特開 2023-19379 ガス分離用カラムおよびガス分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023019379

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】ガス分離用カラムおよびガス分析装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 30/60 20060101AFI20230202BHJP

   G01N 30/54 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

G01N30/60 D

G01N30/54 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021124051

(22)【出願日】2021-07-29

(71)【出願人】

【識別番号】517078873

【氏名又は名称】ボールウェーブ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 隆光

(72)【発明者】

【氏名】赤尾 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】武田 昭信

(72)【発明者】

【氏名】岡野 達広

(72)【発明者】

【氏名】竹田 宣生

(72)【発明者】

【氏名】山中 一司

(57)【要約】

【課題】流路の温度分布を均一に制御可能で、ガス分離性能の低下を防ぐことができるガス分離用カラムおよびガス分析装置を提供する。
【解決手段】分析対象のガスを流す流路２６が、所定の平面（鏡映面１１ａ）に対して対称の形状を成すよう、鏡映面１１ａの一方の側に設けられた第１流路部２６ｂと、鏡映面１１ａの他方の側に設けられた第２流路部２６ｄとを有している。ガスが、第１流路部２６ｂから第２流路部２６ｄに流れるよう、または、第１流路部２６ｂと第２流路部２６ｄとを往復しながら流れるよう構成されている。流路２６を加熱可能に設けられた加熱手段を有し、加熱手段で流路２６を加熱したとき、流路２６の温度分布が鏡映面１１ａに対して対称になるよう構成されていることが好ましい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分析対象のガスを流す流路を有し、
前記流路は、所定の平面の両側で対称の形状を成すよう、前記所定の平面の一方の側に設けられた第１流路部と、前記所定の平面の他方の側に設けられた第２流路部とを有し、前記第１流路部および前記第２流路部は、少なくとも一部に、前記ガスが前記所定の平面に対して平行に流れる範囲を有しており、
前記ガスが、前記第１流路部から前記第２流路部に流れるよう、または、前記第１流路部と前記第２流路部とを往復しながら流れるよう構成されていることを
特徴とするガス分離用カラム。

【請求項2】

前記第１流路部および前記第２流路部は、位置および形状が、前記所定の平面に対して対称になるよう設けられていることを特徴とする請求項１記載のガス分離用カラム。

【請求項3】

前記流路を加熱可能に設けられた加熱手段を有し、
前記加熱手段で前記流路を加熱したとき、前記流路の温度分布が前記所定の平面に対して対称になるよう構成されていることを
特徴とする請求項１または２記載のガス分離用カラム。

【請求項4】

平板状の中央プレートと、
前記中央プレートをその厚み方向で挟むよう設けられた、平板状の１対の表面プレートとを有し、
前記所定の平面は、前記中央プレートの厚み方向の中心面から成り、
前記第１流路部および前記第２流路部はそれぞれ、
（１）前記中央プレートの各表面に形成された溝から成る、または、
（２）各表面プレートの前記中央プレート側の表面に形成された溝から成る、または、
（３）前記中央プレートの一方の表面およびその表面に対向する一方の表面プレートの表面の双方に形成された溝、ならびに、前記中央プレートの他方の表面およびその表面に対向する他方の表面プレートの表面の双方に形成された溝から成る
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス分離用カラム。

【請求項5】

螺旋形状に巻かれた金属製の管から成り、
前記流路は、前記管の内部から成り、
前記所定の平面は、前記螺旋形状の中心線を含む平面から成ることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス分離用カラム。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス分離用カラムを有し、前記流路を流れるガスを分析可能に設けられていることを特徴とするガス分析装置

【請求項7】

配管接続治具と、前記ガスを分析するためのセンサとを有し、
前記ガス分離用カラムは、請求項４記載のガス分離用カラムから成り、前記ガスを前記流路に導入可能に、前記第１流路部に連通するよう前記一方の表面プレートに設けられた導入口と、前記流路を流れた前記ガスを排出可能に、前記第２流路部に連通するよう前記他方の表面プレートの、前記中央プレートを挟んで前記導入口と同じ位置に設けられた排出口とを有し、
前記配管接続治具は、前記導入口および前記排出口を覆うよう、前記ガス分離用カラムを挟んで固定可能に設けられており、前記ガス分離用カラムを挟んで固定したとき、前記導入口および前記排出口に対応する位置にそれぞれ設けられた１対の継手挿入穴と、各継手挿入穴に挿入して、それぞれ前記導入口および前記排出口に接続可能に設けられた１対の配管継手とを有し、前記導入口に接続された配管継手が、前記ガスを導入するための配管に接続され、前記排出口に接続された配管継手が、前記センサに伸びる配管に接続されていることを
特徴とする請求項６記載のガス分析装置。

