JPH04348263A - 低温熱分析装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料を低温領域から昇
・降温できるようにして試料の熱的特性を測定する低温
熱分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱分析装置としては、試料と標準試料と
を同時に昇・降温させてこれらの温度差を測定すること
により、試料の転位温度や転位熱等の熱的特性を求める
示差熱分析（ＤＴＡ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｔｈ
ｅｒｍａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　）装置、示差走査熱量
計（ＤＳＣ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ　Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ　）、あるいは、試料を
昇・降温させつつ試料に種々の機械的力を加えたときの
試料の特性変化を観察する熱機械分析装置（ＴＭＡ；Ｔ
ｈｅｒｍｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｚｅｒ
）、または、試料を昇・降温させたときの試料の重量変
化を観測する熱重量測定（ＴＧ；Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖ
ｉｍｅｔｒｙ）装置等が知られている。

【０００３】ところで、室温以下の温度領域で熱分析測
定を行うには、上記熱分析装置の試料を収容する熱分析
装置本体内に冷媒を導入して試料を冷却する装置が組み
込まれた低温熱分析装置が用いられる。

【０００４】従来の低温熱分析装置としては、熱分析装
置本体を液体窒素等の冷媒に直接浸して冷却したり、あ
るいは、液体窒素を収容した容器に熱分析装置本体を接
触させて間接的に冷却したり、あるいは、熱分析装置本
体に冷媒流通路を形成してこの冷媒流通路に液体窒素を
液状の状態で、あるいは、この液体窒素が気化して低温
窒素ガスとなったものを直接流通させることにより冷却
するようにした装置が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の低温熱分析装置は、いずれも冷媒として液体窒素のよ
うな低沸点の液体を直接用いたり、あるいは、この低沸
点の液体が気化して低温ガスとなったものを直接用いて
いたので、種々の困難な問題があった。

【０００６】例えば、試料を室温から極めて遅い速度で
マイナス領域の温度に降温する場合には、熱分析装置本
体をその速度に合わせてゆっくり冷却することが望まし
い。しかし、冷媒として用いることができるのは、測定
温度範囲の最低温度以下の温度を沸点とする液化ガス（
例えば沸点が−１９７℃の液体窒素）等に限られるから
、通常は室温より著しく低い温度を有するものである。 従来はこの低温冷媒を液状のままか気化するかは別とし
てこの低温冷媒を直接冷却用冷媒として用いていたので
、試料が過剰に冷却されがちであり、ゆっくり冷却する
ことは極めて困難であった。このため、従来は、過剰に
冷却しつつその過剰の分を加熱手段で加熱して補い、所
望の降温速度を維持するようにしていたが、これによる
と、多くの液体窒素を無駄に消費すると共に、熱分析装
置本体が熱的に著しく不安定な状態におかれるので、熱
的ノイズによって測定精度を確保することが困難になる
という問題があった。また、この熱的ノイズを除去する
ために試料を大きな均熱ブロックに収納したり、また、
この均熱ブロックをさらに断熱容器に収容し、この断熱
容器の外側を冷媒に接触させるようにして、試料と冷媒
との間に熱抵抗を持たせたものもあるが、これによると
、さらに冷媒消費料が増大するとともに、冷却可能な最
低温度が限定されるという新たな問題が生ずる。 このような問題はマイナスの温度領域から室温以上に昇
温する場合にも同様に生ずる。

【０００７】また、従来の装置は、冷却時に熱分析装置
本体の近傍に大量の低温冷媒を滞留させることになるの
で、熱分析装置本体に露が付着するおそれが高く、しか
もその防止が困難であるという問題もあった。

【０００８】本発明は、上述の背景のもとでなされたも
のであり、比較的簡単な構成により、冷却度合いが制御
でき、熱的ノイズを軽減できるとともに、冷媒の消費が
少なくかつ露を付着させるおそれ等の少ない低温熱分析
装置を提供することを目的としたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、（１）　　試料を収容する熱分析装置本
体内に上記試料を冷却する冷媒を導入し、上記試料を低
温領域から昇・降温できるようにして上記試料の熱的特
性を測定する低温熱分析装置において、冷媒用気体を供
給する気体供給源と、この気体供給源から供給された冷
媒用気体の流量を制御する流量制御装置と、この流量制
御装置で流量制御された冷媒用気体を冷却する冷却装置
とを備え、上記流量制御装置で流量制御されかつ冷却装
置で冷却された冷媒用気体を上記熱分析装置本体内に導
入するようにしたことを特徴とした構成とし、また、構
成１の態様として、低温熱分析装置。

