JP4345967B2

JP4345967B2 - 分析循環路用の流体レギュレータ装置及びクロマトグラフィにおいての前記分析循環路用の流体レギュレータ装置の利用

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Publication number: JP4345967B2
Application number: JP2003570117A
Authority: JP
Inventors: ボウアジーアニウッタステファノ; ジェンタイルミッチェル
Original assignee: ダニインストルメンツエス．ピー．エー
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: US7437906B2; CN100381815C; AU2002238556A1; CN1620609A; US20050155409A1; JP2005517956A; EP1478922A1; WO2003071265A1

Description

本発明は分析循環路用の流体レギュレータ装置及びクロマトグラフィへの応用装置である。

技術的クロマトグラフィの分野において、分析循環路を通る流量を一定に維持すること及び分析の目的に応じて必要とされる方法において流量を変化させることのために、分析循環路を通る流量の制御が必要とされる。

クロマトグラフィの分析中に流量を一定に維持する必要があることは、分析中に温度変化とともに液圧カラム・ロードが変化することと関係している。また、分析の目的に応じて必要とされる方法において流量を変化させる必要があることは、サンプルを異なった分析方法に対応させる必要があることと関係している。

分析循環路のカラムを通る流量を制御するために、圧力レギュレータが、一般にカラムと連結して使用されている。この目的のために、本発明装置に制御プログラムが備わっている。該制御プログラムは、カラム・ロードの変化を補正するためにガス圧力を変化させる。該カラム・ロードの変化は、例えば温度変化が原因で生じるものであり、そのカラム内で、例えば分析プログラムに関与することとなる。

このシステムの欠点は、このシステムがカラム間で相違が存在するカラムの特性に深く関与していること、及び、その一般的な問題解決方法が提供されていないことである。

質量流体レギュレータの形態における実際の流体レギュレータもまた、カラムの上流側に連結されていることで知られている。それは、熱フィラメントに当たるガス流動によってもたらされる冷却効果に基づいている。冷却効果の程度は、ガス流量によって決まり、その流量は前記フィラメントの温度を調整することで制御される。

この流体レギュレータの欠点は、ガスの流量に影響されやすいことの他に、ガスの特性に影響を受けやすい点である。結果、フィラメントの温度変化は、分析されるガスの流速の変化を意味するだけでなく、ガスの性質における変化に依存する。必然的に、このタイプのレギュレータは、分析循環路の中で使用されず、正確にガスの性質を決定する機能を果たす。

本発明の目的は、前述の欠点を解消する流体レギュレータ装置を提供することである。
本発明の他の目的は、分析されるガスの性質が多様であっても効果的に循環路内で使用可能な流体レギュレータ装置を提供することである。

請求項１記載の分析循環路用の流体レギュレータ装置によって、本発明に応じて、これらの目的及び後述する他の目的が成し遂げられる。

本発明の好適な実施例は、添付図を参照して、クロマトグラフィの分野におけるいくつかの特に有利な応用とともに、以下に詳細に示す。
図が示すように、本発明の流体レギュレータ装置は、一定の特性の流体抵抗Ｒを有する。前記流体抵抗Ｒは、例えば長さＬ及び直径Ｄのチューブの一部からなる。前記チューブの入口において、圧力Ｐ_ｉが存在し、出口において圧力Ｐ_ｕ（Ｐ_ｕ≦Ｐ_ｉ）が存在する。

ポアズイユの方程式で知られるように、圧力差ＡＰ＝Ｐ_ｉ−Ｐ_ｕが存在する端を横切るとともに、抵抗Ｒを非常に低い直線速度で通過するガス流動Ｆは、
Ｆ＝ｋ（Ｐ_ｉ ^２−Ｐ_ｕ ^２）／Ｐ_ｕ
ｋ＝ｋ'Ｄ^４／ηＬ
ｋ'は、ほぼ一定であり、Ｄはチューブの直径、Ｌはチューブの長さ、ηはガスの粘性率である。

