JP2010175404A

JP2010175404A - Ｘ線分析装置

Info

Publication number: JP2010175404A
Application number: JP2009018701A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kitamura; 顕一北村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】Ｘ線検出器を冷却するペルチエ素子の放熱面からの放熱の異常を、大きなコスト増加をもたらすことなく検知する。
【解決手段】温度制御が開始されてから時間ｔ１が経過した時点において、ペルチエ素子への印加電圧とペルチエ素子の駆動電流との関係からペルチエ素子の異常を検知する（Ｓ１〜Ｓ８）。その後、時間ｔ２が経過した時点で、ｔ１→ｔ２までの期間中の温度低下量（温度差）ΔＴを求め、ΔＴから冷却速度Θを計算する（Ｓ９〜Ｓ１２）。そして、冷却速度Θが最高使用温度条件の下で予め求めておいた閾値Θ１未満であれば（Ｓ１３でＮｏ）、放熱の異常であると判断して異常報知を行う（Ｓ１５）。
【選択図】図３

Description

本発明はＸ線分析装置に関し、さらに詳しくは、Ｘ線検出器の冷却にペルチエ素子を用いたＸ線分析装置に関する。

蛍光Ｘ線分析装置等のＸ線分析装置ではリチウムドリフト型シリコン半導体検出器などのＸ線検出器が利用されているが、こうした種類のＸ線検出器は性能上の理由から一定温度に冷却して使用する必要がある。Ｘ線検出器の冷却方法として、ペルチエ素子と温度センサとを用い、温度センサによる検出温度が目標温度となるようにペルチエ素子に供給する駆動電力を制御する方法が従来知られている（例えば特許文献１など参照）。

ペルチエ素子は加熱・冷却の両方に利用可能な素子であるが、冷却に使用する際には冷却面の反対側の面から放熱を行う必要がある。この放熱の方式には、大別して、ファンにより生起した空気流を放熱面に接続した放熱フィンに当てて冷却を促す空冷方式と、ファンにより生起した空気流でもって冷却した熱媒体（冷媒）を循環させる冷媒方式とがある。いずれにしても、放熱のための構成のどこかに故障が発生したり放熱が十分に行えない環境に陥ったりすると、Ｘ線検出器を冷却することができなくなり、適切な分析が行えなくなる。そのため、ペルチエ素子を利用した冷却を行う場合には、放熱の異常を検知する必要がある。

空冷方式、冷媒方式のいずれでも、冷却用のファンに回転検出センサを設けることで、ファン自体の故障による放熱異常を検知することが可能である。しかしながら、こうした方法では、例えば、Ｘ線分析装置の送風口からの空気の流通が十分に行えないような状態に当該装置が設置されたり、或いは、送風口が障害物で塞がれてしまったりした結果、放熱異常が起こっても、これを検知することができない。また、冷媒方式では、通常、冷媒の循環にポンプが使用されるが、そのポンプの不具合、冷媒漏れ、気泡混入による送液の不具合といった原因による放熱の異常も検知することができない。

ペルチエ素子を冷却に使用する場合の放熱異常を検知する方法としては、特許文献２に記載の方法も知られている。これは、ペルチエ素子の吸熱側（つまり冷却側）と放熱側とにそれぞれ温度センサを設け、その２つの温度センサによる検出温度の差を利用して放熱異常を検知するものである。しかしながら、この方法の場合、温度制御用に設けられている冷却側の温度センサのほかに、放熱側にも温度センサを追加する必要があるため、装置のコストアップ要因となってしまう。

