JPH1054813A

JPH1054813A - 示差走査熱量測定装置

Info

Publication number: JPH1054813A
Application number: JP22581796A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishino; 孝二西野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】炉体温度に応じてヒータ５だけでなく冷媒ジ
ャケット６に流れるエチルアルコール１２の流量も調整
するので、炉体温度が高温域や昇温過程にあり冷却が不
要な場合等に、エチルアルコール１２の流量を減少させ
て、ドライアイス１１の無駄な消費をなくすことができ
る示差走査熱量測定装置を提供する。【解決手段】炉体温度検出器７が検出した炉体１の炉
体温度に応じて、温度制御回路２３が加熱量と冷媒流量
とを求める。ヒータ電力制御回路２２は、この加熱量に
応じてヒータ５に供給する電力を増減させて加熱能力を
調整する。また、ポンプ回転数制御回路２５は、この冷
媒流量に応じて冷媒ジャケット６に流れる低温のエチル
アルコール１２の流量を増減させて冷却能力を調整す
る。そして、これら加熱能力と冷却能力の調整により、
炉体１の炉体温度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、示差走査熱量測定
（ＤＳＣ）を行う示差走査熱量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】示差走査熱量測定装置は、炉体温度を変
化させながら、炉体内に収容され測定対象となる試料と
熱的に不活性な基準物質との温度差を測定することによ
り、単位時間当たりに試料に出入りする熱量を求めるも
のである。

【０００３】従来の示差走査熱量測定装置は、図３に示
すように、試料Ａと基準物質Ｂとを収容するための炉体
１を備えている。これらの試料Ａと基準物質Ｂは、それ
ぞれ試料容器２，２内に収納されて、炉体１の試料収容
部１ａ内のセンサユニット３上に載置される。

【０００４】この炉体１内には、試料収容部１ａの下方
にヒータ５と冷媒ジャケット６が埋め込まれている。ヒ
ータ５は、外部のヒータ電源回路２１からヒータ電力制
御回路２２を介して供給される電力によって発熱し炉体
１を加熱する発熱体である。また、この炉体１内には、
試料収容部１ａとヒータ５との間に、炉体温度を検出す
るための炉体温度検出器７が埋め込まれ、ここで検出さ
れた炉体温度が温度制御回路２３に送られるようになっ
ている。温度制御回路２３は、所定の温度プログラムに
基づいて、この炉体温度に応じたヒータ５の加熱量を求
める回路であり、ここで求めた加熱量はヒータ電力制御
回路２２に送られる。ヒータ電力制御回路２２は、この
加熱量に応じてヒータ電源回路２１からヒータ５に供給
される電力を制御する電力制御回路である。従って、こ
の炉体１は、温度制御回路２３からの加熱量に応じてヒ
ータ５の加熱能力が調整されるので、炉体温度が所定の
温度プログラムに追従するように制御され、試料Ａと基
準物質Ｂの周囲の雰囲気温度を任意に昇降させたり一定
に保つことができる。

【０００５】センサユニット３は、載置した試料容器
２，２内の試料Ａと基準物質Ｂの温度をそれぞれ検出す
るためのセンサを備えた載置台であり、ここで検出され
た試料Ａと基準物質Ｂの温度はＤＳＣ信号検出回路２６
に送られる。ＤＳＣ信号検出回路２６は、これら試料Ａ
と基準物質Ｂの温度差に基づいて、単位時間当たりに試
料Ａに出入りする熱量を示すＤＳＣ信号を求めるもので
あり、このＤＳＣ信号は、試料温度信号とともにデータ
記録処理装置２７に送られる。従って、示差走査熱量測
定装置は、炉体１の炉体温度を所定の温度プログラムに
従って順次制御しながら、ＤＳＣ信号検出回路２６で試
料ＡのＤＳＣ信号を求め試料温度信号とともにデータ記
録処理装置２７で適宜処理するようになっている。

