JP2014074712A

JP2014074712A - 吸着特性測定装置及び吸着特性測定方法

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Publication number: JP2014074712A
Application number: JP2013181838A
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Inventors: Kazuyuki Nakai; 和之仲井
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Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-04-24
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Also published as: JP5792244B2

Abstract

【課題】吸着特性測定において、試料管を一旦取り付けた後は、前処理から吸着特性測定までを一貫して行うことができるようにすることである。また、試料管を着脱しないことにより吸着特性測定前に試料管に接続される接続配管を真空再排気する必要が無く測定時間が短縮することである。
【解決手段】試料２０について吸着質の吸着特性を測定する吸着特性測定装置３０であって、試料管１０を保持して加熱する手段を有する試料管ホルダ４０と、試料管ホルダ４０と冷媒５３とを収容可能な収容器５０と、試料管ホルダ４０が収容された収容器５０に冷媒５３を導入する冷媒導入部５４とを備え、さらに試料管１０の端部開口に着脱可能に設けられる取付部を有する配管部６０と、試料管ホルダ４０に対して相対的に収容器５０を昇降させる昇降部５２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着特性測定装置及び吸着特性測定方法に係り、特に試料について吸着質の吸着特性等を測定する装置及び方法に関する。

特許文献１に示されるように、従来、吸着特性測定は２段階の手順で行われる。すなわち、まず吸着特性測定装置に備えられる前処理ポートに試料を入れた試料管を取り付け、加熱または減圧下で加熱を行い、試料にすでに吸着されている初期吸着質を除去させて清浄な試料とする。次に、吸着特性測定装置に備えられる測定ポートに試料管を付け替え、その清浄な試料に対し吸着質を供給し、吸着質の吸着現象が起きる低温状態で試料に対する吸着特性を測定する。

特開平５−８７７２７号公報

従来から行われている吸着特性の測定では、前処理ポートと測定ポートとがそれぞれ別に設けられているため、測定を続けるには前処理終了後に前処理ポートから試料管を取り外し、測定ポートへ試料管を付け替える必要があった。

本発明の目的は、試料管を付け替えることなく、前処理から吸着特性測定までを一貫して行うことができる吸着特性測定装置を提供することであり、試料管着脱時に接続配管類の真空度が変化することがあるが、試料管を着脱しないことにより吸着特性測定前に試料管の接続配管を再度、真空排気する必要が無く、測定時間が短縮できることである。

本発明に係る吸着特性測定装置は、端部開口を有する試料管に収容される試料について吸着質の吸着特性を測定する吸着特性測定装置であって、試料管を保持して加熱をする手段を有する試料管ホルダと、試料管ホルダと所定の冷媒とを収容可能な収容器と、試料管ホルダが収容された収容器に所定の冷媒を導入する冷媒導入部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、試料管の着脱のための着脱位置と、試料管を取り付けた状態の試料管ホルダが試料管を保持する部分を収容器内の冷媒に浸漬させる収容位置との間で、試料管ホルダに対して相対的に収容器を昇降させる昇降部を備えることが好ましい。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、加熱手段の加熱によって試料から除去された初期吸着質を排出する排出部と、試料管に収容された試料に吸着質を供給する吸着質供給部と、試料管の端部開口の部分を取り付ける取付部と試料管用の開閉弁を介し、排出部と排出部用の開閉弁を介し、吸着質供給部と吸着質用の開閉弁を介してそれぞれ接続されるマニホールドと、制御部と、を備えることが好ましい。該制御部は、試料管を取付部に取り付けた後に、収容位置に収容器を昇降させ、加熱手段を作動させ試料管を加熱し、試料管用の開閉弁と排出部用の開閉弁を閉状態から開状態とする。予め定めた初期吸着質除去期間が経過した後に、試料管用の開閉弁と排出部用の開閉弁を閉状態に戻して加熱手段の作動を停止させ、試料管の放熱を待ち、冷媒導入部に設けられる冷媒用の開閉弁を閉状態から開状態とし、収容器に冷媒を供給し、吸着質用の開閉弁を閉状態から開状態として吸着特性測定のための対象吸着質を試料に供給する。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、試料管ホルダは、形状の異なる試料管に対応する内径の異なる保持部を有することが好ましい。

また、本発明に係る吸着特性測定方法は、試料から除去された初期吸着質を排出する排出部、試料管に収容された試料に対象吸着質を供給する吸着質供給部、及び試料管の端部開口を取り付ける取付部にそれぞれ接続されるマニホールドを備える吸着特性測定装置を用いて、試料の吸着質に対する吸着特性を測定する方法であって、試料管を取付部に取り付けた後に、試料管を保持する保持部と加熱手段とを有する試料管ホルダを収容する位置に収容器を昇降させる昇降工程と、試料管を加熱手段によって加熱する加熱工程と、試料から除去された初期吸着質を排出する排出工程と、加熱工程終了後に冷媒導入部から所定の冷媒を収容器に導入する冷媒導入工程と、試料に対象吸着質を供給する吸着質供給工程と、試料について対象吸着質の吸着特性を測定する測定工程と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、試料管ホルダの加熱手段を作動させることで前処理が行え、前処理が終われば、試料管ホルダ及び試料管をそのままの状態で試料管ホルダ及び試料管が収容された収容器に所定の冷媒を導入して吸着特性測定が行える。これによって、試料管ホルダを取り外すことなく、また試料管を付け替えることなく、前処理から吸着特性測定までを一貫して行うことができる。

