色谱柱单元以及具有该色谱柱单元的气相色谱仪装置制造方法

色谱柱单元以及具有该色谱柱单元的气相色谱仪装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种色谱柱单元以及具有该色谱柱单元的气相色谱仪装置。色谱柱单元的箱体形成具有第一开口部和第二开口部，并形成为具有通过绝热材料与外部空气隔离的内部空间的筒状。在该箱体的第一开口部侧配置有具有冷却元件的空气冷却部。在冷却箱体的内部空间时，通过风扇使空气产生经过空气冷却部从第一开口部侧向第二开口部侧的流动。在该箱体内配置有具有分离柱和加热器的色谱柱部，在该色谱柱部和箱体的内部空间的内壁之间，形成有空气从第一开口部向第二开口部流动的间隙。
【专利说明】色谱柱单元以及具有该色谱柱单元的气相色谱仪装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种进行分离柱的温度控制的色谱柱单元以及具有该色谱柱单元的 气相色谱仪装置。

【背景技术】
[0002] 目前市场销售的多数的气相色谱仪装置在强制对流式的恒温箱内容纳分离柱，进 行分离柱的温度控制，所述强制对流式的恒温箱通过使内部的空气强制对流来使内部的温 度分布降低。利用这种强制对流式的恒温箱的分离柱的加热具有容易得到恒温箱内的热均 匀性，且难以受到周围温度的影响的优点。
[0003] 另一方面，由于恒温箱自身的热容大，也有难以提高色谱柱的升温速度以及降温 速度的缺点。升温速度对恒温箱内的温度到达稳定的时间造成影响，若升温速度小，到分析 开始的时间变长，从而分析需要的时间变长。又，在进行边使分离柱的温度以一定的速度上 升边进行分析的升温分析的情况下，若升温速度小，一次升温分析需要的时间变长。因此， 为了缩短到分析开始需要的时间或缩短分析需要的时间，需要使分离柱的升温速度提高。 但是，使用目前实际使用的强制对流式的恒温箱的气相色谱仪装置中的升温速度在60°C / 分以下。
[0004] 近年，提出并实施一种具有热传导式的温度调节单元的气相色谱仪装置，该热传 导式的温度调节单元通过来自加热器的不经由空气的热传导进行分离柱的温度控制(参照 USP6682699、USP6530260、USP5298225。）。由于该热传导式的温度调节单元的热容比对流式 恒温箱的热容还小，所以能够以更高的速度进行升温分析，但由于热容小，容易受到周围的 温度的影响。因此，对包括分离柱的温度调节单元，进行以绝热材料覆盖或用外罩包围等的 绝热处理，使其难以受到周围温度的影响。
[0005] 在气相色谱仪装置中，根据分析试样的不同，有需要将分离柱冷却到室温以下的 情况。在强制对流式的恒温箱中将分离柱冷却到室温以下的情况下，需要将冷却了的碳 酸气体或氮气导入到恒温箱内并将恒温箱自身冷却到室温以下，不仅冷却机构规模大且烦 杂，而且与加热同样地以高速进行冷却很困难。
[0006] 在包括热传导式的温度调节单元的气相色谱仪装置中，若为了降低周围温度对分 离柱的影响而在分离柱的周围进行绝热处理，能够谋求提高升温速度，但由于降低向周围 的放热效率，冷却速度降低。由于在重复进行升温分析的情况下，为了在升温分析的结束后 进行下一次升温分析，需要将分离柱冷却到规定的温度，因此一次升温分析需要的总时间 是升温分析时间和冷却时间的和。因此，为了使重复进行的升温分析的运转率提高，在缩短 升温时间的同时缩短冷却时间也是十分重要的。
