JP7768340B2 - ガス分析システム - Google Patents

Description

本開示は、ガス分析システム（ガスクロマトグラフシステム）に関する。

ガス分析システム（ガスクロマトグラフシステム）は、石油化学およびガス製造プラントなどの品質および工程の管理、あるいは燃料電池の研究など、さまざまな分野で用いられている。従来のガス分析システムのなかには、目的の異なる複数の機能（サンプリング機能、ハートカット機能、プレカット機能、カラム切替機能、バックフラッシュ機能など）を実現するために、各機能に応じた専用の流路構成を備えているものがある。例えば、特開２００４－１０１２００号公報に開示されたガス分析システムは、六方バルブおよび八方バルブを用いてプレカット機能を実現するための流路構成を備えている。

特開２００４－１０１２００号公報

従来のガス分析システムにおいては、要求される機能毎に、バルブ、配管等の流路構成が異なる。そのため、分析システムの機能を変更する場合には、その機能に応じた流路構成に交換し、変更後の機能に応じた調整を行なう必要がある。その結果、機能変更に多くの時間とコストを要するという問題があった。

本開示は上記の問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、流路のハード構成を交換することなく複数の機能を実現することができるガス分析システムを提供することである。

本開示に係るガス分析システムは、試料ガスに含まれるガス成分を分離する分離部と、分離部から流出するガス成分を検出する検出装置と、分離部と検出装置とに流体接続される流路と、流路上に設けられ、各々が互いに独立して制御可能な複数のバルブと、複数のバルブを独立して制御する制御装置とを備える。複数のバルブは、該複数のバルブの制御状態に応じて流路が第１流路パターンおよび第２流路パターンを形成するように配置されている。制御装置は、第１流路パターンおよび第２流路パターンに対応する複数のバルブの制御状態に関する情報を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された情報を用いて複数のバルブをそれぞれ制御するための信号を生成して複数のバルブに出力する出力部とを有する。

上記のガス分析システムによれば、複数のバルブを独立して制御することによって、互いに異なる目的を有する複数の機能を実現することができる。そのため、流路のハード構成を交換することなく複数の機能を実現することができる。

本開示によれば、流路のハード構成を交換することなく複数の機能を実現することができるガス分析システムを提供することができる。

ガス分析システムの構成の一例を模式的に示す図（その１）である。 マイクロバルブの断面図（その１）である。 マイクロバルブの断面図（その２）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その１）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その２）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その３）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その４）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その５）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その６）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その７）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その８）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その９）である。 切替バルブの状態と各ガスの流れを示す図（その１０）である。 切替バルブの開閉状態のパターンを一覧にした図である。 ユーザが要求する機能の一例を示す図である。 ガス分析システムの構成の一例を模式的に示す図（その２）である。 ガス分析システムの構成の一例を模式的に示す図（その３）である。

以下に、本実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。

［システムの全体構成］
図１は、本実施の形態によるガス分析システム１の構成の一例を模式的に示す図である。

ガス分析システム１は、キャリアガス供給装置１１～１３と、サンプルタンク２０と、ポンプ２１と、ベント２３と、サンプラモジュールＭ１と、切替モジュールＭ２と、カラム４１～４４と、検出装置５０，５１と、入力装置６０と、表示装置７０と、駆動装置８０と、制御装置１００とを備える。

キャリアガス供給装置１１～１３の各々は、キャリアガスと呼ばれる移動相を予め定められた圧力に調整して出力する。キャリアガスとしては、たとえばヘリウムガスが用いられる。キャリアガスの圧力は、図示しない電子式の自動圧力コントローラ（ＡＰＣ：Automatic Pressure Controller）によって調整される。

サンプルタンク２０は、分析対象である試料ガスを貯留する装置である。サンプルタンク２０は、サンプラモジュールＭ１のコネクタＣ１に接続される。コネクタＣ１は、サンプルタンク２０からの試料ガスが入力される流入部として機能する。したがって、以下ででは、コネクタＣ１を「流入部Ｃ１」とも称する。ユーザは、サンプラモジュールＭ１のコネクタＣ１に接続されるサンプルタンク２０を交換することによって、ガス分析システム１で分析される試料ガスを変更することができる。

ポンプ２１は、サンプラモジュールＭ１の流路のエアを吸引してサンプラモジュールＭ１の流路内を負圧にするための吸引ポンプである。なお、ここでいう負圧とは、大気圧を基準として、大気圧よりも低い圧力を意味する。

ベント２３は、サンプラモジュールＭ１の流路を外部に連通して、サンプラモジュールＭ１の流路内のガスを外部に排出する。

サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２は、サンプルタンク２０、カラム４１～４４および検出装置５０，５１に流体接続される流路上に設けられる。なお、ここでいう流体接続とは、流体によって、他の部品を介することなく直接的に、または、他の部品を介して間接的に、接続されることを意味する。

サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２の各々は、流路パターンが形成された流路板（流路部材）に複数の切替バルブを実装することによって形成されている。

各モジュールＭ１，Ｍ２には、外部機器を接続するための複数のコネクタ（インターフェース）が設けられる。各モジュールＭ１，Ｍ２に形成された流路は、これらのコネクタを介して外部機器に接続される。具体的には、サンプラモジュールＭ１には、コネクタＣ１～Ｃ６が設けられる。コネクタＣ１～Ｃ３には、サンプルタンク２０、ポンプ２１、ベント２３がそれぞれ接続される。コネクタＣ４には、キャリアガス供給装置１１およびカラム４３が接続される。コネクタＣ５には、キャリアガス供給装置１２が接続される。コネクタＣ６には、カラム４１が接続される。切替モジュールＭ２には、コネクタＣ７～Ｃ１０が設けられる。コネクタＣ７～Ｃ１０には、それぞれカラム４１～４４が接続される。

サンプラモジュールＭ１は、試料ガスを一定量ずつカラム４１に供給するための装置である。サンプラモジュールＭ１は、コネクタＣ１～Ｃ６と、一定容積のサンプルループＰＬと、切替バルブＶ１～Ｖ６と、これらを接続する複数の流路とを備える。サンプラモジュールＭ１のコネクタＣ１～Ｃ６には、上述のように、それぞれ、サンプルタンク２０、ポンプ２１、ベント２３、キャリアガス供給装置１１、キャリアガス供給装置１２、およびカラム４１が接続される。

切替バルブＶ１，Ｖ４は、コネクタＣ１からコネクタＣ４までの流路に、この順に配置される。切替バルブＶ３，Ｖ５，Ｖ６は、コネクタＣ２からコネクタＣ５までの流路に、この順に配置される。切替バルブＶ２は、切替バルブＶ５，Ｖ６間の流路とコネクタＣ３とを接続する流路に配置される。

サンプルループＰＬは、切替バルブＶ１，Ｖ４間の流路と切替バルブＶ３，Ｖ５間の流路とを接続する流路に配置される。サンプルループＰＬは、サンプルタンク２０から導入される試料ガスを、カラム４１に供給するために一時的に保持する機能を有する。切替バルブＶ１～Ｖ６の制御によってサンプルループＰＬの接続先が適宜切り替えられることによって、サンプラモジュールＭ１は、サンプルタンク２０から供給される試料ガスをサンプルループＰＬに一旦充填し、その後にサンプルループＰＬ内に充填された試料ガスをカラム４１に供給する。

切替モジュールＭ２は、コネクタＣ７～Ｃ１０と、切替バルブＶ７～Ｖ１０と、これらを接続する複数の流路とを備える。切替モジュールＭ２のコネクタＣ７～Ｃ１０には、上述のように、カラム４１～４４がそれぞれ接続される。

切替バルブＶ９は、コネクタＣ７とコネクタＣ８との間の流路に配置される。切替バルブＶ８は、コネクタＣ９とコネクタＣ１０との間の流路に配置される。

切替バルブＶ７は、コネクタＣ９と切替バルブＶ８との間の流路とコネクタＣ８と切替バルブＶ９との間の流路とを接続する流路に配置される。切替バルブＶ１０は、コネクタＣ７と切替バルブＶ９との間の流路とコネクタＣ１０と切替バルブＶ８との間の流路とを接続する流路に配置される。

切替バルブＶ１～Ｖ１０は、駆動装置８０によって開状態および閉状態のどちらかに切り替えられる。駆動装置８０は、制御装置１００からの指令に応じて、切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態を切り替える。言い換えれば、切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態は、制御装置１００によって制御される。

カラム４１，４２は、供給された試料ガス中の各種成分を分離する。具体的には、カラム４１，４２は、供給された試料ガスがキャリアガスの流れに乗って各カラム中を通過する間に、当該試料ガス中に含まれる各種成分を時間方向に分離して出力する。カラム４１は、一次分離用のカラムである。カラム４２は、カラム４１によって一次分離された試料ガスの各種成分をさらに分離する二次分離用のカラムである。カラム４３，４４は、試料ガスの各種成分を分離（保持）する能力のない、圧力調整用の抵抗管である。

検出装置５０は、カラム４２に接続され、カラム４２から導入された各種成分を検出する。検出装置５１は、カラム４４に接続され、カラム４４から導入された各種成分を検出する。各検出装置５０，５１として、たとえば、吸光光度検出器（ＰＤＡ（Photo Diode Array）検出器）、蛍光検出器、示差屈折率検出器、伝導度検出器、あるいは質量分析計などが用いられる。各検出装置５０，５１による検出結果を示すデータは、制御装置１００内の記憶部１２０に記憶され、ユーザからの要求により表示装置７０に表示される。