本発明に係る実施の形態における吸着特性測定装置の構成図である。本発明に係る実施の形態において、試料管部分の詳細図である。本発明に係る実施の形態において、試料管ホルダを示す図である。本発明に係る実施の形態において、大きさが異なる試料管に試料管ホルダが対応することを示す図である。本発明に係る実施の形態において、吸着特性測定方法の手順を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、吸着特性測定のタイムチャートである。図５において、試料管の取付前を示す図である。図５において、試料管の取付後を示す図である。図５において、収容器の昇降を示す図である。図５において、加熱手段の作動を示す図である。図５において、冷媒の導入を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。また、以下で説明する寸法、物体の形状等は、説明のための例示であって、具体的な形状、数値などは吸着特性測定装置の用途、目的、仕様に応じて適宜変更することができる。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、吸着特性測定装置３０の構成図である。図１には、吸着特性測定装置３０の構成要素ではないが、試料管１０と試料管１０の中の試料２０とが示される。吸着特性測定装置３０は、試料管１０を一旦取り付けた後は、試料管１０を付け替えることなく、吸着特性の測定の前段階である前処理と吸着特性測定とを連続して行うことができる装置である。

吸着特性測定装置３０は、本体部３２と、配管部６０と、これらの動作を制御する制御部９０と、配管部６０に設けられる圧力トランスデューサ６３，７２，７４が検出する圧力変化に基づいて試料２０について吸着質の吸着特性を求める吸着特性出力部８８とを備える装置である。

試料管１０は、一方端に端部開口を有する細長い管で、他方端である底部の内部空間が試料２０を収容することができる収容部となっている試料容器である。図２に、試料２０を収容する試料管１０の部分の詳細図を示す。試料管１０は、端部開口１２の部分まで細い管部１４で、収容部１６の部分が端部開口１２、管部１４よりも太い形状を有する。試料管１０の端部開口１２は、配管部６０を介して、後述する吸着質供給部８２、排出部８６と接続される。

かかる試料管１０としては、耐熱性ガラス製の試料管が用いられる。試料管１０の寸法の一例を上げると、全体の長さが２００ｍｍ、管部１４の内径１０ｍｍ、外径１２ｍｍ、収容部１６の内径１５ｍｍ、外径１７ｍｍ、長さ２８ｍｍ、内容積５ｍｌである。測定の目的によっては、耐熱性と耐低温性の高い石英製の試料管、金属製の試験容器を試料管として用いてもよい。形状も測定の目的に適したものとしてよい。例えば、全長に渡り一様な外径と内径の形状を有するものを用いてもよい。寸法も測定の目的に適したものとしてよい。

図１には、試料管１０を３本取り付けているが、試料管１０の本数は３以外でもよい。また特許第３７５６９１９号公報にあるように全ての試料管１０の内径を同じとし、そのうち１本の試料管１０に試料２０を入れずブランクとしその圧力変化から死容積の量を直接測定することも可能である。

図２の接続配管６４は、配管部６０の中のマニホールド６２と試料管１０を接続するための部分である。接続配管６４は、一方端に、試料管１０の端部開口１２が取り付けられる取付部６６を有し、他方端に、マニホールド６２に接続する試料管ポート７５を有する。取付部６６と試料管ポート７５の間には試料管用の開閉弁７０が直列に接続配置される。圧力トランスデューサ７４は、取付部６６と開閉弁７０との間の配管に接続され、接続配管６４の内部圧力を検出する試料管圧力検出部である。

試料２０を収容した試料管１０を取付部６６に取り付けるのは、測定者の手作業で行われるので、取付部６６の位置の自由度がとれるように、接続配管６４は適当な長さを有することが好ましい。

試料２０は、吸着特性測定の対象物の粉粒体である。この粉粒体の比表面積や細孔分布等を評価するために、粉粒体に対して吸着質がどの程度吸着するかの吸着特性を測定する。試料２０は、吸着特性測定の対象物であるので、測定の目的によって様々なものとなる。粉粒体の粒度等も様々であってよく、粉粒体以外の固体であってもよく、固体が有孔であってもよい。吸着質は、配管部６０を介して、吸着質供給部８２から供給される。以下では、吸着質が窒素ガスを例として説明を続ける。

図１に戻り、本体部３２は、筐体３４と、試料管１０を保持する試料管ホルダ４０と、試料管ホルダ４０を収容する収容器５０と、収容器５０を昇降させる昇降部５２と、収容器５０に冷媒タンク５５から冷媒５３を導入する冷媒導入部５４を含んで構成される。

筐体３４は、本体部３２の外形を形作る箱状の部材である。筐体３４の上部に配管部６０が搭載され、適当な配置関係で筐体３４に制御部９０と吸着特性出力部８８が取り付けられて、吸着特性測定装置３０となる。このように、筐体３４は、吸着特性測定装置３０を構成する各要素を一体化するための箱状部材である。

試料管ホルダ４０は、従来技術における前処理部あるいは脱ガス部に相当するもので、保持部４４を有するホルダ本体４２と、ホルダ本体４２に設けられる加熱手段４６と、加熱手段４６の外周部に当てがわれる当て板４８を含んで構成される。試料管ホルダ４０は、ホルダ本体４２に加熱手段４６を取り付けることによって、試料管１０を加熱する処理を行うことができる。また、ホルダ本体４２において保持部４４が複数あり、かつ各保持部４４が独立した温度環境を保てる場合には、試料管１０が保持されたホルダ本体４２ごとに個別の加熱手段４６を取り付けることによって、試料管１０ごとに前処理温度が異なる処理を行うことができる。

