JP5187663B2 - 断熱型カロリーメータ - Google Patents

Description

本発明は、各種の物質の熱容量を測定し、物質の比熱を測定するための断熱型カロリーメータに関する。

従来、各種の物質の比熱を測定するために、いろいろなカロリーメータが用いられている。

従来、物質の比熱を測定する手段として、真空槽内において、被測定試料封入された第１の試料セルと、第１の試料セルと実質的に同一な空の第２の試料セルと、を熱源により外部から加熱し、第１の試料セル、第２の試料セル及び熱源の温度を検出してそれぞれ時間的に集積し、第１の試料セルと第２の試料セルの温度が同一である時の各時刻における熱源の温度に基づき被測定試料の比熱を算出する点が公知である（特許文献１参照）。

また、加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を求める比熱測定装置であって、試料を収容する加熱容器及び前記加熱容器を加熱するヒータを備える加熱部と、加熱された試料が投入される測定容器及び前記測定容器を包囲する断熱材を備える測定部と、測定容器に試料を投入した後に測定部を振蘯する振蘯手段と、を備えることを特徴とする試料投下型比熱測定装置が知られている（特許文献２参照）。

さらに、試料に光を照射し、該照射による該試料の上昇温度を測定する断熱光カロリーメータであって、該光の照射中及び照射前後において、周囲温度と試料温度を等しい温度に保つことを特徴とする断熱光カロリーメータが知られている（特許文献３参照）。

特開２００２−１５６３４５号公報 特開２００５−２２１４０２号公報 特開２００５−００３６３３号公報

上記のように比熱の測定のためには、従来、いろいろな装置があるが、比熱の測定では、熱漏れが生じやすく、比熱の測定の誤差の原因となっている。本発明は、この熱漏れを極力防止するための構成を実現し、より高精度な測定を可能とすることを課題とする。

また、本発明は試料セルを装置に組み込む際に、測定者が見上げる姿勢よりも見下ろす姿勢で楽に作業でき、試料セルの位置、向きが常に正しいことを容易に確認できる等、作業し易い断熱型カロリーメータを実現することを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、真空容器と、該真空容器内に設けられ冷凍機低温端により冷却される断熱容器フランジと、該断熱容器フランジ上に着脱可能に設けられた断熱容器と、該断熱容器内で前記断熱容器フランジ上に支持台を介して設けられた上蓋付きアウターシールドと、該アウターシールド内に設けられた上蓋付きインナーシールドと、該インナーシールド内に設けられる試料セルとを備えた断熱型カロリーメータであって、前記インナーシールドは、前記アウターシールドの上部に糸で吊持されており、該アウターシールドの上蓋を開いてアクセス可能であり、 前記試料セルは、被測定対象である試料を収容するものであり、前記インナーシールド内にその上蓋を開いて装入され、糸でインナーシールドの上部に吊持可能であり、前記インナーシールドと試料セルは、温度差が零となるように、それぞれに取り付けられた熱電対及びヒータにより制御される構成であることを特徴とする断熱型カロリーメータを提供する。

本発明は上記課題を解決するために、真空容器と、該真空容器内に設けられ冷凍機低温端により冷却される断熱容器フランジと、該断熱容器フランジ上に着脱可能に設けられた断熱容器と、該断熱容器内で前記断熱容器フランジ上に支持台を介して設けられた上蓋付きアウターシールドと、該アウターシールド内に設けられた上蓋付きインナーシールドと、該インナーシールド内に設けられる試料セルとを備えた断熱型カロリーメータであって、前記インナーシールドは、前記アウターシールドの上部に糸で吊持されており、該アウターシールドの上蓋を開いてアクセス可能であり、前記試料セルは、被測定対象である試料を収容するものであり、前記インナーシールド内にその上蓋を開いて装入され、糸でインナーシールドの上部に吊持可能であり、前記アウターシールド、インナーシールド、インナーシールド上蓋及び試料セルには、それぞれ第１のヒータ、第２のヒータ、第３のヒータ及び第４のヒータが設けられており、前記アウターシールドとインナーシールドに、第１の熱電対の一端と他端がそれぞれ取り付けられており、該第１の熱電対によりアウターシールドとインナーシールドとの温度差を検知し、アウターシールドが常に一定温度だけインナーシールドよりも低い温度になるように、第１のヒータが制御され、前記インナーシールドと試料セルに、第２の熱電対の一端と他端がそれぞれ取り付けられており、該第２の熱電対によりインナーシールドと試料セルの温度差を検知し、該温度差が零となるように、前記第２のヒータが制御される構成であることを特徴とする断熱型カロリーメータを提供する。

