可変容量型バラストチャンバを有するアナライザ及び分析方法
【解決手段】燃焼炉と、燃焼検出器を含む燃焼副生成物のガス流路と、導入された燃焼副生成物に呼応して移動する可動ピストンを有する、燃焼副生成物を受け取るための可変容量型バラストチャンバとから成るアナライザ。次に、前記チャンバから排出されたサンプルの一部を検出器へ導入し、元素を検出する。本発明に係る分析方法は、燃焼の完了が検出されるまで燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバに充填することと、次いで、前記可変容量型バラストチャンバから排出された燃焼副生成物中のサンプルの少なくとも一部を、対象元素の検出器を含む流路へ導入することとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連出願との関係]
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の規定に基づき、ジョエル Ｃ．ミッチェル（Joel C. Mitchell）らによる２００３年２月２８日出願の米国仮出願第６０／４５０，６３５号（発明の名称：元素アナライザ）の優先権を主張するものであり、該仮出願の開示内容全てを本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００２】
本発明は、元素アナライザと分析方法とに関し、より詳細には、可変容量型バラストチャンバを用いたアナライザと、アナライト（分析対象物）の回収及びその後のアナライト分析のための該バラストチャンバの使用とに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの理由により、有機物中の元素（炭素や水素、窒素等）を測定することが望まれている。レコ社（ミシガン州セントジョーゼフ）より商業的に入手可能なＣＨＮ２０００等の元素アナライザが様々な用途に用いられている。近年、食品業界では、窒素含有量によってサンプル中のタンパク質の量を決定することに関心が集まっている。よって、窒素含有量の測定は、栄養食品業界にこのための情報を提供する上で重要である。石炭サンプルやコークスサンプルの特性化には炭素／水素比が望まれるが、また一方、他の様々な有機物においては炭素、水素及び窒素の比率を測定することが望まれる。こうして、元素アナライザは、かねてからこれらを始めとする各種用途に用いられている。
【０００４】
一般に、単体の炭素や水素、窒素の分析についてはよく知られており、数種の文献、例えば、「微量分析方法」 Ｖｏｌ．１、ミッラ オシポヴナ コーシュン（Mirra Osipovna Korshun）（１９６４年）や、「有機元素の機器分析」、Ｒ．ベルチャー（R. Belcher）（１９７７年）、「有機元素分析−超微量、微量及びトレース量分析方法」、ヴォルフガング Ｊ．カーステン（Wolfgang J. Kirsten）（１９８３年）に記載されている。米国特許第４，５２５，３２８号には、約４．５Ｌのチャンバにアナライトを集めその後に分析を行う固定容量型バラストチャンバを用いたアナライザが開示されている。このシステムにおいては、チャンバ内にサンプルを集め、その後に収集サンプルの一部を検出することによって、該システムで用いる各種還元剤や吸収剤の急速な汚染を排除している。固定容量型バラストチャンバに装入する燃焼用酸素の量はかなり多いため、分析は、燃焼やバラストチャンバ充填のために相当な時間がかかる場合がある。また、燃焼副生成物（即ち、アナライトガス）は、比較的大容量のバラストチャンバ内で多少希釈されてしまう。従って、特に比較的少量のサンプルを分析する際に有用な元素アナライザとして、使用する酸素が少なく、より迅速で、且つより感度の高い元素アナライザが必要とされている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，５２５，３２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術の固定バラストシステムの改良に関するものであり、この改良は、可変容量型のバラストチャンバに可動ピストンと燃焼検出器とを設け、サンプルを燃焼させる際、燃焼検出器によって燃焼の完了が確認されるまで該チャンバが燃焼副生成物のみで満たされるようにするものである。典型的には、固定容量型バラストチャンバの容量と比べかなり少量のアナライトをより濃縮した形で捕集した後、可動ピストンを制御し可変容量型バラストチャンバからアナライトを放出する。該バラストチャンバからサンプルの一部を抽出し、炭素検出器及び水素検出器を通過させ、ドーザーバルブ（doser valve）に導いた後、窒素の検出を行う。可変容量型バラストチャンバを用い、且つ燃焼の完了を検出することによって燃焼副生成物の濃度を高めることができ、この濃度上昇によってより正確な結果をより迅速に得ることができる。好ましい一実施形態においては、可変容量型バラストチャンバの圧力を検出することに加え、該チャンバの位置も検出し、アナライザの可変バラスト充填低下補正係数及び圧力低下補正係数（variable ballast fill dilution and pressure dilution correction factors）を得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のシステムはアナライザを含むものであるが、このアナライザは、燃焼炉と、燃焼検出器を含む、前記燃焼炉から排出される燃焼副生成物のガス流路と、可動ピストンを備えたチャンバを含む可変容量型バラストチャンバとからなり、該ピストンは燃焼の完了が検出されるまで、導入された燃焼副生成物に呼応して前記容器内のある位置まで移動する。次に、前記バラストチャンバの入口を閉じ、出口を開く。次に、ピストンを移動させてサンプルの一部を検出器へ導入し、元素を検出する。
【０００８】
本発明に係る分析方法は、燃焼の完了が検出されるまで燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバに充填することと、次いで、前記可変容量型バラストチャンバから排出された燃焼副生成物中の少なくとも一種のサンプルを、対象元素の検出器を含む流路へ導入することとを含む。
【０００９】
このようなシステム及び方法を用いることによって、より少量の燃焼副生成物が収集されるので、より迅速な分析が可能となり、サンプルを燃焼させたり燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバへ輸送するためにシステムで用いる酸素量を少なくすることができ、また、集められた副生成物はより濃縮されるので、より正確な分析が行える。本発明の上述の及び他の特徴、目的及び利点については、添付図面及び以下の記載によって明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の分析方法には二種の段階が関与する。第一の段階とは、燃焼炉へ供給する燃焼用・キャリア用ガスとして酸素を用い、燃焼副生成物をろ過し、燃焼検出器を経由させて輸送し、可変容量型バラストチャンバ内へ回収する、燃焼及び回収段階である。燃焼段階の後に分析段階を行うが、この段階では、回収した燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバから放出し、流路内の検出器、例えば、赤外線検出器を用いた炭素及び水素を検出するための第一の検出器と、熱伝導度セルを用いた窒素を検出するための第二の検出器とに導入する。
【００１１】
図１はシステム全体を最もよく示すものであって、アナライザ１０に本発明が具体化されている。このアナライザは抵抗燃焼炉３０を含み、該燃焼炉は、燃焼脚部３１とアフターバーナ脚部３３とを有するほぼＵ字型の燃焼管３２を含む。燃焼炉３０は、全体として米国特許第４，５２５，３２８号に開示のタイプであり、秤１２で計量され、ゼロブランクローディングヘッド１４によって燃焼炉３０、特にその燃焼脚部３１の注入口３５に導入されるサンプルを加熱する。ローディングヘッドは米国特許第６，２９１，８０２号に開示のタイプであってもよく、このローディングヘッドによって、米国特許第６，２７０，７２７号に開示されたタイプのセラミック燃焼坩堝３６の開口部にサンプルが重力落下により導入される。坩堝３６は、ガス透過性の多孔質支持プラグ３７によって燃焼管脚部３１内に保持されている。燃焼管３２のアフターバーナ脚部３３には、アルミナや酸化カルシウム等の試薬が含まれているが、これらの試薬は、石英ウールプラグによって該脚部内に保持されており、燃焼を促進し、硫黄酸化物等の望ましくない燃焼副生成物を除去するようになっている。当業者によく知られているように、他の物質を除去したい場合には、別の試薬を用いることができる。
【００１２】