【請求項8】

２つの連結部材と、前記ガスを分析するための２つのセンサとを有し、
前記ガス分離用カラムは、２つから成り、前記ガスを前記流路に導入可能に前記第１流路部に連通するよう設けられた導入口と、前記流路を流れた前記ガスを排出可能に前記第２流路部に連通するよう設けられた排出口とを有し、
各連結部材は、一方の表面に各ガス分離用カラムの前記排出口に接続可能に設けられた第１開口と、第２開口と、第３開口と、他方の表面に各ガス分離用カラムの前記導入口に接続可能に設けられた第４開口と、前記第１開口と前記第２開口とに連通するよう設けられた第１連通孔と、前記第３開口と前記第４開口とに連通するよう設けられた第２連通孔とを有し、
一方のガス分離用カラムの前記導入口が前記ガスを導入するための配管に接続され、前記一方のガス分離用カラムの前記排出口が一方の連結部材の前記第１開口に接続され、前記一方の連結部材の前記第２開口が一方のセンサに伸びる配管に接続され、前記一方の連結部材の前記第３開口が前記一方のセンサから戻る配管に接続され、他方のガス分離用カラムの前記導入口が前記一方の連結部材の前記第４開口に接続され、前記他方のガス分離用カラムの前記排出口が他方の連結部材の前記第１開口に接続され、前記他方の連結部材の前記第２開口が他方のセンサに伸びる配管に接続されていることを
特徴とする請求項６記載のガス分析装置。

【請求項9】

筐体と冷却ファンと温度センサとを有し、
前記ガス分離用カラムは、前記流路を加熱可能に設けられた加熱手段を有し、
前記筐体は、内部に前記ガス分離用カラムを収納可能に設けられ、
前記冷却ファンは、前記ガス分離用カラムを収納した前記筐体の内部に外気を導入して、前記ガス分離用カラムを冷却可能に設けられ、
前記温度センサは、前記ガス分離用カラムの温度を測定可能に設けられ、
前記温度センサにより測定された温度に基づいて、前記加熱手段により前記ガス分離用カラムを加熱したり、前記冷却ファンにより前記ガス分離用カラムを冷却したりすることにより、前記ガス分離用カラムの温度調整を行うよう構成されていることを
特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載のガス分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分離用カラムおよびガス分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

作業環境中における有害ガスのモニタリングなど、オンサイトで多種類のガスを分析するために、現場に持ち運びできる小型のガス分析装置（ガスクロマトグラフ）が求められている。従来のガス分析装置としては、ガス分離のためにキャピラリーカラムを用いるものが一般的である。このキャピラリーカラムは、長さ数１０ｍのシリカキャピラリーチューブが直径２５ｃｍ程度のリールに巻かれた構造を有しているが、ガラス製であるため、小型化のために曲率を小さくしようとしても、曲率１０ｃｍ以下で破損してしまうという問題があった。また、リールに巻かれた立体構造のカラム全体を均一に昇温・冷却するために、対流式のオーブンを用いる必要があり、装置全体が大型になり消費電力も大きいという問題もあった。

【0003】

これらの問題を解決するために、ＭＥＭＳ技術によりシリコン基板に溝を形成し、そのシリコン基板にガラス板を陽極接合して微細流路を形成したシリコンＭＥＭＳカラムが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。また、シリコンでは強度が低いため、強度を高めるために、エッチングで微細溝を形成した金属板を、別の金属板と拡散接合して流路を形成した金属製のプレート型カラムも開発されている（例えば、非特許文献２または特許文献１参照）。このシリコンＭＥＭＳカラムや金属製のプレート型カラムによれば、カラムの小型化を実現するとともに、平面構造であるため、シートヒーター等で効率的に温度制御を行うことができ、省電力化も期待することができる。

【0004】

ガス分析装置では、カラムの流路長が長いほど分離性能が良くなるため、流路長を長くすることが求められている。しかし、非特許文献２および特許文献１に記載の金属製のプレート型カラムでは、シリコン基板と比べて深堀ができないため、流路長を長くするとプレートの面積が大きくなってしまう。そこで、流路長を長くするために、流路溝を形成したプレートを複数積層させることにより、小面積に高密度で流路を形成したものが開発されている（例えば、特許文献２または３参照）。

【0005】

なお、複数のガスが混じり合った複雑な成分を有する混合ガスを分離するために、性質の異なる２つのカラムを用いたガス分析装置が、本発明者等により開発されている（例えば、特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】M. Nishino et al., “Development of μGC (Micro Gas Chromatography) with High Performance Micromachined Chip Column”, IEEJ Trans, 2009, 4, p.358-364

【非特許文献2】T. Iwaya et al, “Development of High Precision Metal Micro-Electro-Mechanical-Systems Column for Portable Surface Acoustic Wave Gas Chromatograph”, Jpn. J. Appl. Phys., 2012, 51, 07GC24-1-6

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第６０１５１２２号公報

【特許文献2】特許第５９４５５４１号公報

【特許文献3】特開２００６－９０８１３号公報

【特許文献4】特許第５５２２６５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献２および３に記載の、複数のプレートを積層させたプレート型のカラムでは、図１０に示すように、流路断面が上下方向に並進対称に並んだ構造を有しているため、積層した第１層～第３層までの複数のプレートの両側からヒーターで加熱したとき、上下の流路で温度分布に差が生じ、カラムのガス分離性能が低下する可能性があるという課題があった。