入力装置６０は、たとえばキーボードあるいはマウスなどのポインティングデバイスであり、ユーザからの要求あるいは指令を受け付ける。入力装置６０に入力されたユーザからの要求あるいは指令は、制御装置１００に送られる。

表示装置７０は、たとえば液晶（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）パネルで構成され、ユーザに情報を表示する。ユーザインターフェースとしてタッチパネルが用いられる場合には、入力装置６０と表示装置７０とが一体的に形成される。

制御装置１００は、演算部（出力部）１１０、記憶部１２０、入出力インターフェースなどを含む。制御装置１００は、キャリアガス供給装置１１～１３、ポンプ２１、切替バルブＶ１～Ｖ１０（駆動装置８０）などを含めたガス分析システム１全体を統括的に制御する。制御装置１００は、ユーザインターフェースである入力装置６０および表示装置７０と、有線あるいは無線で接続されている。

演算部（出力部）１１０は、演算装置（Central Processing Unit）を有し、記憶部１２０に記憶された情報を用いて切替バルブＶ１～Ｖ１０をそれぞれ制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を出力インターフェースを介して切替バルブＶ１～Ｖ１０（駆動装置８０）に出力する。

［切替バルブＶ１～Ｖ１０の構成］
図２および図３を用いて、本実施の形態による切替バルブＶ１～Ｖ１０の構成の一例について説明する。なお、切替バルブＶ１～Ｖ１０の基本構成は同じであるため、図２および図３においては、切替バルブＶ１～Ｖ１０を区別することなくマイクロバルブ２００として説明する。

図２は、マイクロバルブ２００が開状態であるときのマイクロバルブ２００の断面図である。図３は、マイクロバルブ２００が閉状態であるときのマイクロバルブ２００の断面図である。

マイクロバルブ２００は、基台層２２０と、ダイヤフラム層２３０と、カバー層２４０とを含み、これらがこの順で積層された積層構造を有している。基台層２２０、ダイヤフラム層２３０、およびカバー層２４０の各層は、所望の強度および柔軟性を実現するために、たとえばシリコンで形成されており、ＭＥＭＳ（Micro Electric Mechanical Systems）技術により微細加工が施されている。

マイクロバルブ２００の厚み（積層方向の寸法）は約１～２ｍｍである。なお、以下では、便宜的に、基台層２２０からカバー層２４０に向かう方向を上方向、カバー層２４０から基台層２２０に向かう方向を下方向として説明する場合がある。

基台層２２０は、マイクロバルブ２００の最下層に配置される。基台層２２０には、凹部２２１と、基台層２２０を貫通する開口部２２２～２２４が形成されている。凹部２２１は、基台層２２０を上方向から平面視した場合に略円形状を有しており、基台層２２０の略中心付近に形成されている。凹部２２１は、基台層２２０の上面側から下面側に向かって窪んでいる。基台層２２０の厚みは約１５０μｍである。また、凹部２２１の深さは５～２０μｍであり、好ましくは約１０μｍである。

開口部２２３，２２４は、凹部２２１の底部２２５に形成されている。後述するように、開口部２２３，２２４は、試料ガスの流入口および流出口をそれぞれ形成する。開口部２２２は、基台層２２０の凹部２２１の周辺の外縁部に、凹部２２１とは離隔して形成されている。開口部２２２は、マイクロバルブ２００の制御用流体（ニューマチック流体）の供給口を形成する。

ダイヤフラム層２３０は、基台層２２０の上面側に、基台層２２０に対向して配置される。ダイヤフラム層２３０は、ダイヤフラム層２３０を貫通する開口部２３２と、剛体部２３４と、剛体部２３４の周囲に設けられた可撓部２３３とを有する。可撓部２３３は、剛体部２３４の厚みよりも薄く、可撓性を有している。可撓部２３３が弾性変形することによって、剛体部２３４が上下方向に変位する。

開口部２３２は、可撓部２３３および剛体部２３４から離隔して形成されている。開口部２３２は、上方向から平面視した場合に、基台層２２０の開口部２２２と重なる位置に形成されており、開口部２２２とともにニューマチック流体の供給口を形成する。

マイクロバルブ２００は、流路部材（流路板）２５０に接続されて使用される。流路部材２５０には、基台層２２０の開口部２２２～２２４にそれぞれ対応する位置に、開口部２５２～２５４が形成されている。流路部材２５０の開口部２５２、基台層２２０の開口部２２２、およびダイヤフラム層２３０の開口部２３２は連通しており、ニューマチック流体の供給口２６２を形成している。ニューマチック流体は、供給口２６２を通って、カバー層２４０の凹部２４１へと供給される。

