(57)【要約】【課題】  試料の周囲温度を効率的に下げることのできる熱分析装置を提供する。【解決手段】  試料加熱ユニット１０の周囲に配置され、内部に冷却媒体を循環し、試料加熱ユニット１０から周囲に放散される熱を冷却媒体により吸熱する冷却ジャケット２０と、試料加熱ユニット１０および冷却ジャケット２０の双方に接触して、当該試料加熱ユニット１０からの熱を冷却ジャケット２０に伝える熱伝導部材とを備える。熱伝導部材は、冷却ジャケット２０を搭載する冷却ブロック２１と、この冷却ブロック２１および試料加熱ユニット１０の双方に接触する熱抵抗体２２とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に試料を配置する測定室を備え当該試料を周囲から加熱する試料加熱ユニットと、前記試料加熱ユニットを冷却する冷却手段と、を含む熱分析装置において、
前記冷却手段は、
前記試料加熱ユニットの周囲に配置され、内部に冷却媒体を循環し、前記試料加熱ユニットから周囲に放散される熱を前記冷却媒体により吸熱する冷却ジャケットと、
前記試料加熱ユニットおよび前記冷却ジャケットの双方に接触して、当該試料加熱ユニットからの熱を前記冷却ジャケットに伝える熱伝導部材と、
を備えたことを特徴とする熱分析装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材は、前記冷却ジャケットを搭載する冷却ブロックと、この冷却ブロックおよび前記試料加熱ユニットの双方に接触する熱抵抗体と、を含むことを特徴とする請求項１の熱分析装置。
【請求項３】
前記熱抵抗体をアルミナで製作したことを特徴とする請求項２の熱分析装置。
【請求項４】
前記試料加熱ユニットは、前記試料室を形成する試料チャンバと、この試料チャンバの周囲に設けた加熱ヒータと、これらの外周を覆う外部カバーと、を含み、
前記試料チャンバと前記冷却ブロックとの間に前記熱抵抗体を配置し、
作用線が前記熱抵抗体および前記冷却ブロックの外側を通る引張力を、前記外部カバーにおける周方向の複数箇所に設けた作用点に作用させ、当該引張力をもって前記試料チャンバを前記熱抵抗体に押し付けるとともに、前記熱抵抗体を前記冷却ブロックに押し付ける構成としたことを特徴とする請求項２又は３の熱分析装置。
【請求項５】
装置の土台となるベース部材と、複数本の筒状の断熱支持棒と、当該断熱支持棒と同じ本数の断熱引張棒とを備え、
前記ベース部材と前記冷却ブロックとの間に前記各断熱支持棒がそれぞれ軸方向に延在するように配置して、これら各断熱支持棒により前記冷却ブロックの下面を支持し、
前記冷却ブロックの上面に前記熱抵抗体を配置するとともに、この熱抵抗体の上面に前記試料チャンバを配置し、
前記外部カバーの外周面に前記各断熱引張棒の先端部を固定するとともに、前記各断熱支持棒の中空部に当該各断熱引張棒を挿通して、当該各断熱引張棒の基端部を前記ベース部材の下方まで延ばし、
前記各断熱引張棒の基端部を付勢部材からの弾性力をもって引っ張る構成としたことを特徴とする請求項４の熱分析装置。
【請求項６】
前記断熱支持棒および前記断熱引張棒をステンレスで製作したことを特徴とする請求項５の熱分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、標準試料と被測定試料とを加熱または冷却して、これら標準試料と被測定試料との温度差を測定し、被測定試料の状態変化による吸熱反応や発熱反応を分析するための示差走査熱量計（ＤＳＣ）などの熱分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、この種の熱分析装置（示差走査熱量計）を開示している。同文献１に開示された示差走査熱量計は、被測定対象物（被測定試料）と基準物質（標準試料）とを収容する収容室をヒータで加熱する構成と、冷却ブロックで冷却する構成とを備えている。収容室の熱は、熱抵抗体を経由して冷却ブロックに伝わり、放熱される。
