JP6390133B2 - 分離カラム温度調節装置及びガスクロマトグラフ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）に用いられる分離カラム温度調節装置及びガスクロマトグラフ装置に関するものである。

現在市販されている多くのガスクロマトグラフ装置は、内部の空気を強制的に対流させることで庫内の温度分布を低減させる強制対流式のオーブン内に分離カラムを収容し、分離カラムの温度制御を行なっている。

また、ガスクロマトグラフ装置では、分析試料によっては、分離カラムが室温以下に冷却される必要がある場合がある。一般的な強制対流式オーブンが用いられる場合、オーブン自体を十分に冷却する必要があることから、オーブン内に炭酸ガスや窒素ガスなどを導入することで分離カラムの冷却が行われている。

このような炭酸ガスや窒素ガスなどを用いた複雑な冷却機構を簡略化するため、熱伝導による直接加熱方式のガスクロマトグラフ装置において、ペルチェ素子を用いた分離カラムの冷却方法が提案されている（例えば非特許文献１を参照。）。

"Gas chromatography using resistive heating technology", A.Wang et.al, Journal of Chromatography, Vol.1261, pp.46-57, 2012

上述のように、強制対流式のオーブンを用いた一般的なガスクロマトグラフ装置は、炭酸ガスや窒素ガスを導入することによって分離カラムの冷却を行うので、複雑な装置構成になるという問題があった。

また、ペルチェ素子を用いた分離カラムの冷却方法は、簡単な装置構成を実現できる。しかし、ペルチェ素子の耐熱温度などに起因して、使用温度範囲が制限されてしまうという問題があった。

本発明は、分離カラムを効率よく冷却することが可能な分離カラム温度調節装置及びガスクロマトグラフ装置を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる分離カラム温度調節装置は、分離カラムと、上記分離カラムを加熱するためのヒータと、上記分離カラム及び上記ヒータが内部空間に収容されている筐体と、上記筐体の上記内部空間に接続された導入流路及び排出流路と、気体を上記導入流路から上記内部空間を経て上記排出流路に移動させるための送風機と、上記内部空間に導入される気体を冷却するための冷却器と、上記内部空間から排出される気体の流れを外部への流れと上記導入流路への流れに切り替えるための流路切替え機構と、を備えているものである。

本発明にかかるガスクロマトグラフ装置は、本発明の分離カラム温度調節装置と、上記分離カラム温度調節装置の上記分離カラムの一端に接続される試料導入部と、上記分離カラムの他端に接続された検出部と、を備えているものである。

本発明の分離カラム温度調節装置は、分離カラムを効率よく冷却することができる。

本発明のガスクロマトグラフ装置は、本発明の分離カラム温度調節装置を備えているので、分離カラムを効率よく冷却することができる。

ガスクロマトグラフ装置の一実施例を説明するための概略的な構成図である。 同実施例で用いられるカラムユニットの例を説明するための概略的な斜視図である。 同カラムユニットの概略的な断面図である。

本発明の分離カラム温度調節装置は、流路切替え機構によって、筐体の内部空間から排出される気体の流れを導入流路への流れに接続することにより、冷却器によって冷却された気体を循環させることができる。したがって、本発明の分離カラム温度調節装置は、分離カラムを例えば室温よりも低い温度に効率よく冷却することができる。

本発明の分離カラム温度調節装置において、上記導入流路及び上記排出流路は断熱材で覆われている例を挙げることができる。これにより、導入流路及び排出流路は外気とは熱的に遮断されるので、この態様の分離カラム温度調節装置は分離カラムの温度調節を効率よく行うことができる。ただし、本発明の分離カラム温度調節装置は、導入流路及び排出流路が断熱材で覆われている構成に限定されるものではない。

本発明の分離カラム温度調節装置において、上記筐体の上記内部空間の内壁は断熱材で覆われている例を挙げることができる。これにより、筐体の内部空間は外気とは熱的に遮断されるので、この態様の分離カラム温度調節装置は分離カラムの温度調節を効率よく行うことができる。ただし、本発明の分離カラム温度調節装置は、筐体の内部空間の内壁が断熱材で覆われている構成に限定されるものではない。

