JPH03501412A - ガス試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス試験装置 本発明は、ガスの検出用装置に関し、特に、たとえばガス状態の酸素などのガス を検出するためにガスの磁化率特性を利用したガス試験装置に関する。

ファラデーは前世紀において、すべての物質は磁性を有し、すなわち、磁界によ り引きつけられるか又は反発されることを明らかにした。この特性すなわち磁化 率は、物質が磁界により反発される時に反磁性、また物質が磁界により引きつけ られる時に常磁性として分類される。後に、ファラデー他が気体におけるこれら の力を測定するための高感度の秤を製作した。大部分の気体は反磁性であること が見い出されたが、酸素、−酸化窒素および二酸化窒素などの気体は常磁性であ り、従って磁界に引きつけられることが見い出された。特に、酸素は非常に強い 常磁性特性を有する。

磁性秤の二つの主要な型式が開発された。一つの型式のものは一様な磁界を用い るものであり（ゴウィ（ＧＯＩＩＹ））　、もう一つの型式のものは、たとえば ファラデーの原案設計に基礎を置く一様でない磁界を用いるものである（セルウ ッド（Ｓｅａｗｅｅｄ））。これらの磁性秤は過去において、また現在において さえも、非常に高感度な、大型の、且つ非常に精密な実験室用の装置であり、こ の装置は大きな電磁石を必要としている。実験室および製造業における酸素測定 の必要性から、主に反磁性気体からなる混合気体中の酸素濃度を測定するために 、酸素の強い常磁性特性を利用した装置が生まれ、種々の方法が開発された。

最も成功した方法の中に、ファラデーのガス磁化率柱に基礎を置くものがあった 。これは基本的には本体部を有する非常に高感度のねじり秤であり、この本体部 は、整った形状を有し、石英のような安定した反磁性材料で作られ、かつ窒素の ような反磁性気体で満たされる。本体は強力かつ一様でない磁界中に懸架され、 その回りのごく近傍の領域は、内部のガスを交換することが可能な部屋によって 包囲画定される。

もし最初に秤がこの部屋内の窒素と釣合っており、次に部屋が酸素で満たされた 場合には、常磁性を有する酸素ガスは磁界強度のより強い部分に引きつけられ、 本体が回転せしめられる。懸架された状態でのねじれは通常光でこ装置によって 検出される。

気体の磁化率を測定したヘイタン（Ｈａｖｅｎ）は、試験部本体の異なった形状 について実験した。彼の結論は、ダンベル形状が最も適しているというものであ った。この形状は、ファラデーの方法を利用する実験者により用いられる標準的 な形状となった。このような装置に関する先行特許には、ポーリングによる米国 特許明細書第２．４１６．３４４号、マンデーによる米国特許明細書第２．６６ ６、８９３号、マンデー他による米国特許明細書第２．７４４．２３４号、マン デーによる米国特許明細書第２、９６２．６５６号がある。

マンデーによるセルは常磁性を有する酸素センサとして最もよく利用されており 、その現代版では小型のダンベル試験部本体を基本的に備えるものと考えられる 。純窒素で満たされたガラス球群（通常の直径約３ｍｍ＞はダンベルを形成する ように結合される。−巻コイルとミラーとがダンベルに固着されて一様でない磁 界中に白金−イリジウム合金製の非常に薄い帯部材により懸架される。磁界は磁 気回路の一部を形成する強力な磁石により発生せしめられ、セルはこの磁気回路 内へ押し込まれ、所定の位置に保持される。

セル内部の磁界は、磁極部材群の形状により形作られる。

反磁性を有するダンベルは、磁場の強さの最も強い部分から離れた位置をとる。

セルはガス室であり、このガス室は、ダンベルの動きを監視できるように前方窓 を有し、磁極部材群および試験体を収容し、ガスが漏洩しないようにエポキシ樹 脂で密封される。セルの後方内の電気ピン群により、電流が懸架帯を通り、−巻 フイードバックコイルを回り、懸架帯の底部側半分と下方の電気ピンを通って流 される。端にノズルを有するガス連結部材を介してガスが入れられる。ガスはセ ルの内壁に当たり、流れがダンベルに及ぼす外乱（流れによる誤差）を最小にす るようにノズルの向きを設定しなければならない。

