(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを支持する手段と、サンプル手段を包囲している容器壁で形成されていてサンプルを加熱する加熱容器と、容器壁から間隔を置いて容器を包囲しているジャケットと、ジャケットと容器壁との間に取り付けられて、ジャケットとの間に入口プレナムを、容器壁との間に空間ギャップを形成する仕切り部材と、所定加熱期間にわたって容器を加熱する加熱手段と、加熱期間の終了後に加圧冷却ガスを入口プレナムへ送り込むガス手段と、冷却ガスを空間ギャップから排出する排出手段とを有する、内部に設けられた加熱容器を急速冷却する装置を備えたカロリーメータであって、前記仕切り部材全体に複数のオリフィスが分散配置されており、加圧冷却ガスがオリフィスから空間ギャップを横切って容器壁に衝突するように噴射されることによって、容器が冷却ガスによって急速冷却されるようになっていることを特徴とする、内部に設けられた加熱容器を急速冷却する構造を備えたカロリーメータ装置。
【請求項２】
排出手段が、容器壁の第１端部付近に配置された出口マニホルドを有しており、マニホルドが、空間ギャップから冷却ガスを受け取ることができ、且つ、冷却ガス用の出口ポートを備えていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
噴射ガスによって容器壁が均一に冷却されるように、オリフィスが、仕切り部材全体に変動密度パターンで分散配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項４】
オリフィスが、パターンの変動密度に反比例した率で変化するオリフィス寸法を備えていることを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項５】
加熱期間の終了時に、加熱手段が容器壁の平均温度を達成しているが、本来的に容器壁の局部領域で平均温度とは違った局部温度を生じており、パターンは、その局部領域の周囲全体には平均密度を、その局部領域には特定密度を備えており、特定密度は、平均温度より高い局部温度の場合に平均密度より高く、平均温度より低い局部温度の場合に平均密度より低いことを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項６】
オリフィスは平均寸法の開口を有しており、さらに、特定密度が平均密度より低い場合は平均寸法より大きい開口寸法を、また特定密度が平均密度より高い場合は平均寸法より小さい開口寸法を有していることを特徴とする、請求項５記載の装置。
【請求項７】
排出手段が、容器壁の第１端部に位置しており、パターンは第1端部に第1密度を、容器の第１端部とは反対側の第２端部に第２密度を有しており、第２密度が第１密度より高いことを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項８】
容器壁が、長さ対直径のアスペクト比を備えたほぼ円筒形であり、第２密度が、アスペクト比の約２５％〜７５％の選択率で第１密度より高いことを特徴とする、請求項７記載の装置。
【請求項９】
加熱期間の終了時に、加熱手段は容器壁の平均温度を達成しているが、本来的に容器壁の局部領域で平均温度とは違った局部温度を生じており、パターンが、その局部領域の周囲全体には平均密度を、その局部領域には特定密度を備えており、特定密度が、平均温度より高い局部温度の場合に平均密度より高く、平均温度より低い局部温度の場合に平均密度より低いことを特徴とする、請求項７記載の装置。
【請求項１０】
オリフィスが、パターンの変動密度に反比例した率で変化するオリフィス寸法を備えていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
【請求項１１】
容器が、容器壁の第１端部に取り付けられた端部壁を有しており、排出手段が、端部壁と、冷却ガス用の出口ポートを備えたさらなる壁とを設けた出口マニホルドを有しており、出口マニホルドは空間ギャップから冷却ガスを受け取るようにしたことを特徴とする、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
容器壁及び仕切り部材は円筒形であり、ジャケットは仕切り部材を包囲する円筒形部分を有していることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
ガス手段が、加圧ガスを入口プレナムへ送り込む入口ポートを備えていることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
容器壁が、長さ対直径のアスペクト比を備えており、第２密度は、アスペクト比の約２５％〜７５％の選択率で第１密度より高いことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
