JP6555419B2 - フローコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、ガスクロマトグラフ用フローコントローラに関するものである。

ガスクロマトグラフでは、キャリアガス等のガスの流量をフローコントローラを用いて制御する。ガスクロマトグラフ用のフローコントローラは、複数枚の金属板が積層され内部に流路を有する流路アセンブリに、圧力制御バルブ、圧力センサ及び配管を接続して構成することが一般的である（特許文献１参照。）。このように圧力センサを用いてガス流量を制御する場合、流路アセンブリの下流側に抵抗管を接続してガスの流れる流路の流路抵抗を所定の流路抵抗値に調整し、圧力センサが検出する圧力値に基づいて圧力制御バルブの開度をフィードバック制御することで、ガス流量を制御する。

ガスクロマトグラフの検出器には、水素炎イオン化検出（ＦＩＤ）、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）、炎光光度検出器（ＦＰＤ）、アルカリ熱イオン化検出器（ＦＴＤ）などの検出器がある。検出器の種類によって流量を制御しなければならないガスの種類と数が異なる上、検出器の種類によってフローコントローラに必要な流路抵抗が異なる。そのため、各検出器用のフローコントローラが必要となるが、検出器の種類ごとに専用のフローコントローラを用意するとコストが高くなるため、フローコントローラの基本構成は同じで、検出器の種類に応じて抵抗管の種類を変えて所定の圧力と流量の関係にすることで、各検出器に応じたフローコントローラを構成していた。

特開２００５−１５６２１４号公報

従来のフローコントローラでは、流路アセンブリの下流側において、抵抗管をセプタムと呼ばれるゴム栓に抵抗管をつけて固定していたが、ゴム栓からの揮発成分が分析に悪影響を与えるという問題があった。そこで、流路アセンブリの内部に抵抗管相当の抵抗流路を意図的に設けることで、抵抗管と同様の機能を流路アセンブリ内部の流路に与えることが考えられる。しかし、流路アセンブリ内に抵抗流路を設けると、外付けの抵抗管を変えることで流路抵抗を調整することができないため、フローコントローラが用いられる検出器の種類に応じた流路アセンブリが必要となる。

流路アセンブリを構成する金属板は１バッチに何枚生産できるかでコストが決まるので、小ロット向けのフローコントローラの場合にそれ専用の流路板を生産するとコスト高になってしまう。また、１つの流路板に全フローコントローラ種類分の流路抵抗を切っておけばよいが、各抵抗の上流に圧力センサを設置するスペースを設ける必要があるため、流路アセンブリが大きくなって設置スペースが増大してしまう。

そこで、本発明は、フローコントローラの種類ごとに異なる流路アセンブリを用意する必要のないフローコントローラを提供することを目的とするものである。

本発明に係るフローコントローラは、流路アセンブリ、圧力センサ及び圧力制御バルブを備えている。流路アセンブリは、複数枚の基板が積層されてなる積層基板からなり、前記積層基板の表面にガス入口及びガス出口が設けられているとともに、前記積層基板の内部に、前記積層基板の内部では互いに連通しない複数の抵抗流路が内部流路として設けられている。圧力センサは、前記流路アセンブリの表面に設けられた穴を介して前記内部流路に接続されている。圧力制御バルブは、前記流路アセンブリの表面に設けられた穴を介して前記内部流路に接続されている。そして、当該フローコントローラは、前記ガス入口から前記ガス出口までが流量制御流路として連通し、その流量制御流路上に前記圧力センサ及び前記圧力制御バルブが搭載されているとともに、該流量制御流路の流路抵抗が所望の流路抵抗となるように選択された少なくとも１つの前記抵抗流路が該流量制御流路内に接続されている。

本発明のフローコントローラにおいて、前記流路アセンブリは、前記ガス入口及び前記ガス出口をそれぞれ複数備え、該フローコントローラが適用される検出器で使用するガスの種類に応じて選択された前記ガス入口と前記ガス出口との間が前記流量制御流路として連通していることが好ましい。そうすれば、複数種類のガスの流量制御を行なう機能を１つのフローコントローラにもたせることができる。

