(57)【要約】  本発明は、Ｘ線回折測定のために、平坦な試料（６）、特にパウチバッテリセルを挟み込むためのデバイス（１）に関し、上記デバイスは：上記試料（６）を挟み込むために互いに対して張設可能な保持要素（５）を備える試料ホルダ（４）を有する、ハウジング（２）；Ｘ線を入射及び出射させるための、少なくとも２つのＸ線ウィンドウ（１１ａ、１１ｂ、１２）；並びに上記試料（６）を温度調節するための、少なくとも１つの第１の温度調節デバイス（７）を備える。上記保持要素（５）には、それぞれ少なくとも１つの第１の温度調節デバイス（７）が取り付けられ、ここで上記第１の温度調節デバイス（７）はハウジング（２）と熱結合され、また上記デバイスは、少なくとも１つの第２の温度調節デバイス（９）を備え、上記第２の温度調節デバイス（９）は、上記第１の上記温度調節デバイス（７）から上記ハウジング（２）へ放出される熱を、上記ハウジング（２）から外部へ放散させる、及び／又は外部からの熱を上記ハウジング（２）内に導入するよう構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線回折測定のために、平坦な試料（６）、特にパウチバッテリセルを挟み込むためのデバイス（１）であって、
前記デバイスは：
前記試料（６）を挟み込むための保持要素（５）を備える試料ホルダ（４）を有するハウジング（２）であって、各前記保持要素（５）には、Ｘ線を通過させるための切り欠き部（１２ａ、１２ｂ）が設けられる、ハウジング（２）；
Ｘ線を入射及び出射させるための、少なくとも２つのＸ線ウィンドウ（１１ａ、１１ｂ）；並びに
前記試料（６）を温度調節するための、少なくとも１つの第１の温度調節デバイス（７）
を備え、
前記温度調節デバイス（７）は、前記ハウジングと熱結合され、
前記デバイスは、少なくとも１つの第２の温度調節デバイス（９）を備え、前記第２の温度調節デバイス（９）は、前記第１の上記温度調節デバイス（７）から前記ハウジング（２）へ放出される熱を、前記ハウジング（２）から外部へ放散させる、及び／又は外部からの熱を前記ハウジング（２）内に導入するよう構成される、デバイス（１）において、
前記保持要素（５）はプレート状に設計され、前記試料（６）を挟み込むための互いに対向する接触面を有し、
前記保持要素（５）の、各前記接触面に背向する側部には、それぞれ少なくとも１つの前記第１の温度調節デバイス（７）が取り付けられ、
前記保持要素（５）を相互に張設するためのばね機構が設けられる
ことを特徴とする、デバイス（１）。
【請求項２】
前記保持要素（５）は、平行に配設されたプレートとして設計されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記試料ホルダ（４）は、熱分離要素（１０）を用いて前記ハウジング（２）内に固定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２の温度調節デバイス（９）は、前記ハウジング壁部（３）への熱の供給及び／又は前記ハウジング壁部（３）からの熱の放散のための能動的及び／又は受動的手段を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
温度制御デバイス（２０）を特徴とし、
前記温度制御デバイス（２０）は、前記第１の温度調節デバイス（７）及び／又は前記第２の温度調節デバイス（９）と動作可能に接続され、また前記第１の温度調節デバイス（７）及び／又は前記第２の温度調節デバイス（９）を操作又は調整することによって前記試料（６）の温度を調節する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
ａ）前記第２の温度調節デバイス（９）は、能動的及び／若しくは受動的な空気による温度調節のための手段を備え、前記温度制御デバイスは、前記第１の温度調節デバイス（７）のエネルギ供給を調整することによって、前記試料（６）の温度を調整できるように構成されること；並びに／又は
ｂ）前記第２の温度調節デバイス（９）は、液体による温度調節を備え、前記温度制御デバイスは、温度調節液の温度の調整によって、前記試料の温度を調整できるよう構成され、ここで前記第１の温度調節デバイス（７）は好ましくは一定の電圧で動作すること
を特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
複数の前記第２の温度調節デバイス（９）が、前記ハウジング壁部（３）上及び／又は前記ハウジング壁部（３）内に設けられ、
少なくとも１つの前記第２の温度調節デバイス（９）はそれぞれ、１つの前記第１の温度調節デバイス（７）と前記ハウジング（２）との間の熱結合領域に配置される
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の温度調節デバイス（７）は、少なくとも１つのペルチェ素子を備え、
ここで好ましくは、複数の前記ペルチェ素子が直列に接続される
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ハウジング（２）は、環境に対して気密封止可能であり、
前記ハウジング内に作動ガスを導入するための少なくとも１つの入口を備える