【0009】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、流路の温度分布を均一に制御可能で、ガス分離性能の低下を防ぐことができるガス分離用カラムおよびガス分析装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明に係るガス分離用カラムは、分析対象のガスを流す流路を有し、前記流路は、所定の平面に対して対称の形状を成すよう、前記所定の平面の一方の側に設けられた第１流路部と、前記所定の平面の他方の側に設けられた第２流路部とを有し、前記第１流路部および前記第２流路部は、少なくとも一部に、前記ガスが前記所定の平面に対して平行に流れる範囲を有しており、前記ガスが、前記第１流路部から前記第２流路部に流れるよう、または、前記第１流路部と前記第２流路部とを往復しながら流れるよう構成されていることを特徴とする。

【0011】

本発明に係るガス分離用カラムは、分析対象のガスを流路に流し、流路を流れるガスを成分毎に分離するために使用される。本発明に係るガス分離用カラムは、流路が所定の平面の両側で対称の形状を成すよう、所定の平面の一方の側に設けられた第１流路部と、所定の平面の他方の側に設けられた第２流路部とを有しているため、その所定の平面の両側から均等に加熱することにより、第１流路部と第２流路部とを同じ温度分布にすることができ、流路の温度分布を均一に制御することができる。また、これにより、ガス分離性能の低下を防ぐことができる。

【0012】

本発明に係るガス分離用カラムは、第１流路部および第２流路部が所定の平面の両側に、対称の形状を成すよう設けられているため、小面積で流路長を長くすることができる。このため、小型化することができ、設置スペースを節約可能で、容易に運搬することもできる。本発明に係るガス分離用カラムは、ガラス製であっても、シリコン製であっても、金属製であってもよいが、強度を高めるためには、金属製であることが好ましい。なお、ここでの「所定の平面の両側で対称の形状を成す」とは、所定の平面に対して対称（面対称）である場合だけでなく、面対称の形状のうち、所定の平面の一方の側の形状が、所定の平面に沿ってずれている場合や、それらの形状の所定の平面の一方の側の形状が、所定の平面に向かって左右反転および／または所定の平面に沿って回転している場合も含んでいる。

【0013】

本発明に係るガス分離用カラムで、前記第１流路部および前記第２流路部は、位置および形状が、前記所定の平面に対して対称になるよう設けられていることが好ましい。この場合、第１流路部と第２流路部とを比較的容易に同じ温度分布にすることができる。また、第１流路部および第２流路部が、所定の平面の両側に積層した状態で設けられているため、流路長をより長くすることができる。

【0014】

本発明に係るガス分離用カラムは、平板状の中央プレートと、前記中央プレートをその厚み方向で挟むよう設けられた、平板状の１対の表面プレートとを有し、前記所定の平面は、前記中央プレートの厚み方向の中心面から成り、前記第１流路部および前記第２流路部はそれぞれ、（１）前記中央プレートの各表面に形成された溝から成る、または、（２）各表面プレートの前記中央プレート側の表面に形成された溝から成る、または、（３）前記中央プレートの一方の表面およびその表面に対向する一方の表面プレートの表面の双方に形成された溝、ならびに、前記中央プレートの他方の表面およびその表面に対向する他方の表面プレートの表面の双方に形成された溝から成っていてもよい。この場合、溝が（１）～（３）のいずれの構造であっても、流路が所定の平面に対して対称の形状を成しているため、流路の温度分布を均一に制御することができる。各表面プレートは、互いに所定の平面に対して対称の形状を成していることが好ましい。

【0015】

また、本発明に係るガス分離用カラムは、螺旋形状に巻かれた金属製の管から成り、前記流路は、前記管の内部から成り、前記所定の平面は、前記螺旋形状の中心線を含む平面から成っていてもよい。この場合、所定の平面の両側で、螺旋形状の管の位置が、所定の平面に沿ってずれているが、形状は所定の平面の両側で対称形状を成しているため、流路の温度分布を均一に制御することができる。また、金属製の管から成るため、螺旋形状の直径を数ｃｍ程度まで小さくすることができ、容易に小型化することができる。

【0016】

本発明に係るガス分離用カラムは、前記流路を加熱可能に設けられた加熱手段を有し、前記加熱手段で前記流路を加熱したとき、前記流路の温度分布が前記所定の平面に対して対称になるよう構成されていることが好ましい。この場合、加熱手段で流路を加熱することにより、第１流路部と第２流路部とを同じ温度分布にすることができ、流路の温度分布を均一に制御することができる。

【0017】

本発明に係るガス分析装置は、本発明に係るガス分離用カラムを有し、前記流路を流れるガスを分析可能に設けられていることを特徴とする。

【0018】

本発明に係るガス分析装置は、ガス分離用カラムにより、流路を流れる分析対象のガスを時間的に各成分に分離し、分離された各成分を検出して分析することができる。ガス分析装置は、ガス分離用カラムにより、流路の温度分布を均一に制御することができ、ガス分離性能の低下を防ぐことができる。また、ガス分析装置は、ガス分離用カラムを小型化することができるため、装置自体も小型化することができる。これにより、設置スペースを節約可能で、容易に運搬することもできる。