本発明の分離カラム温度調節装置において、上記分離カラムの外形は平板状であり、上記ヒータは平板型ヒータである例を挙げることができる。この態様の分離カラム温度調節装置は、分離カラムとヒータの接触面積を大きくすることができるので、分離カラムを効率よく加熱することができる。

図１はガスクロマトグラフ装置の一実施例を説明するための概略的な構成図である。図２はこの実施例で用いられるカラムユニットの例を説明するための概略的な斜視図である。図３は、同カラムユニットの概略的な断面図である。

ガスクロマトグラフ装置１は、例えば、分離カラム温度調節装置３と試料導入部５と検出部７と制御部９を備えている。
分離カラム温度調節装置３は、カラムカートリッジ１１、送風ダクト１３（導入流路）、排気ダクト１５（排出流路）、送風ファン１７（送風機）、冷却器１９、送風方向切替えシャッタ２１（流路切替え機構）及び流路温度センサ２３を備えている。

カラムカートリッジ１１は、例えばステンレスからなる筐体（図示は省略）の内部に筐体１１ａを備えている。筐体１１ａの内部空間１１ｂにカラム温度調節部１１ｃが配置されている。カラム温度調節部１１ｃは例えば分離カラム１１ｄと一対のカラムヒータ１１ｅ，１１ｅで構成されている。カラム温度調節部１１ｃは一対のバッキングプレート１１ｆに挟まれて内部空間１１ｂ内に配置されている。バッキングプレート１１ｆは筐体１１ａに対して固定されている。

分離カラム１１ｄは、試料導入部５で気化した試料中の各成分を分離するためのものである。分離カラム１１ｄの外形は例えば平板状である。分離カラム１１ｄは、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成されたものである。例えば、分離カラム１１ｄは、幅が１００μｍ（マイクロメートル）、深さが１００μｍの溝が形成されたシリコン基板とパイレックス（登録商標）ガラスが陽極接合されて形成されている。分離カラム１１ｄの流路内壁には液相となるポリジメチルシロキサンがコーティングされている。

カラムヒータ１１ｅは分離カラム１１ｄを加熱するためのものである。カラムヒータ１１ｅは例えばセラミックヒータやマイカヒータからなる平板型ヒータである。２つのカラムヒータ１１ｅ，１１ｅの間に分離カラム１１ｄが配置されている。分離カラム１１ｄとカラムヒータ１１ｅは接している。カラムヒータ１１ｅは熱伝導によって分離カラム１１ｄを直接加熱する。

筐体１１ａは例えば角管状の断熱材で形成されている。筐体１１ａの内部空間１１ｂは断熱材で覆われている。内部空間１１ｂは断熱材によって周囲空間とは熱的に遮断されている。

筐体１１ａは一側面に導入側開口１１ｇを備えている。筐体１１ａは導入側開口１１ｇが形成されている側面に対向する側面に排出側開口１１ｈを備えている。導入側開口１１ｇ及び排出側開口１１ｈは内部空間１１ｂを介してつながっている。筐体１１ａとバッキングプレート１１ｆの間には、冷却風が通風される隙間が形成されている。

カラムカートリッジ１１はカラム温度センサ１１ｉを備えている。図２及び図３においてカラム温度センサ１１ｉの図示は省略されている。カラム温度センサ１１ｉは分離カラム１１ｄの温度を直接又は間接に検出するためのものである。カラム温度センサ１１ｉは、例えばバッキングプレート１１ｆに取り付けられた熱電対によって実現される。

カラムカートリッジ１１は一対のトランスファチューブ１１ｊ，１１ｊと一対のトランスファヒータ１１ｋ，１１ｋを備えている。一方のトランスファチューブ１１ｊは分離カラム１１ｄの内部流路の一端を試料導入部５に接続するための配管である。他方のトランスファチューブ１１ｊは分離カラム１１ｄの内部流路の他端を検出部７に接続するための配管である。分離カラム１１ｄとトランスファチューブ１１ｊの接続は、例えばポリイミド樹脂による接着によって行われる。

トランスファチューブ１１ｊはトランスファヒータ１１ｋで覆われている。トランスファヒータ１１ｋはトランスファチューブ１１ｊを所望の温度に調節するためのものである。トランスファヒータ１１ｋは例えば円筒形状のセラミックヒータである。

