(57)【要約】【課題】加熱炉を破損させることなく好適な冷却ガスの流量を加熱炉に供給することができ、加熱炉の精密な温度制御を可能とした。【解決手段】熱分析装置１は、加熱炉２内の温度を計測する温度センサ４と、温度プログラムを設定できると共に温度プログラム信号を出力する温度プログラム設定器５と、温度プログラム信号及び温度センサ４の検出信号の差に応じてヒータ３への供給電力を調節する温度制御部６と、プログラム温度に対応する空気流量を算出する演算処理部７と、演算処理部７で算出された空気流量の信号に応じて加熱炉２内に供給する空気流量を調整するマスフローコントローラ８とを備えている。演算処理部７では、空気流量を算出する演算式が所定の境界温度より高温側と低温側とでそれぞれ異なるように設定されている。【選択図】図１
2008058019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉と、前記加熱炉内を加熱するヒータとを備えた熱分析装置であって、
前記加熱炉内の温度を計測する温度検出器と、
時間の経過に応じた前記加熱炉内の温度変化をなす温度プログラムを設定できると共に温度プログラム信号を出力する温度プログラム設定器と、
前記温度プログラム信号及び前記温度検出器の検出信号の差に応じて前記ヒータへの供給電力を調節する温度制御部と、
前記温度プログラムのプログラム温度に対応する冷却ガス流量を算出する演算処理部と、
該演算処理部を介して前記温度プログラム設定器に接続され、前記演算処理部で算出された冷却ガス流量の信号に応じて前記加熱炉内に供給する冷却ガス流量を調整する冷却ガス流量調整部と、
を備え、
前記演算処理部では、前記冷却ガス流量を算出する演算式が所定の境界温度より高温側と低温側とでそれぞれ異なるように設定され、前記高温側の演算式によって算出される前記冷却ガス流量は前記加熱炉が破損しない程度とされることを特徴とする熱分析装置。
【請求項２】
前記プログラム温度で前記境界温度より高温側の演算式が第一演算式をなし、低温側の演算式が第二演算式をなし、
前記第一演算式と前記第二演算式とのそれぞれから求められる冷却ガス流量曲線が、微分連続性をなす第三演算式から求められる冷却ガス流量曲線によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱分析装置。
【請求項３】
前記境界温度は、６００〜８００℃であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱分析装置。
【請求項４】
前記境界温度は、７００℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却ガスの供給により加熱炉を冷却する熱分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、示差走査熱量計などの熱分析装置では、加熱炉を備え、その内部にサンプル（試料）を収容し、加熱装置及び冷却装置を用いてそのサンプルの温度を上昇或いは下降させて温度変化させることでサンプルの熱の出入りをその熱量で測定し、分析していた。このような熱分析装置は、例えば加熱炉に、液化冷媒で冷却された気体を供給して加熱炉を冷却するとともに、加熱炉内で設けられたヒータにより加熱炉を加熱して加熱炉を温度制御するものなどがある。冷却する場合には、必要に応じて液化冷媒供給装置と加熱炉との間に設けられている電磁弁を開閉することにより冷却ガスを流す制御を行なうものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１は、熱分析装置における測定終了後の加熱炉の冷却を自動化し、測定の省力化と効率化を図ったものであり、測定が終了すると電磁弁をＯＮにして一定量の冷却ガスを流して自動的に加熱炉の冷却を開始し、予め設定された冷却停止温度まで加熱炉が冷却されると自動的に冷却を停止させ、余熱等で再び加熱炉の温度が上昇した場合は、再冷却を自動的に行って、短時間で設定温度以下に冷却するようにしたものである。
特許文献２は、液化窒素による全自動ガス冷却の構成について開示されたものであり、時間の経過に対する温度変化をプログラムした温度プログラムを予め設定し、その温度プログラムに追従させるように、時間の経過と共に供給電力調節器による試料室（加熱炉）の冷却制御と、ヒータの加熱による試料室の温度制御とを行うもので、液化冷媒温度に至る室温よりも低い温度から７００℃程度の高温まで試料室の温度を精密に制御するようにしたものである。
【特許文献１】特許第３０６６６８７号公報