【０００６】ここで、冷媒ジャケット６は、外部の図示
しない冷媒供給装置から供給される液化窒素や低温の窒
素ガス等の冷媒を流通させることにより炉体１を冷却す
る冷媒の流路であり、温度制御回路２３がヒータ５への
供給電力を停止させた際の自然放熱以上の速度で炉体温
度を急速に下降させたり、この炉体温度を室温よりも低
い温度まで低下させるために、従来から多くの示差走査
熱量測定装置に設けられている。ただし、炉体温度を急
速冷却したり室温以下の温度に低下させる際にのみこの
冷媒ジャケット６に冷媒を流通させるように切り替えを
行うと、冷媒の流通開始時や停止時に炉体１の放熱量が
急激に増減し温度条件が大きく変化するので、温度制御
回路２３が円滑な温度制御を行うことが困難となる。そ
こで、従来の示差走査熱量測定装置は、この冷媒ジャケ
ット６に常時一定の流量で冷媒を流通させて冷却能力を
一定に保ち、測定中に炉体１の温度条件が変化しないよ
うにしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の示差
走査熱量測定装置は、このように常に炉体１の冷却を行
わなければならないために、炉体温度が高温域や昇温過
程にあり本来冷却が不要となる場合にも、冷媒ジャケッ
ト６に冷媒を供給し続けなければならないので、この冷
媒を無駄に消費（冷媒を冷却するためのエネルギー消費
や冷却材の消費も含む）するという問題があった。

【０００８】また、特に炉体温度を高温域に設定した場
合に、炉体１内の加熱を続けるヒータ５と冷媒を流通し
続ける冷媒ジャケット６との間で大きな温度差が生じ、
この炉体１内の温度分布の不均一が温度制御回路２３に
よる温度制御やＤＳＣ信号検出回路２６が検出するＤＳ
Ｃ信号のベースラインに悪影響を与えるので、安定した
測定を行うことができなくなるという問題もあった。

【０００９】なお、上記冷媒ジャケット６を設ける代わ
りに、炉体１の一部を常時液化窒素等の冷媒中に直接浸
漬させて冷却を行う示差走査熱量測定装置も従来から存
在し、この場合にも同様に液化窒素等の冷媒の消費量が
無駄に多くなるという問題が生じる。

【００１０】また、この冷媒ジャケット６を設ける代わ
りに、外部から炉体１に例えば液化窒素を気化させた窒
素ガス等の低温ガスを吹き付けて冷却を行う示差走査熱
量測定装置も従来から存在する。そして、このような示
差走査熱量測定装置では、炉体１の温度制御の際にこの
低温ガスの風量を調整できるようにしたものもある。し
かし、炉体１に低温のガスを吹き付ける冷却方法では、
もともと炉体１との熱交換効率が悪いために窒素ガス等
を大量に使用しなければならないので、温度制御の際に
風量を減少させたとしても、全工程を通して見れば窒素
ガス等が多く消費されるということには変わりなく、冷
媒の消費をできるだけ節約するという観点からはほとん
ど意味のないものであった。

【００１１】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、炉体温度に基づいて加熱手段だけでなく、冷
却手段の冷媒流量をも制御して炉体の温度制御を行うこ
とにより、冷媒の無駄な消費をなくすことができる示差
走査熱量測定装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の示差走査
熱量測定装置は、炉体温度検出手段が検出した炉体温度
に応じて、温度制御手段が加熱手段の加熱量と冷却手段
の冷媒流量とを求める。そして、加熱制御手段は、この
加熱量に応じて加熱手段の加熱能力を調整し、冷媒流量
制御手段は、この冷媒流量に応じて冷却手段による冷媒
の流量を調整する。即ち、炉体の温度を上昇させる場合
には、加熱手段による加熱を促進させると共に、冷却手
段による冷媒の流量を減少させて冷却を抑制し、炉体の
温度を下降させる場合には、加熱手段による加熱を抑制
させると共に、冷却手段による冷媒の流量を増加させて
冷却を促進する。従って、この示差走査熱量測定装置
は、加熱手段だけで制御する場合よりも、炉体温度を迅
速かつ円滑に昇降させて温度制御を行うことができる。