また、加熱と冷却を繰り返した際に、収容室と熱抵抗体の相互間および熱抵抗体と冷却ブロックの相互間に、熱膨張率の違いによって歪みや位置ずれが生じる。その場合でも、冷却ブロックに対して、熱抵抗体を一定の弾性力で付勢しながら押し付けて固定するとともに、熱抵抗体に対して、収容室を一定の弾性力で付勢しながら押し付けて固定することで、各構成要素間の歪みや位置ずれに起因する応力を、弾性力によって緩和できる構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９８９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された構成の示差走査熱量計では、収容室の熱を熱抵抗体を経由して冷却ブロックに伝えて放熱するだけの冷却構造のため、冷却効率が悪く迅速に冷却できない課題を有していた。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、試料の周囲温度を効率的に下げることのできる熱分析装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、内部に試料を配置する測定室を備え当該試料を周囲から加熱する試料加熱ユニットと、試料加熱ユニットを冷却する冷却手段と、を含む熱分析装置において、冷却手段が、試料加熱ユニットの周囲に配置され、内部に冷却媒体を循環し、試料加熱ユニットから周囲に放散される熱を冷却媒体により吸熱する冷却ジャケットと、試料加熱ユニットおよび冷却ジャケットの双方に接触して、当該試料加熱ユニットからの熱を冷却ジャケットに伝える熱伝導部材と、を備えたことを特徴とする。
ここで、冷却ジャケットの内部を循環させる冷却媒体としては、例えば、液体窒素を気化させた窒素ガスを用いることができる。
【０００７】
上記構成の本発明は、試料加熱ユニットの熱を熱伝導部材を経由して冷却ジャケットに伝えて吸熱する冷却経路に加え、試料加熱ユニットの周囲からも冷却ジャケットが吸熱するので、これら２つの冷却経路をもって試料の周囲温度を効率的に下げることができる。
【０００８】
ここで、熱伝導部材は、冷却ジャケットを搭載する冷却ブロックと、この冷却ブロックおよび試料加熱ユニットの双方に接触する熱抵抗体とを含む構成とし、かつアルミナにより熱抵抗体を製作することが好ましい。
【０００９】
アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）は、低温領域で熱伝導率が高く、高温領域では熱伝導率が低いという特性を有している。アルミナで熱抵抗体を製作することで、試料を冷却する過程では熱抵抗体の温度が下がって熱伝導率が高くなり、いっそう効率的に試料加熱ユニットからの熱を冷却ジャケットへと伝えて冷却することができる。一方、試料を加熱している間は、熱抵抗体の温度が上がって熱伝導率が低くなり、試料加熱ユニットの冷却を抑制することができる。
【００１０】
さて、特許文献１に開示された示差走査熱量計は、内部に収容室を形成するヒートシンク（２）の底部中央部とベース（３１）との間にコイルバネ（４３）を設け、このコイルバネ（４３）の弾性力で熱抵抗体（６）に対してヒートシンク（２）を押し付ける構造となっている（同文献１の図１を参照）。そのため、ヒートシンク（２）の底部中央部が下方へ引っ張られる結果、ヒートシンク（２）の底部外周縁部に対し反り上げるようなトルクが作用して、ヒートシンク（２）の歪みを却って増大させてしまうおそれがあった。
【００１１】
そこで、本発明は、試料加熱ユニットが、試料室を形成する試料チャンバと、この試料チャンバの周囲に設けた加熱ヒータと、これらの外周を覆う外部カバーと、を含み、試料チャンバと冷却ブロックとの間に熱抵抗体を配置し、作用線が熱抵抗体および冷却ブロックの外側を通る引張力を、外部カバーにおける周方向の複数箇所に設けた作用点に作用させ、当該引張力をもって試料チャンバを熱抵抗体に押し付けるとともに、熱抵抗体を冷却ブロックに押し付ける構成とすることが好ましい。
【００１２】
このように構成することで、作用線が外側を通る複数の引張力によって、試料チャンバ、熱抵抗体および冷却ブロックにおける各外周縁部の反り上がりが防止され、良好な熱伝導効率を維持することができる。
【００１３】
