JP2008202961A - Heating furnace, and thermophysical property value measuring device using heating furnace - Google Patents

Heating furnace, and thermophysical property value measuring device using heating furnace Download PDF

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孝志 廣沢
Isamu Sato
勇 佐藤
Shunei Nomura
俊英 野村
Atsushi Kishino
淳 岸野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress thinning of a heater and occurrence of spark, also prevent occurrence of cyanogen, and efficiently raise temperature. <P>SOLUTION: Body space that is surrounded by a furnace material and has the heater is shut off into a sample space and a heating space outside it with a soaking cylinder, a sample gas supplying means supplies sample atmosphere to the sample space, and a heater gas supplying means supplies heater atmosphere to the heating space. As the heater atmosphere, inert gas that does not invade the heater, for example helium gas, is used. In this case, for preventing heat dissipation from a furnace peripheral wall from increasing, the furnace peripheral wall is covered with a vacuum insulation layer allowing achievement of the thermal conductivity of about 1/10 of that of the atmospheric pressure. Thus, the temperature is raised more efficiently. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は加熱炉と熱物性測定装置に関し、特に、2,000℃近辺までの測定に耐える加熱炉と当該加熱炉を備えた熱物性値測定装置に関するものである。   The present invention relates to a heating furnace and a thermophysical property measuring apparatus, and more particularly to a heating furnace that can withstand measurements up to about 2,000 ° C. and a thermophysical property measuring apparatus including the heating furnace.

物質の高温下での物性を測定するには、その物質を加熱炉に入れる必要がある。   In order to measure the physical properties of a substance at a high temperature, it is necessary to put the substance into a heating furnace.

図7は加熱炉を備えた従来の熱物性測定装置を示すものである。   FIG. 7 shows a conventional thermophysical property measuring apparatus equipped with a heating furnace.

炉体4の内部空間にヒータ5が配設され、また、ヒータ5に囲われた中央部には試料台8が配設され、炉体4の上方外部に設けられたレーザ照射用の光学窓71からレーザを上記試料に短時間照射する。これによって試料の温度は僅かに変化するが、この温度変化の様子を炉体4の下方外部に設けられた測定用の光学窓72からの赤外放射光の強度を測定することによって、解析する構成になっている。   A heater 5 is disposed in the interior space of the furnace body 4, and a sample stage 8 is disposed in the center surrounded by the heater 5, and an optical window for laser irradiation provided outside the furnace body 4. The sample is irradiated with a laser from 71 for a short time. As a result, the temperature of the sample changes slightly, but the state of this temperature change is analyzed by measuring the intensity of the infrared radiation from the measurement optical window 72 provided outside the furnace body 4. It is configured.

炉体4は真空に保たれたれ、あるいは、雰囲気ガスが循環され炉内の温度を均一に保つようになっている。   The furnace body 4 is kept in a vacuum, or atmospheric gas is circulated to keep the temperature in the furnace uniform.

この構成において、測定時には試料台8に試料を載置し、雰囲気ガスとして窒素ガスもしくはArガスを炉体4の内部空間に循環させた状態で、上記レーザ照射用光学窓71からパルスレーザを照射する。これによって、レーザが照射された側(試料の表側)の温度は1〜2度上昇し、この温度は次第に試料全体に伝播する。この温度変化は試料の裏側にも現れ、その状態を当該試料の裏側から放射される赤外光を測定用の光学窓72から測定することによって、試料の熱物性、例えば、熱伝導率、比熱等が測定可能となる。
特開2004-132587号公報
In this configuration, a sample is placed on the sample stage 8 during measurement, and a pulse laser is emitted from the laser irradiation optical window 71 in a state where nitrogen gas or Ar gas is circulated in the internal space of the furnace body 4 as an atmospheric gas. To do. As a result, the temperature on the side irradiated with the laser (the front side of the sample) rises by 1 to 2 degrees, and this temperature gradually propagates to the entire sample. This temperature change also appears on the back side of the sample, and its state is measured by measuring infrared light emitted from the back side of the sample through the optical window 72 for measurement, thereby allowing the sample to have thermal properties such as thermal conductivity, specific heat, and the like. Etc. can be measured.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-132587

上記従来の構成において、試料とヒータとで共通の雰囲気を使用するようになっているとともに、試料ガスとして窒素ガスもしくはArガスを用いることになっている。ところが、Arガスを用いた場合、炉内温度が2000℃近辺になると、Arガスが電離して、ヒータ間に急激に大きな電流が流れる現象(スパーク)が発生することになり危険な状態となる。この現象はArに少量の窒素を混入することによって解消する。   In the above conventional configuration, a common atmosphere is used for the sample and the heater, and nitrogen gas or Ar gas is used as the sample gas. However, when Ar gas is used, when the furnace temperature reaches around 2000 ° C., Ar gas is ionized, and a phenomenon (spark) in which a large current flows suddenly between the heaters occurs, which is in a dangerous state. . This phenomenon is solved by mixing a small amount of nitrogen into Ar.