【特許文献２】特公平７−１２２６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１、２で用いられる熱分析装置は、以下のような問題があった。
特許文献１、２では、例えば７００℃を超えるような高温となっている加熱炉に冷却ガスを流して冷却すると、加熱炉に与える熱的影響によりセラミックからなる加熱炉が割れて破損するといった問題があった。そのため、一般的には、上記７００℃を超えるような高温から加熱炉が割れない温度とされる７００℃程度までは自然冷却により低下させ、加熱炉が７００℃以下になってから冷却ガスを加熱炉に供給していた。ところが、測定によっては、上記７００℃より高温領域において自然冷却より速く温度を下げて測定したいといった要望があり、好適な冷却方法が求められていた。
また、特許文献１、２のように電磁弁のオンオフのみで制御する場合には、上述したように７００℃以下となった時点で電磁弁を開いて冷却すると、加熱炉の温度が急に下がることになり、その急な温度変化がヒータのフィードバック制御を難しくするといった不具合があり、加熱炉の精密な温度制御ができないという欠点があった。そのため、正確な測定結果が得られないといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、加熱炉を破損させることなく好適な流量の冷却ガスを供給して加熱炉の温度を冷却するようにした熱分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る熱分析装置では、加熱炉と、加熱炉内を加熱するヒータとを備えた熱分析装置であって、加熱炉内の温度を計測する温度検出器と、時間の経過に応じた加熱炉内の温度変化をなす温度プログラムを設定できると共に温度プログラム信号を出力する温度プログラム設定器と、温度プログラム信号及び温度検出器の検出信号の差に応じてヒータへの供給電力を調節する温度制御部と、温度プログラムのプログラム温度に対応する冷却ガス流量を算出する演算処理部と、演算処理部を介して温度プログラム設定器に接続され、演算処理部で算出された冷却ガス流量の信号に応じて加熱炉内に供給する冷却ガス流量を調整する冷却ガス流量調整部とを備え、演算処理部では、冷却ガス流量を算出する演算式が所定の境界温度より高温側と低温側とでそれぞれ異なるように設定され、高温側の演算式によって算出される冷却ガス流量は加熱炉が破損しない程度とされることを特徴としている。
本発明では、温度プログラムの時間の経過にしたがって適切な冷却ガス流量が求められ、冷却ガス流量調整部へ信号を出力し、冷却ガス流量調整部が調整されて所定量の冷却ガスが加熱炉に供給されて冷却することができる。そして、プログラム温度が所定の境界温度より高温領域となるときには、加熱炉が破損しない程度の少量の冷却ガス流量を加熱炉に供給することで自然冷却よりも速く冷却することができる。また、所定の境界温度より低温領域のときには、多量の冷却ガス流量を加熱炉に供給することができる。
【０００６】
また、本発明に係る熱分析装置では、プログラム温度で境界温度より高温側の演算式が第一演算式をなし、低温側の演算式が第二演算式をなし、第一演算式と第二演算式とのそれぞれから求められる冷却ガス流量曲線が、微分連続性をなす第三演算式から求められる冷却ガス流量曲線によって接続されていることが好ましい。
本発明では、第一演算式と第二演算式とのそれぞれから求められる冷却ガス流量曲線が、微分連続性をもった第三演算式に基づく冷却ガス流量曲線によって緩やかに連続して接続するため、急な温度変化のない冷却を実現できることから、温度制御部におけるヒータの温度制御を精度よく行なうことができ、正確な測定データを得ることができる。
【０００７】
また、本発明に係る熱分析装置では、境界温度は、６００〜８００℃であることが好ましい。
本発明では、６００〜８００℃の温度範囲を加熱炉が破損しない程度と設定し、この境界温度より高温側の場合と同じく低温側の場合とで冷却ガス流量を変えて加熱炉に供給することができる。
【０００８】
また、本発明に係る熱分析装置では、境界温度は、７００℃であることが好ましい。
本発明では、７００℃を加熱炉が破損しない程度と設定し、この境界温度より高温側の場合と同じく低温側の場合とで冷却ガス流量を変えて加熱炉に供給することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱分析装置によれば、プログラム温度が境界温度より高温領域のときには少量の冷却ガス流量で加熱炉に流し、境界温度より低温領域のときには多量の冷却ガス流量で加熱炉に流すことができる。したがって、境界温度より高温領域において、加熱炉が破損しない程度の冷却ガスを加熱炉に供給することで自然冷却よりも速く冷却することができる。そのため、冷却ガスを供給する加熱炉の温度範囲が広くなり、より広範囲な測定を行うことができるといった効果を奏する。
