JP3822604B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、短時間で大きな幅の昇温または降温の温度変化を実現する熱処理装置に関する。

高分子化合物や有機化合物の結晶構造解析、または結晶化初期過程や非晶構造の研究において、融点近傍での挙動の観察は極めて重要である。たとえば、昇温に伴う融解過程は、結晶構造のどのような多形からの融解であるか、またはガラス状態からの融解であるかによって大きく異なる。逆に融解状態からの降温処理は、そのまま結晶化のための過冷却度に反映するし、ガラス状態は溶融状態からの急冷によって実現され固定化される。

このように、融点近傍での温度をその過程の時間発展と併せて様々に変化させることで、多様な結晶構造または物性を発現させ、より深い構造の理解に至ることができる。つまり、温度条件を「何度から何度まで」「どのくらいの時間内で」変化させるか、が重要であり、実験もそれに対応する環境下で行なう必要がある。

従来から、Ｘ線等による構造解析装置に備えられている熱処理装置としてフローセル型装置、またはチャンバ型装置が知られている。前者は入射光を透過可能なセル上に試料を固定し、そのセルをヒータで加熱して昇温させると同時に流束熱媒で冷却して両者の拮抗の下で温度制御を達成する（例えば、特許文献１参照。）。後者は予め温度を一定にしたチャンバを用意しておいて、他の位置で準備しておいた試料をチャンバ内へできるだけ迅速に移動させることでセルの温度変化を達成する。

また、通常の高分子試料の温度ジャンプ法においては薄膜試料またはバルク試料を扱うことが多いが、たとえば結晶成長の観点からは溶液試料の温度ジャンプ処理（急加熱または急冷却）も興味深いテーマである。しかし、このような環境下において、その場観察の実験例は多くはない。これは、試料を入れたセルの温度制御が難しいこと、または溶媒の突沸などに対するセルの気密性を要求される一方で周辺を真空脱気しなければならないことが原因の一つとなっているためである。しかし、試料セルの強度と気密性を十分高めれば、希薄溶液を急加熱または急冷却して、回折法または光学法によるその場観察をすることは可能であり、逆にこの手法による研究はほとんど未着手である。そのようなテーマとして、たとえば高分子希薄溶液からの単結晶成長を高速時分割観察する研究などが考えられる。

このようなテーマの研究には、光学測定や散乱実験の精度を上げることができ、気密性や試料そのものの測温性能、熱容量設計すなわち温度変化の追従性能を高めたセルを用いた熱処理装置が求められている。

一方、近年ではＳｐｒｉｎｇ−８をはじめとする放射光の利用によって大強度線源を用いることが比較的容易になっており、温度変化の条件さえ達成できれば数十ｍｓｅｃのような短時間内での時間変化について追跡可能になっており、急加熱または急冷却による温度制御が可能な熱処理装置が求められている。
特開平０７−２８６９４５号公報

しかしながら、フローセル型の熱処理装置は、冷媒による除熱とヒータによる加熱とのバランスによって温度制御するため、セルによっては昇温、降温過程のいずれにもオーバーシュート（温度変化の行き過ぎ）が生じたり、短時間の温度変化を企図すると制御が不安定になったりする傾向がある。フローセル型装置には、ある程度までオーバーシュートを抑えた制御装置やプログラムも存在するが、そのための専用セルを用いなければならず、結果的に試料サイズに制限が生じる。また、フローセル型装置では、実際には試料を固定するステージの温度を制御しており、熱伝導の観点から薄膜の試料には適しているが、厚みをもつバルク試料自体の温度制御は不十分である。また、その機構からフローセル型装置に試料交換器を導入することは困難である。

一方、チャンバ型の熱処理装置は、短時間内または大きな変化幅での温度変化を実現することができるが、加熱してあるチャンバ内に試料を移動させてから、構造の時間的変化を測定することになるため、昇温または降温の一方にのみ対応していることが多い。また、測定開始時点の放射線照射位置には試料が存在せず、ある時間帯から試料が照射位置に割り込んでくるため、試料の移動時間中は測定できず、短時間内での変化を追跡するのが困難になる場合がある。また、試料を移動させるという機構上、試料の測温や精密な温度制御が難しくなる。

本発明は、特定の位置に固定された被熱処理物について、短時間で大きな幅の昇温または降温の温度変化を実現する熱処理装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明に係る熱処理装置は、加熱または冷却の対象となる被熱処理物を設置位置で保持する保持部と、前記設置位置の両側で軸支され、揺動可能に設けられた第１および第２の揺動部材と、前記第１の揺動部材の両端に設けられた第１の熱浴および第２の熱浴と、前記第２の揺動部材の両端に設けられた第３の熱浴および第４の熱浴と、前記第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ制御する第１の温度制御手段と、を備え、前記第１および第２の揺動部材を第１の方向に揺動させた場合には、前記第１の熱浴および第３の熱浴が前記温度制御位置で前記被熱処理物を挟んで互いに衝合し、前記第１および第２の揺動部材を第２の方向に揺動させた場合には、前記第２の熱浴および第４の熱浴が前記設置位置で前記被熱処理物を挟んで互いに衝合することを特徴としている。