ダンベルを包囲するガスがたとえば窒素のような反磁性ガスである時、ダンベル はある一定の位置（零位置）をとり、このガスがたとえば酸素のような常磁性ガ スと入れ換えられた場合には、ダンベルが偏向せしめられる。この偏向は光ビー ムを備える光学式装置により検出され、光ビームはタンベルの中央のミラー上に 当てられ、一対の光電管に向かって反射され、この一対の光電管は対向して配置 され、セル内部に窒素が存在する時に光電管群の出力が零になるように設置され る。室内の常磁性ガスの存在によってダンベルが偏向せしめられた時、この偏向 は光電管群により検出され、光電管の信号は増幅され、ダンベルの回りのコイル を介してセルにフィードバックされる。電流の極性は、その極性が磁場と相互に 作用する時、ダンベルの復帰トルクを生じせしめるような極性になっており、ダ ンベルかもとの零位置（窒素の場合の位置）に復帰した時、ダンベルが平衡状態 となる。

既知の濃度の気体で装置を較正することにより、フィードバック電流は、セルに 入れられる混合気体中の酸素の分圧に比例するようになる。

典型的な状態において、このような装置はガス流量１５０ｍｊ２／分にて運転さ れる。セルの容積は３．５蔵のオーダである。

混合気体中の特定の気体を検出することが必要とされるいくつかの応用分野にお いて、たとえば、肺機能や麻酔のような医学分野での応用において、１周期の期 間に採取しうる試料ガスの量は限られている。たとえば肺機能や麻酔への応用に おいて、患者から採取しうるガスの量はたった約５０−７分に限定される。この ような応用においてはまた、特定のガスセンサ装置は分析のための迅速な応答時 間を有することが望ましい。たとえば肺機能や麻酔への応用において、１分間当 たり３０回の割合で呼吸している患者の息を分析できることが望ましい。このこ とからセンサには、データの分析の間に適正な精度が得られるように、約５０ｄ ／分のガス流量において０．５秒のオーダの応答時間を有することが要求される 。前述のような先行技術のガス試験装置はこれらの要求を満たすことができない 。３．５−〇オーダの内部容積を有する商業的に利用可能なセンサによるガス流 量５０−７分での試験は、３〜５秒の範囲の時定数（Ｔ６３．２％）の応答を与 える。これは不満足な応答である。

ガスがそこを通って流れるべき試験部本体を収容する部屋が非常に小さな容積を 有するようなガス流センサを設けることにより、必要とされる低いガス流量にお いて所要の応答を得られることがわかった。

本発明によれば内部に室を形成する本体と、磁界内で移動するように室の内部に 装着される試験部本体と、ガスが室を通って流れるようにするための手段とを具 備するガス試験装置において、部屋が０．６−未満の容積を有するガス試験装置 が提供される。

小さな寸法の部屋は好ましくは、部屋を形成する本体を鋳型または成形すること により得られる。好ましくは本体は、磁界を与えるための磁気回路を形成する部 材群を装着して鋳型される（たとえば磁石、磁気フレーム、磁極部材）。

エポキシ樹脂またはプラスチックのような材料を本体用に使用することができる 。

本ガス試験装置は二体構造になっていることが好ましい。

たとえば、本体は主部とカバ一部とからなり、主部とカバ一部とは部屋を画定す る本体を形成するために機械的に結合されることが好ましい。

別の観点からみると本発明によれば、内部に部屋を形成する本体と、磁界内で移 動するように部屋に装着される試験部本体と、ガスが部屋を通って流れるように するだめの手段とを具備し、本体は二つの部分、つまり主部とカバ一部とを有し 、主部とカバ一部とは、部屋を形成するために互いに密封して機械的に結合され るように配置されるガス試験装置が提供される。

