熱分析装置
【課題】炉体と冷媒槽との間の熱抵抗を調節することができる熱分析装置を提供する。
【解決手段】炉体２、ヒータ４、冷媒槽６及び移動機構８が設けられている。炉体２にはヒータ４が取り付けられている。冷媒槽６は移動機構８によって炉体２に対して相対的に移動できるように設けられている。炉体２を冷却する際は冷媒槽６を炉体２に接触又は近接させて炉体２と冷媒槽６の間の移動熱量を大きくし、炉体２を加熱する際は冷媒槽６を炉体２から離してその間に空気層を介在させ、炉体２と冷媒槽６の間の移動熱量を小さくする。
【解決手段】炉体２、ヒータ４、冷媒槽６及び移動機構８が設けられている。炉体２にはヒータ４が取り付けられている。冷媒槽６は移動機構８によって炉体２に対して相対的に移動できるように設けられている。炉体２を冷却する際は冷媒槽６を炉体２に接触又は近接させて炉体２と冷媒槽６の間の移動熱量を大きくし、炉体２を加熱する際は冷媒槽６を炉体２から離してその間に空気層を介在させ、炉体２と冷媒槽６の間の移動熱量を小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば示唆走査熱量計（以下、ＤＳＣと記す。）などの熱分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばＤＳＣなどの熱分析装置は、炉体にヒータが取り付けられるとともに炉体を冷却するための冷却装置が設けられ、炉体に保持された試料及び基準物質を昇降温させてそのときの試料の変化（例えばエンタルピー変化など）を測定するものである。このような熱分析装置では、測定時に−１５０℃〜７００℃程度までの広い範囲で炉体を昇高温できることが要求されるため、冷却装置として液体窒素を冷媒槽に供給する形式のものを用いることが一般的である（例えば特許文献１、特許文献２を参照。）。
【特許文献１】特開平９−２２９８８４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７４００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
液体窒素を冷媒槽に供給する形式の冷却装置を用いた場合、冷媒槽と炉体、ヒータの位置関係は冷却又は加熱の効率や応答速度に大きな影響を与えるため、それらの位置関係が問題となる。ＤＳＣのような熱分析装置での測定は、加熱−冷却−加熱・・といったサイクルで炉体を昇降温させる。その場合、冷媒槽を炉体に接触又は近接させていると、炉体の昇温時に液体窒素が邪魔になり、一定以上の昇温速度を得ることができない。
【０００４】
上記の問題を避けるために、冷媒槽を炉体及びヒータから離して配置し、空気層を介して又は伝熱板などの媒体を介して炉体との間で熱交換を行なうようになっていることが一般的である。しかし、そうすると、炉体と冷媒槽の間の熱交換は常に空気層又は伝熱板を介して行なわれるため、炉体の冷却時の冷却速度が遅く、応答性が悪いという問題があった。
【０００５】
以上の問題に鑑みれば、炉体と冷媒槽との間での熱の移動量を必要に応じて調節できることが好ましい。
そこで本発明は、炉体と冷媒槽との間の熱抵抗を調節することができる熱分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱分析装置は、ヒータを内蔵し、中央上面が試料を保持するための試料保持面となっている熱伝導性の炉体と、冷媒槽及び冷媒槽に液体窒素を供給する冷媒供給部からなる冷却装置と、冷媒槽と炉体とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、炉体は冷媒槽との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部をもち、冷媒槽は炉体側熱交換部と接触又は近接して炉体との熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部をもち、移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているものである。
【０００７】
移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているので、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間に介在させる空気層の厚さを調節することができ、両熱交換部間の熱抵抗の調節が可能になる。
【０００８】
炉体には熱電対などの測温素子が取り付けられている。そのような炉体を上下方向に移動させると測温素子による測定にノイズが入る虞がある。そのため、炉体は固定されており、移動機構は冷媒槽を上下方向に移動させるように構成されていることが好ましい。 上記の場合、冷媒槽は、移動機構が駆動されていない状態では冷媒槽側熱交換部が炉体側熱交換部に接触又は近接した状態で保持されており、移動機構が駆動されたときに上方に持ち上げられるようになっているものが挙げられる。
【０００９】
移動機構の一例として、所定電圧が印加されたときに変位する点をもつピエゾアクチュエータ、及びピエゾアクチュエータの変位点の変位を利用して冷媒槽を持ち上げる変位伝達部からなるものが挙げられる。
【００１０】
ピエゾアクチュエータを用いた移動機構の具体例として、ピエゾアクチュエータは駆動時に変位点が下方に変位するように配置されており、変位伝達部はピエゾアクチュエータの変位点の下方への変位を冷媒槽を上方に持ち上げる変位に増幅するように構成されたテコ機構からなるものを挙げることができる。一般的にピエゾアクチュエータの変位点の変位量は小さい。変位量を増幅するテコ機構を用いれば、冷媒槽と炉体との間に十分な厚さの空気層を介在させるために必要な冷媒槽の変位量を確保することができる。
【００１１】
上記の場合、ピエゾアクチュエータの変位点からテコ機構の支点までの長さが調節可能であることが好ましい。そうすれば、ピエゾアクチュエータの変位点の変位から冷媒槽を上方に持ち上げる変位への増幅率を可変にすることができ、炉体と冷媒槽の間に介在させる空気層の厚さの調節幅を広げることができる。
【００１２】
また、移動機構の他の例として、下端部が固定された状態で冷媒槽の下方に挿入され、加熱されることによって膨張して上端部が上方に変位する樹脂製の支持部材、及び支持部材を加熱するために支持部材に取り付けられた支持部材用ヒータからなり、支持部材の上端部の変位により冷媒槽が上方に持ち上げられるように構成されているものが挙げられる。
【００１３】
以上のような熱分析装置においては、冷媒槽の下方に弾性体が圧縮状態で挿入されていることが好ましい。そうすれば、冷媒槽を上方に持ち上げる際に弾性体の弾性力も利用することができるため、移動機構にかかる負荷を軽減することができる。
【００１４】
また、本発明の熱分析装置は、試料の測定における炉体の温度プログラムを保持したプログラム保持部と、炉体に取り付けられて炉体の温度を測定する測温素子と、プログラム保持部で保持された温度プログラムと測温素子による測定温度に基づいて、ヒータ、冷却装置及び移動機構の駆動を制御する制御部と、をさらに備えていてもよく、その場合の制御部は、温度プログラムが炉体を冷却する工程にあるときは冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを接触又は近接させ、温度プログラムが炉体を加熱する工程にあるときは冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させるように移動機構を制御するものであることが好ましい。
ここで、冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを「近接させる」とは、冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部との間の距離を数μｍ以下にすることを意味する。冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部との間の距離を数μｍ以下にすることで、両熱交換部間の熱抵抗を冷却工程時に炉体を効率よく冷却するために十分に小さいものとすることができる。
【００１５】