ほぼＵ字型の燃焼管３２の脚部３１及び３３の周囲に設置された抵抗ヒータ３４によって、燃焼炉３０を約１０００℃まで加熱する。通常、燃焼させるサンプルの量は１グラムであり、サンプルとしては、機器の較正及び試験用の標準品か、或いは実際の有機物サンプル（例えば、食料品や石炭、コークス、他の有機物等）を用いる。しかし、本発明のアナライザ１０においては、後述する独自の可変容量型バラストチャンバ１００を用いているため、サンプルの使用量をより少なくすることができる。
【００１３】
また、燃焼炉３０の注入口３５では、酸素供給源１５から燃焼用ガス（Ｏ２）を受け取るが、Ｏ２の流量は、酸素供給源から燃焼炉の注入口３５に続く導管１６内の並列流量制御バルブ１１、１３及び１７を選択的に作動させることによって、０．５Ｌ／分、１Ｌ／分、３Ｌ／分、５Ｌ／分及び６Ｌ／分の間で調整する。Ｏ２圧は圧力センサ１８によってモニタリングする。酸素は、酸素ランス３８を経由させてサンプル保持坩堝３６の開口部内へ噴出させ、サンプルを燃焼させる。燃焼副生成物（即ち、アナライト）は、脚部３３内の試薬を通過し、燃焼チャンバ３０の排出ポート３９から排出される。燃焼副生成物は導管４１によって移送され、第一のスクラバ４０を通過する。スクラバ４０はスチールウール或いはアンヒドロン材料から成り、ガス流から微粒子をろ過することができる。
【００１４】
水素サンプリングの有無に応じて、プレクーラ４３とドレーンバルブ４５を有する熱電クーラ４４とを含むクーラ４２を用いて、水分をシステムから除去する。ドレーンバルブ４５は、燃焼時には通常閉じており、回収された水分やバルブ内に移送された不純物を排出する場合にのみ開けられる。しかし、水素を検出したい場合には、クーラ４２を迂回してスクラバ４０を第二のスクラバ４８に直接連結する。スクラバ４８は、ガス流から約１０〜１００ミクロンの微粒状物をろ過するための微細ろ過媒体を有する第二の微粒子フィルタである。ろ過された燃焼副生成物は導管４９を流れた後、ＣＯ２ＩＲセルを有する燃焼検出器５０を通過する。燃焼検出器５０は、坩堝３６内でのサンプル燃焼によって生じたガス流中のＣＯ２をモニタリングする。
【００１５】
燃焼検出器５０は図３に示すＣＰＵ２２０に連結されており、ＣＯ２濃度のピークが現われ、そのピークが約９０％〜約９９．９％（好ましくは、約９９％）減少したことを検出器５０によってモニタリングし、燃焼ガスを全て可変容量型バラストチャンバ１００内に回収できるようになっている。水素を分析する場合には、前記ＣＯ２燃焼モニター検出器の代わりにＨ２Ｏ検出器を用いて燃焼プロセスをモニタリングする。燃焼時には、導管５１内のアナライトを可変容量型バラストチャンバ１００に導入できるようチャンバ１００の注入口バルブ１０２を開く。この時、排気バルブ１０４、排出バルブ１０６及びパージバルブ１０８は閉じておく。Ｏ２キャリアガスと共に、燃焼副生成物がチャンバ１００内に流れる。燃焼の完了が検出されると、後述のようにＣＰＵ２２０によって各種バルブが制御され、アナライト回収段階が終了し、次に、アナライザ１０の操作によるガス分析段階に入る。
【００１６】
可変容量型バラストチャンバ１００を図２に示す。チャンバ１００は、ベース１１２とシールカバー１１４とにシール可能に連結されたほぼ円筒状の容器１１０と、シールキャップ１３６とを含む。該容器は、ねじ棒１１３とキャップナット１１５によって、カバー１１４とベース１１２との間に固定されている。円筒状容器１１０はパイレックス(登録商標）等の精密無孔材料（precision bore clear material）から成るのが好ましい。円筒状容器１１０は、上下に間隔を置いて設置された一対のＯリング１２１及び１２３を有する可動ピストン１２０を収容しており、円筒状容器１１０の内壁とピストン１２０との間はシールされている。図１に示す注入口バルブ１０２は、チャンバ１００のベース１１２に延在する注入ポート１０３に連結されている。燃焼時には、検出器５０によって燃焼の完了が検出され、ＣＰＵ２２０（図３に示す）によって注入口バルブ１０２と酸素フローバルブ１１、１３及び１７とが閉じられるまで、加圧された燃焼副生成物（約１．７ＰＳＩ）によって、図２の矢印Ａで示す方向へピストン１２０が押し上げられる。ピストン１２０は、ピストンの頂部に連結されカバー１１４の開口部１３４を通して延在するケーブル１２５によってロータリー・エンコーダ１３０に連結されている。ケーブル１２５は好適な部品１２７によってピストン１２０に連結されている。部品１２７は、ケーブル１２５端上のスペードラグ１２８と、部品１２７上のファスナ受入ポスト１２９とを有する。ケーブル１２５に連結されているロータリー・エンコーダ１３０は、Ｃｅｌｅｓｃｏ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（カリフォルニア州チャッツワース）より入手可能なモデルＰＴＸ１５０とすることができ、或いはそれに相当するものであってもよい。ケーブル１２５の下端１３１はピストンに連結されており、上端１３２はロータリー・エンコーダ１３０に連結されている。また、ロータリー・エンコーダ１３０は、好適な接続用ケーブル１１７によって図３のＣＰＵ２２０に電気的に連結されている。エンコーダ１３０によって燃焼後のピストン１２０の位置を示すデータが得られるが、後述のように、このデータを用いて充填体積低下補正係数（fill volume dilution correction factor）が得られる。
【００１７】
円筒状容器１１０の既知の直径とベース１１２からのピストン１２０の下面１２４の高さとによって、燃焼後に可変容量型バラストチャンバ１００内に含まれているガスの体積を求めることができる。制御バルブ１０２〜１０８、可変容量型バラストチャンバ１００、及びドーザーバルブ１６０は、図１に点線で示した加熱チャンバ１４０によって一定温度（約５０℃）に保たれており、一般の気体法則ＰＶ＝ｎＲＴで表わされるガス体積と濃度との関係からこの式の変数としての温度を除くようになっている。ガスの濃度、即ち、ガスのモル数（ｎ）は、回収したガスの体積とその圧力の一次関数（direct function）である。一方、ガス体積はピストン１２０の変位に直接関連しており、チャンバ１１０内でピストン１２０の下方に回収されたアナライトの濃度をピストン変位の関数として直接求められるようになっている。よって、ピストン１２０がベース１１２の表面からの距離の１／４移動すると、その距離の１／２移動する場合とは異なり、回収されたガスの濃度は、ピストンがチャンバの末端へ向かって半分移動するような回収の場合の２倍になる。このようなピストンの位置の検出はＣＰＵ２２０を用いて行われ、次式：ＶＣＦ＝Ｖｄ／Ｖｓ（式中、Ｖｄはピストンの移動に基づき燃焼後に検出される体積であり、Ｖｓは既知の標準条件下での体積である）によって標準条件（ＳＴＰ）と比較して、ガス濃度を補正するための体積低下補正係数（volume dilution correction factor）（ＶＣＦ）が得られる。
【００１８】
ガスの濃度は、バラストチャンバ１００内の圧力の一次関数でもある。この圧力は、熱伝導度モジュール１７０のポート１７７と三方バルブ１０９とに連結された導管１０７を経由して、チャンバ１００の出口１０５（図２）に連結された圧力センサ１１１（図１）によっても測定される。バルブ１０９はまた、もう一方の位置にある場合には、ヘリウムキャリアガス圧力のモニタリングに用いる。燃焼完了時に得られたこの圧力測定値を用いて、次式：ＰＣＦ＝Ｐｄ／Ｐｓ（式中、Ｐｄは燃焼後に検出される圧力であり、Ｐｓは既知の標準条件下での圧力である）によって、アナライトの最終計算用の標準圧力に対する圧力低下補正係数（pressure dilution correction factor）（ＰＣＦ）が得られる。
【００１９】
これらの補正係数（ＶＣＦ及びＰＣＦ）をＣＰＵ２２０のプログラムで用いて、上述のアナライザで用いられる各種検出器で検出した元素の最終濃度が得られる。
【００２０】
一旦ガスが回収されると、システム内を最もゆっくりと移動するアナライトの燃焼の完了を燃焼検出器５０によって確認した後、バルブ１０２を閉じ、チャンバ１００内のガスが平衡となるよう約２０秒間経過させる。ピストンの位置はエンコーダ１３０によって確認され、ＣＰＵ２２０内のメモリに供給されるが、これによってピストン位置がＶｄに変換される。同様に、センサ１１１によって得られた圧力ＰｄはＣＰＵメモリに保存される。ガスが平衡となった後、バルブ１０６を開き、チャンバ１００内に回収された燃焼副生成物の一部を空気圧の印加によって外部に排出するが、その際、１２ｐｓｉの加圧流体供給源（例えば空気供給源１４２（図１））から供給される空気をＣＰＵ２２０で制御されるバルブ１４４を経由させ、更にチャンバ１００（図２）の頂部壁１１４の開口部１３４に連通しているシールキャップ１３６の空気注入部１３５を経由させてチャンバ内に導入する。
【００２１】