前記断熱容器は、アウターシールドより低い温度にされていることが好ましい。

前記真空容器内であって、前記断熱容器を覆うように、断熱容器の温度と室温の間の温度に冷やされる輻射シールドが着脱可能に取り付けられていることが好ましい。

前記断熱容器フランジは、前記冷凍機低温端の上に設けられていることが好ましい。

前記インナーシールド上蓋と前記インナーシールドのそれぞれの内面の間に第３の熱電対を設けて、インナーシールド上蓋とインナーシールドの温度差がゼロになるよう前記第３のヒータを制御し、インナーシールド上蓋とインナーシールドの等温制御を行ことにより、試料セルを包む内面が試料セルと等しい温度となるような構成とすることが好ましい。

本発明によれば、次のような効果が生じる。
（１）インナーシールド開口部は上方向きになるので、作業をする場合、見上げる姿勢よりも見下ろす方が非常に楽で安定する。上向き開口の場合、室内照明は容易にインナーシールド内部まで照らしてくれる。このため、リード線の状況、試料セルの位置、向きが常に正しいことを容易に確認できるようになる。

（２） 断熱型カロリーメータ全体を支えるためには、真空容器フランジに直接、支持足を取り付ければよく、後記する比較例に必要な架台のように装置から張り出させる必要はないので、実験室スペースを余分に占拠することもなく、装置へのアクセス、作業スペースも足によって遮られることはない。

（３）真空容器、断熱容器、輻射シールドはすべてそれぞれの下部に配置されるフランジなどに載せられた後、固定される。このため、フランジを留めているボルト・ナットを外しても装置から真空容器などが落下することはない。

（４）本発明によれば、試料セルの位置、向きにより測定結果に影響を与えることが実験的に解明されたため、常に正しいことを容易に確認できる利点は、より高精度な測定を実現する。

本発明に係る断熱型カロリーメータを実施するための最良の形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

（原理）
本件発明に係る断熱型カロリーメータの原理についてまず説明する。物質の熱容量Ｃの測定は、既知の熱量ΔＱを加えたときの温度上昇ΔＴを測定すれば、次式から熱容量Ｃを求めることができる。そして、この熱容量を質量で除すれば物質の比熱を決定することができる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＴ（Ｊ／Ｋ）

ところが、熱容量の測定では、熱漏れが大きな誤差の原因となっている。本件発明に係る断熱型カロリーメータは、この熱漏れを極力防止するための構成を採用しているが、その構成、原理について図１において説明する。

本件発明に係る断熱型カロリーメータ１は、断熱容器２を有し、この断熱容器２内に、インナーシールド３と、インナーシールド３の外側を囲うアウターシールド４とを備えている。

断熱容器２は、冷凍機低温端５により冷却される断熱容器フランジ６に取り付けられていて、内部を高真空に保つことができる。測定中、断熱容器２内を高真空に保つことで空気などのガスによる対流・伝導伝熱を排除する。

ただし、熱容量測定開始前に、予冷のため、ガス管１８を通して断熱容器２内へガスハンドリング装置（図示せず）から熱交換ガスが送気される。このガスは断熱容器２内部に配置されているアウターシールド４、インナーシールド３、試料セル８などが目的の温度まで冷却された後、真空ポンプによって排気される。その後、十分な高真空に達した後、熱容量の測定が開始される。

断熱容器フランジ６及び断熱容器２は、真空容器７内に配置されている。この真空容器７内は、真空吸引管１９を通して真空ポンプによって真空吸引され高真空に保つことで、空気などのガスによる対流・伝導伝熱に起因する室温から断熱容器フランジ６及び断熱容器２への熱侵入を防いでいる。

真空容器７と、断熱容器フランジ６及び断熱容器２の間には、必要に応じて輻射シールド（図示せず）を設けてもよい。この輻射シールドは、室温と断熱容器フランジ６の温度との間の温度に冷やされることが好ましい。この輻射シールドの冷却源として、例えば液体窒素槽を設ける構成、又は機械式冷凍機中間段に熱接触させる、等がある。

インナーシールド３内には、試料セル８が配置されており、測定の際には、この試料セル８内に測定される試料が収納される。試料セル８には、温度計９、ヒータ１０、熱電対１１の一端が取り付けられている。

インナーシールド３の外面にはヒータ１２、内面には試料セル８に取り付けられた熱電対１１のもう一端がそれぞれ取り付けられている。試料セル８とインナーシールド３の温度差を、熱電対１１で検知し、両者が等しい温度になるように、インナーシールド３のヒータ１２をＰＩＤ制御するような構成となっている。