【００１３】しかも、炉体の温度を上昇させる場合に
は、上記のように冷却手段による冷媒の流量を減少させ
るので、炉体温度が昇温過程にあるときに冷媒が無駄に
消費されないようにすることができる。また、炉体温度
が高温域にある場合には、自然放熱による冷却効果が大
きいので、加熱手段による加熱能力を調整するだけで容
易に温度制御が可能となり、この間は、炉体温度の多少
の昇降にかかわりなく、冷却手段による冷媒の流量を常
に減少させておくことができる。従って、この炉体温度
が高温域にある場合にも、冷媒の無駄な消費を減少させ
ることができる。

【００１４】さらに、加熱手段の加熱が促進される場合
には冷却手段の冷却が抑制され、逆に冷却手段の冷却が
促進される場合には加熱手段の加熱が抑制されるので、
炉体内に極端な温度差が生じるようなことがなくなり、
温度分布の不均一による温度制御やＤＳＣ信号のベース
ラインへの悪影響をなくすことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１６】図１及び図２は本発明の一実施形態を示す
ものであって、図１は示差走査熱量測定装置の構成を示
すブロック図、図２は示差走査熱量測定装置で記録した
ＤＳＣ曲線を示す図である。なお、図３に示した従来例
と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記す
る。

【００１７】本実施形態の示差走査熱量測定装置は、図
１に示すように、試料Ａと基準物質Ｂとを収容するため
の炉体１を備えている。試料Ａは、測定対象となる物質
であり、通常は薄片状に裁断されたり粉状に砕かれてセ
ラミックスや金属製の試料容器（セル又はｐａｎと称す
る）２内に収納される。基準物質Ｂは、アルミナ粉末等
の熱的に不活性な物質であり、試料Ａと同じ特性の試料
容器２内に収納される。なお、測定の際に基準物質Ｂを
用いない場合には、この基準物質Ｂを収納した試料容器
２に代えて、空の試料容器２を用いる。これらの試料Ａ
と基準物質Ｂを収納した試料容器２，２は、炉体１の試
料収容部１ａ内のセンサユニット３上に載置される。炉
体１は、炉内の温度分布を均一にするために、銀や銅等
の熱伝導性の良い金属を用いて製作された肉厚の容器状
であり、上部に凹状の試料収容部１ａが形成されてい
る。センサユニット３は、試料容器２，２を載置するた
めにこの試料収容部１ａ内に配置されたプレートと、こ
のプレートにおける各試料容器２の載置部の裏面に設け
られた熱電対等のセンサによって構成され、試料Ａと基
準物質Ｂの温度等を検出するものである。この炉体１に
おける試料収容部１ａの上方開口部は、試料容器２，２
をセンサユニット３上に載置した後に、炉体１と同様の
金属製の蓋４によって塞がれる。

【００１８】上記炉体１の内部には、試料収容部１ａの
下方にヒータ５と冷媒ジャケット６とが埋め込まれてい
る。ヒータ５は、ニッケルクロム合金（ニクロム）やカ
ンタル合金等からなる発熱体であり、外部のヒータ電源
回路２１からヒータ電力制御回路２２を介して電力が供
給されることによって発熱し炉体１を加熱するようにな
っている。なお、図示しないが、炉体と発熱体とは電気
的に絶縁されていることはいうまでもない。ヒータ電力
制御回路２２は、温度制御回路２３から送られてくる加
熱量の電気信号に応じてヒータ５に供給する電力を制御
する回路であり、この加熱量が増加するほど大きな電力
を供給してヒータ５の発熱量を増し加熱能力を増大させ
る。なお、このような電力制御は、例えばヒータ電源回
路２１が交流電力を供給する場合には位相制御等を用
い、直流電力を供給する場合にはＤＣチョッパ等を用い
ればよい。