図１に示すように、燃焼副生成物は、導管１５１と、Ｈ２測定用ＩＲセル１５０と、Ｃ測定用ＩＲセル１５２とを含む流路内を通過させた後、この段階で開いているバルブ１５４を通過させ、ドーザーバルブ１６０のポートＥに導入する。ドーザーバルブ１６０も加熱チャンバ１４０内に含まれている。次いで、サンプルガスはポートＣに移動し、ドーザーループ１６１を経由してポートＦに移動し、更に、ポートＤに連結された排気管１６３を通過する。サンプルガスは、ピストン１２０の移動によってこの流路内に約１５秒間押し込められる。同時に、Ｈｅバルブ１６８の作動によって、Ｈｅキャリアガスが供給源１６２から導管１６６内のフィルタ１６４を経由し、熱伝導度モジュール１７０の注入ポート１６７へ流れる。Ｈｅガスはポート１６９を経由してモジュール１７０を出て、１２ｐｓｉ圧力レギュレータ１７２及びスクラバ１７４を通過し、熱伝導度モジュール１７０のポート１７６へ移動する。次に、このＨｅはフロー測定デバイス１７８を経由してＴジャンクション１８０へ流れる。次に、Ｈｅの一部は熱伝導度モジュール１７０を出て、ポート１８６及びバルブ１８８を通過する。次に、Ｈｅはドーザーバルブ１６０のポートＧへ流れる。そこから、ポートＨを出てポートＡへ迂回し、ポートＢからドーザーバルブを出ることによって、Ｈｅはループ状に通過する。
【００２２】
このようなループ状の通過を１５秒間行った後、ＣＰＵ２２０によってバルブ１０６及び１５４を閉じ、ドーザーループ１６１内の分割量約３ｍＬのサンプルガスが平衡となるよう約２秒間経過させる。次に、ＣＰＵによってＨ２Ｏ検出器及びＣＯ２ＩＲ検出器を読み取り、ＣＰＵによってドーザーバルブ１６０を作動させる。この段階で、Ｈｅキャリアガスは、ドーザーバルブ１６０において（点線で示すように）ポートＧからポートＦへ一掃され、更にループ１６１を経由してポートＣからポートＢへ一掃され、サンプルガスが導管１９０内へ運ばれる。次に、サンプルガスとＨｅは、約７５０℃に加熱した銅（Ｃｕ）が充填された還元管１９２内を流れ、残存している酸素が除去され、ＮＯが遊離窒素（Ｎ２）に転化された後、スクラバ１９４内を流れる。スクラバ１９４には、ＣＯ２を除去するためのケイ酸ナトリウム水和物（sodium hydrate silicate）とガス流から水分を除去するアンヒドロンとが含まれている。
【００２３】
ここで、導管１９６内の遊離窒素とヘリウムキャリアガスは、３００ｃｃ／分フローコントローラ１９８を経由して熱伝導度モジュール１７０の窒素サンプル注入ポート２００に流れ、更に熱伝導度測定デバイス２０２を通過する。デバイス２０２はＣＰＵ２２０に連結されており、検出された窒素濃度に関するデータが得られるようになっている。測定終了後、ガスを排気口バルブ２０４から排気する。セル２０２による窒素濃度の測定時には、Ｔジャンクション１８０におけるＨｅキャリアガスは、フロー制限器１８２を経由して熱伝導度参照セル１８４にも流れる一方、第二のヘリウム流路がポート１８６で熱伝導度モジュールを出ていく。
【００２４】
分析流路によって、可変容量型バラストチャンバ１００より排出されたガスから回収ガスの一部を得ることができる。この回収ガスは比較的濃度が高く、ピストン１２０の位置を検出することによって、ある基準に対しノーマライズすることができる。各種バルブや燃焼炉の制御の他、ガスの体積ひいては濃度の測定及び検出は図３に示すＣＰＵ２２０によって行う。ＣＰＵは秤１２からサンプルサイズに関する入力シグナルを受信し、ローディングヘッド１４を制御してサンプルを燃焼チャンバ内に落下させる。また、ＣＰＵは、好適なパワー制御モジュールによって炉３０へのパワーの供給も制御する。更に、ＣＰＵは、バルブ１１、１３、１７、４５、１０２、１０４、１０６、１０８、１０９、１４４、１５４、１６０、１６８、１８８及び２０４の操作を上述の順序で制御するようにプログラムされている。燃焼完了検出器５０からＣＰＵへ入力シグナルが送信され、ＣＰＵによって燃焼の完了を確認し、バルブ１０２を閉じるが、その際、ＣＰＵは、可変容量型バラストチャンバ１００のピストン位置センサ１３０からデータを受信する。検出された水素濃度に関する入力シグナルがＨ２Ｏ検出器１５０によってＣＰＵへ送信される一方、検出された炭素量に関するシグナルがＣＯ２検出器１５２によってＣＰＵへ送信される。最後に、ＣＰＵに連結された熱伝導度検出器２０２によって、サンプル内で検出された窒素レベルを示すシグナルがＣＰＵへ送信される。ＣＰＵをプリンタ２２２に連結して、検出された濃度の結果を印刷することができる。ＣＰＵは従来通りにプログラムし、図１に示す赤外線検出器や熱伝導度検出器から得たデータを用い、標準ＡＳＴＭ規格に基づいてサンプルを分析する。
【００２５】
また、ＣＰＵは、ロータリー・エンコーダ１３０からのシグナルやセンサ１１１によって検出された圧力を用いて、回収ガスの相対体積に基づく検出サンプルガス濃度に対して補正係数（ＶＣＦ及びＰＣＦ）を適用するようにもプログラムされている。このようなシグナルは、回収ガスの体積及び容器１１０内の回収ガスの濃度に対して直線性を示す。これによって、比較的少量のアナライトガスをより濃縮した形でより迅速に回収することができ、更に、燃焼や容器１１０に回収されたガスの体積測定に用いる酸素を少なくすることができる。よく知られているように、一分析サイクル終了後には、アナライザをパージして次の分析サイクルに備えて調整を行う。供給源１５から供給されるＯ２は燃焼ループのパージに用い、バルブ１０４を開いて排気し、一方、供給源１６２から供給されるＨｅはドーザーループのパージに用い、バルブ２０４を開いて排気する。可変容量型バラストチャンバと燃焼検出器を用いることにより、燃焼アナライト分析のための改良型アナライザであって、より正確でより迅速な、且つ分析時の酸素使用量が少ないアナライザが提供される。
【００２６】
添付クレームによって規定された本発明の精神や範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の本発明の好ましい実施形態に対して様々な修正を行うことができることは、当業者には明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の可変容量型バラストチャンバを組み入れたアナライザのフロー図（一部ブロック図や概略図を含む）である。
【図２】本発明の可変容量型バラストチャンバの斜視図である。
【図３】本発明のアナライザの制御システムの電気回路ブロック図である。
【技術分野】
【０００１】
[関連出願との関係]
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の規定に基づき、ジョエル Ｃ．ミッチェル（Joel C. Mitchell）らによる２００３年２月２８日出願の米国仮出願第６０／４５０，６３５号（発明の名称：元素アナライザ）の優先権を主張するものであり、該仮出願の開示内容全てを本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００２】
本発明は、元素アナライザと分析方法とに関し、より詳細には、可変容量型バラストチャンバを用いたアナライザと、アナライト（分析対象物）の回収及びその後のアナライト分析のための該バラストチャンバの使用とに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの理由により、有機物中の元素（炭素や水素、窒素等）を測定することが望まれている。レコ社（ミシガン州セントジョーゼフ）より商業的に入手可能なＣＨＮ２０００等の元素アナライザが様々な用途に用いられている。近年、食品業界では、窒素含有量によってサンプル中のタンパク質の量を決定することに関心が集まっている。よって、窒素含有量の測定は、栄養食品業界にこのための情報を提供する上で重要である。石炭サンプルやコークスサンプルの特性化には炭素／水素比が望まれるが、また一方、他の様々な有機物においては炭素、水素及び窒素の比率を測定することが望まれる。こうして、元素アナライザは、かねてからこれらを始めとする各種用途に用いられている。
【０００４】