【0019】

本発明に係るガス分析装置は、前記ガス分離用カラムを複数有し、各ガス分離用カラムは、積層されており、それぞれ前記ガスを前記流路に導入可能に前記第１流路部に連通するよう設けられた導入口と、前記流路を流れた前記ガスを排出可能に前記第２流路部に連通するよう設けられた排出口とを有し、隣り合うガス分離用カラムの前記排出口と前記導入口とが、Ｏリングなどで封止して接続されていてもよい。この場合、流路長をさらに長くすることができる。

【0020】

本発明に係るガス分析装置は、配管接続治具と、前記ガスを分析するためのセンサとを有し、前記ガス分離用カラムは、中央プレートと各表面プレートとを有するガス分離用カラムから成り、前記ガスを前記流路に導入可能に、前記第１流路部に連通するよう前記一方の表面プレートに設けられた導入口と、前記流路を流れた前記ガスを排出可能に、前記第２流路部に連通するよう前記他方の表面プレートの、前記中央プレートを挟んで前記導入口と同じ位置に設けられた排出口とを有し、前記配管接続治具は、前記導入口および前記排出口を覆うよう、前記ガス分離用カラムを挟んで固定可能に設けられており、前記ガス分離用カラムを挟んで固定したとき、前記導入口および前記排出口に対応する位置にそれぞれ設けられた１対の継手挿入穴と、各継手挿入穴に挿入して、それぞれ前記導入口および前記排出口に接続可能に設けられた１対の配管継手とを有し、前記導入口に接続された配管継手が、前記ガスを導入するための配管に接続され、前記排出口に接続された配管継手が、前記センサに伸びる配管に接続されていてもよい。この場合、配管接続治具により、ボンベやバルブ、センサなどの配管に、ガス分離用カラムの流路を容易に接続することができる。

【0021】

また、本発明に係るガス分析装置は、２つの連結部材と、前記ガスを分析するための２つのセンサとを有し、前記ガス分離用カラムは、２つから成り、前記ガスを前記流路に導入可能に前記第１流路部に連通するよう設けられた導入口と、前記流路を流れた前記ガスを排出可能に前記第２流路部に連通するよう設けられた排出口とを有し、各連結部材は、一方の表面に各ガス分離用カラムの前記排出口に接続可能に設けられた第１開口と、第２開口と、第３開口と、他方の表面に各ガス分離用カラムの前記導入口に接続可能に設けられた第４開口と、前記第１開口と前記第２開口とに連通するよう設けられた第１連通孔と、前記第３開口と前記第４開口とに連通するよう設けられた第２連通孔とを有し、一方のガス分離用カラムの前記導入口が前記ガスを導入するための配管に接続され、前記一方のガス分離用カラムの前記排出口が一方の連結部材の前記第１開口に接続され、前記一方の連結部材の前記第２開口が一方のセンサに伸びる配管に接続され、前記一方の連結部材の前記第３開口が前記一方のセンサから戻る配管に接続され、他方のガス分離用カラムの前記導入口が前記一方の連結部材の前記第４開口に接続され、前記他方のガス分離用カラムの前記排出口が他方の連結部材の前記第１開口に接続され、前記他方の連結部材の前記第２開口が他方のセンサに伸びる配管に接続されていてもよい。この場合、２つのガス分離用カラムおよび２つのセンサを用いて、複雑な成分を有する混合ガスを分析することができる。また、各連結部材を用いることにより、２つのガス分離用カラムをコンパクトに配置することができ、装置自体を小型化することができる。

【0022】

本発明に係るガス分析装置は、筐体と冷却ファンと温度センサとを有し、前記ガス分離用カラムは、前記流路を加熱可能に設けられた加熱手段を有し、前記筐体は、内部に前記ガス分離用カラムを収納可能に設けられ、前記冷却ファンは、前記ガス分離用カラムを収納した前記筐体の内部に外気を導入して、前記ガス分離用カラムを冷却可能に設けられ、前記温度センサは、前記ガス分離用カラムの温度を測定可能に設けられ、前記温度センサにより測定された温度に基づいて、前記加熱手段により前記ガス分離用カラムを加熱したり、前記冷却ファンにより前記ガス分離用カラムを冷却したりすることにより、前記ガス分離用カラムの温度調整を行うよう構成されていてもよい。この場合、冷却ファンにより、ガス分離用カラムを速やかに冷却することができ、次の分析を素早く行うことができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、流路の温度分布を均一に制御可能で、ガス分離性能の低下を防ぐことができるガス分離用カラムおよびガス分析装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１の実施の形態のガス分析装置を示す全体構成図である。

【図2】本発明の第１の実施の形態のガス分離用カラムを示す、（ａ）流路を透視した平面図、（ｂ）縦断面図、（ｃ）斜視図、（ｄ）加熱時の温度分布を示す断面図である。

【図3】本発明の第１の実施の形態のガス分析装置の、配管接続治具を示す分解斜視図である。

【図4】本発明の第１の実施の形態のガス分析装置の、カラム温調ユニットを示す（ａ）断面図、（ｂ）ガス分離用カラム等の一部を拡大した断面図である。

【図5】本発明の第１の実施の形態のガス分離用カラムの、（ａ）第１の変形例、（ｂ）第２の変形例を示す断面図である。

【図6】本発明の第１の実施の形態のガス分離用カラムの、螺旋形状に巻かれた金属製の管から成る第３の変形例を示す（ａ）斜視図、（ｂ）カラム温調ユニットに収納された状態の断面図である。