上記ヒータ材料としてグラファイトを用いるとその厚み(10mm程度)が大きくなることから装置容積が大きくなる。そこで、厚みの薄い(1mm程度)のC/Cコンポジット(炭素/炭素複合材)を用いて装置容積を小さくすることが行われているが、C/Cコンポジットヒータを用いると、グラファイトと同様2000℃付近の高温度で猛毒のシアンを発生することになり、この場合も危険である。もちろん窒素ガス単独で使用した場合も同様の危険性がある。   When graphite is used as the heater material, the thickness (about 10 mm) increases, so the volume of the apparatus increases. Therefore, the C / C composite (carbon / carbon composite material) with a small thickness (about 1 mm) is used to reduce the volume of the equipment, but if a C / C composite heater is used, 2000 is the same as graphite. It will produce highly toxic cyanide at high temperatures around 0 ° C, which is also dangerous. Of course, there is a similar danger when using nitrogen gas alone.

特開2004-132587号公報に開示されている構成は上記の課題を解決しようとする試みである。すなわち、炉内をC/Cコンポジットヒータが存在する加熱空間と、加熱対象試料が置かれる試料空間とに分離し、加熱空間に高温でも電離しにくいHeガスを用いることによって、ヒータ間にスパークが発生することを防止し、試料空間にArガスを用いる構成が示されている。この構成によると、上記Heの熱伝導率が高いことから炉内温度が上がらない難点がある。そこで、炉の外周を熱伝導率が低いArガスで覆うことが提案されている。   The configuration disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-132587 is an attempt to solve the above problems. That is, the inside of the furnace is separated into a heating space where a C / C composite heater exists and a sample space where a sample to be heated is placed, and by using He gas that is not easily ionized even at high temperatures, sparks are generated between the heaters. The structure which prevents generation | occurrence | production and uses Ar gas for sample space is shown. According to this configuration, since the heat conductivity of the He is high, there is a difficulty that the temperature in the furnace does not increase. Therefore, it has been proposed to cover the outer periphery of the furnace with Ar gas having a low thermal conductivity.

ところが、Arガスの熱伝導率が低いとはいえ、室温常圧下では0.018/mkであり、高温下では更におおきくなる。従って、効率のよい温度上昇を期待するには不十分であった。   However, although the thermal conductivity of Ar gas is low, it is 0.018 / mk at room temperature and normal pressure, and is even greater at high temperatures. Therefore, it was insufficient to expect an efficient temperature rise.

本発明は、2000℃以上でも、上記ヒータの減肉、雰囲気の電離に起因するスパークの発生をおさえ、更に、シアンの発生をも阻止でき、更に、効率のよい温度上昇を得ることができる加熱炉と熱物性測定装置を提供することを目的とするものである。   The present invention suppresses the occurrence of sparks due to the thinning of the heater and the ionization of the atmosphere even at 2000 ° C. or higher, further prevents the generation of cyan, and further enables an efficient temperature increase to be obtained. An object of the present invention is to provide a furnace and a thermophysical property measuring apparatus.

本発明は上記目的を達成するために以下の手段を採用している。   The present invention employs the following means in order to achieve the above object.

炉材で囲われるとともに、ヒータを配設した本体空間を、均熱筒で、試料空間とその外部の加熱空間とに遮断し、試料ガス供給手段が、試料空間に試料雰囲気を供給する構成とし、さらに、ヒータガス供給手段が、加熱空間にヒータ雰囲気を供給するヒータガス供給手段とする。   The main body space surrounded by the furnace material and provided with a heater is shut off by a soaking tube between the sample space and the external heating space, and the sample gas supply means supplies the sample atmosphere to the sample space. Furthermore, the heater gas supply means is a heater gas supply means for supplying a heater atmosphere to the heating space.

ヒータ雰囲気としてヒータを侵さない不活性ガス、例えばヘリウムガス、を用いる。この場合、炉周壁からの熱放散が大きくなるのを防止する目的で、炉の周壁が大気圧時の1/10程度の熱伝導率が達成可能な真空断熱層で覆われる。   An inert gas that does not attack the heater, such as helium gas, is used as the heater atmosphere. In this case, for the purpose of preventing the heat dissipation from the furnace peripheral wall from increasing, the peripheral wall of the furnace is covered with a vacuum heat insulating layer that can achieve a thermal conductivity of about 1/10 at atmospheric pressure.