さらに本発明は、装置の土台となるベース部材と、複数本の筒状の断熱支持棒と、当該断熱支持棒と同じ本数の断熱引張棒とを備え、ベース部材と冷却ブロックとの間に各断熱支持棒がそれぞれ軸方向に延在するように配置して、これら各断熱支持棒により冷却ブロックの下面を支持し、冷却ブロックの上面に熱抵抗体を配置するとともに、この熱抵抗体の上面に試料チャンバを配置し、外部カバーの外周面に各断熱引張棒の先端部を固定するとともに、各断熱支持棒の中空部に当該各断熱引張棒を挿通して、当該各断熱引張棒の基端部をベース部材の下方まで延ばし、各断熱引張棒の基端部を付勢部材からの弾性力をもって引っ張る構成としてもよい。
【００１４】
試料加熱ユニット、熱抵抗体および冷却ブロックは、それぞれ熱膨張率が異なるために、加熱と冷却を繰り返した際にそれぞれの変形量が相違する。そこで、上述した構成とすることにより、熱膨張率が異なる各構成要素の変形が生じたときにも、付勢部材からの弾性力をもって柔軟に対応して相互間の位置ずれを許容することで、内部応力の蓄積を抑制し、各構成要素の損傷を防止することができる。
【００１５】
また、ベース部材と冷却ブロックとの間に各断熱支持棒がそれぞれ軸方向に延在するように配置することで、ベース部材を冷却ブロックから離間させて冷却ブロックの熱をベース部材に伝えにくくすることができる。
【００１６】
ここで、断熱支持棒と断熱引張棒はステンレスで製作することが好ましい。ステンレスは、金属材料のなかでも熱伝導率が小さい。よって、断熱支持棒と断熱引張棒をステンレスで製作することにより、大きな強度を保持しつつ、冷却ブロックや試料加熱ユニットの熱をベース部材へいっそう伝えにくくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、試料加熱ユニットの熱を熱伝導部材を経由して冷却ジャケットに伝えて吸熱する冷却経路に加え、試料加熱ユニットの周囲からも冷却ジャケットが吸熱するので、これら２つの冷却経路をもって試料の周囲温度を効率的に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る示差走査熱量計（熱分析装置）の構成を示す正面断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る示差走査熱量計（熱分析装置）の構成を示す外観斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る示差走査熱量計（熱分析装置）の構成を示す分解斜視図である。
【図４】金属材料の温度と熱伝導率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明を示差走査熱量計に適用した実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、示差走査熱量計に限定されるものではなく、試料を加熱および冷却して測定する各種熱分析装置に適用できることは勿論である。
【００２０】
図１〜図３は、本実施形態に係る示差走査熱量計（熱分析装置）の構成を示している。
本実施形態に係る示差走査熱量計は、測定室１１ａの内部に配置した試料（示差走査熱量計においては被測定試料と標準試料）を加熱するための試料加熱ユニット１０と、当該試料の周囲を冷却するための冷却手段とを備えている。
【００２１】
試料加熱ユニット１０は、試料チャンバ１１と、加熱ヒータ１２と、外部カバー１３とを含んでいる。
試料チャンバ１１は、銀（Ａｇ）等の熱伝導率の高い金属材料で構成した容器である。この試料チャンバ１１の内部が測定室１１ａを形成している。試料チャンバ１１は上面が開口しており、被測定試料を入れた試料ホルダＳ１と標準試料を入れたた試料ホルダＳ０が、その上面開口部から試料チャンバ１１の内部へそれぞれ収容され、あらかじめ設定してある測定位置に配置される（図１参照）。
【００２２】
試料チャンバ１１の上面開口部は、蓋１４が着脱自在となっており、測定に際しては当該上面開口部を蓋１４で閉塞して測定室１１ａ内を密閉する。蓋１４も、試料チャンバ１１と同様に、銀（Ａｇ）等の熱伝導率の高い金属材料で構成してある。
