JP2015085296A - Centrifugal vacuum concentration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遠心減圧濃縮装置に関し、詳しくは、減圧した真空容器内で試料溶液に遠心力を与えながらあらかじめ設定された温度に加熱することによって前記試料溶液を濃縮したり、試料を乾燥させたりする遠心減圧濃縮装置に関する。 The present invention relates to a centrifugal decompression and concentration apparatus, and more specifically, the sample solution is concentrated or heated by applying a centrifugal force to the sample solution in a depressurized vacuum vessel while heating to a preset temperature. The present invention relates to a centrifugal vacuum concentration apparatus.
遠心減圧濃縮装置(遠心エバポレータ)は、真空容器内に回転可能に設けた回転体に、試料溶液を注入した試料容器を支持させた状態で、真空容器内を真空排気するとともに、回転駆動手段によって回転体を高速で回転させることにより、試料溶液の濃縮や試料の乾燥を行うもので、真空容器の内周面にヒータを配置することにより、濃縮操作中の試料溶液を加熱できるようにしている(例えば、特許文献1参照。)。また、金属製容器内の被加熱物を加熱する手段として、前記金属製容器を囲むように回転体を配置し、該回転体に複数の永久磁石をN極とS極とが交互に位置するように配置したものが知られている(例えば、特許文献2参照。)。 The centrifugal vacuum concentrator (centrifugal evaporator) evacuates the vacuum vessel while rotating the vacuum vessel in a state where the sample vessel into which the sample solution is injected is supported on a rotating body provided rotatably in the vacuum vessel. By rotating the rotating body at a high speed, the sample solution is concentrated and the sample is dried. By arranging a heater on the inner peripheral surface of the vacuum vessel, the sample solution during the concentration operation can be heated. (For example, refer to Patent Document 1). Further, as a means for heating the object to be heated in the metal container, a rotating body is disposed so as to surround the metal container, and a plurality of permanent magnets are alternately arranged with N poles and S poles on the rotating body. Such an arrangement is known (for example, see Patent Document 2).
しかし、真空容器の内周面にヒータを配置したものでは、真空容器内が減圧状態であり、ヒータと回転体とは非接触状態であるから、対流や伝導による加熱は行われず、放射(輻射)のみによる加熱となり、試料容器の真空容器外周面側のみが加熱される状態になるため、試料溶液に十分な熱を伝達することができず、加熱ムラ、蒸発ムラが生じることもあり、加熱効率に難点があった。 However, in the case where the heater is disposed on the inner peripheral surface of the vacuum vessel, the inside of the vacuum vessel is in a reduced pressure state, and the heater and the rotating body are not in contact with each other. ), And only the outer peripheral surface of the vacuum vessel of the sample container is heated, so that sufficient heat cannot be transferred to the sample solution, which may cause uneven heating and uneven evaporation. There were difficulties in efficiency.
また、特許文献2に記載された加熱手段は、金属製容器内に直接試料溶液を貯留した機器には有効であるが、真空容器内の回転体に保持された試料溶液を加熱することはできず、真空容器の周壁を加熱するのみであるから、遠心減圧濃縮装置における試料溶液の加熱効率を向上させることはできない。 Moreover, although the heating means described in Patent Document 2 is effective for an apparatus in which a sample solution is directly stored in a metal container, it is possible to heat the sample solution held by the rotating body in the vacuum container. In addition, since only the peripheral wall of the vacuum vessel is heated, the heating efficiency of the sample solution in the centrifugal vacuum concentration apparatus cannot be improved.
そこで本発明は、試料溶液を直接的かつ均等に、あらかじめ設定された温度に加熱することが可能で、試料溶液の濃縮や乾燥を効率よく短時間で確実に行うことができる遠心減圧濃縮装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention provides a centrifugal vacuum concentration device that can heat a sample solution directly and evenly to a preset temperature, and can efficiently concentrate and dry the sample solution in a short time. It is intended to provide.
