JPH11337526A - 噴霧器アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多量の液体を効率よく気化できるように工夫
された液体の噴霧に音速ガス流を用いるソニックスプレ
ーを提供すること。 【解決手段】 気化すべき液体を複数の管から供給し、
前記複数の管の周囲からガスを流出させて、管の末端で
前記ガスに必要な流速を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液体を高効率で気化
する噴霧器に関し、特に無機物質や有機物質の分析に用
いる誘導結合プラズマ／質量分析装置（ＩＣＰ／ＭＳ）
やマイクロ波誘導プラズマ／質量分析装置（ＭＩＰ／Ｍ
Ｓ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置、原子
吸光分析装置などの分析装置あるいは電子装置用に使用
される基板表面へのレジスト等の塗装用に使用されて有
用な噴霧器に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘導結合プラズマ−質量分析装置（ＩＣ
Ｐ−ＭＳ）やマイクロ波誘導プラズマ−質量分析装置
（ＭＩＰ−ＭＳ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ ）発光
分析装置などの分析装置では、試料液体をイオン化する
ためにプラズマ領域に試料液体を噴霧する同軸状のガラ
ス製噴霧器が一個用いられている。例えば、スペクトロ
チミカ・アクタ誌第４９Ｂ巻９０１項から９１４項（１
９９４年）(SpectrochimicaActa Vol. 49B, pp. 901-91
4, 1994)にあるＭＩＰ／ＭＳに関する記述では、試料液
体の噴霧にガラス製噴霧器が用いられている。噴霧管末
端部では、噴霧ガスにより気圧が１気圧以下になる。そ
の圧力差を利用し、試料液体は容器から噴霧器に自動的
に供給される。その流量はガスの流量にも依るが、通常
３００μＬ／分程度である。

【０００３】また、特開平８−６２２００には、本願の
発明者らによるソニックスプレー噴霧器の提案が開示さ
れている。この噴霧器では、噴霧ガスに音速ガス流を用
いるため、極めて微細なイオン化された液滴が生成でき
る。その結果、噴霧液体の気化効率は従来のガラス製噴
霧器に比較して格段に向上する。ソニックスプレー噴霧
器では、ガスの流量を音速ガス流発生の条件に固定し、
試料液体の流量はポンプで制御される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このソニッ
クスプレー噴霧器の噴霧液体の気化効率の良さに着目
し、前述した分析器あるいは塗装装置へソニックスプレ
ー噴霧器を適用することを提案するものである。この場
合、一つの問題は、十分に大きい気化効率でソニックス
プレー噴霧器を使用しようとすると十分な液体流量での
使用が出来ないことである。これを図５に示す分析結果
を参照して説明する。図５はマイクロ波誘導プラズマ−
質量分析装置（ＭＩＰ−ＭＳ）の噴霧器に従来から使用
されている同軸状のガラス製噴霧器に代わってソニック
スプレー噴霧器を装着させた場合の分析結果を示す。こ
の測定では、数種類の元素を含んだ試料液体を様々な液
体流量で導入し、分析感度（イオン強度）を測定してい
る。横軸に試料液体の流量、縦軸にイオン強度をとっ
て、図５に示すように、分析感度（イオン強度）は液体
流量の増加に従い増加するが、分析感度（イオン強度）
は液体流量に必ずしも比例していない。例えば、３０μ
Ｌ／分以下の流量では、分析感度（イオン強度）は液体
流量にほぼ比例するが、３０μＬ／分以上の流量では、
液体流量を増加させても殆ど分析感度は増加しない。特
に１００μＬ／分以上の流量では全くといっていいほ
ど、分析感度は増加しない。マイクロ波誘導プラズマ−
質量分析装置（ＭＩＰ−ＭＳ）の噴霧器では、噴霧によ
る試料液体の気化効率が充分に高い場合には、分析感度
（イオン強度）は液体流量に比例すると考えられる。す
なわち、図５の結果は、ソニックスプレー噴霧器は３０
μＬ／分以下の低い液体流量で使用する場合には十分高
い気化効率が得られても、これを超える流量の試料を供
給しても、十分高い気化効率が得られないことを示して
いるといえる。

【０００５】高い気化効率で試料液体を噴霧できないと
きは、分析感度（イオン強度）の向上が期待できないの
みならず、試料液体の多くが大きな液滴となって分析装
置を汚すことになる。

