JP6747594B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関し、特に、質量分析装置のうち試料のイオン化及び質量分析を行う機器（以下、「質量分析計」とする）以外の機器のうち、真空ポンプや電源等の発熱源となる機器（以下、これらを発熱機器と言う。）を冷却するための構成に関する。

質量分析装置では、試料をイオン化するイオン化室や質量分析を行う分析室内を真空にする必要がある。そのために、質量分析装置には真空ポンプが設けられており、特に最終段には、高い真空度を容易に得ることができるターボ分子ポンプがよく用いられている。また、質量分析装置には、イオン化や分析に用いる電力や、真空ポンプを作動させるための電力を供給するための電源が設けられている。電源は、用途毎に電流、電圧、周波数が相違するため、通常、１台の質量分析装置に複数設けられる。一般に、これら真空ポンプや電源は、イオン化室や分析室を含む本体と一緒に、質量分析装置の筐体内に収容されている。

ターボ分子ポンプは、回転翼が高速で回転することで気体分子を弾き飛ばすことによりガスを排気するポンプであり、使用時の温度が所定の許容温度よりも高くなると、回転翼が熱で膨張して変形し、回転翼が破損してしまうおそれがある。また、電源は、温度が上昇すると出力電圧が変動し、分析の精度が低下する原因となる。さらに、ターボ分子ポンプその他の真空ポンプや電源は、それらが発熱源となって周辺の機器の温度を上昇させ、分析の精度を低下させたり、それらの機器の誤作動を生じさせる原因となる。これらの理由により、質量分析装置では、作動中に真空ポンプや電源等の発熱機器並びにそれらの周辺を冷却する必要がある。

特許文献１には、筐体に吸気口と排気ファンが設けられ、筐体内のターボ分子ポンプの近傍に排気ファンが配置された質量分析装置が記載されている。このように吸気口と排気ファンを組み合わせた構成の他に、吸気ファンと排気口を組み合わせた構成も考えられるが、前者は、排気ファンで空気を排気することによって筐体内が負圧になるため、吸気口から排気ファンに至る空気の流れが生成され易く、筐体内を満遍なく冷却することができるという点で優れている。

米国特許明細書第6,465,777号

しかし、吸気口と排気ファンを組み合わせた構成では、筐体内の空気の風速を大きくすることが難しく、冷却能力を大きく向上させることが難しい。そのため、吸気口と排気ファンを組み合わせた冷却機構だけでは真空ポンプや電源等の発熱機器を許容温度まで冷却することができない場合がある。そこで、これら吸気口と排気ファンに加えて、発熱機器の近傍に局所冷却用のファンを追設することが行われている。しかし、このようなファンを追設すると、コストが上昇するうえに、騒音が増大するという問題が生じる。また、ファンは可動部を有することから質量分析装置を構成する機器の中では故障しやすいものであるため、ファンを追設することで故障の頻度が増加し、装置の信頼性が低下する。さらには、ファンから振動が発生して該振動が質量分析計に伝播し、分析精度が低下するおそれがある。

また、例えばイオンが通過する部分の電極に電圧を印加するため等に用いられる電源は、自らが発熱する一方、その周囲の温度が変化すると出力電圧が変動し、質量分析装置の質量分解能や質量精度などが低下してしまい、熱による影響を受けやすいという特徴を有する。そのため、このような電源では、質量分析装置の他の構成要素よりも周囲の温度の変化を小さくする必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、発熱機器を冷却する性能をより高くすることができ、温度変化に敏感な発熱機器の周囲での温度変化を抑えることができる質量分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
イオン化部、質量分離部及びイオン検出部から成る質量分析計を含む複数の機器を収容する筐体と、
前記機器の１つである第１発熱機器と、
前記機器の１つであって該第１発熱機器よりも許容最高温度が低いか又は許容温度変化量が小さく、該第１発熱機器よりも高い位置に配置されている第２発熱機器と、
前記筐体の、前記第１発熱機器よりも前記第２発熱機器に近く該第２発熱機器よりも低い位置に設けられた吸気口と、
前記筐体の、前記第１発熱機器よりも前記第２発熱機器から遠く該第２発熱機器よりも高い位置に設けられた排気ファンと
を備えることを特徴とする。

筐体内の吸気口の近傍では、それよりも筐体の内部側の位置と比較して、空気の風速が速く、且つ、筐体内の質量分析計やその付属機器で加熱される前の空気が通過するため、機器を冷却しやすい。そこで本発明では、第１発熱機器よりも許容最高温度が低い第２発熱機器を用いる場合には、第１発熱機器よりも吸気口に近い位置に第２発熱機器を配置することにより、第２発熱機器を冷却する性能をより高くすることができ、第２発熱機器が第１発熱機器からの影響を受け難くすることができる。