図３に試料管ホルダ４０の詳細図を示す。図３（ａ）は、上面図、図３（ｂ）は、側面図である。なお、図３には、保持部４４に試料管１０が挿入され、ホルダ本体４２の周囲に加熱手段４６を配置した様子を示す。

ホルダ本体４２は、試料管１０を保持するための保持部４４が適当に配置された筒状の金属製部材である。ホルダ本体４２の上面に取り付けられる腕部４３は、ホルダ本体４２を筐体３４に対し固定位置とするための取付固定部材である。腕部４３によって、筐体３４に対するホルダ本体４２の上面の高さ位置が定められるので、腕部４３の長さは、筐体３４の上部に搭載される配管部６０から下方に延びる接続配管６４の先端部に設けられる取付部６６の高さ位置と、試料管１０の全長と、試料管１０の端部開口１２が取付部６６に挿入される取付長さと、保持部４４の深さと、試料管１０を取付部６６に取り付ける作業性等を考慮して設定される。保持部４４は、試料管１０が取付部６６に取り付けられたときに、試料管１０の収容部１６が保持部４４内に保持される穴である。保持部４４に保持された試料管１０は、加熱手段４６によって少なくともその収容部１６が加熱される。保持部４４は、試料を均一に加熱保温できればよく有底穴あるいは貫通穴でもよい。また、保持部４４の内径は、上部から下部に渡り同じであっても異なっていてもよい。例えば、保持部４４の内径は下部に至るにしたがって小さくなっていてもよい。ホルダ本体４２は、形状の異なる試料管１０に対応するように内径が異なる保持部４４を有することが好ましい。形状とは、外面的に認識できる物のかたちや状態のことであり、ここでは、外径を含む。

保持部４４は、ホルダ本体４２に設けられる穴で、試料管１０がここに挿入されて、試料管１０の収容部が保持される。保持部４４は、互いに適当な間隔を空けて３つ設けられる。それぞれの保持部４４には、１つの試料管１０が保持されるので、この場合、３つの試料管１０を同時に保持できる。保持部４４の数は３以外でもよい。また、保持部４４の数が３であっても実際に保持される試料管１０の数は３でなくてもよく、１でも２でもよい。また、ホルダ本体４２に複数の保持部４４が設けられる場合には、各保持部４４が独立した温度環境を保てる状態にすることもできる。この場合、ホルダ本体４２は、保持部４４ごとに断熱された状態にしてもよく、腕部４３を複数有する分離された状態としてもよい。

保持部４４の深さは、試料管１０において試料２０が収容される収容部１６の長さよりも十分長く設定される。保持部４４の内径は、接続配管６４の取付部６６に試料管１０を取り付ける作業性を考慮して、試料管１０の収容部１６の外径よりも適当に大きめに設定される。試料管１０は、端部開口１２が接続配管６４の取付部６６に取り付けられてその位置が定められるので、保持部４４は試料管１０の位置決めをするために保持するのではなく、試料管１０を加熱するため試料管ホルダ４０に保持するためのものである。

試料管１０の収容部１６の外径と、保持部４４の内径との間の隙間量は、大きいほど試料管１０の取付時の作業性がよいが、試料管１０の加熱時の伝熱性が低くなる。逆に隙間量が小さいと試料管１０の伝熱性がよいが、試料管１０の取付時の作業性が低下する。したがって、適当な隙間量が好ましい。例えば、適当な隙間量を１ｍｍとすれば、収容部１６の外径を１７ｍｍとして、保持部４４の内径を１９ｍｍとすることができる。

ホルダ本体４２の材質は、熱伝導性が高く、加熱温度及び所定の冷媒温度に耐えうる金属が用いられる。金属としては、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮等を用いることができる。例えば、加熱温度が４００℃の場合はアルミニウム、５００℃の場合はステンレス鋼もしくは真鍮と、目的に応じて適宜使い分けることができる。ホルダ本体４２の寸法の一例をあげると、外径５０ｍｍ、高さ３０ｍｍとすることができる。これ以外の大きさであってもよい。

加熱手段４６は、ステンレスで被覆された外径１ｍｍの細線がホルダ本体４２の外周にらせん状に巻きつけられ、電流を流すことで発熱する抵抗線ヒータである。加熱手段４６の両端子は、制御部９０によって動作が制御される加熱電源に接続される。加熱手段４６は、試料管ホルダ４０に保持された試料管１０に収容される試料２０を加熱させるためのヒータである。細い抵抗線でらせん状に巻くことができるヒータは、シーズヒータと呼ばれるが、シーズヒータ以外のヒータを加熱手段４６としてもよい。例えば、筒状のカートリッジヒータを用いることができる。カートリッジヒータの場合は、試料管ホルダ４０に適当な穴を設け、そこに挿入して用いることができる。試料管１０に収容された試料２０を加熱することができればこれら以外のヒータでもよい。なお、加熱手段４６の温度モニタ及び制御のための図示されない温度センサがホルダ本体４２に設置される。この制御は後述する制御部９０によって行われる。

当て板４８は、加熱手段４６がホルダ本体４２から外れないようにし、また、加熱手段４６であるヒータが露出しないようにするカバーである。当て板４８は、適当な耐熱性と耐低温性を有する材料を用い、加熱手段４６が巻き付けられたホルダ本体４２の全体を包み込むように、底部を有する円筒形状で構成される。また、当て板４８の底部とホルダ本体４２の底部は適当な止め具を用いて一体化される。

上記では、保持部４４の内径と試料管１０の外径との間の隙間量が適切に設定されるものとしたが、ホルダ本体４２に予め設けられた保持部４４の内径に必ずしも適合しない試料管１０を用いたい場合が生じる。図４は、そのような場合に適した構成を示す図である。

