KR20240055768A - 분석 시스템용 오븐, 적정 시스템 및 적정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분석 시스템용, 특히 적정 시스템용, 특히 Karl Fischer 적정 시스템용 오븐(1, 1')에 관한 것이다. 오븐(1, 1')은 하우징, 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c'), 및 샘플 용기를 위한 인서트(3, 3')를 포함한다. 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c')는 적어도 부분적으로 인서트(3, 3') 둘레에 배치된다. 적어도 하나의 가열 요소가 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c')과 인서트(3, 3') 사이에 배치되고 인서트(3, 3')를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 본 발명은 또한, 그러한 오븐(1, 1')을 갖는 적정 시스템 및 적정 방법에 관한 것이다.

Description

분석 시스템용 오븐, 적정 시스템 및 적정 방법

본 발명은 분석 시스템, 특히 적정 시스템(titration system)용 오븐, 그 오븐을 구비하는 적정 시스템 및 적정 방법에 관한 것이다.

오븐의 사용은 종래 기술에서, 특히 적정 시스템과 관련하여, 그리고 특히 Karl Fischer 적정과 관련하여, 공지되어 있다. 오븐은 직접 적정될 수 없는 샘플을 위한 열 샘플 준비(thermal sample preparation)를 가능하게 한다. 이는, 예를 들면, 샘플의 용해성이 나쁜 경우, 물이 고온에서만 방출될 수 있거나 샘플이 Karl Fischer(KF) 시약과 반응하는 경우일 수 있다. 오븐법에서, 샘플들이 가열되고, 방출된 물은 건조 캐리어 가스를 사용하여 적정 셀로 전달된다. 단지 물만이 KF 시약과 접촉하게 됨에 따라, 전극 및 적정 셀의 오염이 회피되고, 결과를 왜곡시킬 수 있는 캐리오버(carry-over) 및 메모리 효과가 배제된다.

현재 시장에서 구매 가능한 일반적인 오븐은, 설정 온도에 도달할 때까지 대기 시간이 비교적 길다는 단점을 갖는다. 가열 카트리지로 가열되는 솔리드 금속 블록은, 그 열용량으로 인해 온도 변화에 매우 느리게 반응한다. 추가로, 현재 사용 중인 오븐들을 가열하는 것은 많은 에너지를 요구한다. 오븐들은 또한 콤팩트함이 부족하다.

EP3441757 A1은 Karl Fischer 적정 시스템을 위한 오븐 장치를 기술한다. 그 오븐 장치는 하우징을 냉각하기 위한 환기 시스템을 갖는다. 절연 시스템이 가열 단계 중에 열 손실을 방지한다.

본 발명의 과제는 종래 기술의 단점을 극복하는 데에 있다. 특히, 본 발명의 과제는 낮은 에너지 소비로 신속하고 효율적인 샘플 가열을 가능하게 하는 분석 시스템용 오븐을 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 과제는 콤팩트한 오븐을 제공하는 데에 있다. 게다가, 본 발명의 과제는 그러한 오븐을 갖는 적정 시스템 및 적정 방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 과제들은 독립 청구항들에 의해 해결된다. 특정 실시예들은 종속 청구항에서 확인할 수 있다.

본 발명의 제1 양태는 분석 시스템, 특히 적정 시스템, 보다 특히 Karl Fischer 적정 시스템용 오븐에 관한 것이다. 오븐은, 하우징, 절연 시스템 및 샘플 용기를 위한 인서트를 포함한다. 절연 시스템은 적어도 부분적으로 인서트 둘레에 배치된다. 적어도 하나의 가열 요소가 절연 시스템과 인서트 사이에 배치되어 인서트를 적어도 부분적으로 둘러싼다.

바람직하게는, 적어도 하나의 가열 요소는 내부 장력에 의해 인서트에 클램핑된다. 적어도 하나의 가열 요소가 배치되어 있거나 배치될 수 있는 인서트의 벽의 노치를 역시 고려할 수 있다.

그러한 오븐은 적어도 하나의 가열 요소가 샘플에 특히 근접하게 배치될 수 있고, 이에 따라 샘플을 특히 신속하고 효율적으로 가열할 수 있다는 점을 특징으로 한다. 이는 또한 공지의 오븐에 비해 에너지 요구량을 감소시키는 것이 가능하다.

