TWI506261B - Vacuum desorption device after sample gas concentration - Google Patents

Description

待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置

本發明係有關一種待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，尤指設有一金屬導熱管可供待測取樣氣體捕捉管插入，能於其內部進行急遽受熱、冷卻捕捉等步驟者。

所謂待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，是一種可以捕捉低濃度氣體樣品，經濃縮、熱脫附後產出高濃度取樣氣體，使偵測器得以分析取樣氣體的成分，獲得定性與定量的結果。

如圖1與圖2所示，習用的待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置1，基本上係包括一待測取樣氣體捕捉管10、一加熱線圈11及一冷卻元件12。待測取樣氣體捕捉管1係為玻璃製品，管內可填入化學吸附劑13，藉由降溫可捕捉經過的取樣氣體分子，產生濃縮作用。

加熱線圈11係由具有多層複合構造加熱線110繞設而成，包括一金屬線心111表面覆蓋一雲母層112和一不鏽鋼表層113。這種特殊的加熱線110外觀上與一般金屬絲無異，但透過中間雲母層112的高溫絕緣特性，可避免加熱線圈11發生短路的現象。假若加熱線圈11發生短路現象，將使電流只走最短的路徑，結果只有電流通過的區段局部發熱，如此將使待測取樣氣體捕捉管10無法均勻受熱，並且無法達到原設計的工作溫度(250℃~300 ℃)，導致取樣氣體脫附不全、分析效果變差或因濃度太低而無法分析。

以玻璃製造待測取樣氣體捕捉管10的主要原因，是因為玻璃是一惰性材料，高溫時也不易與待測取樣氣體發生化學反應，有助於在待測取樣氣體運送途中保持待測取樣氣體不會變質。由於必須考慮到玻璃製造待測取樣氣體捕捉管10管內所充填的化學吸附劑13顆粒大小，和待測的取樣氣體注入分析儀器時需透過填充管柱(Pack Column)或是毛細管柱(Capillary Column)等元件轉接。

此類轉接元件的口徑相當窄小，以填充管柱口為例，其口徑大約只有1/8英吋，而毛細管柱的口徑也只有0.32mm、0.25mm，因此標準的待測取樣氣體捕捉管10係選用1/8英吋(3.175mm)的玻璃管，其目的是為了避免”無益體積”的存在。所謂”無益體積”，是考慮到待測取樣氣體若是從大口徑的管路流至小口徑的管路時，待測的取樣氣體很容易在管徑大小轉變的地方發生回流而在管線內擴散，此擴散現象會造成待測取樣氣體的訊號峰型變寬和產生拖尾的現像，而此現象在化學分析技術上是不被樂見的。

經過冷卻捕捉的步驟，取樣氣體被吸附於化學附劑。在熱脫附的加熱步驟，加熱線圈必須在極短的時間內加熱至250℃~300℃，使吸附於化學附劑內的取樣氣體快速脫離，以得到正確、對稱性良好的訊號峰型與優良的分析效果。倘若脫附溫度上升的速度過慢，則有可能造成訊號峰型變寬、脫尾現象，這是一般化學分析作業上所不被樂見的現象。為達到快速脫附的效果，加熱線圈11必須能耐受較大的電流，才能在最短時間內使溫度爬升至250℃~300℃的範圍。

加熱線110是由金屬線心111、雲母層112和不鏽鋼表層113三者所複合組成，於捲繞時有一定的挺度而無法過度彎折，否則內部的金屬線心111有可能會在過彎處被拉細或拉斷；僅僅被拉細的金屬線心111可能通過生產線的品管測試，待通過額定電流時卻可能突然熔斷，造成無預警的檢測操作失敗。待測取樣氣體捕捉管10(玻璃管)的直徑僅有1/8英吋，在繞線加工實務上，要在如此細小的玻璃管外繞製加熱線圈11，只能選用線径1.4mm以下的加熱線110才緊密地捲繞，假如線徑過粗，無法密貼於待測取樣氣體捕捉管10上捲繞，並且容易發生前述在過彎處被拉細或拉斷的品質瑕疵。

雖然實務上可選用線徑1.4mm以下的加熱線110加工，在直徑僅有1/8英吋的玻璃管外繞設加熱線圈11，可避免上述在過彎處拉細或拉斷金屬線心111的問題，但仍將面臨兩個問題：第一、由於扣掉雲母層112和不鏽鋼表層113兩者的厚度，金屬線心111的線徑相當細小，因而不能通入較大的電流，使加熱線圈11的功率受限，無法達到快速升溫的理想效果；第二、加熱線110的金屬線心111太細，當捲繞作業不順時，將造成局部線段承受不正常拉伸而變得特細，在通電的過程中細部仍可能因過熱而融化斷路，這將影響加熱線圈的品質信賴性與使用壽命，影響分析作業的穩定性。