カラムカートリッジ１１は送風ダクト１３及び排気ダクト１５に着脱可能に取り付けられる。カラムカートリッジ１１の導入側開口１１ｇは送風ダクト１３の一端に接続されている。カラムカートリッジ１１の排出側開口１１ｈは排気ダクト１５の一端に接続されている。

送風ダクト１３及び排気ダクト１５の内壁もしくは外壁又はその両方に断熱材（図示は省略）が配置されている。これにより、送風ダクト１３及び排気ダクト１５の内部空間は断熱材によって周囲空間とは熱的に遮断されている。

送風ダクト１３の他端は外気又は排気ダクト１５に接続される。送風ダクト１３内に送風ファン１７と冷却器１９の冷却フィン１９ａが配置されている。

送風ファン１７は、気体を送風ダクト１３からカラムカートリッジ１１の内部空間１１ｂを経て排気ダクト１５に移動させるための送風機である。

冷却器１９は、例えば冷却フィン１９ａとペルチェ素子１９ｂと放熱フィン１９ｃを備えている。冷却器１９は、ペルチェ素子１９ｂの駆動によって送風ダクト１３内の気体、つまりカラムカートリッジ１１の内部空間１１ｂに導入される気体を冷却することができる。

排気ダクト１５の他端は外気に接続されている。排気ダクト１５の内部に送風方向切替えシャッタ２１が設けられている。送風方向切替えシャッタ２１は、図示しない駆動機構によって、カラムカートリッジ１１の内部空間１１ｂから排出される気体の流れを外部への流れと送風ダクト１３への流れに切り替えるように動作される。送風方向切替えシャッタ２１の動作により、内部空間１１ｂから排出される気体、例えば冷却風は、排気ダクト１５から外部に排出されるか、又は送風ダクト１３に吸入されて循環される。

排気ダクト１５内に流路温度センサ２３が配置されている。流路温度センサ２３は排気ダクト１５内の温度を検出するためのものである。例えば送風方向切替えシャッタ２１の近傍に配置されている。

試料導入部５は、例えば分離カラム１１ｄに導入される試料を気化させるものである。検出部７は分離カラム１１ｄによって分離された試料中の成分を検出するためのものである。試料導入部５を介して導入された試料は、一方のトランスファチューブ１１ｊを介して分離カラム１１ｄに導入され、成分ごとに分離される。分離カラム１１ｄで分離された試料中の成分は他方のトランスファチューブ１１ｊを介して検出部７に導かれて検出される。

制御部９は、試料導入部５、カラムカートリッジ１１のカラムヒータ１１ｅ及びトランスファヒータ１１ｋ、送風ファン１７、冷却器１９のペルチェ素子１９ｂ、並びに送風方向切替えシャッタ２１の動作を制御する。また、制御部９は、検出部７、カラムカートリッジ１１のカラム温度センサ１１ｉ、及び流路温度センサ２３の検出信号を取り込む。

制御部９は、操作者によって設定された分析プログラムに応じて、試料導入部５、カラムヒータ１１ｅ、トランスファヒータ１１ｋ、送風ファン１７、ペルチェ素子１９ｂ及び送風方向切替えシャッタ２１のオン／オフの制御を行なうように構成されている。制御部９は、例えばパーソナルコンピュータ又は専用のコンピュータによって実現される。

制御部９に設定される分析プログラムとしては、例えば定温分析プログラムと昇温分析プログラムが挙げられる。定温分析プログラムは分離カラム１１ｄを設定された温度に維持した状態で分析を実行するためのプログラムである。昇温分析プログラムは分離カラム１１ｄを室温以下の低い温度に冷却してから所定の温度まで昇温させながら分析を実行するためのプログラムである。

定温分析プログラムが設定された場合、制御部９は、送風ファン１７及びペルチェ素子１９ｂをオフにし、カラム温度センサ１１ｉによって測定される温度が予め設定された温度となるようにカラムヒータ１１ｅのオン／オフを切り換えるフィードバック制御を行なう。

他方、昇温分析プログラムが設定された場合、制御部９は、カラムヒータ１１ｅをオフ又は最小限の出力にした状態で送風ファン１７及びペルチェ素子１９ｂをオンにして分離カラム１１ｄを冷却する。分離カラム１１ｄが所定の温度になった後、制御部９は、送風ファン１７及びペルチェ素子１９ｂをオフにしてカラムヒータ１１ｅをオンにすることによって分離カラム１１ｄを昇温させるように制御する。