【図7】本発明の第２の実施の形態のガス分析装置を示す全体構成図である。

【図8】本発明の第２の実施の形態のガス分析装置の、連結部材を示す（ａ）平面図、（ｂ）横断面図である。

【図9】本発明の第２の実施の形態のガス分析装置の、連結部材を用いて２つのガス分離用カラムを連結した状態を示す（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。

【図10】従来の複数のプレートを積層させたプレート型のカラムを示す、加熱時の温度分布を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の第１の実施の形態のガス分離用カラムおよびガス分析装置を示している。
図１乃至図６に示すように、ガス分析装置１０は、ガス分離用カラム１１と配管接続治具１２とカラム温調ユニット１３とセンサ１４とを有している。

【0026】

ガス分離用カラム１１は、分析対象のガスを、時間的に各成分に分離するよう構成されている。図２に示すように、ガス分離用カラム１１は、金属製で平板状の中央プレート２１と、中央プレート２１をその厚み方向で挟むよう設けられた、金属製で平板状の１対の表面プレート２２、２３とを有している。中央プレート２１と各表面プレート２２、２３は、同じ平面形状を成しており、各表面プレート２２、２３は、同じ厚みを有している。ガス分離用カラム１１は、矩形状の本体部２４と、本体部２４の一方の長辺の中央部から側方に矩形状に突出した突出部２５とを有している。

【0027】

ガス分離用カラム１１は、分析対象のガスを流す流路２６を有している。流路２６は、導入口２６ａと第１流路部２６ｂと貫通孔２６ｃと第２流路部２６ｄと排出口２６ｅとを有している。導入口２６ａは、ガスを導入可能に、一方の表面プレート２２の突出部２５の中央に、一方の表面プレート２２の厚みを貫通して設けられている。第１流路部２６ｂは、中央プレート２１の一方の表面プレート２２側の表面に形成された溝から成っている。第１流路部２６ｂは、一端が導入口２６ａに連通し、突出部２５から本体部２４に伸びて、本体部２４で蛇行するよう設けられている。貫通孔２６ｃは、第１流路部２６ｂの他端に連通するよう、中央プレート２１の厚みを貫通して設けられている。

【0028】

第２流路部２６ｄは、中央プレート２１の他方の表面プレート２３側の表面に形成された溝から成っている。第２流路部２６ｄは、中央プレート２１の厚み方向の中心面（以下、「鏡映面１１ａ」と呼ぶ）に対して、第１流路部２６ｂと対称になるよう設けられている。すなわち、第２流路部２６ｄは、一端が貫通孔２６ｃに連通し、本体部２４で蛇行した後、突出部２５に伸びるよう設けられている。排出口２６ｅは、他方の表面プレート２３の突出部２５の中央の、中央プレート２１を挟んで導入口２６ａと同じ位置に、他方の表面プレート２３の厚みを貫通して設けられている。排出口２６ｅは、第２流路部２６ｄの他端に連通するよう設けられている。

【0029】

流路２６は、第１流路部２６ｂと第２流路部２６ｄ、導入口２６ａと排出口２６ｅ、および貫通孔２６ｃの、それぞれの位置および形状が、鏡映面１１ａに対して対称を成している。流路２６は、導入口２６ａから導入されたガスが、第１流路部２６ｂ、貫通孔２６ｃ、および第２流路部２６ｄを流れて、排出口２６ｅから排出されるよう構成されている。また、流路２６は、導入口２６ａから排出口２６ｅまでがほぼ同じ断面積を有している。また、流路２６は、第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄが、鏡映面１１ａに対して平行に設けられている。

【0030】

また、ガス分離用カラム１１は、突出部２５の４つの隅に、それぞれ厚みを貫通して設けられた治具取付穴２７およびアライメント用穴２８を有している。アライメント用穴２８は、アライメント精度を保ちながらアライメントピンを通しやすくするために、２つの穴がピン径とのクリアランスが極小となる大きさを有する丸穴を成し、他の２つの穴が回転止め用の長穴を成している。また、ガス分離用カラム１１は、突出部２５とは反対側の本体部２４の長辺、および本体部２４の１対の短辺の縁部に、温度測定のための熱電対などを設置可能に設けられた複数の凹部２９を有している。

【0031】

ガス分離用カラム１１は、導入口２６ａ、第１流路部２６ｂ、貫通孔２６ｃ、第２流路部２６ｄ、および排出口２６ｅがウェットエッチングにより形成されている。また、複数の凹部２９がハーフエッチングにより形成されている。エッチングは、形状の自由度が高いため、ガスの流れをよりスムーズにするよう、貫通孔２６ｃを楕円形状にして、第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄとの接続部分における断面形状の変化を小さくすることが可能である。なお、図２に示す具体的な一例では、ガス分離用カラム１１は、本体部２４の表面積が71×43 mm、厚さが0.9 mmであり、流路２６の総延長が10 mである。