【００２３】
図には示されないが、試料チャンバ１１の内底部には、被測定試料と標準試料の温度差を検出するための温度差検出手段が設けてある。この温度差検出手段としては、例えば、熱電対が用いられる。さらに、試料チャンバ１１には、測定室１１ａ内の温度を測定するための温度測定手段（例えば、熱電対）も設置されている。
【００２４】
加熱ヒータ１２は、試料チャンバ１１の外周に配設され、測定室１１ａ内の被測定試料と標準試料を周囲から加熱する。
外部カバー１３は、加熱ヒータ１２の外周（すなわち、試料チャンバ１１の外周でもある）を覆い、加熱ヒータ１２から放出された熱の外部への放散を抑制する。本実施形態において、この外部カバー１３は、ステンレス（ＳＵＳ）で製作してある。ステンレスは、他の金属材料に比べて熱伝導率が小さく断熱性に優れているため、上述した用途の外部カバー１３に適している。
【００２５】
次に、冷却手段は、冷却ジャケット２０と、冷却ブロック２１と、熱抵抗体２２とを含んでいる。
冷却ジャケット２０は、熱伝導率の高い金属材料（例えば、アルミニウム合金やニッケル合金）を用いて円環状に製作してあり、その内部には、冷却媒体を循環させるための冷媒流路２０ａが形成してある（図１参照）。本実施形態では、冷媒流路２０ａに循環させる冷却媒体として、液体窒素（ＬＮ２）を気化させた窒素ガスを用いている。
【００２６】
冷却媒体は、被測定試料および標準試料を冷却しながら熱分析するときに、冷媒流路２０ａへ供給される。一方、被測定試料および標準試料を加熱して熱分析するときには、冷媒流路２０ａへの冷却媒体の供給は停止する。
【００２７】
冷却ブロック２１は、冷却ジャケット２０と同様に、熱伝導率の高い金属材料（例えば、アルミニウム合金やニッケル合金）で円盤状に製作してある。
熱抵抗体２２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により円筒形状に製作してある。なお、熱抵抗体２２を、アルミナで製作したことによるメリットは後述する。
【００２８】
本実施形態では、図１に示すように、試料チャンバ１１の底面に熱抵抗体２２の上端面を面接触させるとともに、熱抵抗体２２の下端面を冷却ブロック２１の上面に面接触させてある。さらに、冷却ブロック２１の上面周縁部に冷却ジャケット２０の下面を面接触させた状態で、冷却ブロック２１に冷却ジャケット２０を搭載してある。
したがって、高温状態にある試料チャンバ１１からの熱は、熱抵抗体２２から冷却ブロック２１を経由して冷却ジャケット２０に伝わり、冷媒流路２０ａを循環する冷却媒体に吸収される。すなわち、熱抵抗体２２と冷却ブロック２１は、試料加熱ユニット１０（具体的には、試料チャンバ１１）と冷却ジャケット２０の双方に接触して、試料加熱ユニット１０からの熱を冷却ジャケット２０に伝える熱伝導部材として機能する。
【００２９】
また、冷却ブロック２１に搭載した冷却ジャケット２０は、図１に示すように、試料加熱ユニット１０の外周に配置される。この配置によって、試料加熱ユニット１０から周囲に放散される熱は、冷却ジャケット２０の内周面から冷媒流路２０ａを循環する冷却媒体へと伝えられ、冷却媒体に吸収される。
【００３０】
このように、本実施形態に係る示差走査熱量計に組み込まれた冷却手段は、試料加熱ユニット１０の熱を熱抵抗体２２から冷却ブロック２１を経由して冷却ジャケット２０に伝えて吸熱する冷却経路に加え、試料加熱ユニット１０の周囲からも冷却ジャケット２０が吸熱するので、これら２つの冷却経路をもって試料の周囲温度を効率的に下げることができる。
さらに、試料加熱ユニット１０の周囲に冷却ジャケット２０を配置することで、試料の周囲にこもった熱も冷却ジャケット２０で効率的に吸収することができるので、試料の周囲温度を均等に下げることが可能となる。
【００３１】
上述したとおり、熱抵抗体２２はアルミナで製作してある。アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）は、低温領域で熱伝導率が高く、高温領域では熱伝導率が低いという特性を有している。