この炉を熱物性測定装置として利用する場合は、レーザ光を試料に照射するための光学窓と、試料の温度等の変化を測定するための光学窓が設けられることになる。   When this furnace is used as a thermophysical property measuring apparatus, an optical window for irradiating the sample with laser light and an optical window for measuring changes in the temperature of the sample are provided.

ここで、試料ガス供給手段は以下の説明では、ガス導入口701、試料空間401、ガス排出口702が相当する。また、ヒータガス供給手段は、ガス導入口310、ガス導入空間31、加熱空間402、ガス排出空間32、ガス排出口320が相当する(図2、図4参照)。   Here, the sample gas supply means corresponds to the gas inlet 701, the sample space 401, and the gas outlet 702 in the following description. The heater gas supply means corresponds to the gas inlet 310, the gas inlet space 31, the heating space 402, the gas outlet space 32, and the gas outlet 320 (see FIGS. 2 and 4).

上記のように本体空間を試料空間とその外部の加熱空間とに遮断する均熱筒を設けることによって、試料空間とその外部の加熱空間とで異なる雰囲気ガスを使用することができる。従って、ヒータとして小型で効率の高いC/Cコンポジットを用いた場合、試料空間に酸素混入ガスを用いたとしても、この酸素混入ガスは均熱筒によってヒータと直接接しないので減肉の問題は発生しない。また、ヒータ雰囲気として、高温下で電離しない、すなわちヒータ機能が安定なガス例えばヘリウムガスを用いることができる。更に、ヘリウムガスを用いた場合、熱伝導率が高いことによる炉周壁からの熱放散(炉温度が上がらない)が問題となるが、炉の周壁に真空断熱層を設けることによって、Arガスの断熱層と比較してより少ない電力でこれを防ぐことができる。   As described above, by providing a soaking cylinder that cuts off the main body space into the sample space and the external heating space, different atmospheric gases can be used in the sample space and the external heating space. Therefore, when a small and highly efficient C / C composite is used as the heater, even if an oxygen-containing gas is used in the sample space, the oxygen-containing gas does not come into direct contact with the heater by the soaking tube, so the problem of thinning is not Does not occur. Further, as the heater atmosphere, a gas that does not ionize at a high temperature, that is, a gas having a stable heater function, such as helium gas, can be used. Furthermore, when helium gas is used, heat dissipation from the furnace peripheral wall due to high thermal conductivity (furnace temperature does not increase) becomes a problem, but by providing a vacuum heat insulating layer on the peripheral wall of the furnace, Ar gas This can be prevented with less power compared to the thermal insulation layer.

図1は本発明の熱物性値測定装置の全体斜視図を、図2は炉部の縦断面図を示すもである。    FIG. 1 is an overall perspective view of a thermophysical property measuring apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a furnace section.

ベース板1に固定された台座2にガス導入空間31(後述)を介して、炉材で囲われた炉体4が取り付けられる。また、当該炉体4の内部空間40(炉空間)の中央に、円筒形状に沿って短冊状のC/Cコンポジットヒータ5が配設され、その内側に、炉体4の炉天41と炉床42に開口する上下方向の均熱筒6が配置された構成となっている。   A furnace body 4 surrounded by a furnace material is attached to a base 2 fixed to the base plate 1 via a gas introduction space 31 (described later). In addition, a strip-shaped C / C composite heater 5 is disposed along the cylindrical shape in the center of the internal space 40 (furnace space) of the furnace body 4. The soaking cylinder 6 in the vertical direction opening in the floor 42 is arranged.

なお、C/Cコンポジットヒータとは、炭素繊維を芯材とし、それを炭素で固めた炭素繊維と炭素複合材(C/Cコンポジット材)で形成したヒータである。また、C/Cコンポジットヒータは、図5に示すように上記C/Cコンポジット材のU字状の板材51を6枚円筒状に沿って配設し、電気的に直列になるように相互に接続された形状となっている。尚、電極端子52a、52bは、ガス導出空間32(後述)に突出され、更に、そこから上蓋94(後述)を介して炉外に導かれる。   Note that the C / C composite heater is a heater formed of a carbon fiber made of carbon and a carbon composite material (C / C composite material) obtained by using carbon fiber as a core material. In addition, as shown in FIG. 5, the C / C composite heater includes six U-shaped plate members 51 of the C / C composite material arranged along a cylindrical shape, and is electrically connected in series. It has a connected shape. The electrode terminals 52a and 52b protrude into the gas outlet space 32 (described later), and are further led out of the furnace through an upper lid 94 (described later).