流路部材２５０の開口部２５３は、基台層２２０の開口部２２３と連通しており、試料ガスの流入口２６３を形成する。また、流路部材２５０の開口部２５４は、基台層２２０の開口部２２４と連通しており、試料ガスの流出口２６４を形成する。

マイクロバルブ２００は、流路部材２５０の供給口２６２にニューマチック流体が供給されていない初期状態（ノーマル状態）において開状態となり、流路部材２５０の供給口２６２にニューマチック流体が供給されることによって閉状態となる、いわゆるノーマルオープンタイプのバルブである。

流路部材２５０の供給口２６２にニューマチック流体が供給されていない場合、図２に示すように、剛体部２３４が基台層２２０における凹部２２１の底部２２５から離れた状態で保持されるため、試料ガスの流入口２６３と流出口２６４とが連通される開状態（オープン状態）となる。

流路部材２５０の供給口２６２にニューマチック流体が供給されると、ニューマチック流体に押されて剛体部２３４が下方向に変位することによって、剛体部２３４の下面が基台層２２０における凹部２２１の底部２２５と密着した状態となるため、試料ガスの流入口２６３と流出口２６４とが遮断される閉状態（クローズ状態）となる。なお、剛体部２３４をニューマチック流体で駆動（変位）させることに代えて、剛体部２３４をピエゾ素子などを用いて電気的に駆動（変位）させるようにしてもよい。

［システムの各機能とその動作］
ガス分析システム１は、切替バルブＶ１～Ｖ１０の開状態および閉状態の組合せにより、サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２のハード構成を変更することなく、サンプリング、プレカット、ハートカット、カラム切替、バックフラッシュの５つの基本機能を実現することができる。以下、ガス分析システム１の各機能とその動作について説明する。

（機能１） サンプリング機能
サンプリング機能は、一定量の試料ガスをサンプリングする機能である。サンプリング機能の実行中においては、サンプリングパターンＰ１１、圧力平衡パターンＰ１２、注入パターンＰ１３の３つのパターンがこの順に遷移する。

図４は、サンプリングパターンＰ１１における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。なお、図４において、×印が付された切替バルブが閉状態であり、×印が付されていない切替バルブが開状態である。また、図４において、黒塗り矢印がキャリアガスの流れを示し、斜線矢印が試料ガス（サンプル）の流れを示す。以降の図５～１３においても同様である。

図４に示すように、サンプリングパターンＰ１１では、切替バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、ポンプ２１が作動状態とされる。これにより、斜線矢印に示すように、サンプルタンク２０からサンプルループＰＬ内に試料ガスが充填される。

なお、サンプリングパターンＰ１１では、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３は停止される。

これにより、黒塗り矢印に示すように、キャリアガス供給装置１１からのキャリアガスがカラム４３，４２を経由して検出装置５０に供給され、キャリアガス供給装置１２からのキャリアガスがカラム４１，４４を経由して検出装置５１に供給される。その後、ガス分析システム１の動作パターンは、サンプリングパターンＰ１１から圧力平衡パターンＰ１２に切り替えられる。

図５は、圧力平衡パターンＰ１２における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図５に示すように、圧力平衡パターンＰ１２では、切替バルブＶ１，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ２～Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、サンプルループＰＬ内の圧力がほぼ大気圧に安定する平衡状態となる。これにより、サンプルループＰＬに保持される試料ガス量を一定量に安定させることができる。その後、ガス分析システム１の動作パターンは、圧力平衡パターンＰ１２から注入パターンＰ１３に切り替えられる。

図６は、注入パターンＰ１３における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図６に示すように、注入パターンＰ１３では、切替バルブＶ４，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１～Ｖ３，Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、キャリアガス供給装置１１からのキャリアガスが切替バルブＶ４を通ってサンプルループＰＬに供給され、サンプルループＰＬに充填されていた試料ガスがキャリアガスによって押し出されて切替バルブＶ５を通ってカラム４１に供給される。

（機能２） プレカット機能
プレカット機能は、カラム４１に供給された試料ガスに含まれる成分のうち、早く溶出する成分のみを分析し、溶出の遅れる成分は分析系外に排出する機能である。プレカット機能は、サンプリング機能の実行後に行なわれる。プレカット機能の実行中においては、プレ分離パターンＰ２１、二次分離パターンＰ２２、プレカットパターンＰ２３の３つのパターンがこの順に遷移する。