【0032】

図３に示すように、配管接続治具１２は、１対の治具本体３１と２本のアライメントピン３２と４本の固定ねじ３３と１対の配管継手３４とを有している。各治具本体３１は、ガス分離用カラム１１の突出部２５に対応した大きさを有し、各治具取付穴２７および各アライメント用穴２８に対応する位置に、それぞれ４つの固定用穴３５および４つのピン挿入穴３６を有している。また、各治具本体３１は、それぞれ導入口２６ａおよび排出口２６ｅに対応する位置に、継手挿入穴３７を有している。各固定用穴３５および継手挿入穴３７は、各治具本体３１の厚みを貫通して設けられ、各ピン挿入穴３６は、各治具本体３１の一方の表面側にのみ設けられている。各アライメントピン３２、各固定ねじ３３、および各配管継手３４は、市販のものであってもよい。

【0033】

配管接続治具１２は、各治具本体３１でガス分離用カラム１１の突出部２５を挟み、１本のアライメントピン３２を各アライメント用穴２８のうちの丸穴および、対向する１対のピン挿入穴３６に挿入し、もう１本のアライメントピン３２を各アライメント用穴２８のうちの長穴および、対向する１対のピン挿入穴３６に挿入して取付位置を調節した後、４本の固定ねじ３３を各治具取付穴２７および各固定用穴３５に挿入して固定するよう構成されている。このとき、各治具本体３１とガス分離用カラム１１との間にＯリングやパッキン等を挟んで、外部から封止可能になっている。固定後、各配管継手３４を各継手挿入穴３７に挿入することにより、各配管継手３４を介して、ボンベやバルブ、センサ１４などの配管に、ガス分離用カラム１１の流路２６を接続可能に構成されている。図１に示す具体的な一例では、ガス分離用カラム１１の導入口２６ａに接続された配管継手３４には、バルブ１５に接続された配管１６がガス注入部１１ｂを介して接続され、その配管１６を流れてきたガスを流路２６に導入可能になっている。また、ガス分離用カラム１１の排出口２６ｅに接続された配管継手３４には、センサ１４に伸びる配管１７が接続されている。

【0034】

図４に示すように、カラム温調ユニット１３は、筐体４１と断熱材４２と冷却ファン４３と熱伝導材４４とシートヒーター４５と放熱板４６と温度センサ４７とを有している。筐体４１は、外形が直方体形状の箱から成り、内部にガス分離用カラム１１を収納するための収納室４１ａを有している。断熱材４２は、筐体４１の内壁を覆うよう設けられている。冷却ファン４３は、１対から成り、収納室４１ａに外気を導入可能かつ、収納室４１ａの内部の空気を排出可能に、筐体４１の１対の対向面にそれぞれ設けられている。熱伝導材４４は、１対から成り、シリコングリスや熱伝導パットなどから成っている。各熱伝導材４４は、ガス分離用カラム１１を熱的に均一にするために、ガス分離用カラム１１の両面にそれぞれ設けられている。シートヒーター４５は、１対から成り、ガス分離用カラム１１の流路２６を加熱可能に、各熱伝導材４４の表面にそれぞれ貼り付けられている。放熱板４６は、１対から成り、冷却時の放熱効率を上げるとともに、各シートヒーター４５が丸まって剥がれるのを防ぐよう、各シートヒーター４５の表面にそれぞれ貼り付けられている。温度センサ４７は、サーミスタや熱電対などから成り、ガス分離用カラム１１の各凹部２９に取り付けられている。

【0035】

カラム温調ユニット１３は、収納室４１ａに、各熱伝導材４４と各シートヒーター４５と各放熱板４６とを積層させたガス分離用カラム１１を収納し、温度センサ４７により測定された温度に基づいて、各シートヒーター４５によりガス分離用カラム１１を加熱したり、各冷却ファン４３および各放熱板４６によりガス分離用カラム１１を空冷で冷却したりすることにより、ガス分離用カラム１１の温度調整を行うよう構成されている。また、カラム温調ユニット１３は、ガス分離用カラム１１を各シートヒーター４５で加熱したとき、流路２６の温度分布が鏡映面１１ａに対して対称になるよう構成されている。カラム温調ユニット１３は、例えば、ガス分離用カラム１１が金属製であるため、各冷却ファン４３により数分で、200℃程度から室温までに冷却可能である。これにより、次の分析を素早く行うことができる。カラム温調ユニット１３は、さらに冷却速度を速めるために、各放熱板４６にフィンが設けられていてもよい。

【0036】

図１に示すように、センサ１４は、配管１７を介して、ガス分離用カラム１１の排出口２６ｅに接続された配管継手３４に接続されている。センサ１４は、ガス分離用カラム１１により時間的に分離されたガスの各成分を、検出可能に構成されている。センサ１４は、ガスの成分を検出可能なものであれば、いかなるものであってもよい。図１に示す具体的な一例では、センサ１４は、非特許文献２に記載のボールＳＡＷセンサ（Ball SAW sensor）から成っている。