当該均熱筒6の下端位置は炉床42に対して気密に固定され、また、上記均熱筒6の上端は炉天41を介して、更に上方に配設された上蓋(後述)94に開口し、炉天41と当該均熱筒6の境界は気密に固定されている。この均熱筒6の構成によって、炉空間40は均熱筒6の内部の試料空間401と外部の加熱空間402とに分離された状態となる。   The lower end position of the soaking tube 6 is airtightly fixed with respect to the hearth 42, and the upper end of the soaking tube 6 is attached to an upper lid (described later) 94 via the furnace ceiling 41. The boundary between the furnace top 41 and the soaking tube 6 is fixed in an airtight manner. With the configuration of the soaking tube 6, the furnace space 40 is separated into a sample space 401 inside the soaking tube 6 and an external heating space 402.

円筒形の支柱7の上端は、上記ベース板1の下側から当該ベース板1と台座2、更に 炉床42を貫通し、上記均熱筒6の中央(炉空間の中央)で試料台8を支持する構成となっており、下端には、試料裏面の温度変化を測定するための測定用光学窓72が設けられる。   The upper end of the cylindrical column 7 penetrates the base plate 1 and the pedestal 2 from the lower side of the base plate 1 and further through the hearth 42, and the sample table 8 at the center of the soaking tube 6 (center of the furnace space). The measurement optical window 72 for measuring the temperature change of the back surface of the sample is provided at the lower end.

上記均熱筒6の上端には、更に、円筒状の導光筒61が配設され、この導光筒61の上端位置には光学窓71が配設されている。この構成により、光学窓71からレーザ光を試料S(試料Sの表側)に照射することができるようになっている。また、上記したように、支柱7の下側には、試料S(試料Sの裏側)から放射する赤外線の強度(試料Sの温度変化に相当)を測定するための測定用光学窓72が設けられ、熱物性の測定が可能になっている。   A cylindrical light guide tube 61 is further disposed at the upper end of the soaking tube 6, and an optical window 71 is disposed at the upper end position of the light guide tube 61. With this configuration, the sample S (the front side of the sample S) can be irradiated with laser light from the optical window 71. Further, as described above, the measurement optical window 72 for measuring the intensity of infrared rays radiated from the sample S (the back side of the sample S) (corresponding to the temperature change of the sample S) is provided below the support column 7. The thermophysical properties can be measured.

炉体4の上下にはガス導入空間31とガス導出空間32とが設けられ、それぞれの空間は上記加熱空間402に連通するようになっている。更に、当該ガス導入空間31に連通するガス導入口310、ガス導出空間32に連通するガス排出口320とが設けられ、加熱空間402にヒータ雰囲気が循環又は封止される構成となっている。   A gas introduction space 31 and a gas lead-out space 32 are provided above and below the furnace body 4, and each space communicates with the heating space 402. Further, a gas introduction port 310 communicating with the gas introduction space 31 and a gas discharge port 320 communicating with the gas outlet space 32 are provided, and the heater atmosphere is circulated or sealed in the heating space 402.

上記導光筒61の上端付近(上記照射用の光学窓の下側)には、試料空間401に試料ガスを供給するガス導入口701が設けられ、ここから試料空間401に導入された試料ガスは、上記円筒形の支柱7の下端部に設けられた、ガス排出口702から排出されるようになっている。この構成によって、試料空間401と、加熱空間402にそれぞれ別個の雰囲気を流すか又は封止することが可能となる。   A gas inlet 701 for supplying a sample gas to the sample space 401 is provided near the upper end of the light guide tube 61 (below the irradiation optical window), and the sample gas introduced into the sample space 401 therefrom. Is discharged from a gas discharge port 702 provided at the lower end of the cylindrical column 7. With this configuration, it is possible to flow or seal separate atmospheres in the sample space 401 and the heating space 402, respectively.

更に、試料ガスはその酸素分圧を調整することができるようになっており、上記ガス導入口701に導入される前の段階で、酸素分圧調整器510(図6参照)を通過することになる。   Further, the sample gas can adjust its oxygen partial pressure, and passes through the oxygen partial pressure regulator 510 (see FIG. 6) at a stage before being introduced into the gas inlet 701. become.

