JPH01223332A - 通電熱分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は通電加熱により材料の熱重量測定（ＴＧ）、
示差熱分析（ＤＴＡ）　、示差走査熱量計、熱機械分析
（ＴＭＡ）、熱膨脹測定を行なう通電熱分析装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、熱分析を行なうために試料、基準物質等の材料を
加熱する装置の多くは、材料を電気炉等に入れて周囲か
ら加熱する方法が採用されている。

そして温度の変化或いは時間の経過に対して化合物等材
料の重量変化を測定する熱重量測定（ＴＧ）、試料の入
った容態と基準物質の入った容器とをセットして同時に
加熱を行ない、両者間に現われる温度差から、試料側に
発生した熱変化を知る示差熱分析（ＤＴＡ）、単位時間
当りに試料と基準物質に加えられた熱量の差を知る示差
走査熱量計（ＤＳＣ）、材料の力学特性が温度に対して
どのように変化するかを知る熱機械分析（ＴＭＡ）及び
材料に無視できるような加重を加えた状態で材料の長さ
を測定する熱彫版測定を行なう装置がある。これらの装
置は夫々別々であって、それら別々の装置から発する測
定信号を入力して、熱分析を総合的に行ない、パソコン
に接続し、データを収集しながら同時に解析した結果を
画面に表示し、且つフロッピーディスクで保管をする装
置がある。

（発明が解決しようとする課題〕 従来の熱分析装置は材料を電気炉に入れて周囲から加熱
するものであるから、材料の中心部分まで一様な温度に
して平衡を保つようにするには時間を要する。又分析す
る目的に応じた装置を夫々備えなければならないという
問題点があった。

本発明は、測定する試料や既知の基準物質等の材料を通
電により内部から一様に加熱し、更に従来の前記ＴＧ％
ＤＴＡＳＤＳＣ，ＴＭＡ及び熱彫版測定を一台の装置に
備えた熱分析装置を提供することを目的としている。

Ｃ１題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明の通電熱分析装置は
、導電性の材料、又はその材料を加熱する炉を挾んで通
電し加熱する一対の電極と、この電極で材料又は炉を加
圧する加圧装置と、前記電極に通電して材料又は炉を加
熱する通′ＲＩＲ源と、この加熱した材料の温度を検出
する温度検出器と、材料の寸法を測定する寸法検出装置
と、一対の電極の中一方の電極の内部に材料の重量を測
定する重量測定装置を設け、その電極の先端部に前記重
量測定装置を多い、且つ材料又は炉を載置して通電加熱
するキャップを設けたものであり、更に又電極を所定温
度に保つように制御してなるものである。

（作用） 熱彫版測定やＴＡＭを行なう場合は、電極に設けたキャ
ップの上に１！置した材料を電極を介し、加圧装置で加
圧して、通電電源よりパルス電流又は直流を印加するこ
とによって材料又は炉を加熱する。そのとき材料又は炉
の温度を温度検出器で検出して信号を発する。その際、
彫版した材料の寸法を寸法測定装置で測定することによ
って、膨張係数や材料の力学的特性が温度に対してどの
ように変化するかを知ることができる。又、電極は冷却
し、或いは加温して所定温度に保つようにし寸法変化を
少なくしたものである。ＴＧ％ＤＴＡ。

及びＤＳＣによる分析を行なう場合は電極端部のキャッ
プを除いて重量測定装置の計量皿の上に、試料又は基準
物質等の材料、又はそれら材料を入れた金属ブロックを
置き、それを囲んだ筒状のグラファイト等の炉の端面を
一対の電極で挾み、通電加熱することによって、材料の
熱重ａｍ定、示差熱分析、示差走査熱分析を行なうよう
にしたものである。