図４（ａ）は、ホルダ本体４２に設けられた複数の保持部４４の内径がいずれも同じＤ１であるときの場合である。図４（ａ）において、右側の保持部４４に挿入された試料管１０の収容部１６の外径ｄ１は、Ｄ１に挿入したときに適切な隙間量となるものである。例えば、Ｄ１が１９ｍｍ、試料管１０の収容部１６の外径ｄ１が１７ｍｍで、この間の隙間量が１ｍｍと適切である。この場合には、保持部４４にそのまま試料管１０を保持させる。図４（ａ）において、左側の保持部４４に挿入しようとする試料管１０の収容部１６の外径ｄ２は、Ｄ１に挿入したときに不適切な隙間量となるものである。例えば、試料管１０の外径ｄ２が７ｍｍで、このままＤ１が１９ｍｍの保持部４４に挿入すると、この間の隙間量が１２ｍｍとなって不適切となる。この場合には、保持部４４に、外径１７ｍｍ、内径９ｍｍのスリーブ４５を取り付ける。このようにすることで、スリーブ４５の内径９ｍｍと試料管１０の外径７ｍｍの間の隙間量が１ｍｍと適切なものとなる。このように、外径を保持部４４の内径Ｄ１に合わせ、内径が互いに異なるスリーブ４５を複数種類用意することで、形状の異なる複数の試料管１０に対応することができる。

図４（ｂ）は、ホルダ本体４２に設ける複数の保持部４４の内径を互いに異ならせておく構成を示す図である。図４（ｂ）において、右側の保持部４４の内径Ｄ１は、１９ｍｍで、外径ｄ１が１７ｍｍの試料管１０に適合できる。左側の保持部４４の内径Ｄ２は９ｍｍに設定されているので、外径ｄ２が７ｍｍの試料管１０に適合できる。このように、互いに内径の異なる複数の保持部４４を有することで、形状の異なる試料管１０に対応することができる。

上記では、保持部４４は、ホルダ本体４２の上面に対し垂直方向の穴としているが、保持部４４は試料管１０が保持されればよいため、試料管１０の挿入方向はホルダ本体４２の上面部に対して垂直方向でなくてもよい。

再び図１に戻り、収容器５０は、冷媒５３を満たすための冷媒容器であるが、冷媒５３と共に試料管ホルダ４０を収容することができる内容積を有する容器である。冷媒５３の種類は、吸着質によって選定されるが、吸着質が窒素ガスのときは、冷媒５３を液体窒素とすることが一般的である。以下では、冷媒５３を液体窒素として説明を続ける。

収容器５０は、上部が下部より狭くなる開口を有する先細りの容器である。このように開口に向かって先細りの形状を用いることで、冷媒５３が収容器５０の外へ揮発して放出されるのを抑制できる。開口の内径は、試料管ホルダ４０と冷媒導入部５４の先端部とが出入可能な大きさに設定される。かかる収容器５０としては、デュワー瓶を用いることができる。冷媒５３の温度に耐える耐低温性と、熱伝導と熱放射を防ぐ断熱性を有するものであれば、デュワー瓶以外の容器を用いてもよい。

また、次に述べる昇降部５２の機能により、収容器５０は、加熱手段４６が加熱を行っているときには、試料管ホルダ４０を収容する位置にあるように設定される。このように、収容器５０は、高温の試料管ホルダ４０に人が誤って触れないための保護機能も有する。

昇降部５２は、試料管ホルダ４０に対して相対的に収容器５０を昇降させる昇降機である。昇降部５２は、本体部３２において筐体３４の上下方向に沿って配置され、制御部９０の制御の下で、上下に昇降する収容器保持台５１を備える。図１では、収容器５０の様子を示すために、収容器保持台５１は輪郭線のみが示されている。

試料管ホルダ４０は筐体３４に対して固定位置を取るので、昇降部５２は、試料管１０の着脱のために適した着脱位置と、試料管ホルダ４０を収容器５０の内部に収容する収容位置との間で、収容器保持台５１および収容器５０を昇降させる。昇降部５２の動作は、制御部９０の制御の下で行われる。図１では、昇降部５２によって、収容器５０が収容位置に上昇した状態が示されている。この収容位置は、試料管１０を取り付けた状態の試料管ホルダ４０が試料管１０を保持する部分を収容器５０内の冷媒５３に浸漬させる位置である。図１の破線の状態が、昇降部５２によって、収容器５０が着脱位置に降下した状態である。

このように、昇降部５２は、収容器５０を下降させて着脱位置として、試料管１０を接続配管６４の取付部６６に取り付け、取り付けた状態の試料管１０を試料管ホルダ４０に保持させる。また、収容器５０を上昇させて収容位置として、収容器５０の中に試料管ホルダ４０を収容して加熱手段４６を作動させ、また、加熱手段４６の作動を停止した後は、冷媒タンク５５から冷媒導入部５４を介して冷媒５３を収容器５０に注ぎ、収容器５０の中に収容された試料管ホルダ４０の周りを冷媒５３で満たす。

冷媒導入部５４は、収容器５０に所定の冷媒を導入するための管である。冷媒導入部５４の先端部は、収容器５０の開口の中に向かうように配置される冷媒導入口であり、他方端は、冷媒５３が充填される冷媒タンク５５に接続される。一方端と他方端との間に設けられる冷媒用の開閉弁５６の開閉動作は、制御部９０の制御の下で行われる。冷媒導入部５４は、試料管ホルダ４０が収容された収容器５０に所定の冷媒５３を導入することが好ましい。ただし、場合によっては、冷媒導入部５４は、収容器５０が昇降部５２によって昇降する任意の位置において冷媒導入を行うこともできる。