温度プログラムが炉体を冷却する工程にあるときに冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを接触又は近接させることで、冷却工程時の炉体の冷却効率を高めることができる。また、温度プログラムが炉体を加熱する工程にあるときも冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させることで、炉体と冷媒槽とが接触又は近接している場合に比べてヒータによる炉体の加熱効率を高めることができる。
【００１６】
ところで、冷媒槽内では、冷却工程から加熱工程に移行する際に冷媒槽内で液体窒素の沸騰が起こり、液体窒素が蒸発するときに温度変動を生じる。このようなときに炉体と冷媒槽とを接触又は近接させていると炉体が冷媒槽内の温度変化の影響を受けてしまい、炉体温度のＤＳＣ信号のベースラインが安定しない。ＤＳＣによる分析において重要なことはＤＳＣ信号のベースラインが安定していることである。
【００１７】
そこで、制御部は、炉体を冷却する工程中に測温素子による測定温度が冷却目標温度付近となったときも冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させるように移動機構を制御するものであることが好ましい。そうすれば、炉体が受ける冷媒槽内の液体窒素が沸騰して蒸発する際の温度変動の影響を小さくしてＤＳＣ信号のベースラインを安定させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱分析装置は、移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているので、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間に介在させる空気層の厚さを調節して、両熱交換部間の熱抵抗を調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の熱分析装置の一例を概略的に示すブロック図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【００２０】
熱分析装置１の主要な構成として、炉体２、ヒータ４、冷媒槽６及び移動機構８が設けられている。炉体２は測定対象である試料と基準物質を保持してそれらを昇降温させるものである。炉体２にはヒータ４が取り付けられている。冷媒槽６は冷媒である液体窒素を収容して炉体を冷却するものであり、移動機構８によって炉体２に対して相対的に移動できるように設けられている。ここでの図示は省略されているが、炉体２を冷却する際に冷媒槽６に液体窒素を供給する冷媒供給部が設けられており、冷媒供給部と冷媒槽６とで冷却装置を構成している。
【００２１】
炉体２と冷媒槽６の間の間隔と両者間の熱移動には以下の関係がある。
移動熱量Ｑ（Ｗ）は熱通過率（熱抵抗）Ｋ（Ｗ／ｍ2Ｋ）、熱移動間の温度差Ｔ（Ｋ）、面積Ｓ（ｍ2）を用いて以下の式（１）で表わすことができる。
Ｑ＝Ｋ×Ｔ×Ｓ （１）
重ね合わされた２枚の板（板１、板２とする）の熱通過率Ｋ（Ｗ／ｍ2Ｋ）は、板１の厚さをｄ1（ｍ）、板２の厚さｄ2（ｍ）、板１の熱伝導率Ｌ1（Ｗ／ｍＫ）、板２の熱伝導率Ｌ2（Ｗ／ｍＫ）を用いて以下の式（２）で表わすことができる。
Ｋ＝１／（ｄ1／Ｌ1＋ｄ2／Ｌ2） （２）
【００２２】
表１は、炉体２の表面から冷媒槽６内の液体窒素までの熱通過率を空気層を板１と見なして上記式（２）を用いて計算したものである。なお、熱伝導率は実際には温度依存性があるが、ここでは冷媒槽６の材質としてのステンレスの熱伝導率を１６Ｗ／ｍＫ、空気の熱伝導率を０．０２Ｗ／ｍＫと固定して計算を行なった。
【表１】
【００２３】
表１からわかるように、炉体２と冷媒槽６の間に空気層を５０μｍ介在させるだけで、炉体２と冷媒槽６を接触させた（空気層の厚さ＝０（ｍｍ））場合に比べて熱通過率Ｋが約１／４０になる。式（１）に示されているように、熱移動量Ｑ（Ｗ）は熱通過率Ｋに比例することから、炉体２と冷媒槽６の間に空気層を５０μｍ介在させるだけで、両者間の熱移動量が１／４０になる。
【００２４】
以上のことから、炉体２を冷却する際は、図１（Ａ）に示されているように、冷媒槽６を炉体２に接触又は近接させることで炉体２の冷却効率を向上させることができ、急速冷却も可能になる。一方、炉体２を加熱する際は、（Ｂ）に示されるように、炉体２から冷媒槽６を離間させて炉体２と冷媒槽６の間にある程度の厚さ（例えば数百μｍ）の空気層を介在させることで、液体窒素による昇温の妨害を防ぎながら効率よく炉体２の温度を上昇させることができる。また、冷媒槽６内の液体窒素が沸騰状態のときに炉体２と冷媒槽６の間に空気層を介在させることで、炉体２への液体窒素の沸騰による急激な温度変動の影響を小さくすることができ、ＤＳＣ信号のベースラインを安定させることができる。
【００２５】
図２は図１に示した熱分析装置をより具体的に示す断面図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【００２６】
炉体２は中央上面に試料容器３ａ，３ｂを載置するための円形の試料保持面２ａもつ。試料容器３ａ，３ｂのいずれか一方には試料が収容され、他方に基準物質が収容される。試料保持面２ａの下方に試料保持面２ａを中心としてその周囲方向に均一に伸びたフランジ２ｂが設けられ、フランジ２ｂの上面は冷媒槽６との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部となっている。フランジ２ｂよりも下部の炉体２の周面にヒータ４が巻かれている。なお、この図２において炉体２は宙に浮いた状態で示されているが、実際にはベース１０に固定されている。
【００２７】
フランジ２ｂの上方の炉体２の周囲は冷却ユニット５で囲われている。冷却ユニット５は冷媒槽６とその周囲を覆う断熱材１６で構成されている。冷媒槽６の下面の内側領域はフランジ２ｂの上面に対向して炉体２との間で熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部となっている。
【００２８】
ベース１０は円筒形状の支持ガイド部１２を備えている。支持ガイド部１２の内側に支持ガイド部１２の内径よりも少しだけ小さい外形をもつ円筒形状の内筒１４が摺動可能に挿入されている。内筒１４は冷却ユニット５に固定具２２によって固定されている。これにより、冷却ユニット５は内筒１４とともに支持ガイド１２の内側面に沿って上下方向に移動させることができる。
【００２９】
炉体２の試料保持面２ａの上方に試料保持面２ａを含む空間を覆う断熱性の内蓋１８が設けられており、さらにその上方に冷却ユニット５に着脱可能に取り付けられた外蓋２０が設けられている。内蓋１８は外蓋２０に固定されており、外蓋２０が取り外されると同時に内蓋１８も取り外されるようになっている。
【００３０】
図２（Ａ）は通常状態である。この状態では、内筒１２の下端部がベース１０に接して支持され、フランジ２ｂと冷媒槽６とが接触又は近接している。これにより、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量が大きくなっている。炉体２を冷却するときにこの状態にすることで、炉体２の冷却効率を向上させることができる。
【００３１】
一方、図２（Ｂ）は図示されていない移動機構によって冷却ユニット５が上方に持ち上げられた状態である。この状態では、冷却ユニット５が上方に持ち上げられることによって冷媒槽６が炉体２のフランジ２ｂから離間しており、冷媒槽６と炉体２の間にある程度の厚さの空気層が形成されている。これにより、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量が（Ａ）の状態に比べて極端に小さくなっている。炉体２を昇温させるときにこの状態にすることで、液体窒素による炉体２の昇温の妨害を防ぐことができる。また、炉体２の冷媒槽６内の液体窒素が沸騰しているときにこの状態にすれば、炉体２が受ける液体窒素の沸騰による温度変動の影響を小さくすることができ、ＤＳＣ信号のベースラインの安定化を図ることができる。
【００３２】
冷却ユニット５を上下方向に移動させるための移動機構の一例を図３に示す。図３は移動機構を説明するための熱分析装置の図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