一般に、単体の炭素や水素、窒素の分析についてはよく知られており、数種の文献、例えば、「微量分析方法」 Ｖｏｌ．１、ミッラ オシポヴナ コーシュン（Mirra Osipovna Korshun）（１９６４年）や、「有機元素の機器分析」、Ｒ．ベルチャー（R. Belcher）（１９７７年）、「有機元素分析−超微量、微量及びトレース量分析方法」、ヴォルフガング Ｊ．カーステン（Wolfgang J. Kirsten）（１９８３年）に記載されている。米国特許第４，５２５，３２８号には、約４．５Ｌのチャンバにアナライトを集めその後に分析を行う固定容量型バラストチャンバを用いたアナライザが開示されている。このシステムにおいては、チャンバ内にサンプルを集め、その後に収集サンプルの一部を検出することによって、該システムで用いる各種還元剤や吸収剤の急速な汚染を排除している。固定容量型バラストチャンバに装入する燃焼用酸素の量はかなり多いため、分析は、燃焼やバラストチャンバ充填のために相当な時間がかかる場合がある。また、燃焼副生成物（即ち、アナライトガス）は、比較的大容量のバラストチャンバ内で多少希釈されてしまう。従って、特に比較的少量のサンプルを分析する際に有用な元素アナライザとして、使用する酸素が少なく、より迅速で、且つより感度の高い元素アナライザが必要とされている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，５２５，３２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術の固定バラストシステムの改良に関するものであり、この改良は、可変容量型のバラストチャンバに可動ピストンと燃焼検出器とを設け、サンプルを燃焼させる際、燃焼検出器によって燃焼の完了が確認されるまで該チャンバが燃焼副生成物のみで満たされるようにするものである。典型的には、固定容量型バラストチャンバの容量と比べかなり少量のアナライトをより濃縮した形で捕集した後、可動ピストンを制御し可変容量型バラストチャンバからアナライトを放出する。該バラストチャンバからサンプルの一部を抽出し、炭素検出器及び水素検出器を通過させ、ドーザーバルブ（doser valve）に導いた後、窒素の検出を行う。可変容量型バラストチャンバを用い、且つ燃焼の完了を検出することによって燃焼副生成物の濃度を高めることができ、この濃度上昇によってより正確な結果をより迅速に得ることができる。好ましい一実施形態においては、可変容量型バラストチャンバの圧力を検出することに加え、該チャンバの位置も検出し、アナライザの可変バラスト充填低下補正係数及び圧力低下補正係数（variable ballast fill dilution and pressure dilution correction factors）を得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のシステムはアナライザを含むものであるが、このアナライザは、燃焼炉と、燃焼検出器を含む、前記燃焼炉から排出される燃焼副生成物のガス流路と、可動ピストンを備えたチャンバを含む可変容量型バラストチャンバとからなり、該ピストンは燃焼の完了が検出されるまで、導入された燃焼副生成物に呼応して前記容器内のある位置まで移動する。次に、前記バラストチャンバの入口を閉じ、出口を開く。次に、ピストンを移動させてサンプルの一部を検出器へ導入し、元素を検出する。
【０００８】
本発明に係る分析方法は、燃焼の完了が検出されるまで燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバに充填することと、次いで、前記可変容量型バラストチャンバから排出された燃焼副生成物中の少なくとも一種のサンプルを、対象元素の検出器を含む流路へ導入することとを含む。
【０００９】
このようなシステム及び方法を用いることによって、より少量の燃焼副生成物が収集されるので、より迅速な分析が可能となり、サンプルを燃焼させたり燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバへ輸送するためにシステムで用いる酸素量を少なくすることができ、また、集められた副生成物はより濃縮されるので、より正確な分析が行える。本発明の上述の及び他の特徴、目的及び利点については、添付図面及び以下の記載によって明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の分析方法には二種の段階が関与する。第一の段階とは、燃焼炉へ供給する燃焼用・キャリア用ガスとして酸素を用い、燃焼副生成物をろ過し、燃焼検出器を経由させて輸送し、可変容量型バラストチャンバ内へ回収する、燃焼及び回収段階である。燃焼段階の後に分析段階を行うが、この段階では、回収した燃焼副生成物を可変容量型バラストチャンバから放出し、流路内の検出器、例えば、赤外線検出器を用いた炭素及び水素を検出するための第一の検出器と、熱伝導度セルを用いた窒素を検出するための第二の検出器とに導入する。
【００１１】
図１はシステム全体を最もよく示すものであって、アナライザ１０に本発明が具体化されている。このアナライザは抵抗燃焼炉３０を含み、該燃焼炉は、燃焼脚部３１とアフターバーナ脚部３３とを有するほぼＵ字型の燃焼管３２を含む。燃焼炉３０は、全体として米国特許第４，５２５，３２８号に開示のタイプであり、秤１２で計量され、ゼロブランクローディングヘッド１４によって燃焼炉３０、特にその燃焼脚部３１の注入口３５に導入されるサンプルを加熱する。ローディングヘッドは米国特許第６，２９１，８０２号に開示のタイプであってもよく、このローディングヘッドによって、米国特許第６，２７０，７２７号に開示されたタイプのセラミック燃焼坩堝３６の開口部にサンプルが重力落下により導入される。坩堝３６は、ガス透過性の多孔質支持プラグ３７によって燃焼管脚部３１内に保持されている。燃焼管３２のアフターバーナ脚部３３には、アルミナや酸化カルシウム等の試薬が含まれているが、これらの試薬は、石英ウールプラグによって該脚部内に保持されており、燃焼を促進し、硫黄酸化物等の望ましくない燃焼副生成物を除去するようになっている。当業者によく知られているように、他の物質を除去したい場合には、別の試薬を用いることができる。
【００１２】
ほぼＵ字型の燃焼管３２の脚部３１及び３３の周囲に設置された抵抗ヒータ３４によって、燃焼炉３０を約１０００℃まで加熱する。通常、燃焼させるサンプルの量は１グラムであり、サンプルとしては、機器の較正及び試験用の標準品か、或いは実際の有機物サンプル（例えば、食料品や石炭、コークス、他の有機物等）を用いる。しかし、本発明のアナライザ１０においては、後述する独自の可変容量型バラストチャンバ１００を用いているため、サンプルの使用量をより少なくすることができる。
【００１３】
また、燃焼炉３０の注入口３５では、酸素供給源１５から燃焼用ガス（Ｏ２）を受け取るが、Ｏ２の流量は、酸素供給源から燃焼炉の注入口３５に続く導管１６内の並列流量制御バルブ１１、１３及び１７を選択的に作動させることによって、０．５Ｌ／分、１Ｌ／分、３Ｌ／分、５Ｌ／分及び６Ｌ／分の間で調整する。Ｏ２圧は圧力センサ１８によってモニタリングする。酸素は、酸素ランス３８を経由させてサンプル保持坩堝３６の開口部内へ噴出させ、サンプルを燃焼させる。燃焼副生成物（即ち、アナライト）は、脚部３３内の試薬を通過し、燃焼チャンバ３０の排出ポート３９から排出される。燃焼副生成物は導管４１によって移送され、第一のスクラバ４０を通過する。スクラバ４０はスチールウール或いはアンヒドロン材料から成り、ガス流から微粒子をろ過することができる。
【００１４】
水素サンプリングの有無に応じて、プレクーラ４３とドレーンバルブ４５を有する熱電クーラ４４とを含むクーラ４２を用いて、水分をシステムから除去する。ドレーンバルブ４５は、燃焼時には通常閉じており、回収された水分やバルブ内に移送された不純物を排出する場合にのみ開けられる。しかし、水素を検出したい場合には、クーラ４２を迂回してスクラバ４０を第二のスクラバ４８に直接連結する。スクラバ４８は、ガス流から約１０〜１００ミクロンの微粒状物をろ過するための微細ろ過媒体を有する第二の微粒子フィルタである。ろ過された燃焼副生成物は導管４９を流れた後、ＣＯ２ＩＲセルを有する燃焼検出器５０を通過する。燃焼検出器５０は、坩堝３６内でのサンプル燃焼によって生じたガス流中のＣＯ２をモニタリングする。
【００１５】
燃焼検出器５０は図３に示すＣＰＵ２２０に連結されており、ＣＯ２濃度のピークが現われ、そのピークが約９０％〜約９９．９％（好ましくは、約９９％）減少したことを検出器５０によってモニタリングし、燃焼ガスを全て可変容量型バラストチャンバ１００内に回収できるようになっている。水素を分析する場合には、前記ＣＯ２燃焼モニター検出器の代わりにＨ２Ｏ検出器を用いて燃焼プロセスをモニタリングする。燃焼時には、導管５１内のアナライトを可変容量型バラストチャンバ１００に導入できるようチャンバ１００の注入口バルブ１０２を開く。この時、排気バルブ１０４、排出バルブ１０６及びパージバルブ１０８は閉じておく。Ｏ２キャリアガスと共に、燃焼副生成物がチャンバ１００内に流れる。燃焼の完了が検出されると、後述のようにＣＰＵ２２０によって各種バルブが制御され、アナライト回収段階が終了し、次に、アナライザ１０の操作によるガス分析段階に入る。
【００１６】