また、境界温度より高温側では、冷却によって加熱炉が破損しない程度の冷却ガス流量が演算処理部で計算されるため、従来のように急冷することによって加熱炉を破損させてしまうようなことをなくすことができる。
しかも、温度プログラムに基づいて好適な冷却ガス流量を加熱炉に供給することができることから、精密な温度制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態による熱分析装置について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による熱分析装置の全体概要を説明するブロック図、図２は温度プログラム設定器で設定される温度プログラムを示す図、図３はプログラム温度と空気流量の関係を示すグラフである。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態による熱分析装置は、温度変化によって物質に起こる物性変化（構造相転移、熱変性、融解、結晶化等）を検出するために熱分析を行って熱の出入りの量を測定することができる示差走査熱量計や、物質の重量変化を検出する熱天秤装置などの熱分析装置１に採用されるものである。
【００１２】
先ず、本実施の形態による熱分析装置１の概略構成について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施の形態による熱分析装置１は、測定対象となるサンプルＭ（試料）と熱的に不活性な基準物質をなす基準サンプル（図示省略）とを収容させるための加熱炉２と、その加熱炉２の温度を上昇させるためのヒータ３とを備えている。そして、ヒータ３を温度調節することで加熱炉２の温度を上昇或いは下降させながら、サンプルＭと基準サンプルとの温度差を検出することにより、単位時間当たりにサンプルＭに出入りする熱流量が測定される。
【００１３】
さらに、熱分析装置１は、加熱炉２内の温度を計測する温度センサ４（温度検出器）と、温度プログラムＰ（図２参照）を設定できると共に温度プログラム信号を出力する温度プログラム設定器５と、温度プログラム設定器５、温度センサ４及びヒータ３に接続されていて温度プログラム信号及び温度センサ４の検出信号の差に応じてヒータ３への供給電力を調節する温度制御部６と、温度プログラムＰのプログラム温度に対応する空気流量（冷却ガス流量）を算出する演算処理部７と、演算処理部７を介して温度プログラム設定器５に接続され、演算処理部７の信号に応じて加熱炉２内に供給する空気流量を調整するマスフローコントローラ８（冷却ガス流量調整部）とから概略構成されている。
【００１４】
図１に示す加熱炉２は、高温用炉体をなし、例えば最高２０００℃程度まで加熱温度を上昇させて用いることができる。また、ヒータ３は、上述したように加熱炉２を加熱するための加熱手段であり、例えば加熱炉２の側面周囲を囲むようにコイル状に配置された電熱ヒータなどを採用することができる。
【００１５】
そして、加熱炉２内のヒータ３及び温度センサ４は、温度制御部６を介して温度プログラム設定器５に接続されている。温度制御部６は、温度プログラム設定器５の温度プログラムＰの出力信号と温度センサ４の出力信号の差（温度差信号）に応じてヒータ３への供給電力を調節するように制御するものである。
【００１６】
さらに、温度制御部６の働きについてさらに詳しく説明する。図１に示す温度制御部６は、温度プログラム設定器５と温度センサ４の温度差信号に対し、周知のＰＩＤ（比例・積分・微分）制御演算の結果として得られた電力値をヒータ３にフィードバックすることにより、加熱炉２が温度プログラム設定器５に設定した温度プログラムＰに追従するように精密に温度制御するものである。つまり、加熱炉２の温度が温度プログラムＰで設定された温度よりも低くなると、ヒータ３による加熱量を増加させ、加熱炉２の温度が高すぎると加熱量を減少させる。そして、この加熱炉２の温度を室温よりも低い温度まで低下させたり、急速に温度を降下させる場合には、マスフローコントローラ８を用いて加熱炉２内に空気を供給して空冷することができる（詳しくは後述する）。
また、温度制御部６による加熱炉２の温度制御は、マスフローコントローラ８の動作の有無にかかわらず常に行われ、低温から高温（例えば本実施の形態では最高２０００℃程度）までの広い範囲で温度制御がなされる。
【００１７】
図１に示す温度プログラム設定器５は、時間の経過と共に加熱炉２内の温度を変化（上昇或いは下降）させる温度パターン（すなわち、図２に示す「温度プログラムＰ」）を設定でき、温度プログラム設定器５からはプログラム設定された温度信号を出力するものである。