（実施例） 本発明を例示した図に基づいて説明する。

第１図に於て枠１に固定したチャンバ２は図面手前の図
示していないカバーを開閉し、ハンドルによて密閉する
ようになっている。そのチャンバ２とカバーとには何れ
もジャケット３があって、圧縮機、放熱器、彫版弁等か
らなる冷凍装置４から液化ガス等の例倍を供給してチャ
ンバ２内を一１５０℃程度まで、制御装置２５により制
御して冷却することができるものである。チャンバ２を
貫通して枢支する一対の電極５．６はシール７．８で気
密に保ち、空洞９を有する電極５は絶縁部材１０を介し
て枠１に固定し、電極６は絶縁部材１１を介してアクチ
エータ１２を構成するピストンロッド１３の端部に固着
する。ピストンロッド１３はシリンダ１４内を移動する
ピストン１５によって上下に移動し、電極６を上下に移
動する。この電極６の先端面にはＷＣ−ＣＯ系の合金板
１６をろう付けして置くこともあり、電極５の端部には
合金板１６をろう付けした導電性のキャップ１１をねじ
等で着脱可能にし、又は嵌合させて装着する。炉１８に
枢支した通Ｔ！ｉ電極１９．２０でアルミナ等の基準物
質の材料２１と、これから分析しようとする試料の材料
２２を挾んで、−方の通電電極２０をキャップ１７の上
に載置し、他方の通電電極１９は電極６に当接するよう
に設置する。

この炉１８と通１ｉ電極１９．２０は耐熱性の高いグラ
ファイト材を用いて作るが、特公昭４９−５，８０３号
公報で開示したように、材料２１．２２と接触する面に
Ｓｉ　　０２　　、Ａｌ２Ｏ５、ＩＶＨＩ　　Ｏ，Ｆｅ
　　ｚ　　Ｏｓ　　、Ｆｅ３Ｏ４等のセラミックス粉末
を薄く通電により焼結溶着したものを利用することがで
きる。又、この外に金属、Ｔｉ　Ｂｇ　、Ｚｒ　Ｂｚ　
、Ｚｒ　Ｃ１、Ｔａ　Ｃ，Ｔｉ　Ｎ、ＢＮ％Ｎｂ　０．
８１０２等炭化物、窒化物、硼化物の単独又は複数種類
を複合した流体ニＺｎＯ０５〜２０％、Ａ１２０ｓ　１
０〜４０％、５ｔＯｚ４０〜８０％、Ｔｌ２０３５〜２
０％の混合比率からなるフリット材を１０〜５０％混入
して液状にした型材で型取りをして加熱し乾燥させるよ
うにした特願昭６２−１８７，０３８号で提示したもの
も利用できる。　　　　　　　　　　　　　　　“チャ
ンバ２の開口２３には真空ポンプ２４を接続し制御装置
２５の制御指令によりチャンバ２内の空気を排気する。