【００１０】（２）構成１の低温熱分析装置において、
上記気体供給源が冷媒用気体を液化して容器に収容した
ものであり、この気体供給源と流量調整装置との間にこ
の気体供給源で蒸発した冷却用気体を加熱して常温にし
、上記流量調整装置に供給する加熱手段が設けられ、上
記流量調整装置を通過した冷媒用気体を冷却する冷却装
置を、上記液化した冷却用気体を収容した気体供給源で
兼ねるようにし、該気体供給源によって冷却された冷媒
用気体を上記熱分析装置本体内に導入するようにしたこ
とを特徴とする構成とし、また、構成１または２のいず
れかの態様として、（３）構成１または２のいずれかの
低温熱分析装置において、前記冷媒用気体として窒素ガ
スを用いたことを特徴とする構成とし、さらに、構成１
ないし３のいずれかの態様として、（４）構成１ないし
３のいずれかの低温熱分析装置において、上記熱分析装
置本体は、外ケースと、この外ケース内に収容された断
熱ケースと、この断熱ケース内に収納された試料昇・降
温部とを備えたものであり、上記試料昇・降温部は、均
熱ブロックと、この均熱ブロックを加熱する加熱手段と
を備えており、上記均熱ブロック内には、試料を配置し
てその熱的特性を観測する測定室が設けられていると共
に、上記熱分析装置本体には、上記断熱ケース内に冷媒
用気体を導入して該冷媒用気体により上記試料昇・降温
部を外側から冷却する冷媒用気体導入通路が設けられて
いることを特徴とした構成、または、（５）構成１ない
し３のいずれかの低温熱分析装置において、上記熱分析
装置本体は、外ケースと、この外ケース内に収容された
断熱ケースと、この断熱ケース内に収納された試料昇・
降温部とを備えたものであり、上記試料昇・降温部は、
均熱ブロックと、この均熱ブロックを加熱する加熱手段
とを備えており、上記均熱ブロック内には、試料を配置
してその熱的特性を観測する測定室と、気体を通過させ
る気体流通路とが設けられていると共に、上記熱分析装
置本体には、上記均熱ブロックの気体流通路に冷媒用気
体を導入して該冷媒用気体により上記試料昇・降温部を
内部から冷却する冷媒用気体導入通路が設けられている
ことを特徴とした構成とした。

【００１１】

【作用】上記構成１によれば、熱分析装置本体に、流量
制御装置によって流量制御された後に冷却手段によって
冷却された冷媒用気体を導入することにより、試料を低
温領域から昇・降温して試料の熱的特性を測定すること
ができる。この場合、上記流量制御を例えば試料の温度
や昇・降温速度に対応させて行うことにより、過剰な冷
却を行うことなく低温領域からの昇・降温が可能となる
。したがって、過剰に冷却されることによって熱分析装
置本体が熱的に不安定な状態になることがなく、ノイズ
が少なく精度の高い測定が可能となる。また、これによ
り、試料の周囲に設けられる均熱ブロック等を小型に形
成できるから温度制御も容易になると共に、冷媒の消費
を著しく軽減できる。しかも、熱分析装置本体には冷却
に必要な冷却用気体が供給されるだけであり、大量の低
温冷媒を滞留させておく必要がないから、露の付着等の
おそれを著しく軽減できる。

【００１２】また、構成２によれば、冷媒用気体を液化
して容器に収容したものを気体供給源とする同時に、こ
の気体供給源で蒸発した気体を加熱手段で常温にして流
量制御手段で流量制御した気体を冷却する冷却装置とも
している。すなわち、気体供給源と冷却装置とを兼ねた
ことから装置を単純な構成とすることができる。また、
蒸発した低温気体を加熱して常温にしているから精密な
流量制御を容易にできる。さらに、常温になった冷媒用
気体を液化した気体によって再度冷却するようにしたこ
とにより液化気体に熱が与えられて蒸発が促進されるか
ら、蒸発を促進させるための装置を別個に設ける必要が
ない。しかも、この装置によれば、冷媒用気体として液
化したときの液体温度が測定領域の温度に比較して著し
く低くてもよいから、ほとんどの測定に対して構成３の
ように液化ガスを容易に入手できる窒素ガスを採用する
ことが可能となる。すなわち、従来のように、測定温度
領域に近い沸点を有する冷媒を選定する等の繁雑な作業
がほとんど必要なくなる。

