WO2010066773A1 - Improved separating column module for a gas chromatograph - Google Patents

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WO2010066773A1
WO2010066773A1 PCT/EP2009/066700 EP2009066700W WO2010066773A1 WO 2010066773 A1 WO2010066773 A1 WO 2010066773A1 EP 2009066700 W EP2009066700 W EP 2009066700W WO 2010066773 A1 WO2010066773 A1 WO 2010066773A1
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separation column
coil
module according
column module
heating unit
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PCT/EP2009/066700
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Gerhard Krebs
Felix Scharstein
Original Assignee
Gerhard Krebs
Felix Scharstein
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography
    • G01N30/26Conditioning of the fluid carrier; Flow patterns
    • G01N30/28Control of physical parameters of the fluid carrier
    • G01N30/30Control of physical parameters of the fluid carrier of temperature
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    • G01N30/30Control of physical parameters of the fluid carrier of temperature
    • G01N2030/3053Control of physical parameters of the fluid carrier of temperature using resistive heating
    • G01N2030/3061Control of physical parameters of the fluid carrier of temperature using resistive heating column or associated structural member used as heater

Definitions

  • the invention relates to a separation column module for a gas chromatograph, with a separation column and an electric heater for the separation column.
  • separation columns are used in gas chromatographs in order to separate mixtures of volatile components introduced into the separation column, so that they can be characterized on the basis of their retention time and quantified by their detection signal.
  • the separation column is heated according to a predetermined temperature program, so that the vapor pressures in the mixture to be analyzed change.
  • heaters based on resistance wires are currently used, in which current is passed through the resistance wire, which then heats up and heats the separation column.
  • a disadvantage of known separation column modules is their high power consumption. This leads in addition to a high heat load on any air conditioning, with the environment of the gas chromatograph is maintained at a predetermined temperature.
  • thermal mass is the amount of material that must be heated during heating. For example, heating wires are laid directly along the capillary acting as a separation column.
  • the disadvantage of this is the high production costs. It is another disadvantage that such systems have a relatively long heating time, that is, that the temperature change per minute is limited upwards.
  • a gas chromatograph with a separation column designed as a capillary and a heating unit in which the separation column or a support receiving the separation column is arranged at a radial distance around the core of a transformer to form a secondary circuit to inductively to be heated by the primary circuit.
  • This embodiment has the disadvantage that the heating is not sufficiently uniform.
  • the invention has for its object to propose a separation column module that generates little waste heat and yet allows rapid and uniform heating and / or cooling.
  • the separation column module according to the invention for a gas chromatograph comprises a separation column and an electric heater for the separation column.
  • the heater comprises at least one coil and a power supply for generating an alternating magnetic field through the coil and a heating unit.
  • the heating unit is disposed adjacent to the separation column and in the alternating magnetic field generated by the coil so that the separation column is heated by the heating unit. For example, the heating of the separation column takes place by heat radiation and / or heat conduction.
  • the heating unit according to the invention is characterized in that it comprises a flat, for example plate-shaped, disc-shaped or annular disc-shaped, etc., radiator element which is at least partially electrically conductive and / or magnetizable. Due to the plate-shaped, disc-shaped, ring-shaped, etc., so generally flat design a particularly uniform heat generation and heat distribution over the surface of the radiator element is achieved, which in turn ensures uniform heat transfer to the separation column, for example, by a capillary made of stainless steel or preferably synthetic quartz (“fused silica”) is formed.
  • radiator element heats up homogeneously so that temperature gradients remain small. Thermal stresses in the module are thus avoided.
  • the separation column module also builds very small, since the module is flat according to the invention.
  • This separation column module produces very little waste heat due to the comparatively low mass heated, is therefore very easy to thermally isolate and also can be cooled comparatively quickly.
  • the conversion of electrical energy into heat energy takes place depending on the choice of the properties of the radiator element, namely electrically conductive and / or magnetizable, by means of turbulent flow and / or Ummagnethnes 1968 and is therefore not only very efficient, but also allows a spaced arrangement, for example, without material contact, the magnetic field generating coil to the heating unit. It lacks according to the invention advantageously a transformer core.
  • the heating by eddy currents is based on the fact that eddy currents also experience an ohmic resistance in the radiator element, so that the radiator element heats up. Unlike conventional ohmic heaters but eddy currents run exclusively in the radiator element, so that then can not be spoken of an ohmic heating.
  • the radiator element is not connected to a power source, but the radiator element is heated directly due to the alternating magnetic field and the induced eddy currents.
  • What proportion of the heat generated by eddy currents on the one hand and the Ummagnethnestage on the other hand on the total heat generated, which causes the alternating magnetic field in the radiator element is irrelevant and depends on the property of the material of the radiator element.
  • the eddy current based heating can be increased by suitable structuring of the surface of the conductive radiator element.
  • the resulting due to the magnetizability Ummagnethnes 1968 can be effected by an at least partially made of magnetizable material existing element of the radiator element.
  • a ferromagnetic element is provided.
  • it can also be magnetically "hard” materials, for example a layer of magnetite particles in enamel or in a temperature-stable lacquer, for example an inorganic lacquer.
  • the heat is transferred from the heating unit to the separating column by heat conduction, so that a material contact between separation column and heating unit is provided.
  • Material contact according to the invention means that the separation column is directly adjacent to the heating unit or between separation column and heating unit preferably a good heat-conducting body, such as a heat diffuser element, which is explained below, is arranged.
  • the heat transfer to the separation column can be improved by graphite powder. The "lubrication effect" of the graphite also reduces the mechanical stress on the separation column.
  • the material contact between the separation column and the flat radiator element provides a comparatively large surface area for heat transfer, which enables rapid increases in the temperature of the separation column.
  • the separation column is thus spaced from the heating unit without material contact, or, if present, arranged for the heat diffuser element.
  • the spacing can prevent damage to the separation column, for example when inserting the separation column into the module.
  • the at least one magnetic field generating coil is formed as a flat spiral, that is helical.
  • "Flat” in the sense of the invention means a small thickness of the spiral in the direction perpendicular to the spiral plane compared to the diameter in the plane of the spiral. This structure not only makes the module according to the invention compact, but also allows a homogeneous magnetic field in the vicinity of the coil produce.
  • the coil is wound in one layer in the direction perpendicular to the spiral plane. In this way, it is particularly flat and can be placed close to the radiator element.
  • the spiral coil is made of tightly wound, enamel-insulated RF strand.
  • the spiral is out about 10 to 25, more preferably 20 windings formed.
  • the HF strand consists of twisted 120 x 0.1 mm copper lacquer fibers.
  • an embodiment is particularly preferred in which the spiral plane of the magnetic field generating coil is parallel to the surface defined by the flat radiator element.
  • the at least one alternating magnetic field generating coil and the flat radiator element are formed so that the area covered by the coil and the surface of the radiator element are congruent.
  • the separation column comprises at least one capillary, which is arranged spirally, and whose spiral plane is arranged parallel to the surface defined by the flat radiator element.
  • the heating unit comprises a first radiator element and a second radiator element and the capillary is arranged between the two radiator elements.
  • the capillary is then sandwiched between the two radiator elements. This achieves a compact construction.
  • the two radiator elements adjacent to each associated heat diffuser elements, such as heat diffuser discs, and the capillary is disposed between the heat diffuser elements.
  • the separation column comprises a capillary with two spiral-shaped sections which are interconnected in their spiral inside.
  • the separation column module comprises a first and second coil, the latter lying on an axis with the first coil.
  • the heating unit is arranged between the first coil and the second coil.
  • the first coil and the second coil are connected to the power supply so that their magnetic fields add up between them. This results in about an arrangement as Helmholtz coil pair.