又チセンバ２の開口２６には、チャンバ２内にＡｒ等の
雰囲気ガスを、常温のまま、又は加熱、冷却したりして
供給するボンベ２１を弁２８を介して接続するものであ
り、この弁２８は制御装装置２５の制御指令により開閉
する。チャンバ２内の温度、Ｉｆ電極、６、炉１８、通
電電極１９．２０の温度、及び材料２１．２２の温度は
熱電対、オーム抵抗測定センサ、赤外線等を利用した温
度検出器２９で夫々検出し、モの検出信号を制御装置２
５に送る。又電極６の位置を枠１に設けた位置センサ３
０で検出し、その検出信号を制ｍ装Ｍ２５に送って材料
２１．２２の寸法を検知する寸法検出装置とする。電極
５．６は図示していない端子を介してパルス電流、又は
直流を印加する通電電源３１と接続する。電極６を移動
するアクチエータ１２のシリンダ１４に接続する油路３
２，３３は切換弁３４に接続し、この切換弁３４に接続
する油路３５，３Ｂの中油路３５はタンク３７に通じ、
油路３６はポンプ３８に接続する。このポンプ３８はイ
ンバータ回転数制御するモータ３９によって駆動し、モ
ータ３９の回転数制御によって吐出量をＩＩＩ　ＩＩＩ
するようになっている。このポンプ３８が吐出する油を
アクチエータ１２のシリンダ１４に送る油路３４には一
方のボート４０を接続し、他方のボート４１をタンク３
７に開放する絞り弁４２が設けである。この絞り弁４２
のオリフィス板を交換したり、ニードルの先端位置をね
じ等で変化させて開口饅を変化させるものを任意に利用
する。しかして、直径ｄ■のオリフィスを通る流体の流
ｆａＱと、オリフィス前後の圧力差Ｈとの関係は、公知
の式Ｑ＝α（πｄ４／４）（２Ｑ　Ｈａ　１／ａ）２−
ａ　３　／ｓｉｎによッテ算出することができるが、測
定したＩＩＱとモータ３９の回転数（ポンプ３８の吐出
量）及び油路３６内の圧力、又はアクチエータ１２の圧
縮圧力の値を制御装置２５に入力して記憶させることに
よってデータとすることができ、このデータに基づいて
アクチエータ１２による圧縮圧力の制御をすることもで
きる。斯くすることによってアクチエータ１２の圧縮圧
力は絞り弁４２のオリフィスの径ｄとモータ３９の回転
数の変化、つまりポンプ３８の吐出量の変化により無段
階に、しかも広範囲に亘って制御することが可能となり
、従来できなかった広範囲な圧力制御をすることができ
るようになり、しかも従来ピストン１５が移動したとき
に流体の圧力が降下する欠点も除くことができたもので
ある。４３はフィルタ、４４は安全のために設けたり、
リーフパルプ、４５は油圧計である。

重堡測定装置４６には電子天秤を利用するとよい。

その電子天秤の重量ｍ定装［４６は計量皿４１を電極５
の空洞９に挿入し、その計量皿４１に質ｆ１１ｖａの材
料を載せると、そのｌｉ量により杆４８が傾くようにな
っている。この杆４８の傾きは零検出器４９により検知
し、その不平衡信号を制御３５０内のサーボ増幅器で増
幅し、その出力電流Ｉを磁石コイル５１に供給すると、
磁石には天秤の杆４８を平衡させる方向に力が発生し、
平衡状態に戻って再び静止する。

磁石コイル５１を流れる電流と発生する力とは正確に比
例するために、重量は電流に変換されたことになり、こ
の電流は安定度の高い抵抗を介して電圧の形で出力され
制御５５０内の信号増幅器で増幅して制御装置２２５に
送る。このようにして制御装！１２５に送った各種の信
号は熱分析制御装＠５２に送り、熱分析制御装＠５２よ
り信号を受けたパソコン５３は、ＴＧ−ＤＴＡ、ＤＳＣ
，ＴＭＡ等の信号領域をＲＡＭディスク上で演算し、そ
のデータをフロッピーディスク上に転送して保管させた
り、データを収集しながら解析した結果をＣＲＴに表示
したり、プリントアウトし、或いは制御装＠２５に信号
を送って前記制御を行なう。

第２図はＴＧ、ＤＴＡ及びＤＳＣの分析を行なう場合を
示すと共に、加圧装置にモータを利用して電極６を移動
し、且つ電極６を冷却、加湿する他の実施例を示すもの
であり、第１図で説明した構成と同じものについては同
一符号を付して説明を省略した。

枠１にナツト５４で固着した軸５５にチャンバ２を支持
している。そのチャンバ２に挿入した電極５゜６に中空
のシリンダ５６を嵌着し、周囲に設けた溝５７に冷却水
、温水又は冷凍装＠４から冷媒を循環させ、温度検出器
２９で検出しながら、電極５．６が所定の温度になるよ
うに制御装置２５で制御する。