これにより、発熱機器に局所冷却用のファンを追設する必要がなく、質量分析装置中のファンの数を少なくすることができるため、コストの上昇や騒音の増大を抑えることができると共に、装置の信頼性を高くすることができる。

第２発熱機器としては、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプや、質量分析装置のイオンが通過する部分に設けられた電極等の出力電圧の変動に敏感な構成要素に電圧を印加するための電源が挙げられる。第１発熱機器としては、イオン化部、TOF部を除く質量分離部及びイオン検出部、電気基板に電力供給するDCスイッチング電源等が挙げられる。

排気ファンには通常、その能力に応じて設定された面積を有する開口が設けられている。この排気ファンの開口の面積に対して吸気口の開口面積が大きすぎると、排気ファンの風量は確保できるものの、その分、空気の風速が遅くなりすぎる。一方、排気ファンの開口の面積に対して吸気口の開口面積が小さすぎると、圧力損失により風量が不足してしまう。そこで、吸気口の開口面積は、排気ファンの開口の面積と同程度、具体的には排気ファンの開口の面積の0.3〜7倍であることが望ましい。

本発明に係る質量分析装置は、前記吸気口を複数個備え、各吸気口につき、前記第１発熱機器よりも該吸気口に近い筐体内の位置に1個の前記第２発熱機器が配置されている、という構成を取ることができる。これにより、各第２発熱機器をより確実に冷却することができる。この場合、これら複数個の吸気口の開口面積の和が排気ファンの開口の面積の0.3〜7倍であることが望ましい。

本発明に係る質量分析装置は、前記第２発熱機器が前記吸気口及び前記第１発熱機器よりも高い位置に配置されており、前記排気ファンが前記第２発熱機器よりも高い位置に配置されている。これにより、第２発熱機器を冷却することにより暖められて軽くなった空気が第１発熱機器よりも上側を通過して排気ファンから筐体の外に排出されため、第２発熱機器で暖められた空気に第１発熱機器が晒されることがなく、第１発熱機器の温度上昇をより効果的に防ぐことができる。

本発明に係る質量分析装置によれば、発熱機器を冷却する性能をより高くすることができ、温度変化に敏感な発熱機器の周囲での温度変化を抑えることができる。

本発明に係る質量分析装置の第１実施形態における質量分析計、ターボ分子ポンプ及び電源の配置を示す平面図(a)及び側面図(b)。 第１実施形態の質量分析装置が有する質量分析計を示す概略構成図。 第１実施形態の質量分析装置について計算で求めた筐体内の温度分布の平面図。 第１実施形態の質量分析装置について計算で求めた空気の流速の分布の側面図。 本発明に係る質量分析装置の第２実施形態における質量分析計、ターボ分子ポンプ及び電源の配置を示す平面図。

図１〜図５を用いて、本発明に係る質量分析装置の実施形態を説明する。
第１実施形態の質量分析装置１０は、図１に示すように、質量分析計１１０、真空ポンプであるターボ分子ポンプ１２１と、電源１２２と、それらを収容する筐体１９を備える。

質量分析計１１０は、図２に示すように、真空室１１７内に、イオン源１１１と、四重極マスフィルタ１１２と、コリジョンセル１１３と、イオントラップ１１４と、飛行時間型質量分離器１１５と、イオン検出器１１６が配置されて成る。イオン源１１１は、試料に含まれる各種化合物をイオン化させるものである。四重極マスフィルタ１１２は、予め指定された特定の質量電荷比を有するプリカーサイオンのみを通過させる。コリジョンセル１１３は、プリカーサイオンを開裂させるものであって、内部にイオンガイド１１３１を備える。イオントラップ１１４は、開裂により生成されたプロダクトイオン及び開裂しなかったプリカーサイオンを一旦捕捉したうえでパケット状に射出するものであり、リング電極１１４１と、該リング電極を挟んで設けられた一対のエンドキャップ電極１１４２及び１１４３を備える。飛行時間型質量分離器１１５は、イオンに一定の加速エネルギを付与して一定距離を飛行させて該イオンをイオン検出器１１６に検出させることにより、その飛行に要する時間から該イオンの質量電荷比を求めるためのものである。この飛行時間型質量分離器１１５は、それまでの進行方向に垂直な方向（下方向）にイオンを加速する押出し電極１１５１及びグリッド電極１１５２と、加速されたイオンを所定距離だけ飛行させたうえで反射させる反射電極（リフレクトロン）１１５３を備える。電源１２２は、これら四重極マスフィルタ１１２、コリジョンセル１１３、イオントラップ１１４、飛行時間型質量分離器１１５及びイオン検出器１１６が有する各電極やイオン検出器１１６等に接続され、それら各部に電力を供給する。真空室１１７はターボ分子ポンプ１２１に接続されており、内部が高真空に維持される。なお、ここで示した質量分析計１１０は一例であって、本発明では種々の質量分析計を用いることができる。