飽和蒸気圧管７３は、一方端に端部開口を有する細長い管で、他方端が底部を有する容器である。飽和蒸気圧管７３は過剰の吸着質が収容され、飽和蒸気圧管７３を冷媒５３に浸漬したときの吸着質の飽和蒸気圧を実測するために用いられる。ここでは吸着質は窒素である。図１では、飽和蒸気圧管７３は試料管１０より離れたところに配置されるが、実際は３本の試料管１０に囲まれた中央部に置かれることが好適である。飽和蒸気圧管７３の端部開口は配管部６０を介して試料管１０と、後述する吸着質供給部８２、排出部８６と接続される。飽和蒸気圧管７３は、内径２ｍｍでその材質はステンレスとすることができる。

検定用ガス供給部７８は、試料管１０の死容積を予め検定するためのガスを供給するガス源である。ここでは、検定用ガスはヘリュームガスであるので、検定用ガス供給部７８はヘリュームガスボンベである。

吸着質供給部８２は、試料２０に対する吸着特性を測定する対象物である吸着質を供給するガス源である。ここでは、吸着質は窒素ガスであるので、吸着質供給部８２は窒素ガスボンベである。図１では、吸着質供給部８２が１つ示されているが、対象吸着質の種類が複数ある場合には、複数の吸着質供給部が設けられる。

排出部８６は、試料管１０とマニホールド６２の内部を減圧するための排気装置である。排出部８６の動作は制御部９０の制御の下で行われる。排出部８６を作動させることで、例えば、試料管１０の中の試料２０が加熱されて初期吸着質が除去されたときに、これらを外部に排出することができる。排出部８６としてはロータリポンプを用いることができる。吸着特性測定の目的によっては、ターボ分子ポンプを用い、ロータリポンプを補助ポンプとして用いるものとしてよい。

配管部６０は、マニホールド６２を介して、試料管１０、飽和蒸気圧管７３、検定用ガス供給部７８、吸着質供給部８２、排出部８６をそれぞれ互いに接続して連結するために設けられる複数の配管である。配管部６０には、制御部９０の下で作動する複数の開閉弁７０，７１，７６，８０，８４が設けられる。

配管部６０のうち、試料管１０とマニホールド６２との間に設けられる接続配管６４は、図２に関連して説明した。すなわち、接続配管６４は、試料管１０の端部開口１２が取り付けられる取付部６６を一方端に有し、他方端には、マニホールド６２に接続する試料管ポート７５を有する。取付部６６と試料管ポート７５の間には試料管用の開閉弁７０が直列に接続配置される。取付部６６と開閉弁７０との間の配管に試料管用の圧力トランスデューサ７４が接続される。

また、飽和蒸気圧管７３とマニホールド６２との間には飽和蒸気圧管用の開閉弁７１が直列に接続配置される。また、飽和蒸気圧管７３と飽和蒸気圧管用の開閉弁７１との間の配管に飽和蒸気圧管用の圧力トランスデューサ７２が接続される。

検定用ガス供給部７８とマニホールド６２との間の配管には、制御部９０の制御の下で作動する検定用ガス供給部用の開閉弁７６が設けられる。

配管部６０のうち、吸着質供給部８２とマニホールド６２との間の配管には、制御部９０の制御の下で作動する吸着質用の開閉弁８０が設けられる。吸着質供給部８２が複数ある場合には、それぞれの吸着質供給部８２に対応して吸着質用の開閉弁８０が設けられる。同様に、排出部８６とマニホールド６２との間の配管には、制御部９０の制御の下で作動する排出部用の開閉弁８４が設けられる。

マニホールド６２は、開閉弁７０，７１，７６，８０，８４のそれぞれの一方端を互いに接続した箱形状の容器である。箱形状の容器に代えて、開閉弁７０，７１，７６，８０，８４のそれぞれの一方端を互いに接続した屈曲管路でマニホールド６２を構成してもよい。マニホールド６２に接続される圧力トランスデューサ６３は、マニホールド６２の内部圧力を検出するためのものである。検出された圧力は、吸着特性出力部８８に伝送される。マニホールド６２を含む配管部６０は、温度調整された槽に収容され、所定の温度に維持されることが好ましい。

吸着特性出力部８８は、マニホールド用の圧力トランスデューサ６３が検出するマニホールド６２の内部圧力の変化、試料管用の圧力トランスデューサ７４が検出する試料管１０の内部圧力の変化等に基づいて、試料管１０に収容される試料２０の吸着量等を算出し吸着出力特性として出力するコンピュータである。出力される吸着特性としては、吸着量、試料２０が粉粒体であるときの試料２０の比表面積、細孔分布等である。吸着特性の算出には、マニホールド６２の内部圧力の変化と試料管１０の内部圧力の変化とに基づいて吸着量等を算出するプログラムが用いられる。なお、吸着特性出力部８８の機能を制御部９０の機能の一部とし、制御部９０と同じコンピュータで構成してもよい。

制御部９０は、これら各要素の動作を統合して制御する装置である。特に、本体部３２における加熱手段４６、昇降部５２、冷媒用の開閉弁５６、配管部６０における試料管用の開閉弁７０、飽和蒸気圧管用の開閉弁７１、検定用ガス供給部用の開閉弁７６、吸着質用の開閉弁８０、排出部用の開閉弁８４の動作を制御し、前処理と吸着特性測定処理を一貫して行う制御を実行する。かかる制御部９０は、コンピュータで構成できる。

