JP2000292246A - 重量法による自動吸着量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な操作で短時間に制度良くかつ安価に吸
着量測定を行うことができる重量法による自動吸着量測
定装置を提供する。 【解決手段】 吸着気体を供給するための吸着気体供給
源７と、精密圧力計３を備え、電気式精密天秤２を収納
した測定容器１と、該吸着気体供給源７と該測定容器１
の間に設定され、該測定容器１内の設定吸着圧力より高
い圧力で吸着気体を貯える中間ガス溜９と、該吸着気体
供給源７と該中間ガス溜９との間に設定された圧力調整
器１０と、該中間ガス溜９と該測定容器１の間に設置さ
れた流量調整バルブ１３と、該精密圧力計３からの圧力
データ及び該電気式精密天秤２からの計測データを受取
り、該圧力調整器１０及び該流量調整バルブ１３の動作
を制御するとともに、吸着量測定データを求める制御・
演算手段４とを具備することを特徴とする重量法による
自動吸着量測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動吸着量測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉体の比表面積や固体の表面特性を調べ
る各種の自動吸着量測定装置が実用化されている。吸着
量測定法には、一定体積内に入れた気体の圧力が吸着に
より低下することを利用して測定する容量法と、吸着量
を天秤で計る重量法とがある。市販されている自動吸着
量測定装置のほとんどは容量法を使用している。

【０００３】重量法は操作が単純で吸着量を直接求めら
れる上に、吸着速度測定もでき、比較的低圧での吸着現
象や比表面積の小さな試料の測定も出来る特徴を有す
る。重量法では天秤に試料をセットし、それを収めた測
定容器を真空ポンプで排気して不純ガスを除去し、試料
を乾燥する。次いでボンベ等から気体を供給して測定容
器内の圧力を目的値に設定し、気体を吸着させる。吸着
平衡に達したら、試料重量を測定して吸着量を求める。
その後順次気体を追加し、それぞれの設定圧力における
吸着量を計り、吸着等温線や比表面積を求める。

【０００４】重量法では天秤の測定機能を損なわずに圧
力を設定する操作に細心の注意と熟練した技術を要する
ので、自動吸着量測定装置の実用化にはこの操作を自動
化する必要がある。そのためには通常の吸着量測定で要
求される1torrから大気圧付近までの範囲の圧力を３〜
４桁の有効数字で設定でき、気体導入時に天秤に過度の
揺れを生じさせないで速やかに圧力を設定できる機構を
用意しなければならない。これを現在実用化されている
流通式の圧力設定法で実現しようとすれば、例えば1,1
0,100,1000torr級の４系列の圧力設定機を並列的に作動
させる必要があり、装置では複雑大型化し、操作は煩雑
となり、製造費もかさむことになる。また流通系では操
作中絶えず気体を真空ポンプで排出し続けるために、高
純度気体や同位体を含む気体など貴重で高価な気体をし
ようする試験には適さない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の問題点を解決し、簡便な操作で短時間に制度
良くかつ安価に吸着量測定を行うことができる重量法に
よる自動吸着量測定装置を提供することをその課題とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに
至った。即ち、本発明によれば、吸着気体を供給するた
めの吸着気体供給源と、精密圧力計を備え、電気式精密
天秤を収納した測定容器と、該吸着気体供給源と該測定
容器の間に設定され、該測定容器内の設定吸着圧力より
高い圧力で吸着気体を貯える中間ガス溜と、該吸着気体
供給源と該中間ガス溜との間に設定された圧力調整器
と、該中間ガス溜と該測定容器の間に設置された流量調
整バルブと、該精密圧力計からの圧力データ及び該電気
式精密天秤からの計測データを受取り、該圧力調整器お
よび該流量調整器の動作を制御するとともに、吸着量測
定データを求める制御・演算手段とを具備することを特
徴とする重量法による自動吸着量測定装置が提供され
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下本発明の好ましい実施の形態
を実施例により図１の装置フロー図に沿って説明する。
図中１は測定容器であり、電気式の精密天秤２を収納す
るとともに、精密圧力計３が取り付けられている。精密
圧力計３の計測圧力データはパーソナルコンピュータ等
の制御／演算装置（以下ＰＣと記す）４に送られる。精
密天秤２とＰＣ４とは天秤コントローラ５を介して連結
されており、天秤コントローラ５は精密天秤２の測定動
作を制御するとともに、測定して得られた電気的データ
信号をＰＣ４に送る役割をする。測定容器１は恒温槽６
内に設置される。また図中７は吸着気体を加圧状態で収
容するガスボンベであり、その出口には元バルブ８が取
り付けられ、中間ガス溜９を介して測定容器１と配管で
連結されている。ガスボンベ７と中間ガス溜９との間に
は圧力調整器１０が設けられる。この圧力調整器１０と
しては例えば市販の精度１％程度のものが使用可能であ
る。圧力調整器１０とＰＣ４とはバルブコントローラ１
１を介して連結されており、バルブコントローラ１１は
ＰＣ４の指示により圧力調整器１０の調整圧力値を制御
する。中間ガス溜９と測定容器１との間にはノルマル型
の開閉バルブ１２及びノルマルシャット型の流量調節バ
ルブ１３が設けられる。流量調節バルブ１３とＰＣ４と
はバルブコントローラ１４を介して連結されており、バ
ルブコントローラ１４はＰＣの指示により流量調節バル
ブ１３の開度を制御する。測定容器１は流量調節バルブ
１３、開閉バルブ１２、中間ガス溜９、圧力制御器１０
及び開閉バルブ１５を介して真空ポンプ１６に連結さ
れ、容器内を真空排気できるようになっている。

