JP2009103584A - 蒸気圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気圧を有する化合物の蒸気圧を高温条件の下でも正確に全圧測定することができる蒸気圧測定装置を提供する。
【課題手段】本蒸気圧測定装置は、被測定試料Ｓが設置される被測定試料設置真空容器１と、この被測定試料設置真空容器１と同一構造、同一寸法の参照用真空容器２と、被測定試料設置真空容器１に配置され、高温条件下で使用可能な圧力測定用センサ７と、この圧力測定用センサ７と同一特性の圧力基準用センサ８と、被測定試料設置真空容器１内と参照用真空容器２内を超高真空状態にする超高真空排気装置３と、被測定試料設置真空容器１と参照用真空容器２を収容し、外部から隔離するケーシング９と、このケーシング９内の温度を制御する温度制御部と、圧力測定用センサ７と圧力基準用センサ８からの検出出力を受け取り、被測定試料Ｓの蒸気圧を決定する制御部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧を有する化合物の全圧を測定することができる蒸気圧測定装置に関するものである。

一成分系の化合物の蒸気圧測定には、（１）気相の被測定成分の分圧を測定する方法と、（２）気相の全圧を測定する方法（動的方法と静止法）がある。

前記（１）の気相の被測定成分の分圧を測定する方法には、露点測定法などがあるが、酸素や二酸化炭素などの気体に限られる。

前記（２）の気相の全圧を測定する方法のうち、動的方法により蒸気圧測定には、（ｉ）気体流通法、（ｉｉ）Knudsen法、（ｉｉｉ）沸点法がある。（ｉ）の気体流通法は、一定の温度に保った試料の上に不活性気体を流して蒸気を飽和させ、蒸気密度の測定から蒸気圧を算出するものである。（ｉｉ）のKnudsen法は５μｍから１ｍｍの細孔（オリフィス）を有する容器（クヌッセンセル）を設定温度に維持し、クヌッセンセルのオリフィスからの蒸気の流失速度を計測し、気体分子運動論から蒸気圧を決定するものであり、固体試料の測定に多用される。（ｉｉｉ）の沸点法は、液体試料の飽和蒸気圧が液体上の外圧より大きくなると沸騰を始めることを利用するもので、種々の圧力の下での沸点の精密測定により蒸気圧を決定でき、等温法と等圧法がある。測定器としてはSwietoslawski装置として確立されている。

前記（２）の気相の全圧を測定する方法の内、静止法による蒸気圧測定は、試料の固体と平衡にある蒸気の圧力を直接、あるいは間接的に測定する方法である。この場合、測定器としては、種々のマノメーター（水銀マノメーター、静電容量型ダイヤフラム・マノメーター、半導体ダイヤフラム・マノメーターなど）が市販されているが、室温近傍以外の高温で使用可能なマノメーターは殆ど無い。正確な測定を行うためには、試料の部分的凝縮を防ぐために試料容器とマノメーターを同一温度に保つ必要があり、測定可能な上限温度はマノメーターの耐熱温度で決まってしまう。

一方、近年、新しい化合物が増えてきており、蒸気圧を有する新しい化合物も増えてきているが、その割には蒸気圧に関する基礎データがとれていないのが実状である。
第５版実験化学講座６「温度・熱、圧力」丸善、３３１−３６４頁

本発明は、以上のとおりの事情から、蒸気圧を有する化合物の蒸気圧を高温条件の下でも正確に全圧測定することができる蒸気圧測定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明によれば、第１に、蒸気圧を有する化合物の蒸気圧を測定するための装置であって、被測定試料が設置される被測定試料設置真空容器と、この被測定試料設置真空容器と同一構造、同一寸法の参照用真空容器と、被測定試料設置真空容器に配置され、高温条件下で使用可能な圧力測定用センサと、この圧力測定用センサと同一特性の圧力基準用センサと、バルブを介して被測定試料設置真空容器に接続されるとともに、別のバルブを介して参照用真空容器に接続され、被測定試料設置真空容器内と参照用真空容器内を超高真空状態にする超高真空排気装置と、被測定試料設置真空容器と参照用真空容器を収容し、外部から隔離するケーシングと、このケーシング内の温度を制御する温度制御部と、圧力測定用センサと圧力基準用センサからの検出出力を受け取り、被測定試料の蒸気圧を決定する制御部を有することを特徴とする全圧を測定可能な蒸気圧測定装置を提供する。