図７は、プレ分離パターンＰ２１における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図７に示すように、プレ分離パターンＰ２１では、切替バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、カラム４１において、早く溶出する対象成分Ｓ１と、溶出の遅れる非対象成分Ｓ２とに分離される。その後、ガス分析システム１の動作パターンは、プレ分離パターンＰ２１から二次分離パターンＰ２２に切り替えられる。

図８は、二次分離パターンＰ２２における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図８に示すように、二次分離パターンＰ２２では、切替バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１０が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２が作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、対象成分Ｓ１がカラム４１から切替バルブＶ９を通ってカラム４２に供給され、カラム４２において二次分離される。カラム４２において二次分離された対象成分Ｓ１は、検出装置５０に供給され、検出装置５０によって検出される。対象成分Ｓ１がカラム４２に供給された後、ガス分析システム１の動作パターンは、二次分離パターンＰ２２からプレカットパターンＰ２３に切り替えられる。

図９は、プレカットパターンＰ２３における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図９に示すように、プレカットパターンＰ２３では、切替バルブＶ２，Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ４～Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１３は作動され、キャリアガス供給装置１２およびポンプ２１は停止される。

これにより、キャリアガス供給装置１３からのキャリアガスが切替バルブＶ１０を通ってカラム４１内を逆流し、カラム４１に残っている非対象成分Ｓ２がキャリアガスによって押し戻されて切替バルブＶ２を通ってベント２３から外部に排出される。

（機能３） ハートカット機能
ハートカット機能は、カラム４１による一次分離で分離する成分と、一次分離では分離しきれない成分とを層別し、一次分離で分離しきれない成分をカラム４２に供給して二次分離を行なう機能である。ハートカット機能は、サンプリング機能の実行後に行なわれる。ユーザは、サンプリング機能の実行後に行なわれる機能を、プレカット機能とするのか、ハートカット機能とするのかを選択することができる。ハートカット機能の実行中においては、前端成分検出パターンＰ３１、二次分離パターン（ハートカットパターン）Ｐ３２、後端成分検出パターンＰ３３の３つのパターンがこの順に遷移する。

図１０は、前端成分検出パターンＰ３１における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図１０に示すように、前端成分検出パターンＰ３１では、切替バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、カラム４１において、早く溶出する前端成分Ｓ１０と、前端成分Ｓ１０の次に溶出するカット成分Ｓ２０と、カット成分Ｓ２０よりも溶出の遅れる後端成分Ｓ３０とに分離される。前端成分Ｓ１０および後端成分Ｓ３０は、カラム４１による一次分離で分離する成分である。カット成分Ｓ２０は、一次分離では分離しきれない成分である。

前端成分Ｓ１０は、切替バルブＶ１０およびカラム４４を通って検出装置５１に供給される。これにより、前端成分Ｓ１０が検出装置５１によって検出される。前端成分Ｓ１０がカラム４２に供給された後、ガス分析システム１の動作パターンは、前端成分検出パターンＰ３１から二次分離パターンＰ３２に切り替えられる。

図１１は、二次分離パターンＰ３２における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図１１に示すように、二次分離パターンＰ３２では、切替バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７，Ｖ１０が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、カット成分Ｓ２０がカラム４１から切替バルブＶ９を通ってカラム４２に供給され、カラム４２によって二次分離された後に検出装置５０に供給される。これにより、カット成分Ｓ２０が検出装置５０によって検出される。カット成分Ｓ２０がカラム４２に供給された後、ガス分析システム１の動作パターンは、二次分離パターンＰ３２から後端成分検出パターンＰ３３に切り替えられる。

図１２は、後端成分検出パターンＰ３３における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図１２に示すように、後端成分検出パターンＰ３３では、切替バルブＶ３，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１２は作動され、キャリアガス供給装置１３およびポンプ２１は停止される。

これにより、後端成分Ｓ３０は、切替バルブＶ１０およびカラム４４を通って検出装置５１に供給される。これにより、後端成分Ｓ３０が検出装置５１によって検出される。

（機能４） カラム切替機能
カラム切替機能は、一回の分析中に目的成分に合わせてカラムを切替える機能である。カラム切替機能においては、試料ガスの各種成分を保持する能力のないカラム４４を、分離用のカラムに変更した上で、上述のハートカット機能と同様の動作が行なわれる。

カラム切替機能は、コネクタＣ１０に接続されるカラムを変更するという簡易な操作を行なうだけ、サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２の内部の流路構成を変更することなく、実現できる。

（機能５） バックフラッシュ機能
バックフラッシュ機能は、キャリアガスを逆流させ、カラム内の残留成分を外部に排出する機能である。バックフラッシュ機能の実行中においては、ガス分析システム１の動作パターンは、バックフラッシュパターンＰ４にされる。