このように、本発明の熱処理装置は揺動部材が揺動することで、熱浴を上下から衝合させ保持部に密着させる。これにより、たとえば第１および第３の熱浴を同じ低温度に保持しておき、第２および第４の熱浴を同じ高温度に保持しておいた上で、交互に熱浴を衝合させた場合には、それぞれ熱浴が衝合している状態では、被熱処理物全体にわたって空間的には均一であるが、急激な温度変化を伴う温度履歴を経た均一な構造の被熱処理物を得ることができる。その結果、被熱処理物を固定した状態で、時間に対し大きな変化幅で被熱処理物の温度を変化させることができる。また、本発明の熱処理装置は、昇温および降温過程のどちらにも同等に対応可能であり、急冷却および急加熱を連続して繰り返すことができる。

また、温度制御の際には被熱処理物が設置位置に固定されるために、実際に温度制御している被熱処理物そのものの温度を、熱輻射や熱電対等で直接測温することが容易になる。その結果、試料温度を急速に変化させながら、その物性実験が可能となる。たとえば、放射線照射による構造解析を行なう場合には、被熱処理物の同じ位置に放射線を当てて、被熱処理物の温度を急激に変化させながら、その構造を解析することができる。したがって、高分子化合物や有機化合物の結晶構造解析、または結晶化初期過程や非晶構造の研究において、融点近傍での種々の挙動の観察が可能となる。その結果、融点近傍での温度をその過程の時間発展と併せて様々に変化させることで、多様な結晶構造や物性を発現させ、被熱処理物の構造をより深く理解することができる。

また、上記のような構成をとるために、厚みをもつバルク状の被熱処理物の温度制御が可能となり、従来の装置と比較して、被熱処理物のサイズについての制限を緩和することができる。その結果、被熱処理物中に多くの放射線の照射体積を確保できるため、光学測定や散乱実験の精度を上げることができる。

また、被熱処理物を一定の設置位置に保持し、熱浴同士を衝合させて温度制御を行なうため、セルの気密性、セルの温度変化の追従性、および被熱処理物自体を測温する性能を追求しやすくすることができる。また、たとえばセルの周りを真空にすることができ、放射線のスリットから本発明の熱処理装置のセル、そして散乱強度の検出器までを一体の真空槽内に納めることができる。その結果、放射線の回折実験でバックグラウンドの原因となる空気散乱を抑えることができる。

また、希薄溶液の急加熱または急冷却の条件下での回折法または光学法によるその場観察に適しており、このような未着手の科学分野について研究することができる。

（２）また、本発明に係る熱処理装置は、前記第１の温度制御手段は、前記第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ独立に制御することを特徴としている。

これにより、第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ独立に設定することができる。その結果、急加熱または急冷却の処理を行ないつつ、セル内の被熱処理物に空間的な温度傾斜を与えることができる。被熱処理物について、時間的に急激な温度変化と空間的な温度傾斜とを同時に実現する温度制御が可能になる。

たとえば、第１、第２および第３の熱浴の温度を融点温度に保持し、第４の熱浴の温度を融点温度よりも十分に低い温度に保持して、まず、第１および第３の熱浴を衝合させた後、第２および第４の熱浴を衝合させるという工程を行なうことによって、セル内の被熱処理物を、全体が融解している状態から上半分は融解に近いが下半分は結晶化温度である状態に急激に変化させることができる。または、第１および第３の熱浴の温度を融点温度に、第２の熱浴の温度を融点温度よりわずかに低い温度に、第４の熱浴の温度を融点温度より十分に低い温度に保持し同様の工程を行なうと、セル内の被熱処理物について半分は急冷結晶化しているが半分は徐冷結晶化という条件を生じさせることができ、セル内に温度傾斜をつけることが可能となる。結果的に、セルの中でのこのような温度傾斜によって、有機物や高分子材料を一定方向に結晶成長させたり、ゲルの架橋密度に濃度勾配を与えたりすることで、傾斜構造を有する材料を調整できる。

（３）また、本発明に係る熱処理装置は、前記各揺動部材は、前記各揺動部材の軸が前記設置位置に対して点対称になるように配置されていることを特徴としている。

これにより、熱処理装置の構造を最も簡単にすることができる。その結果、装置コンパクトにすることができ、熱処理装置に必要なスペースを最小とすることができる。また、同じ形状の揺動部材および熱浴を複数製造して装置を構成することができ、装置の製造の手間やコストを抑えることができる。

（４）また、本発明に係る熱処理装置は、複数の前記保持部を有し、いずれか一つの保持部を前記設置位置に供給する供給部をさらに備えることを特徴としている。

これにより、複数の被熱処理物を交換する手間を省くことができ、複数の被熱処理物を一度に処理することができる。また、工業的なライン工程にも利用可能となる。

（５）また、本発明に係る熱処理装置は、前記保持部または前記被熱処理物の温度を独立に制御する第２の温度制御手段をさらに備えることを特徴としている。

これにより、第２の温度制御手段を補助的に使用し、さらに時間に対し大きな変化幅で、被熱処理物の温度を変化させることができる。

本発明に係る熱処理装置によれば、たとえば第１および第３の熱浴を同じ低温度に保持しておき、第２および第４の熱浴を同じ高温度に保持しておいた上で、交互に熱浴を衝合させた場合には、それぞれ熱浴が衝合している状態では、被熱処理物全体にわたって空間的には均一であるが、急激な温度変化を伴う温度履歴を経た均一な構造の被熱処理物を得ることができる。その結果、被熱処理物を固定した状態で、時間に対し大きな変化幅で被熱処理物の温度を変化させることができる。また、本発明の熱処理装置は、昇温および降温過程のどちらにも同等に対応可能であり、急冷却および急加熱を連続して繰り返すことができる。

