JP2004020509A - Calorimeter - Google Patents

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JP2004020509A
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Kenichi Touzaki
東崎 健一
Hideaki Inaba
稲場 秀明
Hideko Hayashi
林 英子
Chikako Murauchi
村内 千香子
Takashi Kumasaka
熊坂 崇
Shotaro Hosaka
保坂 正太郎
Yukio Yoshimura
吉村 幸雄
Akira Kojima
小島 彬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calorimeter capable of measuring up to the very small heating value level of 10 nanowatt order by enhancing the stability of a baseline in measuring heat flux. <P>SOLUTION: A first countermeasure to this calorimeter is to improve a heating/cooling control method by performing temperature control in multiple stages, that is, the temperature of inside space of double heat insulating shields 24 and 26 is roughly controlled by a heater 20 on the outside of the heat insulating shields 24 and 26. In addition, heating/cooling of metal blocks 30, 32 and 34 is precisely controlled using a thermo-module 28 formed of a Peltier element, inside the heat insulating shields 24 and 26. A second countermeasure is to optimize a thermal distance between heat flux sensors 40 and 42, and the thermo-module 28, that is, the metal blocks 30, 32 and 34 with a thickness of 6-60mm are arranged between the thermo-module 28 and the heat flux sensors 40 and 42. A third countermeasure is to use semiconductor thermoelements 40 and 42 as the heat flux sensors to acquire high sensitivity. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は10ナノワットオーダーの微小な熱量まで測定できる熱量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
示差走査熱量計(DSC)などの熱量計は,「熱分析の基礎と応用・第3版」(日本熱測定学会編,リアライズ社,1994年)p.10に記載されているように,その構成要素や形状が一般化されている。しかし,そのような一般化された仕様では,せいぜいマイクロワットまでの大きさの熱流束の測定しかできず,10ナノワットオーダーの微小熱量の測定には向いていない。一方,蛋白質の安定構造の研究など種々の産業分野および研究分野で,10ナノワットオーダーの微小熱量の測定に対する要望が最近ますます強くなりつつある。
【0003】
上述の一般化された仕様では,微小熱量の測定に際して,次のような問題点がある。(1)試料を載せる金属製の均熱盤の厚みが1〜3mmと薄く,温度の安定性が不十分である。(2)加熱温度の均一性を保つための金属製のブロックが試料と熱的に近い距離にある(熱拡散率が小さい)ので,金属製のブロックの温度変動の影響を受けやすい。(3)試料と参照試料の温度差を検出するセンサーには熱電対か白金抵抗温度計を用いているため感度が不十分である。(4)温度制御用ヒーターを一つしか使用していないので室温変動など外乱要因を十分に除去できない。(5)温度制御にはヒーターを用いているので加熱制御しかできない。
【0004】
これらの問題点があるために,熱流束の測定の際のベースラインの安定性が不十分となり,一般化された仕様の熱量計では,せいぜいマイクロワットレベルまでの測定にとどまっていた。それ以下の微小熱量は,ノイズレベルに埋没してしまって測定ができなかった。
【0005】
一方で,一般的な仕様の問題点を克服するために,ノイズレベルが200ナノワット程度の微小熱量計が考案され使用されてきた。例えば,「現代化学」1998年2月号,p.38−40に記載された微小熱量計は次の特徴を備えている。(1)試料固定型にすることにより試料の出し入れによる誤差を小さくしている。(2)熱電対を多段にすることにより熱流束検出感度を増加させている。(3)試料周囲を二重に断熱制御することにより,試料周囲の温度安定性を保つ工夫がなされている。しかし,このような工夫をしても,ノイズレベルは200ナノワット程度にどどまっていた。
【0006】
ところで,示差走査熱量計において,熱流束センサーとして熱電対ではなくて半導体熱電素子を使うことによって高感度にしたものとして,次のような公知技術が知られている。特開昭50−66282号公報は,測定試料容器と標準試料容器に,それぞれ,N型半導体熱電素子の一端を固着して,これらの半導体熱電素子の他端を金属板に固着して,二つの半導体熱電素子の熱起電力の差を測定して,二つの試料容器の温度差を検出している。このように半導体熱電素子を利用することにより160μV/Kという高感度の熱起電力を得ており,昇温あるいは降温速度を小さくすることができて,転移等の温度分解能を大幅に向上することができる。また,特開昭57−206839号公報も,未知試料容器と基準試料容器に,それぞれ,半導体熱電素子の一端を接触させて,これらの半導体熱電素子の他端を金属ブロックに接触させて,二つの半導体熱電素子の熱起電力の差を測定して,二つの試料容器の温度差を検出している。これにより熱容量測定を高分解能で行うことができる。
【0007】
また,熱量計においてペルチェ素子を用いて加熱と冷却の両方を可能にしたものとして次のような公知技術が知られている。特開2000−329718号公報は,熱伝導率測定装置において,板状の試料の両面に,それぞれ,熱流計を介して熱板を配置している。これらの熱板はペルチェ効果を利用した半導体の昇温冷却モジュールからなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
相転移などの熱現象の測定では,近年,極めて少量の試料で,非常に微細な信号を,分解能良く測定することが要請されている。高分解能で測定することは,それだけで大変であるが,少量の試料で,非常に微細な信号を,分解能良く測定することは,さらに大変である。すなわち,少量の試料で測定すると,試料量に比例して信号は小さくなる。さらに,分解能良く測定するためには昇温速度または降温速度を小さくする必要があり,その場合,信号は昇温速度または降温速度に比例して小さくなる。
【0009】
従来の市販の熱量計の仕様では,「現代化学」1998年2月号,p.38−40に記載されているように,昇温速度が最も小さいもので0.01K/分程度,ノイズが最も小さいもので200ナノワットが限界であった。
【0010】
これらの限界を突破して,10ナノワットオーダーの微小熱量の測定を可能にするには,熱流束の測定の際のベースラインの安定性を格段に高めることが必要である。そのための具体的な課題は次のとおりである。(1)従来の装置では,昇温速度制御のための温度制御の最小制御幅は少なくとも2mK程度はある。この最小温度制御幅がベースラインの安定性を乱す要因になる。したがって,温度制御幅を格段に小さくする必要がある。(2)上述の最小温度制御幅がある程度あったとしても,温度制御用の温度を検出する位置での温度変動が熱流束センサーの位置での温度の乱れになりにくいようにする。(3)装置周辺の温度(例えば,室温)が変化しても,その温度変化が熱流束センサーの信号に影響しないような工夫をする。(4)試料用センサーと参照試料用センサーの出力差(熱流束に関する信号)を増幅するときに入るノイズをなるべく小さくする。
