(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-02
(45)【発行日】2024-09-10
(54)【発明の名称】火炎光度検出器
(51)【国際特許分類】
G01N 30/74 20060101AFI20240903BHJP
G01N 21/72 20060101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
G01N30/74 Z
G01N21/72
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2022571238
(86)(22)【出願日】2021-05-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-22
(86)【国際出願番号】 US2021033343
(87)【国際公開番号】W WO2021236898
(87)【国際公開日】2021-11-25
【審査請求日】2023-01-13
(31)【優先権主張番号】16/881,296
(32)【優先日】2020-05-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】597115727
【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001508
【氏名又は名称】弁理士法人 津国
(72)【発明者】
【氏名】チャン，エドワード
(72)【発明者】
【氏名】ワトキンス，ウィリス
(72)【発明者】
【氏名】ブラック，スティーヴン・エス
【審査官】小澤 理
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５６－１３０６４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００１５８８５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－２０１６８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８５９２６４７（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開昭５１－００３６８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２０１６８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１５６０９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－０６１３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４１６７３３４（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ３０／７４
Ｇ０１Ｎ ２１／７２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に燃焼室を画定する燃焼室本体；プロセスガスのサンプルを燃焼室に導入するように構成されたサンプルインレットチューブ；
燃焼室内で燃焼を開始するように構成された点火装置；
燃焼室内の温度表示を提供するように構成された熱電対アセンブリ；
燃焼室本体内にねじ状に配置されたガス混合器；を含み、
サンプルインレットチューブは燃焼室に対して調節可能な端部を有し、
ガス混合器の回転が燃焼室に対するサンプルインレットチューブの端部の調節可能な位置に影響を与える、
プロセスガスクロマトグラフ用の火炎光度検出器。
【請求項2】
燃焼室が半円形である、請求項１記載の火炎光度検出器。
【請求項3】
燃焼室が平坦な底部を有する、請求項１記載の火炎光度検出器。
【請求項4】
点火装置と熱電対アセンブリが、燃焼室内に延びる単一の管に取り付けられている、請求項１記載の火炎光度検出器。
【請求項5】
サンプルインレットチューブの端部の調節可能な位置が検出器応答のために事前に最適化されている、請求項１記載の火炎光度検出器。
【請求項6】
火炎光度検出器が、少なくとも１つのクロマトグラフィカラムに動作可能に結合され、温度制御されたオーブン内に配置され、火炎光度検出器がプロセスガスのサンプルを燃焼させ、火炎から特定の波長の光を発生させるように構成されている、請求項１記載の火炎光度検出器。
【請求項7】
火炎光度検出器は、点火装置と熱電対アセンブリを含み、点火装置と熱電対アセンブリは、単一の開口部を介して火炎光度検出器の燃焼室に入る、請求項６記載の火炎光度検出器。
【請求項8】
点火装置と熱電対アセンブリが、燃焼室内に延びる単一の管に取り付けられている、請求項７記載の火炎光度検出器。
【請求項9】
単一の管がセラミックで形成されている、請求項８記載の火炎光度検出器。
【請求項10】