  • the advantage of this is that forms a particularly strong magnetic field between the two coils, so that the heating unit can be heated particularly quickly and effectively.
  • the radiator element comprises at least one heat diffuser element.
  • Heat diffuser element means an element with high thermal conductivity. It is advantageous if the heat diffuser element has a thermal conductivity of more than 200 W / (m K).
  • the heat diffuser element consists essentially of silver, aluminum or copper or alloys thereof. Due to the high thermal conductivity of the heat diffuser element any temperature gradients are compensated in the radiator element, so that the capillary is heated over its longitudinal extent particularly homogeneous to achieve particularly high heating rates.
  • the separation column module comprises a high-frequency power supply for supplying the coil with electric current having a frequency of more than 10 kHz, more preferably in the range of 20 kHz to 10 MHz, more preferably in the range of 30 kHz to 5 MHz.
  • the coil is operated in resonance. This improves the efficiency.
  • a particularly large Ummagnethnes139 free at such frequencies a particularly large Ummagnethnes139 free.
  • the high frequency power supply is particularly simple in construction when the frequency is less than 500 kHz.
  • the thermal mass is particularly small when the heating unit has a mass of less than 200 g, more preferably less than 100 g.
  • the heating unit is arranged in a one or more hollow chambers forming, thermal insulating sheath.
  • a small waste heat is generated, which is important for a temperature-stable operation of several chromatographs in a laboratory.
  • the thermally insulating sheath is made of porous calcium silicate, Made ceramic fiber material or foam glass.
  • Foam glass is a silicate glass by the addition of blowing agents factory-foamed, closed-cell insulation.
  • the thermally insulating sheath is advantageously provided with at least one opening for forced cooling.
  • channels are incorporated in the enclosure so that a flow of the coolant is directed to the radiator element.
  • the heating unit to be cooled quickly and effectively, for example, by cooled air or liquid nitrogen.
  • the temperature working range can be extended, for example to about - 100 to 400 0 C with liquid nitrogen.
  • the cooling medium heated by the heater can be easily removed from the laboratory to stabilize working conditions and simplify temperature control.
  • the invention further relates to a gas chromatograph with a separation column module in one of the previously described embodiments.
  • it also comprises a temperature measuring device for measuring a temperature at the radiator and an electrical control for regulating the temperature to a predetermined value.
  • the invention further relates to a process for chromatographic separation in which, using a separation acid module according to the invention in one of the previously described embodiments, the separation column and the stationary phase contained therein are heated by means of the heating unit in order to separate the volatile components contained in the phase from one another, so that they can be characterized by their retention time and quantified by their detection signal.
  • FIG. 1 shows an inventive separation column module for a gas chromatograph according to the invention in an exploded view
  • Figure 2 is a simplified schematic representation of the separation column module according to the invention, in which the heating unit is composed;
  • Figure 3 is a sectional view of the separation column module according to the invention in its arrangement in a thermal insulation.
  • FIG. 1 shows an inventive separation column module 10 in an exploded view.
  • FIG. 2 is a simplified illustration of the separation column module according to the invention when the heating unit 16 is assembled.
  • the separation column module 10 comprises an electric heater 12 which has a first coil 14.1 and a second coil 14.2.
  • the two coils 14.1, 14.2 are arranged spirally along respective spiral planes S1 and S2.
  • the spiral planes S1, S2 run parallel to one another, so that the coils S1, S2 essentially form a Helmholtz coil arrangement.
  • a heating unit 16 which comprises a first radiator element 18.1 and a second radiator element 18.2.
  • the first radiator element 18.1 comprises a conductive and ferromagnetic element 20.1 made of sheet steel and a heat diffuser element 22.1 made of aluminum sheet.
  • the radiator element 18.2 comprises a conductive and ferromagnetic element 20.2 made of sheet steel and a heat diffuser element 22.2 made of aluminum sheet.
  • reference signs without Zählsuffix denote the respective object as such. It should be noted that in Figure 2, only the outer conductive and ferromagnetic elements are 20.1 and 20.2 made of sheet steel closer.
  • the ferromagnetic element 20 and the heat diffuser element 22 are each fixedly connected to each other, for example glued, bonded or rolled.
  • the ferromagnetic element 20 and the heat diffuser element 22 have a substantially annular disk shape and correspond in terms of their outer diameter and inner diameter to the corresponding outer and inner diameters of the coils 14.
  • the outer diameter is for example 10 to 25 cm.
  • a separating column 24 is arranged spirally on a separating plate 28 in each case.
  • the separating plate 28 made of aluminum and a respective adjacent spacer ring 26 for the to the heating body member 18.1 or to the radiator element 18.2 adjacent arranged separation column 24 each have a receiving chamber.
  • the capillary 24 has two spiral-shaped portions which are wound on the respective side of the separating plate 28 from the outside to the inside and in the spiral inside by a recess in the separating plate 28 are interconnected, as can be clearly seen in the sectional view of Figure 3.
  • the tangentially projecting ends of the capillary 24 are to be connected to the injector and the detector, respectively, and are received in tube ends 29 which are simultaneously provided with seals at these terminals.
  • the capillary 24 extends substantially along a spiral plane S3. In the assembled state, the separation column 24 is at a short distance from the heat diffuser element 22.2 and the heat diffuser element 22.1.
  • the conductive and ferromagnetic elements 20 which are made of sheet steel, connected to each other via connecting elements, such as screw, and biased.
  • the coils 14.1, 14.2 are arranged outside the radiator elements 18.
  • the coils 14.1, 14.2 by means of a not shown high-frequency power supply with an electric current I with a resonance frequency f of the games, for example, about 25 kHz, applied.
  • I an electric current with a resonance frequency f of the games, for example, about 25 kHz.
  • This leads to eddy currents in the conductive and ferromagnetic elements 20 and to the rapid folding over of the Weiss districts.
  • heat is generated in the conductive and ferromagnetic elements 20, which is released via the heat diffuser elements 22 quickly to the separation column 24 by thermal radiation.
  • the radiator elements 18.1, 18.2 and the separation column 24 are, as shown in more detail in Fig. 3, arranged in a hollow chamber 31 of a thermally insulating sheath 30.
  • a plurality of apertures 32 are provided in the enclosure 30 to form channels that allow the chamber 31 to flow with a cooling medium as needed, for example, to cool the heating unit 16 after a heating phase.
  • the openings 32 are arranged and / or the chamber 31 is formed so that the radiator elements 18.1, 18.2 are effectively cooled.
  • a likewise not drawn electrical temperature control is connected via a likewise not shown electrical line with the drawn in Figure 1 thermocouple 27 in conjunction and constantly detects the temperature Tist at the capillary 24.
  • the thus detected temperature is compared to a target temperature Tset and the coil 14th so charged with electric current that the actual temperature Tist approaches the target temperature Tsoll as quickly as possible.
  • the capillary 24 which may have a diameter of, for example, 0.1 mm to 0.35 mm, then the stationary phase to be analyzed is initiated.
  • the separation column module 10 is particularly narrow. It has been found that the separation column module is also particularly easy to control and has low energy consumption. For example, the maximum energy consumption of a conventional gas chromatograph is about 2000W, with the separation column module according to the invention comes with about 600W.
  • the separation column module 10 can also have forced cooling, for example via air cooling by means of a fan, a supply of liquid nitrogen or water cooling in order to lower the temperature in the capillary.