また、第２には、上記第１の発明において、圧力測定用センサと圧力基準用センサが３００℃までの温度で使用可能であることを特徴とする蒸気圧測定装置を提供する。

また、第３には、上記第２の発明において、圧力測定用センサと圧力基準用センサが静電容量型ダイヤフラム・マノメーターであることを特徴とする蒸気圧測定装置を提供する。

また、第４には、上記第３の発明において、静電容量型ダイヤフラム・マノメーターが、金属を蒸着して電極を形成した２枚のサファイア板を、一定の隙間を保って対向させ、内部を所定の真空度状態とした構造であることを特徴とする蒸気圧測定装置を提供する。

また、第５には、上記第１ないし第４のいずれかの発明において、被測定試料設置真空容器の下蓋部分が試料設置台として形成されていることを特徴とする蒸気圧測定装置を提供する。

さらに、第６には、上記第５の発明において、下蓋部分を冷却するための冷却装置が設けられていることを特徴とする蒸気圧測定装置を提供する。

本発明によれば、上記構成を採用したので、蒸気圧を有する化合物の蒸気圧を高温条件の下でも正確に全圧測定することができる蒸気圧測定装置が実現できる。

以下、本発明を好ましい実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気圧測定装置の構成を模式的に示す図である。

本実施形態の蒸気圧測定装置は、被測定試料Ｓが設置される被測定試料設置真空容器１と、この被測定試料設置容器１と同一構造、同一寸法の参照用真空容器２を有している。被測定試料設置真空容器１はバルブ４を介して超高真空排気装置３に接続されており、参照用真空容器２はバルブ５を介して超高真空排気装置３に接続されている。この超高真空排気装置３は被測定試料設置真空容器１内と参照用真空容器２内をそれぞれおよそ５×１０^−５Ｐａ程度の真空度まで真空排気できるようになっている。被測定試料設置真空容器１と参照用真空容器２は真空排気後にバルブ４、５を閉じることにより真空状態を維持できるように、例えば（バルブシート部にポリイミド）等の材料を用いて気密に構成されている。また、被測定試料設置真空容器１と参照用真空容器２はバルブ４、５を開くことにより、真空状態を解除できるようになっている。被測定試料設置真空容器１と参照用真空容器２の真空度を測定するためにイオンゲージ６が取り付けられている。

被測定試料設定真空容器１内と参照用真空容器２内にはそれぞれ圧力測定用センサ７と圧力基準用センサ８が取り付けられている。圧力測定用センサ７と圧力基準用センサ８は同一特性を有しており、少なくとも８０℃まで、より好ましくは２００℃まで、さらに好ましくは３００℃までの高温条件下で使用可能なものとなっている。このようなセンサとしては、静電容量型ダイヤフラム・マノメーターを用いることができる。高温条件下での使用を可能にするため、例えば白金等の金属を蒸着して電極を形成した厚さ３００〜５００μｍ、縦２０ｍｍ、横１０ｍｍ程度の寸法の２枚のサファイア板を、３００μｍ程度の極微小の隙間を保って対向させて高真空中で熱間圧接して貼り合わせる。この装置では１ｋＰａが測定可能な静電容量型ダイヤフラム・マノメーターを用いることが好ましい。このような構造のセンサを圧力測定用センサ７と圧力基準用センサ８として用い、被測定試料設定真空容器１内と参照用真空容器２内に取り付け、外部圧力の変動による撓み量を２枚の電極間の静電容量の変化として検出することができる。