図１３は、バックフラッシュパターンＰ４における切替バルブＶ１～Ｖ１０の状態と各ガスの流れを示す図である。図１３に示すように、バックフラッシュパターンＰ４では、切替バルブＶ２，Ｖ３，Ｖ７，Ｖ１０が開状態とされ、その他の切替バルブＶ１，Ｖ４～Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９が閉状態とされる。また、キャリアガス供給装置１１，１３が作動され、キャリアガス供給装置１２およびポンプ２１は停止される。

これにより、キャリアガス供給装置１３からのキャリアガスがカラム４１内を逆流し、カラム４１内の残留成分がキャリアガスによって押し戻されて切替バルブＶ２を通ってベント２３から外部に排出される。

［各機能を実現するための制御］
図１４は、上述の５つの基本機能（サンプリング、プレカット、ハートカット、カラム切替、バックフラッシュ）における切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉状態のパターンを一覧にした図である。

制御装置１００の記憶部１２０には、図１４に示すような、各基本機能と、切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉状態との対応関係を規定する情報（以下「機能パターン情報」ともいう）が予め記憶されている。

制御装置１００の演算部（出力部）１１０は、記憶部１２０に記憶された機能パターン情報を用いて、切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉状態を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を切替バルブＶ１～Ｖ１０（駆動装置８０）に出力する。これにより、サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２のハード構成を切り替えることなく、５つの基本機能を実現することができる。

ユーザは、入力装置６０に対する入力操作を行なって、上述の５つの基本機能のうちから要求する機能を選択し、選択された機能の継続時間を指定することができる。ユーザが入力装置６０に入力した状態は、ユーザ要求情報として入力装置６０から制御装置１００に送られる。

図１５は、ユーザ要求情報の一例を示す図である。図１５には、ユーザがサンプリング機能を実行した後に、プレカット機能を実行することを要求する例が示されている。上述のように、サンプリング機能の実行中においてはサンプリングパターンＰ１１、圧力平衡パターンＰ１２、注入パターンＰ１３の３つのパターンがこの順に遷移し、その後のプレカット機能の実行中においては、プレ分離パターンＰ２１、二次分離パターンＰ２２、プレカットパターンＰ２３の３つのパターンがこの順に遷移する。ユーザはこれらの各パターンの継続時間を指定することができる。

演算部１１０は、図１５に示すようなユーザ要求情報が入力装置６０から入力されると、記憶部１２０に記憶された機能パターン情報を参照しながらユーザ要求情報に沿った制御スケジュールを計画し、計画されたスケジュールに沿って切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉制御を行なう。

以上のように、本実施の形態によるガス分析システム１は、試料ガスに含まれるガス成分を分離するカラム４１、４２と、カラム４１、４２から流出するガス成分を検出する検出装置５０，５１と、カラム４１、４２と検出装置５０，５１とに流体接続される流路（サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２の内部の流路）と、各々が互いに独立して制御可能な切替バルブＶ１～Ｖ１０と、切替バルブＶ１～Ｖ１０を独立して制御する制御装置１００とを備える。制御装置１００は、互いに異なる目的を有する複数の基本機能と、切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉パターンとの対応関係を規定する「機能パターン情報」を記憶する記憶部１２０と、記憶部１２０に記憶された機能パターン情報を用いて切替バルブＶ１～Ｖ１０をそれぞれ制御するための信号を生成して切替バルブＶ１～Ｖ１０に出力する演算部（出力部）１１０とを有する。

そのため、本実施の形態によるガス分析システム１においては、流路（サンプラモジュールＭ１および切替モジュールＭ２内の流路）のハード構成を交換する作業を行なわなくても、切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉状態の組合せを制御によって変更するだけで、５つの基本機能を実現することができる。

さらに、本実施の形態によるガス分析システム１においては、ユーザが要求する要求機能を入力装置６０に入力することによって、制御装置１００は、要求機能に対応する切替バルブＶ１～Ｖ１０の開閉状態の組合せを「機能パターン情報」を参照して特定し、特定された開閉状態となるように切替バルブＶ１～Ｖ１０を自動的に制御する。そのため、ユーザは、自らが要求する機能を入力装置６０に入力するだけで、その機能を用いた分析を行なうことができる。

さらに、本実施の形態によるガス分析システム１においては、切替バルブＶ１～Ｖ１０が独立して駆動するため、ロータリ式バルブを用いる従来型のシステムに比べて、全体の流路構成を簡易化できるとともに、故障時のトラブルシューティングおよびメンテナンスを簡易化することができる。