また、温度制御の際には被熱処理物が設置位置に固定されるために、実際に温度制御している被熱処理物そのものの温度を、熱輻射や熱電対等で直接測温することが容易になる。その結果、試料温度を急速に変化させながら、その物性実験が可能となる。たとえば、放射線照射による構造解析を行なう場合には、被熱処理物の同じ位置に放射線を当てて、被熱処理物の温度を急激に変化させながら、その構造を解析することができる。したがって、高分子化合物や有機化合物の結晶構造解析、または結晶化初期過程や非晶構造の研究において、融点近傍での種々の挙動の観察が可能となる。その結果、融点近傍での温度をその過程の時間発展と併せて様々に変化させることで、多様な結晶構造や物性を発現させ、被熱処理物の構造をより深く理解することができる。

また、上記のような構成をとるために、厚みをもつバルク状の被熱処理物の温度制御が可能となり、従来の装置と比較して、被熱処理物のサイズについての制限を緩和することができる。その結果、被熱処理物中に多くの放射線の照射体積を確保できるため、光学測定や散乱実験の精度を上げることができる。

また、被熱処理物を一定の設置位置に保持し、熱浴同士を衝合させて温度制御を行なうため、セルの気密性、セルの温度変化の追従性、および被熱処理物自体を測温する性能を追求しやすくすることができる。また、たとえばセルの周りを真空にすることができ、放射線のスリットから本発明の熱処理装置のセル、そして散乱強度の検出器までを一体の真空槽内に納めることができる。その結果、放射線の回折実験でバックグラウンドの原因となる空気散乱を抑えることができる。

また、希薄溶液の急加熱または急冷却の条件下での回折法または光学法によるその場観察に適しており、このような未着手の科学分野について研究することができる。

また、本発明に係る熱処理装置によれば、第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ独立に設定することができる。その結果、急加熱または急冷却の処理を行ないつつ、セル内の被熱処理物に空間的な温度傾斜を与えることができる。被熱処理物について、時間的に急激な温度変化と空間的な温度傾斜とを同時に実現する温度制御が可能になる。

たとえば、第１、第２および第３の熱浴の温度を融点温度に保持し、第４の熱浴の温度を融点温度よりも十分に低い温度に保持して、まず、第１および第３の熱浴を衝合させた後、第２および第４の熱浴を衝合させるという工程を行なうことによって、セル内の被熱処理物を、全体が融解している状態から上半分は融解に近いが下半分は結晶化温度である状態に急激に変化させることができる。または、第１および第３の熱浴の温度を融点温度に、第２の熱浴の温度を融点温度よりわずかに低い温度に、第４の熱浴の温度を融点温度より十分に低い温度に保持し同様の工程を行なうと、セル内の被熱処理物について半分は急冷結晶化しているが半分は徐冷結晶化という条件を生じさせることができ、セル内に温度傾斜をつけることが可能となる。結果的に、セルの中でのこのような温度傾斜によって、有機物や高分子材料を一定方向に結晶成長させたり、ゲルの架橋密度に濃度勾配を与えたりすることで、傾斜構造を有する材料を調整できる。

また、本発明に係る熱処理装置によれば、熱処理装置の構造を最も簡単にすることができる。その結果、装置コンパクトにすることができ、熱処理装置に必要なスペースを最小とすることができる。また、同じ形状の揺動部材および熱浴を複数製造して装置を構成することができ、装置の製造の手間やコストを抑えることができる。

また、本発明に係る熱処理装置によれば、複数の被熱処理物を交換する手間を省くことができ、複数の被熱処理物を一度に処理することができる。また、工業的なライン工程にも利用可能となる。

また、本発明に係る熱処理装置によれば、第２の温度制御手段を補助的に使用し、さらに時間に対し大きな変化幅で、被熱処理物の温度を変化させることができる。

本発明に係る熱処理装置は、従来のチャンバ型熱処理装置に置き換えると、その試料部ではなく、チャンバの方を移動させ、かつ昇温と降温の両方に対応させるという発想に基づくものである。本発明に係る熱処理装置の本質は、被熱処理物を動かさずに高温または低温の熱浴が接触することで２つの温度条件が急冷却または急加熱として達成されるという点にある。以下、本発明を実施するための最良の形態に関し、図面に基づいて説明する。

