專利名稱：熱分析方法和熱分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱分析物質(zhì)或材料的方法和裝置，特別涉及用于將試樣分割成微小部分進行熱分析的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在高分子、生物材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料、尤其近年來以納米技術(shù)為首的復(fù)合物質(zhì)或相關(guān)材料的廣闊的技術(shù)領(lǐng)域中，開發(fā)能在微小區(qū)域表達所希望物性的材料的要求日益高漲。作為這樣的材料，例如可列舉電熱元件、IC用絕緣涂膜、熱敏記錄紙、傳熱糊劑、薄膜隔熱材料、生鮮冷凍保存液、碳纖維增強復(fù)合材料等。將在上述的微小區(qū)域表達所希望物性的材料的開發(fā)，當(dāng)然需要精密地控制微細結(jié)構(gòu)。進而，對于開發(fā)這種具有微細結(jié)構(gòu)的材料來說，精密評價該材料特性的分析技術(shù)是不可欠缺的。
作為基于材料的熱舉動的分析、評價材料特性的方法，以前一般廣泛采用DSC(差示掃描熱量測定法)、DTA(差示熱分析法)等。這些方法具有可敏銳檢測應(yīng)測定材料的熱特性的優(yōu)異特點。
但是，通過DSC或DTA得到的分析數(shù)據(jù)，其性質(zhì)上，所測定的乃是對收納在DSC或DTA試樣盒內(nèi)幾毫克左右的試樣的平均值。因此，通過這些方法，對于在試樣的規(guī)格方面進行1mm級別或其以下的微小部分的熱分析是困難的。
作為利用紅外線放射溫度計測定試樣的熱物性的方法，有特開平3-189547號公報。在這種方法中，通過非接觸方式進行溫度測定，測定膜厚1μm或其以下薄膜的熱擴散率。如果使用這種方法，雖然可以測定膜厚很薄的膜的熱擴散率，但只能以測定部分的面積的平均值測定物性，與上述的DSC或DTA沒有不同。
在上述的納米技術(shù)等需要微細結(jié)構(gòu)控制的材料的開發(fā)中，試樣的μm級別或其以下水平的熱特性的分布，對材料特性有很大影響，以往有應(yīng)用AFM的熱分析法(以平面內(nèi)掃描求熱導(dǎo)分布的方法)。但是，沒有對試樣的微小部分利用紅外線照相機進行二維熱分析的方法。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于，提供一種可消除上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，可進行試樣微小部分的熱分析的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種能夠利用紅外線照相機對試樣的每個微小部分進行熱分析的同時，二維解析交流給予的溫度波的舉動，可同時得到熱導(dǎo)率·熱擴散率的信息的方法和裝置。
本發(fā)明者們銳意研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不按照以往的熱分析那樣，以“平均值”測定應(yīng)測試樣區(qū)域的熱特性，而是以構(gòu)成該試樣區(qū)域的每個1mm平方或其以下，尤其是0.1mm平方或其以下(特別是10μm平方或其以下)的微小部分的熱特性數(shù)據(jù)(或多個熱特性數(shù)據(jù)或二維和模擬三維的集合)進行測定，對于達到上述目的是極其有效的。
本發(fā)明的熱分析方法是基于上述認識的方法，更詳細地說，是一邊給予應(yīng)測定試樣的至少一部分溫度變化，一邊利用紅外線傳感器，測定位于包括基于該溫度變化的加熱部的周圍的試樣微小部分的熱特性。
根據(jù)本發(fā)明，進而提供一種熱分析裝置，其中至少含有用于給予應(yīng)測定試樣溫度變化的溫度變化裝置、為放大試樣微小部分的紅外像放大裝置、和為測定該微小部分的熱特性的紅外線測定裝置；其一面給予前述試樣的至少一部分溫度變化，一面利用紅外線測定基于該溫度變化的試樣的微小部分的熱特性。
在具有上述構(gòu)成的本發(fā)明的熱分析方法中，不是按照以往的熱分析那樣以“平均值”或“批量”檢測應(yīng)測定試樣區(qū)域的熱特性，而是以構(gòu)成該試樣區(qū)域的每個微小部分的熱特性數(shù)據(jù)(或熱特性數(shù)據(jù)乃至多個“要素”或二維的集合)，進行測定的。由此，熱特性測定可以迅速化，而且，追蹤試樣在特定區(qū)域內(nèi)、或在μm級別的微小部分的熱特性數(shù)據(jù)的微細的msec級別程度或其以下的經(jīng)時變化，也變得極為容易。
