WO2014064804A1 - ガスクロマトグラフ装置 - Google Patents

Abstract

ガスクロマトグラフは分離カラムの温度を独立して調節するカラムモジュールを備えている。カラムモジュールは分離カラムが水平にされた状態でオーブンに保持されている。カラムモジュールは、試料ガスを成分ごとに分離する分離カラムと、分離カラムの周囲を断熱部材で囲って内部に収容するとともに、分離カラムと断熱部材との間に分離カラムに沿って空気を流すための隙間を有するカラム収容部材と、カラム収容部材内に設けられ分離カラムに直接的又は間接的に接触して分離カラムを加熱するヒータと、を備えている。カラム収容部材は、分離カラムと断熱部材との間の隙間に外気を取り込むための吸気口及びその隙間の空気を排気するための排気口を備えている。

Description

ガスクロマトグラフ装置

　本発明は、ガス化された試料を成分ごとに分離するための分離カラムを収容してその温度を制御するカラムモジュールを備えたガスクロマトグラフ装置に関するものである。

　従来のガスクロマトグラフ装置では、ヒータを備えたオーブン内に分離カラムを収容して分離カラムの温度調節を行なう方式が一般的である。オーブン内にはファンが設置されており、ファンによってオーブン内の空気を攪拌して対流させることで、オーブン内の温度を均一に加熱して分離カラムの温度を調整する。分離カラムを冷却する際は、ファンによってオーブン内に外気を導入することでオーブン内の空気を置換するようになっている。

　しかし、上記のように分離カラムの温度を対流式のオーブンによって制御する方式では、オーブンの熱容量が分離カラムに比べて極めて大きいために、分離カラムの温度を急速に昇降させることは困難である。また、熱容量の大きいオーブンの温度を昇降させることにより、消費電力が大きくなるという問題もある。

　上記問題を解決するために、分離カラムの温度を直接的な熱伝導によって調節することが提案されている。例えば特許文献１には、分離カラムに電熱線を巻き付けたアセンブリを構成してオーブンとは独立して分離カラムの温度制御を行なうようにすることで、温度制御の対象の熱容量をオーブンよりも小さくして温度制御の応答性を向上させることが開示されている。

米国特許第６５３０２６０号公報

　特許文献１に開示されている方法では、分離カラムに電熱線が巻き付けられたアセンブリが外気から遮断されておらず、分離カラムが外気の温度変動や対流の影響を受けやすいという問題がある。この問題は、アセンブリ全体を断熱材で覆うことによって解決することは可能であるが、そうすると分離カラムを冷却する際の放熱効率が低下し、分離カラムの迅速な冷却が困難である。

　そこで、本発明は、分離カラムの温度が外気の温度変動や対流の影響を受けることを防止しながら、分離カラムの温度の昇降を迅速に行なうことができるようにすることを目的とするものである。

　本発明にかかるガスクロマトグラフ装置は、試料ガスを成分ごとに分離する分離カラム、分離カラムの周囲を断熱部材で囲って内部に収容するとともに、分離カラムと断熱部材との間に分離カラムに沿って空気を流すための隙間を有するカラム収容部材、カラム収容部材内に設けられ分離カラムに直接的又は間接的に接触して分離カラムを加熱するヒータ、カラム収容部材に設けられ隙間に外気を取り込むための吸気口及びカラム収容部材の吸気口とは別の位置に設けられ隙間の空気を排気するための排気口を備えたカラムモジュールと、カラムモジュールの分離カラムに試料ガスを導入するための試料導入部と、分離カラムで分離された試料成分を検出するための検出器と、試料導入部と分離カラムとの間及び検出器と分離カラムとの間をそれぞれ接続するための流路を収容し、その内部温度を一定温度に調節するオーブンと、を備え、カラムモジュールは分離カラムが水平に配置された状態でオーブンに保持されているものである。