【０００８】次に動作について説明する。吸着気体はボ
ンベ７から送られ、ＰＣ４からの信号により圧力調整器
１０を調節して、中間ガス溜９の圧力が吸着圧力より少
し高くなるようにして（測定容器１への流入及び吸着が
可能となる程度の圧力にして）貯留し、元バルブ８を閉
じる。次に、ＰＣ４からの信号により開閉バルブ１２を
開き、流量調節バルブ１３の開度をあらかじめプログラ
ムされた設定圧力値と精密圧力計３の指示値との差に対
して比例制御して中間ガス溜９から気体を測定容器１に
流入させる。ここで流量調節バルブ１３としては、最大
流量でも天秤２が過度に揺れない速度で気体を導入でき
る能力のものを選択する。精密圧力計３の計測圧力が設
定値に達したら開閉バルブ１２、流量調節バルブ１３を
ＰＣ４からの信号により閉じて気体の流入を止め、天秤
２により試料の吸着量を測定する。吸着中に測定容器１
の圧力が設定値より低下したら開閉バルブ１２を開き、
流量調節バルブ１３の開度を制御して不足ガスを追加供
給し、設定圧力に回復したら再び開閉バルブ１２、流量
調節バルブ１３を閉じる。

【０００９】天秤２からの信号を受けて試料重量が一定
になったことをＰＣ４が確認したら、元バルブ８を開
け、圧力調整器１０を調節して新たに中間ガス溜９に気
体を導入し、プログラムされた次の設定値より少し高い
圧力の気体を貯留する。その後、上記と同様の方法で測
定容器１の圧力値を次の設定値に調節し、吸着量測定を
行う。以後、この操作をプログラムに沿って最終設定圧
力まで自動的に繰り返す。測定終了後に得られた圧力と
平衡吸着量の関係から、ＰＣ４により、比表面積や吸着
等温線図を得ることができる。また、吸着気体導入後の
試料重量の経時変化を記録して吸着速度を求めることも
できる。

【００１０】脱着量測定が必要な場合は、中間ガス溜９
内を排気して適切な圧力に調節した後、開閉バルブ１２
を開き流量調節器１３を制御して測定容器１内の圧力を
低下させ、目的の圧力値に至ったら開閉バルブ１２を閉
じて吸着量を測定する。ある程度測定容器１の圧力が下
がった後は中間ガス溜９の真空度設定装置を全開状態に
して、開閉バルブ１２、流量調節器１３の操作だけで測
定容器１の圧力を目的値に設定する。