上記目的を達成するため、本発明の遠心減圧濃縮装置は、減圧した真空容器内で試料溶液に遠心力を与えながら加熱することによって前記試料溶液を濃縮する遠心減圧濃縮装置において、上部開口を開閉する蓋部材を有する有底筒状の真空容器と、該真空容器内に回転可能に設けられた金属製の回転発熱体と、該回転発熱体を回転させる回転駆動手段と、前記真空容器内を減圧する排気手段と、前記回転発熱体に設けられた試料容器保持部と、前記回転発熱体に電磁誘導により渦電流を発生させて発熱させる磁石と、前記回転発熱体の温度を検出する非接触温度センサと、前記回転発熱体に対する前記磁石の位置を調節する磁石位置調節手段とを備えていることを特徴としている。 To achieve the above object, the centrifugal vacuum concentrator of the present invention opens and closes an upper opening in a centrifugal vacuum concentrator for concentrating the sample solution by applying a centrifugal force to the sample solution in a vacuumed vacuum vessel. A bottomed cylindrical vacuum vessel having a lid member, a metal rotary heating element rotatably provided in the vacuum vessel, a rotation driving means for rotating the rotary heating element, and the inside of the vacuum vessel Exhaust means for depressurization, a sample container holding part provided in the rotary heating element, a magnet for generating heat by generating an eddy current by electromagnetic induction in the rotary heating element, and a non-contact for detecting the temperature of the rotary heating element A temperature sensor and a magnet position adjusting means for adjusting the position of the magnet with respect to the rotating heating element are provided.
さらに、本発明の遠心減圧濃縮装置は、前記回転発熱体が、アルミニウム合金、銅合金又は低炭素鋼で形成されていることを特徴とし、また、前記試料容器保持部が前記回転発熱体に設けられた有底筒状の容器保持部であること、あるいは、前記回転発熱体に穿設された有底筒状の容器保持穴であることを特徴としている。さらに、前記磁石が、前記真空容器の外周に設けられていること、あるいは、前記真空容器の底面下方に設けられていることを特徴としている。 Furthermore, the centrifugal vacuum concentrator of the present invention is characterized in that the rotating heating element is formed of an aluminum alloy, a copper alloy or low carbon steel, and the sample container holding portion is provided on the rotating heating element. It is a bottomed cylindrical container holding portion, or a bottomed cylindrical container holding hole formed in the rotary heating element. Furthermore, the magnet is provided on the outer periphery of the vacuum vessel, or is provided below the bottom surface of the vacuum vessel.
本発明の遠心減圧濃縮装置によれば、電磁誘導により発生する渦電流により回転発熱体を発熱させるので、発熱した回転発熱体に設けられた試料容器保持部を介して試料溶液を効率よく加熱することができる。これにより、沸点が高い溶媒でも短時間で蒸発させることができるので、試料溶液の濃縮や乾燥を効率よく短時間で行うことができる。そして、非接触温度センサで検出した温度に基づいて、回転発熱体に対する磁石の位置を磁石位置調節手段により調節することにより、回転発熱体の発熱量を調整することができ、試料溶液をあらかじめ設定された温度に確実に加熱することができる。 According to the centrifugal vacuum concentrator of the present invention, the rotating heating element is heated by the eddy current generated by electromagnetic induction, so that the sample solution is efficiently heated via the sample container holding portion provided in the generated heating heating element. be able to. Thereby, even a solvent having a high boiling point can be evaporated in a short time, so that concentration and drying of the sample solution can be performed efficiently and in a short time. Based on the temperature detected by the non-contact temperature sensor, the amount of heat generated by the rotating heating element can be adjusted by adjusting the position of the magnet relative to the rotating heating element using the magnet position adjusting means, and the sample solution is set in advance. Can be reliably heated to the set temperature.