　本発明のガスクロマトグラフ装置では、分離カラムが水平に配置された状態でカラムモジュールがオーブンに保持されているので、分離カラムに温度分布を生じさせることなく分離カラムの温度をオーブンとは独立して調節することができる。
　そして、本発明のガスクロマトグラフ装置のカラムモジュールは、分離カラムが断熱部材で囲われてカラム収容部材内に収容されているので、分離カラムが外気と遮断され、外気の対流や温度変化の影響によって分離カラムの温度が変動することを抑制できる。これにより、分析結果の再現性が向上する。さらに、分離カラムと断熱部材との間に分離カラムに沿って空気を流すための隙間が設けられ、さらにその隙間に外気を取り込むための吸気口及び隙間の空気を排気するための排気口がカラム収容部に設けられているので、分離カラムの冷却時にカラムモジュール内に外気を取り込んでカラム収容部材と分離カラムとの間の隙間に流すことができ、分離カラムの冷却効率を向上させることができる。これにより、分離カラムの温度を上昇させる際は断熱部材による外気との遮断効果によって迅速な分離カラムの昇温が可能であり、分離カラムを冷却する際は分離カラムに沿った外気の流通効果によって迅速な分離カラムの冷却が可能であるため、分離カラムの温度調整による待機時間が短縮され、分析動作の処理効率が向上する。

ガスクロマトグラフ装置の備えているカラムモジュールの一例を示す図１ＢのＹ－Ｙ位置において縦方向に切断したときの断面図である。 同カラムモジュールを図１ＡのＸ－Ｘ位置において水平方向に切断したときの断面図である。 ガスクロマトグラフ装置の備えているカラムモジュールの他の例を示す図２ＢのＷ－Ｗ位置において縦方向に切断したときの断面図である。 同カラムモジュールを図２ＡのＶ－Ｖ位置において水平方向に切断したときの断面図である。 ガスクロマトグラフ装置の一実施例を示す断面図である。 ガスクロマトグラフ装置の他の実施例を示す断面図である。 カラムモジュールの温度測定点を説明するための断面図である。 カラムモジュールを垂直に配置して温度調節を実行したときの各測定点における温度の時間変化を示すグラフである。 カラムモジュールを水平に配置して温度調節を実行したときの各測定点における温度の時間変化を示すグラフである。 ガスクロマトグラフ装置のさらに他の実施例を示す断面図である。

　本発明にかかるガスクロマトグラフ装置では、カラムモジュールが吸気口側又は排気口側のいずれか一方に吸気口から隙間に冷却風を取り込むためのファンをさらに備えているようにしてもよい。そうすれば、分離カラムと断熱材との間の隙間に効率よく冷却風を取り込むことができ、分離カラムの冷却効率を向上させることができる。

　上記の場合、ファンは吸気口側に設けられ、ファンと吸気口の間にエアダクトが設けられていることが好ましい。そうすれば、分離カラムと断熱材との間の隙間に外気を効率よく取り込むことができる。

　本発明のガスクロマトグラフ装置におけるカラムモジュールにおいて、ヒータと分離カラムは互いに接触した状態で一体として構成されてカラム温調体をなし、断熱部材とカラム温調体の上面との間及び断熱部材とカラム温調部の下面との間にそれぞれ隙間が設けられているようにしてもよい。そうすれば、吸気口から取り込まれた冷却風がカラム温調体の上面及び下面を流れるため、分離カラムの冷却効率がさらに向上する。

　分離カラムを加熱するためのヒータとしてプレート型ヒータが挙げられる。その場合、分離カラムはプレート型ヒータの一平面に接触した状態で固定されている。これにより、カラムモジュール内を高効率に加熱することができる。

　オーブンには複数のカラムモジュールが保持されていてもよい。例えば互いに分離特性の異なる分離カラムを有する２以上のカラムモジュールをオーブンに搭載して直列に接続することで、１つの分離カラムでは分離されない成分を別の分離カラムで分離して検出器に導くことができる。

　以下、ガスクロマトグラフ装置の好ましい実施態様について図面を参照しながら説明する。
　まず、図１Ａ及び図１Ｂを用いて、ガスクロマトグラフ装置の備えているカラムモジュールについて説明する。
　カラムモジュール２はカラム温調体３がカラム収容部材１０内に収容されて構成されている。カラム収容部材１０は直方体形状の部材であり、外壁とその内側に配置された断熱部材１２とで構成されている。カラム収容部材１０の外壁は金属、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）で形成され、断熱部材１２は例えばグラスウールで形成されている。カラム収容部材１０の一方の端面に開口部１６が設けられ、他方の端面に開口部１８が設けられている。カラム収容部材１０の内部には空洞１４が設けられ、その空洞１４は開口部１６，１８側を除いて、上下と側方が断熱部材１２によって囲われている。空洞１４は開口部１６から開口部１８まで通じており、空気がカラム収容部材１０内を流通することができるようになっている。