このような等温制御は、インナーシールド３の内面と試料セル８の間に取り付けた熱電対１１で行うが、より精度を上げるため、インナーシールド上蓋１３とインナーシールド３のそれぞれの内面の間に別の熱電対１４を設けて、インナーシールド上蓋１３とインナーシールド３の温度差がゼロになるようインナーシールド上蓋１３の外面に取り付けられたヒータ１５をＰＩＤ制御し、インナーシールド上蓋１３とインナーシールド３の等温制御を行う。これにより、試料セル８を包む全ての内面が試料セル８と等しい温度となる。

このような構成を採用することにより、試料セル８は測定中絶えず擬似的な断熱状態に置かれる。ここで、「擬似的な断熱状態」とは、試料セル８の温度と試料セル８を囲うインナーシールド３を絶えず等しい温度に制御することで得られる。即ち、試料セル８と周囲のインナーシールド３が等しい温度にあると、輻射・伝熱による熱の流出と流入が等しくなり互いに打ち消しあうため、熱の流出入が無いとみなせる。

アウターシールド４にもヒータ１６が取り付けられており、熱電対１７によりインナーシールド３との温度差を検知し、常に一定温度だけインナーシールド３よりも低い温度になるよう、ヒータ１６をＰＩＤ制御するような構成とされている。

アウターシールド４をインナーシールド３よりも低温に保つ理由は、インナーシールド３の温度制御を行うためである。インナーシールド３を加熱するにはインナーシールド３に取り付けてあるヒータ１１を用いればよい。しかし、インナーシールド３を冷却するためには、インナーシールド３を冷やす冷却源が必要となる。この冷却源がアウターシールド４である。

インナーシールド３よりもアウターシールド４のほうが低温であれば、その温度差によって、輻射と伝導によりインナーシールド３の熱がアウターシールド４へと移動し、インナーシールド３は冷却される。この加熱と冷却の繰り返し制御により、インナーシールド３は設定された温度で一定となるよう制御することができる。

断熱容器フランジ６は、冷凍機低温端５に熱的に直接つなげられている。断熱容器フランジ６に固定されている断熱容器２は、常にアウターシールド４よりも低い温度に保たれる。これは、アウターシールド４の温度をインナーシールド３よりも低く保つことと同様の理由で、アウターシールド４の温度制御を行うために必要である。

以上の構成から成る断熱型カロリーメータ１により、試料セル８を上記のように擬似断熱状態に置けば、試料を収納している試料セル８は新たな熱入力が無い限り一定温度であり続ける。

熱容量の測定に際しては、試料に熱量ΔＱを供給するが、そのために試料セル８に取り付けてあるヒータ１０のジュール熱によりセルを加熱する。この加熱中において、試料セル８の温度上昇に合わせて各シールド３、４は規定の温度差を保つように制御される。

そして、加熱前後の温度差及び試料セル８に加えた熱量から熱容量が算出され、さらに質量で除して比熱を算出する。

断熱容器２内に配置されているアウターシールド４、インナーシールド３及び試料セル８の初期冷却は、冷凍機により冷却されている断熱容器２の内部に、熱交換ガスとして断熱容器２の温度以下の沸点を持つ不活性ガスを入れて行う。ガスの対流と伝導によりアウターシールド４、インナーシールド３及び試料セル８は断熱容器２と同じ温度まで冷却される。

本発明に係る断熱型カロリーメータの実施例を図２において説明する。

実施例の断熱型カロリーメータ２０では、真空容器フランジ２１上に、真空容器２２が載置され、真空容器２２の下端に形成されたフランジ２３をシール（図示せず）を介して（真空容器２２内の真空度を高めるためにシールを介する。）ボルト・ナットで着脱可能に取り付けられる。真空容器２２は、真空吸引管２２’を通して真空ポンプ（図示せず）により真空引きされている。真空容器フランジ２１の上方には、冷凍機低温端２４が設けられている。

ペルチェ素子冷凍機２５は、真空容器フランジ２１及び真空容器２２を冷却し、また、その上に配置される断熱容器フランジ２８及び断熱容器２９を冷却する機構である。この冷凍機として、本実施例では、ペルチェ素子冷凍機２５を採用したが、その種類は問わず、各種の冷凍機が使用可能である。例えば、低温液体溜めによる冷却、パルスチューブ式冷凍機、Ｇ−Ｍ冷凍機、フロンガス循環冷凍機、ペルチェ素子冷凍機などである。但し、低温液体、パルスチューブ又はＧ−Ｍ冷凍機を採用した場合は、倒立させて使用する配置となるので、冷凍能力は低下する。