炉の側壁をカバーする外筒20と炉の側壁43との間には、内側から順に真空断熱層21と水冷却層22が設けられる。上記真空断熱層21を真空排気ユニット511(図6参照)に接続するためのパイプ210が、炉外に導出されている。これによって、真空断熱層21が真空に引かれるようになっている。また、真空断熱層21と外筒20との間には水冷却層22が設けられ、この水冷却層22に対して導入口221、導出口222を用いて冷却水が循環できるようになっている(図4、H2O(3)参照)。更に、上記支柱7のベース板1との境界にも水冷却層301が設けられ、導入口311から導入された水は支柱7とベース板1との境界、ベース板1と台座2との間を介して外部に導出される(図4、H2O(1)参照)。 Between the outer cylinder 20 that covers the side wall of the furnace and the side wall 43 of the furnace, a vacuum heat insulating layer 21 and a water cooling layer 22 are provided in order from the inside. A pipe 210 for connecting the vacuum heat insulating layer 21 to the vacuum exhaust unit 511 (see FIG. 6) is led out of the furnace. As a result, the vacuum heat insulating layer 21 is evacuated. Further, a water cooling layer 22 is provided between the vacuum heat insulating layer 21 and the outer cylinder 20, and cooling water can be circulated through the water cooling layer 22 using the inlet port 221 and the outlet port 222. (See FIG. 4, H 2 O (3)). Further, a water cooling layer 301 is also provided at the boundary between the support column 7 and the base plate 1, and the water introduced from the inlet 311 is between the support plate 7 and the base plate 1, and between the base plate 1 and the base 2. (See FIG. 4, H 2 O (1)).

上記外筒20の下端は、受けリング91と一体構成になっており、上端は下側の受けリング92と、上側の受けリング93を介して上蓋94で封止される。上記導入口221は下側の受けリング91を介して冷却層22に連通され、排出口222は受けリング92を介して冷却層22に連通される。更に上記パイプ210は受けリング93を介して真空断熱層21に連通される。   The lower end of the outer cylinder 20 is integrated with the receiving ring 91, and the upper end is sealed with an upper lid 94 via a lower receiving ring 92 and an upper receiving ring 93. The introduction port 221 communicates with the cooling layer 22 through a lower receiving ring 91, and the discharge port 222 communicates with the cooling layer 22 through a receiving ring 92. Further, the pipe 210 communicates with the vacuum heat insulating layer 21 through a receiving ring 93.

また、上記均熱筒6の上端は、上記上蓋94の上端位置で上記導光筒61に連通し、当該導光筒61は上記上蓋94の上側に突出した構成になっている。該突出部の外周を冷却する目的で、水冷却層610とそれに連通する、水の導入口611、排出口612が設けられ、ここから水冷却層610に導入された水は、導光筒61の上部の冷却に利用される(図4、H2O(2)参照)。 The upper end of the soaking tube 6 communicates with the light guide tube 61 at the upper end position of the upper lid 94, and the light guide tube 61 protrudes above the upper lid 94. For the purpose of cooling the outer periphery of the protrusion, a water cooling layer 610 and a water introduction port 611 and a discharge port 612 communicating with the water cooling layer 610 are provided. (See FIG. 4, H 2 O (2)).

上記外筒20の中央外部からは、加熱空間402に対して熱電対101、102が挿入され、加熱空間402の温度が測定できる構成となっている。尚、2つの熱電対のうち、一方が制御に使用され、他の一方は予備である。   Thermocouples 101 and 102 are inserted into the heating space 402 from the center outside of the outer cylinder 20 so that the temperature of the heating space 402 can be measured. Of the two thermocouples, one is used for control and the other is a spare.

尚、上記外筒20は外側のステンレス層と内側の断熱材層で構成されている。   The outer cylinder 20 is composed of an outer stainless steel layer and an inner heat insulating material layer.

また、炉本体400(上記受けリング91より上側の炉体4を中心とする構成)は図示しない昇降手段と連結され、炉全体が昇降手段によってベース板1に対して昇降できるようになっている。この構成によって、上記ベース板1に対して炉体4を上昇させ、試料台8を炉外に露出させることによって試料の挿抜ができるようになっている。尚、上記支柱7の下端は上記台座2に設置された構成となっている。   Further, the furnace body 400 (a configuration centering on the furnace body 4 above the receiving ring 91) is connected to a lifting means (not shown) so that the entire furnace can be lifted and lowered with respect to the base plate 1 by the lifting means. . With this configuration, the sample body can be inserted and removed by raising the furnace body 4 with respect to the base plate 1 and exposing the sample stage 8 to the outside of the furnace. The lower end of the support column 7 is installed on the pedestal 2.

図6は本発明に係る熱物性測定装置が利用されるシステムを示すブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram showing a system in which the thermophysical property measuring apparatus according to the present invention is used.