特開２００８−１７５６５７号公報特開２００４−１５０７７７号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、Ｘ線分析装置において、温度センサなどのハードウエアを追加することなく、Ｘ線検出器を冷却するペルチエ素子の放熱の異常を確実に検知できるようにすることを目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明は、Ｘ線検出器と、該Ｘ線検出器を冷却するためのペルチエ素子と、該ペルチエ素子の吸熱側に配設された温度検出手段と、を具備し、該温度検出手段による検出温度に基づいて前記ペルチエ素子に供給する電流を制御して前記Ｘ線検出器を電子冷却するＸ線分析装置において、
所定電流を前記ペルチエ素子に供給している状態で、前記温度検出手段を利用して、所定時間に対する温度変化量又は所定の温度変化に要する時間のいずれかを求め、その温度変化量又は時間に基づいて前記ペルチエ素子の放熱異常の有無を判断する異常検知手段、を備えることを特徴としている。

ペルチエ素子により電子冷却を行う場合、該素子の放熱側からの熱の放散がうまく行われないと、吸熱つまり冷却も滞る。したがって、所定時間に対する温度変化量が或る閾値よりも小さい場合、或いは、所定の温度変化に要する時間が或る閾値よりも長い場合に、放熱に異常があると推測できる。また所定時間とこの所定時間に対する温度変化量とから冷却速度を求めることができるから、この冷却速度が或る閾値よりも小さい場合にも、放熱に異常があると推測できる。

但し、冷却速度は周囲温度が高い場合にも下がるから、周囲温度が高い場合の冷却速度の低下を放熱異常であると誤判断しないようにする必要がある。そこで、本発明に係るＸ線分析装置の好ましい一態様として、前記異常検知手段は、使用最高温度の条件の下における前記ペルチエ素子の冷却速度を考慮した放熱異常の有無を判断する基準を有する構成とするとよい。

一般に、Ｘ線分析装置には常識的な使用温度範囲（例えば１０〜３５℃など）が規定されており、その上限温度から使用最高温度を想定することができる。この使用最高温度のときに冷却速度は最も遅くなるから、それに応じた温度変化量、時間、又は冷却速度を上記閾値として定めておけばよい。これにより、周囲温度が高く放熱が比較的行われにくい状況と放熱異常とを区別することができる。

なお、当然のことながら、ペルチエ素子自体に不具合があって冷却がうまく行われない場合もあるから、放熱異常の検知の前にペルチエ素子が正常であることを確認しておくことが好ましい。そこで、本発明に係るＸ線分析装置において、前記異常検知手段は、放熱異常を検知するに先立って、前記ペルチエ素子に印加する電圧と流れる電流との関係から該ペルチエ素子自体の異常の有無を判断するようにするとよい。

ペルチエ素子の主な異常としては、熱サイクル疲労、水分の侵入による腐食などが考えられるが、いずれにしても最終的には内部抵抗が増大し、印加電圧を上げても電流が流れにくくなる。したがって、例えば或る所定の電圧をペルチエ素子に印加した状態で流れる電流を監視し、この電流値が所定の閾値よりも低い場合にペルチエ素子の異常であると判断することができる。

本発明に係るＸ線分析装置によれば、温度制御のために通常設置されている温度センサを利用し、それ以外に別途温度センサを追加することなく、Ｘ線検出器を冷却するペルチエ素子の放熱異常を検知することができる。したがって、放熱異常検知の機能を追加するためのコスト増加を抑えることができる。また、送風ファンの回転異常のみならず、例えば送風口が塞がれている、或いは、冷媒方式で冷媒の送給に不具合がある、といった原因による放熱異常も検知することができる。

本発明の一実施例であるＸ線分析装置におけるＸ線検出器ユニットの概略図。本実施例のＸ線分析装置におけるＸ線検出器ユニットの要部の制御ブロック図。本実施例のＸ線分析装置におけるＸ線検出器ユニットの異常検知に関する制御フローチャート。

以下、本発明の一実施例であるＸ線分析装置について、図１〜図３を参照して詳細に説明する。

図１は本実施例によるＸ線分析装置におけるＸ線検出器ユニットの概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図である。また、図２はＸ線検出器ユニットの要部の制御ブロック図である。