図２中の水冷ヒートシンク２６と架台２７は、ペルチェ素子冷凍機２５を採用するために必要になったに過ぎない。ここでの水冷ヒートシンク２６の役割は、ペルチェ素子冷凍機２５の下面の冷凍機高温端の冷却であり、その内部を冷却水が流れている。なお、ペルチェ素子冷凍機２５の上面が上記冷凍機低温端２４であり、下面が冷凍機高温端である。

ここで、断熱容器フランジ２８は、対向する断熱容器２９と対になってその内部を高真空に保つために役立てられる。そして、冷凍機低温端２４によりその内臓物よりも低温に冷却されているため、アウターシールド３０、インナーシールド３１の温度制御を可能にしている。また、初期冷却時には、このときだけガス管４０を通して導入される熱交換ガスを介し、アウターシールド３０、インナーシールド３１、試料セル３２を最低温度まで冷却する。ここで、「内臓物」とは、アウターシールド、インナーシールド、試料セルなどであり、これらに付属する蓋なども含む。

水冷ヒートシンク２６上には、ペルチェ素子冷凍機２５及び断熱容器フランジ２８を覆うように、筒状の輻射シールド３３が載置され、水冷ヒートシンク２６に着脱可能に取り付けられる。なお、この輻射シールド３３は、必ずしも必要なものではなく、状況により設けられるものである。その状況とは、試料セル３２の温度と室温が極端に違う場合である。この場合、輻射による装置内への熱侵入、または流出を防ぐために、輻射シールド３３が必要となる。

輻射シールド３３内であって断熱容器フランジ２８上に、断熱容器２９が載置され、その下端に形成されたフランジ３４をシールを介して（断熱容器２９内の真空度を高めるためにシールを介する。）ボルト・ナットで断熱容器フランジ２８に着脱可能に取り付けられる。

断熱容器２９内であって断熱容器フランジ２８上に、低熱伝導材料（ステンレスなど）で形成された支持台３５によって、アウターシールド３０が固定されている。アウターシールド３０の上端には、熱伝達を促進する機構を取り付けたアウターシールド上蓋３６が着脱可能に取り付けられている。

本実施例では、アウターシールド３０の上端にフィンガー（図示せず）と呼ばれる部品をその円周に沿って複数個半田付けにて取り付けてある。この部品は熱伝導率の高いベリリウム銅製で板ばね状となっている。このばねの力でフィンガー自身が、はめ込まれるアウターシールド上蓋３６に密着し、アウターシールド３０とアウターシールド上蓋３６との間の熱の伝わりをよくする。

さらに、アウターシールド３０内には、アウターシールド３０の上端から糸３７で吊持されるようにして、インナーシールド３１が設けられている。このインナーシールド３１の上端には、インナーシールド上蓋３８が載置されるように設けられている。ここで、インナーシールド３１とインナーシールド上蓋３８とは互いに独立して温度制御を行うため、熱的なつながりをゆるくするためにねじなどで固定をせず、上に載せるだけとしている。

インナーシールド３１上部に張り渡された懸架用の糸３９によって、試料セル３２が吊り下げられている。懸架用の糸３９は、熱伝導率の低い材質 (例えば、ナイロンテグス)が用いられる。試料セル３２内に、被測定対象である試料が収容されるようにした。ここで、試料セル３２は容器として内部に試料を熱交換ガスと共に封入でき、ナイロンテグスなどの糸状のもので懸架できれば、形状は問わない。

試料セル３２には、温度計４１、ヒータ４２、熱電対４３の一端が取り付けられている。インナーシールド３１の外面にはヒータ４４、内面には試料セル３２に取り付けられた熱電対４３のもう一端がそれぞれ取り付けられている。試料セル３２とインナーシールド３１の温度差を、熱電対４３で検知し、両者が等しい温度になるように、インナーシールド３１のヒータ４４をＰＩＤコントロールするような構成となっている。

このような等温制御は、インナーシールド３１の内面と試料セル３２の間に取り付けた熱電対４３で行うが、より精度を上げるため、インナーシールド上蓋３８とインナーシールド３１のそれぞれの内面の間に別の熱電対４５を設けて、インナーシールド上蓋３８とインナーシールド３１の温度差がゼロになるようインナーシールド上蓋３８外面に取り付けられたヒータ４６をＰＩＤ制御し、インナーシールド上蓋３８とインナーシールド３１の等温制御を行う。これにより、試料セル３２を包む全ての内面が試料セル３２と等しい温度となる。

このような構成を採用することにより、試料セル３２は測定中絶えず擬似的な断熱状態に置かれる。ここで、「擬似的な断熱状態」とは、試料セル３２の温度と試料セル３２を囲うインナーシールド３１を絶えず等しい温度に制御することで得られる。即ち、試料セル３２と周囲のインナーシールド３１が等しい温度にあると、輻射・伝熱による熱の流出と流入が等しくなり互いに打ち消しあうため、熱の流出入が無いとみなせる。