図1は、本発明の遠心減圧濃縮装置の第1形態例を示す概略断面図であって、この遠心減圧濃縮装置は、有底円筒状の真空容器11と、該真空容器11の内部に回転可能に設けられた回転発熱体12と、該回転発熱体12を回転させる駆動手段13と、前記真空容器11内を減圧する排気手段である真空ポンプ14と、前記回転発熱体12に設けられた複数の試料容器保持部15と、前記真空容器11の外側に設けられた永久磁石16と、真空容器11の外側から前記回転発熱体12の温度を検出する非接触温度センサ17と、前記回転発熱体12に対する前記永久磁石16の位置を調節する磁石位置調節手段18とを備えている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a centrifugal decompression / concentration device of the present invention. The centrifugal decompression / concentration device is a bottomed
真空容器11は、永久磁石16の影響を受けないように、非磁性体、例えば、オーステナイト系ステンレス合金のような非磁性金属で形成されている。真空容器11の上部開口には、該上部開口を気密に閉塞可能な蓋部材11aが開閉可能に設けられており、真空容器11の底部中央には、前記駆動手段13を装着するための駆動手段装着部11bが開口している。
The
回転発熱体12は、磁束の変化による誘導電流で発生する渦電流のジュール熱によって発熱する金属で形成されており、電気抵抗が小さく、熱伝導率の高い金属で形成することが好ましい。回転発熱体12の中央は、駆動手段13によって回転する回転軸19の上部に着脱可能な状態で取り付けられ、回転発熱体12の内周部及び外周部には、前記試料容器保持部15となる有底筒状の容器保持筒15a,15bが内外二つの円周上に等間隔で設けられている。
The
容器保持筒15a,15bは、底部を外周側に向けて斜めに設けられるもので、通常、回転発熱体12と同種の金属で、溶接などによって回転発熱体12と一体的に作成されており、試料溶液を注入した試料容器20を収容可能な内面形状を有している。
The
駆動手段13は、前記駆動手段装着部11bに気密に装着される上部駆動部21と、該上部駆動部21に仕切壁22を介して配置される下部駆動部23とを有しており、上部駆動部21と下部駆動部23とには、円盤状のマグネットカップリング24a,24bがそれぞれ収納され、下部駆動部23には、下方のマグネットカップリング24bを回転させるモータ25が設けられている。
The drive means 13 includes an
また、上部駆動部21の上部中央には、上方のマグネットカップリング24aに連結された前記回転軸19が貫通している。さらに、上部駆動部21の上壁部及び側壁部には、通気孔26a,26bがそれぞれ設けられ、該通気孔26a,26b及び排気管27を介して真空容器11の内部と前記真空ポンプ14とが連通した状態となっている。
Further, the
前記永久磁石16は、回転発熱体12の外周に配置されており、該永久磁石16の内周側で回転する回転発熱体12に磁束の変化を与えることができるようにしている。
The
永久磁石16を支持する前記磁石位置調節手段18は、回動軸18aから上方に立ち上がった揺動腕18bの上端部に永久磁石16を取り付けたものであって、図示しない駆動手段により回動軸18aを回動させて揺動腕18bの先端側を真空容器11の径方向に揺動させることにより、永久磁石16と真空容器11の外周面との距離、すなわち、真空容器11内で回転する回転発熱体12の外周と永久磁石16との距離を調節するように形成されている。
The magnet position adjusting means 18 for supporting the
前記非接触温度センサ17は、真空容器11の周壁に気密に設けられた測定窓17aを通して回転発熱体12の外周部の温度を非接触状態で検出するものであって、例えば、赤外線放射温度計が用いられている。
The
回転発熱体12の発熱量は、回転発熱体12と永久磁石16との距離と、回転発熱体12の回転速度とによって決まるので、回転発熱体12の回転速度を一定に保った状態で永久磁石16の位置を調節し、回転発熱体12と永久磁石16との距離を調節することにより、磁束密度を変化させて回転発熱体12の発熱量を調整することができる。永久磁石16の位置調節は、非接触温度センサ17で検出した回転発熱体12の温度があらかじめ設定された温度より高いときには、永久磁石16を真空容器11の外周面から離れる方向に向かって永久磁石16を移動させ、回転発熱体12の温度があらかじめ設定された温度より低いときには、永久磁石16を真空容器11の外周面に近付く方向に向かって永久磁石16を移動させればよく、手動で行っても、適宜な自動制御手段を用いて行ってもよい。
The amount of heat generated by the rotating
このように形成した遠心減圧濃縮装置を使用して試料溶液の濃縮を行う際には、まず、蓋部材11aを開き、適量の試料溶液を注入した適当数の試料容器20を所定の容器保持筒15a,15bにそれぞれ挿入する。蓋部材11aを閉じ、真空ポンプ14を作動させて真空容器11内のガスを排気することによって真空容器11内を所定の減圧状態(真空状態)にした後、モータ25を作動させて回転発熱体12を回転させる。