［実施の形態１］
（構成）
図１は、実施の形態１に係る熱処理装置１ａの斜視図である。熱処理装置１ａは、保持部２ａ、シャフト３ａおよび３ｃ、揺動部材４ａおよび４ｃならびに熱浴５ａ〜５ｄにより構成されている。保持部２ａは、セル１１ａおよび保持支柱１２ａにより構成されている。セル１１ａは、金属製で円柱形状をしている。その形状は、円柱形状に限られず直方体、楕円柱、楕円体等であってもよく、熱浴と接触のとり易い形状であることが好ましい。また、その材料は熱容量が小さく、熱伝導性の大きい材料であれば銅以外でもよい。セル１１ａは、被熱処理物としての試料を収容する空間をその中に有しており、蓋によりその空間を開閉することが可能になっている。セル１１ａには、試料の構造解析のために放射線を照射する場合に、試料に入射する放射線および、試料により散乱する散乱線を遮らないように放射線透過孔１３ａが設けられている。図１においては、放射線はシャフト３ａおよび３ｃの中心軸に平行に、紙面の裏側から表側に向けて照射される。図２は、実施の形態１に係る保持部２ａをシャフト３ａおよび３ｃの中心軸に垂直な方向から見た平面図である。図２に示すように、セル１１ａは壁に固定されている保持支柱１２ａにより、一定の位置に固定されている。したがって、セル１１ａに収容される試料も、一定の位置に保持されることになる。この試料の中心の位置が設置位置となる。保持支柱１２ａの材料は、セラミックス、樹脂等の熱伝導性の低いものが好ましい。セル１１ａには、図示されない熱電対が挿入されており、試料そのものの温度を測定できるようになっている。熱電対の代わりに、センサを挿入し、熱輻射により試料を測温してもよい。

２本のシャフト３ａおよび３ｃは、上記の壁側に設けられた図示されないプーリを介してモータに接続され、設置位置を挟み、上記の壁に垂直な方向に伸びるように設けられている。また、２本のシャフト３ａおよび３ｃの中心軸の位置は、揺動部材の揺動面への投影において、設置位置、すなわち試料の中心の位置に対して点対称になるように設置されている。これにより、熱処理装置１ａの構造を最も簡単にすることができる。その結果、装置コンパクトにすることができ、熱処理装置１ａに必要なスペースを最小とすることができる。また、同じ形状の揺動部材および熱浴を複数製造して装置を構成することができ、装置の製造の手間やコストを抑えることができる。

シャフト３ａには、その中心軸を軸として揺動可能に第１の揺動部材４ａが設けられ、シャフト３ｃには、その中心軸を軸として揺動可能に第２の揺動部材４ｃが設けられている。揺動部材４ａおよび４ｃは、板状の形状をしており、互いに同じ形状である。シャフト３ａおよび３ｃは銅製であるが、熱伝導性のある材料であることが好ましい。シャフト３ａおよび３ｃに機械的に接続されているモータは、スイッチ等により遠隔操作が可能なように設けられている。モータに電気的に接続されている制御基板上でプログラムによりモータを制御することとしてもよい。これにより。放射光施設のハッチ内で使用する場合には、遠隔操作により安全に試料の温度制御を行なうことができる。揺動部材４ａおよび４ｃの揺動が、同期して行なわれるようにシャフト３ａおよび３ｃはプーリ等を介して機械的に連結されている。なお、電気的な制御により、第１および第２の揺動部材４ａおよび４ｃの揺動を同期して行なうような構成としてもよい。

図３は、第１の揺動部材４ａおよび第１の熱浴５ａを、第１の揺動部材４ａの一端から揺動部材４ａの長さ方向に見たときの側面図である。第１の揺動部材４ａの一端には、固定板２１ａおよびボルト２２ａにより、第１の熱浴５ａが第１の揺動部材４ａに固定されている。第１の熱浴５ａには、ボルト２２ａに嵌合するねじ溝が切られた孔が設けられている。また、第２の揺動部材４ｃの一端には、同様に固定板２１ｃおよびボルト２２ｃにより、第３の熱浴５ｃが第２の揺動部材４ｃに固定されている。第３の熱浴５ｃには、ボルト２２ｃに嵌合するねじ溝が切られた孔が設けられている。

また、熱浴５ａおよび５ｃは、それぞれの揺動部材４ａおよび４ｃを、図１に示すＡ方向に揺動させた場合に、試料を挟んで衝合するように設計されている。衝合とは、熱浴の熱を試料に伝導する部分同士が試料を挟んで合わさることをいう。この場合には、図１に示すＡ方向が第１の方向である。熱浴が衝合した際の試料の中心の位置を設置位置という。揺動部材４ａおよび４ｃは、金属製であるが、熱伝導性のよいものであれば、特に材料は制限されない。

一方、第１の揺動部材４ａの他端には、同様に固定板２１ｂおよびボルト２２ｂにより、第２の熱浴５ｂが第１の揺動部材４ａに固定されている。第２の熱浴５ｂには、ボルト２２ｂに嵌合するねじ溝が切られた孔が設けられている。また、第２の揺動部材４ｃの他端には、固定板２１ｄおよびボルト２２ｄにより、第４の熱浴５ｄが第２の揺動部材４ｃに固定されている。第４の熱浴５ｄには、ボルト２２ｄに嵌合するねじ溝が切られた孔が設けられている。

熱処理装置１ａには、第１の温度制御手段として図示されない熱線ヒータおよび制御基板、銅製の冷却パイプおよび熱電対が設けられている。各４つの熱線ヒータおよび熱電対は、それぞれ熱浴５ａから５ｄに接するように設けられ、各熱線ヒータの出力を調整してそれぞれの熱浴を独立して設定温度に維持しうるように、メモリおよびＣＰＵを有する制御基板に電気的に接続されている。一方、冷却パイプは、シャフト３ａおよび３ｃの中を貫通するように設けられ、水等の冷媒が流されている。