アウターシールド３０にもヒータ４７が取り付けられており、熱電対４８によりインナーシールド３１との温度差を検知し、常に一定温度だけインナーシールド３１よりも低い温度になるよう、ヒータ４７をＰＩＤ制御するような構成とされている。

アウターシールド３０をインナーシールド３１よりも低温に保つ理由は、インナーシールド３１の温度コントロールを行うためである。インナーシールド３１を加熱するにはインナーシールド３１に取り付けてあるヒータ４４を用いればよい。しかし、インナーシールド３１を冷却するためには、インナーシールド３１を冷やす冷却源が必要となる。この冷却源がアウターシールド３０である。

断熱容器フランジ２８は、冷凍機低温端２４に熱的に直接つなげられている。断熱容器フランジ２８に、固定されている断熱容器２９は、常にアウターシールド３０よりも低い温度に保たれる。これは、アウターシールド３０の温度をインナーシールド３１よりも低く保つことと同様の理由で、アウターシールド３０の制御を行うために必要である。

（作用）
以上の構成からなる本発明に係る断熱型カロリーメータ２０の実施例における作用を説明する。

試料の熱容量を測定する場合は、真空容器２２、輻射シールド３３及び断熱容器２９を、それらを固定しているボルト・ナットをはずして取り除いた状態とする。そして、アウターシールド上蓋３６を開け、さらにインナーシールド上蓋３８を開けて、予め試料を収容している試料セル３２を懸架用の糸３９に取り付けて試料セル３２を吊り下げる。

そして、インナーシールド上蓋３８を閉じ、アウターシールド上蓋３６を閉じる。さらに、断熱容器２９を断熱容器フランジ２８に、輻射シールド３３を水冷ヒートシンク２６に、真空容器２２を真空容器フランジ２１に、順次、ボルト・ナットで固定して取り付ける。

熱容量測定開始前に、予冷のため、ガス管１８を通して断熱容器２内へガスハンドリング装置（図示せず）から熱交換ガスが送気される。このガスは断熱容器２内部に配置されているアウターシールド４、インナーシールド３、試料セル８などが目的の温度まで冷却された後、真空ポンプによって排気される。その後、十分な高真空に達した後、熱容量の測定が開始される。

この状態で、熱容量の測定に際しては、試料に熱量ΔＱを供給するが、そのために試料セル３２に取り付けてあるヒータ４２のジュール熱によりセルを加熱する。この加熱中において、試料セル３２の温度上昇に併せて、インナーシールド３１及びアウターシールド３０は、規定の温度差を保つように制御される。

これにより、試料セル３２を擬似断熱状態に置いて、試料を収納している試料セル３２には新たな熱入力が無い限り一定温度であり続ける。そして、加熱前後の温度差及び試料セル３２に加えた熱量から熱容量が算出され、さらに質量で除して比熱を算出する。

なお、アウターシールド３０内に配置されているインナーシールド３１及び試料セル３２の初期冷却は、断熱容器２９内に、熱交換ガスを入れて行う。熱交換ガスは冷却終了後に排気される。

以上の測定の際には、本発明に係る断熱型カロリーメータ２０の構成によると、装置の上方からアクセスして、アウターシールド上蓋３６を開け、さらにインナーシールド上蓋３８を開けて、試料セル３２のセット等の作業が可能であるから、作業がし易い。

ところで、本発明者らは、本発明の研究開発の過程で、上記原理を実施するために、上記実施例以外にもいろいろな構成を試作し、検討した。その一つを、ここでは、比較例として以下において説明するが、上記実施例は、この比較例に較べて、後記するような顕著な効果がある。

（比較例）
図３によって、比較例である断熱型カロリーメータ５０を説明する。架台足５１にトッププレート５２が支持されており、トッププレート５２に真空容器フランジ５３が取り付けられている。

真空容器フランジ５３には、真空容器５４がその上端に形成されたフランジ５５をボルト・ナットなどで固定して取り付けられる。また、真空容器フランジ５３には、２段式の冷凍機５６が取り付けられ、冷凍機５６の中間段５７には輻射シールド取付用フランジ５８が取り付けられている。

真空容器５４内において、輻射シールド取付用フランジ５８の下面には、輻射シールド５９が、その上端に形成されたフランジ６０がボルト・ナットで着脱可能に固定されることにより、取り付けられている。また、輻射シールド５９の内部には、冷凍機低温端６１が配置され、冷凍機低温端６１には断熱容器フランジ６２が直接接触して、熱伝達するように取り付けられている。