하우징은 절연 시스템에 의해 형성될 수 있거나, 또는 외부 쉘의 형태로 절연 시스템을 추가적으로 둘러쌀 수 있다. 절연 시스템은 2개의 측면 절반 쉘 절연재 및 바닥 절연재를 포함할 수 있다. 하지만, 측면 절연재를 일체형으로 설계하는 것도 역시 가능하다. 바람직하게는, 절연재는 0.5 W/(m * K) 미만의 열전도율을 갖는다. 따라서, 절연 시스템은 바람직하게는 단열 시스템이다. 예를 들어, 절연재는, 무기 규산염 물질로 이루어진 미세 다공성 절연재인, 절연재 WDS Ultra(예를 들어, Morgan Advanced Materials PLC로부터 입수 가능)로 이루어질 수 있다. 절연재는 또한 알루미늄으로, 예를 들면 알루미늄 접착테이프로 코팅될 수도 있다. Pyrogel 또한 가능하다.

적어도 하나의 가열 요소는 관형 카트리지일 수 있다. 관형 카트리지는 열전쌍을 구비할 수 있다. 선택적으로, 열전쌍은 별도의 온도 센서이거나 관형 카트리지에 통합된 온도 센서일 수 있다.

관형 카트리지는 인서트 둘레에 나선형으로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 나선형 관형 카트리지의 경우에 단지 하나의 관형 카트리지가 사용된다. 관형 카트리지는 6 mL 및 8 mL의 부피를 갖는 샘플 용기들을 위한 인서트 주위에 7 내지 8회 감길 수 있다.

관형 카트리지는 표준형으로서 입수 가능하며 취급이 용이하다는 이점을 갖는다. 관형 카트리지는 다양한 구조로 입수 가능하며, 맞춤형 관형 카트리지도 또한 용이하게 실현될 수 있다. 나선형 구성은 인서트를 최적으로 가열하고, 샘플에 가능한 한 근접하여 가열할 수 있다.

하지만, 다수의 가열 카트리지를 인서트 둘레에 수직 배열로 배치하고, 공통 접속부를 통해 카트리지에 급전하는 것 또한 가능하다. 가열 매트 또는 미카나이트 표면의 가열 요소가 또한 사용될 수도 있다. 사용되는 가열 요소는 무엇보다도 샘플 준비 및/또는 분석을 위해 요구되는 온도를 생성할 수 있어야 한다. 가열 매트는, 예를 들면, 약 300℃의 고온에 덜 적합하다.

인서트는 바람직하게는 16 mm 내지 31 mm, 특히 바람직하게는 22 mm 내지 24 mm의 내경을 갖는다. 통상적으로, 6 mL 샘플 용기를 위한 인서트는 22.45 mm의 내경을 가질 수 있다. 8 mL 샘플 용기를 위한 인서트는 예를 들면 23.25 mm의 내경을 가질 수 있다.

인서트는 샘플 용기에 최적으로 맞춰지거나 또는 맞춰질 수 있다는 이점을 갖는다. 이는 특히 효율적이고 신속한 가열을 가능하게 한다. 인서트와 샘플 용기 사이의 공간이 최소화된다.

오븐은 60 내지 62 mm, 바람직하게는 61 mm의 외경을 가질 수 있다.

격막(septum)으로 일반적으로 밀봉되는 바이알(vial)이 샘플 용기로서 통상 사용된다.

바이알 사이즈에 관계없이, 외경은 유리하게는 일정하게 유지된다. 상이한 바이알 사이즈로의 조절은 예를 들면 절연 재료의 벽의 두께를 통해 이루어질 수 있다.

오븐은 50 내지 90 mm, 바람직하게는 51 내지 88 mm, 특히 바람직하게는 55 내지 56 mm의 외부 높이를 가질 수 있고, 인서트의 내부 높이는 28 내지 60 mm, 바람직하게는 33 mm이다.

오븐은 특히 콤팩트한 설계를 특징으로 한다. 작은 설치 공간은 거의 모든 곳에 배치될 수 있게 하고, 또한 예를 들면 기존의 시스템들을 개장할 수 있게 한다. 분석기 당 2개의 오븐을 사용하는 것이 또한 가능하다.

