JP2014105991A

JP2014105991A - ガスセル

Info

Publication number: JP2014105991A
Application number: JP2012256528A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Tanaka; 豊彦田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-09
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP5954136B2

Abstract

【課題】容易にメンテナンスすることができるガスセルを提供する。
【解決手段】試料ガスが内部に導入される筒状体１０と、筒状体１０の一端部を塞ぐように配置される第一面鏡２とを備え、筒状体１０の内部の第一面鏡２の反射面に向かう光が入射するための入射窓２１と、筒状体１０の内部から光が出射するための出射窓２２とが形成されたガスセル４０であって、第一面鏡２の反射面の前方には、第一光透過性窓板３１を配置できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、種々の気体中における微量成分の濃度の測定を行うためのガスセルに関する。

環境汚染や大気汚染の原因となる排気ガス中にはＨ_２ＳやＳＯ_ｘ等のイオウ化合物、ＮＯ_ｘやＮＨ_３等の窒素化合物、種々の炭化水素等が含まれており、環境状態、特に住民の健康状態に対するこれらの物質の影響が指摘され、空気中におけるこれらの物質の濃度の測定が重要視されている。また、温室効果ガスとして、空気中における二酸化炭素やメタン等の物質の濃度の測定も益々広く行われている。

空気中における微量成分の濃度の測定では、ガスセルに試料ガスを充填し、試料ガスに光を透過させ、目的成分による光吸収を測定し、Lambert-Beerの法則を用いた下記式（１）によって目的成分の濃度を算出している。

なお、Ｉ_０（ν）は周波数νにおいて目的成分の吸収を受けなかった場合の光強度、Ｉ（ν）は周波数νにおける透過光強度、ｃ（ｍｏｌ／ｃｍ^３）は目的成分の数密度、Ｌ（ｃｍ）は試料ガスを通過する光路の長さ、Ｓ（Ｔ）（ｃｍ^−１／（ｍｏｌ／ｃｍ^−２））は所定の吸収線強度におけるガス温度Ｔの関数である。

このとき、比較的少量の試料ガスを用いて、できる限り高感度で測定するために、光路長Ｌを拡大する多重反射式ガスセルが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の多重反射式ガスセルの一例を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
ガス分析装置１０１は、レーザ光源５１と検出器５２と有する分析ボックス５０と、試料ガスが流通する流路中に取り付けられる多重反射式ガスセル１４０とを備える。

多重反射式ガスセル１４０は、筒状体１１０と、筒状体１１０の左端部に配置された第一平面鏡ホルダ３と、筒状体１１０の右端部に配置された第二平面鏡ホルダ４と、第一平面鏡ホルダ３に保持された第一平面鏡２と、第二平面鏡ホルダ４に保持された第二平面鏡６とを備える。

筒状体１１０は、直方体形状のブロックに直径ｒ_１の円柱形状の空洞が形成されたものであり、円柱形状の空洞の中心軸が水平方向（Ｘ方向）となるように配置され、上方（−Ｚ方向）に試料ガスを筒状体１１０内部に導入するための円筒状のガス導入孔１１１と、下方（Ｚ方向）に試料ガスを筒状体１１０内部から排出するための円筒状のガス排出孔１１２とが設けられている。これにより、筒状体１１０内部に試料ガスがＺ方向に流れる流通流路が形成されている。

第一平面鏡ホルダ３は、四角形の板状体であり、筒状体１１０の左端部を塞ぐようにボルト９で取り付けられている。そして、第一平面鏡ホルダ３の右端面に、円板状の第一平面鏡２の背面が接着等で保持されている。また、第二平面鏡ホルダ４は、四角形の板状体であり、筒状体１１０の右端部を塞ぐようにボルト（図示せず）で取り付けられている。そして、第二平面鏡ホルダ４の左端面には、円板状の第二平面鏡６の背面が接着等で保持されている。これにより、第一平面鏡２の反射面と第二平面鏡６の反射面とが対向して配置されている。

また、第二平面鏡ホルダ４と第二平面鏡６とには、筒状体１１０内部にレーザ光が入射するための入射窓孔２１と、筒状体１１０内部からレーザ光が出射するための出射窓孔２２とが設けられ、入射窓孔２１と出射窓孔２２とには、それぞれ光透過性の窓板７が窓板押え及びガスケット（図示せず）によって気密保持されている。
なお、筒状体１１０内部の気密性を確保するため、第一平面鏡ホルダ３と筒状体１１０の接触部や、第二平面鏡ホルダ４と筒状体１１０の接触部や、第二平面鏡ホルダ４と窓板７との接触部には、ガスケット３ａが挟持されている。