制御部９０は、昇降部５２の昇降動作を制御する昇降処理手順９２、加熱手段４６と排出部８６と開閉弁８４の動作を制御する初期吸着質除去処理手順９４、冷媒５３を導入する冷媒導入処理手順９６、吸着特性測定処理手順９８を実行する機能を有する。なお、吸着特性測定処理手順９８の実行によって取得される試料管用の圧力トランスデューサ７４が検出する圧力等は吸着特性出力部８８に伝送されて処理される。かかる機能は、ソフトウエアで実現でき、具体的には、前処理測定一貫処理プログラムを実行することで実現できる。

上記構成の作用、特に制御部９０の各機能について、図５から図１１を用いて詳細に説明する。図５は、吸着特性測定方法の手順を示すフローチャートである。図６は、吸着特性測定における各要素の動作を示すタイムチャートである。図６の横軸は時間、縦軸には、上段側から下段側に向かって、試料管取付取外し、昇降部５２、加熱手段４６、開閉弁７０、開閉弁８４、開閉弁５６、開閉弁８０、吸着特性測定が順にとられている。図７から図１１は、本体部３２の部分を抜き出して、各手順の内容を示す図である。

図５は、吸着特性測定方法の手順を示すフローチャートである。破線の枠で示すＳ１０とＳ３０は、測定者の手作業で行われるが、それ以外の手順は、制御部９０によって実行される。制御部９０によって実行される各手順は、前処理測定一貫処理プログラムの各処理手順に対応する。

最初に、試料管１０へ試料２０を収容する。そして、試料２０が収容された試料管１０の端部開口１２を、接続配管６４の取付部６６に取り付ける（Ｓ１０）。この工程は、測定者の手作業で行われる。取付部６６への取り付けは、試料管１０の端部開口１２を取付部６６へ挿入し、リング状の固定ネジで締め付けることで行われる。

図６では、最上段の試料管取付、取外しにおいて、時間ｔ₀で試料管１０が取付状態になったことが示されている。図７は、試料管１０の取付前を示す図で、図８は、試料管１０の取付後を示す図である。ここでは、昇降部５２は試料管ホルダ４０に対して下方の位置にあり、取付部６６に試料管１０を取り付けする作業がしやすい。この位置が、収容器５０の着脱位置である。また、図３に関連して説明したように、試料管１０の取り付けを容易にするため、試料管ホルダ４０の保持部４４には、試料管１０に対して１ｍｍ程度の隙間量が設定されている。

時間ｔ₀において試料管１０が取り付けられ、試料管ホルダ４０に保持されると、適当な時間をおいて、以後は、制御部９０が前処理測定一貫処理プログラムを実行して、自動的に処理が進行する。

再び図５に戻り、収容器５０が上昇する（Ｓ１２）。この工程は、制御部９０の昇降処理手順９２を実行することで行われる。昇降部５２は、試料管ホルダ４０がその内部に収容される位置まで収容器５０を上昇させる。この位置が、収容器５０の収容位置である。図９は、昇降部５２によって収容器５０が上昇して収容位置となったことを示す図である。図６では、時間ｔ₀から適当な時間の後、時間ｔ₁において、昇降部５２が収容器５０を収容位置まで上昇させたことが示される。前処理測定一貫処理プログラムは時間ｔ₀の前に立ち上げておいてもよく、時間ｔ₀から時間ｔ₁の間に立ち上げてもよい。Ｓ１２は、測定者が制御部９０の制御開始ボタン等を押すことで開始する。

次に、試料管１０に収容されている試料２０の初期吸着質の除去が行われる。この処理は、制御部９０の初期吸着質除去処理手順９４を実行することで行われる。この工程は、図５において、試料管加熱（Ｓ１４）、開閉弁７０，８４の開弁（Ｓ１６）、初期吸着質排出（Ｓ１８）の３つの手順で示される。

Ｓ１４では、制御部９０の制御により加熱手段４６が作動され、制御部９０からの指令によって所定の加熱温度に加熱される。場合によっては、ホルダ本体４２に温度検出部を設け、加熱手段４６による加熱が所定の加熱温度に保たれるよう制御することもできる。加熱温度は測定する試料２０によって変化するが一般的に室温から５５０℃の間で行われる。図６では、時間ｔ₂において、加熱手段４６がＯＮされて作動することが示される。時間ｔ₁から時間ｔ₂までの時間は、収容器５０が昇降する時間と、収容器５０が収容位置に到達したことを検出して加熱手段４６をＯＮするまでの時間である。収容器５０が収容位置に到達したことは、昇降部５２に設けられる位置検出センサによって検出される。図１０は、加熱手段４６が作動されることを示す図である。

加熱手段４６が作動すると、ホルダ本体４２の温度が上昇し、試料管１０および試料２０が加熱される。試料管１０は、例えば、約４００℃に加熱されるが、ホルダ本体４２は収容器５０の内部に収容されているので、測定者が誤って熱いホルダ本体４２に接触することはない。

Ｓ１６では、試料管用の開閉弁７０が閉状態から開状態とされ、排出部用の開閉弁８４が閉状態から開状態とされる。これと並行して、排出部８６の作動が開始する。これによって、試料管１０の内部は、マニホールド６２を介して排出部８６と連通状態になる。図６では、時間ｔ₃において、開閉弁７０がＯＦＦからＯＮとなり、開閉弁８４もＯＦＦからＯＮとなることが示される。開閉弁７０，８４がＯＮする順序は同時でもよく、いずれかを先にＯＮするものとしてもよい。Ｓ１４からＳ１６へは、適当な時間をおいて制御部９０が自動的に遷移させる。