燃焼室が平坦な底部を有する、請求項６記載の火炎光度検出器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
ガスクロマトグラフィ（gaschromatography）は、化学化合物の混合物を、その移動速度によりクロマトグラフィカラムを介して分離することである。ガスクロマトグラフィは、沸点、極性、又は分子サイズにおける違いに基づいて化合物を分離する。次に、分離された化合物は、火炎光度検出器（ＦＰＤ）などの適切な検出器を横切って流れ、サンプル全体において示された各化合物の濃度及び／又は存在を決定する。個々の化合物の濃度及び存在を知ることにより、ＢＴＵ又は比重などの特定の物理的性質を、業界標準の等式を使用して、計算することが可能になる。
【0002】
操作において、サンプルは、しばしば、充填剤を充填したクロマトグラフィカラムに注入される。典型的には、前記充填材は、カラム内で固定されたままであるため、「固定相」と呼ばれる。その後、注入されたサンプルを、強制的に固定相を通過させるために、不活性キャリアガスの供給がカラムに提供される。前記不活性ガスは、カラムを通過するため、「移動相」と呼ばれる。
【0003】
前記移動相が、前記サンプルを、カラムを通して中に押し込むと、さまざまな力が、サンプルの成分を分離させる。たとえば、より重い成分は、より軽い成分と比較して、カラムを通してよりゆっくりと移動する。前記分離された成分は、次いで、カラムを出て、溶出と呼ばれるプロセスに入る。得られた成分は、続いて溶出した成分の何らかの物理的特性に応じる検出器に送られる。
【0004】
検出器の１つのタイプは、火炎光度検出器として知られている。前記火炎光度検出器は、火炎の中で燃焼している化合物のスペクトル線を、光電子増倍管を使用して検出する。カラムから溶離した化合物は、前記分子中の特定の元素を励起する一般的に水素を燃料とする火炎に運ばれ、そして励起された元素（Ｐ、Ｓ、ハロゲン、いくつかの金属）は、特定の特性波長の光を放出する。前記放出された光は、光電子増倍管により、フィルタリングされ、そして検出される。具体的には、リンの発光は５１０nm～５３６nm付近、そして硫黄の発光は３９４nm付近である。
【発明の概要】
【0005】
プロセスガスクロマトグラフのための火炎光度検出器が、提供される。前記火炎光度検出器は、内部に燃焼室を画定する燃焼室本体をその中に含む。サンプルインレットチューブは、プロセスガスサンプルを燃焼室に導入するように構成される。点火装置は、燃焼室内で燃焼を開始するように構成される。熱電対アセンブリは、燃焼室内の温度の表示を提供するように構成される。前記サンプルチューブは、燃焼室に対して調整可能な端部を有する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】従来技術にしたがった、公知の火炎光度検出器のサイドカートソリューション（side-cart solution）を採用したプロセスガスクロマトグラフの概略図である。
【図2】本発明の実施態様で使用され得る、プロセスガスクロマトグラフの概略図である。
【図3】本発明の１つの実施態様にしたがった、ガスクロマトグラフの概略系統図である。
【図4】サイドカートソリューションにおいて使用される従来技術の火炎光度検出器の拡大図である。
【図5】本発明の１つの実施態様にしたがった、ガスクロマトグラフ及び火炎光度検出器の概略斜視図である。
【図6A】従来技術の火炎光度検出器の断面図である。
【図6B】従来技術の火炎光度検出器の断面図である。
【図7A】それぞれ、本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の斜視図及び側面図である。
【図7B】それぞれ、本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の斜視図及び側面図である。
【図7C】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の様々な概略破断図及び概略断面図である。
【図7D】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の様々な概略破断図及び概略断面図である。
【図7E】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の様々な概略破断図及び概略断面図である。
【図7F】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の様々な概略破断図及び概略断面図である。
【図8】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器のための、熱電対／点火装置組み合わせアセンブリの斜視図である。
【図9】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器用のための、熱電対／点火装置の組み合わせアセンブリの分解図である。
【図10】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器のサンプルチューブアセンブリの断面図である。
