等离子体用高频电源及使用它的ICP发光分光分析装置 |
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| 申请号 | CN201310471413.3 | 申请日 | 2013-10-10 | 公开(公告)号 | CN103781272A | 公开(公告)日 | 2014-05-07 |
| 申请人 | 株式会社岛津制作所; | 发明人 | 松下知义; | ||||
| 摘要 | 提供一种 等离子体 用高频电源及使用它的ICP发光分光分析装置，能够充分冷却安装于高频 电路 板的元件并连续点亮等离子体火焰。该等离子体用高频电源(30)具备壳体(31)和配置在壳体(31)的内部的高频 电路板 (32)，在高频电路板(32)安装有用于对高频感应线圈(21)提供高频 电流 的元件，还具备冷却高频电路板(32)的冷却 块 (34)和将空气吹到高频电路板(32)的元件的 风 扇(33)，在冷却块(34)的表面形成有能够通过使空气流通来冷却空气的 散热 片(34b)，在壳体(31)中设置有用于将流过 散热片 (34b)的空气提供给风扇(33)的吸气侧的空气流路(31a)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种等离子体用高频电源，具备： |
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| 说明书全文 | 等离子体用高频电源及使用它的ICP发光分光分析装置技术领域[0001] 本发明涉及一种等离子体用高频电源及使用该等离子体用高频电源的ICP(Inductive Coupled Plasma：电感耦合等离子体)发光分光分析装置。 背景技术[0002] 在ICP发光分光分析装置中，将试样导入到等离子体火焰来进行激励发光，利用衍射光栅使该发出的光发生波长色散并利用光检测器进行检测，由此获取发光光谱。然后，根据发光光谱中出现的光谱线(亮线光谱)的波长的种类来对试样中含有的元素进行定性分析(鉴定)，并且根据该亮线光谱的强度对该元素进行定量分析(例如参照专利文献1)。 [0003] 图5是表示以往的ICP发光分光分析装置的一例的概要结构图。ICP发光分光分析装置200具备：用于形成等离子体火焰22的发光分光分析用等离子体炬18、试样气体提供部44、等离子体用气体提供部41、冷却用气体提供部42、检测光的测光部43、用于提供高频电流I的等离子体用高频电源130以及对ICP发光分光分析装置200整体进行控制的计算机(控制部)150。 [0004] 发光分光分析用等离子体炬18具备：圆筒形状的试样气体管11；圆筒形状的等离子体用气体管12，其以空出空间的方式覆盖试样气体管11的外周面；圆筒形状的冷却剂气体管13，其以空出空间的方式覆盖等离子体用气体管12的外周面；以及高频感应线圈21，其在冷却剂气体管13的外周面的前端部分缠绕2～3圈。 [0005] 等离子体用气体提供部41使氩气在试样气体管11的外周面与等离子体用气体管12的内周面之间以比较低的速度向上方流通。由此，从形成在试样气体管11的外周面与等离子体用气体管12的内周面之间的流路的上端部喷出氩气，所喷出的氩气由于被高频感应线圈21所形成的高频电磁场加速的电子而发生电离，由此生成氩阳离子和电子。所生成的电子进一步撞击氩，从而使电离增殖而在上端部形成稳定的等离子体火焰22。 [0006] 冷却用气体提供部42使氩气在等离子体用气体管12的外周面与冷却剂气体管13的内周面之间以比较高的速度向上方流通。由此，从形成在等离子体用气体管12的外周面与冷却剂气体管13的内周面之间的流路的上端部喷出氩气，所喷出的氩气在形成于上端部的等离子体火焰22的外侧向上方流动。 [0007] 而且，当分析试样时，使试样和氩气在由试样气体管11的内周面围成的空间中向上方流通。试样随着氩气从试样气体管11的前端部喷出，从而被导入到等离子体火焰22。其结果是试样中含有的化合物与等离子体火焰22接触，由此化合物被原子化或者离子化从而进行激励发光。 [0008] 测光部43具有：壳体43a；聚光透镜43b，其将从发光分光分析用等离子体炬18射出的光导入到壳体43a内部；衍射光栅43c，其使该光发生波长色散；以及光检测器43d，其检测发光光谱。 [0009] 计算机150由CPU151和键盘、鼠标等输入装置52构成，基于由光检测器43d检测出的发光光谱，根据亮线光谱的波长的种类对试样中含有的元素进行定性分析，并且根据该亮线光谱的强度对该元素进行定量分析。 [0010] 另外，在如上所述的ICP发光分光分析装置200中，设置有用于向高频感应线圈21提供高频电流I的等离子体用高频电源130。等离子体用高频电源130具备：壳体131，其具有开口部131a、131b；高频电路板132，其配置在壳体131的内部；以及冷却用风扇133，其配置在壳体131的开口部131a附近。 [0011] 壳体131是具有内部空间的长方体形状(例如50cm×20cm×35cm)，在其下表面形成有开口部131a，并且在其上表面形成有开口部131b。 [0012] 高频电路板132具有两片平板形状的FR4(Flame Retardant Type(阻燃剂型)4，热传导率0.33W/mk)制的基板(例如30cm×20cm×1.6mm)，在基板的上表面安装有用于向高频感应线圈21提供高频电流I的元件即晶体管、大型的电容器、放大电路等。另外，涂布有普遍使用的润滑脂(热传导率0.9W/mk)。而且，高频电路板132被配置在壳体131的内部的中央部。 [0013] 冷却用风扇133被配置成在开口部131a附近、吸气侧为下侧而排气侧为上侧。而且，通过风扇的旋转使空气从壳体131的开口部131a通过壳体131的内部向壳体131的开口部131b流通。 [0014] 根据这种等离子体用高频电源130，在提供高频电流I时高频电路板132的元件发热，因此通过使冷却用风扇133进行旋转而使空气流通，由此散出高频电路板132的元件所产生的热。 [0015] 另外，还存在如下一种ICP发光分光分析装置：设为将来自高频感应线圈21的反射波变小的结构，在等离子体用高频电源130与高频感应线圈21之间设置匹配箱，利用匹配箱改变电容器容量从而使阻抗匹配。 [0016] 专利文献1：日本特开平11-101748号公报 发明内容[0017] 发明要解决的问题 [0018] 然而，在如上所述的ICP发光分光分析装置200中，在高频电路板132的基板上表面安装有多个晶体管、大型的电容器等，另外具有多级的放大电路，因此成本高且为大型装置。 [0019] 本发明人为了实现小型化、成本降低，制作了如下的高频电源：将高频电源的控制方式从安装多个晶体管、大型的电容器等的以往的频率固定的电容调谐方式变为自激振荡方式，并在高频电路板上安装了功率MOSFET、小型的陶瓷电容器、脉冲变压器、图案、L(电感器、LC电路的L铜板)、旁路电容器。在自激振荡方式的情况下，为了减少由高频电流要流经的图案所具有的电感产生的电力损耗，需要通过使用功率半导体元件来最短地绘制图案，从而实现小型化。 [0020] 另外，由于各元件的热量密度(发热量)升高，因此决定使用使冷却水(制冷剂)在内部流通的金属制(例如铜制)的冷却块来代替使空气流通的冷却用风扇。也就是说，用冷却块将热量密度(发热量500W)非常高的功率MOSFET冷却，并且以自然空气冷却的方式将小型的陶瓷电容器、脉冲变压器、图案、L(电感器)、旁路电容器冷却。但是，小型的陶瓷电容器、L(电感器)、脉冲变压器的冷却不充分。 [0021] 此外，仅使用使空气流通的冷却用风扇，即使以强制空气冷却的方式将功率MOSFET、小型的陶瓷电容器、脉冲变压器、图案、L(电感器)、旁路电容器冷却，冷却也不充分。 [0022] 用于解决问题的方案 [0023] 因此，本发明人对将高频电路板的元件冷却的冷却方法进行了研究。获知了由于部件的结构、安装到基板的安装方法(例如与基板的接触面积的大小)的不同，而在安装于高频电路板的基板的元件中存在适合通过热传导散热的元件(功率MOSFET、图案)和不适合通过热传导散热的元件(小型的陶瓷电容器、L(电感器))。