加熱期間の終了時に、加熱手段は容器壁の平均温度を達成しているが、本来的に容器壁の局部領域で平均温度とは違った局部温度を生じており、パターンが、その局部領域の周囲全体には平均密度を、その局部領域には特定密度を備えており、特定密度が、平均温度より高い局部温度の場合に平均密度より高く、平均温度より低い局部温度の場合に平均密度より低いことを特徴とする、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
パターン変動密度に反比例する率が、約１／２〜２倍であることを特徴とする、請求項１０記載の装置。
【請求項１７】
冷却ガスが低温ガスであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項１８】
カロリーメータが、液化ガス用のタンクを備えて、液化ガスが容器に熱連通するようにしており、これによって容器が、従ってサンプルも、低温冷却ガス及び液化ガスの協働で炉温度から低温まで急速に冷却されるようにしたことを特徴とする、請求項１７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カロリーメータ、特にカロリーメータの加熱容器の冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カロリーメータは、一般的にサンプルの熱特性に関する測定を行うために用いられる。１つのそのようなカロリーメータは、例えばワトソン（Ｗａｔｓｏｎ）他の米国特許第３，２６３，４８４号明細書に記載されているような、１対のサンプルについて測定して、テストサンプルを別のテストサンプルか、基準サンプルと比較する示差走査カロリーメータ（ＤＳＣ）である。サンプルは、絶縁容器内に支持されている。電源が各サンプルに電力を供給して、温度が測定される。ＤＳＣでは、相転移等の加熱特性を比較するために、サンプル間の電力及び温度差を決定する。サンプル領域の上方に炉または他の加熱容器を配置して、測定を行う範囲の温度を与えるように加熱する。ＤＳＣの適用範囲を低温範囲まで拡げるため、サンプル支持体の下方のタンクに入った液体窒素等を使用してもよい。
【０００３】
カロリーメータで高温までテストした後で、次のテストを実行する前に、サンプル領域を室温または液体窒素温度である開始レベルまで冷却することが一般的に必要である。一般的に、冷却室が炉を取り囲んで、冷却ガスが室壁と炉との間の領域を流れるようにしている。そのような構造では、壁の上を流れる空気が暖められ、その後に他の壁領域を冷却する効率を低下させるため、炉壁及びその内部のサンプル領域を冷却するのに時間がかかる。そのような方法は一般的に、５００゜Ｃから室温まで冷却するのに少なくとも３０分かかる。さらに、これによって得られる冷却空気の温度が不均一であるため、炉壁の温度にばらつきが生じて、カロリーメータの性能に大きく影響するため、物理的不都合を克服するためのなんらかの補正計算が必要になる。
【０００４】
表面の冷却用に高速ジェットが使用されており、これは、米国オハイオ州、クリーブランドのガスタービン会議及び製品展示会の論文第６９−ＧＴ−４号（１９６９年３月９〜１３日）のＤ．Ｍ．カーチャー（Ｋｅｒｃｈｅｒ）及びＷ．タバコフ（Ｔａｂａｋｏｆｆ）の「ヒート・トランスファー・バイ・ア・スクエア・アレイ・オブ・ラウンド・エア・ジェッツ・インピンジング・パーペンディキュラー・トゥー・ア・フラット・サーフィス・インクルーディング・ディ・エフェクト・オブ・スペント・エア」（Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｂｙ  ａ  Ｓｑｕａｒｅ  Ａｒｒａｙ  Ｏｆ  Ｒｏｕｎｄ  Ａｉｒ  Ｊｅｔｓ  Ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ａ  Ｆｌａｔ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｓｐｅｎｔ  Ａｉｒ）と題する論文に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、テストサンプル用の加熱容器の急速冷却構造を備えた改良型カロリーメータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記及び他の目的は、内部に設けられた加熱容器の冷却用の特別な構造を備えたカロリーメータ装置によって、少なくとも部分的に達成される。本装置は、サンプルを支持する手段と、サンプル手段を包囲している容器壁で形成されて内部のサンプルを加熱する加熱容器とを有している。容器壁から間隔を置いて設けられたジャケットが、加熱容器を包囲している。複数のオリフィスを貫設した仕切り部材が、ジャケット及び容器壁間に取り付けられて、仕切り部材とジャケットとの間に入口プレナムを形成し、さらに仕切り部材と容器壁との間に空間ギャップを形成している。加熱手段が、容器を所定加熱期間にわたって加熱する。加熱期間の終了後に、ガス手段が加圧冷却ガスを入口プレナムへ送り込む。排出手段が、冷却ガスを空間ギャップから排出する。複数のオリフィスは仕切り部材全体に分散配置されて、加圧冷却ガスがオリフィスから空間ギャップを横切って容器壁に衝突するように噴射されることによって、容器が冷却ガスで急速冷却されるようにしている。