When the sample solution is concentrated using the centrifugal vacuum concentrator thus formed, first, the
回転発熱体12は、永久磁石16の内側を高速で回転することにより、回転発熱体12の外周部で磁束が急激に変化し、誘導電流によって渦電流が発生し、該渦電流によるジュール熱によって回転発熱体12の外周部が発熱して温度が上昇する。このとき、回転発熱体12を、アルミニウム合金、銅合金、低炭素鋼といった電気抵抗の小さな金属材料で形成することにより、渦電流の電流が大きくなってジュール熱の発生量も多くなり、回転発熱体12を効果的に昇温させることができる。
The rotating
また、非接触温度センサ17で検出した回転発熱体12の温度に応じて磁石位置調節手段18を作動させ、永久磁石16の位置を調節することにより、回転発熱体12の外周部の温度があらかじめ設定された温度になるように調整する。
Further, by operating the magnet position adjusting means 18 according to the temperature of the
回転発熱体12の外周部の温度上昇は、伝導によって回転発熱体12の全体に伝達され、容器保持筒15a,15bも伝導熱によって均等に昇温する。温度が上昇した容器保持筒15a,15bから試料容器20内の試料溶液には、輻射によって熱が伝達されるが、試料容器20の全体あるいは試料容器20における少なくとも試料溶液の貯留部分が容器保持筒15a,15b内に挿入されているため、容器保持筒15a,15bの内周面全体からの輻射によって試料容器20内の試料溶液を直接的かつ均等に加熱することができ、加熱ムラ、蒸発ムラを解消することができる。さらに、容器保持筒15a,15bの内周面に接触した試料容器20を介して伝熱によっても試料溶液を加熱することができる。
The temperature rise at the outer peripheral portion of the
したがって、濃縮操作中の試料溶液を、あらかじめ設定された温度に効果的に加熱できるので、沸点が高い溶媒でも短時間で蒸発させることができ、試料溶液の濃縮や試料の乾燥を効率よく短時間で行うことができる。さらに、蓋部材11aや上部駆動部21を含む真空容器11の内面を金属光沢状態にしておくことにより、特に、鏡面仕上げを施しておくことにより、温度上昇した回転発熱体12から真空容器11への熱移動量を抑制することができ、熱損失を低減して試料溶液の加熱効率を更に向上させることができる。また、回転発熱体12と回転軸19との間に断熱材を介在させることにより、回転発熱体12から回転軸19への熱移動も抑制することができる。これらのことから、真空容器11の内周面にヒータを設ける場合に比べて遠心減圧濃縮装置における操作効率を大幅に向上でき、消費電力量の削減も図ることができる。
Therefore, since the sample solution during the concentration operation can be effectively heated to a preset temperature, even a solvent having a high boiling point can be evaporated in a short time, and the sample solution can be concentrated and dried in a short time efficiently. Can be done. Further, the inner surface of the
図2は、本発明の遠心減圧濃縮装置の第1形態例を示す概略断面図である。なお、以下の説明において、前記第1形態例に示した遠心減圧濃縮装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 2 is a schematic sectional view showing a first embodiment of the centrifugal vacuum concentrator of the present invention. In the following description, the same components as those of the centrifugal decompression and concentration apparatus shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本形態例に示す遠心減圧濃縮装置は、前記第1形態例に示した遠心減圧濃縮装置に対して、回転発熱体の構造と磁石の配置とが異なるのみで、他の構成は基本的に同一となっている。 The centrifugal vacuum concentration apparatus shown in the present embodiment is basically the same as the centrifugal vacuum concentration apparatus shown in the first embodiment except for the structure of the rotary heating element and the arrangement of the magnets. It has become.