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記デバイスは、前記温度調節デバイスが極低温冷媒なしで作動するように設計されることを特徴する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
Ｘ線回折測定のために、平坦な試料（６）、特にパウチバッテリセルを挟み込むための、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のデバイス（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線回折測定のために、平坦な試料、特にパウチバッテリセルを挟み込んで、所与の目標値に正確に温度調節（加熱及び冷却）するためのデバイスに関する。本デバイスは：上記試料を挟み込むために互いに対して張設可能な保持要素を備える試料ホルダを有する、ハウジング；Ｘ線を入射及び出射させるための少なくとも２つのＸ線ウィンドウ；並びに上記試料を温度調節するための少なくとも１つの第１の温度調節デバイスを含む。更に本発明は、バッテリセル、特にパウチバッテリセルの充電状態を非破壊決定するための、試料を挟み込むための上記デバイスの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオンバッテリ又はリチウムイオン蓄電池は、電気エネルギ貯蔵器の中で、モバイル利用のために現在最も広く普及しているバリエーションである。リチウムイオンセルは大抵蓄電池として、現在世界中で、好適にはとりわけコンシューマ向け機器（携帯電話、カメラ、ラップトップ、及び自動車）における蓄電池としては、リチウムイオンセルが多くの場合に使用され、これは高い比エネルギを特徴とする。パウチバッグセルとも呼ばれるパウチセルは、リチウムイオン蓄電池の広く普及している構造形態として知られている。この蓄電池では、積層された又は折り畳まれた活性層が、通常はアルミニウムでコーティングされた柔軟なポリマーフィルムで囲まれ、製造終了時に真空化される。その際セル層は圧縮されて固定されるが、通常は柔軟なままである。外側の接続電極だけが、袋状のセル包装から出ている。パウチセルは、カソード、アノード、セパレータ、電解質、及び導電体のような、バッテリに必要なすべての要素を含有する。外側の薄い包装は、市販のＸ線回折計のＸ線強度で容易に貫通できる。
【０００３】
性能の良いバッテリを開発するために、充電サイクル中及び放電中の内部プロセスについての知識が決定的に重要となる。これらのプロセスを正確に研究するために、Ｘ線回折測定のようないわゆるインサイチュ検査法が使用され、この方法では、Ｘ線を利用して、試料の結合の種類、結晶構造、及び存在する相の種類に関する記述を作成できる。生成されたＸ線はバッテリ試料内へと入射し、その際に結晶構造又は準結晶構造によって回折する。回折放射線散乱角及び強度を測定することによって、結晶内の電子密度の三次元画像を生成できる。この電子密度から、結晶内の原子の平均位置と、その化学結合、格子欠陥及び他の情報とを決定できる。ブラッグの方程式によって、格子間の距離に関する記述を作成できる。これによって、バッテリ材料の充電状態に応じて、相の比率を定量的に決定できる。
【０００４】
Ｘ線回折測定では、試料内で散乱して角度２θで出射するＸ線光線は、出口側のＸ線光線に対する感受性を有するセンサ、即ち検出器によって検出される。測定された放射線強度は、放射線源と試料と検出器との間の角度（２θの角度）に対して、（１次元の）回折図にプロットされる。リチウムイオンバッテリのような蓄電池の充電及び放電時には、リチウムイオンの蓄積及び放出によって、アノード材料及びカソード材料の原子面の距離が変化するため、ブラッグ反射の位置が変化し、これをＸ線回折によって測定できる。
【０００５】
しかしながら、バッテリの充電サイクルは常に温度の変化を伴うため、この要因を考慮する必要がある。
【０００６】
有意義な分析を行うために、特にインサイチュ検査の際に、一定の周囲条件を確実に維持しなければならない。「オペランド」検査（バッテリの充電及び放電）のコンテキストでは、所与の目標温度の維持は、定性的記述にとって極めて重要である。電子モバイル機器のためのバッテリ開発の際に特に関心が高いのは、実際の周囲温度（夏／冬）での充電挙動である。この場合、バッテリを所与の目標温度に調節する温度調節デバイスが特に重要である。
【０００７】
特許文献１から、バッテリの回折測定検査のための試料キャリアが公知である。試料キャリアは、ホイール状の構造として設計されており、検査対象のバッテリがはめ込まれる凹部を備える。凹部は、放射線入射のための中央開口部を備える蓋状の閉鎖要素で閉鎖される。凹部の底部には、放射線射出のための開口部がある。しかしながらこのデバイスは、ボタンセルバッテリ（コインセル）に限定されている。コインセルは、非常に強いＸ線（シンクロトロン放射）又は中性子放射しか貫通できない、がっしりとした金属ハウジングを有するバッテリである。従って上記デバイスの使用は、上述のような放射線源を提供する、世界中にわずかしか存在しない大規模研究施設に限定される。試料の温度依存測定を実施するために、特許文献１ではペルチェ素子を使用している。ペルチェ素子は、電流が流れるとペルチェ効果に基づいて温度差を生成する電熱変換器であり、上記温度差を構成部品の温度調節、すなわち加熱及び冷却に使用できる。ペルチェ素子は、ホイール状のキャリア構造の内壁とバッテリとの間に設けられており、バッテリの温度を調節する。特許文献１から公知の加熱／冷却装置は、検査対象のバッテリに直接作用するが、充電サイクルのバッテリの温度変化は、上記バッテリを取り囲むハウジングにも直接作用するため、ペルチェ素子による冷却時にもバッテリの温度が一定のままとなることを保証できない。特に高出力の蓄電池の場合に、所与の目標温度の維持が困難であることが分かる。