표준 바이알 사이즈를 위한 오븐 사이즈는 예를 들면 다음과 같은 오븐 치수를 가질 수 있다.

인서트는 바람직하게는 10 W/(m K)보다 높은 열전도율을 갖는 열전도성 재료로 이루어질 수 있다.

열전도성 재료는 예를 들면, 황동, 은, 알루미늄(최대 250℃), 스테인리스강, 탄소 충전 PEEK 또는 세라믹일 수 있다. 황동이 특히 바람직하다. 스테인리스강은 내화학성 측면에서 특히 중요하다. 상기한 리스트는 완전한 것은 아니다. 원칙적으로, 적절한 열전도율을 갖는 모든 재료가 고려될 수 있다.

높은 열전도율을 갖는 재료는 샘플의 특히 효율적인 가열을 가능하게 한다.

인서트는 온도 센서를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 온도 센서는 인서트의 벽에 부착되거나 그 벽에 통합된다. 인서트의 벽은 매우 얇을 수 있고, 1 mm 내지 3 mm, 바람직하게는 2 mm 내지 2.5 mm, 가장 바람직하게는 2.3 mm의 벽 두께를 가질 수 있다. 따라서, 센서는 벽에 바로 장착될 수 있어, 과도한 벽 두께에 의해 왜곡되지 않는 가능한 가장 정밀한 측정을 가능하게 한다. 하지만, 전술한 바와 같이, 온도 센서를 관형 카트리지의 일체형 부분으로 하는 것도 역시 가능하다.

한편으로는 인서트의 얇은 벽두께는 요구되는 재료의 양을 감소시키며, 다른 한편으로는 인서트 내의 온도가 신속하고 정확하게 결정될 수 있다.

유리하게는, 오븐은 온도 보호 스위치를 구비할 수 있으며, 그 스위치는 바람직하게는 인서트 아래에 배치될 수 있다. 하지만, 스위치를 다른 위치에 배치하는 것 역시 고려될 수 있다. 인서트 아래에 배치하는 것이 이용 가능한 공간으로 인해 바람직하다.

온도 보호 스위치는 샘플 및/또는 시스템이 과열되는 것을 방지하여, 신뢰 가능하고 오래 지속되는 작동을 보장한다.

본 발명의 다른 양태는 적정 시스템, 특히 Karl Fischer 적정 시스템에 관한 것이다. 적정 시스템은 전술한 바와 같은 적어도 하나의 오븐을 포함한다.

하지만, 적정 시스템은 Karl Fischer 적정 시스템에 한정되는 것이 아니라, 임의의 용적(volumetric) 또는 전량(coulometric) 적정 시스템일 수 있다.

신속한 샘플 처리량을 위해, 전술한 바와 같은 오븐 2개를 적정 시스템에 장착하는 것도 역시 가능하다.

바람직하게는, 적정 시스템은 또한 샘플 교환기를 구비하고, 샘플 랙(rack)으로부터 적어도 하나의 오븐으로 샘플을 이송하는 적어도 하나의 제1 이송 시스템을 포함한다. 이송 시스템은 예를 들면, 자동 리프트 시스템이거나, 샘플 로봇의 그리퍼 아암 또는 아암일 수 있다.

샘플 교환기에 의해, 다수의 샘플이 하나의 연속 작동으로 취급될 수 있다.

유리하게는, 적정 시스템은 오븐으로부터 적정 셀(titration cell)로 샘플을 이송하는 적어도 제2 이송 시스템을 포함할 수 있다.

예를 들면, 적어도 제2 이송 시스템은 유입 니들 및 배기 니들을 갖는 이중 중공 니들, 캐리어 가스 흐름, 및 가열된 이송 튜브를 포함할 수 있다. 샘플은 바람직하게는 오븐 내에서 샘플 용기 내에, 예를 들면 격막으로 밀봉된 바이알 내에 위치한다.

그러한 이송 시스템은 샘플의 기체 성분만을 적정 셀 내로 이송할 수 있게 하고, 그리고 샘플의 다른 성분들과 적정 시약들 간의 부작용을 방지할 수 있다.

