JP3757637B2

JP3757637B2 - 試料冷却装置

Info

Publication number: JP3757637B2
Application number: JP24391798A
Authority: JP
Inventors: 信之龍見
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: JP2000074801A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液体試料を自動的に分析する分析装置、特に液体クロマトグラフにおいて、分析前の試料を冷却する試料冷却装置に関する。
【０００１】
【従来の技術】
液体クロマトグラフにおける自動分析は、予め少量の試料を封入した試料容器をラックに装架し、このラックを自動試料注入装置にセットし、自動試料注入装置がこのラック上の試料容器から所定プログラムに従って逐次に試料を吸い上げ、液体クロマトグラフに注入することにより実行される。分析待ち状態にあるラック上の試料は多くの場合は室温下に置かれるが、試料によっては、変質を防ぐために低温に保つことが必要な場合がある。このような場合に、試料を冷却する目的に使われる装置が試料冷却装置である。
【０００２】
従来の試料冷却装置には直冷式と空冷式の２方式がある。
直冷式は、ラックを熱伝導性の良好な金属で作り、ラックの底部に冷却器（ペルチエ素子など）を取り付けて、主として固体を通しての熱伝導により試料の温度を調節するものである。空冷式は、ラックを含む自動試料注入装置の要部を断熱性のケースで囲い込み、その内部の空気を冷却して、空気を介して試料の温度を調節するものである。
次に、上記従来の２方式を図を用いてさらに詳しく説明する。
【０００３】
図２は従来の直冷式試料冷却装置の一例を示したものである。
分析者は、まず液体試料４を試料容器（通常はガラス製の小瓶）２に入れ、その口をセプタム３で封じ、これを、自動試料注入装置７から外して取り出したラック１に装架する。ラック１はアルミ製で、試料容器２を挿入する１００個程の穴５が穿設されている。この穴５の底、および周囲の壁を通して試料容器２に熱（以下、単に熱と記す場合は冷熱を含むものとする）が伝えられる。
【０００４】
試料を装填し終わったラック１は装置内の金属ブロック２３の上にセットされる。金属ブロック２３は、下面に取り付けた冷却器（ペルチエ素子２１）によって冷却され、その表面はラック１の底に密着して良好な熱伝導を保つように構成された伝熱部材である。この場合、ラック１もまた金属ブロック２３から受けた熱を試料容器２に伝える伝熱部材として機能する。
温調回路２５は、温度設定部２６で設定された温度の目標値（以下、所定温度と称する）と、金属ブロック２３に埋設された温度センサー２４からの温度信号を比較して、その差をゼロに近づけるように、冷却エネルギー（電流）をペルチエ素子２１に供給する。
ペルチエ素子２１の裏面（放熱面）には、通風ダクト２７の内側に面して放熱フィン２２が取り付けられ、金属ブロック２３から吸収した熱をこのフィン２２を通してファン２８による送風で放熱する構造となっている。
【０００５】
このような構成で、ラック１とこれに装架された試料容器２、さらにはその中の試料液体４が所定の低温に保たれる。ラック１は保冷のため断熱性のカバー６で覆われるが、試料容器２の頭部（セプタム３とその周辺）は、サンプリングニードル１３による試料の取り出しを可能にするため、このカバー６から露出している。
【０００６】
サンプリングニードル１３は図示しないメカニズムにより、前後左右、及び上下に移動可能で、プログラムに従って、セプタム３を刺通して試料容器２から液体試料４を吸い上げ、液体クロマトグラフの試料注入口１２まで移動してこれに試料を注入することによって自動分析が行われる。液体クロマトグラフの分析は１回数十分を要するので、ラック１上の試料は長いもので数十時間も分析待ち状態となるが、この間、低温に保たれることで試料の変質が避けられる。
【０００７】
図３は、従来の空冷式試料冷却装置の一例を示したものである。