【０００８】
特許文献２から、円形で断面がダブルＴ字形の試料ホルダを備える、試料のための熱分析デバイスが公知である。この試料ホルダは、上側水平部分及び下側水平部分を備え、これらの水平部分は、試料の保持する役割を果たす垂直接続部分によって互いに接続されている。試料は固定要素によって垂直接続部分に固定される。試料ホルダはハウジング内に受容されており、上記ハウジングは、Ｘ線を通貨させるための２つの開口部を側部に備える。試料ホルダの上側及び下側は、ハウジングの内壁から離間しており、ハウジングとともにガス室を形成する。ガス室内の試料ホルダの外側に加熱要素が設けられる。
【０００９】
特許文献３は、第１及び第２のハウジング部品を有する、Ｘ線検査のための温度制御されたチャンバについて記載している。第１のハウジング部品は試料テーブルを備え、その上側に試料が載置される。試料の下方には、試料の加熱又は冷却のための、ペルチェ素子の形態の温度調節デバイスが設けられる。第２のハウジング部品は、片側が開いたチャンバを備え、その中に第１のハウジング部品の試料テーブルが挿入される。ハウジング部品が互いに接続されている場合には、試料テーブルは、第２のハウジング部品のチャンバ内において、チャンバ壁部内に形成されたＸ線ウィンドウ下に配置されており、このＸ線ウィンドウを通ってＸ線が試料内に到達する。Ｘ線は反射され、ウィンドウを通ってチャンバから出射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許第１０２０１４２１１９０１号
【特許文献２】特開平０６‐１１８０３９号
【特許文献３】米国公開特許第２０１５／００７１４０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、所与の目標温度を維持しながら、バッテリセル、特にパウチバッテリセルの充電状態を分析できるようにすることである。
【００１２】
本発明が基礎とする課題は、請求項１の特徴を有するデバイスとその使用法とによって解決される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、各保持要素は、少なくとも１つの第１の温度調節デバイスを備え、上記第１の温度調節デバイスは、各上記保持要素に配設されるか又は取り付けられ、上記保持要素と熱伝達接続される。上記少なくとも１つの第１の温度調節デバイスは、ハウジングと熱結合されており、上記ハウジングと熱伝達接続される。上記第１の温度調節デバイスの他に、少なくとも１つの第２の温度調節デバイスが設けられ、上記第２の温度調節デバイスは、上記第１の温度調節デバイスから上記ハウジングへ放出される熱を、上記ハウジングから外部へ放散させる、及び／又は外部からの熱を上記ハウジング内に導入するように構成される。これにより、バッテリの充電によって生成された熱を、上記保持要素から上記第１の温度調節デバイスへと放散し、上記ハウジングへの付加的な熱ブリッジを介してハウジング壁部へ誘導して、上記ハウジング壁部において、上記第２の温度調節デバイスが上記熱を効果的に放散できる。
【００１４】
好ましくは、上記第１の温度調節デバイスは、上記ハウジングに対して内部の温度調節デバイスであり、すなわち上記試料ホルダ及び上記第１の温度調節デバイスは上記ハウジング内に収容され、また上記第２の温度調節デバイスは外部の温度調節デバイスであり、すなわち上記ハウジングの外側に、及び／又は少なくとも一部が上記ハウジング壁部の外側に、取り付けられる。
【００１５】
「温度調節（Ｔｅｍｐｅｒｉｅｒｅｎ）」という言葉は、本発明の主旨において、上記第１及び第２の温度調節デバイスが、冷却若しくは加熱のため、又は必要に応じて冷却及び加熱のために配設されることとして理解されるものとする。
【００１６】
本発明を用いて、選択的に調節可能な温度の試料の非破壊分析、並びに試料がバッテリである場合には、電子モバイル機器の分野において特に重要な、充電サイクル及び放電サイクル中の上記バッテリの特性の分析が可能である。提供される効果的な熱管理によって、バッテリの実際の使用条件を選択的に調整できる。これは、分析結果の質を高めるのに貢献する。
【００１７】
本発明は、検査対象の試料がいわゆる放射線技術で検査されるように構想されている。これにより、Ｘ線で透視される試料のすべての構成要素についての知見が同時に得られる。本発明に係るデバイスは、Ｘ線回折計と接続された状態で無制限に使用可能であり、Ｘ線がＸ線ウィンドウを通って入射し、試料を貫通して、別のＸ線ウィンドウを通って出射して検出器に当たるように、Ｘ線エミッタ（Ｘ線管）と検出器との間に配置される。
【００１８】
特許文献１から公知のデバイスとは対照的に、本発明は、産業及び研究において材料分析のために一般的に使用される、広く普及した市販のＸ線回折計にも使用できる。特に、本発明は、上述のような設備内で利用可能な限定的なスペースを考慮する。これにより、市場に存在するあらゆるタイプの機器に適応できる。本発明の更なる実施形態によると、本デバイスに連結された調整デバイスが設けられ、上記調整デバイスは、本デバイスに受承される試料の位置を、３つの空間軸に沿って変更するように適合される。
