JP4116526B2 - 第二のヒーターを備えた示差走査熱量計 - Google Patents

第二のヒーターを備えた示差走査熱量計 Download PDF

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Description

本発明は、熱分析装置の示差走査熱量計に関する。
熱分析装置である示差走査熱量計は、温度制御されたヒートシンク、前記ヒートシンク内にある試料、基準物質ホルダー、ヒートシンクを加熱するためのヒーター、ヒートシンクを冷却するための冷却装置を備えている。従来の示差走査熱量計では、冷却装置を直接ヒートシンクに接触させてヒートシンクを冷却している。特許文献１では、冷却装置は液化窒素を媒体としたものであるが、冷却装置には、コンプレッサーによって冷媒を圧縮、断熱膨張させて冷却する電気冷却装置があり、電気冷却装置に接続された金属部材を直接ヒートシンクに接触させて冷却することがよく行われている。
特公平2-116744（第４頁、図１） 特公平7-122619
従来、熱流束型示差走査熱量計においては、ヒートシンクを加熱するヒーターへのパワー供給は、できるだけヒートシンク温度を精密にコントロールするため、高分解能なほうが望ましい。例えば750℃までが上限の示差走査熱量計には、最大のヒーターパワーは、ヒートシンクの温度を750℃まで昇温する必要十分な値とするのが理想である。
示差走査熱量計はマイナス温度域の測定や降温測定も行われるため、ヒートシンクを冷却するための装置、例えばコンプレッサーによって冷媒を圧縮、断熱膨張させて冷却する電気冷却装置を接続することがよくある。しかしながら、昇温過程で必要十分なヒーターパワーで設計された示差走査熱量計において、冷却装置を接続しない場合は、温度が750℃まで昇温することが可能であるが、電気冷却装置を接続するとヒートシンクの熱流が冷却機構部に流れ、余分なヒーターパワーを必要とするため、示差走査熱量計として750℃まで昇温できず、測定可能な温度範囲が縮小してしまう。また、冷却装置を装着しても750℃まで昇温できるようにヒーターパワーの出力を大きくすると、ヒーターパワー制御の分解能が悪化し、ヒートシンク温度の精密な制御ができなくなる問題点があった。
そこで本願発明は、上記問題点を解決し、ヒートシンクを冷却するための電気冷却装置を接続された示差走査熱量計においても測定可能な温度範囲を縮小することなく、高分解能なヒーターパワーによってヒートシンク温度を精密に制御することを課題とする。
上記課題を解決するために、本願発明においては、測定試料と基準物質を収納するヒートシンクと前記ヒートシンクを加熱する第一のヒーターと前記ヒートシンクの底板に固定されている示差熱流検出器を有する示差走査熱量計において、冷却機構と、熱伝導体と第二のヒーターと、を備え、前記冷却機構が前記熱伝導体を介して前記ヒートシンクに間接的に接触して冷却し、前記第二のヒーターが前記熱伝導体にのみ接触して該熱伝導体を加熱して、該熱伝導体が前記ヒートシンク間にて熱流路となるように構成する。
第二のヒーターは、この熱伝導体に固定される。第二のヒーターへのヒーターパワー供給は、フィードバック制御ではなく、温度プログラムの温度及び昇温速度によってあらかじめ設定されたヒーターパワーテーブルにより出力することを特徴とする。冷却機構が冷却装置によって十分冷却されていた状態でヒートシンクを昇温するとき、ヒートシンクから冷却機構への熱流入のための余分なパワーを第二のヒーターのパワーで補い、第一のヒーターでの制御に余分なパワーを消費させないようにして測定上限温度を保つ。そのため、ヒートシンクから冷却機構への熱流が流れにくくなるため、ヒートシンクの昇温に必要な第一のヒーターパワーは顕著に大きくならない。
以上のように本発明による示差走査熱量計においては、第一のヒーターによって温度制御されるヒートシンクと、冷却機構の間に第二のヒーターを備えた熱伝導体を設けることで、電気冷却装置を装着した状態においてもヒートシンクから冷却機構への熱流入のための余分なパワーを第二のヒーターパワーで補うことで、測定可能な温度範囲を縮小することはない。また、第一のヒーターパワーは、示差走査熱量計の上限温度に必要十分な値でよいことから、高分解能なフィードバック制御が可能となり、ヒートシンク温度を精密に制御することが可能である。
本発明の第二のヒーターを備えた示差走査熱量計について図１を用いて説明する。ヒートシンク１内に試料ホルダー２と基準物質ホルダー３がある。ヒートシンク１側面には、ヒートシンク１を加熱するための絶縁皮膜付き第一のヒーター４とヒートシンク温度を検知して制御のフィードバックに用いる制御熱電対５が設けられている。前記ヒートシンク底板と前記試料及び基準物質ホルダーの間には示差熱流検出器６があり、前記示差熱流検出器６には、熱電対細線７が溶接されており、試料と基準物質の温度差を検知する。この温度差信号は、試料側と基準物質側に流入する熱流差信号として出力される。
測定者が決めた任意の温度プログラムは、温度プログラム設定器８に入力され、前記温度プログラム設定器８からプログラム設定された温度信号が出力される。PID演算制御部９は、前記制御熱電対５で出力された温度信号と前記プログラム設定器８からの温度信号の差からPID演算を行い、適切なヒーターパワー出力を第一電力供給部１０を通して第一ヒーター４に供給する。これによりヒートシンクはPID演算のフィードバックループにより精密に温度制御される。
次に第二のヒーターを備えた熱伝導体及び冷却機構部について説明する。前記ヒートシンク１を冷却する冷却機構１１と前記ヒートシンク１と前記冷却機構１１の間に熱流路を形成する熱伝導体１２と前記熱伝導体１２を加熱するための第二のヒーター１３がある。前記熱伝導体１２は、金属製で前記ヒートシンク１と前記冷却機構１１にネジ止めまたはロウ付けされており、ヒートシンクと冷却機構との間で熱流路を形成している。前記熱伝導体１２に設けられた第二のヒーター挿入口１４に第二のヒーター１３を挿入する。
第二のヒーター１３には、第二の電力供給器１５が接続される。前記プログラム温度設定器８からの温度信号は第二のヒーター制御部１６に出力され、（１）式のように第二のヒーターに供給するパワーが設定される。
Figure 0004116526
P:供給パワー
Tp:測定者によって決められたプログラム温度
α:プログラム温度に対する供給パワー関数
t:時間
dTp/dt:プログラム温度変化速度
β:定数
上記供給パワー関数α(Tp)は、あらかじめ実験的に次のように設定される。冷却装置を装着した示差走査熱量計にて前記第二のヒーター１３に例えば、５０Wの一定パワーを供給し、２０℃/minの昇温を行い、そのときの試料温度の最高到達温度例えば４００℃を読み取る。次に同様の方法で、上記供給パワーを変化させたときの試料温度最高到達温度を読み取り、第二のヒーターパワーと試料温度最高到達温度との関係を第２図に示すようにグラフ化する。このグラフを関数とすると２０のようになる。第二のヒーターが０Wのときサンプルの最高到達温度が３００℃となり、３００℃以上の温度は第二のヒーターが必要となる。
仮に第二のヒーター供給テーブルを２０のように与えると、第二のヒーターパワーの供給が始まる３００℃以上の温度域では、第一のヒーターパワーが最大値かつ、第二のヒーターパワーも最高到達温度に必要な最低限のパワーとなっているため、最高到達温度の所では、第一のヒーターパワーのフィードバック制御が機能しない。
したがって、第二のヒーターパワー値を関数２０全体を平行移動し、２００℃からパワー供給を始めるように、２１のように与えることにする。このように設定することで、２００℃以下の温度域では、第一のヒーターのみ作動させた状態で温度制御を行い、２００℃以上のときは第二のヒーターパワーを作動させることにより第一のヒーターパワーが最大能力値にならないようにして動作させることができ、第一のヒーターパワーのフィードバック制御が可能となる。また、上記式１の第2項の係数であるβがあることにより、昇降温速度によって第二のヒーターの出力を増減することができる。急速昇温プログラム過程では、第二のヒーターパワー値を増大して昇温能力を高くし、低速昇温過程では、昇温能力を低く抑えることにより、理想的な昇温・冷却制御を行うことができる。また、第二のヒーターパワーは、フィードバック制御を行っていないため、第二のヒーター１３によって加熱される熱伝導体１２は、温度的に揺らぎを起こさない。よってヒートシンク温度の揺らぎの原因とはならない。
示差走査熱量計の断面図である。 第二のヒーターパワー供給テーブルである。
符号の説明
１・・・ヒートシンク
２・・・試料ホルダー
３・・・基準物質ホルダー
４・・・第一のヒーター
５・・・制御熱電対
６・・・示差熱流検出器
７・・・熱電対細線
８・・・温度プログラム設定器
９・・・PID演算制御部
１０・・・第一電力供給部
１１・・・冷却機構
１２・・・熱伝導体
１３・・・第二のヒーター
１４・・・第二のヒーター挿入口
１５・・・第二の電力供給器
１６・・・第二のヒーター制御部
２０・・・第二のヒーターパワー実験値
２１・・・第二のヒーターパワー供給値