[0007] 提出在热传导式的温度调节单元具有珀耳帖元件，进行分离柱的冷却的方案(参 照《使用电阻加热技术的气相色谱仪》，A. Wang等，色谱期刊，第1261期，第46-57页，2012 ("Gas chromatography using resistive heating technology，'，A. Wang et.al, Journal of Chromatography, Vol. 1261，pp. 46-57, 2012))。通过温度调节单元具有拍耳帖元件，能 够提高分离柱的绝热效果并使分离柱的冷却效率提高。但是，由于珀耳帖元件一般在200°C 以上的高温不能使用，所以在分析高沸点成分这样的用途上，难以使用具有珀耳帖元件的 温度调节单元。


【发明内容】

[0008] 本发明的目的在于提供一种具有高升温速度和冷却速度且在高温条件下也能够 使用的色谱柱单元，以及具有该色谱柱单元的气相色谱仪装置。
[0009] 本发明所涉及的色谱柱单元包括筒状的箱体，所述筒状箱体具有第一开口部(进 气口)和第二开口部(排气口），并具有通过绝热材料与外部空气隔离的内部空间。在该箱体 的第一开口部侧配置有具有冷却元件的空气冷却部。在该箱体的第一或第二开口部侧配置 有风扇，所述风扇被控制为，在冷却内部空间时，所述风扇朝着使空气产生经过空气冷却部 从第一开口部侧向第二开口部侧的流动的方向动作，在对内部空间内加热时或保持在规定 温度时所述风扇不动作。
[0010] 并且，在箱体的内部空间配置有色谱柱部，所述色谱柱部具有分离柱以及加热分 离柱的加热器。在该色谱柱部和箱体的内部空间的内壁之间，形成有在所述风扇动作时空 气从第一开口部向第二开口部流过的间隙。
[0011] 在本发明的色谱柱单元中，由于在箱体的内部的空气的流通路径上配置有色谱柱 部，被空气冷却部的冷却元件冷却了的空气被供给到内部空间，因此，在冷却分离柱时，能 够通过被冷却了的空气使色谱柱部高效地冷却，可谋求冷却速度的提高。由于箱体的内部 空间通过绝热材料与外部空气隔离，色谱柱部难以受到箱体的外部空气的温度变化的影 响，从而能够利用绝热材料的绝热效果在分离柱升温时用加热器使分离柱高效地加热。由 于空气冷却部的冷却元件被配置在空气的流动方向上的第一开口部的上游侧，即箱体的进 气口的外侧，与色谱柱部的加热器热阻隔，冷却元件没有被直接暴露在来自色谱柱部的加 热器的热量下，因此也能够在高温、例如加热到200°C以上的温度条件下使用分离柱加热 到。
[0012] 本发明涉及的气相色谱仪装置包括：本发明的色谱柱单元；与色谱柱单元的分离 柱的一端连接的试样导入部；以及与分离柱的另一端连接的检测部。
[0013] 由于在本发明的气相色谱仪装置中，使用具有高升温速度和冷却速度的本发明的 色谱柱单元，所以到分析开始时的分离柱温度稳定所需要的时间或一次升温分析所需要的 时间与以往的气相色谱仪装置相比变短。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1是示出色谱柱单元的一个实施例的剖面图。
[0015] 图2是在图1的X-X位置的剖面图。
[0016] 图3是示出同一实施例的箱体部分的立体图。
[0017] 图4是概括地示出同一实施例的控制系统的框图。
[0018] 图5是示出色谱柱单元的其他实施例的剖面图。
[0019] 图6是概括地示出同一实施例的控制系统的框图。
[0020] 图7是示出气相色谱仪装置的一个实施例的剖面图。

【具体实施方式】
[0021] 最好是，本发明的色谱柱单元进一步包括：测定分离柱的温度或分离柱附近的温 度的温度传感器，以及基于温度传感器的测定温度控制加热器以及空气冷却部的动作的温 度控制部。这样，能够精确地控制分离柱的温度。