これにより、熱浴５ａから５ｄの温度をそれぞれ独立に設定し制御することができる。その結果、急加熱または急冷却の処理を行ないつつ、セル内の被熱処理物に空間的な温度傾斜を与えることもできる。被熱処理物について、時間的に急激な温度変化と空間的な温度傾斜とを同時に実現する温度制御が可能になる。

なお、第１の温度制御手段とは、それぞれの熱浴の温度を一定に保つ機能を有するものであり、特に上記の具体例に限定されるものではない。たとえば、熱電対の代わりに、センサを挿入し、熱輻射により試料を測温してもよい。また、熱浴５ａおよび５ｃの一組についてのみ対称になるようにヒータを設け、そのヒータについては常に同一の出力を行なう構成としてもよい。この場合には、各熱浴について、独立して温度制御されない構成となり、揺動部材を往復させることで、高温と低温の２つの温度間のみについて温度変化を与えることになる。すなわち、被熱処理物に空間的に均一な温度変化のみを与えることができる。この場合には、構成が単純であり装置の製造を容易に行なえる利点がある。

また、熱浴５ｂおよび５ｄは、それぞれの揺動部材４ａおよび４ｃを、図１に示すＢ方向に揺動させた場合に、上記の設置位置で試料を挟んで衝合するように設計されている。この場合には、図１に示すＢ方向が第２の方向である。熱浴５ａ〜５ｄには、それぞれ熱浴５ａおよび５ｃまたは熱浴５ｂおよび５ｄを衝合した状態で固着させるために、図示しない電磁ホルダ機構が設けられている。電磁ホルダは、互いに衝合した状態で固着している熱浴同士を離す際には、モータに連動して固着を解除するような電気的構成を有している。このように、熱浴５ａおよび５ｃを高温に、熱浴５ｂおよび５ｄを低温に保ち、それぞれに概略１８０°の半円軌道を描かせて往復させることにより、被熱処理物の急加熱および急冷却を達成する。

このように、熱処理装置１ａは揺動部材４ａおよび４ｃが揺動することで、熱浴を上下から衝合させ保持部２ａに密着させる。これにより、たとえば熱浴５ａおよび５ｃを同じ低温度に保持しておき、熱浴５ｂおよび５ｄを同じ高温度に保持しておいた上で、交互に熱浴５ａおよび５ｃ同士または熱浴５ｂおよび５ｄ同士を衝合させた場合には、それぞれ熱浴が衝合している状態では、被熱処理物全体にわたって空間的には均一であるが、急激な温度変化を伴う温度履歴を経た被熱処理物を得ることができる。その結果、被熱処理物を固定した状態で、時間に対し大きな変化幅で被熱処理物の温度を変化させることができる。また、熱処理装置１ａは、昇温および降温過程のどちらにも同等に対応可能であり、急冷却および急加熱を連続して繰り返すことができる。

また、温度制御の際には被熱処理物が設置位置に固定されるために、実際に温度制御している被熱処理物そのものの温度を、熱輻射や熱電対等で直接測温することが容易になる。その結果、試料温度を急速に変化させながら、その物性実験が可能となる。たとえば、放射線照射による構造解析を行なう場合には、被熱処理物の同じ位置に放射線を当てて、被熱処理物の温度を急激に変化させながら、その構造を解析することができる。したがって、高分子化合物や有機化合物の結晶構造解析、または結晶化初期過程や非晶構造の研究において、融点近傍での種々の挙動の観察が可能となる。その結果、融点近傍での温度をその過程の時間発展と併せて様々に変化させることで、多様な結晶構造や物性を発現させ、被熱処理物の構造をより深く理解することができる。

また、上記のような構成をとるために、厚みをもつバルク状の被熱処理物の温度制御が可能となり、従来の装置と比較して、被熱処理物のサイズについての制限を緩和することができる。その結果、被熱処理物中に多くの放射線の照射体積を確保できるため、光学測定や散乱実験の精度を上げることができる。

また、被熱処理物を一定の設置位置に保持し、熱浴同士を衝合させて温度制御を行なうため、セルの気密性、セルの温度変化の追従性、および被熱処理物自体を測温する性能を追求しやすくすることができる。また、たとえばセルの周りを真空にすることができ、放射線のスリットから熱処理装置のセル、そして散乱強度の検出器までを一体の真空槽内に納めることができる。その結果、放射線の回折実験でバックグラウンドの原因となる空気散乱を抑えることができる。

また、希薄溶液の急加熱または急冷却の条件下での回折法または光学法によるその場観察に適しており、このような未着手の科学分野について研究することができる。

上記ように、熱浴５ａ〜５ｄは、半円柱形であり、固定板２１ａ〜２１ｄおよびボルト２２ａ〜２２ｄにより固定されているため、揺動部材４ａおよび４ｃとの接触面積が小さい。これにより、熱膨張による伸び縮みの影響を抑えることができる。