【0011】
本発明の目的は,上述の課題を一挙に解決して,10ナノワットオーダーの微小熱量の測定が可能な熱量計を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために,本発明の熱量計は,次の構成を備えている。(a)厚みが6〜60mmの範囲内の金属ブロック。(b)一端が測定試料容器に接触するものであり,他端が前記金属ブロックに接触している第1の半導体熱電素子。(c)一端が参照試料容器に接触するものであり,他端が前記金属ブロックに接触している第2の半導体熱電素子。(d)前記金属ブロックに接触しているサーモモジュールであって,ペルチェ効果によって前記金属ブロックの加熱と冷却が可能なサーモモジュール。(e)前記金属ブロックの温度を検出する精密制御用の温度検出素子。(f)前記金属ブロック,前記第1の半導体熱電素子,前記第2の半導体熱電素子及び前記サーモモジュールを取り囲む少なくとも2重の断熱シールド。(g)前記断熱シールドの外側に設けられたヒーターと粗制御用の温度検出素子。(h)前記精密制御用の温度検出素子の出力に基づいて前記サーモモジュールへの供給電力を制御するサーモモジュール電源。(i)前記粗制御用の温度検出素子の出力に基づいて前記ヒーターへの供給電力を制御するヒーター電源。(j)前記第1の半導体熱電素子と前記第2の半導体熱電素子の熱起電力の差を検出する熱起電力差検出装置。
【0013】
以下,本発明の各構成の役割について説明する。上述のような課題を達成するために,本発明は次のような対策をとっている。(1)加熱・冷却制御方法を改善する。(2)熱流束センサーと加熱・冷却素子との間の熱的距離を最適化する。(3)熱流束センサーを高感度にする。
【0014】
加熱・冷却制御方法の改善としては,まず,温度制御を多段にしている。すなわち,断熱シールドの外側にヒーターを設けて,このヒーターへの供給電力を制御することにより,断熱シールドの内側空間の温度を粗制御している。それに加えて,断熱シールドの内側では,ペルチェ効果によって加熱と冷却が可能なサーモモジュールを用いて金属ブロックの温度を精密制御している。昇温速度制御のための粗制御を断熱シールドの外側に設けたヒーターで行うことにより,装置中心部の昇温に必要な電力はほとんどこのヒーターから供給する。一方,昇温(または降温)速度の精密な制御は,ペルチェ素子により行う。この場合,昇温(または降温)に必要な電力は微小であるので,ペルチェ素子によって必要に応じて加熱または冷却を可逆的に迅速に行うことができる。これによって,昇温(または降温)速度の精密な制御が可能になり,温度制御の最小制御幅が0.2mK以内となった。その結果,一般的な熱量計と比べて,格段に精密な温度制御が可能となった。
【0015】
熱流束センサーと加熱・冷却素子との間の熱的距離を最適化することについては,加熱・冷却素子(サーモモジュール)と熱流束センサー(第1及び第2の半導体熱電素子)との間に,厚みが6〜60mmの範囲内の金属ブロックを配置している。金属ブロックの厚みを6mm以下にすると,金属ブロックの温度の均熱性が不十分になるし,サーモモジュールと熱流束センサーとの間の熱的距離が近くなりすぎて,金属ブロックの温度変動(外乱によるもの)が熱流束センサーに伝わりやすくなる。一方,60mm以上にすると金属ブロックの昇温または降温に時間がかかりすぎ,温度制御の応答性が悪くなる。この金属ブロックは単一の金属ブロックとしてもよいが,複数の金属ブロックを積層してもよい。積層する場合は合計の厚みが6〜60mmの範囲内になるようにする。また,積層した金属ブロックの間に,耐熱性のプラスチック・シートやセラミックス板などの熱伝導性の低い材料を挟んで,サーモモジュールと熱流束センサーとの間の熱的距離(熱抵抗)を増やすこともできる。
【0016】
熱流束センサーを高感度にすることについては,一般に使われている熱電対ではなくて,半導体熱電素子を利用している。第1の半導体熱電素子と第2の半導体熱電素子の熱起電力の差を検出することで,測定試料と参照試料の温度差を精密に検出でき,それに基づいて,測定試料に流れる熱流束を求めることができる。熱流束が分かれば,測定試料の相転移等に起因する発熱量または吸熱量を求めることができる。
【0017】
さらに,熱的外乱の影響を防ぐために,金属ブロック,第1の半導体熱電素子,第2の半導体熱電素子及びサーモモジュールを,少なくとも2重の断熱シールドで取り囲んでいる。
【0018】
本発明は,以上の対策をとることにより,ベースラインの安定性が格段に高まって,熱流束の測定の際の昇温速度を小さくしても十分な感度で検出信号を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は本発明のひとつの実施形態の示差走査熱量計の内部を示す正面断面図である。上下が閉じた円筒状の容器10の内部には,上下が閉じた円筒状の銅製の外側断熱シールド12が配置されている。ヒーター20(後述する)よりも外側の空間にあるので「外側」断熱シールドと呼ぶことにする。外側断熱シールド12の内部の下方には基台14が配置されていて,この基台14の上には,厚みが10mmの円盤状の伝熱ブロック16(金属製)と,上部が閉じた円筒状をした金属板18(断熱シールドとしても機能している)が固定されている。伝熱ブロック16の側壁の外周面は,金属板18の下端の内面で取り囲まれている。金属板18の側壁の内部には抵抗加熱ヒーター20と第1の白金抵抗温度計22が埋め込まれている。第1の白金抵抗温度計22は粗制御のための温度検出用であり,第1の白金抵抗温度計22で検出した温度が所望の温度になるように抵抗加熱ヒーター20の電力を制御する。
【0020】
金属板18の内側の空間には,上部が閉じた円筒状でセラミックス製の第1の内側断熱シールド24が配置されている。この第1の内側断熱シールド24の内側の空間には,上部が閉じた円筒状で銅製の第2の内側断熱シールド26が配置されている。セラミック製の第1の内側断熱シールド24は,断熱性を高める働きが強く,それよりも外側の温度変化が試料に影響を及ぼさないようにする効果きがある。セラミックの材質としては,例えば,ムライトまたはアルミナを用いる。銅製の第2の内側断熱シールド26は,熱伝導率が良好なので,試料周囲の空間の温度を均一にして恒温壁の機能を果たす。二つの断熱シールド24,26の材質を逆にすると(断熱シールド24を金属にし,断熱シールド26の材質をセラミックにする),温度の安定性が悪い。第2の内側断熱シールド26の下端は伝熱ブロック16の上面に載っている。二つの内側断熱シールド24,26は,ヒーター20の内側の空間にあるので「内側」断熱シールドと呼んでいる。これらの二つの内側断熱シールド24,26によって本発明における「少なくとも2重の断熱シールド」を構成している。この内側断熱シールドは,3重以上にすることも可能である。
【0021】
伝熱ブロック16の上面にはサーモ・モジュール28の一端(下面)が接着剤で固定されている。このサーモ・モジュール28はペルチェ素子からできていて,その上の金属ブロックを加熱したり冷却したりすることが可能である。サーモ・モジュール28の他端(上面)には円盤状の第1の金属ブロック30が接着剤で固定されている。第1の金属ブロック30の下面には第2の白金抵抗温度計36が固定されている。この第2の白金抵抗温度計36は精密制御のための温度検出用であり,この検出温度が所望の温度になるようにサーモ・モジュール28の電力を制御する。第1の金属ブロック30の上には円盤状の第2の金属ブロック32が固定され,さらにその上に円盤状の第3の金属ブロック34が固定されている。これらの三つの金属ブロック30,32,34は,いずれも銅製で,厚みが10mmである。第1の金属ブロック30よりも第2の金属ブロック32の方が直径が小さくなっており,第2の金属ブロック32よりも第3の金属ブロック34の方がさらに直径が小さくなっている。3個の金属ブロックの直径を上に行くに従って小さくして全体の外形を階段状にしているのは,階段状の段差部分に断熱シールドを載せられるようにするためである。これらの三つの金属ブロック30,32,34によって本発明における「金属ブロック」を構成している。その合計厚みは本実施形態では30mmである。
【0022】
第2の内側断熱シールド26の内側には,上部が閉じた円筒状をした銅製の第3の内側断熱シールド38が配置されている。この第3の内側断熱シールド38の下端は第1の金属ブロック30の上面(段差部分)に載っている。この第3の内側断熱シールドは,サーモモジュール28は取り囲んでいないので,本発明における「少なくとも2重の断熱シールド」には含まれない。
【0023】