[0022] 最好是在冷却元件和进气口之间具有开关箱体的进气口的进气口开关门，温度控 制部对进气口开关门的动作也进行控制，从而在分离柱加热时关闭进气口开关门，在分离 柱冷却时打开进气口开关门。通过在分离柱升温时关闭箱体的进气口，能够提高内部空间 内的加热效率，进一步提高分离柱的升温速度。又，由于防止内部空间内被加热了的空气流 向冷却元件侧，所以即使分离柱升温到高温时冷却元件也难以受到热的影响。
[0023] 最好是也具有开关排气口的排气口开关门，温度控制部也控制排气口开关门的动 作，从而在分离管加热时关闭进气口开关门和排气口开关门，在分离管冷却时打开进气口 开关门和排气口开关门。这样，在分尚柱升温时能够提商内部空间内的加热效率，进一步提 高分离柱的升温速度。
[0024] 作为通过温度控制部进行的空气冷却部的动作的控制，例举有控制空气冷却部的 风扇的转速。
[0025] 又，分离柱优选为形成为平板状的分离柱。作为该情况下的加热器，例举有与分离 柱的一侧连接的平板型的加热器。
[0026] 利用图1至图3对色谱柱单元的一个实施例的结构进行说明。图1是示出色谱柱 单元的一个实施例的剖面图，图2是在图1的X-X位置的剖面图，图3是示出相同实施例的 箱体部分的立体图。另外，在图3中，为了示出内部结构，以透明的状态表示箱体10或绝热 材料12。
[0027] 色谱柱单元2由色谱柱盒4、空气冷却部6以及空气排气部8构成。色谱柱盒4在 内部有空间14,在一侧面设置有将冷却空气引入到空间14的进气口 4a，在其相反侧的侧面 设置有排气口 4b。在设置有色谱柱盒4的进气口 4a的侧面安装有空气冷却部6,在设置有 排气口 4b的侧面安装有空气排气部8。通过用螺栓和螺母固定彼此的安装配件44和48来 连接色谱柱盒4和空气冷却部6,通过用螺栓和螺母固定彼此的安装配件46和50来连接色 谱柱盒4和排气部8。
[0028] 色谱柱盒4由围绕外周的例如方筒状的不锈钢制的箱体10以及覆盖该箱体10的 内壁面的大部分的绝热材料12构成。由此，内部空间14通过绝热材料12与外部空气隔离。 在内部空间14内配置有色谱柱部3。色谱柱部3形成为平板状。色谱柱部3的结构为，分 离柱16被夹持在两片平板状加热器18和20之间，进一步在加热器18和20的外侧表面分 别安装金属板22和24作为背板，分离柱16由具有成为分离流路的内部流路的平板状流路 基板构成。背板22、24是例如不锈钢制的板。为了通过将平板状加热器18和20按压于分 离柱16来提高平板状加热器18和20以及分离柱16的热接触，而设置背板22、24。背板 22和24彼此通过螺丝等被连接。加热器18以及20例如是不锈钢加热器或云母加热器。
[0029] 例如使用MEMS (微机电系统）技术在硅基板上形成宽100 μ m、深100 μ m的槽，在 该硅基板的形成有槽的表面上阳极接合派莱克斯(注册商标)玻璃，由此形成分离柱16。通 过在该硅基板接合玻璃基板，在硅基板形成的槽成为内部流路，为了使该内部流路成为分 离流路，在该流路内壁上涂敷成为液相的聚二甲基硅氧烷。
[0030] 色谱柱部3的结构并不限定于上述结构，也可以是使平板状的加热器与毛细管色 谱柱接触的结构，也可以是将电热丝卷在毛细管色谱柱上的结构。
[0031] 通过传输管52、54向色谱柱盒4的外部引出分离柱16的内部流路的两端。传输 管52是用于将分离柱16的内部流路的一端与试样导入部连接的管道，传输管54是用于将 分离柱16的内部流路的另一端与检测器连接的管道。在图3示出的立体图中，传输管52、 54相对于分离柱16的主平面向平行的方向延伸，并从色谱柱盒4的侧面向色谱柱盒4的外 部引出，但分离柱16的内部流路的两端的引出方向并不限定于此。在后叙的图7的气相色 谱仪装置的实施例中，分离柱16的内部流路的两端向相对于分离柱16的主平面垂直的方 向引出。