【００１１】本発明の重量法による自動吸着量測定装置
には容量法による装置にない以下の利点がある。

【００１２】１）容量法では、一定体積のガス溜と試料
を入れた容器とを開閉バルブでつなぎ、吸着気体をガス
溜に満たして圧力を測定したのちバルブを開いて試料容
器へ気体を供給し、吸着平衡後に圧力を測定する。ガス
溜に入れた気体量と吸着平衡後にガス溜と試料容器に残
存する気体量をボイル・シャルルの法則に従って計算
し、その差から吸着量を求める。そして気体供給と平衡
圧測定の操作を自動的に繰り返して順次圧力と吸着量と
の関係を求め、吸着等温線や比表面積を得る。従って、
容量法では上記の繰り返し操作の途中で電気的なノイズ
等による圧力の読み取り誤差が生じると、その影響は以
後のすべての吸着量値に及ぶことになる。これに対して
重量法では、圧力測定と吸着量測定が独立して行われる
ので、両者の測定に誤差が生じてもその影響は１回の測
定結果に限定される。したがって、測定結果に対する信
頼性が容量法より高い。

【００１３】２）容量法では、ガス溜に貯留出来る気体
量は圧力に比例するので、気体の飽和蒸気圧が低い場合
は、上記の供給操作で送れる気体量が減少する。大きな
比表面積を持つ試料では、気体供給操作を多数回繰り返
さねばならず、それだけ誤差を生じ易く、測定に時間が
かかる。これに対し、重量法では、それぞれの設定圧で
の気体供給は原則として１回で済むので、飽和蒸気圧の
低い気体でも測定操作に手間取ることはない。同じこと
は飽和蒸気圧が低下する低温吸着でもいえる。

【００１４】３）水蒸気やメタノールの吸着測定に関し
ては、容量法では、気体が装置の内壁に吸着、凝縮し易
いため、長時間にわたって圧力が安定しなかったり、気
体の一部が凝縮して圧力測定に誤差を生じやすい。これ
に対し、重量法では圧力測定と吸着量測定が独立してい
るので、圧力の安定を確認しながら測定すれば問題は生
じない。

【００１５】４）吸着速度測定においては、容量法では
吸着に伴い雰囲気圧力も変化するのでその解析が複雑と
なる上、測定できる範囲が平衡圧に近い領域でのわずか
な吸着量の領域に限られる。これに対して重量法ではほ
ぼ一定圧力下での吸着量の経時変化を直接測定できるの
で、より正確に吸着速度を測定できる。

【００１６】５）本発明は従来各種の測定や製造装置で
使用されてきた流通式の圧力設定方法に替えてバッチ方
式の圧力設定方法を採用する。流通式の圧力設定方法で
は、大気圧付近から気体を少しずつ供給する一方で真空
ポンプによる排気を続け、供給／排気の両側に流量制御
弁を置き、両方もしくは一方の流量制御弁を設定圧力に
対して比例制御して圧力を一定に保つ。これに対して本
発明のバッチ式の圧力設定は次の点で自動吸着量測定に
適している。

【００１７】ａ）流通式の圧力設定方法は一定圧力値を
維持する方法として優れる。しかし、１組の供給／排気
のための流量制御器で、吸着測定で必要となる0.1torr
から大気圧付近までの圧力範囲３〜４桁の有効数字の精
度で天秤を過度に揺らさずに、かつ速やかに設定するこ
とは難しいので、圧力範囲に応じて複数個の供給／排気
用の流量制御器の組み合わせを必要とする。本発明で採
用したバッチ式の圧力設定方法では中間ガス溜に付けた
圧力調整器と測定容器入口に置いた流量調節バルブと開
閉バルブだけで、吸着測定に必要な範囲の圧力を十分な
精度で設定する。また、中間ガス溜で設定圧近くまで降
圧してあるので、流量調節バルブの径を選んでおけば過
大な気体の流速で天秤が揺れたり破損したり、試料が吹
き飛ぶこと無く速やかに圧力設定を完了できる。

【００１８】ｂ）流通式の圧力設定方法では絶えず気体
を供給排気し続けるので、長時間に及ぶ測定では大量の
気体を消費することになる。本発明のバッチ式の圧力設
定方法ではどんなに測定時間を要しても必要な気体量は
中間ガス溜と測定容器を測定温度での飽和蒸気圧で満た
すだけの気体量と吸着量との和だけですむ。高価な気体
を吸着させるとき等はバッチ式の圧力設定方法は非常に
有利といえる。