【００１３】構成４によれば、断熱ケース内に冷媒用気
体を導入する気体流通路を設けるだけであるあるから簡
単な構造で試料を冷却することが可能となる。

【００１４】また、構成５によれば、均熱ブロックを直
接冷却するから効率的な冷却ができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の一実施例にかかる低温熱分析
装置の全体構成を示す図、図２は熱分析装置本体の要部
断面図、図３は一実施例の変形例の要部断面図である。 以下、これら図面を参照しながら本発明の一実施例を詳
述する。

【００１６】図において、符号１は熱分析装置本体、符
号２は気体供給源を兼ねる冷却装置、符号３は加熱装置
、符号４は流量制御装置である。

【００１７】熱分析装置本体１は、アルミニウムもしく
はステンレス等の材料で略円筒状に形成された外ケース
１１内に断熱ケース１２が収納保持され、この断熱ケー
ス１２内に試料昇・降温部１３が収納保持されたもので
ある。また、外ケース１１の底部には底蓋１１ａが固着
され、上部開口部には蓋体１１ｂが着自在に装着できる
ようになっている。さらに、この外ケース１１の側部に
は気体排出口１１ｃが設けられている。

【００１８】断熱ケース１２は、セラミックウール等の
材料で有底円筒状に形成されたケース基部１２ａと、こ
のケース基部１２ａの上部開口部を塞ぐ着脱自在な蓋部
１２ｂとで構成されている。このケース基部１２ａは図
示しないが、適宜の保持部材で外ケース１１に固定され
ていると共に、蓋部１２ｂは外ケース１１の蓋体１１ｂ
に連結部材１２ｃによって固定され、外ケース１１の蓋
体１１ｂを着脱すると、同時に断熱ケース１２の蓋部１
２ｂも着脱されるようになっている。さらに、ケース基
部１２ａの側部には気体導入管１４の一端部が貫通固定
されている。この気体導入管１４は本発明の気体導入通
路を構成するもので、外ケース１１の側部を貫通して断
熱ケース１２内にその一端開口部が開放されており、冷
却装置２から供給される冷媒用気体を断熱ケース１２内
に導入し、該断熱ケース１２内に収納保持された試料昇
・降温部１３を外部から冷却するものである。なお、蓋
部１２ｂの上面部には気体放出口１２ｄが設けられてい
ると共に、連結部材１２ｃには蓋部１２ｂと所定の間隙
をおいて該蓋部１２ｂを囲むように形成された気体ガイ
ド板１２ｅが取り付けられており、気体放出口１２ｄか
ら放出された気体を下方の外ケースの気体排出口１１ｃ
に導くようになっている。

【００１９】図２は熱分析装置本体１の要部断面である
が、図２に示されるように、試料昇・降温部１３は、均
熱ブロック１３ａと、この均熱ブロック１３ａの側面外
周に巻かれた加熱手段としてのヒータ１３ｂと、このヒ
ータ１３ｂを覆うようにして固着された円筒状の放熱フ
ィン１３ｃとを備えている。

【００２０】均熱ブロック１３ａは、銀等の熱良導体で
構成され、その上部には測定室１３ｄが形成されている
。この測定室１３ｄ内には円板状の熱良導体で構成され
た感熱板１３ｅが保持されている。この感熱板１３ｅは
、該感熱板１３ｅの円の中心に対して左右に対称的な部
位が円形状に突出されて試料載置部及び標準試料載置部
とされ、それぞれの表面部に試料１３ｆ及び標準試料１
３ｇが載置されると共に裏面に各々熱電対１３ｈ及び１
３ｉの接点部がスポット溶接されている。これら熱電対
１３ｈ及び１３ｉによって試料１３ｆと標準試料１３ｇ
との温度差が検出され、その検出出力は図示されていな
いＤＴＡ回路に送出されてＤＴＡ分析が行われるように
なっている。なお、この測定室１３ｄの上部開口部には
蓋１３ｊが着脱自在に取り付けられ、また、この測定室
１３ｄ内には雰囲気ガス導入管１３ｋの一端が開口され
ており、測定室１３ｄ内を所定のガス雰囲気にできるよ
うになっている。さらに、均熱ブロック１３ａの下部に
は温度制御用の熱電対１３ｍが埋め込まれており、その
出力が図示されていないプログラム温度制御装置に接続
され、この出力によってヒータ１３ｂに流す電流が加減
されて試料昇・降温部１３の温度制御が行われるように
なっている。