第3の金属ブロック34の上面には二つの半導体熱電素子40,42の一端(下面)が接着剤で固定されている。これらの半導体熱電素子40,42は第3の金属ブロック34の中心に対して対称になるように配置されている。第1の半導体熱電素子40の他端(上面)には測定試料容器44を載せている。第2の半導体熱電素子42の他端(上面)には参照試料容器46を載せている。これらの容器44,46はアルミニウム(または銀)でできており,半導体熱電素子40,42との熱接触を良好に保つために,少量のグリースを介して半導体熱電素子40,42の上に載せている。測定試料容器44の中には測定試料を入れ,参照試料容器46の中には参照試料を入れる。測定試料容器44と参照試料容器46はお互いに10〜30mm程度離れている。測定試料容器44は半導体熱電素子40の上に単に載せているだけなので,測定試料容器44を示差走査熱量計から容易に取り出すことができる。すなわち,試料を容易に交換できる。
【0024】
半導体熱電素子40,42は18対の熱電素子を直列結合したものであり,この実施形態では,Ferro.Tech.Inc.,社製の型番9500/018/012の製品を用いている。
【0025】
第3の金属ブロック34の上面の中央には第3の白金抵抗温度計48が接着剤で固定されている。この第3の白金抵抗温度計48は試料温度のモニター用である。その検出温度は温度制御には利用していない。
【0026】
次に,この示差走査熱量計の試料付近の熱の流れを説明する。図2はこの示差走査熱量計の試料付近における熱の等価回路図である。試料温度を制御するための熱源50(サーモモジュール28に相当する)と測定試料位置52との間の熱の流れを考えると,これらの間には,4個の熱抵抗54,56,58,60が直列に接続され,かつ,4個の熱だめ62,64,66,68が並列に接続されている,とみなすことができる。第1の熱抵抗54と第1の熱だめ62は第1の金属ブロック30によるものである。第2の熱抵抗56と第2の熱だめ64は第2の金属ブロック32によるものである。第3の熱抵抗58と第3の熱だめ66は第3の金属ブロック34によるものである。第4の熱抵抗60と第4の熱だめ68は第1の半導体熱電素子40によるものである。また,積層した金属ブロックの間に,耐熱性のプラスチック・シートやセラミックス板などの熱伝導性の低い材料を挟むことで,サーモモジュールと熱流束センサーとの間の熱的距離(熱抵抗)を増やすこともできる。なお,熱だめや熱抵抗を増やしすぎると,温度制御の応答性が悪くなり,試料の昇温速度または降温速度が一定になるまで時間がかかりすぎることになって,昇温速度や降温速度をあまり速くできない。そこで,金属ブロックの合計厚みを60mm以内にすれば,そのような問題はそれほど気にならない。
【0027】
次に,この示差走査熱量計の電気回路を図3を参照して説明する。ヒーター電源70は抵抗加熱ヒーター20に電力を供給するものである。抵抗加熱ヒーター20が埋め込まれた金属板の温度は第1の白金抵抗温度計22(粗制御用の温度検出素子)で検出され,その出力はヒーター電源70にフィードバックされる。そして,温度計22の温度が所望のプログラム温度になるように,PID制御によって,ヒーター電源70から抵抗加熱ヒーター20に電力が供給される。これにより,金属板18(図1)の内側の空間の温度が粗く制御される。
【0028】
サーモモジュール電源72はサーモモジュール28に電力を供給するものである。サーモモジュール28の上面が接触している第1の金属ブロック30の温度は第2の白金抵抗温度計36(精密制御用の温度検出素子)で検出され,その出力はサーモモジュール電源72にフィードバックされる。そして,温度計36の温度が所望のプログラム温度になるように,PID制御によって,サーモモジュール電源72からサーモモジュール28に電力が供給される。その際,サーモモジュール28に流す電流の方向を変えることで第1の金属ブロック30の加熱と冷却を切り換えることができる。これにより,第1の金属ブロック30の温度が精密に制御される。
【0029】
上述の説明において,第1の白金抵抗温度計22が粗制御用で,第2の白金抵抗温度計36が精密制御用としているが,温度計自体は同じ仕様のものである。粗制御に使われるので粗制御用と表現し,精密制御に使われるので精密制御用と表現している。
【0030】
熱起電力差検出装置74は第1の半導体熱電素子40と第2の半導体熱電素子42の熱起電力の差を検出するものである。第1の半導体熱電素子40は測定試料容器と第3の金属ブロック34の温度差に比例する熱起電力を発生し,第2の半導体熱電素子42は参照試料容器と第3の金属ブロック34の温度差に比例する熱起電力を発生する。そして,第1の半導体熱電素子40と第2の半導体熱電素子42は差動的に結線しているので,第3の金属ブロック34の温度にかかわらず,測定試料容器と参照試料容器の温度差に比例した熱起電力差を検出できる。参照試料は温度変化によっても発熱や吸熱をしないので,上述の熱起電力差は測定試料の発熱現象や吸熱現象に起因するものである。熱起電力差検出装置74では,二つの半導体熱電素子の熱起電力差をローノイズ・プリアンプで増幅しており,増幅時のノイズ(室温変動や電源変動に起因する)をできるだけ少なくしている。
【0031】
半導体熱電素子の熱起電力を熱流束に変換するには,次のようにする。まず,熱容量が既知の標準アルミナを試料容器に入れて熱起電力を測定する。これにより,熱容量文献値と昇温速度の値から各温度での熱起電力を熱流束に換算するための装置定数を得る。装置定数が各温度で得られると,違う質量の標準アルミナを試料容器に入れて熱起電力を測定することで,任意の温度の熱流束値から熱容量に変換できる。このようなデータ変換作業は公知であり,詳しくは,例えば「熱分析の基礎と応用・第3版」p.56−57,1994年,日本熱測定学会編に記載されている。
【0032】
第3の金属ブロック34の上面に接着された第3の白金抵抗温度計48は第3の金属ブロック34の温度をモニターするために使われるものであり,その出力は試料温度モニター76に入力されている。
【0033】
次に,粗制御と精密制御を組み合わせた多段の温度制御の働きを説明する。抵抗加熱ヒーター20の電力制御により,金属板18(図1)の内側の空間の温度が粗く制御される。金属板18の温度制御の最小制御幅は1mK程度である。このような粗制御により,示差走査熱量計の周辺の温度(例えば室温)の変化が熱流束センサーに影響を及ぼさないようにしている。金属板18の温度制御は1mK程度の温度変動が避けられないが,二つの内側断熱シールド24,26(図1)を設けることにより,そのような温度変動が熱流束センサーに影響を及ぼさないようにしている。そして,サーモモジュール28の電力制御により,第1の金属ブロック30の温度が精密に制御される。第1の金属ブロック30の温度制御の最小制御幅は0.2mK程度である。本実施形態では,熱流束センサーとして半導体熱電素子を利用しているので,測定試料と参照試料の温度差の検出感度として,7.6mV/Kが得られた。これは,通常の熱電対の感度に比べて格段に優れている。この実施形態では,抵抗加熱ヒーター20の電力制御により温度制御する場合の目標温度となる昇温プログラム曲線と,サーモモジュール28の電力制御により温度制御する場合の目標温度となる昇温プログラム曲線とは同じものを使っている。
【0034】
測定例1
図4は,図1に示した示差走査熱量計のベースラインの安定性を測定したグラフである。横軸は時間である(約2時間分の測定結果を示している)。縦軸は熱起電力差検出装置74(図3)で測定した値であり,検出した熱起電力の差を熱流束に換算した値である。測定試料容器と参照試料容器には何も入れない状態で測定した。測定結果は,ゼロ・ナノワットを中心にしておよそ±5ナノワットの範囲内でばらついており,この示差走査熱量計のノイズレベルが±5ナノワット以内であることが分かる。したがって,10ナノワットオーダーの熱流束は十分に検出できる。このノイズレベルを測定試料容器と参照試料容器の温度差に換算すると10mKである。
【0035】
測定例2
図5は測定試料としてEBBA(Ethoxy−p−benzilidene−n−butylaniline)を用いて,その昇温方向の熱流束を測定したグラフであり,図6はその降温方向の熱流束を測定したグラフである。いずれのグラフも,横軸は温度(単位はK)であり,縦軸は熱流束である。測定試料容器には上述のEBBAを入れ,参照試料容器には参照試料を入れて測定した。図5は昇温速度がプラス1mK/秒であり,図6は降温速度がマイナス1mK/秒である。昇温方向(図5)と降温方向(図6)のいずれも,相変化が明瞭に観測された。図5の昇温方向のグラフでは,308K付近で結晶から液晶への相転移が観測され,352K付近でさらに液晶から液体への相転移が観測された。一方,図6の降温方向のグラフでは,349K付近で液体から液晶への相転移が観測され,282K付近で液晶から結晶への相転移が観測された。降温方向では,過冷却現象のために,相転移温度と熱流束のピーク高さが,昇温方向での値と異なっている。