由此，发现以下办法：用冷却块将适合通过热传导散热的元件冷却，并且以直接接触来自冷却用风扇的风的强制空气冷却的方式将不适合通过热传导散热的元件冷却。另外发现以下办法：将用冷却块冷却后的空气提供给冷却用风扇的吸气侧。 [0024] 即，本发明的等离子体用高频电源具备壳体和配置在上述壳体的内部的高频电路板，上述高频电路板中安装有用于对高频感应线圈提供高频电流的元件，该等离子体用高频电源的特征在于，还具备将上述高频电路板冷却的冷却块和将空气吹到上述高频电路板的元件的风扇，在上述冷却块中形成有能够通过使空气流通来冷却空气的散热片，上述壳体中设置有用于将流过上述散热片的空气提供给上述风扇的吸气侧的空气流路。 [0025] 发明的效果 [0026] 如上所述，根据本发明的等离子体用高频电源，能够充分冷却安装于高频电路板的元件并且可连续点亮等离子体火焰。 [0027] (用于解决其它问题的方案以及效果) [0028] 另外，在上述发明的等离子体用高频电源中，可以通过将上述风扇和上述高频电路板相向地配置，并且将不适合用上述冷却块冷却的元件配置在上述高频电路板上的与上述风扇排出空气的部位相向的区域，来将空气直接吹到这些元件。 [0029] 另外，在上述发明的等离子体用高频电源中，不适合用上述冷却块冷却的元件可以是电容器、脉冲变压器以及电感器。 [0030] 另外，在上述发明的等离子体用高频电源中，可以是上述壳体的内部密闭，上述壳体的内部具备上述冷却块、上述风扇以及上述空气流路。 [0031] 如上所述，根据本发明的等离子体用高频电源，在酸性氛围、包含海水的氛围等严酷的环境中使用ICP发光分光分析装置的情况下，有时灰尘等与空气一起从壳体的开口部侵入，该灰尘等附着于高频电路板的元件等使元件短路或者腐蚀而损坏，但在本发明中由于使等离子体用高频电源的壳体的内部为密闭空间而灰尘等不会侵入，因此能够防止高频电路板的元件损坏。 [0032] 此外，在本发明中，等离子体用高频电源的壳体的内部为密闭空间，阻断大气，但只要能够进行如下操作即可：使从元件夺取热而变暖的空气通过形成于冷却块的散热片，来被冷却块放掉热，从而对风扇的吸气侧提供冷却后的空气。 [0033] 另外，在本发明的等离子体用高频电源中，也可以在上述冷却块的上表面配置上述高频电路板并且在上述冷却块的下表面形成上述散热片，在上述高频电路板的上方配置上述风扇。 [0034] 另外，在本发明的等离子体用高频电源中，也可以在上述冷却块的内部形成有用于使制冷剂流通的制冷剂流路，或者上述冷却块安装有帕尔贴元件。 [0035] 而且，在本发明的ICP发光分光分析装置中，也可以具备：如上所述的等离子体用高频电源；等离子体炬，其具有高频感应线圈；测光部，其检测光；以及控制部，其使用上述等离子体炬形成等离子体火焰，并将试样导入到等离子体火焰来分析元素。附图说明 [0036] 图1是表示实施方式所涉及的ICP发光分光分析装置的一例的概要结构图。 [0037] 图2是图1所示的等离子体用高频电源的剖面立体图。 [0038] 图3的(a)是表示高频电路板的俯视图，图3的(b)是表示高频电路板的侧视图。 [0039] 图4是表示热电路网的图。 [0040] 图5是表示以往的ICP发光分光分析装置的一例的概要结构图。 [0041] 附图标记说明 [0042] 18：发光分光分析用等离子体炬；21：高频感应线圈；22：等离子体火焰；30：等离子体用高频电源；31：壳体；31a：风道(空气流路)；32：高频电路板；33：冷却用风扇；34：冷却铜块(冷却块)；34a：制冷剂流路；34b：散热片。 具体实施方式[0043] 以下，使用附图说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于以下要说明那样的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内包含各种方式。 [0044] 图1是表示实施方式所涉及的ICP发光分光分析装置的一例的概要结构图，图2是图1所示的等离子体用高频电源的剖面立体图。