【図11】本発明の実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器のガス混合器である。
【図12】本発明の１つの実施態様にしたがった、マイクロ火炎光度検出器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
例示的な実施態様の詳細な説明
従来の火炎光度検出器のバーナーは、一般的に火炎室、外部に向けて配管された上部排気経路、点火装置、熱電対、及びガス混合器を含む。防爆仕様のガスクロマトグラフィなどの、比較的小さなフットプリントの用途においては、専用に温度制御されたオーブン内に取り付けるため、火炎光度検出器の物理的サイズを最小限に抑えることが有用で有り得る。火炎光度検出器（ｕＦＰＤ）のためのマイクロバーナーが提供され得、これは、内部排気経路及び一体型の点火装置／熱電対を含む。
従来の火炎光度検出器のバーナーは、一般的に火炎室、外部に向けて配管された上部排気経路、点火装置、熱電対、及びガス混合器を含む。防爆仕様のガスクロマトグラフィなどの、比較的小さなフットプリントの用途においては、専用に温度制御されたオーブン内に取り付けるため、火炎光度検出器の物理的サイズを最小限に抑えることが有用で有り得る。火炎光度検出器（ｕＦＰＤ）のためのマイクロバーナーが提供され得、これは、内部排気経路及び一体型の点火装置／熱電対を含む。
【0008】
以下に記載の実施態様にしたがって、このマイクロ火炎光度検出器は、このような小さなフットプリント用途に設置することができる。以下に説明するいくつかの例では、マイクロ火炎光度検出器は、以前の設計に比べてサイズが縮小された実質的に半分の丸い形の火炎室を含むことができる。さらに、いくつかの例では、先端調整の手間を最小限に抑え、マイクロ火炎光度検出器の応答を最大化するために、サンプルチップの端部を混合ガス流の正確な位置に配置するために統合サンプルチューブが使用される。
【0009】
図１は、従来技術にしたがった、公知の火炎光度検出器サイドカートソリューションを採用した、プロセスガスクロマトグラフ２０の概略図である。サイドカート１０は、プロセスガスクロマトグラフ２０の横に示され、多数の線を介してプロセスガスクロマトグラフ２０に連結されている。サイドカートソリューションが一般的に使用されるのは、サイドカート１０の火炎光度検出器が、プロセスガスクロマトグラフ２０のスペースが制限された防爆オーブン２２内に物理的に収めることができないためである。
【0010】
火炎光度検出器を詳細に説明する前に、まず、それが使用されるプロセスグラフクロマトグラフについて一般的に説明することが有用である。
【0011】
図２は、本発明の実施態様を使用することができるプロセスガスクロマトグラフの概略図である。図１は、ＲｏｓｅｍｏｕｎｔＩｎｃ．（ＥｍｅｒｓｏｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎｓ）から入手可能なモデル７００ＸＡガスクロマトグラフ１００を示しているが、ここで提供される方法及び実施態様は、他の例示的なガス分析器と共に利用することができる。これには、ローズマウント社から入手できるモデル１５００ＸＡプロセスガスクロマトグラフやモデル５７０天然ガスクロマトグラフィなど、様々なタイプやモデルのガスクロマトグラフが含まれる。さらに、ガスクロマトグラフ以外の多種多様な他の装置を本発明の実施態様で利用することも考えられる。図２に示すように、プロセスガスクロマトグラフ１００は、ディスプレイと一つ以上のユーザ入力機構１０４を有するユーザインタフェース１０２を含む。さらに、プロセスガスクロマトグラフ１００は温度制御されたオーブン１０６を含む。オーブン１０６内の部品は、分析プロセスを容易にするために、非常に正確に制御された温度に保つことができる。
【0012】
図３は、本発明の１つの実施態様によるガスクロマトグラフの系統図である。ここではガスクロマトグラフ２００の一例を示すが、ガスクロマトグラフ２００は他の様々な形態や配置をとることができることを理解すべきである。例えば、ガスクロマトグラフ２００は、カラム、バルブ、検出器などに対して他の構成を有していてもよいことを理解すべきである。ただし、この例では、ガスクロマトグラフ２００は、キャリアガス入口２０２、サンプル入口２０４、サンプル通気口２０６、及びメジャー通気口２０８を例示的に含む。動作中、キャリアガスはフローパネル２１０に供給され、そこでレギュレータ２１２とドライヤー２１４を通過した後、温度制御されたアナライザのオーブン２１６に入り、キャリアガスプレヒーター２１８を通過する。
【0013】