【0036】
測定例3
図7は測定試料としてn−C3266を用いた降温方向での熱流束測定のグラフである。横軸は温度(単位はK),縦軸は熱流束である。試料量は1.0mgと微量であり,降温速度はマイナス0.04mK/秒(すなわち,マイナス2.4mK/分)と非常にゆっくりである。この試料は343K付近で凝固するが,図7のグラフは,その凝固点よりもわずかに低い温度領域での非常に狭い温度範囲(1K以内)での測定結果(すなわち,凝固現象の終わり付近の状態)を示している。凝固過程においては,数μm程度の粒が生成するが,その粒の界面付近の不規則状態の分子が結晶化することによって微量発熱が生じる。図7のグラフでは,そのような発熱ピークが多く観測された。図7では,微量発熱のピーク高さは大きいもので10マイクロワット(0.01mW)のオーダーであり,小さいものは1マイクロワットのオーダーである。従来の装置では,凝固点での大きな発熱ピークに隠れて,上述のような微量発熱現象が観測できなかったが,図1の示差走査熱量計を用いることにより,図7に示すように微量発熱現象が観測できた。このように,本発明の示差走査熱量計により,高感度・高分解能・低降温速度(低昇温速度)の熱流束観測が可能になった。
【0037】
測定例4
図8は測定試料としてアルミナを用いて,アルミナの比熱容量の温度依存性を測定したグラフである。測定試料容器にはアルミナを入れ,参照試料容器には何も入れないで測定している。なめらかな曲線は文献値であり,ぎざぎざの曲線は測定値である。測定値は文献値の1%以内に収まっており,相対測定だけでなく,絶対測定でも十分な精度で測定できることが分かる。
【0038】
本発明は上述の実施形態に限定されず,次のような変更が可能である。3個の金属ブロック30,32,34を積層する代わりに,ひとつの金属ブロックを切削加工して同じ形状のもの(厚みが30mmで段差のある円盤状)を作ってもよい。段差の部分に第3の内側断熱シールド38を載せることになる。
【0039】
上述の実施例は示差走査熱量計に関するものであるが,それ以外の熱量計,すなわち,参照用試料を用いない恒温壁型熱量計にも適用できる。
【0040】
【発明の効果】
本発明の熱量計を使うことにより,従来の装置と比べて,少なくとも1桁程度感度が高い微小熱流束及び微小熱量の測定が可能になる。具体的な効果は次のとおりである。(1)ベースラインの安定度は±5ナノワット程度であり,10ナノワットオーダーの熱流束の測定が可能となる。(2)昇温速度及び降温速度の精密な制御が可能であり,2.4mK/分程度の極めて遅い昇温速度及び降温速度でも明瞭な信号を得ることが可能となる。(3)熱量測定の感度が高いので,0.1mg程度の少量の試料で十分な測定が可能である。(4)試料を固定式にしなくても高感度が得られるので,高感度で,かつ,試料を簡単に取り替えることができる。(5)熱量の絶対測定が誤差1%以内で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のひとつの実施形態の示差走査熱量計の内部を示す正面断面図である。
【図2】図1の示差走査熱量計の試料付近における熱の等価回路図である。
【図3】図1の示差走査熱量計の電気回路図である。
【図4】図1の示差走査熱量計のベースラインの安定性を測定したグラフである。
【図5】EBBA試料の昇温方向の熱流束を測定したグラフである。
【図6】EBBA試料の降温方向の熱流束を測定したグラフである。
【図7】n−C3266試料を用いた降温方向での熱流束測定のグラフである。
【図8】アルミナ試料の比熱容量の温度依存性を測定したグラフである。
【符号の説明】
10 容器
12 外側断熱シールド
14 基台
16 伝熱ブロック
18 金属板
20 抵抗加熱ヒーター
22 第1の白金抵抗温度計
24 第1の内側断熱シールド(セラミックス製)
26 第2の内側断熱シールド(銅製)
28 サーモモジュール(ペルチェ素子)
30 第1の金属ブロック
32 第2の金属ブロック
34 第3の金属ブロック
36 第2の白金抵抗温度計
38 第3の内側断熱シールド(銅製)
40 第1の半導体熱電素子
42 第2の半導体熱電素子
44 測定試料容器
46 参照試料容器
48 第3の白金抵抗温度計
50 熱源
52 試料位置
54 第1の熱抵抗
56 第2の熱抵抗
58 第3の熱抵抗
60 第4の熱抵抗
62 第1の熱だめ
64 第2の熱だめ
66 第3の熱だめ
68 第4の熱だめ
70 ヒーター電源
72 サーモモジュール電源
74 熱起電力差検出装置
76 試料温度モニター
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a calorimeter capable of measuring a minute amount of heat on the order of 10 nanowatts.
[0002]
[Prior art]
A calorimeter such as a differential scanning calorimeter (DSC) is described in “Basics and Application of Thermal Analysis, Third Edition” (edited by the Japan Society of Thermometry, Realize, 1994), p. As described in No. 10, the components and shapes are generalized. However, such generalized specifications are only capable of measuring heat fluxes up to microwatts at best, and are not suitable for measuring small amounts of heat on the order of 10 nanowatts. On the other hand, in various industrial fields and research fields, such as research on stable structures of proteins, demands for measurement of a minute calorific value on the order of 10 nanowatts have recently become increasingly stronger.
[0003]
The above generalized specifications have the following problems when measuring a minute amount of heat. (1) The thickness of the metal soaking plate on which the sample is placed is as thin as 1 to 3 mm, and the temperature stability is insufficient. (2) Since the metal block for maintaining the uniformity of the heating temperature is located at a distance that is thermally close to the sample (small thermal diffusivity), it is easily affected by the temperature fluctuation of the metal block. (3) The sensitivity for detecting the temperature difference between the sample and the reference sample is insufficient because a thermocouple or a platinum resistance thermometer is used. (4) Since only one temperature control heater is used, disturbance factors such as room temperature fluctuation cannot be sufficiently removed. (5) Since a heater is used for temperature control, only heating control can be performed.