本発明のフローコントローラでは、内部では互いに連通しない複数の抵抗流路が設けられた流路アセンブリを用い、流量制御流路の流路抵抗が所望の流路抵抗となるように選択された少なくとも１つの抵抗流路が該流量制御流路内に接続されている。すなわち、流量制御流路の流路抵抗値は、流路アセンブリ内に設けられた複数の抵抗流路のうちから選択された抵抗流路が接続されることによって調節されるようになっている。したがって、種類の異なる検出器に共通の流路アセンブリを使用することができ、検出器の種類に応じて流路アセンブリを用意する必要がない。これにより、製造コストの低減が図られる。

フローセンサに使用される流路アセンブリの構造の一例を示す概略平面構成図である。 同流路アセンブリを用いたＦＩＤ用フローコントローラの構成を示す概略平面構成図である。 同流路アセンブリを用いたＴＣＤ用フローコントローラの構成を示す概略平面構成図である。 同流路アセンブリを用いたＦＰＤ用フローコントローラの構成を示す概略平面構成図である。 同流路アセンブリを用いたＦＴＤ用フローコントローラの構成を示す概略平面構成図である。

以下、本発明に係るフローコントローラの実施形態を図面を参照して説明する。

図１は種々の検出器用のフローコントローラに共通で用いられる流路アセンブリ１の内部構成を示す平面図である。この流路アセンブリ１は複数の金属板が積層されて構成されるものであり、それらの金属板の内部接合面に複数の内部流路が設けられている。図１においては、流路アセンブリ１の内部接合面に設けられている内部流路のすべてを同一平面内（同一接合面内）にあるかのように示しているが、これらの内部流路は必ずしも同一平面内（同一接合面内）に設けられている必要はなく、複数の接合面に設けられていてもよい。また、内部流路とは別に実線で描かれている円は、この流路アセンブリ１に別の流路板、圧力制御バルブ、圧力センサなどを固定するためのボルトを貫通させる穴を示している。

流路２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、２０、２２、２４、２６、２８、３０及び３２と、抵抗流路Ｒ_A（流路抵抗値：Ｒ_A）、Ｒ_B（流路抵抗値：Ｒ_B）、Ｒ_C（流路抵抗値：Ｒ_C）、Ｒ_D（流路抵抗値：Ｒ_D）及びＲ_E（流路抵抗値：Ｒ_E）が、内部流路として設けられている。破線円２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ、８ａ、８ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、２０ａ、２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａ、３０ａ及び３２ａは、それらの内部流路の端部に通じる流路アセンブリ２の表面又は裏面に設けられた穴を示している。外部の配管、別の流路板、圧力制御バルブ、圧力センサなどは、これらの穴を通じて流路アセンブリ１の内部流路と接続される。

この実施例の流路アセンブリ１は３種類のガスの流量を同時に制御するフローコントローラに適用することができる。すなわち、上記の内部流路を組み合わせて互いに独立した３つの流量制御流路を構成することができる。

第１の流量制御流路は、流路２、流路８、流路１０、抵抗流路Ｒ_A及び流路２０によって構成され、必要に応じて、それらの流路に流路２８、抵抗流路Ｒ_E及び流路２６が追加される。流路２の一端に通じる穴２ａはガス入口であり、所定のガスを供給する外部配管が接続される。

流路２の他端と流路８の一端にはそれぞれ穴２ｂ、８ａを介して圧力制御バルブの入口及び出口が接続され、流路２と流路８との間に圧力制御バルブが介在するようになっている。流路８の他端には、穴８ｂを介して圧力センサが接続されるようになっている。流路８の他端と流路１０の一端は互いに接続されている。流路１０の他端に抵抗流路Ｒ_Aの一端が接続されている。

抵抗流路Ｒ_Aの他端は流路２０の一端と接続されている。流路２０の他端は穴２０ａを介して外部の配管又は別の流路板が接続されるようになっている。流路２０の他端と流路２８の一端は、必要に応じて別の流路板によって互いに接続されるようになっている。流路２０の他端と流路２８の一端が接続されない場合、流路２０の他端には穴２０ａを介して外部配管が接続され、穴２０ａは第１の流量制御流路からガスを排出するためのガス出口となる。

流路２８の他端に抵抗流路Ｒ_Eの一端が接続されている。抵抗流路Ｒ_Eの他端は流路２６の一端に接続されている。流路２６の他端は穴２６ａを介して外部配管が接続されるようになっている。流路２０の他端と流路２８の一端が接続されている場合には、流路２６の他端に通じる穴２６ａが、第１の流量制御流路からガスを排出するためのガス出口となる。