図１において、ペルチエ素子１１の上面（吸熱面）には例えば熱伝導性の良好な金属ブロック等である冷却側伝熱部材１２が装着され、リチウムドリフト型シリコン半導体検出器などのＸ線検出器１０がその冷却側伝熱部材１２に接触して設けられている。一方、ペルチエ素子１１の下面（放熱面）には冷却側伝熱部材１２と同様の部材である放熱側伝熱部材１３が装着され、放熱側伝熱部材１３は多数の放熱フィンを有する放熱体１５に接続されている。Ｘ線検出器１０、冷却側伝熱部材１２、ペルチエ素子１１、及び放熱側伝熱部材１３の一部は、金属製のケース１４に収容されている。このケース１４の内部には、Ｘ線検出器１０の保護及び断熱を目的として乾燥ガスを封入しておく。或いは、ケース１４の内部を減圧したり真空雰囲気に維持したりしてもよい。冷却側伝熱部材１２には温度センサ１７が埋設されている。また、放熱体１５の測方には放熱用の空気流を生起するための送風ファン１６が設置されている。

図２に示すように、ペルチエ素子１１には駆動部２６から電圧が印加され、それによりペルチエ素子１１に駆動電流が供給される。電流検出部２７はこの駆動電流の電流値を検出するものであり、その検出信号は制御部２０に入力される。冷却側伝熱部材１２に埋設された温度センサ１７による検出信号も同様に制御部２０に入力される。制御部２０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータを中心に構成されており、ＲＯＭに予め格納されたプログラムをＣＰＵで実行することにより、自己診断部２１、駆動電流制御部２２、素子異常検知部２３、放熱異常検知部２４などが機能ブロックとして具現化される。また、報知部２５は制御部２０からの指示により、表示や音などによりユーザに対し異常を報知するものである。

制御部２０において、自己診断部２１は例えば起動時に制御部２０の内部動作をチェックする。駆動電流制御部２２は主として、温度センサ１７からの検出温度が所定の目標温度になるように、ペルチエ素子１１に流す電流を調整するべく駆動部２６を制御する。素子異常検知部２３は電流検出部２７により検出される電流値を利用して、ペルチエ素子11自体の故障等の不具合を検知する。そして、放熱異常検知部２４は温度センサ１７からの検出温度を用いて、放熱体１５を介してのペルチエ素子１１の発熱の放散の異常を検知する。

次に本実施例のＸ線分析装置の特徴であるＸ線検出器ユニットの異常検知の制御・処理動作を説明する。図３はＸ線検出器ユニットの異常検知に関する制御フローチャートである。

制御部２０に通電が行われると、自己診断部２１が所定のプログラムに従って自己診断を実行する。その後、温度制御が開始されると、駆動電流制御部２２はまず最大の冷却速度でＸ線検出器１０を冷却するように最大の駆動電流をペルチエ素子１１に供給するべく駆動部２６を制御する（ステップＳ１）。温度制御開始時点からの経過時間が所定の時間ｔ１に達すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、放熱異常検知部２４が温度センサ１７によりその時点における吸熱側温度Ｔ１を検出して内部メモリに記憶する（ステップＳ３）。

それから、素子異常検知部２３がペルチエ素子異常検知処理を実行する（ステップＳ４）。即ち、電流検出部２７によりペルチエ素子１１に供給される駆動電流値Ｉを検出し（ステップＳ５）、その電流値Ｉが所定の印加電圧値における規定の閾値Ｉ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。このとき上述のように最大速度で冷却を行うために、冷却に問題がない状態であればＩ＞Ｉ１となるようペルチエ素子１１の駆動制御が実行される。温度制御開始から間もない経過時間ｔ＝ｔ１においてペルチエ素子１１の内部抵抗が増加した状態にある場合、所定の駆動電圧をペルチエ素子１１に印加しても電流は流れにくい。そこで、検出された電流値Ｉが閾値Ｉ１未満である場合には、ペルチエ素子１１が異常であると判断し、報知部２５により異常を報知する（ステップＳ８）。一方、電流値Ｉが閾値Ｉ１以上であれば、ペルチエ素子１１は正常であると判断する（ステップＳ７）。