此外，習用的待測取樣氣體捕捉管10在使用一段時間之後，必須加以抽換，而加熱線圈11既係緊密地捲繞於待測取樣氣體捕捉管10表面，經過長時間反覆加熱與冷卻循環將逐漸扭曲變形，甚至黏固在待測取樣氣體捕捉管10上，造成抽換困難，很容易在抽出待測取樣氣體捕捉管10(玻 璃)時發生折斷、破裂的意外。再者，由於在待測取樣氣體捕捉管10填充化學吸附劑13相當費時費事，萬一在抽換過程弄破待測取樣氣體捕捉管10，或操作到一半時發現加熱線圈11突然燒毀，將使一切準備作業必須重來。

為解決因加熱線圈11捲繞直徑過小導致只能選用較細的多層複合構造加熱線110，造成加熱線圈11不能承受大電流的問題，同時為了解決抽換待測取樣氣體捕捉管10(玻璃)的問題，本發明提供一種可有效解決上述問題的待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置改良，其技術特徵在於利用一金屬導熱管對待測取樣氣體捕捉管加熱，而加熱線圈則可改繞設在金屬導熱管上對待測取樣氣體捕捉管間接加熱。

由於金屬導熱管的管径比習用1/8英吋待測取樣氣體捕捉管10(玻璃)粗大，因此本發明可利用較粗的多層複合構造加熱線110繞製加熱線圈11以承受較高的電流，達到較高功率的快速升溫的效果，解決金屬線心太細所衍生的各種問題。由於可快速升溫的加熱線圈有助於檢測作業得到較好的脫附峰型，藉由金屬導熱管套住玻璃管間接加熱的改良，使待測取樣氣體捕捉管的更換更加容易，將減少待測取樣氣體捕捉管損壞的機會，達到節省成本的效果。

本發明的待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，至少設有一金屬導熱管、一加熱線圈、一待測取樣氣體捕捉管、一冷卻元件；其中加熱線圈係螺旋地圍繞在金屬導熱管外圍，冷卻元件係皆在加熱線圈的外圍。金屬導熱管可供待測取樣氣體捕捉管插入，在管內完成冷卻捕捉與急遽加熱脫 附。較佳者，可增設一感溫元件以監控加熱線圈或金屬導熱管的溫度，確定熱脫附的進行狀態。

1‧‧‧待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置

2‧‧‧待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置

3‧‧‧待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置

10‧‧‧待測取樣氣體捕捉管

11‧‧‧加熱線圈

12‧‧‧冷卻元件

13‧‧‧化學吸附劑

20‧‧‧金屬導熱管

21‧‧‧加熱線圈

22‧‧‧冷卻元件

23‧‧‧化學吸附劑

24‧‧‧感溫元件

25‧‧‧取樣氣體

26‧‧‧抽氣泵浦

27‧‧‧載流氣體

28‧‧‧偵測儀器

29‧‧‧間隔元件

30A‧‧‧第一金屬導熱管

30B‧‧‧第二金屬導熱管

31‧‧‧加熱線圈

32‧‧‧冷卻元件

34‧‧‧感溫元件

110‧‧‧加熱線

111‧‧‧金屬線心

112‧‧‧雲母層

113‧‧‧不鏽鋼表層

210‧‧‧加熱線

211‧‧‧金屬線心

212‧‧‧雲母層

213‧‧‧不鏽鋼表層

310‧‧‧加熱線

圖1、為一習用之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的基本構造示意圖。

圖2、為一習用的待測取樣氣體捕捉管(玻璃)結合一加熱線圈的示意圖。

圖3、為一依據本發明之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的基本構造示意圖。

圖4、為圖3之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的吸附操作示意圖。

圖5、為圖3之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的熱脫附操作示意圖。

圖6、為圖3之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的變化實施例。。

圖7、為圖3之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的另一變化實施例。

【參考照片】

照片一：習用之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置的待測取樣氣體捕捉管(玻璃)折斷情形。

如圖3所示，係一依據本發明之待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置2的實施例，至少設有一金屬導熱管20、一加熱線圈21、一待測取樣氣體捕捉管10、一冷卻元件22；其中在待測取樣氣體捕捉管10內部係充填化學吸附劑23，冷卻元件22係包附於加熱線圈21的外圍，透過加熱線圈21表面及金屬導熱管20的熱傳導作用，可間接冷卻通過待測取樣氣體捕捉管10內的氣體，使冷卻的氣體被吸附於化學吸附劑23，從而完成一冷卻捕捉的步驟。