【００１９】冷媒ジャケット６は、低温の冷媒を流通さ
せることにより炉体１を冷却する冷媒の流路であり、こ
こではドライアイス１１で冷却したエチルアルコール１
２を冷媒として用いる場合について説明する。この冷媒
ジャケット６には、外部の冷媒槽１３から供給されるエ
チルアルコール１２が注入されると共に、ここから排出
されるエチルアルコール１２が外部の冷媒循環ポンプ１
４を介して冷媒槽１３に戻されるようになっている。冷
媒槽１３は、エチルアルコール１２を溜めておく容器で
あり、ドライアイス１１が投入されている。ドライアイ
ス１１の昇華点の温度は−７８．５０°Ｃであるため、
この冷媒槽１３内のエチルアルコール１２は、冷媒ジャ
ケット６に供給され炉体を−５０〜−６０°Ｃ程度まで
冷却することができる。冷媒循環ポンプ１４は、モータ
の回転によって駆動されるポンプであり、冷媒槽１３で
冷却されたエチルアルコール１２を引き出して、冷媒ジ
ャケット６を通し再び冷媒槽１３に戻すようになってい
る。この冷媒循環ポンプ１４は、ポンプ電源回路２４か
らポンプ回転数制御回路２５を介してモータに電力が供
給されることによって駆動され、この際のモータの回転
数に応じた流量でエチルアルコール１２を循環させる。
ポンプ回転数制御回路２５は、温度制御回路２３から送
られてくる冷媒流量の電気信号に応じて、冷媒循環ポン
プ１４のモータの回転数を制御する回路であり、この冷
媒流量信号が増加するほど回転数を大きくして循環する
エチルアルコール１２の流量を増加させ冷却能力を増大
させる。なお、モータの回転数の制御は、モータの種類
に応じた適宜の制御方式を用いることができ、例えば交
流モータの周波数制御を行う場合には、ポンプ電源回路
２４から供給される電力をポンプ回転数制御回路２５が
冷媒流量に応じた周波数の交流電源に変換して冷媒循環
ポンプ１４のモータに供給する。

【００２０】なお、本実施形態では、準閉回路中でエチ
ルアルコール１２を循環させて使用するので、ドライア
イス１１は消費されるが、冷媒自身は繰り返し使用する
ことができるという利点を有する。しかし、本発明で用
いる冷媒は、低温の流体であれば必ずしもこれに限ら
ず、液化窒素等を用いて、開放型の流路とすることもで
きる。液化窒素の沸点温度は約−１９６°Ｃであるた
め、この場合には炉体１を−１５０°Ｃ程度まで冷却す
ることができる。

【００２１】上記炉体１の内部には、試料収容部１ａと
ヒータ５との間に、炉体温度を検出するための炉体温度
検出器７も埋め込まれている。炉体温度検出器７は、熱
電対や白金抵抗体などからなる温度センサであり、これ
によって試料Ａや基準物質Ｂの環境温度である炉体温度
を検出し、この炉体温度の電気信号を温度制御回路２３
に送るようになっている。温度制御回路２３は、この炉
体温度に基づいて、ＰＩＤ制御等により炉体１の炉体温
度を所定の温度プログラムに追従させるように制御する
回路であり、制御対象への操作量としてヒータ電力制御
回路２２に加熱量の電気信号を送ると共に、ポンプ回転
数制御回路２５に冷媒流量の電気信号を送るようになっ
ている。この温度制御回路２３は、炉体温度を上昇させ
る必要がある場合には、ヒータ電力制御回路２２に送る
加熱量信号を増加して加熱能力を増大させるだけでな
く、ポンプ回転数制御回路２５に送る冷媒流量信号を減
少して冷却能力を低下させる。また、炉体温度を下降さ
せる必要がある場合には、ヒータ電力制御回路２２に送
る加熱量信号を減少して加熱能力を低下させるだけでな
く、ポンプ回転数制御回路２５に送る冷媒流量信号を増
加して冷却能力を増大させる。従って、この温度制御回
路２３は、ヒータ５の加熱能力だけでなく、冷媒ジャケ
ット６を流れるエチルアルコール１２の流量による冷却
能力をも調整することにより炉体１の温度制御を行うの
で、炉体温度を迅速かつ円滑に昇降させることができる
ようになる。