所望の迅速な応答時間のために、たとえ実際のガス体積流量が小さい場合におい ても、試験室内におけるガス交換の実際の速度は速・くなければならない。この ことは、部屋を通るガス流の速度が、このようなガス試験装置の標準的な速度よ り速いことを意味する。一つの問題点は、このようなガス試験装置内の試験部本 体は非常に敏感なので、試験部本体に当たるガスの物理的な流れが試験部本体の 動きを引き起こすことにより誤差が生じる点にある（流れによる誤差）。部屋を 通るガス流の速度が高い場合、大量の流れによる誤差が生じる可能性もまた高く なる。別の観点からみると本発明によれば、流れによる誤差を最小にするように ガス流様式が構成されるガス試験装置が提供される。

本発明によればさらに、内部に部屋を形成する本体と、磁界内で移動するように 部屋の内部に装着される試験部本体と、ガスが部屋を通って流れるようにするた めのガス入口手段とガス出口手段とを具備し、ガスが部屋および試験部本体に両 側から対称に接近するようにガス入口手段が配置され、試験部本体が懸架されて いる室の中央にてガス流が合流し、試験部本体に望ましくない動きを引き起こす であろういかなる力も、流れの対向によって打消されるようになっているガス試 験装置が提供される。

好ましい実施例において、ガス流がそこを通って部屋に接近する通路は、一方の 側においてフィン群により画定される。

好ましくはこれらのフィンは、ガス室の良好な急激な流通を確保すべくガス流を 曲げるために、空気力学的に良好な形状を有する。部屋に接近するにつれて、ガ ス流の通路が一平面内で広がるように、フィン群が湾曲していることが好ましい 。

試験部本体は好ましくは懸架ワイヤにより部屋内に懸架され、ガス流は好ましく は、懸架ワイヤがその内部を通っている通路を流れるように配置される。

本発明によればさらにまた、内部に部屋を形成する本体と、磁界内で移動するよ うに部屋の内部に装着された試験部本体と、ガスが部屋を通って流れるようにす るためのガス入口手段およびガス出口手段と、ガスにより部屋が完全に掃気され るように出口に設けられた絞り手段とを具備するガス試験装置が提供される。

本発明によればさらにまた、内部に部屋を形成する本体と、磁界内で移動するよ うに部屋の内部に懸架ワイヤにより装着された試験部本体と、ガスが部屋を通っ て流れるようにするためのガス入口手段およびガス出口手段とを具備するガス試 験装置において、懸架ワイヤが部屋の両側のばね上に装着され、ばねの回りの死 空間をガスで掃気するために、ガス入口手段がばねの方を向いているガス試験装 置が提供される。

本ガス試験装置は、少ないガス流量において迅速な応答時間で精密なガス検出（ たとえば酸素の検出）ができるという利点を有する。

本発明の諸特徴と諸利点は、添付図面を参照しながら、単に例として示される以 下の本発明の詳細な説明から明白になるであろう。

第１図は、本発明の一実施例に関わる磁気回路の斜視図であり、 第２図は、本発明の一実施例に関わる二つの部分からなるガス試験装置の斜視図 であり、 第３図は、第２図の組立てられた装置のガス流様式を示す断面図である。

第４図は、本発明の別の実施例に関わる二つの部分からなるガス試験装置の斜視 図であり、 第５図は、第４図の組立てられた装置のガス流様式を示す断面図である。

流量５０ｒｎ１／分の完全な掃気状態において、所要の応答時間を得るためには センサのガス室の容積は０．５ｍ７’のオーダでなければならないことが判明し た。第２図に示されるダンベル３１とミラー２９とフィードバックコイル３０と 懸架帯１９とを具備する標準試験部本体が用いられる。

試験部本体２０を包囲するのに必要な磁界は、第１図に示される小型の磁気回路 により与えられる。ホウ素−鉄磁石または希土類−コバルト磁石により、容認し つる磁場の強さを有する非常に小さい体積の磁石２が得られ、磁気回路は軟磁性 体でできたフレーム１により形成され、このフレームは磁石２が固着されるのに 適切な寸法を有する。軟磁性体で作られた適切な磁極部材群３により磁場は集中 形成され、上方磁極部材と下方磁極部材との間の空間４内に、強い磁場と非常に 急な勾配とを有する領域が生じせしめられる。この領域は、試験部本体２０が設 置され、かつ磁極部材群３内に切除された通路５に沿って懸架帯１９により懸架 吊下される領域である。