【０００７】
好ましくは、噴射ガスによって容器壁が均一に冷却されるように、オリフィスは仕切り部材全体に変動密度パターンで分散配置されている。１つのそのような実施例では、パターンは、容器の一方の端部に第１密度を、容器の他方の端部に第２密度を有しており、第２密度は第１密度より高い。
【０００８】
別の態様では、加熱期間の終了時に、加熱手段は、本来的に容器壁の局部領域で容器の平均温度とは違った局部温度を生じる。この態様に対して、オリフィスのパターンは、その局部領域の周囲全体には平均密度を、その局部領域には特定密度を備えている。特定密度は、平均温度より高い局部温度の場合に平均密度より高く、平均温度より低い局部温度の場合に平均密度より低くなっている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を組み込むために、パーキン・エルマー（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）モデルＤＳＣ−７等のカロリーメータ１０が使用される。このモデルは、示差走査カロリーメータ（ＤＳＣ）であるが、もっと簡単なカロリーメータを使用してもよい。構成部品は、全体的に外側シェル１３を備えた絶縁カバー１１の下方にある。ＤＳＣは、デッキ１５の上に載置された金属ベース１２を有しており、冷却ブロック１４が液体窒素１８または他の冷却媒体のタンク１６内へ下向きに延出しており、それはこのようにしてサンプルと熱連通してしている。ベース上の支持体２０が１対のカップ２２を保持しており、その各々がサンプル２４を保持している。適当なリード線２６を介して、電源２８が電力を各サンプルカップ内の加熱素子（図示せず）へ供給し、温度も測定される。ＤＳＣでは、加熱特性を比較するためにサンプル間の電力差及び温度差が決定される。ベースを介して一方の温度限界の液体窒素によって、また他方の限界まで、例えば８００゜Ｃの炉温度まで加熱するようにサンプル領域の上方に配置された加熱容器３０によって、サンプルに広範囲の温度が与えられる。容器ヒータは、温度フィードバックを組み込んだ別体の調整電源を備えている。このため、サンプル温度が室温（一般的に約２０゜Ｃ）より相当に高い炉温度から室温より相当に低い低温までの範囲になるように、カロリーメータを作動させることができる。
【００１０】
加熱容器３０は、ほぼ従来型の炉、オーブンまたは接近可能な外壁を備えた他の所望の加熱コンテナにすることができる。容器は、容器の円筒壁３６の外側に巻き付けられた電気抵抗加熱コイル３４等によって従来通りに加熱され、電気リード線３５が調整電源３１から加熱コイルまで延びている。他の加熱手段、例えば容器内での燃焼や、二重壁オーブンの壁間に流す高温流体を使用することもできる。容器の一端部３７において、端部壁３８が主円筒壁３６に取り付けられて、容器のその端部側を閉鎖している。容器は、熱電導性が得られるように銅またはステンレス鋼等の金属にする必要がある。
【００１１】
容器３０を包囲しているジャケット４０は、円筒壁３６から間隔を置いてそれを取り囲んだ円筒部分４２を備えている。炉の閉鎖端部３７側のジャケットの端部を閉鎖するため、端部プレート４４が円筒部分に取り付けられている。部材を一体状に保持してカロリーメータ装置の他の部分に取り付けるため、フランジ４６または他の手段を設けてもよい。
【００１２】
仕切り部材４８が、ジャケットの円筒部分４２と炉壁３６との間に、例えばブラケットリング４９で取り付けられている。ジャケットと仕切り部材との間の入口プレナム５０が形成され、炉壁と仕切り部材との間に空間ギャップ５２が形成されている。出口プレナム５６を内部に備えたマニホルド５４が、端部壁３８と、端部プレート４４と、仕切り部材の隣接円筒端部４５とによって形成されている。炉及び関連部材は、効率の点から本例のように円筒形であることが好ましいが、他の形状として、楕円形または正方形の断面でもよい。
【００１３】