[0004]
Due to these problems, the baseline stability when measuring heat flux was insufficient, and calorimeters with generalized specifications only measured at most the microwatt level. Smaller amounts of heat were buried in the noise level and could not be measured.
[0005]
On the other hand, in order to overcome the problem of general specifications, a minute calorimeter having a noise level of about 200 nanowatts has been devised and used. For example, "Modern Chemistry", February 1998, p. The microcalorimeter described in 38-40 has the following features. (1) The error caused by taking in and out of the sample is reduced by using the fixed sample type. (2) The heat flux detection sensitivity is increased by using multiple thermocouples. (3) The temperature stability around the sample is devised by doubly controlling the heat around the sample. However, even with such measures, the noise level remained at about 200 nanowatts.
[0006]
By the way, in the differential scanning calorimeter, the following known techniques are known as those which are made to have high sensitivity by using a semiconductor thermoelectric element instead of a thermocouple as a heat flux sensor. Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 50-66282 discloses that two ends of an N-type semiconductor thermoelectric element are fixed to a measurement sample container and a standard sample container, respectively, and the other ends of these semiconductor thermoelectric elements are fixed to a metal plate. The difference between the thermoelectromotive forces of the two semiconductor thermoelectric elements is measured to detect the temperature difference between the two sample containers. By using a semiconductor thermoelectric element in this way, a high-sensitivity thermoelectromotive force of 160 μV / K is obtained, and the rate of temperature rise or fall can be reduced, thereby greatly improving the temperature resolution of transition and the like. Can be. JP-A-57-206839 also discloses that an unknown sample container and a reference sample container are brought into contact with one end of a semiconductor thermoelectric element, respectively, and the other end of the semiconductor thermoelectric element is brought into contact with a metal block. The difference between the thermoelectromotive forces of the two semiconductor thermoelectric elements is measured to detect the temperature difference between the two sample containers. Thereby, heat capacity measurement can be performed with high resolution.
[0007]
In addition, the following known technology is known as a calorimeter using a Peltier element to enable both heating and cooling. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-329718 discloses a thermal conductivity measuring device in which hot plates are arranged on both sides of a plate-shaped sample via a heat flow meter. These hot plates are composed of semiconductor heating / cooling modules utilizing the Peltier effect.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the measurement of thermal phenomena such as phase transition, it has recently been required to measure very fine signals with a very high resolution with a very small amount of sample. Measuring with high resolution alone is difficult, but measuring very fine signals with a small amount of sample at high resolution is even more difficult. That is, when a small amount of sample is measured, the signal becomes smaller in proportion to the amount of sample. Further, in order to perform measurement with high resolution, it is necessary to reduce the heating rate or the cooling rate, and in that case, the signal decreases in proportion to the heating rate or the cooling rate.
[0009]
Conventional commercial calorimeter specifications are described in “Hyundai Kagaku”, February 1998, p. 38-40, the limit was about 0.01 K / min for the one with the lowest heating rate, and 200 nanowatts for the one with the smallest noise.
[0010]
To overcome these limitations and enable the measurement of very small amounts of heat on the order of 10 nanowatts, it is necessary to significantly increase the stability of the baseline when measuring the heat flux. The specific issues for that are as follows. (1) In the conventional apparatus, the minimum control width of the temperature control for controlling the heating rate is at least about 2 mK. This minimum temperature control width becomes a factor that disturbs the stability of the baseline. Therefore, it is necessary to significantly reduce the temperature control width. (2) Even if the above-mentioned minimum temperature control width is present to some extent, temperature fluctuation at the position for detecting the temperature for temperature control is not likely to be disturbed at the position of the heat flux sensor. (3) Even if the temperature around the device (for example, room temperature) changes, the device is designed so that the temperature change does not affect the signal of the heat flux sensor. (4) Minimize the noise entering when amplifying the output difference (signal related to heat flux) between the sample sensor and the reference sample sensor.
[0011]
An object of the present invention is to provide a calorimeter capable of measuring a minute calorific value on the order of 10 nanowatts by solving the above problems at once.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a calorimeter of the present invention has the following configuration. (A) A metal block having a thickness of 6 to 60 mm. (B) a first semiconductor thermoelectric element having one end in contact with the measurement sample container and the other end in contact with the metal block; (C) a second semiconductor thermoelectric element having one end in contact with the reference sample container and the other end in contact with the metal block; (D) a thermo module in contact with the metal block, wherein the thermo module can heat and cool the metal block by a Peltier effect. (E) A temperature control element for precision control for detecting the temperature of the metal block. (F) at least a double adiabatic shield surrounding the metal block, the first semiconductor thermoelectric element, the second semiconductor thermoelectric element, and the thermomodule; (G) A heater and a temperature detecting element for coarse control provided outside the heat insulating shield. (H) a thermo-module power supply that controls power supplied to the thermo-module based on the output of the temperature control element for precision control. (I) A heater power supply for controlling the power supplied to the heater based on the output of the coarse control temperature detecting element. (J) A thermo-electromotive force difference detection device for detecting a thermo-electromotive force difference between the first semiconductor thermoelectric element and the second semiconductor thermoelectric element.
[0013]
Hereinafter, the role of each component of the present invention will be described. In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures. (1) Improve the heating / cooling control method. (2) Optimize the thermal distance between the heat flux sensor and the heating / cooling element. (3) Make the heat flux sensor highly sensitive.
[0014]
As an improvement in the heating / cooling control method, first, the temperature control is multistage. That is, a heater is provided outside the heat-insulating shield, and power supplied to the heater is controlled to roughly control the temperature of the space inside the heat-insulating shield. In addition, inside the heat shield, the temperature of the metal block is precisely controlled using a thermo module that can be heated and cooled by the Peltier effect. By performing rough control for controlling the heating rate using a heater provided outside the heat insulating shield, most of the electric power required for heating the central portion of the apparatus is supplied from the heater. On the other hand, precise control of the heating (or cooling) speed is performed by a Peltier device. In this case, since the electric power required for raising (or lowering) the temperature is very small, the heating or cooling can be rapidly and reversibly performed as needed by the Peltier device. As a result, precise control of the heating (or cooling) speed was made possible, and the minimum control width of the temperature control became within 0.2 mK. As a result, much more precise temperature control became possible compared to a general calorimeter.
[0015]
The optimization of the thermal distance between the heat flux sensor and the heating / cooling element is discussed in detail between the heating / cooling element (thermo module) and the heat flux sensor (first and second semiconductor thermoelectric elements). , A metal block having a thickness in the range of 6 to 60 mm is arranged. When the thickness of the metal block is set to 6 mm or less, the temperature uniformity of the metal block becomes insufficient, and the thermal distance between the thermo module and the heat flux sensor becomes too short, so that the temperature fluctuation of the metal block (disturbance). Is easily transmitted to the heat flux sensor. On the other hand, when the thickness is 60 mm or more, it takes too much time to raise or lower the temperature of the metal block, and the responsiveness of temperature control deteriorates. The metal block may be a single metal block, or a plurality of metal blocks may be stacked. When laminating, the total thickness is set in the range of 6 to 60 mm. In addition, the thermal distance (thermal resistance) between the thermo module and the heat flux sensor is increased by sandwiching a material with low thermal conductivity, such as a heat-resistant plastic sheet or ceramic plate, between the laminated metal blocks. You can also.