시스템은 적어도 부분적으로 자동화될 수 있고, 바람직하게는 완전 자동화될 수 있다.

적어도 부분적으로 자동화된 시스템은 연속적이고 그에 따른 신속한 작동 모드를 특징으로 한다. 따라서, 샘플들을 보다 신속하게 분석할 수 있다. 추가로, 작동 과정이 보다 잘 제어될 수 있어, 재현성 및 정확도를 향상시킨다.

본 발명의 제3 양태는 적정 방법, 특히 Karl Fischer 적정 방법에 관한 것이다. 그 방법은,

- 전술한 바와 같은 적정 시스템을 제공하는 단계;

- 샘플을 제공하는 단계;

- 전술한 바와 같은 오븐으로 샘플을 가열하는 단계; 및

- 샘플을 적정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 샘플의 수분 함량이 그러한 적정 방법을 사용하여 결정된다.

상세히 말하면, 그 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다. 분석될 샘플 또는 물질이 바이알 내에 계량되고, 기밀하게 밀봉되어 그러한 방식으로 오븐 내에 배치될 수 있다. 샘플은 예를 들면 수분이 방출될 수 있도록 오븐에서 가열될 수 있다. 바늘, 바람직하게는 이중 중공 바늘이 바이알 또는 용기의 격막을 관통하여, 캐리어 가스 흐름, 예를 들면 공기 또는 불활성 가스가 가열된 샘플을 통과하게 된다. 방출된 수분을 갖는 캐리어 가스는 가열된 이송 튜브를 통해 배기 니들을 통과해 적정 셀 내로 흐른다. 적정 셀에서, 수분의 농도가 전량 적정 또는 용적 적정에 의해 결정될 수 있다.

이러한 식으로, 단지 수분만이 적정 셀 내로 들어가며, 따라서 샘플 내에 함유된 다른 물질들의 적정 시약과의 부작용이 회피될 수 있다. 그 방법은 수분의 결정에 한정되는 것이 아니라, 원칙적으로 임의의 가열 가능한 샘플에 대해 수행될 수 있다는 점을 이해해야 할 것이다.

본 발명은 예시적 실시예를 이용하여 이하에서 보다 상세하게 설명한다. 예시적 실시예는 제한적인 것으로서 이해해서는 안 된다. 여기서,
도 1은 측면 절연재를 갖는 본 발명에 따른 오븐을 도시한다.
도 2는 측면 절연재가 없는 상태의 도 1의 본 발명에 따른 오븐을 도시한다.
도 3은 2개의 케이블 출구를 갖는 본 발명에 따른 오븐의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 4는 측면 절연재가 없는 상태의 도 3의 본 발명에 따른 오븐을 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 오븐(1)의 사시도를 도시한다. 오븐(1)은 2개의 측면 절반 쉘 절연재(2a, 2b) 및 바닥 절연재(2c)로 구성되는 절연 시스템을 포함한다. 이 실시예에서, 절연 시스템은 오븐(1)의 하우징을 형성한다. 절반 쉘 절연재(2a, 2b)는 인서트(3)를 둘러싼다. 인서트(3)는 온도를 점검하기 위한 서비스 개구(5)를 구비한다. 인서트는 관형 카트리지(도시 생략)에 의해 둘러싸인다. 관형 카트리지의 연결 라인(4)은 절연재(2a 및 2b) 쪽으로 연장한다. 온도 센서용 연결 라인(6)과 온도 보호 스위치용 2개의 연결 라인(7)이 바닥 절연재(2c)로부터 연장한다.

도 2는 측면 절연재가 없는 상태의 도 1의 본 발명에 따른 오븐(1)을 도시한다. 인서트(3) 및 연결 라인(4, 6, 7) 외에도, 관형 카트리지(8)도 역시 이제는 볼 수 있다. 관형 카트리지(8)는 인서트 둘레에 나선형으로 8회 감겨있다. 온도 보호 스위치(9)는 인서트(3) 아래에 위치하며; 온도 센서(10)는 측면에서 관형 카트리지(8) 아래에 위치한다.