少なくとも１つの入口ポート６０が、ジャケットの円筒部分４２の一方側の中央に設けられている。１つのそのようなポートが示されているが、冷却ガスの流入をさらに均一に分配するため、ポートを追加して用いてもよい。ポートは、空気コンプレッサや、圧力レギュレータ６３を備えたガスボンベ等の従来型供給源６２から圧縮ガスを、または好ましくは液体窒素タンク等から低温ガスを受け取る。（本説明及び請求の範囲で使用する「低温ガス」とは、大気温度及び大気圧では気体である物質の低温液相から得られるガスのことで、例えば液体窒素、酸素、水素またはヘリウムである）。低温ガスは、非常に低温である（沸点が−１９６゜Ｃ）ために熱量測定炉の冷却に特に有効であり、また液体窒素温度がカロリーメータで使用される場合に特に好都合である。ヘリウムなどの他のガスも冷却用に選択することができる。さらなる変更例として、圧縮空気または室温窒素でほぼ室温まで冷却してから、低温窒素に切り換えてさらに冷却することができる。
【００１４】
低温ガスの場合、液化ガスを加熱することによって圧力を供給することができるが、液体窒素タンクに付けた乾性窒素等の外部圧縮ガス供給源から与えることが好都合である。乾性窒素は、泡立って冷却されるように、液面より下方から導入する必要がある。プレナムへ送られるガスは、導入ガス及び蒸発ガスの組み合わせ体として液体の上方から取り出される。
【００１５】
ガスは、パイプ６４、レギュレータ６３、電動式（例えばソレノイド）開閉弁６５及びポート６０を介して入口プレナムへ送り込まれる。ギャップ５２からのガスは、出口マニホルド５４及びそのプレナム５６を通って出口ポート６６から雰囲気へ、または他の（入口圧力に対して）低圧のゾーンへ、または回収またはリサイクル用の収集システムへ排出される。
【００１６】
仕切り部材４８には複数のオリフィス６８が貫設されている。オリフィスは、ガスがオリフィスをガスジェット７０の形で、好ましくはプレナム内の圧力から周囲圧力より約１気圧高い圧力までほぼ絞った流れで通過できるようにする、仕切り部材における圧力降下に応じた大きさになっている。ギャップ５２の深さＤは、ジェットが容器壁３６に衝突してそれを冷却できるように小さくなっている。しかし、ギャップはまた、ジェットの使用済みガス７２がジェットの冷却作用を大きく妨害しないで出口プレナム５６の方へ流れることができるように、流量及び仕切り部材４８のオリフィス６８の密度パターンに応じた大きさになっている。ギャップＤの適当な寸法は、冷却効果の測定によって実験的に容易に決定できるであろう。ジェットのエネルギ損失を最低限に抑えるため、仕切り部材はできる限り薄く、例えば０．２ｍｍにする必要がある。
【００１７】
電源２８、３１及びそれぞれのケーブル８１、７７を介して加熱を制御するため、一般的にコンピュータ７４が最近のＤＳＣまたは他のカロリーメータに組み合わされている。コンピュータは、ケーブルを介して電力及び温度の測定信号を受け取って、サンプルの所望の熱特性の計算を行う。コンピュータは、ＤＳＣにその製造者によって組み込まれたデジタル・コーポレーション（ＤＥＣ）の４３３ｄｘＭＴモデル等の従来のものでよい。コンピュータは、適当なアナログ／デジタル変換器（必要に応じてイン及びアウトの両方またはいずれか一方）を備えた中央処理装置（ＣＰＵ）、ディスクドライブＲＡＭ及びファームウェアの両方またはいずれか一方を含むメモリ、オペレータの入力用のキーボードまたはキーパッド７６、及び情報ディスプレイ７８及びプリンタの両方またはいずれか一方を備えている必要がある。プログラミングは、「Ｃ」言語等で従来通り行われ、一般的にコンピュータまたは計器の製造者によってコンピュータに組み込まれる。本例では、コンピュータは、電源制御線８１を介した容器加熱の終了時に線８０を介してガス弁６５も制御することが好ましい。本発明に対するプログラミングの順応は、当該分野の専門家によって容易に理解されて達成されるであろう。
【００１８】
作用を説明すると、炉は、カロリーメータで通常の、または他の所望測定を行うために選択された加熱時間長さにわたって加熱される。加熱の終了後に、好ましくはその直後に、ガス流を開始させて炉を所望温度まで急速に冷却させる。加熱の終了及び弁６５の開放は、コンピュータで制御することができる。通常は、加熱中に測定が行われるが、それに代えて、または付け加えて、冷却中に行うこともできる。
【００１９】
好適な実施例によれば、噴射ガスによる容器壁の均一な冷却が行われるように、オリフィス６８は、仕切り部材全体に変動密度のパターンで配置されている。（「密度」とは、単位面積当たりのオリフィスの数のことである。）１つの実施例（図２）では、パターン７４が、出口プレナムへ流れる使用済みガス７２（図１）から発生する追加横流を補償している。この場合、パターンは、出口端部４４付近の領域７６に第１密度を、ギャップの、マニホルドから離れた方の他端部８０付近の領域７８に第２密度を有している。第２密度が第１密度より高くなって、内側端部８０で高密度のジェットが衝突し、他端部で低密度のジェットになり、両端部間で高密度から低密度へ順次変化するようにしている。流出流７２を収容して冷却を平滑にするため、ジェットはマニホルド端部の方でさらに離れている。アスペクト比が約１の炉の場合、第２密度は第１密度よりも少なくとも５０％高くする、例えば約１００％高くする（すなわち２倍の密度にする）必要があることが決定されている。アスペクト比は、従来よりガス流出方向に平行な炉容器の長さＬとそれに対して垂直方向の平均寸法Ｄ、一般的に直径の比である。すなわち、第２密度は、アスペクト比Ｌ／Ｄの約２５％〜７５％、例えば５０％の率で第１密度より高くする必要がある。