図４は、熱浴５ａの斜視図である。図４に示すように、熱浴５ａの衝合面は、セル１１ａの円柱形状とほぼ同形のセル用溝３１ａを有する。セル用溝３１ａは、セル１１ａを挟んで熱浴同士が衝合した場合に、セル１１ａの外面に密着する形状に加工されている。熱浴同士が衝合した場合には、それぞれの熱浴のセル用溝にセル１１ａの側面が密着する。これにより、セルと熱浴の間で熱伝導が生じ、セルの急加熱または急冷却が可能となる。セル用溝３１ａには、少量の熱伝導グリースが塗布されている。また、シャフト３ａと平行な方向の端部には、矢印Ｃで表される放射線の試料への入射方向に沿って、半円柱状の入射線用凹部３２ａが設けられ、さらに試料からの散乱線を遮らないように、半円錐状の散乱線用凹部３３ａが設けられている。熱浴５ｂ〜５ｄも同じ形状である。なお、凹部の形状は、放射線を遮らないものであれば、特に限定されない。これにより、衝合した熱浴５ａおよび５ｃまたは５ｂおよび５ｄの凹部から放射線を被熱処理物に照射し、時間に対し大きな変化幅で、または大きな勾配で被熱処理物の温度を変化させながら、被熱処理物をその場観察することができる。

なお、実施の形態１では、セル１１ａおよびセル用溝３１ａは、円柱形であるが、特に形状は制限されない。ただし、セル１１ａおよびセル用溝３１ａを円柱形状としておけば、セル１１ａおよびセル用溝３１ａの加工が容易になる。なお、熱浴５ａ〜５ｄは、銅製であるが、熱伝導性のよいものであれば、特に材料は制限されない。

（動作）
次に、以上のように構成された実施の形態に係る熱処理装置１ａの動作について説明する。たとえば、急加熱中および急冷却中の試料を放射線によりその場観察する場合の動作を行なう場合について説明する。まず、あらかじめ第１の温度制御手段により熱浴５ａおよび５ｃを同一かつ一定の高い温度に保持しておく。たとえば、２００℃等の温度に設定する。また、熱浴５ｂおよび５ｃを同一かつ一定の低い温度に保持しておく。たとえば、室温の２０℃に設定する。次に、保持部２ａ内に試料を収容させる。

これにより、熱浴が衝合している状態では、試料全体にわたって温度が均一化するため、空間的に均一に温度履歴を経た均一な構造の被熱処理物を得ることができる。また、均一な温度の試料の構造を観察できる。

次に、セル１１ａを挟んで熱浴５ｂおよび５ｄを衝合させ、試料を２０℃に保つ。放射線を試料に照射し、散乱線の検出を始める。次に、揺動部材４ａおよび４ｃを揺動させ、セル１１ａを挟んで熱浴５ａおよび５ｃを衝合させる。図５は、実施の形態１に係る熱処理装置１ａをシャフトの軸方向に見た側面図である。図５（ａ）は熱処理装置１ａの熱浴が衝合していない状態を示しており、図５（ｂ）は熱処理装置１ａの熱浴が衝合している状態を示している。図５に示すように、熱浴の衝合は、揺動部材を揺動することにより行なう。このとき、試料は２００℃に急加熱される。同時に散乱線を検出し、試料の構造解析を行なう。試料の温度が２００℃に達し一定になり十分に散乱線を検出したら、上記とは逆向きに揺動部材４ａおよび４ｃを揺動させ、セル１１ａを挟んで熱浴５ｂおよび５ｄを衝合させる。試料を２０℃に急冷却しつつ、散乱線を検出し、試料の構造解析を行なう。

上記の工程では、熱浴５ａの温度は、熱浴５ｃの温度と実質的に同じ温度に保持されており、熱浴５ｂの温度は、熱浴５ｄの温度と実質的に同じ温度に保持されており、互いに衝合する熱浴同士は同じ温度に保持されているが、衝合する２つの熱浴のうち、一方の熱浴の温度と他方の熱浴の温度とが異なる温度に保持されていてもよい。

たとえば、熱浴５ａ、５ｂおよび５ｃの温度を融点温度に保持し、熱浴５ｄの温度を融点温度よりも十分に低い温度に保持して、まず、熱浴５ａおよび５ｃを衝合させた後、熱浴５ｂおよび５ｄを衝合させるという工程を行なうことによって、セル内の試料を、全体が融解している状態から上半分は融解に近いが下半分は結晶化温度である状態に急激に変化させることができる。または、熱浴５ａおよび５ｃの温度を融点温度に、熱浴５ｂの温度を融点温度よりわずかに低い温度に、熱浴５ｄの温度を融点温度より十分に低い温度に保持し同様の工程を行なうと、セル内の試料について半分は急冷結晶化しているが半分は徐冷結晶化という条件を生じさせることができ、セル内に温度傾斜をつけることが可能となる。結果的に、セルの中でのこのような温度傾斜によって、有機物や高分子材料を一定方向に結晶成長させたり、ゲルの架橋密度に濃度勾配を与えたりすることができるので、傾斜構造を有する材料を調整できる。