図４は、金属材料の温度と熱伝導率の関係を示すグラフである。同図に示すように、鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）と比較しても、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、低温領域で熱伝導率が高く、高温領域では熱伝導率が低いという特性が顕著に現れている。
【００３２】
さて、被測定試料および標準試料を加熱しながら熱分析を行うときは、加熱ヒータ１２によって試料チャンバ１１が加熱されて高温になるため、熱抵抗体２２は試料チャンバ１１から伝わってきた熱により高温となる。したがって、アルミナで製作した熱抵抗体２２は、熱伝導率は低くなって、断熱効果を奏するようになる。
試料を加熱しながら熱分析を行うときは、できる限り試料チャンバ１１の熱を逃がさない方が、測定室１１ａ内の温度環境が安定し、試料の温度制御が容易になって好ましい。高温領域で断熱効果を奏するアルミナで製作した熱抵抗体２２は、この条件に適合する。
【００３３】
一方、被測定試料および標準試料を冷却しながら熱分析を行うときは、試料加熱ユニット１０が冷却ジャケット２０により冷却されるため、試料チャンバ１１は低温になり、これに伴い熱抵抗体２２の温度も低下していく。したがって、アルミナで製作した熱抵抗体２２は、熱伝導率が高くなって熱を伝えやすくなる。よって、試料チャンバ１１からの熱を冷却ブロック２１へ円滑に伝えて、効率的に試料加熱ユニット１０を冷却できるようになる。
【００３４】
このように、アルミナで製作した熱抵抗体２２は、被測定試料および標準試料を、加熱しながら熱分析を行うときと、冷却しながら熱分析を行うときのいずれにも好適に機能するというメリットがある。
【００３５】
次に、上述した試料加熱ユニット１０、冷却ジャケット２０、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１の支持構造と組立方法について説明する。
図１および図２に示すように、ベース部材３０が装置の土台を形成しており、このベース部材３０の上面に、複数本の断熱支持棒３１が直立した状態に配設してある。試料加熱ユニット１０、冷却ジャケット２０、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１の各構成要素は、これらの断熱支持棒３１で下側から支持されている。
【００３６】
組立に際しては、図３に示すように、ベース部材３０の上面に複数本（図３では４本）の断熱支持棒３１を直立した状態に配設し、これらの断熱支持棒３１の上端に冷却ブロック２１を配置する。次に、冷却ブロック２１の上面中央部に熱抵抗体２２を配置して、さらに熱抵抗体２２の上端面に試料チャンバ１１（加熱ヒータ１２を含む）を配置する。
【００３７】
ここで、外部カバー１３には、外周面における周方向の複数箇所（図３では４箇所）に、断熱引張棒３２の上端部があらかじめ接合してある。各断熱引張棒３２は、外部カバー１３の外周面からそれぞれ下方へ直線上に延出している。
【００３８】
試料チャンバ１１の外周に外部カバー１３を被せる。外部カバー１３の上端縁部は内側へ屈曲して引掛部１３ａを形成しており、この引掛部１３ａを試料チャンバ１１の上部フランジ部１１ｂに引っ掛けて係合する。加熱ヒータ１２は、外部カバー１３によって外周が被覆され、外側への熱の放散が抑制される。
【００３９】
冷却ブロック２１とベース部材３０には、断熱引張棒３２を挿通するための透孔２１ａ、３０ａが複数箇所に形成してある。また、複数本の断熱支持棒３１は、円筒状（管状）に形成してあり、その中空部３１ａは断熱引張棒３２が挿通できる内径となっている。断熱引張棒３２を挿通するための透孔２１ａ、３０ａは、断熱支持棒３１の中空部と連通する位置にそれぞれ形成されている（図１参照）。
なお、外部カバー１３における断熱引張棒３２の接合箇所は、これら透孔２１ａ、３０ａの形成箇所や断熱支持棒３１の配設位置に対応して設定してある。
【００４０】
次に、外部カバー１３の外周面から下方へ延出する複数本の断熱引張棒３２の基端部を、冷却ブロック２１の透孔２１ａから挿入し、断熱支持棒３１の中空部３１ａを通して、ベース部材３０の透孔３０ａから同部材３０の下面側へ抜き出す。