すなわち、従来型のシステムでは複数のポートを有するロータリ式バルブを使用するため、バルブを回転して流路を切り替える際に、半数のポートが連動して同時に切り替わる。その結果、流路構成が煩雑になり、故障時のトラブルシューティングおよびメンテナンスも困難であるという問題を抱えていた。これに対し、本実施の形態によるガス分析システム１においては、切替バルブＶ１～Ｖ１０を独立して制御することができるため、流路切替パターンを多様化することができ、全体の流路構成を簡易化できる。また、故障時においても、切替バルブＶ１～Ｖ１０を単独で駆動させてさまざまな流路パターンに切り替えながら故障要因を解析できるため、故障箇所の特定を容易に行なうことができ、故障時のトラブルシューティングおよびメンテナンスを簡易化することができる。

さらに、本実施の形態による切替バルブＶ１～Ｖ１０は、ＭＥＭＳ技術により微細加工が施されて形成されたマイクロバルブである。そのため、流路および各バルブ内部のデットボリュームが非常に小さいため、流路を切り替える際の圧力ショックを抑制することができる。

すなわち、従来型のシステムに使用されているロータリ式バルブは、内部容量、各ポートを繋げる配管および接続部分の容積が大きく、流路切替時に大きなデットボリュームが生じる。そのため、流路を切り替える際に圧力ショックが生じ易い。また、デッドボリュームでの試料拡散が生じ易く、分析結果に悪影響を与える場合がある。これに対し、本実施の形態による切替バルブＶ１～Ｖ１０はデットボリュームの非常に小さいマイクロバルブであるため、従来の問題を解消することができる。

＜変形例１＞
図１６は、本変形例１によるガス分析システム１Ａの構成の一例を模式的に示す図である。ガス分析システム１Ａは、上述のガス分析システム１の検出装置５１を、ベント２４に変更したものである。ガス分析システム１Ａのその他の構成は上述のガス分析システム１と同じである。このように変形することで、カラム４４から流出する成分をベント２４から分析系外に直接的に排出することができる。

＜変形例２＞
図１７は、本変形例２によるガス分析システム１Ｂの構成の一例を模式的に示す図である。ガス分析システム１Ｂは、上述のガス分析システム１のコネクタＣ５に接続されていたキャリアガス供給装置１２を無くし、代わりにコネクタＣ５をキャリアガス供給装置１１に連結したものである。ガス分析システム１Ｂのその他の構成は上述のガス分析システム１と同じである。このように変形することで、キャリアガス供給装置１２を削減できるため、全体のコストを低減することができる。

［態様］
上述した実施の形態およびその変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項） 一態様に係るガス分析システムは、試料ガスに含まれるガス成分を分離する分離部と、分離部から流出するガス成分を検出する検出装置と、分離部と検出装置とに流体接続される流路と、流路上に設けられ、各々が互いに独立して制御可能な複数のバルブと、複数のバルブを独立して制御する制御装置とを備える。複数のバルブは、該複数のバルブの制御状態に応じて流路が第１流路パターンおよび第２流路パターンを形成するように配置されている。制御装置は、第１流路パターンおよび第２流路パターンに対応する複数のバルブの制御状態に関する情報を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された情報を用いて複数のバルブをそれぞれ制御するための信号を生成して複数のバルブに出力する出力部とを有する。

第１項に記載のガス分析システムによれば、複数のバルブを独立して制御することによって、互いに異なる目的を有する複数の機能を実現することができる。そのため、流路のハード構成を交換することなく複数の機能を実現することができる。

（第２項） 第１項に記載のガス分析システムにおいて、ユーザからの要求機能を受け付ける入力装置をさらに備えるようにし、出力部は、入力装置に入力された要求機能に対応する複数のバルブの制御状態を記憶部に記憶された情報を参照して特定し、特定された制御状態となるように複数のバルブに制御信号を出力するようにしてもよい。

第２項に記載のガス分析システムによれば、ユーザが要求する要求機能を入力装置に入力するという簡易な操作によって、要求機能を実現することができる。

（第３項） 第１項または第２項に記載のガス分析システムにおいて、分離部は、一次分離用の第１カラムと、第１カラムから流出するガス成分をさらに分離する二次分離用の第２カラムとを含むようにしてもよい。検出装置は、第２カラムに接続される第１検出装置と、第２カラムには接続されない第２検出装置とを含むようにしてもよい。流路は、試料ガスが流入される流入部と第１カラムとの間に配置されるサンプラモジュールと、第１カラムと第２カラムと第２検出装置との間に配置される切替モジュールとを含むようにしてもよい。

第３項に記載のガス分析システムによれば、サンプラモジュール内のバルブの制御によって、試料ガスを第１カラムに充填することができる。さらに、切替モジュール内のバルブの制御状態を変更することによって、第１カラムから流出する試料ガスを第２カラムに供給するのか第２検出装置に供給するのかを切り替えることができる。