圧力測定用センサ７を取り付けた被測定試料設置真空容器１と、圧力基準用センサ８を取り付けた参照用真空容器２はケーシング９内に外部と隔離した状態で配置される。ケーシング９内は加熱装置１０と冷却装置１１により温度調整ができるようになっている。

被測定試料設置真空容器１の下方には下蓋１２が取り付けられ、この下蓋１２の内側に窪みが形成され、被測定試料設置部１３となっている。そしてこの下蓋１２には冷却装置１４が取り付けられ、蒸気圧測定装置の降温時に下蓋１２を蒸気圧測定装置全体よりも低い温度とし、被測定試料Ｓが下蓋１２の冷却部に戻るようになっている。これにより、装置内に測定後、被測定試料Ｓが残らず、掃除の手間を省くことができる。

また、ケーシング９内には温度を測定するための温度センサ１５が取り付けられている。

センサ制御器１６は圧力測定用センサ７の動作を制御し、圧力測定用センサ７の検出出力をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に送出する。センサ制御器１７は圧力基準用センサ８の動作を制御し、圧力基準用センサ８の検出出力をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に送出する。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８は、Ｉ／Ｏ装置を有し、圧力測定用センサ７と圧力基準用センサ８の検出出力を取り込むとともに、温度センサ１５からの検出出力を取り込み、被測定試料Ｓの蒸気圧を決定する。

本実施形態では、被測定試料設置真空容器１に取り付けられた圧力測定用センサ７の温度依存によるゼロ点シフトを除去するため、被測定試料設置真空容器１と同一構造、同一寸法の参照用真空容器２が配置され、圧力基準用センサ８からの検出出力との差が記録されるようになっている。

次に、上記構成を有する本実施形態の蒸気圧測定装置を用いた測定手順例について述べる。

＜手順１＞装置のベーキング
被測定試料設置真空容器１に被測定試料Ｓを設置せず、参照用真空容器２と共にバルブ４、５を開放した状態で、超高真空排気装置３により真空排気を行いながら、装置全体を加熱装置１０により、最高測定温度よりも２０℃高い温度に設定して、イオンゲージ６の圧力が５×１０^−５Ｐａ以下になるまで真空排気を行い、加熱装置１０による加熱を停止した後、室温まで冷却する。
＜手順２＞蒸気圧測定ゲージの校正
手順１の昇温中に、圧力測定用センサ７から出力される電圧と、圧力基準用センサ８から出力される電圧を計測し、２つのセンサ間の電圧出力の差が蒸気圧に相当し、この値をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に記録する。
＜手順３＞
高純度窒素ガスにより装置内を大気圧に戻した後、被測定試料設置真空容器１の下蓋１２に設けられた試料設置台１３に被測定試料Ｓを設置した後、装置の真空排気を行う。この時、室温において、１×１０^−１Ｐａより高い圧力を示す化合物の場合、冷却装置１１により、装置全体を冷却して、装置の蒸気圧ゼロの値を規定する。被測定試料Ｓとしては固体の他、液体も対象になりうるが、この手順３を実現できるものが対象になりうる。
＜手順４＞
イオンゲージ６の圧力が１×１０^−４Ｐａ以下になるまで真空排気を行い、昇温を開始する。装置全体を加熱装置１０により、毎分１℃の割合で上昇させ、圧力測定用センサ７から出力される電圧を、ケーシング９内に設置された温度センサ１５から出力される電圧値と共に、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に取込む。
＜手順５＞
測定を行う最高温度に達した後、冷却装置１１により、毎分１℃の割合で降下させ、圧力測定用センサ７からの出力と、ケーシング９内に設置された温度センサ１５からの出力を温度上昇時同様に記録する。ここでヒステリシスが無ければ、降温時の値は昇温時の値と一致するが、試料の分解など何らかの原因で異なる場合には昇温時のデータを用いる。
＜手順６＞
ケーシング９に設置された温度センサ１５の示す温度が、室温より５０℃高い値に達した時、被測定試料設置真空容器１の下蓋１２に設置されている冷却装置１４を作動させ、非測定試料設置真空容器１内に充満している被測定試料Ｓを下蓋１２に設けられている試料設置台１３に凝集（凝固・凝結）させて回収する。