[0032] 为了测定分离柱16的温度，以接触分离柱16的方式来设置温度传感器56。又，也 可以配置在测定分离柱16附近的温度的位置。分离柱16附近的温度是指以通过金属板等 与分离柱16间接接触的状态测定的温度，或者虽与分离柱16相离但其距离十分小，例如在 1mm以内时测定的温度。
[0033] 色谱柱部3在背板24侧的4个部位的位置通过支承构件26被保持在色谱柱盒4 内。在色谱柱部3的背板22侧的面和绝热材料12之间，背板24侧的面和绝热材料12之 间分别设置有间隙，从而自进气口 4a吸入的空气沿着色谱柱部3的主平面流过。色谱柱部 3的主平面是指平板状的色谱柱部3的上下的具有宽广面积的平面。
[0034] 在该实施例中，色谱柱部3的两主平面和绝热材料12之间设置有间隙，但某一方 的主平面与绝热材料12接触也可以。但是，色谱柱部3的两主平面和绝热材料12之间设 置有间隙的结构能够通过来自空气冷却部6的空气谋求分离柱16的冷却效率的提高。
[0035] 空气冷却部6具有冷却管28、进气管道30、冷却风扇32、珀耳帖元件34 (冷却元 件)、冷却片36以及散热片38。冷却管28形成为方筒状。用于将冷却管28连接到色谱柱 盒4的安装配件48被设置在冷却管28上，冷却管28的开口的一端与色谱柱盒4的进气口 4a侧连接。进气管道30的开口的一端被安装在冷却管28的开口的另一端，在进气管道30 的开口的另一端安装有用于收进空气的冷却风扇32。
[0036] 冷却片36被配置在冷却管28的内部。冷却片36具有多片金属板沿着被冷却风 扇32收进的空气的流动方向排列的结构，在各金属板之间彼此设置有间隙。被冷却风扇32 收进的空气在通过金属板的间隙期间被冷却。
[0037] 珀耳帖元件34被配置在冷却管28的外部，其冷却面与冷却片36接触。在珀耳帖 元件34的放热面设置有具有与冷却片36同样结构的散热片38。珀耳帖元件34从冷却片 36夺取热量，通过散热片38放出所夺取的热量。通过上述的构成，空气冷却部6能够利用 冷却片36冷却由冷却风扇32收进的空气，并向色谱柱盒4的内部空间14供给该空气。由 此，能够快速地将分离柱16的温度冷却到室温以下的温度。
[0038] 冷却风扇32没有必要一定设置在色谱柱盒4的进气口 4a侧，也可以设置在排气 口 4b侧。关键是只要配置冷却风扇32以生成从色谱柱盒4的进气口 4a向排气口 4b的空 气流动即可。
[0039] 排气部8具有方筒状的连接管40以及排气管道42。在连接管40设置有用于与色 谱柱盒4连接的安装配件50,连接管40的开口 了的一端与色谱柱盒4的排气口侧4b侧连 接，连接管40的开口了的另一端与排气管道42连接。通过色谱柱盒4的内部空间从排气 管道42向外部排出由冷却风扇32收进的空气。
[0040] 通过将空气冷却部6连接于色谱柱盒4的进气口 4a侧，并将排气部32连接于排 气口 4b侧，与没有设置空气冷却部6以及排气部32的情况下色谱柱盒4的两端对于外部 直接开口相比，抑制外部空气从使冷却风扇32停止的状态下的进气口 4a以及排气口 4b向 内部空间14流入，提高内部空间14内的绝热性。由此，在通过加热器18以及20升高分离 柱16的温度时的升温速度提高。另外，没有必要一定设置排气部8。即使仅设置空气冷却 部6的情况下，也有抑制向内部空间14流入外部空气的效果。
[0041] 该实施例示出被配置在水平方向的色谱柱单元2。在色谱柱单元2位于水平方向 的情况下，由于不使冷却风扇32动作时不生成流过内部空间14的空气的流动，色谱柱部3 的位置上的温度的均匀性很好。