本発明の流体レギュレータは、それぞれの端で圧力Ｐ_ｉ及びＰ_ｕを調整するために、抵抗Ｒの端に、２つのレギュレータ２及び４が備わっている。

さらに明確には、流動方向Ｆに関して、上流側のレギュレータ２が直圧レギュレータであり、下流側のレギュレータ４が、背圧レギュレータである。

弁の下流側に位置する制御点に存在する圧力Ｐ_ｉが、セット値を超える場合、比例制御弁６が電気的に制御される系において、直圧レギュレータ２は、その開口の大きさを小さくすることができる。この方法においては、弁６は自動的に圧力Ｐ_ｉをセット値へ戻す。

背圧レギュレータ４は、電気的に制御された比例制御弁８であり、該制御弁の上流側にある制御点での圧力Ｐ_ｕがセット値を超えたときに、その開口の大きさを大きくすることが可能である。
この場合には、再度自動的に制御弁８は圧力Ｐ_ｕをセット値へ戻す。

比例制御弁６及び８を電気的に制御する他の方法は存在する。これらの方法のうち１つは、本発明の装置に有効に利用可能であり、ケンブリッジに所在するマイクロ・ロボティクス（Micro-Robotics Ltd）によって製造され市販される処理機、スコーピオン１２８Ｋコントローラ５５２１（Scorpion 128K Controller）のために開発されたプログラムを使用することが可能である。

上記の循環構成の利点により、圧力値Ｐ_ｉ及びＰ_ｕは独立的に制御されうる。よって、等しい温度下で、端部の制御された圧力値を決定する抵抗Ｒを通過する一定流量を維持することが可能となる。

図１から、もし圧力Ｐ_ｉがセット値以下となったとき、弁６が大きく開き、増加する圧力を通過させ、再度均衡状態をもたらすことは明らかである。

代わりに、圧力Ｐ_ｕが降下するならば、弁８が閉じ、計測点から外方への排出を減少させ、再度均衡状態をもたらす。

２つの独立した調整の複合的効果は、抵抗Ｒを通過するガスの流れが、２つの圧力制御を用いて制御され、正しくポアズイユの方程式に適合することを可能とする（実際には、このことは気体の直線的速度に関して異なる例示を仮定している）。

実際には、ポアズイユの方程式が、ガス流量を決定することで、該ガス流量によって通過される循環要素を横切る圧力を求めることができるものとして知られているが、異なる形式の２つの圧力レギュレータがガス流量を調整するために用いられるということを想定するものではない。

簡便に且つ同時に正確にガス流量を制御する装置によって、本発明の装置は多様な化学及び製造業の分野での好適な使用がなされうる。特に典型的にはガスクロマトグラフィに好適である。例えば標準的なスロットル式循環路、ガスクロマトグラフィの分割されたカラムに対する電気的な制御循環路及び多数のカラムを備える分析システム内で切換えられるカラムに対する制御循環路が挙げられる。

（標準的なスロットル式循環路）
クロマトグラフィの分野において、定量的決定のために異なる濃度、厳密に一定流速でガス状のサンプルの所定の濃度得ることをしばしば要求される。

この目的のために、ガスシリンダ１０が用いられる。例えば、ヘリウム内に混入される、既知の標準濃度、例えば６ｐｐｍのメタンが例示される。

図２に示される如く、シリンダ１０からのガスは本発明の装置を通過する。本発明の装置は総じて符号１２で示され、直圧レギュレータ２上流と背圧レギュレータ４下流間に差し込まれる抵抗Ｒ_１を備える。

抵抗Ｒ_１の特性と２つの圧力Ｐ_ｉ及びＰ_ｕのセット値は、レギュレータ装置１２を通るガス流量Ｆ_１が例えば２００ｍｌ／ｍｉｎとなるように選択される。

標準的なスロットル式循環路は、他のもう１つのシリンダ１４を備える。シリンダ１４は、メタンが混和された実際のガス、例えば純粋なヘリウムを含んでいる。このシリンダから、ｎ個の枝管が派生し、該枝管はｎ個の本発明の流量レギュレータ装置１２を通過し、ｎ個の抵抗Ｒ_２、Ｒ_３、・・・・、Ｒ_ｎ＋１を通過する。

Ｆ_２、Ｆ_３、・・・・、Ｆ_ｎ＋１はｎ個の装置１２を通過するガス流量を示す。
簡素化のために、レギュレータ装置１２は同一のものであり、それゆえ流量Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、・・・・、Ｆ_ｎ＋１が全て２００ｍｌ／ｍｉｎであるとする。尚、このような限定は必要不可欠なものではない。