このようなガス分析装置１０１によれば、まず、試料ガスがポンプやバルブ等の手段（図示せず）でガス導入孔１１１を通じて導入され、筒状体１１０内部を満たす。そして、筒状体１１０内部に試料ガスを満たした状態で、レーザ光源５１からの所定波長νのレーザ光が入射窓孔２１から窓板７を通して筒状体１１０内部に略Ｘ方向で入射する。入射したレーザ光は第一平面鏡２の反射面と第二平面鏡６の反射面との間をある回数だけ反復反射した後、出射窓孔２２から窓板７を通して筒状体１１０外部へ略−Ｘ方向で出射する。出射されたレーザ光の強度Ｉ（ν）、Ｉ_０（ν）は、検出器５２で検出される。

特開２００６−５８００９号公報

ところで、上述したようなガス分析装置１０１では、筒状体１１０内部に試料ガスが導入されるため、第一平面鏡２や第二平面鏡６の反射面が汚れることがある。第一平面鏡２や第二平面鏡６の反射面が汚れた際には、ボルト９を取り外して、第一平面鏡ホルダ３や第二平面鏡ホルダ４を取り外した後、新しい第一平面鏡ホルダ３や第二平面鏡ホルダ４をボルト９で取り付けるメンテナンスが行われる。なお、図６は、多重反射式ガスセル１４０のメンテナンスについて説明するための図である。

しかしながら、互いに対向する第一平面鏡２の光軸と第二平面鏡６の光軸とが正確に一致している場合にのみ、入射窓孔２１から入射したレーザ光が、第一平面鏡２の反射面と第二平面鏡６の反射面との間で所定の回数反射した後、出射窓孔２２から正確に取り出されるため、第一平面鏡ホルダ３や第二平面鏡ホルダ４に関する位置決めは極めて精度よく行う必要がある。また図６より明らかなように、光源側の鏡を取り外すには周辺部材を多数取り外す必要がある。そのため、第一平面鏡ホルダ３や第二平面鏡ホルダ４を取り付ける作業は非常に手間がかかっていた。
そこで、本発明は、容易にメンテナンスすることができるガスセルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のガスセルは、試料ガスが内部に導入される筒状体と、前記筒状体の一端部を塞ぐように配置される第一面鏡とを備え、前記筒状体の内部の第一面鏡の反射面に向かう光が入射するための入射窓と、前記筒状体の内部から光が出射するための出射窓とが形成されたガスセルであって、前記第一面鏡の反射面の前方には、第一光透過性窓板を配置することが可能となっていることを特徴としている。

本発明のガスセルによれば、試料ガスを測定する際には、第一面鏡の反射面の前方に第一光透過性窓板を配置しておく。これにより、第一面鏡の反射面より第一光透過性窓板が先に試料ガスに触れるため、第一面鏡の反射面の汚染を極力少なくすることができる。そして、試料ガスが導入され筒状体内部を満たす。そして、筒状体内部に試料ガスを満たした状態で、光源からの所定波長の光が入射窓から筒状体内部に入射する。入射した光は、第一光透過性窓板を透過し第一面鏡の反射面で反射した後、出射窓から筒状体外部へ出射することになる。

その後、第一光透過性窓板が汚れた際には、汚れた第一光透過性窓板を取り外した後、清掃済または新品の第一光透過性窓板を取り付けるメンテナンスを行う。このとき、第一面鏡は直接光学反射面となるので、第一面鏡の配置位置誤差や面精度誤差があれば性能への影響が避けられないが、第一光透過性窓板は透過させるものであって第一光透過性窓板の配置位置や面精度誤差は性能に影響しないため、第一光透過性窓板を取り付けるメンテナンスを非常に簡単に行うことができる。また、第一面鏡を再利用することは難しいが、第一光透過性窓板は透過させるものであるので、第一光透過性窓板を洗浄したり表面研磨したりして再利用することができる。

以上のように、本発明のガスセルによれば、容易にメンテナンスを行うことができる。さらに、第一面鏡の交換を長期間行う必要がなくなるので、ランニングコストを抑えることができる。

（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明では、前記筒状体の他端部を塞ぐように配置される第二面鏡を備え、前記第二面鏡の反射面の前方には、第二光透過性窓板を配置することが可能となっているようにしてもよい。

本発明のガスセルによれば、試料ガスを測定する際には、第二面鏡の反射面の前方に第二光透過性窓板を配置しておく。これにより、第二面鏡の反射面より第二光透過性窓板が先に試料ガスに触れるため、第二面鏡の反射面の汚染を極力少なくすることができる。そして、試料ガスが導入され筒状体内部を満たす。そして、筒状体内部に試料ガスを満たした状態で、光源からの所定波長の光が入射窓から筒状体内部に入射する。入射した光は、第二光透過性窓板を透過し第二面鏡の反射面で反射した後、出射窓から筒状体外部へ出射することになる。