測定中、サンプルガスはサンプル入口２０４を経由してクロマトグラフ２００に入り、分析器オーブン２１６に入る。既知のガスクロマトグラフィ技術に従って様々なクロマトグラフィカラム２２２を通して様々な体積のサンプル及び／又はキャリアガスを選択的に流すために、サンプルガス（測定中）又はキャリブレーションガス（キャリブレーション中）とキャリアガスの両方が最終的に複数の空気圧制御マルチポートセレクターバルブ２６０に入る。空気圧制御されたマルチポートセレクターバルブ２６０のそれぞれは、コントローラ２２６からの制御信号を受信するそれぞれのソレノイド２２４に流体的に結合される。さらに、制御器２２６は、オーブン２１６の温度制御を提供するために、オーブン２１６内の一つ以上の温度センサー、ならびにオーブン２１６に熱的に結合された一つ以上のヒーターに結合することができる。ただし、コントローラ２２６とは別の熱制御システムもまた使用できるとも考えられている。
【0014】
さらに、図３に示すように、各空気圧制御マルチポートセレクターバルブ２６０は一対の状態を有する。最初の状態では、各バルブ２６０の流体接続が実線で示されている。２番目の状態の各バルブ２６０の流体接続は、ファントムで示されている。コントローラ２２６は、後述する火炎光度検出器である検出器２２８に動作可能に結合される。したがって、コントローラ２２６は、ソレノイド２２４を制御することによって、ガスクロマトグラフ２００を通過する流れを完全に制御することができる。さらに、コントローラ２２６は、サンプルガス中のさまざまな化学種を検出又は特性評価するための検出器２２８の応答を決定することができる。いくつかの実施例では、コントローラ２２６は制御モジュール３４（図４に示す）からアナログ信号を読み取る。さらに、コントローラ２２６は、クロマトグラムのピークを特性化し、計算し、特定することができる。このようにして、コントローラ２２６は、選択された時間だけサンプルをクロマトグラフィカラムに選択的に導入し、クロマトグラフィカラムを通るガスの流れを逆にし、検出器を通る逆の流れを指示して、時間の経過に伴う検出器の応答を観察及び／又は記録することができる。これにより、サンプルに対するクロマトグラフィ分析が可能になる。
【0015】
図４は、サイドカートソリューションで使用される従来技術の火炎光度検出器の拡大図である。示されているように、火炎光度検出器バーナー３０は光電子増倍モジュール３２に近接して配置されている。制御モジュール３４は光電子増倍管モジュール３２の上に配置され、バーナー３０と光電子増倍管モジュール３２を制御する。例として、制御モジュール３４は、光電子増倍管３２からの応答信号を処理して増幅し、それをコントローラ２２６などの適切な処理デバイスに提供する。
【0016】
ここに記載されている実施態様に従って、図５に示すように、火炎光度検出器バーナーと光電子増倍管モジュールを切り離して、火炎光度検出器の主要な３つの構成要素を再配置し、制御モジュールと光電子増倍管モジュールを組み合わせた微小火炎光度検出器が提供される。見てわかるように、マイクロ火炎光度検出器３００は、ファイバーケーブル３０４を介して光電子増倍管及び制御モジュール３０２に結合されている。ある実施態様によれば、マイクロ火炎光度検出器３００は、プロセスガスクロマトグラフの温度制御されたオーブン２２の容積内に完全に収まることができる。したがって、以前はサイドカート全体であったものが、現在では基本的にガスクロマトグラフの筐体内に収まるようになった。
【0017】
【0018】
図６Ａ及び６Ｂは、従来技術の火炎光度検出器の断面図である。図６Ｂは、図６ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ガスクロマトグラフの代表的な火炎光度検出器バーナー４００が図のように配置されている。検出器４００は、光学及び光電子増倍管に結合するための取り付け部４２１を有する。
【0019】
動作中は、取り付け具４１７から空気が入り、取り付け具４１５から水素が入る。カラム流出（サンプル）ガスは、サンプルチューブ４２３を通して供給される。空気と水素はガス混合器４１４で混合し、燃焼室４１２に入る。着火器４１９で着火し、燃焼室４１２内でガスを燃焼させる。熱電対４１３は、取り付け具４１１の排気経路４１０を通して放出される火炎と燃焼ガスの状態を監視する。火炎から特定の波長の光が発生し、検出される。火炎光度検出器の応答は、ガス混合器４１４に対するサンプルチューブ４２３の終了位置４１８に非常に敏感である。火炎光度検出器の応答は、同じガス混合比でサンプルチューブ４２３を上下に動かすことによって最大にすることができる。天然ガス中の硫黄成分の検出など、ほとんどの用途では安全上の理由から、火炎光度検出器バーナーから燃焼ガスを適切にベントする必要がある。
【0020】
図７Ａ及び７Ｂは、それぞれ本発明の１つの実施態様によるマイクロ火炎光度検出器の透視図及び側面図である。燃焼炎からの排気を効率的に経路指定するために、マイクロ火炎光度検出器５００内の内部排気経路は、バーナーの物理的サイズを最小化し配管を簡素化するために必要な正確な位置にベント取り付け具を再経路指定する。本発明の実施態様のこれらの内部流路は、図７Ｃ、７Ｄ、及び７Ｅにより詳細に示されている。マイクロ火炎光度検出器５００は、燃焼室本体５１０、コネクタ５１２、カバー５１１を含む。
【0021】