【０００６】しかしながら、ソニックスプレー噴霧器は
理想的には３０μＬ／分程度の液体流量で使用するのが
良いが、あえて１００μＬ／分程度で使用するとして
も、前述したように、通常３００μＬ／分程度の液体流
量とされていることから見て、ソニックスプレー噴霧器
単体は液体流量の面で容量不足といえる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題はソニックスプ
レー噴霧器を複数用意し、高い気化効率で高流量の液体
を噴霧することにより解決される。分析装置では、噴霧
器により生成されるガスは管を通ってプラズマや分析部
などの空間的に狭い領域に導入される。そのため、ソニ
ックスプレー噴霧器をアレイ状に設置し、個々のソニッ
クスプレー噴霧器を高い気化効率の得られる流量で使用
し、噴霧器の数で十分な試料溶液を供給するのである。

【０００８】また、複数の噴霧器が備えられることを分
析装置の高スループット化に活かすために、各噴霧器ご
とに流路の開閉が独立して行えるバルブとこれを分析装
置の結果に応じて制御する手段を設ける。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の噴霧器アレイの実
施例の構成を斜視図の形で示す模式図であり、図２は、
これを縦方向に切断したときの断面構造を示す模式図で
ある。４は噴霧器アレイハウジングを示し、この前面に
設けられた前面板９にオリフィス開口５が所定の間隔で
配列される。各オリフィス開口５の中心部には配管２の
ノズル開口部２’が開口している。噴霧器アレイハウジ
ング４の本体部と前面板９との間にはガス室１０が形成
されており、このガス室１０には図示しないガス供給手
段によりガス導入口３を介して所定の圧力のガスが供給
される。複数の配管２は分配器６で統合されており、導
入路１から導入される試料液体が配分される。配管２は
噴霧器アレイハウジング４の本体部の貫通した穴を通し
て挿入されて図２に示すように、保持されることになる
が、この部分で所定の強度で保持され且ガス漏れが生じ
ないような構造で保持される。前面板９を噴霧器アレイ
ハウジング４の本体部前面に取り付ける際にも所定の強
度が維持できる構造とするのは当然である。流通路１の
断面積が各管２の断面積の和とほぼ等しい場合には、低
圧で液体を流通路１に導入することができる。また、各
オリフィス開口５および配管２のノズル開口部２’はそ
れぞれ同一サイズ、同一形状とされる。

【００１０】ガス室１０に導入されたガスはオリフィス
開口５から外部へ噴出するが、そのガス流により管２に
導入される液体がノズル開口部２’から噴霧される。ガ
ス室１０の圧力と大気圧との差がほぼ１から３気圧であ
るとき良好な気化効率が得られる。

【００１１】本発明の噴霧器アレイは様々な分析装置に
適用することができるが、例えば、液体クロマトグラフ
やキャピラリー電気泳動などの液体分離手段により分離
された溶液が時系列的に順次噴霧器アレイに導入される
場合には、各管２の長さはほぼ同じ長さにそろえること
が必要である。約５０ｃｍの長さのキャピラリーを使用
した電気泳動装置で簡単な試算をしてみると、各管２の
長さのばらつきは０．１ｍｍ程度以下であることが望ま
しい。この場合、管２の曲がりは問題でないから任意の
構造を取り得るが、オリフィス開口５を同一円周上に配
置することが管２の長さをそろえるには有用である。
又、分離された成分が管２を移動中に拡散することがで
きるだけ少なくなるようにするためには、管２はできる
だけ短かくするのが良い。

【００１２】噴霧で生成される液滴の直径は噴霧ガスの
流速に依存し、音速（マッハ１）の場合に最小になるこ
とが知られ、ソニックスプレーと呼ばれる。音速ガス流
で液体の噴霧を行う場合には、直径が１μｍ以下の気化
速度の速い微細液滴が多量に生成される。実際には、ガ
ス流の流速がマッハ０．７５〜２の範囲にあれば、サブ
ミクロンの液滴が生成され、液体の高い気化効率が得ら
れる。ガス流の流速は噴霧器ハウジング４の内部のガス
室１０におけるガス圧力に依存し、ガス圧力が噴霧器ア
レイの周囲の圧力の１．８〜５倍の場合に上記流速が得
られる。そのため、噴霧器アレイが大気圧下に設置され
る場合には、ガス導入口３から噴霧器ハウジング４の内
部に導入されるガス圧力は１．８〜５気圧必要である。
さらに、オリフィス５の厚さが充分に薄い場合には２気
圧であると音速ガス流が実現し、最も気化効率が高くな
る。