[0042] 图4是概括地示出色谱柱单元2的控制系统的框图。
[0043] 通过温度控制部58控制加热器18、20、冷却风扇32以及珀耳帖元件34的动作。 利用温度传感器56测定的温度被输入温度控制部58中。温度控制部58的构成为根据由 分析者设定的分析程序进行加热器18、20、冷却风扇32以及珀耳帖元件34的开/关的控 制。例如通过在背板22或者24安装的热电偶来实现温度传感器56。通过个人电脑或者专 用的计算机来实现温度控制部58。
[0044] 作为在温度控制部58设定的分析程序，例举有在将分离柱16维持在设定的温度 的状态下进行分析的定温分析程序，和将分离柱16冷却到室温以下的低温后边升温到规 定的温度边进行分析的升温分析程序。
[0045] 设定了定温分析程序的情况下，温度控制部58关闭冷却风扇32以及珀耳帖元件 34,并进行反馈控制，切换加热器18以及20的开/关以使温度传感器56测定的温度成为 预先设定的温度。另一方面，在设定了升温分析程序的情况下，温度控制部58进行如下的 控制：在关闭加热器18以及20的状态下打开冷却风扇32以及珀耳帖元件34冷却分离柱 16后，通过关闭冷却风扇32以及珀耳帖元件34并打开加热器18以及20,使分离柱16升 温。
[0046] 最好是温度控制部58不仅控制冷却风扇32的开/关，也控制其转速。若通过冷 却风扇32收进的空气的风速过快，超出了冷却片36的能力，则不能充分地冷却由冷却风扇 32收进的空气。因此，较为理想的是根据冷却片36的能力，控制冷却风扇32的转速以适当 的风速送出冷却风。又，即使是分析结束后的分离柱16的冷却，也有根据分离柱16的液相 的种类不同，由于急剧的冷却对液相造成损害的情况。因此，通过根据分离柱16的液相的 种类调节冷却风扇32的转速，能够以适当的冷却速度冷却分离柱16。
[0047] 利用图5对色谱柱单元的其他的实施例进行说明。
[0048] 该实施例的色谱柱单元2a在具有进行色谱柱盒4的进气口 4a的开关的闸门60 (进气口开关门）和进行排气口 4b的开关的闸门62 (排气口开关门）这一点上，与利用图1 至图4说明的色谱柱单元2不同。在使分离柱16升温时关闭闸门60以及62,在冷却分离 柱16时打开闸门60以及62。通过在使分离柱16升温时，关闭色谱柱盒4的进气口 4a和 排气口 4b，能够利用自然对流抑制热量散失，进一步提高分离柱16的加热效率。
[0049] 如图6示出的那样，通过温度控制部58控制由驱动闸门60的电动机等构成的进 气口侧闸门驱动部61和由驱动闸门62的电动机等构成的排气口侧闸门驱动部63的动作。
[0050] 该实施例中，闸门60被设置在冷却管28,闸门62被设置在连接管40,但闸门60 以及62也可以设置在色谱柱盒4内，只要是能进行进气口 4a和排气口 4b的开关的位置哪 里都可以。又，也可以仅设置闸门60和闸门62的任意一个。
[0051] 利用图7对气相色谱仪装置的一个实施例进行说明。图7的气相色谱仪具有利用 图1至图4说明的色谱柱单元2,但也可以代替图1至图4说明的色谱柱单元2,具有利用 图5以及图6说明的色谱柱单元2a。
[0052] 色谱柱单元2被配置为在内部容纳的色谱柱部3的主平面成为水平，可防止分离 柱16形成由热对流引起的温度梯度。构成分离柱16的流路基板的内部流路的两端部通向 流路基板的上表面，通过在加热器18以及背板22设置的贯通孔被引出到色谱柱部3的上 表面。从色谱柱部3的上表面引出的流路的端部分别与传输管52和54连接，通过在弹性 构件12以及箱体10设置的孔向色谱柱盒4的外部被引出。传输管52、54与色谱柱部3的 连接能够通过利用例如聚酰亚胺树脂的粘合来进行。