以下、本発明の実施例の述べる。

手順１により装置のベーキング、手順２により蒸気圧測定ゲージの校正を行った後に、高純度窒素ガスにより装置内を大気圧に戻し、被測定試料設置真空容器１の下蓋１２に設けられた試料設置台１３に被測定試料「アントラセン；antracene」を１０ｍｇ設置した後、装置の真空排気を行った。「アントラセン；antracene」は、室温において、１．３×１０^−１Ｐａの圧力を示す化合物であるため、冷却装置１１により、装置全体を冷却して、装置の蒸気圧ゼロの値を規定した。イオンゲージ６の圧力が１×１０^−４Ｐａ以下になるまで真空排気を行った後に昇温を開始した。装置全体を加熱装置１０により、毎分１℃の割合で上昇させ、圧力測定用センサ７から出力される電圧を、ケーシング９内に設置された温度センサ１５から出力される電圧値と共に、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に取込んだ。

測定を行う最高温度に達した後、冷却装置１１により、毎分１℃の割合で降下させ、圧力測定用センサ７からの出力と、ケーシング９内に設置された温度センサ１５からの出力を温度上昇時同様に記録した。

ケーシング９に設置された温度センサ１５の示す温度が、室温より５０℃高い値に達した後、被測定試料設置真空容器１の下蓋１２に設置されている冷却装置１４を作動させ、非測定試料設置真空容器１内に充満している被測定試料Ｓを下蓋１２に設けられている試料設置台１３に凝集（凝固・凝結）させて回収した。

アントラセンの蒸気圧の測定データを図２に示す。

本発明の一実施形態に係る蒸気圧測定装置の構成を模式的に示す図である。 実施例におけるアントラセンの蒸気圧の測定データを示す図である。

符号の説明

１ 被測定試料設置真空容器
２ 参照用真空容器
３ 超高真空排気装置
４、５ バルブ
６ イオンゲージ
７ 圧力測定用センサ
８ 圧力基準用センサ
９ ケーシング
１０ 加熱装置
１１ 冷却装置
１２ 下蓋
１３ 試料設置台
１４ 冷却装置
１５ 温度センサ
１６、１７ センサ制御器
１８ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
Ｓ 被測定試料

Claims (6)

1. 蒸気圧を有する化合物の蒸気圧を測定するための装置であって、
   被測定試料が設置される被測定試料設置真空容器と、
   この被測定試料設置真空容器と同一構造、同一寸法の参照用真空容器と、
   被測定試料設置真空容器に配置され、高温条件下で使用可能な圧力測定用センサと、
   この圧力測定用センサと同一特性の圧力基準用センサと、
   バルブを介して被測定試料設置真空容器に接続されるとともに、別のバルブを介して参照用真空容器に接続され、被測定試料設置真空容器内と参照用真空容器内を超高真空状態にする超高真空排気装置と、
   被測定試料設置真空容器と参照用真空容器を収容し、外部から隔離するケーシングと、
   このケーシング内の温度を制御する温度制御部と、
   圧力測定用センサと圧力基準用センサからの検出出力を受け取り、被測定試料の蒸気圧を決定する制御部を有することを特徴とする全圧を測定可能な蒸気圧測定装置。
2. 圧力測定用センサと圧力基準用センサが３００℃までの温度で使用可能であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧測定装置。
3. 圧力測定用センサと圧力基準用センサが静電容量型ダイヤフラム・マノメーターであることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧測定装置。
4. 静電容量型ダイヤフラム・マノメーターが、金属を蒸着して電極を形成した２枚のサファイア板を、一定の隙間を保って対向させ、内部を所定の真空度状態とした構造であることを特徴とする請求項３に記載の蒸気圧測定装置。
5. 被測定試料設置真空容器の下蓋部分が試料設置台として形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の蒸気圧測定装置。
6. 下蓋部分を冷却するための冷却装置が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧測定装置。

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