一般的なガスクロマトグラフでの昇温分析でのカラム温度調節を考えると、まず分離カラム１１ｄの温度を初期温度に設定し、温度が安定するまで待機する。その後、分析条件に応じた昇温速度で分離カラム１１ｄの温度を上昇させながら分析が行われる。

分析終了後、次の分析を行うため、分離カラム１１ｄを初期温度まで冷却する。ガスクロマトグラフ装置１は、上記初期温度が室温以下である場合に特に効果を発揮する。

分離カラム１１ｄの温度を室温以下の初期温度にする場合、制御部９は、送風方向切替えシャッタ２１により、送風ダクト１３内の冷却風が循環する方向に流れるように、内部空間１１ｂから排出される気体の流れを切り替える。この状態で、ペルチェ素子１９ｂにより冷却フィン１９ａが冷却され、送風ファン１７により冷却風が送風される。これにより、室温以下に冷却された冷却風は送風ダクト１３、内部空間１１ｂ、排気ダクト１５で循環する。

冷却風はカラムカートリッジ１１の内部空間１１ｂを通過することでカラム温度調節部１１ｃを冷却する。分離カラム１１ｄの冷却時にはカラムヒータ１１ｅの発熱量はごくわずかに設定される。したがって、冷却風の温度上昇はカラム温度調節部１１ｃから受け取る熱によるごくわずかなものとなる。この冷却風が冷却フィン１９ａによって冷却されながら循環するので、小さな出力のペルチェ素子１９ｂで冷却風の温度を下げることができる。つまり、ガスクロマトグラフ装置１は、より効率よく分離カラム１１ｄを低温に冷やすことができる。

他方、冷却風を外部から取り込み、循環させずに排出する場合、冷却フィン１９ａによって常に室温の冷却風を冷やす必要がある。冷却フィン１９ａと冷却風の熱伝達係数をα［Ｗ／Ｋ］、冷却フィン１９ａの実効的な冷却能力をＱ［Ｗ］、冷却風の温度をＴ_air［Ｋ］、冷却フィン１９ａの温度をＴ_fin［Ｋ］とすると、冷却能力Ｑは次の式（１）で表わすことができる。
Ｑ＝α・（Ｔ_air−Ｔ_fin） …（１）

上記式（１）から、冷却風の温度が高いほどより大きな冷却能力が必要とされることが分かる。ガスクロマトグラフ装置１は室温よりも温度が低い冷却風を循環させることができるので、より効率よく分離カラム１１ｄを低温に冷やすことができる。

例えば、制御部９は、分離カラム１１ｄを冷却する際、流路温度センサ２３によって測定された排気ダクト１５内の温度、すなわち内部空間１１ｂから排出される冷却風の温度に基づいて、送風方向切替えシャッタ２１を切り替える。排気ダクト１５内の温度が予め設定された温度しきい値よりも高い場合、制御部９は、外気を送風ダクト１３に取り込むように送風方向切替えシャッタ２１を切り替える。また、排気ダクト１５内の温度が温度しきい値以下である場合、制御部９は、排気ダクト１５内の冷却風を送風ダクト１３に取り込むように送風方向切替えシャッタ２１を切り替える。ここで、温度しきい値は例えば室温である。これにより、より効率のよい、分離カラム１１ｄの冷却が可能となる。

なお、送風方向切替えシャッタ２１が切り替えられる時期は、排気ダクト１５内の温度に基づいて決定される時期に限定されない。例えば、送風方向切替えシャッタ２１が切り替えられる時期は、分離カラム１１ｄの温度と予め設定されたカラム温度しきい値が比較されて決定されてもよい。

分離カラム１１ｄの温度が室温以下の初期温度になった後、ペルチェ素子１９ｂの通電及び送風ファン１７の動作が停止され、カラムヒータ１１ｅに通電されることで、昇温分析が開始される。分析終了後、送風方向切替えシャッタ２１は、カラムカートリッジ１１の内部空間１１ｂから排出される冷却風が排気ダクト１５外に排出されるように、冷却風の流れを切り替える。