第２の流量制御流路は、流路４、流路１２、抵抗流路Ｒ_B及び流路２２によって構成される。流路４の一端に通じる穴４ａはガス入口であり、所定のガスを供給する外部配管が接続される。

流路４の他端と流路１２の一端にはそれぞれ穴４ｂ、１２ａを介して圧力制御バルブの入口及び出口が接続され、流路４と流路１２との間に圧力制御バルブが介在するようになっている。流路１２の他端には、穴１２ｂを介して圧力センサが接続されるようになっている。流路１２の他端に抵抗流路Ｒ_Bの一端が接続されている。

抵抗流路Ｒ_Bの他端は流路２２の一端と接続されている。流路２２の他端は穴２２ａを介して外部の配管が接続されるようになっており、穴２０ａは第２の流量制御流路からガスを排出するためのガス出口となる。

第３の流量制御流路は、流路６、流路１４、流路１６、抵抗流路Ｒ_C及び流路２４によって構成され、必要に応じて、それらの流路に流路３０、抵抗流路Ｒ_E及び流路３２が追加される。流路６の一端に通じる穴６ａはガス入口であり、所定のガスを供給する外部配管が接続される。

流路６の他端と流路１４の一端にはそれぞれ穴６ｂ、１４ａを介して圧力制御バルブの入口及び出口が接続され、流路６と流路１４との間に圧力制御バルブが介在するようになっている。流路１４の他端には、穴１４ｂを介して圧力センサが接続されるようになっている。流路１４の他端と流路１６の一端は互いに接続されている。流路１６の他端に抵抗流路Ｒ_Cの一端が接続されている。

抵抗流路Ｒ_Cの他端は流路２４の一端と接続されている。流路２４の他端は穴２４ａを介して外部の配管又は別の流路板が接続されるようになっている。流路２４の他端と流路３０の一端は、必要に応じて別の流路板によって互いに接続されるようになっている。流路２４の他端と流路３０の一端が接続されない場合、流路２４の他端には穴２４ａを介して外部配管が接続され、穴２４ａは第３の流量制御流路からガスを排出するためのガス出口となる。

流路３０の他端に抵抗流路Ｒ_Dの一端が接続されている。抵抗流路Ｒ_Dの他端は流路３２の一端に接続されている。流路３２の他端は穴３２ａを介して外部配管が接続されるようになっている。流路２４の他端と流路３０の一端が接続されている場合には、流路３２の他端に通じる穴３２ａが、第３の流量制御流路からガスを排出するためのガス出口となる。

図２から図５は、それぞれ上記流路アセンブリ１を用いて水素炎イオン化検出（ＦＩＤ）、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）、炎光光度検出器（ＦＰＤ）、アルカリ熱イオン化検出器（ＦＴＤ）のためのフローコントローラを構成する場合の流路構成図である。以下、検出器ごとに説明する。

＜ＦＩＤ＞
ＦＩＤでは水素ガス（Ｈ₂）、無機ガス（ＭＵ）、エアーを用いる。ＦＩＤにおいて、水素ガス、無機ガス、エアーの流量を制御するために必要な流路抵抗は、それぞれＲ_A、Ｒ_B、Ｒ_Cである。そのため、図２に示されているように、ＦＩＤ用のフローコントローラ１００は第１の流量制御流路を用いて水素ガスの流量を制御し、第２の流量制御流路を用いて無機ガスの流量を制御し、第３の流量制御流路を用いてエアーの流量を制御する。第１から第３の流量制御流路を構成するために、穴２ｂと８ａの位置、穴４ｂと１２ａの位置、穴６ｂと１４ａの位置にそれぞれ圧力制御バルブ３３、３６、４０が搭載され、穴８ｂの位置、穴１２ｂの位置、穴１４ｂの位置にそれぞれ圧力センサ３４、３８、４２が搭載されている。

水素ガスは、ガス入口２ａから第１の流量制御流路に導入され、流路２、圧力制御バルブ３３、流路８、流路１０、抵抗流路Ｒ_A、流路２０を通って、ガス出口２０ａから排出される。この第１の流量制御流路により、ＦＩＤに供給される水素ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Aが得られる。水素ガスの流量は、圧力センサ３４による検出値に基づいた圧力制御バルブ３３のフィードバック制御により制御される。