도 3은 본 발명에 따른 오븐(1')의 사시도를 도시한다. 오븐(1')은 2개의 케이블 출구(A, B)를 구비한다. 케이블 출구(A)와 케이블 출구(B)는 모두 온도 보호 스위치(도 4에서 도면 부호 9')용 연결 라인(7', 7")을 갖는다. 온도 센서용 연결 라인(6')은 케이블 출구(B)에 제공된다. 다른 요소들은 도 1의 요소들과 본질적으로 동일하다.

도 4는 절연재가 없는 상태의 도 3의 본 발명에 따른 오븐(1')을 도시한다. 필수 요소는 도 2의 필수 요소와 동일하다. 도 4와 도 2 간의 주된 차이점은 온도 보호 센서를 위한 2개의 연결 라인(7', 7")이 서로 물리적으로 분리되어 있다는 점이다.

Claims (16)

1. 하우징, 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c'), 및 샘플 용기를 위한 인서트(3, 3')를 포함하는, 분석 시스템용, 특히 적정 시스템(titration system)용, 보다 특히 Karl Fischer 적정 시스템용 오븐(1, 1')으로서, 상기 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c')는 적어도 부분적으로 상기 인서트(3, 3') 둘레에 배치되는 것인 오븐(1, 1')에 있어서,
   적어도 하나의 가열 요소가 상기 절연 시스템(2a, 2a', 2b, 2b', 2c, 2c')과 상기 인서트(3, 3') 사이에 배치되고 상기 인서트(3, 3')를 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 오븐(1, 1').
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 가열 요소는 관형 카트리지(8, 8')인 것인 오븐(1, 1').
3. 제2항에 있어서,
   상기 관형 카트리지(8, 8')는 상기 인서트(3, 3') 둘레에 나선형으로 배치되는 것인 오븐(1, 1').
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인서트(3, 3')는 16 mm 내지 31 mm, 바람직하게는 22 내지 24 mm의 내경을 갖는 것인 오븐(1, 1').
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오븐(1, 1')은 60 내지 62 mm, 바람직하게는 61 mm의 외경을 갖는 것인 오븐(1, 1').
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오븐(1, 1')은 50 내지 90 mm, 바람직하게는 51 내지 88 mm, 특히 바람직하게는 55 내지 56 mm의 외부 높이를 가지며, 상기 인서트(3, 3')의 내부 높이는 66 내지 28 mm, 바람직하게는 33 mm인 것인 오븐(1, 1').
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인서트(3, 3')는 바람직하게는 10 W/(m K)보다 높은 열전도율을 갖는 열전도성 재료로 이루어지는 것인 오븐(1, 1').
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인서트(3, 3')는 1 내지 3 mm의 벽 두께를 갖는 것인 오븐(1, 1').
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인서트(3, 3')는, 바람직하게는 인서트(3, 3')의 벽 내에, 온도 센서(10, 10')를 포함하는 것인 오븐(1, 1').
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오븐(1, 1')은 온도 보호 스위치(9, 9')를 구비하고, 이 온도 보호 스위치(9, 9')는 바람직하게는 인서트(3, 3') 아래에 배치되는 것인 오븐(1, 1').
11. 적정 시스템, 특히 Karl Fischer 적정 시스템으로서:
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 오븐(1, 1')을 포함하는 적정 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 적정 시스템은, 샘플 교환기와, 샘플 랙에서부터 상기 적어도 하나의 오븐(1, 1')으로 샘플을 이송하는 적어도 제1 이송 시스템을 더 포함하는 것인 적정 시스템.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 적정 시스템은 상기 오븐(1, 1')에서부터 적정 셀(titration cell)로 샘플을 이송하는 적어도 제2 이송 시스템을 포함하는 것인 적정 시스템.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적정 시스템은 적어도 부분적으로 자동화되고, 바람직하게는 완전 자동화되는 것인 적정 시스템.
15. 적정 방법, 바람직하게는 Karl Fischer 적정 방법으로서:
    - 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 적정 시스템을 제공하는 단계;
    - 샘플을 제공하는 단계;
    - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 오븐(1, 1')으로 샘플을 가열하는 단계; 및
    - 샘플을 적정하는 단계
    를 포함하는 것인 적정 방법.
16. 제15항에 있어서, 샘플의 수분 함량을 결정하기 위한 것인 적정 방법.

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