レーザユニット501から発振されたレーザはレンズ503aで収光されて、光ファイバ502で伝送され、更に、レンズ503bで収光されて、光学窓71から当該装置内に入射される。尚、光ファイバ502を透過する光はモードミキサ504で光ファイバ502内で強度分布が均一になるようになっている。また、レーザ光の強度分布はビームプロファイルモニタ521とモニタ522で観測できるようになっている。   The laser oscillated from the laser unit 501 is collected by the lens 503a, transmitted by the optical fiber 502, further collected by the lens 503b, and incident on the apparatus through the optical window 71. The light transmitted through the optical fiber 502 has a uniform intensity distribution in the optical fiber 502 by the mode mixer 504. The intensity distribution of the laser beam can be observed with the beam profile monitor 521 and the monitor 522.

これによって、試料台7に載置された試料Sの表側にパルスレーザが照射され、これによって、試料Sの表側の温度が1〜2℃上昇し、次第に裏側にも伝播する。上記したように、測定用の光学窓72には、放射温度計505が備えられ、この温度上昇の状態は、試料Sから放射される赤外線の強度を測定することによって、把握することができる。この測定のために、差動アンプ506、解析用PC507が備えられている。   As a result, the front side of the sample S placed on the sample stage 7 is irradiated with the pulse laser, whereby the temperature on the front side of the sample S rises by 1 to 2 ° C. and gradually propagates to the back side. As described above, the measurement optical window 72 is provided with the radiation thermometer 505, and this temperature rise state can be grasped by measuring the intensity of infrared rays emitted from the sample S. For this measurement, a differential amplifier 506 and an analysis PC 507 are provided.

尚、測定中は加熱雰囲気としてHeガスを用いる。Heガスのイオン化ポテンシャル値が24.587eVであるのに対し、従来使用されていたArガスのイオン化ポテンシャル値は15.759eVであり、Heガスの方が高いイオン化ポテンシャル値を持つ。   During measurement, He gas is used as a heating atmosphere. While the ionization potential value of He gas is 24.487 eV, the ionization potential value of Ar gas conventionally used is 15.759 eV, and He gas has a higher ionization potential value.

従って、2,000℃を超えてもHeガスは電離(イオン化)することがなく、C/Cコポジットヒータはスパークを起こさなくなる。一方、Heガスは熱伝導率が非常に高いため(Arガスに比して10倍程度)炉体4よりの熱放射が過大になり、熱損失が大きくなり、炉の温度が上がらない状態となる。   Therefore, even if the temperature exceeds 2,000 ° C., the He gas is not ionized (ionized), and the C / C composite heater does not spark. On the other hand, because the heat conductivity of He gas is very high (about 10 times that of Ar gas), heat radiation from the furnace body 4 becomes excessive, heat loss increases, and the furnace temperature does not rise. Become.

そこで、真空排気ユニット511を用いて上記真空断熱層21を真空にして、上記熱損失を軽減している。また、上記の構成において、試料Sは2000℃以上の環境に置かれる。試料Sの組成が酸化物であるとき、上記の環境下では試料Sの組成自体が変化することがある。そこで、本願発明では試料空間401と、加熱空間402とを分離し、試料空間401には、酸素を添加したArが使用される。酸素の添加量は酸素分圧調整器510によって調整できるようになっている。もちろん、組成物が酸素以外の物質を含む2元あるいはそれ以上の複数元の場合にはそれに応じたガスをArに添加することができる。   Therefore, the vacuum heat insulating layer 21 is evacuated by using the vacuum exhaust unit 511 to reduce the heat loss. In the above configuration, the sample S is placed in an environment of 2000 ° C. or higher. When the composition of the sample S is an oxide, the composition itself of the sample S may change under the above environment. Therefore, in the present invention, the sample space 401 and the heating space 402 are separated, and Ar added with oxygen is used for the sample space 401. The amount of oxygen added can be adjusted by an oxygen partial pressure regulator 510. Of course, when the composition is a binary material containing a substance other than oxygen or a plurality of materials, a gas corresponding thereto can be added to Ar.

以上の構成によって、2000℃以上の高温下においても、ヒータにスパークを起こすことなく、さらに、試料Sの組成を変化させることなく、試料Sの加熱をすることが可能となる。   With the above configuration, it is possible to heat the sample S at a high temperature of 2000 ° C. or higher without causing a spark in the heater and without changing the composition of the sample S.

尚、図3は測定対象試料S2と参照試料S1に対して同時にパルスレーザを照射する示差熱量法を示すものである。   FIG. 3 shows a differential calorimetry method in which a pulse laser is simultaneously irradiated onto the measurement target sample S2 and the reference sample S1.