分離カラム１１ｄを含むカラム温度調節部１１ｃが高温に加熱されている場合、冷却風を循環させると冷却風はカラム温度調節部１１ｃにより温められてしまい、分離カラム１１ｄの冷却効率が悪化してしまう。そこで制御部９は、外部から室温の冷却風が送風ダクト１３に取り込まれ、カラム温度調節部１１ｃを冷却して内部空間１１ｂから排出された冷却風が排気ダクト１５外に排出されるように送風方向切替えシャッタ２１の動作を制御する。これにより、ガスクロマトグラフ装置１は効率のよい分離カラム１１ｄの冷却を行う。

以上、本発明の実施例を説明したが、実施例における構成、配置、数値、材料等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、冷却器１９は冷却源としてペルチェ素子１９ｂを備えているが、本発明の分離カラム温度調節装置において冷却器はこれに限定されない。本発明の分離カラム温度調節装置において、冷却器は、分離カラムが配置される筐体の内部空間に導入される気体を冷却することができるものであれば、どのような構成のものであってもよい。

また、上記実施例では、送風方向切替えシャッタ２１によって送風ダクト１３の吸気と排気ダクト１５の排気方向を同時に切り替えているが、本発明の分離カラム温度調節装置において流路切替え機構はこれに限定されない。本発明の分離カラム温度調節装置において、流路切替え機構は、分離カラムが配置される筐体の内部空間から排出される気体の流れを外部への流れと吸気流路への流れに切り替えることができる構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、上記流路切替え機構は、複数のシャッタ構造を用いて、上記流れの切り替えを行うものであってもよい。

また、上記実施例では、送風ダクト１３及び排気ダクト１５の内部空間は断熱材（図示は省略）で覆われているが、本発明の分離カラム温度調節装置において、吸気流路及び排気流路は必ずしも断熱材で覆われていなくてもよい。ただし、上記吸気流路及び上記排気流路は断熱材で覆われていることが好ましい。

また、上記実施例では、筐体１１ａは断熱材で形成されているが、本発明の分離カラム温度調節装置において、分離カラム及びヒータが内部空間に収容されている筐体は断熱材で形成されたものに限定されない。本発明の分離カラム温度調節装置において、上記筐体の材料は特に限定されない。ただし、上記筐体の内部空間の内壁は断熱材で覆われていることが好ましい。

１ ガスクロマトグラフ装置
３ 分離カラム温度調節装置
５ 試料導入部
７ 検出部
１１ａ 筐体
１１ｂ 内部空間
１１ｄ 分離カラム
１１ｅ カラムヒータ（ヒータ）
１３ 送風ダクト（導入流路）
１５ 排気ダクト（排出流路）
１７ 送風ファン（送風機）
１９ 冷却器
２１ 送風方向切替えシャッタ（流路切替え機構）

Claims (5)

1. 分離カラムと、
   前記分離カラムを加熱するためのヒータと、
   前記分離カラム及び前記ヒータが内部空間に収容されている筐体と、
   前記筐体の前記内部空間に接続され、前記内部空間に気体を導入するための導入流路と、
   前記内部空間に接続され、前記内部空間を通過した気体を排出するための排出流路と、
   気体を前記導入流路から前記内部空間を経て前記排出流路に移動させるための送風機と、
   前記内部空間に導入される気体を前記導入流路上で冷却するための冷却器と、
   前記内部空間から排出される気体の流れを外部への流れと前記導入流路への流れに切り替え、前記導入流路、前記内部空間、及び前記排出流路を経た気体を外部へ排出するか、又は、前記導入流路、前記内部空間、及び前記排出流路を経た気体を再び前記導入流路へ戻すかを切り替えるための流路切替え機構と、を備えている分離カラム温度調節装置。
2. 前記導入流路及び前記排出流路は断熱材で覆われている請求項１に記載の分離カラム温度調節装置。
3. 前記筐体の前記内部空間の内壁は断熱材で覆われている請求項１又は２に記載の分離カラム温度調節装置。
4. 前記分離カラムの外形は平板状であり、
   前記ヒータは平板型ヒータである請求項１から３のいずれか一項に記載の分離カラム温度調節装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の分離カラム温度調節装置と、
   前記分離カラム温度調節装置の前記分離カラムの一端に接続される試料導入部と、
   前記分離カラムの他端に接続された検出部と、を備えているガスクロマトグラフ装置。