Ｓ１８では、排出部８６が作動し、開閉弁７０，８４が共にＯＮしている期間に、試料２０の初期吸着質が加熱によって除去され、除去された初期吸着質が排出部８６を経て、外部に排出される。初期吸着質が十分に除去されるのに必要な時間が経過すれば、開閉弁７０，８４が開状態から閉状態に戻される。図６では、時間ｔ₄において開閉弁７０，８４が共にＯＦＦ状態に戻るが、時間ｔ₃から時間ｔ₄の間が、初期吸着質の除去期間である。初期吸着質の除去期間は、試料２０の履歴等に応じて予め制御部９０に入力される。初期吸着質の除去期間の一例を上げると、約４〜５時間である。

初期吸着質の除去期間が終了すると、加熱手段４６の作動が停止される。図６では、時間ｔ₄から適当な時間を経た時間ｔ₅において、加熱手段４６がＯＦＦされることが示されている。

再び図５に戻り、次に冷媒導入が行われる（Ｓ２０）。この工程は、制御部９０の冷媒導入処理手順９６を実行することで行われる。冷媒導入は、冷媒用の開閉弁５６を閉状態から開状態とすることで行われる。加熱手段４６がＯＦＦすることでホルダ本体４２の温度は低下を始めるが、冷媒導入はホルダ本体４２及び試料管１０の耐熱性を考慮して、ホルダ本体４２及び試料管１０の温度が高い状態でも、適当な時期に始めることができる。ただし、試料管１０の放熱を待ち、冷媒導入を行うことが好ましい。図６では、加熱手段４６がＯＦＦする時間ｔ₅に、開閉弁５６がＯＦＦからＯＮとされる。この例では、加熱手段４６のＯＦＦと同時に、冷媒５３が収容器５０の内部に注入される。図１１には、冷媒導入部５４の先端部から冷媒５３が収容器５０の内部に注入される様子が示される。

冷媒導入は、冷媒５３が収容器５０の内部に配置されているホルダ本体４２の周りを十分に満たすだけ注入されると終了する。冷媒５３が収容器５０の中に十分に注入されたことは、時間管理で行われる。収容器５０に液面センサが設けられる場合は、液面センサの検出値に基づいて、冷媒５３の注入量が適切か否かを判断することもできる。冷媒５３が収容器５０の内部に十分に注入されたと判断されると、冷媒用の開閉弁５６が開状態から閉状態に戻される。図６では、時間ｔ₆において、開閉弁５６がＯＮからＯＦＦとされる。この場合、時間ｔ₅から時間ｔ₆の間が冷媒導入期間である。また、冷媒導入は吸着特性測定中に行ってもよく、従来は収容器５０の冷媒保持時間に依存していたものが、冷媒タンク５５の容量により長時間の測定が可能となる。

次に吸着特性測定が行われる。この工程は、制御部９０の吸着特性測定処理手順９８を実行することで行われる。この工程は、図５において、開閉弁８０の開閉（Ｓ２２）、対象吸着質供給（Ｓ２４）、吸着特性測定（Ｓ２６）の３つの手順で示される。また一般的に吸着特性評価の前に、液体窒素温度で吸着しないとされるヘリュームガスを用いて試料管１０の死容積をあらかじめ検定する手順が入る事がある。試料管部死容積は吸着量計算に必要であり、事前測定、吸着特性評価前、吸着特性評価後のいずれかにて測定してよい。

Ｓ２２では、試料管用の開閉弁７０を閉状態のまま吸着質用の開閉弁８０を開状態として対象吸着質をマニホールド６２に導入する。導入量は、マニホールド用の圧力トランスデューサ６３により計算する。導入が終了すると開閉弁８０を閉状態とする。図６では、冷媒導入期間が終了した時間ｔ₆から時間ｔ₇の期間において開閉弁８０がＯＮ状態となり、対象吸着質の導入が行われることが示される。図６では冷媒導入期間の終了を待って開閉弁８０がＯＮされるが、場合によっては、冷媒導入期間の終了を待たずに開閉弁８０をＯＮし、冷媒導入に並行してマニホールド６２への対象吸着質の供給を行ってもよい。

Ｓ２４においては、試料管用の開閉弁７０を開状態とし、マニホールド６２に導入されていた対象吸着質を試料管１０に導入し試料２０に対して対象吸着質を吸着させる。図６では、時間ｔ₇から適当な時間を経た時間である時間ｔ₈から時間ｔ₉の間の期間が試料２０に対して対象吸着質を供給し吸着させる期間である。

Ｓ２６の吸着特性測定は、試料管用の圧力トランスデューサ７４の圧力検出値が変化しなくなったことを確認後、試料管用の圧力トランスデューサ７４により対象吸着質の残量を算出し、導入量と残量から吸着質量を計算する。また、上記圧力検出値が変化しなくなった時である吸着平衡時に、事前に過剰の窒素ガスを導入し液化した液体窒素を収容する飽和蒸気圧管７３を、試料２０を収容した試料管１０が浸漬されているのと同じ冷媒５３に浸漬させ、飽和蒸気圧管用の圧力トランスデューサ７２により飽和蒸気圧を測定してもよい。飽和蒸気圧は液体窒素の温度により変化し、飽和蒸気圧を実測することにより、より正確な吸着等温線を測定し、正確な比表面積並びに細孔分布を計算することが可能である。