ここで、図２に示す温度プログラムＰは、横軸に時間Ｓと、縦軸にプログラム温度Ｔ（℃）とで構成され、時間に対して定められた温度変化を示し、サンプルＭを測定するための目標値をなしている。すなわち、本熱分析装置１では、温度プログラムＰに追従するように温度制御部６及びマスフローコントローラ８が制御されることになる。なお、図２に示す温度プログラムＰは、サンプルＭの測定に対する温度上昇、下降の一例であって、測定条件などによって測定者によって任意に設定することができる。
【００１８】
図１に示すように、マスフローコントローラ８は、温度プログラム設定器５に接続され、温度プログラム設定器５（正確には演算処理部７）の出力信号に応じてガス供給部９から供給される空気流量を調節して、加熱炉２内に供給するものである。ここで、熱分析装置１には、ガス供給部９からマスフローコントローラ８を介して加熱炉２内にガスを供給するためのガス管路１０が配設されている。
【００１９】
なお、ガス供給部９とは例えば空気圧縮機などであり、ガス供給部９から送出される圧縮空気はガス管路１０を通じて加熱炉２内に送り込まれる。そして、加熱炉２には空気排出口２ａが設けられている。
このようにガス供給部９に空気圧縮機を採用し、電力のみで供給可能なコンプレッサーによる圧縮空気を冷却源に使用することで、例えば液化窒素などの冷媒をタンクへ補給する必要がなくなる。さらに、詳しくは後述するが、空冷の場合は、低温をなす冷媒と比較して常温となることから、高温度領域（例えば７００℃より高い温度）であっても加熱炉２を破損させるような熱的な影響を少なくした冷却を行うことができる。しかも、空冷による冷却制御は、冷媒のように温度差が大きくないので、温度制御がし易くなるといった効果を奏する。
【００２０】
また、マスフローコントローラ８は、デジタル制御により高精度で制御が可能な流量制御弁（図示省略）を有し、詳しくは後述するが演算処理部７で設定される温度プログラムＰのプログラム温度Ｔ（℃）に対応する空気流量の出力信号にしたがって、流量制御弁を調整する構成となっている。
なお、温度プログラム設定器５、演算処理部７とマスフローコントローラ８の制御は、オープンループ制御とされ、加熱炉２内の温度が演算処理部７やマスフローコントローラ８にフィードバックして制御されるものではない。
【００２１】
次に、演算処理部７の構成などについて図面に基づいて説明する。
図１に示すように、演算処理部７は、温度プログラム設定器５に接続され、温度プログラムＰ（図２参照）のプログラム温度Ｔ（℃）に対応したガス供給部９から送出される空気流量を算出し、算出された空気流量の出力信号をマスフローコントローラ８に送信して制御する制御装置である。
具体的には、演算処理部７において、温度プログラム設定器５から入力されるプログラム温度Ｔに対応した空気流量Ｑを算出するための演算式（関数）、すなわち温度と冷却速度とをパラメーターにした演算式が設定される。図３は、その演算式に基づいてプログラム温度Ｔ（℃）と空気流量Ｑとの関係をグラフ化したものである。ここで、このグラフを空気流量曲線とし、符号Ｒとする。
【００２２】
この空気流量曲線Ｒは、加熱炉２を空冷するために温度プログラムＰのプログラム温度に従って適切な空気流量を算出するためのものであり、７００℃を境界温度Ｔ０とし、この境界温度Ｔ０より高温側の温度領域と、境界温度Ｔ０より低温側の温度領域とは異なる演算式で設定されている。
つまり、境界温度Ｔ０より高温の場合には加熱炉２が割れて破損しない程度のわずかな空気流量となる第一演算式Ｒ１で表され、境界温度Ｔ０より低温の場合には例えばプログラム温度の低下と共に空気流量が増加するような二次曲線をなす第二演算式Ｒ２で表される。さらに、第一演算式Ｒ１と第二演算式Ｒ２とのそれぞれから求められる空気流量曲線同士は、境界温度Ｔ０付近、或いは両空気流量曲線の変化点において、微分連続性を有する関数をなす第三演算式Ｒ３から求められる空気流量曲線により連続性をもった緩やかな曲線で接続されている。
ここで、境界温度Ｔ０（略７００℃）は、加熱炉２のセラミック炉心に熱的影響を与える温度とされる。
【００２３】
これにより、プログラム温度が境界温度Ｔ０より高温領域（例えば図３に示す温度Ｔ１）のときには少量の空気流量（Ｑ１）で加熱炉２に流し、境界温度Ｔ０より低温領域（例えば図３に示す温度Ｔ２）のときには多量の空気流量（Ｑ２）で加熱炉２に流すことができる。したがって、本熱分析装置１では、７００℃より高い温度から７００℃までの温度領域にある加熱炉２を自然冷却よりも速く冷却することができると共に、温度プログラムＰに基づいて好適な空気流量を加熱炉２に供給して温度制御することができる。