スロットル式循環路から放出される流量はＦ_ｕで表される。もしｎ個の枝管が閉じられているならば、Ｆ_ｕ＝Ｆ_１＝２００ｍｌ／ｍｉｎであり、ヘリウム内のメタン濃度は６ｐｐｍである。

もし、１つの枝管、例えば抵抗Ｒ_２を備える枝管が開状態にあり、他の枝管が閉じられているならば、Ｆ_ｕ＝Ｆ_１＋Ｆ_２＝４００ｍｌ／ｍｉｎであり、メタン濃度は３ｐｐｍである。

もし、２つの枝管、例えば抵抗Ｒ_２及びＲ_３を備える枝管が開状態にあり、他の枝管が閉じられているならば、Ｆ_ｕ＝Ｆ_１＋Ｆ_２＋Ｆ_３＝６００ｍｌ／ｍｉｎであり、メタン濃度は２ｐｐｍである。その他の場合も同様に定められる。

各枝管は、例えば、それぞれ対応する背圧レギュレータ４を作動させることによって閉じられる。

他の枝管を有するので、枝管の数の変更や各流量レギュレータによって決定可能な特性の変更によって、標準濃度の単一のガスシリンダ１０から、実用的な任意の低い標準濃度を、総流量を変化させる必要なしに得ることが可能である。

（分離制御循環路）
図３は、カラム２０を有する分析流路を概略的に示す図である。カラム２０はクロマトグラフィの分析のためのオーブンに挿入されている。
循環路は、移送ガスのシリンダ２２、本発明に係る流体レギュレータ装置１２、分析されるガスが供給される導入管２４、排出循環路２６及び分離循環路２８からなる。排出循環路２６及び分離循環路２８は導入管２４から延出している。また、分析カラム２０及び出口検出器３０を備える分析循環路を更に備える。

排出循環路２６及び分離循環路２８は抵抗Ｒ_ｐ、Ｒ_ｓ及び背圧レギュレータ４を備える。背圧レギュレータ４は、抵抗Ｒ_ｐ及びＲ_ｓの下流に位置している。

直圧制御器Ｐ_ｉｎｊが導入管２４内に配設されるので、２つの循環路２６及び２８、即ち本発明に従う２つのレギュレータ装置を備える形態となる。

動作において、入口レギュレータ装置は流量Ｆ_Ｔを制御する。一方で、他の２つのレギュレータ装置２４−２６及び２４−２８は排出流量Ｆ_ｐ及び分離流量Ｆ_ｓをそれぞれ制御する。このようにして、これらは間接的にカラム流量Ｆ_ｃも制御する。尚、カラム流量Ｆ_ｃは、分析される要素が非常に低い濃度でカラム内を通過するので、直接的に制御できるものではない。また、ガスケットを備えるレギュレータバルブを通過する際に、これらのサンプルが容易に汚染されるものとなりうる。

（多数のカラムを備える分析循環路）
ガスクロマトグラフィにおいて、いくつかのカラムを備える分析循環路がしばしば用いられる。これらカラムは他の使用に変更するということが出来ないものである。それゆえ、このような循環路はシャット・オフ・バルブを備え、該シャット・オフ・バルブは１若しくはそれ以上のカラムを選択的に排除する。またこのような循環路は、１若しくはそれ以上のカラムを排除するとすぐに、排除されていないカラムを通過するガス流量の変化を防ぐ手段を同時に備える。
したがって、カラムの切換が分析の要求に基づく分析循環路に影響されるならば、結果として、循環路の変更や排除されていないカラムを通過するガス流量の変化を要するものとなる。元々の状態を維持しようとすれば、循環路の様々な部分での圧力が変更されなければならず、元々の状態に戻るためには遷移の遅れを生ずるものとなる。このことは、計測を遅らせるのに加えて、遷移状態中のかなりのデータ量の損失のために手直しを要求されるものとなる。

更に、クロマトグラフィ分析において、センサが用いられる。該センサは、該センサに吹付けられるガス流量の変化を検知可能なものである（例えば、ＴＣＤセンサなど）。分析の間に、測定値を変化させうる流量変化が全くないことが重要である。