[0016]
To increase the sensitivity of the heat flux sensor, a semiconductor thermoelectric element is used instead of a commonly used thermocouple. By detecting the difference in thermoelectromotive force between the first semiconductor thermoelectric element and the second semiconductor thermoelectric element, the temperature difference between the measurement sample and the reference sample can be accurately detected, and based on this, the heat flux flowing through the measurement sample is determined. You can ask. If the heat flux is known, the calorific value or heat absorption due to the phase transition of the measurement sample or the like can be obtained.
[0017]
Further, in order to prevent the influence of thermal disturbance, the metal block, the first semiconductor thermoelectric element, the second semiconductor thermoelectric element, and the thermo module are surrounded by at least a double adiabatic shield.
[0018]
According to the present invention, by taking the above measures, the stability of the baseline is remarkably enhanced, and a detection signal can be obtained with sufficient sensitivity even when the heating rate at the time of measuring the heat flux is reduced.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a front sectional view showing the inside of a differential scanning calorimeter according to one embodiment of the present invention. Inside the cylindrical container 10 whose upper and lower sides are closed, a cylindrical outer insulating shield 12 made of copper and whose upper and lower sides are closed is arranged. Since it is in a space outside of the heater 20 (described below), it will be referred to as an "outer" adiabatic shield. A base 14 is disposed below the inside of the outer heat-insulating shield 12. On the base 14, a disk-shaped heat transfer block 16 (made of metal) having a thickness of 10 mm, and a cylinder having a closed upper part are provided. A metal plate 18 (which also functions as a heat insulating shield) is fixed. The outer peripheral surface of the side wall of the heat transfer block 16 is surrounded by the inner surface of the lower end of the metal plate 18. A resistance heater 20 and a first platinum resistance thermometer 22 are embedded inside the side wall of the metal plate 18. The first platinum resistance thermometer 22 is for temperature detection for coarse control, and controls the electric power of the resistance heater 20 so that the temperature detected by the first platinum resistance thermometer 22 becomes a desired temperature.
[0020]
In the space inside the metal plate 18, a first inner heat insulating shield 24 made of ceramics and having a closed cylindrical shape is disposed. In the space inside the first inner heat insulating shield 24, a second inner heat insulating shield 26 made of copper and having a closed cylindrical shape is arranged. The first inner heat insulating shield 24 made of ceramic has a strong function of enhancing the heat insulating property, and has an effect of preventing a temperature change outside of the shield from affecting the sample. As the ceramic material, for example, mullite or alumina is used. Since the second inner heat insulating shield 26 made of copper has a good thermal conductivity, the temperature of the space around the sample is made uniform to fulfill the function of a constant temperature wall. If the materials of the two heat shields 24 and 26 are reversed (the heat shield 24 is made of metal and the material of the heat shield 26 is made of ceramic), the temperature stability is poor. The lower end of the second inner heat shield 26 rests on the upper surface of the heat transfer block 16. The two inner insulation shields 24, 26 are called “inside” insulation shields because they are in the space inside the heater 20. These two inner heat shields 24 and 26 constitute "at least a double heat shield" in the present invention. This inner heat shield can be tripled or more.
[0021]
One end (lower surface) of the thermo module 28 is fixed to the upper surface of the heat transfer block 16 with an adhesive. The thermo-module 28 is made of a Peltier element and is capable of heating and cooling the metal block thereon. A disc-shaped first metal block 30 is fixed to the other end (upper surface) of the thermo module 28 with an adhesive. A second platinum resistance thermometer 36 is fixed to the lower surface of the first metal block 30. The second platinum resistance thermometer 36 is for temperature detection for precise control, and controls the power of the thermo module 28 so that the detected temperature becomes a desired temperature. A disk-shaped second metal block 32 is fixed on the first metal block 30, and a disk-shaped third metal block 34 is further fixed thereon. Each of these three metal blocks 30, 32, 34 is made of copper and has a thickness of 10 mm. The diameter of the second metal block 32 is smaller than that of the first metal block 30, and the diameter of the third metal block 34 is smaller than that of the second metal block 32. The reason why the diameters of the three metal blocks are made smaller as going upward, and the entire outer shape is made step-shaped, is so that the heat insulating shield can be mounted on the step-shaped step portion. The three metal blocks 30, 32, and 34 constitute a "metal block" in the present invention. The total thickness is 30 mm in this embodiment.
[0022]
Inside the second inner heat insulating shield 26, a third inner heat insulating shield 38 made of copper and having a closed cylindrical shape is disposed. The lower end of the third inner heat shield 38 rests on the upper surface (step portion) of the first metal block 30. Since this third inner heat shield does not surround the thermo module 28, it is not included in the "at least double heat shield" in the present invention.
[0023]
One end (lower surface) of the two semiconductor thermoelectric elements 40 and 42 is fixed to the upper surface of the third metal block 34 with an adhesive. These semiconductor thermoelectric elements 40 and 42 are arranged symmetrically with respect to the center of the third metal block 34. On the other end (upper surface) of the first semiconductor thermoelectric element 40, a measurement sample container 44 is placed. On the other end (upper surface) of the second semiconductor thermoelectric element 42, a reference sample container 46 is placed. These containers 44 and 46 are made of aluminum (or silver), and are placed on the semiconductor thermoelectric elements 40 and 42 with a small amount of grease to maintain good thermal contact with the semiconductor thermoelectric elements 40 and 42. ing. A measurement sample is put in the measurement sample container 44, and a reference sample is put in the reference sample container 46. The measurement sample container 44 and the reference sample container 46 are separated from each other by about 10 to 30 mm. Since the measurement sample container 44 is simply placed on the semiconductor thermoelectric element 40, the measurement sample container 44 can be easily taken out of the differential scanning calorimeter. That is, the sample can be easily exchanged.
[0024]
The semiconductor thermoelectric elements 40 and 42 are obtained by connecting 18 pairs of thermoelectric elements in series. In this embodiment, Ferro. Tech. Inc. The product of Model No. 9500/018/012 manufactured by the company is used.
[0025]
At the center of the upper surface of the third metal block 34, a third platinum resistance thermometer 48 is fixed with an adhesive. This third platinum resistance thermometer 48 is for monitoring the sample temperature. The detected temperature is not used for temperature control.
[0026]
Next, the flow of heat near the sample of the differential scanning calorimeter will be described. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of heat in the vicinity of the sample of the differential scanning calorimeter. Considering the heat flow between the heat source 50 (corresponding to the thermo module 28) for controlling the sample temperature and the measurement sample position 52, four thermal resistances 54, 56, 58, It can be considered that 60 are connected in series and four heat sinks 62, 64, 66, 68 are connected in parallel. The first heat resistor 54 and the first heat sink 62 are provided by the first metal block 30. The second heat resistance 56 and the second heat sink 64 are provided by the second metal block 32. The third heat resistance 58 and the third heat sink 66 are provided by the third metal block 34. The fourth heat resistance 60 and the fourth heat sink 68 are provided by the first semiconductor thermoelectric element 40. Also, by sandwiching a material with low thermal conductivity, such as a heat-resistant plastic sheet or ceramic plate, between the laminated metal blocks, the thermal distance (thermal resistance) between the thermo module and the heat flux sensor can be increased. It can be increased. If the heat sink or thermal resistance is increased too much, the responsiveness of the temperature control will deteriorate, and it will take too long for the sample heating or cooling rate to become constant. Can't be too fast. Therefore, if the total thickness of the metal block is set within 60 mm, such a problem is not so noticeable.