【００２２】さらに、温度制御回路２３は、炉体温度が
高温域にある場合には、この炉体温度の多少の昇降にか
かわりなく、冷媒流量を常に減少させて、加熱量の増減
のみを調整することにより温度制御を行う。このような
高温域では、炉体１の自然放熱による冷却効果が大きの
で、加熱量を調整してヒータ５の加熱能力を変化させる
だけで容易に温度制御を行うことができる。しかも、こ
のような高温域では、冷媒ジャケット６にエチルアルコ
ール１２が大量に流通すると、炉体１から冷媒槽１３に
大量の熱エネルギ−が伝達されエチルアルコール１２を
冷却するためのドライアイス１１の消費量が増大するの
で、このエチルアルコール１２の流量を最低限に抑える
ことにより、ドライアイスが無駄に消費されるのを防止
することができる。

【００２３】なお、上記炉体１には、試料収容部１ａへ
のパージガスの供給・排出機構が設けられている。ま
た、この炉体１の周囲は気密・遮熱カバーで覆われ、冷
媒槽１３やエチルアルコール１２の流路も断熱材で覆わ
れている。ただし、図１ではこれらの図示を省略してい
る。

【００２４】上記センサユニット３のセンサで検出され
た試料容器２，２内の試料Ａと基準物質Ｂの温度は、そ
れぞれＤＳＣ信号検出回路２６に送られるようになって
いる。ＤＳＣ信号検出回路２６は、これら試料Ａと基準
物質Ｂの温度差に基づいて、単位時間当たりに試料Ａに
出入りする熱量を示すＤＳＣ信号を求めるものであり、
このＤＳＣ信号は試料温度信号とともにデータ記録処理
装置２７に送られる。データ記録処理装置２７は、レコ
ーダ等のデータ記録装置、又は、パーソナルコンピュー
タ等のデータ処理装置等からなり、送られて来た試料温
度信号及びＤＳＣ信号を時間の経過と共に随時用紙に記
録したりディスプレイに表示させ、また、必要に応じて
これらの信号をデータとして記憶装置に記憶させたり適
宜のデータ処理を行う。

【００２５】試料Ａの昇温過程と降温過程での炉体温度
とＤＳＣ信号の変化を上記データ記録処理装置２７で記
録した場合のＤＳＣ曲線の一例を図２に示す。炉体１の
炉体温度は、所定の温度プログラムに従って時刻ｔ₂ま
で一定速度で上昇し（昇温過程）、それ以降は一定速度
で下降する（降温過程）。そして、ＤＳＣ信号が示す熱
流量は、昇温過程の当初は試料Ａの状態変化がないので
一定値を保つ。この時のＤＳＣ曲線をベ−スラインと言
う。しかし、時刻ｔ₁に炉体温度がＴ_mに達すると、試
料Ａが融解を開始して吸熱変化が生じるので、熱流量が
相対的に下降し、融解終了後は過渡的に元の一定値に戻
る。この時、試料Ａは、熱流量が変化した面積分（図２
のハッチングＣ）の熱量を吸収したことになる。また、
時刻ｔ₂に炉体温度が降温過程に変化すると、その際の
状態変化によって熱流量が異なる値に変化するが、その
後はこの新たな一定値に保たれる。そして、時刻ｔ₃に
炉体温度がＴ_cまで低下すると、試料Ａが結晶化を開始
して発熱変化が生じるので、熱流量が相対的に上昇し、
結晶終了後は過渡的に元の一定値に戻る。この時、試料
Ａは、熱流量が変化した面積分（図２のハッチングＤ）
の熱量を発熱したことになる。なお、通常は過冷却のた
めＴ_m＞Ｔ_cとなる。