以下列舉本發(fā)明的主要優(yōu)選形態(tài)(1)一面使應(yīng)測定試樣按一定速度升溫或降溫，一面通過顯微系統(tǒng)放大該試樣的至少一部分，通過紅外線放射溫度計，測定該放大部分的溫度。
(2)一面使應(yīng)測定試樣和參照試樣按一定速度升溫或降溫，一面通過顯微鏡放大該試樣和參照試樣的至少一部分，通過紅外線放射溫度計測定此時的溫度變化，通過比較試樣及溫度和被輻射材料校正了的參照試樣的溫度變化的差，進行試樣的DTA分析。
(3)一面使應(yīng)測定試樣按一定速度升溫或降溫，一面對試樣的至少一部分給予光照射或者以焦爾發(fā)熱給予調(diào)制溫度波，通過紅外線放射溫度計測定此時的溫度變化，由直流部分的變化觀測試樣的微小部分的潛熱，進行該微小部分的熔解或者固化狀態(tài)的分析，而且同時由交流分的解析計測熱擴散率。
(4)一面在試樣的一部分設(shè)置交流熱源，使其發(fā)生交流狀溫度變化，一面使試樣按一定速度升溫或降溫，用顯微鏡放大試樣的微小部分，同時使用紅外線溫度計測定此時的溫度變化，通過另外設(shè)置的溫度傳感器測到的試樣微小部分的交流狀溫度變化，求出相位延遲，由此求得試樣微小部分的熱擴散率。
附圖的簡單說明

圖1是用于說明本發(fā)明的熱導(dǎo)率等定義的、試樣的模式透視圖。
圖2是用于說明本發(fā)明的非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的、試樣的模式透視圖。
圖3是表示給予試樣交流狀溫度變化時的溫度變化測定例的模式曲線圖(a)以及模式相位差曲線圖(b)。
圖4是用于說明“熱厚”和“熱薄”的概念的模式剖面圖。
圖5是表示薄膜溫度傳感器的電路圖的例子的附圖。
圖6是表示本發(fā)明方法中可使用系統(tǒng)的例子的模式圖。
圖7是表示交流電源電壓和測定信號的例子的模式曲線圖。
圖8是表示相位延遲(a)和振幅(b)的例子的模式曲線圖。
圖9是表示本發(fā)明方法中可使用的顯微鏡等的配置例的模式透視圖。
圖10是表示本發(fā)明方法中可使用試樣的測定區(qū)域(a)、和交流熱源配置例(b)的模式平面圖。
圖11是表示本發(fā)明方法中可使用的試樣的微小部分例子的模式平面圖。
圖12是表示本發(fā)明方法中可使用的試樣區(qū)域(a)和放大部分(b)的關(guān)系的例子的模式平面圖。
圖13是表示溫度分布和溫度的時間變化的圖。
圖14是表示溫度分布和溫度的時間變化的圖。
圖15是表示溫度分布和溫度的時間變化的曲線圖。
圖16是表示溫度分布和溫度的時間變化的曲線圖。
圖17是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖18是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖19是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖20是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖21是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖22是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖23是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖24是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖25是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖26是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖27是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖28是表示溫度分布的經(jīng)時變化的圖。
圖29是平面地表示細胞中的溫度分布的圖。
圖30是按各軸向的變化，表示細胞內(nèi)溫度分布的曲線圖。
圖31是按各軸向的變化，表示細胞內(nèi)溫度分布的曲線圖。
圖32是按各軸向的變化，表示細胞內(nèi)溫度分布的曲線圖。
圖33是按各軸向的變化，表示細胞內(nèi)溫度分布的曲線圖。
圖34是表示細胞間溫度分布的曲線圖。
圖35是表示細胞間溫度分布的曲線圖。
圖36是表示黑體面的溫度分布和放射率強度的變化的圖。
圖37是表示黑體面的溫度分布和放射率強度的變化的圖。
圖38是表示黑體面的溫度分布和放射率強度的變化的圖。
圖39是表示黑體面的溫度分布和放射率強度的變化的圖。