【００２０】
変動密度の別の実施例（図３）では、炉壁の高温スポット及び低温スポットを補償するためにオリフィスの別のパターン７４′が用いられている。加熱手段は、一般的に容器壁の平均温度を生じる。また、コイルの不規則さや内部接近等によって、加熱手段は、本来的に容器壁の局部領域８２で平均温度とは違った局部温度を生じるであろう。オリフィスパターンは、その局部温度領域８２の周囲全体８６には平均密度を備えている。それが均一であれば、その平均密度が全体密度になるであろう。好ましくは、その密度も、上記のように（図３を含む）一方の端部から他方の端部へ変化し、その場合は周囲全体の平均密度が、その温度スポット付近であるがすぐに隣接した領域より外側のパターンの密度である。その場合、局部領域８２には別の特定密度が必要で、その特定密度は、平均温度より高い局部温度の場合に平均密度より高く、平均温度より低い局部温度の場合に平均密度より低い。高温または低温スポットの正確な内容によって決まるため、正確な例はあまり意味がない。しかし、例を挙げると、冷却の開始点での高温スポットの温度が平均より１０゜Ｃ高い場合、特定密度は平均の２倍になるであろう。
【００２１】
さらなる実施例（図２）では、オリフィス密度の逆に、好ましくはほぼ反比例させて、オリフィス寸法（直径）Ｓ１、Ｓ２を変化させることが望ましい。その目的は、最適局部冷却を行いながら、局部流量を最低に維持することにある。広く言えば、オリフィス寸法は、約１／２〜２倍の係数の反比例で変化させることが好ましい。
【００２２】
オリフィスの密度及び寸法の変化は、実験的に決定することができる。あるいは、また好都合であるが、定常状態でない温度、圧力及び冷却の差を考慮に入れながら、例えばカーチャー他の上記論文（本説明に参考として含まれる）に述べられている原理に従って密度及び寸法を計算する。
【００２３】
例えば、炉容器が長さ４ｃｍ、直径４ｃｍであり、従ってアスペクト比が１であるとする。この場合の適当なオリフィス間隔は、内側端部で５ｍｍ、排出端部で１５ｍｍであり、それぞれの密度は４オリフィス／ｃｍ２及び１．３オリフィス／ｃｍ２である。すなわち、外側密度は内側密度の約１／３（１．３：４）である。それに対応した内側端部での適当なオリフィス寸法Ｓ１は０．５ｍｍ、排出端部での寸法Ｓ２は１．５ｍｍであり、このように密度に対する反比例係数は３である。
【００２４】
オリフィス寸法の例で、１／２を反比例の係数に選択した場合、外側端部でのオリフィス寸法は０．７５ｍｍになる。２倍の反比例を選択した場合、外側端部でのオリフィス寸法は３ｍｍになる。
【００２５】
上記のアスペクト比１の場合の他の寸法は、入口プレナム４の幅Ｗが４ｍｍ、空間ギャップの幅が４ｍｍ、出口プレナムの間隔Ｏが４ｍｍである。そのような構造で、オリフィス寸法が上記のように５ｍｍ〜１５ｍｍである場合、冷却ガス流の低温窒素圧力は７０，０００Ｎ／ｍｍ２ゲージ（１０ｐｓｉｇ）が適当である。一般的に、これは温度を５００゜Ｃから室温まで５分で低下させ、それからさらに２分で−１８０゜Ｃまで低下させる。同じ流量であれば、本衝突冷却技法は、ガスが表面上を流れるだけであるカロリーメータ用の従来の冷却技法より６倍まで高速化する。
【００２６】
以上に特定の実施例を参照しながら本発明を詳細に説明してきたが、発明の精神及び添付の請求項の範囲内で様々な変更を加えることができることは、当該分野の専門家には明らかであろう。従って、本発明は、添付の請求項またはそれの相当物によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカロリーメータ装置の、関連部材を概略的に示した部分縦断面図である。
【図２】図１の装置の仕切り部材の一部の立面図で、それのオリフィスのパターンの１つの実施例を示している。
【図３】図１の装置の仕切り部材の一部の立面図で、それのオリフィスのパターンの別の実施例を示している。
【符号の説明】
３０  加熱容器
３６  容器壁
３４  コイル
４０  ジャケット
４８  仕切り部材
５０  入口プレナム
５２  空間ギャップ
６２  ガス供給源
６８  オリフィス
【図１】
0003728359.tif 000002
【図２】
0003728359.tif 000003
【図３】
0003728359.tif 000004