ピエゾアクチュエータ２４を備えた移動機構が設けられている。ピエゾアクチュエータ２４は、下端がベース１０に固定された支持部材２６に固定され、下向きに吊り下げられている。ピエゾアクチュエータ２４は下端部２４ａが変位点となっており、電圧が印加されたときにその下端部２４ａが下方に変位するものである。ピエゾアクチュエータ２４上端の支持部材２６への固定部分には、ピエゾアクチュエータ２４の高さを調節するための高さ調節ネジ２４ｂが設けられている。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａの下方への変位を冷却ユニット５を上方へ持ち上げる変位に増幅するように、梁２８がピン３０によって支持部材２６に回転可能に支持されたテコ機構が構成されている。梁２８が水平になっている状態のときに梁２８の一端側に非駆動状態のピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａが上方から接し、梁２８の他端側で冷却ユニット５の中央の均等な２点３２を支持するように梁２８の長さ、ピン３０の高さ及びピエゾアクチュエータ２４の高さがそれぞれ調節されている。
【００３４】
テコの原理で言えば、梁２８を支持するピン３０は支点、梁２８のピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａが接している点が力点、梁２８が冷却ユニット５を支持している点３２が作用点となる。この実施例では、変位点２４ａ及び作用点３２として、梁２８のピン３０を中心とした回転に対応できるように鋼球が用いられている。
【００３５】
この構成によれば、ピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加すると梁２８の一端が力点である鋼球２４ａによって下方に押し下げられ、それによって梁２８が支点であるピン３０を中心に回転して作用点である鋼球３２を上方に押し上げる。それにより冷却ユニット５は持ち上げられ、冷媒槽６とフランジ２ｂとの間に空気層が形成される。
【００３６】
このように、ピエゾアクチュエータ２４の変位をテコ機構を介して増幅して冷却ユニット５に伝達することで、ピエゾアクチュエータの欠点である変位量の少なさを増幅によって改善することができる。また、この構造によってピエゾアクチュエータ２４をヒータ４や冷媒槽６から離れた場所に配置することができるので、ピエゾアクチュエータ２４をＤＳＣの熱影響（−１５０℃〜７００℃）下から分離することができるという利点もある。ピエゾアクチュエータ２４の変位量については、ピエゾアクチュエータ２４を構成するピエゾ素子の積層数を多くすることで変位量を多くすることは可能であるが、そうするとスペースやコストが増大してしまうという問題がある。
【００３７】
そこで、ピエゾアクチュエータ２４を梁２８の長さ方向に移動可能にして、力点２４ａと支点３０の間の距離を調節できるようにする方法もある。そうすれば、テコ機構のスパン比を調節することができ、変位量の増幅率を調節することができる。例えば、ピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａの変位量が３０μｍであった場合には、力点２４ａと支点３０の間の距離を５ｍｍ、支点３０と作用点３２の間の距離を１００ｍｍにすることでスパン比が１：２０となり、作用点３２において６００μｍもの変位量を得ることができる。上述の熱通過率の例（表１）から、空気層の厚さが０．６ｍｍもあれば炉体２‐冷媒槽６間の熱通過率を十分に激減させることができる。
【００３８】
一方で、スパン比を１：２０にした場合には、ピエゾアクチュエータ２４に冷却ユニット５の重さの２０倍の負荷が加わることになる。例えば冷却ユニット５の重さが２ｋｇｆであった場合にはピエゾアクチュエータ２４には４０ｋｇｆの負荷が加わる。ピエゾアクチュエータの発生力はピエゾ素子の面積によって変化するが、一般的には１００ｋｇｆ程度の発生力があるため上記の条件にも十分に耐えることはできるが、負荷の増大によってピエゾアクチュエータ２４の変位量は減少してしまう。
【００３９】
そこで、図４に示されているように、冷却槽５の下方に圧縮状態のコイルバネ（弾性体）３４を挿入して冷却槽５をコイルバネ３４によっても支持することも可能である。図４の例では、冷却槽５とベース１０の間にコイルバネ３４が２本挿入されている。コイルバネ３４の発生力を例えば０．５ｋｇｆとすれば、２ｋｇｆの冷却ユニット５の重さを１ｋｇｆと見なすことができ、ピエゾアクチュエータ２４に加わる負荷を軽減することができる。
【００４０】
上記の移動機構の駆動方法の一例を図２及び図３を参照しながら説明する。
（１）まず、高さ調節ネジ２４ｂで冷媒槽６の下面がフランジ２ｂの上面に接触するようにピエゾアクチュエータ２４の高さを調節する。
【００４１】
（２）炉体２を冷却する冷却工程時（急速冷却）は、ピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加せずに冷媒槽６の下面をフランジ２ｂの上面に接触させた状態に、又はフランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間に微小（例えば数μｍ）の厚さの空気層が形成されるようにピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加した状態にして、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量を大きくする。
【００４２】
（３）炉体２の温度が目標冷却温度付近（例えば目標冷却温度＋５℃）になったときは、フランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間にある程度（例えば数百μｍ程度）の空気層が形成されるように、ピエゾアクチュエータ２４に一定電圧を印加して炉体２−冷媒槽６間の移動熱量を抑え、炉体２が液体窒素の沸騰・蒸発による温度変動の影響を受けにくくしてＤＳＣ信号のベースラインを安定させながら炉体２の温度を目標冷却温度に導く。
【００４３】
（４）炉体２を昇温させる昇温工程時も、フランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間にある程度（例えば数百μｍ程度）の空気層を形成した状態でヒータ４による加熱を行なって液体窒素による昇温の妨げを防止し、緩やかに液体窒素を蒸発させてＤＳＣ信号のベースラインの変動を抑える。
【００４４】
上記（２）〜（４）の操作は分析者が手作業で行なってもよいが、予め設定された分析プログラムに応じてヒータ４や冷却装置を駆動しながら炉体２の昇降温を制御する制御部が移動機構の駆動も制御するように構成して自動化してもよい。
【００４５】
なお、上記の実施例では移動機構として直動機構型のピエゾアクチュエータ２４を示したが、同様の直動機構型アクチュエータとしてソレノイドや空気圧シリンダ、油圧シリンダなどを利用したものを用いることもできる。
【００４６】
次に、冷却ユニット５を持ち上げる移動機構の他の例を図５に示す。図５は移動機構の他の例を説明するための熱分析装置の断面図である。なお、同図において図２の熱分析装置と同じ機能をもつ構成部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
冷却ユニット５の下方で支持ガイド１２の外周を囲うようにして樹脂製の円筒部材３６が設けられている。支持ガイド１２にはボルトとナットからなる円筒支持部材４０が取り付けられており、円筒部材３６の下端部は円筒支持部材４０によって支持されている。円筒部材３６の上端部は冷却ユニット５の下部に接して冷却ユニット５を支持している。円筒支持部材４０はボルトとナットを緩めて支持ガイド１２上での高さ調節を行なうことができるようになっている。
【００４８】
円筒部材３６の周囲にはヒータ３８が巻かれている。ヒータ３８は例えばシリコンラバーヒータである。
円筒部材３６の材質である樹脂として、不燃で耐熱性（約２６０℃）のあるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いることができる。
【００４９】