無機ガスは、ガス入口４ａから第２の流量制御流路に導入され、流路４、圧力制御バルブ３６、流路１２、抵抗流路Ｒ_B、流路２２を通って、ガス出口２２ａから排出される。この第２の流量制御流路により、ＦＩＤに供給される無機ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Bが得られる。無機ガスの流量は、圧力センサ３８による検出値に基づいた圧力制御バルブ３６のフィードバック制御により制御される。

エアーは、ガス入口６ａから第３の流量制御流路に導入され、流路６、圧力制御バルブ４０、流路１４、流路１６、抵抗流路Ｒ_C、流路２４を通って、ガス出口２４ａから排出される。この第３の流量制御流路により、ＦＩＤに供給されるエアーの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Cが得られる。エアーの流量は、圧力センサ４２による検出値に基づいた圧力制御バルブ４０のフィードバック制御により制御される。

＜ＴＣＤ＞
ＴＣＤは無機ガスのみを用いる。無機ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗はＲ_Aである。そのため、ＴＣＤ用のフローコントローラ２００では、図３に示されているように、第１の流量制御流路を用いて無機ガスの流量を制御する。穴２ｂと８ａの位置に圧力制御バルブ３３が搭載され、穴８ｂの位置に圧力センサ３４が搭載されて第１の流量制御流路が構成されている。

無機ガスは、ガス入口２ａから第１の流量制御流路に導入され、流路２、圧力制御バルブ３３、流路８、流路１０、抵抗流路Ｒ_A、流路２０を通って、ガス出口２０ａから排出される。この第１の流量制御流路により、ＴＣＤに供給される無機ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Aが得られる。無機ガスの流量は、圧力センサ３４による検出値に基づいた圧力制御バルブ３３のフィードバック制御により制御される。

＜ＦＰＤ＞
ＦＰＤでは水素ガスとエアーを用いる。ＦＰＤにおいて、水素ガス、エアーの流量を制御するための流路抵抗は、それぞれＲ_A、Ｒ_C＋Ｒ_Dである。そのため、図４に示されているように、ＦＩＤ用のフローコントローラ３００は第１の流量制御流路を用いて水素ガスの流量を制御し、第３の流量制御流路を用いてエアーの流量を制御する。第１の流量制御流路と第３の流量制御流路を構成するために、穴２ｂと８ａの位置と穴６ｂと１４ａの位置にそれぞれ圧力制御バルブ３３と４０が搭載され、穴８ｂの位置と穴１４ｂの位置にそれぞれ圧力センサ３４と４２が搭載されている。さらに、第３の流量制御流路の流路抵抗をＲ_C＋Ｒ_Dとするために、穴２４ａと穴３０ａとの間を連通させるバイパス流路４６を備えた流路板４４が流路アセンブリ１に搭載されている。

水素ガスは、ガス入口２ａから第１の流量制御流路に導入され、流路２、圧力制御バルブ３３、流路８、流路１０、抵抗流路Ｒ_A、流路２０を通って、ガス出口２０ａから排出される。この第１の流量制御流路により、ＦＩＤに供給される水素ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Aが得られる。水素ガスの流量は、圧力センサ３４による検出値に基づいた圧力制御バルブ３３のフィードバック制御により制御される。

エアーは、ガス入口６ａから第３の流量制御流路に導入され、流路６、圧力制御バルブ４０、流路１４、流路１６、抵抗流路Ｒ_C、流路２４、バイパス流路４６、流路３０、抵抗流路Ｒ_D、流路３２を通ってガス出口３２ａから排出される。この第３の流量制御流路により、ＦＰＤに供給されるエアーの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_C＋Ｒ_Dが得られる。エアーの流量は、圧力センサ４２による検出値に基づいた圧力制御バルブ４０のフィードバック制御により制御される。

＜ＦＴＤ＞
ＦＴＤでは水素ガス（Ｈ₂）、無機ガス（ＭＵ）、エアーを用いる。ＦＴＤにおいて、水素ガス、無機ガス、エアーの流量を制御するために必要な流路抵抗は、それぞれＲ_A＋Ｒ_E、Ｒ_B、Ｒ_C＋Ｒ_Dである。そのため、図５に示されているように、ＦＴＤ用のフローコントローラ４００は第１の流量制御流路を用いて水素ガスの流量を制御し、第２の流量制御流路を用いて無機ガスの流量を制御し、第３の流量制御流路を用いてエアーの流量を制御する。第１から第３の流量制御流路を構成するために、穴２ｂと８ａの位置、穴４ｂと１２ａの位置、穴６ｂと１４ａの位置にそれぞれ圧力制御バルブ３３、３６、４０が搭載され、穴８ｂの位置、穴１２ｂの位置、穴１４ｂの位置にそれぞれ圧力センサ３４、３８、４２が搭載されている。さらに、第１の流量制御流路の流路抵抗をＲ_A＋Ｒ_Eとするため、穴２０ａと２８ａの間を連通させるバイパス流路５０を備えた流路板４８が流路アセンブリ１に搭載されている。さらに、第３の流量制御流路の流路抵抗をＲ_C＋Ｒ_Dとするために、穴２４ａと穴３０ａとの間を連通させるバイパス流路４６を備えた流路板４４が流路アセンブリ１に搭載されている。