  • the cooling times can be halved compared to conventional temperature-programmed gas chromatography. For example, in a temperature program typical for oil analysis from 40 0 C to 350 0 C in 20 minutes in conventional gas chromatography with only 10-minutedestabilierzeit at the positively cooled, invention separation column module 10 to be expected, so that about 15% of the cycle time can be saved ,

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Abstract

The invention relates to a separating column module for a gas chromatograph, comprising a separating column (24) and an electric heater (12) for the separating column (24), wherein the heater (12) comprises at least one coil (14) and a power source for generating a alternating magnetic field through the coil (14), and also a heating unit (16), wherein the heating unit is disposed adjacent to the separating column (24) and within the alternating magnetic field such that the separating column (24) is heated. The module is characterized in that the heating unit (16) comprises at least one flat radiator element (18) that can be at least partially magnetized and/or is at least partially conductive.

Description

Bezeichnung: Verbessertes Trennsäulenmodul für einen Gas-Chromatographen Designation: Improved separation column module for a gas chromatograph
Die Erfindung betrifft ein Trennsäulenmodul für einen Gas-Chromatographen, mit einer Trennsäule und einer elektrischen Heizung für die Trennsäule. Derartige Trennsäulen werden in Gas-Chromatographen eingesetzt, um in die Trennsäule eingebrachte Gemische aus flüchtigen Komponenten voneinander zu trennen, so dass sie aufgrund ihrer Retentionszeit charakterisiert und durch ihr Detektions- signal quantifiziert werden können. Um eine verbesserte Trennwirkung zu erhalten, wird die Trennsäule gemäß einem vorgegebenen Temperaturprogramm geheizt, so dass sich die Dampfdrücke in dem zu analysierenden Gemisch verändern.The invention relates to a separation column module for a gas chromatograph, with a separation column and an electric heater for the separation column. Such separation columns are used in gas chromatographs in order to separate mixtures of volatile components introduced into the separation column, so that they can be characterized on the basis of their retention time and quantified by their detection signal. In order to obtain an improved separation effect, the separation column is heated according to a predetermined temperature program, so that the vapor pressures in the mixture to be analyzed change.
Wegen ihrer guten Regelbarkeit werden im Moment Heizungen auf Basis von Widerstandsdrähten verwendet, bei denen Strom durch den Widerstandsdraht geschickt wird, der sich daraufhin erwärmt und die Trennsäule erhitzt.Because of their good controllability, heaters based on resistance wires are currently used, in which current is passed through the resistance wire, which then heats up and heats the separation column.
Nachteilig an bekannten Trennsäulenmodulen ist deren hoher Stromverbrauch. Das führt zusätzlich zu einer hohen Wärmelast auf eine etwaige Klimaanlage, mit der die Umgebung des Gas-Chromatographen auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird.A disadvantage of known separation column modules is their high power consumption. This leads in addition to a high heat load on any air conditioning, with the environment of the gas chromatograph is maintained at a predetermined temperature.
Um den Verbrauch an elektrischer Energie des Gaschromatographen und der nachgelagerten Kühlung zu minimieren, wird versucht, die thermische Masse des Trennsäulenmoduls zu reduzieren. Die thermische Masse ist diejenige Materialmenge, die beim Aufheizen erwärmt werden muss. Beispielsweise werden Heizdrähte direkt entlang der als Trennsäule wirkenden Kapillare verlegt. Nachteilig hieran ist der hohe Fertigungsaufwand. Es ist ein weiterer Nachteil, dass derartige Systeme eine relativ lange Aufheizzeit haben, das heißt, dass die Temperaturänderung pro Minute nach oben begrenzt ist.In order to minimize the consumption of electrical energy of the gas chromatograph and the downstream cooling, an attempt is made to reduce the thermal mass of the separation column module. The thermal mass is the amount of material that must be heated during heating. For example, heating wires are laid directly along the capillary acting as a separation column. The disadvantage of this is the high production costs. It is another disadvantage that such systems have a relatively long heating time, that is, that the temperature change per minute is limited upwards.
Aus der WO 94/04915 ist ein Gas-Chromatograph mit einer als Kapillare ausgebildeten Trennsäule und einer Heizeinheit bekannt, bei der die Trennsäule oder ein die Trennsäule aufnehmender Träger im radialen Abstand um den Kern eines Transformators herum unter Bildung eines Sekundärkreises angeordnet ist, um induktiv durch den Primärkreis erhitzt zu werden. Diese Ausgestaltung weist den Nachteil auf, dass die Erwärmung nicht ausreichend gleichmäßig ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennsäulenmodul vorzuschlagen, das wenig Abwärme erzeugt und dennoch eine schnelle und gleichmäßige Aufheizung und/oder Abkühlung gestattet.From WO 94/04915 a gas chromatograph with a separation column designed as a capillary and a heating unit is known in which the separation column or a support receiving the separation column is arranged at a radial distance around the core of a transformer to form a secondary circuit to inductively to be heated by the primary circuit. This embodiment has the disadvantage that the heating is not sufficiently uniform. The invention has for its object to propose a separation column module that generates little waste heat and yet allows rapid and uniform heating and / or cooling.
Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Trennsäulenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a generic separation column module according to claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims in any technologically meaningful way, can be combined with each other and show other embodiments of the invention. The description, in particular in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.
Das erfindungsgemäße Trennsäulenmodul für einen Gas-Chromatographen um- fasst eine Trennsäule und eine elektrische Heizung für die Trennsäule. Die Heizung umfasst wenigstens eine Spule und eine Stromversorgung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds durch die Spule und eine Heizeinheit. Die Heizeinheit ist benachbart zur Trennsäule und in dem von der Spule erzeugten magnetischen Wechselfeld so angeordnet, dass die Trennsäule durch die Heizeinheit erhitzt wird. Beispielsweise erfolgt die Erwärmung der Trennsäule durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung.The separation column module according to the invention for a gas chromatograph comprises a separation column and an electric heater for the separation column. The heater comprises at least one coil and a power supply for generating an alternating magnetic field through the coil and a heating unit. The heating unit is disposed adjacent to the separation column and in the alternating magnetic field generated by the coil so that the separation column is heated by the heating unit. For example, the heating of the separation column takes place by heat radiation and / or heat conduction.
Die erfindungsgemäße Heizeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein flaches, beispielsweise plattenförmiges, scheibenförmiges oder ringscheibenförmiges usw., Heizkörperelement umfasst, das wenigstens teilweise elektrisch leitfähig und/oder magnetisierbar ist. Durch die plattenförmige, auch scheibenförmige, ringscheibenförmige usw., also allgemein flache Ausgestaltung wird eine besonders gleichmäßige Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung über die Oberfläche des Heizkörperelements erreicht, was wiederum für eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die Trennsäule sorgt, die beispielsweise durch eine Kapillare aus Edelstahl oder bevorzugt aus synthetischem Quarz („fused silica") gebildet ist.The heating unit according to the invention is characterized in that it comprises a flat, for example plate-shaped, disc-shaped or annular disc-shaped, etc., radiator element which is at least partially electrically conductive and / or magnetizable. Due to the plate-shaped, disc-shaped, ring-shaped, etc., so generally flat design a particularly uniform heat generation and heat distribution over the surface of the radiator element is achieved, which in turn ensures uniform heat transfer to the separation column, for example, by a capillary made of stainless steel or preferably synthetic quartz ("fused silica") is formed.
Es ist ein weiterer Vorteil von dieser Ausgestaltung, dass das Heizkörperelement sich homogen erhitzt, so dass Temperaturgradienten klein bleiben. Thermische Spannungen in dem Modul werden so vermieden. Das Trennsäulenmodul baut zudem sehr klein, da das Modul erfindungsgemäß flach ausgebildet ist.It is a further advantage of this embodiment that the radiator element heats up homogeneously so that temperature gradients remain small. Thermal stresses in the module are thus avoided. The separation column module also builds very small, since the module is flat according to the invention.