この例の移動機構は、ヒータ３８により円筒部材３６を加熱したときの円筒部材３６の熱膨張を利用して冷却ユニット５を持ち上げるものである。円筒支持部材４０の高さは、円筒部材３６が加熱されていないときに冷媒槽６の下面が炉体２のフランジ２ｂに接触した状態となるように調節されている。
【００５０】
ヒータ３８を駆動して円筒部材３６を所定温度に加熱すると、円筒部材３６が膨張してその上端部が上方に変位し、冷却ユニット５が上方に持ち上げられ、炉体２と冷媒槽６との間に空気層が形成される。炉体２と冷媒槽６との間に形成される空気層の厚さは円筒部材３６の加熱温度によって制御することができる。例えば、円筒部材３６又はヒータ３８に測温素子を取り付けておき、その測温素子での測定温度が所定の温度になるようにヒータ３８の駆動を制御する。逆に、炉体２と冷媒槽６との間の空気層の厚さを小さくするときは、円筒部材３６を自然冷却によって収縮させるか、又はファンなどの冷却機構を用いて円筒部材３６を強制的な冷却により収縮させる。
【００５１】
ここで、円筒部材３６の、（ａ）熱膨張による伸び量、（ｂ）熱膨張による発生力、（ｃ）熱容量について検討する。この検討において、円筒部材３６の材質をＰＴＦＥとし、寸法は外形７８ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ４０ｍｍとした。
【００５２】
（ａ）熱膨張による伸び量
円筒部材３６を室温＋１００℃に加熱したときの伸び量は、ＰＴＦＥの線膨張係数を０．０００１とすると、
０．０００１×４０×１００＝０．４ｍｍ
となる。表１に示したように、炉体２と冷媒槽６との間に０．４ｍｍの厚さの空気層が形成されれば、炉体２‐冷媒槽６間の熱通過率は炉体２と冷媒槽６とが接触している場合に比べて激減するので、十分な伸び量ということができる。
【００５３】
（ｂ）熱膨張による発生力
同様に円筒部材３６を室温＋１００℃に加熱したときの発生力は、ＰＴＦＥの圧縮弾性率を４２００ｋｇ／ｃｍとすると、
４２００×０．０００１×７（円筒部材３６の断面積（ｃｍ2））＝２９０ｋｇ
となる。この数字は円筒部材３６の両端が完全に拘束されている場合の発生力を示しているが、重さ数ｋｇの冷却ユニット５を持ち上げるには十分な発生力といえる。
【００５４】
ただし、冷媒槽５の重さが数ｋｇであっても円筒部材３６が繰り返し熱膨張−収縮を行なうことによって円筒部材３６が円周方向に変形することも考えられるので、円筒部材３６に加わる荷重をできるだけ小さくすることが好ましい。そこで、図６に示されているように、冷却ユニット５の下方に圧縮状態のコイルバネ（弾性体）４２を挿入して、円筒部材３６に加わる負荷を軽減することが考えられる。
【００５５】
（ｃ）熱容量
円筒部材３６の温度を１００℃上昇させるのに必要な熱量を以下の数値に基づいて計算すると、
体積 ０．００００２８ｍ2
比重 ２１００ｋｇ／ｍ3
比熱 １２００Ｊ／ｋｇ・Ｋ
必要な熱量：０．００００２８×２１００×１２００×１００＝７０５６（Ｊ）
上記結果から、円筒部材３６の温度を１分で１００℃上昇させるには１２０Ｗ以上のヒータを用いる必要がある。
【００５６】
なお、この例での移動機構の応答性は、上記の（ａ）熱膨張による伸び量、（ｂ）熱膨張による発生力、（ｃ）熱容量の３要素の設計のバランスによって調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の熱分析装置の一例を概略的に示す、（Ａ）冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）冷媒槽と炉体とを離間させた状態、でのブロック図である。
【図２】熱分析装置の構造をより具体的に示す断面図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【図３】移動機構を説明するための熱分析装置の図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【図４】同実施例の冷却ユニットの下方に圧縮状態の弾性体を挿入した例を示す熱分析装置の正面図である。
【図５】移動機構の他の例を説明するための熱分析装置の断面図である。
【図６】同実施例の冷却ユニットの下方に圧縮状態の弾性体を挿入した例を示す熱分析装置の正面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 熱分析装置
２ 炉体
２ａ 試料載置面
２ｂ フランジ
３ａ，３ｂ 試料容器
４，３８ ヒータ
５ 冷却ユニット
６ 冷媒槽
８ 移動機構
１０ ベース
１２ 支持ガイド
１４ 内筒
１６ 断熱部材
１８ 内蓋
２０ 外蓋
２２ 固定具
２４ ピエゾアクチュエータ
２４ａ ピエゾアクチュエータ変位点（力点）
２６ 支持部材
２８ 梁
３０ ピン（支点）
３２ 作用点
３４，４２ コイルバネ
３６ 円筒部材
４０ 円筒支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば示唆走査熱量計（以下、ＤＳＣと記す。）などの熱分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばＤＳＣなどの熱分析装置は、炉体にヒータが取り付けられるとともに炉体を冷却するための冷却装置が設けられ、炉体に保持された試料及び基準物質を昇降温させてそのときの試料の変化（例えばエンタルピー変化など）を測定するものである。このような熱分析装置では、測定時に−１５０℃〜７００℃程度までの広い範囲で炉体を昇高温できることが要求されるため、冷却装置として液体窒素を冷媒槽に供給する形式のものを用いることが一般的である（例えば特許文献１、特許文献２を参照。）。
【特許文献１】特開平９−２２９８８４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７４００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
液体窒素を冷媒槽に供給する形式の冷却装置を用いた場合、冷媒槽と炉体、ヒータの位置関係は冷却又は加熱の効率や応答速度に大きな影響を与えるため、それらの位置関係が問題となる。ＤＳＣのような熱分析装置での測定は、加熱−冷却−加熱・・といったサイクルで炉体を昇降温させる。その場合、冷媒槽を炉体に接触又は近接させていると、炉体の昇温時に液体窒素が邪魔になり、一定以上の昇温速度を得ることができない。
【０００４】
上記の問題を避けるために、冷媒槽を炉体及びヒータから離して配置し、空気層を介して又は伝熱板などの媒体を介して炉体との間で熱交換を行なうようになっていることが一般的である。しかし、そうすると、炉体と冷媒槽の間の熱交換は常に空気層又は伝熱板を介して行なわれるため、炉体の冷却時の冷却速度が遅く、応答性が悪いという問題があった。
【０００５】
以上の問題に鑑みれば、炉体と冷媒槽との間での熱の移動量を必要に応じて調節できることが好ましい。
そこで本発明は、炉体と冷媒槽との間の熱抵抗を調節することができる熱分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱分析装置は、ヒータを内蔵し、中央上面が試料を保持するための試料保持面となっている熱伝導性の炉体と、冷媒槽及び冷媒槽に液体窒素を供給する冷媒供給部からなる冷却装置と、冷媒槽と炉体とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、炉体は冷媒槽との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部をもち、冷媒槽は炉体側熱交換部と接触又は近接して炉体との熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部をもち、移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているものである。
【０００７】
移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているので、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間に介在させる空気層の厚さを調節することができ、両熱交換部間の熱抵抗の調節が可能になる。
【０００８】