　カラム温調体３は断熱部材１２によって囲われた空洞１４内に配置されている。カラム温調体３は、流路基板からなるチップ状の分離カラム４がプレート型のヒータ６上に配置された状態で押さえ板５，７によって上下方向から挟みこまれて一体をなすことにより構成されている。押さえ板５は空洞１４の下側の断熱部材１２に埋め込まれた土台８によって断熱部材１２から離れた状態で支持されている。押さえ板５上にヒータ６、分離カラム４及び押さえ板７が下から順に積み重ねられている。なお、この実施例では、土台８がプレート型ヒータ６の四隅に対応する位置に配置されているが、押さえ板５とその下側の断熱部材１２との間の隙間を空気が分離カラム４に沿って流れる構造であれば、土台８はいかなる構造のものであってもよい。

　カラム温調体３の押さえ板７には分離カラム４の一端に通じる貫通孔１９と他端に通じる貫通孔２３が設けられており、貫通孔１９を通じて分離カラム４の一端に接続された入口ポート２０及び貫通孔２３を通じて分離カラム４の他端に接続された出口ポート２２が押さえ板７の上面に設置されている。入口ポート２０は試料ガスを導入する試料導入部からのキャピラリ（配管）を接続するために設けられており、出口ポート２２は試料成分を検出する検出器に通じるキャピラリを接続するために設けられている。入口ポート２０及び出口ポート２２はカラム収容部材１０の外側からキャピラリの接続を可能とするために開口部１８に引き出されている。

　カラム温調体３の上面とその上側の断熱部材１２との間及びカラム温調体３の下面とその下側の断熱部材１２との間に隙間が存在する。これにより、開口部１６及び１８の一方の開口部からカラム収容部材１０内に外気を取り込み、カラム温調体３と断熱部材１２との間の隙間を通過させて他方の開口部から排気することができる。

　なお、上記実施例では、流路基板からなるチップ型の分離カラム４が用いられているが、これに代えてキャピラリカラムを用いてもよい。その場合は、プレート型のヒータ６に代えて電熱線を用いてキャピラリカラムに巻き付けて使用してもよい。
　プレート型のヒータ６としては、例えばマイカヒータ、ラバーヒータ及びセラミックヒータを使用することができる。

　次に、ガスクロマトグラフ装置の備えているカラムモジュールの他の例について図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。
　このカラムモジュール２ａは分離カラム４ａ、ヒータ６ａ、押さえ板５ａ及び７ａからなるカラム温調体３ａが、保持部材であるセラミックアーム２４によって上面が保持され、カラム収容部材１０ａ内の空洞１４ａ内において宙づりの状態に支持されている。セラミックアーム２４はカラム温調体３ａの四隅の位置を保持するように、カラム収容部材１０ａの端面側から空洞１４ａ側へ延びるように設けられている。

　空洞１４ａは図１の実施例と同様に、開口部１６ａ，１８ａ側を除いて、上下と側方が断熱部材１２ａによって囲われた空間となっている。カラム収容部材１０ａの両端面に開口部１６ａと１８ａが設けられており、外気が空洞１４ａを流通できるようになっている。押さえ板７ａは一端側に切欠き部２６を有しており、その切欠き部２６において分離カラム４の入口ポート２０ａ及び出口ポート２２ａが設けられている。

　上記構造により、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明した例と同様に、カラム温調体３ａの上面とその上側の断熱部材１２ａとの間及びカラム温調体３ａの下面とその下側の断熱部材１２ａとの間に通気路となる隙間が存在し、開口部１６ａ及び１８ａの一方の開口部からカラム収容部材１０ａ内に取り込まれた外気を、カラム温調体３ａと断熱部材１２ａとの間の隙間を介して他方の開口部から排気することができる。これにより、カラム温調体４ａを高効率に冷却することが可能である。

　図１Ａ及び図１Ｂのカラムモジュール２を備えたガスクロマトグラフ装置の一実施例について図３を用いて説明する。なお、図３においてはカラムモジュール２の構造を概略的に示している。