その後、第二光透過性窓板が汚れた際には、汚れた第二光透過性窓板を取り外した後、清掃済または新品の第二光透過性窓板を取り付けるメンテナンスを行う。このとき、第二面鏡は直接光学反射面となるので、第二面鏡の配置位置誤差や面精度誤差があれば性能への影響が避けられないが、第二光透過性窓板は透過させるものであって第二光透過性窓板の配置位置や面精度誤差は性能に影響しないため、第二光透過性窓板を取り付けるメンテナンスを非常に簡単に行うことができる。また、第二面鏡を再利用することは難しいが、第二光透過性窓板は透過させるものであるので、第二光透過性窓板を洗浄したり表面研磨したりして再利用することができる。

以上のように、本発明のガスセルによれば、容易にメンテナンスを行うことができる。さらに、第二面鏡の交換を長期間行う必要がなくなるので、ランニングコストを安くすることができる。

さらに、上記の発明において、前記入射窓及び前記出射窓は、前記第二面鏡に形成されており、前記第一光透過性窓板及び前記第二光透過性窓板は、前記筒状体の中心軸と垂直な方向から出し入れが可能となっているようにしてもよい。

本発明の一実施形態であるガス分析装置の一例を示す概略構成図。図１に示すＡ−Ａ線の断面図。ガス分析装置の水平方向の断面図。本発明の多重反射式ガスセルのメンテナンスに係る説明図。従来の多重反射式ガスセルの一例を示す概略構成図。従来の多重反射式ガスセルのメンテナンスに係る説明図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明の一実施形態であるガス分析装置の一例を示す概略構成図である。また、図２は、図１に示すＡ−Ａ線の断面図であり、図３は、ガス分析装置の水平方向の断面図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。また、上述した従来のガス分析装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置１は、レーザ光源５１と検出器５２と有する分析ボックス５０と、試料ガスが流通する流路中に取り付けられる多重反射式ガスセル４０とを備える。

多重反射式ガスセル４０は、筒状体１０と、筒状体１０の左端部に配置された第一平面鏡ホルダ３と、筒状体１０の右端部に配置された第二平面鏡ホルダ４と、第一平面鏡ホルダ３に保持された第一平面鏡２と、第二平面鏡ホルダ４に保持された第二平面鏡６と、第一平面鏡２の前方（−Ｘ方向）に配置された第一光透過性窓板３１と、第二平面鏡６の前方（Ｘ方向）に配置された第二光透過性窓板３２とを備える。

第一光透過性窓板３１は、直径ｒ_２（＞ｒ_１）の円板状体であり、レーザ光を透過する材料で形成されている。レーザ光を透過する材料としては、光透過性や対候性の点から、例えば、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等が挙げられ、また第一光透過性窓板３１の表面には対象波長の光に対する反射防止コーティングが施されていることが好ましい。また、第一光透過性窓板３１の厚さは、自立可能かつ通常の取り扱いで割れない強度を有する程度に薄いほうが好ましく（約２ｍｍ以下）、板状体でなくフィルムであってもよい。
なお、第二光透過性窓板３２も、第一光透過性窓板３１と同様の構造となっている。

筒状体１０は、直方体形状のブロックに直径ｒ_１の円柱形状の空洞が形成されたものであり、円柱形状の空洞の中心軸が水平方向（Ｘ方向）となるように配置され、上方（−Ｚ方向）に試料ガスを筒状体１０内部に導入するための円筒状のガス導入孔１１と、下方（Ｚ方向）に試料ガスを筒状体１０内部から排出するための円筒状のガス排出孔１２と、前方（Ｙ方向）に第一光透過性窓板３１と第二光透過性窓板３２とを筒状体１０内部に挿入するための四角形状の開口部１３とが設けられている。開口部１３には、四角形の板状体の蓋１４がボルト１４ｂで取り付けられている。なお、筒状体１０内部の気密性を確保するため、蓋１４と筒状体１０の接触部には、四角環状のＯリング１４ａが挟持されている。

また、筒状体１０の左端部から中央部に向かって所定の距離となる内周面には、第一光透過性窓板３１を取り付けるための所定の深さの第一溝（スロット）１６が形成されるとともに、筒状体１０の右端部から中央部に向かって所定の距離となる内周面には、第二光透過性窓板３２を取り付けるための所定の深さの第二溝（スロット）１７が形成されている。所定の距離は、鏡に近いが接触しない距離、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。このとき、第一光透過性窓板３１と筒状体１０の接触部や、第二光透過性窓板３２と筒状体１０の接触部には、気密性は必要なく等圧性を保つため、空気が通る隙間１６ａが形成されている。なお、隙間１６ａでは抵抗が大きくなるので、第一光透過性窓板３１と第一平面鏡２との間や、第二光透過性窓板３２と第二平面鏡２との間に、試料ガスが入り込む量は極わずかとなる。