炉体には熱電対などの測温素子が取り付けられている。そのような炉体を上下方向に移動させると測温素子による測定にノイズが入る虞がある。そのため、炉体は固定されており、移動機構は冷媒槽を上下方向に移動させるように構成されていることが好ましい。 上記の場合、冷媒槽は、移動機構が駆動されていない状態では冷媒槽側熱交換部が炉体側熱交換部に接触又は近接した状態で保持されており、移動機構が駆動されたときに上方に持ち上げられるようになっているものが挙げられる。
【０００９】
移動機構の一例として、所定電圧が印加されたときに変位する点をもつピエゾアクチュエータ、及びピエゾアクチュエータの変位点の変位を利用して冷媒槽を持ち上げる変位伝達部からなるものが挙げられる。
【００１０】
ピエゾアクチュエータを用いた移動機構の具体例として、ピエゾアクチュエータは駆動時に変位点が下方に変位するように配置されており、変位伝達部はピエゾアクチュエータの変位点の下方への変位を冷媒槽を上方に持ち上げる変位に増幅するように構成されたテコ機構からなるものを挙げることができる。一般的にピエゾアクチュエータの変位点の変位量は小さい。変位量を増幅するテコ機構を用いれば、冷媒槽と炉体との間に十分な厚さの空気層を介在させるために必要な冷媒槽の変位量を確保することができる。
【００１１】
上記の場合、ピエゾアクチュエータの変位点からテコ機構の支点までの長さが調節可能であることが好ましい。そうすれば、ピエゾアクチュエータの変位点の変位から冷媒槽を上方に持ち上げる変位への増幅率を可変にすることができ、炉体と冷媒槽の間に介在させる空気層の厚さの調節幅を広げることができる。
【００１２】
また、移動機構の他の例として、下端部が固定された状態で冷媒槽の下方に挿入され、加熱されることによって膨張して上端部が上方に変位する樹脂製の支持部材、及び支持部材を加熱するために支持部材に取り付けられた支持部材用ヒータからなり、支持部材の上端部の変位により冷媒槽が上方に持ち上げられるように構成されているものが挙げられる。
【００１３】
以上のような熱分析装置においては、冷媒槽の下方に弾性体が圧縮状態で挿入されていることが好ましい。そうすれば、冷媒槽を上方に持ち上げる際に弾性体の弾性力も利用することができるため、移動機構にかかる負荷を軽減することができる。
【００１４】
また、本発明の熱分析装置は、試料の測定における炉体の温度プログラムを保持したプログラム保持部と、炉体に取り付けられて炉体の温度を測定する測温素子と、プログラム保持部で保持された温度プログラムと測温素子による測定温度に基づいて、ヒータ、冷却装置及び移動機構の駆動を制御する制御部と、をさらに備えていてもよく、その場合の制御部は、温度プログラムが炉体を冷却する工程にあるときは冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを接触又は近接させ、温度プログラムが炉体を加熱する工程にあるときは冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させるように移動機構を制御するものであることが好ましい。
ここで、冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを「近接させる」とは、冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部との間の距離を数μｍ以下にすることを意味する。冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部との間の距離を数μｍ以下にすることで、両熱交換部間の熱抵抗を冷却工程時に炉体を効率よく冷却するために十分に小さいものとすることができる。
【００１５】
温度プログラムが炉体を冷却する工程にあるときに冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを接触又は近接させることで、冷却工程時の炉体の冷却効率を高めることができる。また、温度プログラムが炉体を加熱する工程にあるときも冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させることで、炉体と冷媒槽とが接触又は近接している場合に比べてヒータによる炉体の加熱効率を高めることができる。
【００１６】
ところで、冷媒槽内では、冷却工程から加熱工程に移行する際に冷媒槽内で液体窒素の沸騰が起こり、液体窒素が蒸発するときに温度変動を生じる。このようなときに炉体と冷媒槽とを接触又は近接させていると炉体が冷媒槽内の温度変化の影響を受けてしまい、炉体温度のＤＳＣ信号のベースラインが安定しない。ＤＳＣによる分析において重要なことはＤＳＣ信号のベースラインが安定していることである。
【００１７】
そこで、制御部は、炉体を冷却する工程中に測温素子による測定温度が冷却目標温度付近となったときも冷媒槽側熱交換部と炉体側熱交換部とを離間させるように移動機構を制御するものであることが好ましい。そうすれば、炉体が受ける冷媒槽内の液体窒素が沸騰して蒸発する際の温度変動の影響を小さくしてＤＳＣ信号のベースラインを安定させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱分析装置は、移動機構による冷媒槽と炉体との相対的な移動により、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されているので、炉体側熱交換部と冷媒槽側熱交換部との間に介在させる空気層の厚さを調節して、両熱交換部間の熱抵抗を調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の熱分析装置の一例を概略的に示すブロック図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【００２０】
熱分析装置１の主要な構成として、炉体２、ヒータ４、冷媒槽６及び移動機構８が設けられている。炉体２は測定対象である試料と基準物質を保持してそれらを昇降温させるものである。炉体２にはヒータ４が取り付けられている。冷媒槽６は冷媒である液体窒素を収容して炉体を冷却するものであり、移動機構８によって炉体２に対して相対的に移動できるように設けられている。ここでの図示は省略されているが、炉体２を冷却する際に冷媒槽６に液体窒素を供給する冷媒供給部が設けられており、冷媒供給部と冷媒槽６とで冷却装置を構成している。
【００２１】
炉体２と冷媒槽６の間の間隔と両者間の熱移動には以下の関係がある。
移動熱量Ｑ（Ｗ）は熱通過率（熱抵抗）Ｋ（Ｗ／ｍ2Ｋ）、熱移動間の温度差Ｔ（Ｋ）、面積Ｓ（ｍ2）を用いて以下の式（１）で表わすことができる。
Ｑ＝Ｋ×Ｔ×Ｓ （１）
重ね合わされた２枚の板（板１、板２とする）の熱通過率Ｋ（Ｗ／ｍ2Ｋ）は、板１の厚さをｄ1（ｍ）、板２の厚さｄ2（ｍ）、板１の熱伝導率Ｌ1（Ｗ／ｍＫ）、板２の熱伝導率Ｌ2（Ｗ／ｍＫ）を用いて以下の式（２）で表わすことができる。
Ｋ＝１／（ｄ1／Ｌ1＋ｄ2／Ｌ2） （２）
【００２２】
表１は、炉体２の表面から冷媒槽６内の液体窒素までの熱通過率を空気層を板１と見なして上記式（２）を用いて計算したものである。なお、熱伝導率は実際には温度依存性があるが、ここでは冷媒槽６の材質としてのステンレスの熱伝導率を１６Ｗ／ｍＫ、空気の熱伝導率を０．０２Ｗ／ｍＫと固定して計算を行なった。
【表１】
【００２３】
表１からわかるように、炉体２と冷媒槽６の間に空気層を５０μｍ介在させるだけで、炉体２と冷媒槽６を接触させた（空気層の厚さ＝０（ｍｍ））場合に比べて熱通過率Ｋが約１／４０になる。式（１）に示されているように、熱移動量Ｑ（Ｗ）は熱通過率Ｋに比例することから、炉体２と冷媒槽６の間に空気層を５０μｍ介在させるだけで、両者間の熱移動量が１／４０になる。
【００２４】
以上のことから、炉体２を冷却する際は、図１（Ａ）に示されているように、冷媒槽６を炉体２に接触又は近接させることで炉体２の冷却効率を向上させることができ、急速冷却も可能になる。一方、炉体２を加熱する際は、（Ｂ）に示されるように、炉体２から冷媒槽６を離間させて炉体２と冷媒槽６の間にある程度の厚さ（例えば数百μｍ）の空気層を介在させることで、液体窒素による昇温の妨害を防ぎながら効率よく炉体２の温度を上昇させることができる。また、冷媒槽６内の液体窒素が沸騰状態のときに炉体２と冷媒槽６の間に空気層を介在させることで、炉体２への液体窒素の沸騰による急激な温度変動の影響を小さくすることができ、ＤＳＣ信号のベースラインを安定させることができる。