なお、このような工程に熱処理装置１ａを用いる場合には、セルの材料に比較的熱容量が大きく、熱伝導性の小さいものを用いるのが好ましい。

本発明者は、実施の形態１に係る熱処理装置１ａを作製し、試験を行なった。以下、実施の形態１に係る熱処理装置１ａの実施例について説明する。

まず、熱浴５ａおよび５ｃの温度を２０４℃とし、熱浴５ｂおよび５ｄの温度を室温の１９℃に保持した。この条件の下で、試料の急加熱を行なった。具体的には、熱浴５ｂおよび５ｄを接触させた状態から揺動部材４ａおよび４ｃを揺動させ、熱浴５ａおよび５ｃを接触させた。図６は、その際の試料および熱浴の温度の時間変化を表すグラフである。セル１１ａに熱浴５ａおよび５ｃを接触させ、試料の加熱を始めた時間を０秒としている。試料の温度を実線で、熱浴の温度を点線でそれぞれ表している。図６に示すように、６０〜１３０℃／秒、すなわち約３６０〜７０００℃／分の温度変化条件が達成された。これは従来のフローセル型装置の３倍から数十倍の温度勾配である。この実験例では急加熱を行なったが、急冷却を行なう場合でも、熱浴の材料または形状等は同じであるため、同様の効果が得られると考えられる。また、熱接触を向上させ、かつ試料セルの熱容量を小さく設計・製作すれば最大達成温度勾配はさらに向上すると考えられる。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２に係る熱処理装置１ｅをシャフト３ｅおよび３ｇに平行な方向に見たときの側面図である。実施の形態１では、２本のシャフト３ａおよび３ｃは、シャフトの軸に平行な方向に熱処理装置１ａを見たときに、それらの中心軸が設置位置に対して点対称になるように設置されており、揺動部材４ａおよび４ｃの形状は同一であるが、図７に示すように、シャフト３ｅおよび３ｇの中心軸の位置が設置位置に対して点対称ではなく、揺動部材４ｅおよび４ｇの長さが異なっていてもよい。これにより、試料の位置に対して点対称にならない位置にシャフトの中心軸の位置が制限される事情がある場合でも、このような事情に対応した熱処理装置を構成することができる。

［実施の形態３］
図８は、実施の形態３に係る熱処理装置１ｐをシャフト３ｐおよび３ｒに平行な方向に見たときの側面図である。実施の形態１では、２本のシャフト３ａおよび３ｃは、シャフトの軸に平行な方向に熱処理装置１ａを見たときに、設置位置およびシャフトの中心軸の位置が一直線上に並ぶように設置されており、揺動部材４ａおよび４ｃの形状は同一であるが、図８に示すように、設置位置およびシャフトの位置が一直線上に配置されず、揺動部材４ｐおよび４ｒと４ｑおよび４ｓの形状が異なっていてもよい。これにより、設置位置およびシャフトの位置が一直線上の位置に制限される事情がある場合でも、このような事情に対応した熱処理装置を構成することができる。たとえば、シャフトの設置可能な位置に対して放射線を照射を照射可能な位置が上または下にならざるを得ない場合であっても熱処理装置１ｐを構成することができる。

［実施の形態４］
実施の形態１では、固定された保持部２ａにおいてセル１１ａの蓋の開閉により被熱処理物の交換を行なうが、複数の保持部２ｔを収容する収容部と、その収容部からいずれか一つの保持部２ｔを設置位置に供給する供給部を備えていてもよい。すなわち、被熱処理物のいわゆる交換器を備えていてもよい。図９は、被熱処理物の保持部および供給部の一例を示す斜視図である。図９に示すように、保持部２ｔはセル１１ｔおよび保持支柱１２ｔから構成されている。たとえば、図示されない収容部は、複数の保持部２ｔを収容できるように、直方体の箱状になっている。収容部には、保持部２ｔを積み上げることのできる程度の空間があり、下方にガイド４１ｔへの保持部２ｔを一つずつ送り出すように制限するストッパが設けられている。供給部としてのガイド４１ｔは、図９に示すように、曲面をもった２本の幅の狭い帯状体であり、先端部分は上向きに折り曲げられている。ガイド４１ｔは、たとえば金属で構成されており、保持部の重みで変形しない程度の強度を有している。

以下に、簡単に実施の形態４に係る保持部２ｔ、ガイド４１ｔおよび収容部の動作を説明する。まず、熱浴の温度が一定に保持され、温度制御の準備が整ったら、収容部から保持部２ｔをガイド４１ｔに送る。収容部から供給される保持部２ｔをガイド４１ｔの曲面に沿ってその先端まで移動させる。次に、保持部２ｔを挟んで熱浴を衝合して、その被熱処理物に必要な温度制御処理を行なう。温度制御処理が終わったら、ガイド４１ｔの上端を中心に矢印Ｄの方向に揺動移動させることで、保持部２ｔをリリースし下に落とす。ガイド４１ｔをもとの位置に戻す。温度制御処理が必要な保持部２ｔが残っていれば、さらに収容部から保持部２ｔをガイド４１ｔに送り、収容部に保持部２ｔの残りがなくなるまで、上記の動作を繰り返す。