[0053] 传输管52的端部与试样导入部64连接，传输管54的端部与检测器66连接。传 输管52和传输管54的向外部空气暴露的部分分别通过传输加热器68和70覆盖，并被控 制为一定温度。作为传输加热器68、70可利用例如圆柱状的陶瓷加热器。
[0054] 通过试样导入部64导入的试样通过传输管52被载气导入到分离柱16,根据成分 被分离。被分离柱16分离的试样成分通过传输管54被传导至检测器66进行检测。
【权利要求】
1. 一种色谱柱单元，其特征在于，包括： 筒状箱体，所述筒状箱体具有第一开口部和第二开口部，并具有通过绝热材料与外部 空气隔离的内部空间； 空气冷却部，所述空气冷却部配置在所述箱体的所述第一开口部侧，具有冷却元件； 风扇，所述风扇配置在所述箱体的所述第一或第二开口部侧，所述风扇被控制为，在对 所述内部空间内进行冷却时，所述风扇朝着使空气产生经过所述空气冷却部从所述第一开 口部侧向所述第二开口部侧的流动的方向动作，在对所述内部空间内进行加热时或保持在 规定温度时所述风扇不动作；以及 色谱柱部，其具有分离柱以及加热所述分离柱的加热器，所述色谱柱部以在所述色谱 柱部和所述内部空间的内壁之间形成有在所述风扇动作时空气从所述第一开口部向所述 第二开口部流动的间隙的方式配置在所述箱体的所述内部空间中。
2. 根据权利要求1所记载的色谱柱单元，其特征在于， 所述分离柱构成为，在平板状的流路基板上具有成为分离流路的内部流路， 所述加热器是平板状的加热器，被配置在所述分离柱的至少一个平面上， 所述色谱柱部具有在一对金属板之间夹持所述分离柱和所述加热器，并通过所述一对 金属板将所述加热器按压在所述分离柱上的层压结构， 空气流过的所述间隙形成于所述金属板和所述内部空间的内壁之间。
3. 根据权利要求1所记载的色谱柱单元，其特征在于，进一步包括： 温度传感器，所述温度传感器与所述分离柱接触或在所述分离柱附近设置；以及 温度控制部，所述温度控制部基于所述温度传感器的测定温度控制所述加热器和所述 空气冷却部的动作。
4. 根据权利要求3所记载的色谱柱单元，其特征在于， 进一步包括进气口开关门，所述进气口开关门在所述冷却元件和所述箱体的所述第一 开口部之间开关所述第一开口部， 所述温度控制部构成为，也对所述进气口开关门的动作进行控制，使得在加热所述分 离柱时关闭所述进气口开关门，在冷却所述分离柱时打开所述进气口开关门。
5. 根据权利要求4所记载的色谱柱单元，其特征在于， 进一步包括排气口开关门，所述排气口开关门开关所述箱体的所述第二开口部， 所述温度控制部构成为，也对所述排气口开关门的动作进行控制，使得在加热所述分 离柱时关闭所述进气口开关门和所述排气口开关门，在冷却所述分离柱时打开所述进气口 开关门和所述排气口开关门。
6. 根据权利要求3所记载的色谱柱单元，其特征在于， 所述温度控制部构成为，根据所述冷却元件的能力，或根据所述分离柱的液相的种类， 对所述风扇的转速进行控制。
7. -种气相色谱仪装置，其特征在于，包括： 权利要求1至6中任一项所记载的色谱柱单元； 试样导入部，所述试样导入部与所述色谱柱单元的分离柱的一端连接；以及 检测部，所述检测部与所述分离柱的另一端连接。
【文档编号】G01N30/54GK104101670SQ201410122702
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2013年4月2日
【发明者】叶井正树, 西本尚弘, 西野正宪, 松冈谕史 申请人:株式会社岛津制作所