【００２５】
図２は図１に示した熱分析装置をより具体的に示す断面図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【００２６】
炉体２は中央上面に試料容器３ａ，３ｂを載置するための円形の試料保持面２ａもつ。試料容器３ａ，３ｂのいずれか一方には試料が収容され、他方に基準物質が収容される。試料保持面２ａの下方に試料保持面２ａを中心としてその周囲方向に均一に伸びたフランジ２ｂが設けられ、フランジ２ｂの上面は冷媒槽６との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部となっている。フランジ２ｂよりも下部の炉体２の周面にヒータ４が巻かれている。なお、この図２において炉体２は宙に浮いた状態で示されているが、実際にはベース１０に固定されている。
【００２７】
フランジ２ｂの上方の炉体２の周囲は冷却ユニット５で囲われている。冷却ユニット５は冷媒槽６とその周囲を覆う断熱材１６で構成されている。冷媒槽６の下面の内側領域はフランジ２ｂの上面に対向して炉体２との間で熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部となっている。
【００２８】
ベース１０は円筒形状の支持ガイド部１２を備えている。支持ガイド部１２の内側に支持ガイド部１２の内径よりも少しだけ小さい外形をもつ円筒形状の内筒１４が摺動可能に挿入されている。内筒１４は冷却ユニット５に固定具２２によって固定されている。これにより、冷却ユニット５は内筒１４とともに支持ガイド１２の内側面に沿って上下方向に移動させることができる。
【００２９】
炉体２の試料保持面２ａの上方に試料保持面２ａを含む空間を覆う断熱性の内蓋１８が設けられており、さらにその上方に冷却ユニット５に着脱可能に取り付けられた外蓋２０が設けられている。内蓋１８は外蓋２０に固定されており、外蓋２０が取り外されると同時に内蓋１８も取り外されるようになっている。
【００３０】
図２（Ａ）は通常状態である。この状態では、内筒１２の下端部がベース１０に接して支持され、フランジ２ｂと冷媒槽６とが接触又は近接している。これにより、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量が大きくなっている。炉体２を冷却するときにこの状態にすることで、炉体２の冷却効率を向上させることができる。
【００３１】
一方、図２（Ｂ）は図示されていない移動機構によって冷却ユニット５が上方に持ち上げられた状態である。この状態では、冷却ユニット５が上方に持ち上げられることによって冷媒槽６が炉体２のフランジ２ｂから離間しており、冷媒槽６と炉体２の間にある程度の厚さの空気層が形成されている。これにより、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量が（Ａ）の状態に比べて極端に小さくなっている。炉体２を昇温させるときにこの状態にすることで、液体窒素による炉体２の昇温の妨害を防ぐことができる。また、炉体２の冷媒槽６内の液体窒素が沸騰しているときにこの状態にすれば、炉体２が受ける液体窒素の沸騰による温度変動の影響を小さくすることができ、ＤＳＣ信号のベースラインの安定化を図ることができる。
【００３２】
冷却ユニット５を上下方向に移動させるための移動機構の一例を図３に示す。図３は移動機構を説明するための熱分析装置の図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
ピエゾアクチュエータ２４を備えた移動機構が設けられている。ピエゾアクチュエータ２４は、下端がベース１０に固定された支持部材２６に固定され、下向きに吊り下げられている。ピエゾアクチュエータ２４は下端部２４ａが変位点となっており、電圧が印加されたときにその下端部２４ａが下方に変位するものである。ピエゾアクチュエータ２４上端の支持部材２６への固定部分には、ピエゾアクチュエータ２４の高さを調節するための高さ調節ネジ２４ｂが設けられている。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａの下方への変位を冷却ユニット５を上方へ持ち上げる変位に増幅するように、梁２８がピン３０によって支持部材２６に回転可能に支持されたテコ機構が構成されている。梁２８が水平になっている状態のときに梁２８の一端側に非駆動状態のピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａが上方から接し、梁２８の他端側で冷却ユニット５の中央の均等な２点３２を支持するように梁２８の長さ、ピン３０の高さ及びピエゾアクチュエータ２４の高さがそれぞれ調節されている。
【００３４】
テコの原理で言えば、梁２８を支持するピン３０は支点、梁２８のピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａが接している点が力点、梁２８が冷却ユニット５を支持している点３２が作用点となる。この実施例では、変位点２４ａ及び作用点３２として、梁２８のピン３０を中心とした回転に対応できるように鋼球が用いられている。
【００３５】
この構成によれば、ピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加すると梁２８の一端が力点である鋼球２４ａによって下方に押し下げられ、それによって梁２８が支点であるピン３０を中心に回転して作用点である鋼球３２を上方に押し上げる。それにより冷却ユニット５は持ち上げられ、冷媒槽６とフランジ２ｂとの間に空気層が形成される。
【００３６】
このように、ピエゾアクチュエータ２４の変位をテコ機構を介して増幅して冷却ユニット５に伝達することで、ピエゾアクチュエータの欠点である変位量の少なさを増幅によって改善することができる。また、この構造によってピエゾアクチュエータ２４をヒータ４や冷媒槽６から離れた場所に配置することができるので、ピエゾアクチュエータ２４をＤＳＣの熱影響（−１５０℃〜７００℃）下から分離することができるという利点もある。ピエゾアクチュエータ２４の変位量については、ピエゾアクチュエータ２４を構成するピエゾ素子の積層数を多くすることで変位量を多くすることは可能であるが、そうするとスペースやコストが増大してしまうという問題がある。
【００３７】
そこで、ピエゾアクチュエータ２４を梁２８の長さ方向に移動可能にして、力点２４ａと支点３０の間の距離を調節できるようにする方法もある。そうすれば、テコ機構のスパン比を調節することができ、変位量の増幅率を調節することができる。例えば、ピエゾアクチュエータ２４の変位点２４ａの変位量が３０μｍであった場合には、力点２４ａと支点３０の間の距離を５ｍｍ、支点３０と作用点３２の間の距離を１００ｍｍにすることでスパン比が１：２０となり、作用点３２において６００μｍもの変位量を得ることができる。上述の熱通過率の例（表１）から、空気層の厚さが０．６ｍｍもあれば炉体２‐冷媒槽６間の熱通過率を十分に激減させることができる。
【００３８】
一方で、スパン比を１：２０にした場合には、ピエゾアクチュエータ２４に冷却ユニット５の重さの２０倍の負荷が加わることになる。例えば冷却ユニット５の重さが２ｋｇｆであった場合にはピエゾアクチュエータ２４には４０ｋｇｆの負荷が加わる。ピエゾアクチュエータの発生力はピエゾ素子の面積によって変化するが、一般的には１００ｋｇｆ程度の発生力があるため上記の条件にも十分に耐えることはできるが、負荷の増大によってピエゾアクチュエータ２４の変位量は減少してしまう。
【００３９】
そこで、図４に示されているように、冷却槽５の下方に圧縮状態のコイルバネ（弾性体）３４を挿入して冷却槽５をコイルバネ３４によっても支持することも可能である。図４の例では、冷却槽５とベース１０の間にコイルバネ３４が２本挿入されている。コイルバネ３４の発生力を例えば０．５ｋｇｆとすれば、２ｋｇｆの冷却ユニット５の重さを１ｋｇｆと見なすことができ、ピエゾアクチュエータ２４に加わる負荷を軽減することができる。
【００４０】
上記の移動機構の駆動方法の一例を図２及び図３を参照しながら説明する。