Vorteilhaft an diesem Trennsäulenmodul ist ferner, dass es aufgrund der vergleichsweise geringen erwärmten Masse sehr wenig Abwärme produziert, dadurch sehr gut thermisch zu isolieren ist und auch zudem vergleichsweise schnell gekühlt werden kann.Another advantage of this separation column module is that it produces very little waste heat due to the comparatively low mass heated, is therefore very easy to thermally isolate and also can be cooled comparatively quickly.
Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie erfolgt je nach Wahl der Eigenschaften des Heizkörperelements, nämlich elektrisch leitfähig und/oder magnetisierbar, mittels Wirbelströmung und/oder Ummagnetisierungswärme und ist daher nicht nur sehr effizient, sondern ermöglicht auch eine beabstandete Anordnung, beispielsweise auch ohne Materialkontakt, der Magnetfeld erzeugenden Spule zu der Heizeinheit. Es fehlt erfindungsgemäß vorteilhaft ein Transformatorkern.The conversion of electrical energy into heat energy takes place depending on the choice of the properties of the radiator element, namely electrically conductive and / or magnetizable, by means of turbulent flow and / or Ummagnetisierungswärme and is therefore not only very efficient, but also allows a spaced arrangement, for example, without material contact, the magnetic field generating coil to the heating unit. It lacks according to the invention advantageously a transformer core.
Die Erwärmung durch Wirbelströme beruht darauf, dass auch Wirbelströme einen ohmschen Widerstand im Heizkörperelement erfahren, so dass sich das Heizkörperelement erwärmt. Anders als bei herkömmlichen ohmschen Heizungen verlaufen Wirbelströme aber ausschließlich im Heizkörperelement, so dass dann nicht von einer ohmschen Heizung gesprochen werden kann. Insbesondere ist nämlich das Heizkörperelement nicht an eine Stromquelle angeschlossen, sondern das Heizkörperelement wird unmittelbar aufgrund des magnetischen Wechselfelds und der induzierten Wirbelströme erwärmt. Welchen Anteil die durch Wirbelströme hervorgerufene Wärme einerseits und die Ummagnetisierungswärme andererseits an der erzeugten Gesamtwärme haben, die das magnetische Wechselfeld im Heizkörperelement hervorruft, ist irrelevant und hängt von der Eigenschaft des Materials des Heizkörperelements ab. Die auf dem Wirbelstrom beruhende Aufheizung kann durch geeignete Strukturierung der Oberfläche des leitfähigen Heizkörperelements gesteigert werden.The heating by eddy currents is based on the fact that eddy currents also experience an ohmic resistance in the radiator element, so that the radiator element heats up. Unlike conventional ohmic heaters but eddy currents run exclusively in the radiator element, so that then can not be spoken of an ohmic heating. In particular, namely, the radiator element is not connected to a power source, but the radiator element is heated directly due to the alternating magnetic field and the induced eddy currents. What proportion of the heat generated by eddy currents on the one hand and the Ummagnetisierungswärme on the other hand on the total heat generated, which causes the alternating magnetic field in the radiator element is irrelevant and depends on the property of the material of the radiator element. The eddy current based heating can be increased by suitable structuring of the surface of the conductive radiator element.
Die sich aufgrund der Magnetisierbarkeit ergebende Ummagnetisierungswärme kann durch ein wenigstens teilweise aus magnetisierbarem Material bestehendem Element des Heizkörperelements bewirkt werden. Bevorzugt ist ein ferro- magnetisches Element vorgesehen. Es können aber auch magnetisch „harte" Ma- terialien, beispielsweise eine Schicht von Magnetit-Partikeln in Emaille oder in einem temperaturstabilen Lack, beispielsweise einem anorganischen Lack, verwendet werden.The resulting due to the magnetizability Ummagnetisierungswärme can be effected by an at least partially made of magnetizable material existing element of the radiator element. Preferably, a ferromagnetic element is provided. But it can also be magnetically "hard" materials, for example a layer of magnetite particles in enamel or in a temperature-stable lacquer, for example an inorganic lacquer.
Wie zuvor erwähnt ist, bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass die Wärme von der Heizeinheit auf die Trennsäule durch Wärmeleitung übertragen wird, also ist ein Materialkontakt zwischen Trennsäule und Heizeinheit vorgesehen. Materialkontakt im Sinne der Erfindung meint, dass die Trennsäule unmittelbar an die Heizeinheit angrenzt oder zwischen Trennsäule und Heizeinheit ein bevorzugt gut wärmeleitender Körper, beispielsweise ein Wärmediffusor- Element, das nachfolgend erläutert wird, angeordnet ist. Zusätzlich kann die Wärmeübertragung auf die Trennsäule durch Graphitpulver verbessert werden. Durch die „Schmierwirkung" des Graphits wird außerdem die mechanische Belastung der Trennsäule verringert. Durch den Materialkontakt zwischen Trennsäule und flachem Heizkörperelement steht eine vergleichsweise große Fläche für einen Wärmeübergang zur Verfügung. Das ermöglicht eine schnelle Temperaturerhöhungen der Trennsäule.As mentioned above, it is provided in an embodiment according to the invention that the heat is transferred from the heating unit to the separating column by heat conduction, so that a material contact between separation column and heating unit is provided. Material contact according to the invention means that the separation column is directly adjacent to the heating unit or between separation column and heating unit preferably a good heat-conducting body, such as a heat diffuser element, which is explained below, is arranged. In addition, the heat transfer to the separation column can be improved by graphite powder. The "lubrication effect" of the graphite also reduces the mechanical stress on the separation column.The material contact between the separation column and the flat radiator element provides a comparatively large surface area for heat transfer, which enables rapid increases in the temperature of the separation column.
Bevorzugt demgegenüber ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Wärmeübertragung im Wesentlichen mittels Wärmestrahlung erfolgt, d.h. die Trennsäule ist ohne Materialkontakt also beabstandet zum Heizeinheit, beziehungsweise falls vorhanden zum Wärmediffusor-Element, angeordnet. Durch die Beabstandung kann eine Beschädigung der Trennsäule, beispielsweise beim Einsetzen der Trennsäule in das Modul vermieden werden.In contrast, however, preferred is an embodiment in which the heat transfer takes place essentially by means of heat radiation, i. the separation column is thus spaced from the heating unit without material contact, or, if present, arranged for the heat diffuser element. The spacing can prevent damage to the separation column, for example when inserting the separation column into the module.
Bevorzugt ist die wenigstens eine das Magnetfeld erzeugende Spule als flache Spirale, also schneckenförmig, ausgebildet. „Flach" im Sinne der Erfindung meint eine im Vergleich zum Durchmesser in der Spiralebene geringe Dicke der Spirale in der zur Spiralebene senkrechten Richtung. Durch diesen Aufbau fällt das erfindungsgemäße Modul nicht nur kompakt aus, sondern es lässt sich im Nahbereich der Spule ein homogenes Magnetfeld erzeugen.Preferably, the at least one magnetic field generating coil is formed as a flat spiral, that is helical. "Flat" in the sense of the invention means a small thickness of the spiral in the direction perpendicular to the spiral plane compared to the diameter in the plane of the spiral.This structure not only makes the module according to the invention compact, but also allows a homogeneous magnetic field in the vicinity of the coil produce.