圖40是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖41是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖42是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖43是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖44是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖45是表示洋蔥細胞的溫度分布的圖。
圖46是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖47是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖48是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖49是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖50是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖51是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖52是表示聚乙烯原纖維的溫度擴散各向異性的測定例的圖。
圖53是表示薄膜平面方向的熱擴散的測定例的圖。
圖54是表示薄膜平面方向的熱擴散的測定例的圖。
圖55是表示薄膜平面方向的熱擴散的測定例的圖。
圖56是表示空氣中的水滴的冷卻·結(jié)晶化過程的測定例的圖。
圖57是表示空氣中的水滴的冷卻·結(jié)晶化過程的測定例的圖。
圖58是實施例使用的夾層狀樣品的構(gòu)成的模式剖面圖。
圖59是表示夾層狀樣品的溫度梯度觀測結(jié)果的曲線圖。
圖60是表示夾層狀樣品的溫度梯度觀測結(jié)果的曲線圖。
圖61是三維表示樣品溫度的曲線圖。
圖62是以差分圖像三維表示樣品溫度的曲線圖。
圖63是三維表示樣品溫度的曲線圖。
圖64是以差分圖像三維表示樣品溫度的曲線圖。
實施發(fā)明的最佳形態(tài)以下，根據(jù)需要，邊參照附圖，邊更具體地說明本發(fā)明。在以下記載中，表示量比的“份”和“％”，除非特別說明，為質(zhì)量基準。
(試樣)只要是其熱特性的測定是有用的試樣，則沒有特別的限制。作為這種試樣的例子，可列舉例如有機化合物、高分子化合物、有機色素、礦石、玻璃、陶瓷、金屬、水和水溶液、植物細胞、動物細胞等。
在本發(fā)明中，作為合適的被測定試樣，在只使用紅外照相機的場合，沒有特別的限制。在并用接觸型溫度傳感器的場合，優(yōu)選薄膜、片材或板狀的難導(dǎo)電性的物質(zhì)，或液體狀和能形成液體狀的難導(dǎo)電性的物質(zhì)。另外，即使在導(dǎo)電性物質(zhì)的場合，可以通過在電極上涂布對測定厚度可以忽略不計的薄度的絕緣薄膜，或者通過補正涂膜部分的方法進行測定。作為測定對象的物質(zhì)的例子，可列舉以下物質(zhì)(1)苯酚、尿素、蜜胺、聚酯、環(huán)氧、聚氨酯、纖維素、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、偏氯乙烯、聚酰胺、聚縮醛、聚碳酸酯、聚砜、ABS、聚苯醚、聚醚砜、多芳基化合物、丙烯酸、丙烯腈、聚丙烯腈、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰亞胺、聚烯烴等高分子化合物。
(2)花青苷、酞菁、萘菁、鎳絡(luò)合物、螺環(huán)化合物、二茂鐵、俘精酸酐、咪唑等有機色素，正鏈烷類，乙醇、甲醇、丙三醇等醇類，苯、甲苯、苯甲酸等環(huán)狀類，等的有機化合物。
(3)血管內(nèi)皮細胞、植物表皮細胞、藻類、血液、臟器組織、木材等的生物相關(guān)物質(zhì)。
(4)金屬類。
(5)干酪、食用油、豆腐、果凍、肉類等的食品。
(6)食鹽水等各種水溶液、油脂、潤滑油等的液體物質(zhì)。
(7)硅石、金剛石、剛玉、紅寶石、藍寶石、瑪瑙、云母、巖鹽、高嶺土、大理石、石英、橄欖石、石膏、硫磺、重晶石、明礬、螢石、長石、滑石、石綿、石灰石、白云石、方解石、水晶、琥珀、尖晶石、綠寶石、黃玉、貓眼石、翡翠、蛋白石等礦石。石英玻璃、氟化玻璃、鈉玻璃、鈉鈣玻璃、鉛玻璃、鋁硼硅酸玻璃、硼硅酸玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等精細陶瓷等。
(8)碳纖維增強塑料、摻入滑石的塑料等復(fù)合材料。