【００２４】
さらに、境界温度Ｔ０付近では、第一演算式Ｒ１と第二演算式Ｒ２とのそれぞれから求められる空気流量曲線が、微分連続性をもった第三演算式Ｒ３に基づく空気流量曲線によって緩やかに連続して接続するため、急な温度変化のない冷却を実現できることから、温度制御部６におけるヒータ３の温度制御を精度よく行なうことができ、正確な測定データを得ることができる。
このようにプログラム温度に対応する空気流量曲線Ｒを設定することにより、温度プログラムＰの時間の経過に伴う適切な空気流量Ｑが求められ、マスフローコントローラ８へ信号を出力し、マスフローコントローラ８が調整されて所定量の圧縮空気が加熱炉２に供給されて空冷される。
【００２５】
次に、本実施の形態による熱分析装置１の動作について図１乃至図３に基づいて説明する。
先ず、図２に示す所望の温度プログラムＰを温度プログラム設定器５（図１参照）に設定しておく。温度プログラム設定器５を動作させると、温度プログラム設定器５より温度信号が出力される。温度プログラムＰによる温度信号が温度上昇となる場合（図２に示す符号Ｐ１）では、ヒータ３の働きにより加熱炉２の温度は７００℃から時間Ｓ１で温度Ｔ３となる。
【００２６】
そして、ある所定時間が経過して温度プログラムＰによる温度信号が温度下降となった場合（図２に示す符号Ｐ２）には、ヒータ３は作動状態を維持して加熱炉２の温度管理を行うと共に、温度プログラム設定器５の温度信号が演算処理部７に入力される。そして、このとき、温度Ｔ３から７００℃までの温度領域では演算処理部７において図３に示す第一演算式Ｒ１に基づき、７００℃から温度Ｔ４までの温度領域では同じく第二演算式Ｒ２に基づいて計算された空気流量の信号がマスフローコントローラ８に出力され、所定量の空気が加熱炉２に供給されて空冷されることになる。そして時間Ｓ２の温度Ｔ４以降における温度プログラムＰの温度上昇、下降については、上述と同様の動作によりマスフローコントローラ８が制御される。
【００２７】
上述のように本実施の形態による熱分析装置では、プログラム温度Ｔが境界温度Ｔ０より高温領域のときには少量の空気流量で加熱炉に流し、境界温度Ｔ０より低温領域のときには多量の空気流量で加熱炉２に流すことができる。したがって、境界温度Ｔ０より高温領域において、加熱炉２が破損しない程度の空気を加熱炉２に供給することで自然冷却よりも速く冷却することができる。そのため、空気を供給する加熱炉２の温度範囲が広くなり、より広範囲な測定を行うことができるといった効果を奏する。
また、境界温度Ｔ０より高温側では、冷却によって加熱炉２が破損しない程度の空気流量が演算処理部７で計算されるため、従来のように急冷することによって加熱炉を破損させてしまうようなことをなくすことができる。
しかも、温度プログラムＰに基づいて好適な空気流量を加熱炉２に供給することができることから、精密な温度制御を行うことができる。
【００２８】
以上、本発明による熱分析装置の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では７００℃を境界温度Ｔ０としているが、この７００℃に数値限定されるものではなく、その境界温度Ｔ０の温度領域に所定の範囲をもたせることができる。例えば、境界温度Ｔ０を６００〜８００℃の範囲であってもかまわないとされる。
また、本実施の形態ではデジタル制御が可能なマスフローコントローラ８を用いて空気流量を制御しているが、周知の流量制御弁を用いてその開閉量を制御するようにしてもよい。
さらに、本実施の形態では冷却方法として圧縮空気による空冷方式を採用しているが、これに限定されることはなく、例えば液化窒素などの冷却ガスを使用するようにしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態による熱分析装置の全体概要を説明するブロック図である。
【図２】温度プログラム設定器で設定される温度プログラムを示す図である。
【図３】プログラム温度と空気流量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１  熱分析装置
２  加熱炉
３  ヒータ
４  温度センサ（温度検出器）
５  温度プログラム設定器
６  温度制御部
７  演算処理部
８  マスフローコントローラ（冷却ガス流量制御部）
９  ガス供給部
Ｐ  温度プログラム
Ｍ  サンプル
【図１】
2008058019.tif 000003
【図２】
2008058019.tif 000004
【図３】
2008058019.tif 000005