炉体4の試料台8上に置かれた測定対象試料S1と参照試料S2にパルスレーザ光がその表側に照射されると、各試料の温度は僅かに上昇し、それに対応する赤外線を放射する。この各試料S1、S2の裏側から発光する赤外線を光学系を介して放射温度計505の受光素子で受光し、光電変換して出力する。これによって、差動アンプ506からは測定対象試料S1の温度がΔTm変化するときの出力変化と、参照試料S2の温度がΔTr変化するときの出力変化が得られることになる。ここで、参照試料S2の比熱は予めわかっているので、当該参照試料S2の温度上昇と測定対象試料S1の温度上昇のとの比較から測定対象試料の比熱が求められ、また、測定対象試料S1の温度上昇の応答時間より熱拡散率が求められることになる。さらに、上記比熱と熱拡散率より熱伝導率が求められる。すなわち、熱特性(熱伝導率、熱拡散率、比熱)を求めることができる。   When the measurement target sample S1 and the reference sample S2 placed on the sample stage 8 of the furnace body 4 are irradiated with the pulse laser beam on the front side, the temperature of each sample rises slightly, and the corresponding infrared rays are emitted. . Infrared light emitted from the back side of each of the samples S1 and S2 is received by the light receiving element of the radiation thermometer 505 through the optical system, photoelectrically converted and output. As a result, the differential amplifier 506 can obtain an output change when the temperature of the sample S1 to be measured changes by ΔTm and an output change when the temperature of the reference sample S2 changes by ΔTr. Here, since the specific heat of the reference sample S2 is known in advance, the specific heat of the measurement target sample is obtained from a comparison between the temperature increase of the reference sample S2 and the temperature increase of the measurement target sample S1, and the measurement target sample S1. The thermal diffusivity is obtained from the response time of the temperature rise. Furthermore, thermal conductivity is calculated | required from the said specific heat and thermal diffusivity. That is, the thermal characteristics (thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat) can be obtained.

上記説明したように、炉の本体空間を試料空間とその外部の加熱空間とに遮断する均熱筒を設けることによって、試料空間とその外部の加熱空間とで異なる雰囲気ガスを使用することができる。従って、ヒータとして小型で効率の高いC/Cコンポジットを用いた場合、試料空間に酸素混入ガスを用いたとしても、この酸素混入ガスは均熱筒によってヒータと直接接しないので減肉の問題は発生しない。また、ヒータ雰囲気として、高温下でヒータ機能が安定なガス例えばヘリウムガスを用いることができる。更に、ヘリウムガスを用いた場合、熱伝導率が高いことによる炉周壁からの熱放散が問題となるが、炉の周壁に真空断熱層を設けることによってこれを防ぐことができる。   As described above, it is possible to use different atmospheric gases in the sample space and the external heating space by providing a soaking cylinder that cuts off the main body space of the furnace into the sample space and the external heating space. . Therefore, when a small and highly efficient C / C composite is used as the heater, even if an oxygen-containing gas is used in the sample space, the oxygen-containing gas does not come into direct contact with the heater by the soaking tube, so the problem of thinning is not Does not occur. As the heater atmosphere, a gas having a stable heater function at a high temperature, such as helium gas, can be used. Further, when helium gas is used, heat dissipation from the furnace peripheral wall due to high thermal conductivity becomes a problem, but this can be prevented by providing a vacuum heat insulating layer on the peripheral wall of the furnace.

上記において、熱物性測定装置についてのみ説明したが、本発明は、上記レーザ入射用の光学窓と測定用の光学窓を設けないことによって、加熱炉としても利用することができることはもちろんである。   In the above description, only the thermophysical property measuring apparatus has been described, but the present invention can of course be used as a heating furnace by not providing the optical window for laser incidence and the optical window for measurement.

本発明は、炉材で覆われた本体空間を加熱空間と試料空間に分離し、それぞれの空間に適した雰囲気を供給するようにしているので、1500℃以上になっても障害をおこすことなく、また、炉の周壁に真空層を設けるようにしているので、炉からの熱放散を抑えることができ、少ない電力で高い温度が得られることになり、産業上の利用可能性が大きい。   In the present invention, the main body space covered with the furnace material is separated into the heating space and the sample space, and an atmosphere suitable for each space is supplied. In addition, since a vacuum layer is provided on the peripheral wall of the furnace, heat dissipation from the furnace can be suppressed, and a high temperature can be obtained with a small amount of electric power, and industrial applicability is great.