Claims (5)

  1. 測定試料と基準物質を収納するヒートシンクと、
    前記ヒートシンクを加熱する第一のヒーターと、
    前記ヒートシンクの底板に固定されている示差熱流検出器を有する示差走査熱量計において、
    冷却機構と、
    熱伝導体と、
    第二のヒーターと、を備え、
    前記冷却機構が前記熱伝導体を介して前記ヒートシンクに間接的に接触して冷却し、
    前記第二のヒーターが前記熱伝導体にのみ接触して該熱伝導体を加熱して、該熱伝導体が前記ヒートシンク間にて熱流路となるように構成したこと
    を特徴とする示差走査熱量計。
  2. 前記第二のヒーターパワーは、前記ヒートシンクの温度及び昇温速度によってあらかじめ決められたパワーを供給することを特徴とする請求項1記載の示差走査熱量計。
  3. 前記第二のヒーターパワーは、その出力の増減が可能であることを特徴とする請求項１記載の示差走査熱量計。
  4. 前記第二のヒーターは、前記第一のヒーターのフィードバック制御が可能な温度範囲であって、かつ、前記第一のヒーターにより可能な試料最高到達温度に到達する前に動作させることを特徴とする請求項１記載の示差走査熱量計。
  5. 前記熱伝導体はリング状の構造であり、前記第二のヒーターの挿入口を備え、前記第二のヒーターが着脱可能なことを特徴とする請求項１又は２に記載の示差走査熱量計。
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