可変容量型バラストチャンバ１００を図２に示す。チャンバ１００は、ベース１１２とシールカバー１１４とにシール可能に連結されたほぼ円筒状の容器１１０と、シールキャップ１３６とを含む。該容器は、ねじ棒１１３とキャップナット１１５によって、カバー１１４とベース１１２との間に固定されている。円筒状容器１１０はパイレックス(登録商標）等の精密無孔材料（precision bore clear material）から成るのが好ましい。円筒状容器１１０は、上下に間隔を置いて設置された一対のＯリング１２１及び１２３を有する可動ピストン１２０を収容しており、円筒状容器１１０の内壁とピストン１２０との間はシールされている。図１に示す注入口バルブ１０２は、チャンバ１００のベース１１２に延在する注入ポート１０３に連結されている。燃焼時には、検出器５０によって燃焼の完了が検出され、ＣＰＵ２２０（図３に示す）によって注入口バルブ１０２と酸素フローバルブ１１、１３及び１７とが閉じられるまで、加圧された燃焼副生成物（約１．７ＰＳＩ）によって、図２の矢印Ａで示す方向へピストン１２０が押し上げられる。ピストン１２０は、ピストンの頂部に連結されカバー１１４の開口部１３４を通して延在するケーブル１２５によってロータリー・エンコーダ１３０に連結されている。ケーブル１２５は好適な部品１２７によってピストン１２０に連結されている。部品１２７は、ケーブル１２５端上のスペードラグ１２８と、部品１２７上のファスナ受入ポスト１２９とを有する。ケーブル１２５に連結されているロータリー・エンコーダ１３０は、Ｃｅｌｅｓｃｏ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（カリフォルニア州チャッツワース）より入手可能なモデルＰＴＸ１５０とすることができ、或いはそれに相当するものであってもよい。ケーブル１２５の下端１３１はピストンに連結されており、上端１３２はロータリー・エンコーダ１３０に連結されている。また、ロータリー・エンコーダ１３０は、好適な接続用ケーブル１１７によって図３のＣＰＵ２２０に電気的に連結されている。エンコーダ１３０によって燃焼後のピストン１２０の位置を示すデータが得られるが、後述のように、このデータを用いて充填体積低下補正係数（fill volume dilution correction factor）が得られる。
【００１７】
円筒状容器１１０の既知の直径とベース１１２からのピストン１２０の下面１２４の高さとによって、燃焼後に可変容量型バラストチャンバ１００内に含まれているガスの体積を求めることができる。制御バルブ１０２〜１０８、可変容量型バラストチャンバ１００、及びドーザーバルブ１６０は、図１に点線で示した加熱チャンバ１４０によって一定温度（約５０℃）に保たれており、一般の気体法則ＰＶ＝ｎＲＴで表わされるガス体積と濃度との関係からこの式の変数としての温度を除くようになっている。ガスの濃度、即ち、ガスのモル数（ｎ）は、回収したガスの体積とその圧力の一次関数（direct function）である。一方、ガス体積はピストン１２０の変位に直接関連しており、チャンバ１１０内でピストン１２０の下方に回収されたアナライトの濃度をピストン変位の関数として直接求められるようになっている。よって、ピストン１２０がベース１１２の表面からの距離の１／４移動すると、その距離の１／２移動する場合とは異なり、回収されたガスの濃度は、ピストンがチャンバの末端へ向かって半分移動するような回収の場合の２倍になる。このようなピストンの位置の検出はＣＰＵ２２０を用いて行われ、次式：ＶＣＦ＝Ｖｄ／Ｖｓ（式中、Ｖｄはピストンの移動に基づき燃焼後に検出される体積であり、Ｖｓは既知の標準条件下での体積である）によって標準条件（ＳＴＰ）と比較して、ガス濃度を補正するための体積低下補正係数（volume dilution correction factor）（ＶＣＦ）が得られる。
【００１８】
ガスの濃度は、バラストチャンバ１００内の圧力の一次関数でもある。この圧力は、熱伝導度モジュール１７０のポート１７７と三方バルブ１０９とに連結された導管１０７を経由して、チャンバ１００の出口１０５（図２）に連結された圧力センサ１１１（図１）によっても測定される。バルブ１０９はまた、もう一方の位置にある場合には、ヘリウムキャリアガス圧力のモニタリングに用いる。燃焼完了時に得られたこの圧力測定値を用いて、次式：ＰＣＦ＝Ｐｄ／Ｐｓ（式中、Ｐｄは燃焼後に検出される圧力であり、Ｐｓは既知の標準条件下での圧力である）によって、アナライトの最終計算用の標準圧力に対する圧力低下補正係数（pressure dilution correction factor）（ＰＣＦ）が得られる。
【００１９】
これらの補正係数（ＶＣＦ及びＰＣＦ）をＣＰＵ２２０のプログラムで用いて、上述のアナライザで用いられる各種検出器で検出した元素の最終濃度が得られる。
【００２０】
一旦ガスが回収されると、システム内を最もゆっくりと移動するアナライトの燃焼の完了を燃焼検出器５０によって確認した後、バルブ１０２を閉じ、チャンバ１００内のガスが平衡となるよう約２０秒間経過させる。ピストンの位置はエンコーダ１３０によって確認され、ＣＰＵ２２０内のメモリに供給されるが、これによってピストン位置がＶｄに変換される。同様に、センサ１１１によって得られた圧力ＰｄはＣＰＵメモリに保存される。ガスが平衡となった後、バルブ１０６を開き、チャンバ１００内に回収された燃焼副生成物の一部を空気圧の印加によって外部に排出するが、その際、１２ｐｓｉの加圧流体供給源（例えば空気供給源１４２（図１））から供給される空気をＣＰＵ２２０で制御されるバルブ１４４を経由させ、更にチャンバ１００（図２）の頂部壁１１４の開口部１３４に連通しているシールキャップ１３６の空気注入部１３５を経由させてチャンバ内に導入する。
【００２１】
図１に示すように、燃焼副生成物は、導管１５１と、Ｈ２測定用ＩＲセル１５０と、Ｃ測定用ＩＲセル１５２とを含む流路内を通過させた後、この段階で開いているバルブ１５４を通過させ、ドーザーバルブ１６０のポートＥに導入する。ドーザーバルブ１６０も加熱チャンバ１４０内に含まれている。次いで、サンプルガスはポートＣに移動し、ドーザーループ１６１を経由してポートＦに移動し、更に、ポートＤに連結された排気管１６３を通過する。サンプルガスは、ピストン１２０の移動によってこの流路内に約１５秒間押し込められる。同時に、Ｈｅバルブ１６８の作動によって、Ｈｅキャリアガスが供給源１６２から導管１６６内のフィルタ１６４を経由し、熱伝導度モジュール１７０の注入ポート１６７へ流れる。Ｈｅガスはポート１６９を経由してモジュール１７０を出て、１２ｐｓｉ圧力レギュレータ１７２及びスクラバ１７４を通過し、熱伝導度モジュール１７０のポート１７６へ移動する。次に、このＨｅはフロー測定デバイス１７８を経由してＴジャンクション１８０へ流れる。次に、Ｈｅの一部は熱伝導度モジュール１７０を出て、ポート１８６及びバルブ１８８を通過する。次に、Ｈｅはドーザーバルブ１６０のポートＧへ流れる。そこから、ポートＨを出てポートＡへ迂回し、ポートＢからドーザーバルブを出ることによって、Ｈｅはループ状に通過する。
【００２２】
このようなループ状の通過を１５秒間行った後、ＣＰＵ２２０によってバルブ１０６及び１５４を閉じ、ドーザーループ１６１内の分割量約３ｍＬのサンプルガスが平衡となるよう約２秒間経過させる。次に、ＣＰＵによってＨ２Ｏ検出器及びＣＯ２ＩＲ検出器を読み取り、ＣＰＵによってドーザーバルブ１６０を作動させる。この段階で、Ｈｅキャリアガスは、ドーザーバルブ１６０において（点線で示すように）ポートＧからポートＦへ一掃され、更にループ１６１を経由してポートＣからポートＢへ一掃され、サンプルガスが導管１９０内へ運ばれる。次に、サンプルガスとＨｅは、約７５０℃に加熱した銅（Ｃｕ）が充填された還元管１９２内を流れ、残存している酸素が除去され、ＮＯが遊離窒素（Ｎ２）に転化された後、スクラバ１９４内を流れる。スクラバ１９４には、ＣＯ２を除去するためのケイ酸ナトリウム水和物（sodium hydrate silicate）とガス流から水分を除去するアンヒドロンとが含まれている。
【００２３】
ここで、導管１９６内の遊離窒素とヘリウムキャリアガスは、３００ｃｃ／分フローコントローラ１９８を経由して熱伝導度モジュール１７０の窒素サンプル注入ポート２００に流れ、更に熱伝導度測定デバイス２０２を通過する。デバイス２０２はＣＰＵ２２０に連結されており、検出された窒素濃度に関するデータが得られるようになっている。測定終了後、ガスを排気口バルブ２０４から排気する。セル２０２による窒素濃度の測定時には、Ｔジャンクション１８０におけるＨｅキャリアガスは、フロー制限器１８２を経由して熱伝導度参照セル１８４にも流れる一方、第二のヘリウム流路がポート１８６で熱伝導度モジュールを出ていく。
【００２４】
分析流路によって、可変容量型バラストチャンバ１００より排出されたガスから回収ガスの一部を得ることができる。この回収ガスは比較的濃度が高く、ピストン１２０の位置を検出することによって、ある基準に対しノーマライズすることができる。各種バルブや燃焼炉の制御の他、ガスの体積ひいては濃度の測定及び検出は図３に示すＣＰＵ２２０によって行う。ＣＰＵは秤１２からサンプルサイズに関する入力シグナルを受信し、ローディングヘッド１４を制御してサンプルを燃焼チャンバ内に落下させる。また、ＣＰＵは、好適なパワー制御モジュールによって炉３０へのパワーの供給も制御する。更に、ＣＰＵは、バルブ１１、１３、１７、４５、１０２、１０４、１０６、１０８、１０９、１４４、１５４、１６０、１６８、１８８及び２０４の操作を上述の順序で制御するようにプログラムされている。燃焼完了検出器５０からＣＰＵへ入力シグナルが送信され、ＣＰＵによって燃焼の完了を確認し、バルブ１０２を閉じるが、その際、ＣＰＵは、可変容量型バラストチャンバ１００のピストン位置センサ１３０からデータを受信する。検出された水素濃度に関する入力シグナルがＨ２Ｏ検出器１５０によってＣＰＵへ送信される一方、検出された炭素量に関するシグナルがＣＯ２検出器１５２によってＣＰＵへ送信される。最後に、ＣＰＵに連結された熱伝導度検出器２０２によって、サンプル内で検出された窒素レベルを示すシグナルがＣＰＵへ送信される。ＣＰＵをプリンタ２２２に連結して、検出された濃度の結果を印刷することができる。ＣＰＵは従来通りにプログラムし、図１に示す赤外線検出器や熱伝導度検出器から得たデータを用い、標準ＡＳＴＭ規格に基づいてサンプルを分析する。