【００１９】
本発明の更なる実施形態によると、上記保持要素は、好ましくは平行に配設されたプレートとして設計される。それによって本デバイスは、上記保持要素の間に受承できる平坦な試料の検査に特に好適となる。これにより、本発明に係るデバイスは、特にパウチバッテリセルの分析及びリチウムイオン蓄電池の検査に有利となる。この場合、上記保持要素のプレート状の設計により、可能な限り大きな接触面が形成され、これによって熱交換が大幅に促進される。不均一な試料の熱接触は、柔軟な熱伝導性フィルム若しくはパッド、又はその他の詰め物を上記試料と上記保持プレートとの間に挿入することによって、最適化できる。
【００２０】
本発明は、バッテリの形態の試料に限定されるものではなく、あらゆる他の平坦な試料を温度調節し、同時にＸ線によって特性決定することを可能にする。試料ホルダは、シンクロトロン放射線源及びニュートロン放射線源にも使用できるように設計される。平坦な試料の厚さに関する限定的な因子は材料組成のみであり、所与の厚さにおいて、使用される放射線が上記材料組成を貫通できなければならない。
【００２１】
好ましくは、上記第１の温度調節デバイスは、上記保持要素の、上記保持要素の互いに背向する側部上に取り付けられる。換言すれば、上記保持要素は、上記試料を把持するための互いに対向する接触面を有する。各上記保持要素の、上記接触面に背向する側部には、少なくとも１つの上記第１の温度調節デバイスが設けられる。上記第１の温度調節デバイスの、上記試料に背向している反対側の側部は、外側の上記ハウジングと熱結合され、これにより、移送された熱を上記ハウジングへと伝達する。ここで接触は、直接的に、又は高い熱伝導率を有する熱伝達要素を介して、形成できる。好ましくは、上記熱伝達要素は、上記ハウジング壁部よりも高い熱伝導率を備える。
【００２２】
本発明の更なる実施形態によると、上記ハウジングは、上記ハウジング壁部が少なくとも１つの開口部又はウィンドウを備え、上記開口部又はウィンドウに上記熱伝達要素がはめ込まれることによって、上記熱伝達要素が上記第１及び第２の温度調節デバイスに連結されるように、構成される。これにより、上記第１の温度調節デバイスと上記第２の温度調節デバイスとの間の熱移送を、より直接的に実施できる。従って、例えばハウジング内側では、上記第１の温度調節デバイスが上記熱伝達要素に当接でき、他方で外側では、上記第２の温度調節デバイスが上記熱伝達要素に当接する。
【００２３】
好ましい実施形態によると、上記第１の温度調節デバイスとして、１つ以上のペルチェ素子を設ける。ペルチェ素子はその構造形態が小型であり、広い温度領域を高い温度安定性でカバーする。ペルチェ素子によって生成される熱又は冷気は、上記試料に効果的に供給できる。冷却する場合には、上記試料からエネルギが連続的に奪われ、システム全体から運び去られる。この目的のために、本発明によると、好ましくは空冷又は水冷に基づく上記第２の温度調節デバイスが使用される。
【００２４】
更なる実施形態によると、内部の上記試料ホルダ要素は、高い熱伝導率を備える。高い熱伝導率と見なすことができるのは、特に少なくとも２００Ｗ／（ｍ・ｋ）の熱伝導率である。これにより、温度は試料面全体にわたって迅速かつ均等に分散され、温度勾配が最小限に抑えられる。上記保持要素は、例えばアルミニウムからなる金属プレートであることが好ましい。上記第１及び第２の温度調節デバイスの領域における上記ハウジング又は少なくとも上記ハウジング壁部もまた、金属からなることが好ましい。
【００２５】
本発明の更なる実施形態によると、上記保持要素はばね付きであるか、又は上記保持要素を相互に張設するための手段が設けられる。これにより、上記保持要素は、「試料との熱交換」の機能と「ハウジング内での試料の固定」の機能とを有利に統合する。追加の別個の固定手段を省略でき、上記ハウジングをコンパクトにすることができる。このようにして、上記試料を２つの上記保持要素内に任意に配置できるため、異なる位置の試料を分析できる。
【００２６】
更なる実施形態によると、上記試料ホルダは、熱分離要素を用いて上記ハウジング内に固定され、従って上記試料ホルダと上記ハウジングとの間の直接的な熱伝達は発生せず、上記第１の温度調節デバイスを介してのみ発生する。この目的のために、上記試料ホルダは上記ハウジング内においてねじを用いて固定でき、上記ねじの下にはセラミックディスクが敷かれ、また上記ねじはセラミックスリーブ内にガイドされ、これにより、外側の上記ハウジングと内側の上記試料ホルダとの間の熱ブリッジを防止する。
【００２７】
一般的に、上記試料ホルダは、上記外側ハウジング内に収容される内側ハウジングとして設計でき、ここで上記第１の温度調節デバイスは上記外側ハウジングに連結され、上記第２の温度調節デバイスは、上記ハウジングから又は上記ハウジング内へと熱を移送できる。
【００２８】
更に、上記試料ホルダ（内側ハウジング）と上記外側ハウジングの内側のハウジング壁部との間の空隙又は自由空間は、上記ハウジングと上記試料ホルダとの間の直接的な熱伝達を最小限に抑えて、上記第１の温度調節デバイスに集中させる役割を果たすことができる。当然のことながら、上記試料ホルダと上記ハウジングとの間の他の適切な熱分離要素及び／又は熱分離手段も可能である。