これにより、複数の被熱処理物を交換する手間を省くことができ、複数の被熱処理物を一度に処理することができる。

［実施の形態５］
実施の形態１では、固定された保持部２ａにおいてセル１１ａの蓋の開閉により被熱処理物の交換を行なうが、複数の保持部２ｖを有し、いずれか一つの保持部２ｖを設置位置に供給する供給部を備えていてもよい。たとえば、ベルトコンベアによる被熱処理物の交換器を備えていてもよい。図１０は、実施の形態５に係る熱処理装置１ｖの斜視図である。図１０に示す熱処理装置１ｖは、供給部としてのベルトコンベア５１ｖを備える一例を示す斜視図である。図１０に示すように、保持部２ｖはベルトコンベア５１ｖ上に設置されている。たとえば、被熱処理物がフィルム状の樹脂製品であり、急加熱または急冷却が樹脂製品の製造工程に含まれるような場合には、製造ライン上に熱処理装置１ｖを利用することができる。なお、ベルトコンベア５１ｖは、両方の揺動部材が９０°揺動したときに、駆動させるのが好ましい。すなわち、第１から第４までの熱浴がちょうど揺動の中間にあるときに、駆動させるのが好ましい。これにより、ベルトコンベア５１ｖの駆動により、揺動部材または熱浴が保持部やベルトコンベアに接触する等の問題を生じ難くすることができる。

また、図１０に示す熱処理装置１ｖでは、保持部２ｖはベルトコンベア５１ｖに設置されているが、被熱処理物そのものをベルトコンベア上に設置し、温度制御してもよい。この場合には、被熱処理物を支えるベルトコンベアの一部が保持部となる。これにより、複数の被熱処理物を交換する手間を省くことができ、複数の被熱処理物を一度に処理することができる。また、工業的なライン工程に利用可能となる。

［実施の形態６］
実施の形態１の熱処理装置１ａでは、熱浴５ａから５ｄが保持部２ａに密着することで、被熱処理物を急加熱または急冷却するが、保持部２ａまたは被熱処理物を加熱または冷却する第２の温度制御手段を有していてもよい。たとえば、保持部２ａに組み込むように第２の温度制御手段として熱線ヒータまたは冷却パイプを設けてもよい。これにより、第２の温度制御手段を補助的に使用し、さらに時間に対し大きな変化幅で被熱処理物の温度を変化させることができる。

なお、本発明の熱処理装置を、温度変化を伴う構造解析に用いる場合には、放射線による構造解析だけでなく、IRやラマン測定などの光学解析、NMRによる磁気的解析にも適用可能である。

実施の形態１に係る熱処理装置の斜視図である。 実施の形態１に係る保持部の平面図である。 実施の形態１に係る第１の揺動部材および第１の熱浴の側面図である。 実施の形態１に係る熱浴の斜視図である。 （ａ） 熱浴が衝合していない状態の熱処理装置の側面図である。 （ｂ） 熱浴が衝合している状態の熱処理装置の側面図である。 実験例における試料および熱浴の温度の時間変化を表すグラフである。 実施の形態２に係る熱処理装置の側面図である。 実施の形態３に係る熱処理装置の側面図である。 実施の形態４に係る保持部および供給部の一例を示す斜視図である。 実施の形態５に係る熱処理装置の斜視図である。

符号の説明

１ａ 熱処理装置
１ｅ 熱処理装置
１ｐ 熱処理装置
１ｖ 熱処理装置
２ａ 保持部
２ｔ 保持部
２ｖ 保持部
３ａ シャフト
３ｃ シャフト
３ｅ シャフト
３ｐ シャフト
４ａ〜ｃ 揺動部材
４ｅ 揺動部材
４ｐ 揺動部材
５ａ〜５ｄ 熱浴
１１ａ セル
１１ｔ セル
１２ａ 保持支柱
１２ｔ 保持支柱
１３ａ 放射線透過孔
２１ａ〜２１ｄ 固定板
２２ａ〜２２ｄ ボルト
３１ａ セル用溝
３２ａ 入射線用凹部
３３ａ 散乱線用凹部
４１ｔ ガイド
５１ｖ ベルトコンベア

Claims (5)

1. 加熱または冷却の対象となる被熱処理物を設置位置で保持する保持部と、
   前記設置位置の両側で軸支され、揺動可能に設けられた第１および第２の揺動部材と、
   前記第１の揺動部材の両端に設けられた第１の熱浴および第２の熱浴と、
   前記第２の揺動部材の両端に設けられた第３の熱浴および第４の熱浴と、
   前記第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ制御する第１の温度制御手段と、を備え、
   前記第１および第２の揺動部材を第１の方向に揺動させた場合には、前記第１の熱浴および第３の熱浴が前記設置位置で前記被熱処理物を挟んで互いに衝合し、
   前記第１および第２の揺動部材を第２の方向に揺動させた場合には、前記第２の熱浴および第４の熱浴が前記設置位置で前記被熱処理物を挟んで互いに衝合することを特徴とする熱処理装置。
2. 前記第１の温度制御手段は、前記第１から第４の熱浴の温度をそれぞれ独立に制御することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記各揺動部材は、前記各揺動部材の軸が前記設置位置に対して点対称になるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱処理装置。
4. 複数の前記保持部を有し、いずれか一つの保持部を前記設置位置に供給する供給部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置。
5. 前記保持部または前記被熱処理物の温度を独立に制御する第２の温度制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置。
   

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