磁極部材群３は磁石群２に対し正規の方向に接着剤により固着される。ガス室の 容積を最小化するために、必要な容積だけが形成される。このことは、エポキシ 樹脂のような適切な鋳型材料により又はプラスチックを使用してフレームを鋳型 することにより達成されることができる。所要の形状は第２図に示される。はぼ 円形をなす部分７からなるガス室領域を除いて、フレーム６はポツティング化合 物で充填され、このほぼ円形をなす部分７において試験部本体２０は、懸架帯１ ９により懸架吊下され、かつその中央のまわりで自由に移動することができるよ うになっている。金属帯１９は通路８内に吊下される。通路８は後方から２個の ガス入口管９を受容し、これらのガス入口管を通じて試験ガスが部屋７の中へ入 れられる。絞り部１１を有する出口管１０は、主室７の中央後方に位置される。

３本の管１０．９と４個のねじスタッド１２とは、ポツティング化合物またはプ ラスチック成形物１３とともにメインフレーム６内にはめ込まれる。この部分の 前方部は平面をなし、組体１４の前方部は、この平面内に嵌合し、かつ４個の穴 ２２を通るねじ群により密封性をもつよう締め付けられる薄いガスケット１５に よってこの平面に対し密封される。ガスケット１５は部品１４の全面をおおい、 第２図ではガスケットの全体を図示していないことに注意すべきである。前方部 はプラスチック又はエポキシ樹脂で鋳型され、かつピン群が挿入され、このピン 群は、ばね１８と懸架帯１９とを介して、試験部本体２０上にあるフィードバッ クコイル３０に電気的に接続される。ばね１７が表われる個所は、密封するか又 は前方部１４の成形時にピンを埋込むことにより、ガスが漏洩しないようになっ ている。前方部１１は開孔を有し、気密性を有するガラス窓２１がこの開孔に固 定される。このことは、光が部屋に入り、試験部本体の中央においてミラー２９ 上で反射され、そして再びガラス窓２１を通過して出ていき、その結果、光学式 検出装置の光電管に到達することを可能ならしめる。組体１４の一部として鋳型 されるフィン２３により、スリット７は充填され且つ最小の容積のみが形成され る。いったん前方部１４が後方部に対し密封されると、入口管群９から同時に試 料ガスを入れ、且つ出口管１０を通してガスを出すことによって、磁界に対して 正規の位置に置かれた試験部本体２０を内部に有するガス室７にガスが流される 。試験部本体の位置を検出するのに用いられる光学装置、および試験部本体を零 位置に維持するのに用いられる電子式フィードバック装置は、前述のような器具 とともに用いられる標準的な装置と同様である。ガス室内部のセンサのガス流回 路の概略を示す第３図を参照すると、２個の入口管９は対称な姿勢にて用いられ ており、その結果、部屋７の上方部分と下方部分とが掃気され、また、ダンベル ３１に当たるガスの速度が２等分されること、および両側から同時に到達するこ とによりガスの速度が一様化されることによって、試験部本体２０は撹乱されな いようになっている。また、ガスがばね１８に直接向かうように２個の入口管が 設置され、懸架帯１９はばね１８に溶接され、このばねは非常に小さい空間内に 設置される。入ってくるガスは向きを変え、懸架帯１９を収容する通路８に沿っ て流れる。ガスは部屋の中央部分に到達すると、出口管１０の方向へ向きを変え 、部屋から外へ出てくる。出口管は絞り１１を具備し、この絞り１１は、ガスが 通路８から出てきた後に直ちに出口の方へ向かわないように選択され、このよう にして、中央室の前方部分２４内のガスがゆっくりした拡散により入れ換わるよ うにしている。絞りが適正に選択された時、中央室の後方部分２５内に生じる圧 力により、ガスの一部が前方部分２４の方に向かい、この前方部分を掃気し、こ のようにして速い応答時間が得られる。