【００２５】
また、ＣＰＵは、ロータリー・エンコーダ１３０からのシグナルやセンサ１１１によって検出された圧力を用いて、回収ガスの相対体積に基づく検出サンプルガス濃度に対して補正係数（ＶＣＦ及びＰＣＦ）を適用するようにもプログラムされている。このようなシグナルは、回収ガスの体積及び容器１１０内の回収ガスの濃度に対して直線性を示す。これによって、比較的少量のアナライトガスをより濃縮した形でより迅速に回収することができ、更に、燃焼や容器１１０に回収されたガスの体積測定に用いる酸素を少なくすることができる。よく知られているように、一分析サイクル終了後には、アナライザをパージして次の分析サイクルに備えて調整を行う。供給源１５から供給されるＯ２は燃焼ループのパージに用い、バルブ１０４を開いて排気し、一方、供給源１６２から供給されるＨｅはドーザーループのパージに用い、バルブ２０４を開いて排気する。可変容量型バラストチャンバと燃焼検出器を用いることにより、燃焼アナライト分析のための改良型アナライザであって、より正確でより迅速な、且つ分析時の酸素使用量が少ないアナライザが提供される。
【００２６】
添付クレームによって規定された本発明の精神や範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の本発明の好ましい実施形態に対して様々な修正を行うことができることは、当業者には明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の可変容量型バラストチャンバを組み入れたアナライザのフロー図（一部ブロック図や概略図を含む）である。
【図２】本発明の可変容量型バラストチャンバの斜視図である。
【図３】本発明のアナライザの制御システムの電気回路ブロック図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用サンプルを受け取るための燃焼炉と、
燃焼の完了を確認するための、前記燃焼炉から排出された燃焼副生成物の流路に連結された燃焼検出器と、
燃焼が完了するまで燃焼副生成物を受け取るための、燃焼副生成物の流路に連結された可変容量型バラストチャンバであって、可動ピストンと前記ピストンの位置を検出するためのセンサとを有する可変容量型バラストチャンバと、
前記ピストンの位置を検出するための前記センサに連結されており、前記ピストンの位置に基づいて燃焼副生成物のガス濃度のための体積補正係数を計算する制御装置とを有するアナライザ。
【請求項２】
前記燃焼検出器はＣＯ２を検出する、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項３】
前記燃焼検出器はＨ２Ｏを検出する、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項４】
前記可変容量型バラストチャンバは円筒状容器を有し、前記センサは、前記ピストンにケーブルによって連結されているロータリー・エンコーダである、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項５】
前記円筒状容器は、その一端に設置されたサンプルガス注入口及びサンプルガス排出口と、前記注入口に連結された第一の制御バルブと、前記排出口に連結された第二の制御バルブとを有し、前記可変容量型バラストチャンバへのサンプルガスの入出を制御するようになっている、請求項４に記載のアナライザ。
【請求項６】
前記円筒状容器は、前記一端の反対側の端において前記ガス注入口と反対側の前記ピストンの一側面上に設置された流体注入口と、加圧流体の供給源に連結された流体制御バルブとを有し、前記ピストンを選択的に移動させて、サンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバから前記サンプルガス排出口を経由して排出させるようになっている、請求項５に記載のアナライザ。
【請求項７】
前記第一の制御バルブ、第二の制御バルブ及び流体制御バルブはそれぞれ、前記各バルブを順次作動させてサンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバ内に導入する前記制御装置に連結されており、これによって、前記サンプルガスが前記可変容量型バラストチャンバ内で平衡となった後、前記可変容量型バラストチャンバからサンプルガスが排出される、請求項６に記載のアナライザ。
【請求項８】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＨ２Ｏセンサが連結されており、分析時にＨ２の濃度を検出する、請求項７に記載のアナライザ。
【請求項９】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＣＯ２センサが連結されており、分析時にＣの濃度を検出する、請求項７に記載のアナライザ。
【請求項１０】
サンプル中の元素の濃度を測定する方法であって、
サンプルを燃焼する工程と、
燃焼副生成物ガスを可変容量型バラストチャンバ内に回収する工程と、
燃焼の完了を検出する工程と、
燃焼完了時に前記可変容量型バラストチャンバによって回収されたガスの体積を測定する工程とを含む、方法。
【請求項１１】
前記回収工程は、可動ピストンを有する容器のサンプルガス注入口に燃焼副生成物ガスを導入し、前記検出工程によって燃焼の完了が確認されるまで前記ピストンが燃焼副生成物ガスの導入に呼応して移動するようにすることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記回収工程は更に、前記サンプルガス注入口に連結された注入口バルブと前記容器のサンプルガス排出口に連結された排出口バルブとを順次作動させて、燃焼副生成物ガスの導入及び捕獲を行うことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記回収工程は更に、前記容器の前記サンプルガス排出口と反対側の前記ピストンの一側面に設置された流体注入口に連結された制御バルブを作動させて、前記ピストンへ加圧流体を供給し、燃焼副生成物ガスを前記容器から排出することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記回収工程は更に、前記燃焼副生成物ガスを前記容器から排出する前に、前記燃焼副生成物ガスが平衡となるのに十分な時間を経過させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記検出工程は、前記容器への導入前に前記燃焼副生成物ガスの流れ（stream）中のＣＯ２を検出することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定工程は、前記ピストンの位置を検出することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記検出工程は、前記ピストンをケーブルによってエンコーダに連結して、前記ピストンが移動する際に、回収された燃焼副生成物ガスの体積に直接対応するピストン位置に関する情報が前記エンコーダによって得られるようにすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更に、次式：ＶＣＦ＝Ｖｄ／Ｖｓ（式中、Ｖｄはピストンの移動に基づき燃焼後に検出される体積であり、Ｖｓは既知の標準条件下での体積である）によって、元素の濃度を測定するための体積補正係数を提供する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
更に、前記可変容量型バラストチャンバ内に回収された燃焼副生成物の圧力を検出することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
更に、次式：ＰＣＦ＝Ｐｄ／Ｐｓ（式中、Ｐｄは燃焼後に検出される圧力であり、Ｐｓは既知の標準条件下での圧力である）によって、元素の濃度を測定するための圧力補正係数を提供する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
可変容量型バラストチャンバであって、
内壁と前記内壁に対しシール係合されるように前記容器に設置された可動ピストンとを有する容器と、
前記ピストンの位置を検出するために前記ピストンに連結されたセンサとを有する該バラストチャンバにおいて、