Bevorzugt ist die Spule in der zur Spiralebene senkrechten Richtung einlagig gewickelt. Auf diese Weise baut sie besonders flach und kann dicht beim Heizkörperelement angeordnet werden. Bevorzugt ist die spiralförmige Spule aus eng gewickelter, lackisolierter HF-Litze hergestellt. Beispielsweise wird die Spirale aus etwa 10 bis 25, bevorzugter 20 Wicklungen gebildet. Beispielsweise besteht die HF-Litze aus verdrillten 120 x 0,1 mm Kupferlackfasern.Preferably, the coil is wound in one layer in the direction perpendicular to the spiral plane. In this way, it is particularly flat and can be placed close to the radiator element. Preferably, the spiral coil is made of tightly wound, enamel-insulated RF strand. For example, the spiral is out about 10 to 25, more preferably 20 windings formed. For example, the HF strand consists of twisted 120 x 0.1 mm copper lacquer fibers.
Wegen des sehr homogenen Magnetfeldes und einer sich daraus ergebenden, besonders gleichmäßigen Erwärmung ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der die Spiralebene der Magnetfeld erzeugenden Spule parallel zur durch das flache Heizkörperelement definierten Fläche ist.Because of the very homogeneous magnetic field and consequent particularly uniform heating, an embodiment is particularly preferred in which the spiral plane of the magnetic field generating coil is parallel to the surface defined by the flat radiator element.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zur Erzeugung einer sehr gleichmäßigen Erwärmung des Heizkörperelements die wenigstens eine das magnetische Wechselfeld erzeugende Spule und das flache Heizkörperelement so ausgebildet, dass die von der Spule überdeckte Fläche und die Fläche des Heizkörperelements deckungsgleich sind.In a further preferred embodiment, to generate a very uniform heating of the radiator element, the at least one alternating magnetic field generating coil and the flat radiator element are formed so that the area covered by the coil and the surface of the radiator element are congruent.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennsäule wenigstens eine Kapillare, die spiralförmig angeordnet ist, und deren Spiralebene parallel zu der durch das flache Heizkörperelement definierten Fläche angeordnet ist. Dadurch wird einerseits ein effizienter und entlang der Kapillare gleichmäßiger Wärmeübergang vom Heizkörperelement auf die Trennsäule bzw. Kapillare erreicht, zudem wird auch ein kompakter Aufbau ermöglicht.According to a preferred embodiment, the separation column comprises at least one capillary, which is arranged spirally, and whose spiral plane is arranged parallel to the surface defined by the flat radiator element. As a result, on the one hand an efficient and along the capillary uniform heat transfer from the radiator element to the separation column or capillary is achieved, also a compact design is possible.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizeinheit ein erstes Heizkörperelement und ein zweites Heizkörperelement umfasst und die Kapillare zwischen den beiden Heizkörperelementen angeordnet ist. In anderen Worten ist dann die Kapillare sandwichartig zwischen den beiden Heizkörperelementen angeordnet. Dadurch wird ein kompakter Aufbau erreicht. Besonders günstig ist es dabei, wenn die beiden Heizkörperelemente an jeweils zugeordnete Wärmediffusor-Elemente, beispielsweise Wärmediffusorscheiben, angrenzen und die Kapillare zwischen den Wärmediffusor-Elementen angeordnet ist.It is particularly advantageous if the heating unit comprises a first radiator element and a second radiator element and the capillary is arranged between the two radiator elements. In other words, the capillary is then sandwiched between the two radiator elements. This achieves a compact construction. It is particularly advantageous if the two radiator elements adjacent to each associated heat diffuser elements, such as heat diffuser discs, and the capillary is disposed between the heat diffuser elements.
Bei einer weiteren vorteilhaften, weil kompakten, Ausgestaltung umfasst die Trennsäule eine Kapillare mit zwei spiralförmigen Abschnitten, die in ihrem Spiralinneren miteinander verbunden sind.In a further advantageous, because compact design, the separation column comprises a capillary with two spiral-shaped sections which are interconnected in their spiral inside.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trennsäulenmodul eine erste und zweite Spule, wobei letztere auf einer Achse mit der ersten Spule liegt. Die Heizeinheit ist zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule angeordnet. Die erste Spule und die zweite Spule sind so mit der Stromversorgung verbunden, dass sich ihre Magnetfelder zwischen ihnen addieren. Es ergibt sich so in etwa eine Anordnung als Helmholtz-Spulenpaar. Vorteilhaft hieran ist, dass sich zwischen den beiden Spulen ein besonders starkes magnetisches Feld ausbildet, so dass die Heizeinheit besonders schnell und effektiv aufgeheizt werden kann.According to a preferred embodiment, the separation column module comprises a first and second coil, the latter lying on an axis with the first coil. The heating unit is arranged between the first coil and the second coil. The first coil and the second coil are connected to the power supply so that their magnetic fields add up between them. This results in about an arrangement as Helmholtz coil pair. The advantage of this is that forms a particularly strong magnetic field between the two coils, so that the heating unit can be heated particularly quickly and effectively.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Heizkörperelement wenigstens ein Wärmediffusor-Element. Wärmediffusor-Element im Sinne der Erfindung, meint ein Element mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Günstig ist es, wenn das Wärmediffusor-Element eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W / (m K) aufweist. Beispielsweise besteht das Wärmediffusor-Element im Wesentlichen aus Silber, Aluminium oder Kupfer oder Legierungen daraus. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Wärmediffusor-Elements werden etwaige Temperaturgradienten im Heizkörperelement ausgeglichen, so dass die Kapillare über ihre Längenausdehnung besonders homogen unter Erreichung besonders hoher Aufheizraten erwärmt wird.In a further advantageous embodiment, the radiator element comprises at least one heat diffuser element. Heat diffuser element according to the invention, means an element with high thermal conductivity. It is advantageous if the heat diffuser element has a thermal conductivity of more than 200 W / (m K). For example, the heat diffuser element consists essentially of silver, aluminum or copper or alloys thereof. Due to the high thermal conductivity of the heat diffuser element any temperature gradients are compensated in the radiator element, so that the capillary is heated over its longitudinal extent particularly homogeneous to achieve particularly high heating rates.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trennsäulenmodul eine Hochfrequenz-Stromversorgung zum Versorgen der Spule mit elektrischem Strom mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz, bevorzugter im Bereich von 20 kHz bis 10 MHz, noch bevorzugter im Bereich von 30 kHz bis 5 MHz. Bevorzugt wird die Spule in Resonanz betrieben. Dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert. Des Weiteren wird bei derartigen Frequenzen eine besonders große Ummagnetisierungswärme frei. Die Hochfrequenz-Stromversorgung ist vom Aufbau besonders einfach, wenn die Frequenz kleiner ist als 500 kHz.According to a preferred embodiment, the separation column module comprises a high-frequency power supply for supplying the coil with electric current having a frequency of more than 10 kHz, more preferably in the range of 20 kHz to 10 MHz, more preferably in the range of 30 kHz to 5 MHz. Preferably, the coil is operated in resonance. This improves the efficiency. Furthermore, at such frequencies a particularly large Ummagnetisierungswärme free. The high frequency power supply is particularly simple in construction when the frequency is less than 500 kHz.
Die thermische Masse ist besonders klein, wenn die Heizeinheit eine Masse von weniger als 200 g, bevorzugter weniger als 100 g hat.The thermal mass is particularly small when the heating unit has a mass of less than 200 g, more preferably less than 100 g.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizeinheit in einer eine oder mehrere Hohlkammern bildenden, thermischen isolierenden Umhüllung angeordnet. Dadurch wird eine geringe Abwärme erzeugt, was für einen temperaturstabilen Betrieb mehrerer Chromatographen in einem Labor wichtig ist.According to a further preferred embodiment, the heating unit is arranged in a one or more hollow chambers forming, thermal insulating sheath. As a result, a small waste heat is generated, which is important for a temperature-stable operation of several chromatographs in a laboratory.