本實施例的加熱線圈21，係由一加熱線210單獨捲繞製成套接於金屬導熱管20外，或以加熱線210螺旋地圍繞在金屬導熱管20外捲繞製成。透過金屬導熱管20的熱傳導作用，可間接加熱吸附化學吸附劑23裡的氣體，使氣體受熱而迅速脫離化學吸附劑23，從而完成一熱脫附的加熱步驟。

由於經過本發明所配置之金屬導熱管20直徑係比習用之待測取樣氣體捕捉管10的管徑粗大，因此可突破習用構造的限制，選用加粗的加熱線210捲繞為加熱線圈21。例如可採用線徑2mm以上的加熱線210繞製加熱線圈21；相較於習知裝置的加熱線110，本發明的加熱線圈21的金屬線心211較粗，足可耐受較高的工作電流，因此不但可以通入較強的電流迅速提高加熱線圈21的升溫速度，而且可以延長加熱線圈21的使用壽命與產品的可信賴度。

本實施例的加熱線210，同樣也包括一金屬線心211、一雲母層212及一不鏽鋼表層213。其中雲母層212介於金屬線心211與不鏽鋼表層213 之間，可提供耐高溫的絕緣作用，而不鏽鋼表層213則可提供前述冷卻捕捉的步驟與熱脫附的加熱步驟所需的熱傳作用。較佳者，可在本實施例的加熱線圈21或金屬導熱管20設一感溫元件24，藉以監控加熱線圈21的工作狀態。

請參閱圖4的吸附操作示意圖，於微量化學氣體取樣的冷卻捕捉步驟，本發明的待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置2可利用一抽氣泵浦26抽氣，使待測的取樣氣體25得以流經待測的取樣氣體捕捉管10，藉由冷卻元件22的冷卻作用，透過加熱線圈21之不鏽鋼表層213與金屬導熱管20的熱傳導，使流經待測的取樣氣體捕捉管10的取樣氣體25降溫而被化學吸附劑23吸附，由於流經的待測取樣氣體25不斷被吸附於化學吸附劑23，因此將不斷地增加濃度，直至符合偵測儀器28的可偵測範圍。

本實施例的冷卻元件可採用致冷晶片(Thermoelectric Cooling Module)構成；譬如市售的40mm x 40mm x 5mm致冷晶片提供所需的冷卻功能。利用本實例的冷卻元件，可在冷卻捕捉期間將待測的取樣氣體捕捉管200之溫度降低至攝氏零下40度。本實施例的化學吸附材料210可選用活性碳或具有高面積比率的可捕捉取樣氣體的吸附材料(此為熟知此項知識之專業人士熟知，在此不予贅述)。

請參閱圖5的熱脫附操作示意圖。當待測的取樣氣體捕捉管10完成冷卻捕捉步驟之後，使待測的取樣氣體25吸附於化學吸附劑23；當加熱線圈21通電，使待測的取樣氣體捕捉管10急遽升至工作溫度(250℃~300℃)，吸附於化學吸附劑23裡的待測的取樣氣體25便可藉此熱能快速地脫 離。這時可從待測的取樣氣體捕捉管10一端通入載流氣體27，將脫離化學吸附劑23的取樣氣體25送入偵測儀器28進行分析。此步驟的關鍵在於使加熱均勻、快速，取樣氣體的脫附效效應就愈集中，達到化學層析中的聚焦(focusing)效果。

請參閱圖6。由於通電之後的金屬導熱管20會在瞬間形成一個類似高熱烤爐的環境，為避免待測的取樣氣體捕捉管10只有一側管壁貼近金屬導熱管20、而另一側卻與金屬導熱管20分開，造成待測的取樣氣體捕捉管10的管壁因初期冷熱不均勻而變形。有鑑於此，某些情況下，有必要讓待測的取樣氣體捕捉管10與金屬導熱管20之間維持均勻的間隙。本實施例建議利用耐熱棉套或耐熱的織物作為間隔元件29，墊在待測的取樣氣體捕捉管10與金屬導熱管20之間，以避免發生待測的取樣氣體捕捉管10於初期管壁冷熱不均勻而變形的問題。

由於本實施例的待測的取樣氣體捕捉管10係直接插置於金屬導熱管20內而不緊貼於加熱線圈21，抽換時變得相當容易，因此可考慮作如圖7所示的變化實施例。本實施例的待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置3可同時提供兩個插孔，分別通往一第一金屬導熱管30A及一第二金屬導熱管30B，其中第一金屬導熱管30A與冷卻元件32接觸，第二金屬導熱管30B與加熱線圈31套接。本實施例的加熱線圈31亦係由一加熱線310所捲繞構成，並且配置一感溫元件34以監測其工作狀態。