（１）まず、高さ調節ネジ２４ｂで冷媒槽６の下面がフランジ２ｂの上面に接触するようにピエゾアクチュエータ２４の高さを調節する。
【００４１】
（２）炉体２を冷却する冷却工程時（急速冷却）は、ピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加せずに冷媒槽６の下面をフランジ２ｂの上面に接触させた状態に、又はフランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間に微小（例えば数μｍ）の厚さの空気層が形成されるようにピエゾアクチュエータ２４に電圧を印加した状態にして、炉体２−冷媒槽６間の移動熱量を大きくする。
【００４２】
（３）炉体２の温度が目標冷却温度付近（例えば目標冷却温度＋５℃）になったときは、フランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間にある程度（例えば数百μｍ程度）の空気層が形成されるように、ピエゾアクチュエータ２４に一定電圧を印加して炉体２−冷媒槽６間の移動熱量を抑え、炉体２が液体窒素の沸騰・蒸発による温度変動の影響を受けにくくしてＤＳＣ信号のベースラインを安定させながら炉体２の温度を目標冷却温度に導く。
【００４３】
（４）炉体２を昇温させる昇温工程時も、フランジ２ｂの上面と冷媒槽６の下面との間にある程度（例えば数百μｍ程度）の空気層を形成した状態でヒータ４による加熱を行なって液体窒素による昇温の妨げを防止し、緩やかに液体窒素を蒸発させてＤＳＣ信号のベースラインの変動を抑える。
【００４４】
上記（２）〜（４）の操作は分析者が手作業で行なってもよいが、予め設定された分析プログラムに応じてヒータ４や冷却装置を駆動しながら炉体２の昇降温を制御する制御部が移動機構の駆動も制御するように構成して自動化してもよい。
【００４５】
なお、上記の実施例では移動機構として直動機構型のピエゾアクチュエータ２４を示したが、同様の直動機構型アクチュエータとしてソレノイドや空気圧シリンダ、油圧シリンダなどを利用したものを用いることもできる。
【００４６】
次に、冷却ユニット５を持ち上げる移動機構の他の例を図５に示す。図５は移動機構の他の例を説明するための熱分析装置の断面図である。なお、同図において図２の熱分析装置と同じ機能をもつ構成部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
冷却ユニット５の下方で支持ガイド１２の外周を囲うようにして樹脂製の円筒部材３６が設けられている。支持ガイド１２にはボルトとナットからなる円筒支持部材４０が取り付けられており、円筒部材３６の下端部は円筒支持部材４０によって支持されている。円筒部材３６の上端部は冷却ユニット５の下部に接して冷却ユニット５を支持している。円筒支持部材４０はボルトとナットを緩めて支持ガイド１２上での高さ調節を行なうことができるようになっている。
【００４８】
円筒部材３６の周囲にはヒータ３８が巻かれている。ヒータ３８は例えばシリコンラバーヒータである。
円筒部材３６の材質である樹脂として、不燃で耐熱性（約２６０℃）のあるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いることができる。
【００４９】
この例の移動機構は、ヒータ３８により円筒部材３６を加熱したときの円筒部材３６の熱膨張を利用して冷却ユニット５を持ち上げるものである。円筒支持部材４０の高さは、円筒部材３６が加熱されていないときに冷媒槽６の下面が炉体２のフランジ２ｂに接触した状態となるように調節されている。
【００５０】
ヒータ３８を駆動して円筒部材３６を所定温度に加熱すると、円筒部材３６が膨張してその上端部が上方に変位し、冷却ユニット５が上方に持ち上げられ、炉体２と冷媒槽６との間に空気層が形成される。炉体２と冷媒槽６との間に形成される空気層の厚さは円筒部材３６の加熱温度によって制御することができる。例えば、円筒部材３６又はヒータ３８に測温素子を取り付けておき、その測温素子での測定温度が所定の温度になるようにヒータ３８の駆動を制御する。逆に、炉体２と冷媒槽６との間の空気層の厚さを小さくするときは、円筒部材３６を自然冷却によって収縮させるか、又はファンなどの冷却機構を用いて円筒部材３６を強制的な冷却により収縮させる。
【００５１】
ここで、円筒部材３６の、（ａ）熱膨張による伸び量、（ｂ）熱膨張による発生力、（ｃ）熱容量について検討する。この検討において、円筒部材３６の材質をＰＴＦＥとし、寸法は外形７８ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ４０ｍｍとした。
【００５２】
（ａ）熱膨張による伸び量
円筒部材３６を室温＋１００℃に加熱したときの伸び量は、ＰＴＦＥの線膨張係数を０．０００１とすると、
０．０００１×４０×１００＝０．４ｍｍ
となる。表１に示したように、炉体２と冷媒槽６との間に０．４ｍｍの厚さの空気層が形成されれば、炉体２‐冷媒槽６間の熱通過率は炉体２と冷媒槽６とが接触している場合に比べて激減するので、十分な伸び量ということができる。
【００５３】
（ｂ）熱膨張による発生力
同様に円筒部材３６を室温＋１００℃に加熱したときの発生力は、ＰＴＦＥの圧縮弾性率を４２００ｋｇ／ｃｍとすると、
４２００×０．０００１×７（円筒部材３６の断面積（ｃｍ2））＝２９０ｋｇ
となる。この数字は円筒部材３６の両端が完全に拘束されている場合の発生力を示しているが、重さ数ｋｇの冷却ユニット５を持ち上げるには十分な発生力といえる。
【００５４】
ただし、冷媒槽５の重さが数ｋｇであっても円筒部材３６が繰り返し熱膨張−収縮を行なうことによって円筒部材３６が円周方向に変形することも考えられるので、円筒部材３６に加わる荷重をできるだけ小さくすることが好ましい。そこで、図６に示されているように、冷却ユニット５の下方に圧縮状態のコイルバネ（弾性体）４２を挿入して、円筒部材３６に加わる負荷を軽減することが考えられる。
【００５５】
（ｃ）熱容量
円筒部材３６の温度を１００℃上昇させるのに必要な熱量を以下の数値に基づいて計算すると、
体積 ０．００００２８ｍ2
比重 ２１００ｋｇ／ｍ3
比熱 １２００Ｊ／ｋｇ・Ｋ
必要な熱量：０．００００２８×２１００×１２００×１００＝７０５６（Ｊ）
上記結果から、円筒部材３６の温度を１分で１００℃上昇させるには１２０Ｗ以上のヒータを用いる必要がある。
【００５６】
なお、この例での移動機構の応答性は、上記の（ａ）熱膨張による伸び量、（ｂ）熱膨張による発生力、（ｃ）熱容量の３要素の設計のバランスによって調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の熱分析装置の一例を概略的に示す、（Ａ）冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）冷媒槽と炉体とを離間させた状態、でのブロック図である。
【図２】熱分析装置の構造をより具体的に示す断面図であり、（Ａ）は冷媒槽と炉体とを接触又は近接させた状態、（Ｂ）は冷媒槽と炉体とを離間させた状態、を示している。
【図３】移動機構を説明するための熱分析装置の図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【図４】同実施例の冷却ユニットの下方に圧縮状態の弾性体を挿入した例を示す熱分析装置の正面図である。
【図５】移動機構の他の例を説明するための熱分析装置の断面図である。
【図６】同実施例の冷却ユニットの下方に圧縮状態の弾性体を挿入した例を示す熱分析装置の正面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 熱分析装置
２ 炉体
２ａ 試料載置面
２ｂ フランジ
３ａ，３ｂ 試料容器
４，３８ ヒータ
５ 冷却ユニット
６ 冷媒槽
８ 移動機構
１０ ベース
１２ 支持ガイド
１４ 内筒
１６ 断熱部材
１８ 内蓋
２０ 外蓋
２２ 固定具
２４ ピエゾアクチュエータ
２４ａ ピエゾアクチュエータ変位点（力点）
２６ 支持部材
２８ 梁
３０ ピン（支点）
３２ 作用点
３４，４２ コイルバネ
３６ 円筒部材
４０ 円筒支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータを内蔵し、中央上面が試料を保持するための試料保持面となっている熱伝導性の炉体と、
