４に炉心４１の周方向への伸縮性をもたせている。これにより、炉心４１の熱膨張による外壁４４の破損を防止している。

なお、外壁４４を構成する断熱材が高温でも寸法安定性に富んだ断熱材、例えばゾノトライト系ケイ酸カルシウムを主成分としたものや高アルミナ繊維等である場合には、緩衝材４４ａは多結晶質アルミナ短繊維からなるもので柔軟性に富んだ素材であることが好ましい。緩衝材４４ｂ及び４６は緩衝材４４ａと同じものを用いればよい。

次に同実施例の動作を説明する。
試料水はサンプリングシリンジ１１によってオートサンプラ１から吸入された後、多ポートバルブ９がサンプリングシリンジ１１が燃焼管４２に接続されるポートに切り換えられて、サンプリングシリンジ１１のプランジャが上昇させられることにより試料水が燃焼管４２の試料注入部４３に送られ、同時に、高純度空気がキャリアガスとしてキャリアガス供給部５から逆止弁４５を介して試料注入部４３に送られ、試料水と空気の混合物が燃焼管４２に導入される。燃焼管４２では電気炉４１により６８０℃に加熱され、試料水の炭素成分は酸化されて二酸化炭素に変換される。

燃焼管４２で発生したガス（二酸化炭素と水蒸気）は冷却部４８で冷却され、二酸化炭素は逆流防止トラップ４９を経由してＩＣ反応器１９に導入される。ＩＣ反応液１９ａから出たガスは除湿用電子クーラ５１に導かれて水分が除去され、ハロゲンスクラバ６１でハロゲン成分が除去され、メンブレンフィルタ６３により濾過されて、セル６５に導入される。そして、光源６７からの赤外光が、セル６５中に照射され、二酸化炭素の濃度に比例した信号が検出器６９から得られる。この信号は液体試料のＴＣに相当する。そして排出された二酸化炭素はＣＯ₂アブソーバ７１に吸着される。

次に、サンプリングシリンジ１１によってオートサンプラ１から吸入された試料水が、多ポートバルブ９の切替えとサンプリングシリンジ１１の作動によってＩＣ反応器１９に送られる。ＩＣ反応器１９では、下部からキャリアガスが送られてＩＣ反応液１９ａがバブリングされる状態に保たれ、その状態で上部から導入された試料水は、ＩＣ反応液１９ａであるリン酸溶液に触れ、酸性化作用により二酸化炭素を生成する。この二酸化炭素を含むガスは、除湿用電子クーラ５１に導かれてさらに水分が除去され、ハロゲンスクラバ６１でハロゲン成分が除かれ、メンブレンフィルタ６３により濾過されて、セル６５に導入される。そして、光源６７からの赤外光が、セル６５中に照射され、二酸化炭素の濃度に比例した信号が検出器６９から得られる。この二酸化炭素量はＩＣに相当する。
このようにして測定されたＴＣからＩＣを差し引きすれば、ＴＯＣを求めることができる。

このＴＯＣ測定装置では、サンプリングシリンジ１１に通気処理を行う機構とサンプリングシリンジ１１に酸を注入する機構を備えているので、直接にＴＯＣを測定することもできる。すなわち、試料水がサンプリングシリンジ１１に採取された後、多ポートバルブ９がサンプリングシリンジ１１を塩酸１５を供給するポートに切り替えられて塩酸がサンプリングシリンジ１１に吸引される。その後、多ポートバルブ９がドレン用のポートに接続され、サンプリングシリンジ１１のプランジャがバレル下部の通気位置まで下げられ、電磁弁３７が開かれて、高純度空気がキャリアガスとしてサンプリングシリンジ１１内に導入され、サンプリングシリンジ１１内の試料水を通気処理して多ポートバルブ９のドレン用ポートから排出される。このとき、試料水に溶解していたＩＣが炭酸ガスとしてキャリアガスとともに試料水から排出される。その後、その試料水を燃焼管４２に導いて炭素成分を測定すると、ＴＯＣが測定される。

本発明はＴＯＣ計に限らず、ＴＮ計など、電気炉を備えた分析装置には同様に適用することができる。

１オートサンプラ
３ＴＯＣ測定部
５キャリアガス供給部
９多ポートバルブ
４０酸化反応部
４１電気炉
４２燃焼管
４３試料注入部
４４外壁
４４ａ，４４ｂ，４６緩衝材
４４ｃ穴
４５カバー

Claims

炉心の少なくとも外周部が断熱材からなる外壁で囲われ、前記炉心の内部に燃焼管が挿入されて前記燃焼管に注入された試料に反応を起こさせる反応部を備えた分析装置において、
前記断熱材は少なくとも前記炉心の周方向に垂直な貫通溝を備え、前記貫通溝に弾力性をもつ緩衝材が挟み込まれていることを特徴とする分析装置。
前記断熱材は前記炉心の周方向にも貫通溝を備え、前記周方向貫通溝にも弾力性をもつ緩衝材が挟み込まれている請求項１に記載の分析装置。
前記断熱材の外周面が金属製カバーで覆われている請求項１に記載の分析装置。
前記反応部は、試料水中の炭素成分を酸化分解して二酸化炭素に変換する酸化反応部であり、該分析装置は、さらに前記酸化反応部からのガスを流通させるためのセル、前記セルに対して光を照射する光源及びセルを透過した光を検出するための検出器を有する測定部を備えた全有機体炭素測定装置である請求項１から３のいずれか一項に記載の分析装置。