それゆえ、多数のカラムを有する分析循環路において、カラムの切換の間移送ガスの圧力を一定に保つことは重要であり、一定に保つことによって、前述の遷移を防ぎ或いは少なくとも減少させる。また、移送ガス流量を一定に保つことも重要である。このことは、センサの応答性に変化を与えないこととなる。

今まで、これらのうちいずれかは、測定された水の抵抗によって達成されてきた。水の抵抗は決して変化せず、ニードルバルブを用いてオペレータによって手動で調整されるので、非常に精確なものである。しかしながら、それゆえ、オペレータには適切な技術的知識と十分な信頼性が要求されるものであった。

図４に示される多数のカラムを備える分析循環路（マルチ−カラム分析循環路）は、本発明の流量レギュレータ装置の使用のこれら制限を解決するものである。

この循環路は、レギュレータ装置Ｒのように、実際のマルチ−カラム分析循環路Ｃ_１．．．Ｃ_ｎそれ自体を用いる。マルチ−カラム分析循環路は直圧レギュレータ２（上流側）と背圧レギュレータ４（下流側）に挟まれて配設される。

循環操作のために、循環検出器３０は、背圧レギュレータ４の上流或いは下流いずれかに位置する。実用的には、下流側に位置させると、２つのレギュレータ２及び４をオーブンの外側に配設することが可能となる。分析循環路Ｃ_１．．．Ｃ_ｎはオーブン内に挿入される。

本発明のレギュレータ装置のこの特別な使用形態は、特に有益であり、検出器３０が一定流量で動作し、カラムＣ_１．．．Ｃ_ｎが一定圧で動作するのと同時に動作することが可能となる。結果として、検出器を通過する流量の変動に起因する全ての誤差が除去される。同時に、カラム切換の際の遷移がなくなるため、分析に要する時間は実質的に短縮される。またシステム上の誤差がかなり低減されたクロマトグラムを得ることが可能となる。

本発明装置の概略図である。標準スロットリング循環路を形成する本発明装置の使用を概略的に示したものである。電気的にガス・クロマトグラフィの分離を制御する本発明装置の使用を概略的に示したものである。クロマトグラフィの切り替えを改良するために、多数の循環路を有する分析循環路における本発明装置の使用を概略的に示したものである。