【0037】

次に、作用について説明する。
ガス分析装置１０は、ガス分離用カラム１１により、流路２６を流れる分析対象のガスを時間的に各成分に分離し、センサ１４により、分離された各成分を検出して分析することができる。ガス分析装置１０で、ガス分離用カラム１１は、図２（ｄ）に示すように、流路２６が鏡映面１１ａに対して対称の位置および形状を成すよう、鏡映面１１ａの一方の側に設けられた第１流路部２６ｂと、鏡映面１１ａの他方の側に設けられた第２流路部２６ｄとを有しているため、鏡映面１１ａの両側から各シートヒーター４５で均等に加熱することにより、第１流路部２６ｂと第２流路部２６ｄとを同じ温度分布にすることができ、流路２６の温度分布を均一に制御することができる。また、これにより、ガス分離性能の低下を防ぐことができる。

【0038】

ガス分離用カラム１１は、第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄが鏡映面１１ａの両側に、積層した状態で対称の形状を成すよう設けられているため、小面積で流路長を長くすることができる。このため、ガス分析装置１０は、ガス分離用カラム１１を小型化することができ、装置自体も小型化することができる。これにより、設置スペースを節約可能で、容易に運搬することもできる。

【0039】

なお、図５（ａ）に示すように、ガス分離用カラム１１の第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄはそれぞれ、各表面プレート２２、２３の中央プレート２１の側の表面に形成された溝から成っていてもよい。この場合、中央プレート２１を薄くすることができる。また、図５（ｂ）に示すように、第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄはそれぞれ、中央プレート２１の一方の表面およびその表面に対向する一方の表面プレート２２の表面の双方に形成された溝、ならびに、中央プレート２１の他方の表面およびその表面に対向する他方の表面プレート２３の表面の双方に形成された溝から成っていてもよい。この場合、流路２６の断面を円形や、楕円などの円形に近い形状に形成することができるため、第１流路部２６ｂおよび第２流路部２６ｄと、それらに接続する導入口２６ａや排出口２６ｅ、それらに接続された配管１６、１７、貫通孔２６ｃとの間の断面形状の変化を小さくすることができる。図５（ａ）および（ｂ）のどちらの構造も、流路２６が鏡映面１１ａに対して対称の形状を成しているため、流路２６の温度分布を均一に制御することができる。

【0040】

また、ガス分析装置１０は、積層された複数のガス分離用カラム１１を有し、隣り合うガス分離用カラム１１の排出口２６ｅと導入口２６ａとが、Ｏリングなどで封止して接続されていてもよい。この場合、流路長を長くすることができる。また、各ガス分離用カラム１１の排出口２６ｅと導入口２６ａとが、表裏両面の同じ位置に設けられているため、各ガス分離用カラム１１を容易に接続することができる。

【0041】

また、図６に示すように、ガス分離用カラム１１は、螺旋形状に巻かれた金属製の管から成り、流路２６は、その管の内部から成り、鏡映面１１ａは、螺旋形状の中心線を含む平面から成っていてもよい。この場合、ガスが第１流路部２６ｂと第２流路部２６ｄとを往復しながら流れるようになっている。また、配管接続治具１２を用いることなく、導入口２６ａおよび排出口２６ｅを、直接、ボンベやバルブ、センサなどの配管に接続することができる。また、鏡映面１１ａの両側で、第１流路部２６ｂの管の位置と第２流路部２６ｄの管の位置が、鏡映面１１ａに沿ってずれているが、形状は鏡映面１１ａの両側で対称形状を成しているため、周囲から均等に加熱することにより、流路２６の温度分布を均一に制御することができる。このとき、螺旋形状の内側は保温されるため、効率的に加熱することができる。また、冷却ファン４３を、螺旋形状の内部に送風するように設置することにより、効率的に冷却することができる。また、ガス分離用カラム１１は、金属製であり、従来のシリカキャピラリーカラム１１に比べて曲げ強度が強いため、螺旋形状の直径を数ｃｍ程度まで小さくすることができ、容易に小型化することができる。

【0042】

図７乃至図９は、本発明の第２の実施の形態のガス分析装置を示している。
図７乃至図９に示すように、ガス分析装置５０は、特許文献４に示すガス分析装置と同様の構成を有し、２つのガス分離用カラム１１と２つの連結部材５１と４つの配管接続治具１２とカラム温調ユニット１３と２つのセンサ１４とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のガス分析装置１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

【0043】

図８に示すように、各連結部材５１は、薄い板状を成し、一方の表面にガス分離用カラム１１の排出口２６ｅに接続可能に設けられた第１開口６１と、一方の表面に第１開口６１から離れて設けられた第２開口６２と、一方の表面に第１開口６１および第２開口６２から離れて設けられた第３開口６３と、他方の表面の第１開口６１とは反対側の位置に、ガス分離用カラム１１の導入口２６ａに接続可能に設けられた第４開口６４と、一方の表面に沿って第１開口６１と第２開口６２とに連通するよう設けられた第１連通孔６５と、一方の表面に沿って第３開口６３と第４開口６４とに連通するよう設けられた第２連通孔６６とを有している。