Bevorzugt ist die thermisch isolierende Umhüllung aus poröses Calciumsilikat, Keramikfasern aufweisendem Material oder Schaumglas hergestellt. Schaumglas ist ein aus silikatischem Glas durch Zugabe von Treibmitteln werksmäßig aufgeschäumter, geschlossenzelliger Dämmstoff.Preferably, the thermally insulating sheath is made of porous calcium silicate, Made ceramic fiber material or foam glass. Foam glass is a silicate glass by the addition of blowing agents factory-foamed, closed-cell insulation.
Die thermisch isolierende Umhüllung ist vorteilhaft mit wenigstens einem Durchbruch für eine Zwangskühlung versehen. Beispielsweise sind Kanäle in die Umhüllung so eingearbeitet, dass ein Strom des Kühlmittels auf das Heizkörperelement gerichtet ist. Dadurch kann die Heizeinheit schnell und effektiv gekühlt werden, beispielsweise durch gekühlte Luft oder flüssigen Stickstoff. Dadurch kann der Temperaturarbeitsbereich ausgedehnt werden, beispielsweise auf ca. - 100 bis 400 0C bei flüssigem Stickstoff. Zudem kann das durch die Heizung erwärmte Kühlmedium leicht aus dem Labor befördert werden, um die Arbeitsbedingungen zu stabilisieren und die Temperaturregelung zu vereinfachen.The thermally insulating sheath is advantageously provided with at least one opening for forced cooling. For example, channels are incorporated in the enclosure so that a flow of the coolant is directed to the radiator element. This allows the heating unit to be cooled quickly and effectively, for example, by cooled air or liquid nitrogen. Thereby, the temperature working range can be extended, for example to about - 100 to 400 0 C with liquid nitrogen. In addition, the cooling medium heated by the heater can be easily removed from the laboratory to stabilize working conditions and simplify temperature control.
Die Erfindung betrifft ferner einen Gas-Chromatograph mit einem Trennsäulenmodul in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Er umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung ferner eine Temperaturmessvorrichtung zum Messen einer Temperatur am Heizkörper und eine elektrische Regelung zum Regeln der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert.The invention further relates to a gas chromatograph with a separation column module in one of the previously described embodiments. In an advantageous embodiment, it also comprises a temperature measuring device for measuring a temperature at the radiator and an electrical control for regulating the temperature to a predetermined value.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur chromatographischen Trennung, bei dem unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Trennsäurenmoduls in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen die Trennsäule und die darin enthaltene stationäre Phase mittels der Heizeinheit erhitzt wird, um die in der Phase enthaltenen, flüchtigen Komponenten voneinander zu trennen, so dass sie aufgrund ihrer Retentionszeit charakterisiert und durch ihr Detektionssignal quantifiziert werden können.The invention further relates to a process for chromatographic separation in which, using a separation acid module according to the invention in one of the previously described embodiments, the separation column and the stationary phase contained therein are heated by means of the heating unit in order to separate the volatile components contained in the phase from one another, so that they can be characterized by their retention time and quantified by their detection signal.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigenIn the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. Show
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Trennsäulenmodul für einen erfindungsgemäßen Gas-Chromatographen in Explosionsdarstellung;1 shows an inventive separation column module for a gas chromatograph according to the invention in an exploded view;
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Trennsäulenmoduls, bei dem die Heizeinheit zusammengesetzt ist; Figur 3 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Trennsäulenmoduls bei dessen Anordnung in einer thermischen Isolierung.Figure 2 is a simplified schematic representation of the separation column module according to the invention, in which the heating unit is composed; Figure 3 is a sectional view of the separation column module according to the invention in its arrangement in a thermal insulation.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Trennsäulenmodul 10 in einer Explosionsansicht. Figur 2 ist eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Trennsäulenmoduls bei zusammengesetzter Heizeinheit 16. Das Trennsäulenmodul 10 umfasst eine elektrische Heizung 12, die eine erste Spule 14.1 und eine zweite Spule 14.2 aufweist. Die beiden Spulen 14.1, 14.2 sind spiralförmig entlang jeweiliger Spiralebenen Sl bzw. S2 angeordnet. Die Spiralebenen Sl, S2 verlaufen parallel zueinander, so dass die Spulen Sl, S2 im Wesentlichen eine Helmholtz- Spulenanordnung bilden.FIG. 1 shows an inventive separation column module 10 in an exploded view. FIG. 2 is a simplified illustration of the separation column module according to the invention when the heating unit 16 is assembled. The separation column module 10 comprises an electric heater 12 which has a first coil 14.1 and a second coil 14.2. The two coils 14.1, 14.2 are arranged spirally along respective spiral planes S1 and S2. The spiral planes S1, S2 run parallel to one another, so that the coils S1, S2 essentially form a Helmholtz coil arrangement.
Zwischen den Spulen 14.1, 14.2 ist eine Heizeinheit 16 angeordnet, die ein erstes Heizkörperelement 18.1 und ein zweites Heizkörperelement 18.2 umfasst. Das erste Heizkörperelement 18.1 umfasst ein leitfähiges und ferromagnetisches Element 20.1 aus Stahlblech und ein Wärmediffusor-Element 22.1 aus Aluminiumblech. Auf gleiche Weise umfasst das Heizkörperelement 18.2 ein leitfähiges und ferromagnetisches Element 20.2 aus Stahlblech und ein Wärmediffusor- Element 22.2 aus Aluminiumblech. Im Weiteren bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das jeweilige Objekt als solches. Es wird darauf hingewiesen, dass in Figur 2 nur die außen liegenden leitfähigen und ferromagnetischen Elemente 20.1 und 20.2 aus Stahlblech näher bezeichnet sind.Between the coils 14.1, 14.2, a heating unit 16 is arranged, which comprises a first radiator element 18.1 and a second radiator element 18.2. The first radiator element 18.1 comprises a conductive and ferromagnetic element 20.1 made of sheet steel and a heat diffuser element 22.1 made of aluminum sheet. In the same way, the radiator element 18.2 comprises a conductive and ferromagnetic element 20.2 made of sheet steel and a heat diffuser element 22.2 made of aluminum sheet. In addition, reference signs without Zählsuffix denote the respective object as such. It should be noted that in Figure 2, only the outer conductive and ferromagnetic elements are 20.1 and 20.2 made of sheet steel closer.
Das ferromagnetische Element 20 und das Wärmediffusor-Element 22 sind jeweils miteinander fest verbunden, beispielsweise verklebt, gebondet oder verwalzt. Das ferromagnetische Element 20 und das Wärmediffusor-Element 22 haben eine im Wesentlichen ringscheibenförmige Gestalt und entsprechen hinsichtlich ihres Außendurchmessers und ihres Innendurchmessers den entsprechenden Außen- bzw. Innendurchmessern der Spulen 14. Der Außendurchmesser beträgt beispielsweise 10 bis 25 cm.The ferromagnetic element 20 and the heat diffuser element 22 are each fixedly connected to each other, for example glued, bonded or rolled. The ferromagnetic element 20 and the heat diffuser element 22 have a substantially annular disk shape and correspond in terms of their outer diameter and inner diameter to the corresponding outer and inner diameters of the coils 14. The outer diameter is for example 10 to 25 cm.