本形態例では、永久磁石31を、磁石位置調節手段32を介して前記真空容器11の底面下方に配置するとともに、回転発熱体33には、試料容器20を保持する試料容器保持部34となる有底筒状の容器保持穴34a,34bを形成した本体部33aと、真空容器11の底面を挟んで前記永久磁石31に対向するように配置された円盤状の発熱部33bと、本体部33aと発熱部33bとを連結する伝熱部33cとを設けている。容器保持穴34a,34bは、本体部33aの厚みを利用して本体部33aに所定形状の穴を穿設したものであって、深さや内径は、保持する試料容器20に応じて設定されている。
In the present embodiment, the
磁石位置調節手段32は、前記第1形態例に示した磁石位置調節手段と同様に、回動軸32aから真空容器11の外周方向に延出した揺動腕32bの先端部に永久磁石16を取り付けたものであって、図示しない駆動手段により回動軸32aを回動させて揺動腕32bの先端側を上下方向に揺動させることにより、永久磁石16と真空容器11の底面との距離、すなわち、真空容器11内で回転する発熱部33bと永久磁石16との距離を調節するように形成されている。
The magnet position adjusting means 32 is similar to the magnet position adjusting means shown in the first embodiment, and the
さらに、真空容器11の底面には、真空容器11の底板に気密に設けられた測定窓35aを通して発熱部33bの温度を検出する非接触温度センサ35が設けられており、非接触温度センサ35で検出した発熱部33bの温度に応じて、磁石位置調節手段32により永久磁石16と真空容器11の底面との距離を調節できるようにしている。
Further, a
前記第1形態例と同様に、駆動手段13によって回転発熱体33を回転させると、永久磁石31に対向配置された発熱部33bが、磁束の変化による誘導電流で発生する渦電流のジュール熱により、永久磁石16の距離に応じて発熱し、昇温した発熱部33bの熱が伝熱部33cから本体部33aに伝導によって伝達され、容器保持穴34a,34bの内面を均等に昇温させ、容器保持穴34a,34bの内面からの輻射によって試料容器20内の試料溶液が加熱される。
Similarly to the first embodiment, when the
したがって、試料容器20内の試料溶液を直接的かつ均等に、あらかじめ設定された温度に加熱することができ、濃縮操作中の試料溶液を効果的に加熱できるので、試料溶液の濃縮や試料の乾燥を効率よく短時間で行うことができる。
Therefore, the sample solution in the
なお、装置各部の構造は、試料容器の形状や試料容器の保持数などの各種条件に応じて適宜最適な構造を採用することができる。また、磁石の配置数は、回転発熱体を発熱させることができれば任意であり、磁力を向上させるためのヨークを設けることもできる。さらに、永久磁石に限らず、電磁石を用いてもよい。また、複数の磁石を配置したときの磁石の位置調節は、全ての磁石を移動させずに、一部の磁石だけを移動させて残りの磁石は固定しておくようにしてもよい。 As the structure of each part of the apparatus, an optimal structure can be adopted as appropriate according to various conditions such as the shape of the sample container and the number of sample containers held. Further, the number of magnets arranged is arbitrary as long as the rotary heating element can generate heat, and a yoke for improving the magnetic force can be provided. Furthermore, not only permanent magnets but electromagnets may be used. Further, the position adjustment of the magnets when a plurality of magnets are arranged may be performed by moving only some of the magnets and fixing the remaining magnets without moving all the magnets.
さらに、試料容器保持部は、保持する試料容器の形状、大きさに応じて任意の形状に形成することが可能であり、例えば、試料容器の上部に鍔が設けられている場合は、試料容器保持部の底部を開放して試料容器保持部を貫通孔とし、鍔を利用して試料容器を保持するようにしてもよい。 Furthermore, the sample container holding part can be formed in an arbitrary shape according to the shape and size of the sample container to be held. For example, when a ridge is provided on the sample container, the sample container You may make it open | release the bottom part of a holding | maintenance part, let a sample container holding part be a through-hole, and hold | maintain a sample container using a collar.
11…真空容器、11a…蓋部材、11b…駆動手段装着部、12…回転発熱体、13…駆動手段、14…真空ポンプ、15…試料容器保持部、15a,15b…容器保持筒、16…永久磁石、17…非接触温度センサ、17a…測定窓、18…磁石位置調節手段、18a…回動軸、18b…揺動腕、19…回転軸、20…試料容器、21…上部駆動部、22…仕切壁、23…下部駆動部、24a,24b…マグネットカップリング、25…モータ、26a,26b…通気孔、27…排気管、31…永久磁石、32…磁石位置調節手段、32a…回動軸、32b…揺動腕、33…回転発熱体、33a…本体部、33b…発熱部、33c…伝熱部、34…試料容器保持部、34a,34b…容器保持穴、35…非接触温度センサ、35a…測定窓
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