【００２１】図３は熱分析装置本体１の変形例の要部断
面図であり、図３に示されるように、この変形例は、図
２に示される試料昇・降温部１３における放熱フィン１
３ｃを取り去り、そのかわに均熱ブロック１３ａに気体
流通路１３ｐを設け、この気体流通路１３ｐに冷媒用気
体導入管１４を直接接続し、該気体流通路１３ｐに冷却
用気体を流通させることにより均熱ブロック１３ａの内
部から試料昇・降温部１３を効率的に冷却するようにし
たもので、その外の構成は上記一実施例と同一である。

【００２２】さて、図１において、冷却装置２は、気密
構造に形成された圧力容器であり、内部に冷媒用気体た
る窒素ガスを液化した液体窒素２ａが収容される。この
冷却装置２内で蒸発気化した窒素ガスはパイプ５ａを通
じて加熱装置３に導かれ、該加熱装置３によって常温に
加熱された後、パイプ５ｂを通じてマスフローコントロ
ーラ４に導かれる。

【００２３】マスフローコントローラ４は本発明の流量
制御装置を構成するもので、パイプ５ｂで導かれた窒素
ガスを所定の指令信号に対応した質量流量に調整してパ
イプ５ｃに供給する。このマスフローコントローラ４は
制御回路４ａから送出される指令信号によって流量設定
がなされる。この制御回路４ａはマイクロプロセッサ等
を内蔵したものであり、図示しないが、試料昇・降温部
１３の温度制御を行うプログラム温度制御装置のプログ
ラム温度または制御用熱電対１３ｍの検出温度と連動し
て試料昇・降温部１３の冷却に必要な流量となるように
マスフローコントローラ４の流量を適切な流量に設定す
る。なお、この適切な流量は、昇・降温速度やプログラ
ム温度等の条件毎に実験によって求めて記憶させておい
てもよいし、また、冷却装置２で冷却された後の冷媒用
気体の温度を測定するようにし、この温度と、プログラ
ム温度制御装置の昇・降温速度やプログラム温度等の条
件を入力して各時点で昇・降温部１３から奪うべき熱量
をマイクロプロセッサで計算して求めるようにしてもよ
い。

【００２４】マスフローコントローラ４で流量制御され
た冷媒用気体はパイプ５ｃを通じて冷却装置２内の液体
窒素２ａに侵漬されたスパイラルパイプ５ｄに送られ、
冷却された後、パイプ５ｅによって熱分析装置本体１の
冷媒用気体導入管１４に送られ、しかる後に冷媒用気体
導入管１４を通じて断熱ケース１２内に供給されるよう
になっている。

【００２５】上述の一実施例によれば、試料昇・降温部
１３は、マスフローコントローラ３で流量制御された後
に冷却装置２により冷却された冷媒用気体によって冷却
されるから、試料を低温領域から昇・降温して試料の熱
的特性を測定することができる。この場合、上記マスフ
ローコントローラ３での流量制御は昇・降温速度やプロ
グラム温度に対応して適切な流量に制御されるから、過
剰な冷却を行うことなく低温領域からの昇・降温が可能
となる。したがって、過剰に冷却されることによって熱
分析装置本体が熱的に不安定な状態になることがなく、
ノイズが少なく精度の高い測定が可能となる。しかも、
熱分析装置本体１には冷却に必要な冷却用気体が供給さ
れるだけであり、大量の冷媒を無駄に消費することがな
いとともに、大量の低温冷媒を滞留させておく等の必要
がないから、露の付着のおそれ等も著しく軽減できる。 しかも、液体窒素は比較的容易に入手可能であり、廉価
でもあるから測定コストを著しく軽減できる。また、冷
媒用の気体供給源を冷却装置２で兼ねていることから装
置を単純な構成とすることができる。さらに、蒸発した
低温気体を加熱装置３で加熱して常温にしているから流
量制御が容易である。加えて、常温になった冷媒用気体
を液体窒素２ａによって再度冷却するようにしているか
ら、これによって液体窒素２ａに熱が与えられ、蒸発が
促進されるから特に蒸発を促進させるための装置を設け
る必要もない。

【００２６】なお、上述の一実施例では、冷媒用気体供
給源を冷却装置で兼ねるようにしたが、これは図１にお
けるパイプ５ａ，５ｂ及び加熱装置を取り去り、代わり
に乾燥窒素ボンベ６からの乾燥窒素ガスをマスフローコ
ントローラに供給するようにして、冷却装置２で蒸発さ
れた気体を用いることなく、冷却装置とは別個に設けら
れた気体供給源としての乾燥窒素ボンベ６から供給され
るガスを冷媒用気体として用いてもよい。この場合には
、冷却装置として冷媒用気体を液化したものを収容した
容器を用いる必要はなく、他の冷媒を収容した容器、あ
るいは、冷凍機等を用いてもよい。