使用時，可將待測的取樣氣體捕捉管10插入第一金屬導熱管30A進行冷卻捕捉的步驟；亦可將經過冷卻捕捉步驟的待測的取樣氣體捕捉管 10插入第二金屬導熱管30B以進行熱脫附的加熱步驟。本實施例的第一金屬導熱管30A與冷卻元件32成為可以規劃為單獨製造的單元，而第二金屬導熱管30B與加熱線圈31、感溫元件34三者亦可以規劃為另一可單獨製造的單元，使兩者的製程得以平行分工，讓進料品管及日後檢修作業更加容易掌控。

本發明適用的待測的取樣氣體捕捉管10，並非全部必須以玻璃製造，而可視取樣氣體25的化學特性而定；譬如可選用不鏽鋼、鐵氟龍或任何不與化學吸附材料23及取樣氣體25產生化學反應的金屬為材料製造。

本發明的具體效果首在能突破限制，使加熱線210的直徑可以不再受限於待測的取樣氣體捕捉管10的管徑細小，而能繞設於較粗的金屬導熱管20，其優點有二：第一、加熱線210較粗可以承受較大的電流，在單位時間內產生較多的熱量以迅速提升溫度，達到聚焦(focusing)之功效；第二、因為加熱絲直徑的加大，金屬線心211也可以跟著變粗，較能夠承受高溫而不至於斷裂、變形，增加了長時間使用的穩定性。

2‧‧‧待測取樣氣體濃縮後熱脫附裝置

10‧‧‧待測取樣氣體捕捉管

20‧‧‧金屬導熱管

21‧‧‧加熱線圈

22‧‧‧冷卻元件

23‧‧‧化學吸附劑

24‧‧‧感溫元件

25‧‧‧取樣氣體

26‧‧‧抽氣泵浦

210‧‧‧加熱線

Claims (10)

1. 一種待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其特徵在於包括：一金屬導熱管；一待測的取樣氣體捕捉管，於內部充填一化學吸附劑供吸附一氣體分子，可插入於該金屬導熱管中，選擇性地進行一冷卻捕捉的步驟及一熱脫附的加熱步驟；一加熱線圈，螺旋地套接在該金屬導熱管的外圍；及一冷卻元件，與該加熱線圈相接，透過該加熱線圈表面與該金屬導熱管熱傳導，使該待測的取樣氣體捕捉管降溫。
2. 如申請專利範圍第1項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中尚包括一感溫元件與該加熱線圈連接，用以監控該加熱線圈的工作狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中該加熱線圈係由一加熱線繞製後套接在該金屬導熱管上；其中該加熱線係包括一金屬線心、一雲母層、及一不鏽鋼表層，其中該雲母層係介於該金屬線心與該不鏽鋼外層之間者。
4. 如申請專利範圍第1項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中尚包括一間隔元件配置於該金屬導熱管與該待測的取樣氣體捕捉管之間，使該金屬導熱管與該待測的取樣氣體捕捉管之間得保持一均勻的間隙。
5. 如申請專利範圍第1項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中該冷卻元件係為一致冷晶片，透過該加熱線圈表面及該金屬導熱管熱傳導，使進入該待測的取樣氣體捕捉管內的氣體分子降溫而被吸附於該化學吸附劑。
6. 如申請專利範圍第1項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中 該加熱線圈係由一加熱線直接捲繞於該金屬導熱管所構成；其中該加熱線係包括一金屬線心、一雲母層、及一不鏽鋼表層，其中該雲母層係介於該金屬線心與該不鏽鋼外層之間。
7. 一種待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其包括：一第一金屬導熱管，可供插入一待測的取樣氣體捕捉管；一冷卻元件與該第一金屬導熱管連接；一第二金屬導熱管，可供插入一待測的取樣氣體捕捉管；及一加熱線圈，套在該第二金屬導熱管的外圍。
8. 如申請專利範圍第7項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中該第一金屬導熱管係可降低該待測的取樣氣體捕捉管的溫度，進行一冷卻捕捉的步驟。
9. 如申請專利範圍第7項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中該第二金屬導熱管係可升高該待測的取樣氣體捕捉管的溫度，進行一熱脫附的加熱步驟。
10. 如申請專利範圍第7項所述的待測的取樣氣體濃縮後熱脫附裝置，其中尚包括一感溫元件與該加熱線圈連接，用以監控該加熱線圈的工作狀態。