【００２９】
本発明の更なる実施形態によると、本デバイスは、好ましくは上記外側ハウジングの上記ハウジング壁部に及び／又は上記ハウジング壁部内に配設された、複数の第２の温度調節デバイスを備える。
【００３０】
上記第２の温度調節デバイスは、上記外側ハウジング壁部又は上記外側ハウジングの上及び／又は中において、それぞれが上記第１の温度調節デバイスのうちの１つに割り当てられる、即ち互いに対向するように、空間的に設けることができる。ここで、少なくとも１つの上記第２の温度調節デバイスはそれぞれ、上記第１の温度調節デバイスと上記外側ハウジングとの間の熱結合領域に配置される。これは、１つの第２の温度調節デバイスが、１つの第１の温度調節デバイスと上記ハウジング壁部とが熱伝達接触する領域内に配置されることを意味する。換言すれば、１つの第１の温度調節デバイス及び１つの第２の温度調節デバイスは、上記第１及び第２の温度調節デバイスが共通のハウジング壁部セクションに割り当てられ、上記共通のハウジング壁部セクションによって互いから隔てられるように、位置決めできる。従って上記第１及び第２の温度調節デバイスは、これらそれぞれの熱移送又は熱交換が主に上記共通のハウジング壁部セクションを介して発生するように配設される。上記第２の温度調節デバイスは、上記第１の温度調節デバイスが多量の熱を上記試料に供給する及び／又は上記試料から放散する必要がある場合に、上記第１の温度調節デバイスを効果的に支援できる。
【００３１】
本発明の更なる実施形態によると、上記第２の温度調節デバイスは、上記ハウジング壁部への熱の供給及び／又は上記ハウジング壁部からの熱の放散のための能動的及び／又は受動的手段を備える。例えば自由な対流を基づくものであってよい受動的冷却のための可能な手段として、冷却リブ、ラジエータ、又は類似の手段が問題となる。能動的温度調節のためには、ファン又は液体ポンプを用いて熱エネルギを移送できる。例えば上記ハウジング壁部は、水又は気体のような温度調節媒体が流通する、温度調節導管又は温度調節流路を備えてよい。これらの第２の温度調節デバイスは、温度調節回路、例えば冷却水回路に組み込み可能であってよい。複数の第２の温度調節デバイスはそれぞれ、固有の温度調節回路に接続できる。しかしながら、更なる実施形態によると、複数の第２の温度調節デバイスは、１つの共通の温度調節回路に接続される。上記第２の温度調節デバイスは、上記ハウジングの外側に取り付けることができ、又は少なくとも一部を上記ハウジング壁部内に組み込むこともできる。
【００３２】
本発明の更なる実施形態は、上記第２の温度調節デバイスに関して、能動的温度調節と受動的温度調節との組み合わせを提供する。例えば、ファンと冷却リブとを併用することによって、例えば能動的／受動的な空気による温度調節を実装できる。
【００３３】
本発明に係るデバイスは、寒剤（極低温の液体若しくは気体）なしで、又は他の特別な冷却液なしで作動できる。その代わりに、上記第２の温度調節デバイスでは、単なる水を（例えば水回路の形態で）使用できる。本デバイスでは、いわゆるペルチェ素子の熱電効果を利用する。研究により、本発明が以下の３つの物理的プロセスを同時に実行できることが示されている：
１．平坦な試料を−４０℃〜＋６０℃の範囲内の所与の目標値に温度調節すること。ペルチェ素子をベースとした第１の（内部）温度調節デバイスによって実現される。熱エネルギの供給及び放散は、空冷又は水冷をベースとした第２の（外部）温度調節デバイスによって実現される。
２．バッテリのような電気的にアクティブな試料の場合の、電荷移送、容量、内部抵抗、電流、電圧等といったあらゆる電気的パラメータの同時使用（これは例えばバイポテンショスタットへの接続可能性によって実現される）中の、電流及び電圧（充電／放電）の（オペランド）サイクル化。
３．Ｘ線の入射及び射出ウィンドウによって、並びに試料を張設要素及び調整手段で保持することによって実現される、Ｘ線回折を使った（インサイチュ）非破壊材料分析。
【００３４】
本発明の更なる実施形態によると、温度制御デバイスが設けられ、上記温度制御デバイスは、上記第１の温度調節デバイス及び／又は上記少なくとも１つの第２の温度調節デバイスと動作可能に接続され、上記第１の温度調節デバイス及び／又は上記第２の温度調節デバイスを操作／調整することによって上記試料の温度を調節するように構成される。測定要素としてここでは原則的に、試料の実際の温度を考慮する。
【００３５】
本発明の更なる実施形態によると、上記第２の温度調節デバイスは、能動的及び／又は受動的な空気による温度調節のための手段を備え、上記温度制御デバイスは、上記第１の温度調節デバイスを調整することによって、例えばペルチェ素子のための電源ユニットの電流供給又は電圧供給を調整することによって、上記試料の温度を目標値へと調整できるように構成される。空冷設計のために、温度センサを用いて、上記試料の実際の温度をフィードバック信号として温度調整器にフィードバックし、続いてこれを用いて、上記第１の温度調節デバイスへのエネルギ供給のための電源ユニットを調整する。従って上記試料の温度は、上記ペルチェ素子（アクチュエータ）の電圧を調整することによって調節される。上記第２の温度調節デバイスは好ましくは、上記ハウジング壁部の外側に取り付けられる。
【００３６】