試料容器２を装架したラック１を含む自動試料注入装置７の要部を断熱壁１１で囲い込み、恒温槽１０を形成する。特に図示しないが、断熱壁１１の一部は扉として、ラック１の出し入れを可能にする。この場合のラック１は、直冷式の場合と異なり、空気が熱媒体であることを考慮して、通気性を高め、熱容量を小さくするために、金属の薄板等で空隙の多い形状に作られるので、ラック１に装架された試料容器２の周りの空間と恒温槽１０内の空間とは熱的に等価である。
【０００８】
冷却器としてはペルチエ素子３１を用い、冷却の対象が空気であることを考慮してペルチエ素子３１の吸熱面が接する金属ブロック３３の、槽内に面する表面にはフィンを設けて空気との熱交換の効率を高めている。温調回路３５は、金属ブロック３３に埋設された温度センサー３４からの温度信号と、温度設定部３６における設定値との差をゼロに近づけるようにペルチエ素子３１に電流を供給することは図２の場合と同様である。また、ペルチエ素子３１の放熱面には通風ダクト３７内に面して放熱フィン３２が取り付けられ、ファン３８の送風で放熱することも図２の場合と同様である。冷却された空気は自然対流で恒温槽１０の内部に行き渡るが、必要に応じてファンを設けて強制循環させる場合もある。
【０００９】
冷却された金属ブロック３３の表面には空気中の水分が凝縮して結露を生じるので、結露水を排出するために、ドレン受け１４、及びこれに連なり槽外に通じるドレンチューブ１５が設けられている。このような手段により、槽内空気は除湿され、温度の低下と共に絶対湿度が低下する。
このような構成で、ラック上の試料容器２は冷却・除湿された空気に包まれ、全周から冷やされて低温に保たれる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の２方式の試料冷却装置のうち、直冷式は熱伝達の効率が高く、短時間で所定温度まで冷却できるのであるが、前述のように、試料容器２の頭部はラック１の上に露出していること、及び、構造上ラックは主に下から冷却されることから、試料容器は底が冷たく上部は温かいという状態、つまり温度ムラが生じ勝ちである。しかも、下方が低温であるために対流が起こらないので、温度ムラは時間が経過しても解消せず、持続する傾向にある。
【００１１】
一方、空冷式は、試料容器２が熱媒体である空気に包まれて全方向から冷却されるので、温度ムラを生じることはない。その上、除湿された空気で冷却されるため、試料容器２やラック１の表面に結露が生じる心配もないが、熱容量の小さい空気を熱媒体とするために熱の伝達効率が低く、冷却速度が遅い。空冷式でも、強力な冷却器を用い、槽内にファンを設けて槽内空気を強制循環させれば、かなりのスピードアップが可能ではあるが、その効果以上にエネルギー消費が増すので経済的でない。
【００１２】
このように、従来の冷却装置には一長一短があり、温度ムラを生じることなく急速冷却が可能で、しかもエネルギー効率の高い冷却装置は得難いものであった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の２方式の試料冷却装置のそれぞれの長所を合わせ持ち、短所を改善した新しい方式による試料冷却装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、試料を収めた試料容器を恒温槽に収容して室温以下に冷却する試料冷却装置において、前記恒温槽の内部空間を所定温度に調節するための冷却器と温度調節器とを備えて成る第一の温度調節機構と、伝熱部材を介して前記試料容器の温度を調節するための冷却器と温度調節器とを備えて成る第二の温度調節機構と、前記恒温槽内の気温を検出する温度センサーとを備え、前記第二の温度調節機構の制御の目標値が前記温度センサーの出力信号に基づいて設定されるようにした。
【００１４】
換言すれば、本発明は、空冷式試料冷却装置の恒温槽に、直冷式の温調機構を備えたラックを収容し、このラックの温度を槽内の空気の温度に追従するようにコントロールすることによって、試料容器に温度ムラが生じることを抑制しながら急速に冷却することを可能にしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１に示す。
同図において図２、または図３と同じものには同符号を付すことによって重複説明を避ける。
【００１６】