[0027]
Next, an electric circuit of the differential scanning calorimeter will be described with reference to FIG. The heater power supply 70 supplies electric power to the resistance heater 20. The temperature of the metal plate in which the resistance heater 20 is embedded is detected by the first platinum resistance thermometer 22 (coarse control temperature detection element), and the output is fed back to the heater power supply 70. Then, electric power is supplied from the heater power supply 70 to the resistance heater 20 by PID control so that the temperature of the thermometer 22 becomes a desired program temperature. Thereby, the temperature of the space inside the metal plate 18 (FIG. 1) is roughly controlled.
[0028]
The thermo module power supply 72 supplies power to the thermo module 28. The temperature of the first metal block 30 with which the upper surface of the thermo module 28 is in contact is detected by a second platinum resistance thermometer 36 (temperature detection element for precision control), and the output is fed back to the thermo module power supply 72. You. Then, power is supplied from the thermo module power supply 72 to the thermo module 28 by PID control so that the temperature of the thermometer 36 becomes a desired program temperature. At that time, the heating and cooling of the first metal block 30 can be switched by changing the direction of the current flowing through the thermo module 28. Thereby, the temperature of the first metal block 30 is precisely controlled.
[0029]
In the above description, the first platinum resistance thermometer 22 is used for coarse control, and the second platinum resistance thermometer 36 is used for precision control, but the thermometer itself has the same specifications. It is used for coarse control, so it is referred to as coarse control, and used for precision control, it is used for precision control.
[0030]
The thermoelectromotive force difference detection device 74 detects a difference between the thermoelectromotive forces of the first semiconductor thermoelectric element 40 and the second semiconductor thermoelectric element 42. The first semiconductor thermoelectric element 40 generates a thermoelectromotive force proportional to the temperature difference between the measurement sample container and the third metal block 34, and the second semiconductor thermoelectric element 42 generates the thermoelectric force between the reference sample container and the third metal block 34. Generates a thermoelectromotive force proportional to the temperature difference. Further, since the first semiconductor thermoelectric element 40 and the second semiconductor thermoelectric element 42 are differentially connected, regardless of the temperature of the third metal block 34, the temperature difference between the measurement sample container and the reference sample container is obtained. Can be detected. Since the reference sample does not generate heat or absorb heat even when the temperature changes, the above-described difference in thermoelectromotive force is caused by a heat generation phenomenon or an endothermic phenomenon of the measurement sample. In the thermoelectromotive force difference detection device 74, the thermoelectromotive force difference between the two semiconductor thermoelectric elements is amplified by a low-noise preamplifier, and noise during amplification (attributable to fluctuations in room temperature and power supply) is reduced as much as possible.
[0031]
In order to convert the thermoelectromotive force of a semiconductor thermoelectric element into a heat flux, the following is performed. First, a standard alumina having a known heat capacity is placed in a sample container, and the thermoelectromotive force is measured. Thereby, a device constant for converting the thermoelectromotive force at each temperature into a heat flux is obtained from the heat capacity document value and the value of the heating rate. Once the device constants are obtained at each temperature, the heat flux at any temperature can be converted to heat capacity by placing a standard mass of different mass in the sample container and measuring the thermoelectromotive force. Such data conversion work is known, and is described in detail in, for example, “Basics and Application of Thermal Analysis, Third Edition”, p. 56-57, 1994, edited by the Japan Society of Thermometry.
[0032]
The third platinum resistance thermometer 48 bonded to the upper surface of the third metal block 34 is used to monitor the temperature of the third metal block 34, and the output is input to the sample temperature monitor 76. ing.
[0033]
Next, the operation of multi-stage temperature control that combines coarse control and precision control will be described. By controlling the power of the resistance heater 20, the temperature of the space inside the metal plate 18 (FIG. 1) is roughly controlled. The minimum control width of the temperature control of the metal plate 18 is about 1 mK. Such a coarse control prevents a change in the temperature (for example, room temperature) around the differential scanning calorimeter from affecting the heat flux sensor. Although temperature fluctuation of about 1 mK is inevitable in controlling the temperature of the metal plate 18, the provision of the two inner heat shields 24 and 26 (FIG. 1) prevents such temperature fluctuation from affecting the heat flux sensor. I have to. The temperature of the first metal block 30 is precisely controlled by controlling the power of the thermo module 28. The minimum control width of the temperature control of the first metal block 30 is about 0.2 mK. In the present embodiment, since the semiconductor thermoelectric element is used as the heat flux sensor, 7.6 mV / K is obtained as the detection sensitivity of the temperature difference between the measurement sample and the reference sample. This is much better than the sensitivity of ordinary thermocouples. In this embodiment, a temperature rising program curve that is a target temperature when the temperature is controlled by the power control of the resistance heater 20 and a temperature rising program curve that is the target temperature when the temperature is controlled by the power control of the thermomodule 28 are as follows. I use the same.
[0034]
Measurement example 1
FIG. 4 is a graph showing the baseline stability of the differential scanning calorimeter shown in FIG. The horizontal axis is time (showing measurement results for about 2 hours). The vertical axis is a value measured by the thermoelectromotive force difference detection device 74 (FIG. 3), and is a value obtained by converting the difference between the detected thermoelectromotive forces into a heat flux. The measurement was performed with nothing put in the measurement sample container and the reference sample container. The measurement results vary within a range of about ± 5 nanowatts centered on zero nanowatts, indicating that the noise level of this differential scanning calorimeter is within ± 5 nanowatts. Therefore, a heat flux of the order of 10 nanowatts can be sufficiently detected. This noise level is 10 mK when converted to the temperature difference between the measurement sample container and the reference sample container.
[0035]
Measurement example 2
FIG. 5 is a graph showing the measurement of the heat flux in the temperature rising direction using EBBA (Ethoxy-p-benzilidene-n-butylylaniline) as a measurement sample, and FIG. 6 is a graph showing the measurement of the heat flux in the temperature decreasing direction. is there. In each graph, the horizontal axis is temperature (unit: K), and the vertical axis is heat flux. The above-described EBBA was put in the measurement sample container, and the reference sample was put in the reference sample container for measurement. FIG. 5 shows a temperature rise rate of 1 mK / sec and FIG. 6 shows a temperature decrease rate of -1 mK / sec. A phase change was clearly observed in both the temperature increasing direction (FIG. 5) and the temperature decreasing direction (FIG. 6). In the graph of the temperature rising direction in FIG. 5, a phase transition from the crystal to the liquid crystal was observed at about 308K, and a phase transition from the liquid crystal to the liquid was observed at about 352K. On the other hand, in the graph in the temperature decreasing direction of FIG. 6, a phase transition from liquid to liquid crystal was observed at around 349K, and a phase transition from liquid crystal to crystal was observed at around 282K. In the temperature decreasing direction, the phase transition temperature and the heat flux peak height are different from the values in the temperature increasing direction due to the supercooling phenomenon.