【００１３】噴霧による液体の気化効率は管２の内径は
小さい方が高くなるが、内径が１μｍ以下になるとゴミ
などの粒子により管２が詰まる可能性が高くなり実用面
で問題が生じる。また、内径が１００μｍ以上である
と、液体の気化効率は低減する。そのため、液体の高い
気化効率を得るためには、管２の内径は１〜１００μｍ
の範囲内にあることが必要である。また、噴霧による液
体の気化効率は管２の肉圧（外径と内径との差の１／
２）にも依存し、薄い方が気化効率が高くなる。しか
し、肉圧が５ミクロン以上でないと一般的に強度面での
問題が生じ、肉圧が５０μｍ以上であると気化効率の低
減は著しい。

【００１４】図３（ａ）−（ｃ）は、上記のことも考慮
した、オリフィス開口部５に対する管２の配置、オリフ
ィス開口部の構造および管２の先端部の構造についての
実施例を示す。

【００１５】管２の先端位置は板９より外側に０〜０．
３ｍｍ程度突出しても問題はないが、１ｍｍ以上突出す
ると液体の気化効率は低減する。また、板９の噴霧側の
外面より内側に０．２ｍｍ程度引っ込んでいても問題は
ない。図３（ａ）はこのことに着目して、管２の先端位
置を図に示す破線の曲面上にあるように配置して噴霧ガ
スを収束させる工夫をしたものである。このような構造
を取ると分析器のプラズマ領域に噴霧ガスを照射してイ
オン化をする場合等には有利である。この逆に、塗装等
の用途では、曲面を逆にして噴霧ガスを発散させる方向
に噴霧させることができる。

【００１６】勿論、管２の先端はある平面内にあること
が製作上便利であることはいうまでもない。

【００１７】図３（ｂ）は板９の厚さが厚い場合にガス
圧力の低減を防ぐ意味でなされた工夫である。板９のガ
ス室１０側の面取りをすることにより、ノズル開口部
２’近辺のみをオリフィス開口とするものである。

【００１８】図３（ｃ）は管２の外径が大きい場合に、
ノズル開口部２’近辺をけずり等価的に板９の厚さが厚
い場合にガス圧力の低減を防ぐ意味でなされた工夫であ
る。板９のガス室１０側の面取りをすることにより、オ
リフィス開口とするものである。

【００１９】図４は、分析装置の高スループット化を意
図した本発明の他の実施例の噴霧器アレイの断面構造を
示す模式図である。噴霧器アレイの前面部は図２の実施
例と同じであるが、各管２に異なった試料液体が供給さ
れること、各管毎に試料液体の供給をオンオフできるバ
ルブ１１とが備えられることおよびバルブの開閉を分析
装置の結果に応じて制御する制御装置１２が備えられる
ことで異なる。

【００２０】本実施例は、多くの試料液体から特定の物
質が検出できるか否かを高スループットで検出したいと
きには有利である。すなわち、分析の最初のステップと
してバルブ１２をすべて開いて噴霧器アレイからこれら
の混合ガスを分析装置に供給してこの混合ガスに特定の
物質が含まれるか否かを分析する。もし、この混合ガス
に特定の物質が含まれていなければ、次の試料流体群に
ついての分析に移れば良い。一方、この混合ガスに特定
の物質が含まれていれば、バルブ１２のすべてを一旦閉
じて、次にバルブ１２の一つのみを順次開いて噴霧器ア
レイからバルブ１２の開いている試料流体のガスを分析
装置に供給し、このガスに特定の物質が含まれるか否か
を分析する。この場合、複数の試料ガスに特定の物質が
含まれている可能性があるから、この操作は全ての試料
流体について行う必要がある。

【００２１】本発明で利用するソニックスプレー噴霧器
単体は、前述したように、高い気化効率の得られる流量
で使用した場合、分析装置にとって必ずしも十分な試料
溶液を供給できないのであるが、特定の物質が含まれて
いるか否かの検出で足りる場合には必ずしも十分な試料
溶液を必要としない。したがって、試料群についての特
定の物質の有無を検出する方法とすれば、特定の物質の
検出されなかった試料群についてはただ一回の分析で分
析操作が終了できるから高スループットかが実現できる
のである。

【００２２】なお、上述の実施例において、管２の断面
は円形であることが望ましいが、矩形であっても充分な
気化効率を得ることができる。また、無機分析装置など
に利用する場合には、流通路１や分配器６、管２はシリ
コンや石英などの非金属で構成されることが必要であ
る。オリフィス開口５を構成する前面板９は石英あるい
はサファイアなどの非金属で構成される方が無機分析に
利用するためには良いが、一般にはステンレス板にレー
ザー光照射等により形成するのが簡単であり、実用上こ
れでも良い。サファイアで構成するときは図３（ｂ）の
ような構成として全体的には厚いものとして強度を持た
せるのが良い。ステンレス板で構成した前面板９をポリ
イミドなどでコーティングするのも良い。この構成とし
たときはステンレス板の厚さは０．２ｍｍ、ポリイミド
の厚さは２μｍ程度に出来るから、厚さとしては十分に
薄いものと出来る。