又、ｔｌｌａ装置１１２５はこの入力信号によって温度
に対する補正を各装置に対して行なう。電極６を固着し
て上下に移動する板５８はスライド軸受５５によって支
持してあり、この板５８の移動制御は板５８に固着した
ナツト６０に螺合するスクリュ６１をサーボモータ６２
及び回動量を検出するエンコーダ６３とによってなされ
る。従って、このエンコーダ６３は寸法検出装置を構成
するものである。図示していないが、電極６の先端部、
或いはナツト６０等に感圧センサを設け、この感圧セン
サが炉１８、通電電極１９又は材料２１．２２と当接し
たことを感知することによって信号を発し、その信号を
入力した制御装置２５は位置センサ３０をリセットし、
電極６の測定原点とする等して寸法測定装置を構成した
り、材料２１．２２を所定圧力で加圧するための検知作
用をなさしめる。

しかして、材料２２の熱分析を行なうに際して、チャン
バ２内を排気する必要があるときは、真空ポンプ２４で
排気し、雰囲気ガスを必要とする場合は、弁２８を開い
てボンベ２７の雰囲気ガスをチャンバ２内に供給する。

そして、チャンバ２内の温度下げたい場合は、図示して
いない冷却装置で冷却して供給し、更に低温に保ちたい
場合は、冷凍装置４を作動して一１５０℃位までの間で
冷却制御する。逆に加熱したい場合は雰囲気ガイを加熱
して供給したり、チャンバ２内の図示していない加熱装
置を加熱することによって、電極５．６の通電による加
熱と併せて、材料２１．２２を３００℃程度までの間で
温度制御する。

（イ）本発明を利用して材料２２の熱彫版測定を行なう
場合は、チャンバ２の図示していないカバーを用いて電
極５のキャップ１７上に材料２２を載置するのであるが
、第１図に示すように炉１８に材料２２を入れて通電電
極１９．２０を挿入したものを載置し、電極６を下降す
る。この電極６の下降を第１図に示すように油圧を使用
する場合は、制御装置２５の指令によって、モータ３９
の回転数をｔ１１Ｊｗシ、ポンプ３８より吐出する油の
量を制御しながら切換弁３４のソレノイド３４ａを作動
させることにより、油路３３を経てアクチエータ１２の
シリンダ１４に圧油を供給して、電極６を下降する。電
極６の先端面が材料２２又は通電電極１９を介して材料
２２を加圧するときの加圧力は絞り弁４２のオリフィス
の開口面積とモータ３９の回転数、つまりポンプ３８の
吐出量で制御し、電極６の先端部等に設けた図示してい
ない感圧センサが材料２２等を感知したときに位置セン
サ３０をリセットし、寸法測定の原点とする。そして電
極６が材料２２又は通電電極１９に対して無視できる程
度の荷重を加え続けることができるようにモータ３９の
回転数を！Ｉ１ｗＪ装置２５で制御しながら、制御装置
２５より信号を通電量［３１に送ると、通電電源３１は
パルス電圧、又は直流電圧を電極５．６、又は通電電極
１９．２９を介して材料２２に印加し、或いは又炉１８
に印加して材料２２、又は炉１８を加熱する。その際、
材料２２に対する通電は、第１区分と第２区分とに分け
、初めの第１区分で高電圧、低電流のパルス電流を印加
し、第２区分では材料２２の温度によっても制御するこ
とができる低電圧、高電流の直流を印加するようにする
とよい。この通電によって材料２２の温度が上昇し、そ
れに伴って膨張する材料２２の寸法は、材料２２膨脹と
共に移動する電極６の位置を、位置センサ３０で検出し
、その検出信号を制御装置２５に入力する。その信号を
入力した制御装置２５はプログラムにしたがって更に通
電電源３１を制御して材料２２の温度を変化させながら
、そのときの材料２２の温度と位置センサ３０の検出信
号とを増幅したりして分析制御装置５２に送り、分析制
御装置５２に接続したパソコン５３とによって彫版係数
等を表示し、フ０ツビーデイスクに記憶保存するように
する。