本発明の熱物性測定装置の全体斜視図を示すものである。1 shows an overall perspective view of a thermophysical property measuring apparatus of the present invention. 本発明の熱物性測定装置の縦断面図を示すものである。The longitudinal cross-sectional view of the thermophysical property measuring apparatus of this invention is shown. 本発明の熱物性測定装置の横断面図を示すものである。1 shows a cross-sectional view of a thermophysical property measuring apparatus of the present invention. 本発明の熱物性測定装置の冷却系統を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cooling system of the thermophysical property measuring apparatus of this invention. 本発明に使用するC/Cコンポジットの概念図である。It is a conceptual diagram of the C / C composite used for this invention. 本発明の熱物性測定装置が適用されるシステムを示すものである。1 shows a system to which a thermophysical property measuring apparatus of the present invention is applied. 従来の熱物性測定装置を示すものである。1 shows a conventional thermophysical property measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

4 炉材
5 ヒータ
6 均熱筒
21 真空断熱層
40 本体空間
401 試料空間
402 加熱空間
71、72 光学窓
4 Furnace material 5 Heater 6 Soaking tube 21 Vacuum heat insulating layer 40 Main body space 401 Sample space 402 Heating space 71, 72 Optical window

Claims (7)

炉材で囲われた本体空間と、
上記本体空間を加熱するためのヒータと、
上記ヒータの内側に配置され、本体空間を、試料空間とその外部の加熱空間とに遮断する均熱筒と、
試料空間に試料雰囲気を供給する試料ガス供給手段と、
加熱空間にヒータ雰囲気を供給するヒータガス供給手段と、
上記炉材周壁を覆う真空断熱層
を備えたことを特徴とする加熱炉。
A main body space surrounded by furnace materials,
A heater for heating the main body space;
A soaking tube that is arranged inside the heater and that cuts the main body space into a sample space and a heating space outside thereof,
Sample gas supply means for supplying a sample atmosphere to the sample space;
A heater gas supply means for supplying a heater atmosphere to the heating space;
A heating furnace comprising a vacuum heat insulating layer covering the furnace material peripheral wall.
ヒータ雰囲気としてヒータを侵さない不活性ガスを用いる請求項1に記載の加熱炉。   The heating furnace according to claim 1, wherein an inert gas that does not invade the heater is used as the heater atmosphere. ヒータを侵さない不活性ガスがヘリウムである請求項2に記載の加熱炉。   The heating furnace according to claim 2, wherein the inert gas that does not attack the heater is helium. 炉材で囲われた本体空間と、
上記本体空間を加熱するためのヒータと、
上記ヒータの内側に配置され、本体空間を、試料空間とその外部の加熱空間とに遮断する均熱筒と、
試料空間に試料雰囲気を供給する試料ガス供給手段と、
加熱空間にヒータ雰囲気を供給するヒータガス供給手段と、
上記試料空間内に配置された試料に対して、炉外からレーザを照射するための光学窓と、
上記レーザ照射に基づいて変化する試料温度を炉外から測定するための光学窓と
上記炉材周壁を覆う真空断熱層と
を備えたことを特徴とする熱物性測定装置。
A main body space surrounded by furnace materials,
A heater for heating the main body space;
A soaking tube that is arranged inside the heater and that cuts the main body space into a sample space and a heating space outside thereof,
Sample gas supply means for supplying a sample atmosphere to the sample space;
A heater gas supply means for supplying a heater atmosphere to the heating space;
An optical window for irradiating the sample placed in the sample space with a laser from outside the furnace;
An apparatus for measuring thermophysical properties, comprising: an optical window for measuring a sample temperature changing based on the laser irradiation from outside the furnace; and a vacuum heat insulating layer covering the peripheral wall of the furnace material.
上記光学窓が、上記均熱筒の一方の炉外延設端に設けられ、上記測定窓が、均熱筒他方端に挿抜され、先端に試料を収容する試料台を配設した円筒形の支柱の後端に設けられた請求項4に記載の熱物性測定装置。   A cylindrical column having the optical window provided at one end of the soaking tube extending outside the furnace, the measurement window being inserted into and withdrawn from the other end of the soaking tube, and a sample stage accommodating the sample at the tip. The thermophysical property measuring apparatus according to claim 4, which is provided at the rear end. ヒータ雰囲気としてヒータを侵さない不活性ガスを用いる請求項4に記載の熱物性測定装置。   The thermophysical property measuring apparatus according to claim 4, wherein an inert gas that does not invade the heater is used as the heater atmosphere. ヒータを侵さない不活性ガスがヘリウムである請求項6に記載の熱物性測定装置。   The thermophysical property measuring apparatus according to claim 6, wherein the inert gas that does not attack the heater is helium.
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