【００２３】なお、本発明の噴霧器アレイにおけるオリ
フィス開口５および配管２の末端の配置は任意にいろん
な形態を取りうるが、全体として小型の噴霧器アレイと
して高い噴霧ガス濃度が得られる工夫をするのが良い。
一般的な言い方をすれば、オリフィス開口５を出来るだ
け高密度に均等に配分するのが良い。もっとも、隣接す
るオリフィス開口５の最接近の距離は２ｍｍ程度離れて
いるのが良い。この理由は配管２のノズル開口部２’か
らガスにより引き出された液体が気化してガス化される
までは、相互に干渉の無い方が気化効率を高くとれるた
めである。

【００２４】

【発明の効果】本発明の噴霧器アレイによると多量の液
体をガス噴霧することにより多量の微細液滴を生成し、
さらにそれらの気化によるガスを効率よく生成すること
ができる。また、分析の高スループット化も実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の噴霧器アレイの実施例の構成を斜視図
の形で示す模式図。

【図２】図１に示す噴霧器アレイを縦方向に切断したと
きの断面構造を示す模式図。

【図３】オリフィス開口部５に対する管２の配置、オリ
フィス開口部の構造および管２の先端部の構造について
の実施例の断面構造を示す模式図。

【図４】分析装置の高スループット化を意図した本発明
の他の実施例の噴霧器アレイの断面構造を示す模式図。

【図５】マイクロ波誘導プラズマ−質量分析装置（ＭＩ
Ｐ−ＭＳ）の噴霧器に同軸状のガラス製噴霧器に代わっ
てソニックスプレー噴霧器を装着させた場合の分析結果
を示す図。

【符号の説明】 １：流通路、２：配管、２’：ノズル開口部、３：ガス
導入口、４：噴霧器アレイハウジング本体、５： オリ
フィス開口、６：分配器、９：噴霧器アレイハウジング
前面板、１０：ガス室、１１：バルブ制御装置、１２：
バルブ。

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項５】前記複数の管の分配器から管の他端部の先
端までの長さがほぼ同じである請求項１〜４のいずれか
に記載の噴霧器アレイ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平林 由紀子 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 奥村 昭彦 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 小泉 英明 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体の流通路と、前記流通路を流れる液体
   を分配する分配器と、前記分配器で分配された前記液体
   が導入される複数の管と、前記複数の管の周囲から流出
   するようガスを導くガス流路と、前記管の末端で前記ガ
   スに流速を与えるガス供給手段とを具備することを特徴
   とする噴霧器アレイ。
2. 【請求項２】前記複数の管の断面形状が同じである請求
   項１に記載の噴霧器アレイ。
3. 【請求項３】最も近接した前記管の末端間の距離が等し
   い請求項１〜２のいずれかに記載の噴霧器アレイ。
4. 【請求項４】前記複数の管の末端が平面あるいは曲面上
   に配置される請求項１〜３のいずれかに記載の噴霧器ア
   レイ。
5. 【請求項５】前記管の内径が１μｍ以上、１００μｍ以
   下である請求項１〜４のいずれかに記載の噴霧器アレ
   イ。
6. 【請求項６】試料流体をイオン化して分析する分析装置
   のイオン化装置部分に試料流体をガス化して供給するた
   めに使用される請求項１〜５のいずれかに記載の噴霧器
   アレイ。
7. 【請求項７】前記複数の管の長さがほぼ同じであること
   を特徴とする請求項６に記載の噴霧器アレイ。
8. 【請求項８】複数の試料液体が導入される複数の管と、
   前記複数の管の周囲から流出するようガスを導くガス流
   路と、前記管の末端で前記ガスに流速を与えるガス供給
   手段と、前記複数の管のそれぞれの試料液体の流れを開
   閉するために各管毎に設けられた複数のバルブと、前記
   複数のバルブの開閉を制御するための制御装置とを具備
   することを特徴とする噴霧器アレイ。
9. 【請求項９】塗料の流通路と、前記流通路を流れる液体
   を分配する分配器と、前記分配器で分配された前記塗料
   が導入される複数の管と、前記複数の管の周囲から流出
   するようガスを導くガス流路と、前記管の末端で前記ガ
   スに流速を与えるガス供給手段とを具備することを特徴
   とする噴霧器アレイ。