断熱容器フランジ６２には、断熱容器６３がシールを介してボルト・ナットで固定して取り付けられている。また、断熱容器６３内で、断熱容器フランジ６２には、アウターシールド６４のアウターシールド上蓋６５が、糸６６によって吊持されて取り付けられており、アウターシールド６４本体はインナーシールド６７を覆うように下から持ち上げ、アウターシールド上蓋６５にねじ込み等の手段によって着脱可能に取り付けられる。

インナーシールド６７は、本体がアウターシールド上蓋６５から吊り下げられていて、インナーシールド下蓋６８は下から支えながらネジ、ワイヤーなどで半固定される構成となっている。ここで「半固定」とは、インナーシールド下蓋６８は、インナーシールド６７に固定されているが、インナーシールド６７と、インナーシールド下蓋６８は別々に温度制御を行うため、熱的なつながりを強くしないように緩めに固定することを言う。

試料セル７０は、インナーシールド上部７１よりたらされた懸架用の糸７２による懸架される。特に、試料セル７０の取り付け取り外しは、図４に示すように、懸架用の糸７２をインナーシールド６７上部７１の中央に開けた穴７３を通し、インナーシールド６７外まで引き回し、この糸７２を上下させて行うことができる構成となっている。懸架用の糸７２は、それぞれ熱伝導率の低い材質 (例えばナイロンテグス)が用いられる

（本発明の特徴等について）
以上が比較例の構成であるが、本件発明に係る断熱型カロリーメータ２０の技術的特徴、効果等について、本発明の実施例をこの比較例の断熱型カロリーメータ５０と比較すると、より明確となるので、以下において、本発明の実施例の技術的特徴、効果等を、この比較例と比較して説明する。

（１）作業の容易化
本発明の断熱型カロリーメータ２０の測定、メインテナンス等においては、例えば、試料セル３２の取り付け、取り外しの作業、熱電対のリード線の状況、試料セル３２の位置、向きの確認の作業等、いろいろな作業が行われる。

本発明に係る断熱型カロリーメータ２０によれば、インナーシールド３１内の状況を簡単に目視できる。即ち、上記実施例のインナーシールド３１の開口部は上方向きになるので、各種の作業をする場合、測定作業者が見下ろす姿勢をとることができる。作業者としては、見上げる姿勢よりも見下ろす方が非常に楽で安定する。

また、上向き開口の場合、室内照明は容易にインナーシールド３１内部まで照らしてくれる。このため、試料セル３２に取り付けられた熱電対のリード線の状況、試料セル３２の位置、向きが常に正しいことを容易に確認できるようになる。以上のとおり、本発明に係る断熱型カロリーメータ２０によれば、後記する比較例の場合のような作業の困難さから開放される。

比較例の断熱型カロリーメータ５０では、吊り下げられたインナーシールド６７の開口部は下方向きであるため、インナーシールド６７内の熱電対のリード線、セルの様子（熱電対のリード線同士、リード線と試料セル７０が絡まっていないか、試料セル７０が所定の位置に正しい姿勢で吊られているか、等）を確認するためには、下から覗き込むか鏡を使わねばならない。

さらに、インナーシールド６７の開口部が下方向きだと、室内の照明はインナーシールド６７内に届かないため、懐中電灯などを使う必要がある。ここで試料セルの位置、向きの違いが測定結果に無視できない影響を及ぼすことは今回の一連の研究開発段階で実験的に確認している。

インナーシールド６７、試料セル７０の熱電対のリード線は、熱伝導を考慮し、細くて（直径０．１ｍｍ程度）長いもの（３０ｃｍ程度）を用いている。加えて、１０本程度の多数の線がさほど広くない空間に納められている。

このような状況を不自然な姿勢（もしくは鏡越し）で、不自由な照明により確認し、必要となればピンセットなどを使って切れたり絡んだりしやすい熱電対のリード線を整理しなければならない。特に断線した場合、上記の状況下で半田ごてを操り補修するのは非常に困難な作業となる。

（２） 省スペース化
本発明に係る断熱型カロリーメータ２０によれば、断熱型カロリーメータ２０全体を支えるためには、真空容器フランジ２１に直接、支持足４９を取り付ければよく、後記する比較例に必要な架台のように装置から張り出させる必要はないので、実験室スペースを余分に占拠することもなく、装置へのアクセス、作業スペースも支持足４９によって遮られることはない。