電極６の操作を第２図で示すサーボモータ６２で行なう
場合は、第１図に示すように電極５の上にキャップ１７
を設け、そのキャップ１１上に測定する材料２２を直接
載置するか、更に第１図に示すように炉１８に材料２２
を入れて通電電極１９゜２０を挿入したものを載置して
おいて、電極６を下降する。この電極６の下降は制御装
置ｆ２５の指令でサーボモータ６２を回動し、それによ
り回動するスクリュ６１によって板５８を下降すること
により行なわれる。そして電極６が材料２２に直接接触
するか、通電電極１９に接触したりして、電極６の先端
部等に設けた図示していない感圧センサが材料２２等を
感知したとき、又サーボモータ６２電流値が変化したと
きに位置センサ３０をリセットし、寸法測定の原点とす
る。そして電極６が材料２２又は通電電極に対して無視
できる程度の弱い荷重をかけ続けることができるように
する。サーボモータ６２（又はトルクモータ）の電流を
制御しながら制御装置ｆ２５より信号を通電電源３１に
送ると、通電電ｌｊ！３１はパルス電圧、又は直流電圧
を電極５．６に送り、図示していないが材料２２に直接
通電し加熱するか、第１図に示すように通電電極１９．
２９を介して材料２２に通電し、加熱する。その際、材
料２２に対する通電を第１区分と第２区分とに分けて、
初めの第１区分で高電圧、低電流のパルス電流を印加し
、第２区分では材料２２の温度によっても制御すること
ができる低電圧、高電流の直流を印加するようにすると
よいことは前述の通りである。この通電によって材料２
２の温度が上昇し、それに伴って膨脹する材料２２は電
極６に設けた図示していない感圧センサを感知させ、そ
の感知信号を制御袋［２５に送ると、制御袋＠２５はサ
ーボモータ６２を回転して、電極６を移動し、感圧セン
サが所定の無視できる程度の荷重を感知し続けるように
制御する。そのときの電極６の位置を位置センサ３０や
エンコーダ６３で検出し、その検出信号を―ＪＩＢ装置
２５に入力する。その信号を入力した制御装置１２５は
プログラムにしたがって更に通電電源３１を制御して材
料２２の濃度を変化させながら、そのときの材料２２の
ｌｌｌ１ｌＫと位置センサ３０及びエンコーダ６３が出
力する信号を増幅して分析制御袋Ｗ１５２に送り、前述
同様分析制御装置５２に接続したパソコン５３とによっ
て彫版係数等を表示し、フロッピーディスクに記憶、保
存するようにする。

又この際電極５．６の温度は温度検出器２９で検出し、
その検出信号を入力したＩｌ］１１装置１２５は溝５７
に冷却水、温水、又は冷媒等を循環させるようにして、
プログラムによる所定温度に電極５゜６を保つようにｉ
ｌｌ　ｍする。

このように電極５，６の温度制御をしない場合は、電極
５．６の温度に対する補正を予めプログラムしておいて
、電極５．６の膨脹、収縮による影響を無くすようにす
る。

（ロ）材料２２の温度をプログラムにしたがって変化さ
せながら非振動的な荷重を加えて材料２２の変形を測定
する熱機械分析（ＴＭＡ）を行なう場合は、前述（イ）
熱彫版測定を行なう場合の加圧力を変化させることによ
って目的を達成することができる。

（ハ）材料２２を加熱、冷却又は一定温度に保持しなが
ら材料２２の重層変化を温度又は時間の関数として測定
する熱重量測定ＴＧを行なう場合は、電極からキャップ
１７を取除いて計量皿４７の上に材料２２を置き、第２
図に示すように電極５．６でグラファイト等の炉１８を
挟持しながら、通電電源３１より通電して炉の１８を加
熱する。その加熱した炉１８内の温度や材料２２の温度
は温度検出器２９で検出し、材料２２の重量は重層測定
装置４６で測定して制御装置２５、分析制御装置５２に
おくる。