【0044】

また、各連結部材５１は、３つの配管接続治具１２を並べて取付可能に、固定ねじ３３を挿入するための１２個のネジ用穴６７と、アライメントピン３２を挿入するための１２個のピン用穴６８とを有している。各ネジ用穴６７および各ピン用穴６８は、厚みを貫通して設けられている。また、各連結部材５１は、その３つの配管接続治具１２を取り付けたとき、各配管接続治具１２の配管継手３４がそれぞれ第１開口６１、第２開口６２および第３開口６３に接続されるよう設けられている。

【0045】

図９に示すように、ガス分析装置５０は、一方のガス分離用カラム１１の排出口２６ｅが一方の連結部材５１の第１開口６１に接続されるよう、一方のガス分離用カラム１１の突出部２５が一方の連結部材５１の一方の表面に配置され、他方のガス分離用カラム１１の導入口２６ａが一方の連結部材５１の第４開口６４に接続されるよう、他方のガス分離用カラム１１の突出部２５が一方の連結部材５１の他方の表面に配置されている。また、他方のガス分離用カラム１１の排出口２６ｅが他方の連結部材５１の第１開口６１に接続されるよう、他方のガス分離用カラム１１の突出部２５が他方の連結部材５１の一方の表面に配置されている。すなわち、一方の連結部材５１が各ガス分離用カラム１１の突出部２５に挟まれ、他方のガス分離用カラム１１の突出部２５が各連結部材５１に挟まれている。この状態で、一方の連結部材５１に、３つの配管接続治具１２を並べて取り付ける。また、他方の連結部材５１の第２開口６２が、残りの１つの配管接続治具１２の配管継手３４に接続するよう、他方の連結部材５１に残りの１つの配管接続治具１２を取り付ける。

【0046】

さらに、図７および図９に示すように、一方のガス分離用カラム１１の導入口２６ａに接続された配管継手３４には、バルブ１５に接続された配管１６がガス注入部１１ｂを介して接続され、一方の連結部材５１の第２開口６２に接続された配管継手３４には、一方のセンサ１４に伸びる配管１７が接続され、一方の連結部材５１の第３開口６３に接続された配管継手３４には、一方のセンサ１４から戻る配管１８が接続され、他方の連結部材５１の第２開口６２に接続された配管継手３４には、他方のセンサ１４に伸びる配管１９が接続されている。なお、配管１８には、三方バルブ１８ａが取り付けられている。

【0047】

これにより、ガス分析装置５０は、分析するガスが、一方のガス分離用カラム１１の導入口２６ａ、流路２６、および排出口２６ｅを通り、さらに一方の連結部材５１の第１開口６１、第１連通孔６５、および第２開口６２を通って、一方のセンサ１４に流れるようになっている。さらに、一方のセンサ１４から戻ったガスが、一方の連結部材５１の第３開口６３、第２連通孔６６、および第４開口６４を通って、他方のガス分離用カラム１１の導入口２６ａ、流路２６、および排出口２６ｅを通り、さらに他方の連結部材５１の第１開口６１、第１連通孔６５、および第２開口６２を通って、他方のセンサ１４に流れるようになっている。このように、ガス分析装置５０は、各ガス分離用カラム１１により２段階でガスの各成分を分離し、その各段階で各センサ１４によりガスの各成分を検出するよう構成されている。

【0048】

ガス分析装置５０は、２つのガス分離用カラム１１および２つのセンサ１４を用いることにより、複雑な成分を有する混合ガスを分析することができる。ガス分析装置５０は、連結部材５１を用いることにより、２つのガス分離用カラム１１を厚さ方向に並べてコンパクトに配置することができ、装置自体を小型化することができる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明に係るガス分析装置は、作業環境、居住空間、オイルアンドガスなどのガス成分の分析に利用することができ、環境測定装置、ガスクロマトグラフ、呼気分析器として利用することができる。また、本発明に係るガス分析装置は、小型化が可能であるため、可搬型の環境測定装置、ガスクロマトグラフ、呼気分析器として利用することができる。

【符号の説明】

【0050】

１０ ガス分析装置
１１ ガス分離用カラム
１１ａ 鏡映面
１１ｂ ガス注入部
２１ 中央プレート
２２、２３ 表面プレート
２４ 本体部
２５ 突出部
２６ 流路
２６ａ 導入口
２６ｂ 第１流路部
２６ｃ 貫通孔
２６ｄ 第２流路部
２６ｅ 排出口
２７ 治具取付穴
２８ アライメント用穴
２９ 凹部
１２ 配管接続治具
３１ 治具本体
３２ アライメントピン
３３ 固定ねじ
３４ 配管継手
３５ 固定用穴
３６ ピン挿入穴
３７ 継手挿入穴
１３ カラム温調ユニット
４１ 筐体
４１ａ 収納室
４２ 断熱材
４３ 冷却ファン
４４ 熱伝導材
４５ シートヒーター
４６ 放熱板
４７ 温度センサ
１４ センサ
１５ バルブ
１６、１７ 配管

５０ ガス分析装置
５１ 連結部材
６１ 第１開口
６２ 第２開口
６３ 第３開口
６４ 第４開口
６５ 第１連通孔
６６ 第２連通孔
６７ ネジ用穴
６８ ピン用穴
１８、１９ 配管
１８ａ 三方バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】