次に、ｔ＝ｔ１からさらに一定時間が経過したｔ＝ｔ２になるまで待ち（ステップＳ９）、ｔ＝ｔ２になると、放熱異常検知部２４が放熱異常検知処理を実行する（ステップＳ１０）。即ち、温度センサ１７によりその時点での吸熱側温度Ｔ２を検出し（ステップＳ１１）、先に内部メモリに記憶しておいた温度Ｔ１との温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２を計算する。この温度差ΔＴはｔ２−ｔ１の時間Δｔに生じたものであるから、ΔＴ／Δｔによりこの間の冷却速度Θを計算する（ステップＳ１２）。ペルチエ素子１１では放熱面での放熱がうまく行われないと、冷却面での吸熱もうまく行われない。そのため、何らかの原因で放熱体１５を介しての放熱に異常がある場合には、冷却速度が遅くなったり、最悪の場合、冷却ができなくなったりする。

そこで、放熱異常検知部２４は冷却速度Θが予め決めた閾値Θ１以上であるか否かを判定し（ステップＳ１３）、冷却速度Θが閾値Θ１以上であれば放熱が正常であると判断する（ステップＳ１４）。これに対し、冷却速度Θが閾値Θ１に達しない場合には放熱が異常であると判断して報知部２５により放熱異常を報知する（ステップＳ１５）。

冷却速度は周囲温度の影響も受ける。即ち、周囲温度（室温）が上昇すると吸熱量が減少して、放熱に異常がなくても冷却速度が低下する。こうした原因による冷却速度の低下を放熱異常であると誤って認識することがないように、上記閾値Θ１を、想定される使用最高温度Ｔmaxの下での冷却速度に定めておくとよい。例えば、装置の公称の使用上限温度を３５℃にした場合に、それよりも５℃高い４０℃を使用最高温度Ｔmaxとすることができる。この使用最高温度Ｔmaxの下での冷却速度を実験的に求めておき、これを閾値Θ１に設定しておくようにするとよい。

なお、ペルチエ素子１１の異常や放熱の異常が生じた場合、Ｘ線検出器１０は十分な性能を発揮できない（特に雑音が増大する）ものの、検出器１０が故障する訳ではない。そこで上記実施例では、異常が検知した場合でも異常の報知のみを実行しているが、異常が検知された場合に測定を中断するようにしてもよい。

また、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

１０…Ｘ線検出器
１１…ペルチエ素子
１２…冷却側伝熱部材
１３…放熱側伝熱部材
１４…ケース
１５…放熱体
１６…送風ファン
１７…温度センサ
２０…制御部
２１…自己診断部
２２…駆動電流制御部
２３…素子異常検知部
２４…放熱異常検知部
２５…報知部
２６…駆動部
２７…電流検出部

Claims

Ｘ線検出器と、該Ｘ線検出器を冷却するためのペルチエ素子と、該ペルチエ素子の吸熱側に配設された温度検出手段と、を具備し、該温度検出手段による検出温度に基づいて前記ペルチエ素子に供給する電流を制御して前記Ｘ線検出器を電子冷却するＸ線分析装置において、
所定電流を前記ペルチエ素子に供給している状態で、前記温度検出手段を利用して、所定時間に対する温度変化量又は所定の温度変化に要する時間のいずれかを求め、その温度変化量又は時間に基づいて前記ペルチエ素子の放熱異常の有無を判断する異常検知手段、を備えることを特徴とするＸ線分析装置。
請求項１に記載のＸ線分析装置であって、
前記異常検知手段は、使用最高温度の条件の下における前記ペルチエ素子の冷却速度を考慮した放熱異常の有無を判断する基準を有することを特徴とするＸ線分析装置。
請求項１又は２に記載のＸ線分析装置であって、
前記異常検知手段は、放熱異常を検知するに先立って、前記ペルチエ素子に印加する電圧と流れる電流との関係から該ペルチエ素子自体の異常の有無を判断することを特徴とするＸ線分析装置。