此外，对与ICP发光分光分析装置200相同的结构附加相同的附图标记。 [0045] ICP发光分光分析装置100具备：用于形成等离子体火焰22的发光分光分析用等离子体炬18、试样气体提供部44、等离子体用气体提供部41、冷却用气体提供部42、检测光的测光部43、用于提供高频电流I的等离子体用高频电源30以及对ICP发光分光分析装置100整体进行控制的计算机(控制部)50。 [0046] 等离子体用高频电源30具备：密闭的壳体31、配置在壳体31的内部的高频电路板32、配置在壳体31的内部的冷却铜块34、配置在壳体31的内部的冷却用风扇33以及配置在壳体31的外部的制冷剂提供部71。 [0047] 壳体31是具有内部空间的长方体形状(例如30cm×30cm×30cm)，其内部密闭。也就是说，灰尘等不会侵入到壳体31的内部。 [0048] 在此，图3的(a)是表示高频电路板的一例的俯视图，图3的(b)是表示高频电路板的一例的侧视图。高频电路板32具有平板形状的FR4(Flame Retardant Type4，热传导率0.33W/mk)制的基板(例如27cm×18cm×1.6mm)，在基板的上表面安装有用于对高频感应线圈21提供高频电流I的元件，即功率MOSFET32e、小型的陶瓷电容器32c、脉冲变压器32a、图案32b以及L(电感器)32d，并且在基板的下表面安装有旁路电容器32f。另外，为了良好地向冷却块进行热传导，涂布了高热传导润滑脂(热传导率2.8W/mk，信越化学工业制)。而且，高频电路板32被配置在壳体31内部的中央部。 [0049] 冷却铜块34是长方体(例如15cm×15cm×5cm)，在其内部蜿蜒曲折地形成有用于使冷却水(制冷剂)流通的制冷剂流路34a，在一个侧面形成有流路入口和流路出口，在下表面形成有散热片34b。散热片34b由多个铝制的板状体形成，各板状体以从冷却铜块34的一个侧面延伸到另一个侧面且平行的方式配置。 [0050] 而且，配置成使冷却铜块34的上表面与高频电路板32的基板的下表面接触。根据这样的冷却铜块34，通过使冷却水(例如5℃～31℃)在制冷剂流路34a中流通，由此冷却铜块34自身被冷却，进而高频电路板32的基板被冷却，由此高频电路板32的基板上安装的元件(功率MOSFET32e、脉冲变压器32a、图案32b、旁路电容器32f、小型的陶瓷电容器32c)被冷却。 [0051] 冷却用风扇33在高频电路板32的上方与高频电路板32上表面相向地配置，使得吸气侧为上侧而排气侧为下侧。然后，通过进行旋转使空气从吸气侧向排气侧流通。此时，冷却用风扇33被配置成直接对脉冲变压器32a、L(电感器)32d、小型的陶瓷电容器32c等不适合通过热传导进行冷却的元件送风。 [0052] 另外，在壳体31的内部设置有用于将流过散热片34b的空气提供给冷却用风扇33的吸气侧的风道(空气流路)31a。具体地说，风道31a形成为：使空气在冷却铜块34的下方从左侧向右侧流通，在壳体31的右部从下侧向上侧流通，在壳体31的上部从右侧向左侧流通，在通过冷却用风扇33的内部之后，被吹到高频电路板32的元件，再次在冷却铜块34的下方从左侧向右侧流通。也就是说，空气在壳体31的内部进行循环。而且，当空气在冷却铜块34的下方从左侧向右侧流通时，流过散热片34b。 [0053] 根据这种冷却用风扇33和风道31a，当提供高频电流I时高频电路板32的元件发热，因此反复进行以下动作：使冷却用风扇33进行旋转，由此空气在冷却铜块34的散热片34b从左侧向右侧流通而被冷却，该冷却后的空气在通过冷却用风扇33的内部之后被吹到高频电路板32的元件，由此散出高频电路板32的元件(功率MOSFET32e、脉冲变压器32a、图案32b、旁路电容器32f、小型的陶瓷电容器32c、L(电感器)32d)所产生的热，变暖的空气再次在冷却铜块34的散热片34b从左侧向右侧流通而被冷却。 [0054] 计算机(控制部)50由通用的计算机装置构成，如果将其硬件模块化并进行说明，则计算机(控制部)50由CPU51和键盘、鼠标等输入装置52构成。