Zwischen den beiden Heizkörperelementen 18 ist jeweils eine Trennsäule 24 spiralförmig auf einem Trennblech 28 angeordnet. Dabei bilden das Trennblech 28 aus Aluminium und ein jeweils angrenzender Distanzring 26 für die zu dem Heiz- körperelement 18.1 beziehungsweise zu dem Heizkörperelement 18.2 benachbart angeordnete Trennsäule 24 jeweils eine Aufnahmekammer. Die Kapillare 24 weist zwei spiralförmige Abschnitte auf, die auf der jeweiligen Seite des Trennblechs 28 von außen nach innen gewickelt und in dem Spiralinneren durch eine Aussparung im Trennblech 28 miteinander verbunden sind, wie in der Schnittdarstellung der Figur 3 gut zu erkennen ist. Die tangential abstehenden Enden der Kapillare 24 sind mit dem Injektor bzw. dem Detektor zu verbinden und sind in Rohrenden 29 aufgenommen, die gleichzeitig mit Dichtung an diesen Anschlüssen versehen sind. Die Kapillare 24 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Spiralebene S3. Im zusammengebauten Zustand steht die Trennsäule 24 in geringem Abstand zu dem Wärmediffusor-Element 22.2 und dem Wärmediffusor- Element 22.1.Between the two radiator elements 18, a separating column 24 is arranged spirally on a separating plate 28 in each case. In this case, the separating plate 28 made of aluminum and a respective adjacent spacer ring 26 for the to the heating body member 18.1 or to the radiator element 18.2 adjacent arranged separation column 24 each have a receiving chamber. The capillary 24 has two spiral-shaped portions which are wound on the respective side of the separating plate 28 from the outside to the inside and in the spiral inside by a recess in the separating plate 28 are interconnected, as can be clearly seen in the sectional view of Figure 3. The tangentially projecting ends of the capillary 24 are to be connected to the injector and the detector, respectively, and are received in tube ends 29 which are simultaneously provided with seals at these terminals. The capillary 24 extends substantially along a spiral plane S3. In the assembled state, the separation column 24 is at a short distance from the heat diffuser element 22.2 and the heat diffuser element 22.1.
Im montierten Zustand sind die leitfähigen und ferromagnetischen Elemente 20, die hier aus Stahlblech bestehen, miteinander über Verbindungselemente, wie beispielsweise Schraubverbindungen, verbunden und vorgespannt.In the assembled state, the conductive and ferromagnetic elements 20, which are made of sheet steel, connected to each other via connecting elements, such as screw, and biased.
Außerhalb der Heizkörperelemente 18 sind die Spulen 14.1, 14.2 angeordnet. Im Betrieb werden die Spulen 14.1, 14.2 mittels einer nicht eingezeichneten Hochfrequenz-Stromversorgung mit einem elektrischen Strom I mit einer Resonanzfrequenz f der Spiele, von beispielsweise ca. 25 kHz, beaufschlagt. Dadurch kommt es in den leitfähigen und ferromagnetischen Elementen 20 zu Wirbelströmen und zum schnellen Umklappen der Weiß'schen Bezirke. Durch beide Effekte wird in den leitfähigen und ferromagnetischen Elementen 20 Wärme erzeugt, die über die Wärmediffusor-Elemente 22 schnell an die Trennsäule 24 durch Wärmestrahlung abgegeben wird.Outside the radiator elements 18, the coils 14.1, 14.2 are arranged. In operation, the coils 14.1, 14.2 by means of a not shown high-frequency power supply with an electric current I with a resonance frequency f of the games, for example, about 25 kHz, applied. This leads to eddy currents in the conductive and ferromagnetic elements 20 and to the rapid folding over of the Weiss districts. Through both effects, heat is generated in the conductive and ferromagnetic elements 20, which is released via the heat diffuser elements 22 quickly to the separation column 24 by thermal radiation.
Die Heizkörperelemente 18.1, 18.2 und die Trennsäule 24 sind, wie in Fig. 3 näher gezeigt, in einer Hohlkammer 31 einer thermisch isolierenden Umhüllung 30 angeordnet. Mehrere Durchbrüche 32 sind in der Umhüllung 30 vorgesehen, um Kanäle zu bilden, die es gestatten, die Kammer 31 bei Bedarf, beispielsweise zum Abkühlen der Heizeinheit 16 nach einer Aufheizphase, mit einem Kühlmedium durchströmen zu lassen. Die Durchbrüche 32 sind so angeordnet und/oder die Kammer 31 so ausgebildet, dass die Heizkörperelemente 18.1, 18.2 effektiv gekühlt werden. Eine ebenfalls nicht gezeichnete elektrische Temperaturregelung steht über eine ebenfalls nicht gezeichnete elektrische Leitung mit dem in Figur 1 eingezeichneten Thermoelement 27 in Verbindung und erfasst beständig die Temperatur Tist an der Kapillare 24. Die so erfasste Temperatur wird einer Soll-Temperatur Tsoll verglichen und die Spulen 14 so mit elektrischem Strom beaufschlagt, dass sich die Ist-Temperatur Tist möglichst schnell der Soll-Temperatur Tsoll annähert. In die Kapillare 24, die einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 mm bis 0,35 mm haben kann, wird dann die zu analysierende, stationäre Phase eingeleitet. Dadurch, dass die leitfähigen und ferromagnetischen Elemente 20, die Wärmediffu- sor-Elemente 22 und die Spulen 14 ringscheiben- bzw. plattenförmig ausgebildet sind, baut das Trennsäulenmodul 10 besonders schmal. Es hat sich herausgestellt, dass das Trennsäulenmodul zudem besonders leicht regelbar ist und nur einen geringen Energieverbrauch aufweist. Beispielsweise liegt der maximale Energieverbrauch eines konventionellen Gaschromatographen bei ca. 2000W, der mit dem erfindungsgemäßen Trennsäulenmodul kommt mit ca. 600W aus. Es ist möglich, Aufheizgeschwindigkeiten von 30 °C/min bis sogar 50°C/min bei einer 200W Heizleistung bei einem 70% Wirkungsgrad zu erreichen. Das erfindungsgemäße Trennsäulenmodul 10 kann zudem über eine Zwangskühlung verfügen, beispielsweise über einen Luftkühlung mittels Ventilator, eine Zufuhr von flüssigem Stickstoff oder eine Wasserkühlung, um die Temperatur in der Kapillare abzusenken. Die Kühlzeiten inklusive Stabilisierung auf die Anfangsbedingungen lassen sich so gegenüber konventioneller temperaturprogrammierter Gaschromatographie halbieren. Beispielsweise ist bei einem für Ölanalytik typischen Temperaturprogramm von 400C bis 3500C in 20 Minuten bei konventioneller Gaschromatographie mit einer nur 10-minütigen Kühlstabilierzeit bei dem zwangsgekühlten, erfindungsgemäßen Trennsäulenmodul 10 zu rechnen, so dass ca. 15% der Zykluszeit eingespart werden können. The radiator elements 18.1, 18.2 and the separation column 24 are, as shown in more detail in Fig. 3, arranged in a hollow chamber 31 of a thermally insulating sheath 30. A plurality of apertures 32 are provided in the enclosure 30 to form channels that allow the chamber 31 to flow with a cooling medium as needed, for example, to cool the heating unit 16 after a heating phase. The openings 32 are arranged and / or the chamber 31 is formed so that the radiator elements 18.1, 18.2 are effectively cooled. A likewise not drawn electrical temperature control is connected via a likewise not shown electrical line with the drawn in Figure 1 thermocouple 27 in conjunction and constantly detects the temperature Tist at the capillary 24. The thus detected temperature is compared to a target temperature Tset and the coil 14th so charged with electric current that the actual temperature Tist approaches the target temperature Tsoll as quickly as possible. In the capillary 24, which may have a diameter of, for example, 0.1 mm to 0.35 mm, then the stationary phase to be analyzed is initiated. The fact that the conductive and ferromagnetic elements 20, the Wärmediffu- sor elements 22 and the coils 14 are formed annular disc or plate-shaped, the separation column module 10 is particularly narrow. It has been found that the separation column module is also particularly easy to control and has low energy consumption. For example, the maximum energy consumption of a conventional gas chromatograph is about 2000W, with the separation column module according to the invention comes with about 600W. It is possible to achieve heating rates of 30 ° C / min to even 50 ° C / min with a 200W heating power at a 70% efficiency. The separation column module 10 according to the invention can also have forced cooling, for example via air cooling by means of a fan, a supply of liquid nitrogen or water cooling in order to lower the temperature in the capillary. The cooling times, including stabilization to the initial conditions, can be halved compared to conventional temperature-programmed gas chromatography. For example, in a temperature program typical for oil analysis from 40 0 C to 350 0 C in 20 minutes in conventional gas chromatography with only 10-minute Kühlstabilierzeit at the positively cooled, invention separation column module 10 to be expected, so that about 15% of the cycle time can be saved ,

Claims

Patentansprüche claims
1. Trennsäulenmodul für einen Gas-Chromatographen, aufweisend eine Trennsäule (24) und eine elektrische Heizung (12) für die Trennsäule (24), wobei die Heizung (12) wenigstens eine Spule (14) und eine Stromversorgung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds durch die Spule (14) und ferner eine Heizeinheit (16) umfasst, wobei die Heizeinheit benachbart zur Trennsäule (24) und im magnetischen Wechselfeld so angeordnet ist, dass die Trennsäule (24) erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (16) wenigstens ein flaches Heizkörperelement (18) umfasst, das wenigstens teilweise magnetisierbar und/oder elektrisch leitfähig ist.A separation column module for a gas chromatograph, comprising a separation column (24) and an electrical heater (12) for the separation column (24), wherein the heater (12) at least one coil (14) and a power supply for generating an alternating magnetic field the coil (14) and further comprising a heating unit (16), wherein the heating unit adjacent to the separation column (24) and in the alternating magnetic field is arranged so that the separation column (24) is heated, characterized in that the heating unit (16) at least a flat radiator element (18) which is at least partially magnetizable and / or electrically conductive.
2. Trennsäulenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine das magnetische Wechselfeld erzeugende Spule (14) in einer flachen Spirale ausgebildet ist.2. Separation column module according to claim 1, characterized in that the at least one alternating magnetic field generating coil (14) is formed in a flat spiral.
3. Trennsäulenmodul nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die das magnetische Wechselfeld erzeugende Spule (14) definierte Spiralebene parallel zur durch das flache Heizkörperelement (18) definierten Fläche ist.3. Separation column module according to the preceding claim, characterized in that the by the alternating magnetic field generating coil (14) defined spiral plane is parallel to the surface defined by the flat radiator element (18).
4. Trennsäulenmodul einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine das magnetische Wechselfeld erzeugende Spule (14) und das flache Heizkörperelement (18) so ausgebildet sind, dass die von der Spule (14) überdeckte Fläche und die Fläche des Heizkörperelements (18) deckungsgleich sind.4. Trennsäulenmodul any of the preceding claims, characterized in that the at least one alternating magnetic field generating coil (14) and the flat radiator element (18) are formed so that the of the coil (14) covered surface and the surface of the radiator element ( 18) are congruent.
5. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennsäule wenigstens eine Kapillare (24) umfasst, die spiralförmig angeordnet ist und dass deren Spiralebene (S3) parallel zu der durch das flache Heizkörperelement (18) definierten Ebene angeordnet ist.5. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the separation column comprises at least one capillary (24) which is arranged spirally and that its spiral plane (S3) is arranged parallel to the plane defined by the flat radiator element (18).
6. Trennsäulenmodul nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennsäule wenigstens eine Kapillare (24) aus synthetischem Quarzglas umfasst. 6. Separation column module according to the preceding claim, characterized in that the separation column comprises at least one capillary (24) made of synthetic quartz glass.
7. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (16) wenigstens zwei Heizkörperelemente (18.1, 18.2) umfasst und die Kapillare (24) zwischen den zwei Heizkörperelementen (18.1, 18.2) angeordnet ist.7. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the heating unit (16) comprises at least two radiator elements (18.1, 18.2) and the capillary (24) between the two radiator elements (18.1, 18.2) is arranged.
8. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (24) zwei spiralförmige Abschnitte (24) umfasst, die in ihrem Spiralinneren miteinander verbunden sind.8. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the capillary (24) comprises two spiral-shaped sections (24) which are interconnected in their spiral inside.
9. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Spule (14.1) und eine zweite Spule (14.2), die koaxial mit der ersten Spule (14.1) angeordnet ist, wobei die Heizeinheit (16) zwischen der ersten Spule (14.1) und der zweiten Spule (14.2) angeordnet ist.9. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized by a first coil (14.1) and a second coil (14.2), which is arranged coaxially with the first coil (14.1), wherein the heating unit (16) between the first coil (14.1) and the second coil (14.2) is arranged.
10. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizkörperelement (18) ein ferromagne- tisches Element (20) umfasst.10. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one radiator element (18) comprises a ferromagnetic element (20).
11. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizkörperelement (18) ferner wenigstens ein Wärmedif- fusor-Element (22) umfasst.11. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the radiator element (18) further comprises at least one Wärmedif- fusor element (22).
12. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochfrequenz-Stromversorung zum Versorgen der Spule (14) mit elektrischem Wechselstrom (I) mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz, bevorzugter im Bereich von 20 kHz bis 10 MHz, noch bevorzugter im Bereich von 30 kHz bis 5 MHz vorgesehen ist.12. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that a high-frequency power supply for supplying the coil (14) with alternating electrical current (I) with a frequency of more than 10 kHz, more preferably in the range of 20 kHz to 10 MHz, still is more preferably provided in the range of 30 kHz to 5 MHz.
13. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (16) eine Masse von weniger als 200 g, bevorzugt weniger als 100 g, hat.13. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the heating unit (16) has a mass of less than 200 g, preferably less than 100 g.
14. Trennsäulenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (16) in einer wenigstens eine Hohlkammer (31) bildenden, thermisch isolierenden Umhüllung (30) angeordnet ist. 14. Separation column module according to one of the preceding claims, characterized in that the heating unit (16) in a at least one hollow chamber (31) forming, thermally insulating sheath (30) is arranged.
15. Trennsäulenmodul nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (30) aus poröses Calciumsilikat, aus Keramikfasern aufweisendem Material und/oder Schaumglas hergestellt ist.15. Separation column module according to the preceding claim, characterized in that the sheath (30) made of porous calcium silicate, of ceramic fibers exhibiting material and / or foam glass is made.
16. Trennsäulenmodul nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (30) mit wenigstens einem Durchbruch (32) für eine Zwangskühlung versehen ist.16. Separation column module according to one of the two preceding claims, characterized in that the sheath (30) is provided with at least one opening (32) for a forced cooling.
17. Gas-Chromatograph gekennzeichnet durch ein Trennsäulenmodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.17. A gas chromatograph characterized by a separation column module (10) according to any one of the preceding claims.
18. Gas-Chromatograph nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Temperaturmessvorrichtung (28) zum Messen einer Temperatur am Heizkörper (16) und eine elektrische Regelung zum Regeln der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert.18. Gas chromatograph according to claim 17, characterized by a temperature measuring device (28) for measuring a temperature at the radiator (16) and an electrical control for regulating the temperature to a predetermined value.
19. Verfahren zur chromatographischen Trennung gekennzeichnet durch die Verwendung eines Trennsäurenmoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Trennsäule und die darin enthaltene stationäre Phase mittels der Heizeinheit erhitzt wird. 19. A method for chromatographic separation characterized by the use of a separating acid module according to any one of claims 1 to 16, wherein the separation column and the stationary phase contained therein is heated by means of the heating unit.
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