図１に示すように、筐体１９は直方体状であり、該直方体の4つの側面のうちの1つである吸気口設置面１９１には、吸気口１４が設けられているまた、吸気口設置面１９１に対向する側面である排気ファン設置面１９２には排気ファン１５が、該排気ファン設置面１９２の幅方向の大半を占めるように複数個並んで設けられている。吸気口１４の開口面積は、排気ファン１５の開口面積の0.3〜7倍とすることが望ましく、第１実施形態では排気ファン１５の開口面積と同じとした。

通常、市販のターボ分子ポンプには、それ自体に冷却のためのファンが設けられている。しかし、第１実施形態の質量分析装置１０で使用するターボ分子ポンプ１２１は、それ自体にはファンが設けられておらず、筐体１９に設けられた吸気口１４と排気ファン１５を組み合わせた冷却機構のみによって冷却される。

上記各部は、高さ方向に関しては上から、排気ファン１５、電源１２２、ターボ分子ポンプ１２１、それらターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２以外の各機器（後述の第１発熱機器１１）、吸気口１４の順に配置されている。

第１実施形態の質量分析装置１０は、排気ファン１５を作動させることにより、筐体１９内が負圧となり、それにより外部の空気が吸気口１４から筐体１９内に導入される。これら吸気口１４と排気ファン１５を組み合わせた冷却機構は、吸気ファンと排気口を組み合わせた冷却機構よりも、筐体１９内に空気の流れを生成し易く、筐体１９内を満遍なく冷却することができる。

そして、ターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２は、第１実施形態の質量分析装置１０中の他の機器（第１発熱機器１１）よりも許容最大温度が低かったり、周囲の温度変化に敏感な発熱機器、すなわち上記第２発熱機器に該当する。以下、ターボ分子ポンプ１２１と電源１２２を合わせて「第２発熱機器１２」とする。吸気口１４は第１発熱機器１１よりも第２発熱機器１２に近い位置に設けられており、排気ファン１５は第１発熱機器１１よりも第２発熱機器１２から遠い位置に設けられている。そのため、吸気口１４から筐体１９内に導入された空気は、第１発熱機器１１の位置よりも速い風速で第２発熱機器１２を通過するため、第２発熱機器１２を効率よく冷却することができる。

また、第１実施形態の質量分析装置１０では、第２発熱機器１２が吸気口１４及び第１発熱機器１１よりも高い位置に配置されており、さらに排気ファン１５がこれら第１発熱機器１１及び第２発熱機器１２よりも高い位置に配置されていることにより、第２発熱機器１２を冷却することにより暖められて軽くなった空気が第１発熱機器１１よりも上側を通過して排気ファン１５から筐体１９の外に排出される。そのため、第２発熱機器１２で暖められた空気に第１発熱機器１１が晒されることがなく、第１発熱機器１１の温度上昇をより効果的に防ぐことができる。なお、第１発熱機器１１は、吸気口１４から導入されて第２発熱機器１２よりも下側を通過した空気が通過することにより、冷却される。

第１実施形態の質量分析装置１０について、筐体１９内の温度分布及び空気の流速の分布を計算で求めた。その結果を、温度分布については図３に平面図で、空気の流速の分布については図４に側面図で、それぞれ示す。温度は、ターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２内では高い（図３中の「H」）か又はやや高く（同「MH」）、それらターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２の周囲、電源１２２よりも空気の下流側である排気ファン１５寄りの領域、並びに第１発熱機器１１が存在する領域ではやや低く（同「ML」）、その他の領域では低い（同「L」）。筐体１９内の全体では、温度は、第２発熱機器１２が配置されている位置の他では均一に近い分布を呈している。空気の流速は、吸気口１４及び排気ファン１５の近傍では他の位置よりも速くなっている。特に、吸気口１４の近傍では他の発熱機器によって加熱される前の空気で冷却することができるため、上記各機器の配置は、第１発熱機器１１よりも吸気口１４に近い位置に配置された第２発熱機器１２を冷却するのに適した分布となっている。