【００１９】ｃ）測定容器内の圧力が設定値に近づくに
つれて中間ガス溜の圧力も設定値に近づくため、ガスの
流入速度が次第に低下するので、最終的に設定圧力を検
知して開閉バルブを遮断した際の圧力の超過分を最小に
出来、測定精度を高められる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、上記のような構成を採
用したので、自動吸着量測定を行う効果として次の点が
挙げられる。容量法はボイル・シャルルの法則に従っ
て、気体導入量と吸着平衡達成後の気体残存量を求めて
吸着量を推定するので、測定に際してガス溜、試料容器
の体積、圧力、温度が変化しないようにする必要があ
る。このため、測定時にはガス溜や試料容器の温度を一
定にして圧力を測定しなければならない。また吸着測定
に先立って、Ｈｅ等を置換媒体に吸着温度での試料体積
を精密に測定する必要がある。その結果、測定には長い
時間を要する。これに対して、本発明では重量法を採用
しているので、試料体積を知る必要はなく、試料を測定
温度に保てば十分で、後は順次プログラムされた圧力で
の吸着量を求めるだけであるので、測定は必要最少時間
で終わらせることが出来る。

【００２１】比表面積測定の場合は圧力と吸着量との関
係をＢＥＴ式に沿ってＰＣで解析して求める。ＢＥＴ式
の成立範囲は相対圧（ｐ／ｐ_０；ｐ：平衡圧力、ｐ_０：
飽和蒸気圧）で０．０３〜０．３０とされるが、ＢＥＴ
プロットを行う際に、最初の測定点は上記の相対圧範囲
の下限近くに、最後の点は上限近くにくるようにして、
その間の４〜１０点がなるべく等間隔に分布するように
測定を計画することが計算を高精度で行う上で望まし
い。容量法では最初の測定点が相対圧で０．０３付近に
なるようにガス溜の圧力を設定する必要があるが、比表
面積のオーダも未知の試料ではガス溜圧力が低いところ
から始めて慎重に気体供給量を探す必要があり、その分
測定時間を費やすことになる。本発明によれば、最初の
測定圧力を相対圧で０．０３付近に設定すれば、後は吸
着量の多少に応じて天秤の測定範囲又は感度を切り替え
るだけでよく、操作が簡便で無駄な時間を要しない。

【００２２】また試料の細孔分布を求める際に吸着等温
線と脱着等温線を測定する場合がある。容量法で脱着側
の測定を行うにはガス溜を真空に排気した後、ガス溜と
試料容器の間のバルブを開放して、試料容器内の気体を
ガス溜側に吸引し、圧力が一定となるのを待って平衡吸
着量を読みとる。再度ガス溜内を真空に排気した後、同
様な操作を繰り返して脱着側の等温線を求めるが、平衡
圧力が低くなると１回の操作では試料容器からガス溜に
吸引できる気体量が減少する。通常の吸着等温線では吸
着量は低圧領域で急激に立ち上がるので、低圧側の測定
では多数回上記の吸引操作を繰り返さなければならな
い。ガス溜内の真空度を上げるには長時間の排気を必要
とすることも重なって、脱着側の等温線を得るにはかな
りの測定時間を要する。これに対し、本発明によれば、
０〜大気圧の範囲で短時間内に圧力を設定でき、後は吸
着平衡を待って各点での測定を終えられるので、測定に
特に長時間を必要とすることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自動吸着量測定装置の一実施例の
構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 測定容器 ２ 電気式精密
天秤 ３ 精密圧力計 ４ ＰＣ（制御
／演算装置） ５ 天秤コントローラ ６ 恒温槽 ７ ガスボンベ ８ 元バルブ ９ 中間ガス溜 １０ 圧力調整器 １１ バルブコントローラ １２ 開閉バル
ブ １３ 流量調節バルブ １４ バルブコ
ントローラ １５ 開閉バルブ １６ 真空ポン
プ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸着気体を供給するための吸着気体供給
   源と、 精密圧力計を備え、電気式精密天秤を収納した測定容器
   と、 該吸着気体供給源と該測定容器の間に設定され、該測定
   容器内の設定吸着圧力より高い圧力で吸着気体を貯える
   中間ガス溜と、 該吸着気体供給源と該中間ガス溜との間に設定された圧
   力調整器と、 該中間ガス溜と該測定容器の間に設置された流量調整バ
   ルブと、 該精密圧力計からの圧力データ及び該電気式精密天秤か
   らの計測データを受取り、該圧力調整器及び該流量調整
   バルブの動作を制御するとともに、吸着量測定データを
   求める制御・演算手段とを具備することを特徴とする重
   量法による自動吸着量測定装置。