水素ガスは、ガス入口２ａから第１の流量制御流路に導入され、流路２、圧力制御バルブ３３、流路８、流路１０、抵抗流路Ｒ_A、流路２０、バイパス流路５０、流路２８、抵抗流路Ｒ_E、流路２６を通って、ガス出口２６ａから排出される。この第１の流量制御流路により、ＦＴＤに供給される水素ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_A＋Ｒ_Eが得られる。水素ガスの流量は、圧力センサ３４による検出値に基づいた圧力制御バルブ３３のフィードバック制御により制御される。

無機ガスは、ガス入口４ａから第２の流量制御流路に導入され、流路４、圧力制御バルブ３６、流路１２、抵抗流路Ｒ_B、流路２２を通って、ガス出口２２ａから排出される。この第２の流量制御流路により、ＦＩＤに供給される無機ガスの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_Bが得られる。無機ガスの流量は、圧力センサ３８による検出値に基づいた圧力制御バルブ３６のフィードバック制御により制御される。

エアーは、ガス入口６ａから第３の流量制御流路に導入され、流路６、圧力制御バルブ４０、流路１４、流路１６、抵抗流路Ｒ_C、流路２４、バイパス流路４６、流路３０、抵抗流路Ｒ_D、流路３２を通ってガス出口３２ａから排出される。この第３の流量制御流路により、ＦＰＤに供給されるエアーの流量を制御するために必要な流路抵抗Ｒ_C＋Ｒ_Dが得られる。エアーの流量は、圧力センサ４２による検出値に基づいた圧力制御バルブ４０のフィードバック制御により制御される。

以上において説明したように、流路アセンブリ１内には、該流路アセンブリ１の内部においては互いに連通していない複数の抵抗流路抵抗流路Ｒ_A（流路抵抗値：Ｒ_A）、Ｒ_B（流路抵抗値：Ｒ_B）、Ｒ_C（流路抵抗値：Ｒ_C）、Ｒ_D（流路抵抗値：Ｒ_D）及びＲ_E（流路抵抗値：Ｒ_E）が設けられており、フローコントローラの種類（それが用いられる検出器の種類）に応じて必要な抵抗流路が追加的に流量制御流路内に組み込まれるようになっているので、共通の流路アセンブリを用いて各種フローコントローラを構成することができる。

１ 流路アセンブリ
２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２ 流路
Ｒ_A〜Ｒ_E 抵抗流路
３３，３６，４０ 圧力制御バルブ
３４，３８，４２ 圧力センサ
４４，４８ 流路板
４６，５０ バイパス流路

Claims (2)

1. 複数枚の基板が積層されてなる積層基板からなり、前記積層基板の表面にガス入口及びガス出口が設けられているとともに、前記積層基板の内部に、前記積層基板の内部では互いに連通しない複数の抵抗流路が内部流路として設けられている流路アセンブリと、
   前記流路アセンブリの表面に設けられた穴を介して前記内部流路と接続された圧力センサと、
   前記流路アセンブリの表面に設けられた穴を介して前記内部流路に接続された圧力制御バルブと、を備え、
   前記ガス入口から前記ガス出口までが流量制御流路として連通し、その流量制御流路上に前記圧力センサ及び前記圧力制御バルブが搭載されているとともに、該流量制御流路の流路抵抗が所望の流路抵抗となるように選択された少なくとも１つの前記抵抗流路が該流量制御流路内に接続されているフローコントローラ。
2. 前記流路アセンブリは、前記ガス入口及び前記ガス出口をそれぞれ複数備え、該フローコントローラが適用される検出器で使用するガスの種類に応じて選択された前記ガス入口と前記ガス出口との間が前記流量制御流路として連通している請求項１に記載のフローコントローラ。

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