另外，如果将CPU51进行处理的功能模块化并进行说明，则具有基于发光光谱进行定性分析和定量分析的测量部51b以及高频电源控制部51a。 [0055] 高频电源控制部51a基于来自输入装置52的输入信号来控制高频电路板32、冷却用风扇33以及制冷剂提供部71。具体地说，当操作者从输入装置52输入了输入信号“等离子体点亮”时，从高频电路板32的元件对高频感应线圈21提供高频电流I，并且使用制冷剂提供部71使冷却水在冷却铜块34的制冷剂流路34a中流通，使用冷却用风扇33使空气在风道31a中流通。另外，当操作者从输入装置52输入了输入信号“等离子体熄灭”时，停止从高频电路板32的元件对高频感应线圈21提供高频电流I，并且停止使用制冷剂提供部71使冷却水在冷却铜块34的制冷剂流路34a中流通，停止使用冷却用风扇33使空气在风道31a中流通。 [0056] 如上所述，根据本发明的ICP发光分光分析装置100，能够充分冷却安装于高频电路板32的元件并且可连续点亮等离子体火焰22。另外，通过使等离子体用高频电源30的壳体31的内部为密闭空间，能够防止由灰尘等的侵入引起的高频电路板32的元件损坏。 [0057] <其它实施方式> [0058] 在上述ICP发光分光分析装置100中，设为以下结构：在冷却铜块34的内部蜿蜒曲折地形成有用于使冷却水流通的制冷剂流路34a，但也可以设为如下结构：冷却铜块34安装有帕尔贴元件。 [0059] [实施例] [0060] 以下，通过实施例进一步详细地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。 [0061] 制作实施方式所涉及的等离子体用高频电源30的热电路网，通过使用下式进行计算来算出通过电流为20.7Arms时的安装于高频电路板32的各元件等的表面温度。 [0062] 图4是表示热电路网的图。此外，Tw是冷却水的温度，Tb是冷却铜块34的表面温度，Tg是空气的温度。另外，T1是脉冲变压器32a的表面温度，T2是图案32b的表面温度，T3是小型的陶瓷电容器32c的表面温度，T9是旁路电容器32f的表面温度，T5是功率MOSFET32e的表面温度，T4是L(电感器)32d的表面温度。此外，Q是热量，R是热电阻。 [0063] T1-Tg=Q1×R1 [0064] T2-Tg=Q2×R2 [0065] T3-Tg=Q3×R3 [0066] T4-Tg=Q4×R4 [0067] T5-Tg=Q5×R5 [0068] T1-Tb=Q6×R6 [0069] T2-Tb=Q7×R7 [0070] T3-Tb=Q8×R8 [0071] T9-Tb=Q9×R9 [0072] T5-Tb=Q10×R10 [0073] Tg-Tw=Q11×R11 [0074] Tb-Tw=Q12×R12 [0075] Q1+Q6=11.2 [0076] Q2+Q7=5.7 [0077] Q3+Q8=6 [0078] Q4=4.8 [0079] Q9=4.4 [0080] Q5+Q10=571 [0081] Q11=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 [0082] Q12=598.3-Q1-Q2-Q3-Q4-Q5 [0083] 其结果是，当冷却水的温度Tw=31℃时，脉冲变压器32a的表面温度T1=53.2℃，图案32b的表面温度T2=52℃，小型的陶瓷电容器32c的表面温度T3=65℃，旁路电容器32f的表面温度T9=63℃，L(电感器)32d的表面温度T4=57℃，功率MOSFET32e的表面温度T5=78.2℃，冷却铜块34的表面温度Tb=50.8℃，空气的温度Tg=35.7℃。 [0084] 如上所述，根据实施方式所涉及的等离子体用高频电源30，能够充分冷却安装于高频电路板32的元件。 [0085] 产业上的可利用性 [0086] 本发明能够利用于ICP发光分光分析装置等。 |
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