そして時間、温度をプログラムにしたがって変化するデ
ー多によって前述同様にパソコン５３はＣＲＴやプリン
タに出力すると共にフロッピーディスクに記憶する。

（ニ）基準物質の材料２１と試料の材料２２を炉１８内
において加熱又は冷却し、そのときの両者の温度差を時
間又は濃度に対して測定する示差熱分析ＤＴＡを行なう
場合は前述（ハ）と同様に材料２１．２２とを夫々別の
計量皿４７の上に置くか、一方の計量皿４７の上に、左
右対称に作られた金属ブロック６４の中に入れて、前述
（ハ）と同様に操作して熱分析を行なう。

（ホ）基準物質の材料２１と試料の材料２２と加えられ
た熱量の差を知る示差走査熱量計ＤＳＣを行なう場合は
、第１図に示すように、一対の計量皿４７上に材料２１
．２２を載置して通電加熱し、両者の温度を温度検出器
２９で測定し、両者の温度が一定になるように印加した
通電員の差から、温度変化に伴う熱量の差を演算する。

そしてその結果をＣＲＴ、プリントアウトすることは前
述（ハ）と同様である。

〔発明の効果〕

本発明は測定しようとする材料やアルミナ等の基準物質
の材料及び炉を一対の電極で挾んで通電加熱するもので
あるから、材料及び炉の内部から一様に短時間で加熱す
ることができる。したがって、これ等の温度υＪｌｌｌ
を容易に且つ正確に行なうことができるようになった。

更に電極内に重量測定装置を設けたことにより、従来別
々の装置で行なっていた熱彫版測定、ＴＭＡ、ＴＧ、Ｄ
ＴＡ、ＤＳＣを同一の装置で行なうことができる熱分析
装置を提供することができたものである。又本装置によ
れば粉末を通電焼結させることができ、その焼結した材
料を直ちに前記熱分析を行なうことができる効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を例示した図、第２図は他の実施例図で
ある。 ２・・・・・・・・・・・・チャンバ ４・・・・・・・・・・・・冷凍装置 ５．６・・・・・・・・・電極 １２・・・・・・・・・・・・アクチエータ（加圧装置
）１６・・・・・・・・・・・・合金板 １７・・・・・・・・・・・・キャップ２１・・・・・
・・・・・・・基準の材料２２・・・・・・・・・・・
・材料（試料）２４・・・・・・・・・・・・真空ポン
プ２５・・・・・・・・・・・・制御装置２７・・・・
・・・・・・・・ボンベ ２９・・・・・・・・・・・・温度検出器３０・・・・
・・・・・・・・位置センサ（寸法検出装置）３１・・
・・・・・・・・・・通電電源４７・・・・・・・・・
・・・重量測定装置５２・・・・・・・・・・・・分析
制御装置５３・・・・・・・・・・・・パソコン６２・
・・・・・・・・・・・サーボモータ（加圧装置）特　
　許　　出　　願　　人 株式会社井上ジャパックス研究所 代表者　井　上　　　潔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）材料又は炉を通電して加熱する電極と、この電極
   で材料又は炉を加圧する加圧装置と、前記電極に通電し
   て材料又は炉を加熱する通電電源と、この加熱した材料
   又は炉の温度を検出する温度検出器と、加熱した材料の
   寸法を測定する寸法検出装置と、材料の重量を測定する
   重量測定装置との各装置を単数又は複数を備えた通電熱
   分析装置。
2. （２）電極の内部に重量測定装置を備えてなる請求項１
   記載の通電熱分析装置。
3. （３）内部に重量測定装置を備えた電極の端部にキャッ
   プを設けてなる請求項１記載の通電熱分析装置。
4. （４）電極で挟持加圧した炉に通電して加熱することに
   よって重量測定装置に載置して材料を加熱する請求項１
   記載の通電熱分析装置。
5. （５）電極を冷却又は加熱し、所定温度に保つ請求項１
   記載の通電熱分析装置。