　オーブン３０の筐体３２の上面に試料導入部３８及び検出器４０が取り付けられている。筐体３２の内部空間３４にはキャピラリ４２，４４が収容されている。キャピラリ４２は試料導入部３８とカラムモジュール２との間を接続するものであり、キャピラリ４４はカラムモジュール２と検出器４０との間を接続するものである。

　カラムモジュール２はオーブン３０の筐体３２の側壁に取り付けられている。カラムモジュール２は開口部１８の設けられている端面がオーブン３０側にくるように分離カラム４を水平にした状態でオーブン３０の筐体３２に対して固定されている。カラムモジュール２が装着されている筐体３２の側壁には開口部が設けられており、その開口部を介してキャピラリ４２，４４の一端がカラムモジュール２のポート２０，２２に接続されている。

　オーブン３０は断熱性の筐体３２の内部空間３４にヒータ（図示は省略）及びファン３６を有し、内部空間３４の温度を制御するものである。カラムモジュール２はオーブン３０とは独立して分離カラム４の温度制御を行なうようになっている。カラムモジュール２のカラム収容部材１０は断熱材１２によって内部の空洞１４を囲う構造であるため、カラム収容部材１０の外側の温度変動や対流の影響を受けずに分離カラム４の温度を制御することができる。オーブン３０よりも熱容量が小さいため、迅速な昇温と冷却が可能である。

　分離カラム４及びオーブン３０内の冷却は、ファン３６によってオーブン３０の内部空間３４の空気を排気して減圧にし、内部空間３４内に外気を取り込むことにより行なう。内部空間３４への外気の取り込みはカラムモジュール２を介して行なわれる。すなわち、オーブン３０の内部空間３４がファン３６によって減圧にされると、外気がカラムモジュール２の開口部１６から取り込まれ、カラムモジュール２内の空洞１４を通って開口部１８から内部空間３４に取り込まれる。これにより、外気が熱容量の小さいカラムモジュール２内を分離カラム４に沿って通過するため、分離カラム４の迅速な冷却が可能である。カラムモジュール２の開口部１６は空洞１４へ外気を取り込むための吸気口を構成し、開口部１８は空洞１４から外気を排気するための排気口を構成する。

　分離カラム４の冷却効率をさらに向上させる方法としては、図４に示されているように、カラムモジュール２の開口部１６側にエアダクト４６を介してカラムファン４８を設けることが挙げられる。分離カラム４を冷却する際にカラムファン４８によって外気をカラムモジュール２側へ送ることで、分離カラム４に沿って流れる冷却風の風量が増大し、分離カラム４の迅速な冷却が可能となる。

　なお、カラムモジュール２は、図３及び図４の実施例では分離カラム４が水平となる状態（以下、「横置き」）でオーブン３０に装着されていることにより、カラムモジュール２内に温度分布が生じにくく、分離カラム４の温度をその主平面内において均一に制御することができる。カラムモジュール２を分離カラム４が鉛直向きに配置された状態（以下、「縦置き」）となるように配置すると、熱の対流によってカラムモジュール２内に上下方向の温度分布が生じ、分離カラム４の温度を均一に制御することが困難になる。

　カラムモジュール２内の温度の時間変化のデータを図６及び図７に示す。図６はカラムモジュール２を縦置きにした場合、図７はカラムモジュール２を横置きにした場合のそれぞれの測定温度の時間変化を示している。温度の測定は、図５に示されているように、分離カラム４の一端側から２０ｍｍの位置ａ１、その近傍の空気層中の位置ａ２、分離カラム４の他端側から２０ｍｍの位置ｂ１及びその近傍の空気層中の位置ｂ２に熱電対を挿入して行なった。ａ１とａ２の間の間隔は６０ｍｍである。

　図６及び図７を比較すると、カラムモジュール２を縦置きにすると、ヒータ６による加熱を開始してから十分に時間が経過して温度が安定しても、位置ａ１とｂ１の間、ａ２とｂ２の間に温度差が生じているのに対し、カラムモジュール２を横置きにすることで、位置ａ１とｂ１の間の温度差がなくなり、位置ａ２とｂ２の間の温度差も小さくなっていることがわかる。このことから、カラムモジュール２を横置きに設置することで、カラムモジュール２内の温度分布が改善され、分離カラム４の温度を均一に制御することができる。