高速応答のための一例として本実施例に関して、入口絞りの最適な寸法は内径１ 　ｍｒｎであり、出口絞りの最適な寸法は内径０．７　ｍｍであることが判明し た。セルの容積は０．５ｍ１以下であり、この容積と前述の最適な流れ方とが相 俟って、５００ｍ５以下の０〜６３％の応答時間が得られ、ガス流量が５（７／ 分の時に９００ｍ５以下の１０〜９０％の応答時間が得られる。これらの数値は 、セルの入口において酸素濃度をステップ状に変化させた時に記録される。これ はたとえば窒素から空気へ切換えた場合である。

第４図および第５図は本発明の別の実施例を示し、ここにおいて、特別の形状を なすフィン群２３ａを用いることにより、ガスの流れ方が改善される。これらの 図において、第２図および第３図の実施例と同一の部品に対しては同じ参照符号 が用いられている。

前記の実施例の場合と異なり、フィン２３ａは通路８を充填しない。その代りに フィンは、ガス流を窓に向けて曲げるような空気力学的に良好な形状を有し、こ のようにして部屋７内を良好に急激に流通させるようになっている。部屋７に近 づくにつれて、通路は窓に向かう方向において効果的に広がっている。

第４図および第５図は、フィンに、通路８の溝８ａ内に収容されるように配置さ れた延長部２３ｂが設けられ得ることを示す。これらの延長部２３ｂと溝８ａと の寸法は、第２図および第４図に示される組体１４が成形品１３上に嵌合せしめ られる時に、試験部本体が部屋７内の正規の位置に正確に位置決めされるような 寸法になっている。また延長部は、本装置を形成する２個の部品を案内し、組立 時に懸架部材および試験部本体が損傷を受ける可能性を低減する役割を果してい る。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．部屋（７）を形成する本体（１３，１４）と、部屋の内部に第１の方向に磁 界を生成するための手段（２，３）と、試験部本体（２０）と、磁界の方向に平 行な軸線回りに回転自在に試験部本体（２０）を装着するための手段（１９）と 、ガスが部屋（７）を通って流れるようにするためのガス入口手段（９）および ガス出口手段（１０）とを具備するガス試験装置において、部屋の両側における 二つの位置から部屋へガスを供給するようにガス入口手段（９）が配置され、二 つの位置の各々から供給されるガス流は、磁界の方向に平行をなしているが、試 験部本体上へのガス流に起因する誤差を最小化するために互いに対向しているこ とを特徴とするガス試験装置。
2. ２．ガス出口手段（１０）が二つの入口位置の中間に位置している請求項１記載 のガス試験装置。
3. ３．本体は二つの部分（１３，１４）から形成され、一方の本体部分（１３）は 部屋（７）の形状を画定し、他方の本体部分（１４）は装着手段（１９）と試験 部本体（２０）とを具備すると共に部屋（７）に対するカバーを形成する請求項 １又は２に記載のガス試験装置。
4. ４．部屋が十字断面形状を形成する複数対の対向する溝により構成され、一方の 一対の対向する溝（８）が試験部本体（２０）に対する装着手段（１９）を受容 し、他方の一対の対向する溝が試験部本体（２０）を使用中に回転するように受 容し、ガス入口手段（９）が溝群（８）内へ開口する請求項３記載のガス試験装 置。
5. ５．他方の本体部分（１４）上に設けられ、かつ前記一方の本体部分（１３）内 の溝群（８）内に受容されるよう配置されたフィン群（２３，２３ａ）を具備す る請求項４記載のガス試験装置。
6. ６．フィン群（２３ａ）は空気力学的に良好な形状をなし、部屋内をガスが急激 に流通しうる請求項５記載のガス試験装置。
7. ７．部屋が０．６ｍｌ未満の容積を有する請求項１記載のガス試験装置。
8. ８．フィン群（２３，２３ａ）が延長部群（２３ｂ）を有し、延長部は、フィン 群が溝群（８）内へ挿入された時に、装着手段（１９）と試験部本体（２０）と が部屋（７）内の正規の位置に設置される寸法を有する請求項５記載のガス試験 装置。