Claims

長さ寸法（Ｌ）及び一定の直径寸法（Ｄ）を備えるチューブの一部からなる流体抵抗（Ｒ）と、
前記流体抵抗（Ｒ）の直前に配置されるとともに比例制御弁（６）を備える直圧レギュレータ（２）と、
前記流体抵抗（Ｒ）の直後に配置されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータ（４）からなり、
前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）は、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）に基づき、電気的に制御され、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）がセット値を超えると、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）の開口部の大きさが減少し、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき、電気的に制御され、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）がセット値を超えると、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）の開口部の大きさが増大し、
ポアズイユの法則を用いて、前記流体抵抗（Ｒ）の終端部における圧力値（Ｐ _ｉ、Ｐ _ｕ）から、流量値が決定されることを特徴とする分析機器内で用いられる循環路用の流体レギュレータ装置。
上流側においてガスシリンダ（１０）と接続するとともに既知の標準濃度において既知の一定流量のガス・サンプルが移動する枝管と、
上流側においてガス源（１４）に接続し、前記ガス・サンプルが溶解した既知の一定流量のガスが流れるとともに、シャット・オフ手段を備える少なくとも１つの追加枝管と、
前記各枝管の中に連結された流体レギュレータ（１２）と、
前記枝管を通過する流体を混合するための手段を備え、
前記流体レギュレータ（１２）は、長さ寸法（Ｌ）及び一定の直径寸法（Ｄ）を備えるチューブの一部からなる流体抵抗（Ｒ）と、
前記流体抵抗（Ｒ）の直前に配置されるとともに比例制御弁（６）を備える直圧レギュレータ（２）と、
前記流体抵抗（Ｒ）の直後に配置されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータ（４）からなり、
前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）は、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）に基づき、電気的に制御され、前記直圧レギュレータの比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）がセット値を超えると、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）の開口部の大きさが減少し、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき、電気的に制御され、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）がセット値を超えると、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）の開口部の大きさが増大し、
ポアズイユの法則を用いて、前記流体抵抗（Ｒ）の終端部における圧力値（Ｐ _ｉ、Ｐ _ｕ）から、流量値が決定されることを特徴とする分析機器内で用いられる標準スロットリング循環路。
複数の前記追加枝管を有し、
前記追加枝管は、前記既知の標準濃度において既知の一定流量のガス・サンプルと等しい流量のガスが流れることを特徴とする請求項２記載の分析機器内で用いられる標準スロットリング循環路。
移送ガス・フィーダ（２２）と、前記移送ガス及び分析されるガスが供給される試料導入管（２４）と、前記フィーダ（２２）及び前記試料導入管（２４）の間に挿入される流体レギュレータ装置（１２）を備えるとともに分析機器内で用いられる分離制御循環路であって、
前記流体レギュレータ装置（１２）は、
流体抵抗（Ｒ）と、
前記流体抵抗（Ｒ）の直前に配置されるとともに比例制御弁（６）を備える直圧レギュレータと、
前記流体抵抗（Ｒ）の直後に配置されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータからなり、
前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）は、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）に基づき、電気的に制御され、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｉ）がセット値を超えると、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）の開口部の大きさが減少し、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき、電気的に制御され、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）がセット値を超えると、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）の開口部の大きさが増大し、
前記分離制御循環路は更に、
前記試料導入管（２４）内の直圧を制御するための手段（Ｐ _ｉｎｊ）と、
前記試料導入管（２４）から延設する排出循環路（２６）を備え、
前記排出循環路（２６）は、
前記試料導入管（２４）の下流にある前記排出循環路（２６）へ連結される流体抵抗（Ｒ _ｐ）と、
前記流体抵抗（Ｒ _ｐ）の下流で前記排出循環路（２６）の中へ連結されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータ（４）を備え、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ_ｐ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき、電気的に制御され、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ_ｐ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）が前記セット値を超えると、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）の開口部の大きさが増大し、
前記分離制御循環路は更に、
前記試料導入管（２４）から延設する分離循環路（２８）を備え、
前記分離循環路（２８）は、
前記試料導入管（２４）の下流にある前記分離循環路（２８）の中へ連結される流体抵抗（Ｒ _ｓ）と、
前記流体抵抗（Ｒ _ｓ）の下流で前記分離循環路（２８）へ連結されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータ（４）を備え、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ_ｓ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき、電気的に制御され、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｒ_ｓ）との間に存在する圧力（Ｐ_ｕ）が前記セット値を超えると、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）の開口部の大きさが増大し、
前記排出循環路（２６）及び前記分離循環路（２８）が、前記試料導入管（２４）の直圧制御を用いて２つの流体レギュレータを形成することを特徴とする分離制御循環路。
分析循環路自体のカラム（Ｃ_１、Ｃ_２、・・・Ｃ_ｎ）全体からなる流体抵抗と、
前記流体抵抗（Ｃ_１、Ｃ_２、・・・Ｃ_ｎ）の直前に配されるとともに比例制御弁（６）を備える直圧レギュレータ（２）と、
前記流体抵抗（Ｃ_１、Ｃ_２、・・・Ｃ_ｎ）の直後に配されるとともに比例制御弁（８）を備える背圧レギュレータ（４）からなり、
前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）は、前記直圧レギュレータの前記比例制御弁（６）と前記流体抵抗（Ｃ_１、Ｃ_２、・・・Ｃ_ｎ）の間に存する圧力（Ｐ_ｉ）に基づき電気的に制御され、該圧力（Ｐ_ｉ）がセット値を超えると、その開口部の大きさが小さくなり、
前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）は、前記背圧レギュレータの前記比例制御弁（８）と前記流体抵抗（Ｃ_１、Ｃ_２、・・・Ｃ_ｎ）の間に存する圧力（Ｐ_ｕ）に基づき電気的に制御され、該圧力（Ｐ_ｕ）がセット値を超えると、その開口部の大きさが大きくなることを特徴とする分析機器内で用いられる多数のカラムを有する分析循環路。
前記背圧レギュレータ（４）の下流側に位置する検出器（３０）を備えることを特徴とする請求項５記載の分析機器内で用いられる多数のカラムを有する分析循環路。
前記背圧レギュレータ（４）の上流側に位置する検出器（３０）を備えることを特徴とする請求項６記載の分析機器内で用いられる多数のカラムを有する分析循環路。