図１において、ペルチエ素子３１、放熱フィン３２、金属ブロック３３、温度センサー３４、温調回路３５、および温度設定部３６等から成る第一の温度調節機構３０は、図３と同様の空冷用であって、断熱壁１１で囲われた恒温槽１０内の空気を冷却する。また、ペルチエ素子２１、放熱フィン２２、金属ブロック２３、温度センサー２４、温調回路２５、及び温度センサー２９等から成る第二の温度調節機構２０は直冷用であって、ラック１、及びこれに装架される試料容器２を冷却するものであるが、温度制御の目標値が槽内空気の温度を検出する温度センサー２９によって与えられる点に特徴がある。
【００１７】
この実施例装置は以下のように動作する。
第一の温度調節機構３０が作動することによって、金属ブロック３３（冷却フィン）の表面温度が下がり、付近の空気が冷却されて露点に達するとフィンの表面に結露する。恒温槽１０内の空気が拡散または自然対流により次々にフィンに接触することにより、次第に水分が除かれ、絶対湿度が低下すると共に槽内温度が下がる。空気は熱容量が小さいので、短時間で所定温度にまで冷却される。
【００１８】
第二の温度調節機構２０は、温度センサー２９で検出された槽内の気温の値を目標値としてラック１の温度をコントロールする。換言すれば、第二の温度調節機構２０は２つの温度センサー２４、２９からの信号の差をゼロに近づけるように働く。
始動直後は、槽内空気を含め槽内の全ての物体の温度は室温であって、両温度センサー２４、２９からの信号に差はないのでラック１は冷却されないが、第一の温度調節機構３０の働きによって槽内の気温が下がり始めると、その情報が温度センサー２９から温調回路２５に入力され、ペルチエ素子２１に電流が供給され、金属ブロック２３を槽内の気温と同じ温度になるまで冷却し、金属ブロック２３に密接するラック１の温度もこれに追従する。ラックの温度は空気からの伝熱だけでは容易に下がらないので、こうして槽内気温と同じになるように強制的に冷却するのである。この場合の冷却方式は直冷式であるから、試料容器２は主として底部からの伝熱によって速やかに冷却されるが、従来の直冷式と違って、試料容器全体がラックとほとんど同じ温度の空気に包まれているので、温度ムラは生じ難い。冷却の過程で過渡的に温度ムラが生じることはあるが、それも短時間のうちに解消される。
【００１９】
以上のようにラック１の温度は槽内空気の温度に追従する、つまり槽内気温とほとんど同じ温度であるから、従来の直冷式のようにラック１の周囲を断熱性のカバーで覆う必要はなく、また、ラック１及び試料容器２の表面に空気中の水分が結露することもない。即ち、本発明は従来の空冷式と同様に結露防止にも極めて効果的である。
【００２０】
上述の場合は、第二の温度調節機構２０における制御の目標値は原則的には槽内の気温の値そのものであるが、ラック１から試料容器２への伝熱ロスを考慮して、ラック１の温度を槽内気温よりも若干低い温度に調節した方が冷却は速くなると考えられる。そのためには温調回路２５にバイアスを与えておくだけでよい。但し、槽内気温と目標値との差が余りにも大きい場合は、ラック１や試料容器２の表面に結露が生じたり、ラック１の温度が槽内気温を下げ、それによって制御の目標値がさらに下がるという正フィードバックループができて槽内気温の制御ができなくなる等の弊害が発生する可能性もあるので注意が必要である。逆に、第二の温度調節機構２０における制御の目標値を槽内気温よりも僅かに高い温度に設定すると槽全体の温度制御は安定化する。いずれにしても本発明は、第二の温度調節機構２０の設定値を槽内気温と同一温度に設定する場合に限らず、槽内気温に基づいて設定される場合を含むものである。
【００２１】
上記の、第二の温度調節機構２０における制御の目標値を槽内気温よりも僅かに高い温度に設定した場合、槽内温度が所定温度に達して安定した後（定常運転時）は、目標温度に達したラック１はさらに槽内空気で冷やされて槽内気温と同じ温度になる。第二の温度調節機構２０にとっては制御の目標値よりも制御対象の温度の方が低いので、第二の温度調節機構２０からの冷却エネルギーの供給は停止する。言い換えると、定常運転時には第二の温度調節機構２０は、特にスイッチ等を操作せずとも自然にその機能を停止する。従って、以後このシステムは従来の空冷式とほぼ同様に働くことになり、エネルギー消費も従来とほとんど変わらない。
【００２２】
このように第二の温度調節機構２０は、始動時の急速冷却のために機能するものであるが、そのために特にスイッチその他の制御装置によってその作動をオン／オフする必要はない。また、操作者は温度を設定するに際して第一の温度調節機構３０の温度設定部３６に所定温度を設定するだけでよいので、第二の温度調節機構２０の存在を意識する必要はなく、従来の空冷式試料冷却装置に比べて操作や設定が煩雑化することはない。