[0036]
Measurement example 3
FIG. 7 shows nC as a measurement sample. 32 H 66 5 is a graph of heat flux measurement in a temperature decreasing direction using the method shown in FIG. The horizontal axis is temperature (unit: K), and the vertical axis is heat flux. The sample amount is as small as 1.0 mg, and the temperature decreasing rate is very slow at −0.04 mK / sec (ie, −2.4 mK / min). Although this sample solidifies around 343K, the graph in Fig. 7 shows the measurement results in a very narrow temperature range (within 1K) in a temperature range slightly lower than its freezing point (that is, the state near the end of the solidification phenomenon). ). In the solidification process, particles of about several μm are generated, but a small amount of heat is generated by crystallization of molecules in an irregular state near the interface of the particles. In the graph of FIG. 7, many such exothermic peaks were observed. In FIG. 7, the peak height of the trace heat generation is large, on the order of 10 microwatts (0.01 mW), and small, on the order of 1 microwatt. With the conventional apparatus, the above-mentioned trace heat generation phenomenon could not be observed because of the large heat generation peak at the freezing point. However, by using the differential scanning calorimeter of FIG. Was observed. As described above, the differential scanning calorimeter of the present invention makes it possible to observe a heat flux with high sensitivity, high resolution, and a low cooling rate (low heating rate).
[0037]
Measurement example 4
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the specific heat capacity of alumina using alumina as a measurement sample. Alumina is placed in the measurement sample container and nothing is put in the reference sample container. Smooth curves are literature values and jagged curves are measured values. The measured value is within 1% of the literature value, indicating that not only relative measurement but also absolute measurement can be performed with sufficient accuracy.
[0038]
The present invention is not limited to the above embodiment, and the following changes are possible. Instead of laminating the three metal blocks 30, 32, and 34, one metal block may be cut to form a disk having the same shape (a disk having a thickness of 30 mm and a step). The third inner heat-insulating shield 38 is mounted on the step.
[0039]
The above embodiment relates to a differential scanning calorimeter, but can also be applied to other calorimeters, that is, a thermostatic wall calorimeter that does not use a reference sample.
[0040]
【The invention's effect】
By using the calorimeter of the present invention, it becomes possible to measure a minute heat flux and a minute calorific value which are at least about one digit more sensitive than a conventional apparatus. The specific effects are as follows. (1) The stability of the baseline is about ± 5 nanowatts, and a heat flux on the order of 10 nanowatts can be measured. (2) Precise control of the heating rate and the cooling rate is possible, and a clear signal can be obtained even at an extremely slow heating rate and a cooling rate of about 2.4 mK / min. (3) Since the sensitivity of calorimetric measurement is high, sufficient measurement is possible with a small amount of sample of about 0.1 mg. (4) Since high sensitivity can be obtained without using a fixed sample, the sample can be easily replaced with high sensitivity. (5) Absolute measurement of calorific value is possible with an error of 1% or less.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing the inside of a differential scanning calorimeter according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of heat in the vicinity of a sample of the differential scanning calorimeter of FIG.
FIG. 3 is an electric circuit diagram of the differential scanning calorimeter of FIG. 1;
FIG. 4 is a graph showing the baseline stability of the differential scanning calorimeter of FIG. 1;
FIG. 5 is a graph showing the measured heat flux of the EBBA sample in the temperature rising direction.
FIG. 6 is a graph showing the measured heat flux of the EBBA sample in the temperature decreasing direction.
FIG. 7: nC 32 H 66 It is a graph of the heat flux measurement in the temperature-fall direction using a sample.
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the specific heat capacity of an alumina sample.
[Explanation of symbols]
10 containers
12. Outer insulation shield
14 base
16 Heat transfer block
18 Metal plate
20 Resistance heater
22. First platinum resistance thermometer
24 1st inner heat insulation shield (made of ceramics)
26 Second inner insulation shield (copper)
28 Thermo module (Peltier element)
30 1st metal block
32 Second metal block
34 Third metal block
36 Second platinum resistance thermometer
38 Third inner heat shield (copper)
40 First semiconductor thermoelectric element
42 Second semiconductor thermoelectric element
44 Measurement sample container
46 Reference sample container
48 Third Platinum Resistance Thermometer
50 heat sources
52 Sample position
54 First Thermal Resistance
56 Second thermal resistance
58 Third thermal resistance
60 Fourth thermal resistance
62 First heat sink
64 Second heat sink
66 Third heat
68 Fourth Heat Drain
70 heater power supply
72 Thermo module power supply
74 Thermoelectromotive force difference detector
76 Sample temperature monitor

Claims (3)

次の構成を備える熱量計。
(a)厚みが6〜60mmの範囲内の金属ブロック。
(b)一端が測定試料容器に接触するものであり,他端が前記金属ブロックに接触している第1の半導体熱電素子。
(c)一端が参照試料容器に接触するものであり,他端が前記金属ブロックに接触している第2の半導体熱電素子。
(d)前記金属ブロックに接触しているサーモモジュールであって,ペルチェ効果によって前記金属ブロックの加熱と冷却が可能なサーモモジュール。
(e)前記金属ブロックの温度を検出する精密制御用の温度検出素子。
(f)前記金属ブロック,前記第1の半導体熱電素子,前記第2の半導体熱電素子及び前記サーモモジュールを取り囲む少なくとも2重の断熱シールド。
(g)前記断熱シールドの外側に設けられたヒーターと粗制御用の温度検出素子。
(h)前記精密制御用の温度検出素子の出力に基づいて前記サーモモジュールへの供給電力を制御するサーモモジュール電源。
(i)前記粗制御用の温度検出素子の出力に基づいて前記ヒーターへの供給電力を制御するヒーター電源。
(j)前記第1の半導体熱電素子と前記第2の半導体熱電素子の熱起電力の差を検出する熱起電力差検出装置。
A calorimeter having the following configuration.
(A) A metal block having a thickness of 6 to 60 mm.
(B) a first semiconductor thermoelectric element having one end in contact with the measurement sample container and the other end in contact with the metal block;
(C) a second semiconductor thermoelectric element having one end in contact with the reference sample container and the other end in contact with the metal block;
(D) a thermo module in contact with the metal block, wherein the thermo module can heat and cool the metal block by a Peltier effect.
(E) A temperature control element for precision control for detecting the temperature of the metal block.
(F) at least a double adiabatic shield surrounding the metal block, the first semiconductor thermoelectric element, the second semiconductor thermoelectric element, and the thermomodule;
(G) A heater and a temperature detecting element for coarse control provided outside the heat insulating shield.
(H) a thermo-module power supply that controls power supplied to the thermo-module based on the output of the temperature control element for precision control.
(I) A heater power supply for controlling the power supplied to the heater based on the output of the coarse control temperature detecting element.
(J) A thermo-electromotive force difference detection device for detecting a thermo-electromotive force difference between the first semiconductor thermoelectric element and the second semiconductor thermoelectric element.
前記少なくとも2重の断熱シールドは,少なくともひとつのセラミックス製の断熱シールドと,少なくともひとつの金属製の断熱シールドとを含むことを特徴とする請求項1記載の熱量計。The calorimeter according to claim 1, wherein the at least two-fold heat insulation shield includes at least one heat insulation shield made of ceramic and at least one heat insulation shield made of metal. 前記金属ブロックは,直径の異なる複数の円盤を同心状に上下方向に積み重ねた形状をしていて,上の円盤ほど直径が小さくなっており,その段差部分に少なくとも一つの断熱シールドが載っていることを特徴とする請求項1記載の熱量計。The metal block has a shape in which a plurality of disks having different diameters are stacked concentrically in the vertical direction. The diameter of the upper disk is smaller, and at least one heat shield is placed on the step. The calorimeter according to claim 1, wherein:
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