【００２７】また、上記実施例では、本発明をＤＴＡ装
置に適用した例を掲げたが、本発明はＤＳＣ、ＴＭＡ、
ＴＧその他の熱分析装置にも適用できることは勿論であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明は、試料
を収容する熱分析装置本体内に上記試料を冷却する冷媒
を導入し、上記試料を低温領域から昇・降温できるよう
にして上記試料の熱的特性を測定する低温熱分析装置に
おいて、気体供給源から供給された冷媒用気体の流量を
流量制御装置で制御した後に冷却装置で冷却して熱分析
装置本体内に導入するようにしたことにより、比較的簡
単な構成により、冷却度合いを制御でき、熱的ノイズを
軽減できるとともに、冷媒の消費が少なくかつ露を付着
させるおそれ等の少ない低温熱分析装置を得ているもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる低温熱分析装置の全
体構成を示す図である。

【図２】熱分析装置本体の要部断面図である

【図３】一
実施例の変形例の要部断面図である。

【符号の説明】

１……熱分析装置本体、２…冷却装置、３…加熱装置、
４…流量制御装置を構成するマスフローコントローラ、
１１…外ケース、１２…断熱ケース、１３…試料昇・降
温部、１３ａ…均熱ブロック、１４…冷媒用基体流通路
を構成する気体導入管、１３ｐ…気体流通路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料を収容する熱分析装置本体内に上
   記試料を冷却する冷媒を導入し、上記試料を低温領域か
   ら昇・降温できるようにして上記試料の熱的特性を測定
   する低温熱分析装置において、冷媒用気体を供給する気
   体供給源と、この気体供給源から供給された冷媒用気体
   の流量を制御する流量制御装置と、この流量制御装置で
   流量制御された冷媒用気体を冷却する冷却装置とを備え
   、上記流量制御装置で流量制御されかつ冷却装置で冷却
   された冷媒用気体を上記熱分析装置本体内に導入するよ
   うにしたことを特徴とする低温熱分析装置。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の低温熱分析装置にお
   いて、上記気体供給源が冷媒用気体を液化して容器に収
   容したものであり、この気体供給源と流量調整装置との
   間にこの気体供給源で蒸発した冷却用気体を加熱して常
   温にし、上記流量調整装置に供給する加熱手段が設けら
   れ、上記流量調整装置を通過した冷媒用気体を冷却する
   冷却装置を、上記液化した冷却用気体を収容した気体供
   給源で兼ねるようにし、該気体供給源によって冷却され
   た冷媒用気体を上記熱分析装置本体内に導入するように
   したことを特徴とする低温熱分析装置。
3. 【請求項３】　　請求項１または２のいずれかに記載の
   低温熱分析装置において、前記冷媒用気体として窒素ガ
   スを用いたことを特徴とする低温熱分析装置。
4. 【請求項４】　　請求項１ないし３のいずれかに記載の
   低温熱分析装置において、上記熱分析装置本体は、外ケ
   ースと、この外ケース内に収容された断熱ケースと、こ
   の断熱ケース内に収納された試料昇・降温部とを備えた
   ものであり、上記試料昇・降温部は、均熱ブロックと、
   この均熱ブロックを加熱する加熱手段とを備えており、
   上記均熱ブロック内には、試料を配置してその熱的特性
   を観測する測定室が設けられていると共に、上記熱分析
   装置本体には、上記断熱ケース内に冷媒用気体を導入し
   て該冷媒用気体により上記試料昇・降温部を外側から冷
   却する冷媒用気体導入通路が設けられていることを特徴
   とした低温熱分析装置。
5. 【請求項５】　　請求項１ないし３のいずれかに記載の
   低温熱分析装置において、上記熱分析装置本体は、外ケ
   ースと、この外ケース内に収容された断熱ケースと、こ
   の断熱ケース内に収納された試料昇・降温部とを備えた
   ものであり、上記試料昇・降温部は、均熱ブロックと、
   この均熱ブロックを加熱する加熱手段とを備えており、
   上記均熱ブロック内には、試料を配置してその熱的特性
   を観測する測定室と、気体を通過させる気体流通路とが
   設けられていると共に、上記熱分析装置本体には、上記
   均熱ブロックの気体流通路に冷媒用気体を導入して該冷
   媒用気体により上記試料昇・降温部を内部から冷却する
   冷媒用気体導入通路が設けられていることを特徴とした
   低温熱分析装置。