【００４１】
ベース部材３０の下面側に抜き出した断熱引張棒３２の基端部には雄ねじ形成してある。各断熱引張棒３２の基端部にコイルばね３３（付勢部材）を嵌め、雄ねじにナット３４を螺合して、ベース部材３０とナット３４との間で、コイルばね３３を圧縮する。
これにより、コイルばね３３の弾性力が断熱引張棒３２を介して外部カバー１３に引張力として作用し、外部カバー１３がこの弾性力をもって、試料チャンバ１１、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１を、断熱支持棒３１の上端に押し付ける。このようにして、断熱支持棒３１の上端と外部カバー１３の引掛部１３ａとの間に、これら試料チャンバ１１、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１の各構成要素が組み付けられる。
【００４２】
上述した構成とすれば、作用線（断熱引張棒３２の軸線に一致）が熱抵抗体２２および冷却ブロック２１の外側を通る引張力（コイルばね３３の弾性力）を、外部カバー１３における周方向の複数箇所に設けた作用点（断熱引張棒３２の接合箇所）に作用させ、当該引張力をもって試料チャンバ１１を熱抵抗体２２に押し付けるとともに、熱抵抗体２２を冷却ブロック２１に押し付けるので、試料チャンバ１１、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１における各外周縁部の反り上がりが防止され、良好な熱伝導効率を維持することができる。
【００４３】
また、加熱と冷却を繰り返した際に、試料チャンバ１１、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１は熱膨張率の違いからそれぞれ違った変形量で膨張または収縮する。しかし、上述した構成とすることにより、コイルばね３３の弾性力をもって柔軟に対応して相互間の位置ずれが許容される。そのため、試料チャンバ１１、熱抵抗体２２および冷却ブロック２１に内部応力が蓄積せず、これらの構成要素の損傷を防止することができる。
【００４４】
また、ベース部材３０と冷却ブロック２１との間に断熱支持棒３１を軸方向に延在して配置することで、ベース部材３０と冷却ブロック２１とが離間し、冷却ブロック２１の熱がベース部材３０に伝わりにくくなる。すなわち、断熱支持棒３１は、ベース部材３０を断熱する機能を有している。
【００４５】
ここで、断熱支持棒３１と断熱引張棒３２は、ともにステンレス管で製作してある。既述したとおり、ステンレス（ＳＵＳ）は、他の金属材料に比べて熱伝導率が小さく断熱性に優れている。しかも、内部が空洞をした管状部材とすることで、横断面積が小さくなり、軸方向への熱伝導がさらに抑制され、冷却ブロック２１の熱がベース部材３０に伝わりにくくなる。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、断熱引張棒３２の基端部を弾性力をもって引っ張る付勢部材としては、コイルばね３３に限定されず、ゴム部材など弾性力を付与する公知の各種部材を適用することができる。
また、外部カバー１３は、試料チャンバ１１と加熱ヒータ１２の外周を覆うとともに、断熱引張棒３２からの引張力を試料チャンバ１１へ伝えることができれば、図に示した形状に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１０：試料加熱ユニット、１１：試料チャンバ、１１ａ：測定室、１１ｂ：上部フランジ部、１２：加熱ヒータ、１３：外部カバー、１３ａ：引掛部、１４：蓋、
２０：冷却ジャケット、２０ａ：冷媒流路、２１：冷却ブロック、２２：熱抵抗体、
３０：ベース部材、３１：断熱支持棒、３２：断熱引張棒、３３：コイルばね（付勢部材）、３４：ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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