前記容器は前記ピストンの一側面にサンプルガス注入口を有し、前記注入口は注入口バルブに連結されており、また、前記容器は前記ピストンの前記一側面にサンプルガス排出口を有し、前記サンプルガス排出口は排出口制御バルブに連結されており、更に前記容器は、前記ピストンの反対側面に設置された、前記ピストンを移動させるための加圧流体を受ける注入口を有し、前記ピストンの前記反対側面が加圧された際に前記サンプルガス排出口を経由して回収ガスが放出されるようになっている、燃焼副生成物を回収するための可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２２】
前記容器は円筒状であって、その両端にシール板を有し、前記サンプルガス注入口及び前記サンプルガス排出口はそれぞれ、前記シール板の一方に形成されている、請求項２１に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２３】
前記センサは、前記ピストンにケーブルによって連結されたロータリー・エンコーダである、請求項２２に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２４】
前記ロータリー・エンコーダは前記シール板の他方に設置されている、請求項２３に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２５】
前記ロータリー・エンコーダは、前記ピストンに向かい合う前記シール板の前記他方の一側面に設置されており、前記シール板の前記他方は、前記ケーブルを前記ロータリー・エンコーダに連結させるための開口部を有し、更に、前記ロータリー・エンコーダ上にシール可能に設置されたシールキャップを有しており、前記加圧流体用の前記注入口は前記シールキャップに延在している、請求項２４に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２６】
元素アナライザであって、
燃焼用有機サンプルを受け取るための燃焼炉と、
前記燃焼炉から排出される燃焼副生成物を受け、燃焼の完了を確認するための、前記炉に連結された燃焼検出器と、
燃焼副生成物を受け取るための、可動ピストンを有し前記燃焼炉に連結された可変容量型バラストチャンバと、
燃焼の完了を検出し、燃焼完了の際に前記可変容量型バラストチャンバに燃焼副生成物を封じ込めるための、前記燃焼検出器に連結された制御装置とを有する、少なくとも炭素及び窒素の濃度を測定するための元素アナライザ。
【請求項２７】
前記可変容量型バラストチャンバは、前記ピストンの一側面にサンプルガス注入口とサンプルガス排出口とを有し、前記制御装置は、前記可変容量型バラストチャンバに燃焼副生成物を選択的に捕獲するための、前記注入口及び前記排出口に連結されたバルブを有する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項２８】
前記燃焼検出器はＣＯ２を検出する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項２９】
前記燃焼検出器はＨ２Ｏを検出する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項３０】
前記ピストンの位置を検出するためのセンサを更に有し、前記制御装置は、前記ピストンの位置に基づいて燃焼副生成物のガス濃度のための体積補正係数を計算するためのＣＰＵを有する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項３１】
前記可変容量型バラストチャンバは、前記ピストンの一側面に設置されたサンプルガス注入口及びサンプルガス排出口と、前記注入口に連結された注入口バルブと、前記排出口に連結された排出口バルブとを有する円筒状容器から成る、請求項３０に記載のアナライザ。
【請求項３２】
前記円筒状容器は、前記ピストンの反対側面に設置された流体注入口と、前記ピストンを選択的に移動させ、サンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバから前記サンプルガス排出口を経由させて排出するための加圧流体の供給源に連結された流体制御バルブとを有する、請求項３１に記載のアナライザ。
【請求項３３】
前記バルブはそれぞれ、前記各バルブを順次作動させてサンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバ内に導入するための前記ＣＰＵに連結されており、これによって、前記サンプルガスが前記可変容量型バラストチャンバ内で平衡となった後、前記可変容量型バラストチャンバからサンプルガスが排出される、請求項３２に記載のアナライザ。
【請求項３４】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＨ２Ｏセンサが連結されており、分析時にＨ２の濃度を検出する、請求項３３に記載のアナライザ。
【請求項３５】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＣＯ２センサが連結されており、分析時にＣの濃度を検出する、請求項３３に記載のアナライザ。
【請求項１】
燃焼用サンプルを受け取るための燃焼炉と、
燃焼の完了を確認するための、前記燃焼炉から排出された燃焼副生成物の流路に連結された燃焼検出器と、
燃焼が完了するまで燃焼副生成物を受け取るための、燃焼副生成物の流路に連結された可変容量型バラストチャンバであって、可動ピストンと前記ピストンの位置を検出するためのセンサとを有する可変容量型バラストチャンバと、
前記ピストンの位置を検出するための前記センサに連結されており、前記ピストンの位置に基づいて燃焼副生成物のガス濃度のための体積補正係数を計算する制御装置とを有するアナライザ。
【請求項２】
前記燃焼検出器はＣＯ２を検出する、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項３】
前記燃焼検出器はＨ２Ｏを検出する、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項４】
前記可変容量型バラストチャンバは円筒状容器を有し、前記センサは、前記ピストンにケーブルによって連結されているロータリー・エンコーダである、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項５】
前記円筒状容器は、その一端に設置されたサンプルガス注入口及びサンプルガス排出口と、前記注入口に連結された第一の制御バルブと、前記排出口に連結された第二の制御バルブとを有し、前記可変容量型バラストチャンバへのサンプルガスの入出を制御するようになっている、請求項４に記載のアナライザ。
【請求項６】
前記円筒状容器は、前記一端の反対側の端において前記ガス注入口と反対側の前記ピストンの一側面上に設置された流体注入口と、加圧流体の供給源に連結された流体制御バルブとを有し、前記ピストンを選択的に移動させて、サンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバから前記サンプルガス排出口を経由して排出させるようになっている、請求項５に記載のアナライザ。
【請求項７】
前記第一の制御バルブ、第二の制御バルブ及び流体制御バルブはそれぞれ、前記各バルブを順次作動させてサンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバ内に導入する前記制御装置に連結されており、これによって、前記サンプルガスが前記可変容量型バラストチャンバ内で平衡となった後、前記可変容量型バラストチャンバからサンプルガスが排出される、請求項６に記載のアナライザ。
【請求項８】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＨ２Ｏセンサが連結されており、分析時にＨ２の濃度を検出する、請求項７に記載のアナライザ。
【請求項９】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＣＯ２センサが連結されており、分析時にＣの濃度を検出する、請求項７に記載のアナライザ。
【請求項１０】
サンプル中の元素の濃度を測定する方法であって、
サンプルを燃焼する工程と、
燃焼副生成物ガスを可変容量型バラストチャンバ内に回収する工程と、
燃焼の完了を検出する工程と、
燃焼完了時に前記可変容量型バラストチャンバによって回収されたガスの体積を測定する工程とを含む、方法。
【請求項１１】