本発明の更なる実施形態によると、上記試料の温度の測定及び調整のために、温度センサ（熱電素子）が、上記保持要素のうちの１つの対応する切り欠き部に設けられ、上記熱電素子は、そのために設けられた開口部を通して、上記ハウジングから導かれる。これにより、上記温度センサを試料表面に直接配置できる。
【００３７】
本発明の更なる実施形態によると、上記第２の温度調節デバイスは、液体による温度調節、例えば水を含み、上記温度制御デバイスは、目標値への上記試料の温度の調整を、温度調節液の温度の調整によって実施できるように構成される。ここで上記第１の温度調節デバイスは、好ましくは一定の電圧で動作し、調整されない。水冷設計では、センサによって測定される上記試料の上記実際の温度は、上記温度調整器にフィードバックされ、上記温度調整器は、アクチュエータである冷却水供給デバイスに作用する。上記温度調整器を介して、例えば冷却水の温度の適合を実施できる。
【００３８】
本発明の更なる実施形態によると、上記試料ホルダが受承される上記ハウジング、即ち上記外側ハウジングは、環境に対して気密封止可能である。好ましくは、作動ガスを導入するための接続部、又は作動ガスを通過させるための少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口が設けられる。これにより、例えば窒素によって、検査時のハウジング内部における低温での凝縮物又は氷の形成を防止できる。上記ハウジングを封止するために、上記Ｘ線ウィンドウを、Ｘ線透過性材料で封止してよい。適切なフィルムは、アメリカ合衆国のデュ・ポン・ド・ヌムール社（略してデュポン社）の商標名「カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）」で知られている。
【００３９】
本発明の更なる実施形態によると、封止された上記ハウジング壁部に、バッテリのようなアクティブな電気的試料のための電気的接続を通過させるための開口部が設けられる。
【００４０】
本発明の更なる実施形態によると、上記保持要素内又は上記保持要素上に、Ｘ線を通過させるための、Ｘ線ウィンドウに類似した切り欠き部が設けられる。これらの切り欠き部も、Ｘ線透過性材料を用いて封止できる。当然のことながら、各上記保持要素は、複数の個別の要素で構成することもでき、上記要素は、互いに距離を置いて配設され、Ｘ線を通過させるための切り欠き部を形成する。
【００４１】
これより本発明を、単に好ましい実施例及び図面に基づいて、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１ａ−１ｂ】図１ａ、１ｂは、本発明の第１の実施形態によるデバイスである。
【図２】図２は、図１のデバイスの概略分解断面図である。
【図３】図３は、図１のデバイスの保持要素、及びペルチェ素子のカスケードの形態の第１の温度調節デバイスである。
【図４】図４は、図１のデバイスの構成部品である。
【図５】図５は、図１のデバイスの断面図である。
【図６】図６は、図１のデバイスのエネルギ流の概略図である。
【図７】図７は、本発明の更なる実施形態によるデバイスの概略断面図である。
【図８】図８は、冷却液流路がはめ込まれた図７のデバイスのハウジング部品である。
【図９】図９は、Ｘ線による図７のデバイスの概略図である。
【図１０】図１０は、気密ハウジングシーリングと、試料調整のためのリニアテーブルとを有する、図７のデバイスである。
【図１１】図１１は、図１のデバイス内で試料を温度調節するための調整回路の概略図である。
【図１２】図１２は、図７のデバイス内で試料を温度調節するための調整回路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１〜図６は、本発明の第１の実施形態による、本発明に係るデバイスの構造及び機能方式を、様々な描写を用いて概略的に示す。図２は、分解図の断面における構成部品の配置を概略的に示す。図６は、本デバイスの動作中の熱交換を概略的に示す。熱交換は矢印で示されている。
【００４４】
図１ａ、１ｂに示されているＸ線検査のためのデバイス１は、平坦な試料を温度調節するために使われる。内部の構造を明らかにするために、デバイスが本来備えている気密性の被覆は図示されていない。デバイス１はハウジング２を備え、ここではそのうちの、ハウジングの前部及び後部の２つの壁部３だけが図示されている。ハウジング２の内部には、試料ホルダ４が設けられている。この試料ホルダ４は、図２における分解図の断面に示されているように、間に設けられた平坦な試料６を保持するための２つのプレート状の保持要素５を備える。リチウムイオンバッテリの場合には、上記リチウムイオンバッテリは、いわゆるパウチセルの形態で存在する。パウチバッグ構造形態により、パウチセルの外側は、プレート状の保持要素５の互いに対向する接触面に平面で当接でき、これによって大きな熱伝達面が保証される。
【００４５】
プレート状の保持要素５はアルミニウムからなり、高い熱伝導率を有する。保持要素５は、パウチセルと直接接触することによって、パウチセルと熱結合される。保持要素５の接触面に背向する側には、第１の温度調節デバイス７が、ペルチェ素子のカスケードの形態で取り付けられ、上記保持要素と直接的に熱伝達接触している。図３はこれに関連して、第１の温度調節デバイス７のうちの１つが、２つの試料保持要素５のうちの１つに組み付けられている様子を示している。保持要素５の凹部は、ペルチェ素子７を受承する役割、及び試料への良好な熱伝導のために上記保持要素の残った壁厚を最小化する役割を果たす。