冷媒槽及び前記冷媒槽に液体窒素を供給する冷媒供給部からなる冷却装置と、
前記冷媒槽と前記炉体とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、
前記炉体は前記冷媒槽との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部をもち、前記冷媒槽は前記炉体側熱交換部と接触又は近接して前記炉体との熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部をもち、
前記移動機構による前記冷媒槽と前記炉体との相対的な移動により、前記炉体側熱交換部と前記冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されている熱分析装置。
【請求項２】
前記炉体は固定されており、
前記移動機構は前記冷媒槽を上下方向に移動させるものである請求項１に記載の熱分析装置。
【請求項３】
前記冷媒槽は、前記移動機構が駆動されていない状態では前記冷媒槽側熱交換部が前記炉体側熱交換部に接触又は近接した状態で保持されており、前記移動機構が駆動されたときに上方に持ち上げられる請求項２に記載の熱分析装置。
【請求項４】
前記移動機構は、所定電圧が印加されたときに変位する点をもつピエゾアクチュエータ、及び前記ピエゾアクチュエータの変位点の変位を利用して前記冷媒槽を持ち上げる変位伝達部からなる請求項２又は３に記載の熱分析装置。
【請求項５】
前記ピエゾアクチュエータは、駆動時に前記変位点が下方に変位するように配置されており、
前記変位伝達部は、前記ピエゾアクチュエータの前記変位点の下方への変位を前記冷媒槽を上方に持ち上げる変位に増幅するように構成されたテコ機構からなるものである請求項４に記載の熱分析装置。
【請求項６】
前記ピエゾアクチュエータの前記変位点から前記テコ機構の支点までの長さが調節可能である請求項５に記載の熱分析装置。
【請求項７】
前記移動機構は、下端部が固定された状態で前記冷媒槽の下方に挿入され、加熱されることによって膨張して上端部が上方に変位する樹脂製の支持部材、及び前記支持部材を加熱するために前記支持部材に取り付けられた支持部材用ヒータからなり、
前記支持部材の上端部の変位により前記冷媒槽が上方に持ち上げられるように構成されている請求項２又は３に記載の熱分析装置。
【請求項８】
前記冷媒槽の下方に弾性体が圧縮状態で挿入されている請求項３から７のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【請求項９】
試料の測定における炉体の温度プログラムを保持したプログラム保持部と、
前記炉体に取り付けられて前記炉体の温度を測定する測温素子と、
前記プログラム保持部で保持された温度プログラムと前記測温素子による測定温度に基づいて、前記ヒータ、冷却装置及び移動機構の駆動を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記温度プログラムが前記炉体を冷却する工程にあるときは前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを接触又は近接させ、前記温度プログラムが前記炉体を加熱する工程にあるときは前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを離間させるように前記移動機構を制御するものである請求項１から８のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記炉体を冷却する工程中に前記測温素子による測定温度が冷却目標温度付近となったときも前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを離間させるように前記移動機構を制御するものである請求項９のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【請求項１】
ヒータを内蔵し、中央上面が試料を保持するための試料保持面となっている熱伝導性の炉体と、
冷媒槽及び前記冷媒槽に液体窒素を供給する冷媒供給部からなる冷却装置と、
前記冷媒槽と前記炉体とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、
前記炉体は前記冷媒槽との間で熱交換を行なうための炉体側熱交換部をもち、前記冷媒槽は前記炉体側熱交換部と接触又は近接して前記炉体との熱交換を行なう冷媒槽側熱交換部をもち、
前記移動機構による前記冷媒槽と前記炉体との相対的な移動により、前記炉体側熱交換部と前記冷媒槽側熱交換部との間の距離が調節されるように構成されている熱分析装置。
【請求項２】
前記炉体は固定されており、
前記移動機構は前記冷媒槽を上下方向に移動させるものである請求項１に記載の熱分析装置。
【請求項３】
前記冷媒槽は、前記移動機構が駆動されていない状態では前記冷媒槽側熱交換部が前記炉体側熱交換部に接触又は近接した状態で保持されており、前記移動機構が駆動されたときに上方に持ち上げられる請求項２に記載の熱分析装置。
【請求項４】
前記移動機構は、所定電圧が印加されたときに変位する点をもつピエゾアクチュエータ、及び前記ピエゾアクチュエータの変位点の変位を利用して前記冷媒槽を持ち上げる変位伝達部からなる請求項２又は３に記載の熱分析装置。
【請求項５】
前記ピエゾアクチュエータは、駆動時に前記変位点が下方に変位するように配置されており、
前記変位伝達部は、前記ピエゾアクチュエータの前記変位点の下方への変位を前記冷媒槽を上方に持ち上げる変位に増幅するように構成されたテコ機構からなるものである請求項４に記載の熱分析装置。
【請求項６】
前記ピエゾアクチュエータの前記変位点から前記テコ機構の支点までの長さが調節可能である請求項５に記載の熱分析装置。
【請求項７】
前記移動機構は、下端部が固定された状態で前記冷媒槽の下方に挿入され、加熱されることによって膨張して上端部が上方に変位する樹脂製の支持部材、及び前記支持部材を加熱するために前記支持部材に取り付けられた支持部材用ヒータからなり、
前記支持部材の上端部の変位により前記冷媒槽が上方に持ち上げられるように構成されている請求項２又は３に記載の熱分析装置。
【請求項８】
前記冷媒槽の下方に弾性体が圧縮状態で挿入されている請求項３から７のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【請求項９】
試料の測定における炉体の温度プログラムを保持したプログラム保持部と、
前記炉体に取り付けられて前記炉体の温度を測定する測温素子と、
前記プログラム保持部で保持された温度プログラムと前記測温素子による測定温度に基づいて、前記ヒータ、冷却装置及び移動機構の駆動を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記温度プログラムが前記炉体を冷却する工程にあるときは前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを接触又は近接させ、前記温度プログラムが前記炉体を加熱する工程にあるときは前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを離間させるように前記移動機構を制御するものである請求項１から８のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記炉体を冷却する工程中に前記測温素子による測定温度が冷却目標温度付近となったときも前記冷媒槽側熱交換部と前記炉体側熱交換部とを離間させるように前記移動機構を制御するものである請求項９のいずれか一項に記載の熱分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１８０５０７（Ｐ２００９−１８０５０７Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０６９（Ｐ２００８−１７０６９）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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