説明を明確にするため、図７Ｃは図７ＢのＡ-Ａ線を横断した断面図である。同様に、図７Ｄは、図７Ｂの線Ｂ-Ｂを横断した断面図である。図７Ｅは、マイクロ火炎光度検出器の部分断面図である。図７Ｆは、図７Ｄの円「Ｃ」から取った拡大断面図である。
【0022】
一般的に、空気は取り付け具５１６から、水素は取り付け具５１７から、サンプルガスはカラムから取り付け具５３０からバーナーに入る。空気と水素はガス混合器５１８で混合され、燃焼室５６０で燃焼される。
【0023】
燃焼ガスはその後、燃焼室本体５１０の排気経路５４０Ａ及び５４０Ｂ、コネクタ５１２の経路５４１Ａ、５４１Ｂ、及び５４１Ｃ、そして取り付け具５１４の経路５４２を通って排出される。排気経路の交差ドリル穴は、標準的な鋼球５１３Ａと５１３Ｂで簡単に塞ぐことができ、バーナーの物理的なサイズを簡素化し、最小限に抑えることができる。ただし、排気経路は任意の適切な方法でプラグを差し込むことができる。
【0024】
図８は、本発明の１つの実施態様によるマイクロ火炎光度検出器のための熱電対／点火装置の組み合わせアセンブリの透視図である。図８の構造では、火炎光度検出器に必要な点火装置と熱電対が一体化されている。この一体構造５５０は、図７Ｄ及び７Ｅに示す燃焼室５６０へのシングルアクセスのみを必要とする。
【0025】
図９は、本発明の１つの実施態様によるマイクロ火炎光度検出器用の熱電対／点火装置の組み合わせアセンブリの分解図である。総合温度感知点火装置５５０は、一般に、軸方向に延びる四つのボアを有するセラミック管５５２のような高温絶縁材料で構成される。点火装置５５１と熱電対５５３は二つのボアを貫通し、点火装置５５１のリード５５１Ａと５５１Ｂはセラミックチューブ５５２のボア５５２Ａと５５２Ｂを貫通する。リード５５３Ａ及び５５３Ｂは、セラミックチューブ５５２のボア５５２Ｃ及び５５２Ｄを通過する。リード５５１Ａ、５５１Ｂ、５５３Ａ、及び５５３Ｂは、点火を制御し、燃焼室５６０内の温度を検出するために、コントローラ２２６又は他の適切な回路に動作的に結合される。四口径セラミックチューブ５５２は、点火装置５５１と熱電対５５３の両方のリード間に費用対効果の高い絶縁を提供する。
【0026】
火炎光度検出器の応答は、サンプルチューブ５３２の端とガス混合器５１８の間の相対位置Ｄ（図７Ｆに示す）に非常に敏感である。火炎光度検出器の応答は、サンプルチューブ５３２の終了位置５３２Ｅを調整することによって変更することができる。火炎光度検出器の応答が最大になると最適位置「Ｄ」が求められる。
【0027】
図７Ｆ及び図１０－１２に示すように、寸法Ｈ１は図７Ｄに示すようにＨ１＝Ｄ＋Ｈ２＋Ｈ３として計算できる。寸法Ｈ１は、取り付け具５３１に対して図１０に示されている。サンプルチューブ５３２は一般に、寸法Ｈ１を機械的に容易に制御できるように改良された取り付け具５３１に押し込まれる。つまり、図１０に示すように、サンプルチューブアセンブリの寸法Ｈ１を適切に制御することで、最適位置「Ｄ」を実現することができる。
【0028】
寸法Ｈ２は、ガス混合器５１８に関して図１１に示されている。燃焼室本体５１０内のガス混合器５１８の位置は、燃焼室本体５１０のショルダー「Ａ」（図１１に示す）とストップ「Ｂ」（図１２に示す）によって決定される。ガス混合器５１８は、燃焼室本体５１０の内糸とかみ合う外糸５８２によって燃焼室本体５１０に固定されている。
【0029】
燃焼室本体５１０に対する寸法Ｈ３を図１２に示す。したがって、製造時にサンプルチューブアセンブリのＨ１、ガス混合器５１８のＨ２、燃焼室本体５１０のＨ３を制御することで最適位置Ｄを実現できる。これは、メーカーが位置を事前に最適化できるため、ユーザーによる追加の最適化を必要としないことを意味する。ここで使用される「事前最適化」とは、メーカー又はシステムの製造中にポジションＤを最適化することを指す。これは、ユーザーによる各生産システムのユーザー最適化を必要とする、図６Ｂに関して示されたような以前の設計とは対照的である。その後、火炎光度検出器間の応答の再現性がよく制御され、火炎光度検出器を設定する手間が大幅に削減される。
【0030】
図１２に示すように、燃焼室５６０は一般に、丸みを帯びた部分５９４で平坦化された下部５９２と交わる湾曲した上部５９０を含む。この燃焼室５６０の半円形の形状は、ＦＰＤバーナーの物理的なサイズを最小限に抑えるのに役立つと考えられている。
【0031】
これまでに記述された実施態様は、一般的に、プロセスガスクロマトグラフの温度制御されたオーブン内に取り付けることができるマイクロ火炎光度検出器を提供するが、ここに記述された少なくともいくつかの実施態様は、より簡単で低コストの製造も容易にすると考えられる。例えば、図７Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆに示すように、燃焼室本体５１０とガス混合器５１８は、ガス混合器５１８を下から上に組み立てられるように設計されている。
【0032】
本発明は、好ましい実施態様を参照して説明されているが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】