【００４６】
図２の概略図から分かるように、保持要素５は、ばねのような張設要素を介して互いに対して張設可能であり、これにより、試料６がこれらの間に保持される。図１、５では、これらの張設要素は、外側ハウジング内でガイドされた、ばね付きのネジ１３の形態で図示されている。
【００４７】
ハウジング壁部３から試料６又は試料ホルダ４の方向におけるハウジング２の外側（図１ａ、図１ｂ、図２、図５）には、第１の温度調節デバイス７それぞれの前方に、熱をハウジング壁部３から放散させるための複合ファン／冷却リブユニットの形態の第２の温度調節デバイス９が取り付けられる。これらの第２の温度調節デバイス９はそれぞれ、第１の温度調節デバイス７とハウジング壁部３との間の熱結合領域内に配置される。第１の温度調節デバイス７を除けば、試料ホルダ４はハウジング壁部３から熱分離されており、また試料ホルダ４はこの目的のために、セラミックスリーブ１０ａ内にガイドされたねじ及びセラミックディスク１０ｂを介して、ハウジング内に固定される。従って、バッテリからハウジングへの直接的な熱移送は、主に第１の温度調節デバイス７を介して発生する。
【００４８】
図４から分かるように、ペルチェ素子７は、第１の温度調節デバイスの保持要素５に背向する側面において、第２の温度調節デバイス９と熱結合され、これにより、高い熱伝達を保証する。原則的にペルチェ素子は、内側のハウジング壁部３に直接配置されてよく、第２の温度調節デバイス９はハウジングの外側に配置されてよい。しかしながら本件の場合では、ハウジングは熱伝達要素８を含み、この熱伝達要素８は、ハウジング壁部３の開口部又はウィンドウにはめ込まれ、第１の温度調節デバイス７と第２の温度調節デバイス９との間の熱伝達を改善する。というのは、熱伝達要素８は、ハウジング内側において第１の温度調節デバイス７と接触し、ハウジング外側において第２の温度調節デバイス９と接触するためである。
【００４９】
図５は、第２の温度調節デバイス９が第１の温度調節デバイス７と直接向かい合う配置を示している。
【００５０】
ハウジング２の中央セクションでは、ハウジング壁部３の対向する側部に、Ｘ線ウィンドウ１１ａ、１１ｂが形成されている（図１ａ、図１ｂ、図２）。これらのＸ線ウィンドウは、Ｘ線を通過させるために使用され、Ｘ線は、第１のＸ線ウィンドウ１１ａを通ってハウジング２内に入射し、試料６を貫通し、より大きな第２のＸ線ウィンドウ１１ｂから出射して検出器に当たる。Ｘ線に保持要素５を通過させるために、保持要素５は中央セクションに貫通切り欠き部１２ａ、１２ｂを備える。
【００５１】
保持要素５及び内側ハウジング壁部３、並びに対向するハウジング壁部３は、ばね付きのねじの形態の張設要素１３を介して、互いに接続される（図５を参照）。張設要素（ばね要素）１３のばね応力によって、ペルチェ素子は、ハウジング壁部上において試料の方向に圧迫される。ペルチェ素子に電流を流すことによって、試料又は保持要素を冷却又は加熱するために効果的に利用されるペルチェ素子の２つの側面の間に温度差が生じる。図示されている構造では、ペルチェ素子は、その低温側が保持要素に当接する。試料６であるバッテリの電気的接続は、封止されてハウジング２からガイドされ、バッテリを充電又は放電するためにバイポテンショスタット１４（図２）に接続される。ペルチェ素子に通電するための電気的接続も、封止されてハウジングからガイドされるが、図示されていない。
【００５２】
Ｘ線ウィンドウ１１ａ、１１ｂ及び切り欠き部１２ａ、１２ｂは、高い耐熱性及び高いＸ線透過性を有するポリアミドフィルム（例えばカプトンフィルム）で覆われる。
【００５３】
ハウジング２は、環境に対して気密封止されているが、窒素パージ等の作動ガスを供給又は導出するための追加の接続部１５（図２）を更に備える。これにより、ハウジング３の内部空間を窒素ガスで洗浄して、低温での凝縮物又は氷の形成を防止できる。
【００５４】
ペルチェ素子への通電によって、ペルチェ素子は保持要素を冷却し、吸収した熱をペルチェ素子の別の側部においてハウジング壁部へと放散する。第２の温度調節デバイスによるハウジング壁部の冷却は、ペルチェ素子の効率の更なる向上につながる。
【００５５】
図６は、熱エネルギの移送を、保持要素５及び第１の温度調節デバイス７を介した、試料６から外側ハウジング２へ及び外側ハウジング２から試料６への矢印、並びに外側ハウジング２における第２の温度調節デバイス９を介した外部環境への矢印の形式で、熱エネルギの移送を概略図で示している。
【００５６】
図７〜１０に示す更なる実施形態は、第２の温度調節デバイス９が液体による温度調節デバイスとして形成されている点において、第１の実施形態とは異なっている。この目的のために、温度調節液流路１６がハウジング壁部３に設置されている（図８を参照）。しかしながらこれらは原則的に、導管の形状でハウジング３の外側に取り付けることもできる。第２の温度調節デバイス９は、共通の冷却液回路（図示せず）に接続される。図１０は、気密性側方カバー２６と、試料を内包したデバイス全体をＸ線に対してｘ方向に調整するための直線駆動装置２５とを備える、閉鎖された形態の上記実施形態を示す。この調整デバイスは、上述の実施形態の両方に使用可能である。
【００５７】
図９は、平坦な試料をＸ線回折で分析するための検査構造を概略図で示す。この目的のために、デバイス１は、Ｘ線エミッタ（Ｘ線管）と検出器との間のＸ線回折計内に設置される。