また、対象吸着質をマニホールド６２へ供給し、マニホールド６２に供給された対象吸着質を試料管１０に収容された試料２０へ供給するために開閉弁８０及び開閉弁７０の開閉を複数回行い、測定する圧力を上昇させ複数の吸着測定点を測定する。図６では、時間ｔ₆から時間ｔ₁₀までの期間が、開閉弁８０及び開閉弁７０の開閉を複数回行い圧力トランスデューサ検出値の取得が行われ測定処理を終了するまでの期間である。場合によっては、開閉弁８４を開状態とし、マニホールド６２の圧力を下げ、圧力を下げた脱着測定点を測定することも可能である。

再び図５に戻り、吸着特性測定処理が終了すると、収容器５０が初期の着脱位置に下降する処理が行われ（Ｓ２８）、ついで、測定済みの試料管１０の取外しが行われる（Ｓ３０）。図６では、時間ｔ₁₁において昇降部５２が作動して収容器５０を着脱位置に下降させることが示され、その後、測定者の手作業で試料管１０の取外しが時間ｔ₁₂で行われることが示される。

以上のように、上記構成の吸着特性測定装置３０によれば、試料管１０を保持し加熱手段４６を有する試料管ホルダ４０と、試料管ホルダ４０が収容された収容器５０に冷媒５３を導入する冷媒導入部５４とを備えるため、測定者は取付部６６へ試料管１０を取り付けた後は、制御部９０による前処理測定一貫処理プログラムの実行によって、前処理から吸着特性測定までを一貫して行うことができる。また、試料管１０を着脱しないことにより吸着特性測定前に試料管１０に接続される接続配管６４を再度、真空排気する必要が無く、測定時間が短縮できる。

本発明による吸着特性測定装置３０は、前処理から吸着特性測定までを一貫して行うことができ、かつ測定時間が短縮できる吸着特性測定装置として有用である。

１０試料管、１２端部開口、１４管部、１６収容部、２０試料、３０吸着特性測定装置、３２本体部、３４筐体、４０試料管ホルダ、４２ホルダ本体、４３腕部、４４保持部、４５スリーブ、４６加熱手段、４８当て板、５０収容器、５１収容器保持台、５２昇降部、５３冷媒、５４冷媒導入部、５５冷媒タンク、５６，７０，７１，７６，８０，８４開閉弁、６０配管部、６２マニホールド、６３，７２，７４圧力トランスデューサ、６４接続配管、６６取付部、７３飽和蒸気圧管、７５試料管ポート、７８検定用ガス供給部、８２吸着質供給部、８６排出部、８８吸着特性出力部、９０制御部、９２昇降処理手順、９４初期吸着質除去処理手順、９６冷媒導入処理手順、９８吸着特性測定処理手順。

Claims

端部開口を有する試料管に収容される試料について吸着質の吸着特性を測定する吸着特性測定装置であって、
試料管を保持して加熱をする手段を有する試料管ホルダと、
試料管ホルダと所定の冷媒とを収容可能な収容器と、
試料管ホルダが収容された収容器に所定の冷媒を導入する冷媒導入部と、
を備えることを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項１に記載の吸着特性測定装置において、
試料管の着脱のための着脱位置と、試料管を取り付けた状態の試料管ホルダが試料管を保持する部分を収容器内の冷媒に浸漬させる収容位置との間で、試料管ホルダに対して相対的に収容器を昇降させる昇降部を備えることを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項２に記載の吸着特性測定装置において、
加熱手段の加熱によって試料から除去された初期吸着質を排出する排出部と、
試料管に収容された試料に吸着質を供給する吸着質供給部と、
試料管の端部開口の部分を取り付ける取付部と試料管用の開閉弁を介し、排出部と排出部用の開閉弁を介し、吸着質供給部と吸着質用の開閉弁を介してそれぞれ接続されるマニホールドと、
制御部と、
を備え、
制御部は、
試料管を取付部に取り付けた後に、収容位置に収容器を昇降させ、
加熱手段を作動させ試料管を加熱し、
試料管用の開閉弁と排出部用の開閉弁を閉状態から開状態とし、
予め定めた初期吸着質除去期間が経過した後に、試料管用の開閉弁と排出部用の開閉弁を閉状態に戻して加熱手段の作動を停止させ、
試料管の放熱を待ち、冷媒導入部に設けられる冷媒用の開閉弁を閉状態から開状態とし、
収容器に冷媒を供給し、吸着質用の開閉弁を閉状態から開状態として吸着特性測定のための対象吸着質を試料に供給することを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項１から３に記載の吸着特性測定装置において、
試料管ホルダは、形状の異なる試料管に対応する内径の異なる保持部を有することを特徴とする吸着特性測定装置。
試料から除去された初期吸着質を排出する排出部、試料管に収容された試料に対象吸着質を供給する吸着質供給部、及び試料管の端部開口を取り付ける取付部にそれぞれ接続されるマニホールドを備える吸着特性測定装置を用いて、試料の吸着質に対する吸着特性を測定する方法であって、
試料管を取付部に取り付けた後に、試料管を保持する保持部と加熱手段とを有する試料管ホルダを収容する位置に収容器を昇降させる昇降工程と、
試料管を加熱手段によって加熱する加熱工程と、
試料から除去された初期吸着質を排出する排出工程と、
加熱工程終了後に冷媒導入部から所定の冷媒を収容器に導入する冷媒導入工程と、
試料に対象吸着質を供給する吸着質供給工程と、
試料について対象吸着質の吸着特性を測定する測定工程と、
を含むことを特徴とする吸着特性測定方法。