【００２６】以上説明したように、本実施形態の示差走
査熱量測定装置によれば、温度制御回路２３がヒータ電
力制御回路２２に加熱量信号を送り加熱能力を調整する
だけでなく、ポンプ回転数制御回路２５に冷媒流量信号
を送って冷却能力も調整するので、炉体１の炉体温度を
迅速かつ円滑に昇降させて、これにより適確で木目の細
かい温度制御を行うことができるようになる。また、炉
体温度が昇温過程や高温域にある場合には、ポンプ回転
数制御回路２５に送る冷媒流量信号を減少させるので、
エチルアルコール１２が無駄に流れてドライアイス１１
の消費量が増大するのを防止することができる。さら
に、ヒータ電力制御回路２２に送る加熱量信号とポンプ
回転数制御回路２５に送る冷媒流量信号とが同時に増加
することはないので、炉体１内に極端な温度差が生じる
ようなことがなくなり、温度分布の不均一により温度制
御回路２３での温度制御が不安定になったり、ＤＳＣ信
号検出回路２６が検出するＤＳＣ信号のベースラインが
変動するようなこともなくなる。

【００２７】なお、本実施形態では、炉体１の加熱手段
としてヒータ５を用いたが、加熱量に応じてこの炉体１
を加熱できるものであれば、他の任意のもの、例えばハ
ロゲンランプ等を用いることができる。また、炉体１等
の具体的構成も、上記実施形態に限定されるものではな
い。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の示差走査熱量測定装置によれば、加熱手段だけでなく
冷却手段も用いて炉体の温度制御を行うので、炉体温度
を迅速かつ円滑に昇降させて適確で木目の細かい調整を
行うことができる。

【００２９】また、炉体温度が高温域や昇温過程にある
場合等のように、冷却が不要な場合には、冷却手段によ
る冷媒の流量を減少できるので、この冷媒の無駄な消費
をなくすことができる。

【００３０】さらに、加熱手段の加熱と冷却手段の冷却
が同時に促進されて炉体内に極端な温度差が生じるよう
なことがなくなるので、温度分布の不均一による温度制
御やＤＳＣ信号のベースラインへの悪影響をなくし、安
定した測定を行うことができるようになる。また、低温
ガス吹付方式と異なり、直接低温液体が炉体を還流する
ので熱交換効率が高く、全体的な冷媒消費量は吹付方式
より少なくて済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、示差
走査熱量測定装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、示差
走査熱量測定装置で記録したＤＳＣ曲線を示す図であ
る。

【図３】従来例を示すものであって、示差走査熱量測定
装置の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１炉体５ヒータ６冷媒ジャケット７炉体温度検出器１１ドライアイス１２エチルアルコール１４冷媒循環ポンプ２２ヒータ電力制御回路２３温度制御回路２５ポンプ回転数制御回路Ａ試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料等を収容する炉体に、この炉体を加
熱する加熱手段と、この炉体の内部に低温の冷媒を流通
させることにより冷却を行う冷却手段とが設けられた示
差走査熱量測定装置において、炉体の温度を検出する炉体温度検出手段と、この炉体温度検出手段が検出した炉体温度に応じて、加
熱手段の加熱量と冷却手段の冷媒流量とを求める温度制
御手段と、この温度制御手段が求めた加熱量に応じて、加熱手段の
加熱能力を調整する加熱制御手段と、この温度制御手段が求めた冷媒流量に応じて、冷却手段
による冷媒の流量を調整する冷媒流量制御手段と、を備えたことを特徴とする示差走査熱量測定装置。