【００５８】
図９に示すように、Ｘ線は、Ｘ線管１７から射出され、Ｘ線集束用光学素子１８に当たる。Ｘ線は偏向後、第１のＸ線ウィンドウ１１ａを介してハウジング２に入射し、第１の切り欠き部１２ａ、続いて試料６を貫通する。試料内の結晶原子によって、入射したＸ線は様々な特徴的な方向に回折する。試料を貫通した後、Ｘ線は、保持要素の第２の切り欠き部１２ｂを通って出射し、第２のＸ線ウィンドウ１１ｂを通ってハウジング出て、検出器２４に当たり、回折パターンを生成する。
【００５９】
試料内で散乱して角度２θで出射したＸ線光は、検出器２４の出口側のＸ線光感受性センサによって検出される。測定された放射線強度は、放射線源と試料と検出器との間の角度（２θの角度）に対して、（１次元の）回折図にプロットされる。測定中、試料自体は移動しない。試料がバッテリである場合には、例えば銅アノード又はアルミニウムシースといった、バッテリ内に設置されたパッシブな構成部品によって引き起こされる、回折図中の散乱ピークを用いて、バッテリをビーム方向に正確に調整する。この目的のために、リニアテーブル２５に組み付けられたデバイス１を、内蔵バッテリと共に、これらの参照ピークが理論上正しい位置となるまで長手方向に移動させる。
【００６０】
続いて様々な運転動作を検査できるが、ここで第１及び第２の温度調節デバイスは、試料の温度を所定の一定のレベルに保持する。
【００６１】
図１１は、試料６の温度調節時に空冷される設計のための調整回路を概略図で示す。上記調整回路は、温度制御デバイスの一部であり、上記温度制御デバイスは、第１の温度調節デバイス７に動作可能に接続され、第１の温度調節デバイス７（ペルチェ素子）を調整することによって、試料６の温度を目標値に調節するように構成される。
【００６２】
試料６に接続された温度センサ１９は、試料６の温度を測定する。温度信号（測定要素）は、「実際の温度の（ＩＳＴ）」信号として温度調整器にフィードバックされ、上記温度調整器は、目標（ＳＯＬＬ）温度を考慮して、第１の温度調節デバイス７に電圧を供給するアクチュエータである調整可能な電源ユニット２１を調整する。ペルチェ素子の極性を反転させることによって、ペルチェ素子を加熱動作に切り替えることができる。
【００６３】
図１２は、試料６の温度調節時に水冷される設計のための調整回路を概略図で示す。上記調整回路はここでも温度制御デバイスの一部であり、上記温度制御デバイスは、液体冷却器の形態の第２の温度調節デバイス９（図７を参照）と動作可能に接続され、第２の温度調節デバイス９を調整することによって、試料６の温度を目標値に調節するように構成される。上記調整は、冷却水の流れ温度を調節することによって実施される。
【００６４】
試料６に接続された温度センサ１９は、試料６の温度を測定する。温度信号（測定要素）は、「実際の温度の（ＩＳＴ）」信号として温度調整器２０にフィードバックされ、上記温度調整器２０は、目標温度を考慮して、冷却水供給デバイス（アクチュエータ）２２を調整する。電源ユニット２１は一定の電圧が供給される。第１の温度調節デバイス７は直列に構成され、一定の出力で動作する。原則的に、図１２に示されている第２の温度調節デバイスも加熱動作に切り替えることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１      Ｘ線検査のためのデバイス
２      ハウジング
３      ハウジング壁部
４      試料ホルダ
５      保持要素
６      試料（リチウムイオン蓄電池）
７      第１の温度調節デバイス
８      熱伝達要素
９      第２の温度調節デバイス
１０ａ  セラミックスリーブ
１０ｂ  セラミックディスク
１１ａ、ｂ  Ｘ線ウィンドウ
１２ａ、ｂ  切り欠き部
１３    張設要素
１４    バイポテンショスタット
１５    作動ガス用接続部
１６    温度調節液流路
１７    Ｘ線管
１８    集束用光学素子
１９    温度センサ
２０    温度調整器
２１    電源ユニット
２２    入射するＸ線
２３    出射するＸ線
２４    Ｘ線検出器
２５    直線駆動装置
２６    気密性ハウジングシール
【図１ａ】
2020534512.tif 000003
【図１ｂ】
2020534512.tif 000004
【図２】
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【図３】
2020534512.tif 000006
【図４】
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【図５】
2020534512.tif 000008
【図６】
2020534512.tif 000009
【図７】
2020534512.tif 000010
【図８】
2020534512.tif 000011
【図９】
2020534512.tif 000012
【図１０】
2020534512.tif 000013
【図１１】
2020534512.tif 000014
【図１２】
2020534512.tif 000015
【国際調査報告】
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