【００２３】
図１の例では、検出端である温度センサー２４、３４はそれぞれ金属ブロック２３、３３に埋設されているが、より精度の高い制御を行うには、検出端を制御対象により近い地点に設けた方がよいことはよく知られている。例えば、第一の温度調節機構３０においては、温度センサー３４は槽内空間に露出させて制御対象である槽内の気温を検出するようにしてもよい。同様に、第二の温度調節機構２０においては、試料容器２の中の液体試料４が最終的な制御対象であるから、もし可能ならば、試料容器２の内部に温度センサー２４を設けることも考えられる。その場合、検出端までの熱伝達の遅れが大きくなるから、温調回路２５としてはより高度な制御方式を用いなくてはならないが、これは従来公知の技術で解決可能な問題である。或いはまた、金属ブロック２３内と試料容器２内の２ヶ所に温度センサーを設け、両者の信号を適当な割合で加算して制御入力とするように構成してもよい。このようにセンサーを数カ所に分散して設置し、それらの信号を加算して制御入力とすることは従来から広く行われているところであるが、このような従来の知見を応用することによりさらに制御特性を改善できる可能性がある。
【００２４】
図１の実施例は、槽内の空気が自然対流によって循環するものであるが、槽内にファンを設けて槽内の空気を強制循環させることは、本発明の目的である温度ムラの解消にさらに有力な手段となる。特に、循環風がラック１の内部を通過するように適切なガイド板等を設けて、試料容器２と空気との接触機会を増加させればその効果をさらに高めることができる。
【００２５】
上記は、液体クロマトグラフを例として説明したものであるが、本発明は液体試料を分析するその他の分析装置にも適用可能であり、さらには試料前処理装置、反応装置、或いは試料保管装置など分析装置以外にも広く応用できる。
また、冷却器としてペルチエ素子を例示したが、この他、断熱膨張に伴う気化吸熱を利用する冷却器、或いは系外で冷却した冷媒液をパイプで循環させる冷却方式等も利用可能である。これらの冷却器を含む温度調節機構についても、例示のものに限定されることなく、様々な変形例を考えることができるが、その要件を挙げれば次の通りである。
第一の温度調節機構は、冷却器により槽内の空間を冷却し、所定温度に保つように温度調節する機構であり、第二の温度調節機構は、冷却器から伝熱部材を介して試料容器ないしはその中の試料を冷却し温度調節する機構である。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、空冷式試料冷却装置の恒温槽に、直冷式の温度調節機構を備えたラックを収容してそのラックの温度が槽内の空気の温度に追従するように制御するものであるから、試料容器に温度ムラを生じることなく急速冷却が可能となり、しかも、操作者にとっては従来装置に比べて温度設定等の操作が特に煩雑になることもなく、定常運転時には従来方式に比較して特にエネルギー消費が増加することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示す図である。
【図２】従来の試料冷却装置の一例を示す図である。
【図３】従来の試料冷却装置の他の例を示す図である
【符号の説明】
１…ラック
２…試料容器
３…セプタム
４…液体試料
１０…恒温槽
１１…断熱壁
１２…試料注入口
１３…サンプリングニードル
２０、３０…温度調節機構
２１、３１…ペルチエ素子
２２、３２…放熱フィン
２３、３３…金属ブロック
２４、３４…温度センサー
２５、３５…温調回路
２６、３６…温度設定部
２７、３７…通風ダクト
２８、３８…ファン
２９…温度センサー

Claims

試料を収めた試料容器を恒温槽に収容して室温以下に冷却する試料冷却装置において前記恒温槽の内部空間を所定温度に調節するための冷却器と温度調節器とを備えて成る第一の温度調節機構と、伝熱部材を介して前記試料容器の温度を調節するための冷却器と温度調節器とを備えて成る第二の温度調節機構と、前記恒温槽内の気温を検出する温度センサーとを備え、前記第二の温度調節機構の制御の目標値が前記温度センサーの出力信号に基づいて設定されることを特徴とする試料冷却装置。