比較例の断熱型カロリーメータ５０では、断熱型カロリーメータ５０の装置全体を吊り下げるため、トッププレート５２（トップフランジ）を架台足５１に載せなければならない。そのため、装置の外側には架台足５１が複数本配置される。この架台足５１は、測定の作業場所や実験室のスペースを余分に占拠し、架台足５１のために装置へのアクセス及び作業スペースが限定される。

（３）各シールドの取り付け、取り外しの容易
本発明に係る断熱型カロリーメータ２０によれば、真空容器２２、断熱容器フランジ２８、輻射シールド３３はすべてそれぞれの下部に配置される真空容器フランジ２１などに載せられた後、固定される。このため、真空容器２２の下端のフランジを留めているボルト・ナットを外しても装置から真空容器２２などが落下することはない。

従って、補助作業者や支持台は不要となり、一人で作業してもボルトなどを外し、その後、真空容器２２などを持ち上げて撤去すればよく、安定・安全な作業が実現する。

アウターシールド３０に関しては、アウターシールド３０本体は断熱容器フランジ２８に固定されているので取り外す必要がなく、アウターシールド３０本体に比べ非常に軽い、アウターシールド上蓋３６のみを取り外せばよい。この作業はビンの蓋を開ける程度の簡便さである。ただし、断熱型カロリーメータ２０の装置全体の断熱性能を維持するため、インナーシールド３１はアウターシールド３０から、試料セル３２はインナーシールド３１から懸架されている。

比較例の断熱型カロリーメータ５０では、アウターシールド６４、断熱容器６３、真空容器５４は、上方に固定もしくは外側から懸架されている輻射シールド取付用フランジ５８、断熱容器フランジ６２やアウターシールド上蓋６５にボルト・ナットなどで固定されている。従って、これらを取り外すとき、一方で輻射シールド５９などを手又は支持台で支えた状態でボルト・ナットを取り外す必要がある。

このような作業を、支持台又は補助作業者なしで、一人で行うのは困難かつ危険である。支持に失敗すれば、真空容器５４などは落下し装置の破損を招くばかりではなく、作業者の怪我の危険性もある。

インナーシールド下蓋６８は、例えば、アウターシールド６４を取り外すことを考えれば軽くて楽であるが、インナーシールド下蓋６８とインナーシールド６７本体は、概ね熱電対とヒータ用のリード線で結ばれている構成になっていることが一般的である。従って、取り外すとき、手を滑らすなどした場合は、熱電対のリード線などで底蓋がぶら下がることとなる。これは断線などの重大な装置の破損を招くという問題が生じる。

以上のとおり、本発明に係る断熱型カロリーメータ２０によれば、比較例の断熱型カロリーメータ５０に比べ試料の交換、メインテナンス時に省労力化が期待でき、安全でミスの少ない安定した作業が行える利点を持つばかりでなく、省スペース化を図ることも可能となる。

以上、本発明に係る断熱型カロリーメータを実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る断熱型カロリーメータは、上記のような構成であり、各種の物質の熱容量を測定し、物質の比熱を測定するために適用可能である。

本発明に係る断熱型カロリーメータの原理を説明する図である。 本発明に係る断熱型カロリーメータの実施例を説明する図である。 断熱型カロリーメータの比較例を説明する図である。 比較例の一部を説明する図である。

符号の説明

（図１）
１ 断熱型カロリーメータ
２ 断熱容器
３ インナーシールド
４ アウターシールド
５ 冷凍機低温端
６ 断熱容器フランジ
７ 真空容器
８ 試料セル
９ 試料セル付設の温度計
１０ 試料セル付設のヒータ
１１ 試料セルとインナーシールドに取り付けられる熱電対
１２ インナーシールド外面付設のヒータ
１３ インナーシールド上蓋
１４ インナーシールド上蓋とインナーシールドに取り付けられる熱電対
１５ インナーシールド上蓋付設のヒータ
１６ アウターシールド付設のヒータ
１７ アウターシールドとインナーシールドに取り付けられる熱電対
１８ ガス管
１９ 真空吸引管
（図２）
２０ 断熱型カロリーメータ
２１ 真空容器フランジ
２２ 真空容器
２３ 真空容器のフランジ
２４ 冷凍機低温端
２５ ペルチェ素子冷凍機
２６ 水冷ヒートシンク
２７ 架台
２８ 断熱容器フランジ
２９ 断熱容器
３０ アウターシールド
３１ インナーシールド
３３ 輻射シールド
３４ 断熱容器下端のフランジ
３５ 支持台
３６ アウターシールド上蓋
３７ インナーシールド吊持用糸
３８ インナーシールド上蓋
３９ 試料セル懸架用の糸
４０ ガス管
４１ 試料セル付設の温度計
４２ 試料セル付設のヒータ
４３ 試料セルとインナーシールドに取り付けられた熱電対
４４ インナーシールド付設のヒータ
４５ インナーシールド上蓋とインナーシールドに取り付けられた熱電対
４６ インナーシールド上蓋付設のヒータ
４８ アウターシールドとインナーシールドに取り付けられた熱電対
（図３、図４）
５０ 断熱型カロリーメータ
５１ 架台足
５２ トッププレート
５３ 真空容器フランジ
５４ 真空容器
５５ 真空容器のフランジ
５６ ２段式の冷凍機
５７ 冷凍機の中間段
５８ 輻射シールド取付用フランジ
５９ 輻射シールド
６０ 輻射シールドのフランジ
６１ 冷凍機低温端
６２ 断熱容器フランジ
６３ 断熱容器
６４ アウターシールド
６５ アウターシールド上蓋
６６ 糸
６７ インナーシールド
６８ インナーシールド下蓋
６９ ワイヤー
７０ 試料セル
７１ インナーシールド上部
７２ 懸架用の糸
７３ インナーシールド上部中央に開けた穴