図５を用いて、本発明に係る質量分析装置の第２実施形態を説明する。第２実施形態の質量分析装置１０Ａは、第１実施形態の質量分析装置１０と同様のターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２（第２発熱機器１２）、並びにその他の機器である第１発熱機器１１が、直方体状の筐体１９Ａ内に収容されている。筐体１９Ａの4つの側面のうちの1つである吸気口設置面１９１Ａには、第１吸気口１４１及び第２吸気口１４２の2個の吸気口が同じ高さに設けられている。ターボ分子ポンプ１２１は、第１発熱機器１１及び電源１２２よりも第１吸気口１４１に近い位置に配置されている。一方、電源１２２は、第１発熱機器１１及びターボ分子ポンプ１２１よりも第２吸気口１４２に近い位置に配置されている。吸気口設置面１９１Ａに対向する筐体１９Ａの側面である排気ファン設置面１９２Ａには、第１実施形態の質量分析装置１０と同様の排気ファン１５が設けられている。第２実施形態の質量分析装置における第１発熱機器１１、ターボ分子ポンプ１２１、電源１２２、吸気口（第１吸気口１４１及び第２吸気口１４２）、並びに排気ファン１５の高さ方向の位置関係は第１実施形態の質量分析装置１０と同様である。

第１吸気口１４１の面積は、第２吸気口１４２の面積よりも大きい。それら第１吸気口１４１及び第２吸気口１４２の面積の和は、排気ファン１５の開口面積の0.3〜7倍とすることが望ましく、本実施形態では排気ファン１５の開口面積と同じとした。

第２実施形態の質量分析装置１０Ａでは、第１吸気口１４１は第１発熱機器１１よりもターボ分子ポンプ１２１に近い位置に設けられており、第２吸気口１４２は第１発熱機器１１よりも電源１２２に近い位置に設けられている。そのため、第１吸気口１４１から筐体１９内に導入された空気は第１発熱機器１１の位置よりも速い風速でターボ分子ポンプ１２１を通過し、第２吸気口１４２から筐体１９内に導入された空気は第１発熱機器１１の位置よりも速い風速で電源１２２を通過するため、これら第２発熱機器１２であるターボ分子ポンプ１２１及び電源１２２を効率よく冷却することができる。また、第１吸気口１４１の方が第２吸気口１４２よりも面積が大きいため、電源１２２よりも発熱量の大きいターボ分子ポンプ１２１の方が、より多い風量が供給され、それによってより効率的に冷却される。

本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

１０、１０Ａ…質量分析装置
１１…第１発熱機器
１１０…質量分析計
１１１…イオン源
１１２…四重極マスフィルタ
１１３…コリジョンセル
１１３１…イオンガイド
１１４…イオントラップ
１１４１…リング電極
１１４２…エンドキャップ電極
１１５…飛行時間型質量分離器
１１５１…押出し電極
１１５２…グリッド電極
１１６…イオン検出器
１１７…真空室
１２…第２発熱機器
１２１…ターボ分子ポンプ
１２２…電源
１４…吸気口
１４１…第１吸気口
１４２…第２吸気口
１５…排気ファン
１９、１９Ａ…筐体
１９１、１９１Ａ…吸気口設置面
１９２、１９２Ａ…排気ファン設置面
１９２Ａ…排気ファン設置面

Claims (5)

1. イオン化部、質量分離部及びイオン検出部から成る質量分析計を含む複数の機器を収容する筐体と、
   前記機器の１つである第１発熱機器と、
   前記機器の１つであって該第１発熱機器よりも許容最高温度が低いか又は許容温度変化量が小さく、該第１発熱機器よりも高い位置に配置されている第２発熱機器と、
   前記筐体の、前記第１発熱機器よりも前記第２発熱機器に近く該第２発熱機器よりも低い位置に設けられた吸気口と、
   前記筐体の、前記第１発熱機器よりも前記第２発熱機器から遠く該第２発熱機器よりも高い位置に設けられた排気ファンと
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 前記第２発熱機器が局所冷却用のファンを有していないことを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記吸気口の開口面積が、前記排気ファンの開口の面積の0.3〜7倍であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
4. 前記吸気口を複数個備え、各吸気口につき、前記第１発熱機器よりも該吸気口に近い筐体内の位置に1個の前記第２発熱機器が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
5. 前記複数個の吸気口の開口面積の和が前記排気ファンの開口の面積の0.3〜7倍であることを特徴とする請求項４に記載の質量分析装置。