前記回収工程は、可動ピストンを有する容器のサンプルガス注入口に燃焼副生成物ガスを導入し、前記検出工程によって燃焼の完了が確認されるまで前記ピストンが燃焼副生成物ガスの導入に呼応して移動するようにすることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記回収工程は更に、前記サンプルガス注入口に連結された注入口バルブと前記容器のサンプルガス排出口に連結された排出口バルブとを順次作動させて、燃焼副生成物ガスの導入及び捕獲を行うことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記回収工程は更に、前記容器の前記サンプルガス排出口と反対側の前記ピストンの一側面に設置された流体注入口に連結された制御バルブを作動させて、前記ピストンへ加圧流体を供給し、燃焼副生成物ガスを前記容器から排出することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記回収工程は更に、前記燃焼副生成物ガスを前記容器から排出する前に、前記燃焼副生成物ガスが平衡となるのに十分な時間を経過させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記検出工程は、前記容器への導入前に前記燃焼副生成物ガスの流れ（stream）中のＣＯ２を検出することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定工程は、前記ピストンの位置を検出することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記検出工程は、前記ピストンをケーブルによってエンコーダに連結して、前記ピストンが移動する際に、回収された燃焼副生成物ガスの体積に直接対応するピストン位置に関する情報が前記エンコーダによって得られるようにすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更に、次式：ＶＣＦ＝Ｖｄ／Ｖｓ（式中、Ｖｄはピストンの移動に基づき燃焼後に検出される体積であり、Ｖｓは既知の標準条件下での体積である）によって、元素の濃度を測定するための体積補正係数を提供する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
更に、前記可変容量型バラストチャンバ内に回収された燃焼副生成物の圧力を検出することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
更に、次式：ＰＣＦ＝Ｐｄ／Ｐｓ（式中、Ｐｄは燃焼後に検出される圧力であり、Ｐｓは既知の標準条件下での圧力である）によって、元素の濃度を測定するための圧力補正係数を提供する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
可変容量型バラストチャンバであって、
内壁と前記内壁に対しシール係合されるように前記容器に設置された可動ピストンとを有する容器と、
前記ピストンの位置を検出するために前記ピストンに連結されたセンサとを有する該バラストチャンバにおいて、
前記容器は前記ピストンの一側面にサンプルガス注入口を有し、前記注入口は注入口バルブに連結されており、また、前記容器は前記ピストンの前記一側面にサンプルガス排出口を有し、前記サンプルガス排出口は排出口制御バルブに連結されており、更に前記容器は、前記ピストンの反対側面に設置された、前記ピストンを移動させるための加圧流体を受ける注入口を有し、前記ピストンの前記反対側面が加圧された際に前記サンプルガス排出口を経由して回収ガスが放出されるようになっている、燃焼副生成物を回収するための可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２２】
前記容器は円筒状であって、その両端にシール板を有し、前記サンプルガス注入口及び前記サンプルガス排出口はそれぞれ、前記シール板の一方に形成されている、請求項２１に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２３】
前記センサは、前記ピストンにケーブルによって連結されたロータリー・エンコーダである、請求項２２に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２４】
前記ロータリー・エンコーダは前記シール板の他方に設置されている、請求項２３に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２５】
前記ロータリー・エンコーダは、前記ピストンに向かい合う前記シール板の前記他方の一側面に設置されており、前記シール板の前記他方は、前記ケーブルを前記ロータリー・エンコーダに連結させるための開口部を有し、更に、前記ロータリー・エンコーダ上にシール可能に設置されたシールキャップを有しており、前記加圧流体用の前記注入口は前記シールキャップに延在している、請求項２４に記載の可変容量型バラストチャンバ。
【請求項２６】
元素アナライザであって、
燃焼用有機サンプルを受け取るための燃焼炉と、
前記燃焼炉から排出される燃焼副生成物を受け、燃焼の完了を確認するための、前記炉に連結された燃焼検出器と、
燃焼副生成物を受け取るための、可動ピストンを有し前記燃焼炉に連結された可変容量型バラストチャンバと、
燃焼の完了を検出し、燃焼完了の際に前記可変容量型バラストチャンバに燃焼副生成物を封じ込めるための、前記燃焼検出器に連結された制御装置とを有する、少なくとも炭素及び窒素の濃度を測定するための元素アナライザ。
【請求項２７】
前記可変容量型バラストチャンバは、前記ピストンの一側面にサンプルガス注入口とサンプルガス排出口とを有し、前記制御装置は、前記可変容量型バラストチャンバに燃焼副生成物を選択的に捕獲するための、前記注入口及び前記排出口に連結されたバルブを有する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項２８】
前記燃焼検出器はＣＯ２を検出する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項２９】
前記燃焼検出器はＨ２Ｏを検出する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項３０】
前記ピストンの位置を検出するためのセンサを更に有し、前記制御装置は、前記ピストンの位置に基づいて燃焼副生成物のガス濃度のための体積補正係数を計算するためのＣＰＵを有する、請求項２６に記載のアナライザ。
【請求項３１】
前記可変容量型バラストチャンバは、前記ピストンの一側面に設置されたサンプルガス注入口及びサンプルガス排出口と、前記注入口に連結された注入口バルブと、前記排出口に連結された排出口バルブとを有する円筒状容器から成る、請求項３０に記載のアナライザ。
【請求項３２】
前記円筒状容器は、前記ピストンの反対側面に設置された流体注入口と、前記ピストンを選択的に移動させ、サンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバから前記サンプルガス排出口を経由させて排出するための加圧流体の供給源に連結された流体制御バルブとを有する、請求項３１に記載のアナライザ。
【請求項３３】
前記バルブはそれぞれ、前記各バルブを順次作動させてサンプルガスを前記可変容量型バラストチャンバ内に導入するための前記ＣＰＵに連結されており、これによって、前記サンプルガスが前記可変容量型バラストチャンバ内で平衡となった後、前記可変容量型バラストチャンバからサンプルガスが排出される、請求項３２に記載のアナライザ。
【請求項３４】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＨ２Ｏセンサが連結されており、分析時にＨ２の濃度を検出する、請求項３３に記載のアナライザ。
【請求項３５】
前記可変容量型バラストチャンバの前記ガス排出口にＣＯ２センサが連結されており、分析時にＣの濃度を検出する、請求項３３に記載のアナライザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００６−５１９３９２（Ｐ２００６−５１９３９２Ａ）
【公表日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０８７６１（Ｐ２００６−５０８７６１）
【出願日】平成１６年２月１８日（２００４．２．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００４７６４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７９３３６
【国際公開日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【公表日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年２月１８日（２００４．２．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００４７６４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７９３３６
【国際公開日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
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