このような多重反射式ガスセル４０によれば、ボルト１４ｂを取り外して、開口部１３から蓋１４を取り外した後、第一溝１６に第一光透過性窓板３１を−Ｙ方向に挿入したり、第一溝１６から第一光透過性窓板３１をＹ方向に引き出したりすることができるようになっている。また、第二溝１７に第二光透過性窓板３２を−Ｙ方向に挿入したり、第二溝１７から第二光透過性窓板３２をＹ方向に引き出したりすることができるようになっている。図４は、多重反射式ガスセル４０のメンテナンスについて説明するための図である。

そして、このようなガス分析装置１を用いて試料ガスを測定する際によく行われる方法としては、セルの片方のガス導入口を閉じて、真空ポンプをセルのもう一方のガス導入口に接続してセル内部を引圧にする。その後バルブ（図示せず）を閉じてセル内部を引圧に保ち、試料ガスにガス導入口を曝した状態でガス導入口を開けると試料ガスが筒状体１０内部に満たされる。このとき、第一平面鏡２の反射面より第一光透過性窓板３１が先に試料ガスに触れるとともに、第二平面鏡６の反射面より第二光透過性窓板３２が先に試料ガスに触れるため、第一平面鏡２の反射面と第二平面鏡６の反射面との汚染を極力少なくすることができる。そして、筒状体１０内部に試料ガスを満たした状態で、レーザ光源５１からの所定波長νのレーザ光が入射窓孔２１から窓板７を通して筒状体１０内部に略Ｘ方向で入射する。入射したレーザ光は、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２を透過しながら、第一平面鏡２の反射面と第二平面鏡６の反射面との間をある回数だけ反復反射した後、出射窓孔２２から窓板７を通して筒状体１０外部へ略−Ｘ方向で出射する。出射したレーザ光の強度Ｉ（ν）、Ｉ_０（ν）は、検出器５２で検出される。また、真空ポンプでセル内部を引圧にした場合でも光透過窓の両面の圧は同一であるため、光透過窓は大気圧に耐える材質、厚みを有する必要がない。

その後、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２が汚れた際には、ボルト１４ｂを取り外して、開口部１３から蓋１４を取り外した後、汚れた第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２を引き出す。そして、清掃済または新品の第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２を挿入するメンテナンスを行う。このとき、第一平面鏡２の反射面や第二平面鏡６の反射面は直接光学反射面となるので、第一平面鏡２や第二平面鏡６の配置位置誤差や面精度誤差があれば性能への影響が避けられないが、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２は透過させるものであって第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２の配置位置や面精度誤差は性能に影響しないため、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２を取り付けるメンテナンスを非常に簡単に行うことができる。また、第一平面鏡２や第二平面鏡６を再利用することは難しいが、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２は透過させるものであるので、第一光透過性窓板３１や第二光透過性窓板３２を洗浄したり表面研磨したりして再利用することができる。

以上のように、ガス分析装置１によれば、容易にメンテナンスを行うことができる。さらに、第一平面鏡２や第二平面鏡６の交換を長期間行う必要がなくなるので、ランニングコストを抑えることができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述したガス分析装置１において、第一平面鏡２や第二平面鏡６を用いる構成としたが、第一凹面鏡や第二凹面鏡を用いるような構成としてもよい。
（２）上述したガス分析装置１において、平面を有する第一光透過性窓板３１や平面を有する第二光透過性窓板３２を用いる構成としたが、曲面を有する第一光透過性窓板や曲面を有する第二光透過性窓板を用いるような構成としてもよい。

本発明は、種々の気体中における微量成分の濃度の測定を行うためのガスセル等に利用することができる。

１ガス分析装置
２第一平面鏡
１０筒状体
２１入射窓孔
２２出射窓孔
３１第一光透過性窓板
４０多重反射式ガスセル

Claims

試料ガスが内部に導入される筒状体と、
前記筒状体の一端部を塞ぐように配置される第一面鏡とを備え、
前記筒状体の内部の第一面鏡の反射面に向かう光が入射するための入射窓と、前記筒状体の内部から光が出射するための出射窓とが形成されたガスセルであって、
前記第一面鏡の反射面の前方には、第一光透過性窓板を配置することが可能となっていることを特徴とするガスセル。
前記筒状体の他端部を塞ぐように配置される第二面鏡を備え、
前記第二面鏡の反射面の前方には、第二光透過性窓板を配置することが可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
前記入射窓及び前記出射窓は、前記第二面鏡に形成されており、
前記第一光透過性窓板及び前記第二光透過性窓板は、前記筒状体の中心軸と垂直な方向から出し入れが可能となっていることを特徴とする請求項２に記載のガスセル。