（第４項） 第３項に記載のガス分析システムにおいて、記憶部に記憶された情報には、互いに異なる目的を有する複数の機能と、複数のバルブの制御状態との対応関係を規定する情報が含まれる。複数の機能には、一定量の試料ガスをサンプリングするサンプリング機能と、試料ガス中の一部の成分を第１検出装置または第２検出装置で検出し、残りの成分を外部に排出する第１カット機能と、試料ガス中の一部の成分を第１検出装置で検出し、残りの成分を第２検出装置で検出する第２カット機能と、分離部中のガスを逆流させて外部に排出するバックフラッシュ機能とが含まれるようにしてもよい。

第４項に記載のガス分析システムによれば、複数のバルブを独立して制御することによって、サンプリング機能、第１カット機能（プレカット機能）、第２カット機能（ハートカット機能）、バックフラッシュ機能といった基本機能を実現することができる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ ガス分析システム、１１，１２，１３ キャリアガス供給装置、２０ サンプルタンク、２１ ポンプ、２３，２４ ベント、４１～４４ カラム、５０，５１ 検出装置、６０ 入力装置、７０ 表示装置、８０ 駆動装置、１００ 制御装置、１１０ 演算部、１２０ 記憶部、２００ マイクロバルブ、２２０ 基台層、２２１，２４１ 凹部、２２２，２２３，２２４，２３２，２５２，２５３，２５４ 開口部、２２５ 底部、２３０ ダイヤフラム層、２３３ 可撓部、２３４ 剛体部、２４０ カバー層、２５０ 流路部材、２６２ 供給口、２６３ 流入口、２６４ 流出口、Ｃ１～Ｃ１０ コネクタ、Ｍ１ サンプラモジュール、ＰＬ サンプルループ、Ｖ１～Ｖ１０ 切替バルブ。

Claims (5)

1. 試料ガスに含まれるガス成分を分離する分離部と、
   前記分離部から流出するガス成分を検出する検出装置と、
   前記分離部と前記検出装置とに流体接続される流路と、
   前記流路上に設けられ、各々が互いに独立して制御可能な複数のバルブと、
   前記複数のバルブを独立して制御する制御装置とを備え、
   前記複数のバルブは、該複数のバルブの制御状態に応じて前記流路が第１流路パターンおよび第２流路パターンを形成するように配置されており、
   前記制御装置は、
   前記第１流路パターンおよび前記第２流路パターンに対応する前記複数のバルブの制御状態に関する情報を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された情報を用いて前記複数のバルブをそれぞれ制御するための信号を生成して前記複数のバルブに出力する出力部とを有し、
   前記記憶部に記憶された情報には、互いに異なる目的を有する複数の機能と、前記複数のバルブの制御状態との対応関係を規定する情報が含まれ、
   前記分離部は、一次分離用の第１カラムと、前記第１カラムから流出するガス成分をさらに分離する二次分離用の第２カラムとを含み、
   前記検出装置は、
   前記第２カラムに接続される第１検出装置と、
   前記第２カラムには接続されない第２検出装置とを含み、
   前記流路は、
   試料ガスが流入される流入部と前記第１カラムとの間に配置されるサンプラモジュールと、
   前記第１カラムと前記第２カラムと前記第２検出装置との間に配置される切替モジュールとを含み、
   前記複数のバルブは、
   前記サンプラモジュール内に設けられる第１バルブ群と、
   前記切替モジュール内に設けられる第２バルブ群とを含み、
   前記記憶部に記憶された情報には、前記複数の機能と、前記第１バルブ群および前記第２バルブ群の制御状態との対応関係を規定する情報が含まれる、ガス分析システム。
2. ユーザからの要求機能を受け付ける入力装置をさらに備え、
   前記出力部は、前記入力装置に入力された前記要求機能に対応する前記複数のバルブの制御状態を前記記憶部に記憶された情報を参照して特定し、特定された制御状態となるように前記複数のバルブに制御信号を出力する、請求項１に記載のガス分析システム。
3. 前記複数の機能には、
   一定量の試料ガスをサンプリングするサンプリング機能と、
   試料ガス中の一部の成分を前記第１検出装置または前記第２検出装置で検出し、残りの成分を外部に排出する第１カット機能と、
   試料ガス中の一部の成分を前記第１検出装置で検出し、残りの成分を前記第２検出装置で検出する第２カット機能と、
   前記分離部中のガスを逆流させて外部に排出するバックフラッシュ機能とが含まれる、請求項１に記載のガス分析システム。
4. 前記複数のバルブは、流路板上に実装される、請求項１に記載のガス分析システム。
5. 前記複数のバルブは、ダイヤフラム層を備えたシリコン製のマイクロバルブである、請求項１に記載のガス分析システム。