　なお、図３及び図４のガスクロマトグラフ装置は図１Ａ及び図１Ｂのカラムモジュール２を備えたものであるが、これに代えて図２Ａ及び図２Ｂのカラムモジュール２ａを備えたものであってもよい。

　図３の実施例ではオーブン３０に一つのカラムモジュール２が装着されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、２以上のカラムモジュール２をオーブン３０に装着してもよい。

　図８はオーブンに複数のカラムモジュールを保持させたガスクロマトグラフ装置の一実施例を示している。２つのカラムモジュール２－１及び２－２がそれぞれの分離カラム４が水平となるように互いに平行にオーブン３０に装着されている。カラムモジュール２－１と２－２は直列に接続されている。試料導入部３８はキャピラリ４２ａを介してカラムモジュール２－１の入口ポートに接続されている。カラムモジュール２－１の出口ポートとカラムモジュール２－２の入口ポートがキャピラリ４３を介して接続されている。カラムモジュール２－２の出口ポートはキャピラリ４４ａを介して検出器４０に接続されている。なお、この実施例のカラムモジュール２－１，２－２は図１のカラムモジュール２であってもよいし、図２のカラムモジュール２ａであってもよい。

　　　２　　　カラムモジュール
　　　４　　　分離カラム
　　　５，５ａ，７，７ａ　　　押さえ板
　　　６，６ａ　　　ヒータ
　　　８，８ａ　　　支持部材
　　１０，１０ａ　　　カラム収容部材
　　１２，１２ａ　　　断熱部材
　　１４，１４ａ　　　隙間
　　１６，１６ａ　　　吸気口
　　１８，１８ａ　　　排気口
　　２０，２０ａ　　　カラム入口ポート
　　２２，２２ａ　　　カラム出口ポート
　　２４　　　セラミックアーム
　　２６　　　切欠き部
　　３０　　　オーブン
　　３２　　　オーブン筐体
　　３４　　　オーブン内空間
　　３６　　　オーブンファン
　　３８　　　試料導入部
　　４０　　　検出器
　　４２，４４　　　キャピラリ
　　４６　　　エアダクト
　　４８　　　カラム冷却ファン

Claims (6)

1. 　試料ガスを成分ごとに分離する分離カラム、前記分離カラムの周囲を断熱部材で囲って内部に収容するとともに、前記分離カラムと前記断熱部材との間に前記分離カラムに沿って空気を流すための隙間を有するカラム収容部材、前記カラム収容部材内に設けられ前記分離カラムに直接的又は間接的に接触して前記分離カラムを加熱するヒータ、前記カラム収容部材に設けられ前記隙間に外気を取り込むための吸気口及び前記カラム収容部材の前記吸気口とは別の位置に設けられ前記隙間の空気を排気するための排気口を備えたカラムモジュールと、
   　前記カラムモジュールの分離カラムに試料ガスを導入するための試料導入部と、
   　前記分離カラムで分離された試料成分を検出するための検出器と、
   　前記試料導入部と前記分離カラムとの間及び前記検出器と前記分離カラムとの間をそれぞれ接続するための流路を収容し、その内部温度を一定温度に調節するオーブンと、を備え、
   　前記カラムモジュールは前記分離カラムが水平に配置された状態で前記オーブンに保持されているガスクロマトグラフ装置。
2. 　前記カラムモジュールは、前記吸気口側又は前記排気口側のいずれか一方に前記吸気口から前記隙間に冷却風を取り込むためのファンをさらに備えている請求項１に記載のガスクロマトグラフ装置。
3. 　前記ファンは前記吸気口側に設けられ、前記ファンと前記吸気口の間にエアダクトが設けられている請求項２に記載のガスクロマトグラフ装置。
4. 　前記ヒータと前記分離カラムは互いに接触した状態で一体として構成されてカラム温調体をなし、
   　前記断熱部材と前記カラム温調体の上面との間及び前記断熱部材と前記カラム温調部の下面との間にそれぞれ隙間が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載のガスクロマトグラフ装置。
5. 　前記ヒータはプレート型ヒータであり、前記分離カラムは前記プレート型ヒータの一平面に接触した状態で固定されている請求項１から４のいずれか一項に記載のガスクロマトグラフ装置。
6. 　前記オーブンに複数の前記カラムモジュールが保持されている請求項１から５のいずれか一項に記載のガスクロマトグラフ装置。

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