Claims (6)

1. 真空容器と、該真空容器内において冷凍機の上に設けられ、冷凍機低温端により冷却される断熱容器フランジと、該断熱容器フランジ上に着脱可能に設けられた断熱容器と、該断熱容器内で前記断熱容器フランジ上に支持台を介して設けられた上蓋付きアウターシールドと、該アウターシールド内に設けられた上蓋付きインナーシールドと、該インナーシールド内に設けられる試料セルとを備えた断熱型カロリーメータであって、
   前記インナーシールドは、前記アウターシールドの上部に糸で吊持されており、該インナーシールド内には、前記アウターシールドの上蓋を開き、さらにインナーシールドの上蓋を開いて上方からアクセス可能であり、
   前記試料セルは、被測定対象である試料を収容するものであり、前記インナーシールド内にその上蓋を開いて装入され、糸でインナーシールドの上部に吊持可能であり、
   前記インナーシールドと試料セルは、温度差が零となるように、それぞれに取り付けられた熱電対及びヒータにより制御される構成であることを特徴とする断熱型カロリーメータ。
2. 真空容器と、該真空容器内において冷凍機の上に設けられ、冷凍機低温端により冷却される断熱容器フランジと、該断熱容器フランジ上に着脱可能に設けられた断熱容器と、該断熱容器内で前記断熱容器フランジ上に支持台を介して設けられた上蓋付きアウターシールドと、該アウターシールド内に設けられた上蓋付きインナーシールドと、該インナーシールド内に設けられる試料セルとを備えた断熱型カロリーメータであって、
   前記インナーシールドは、前記アウターシールドの上部に糸で吊持されており、該インナーシールド内には、前記アウターシールドの上蓋を開き、さらにインナーシールドの上蓋を開いて上方からアクセス可能であり、
   前記試料セルは、被測定対象である試料を収容するものであり、前記インナーシールド内にその上蓋を開いて装入され、糸でインナーシールドの上部に吊持可能であり、
   前記アウターシールド、インナーシールド、インナーシールド上蓋及び試料セルには、それぞれ第１のヒータ、第２のヒータ、第３のヒータ及び第４のヒータが設けられており、
   前記アウターシールドとインナーシールドに、第１の熱電対の一端と他端がそれぞれ取り付けられており、該第１の熱電対によりアウターシールドとインナーシールドとの温度差を検知し、アウターシールドが常に一定温度だけインナーシールドよりも低い温度になるように、第１のヒータが制御され、
   前記インナーシールドと試料セルに、第２の熱電対の一端と他端がそれぞれ取り付けられており、該第２の熱電対によりインナーシールドと試料セルの温度差を検知し、該温度差が零となるように、前記第２のヒータが制御される構成であることを特徴とする断熱型カロリーメータ。
3. 前記断熱容器は、アウターシールドより低い温度にされることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱型カロリーメータ。
4. 前記真空容器内であって、前記断熱容器を覆うように、断熱容器の温度と室温の間の温度に冷やされる輻射シールドが着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項１、２又は３記載の断熱型カロリーメータ。
5. 前記断熱容器フランジは、前記冷凍機の上に設けられていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の断熱型カロリーメータ。
6. 前記インナーシールド上蓋と前記インナーシールドのそれぞれの内面の間に第３の熱電対を設けて、インナーシールド上蓋とインナーシールドの温度差がゼロになるよう前記第３のヒータを制御し、インナーシールド上蓋とインナーシールドの等温制御を行ことにより、試料セルを包む内面が試料セルと等しい温度となるようにしたことを特徴とする請求項２記載の断熱型カロリーメータ。

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