(至少一部分)只要其熱特性的測定是有用的區(qū)域，(例如通過調(diào)整應(yīng)向紅外線傳感器輸入的紅外線像的放大倍率等手段)該區(qū)域的規(guī)格沒有特別的限制。雖然也依存于使用的觀察裝置或測定裝置的規(guī)格，但應(yīng)測定區(qū)域的規(guī)格，通常優(yōu)選1000μm×1000μm左右，更優(yōu)選10μm×10μm左右。在可能的場合，也可以是所有應(yīng)測定試樣的已被細分化的部分。
在本發(fā)明中，根據(jù)需要，也可將應(yīng)測定區(qū)域(A)分成多個微小區(qū)域(B)進行測定。在如此將應(yīng)測定區(qū)域分成多個微小區(qū)域的場合，每個應(yīng)測定區(qū)域(A)中的微小區(qū)域(B)的個數(shù)，優(yōu)選4或其以上，更優(yōu)選1000或其以上(特別優(yōu)選10000或其以上)。雖然只要可進行熱特性的測定，每個應(yīng)測定區(qū)域(A)中的微小區(qū)域(B)的個數(shù)沒有特別限制，但通常優(yōu)選64×64或其以上，更優(yōu)選128×128或其以上(特別優(yōu)選256×256或其以上)。
在本發(fā)明中，根據(jù)需要，也可以追蹤應(yīng)測定區(qū)域的經(jīng)時變化。在這種追蹤經(jīng)時變化的場合，與一次測定對應(yīng)的時間，優(yōu)選0.5秒或其以下，更優(yōu)選0.05秒或其以下，特別優(yōu)選1毫秒或其以下。
在本發(fā)明中，根據(jù)需要，也可以求出被測定的熱特性的多個微小部分間的、或是1個或是多個微小部分的熱特性的經(jīng)時變化的差或比。微小部分的熱性質(zhì)，代表性的，既可以以與近前數(shù)據(jù)之差連續(xù)表現(xiàn)溫度的經(jīng)時變化，和/或根據(jù)需要，也可以只強調(diào)變化部分進行描繪，謀求高靈敏度化。這些手法可以獨立或組合，也可以使用“微分圖像”的手法。
(溫度變化)在發(fā)明中，應(yīng)給予應(yīng)測定試樣至少一部分的溫度變化，沒有特別的限制。即能均勻或經(jīng)時變化地給予該試樣的至少一部分。另外根據(jù)需要，也可以對構(gòu)成該試樣的1個或其以上的微小部分，或者每個微小部分，均勻地、和/或經(jīng)時變化地給予。例如，微小部分的溫度變化，優(yōu)選按一定速度升溫·降溫或等溫(圖1)。根據(jù)需要，除按一定速度升溫·降溫之外，還可以同時給予交流的變化。另外，也可以單獨地給予交流的變化。交流一般優(yōu)選正弦波，但三角波、矩形波等，給予任意波形都能用傅里葉變換進行解析。
作為這樣的溫度變化，可舉例如下的變化(1)使試樣臺按一定速度升溫或降溫，使試樣也按同一速度變化。
(2)與(1)獨立，對試樣的一部分，用激光光線或聚光的光照射，形成點熱源。
(3)用遮光器使(2)的點熱源變成斷續(xù)光，形成交流點熱源。
(4)在試樣表面的一部接觸設(shè)置金屬導(dǎo)線、帶、繪在玻璃板上的金屬薄膜等，進行交流通電，使其發(fā)生正弦波狀或階梯狀的溫度波。
進而，也可以例如使試樣一面冷卻，一面適當(dāng)組合上述(1)～(4)中的2項或其以上通電等，給予該試樣具有多種規(guī)則性的溫度變化。
(熱特性)在本發(fā)明中，作為可利用的熱特性，可列舉例如溫度、溫度變化、溫度分布、潛熱、熔解或固化的狀態(tài)、變化的相位延遲、和熱擴散率·熱導(dǎo)率·體積比熱；和使用這些熱特性的經(jīng)時變化、交流溫度波的場合，從由頻率依賴性或多個微小部分間的這些熱特性的差或比構(gòu)成的組中選擇的1種或其以上的特性。根據(jù)需要，也可以組合其中的2種或其以上的特性進行測定。
(利用紅外線的測定)在本發(fā)明中，可適當(dāng)利用的紅外線，沒有特別的限制。這種紅外線，優(yōu)選通常波長3～5μm，更優(yōu)選0.9～12μm范圍的電磁波。這種紅外線，根據(jù)需要，也可以是由半導(dǎo)體器件等發(fā)射的激光。
(紅外線傳感器)在本發(fā)明中可利用的紅外線傳感器或紅外線測定裝置，沒有特別的限制。從盡量不妨礙測定試樣的微小部分的熱特性這一點來說，優(yōu)選利用非接觸型測定裝置(例如，紅外線放射溫度計)。
在這種紅外線測定裝置中，應(yīng)使用的紅外線檢測裝置，只要是能進行目的紅外線的檢測，則沒有特別的限制，但優(yōu)選具有CCD等器件的裝置。這種器件中的像素數(shù)優(yōu)選64×64或其以上，更優(yōu)選128×128或其以上(特別優(yōu)選256×256或其以上)。
(紅外像放大裝置)在本發(fā)明中，所謂“紅外像放大裝置”或“顯微系統(tǒng)”，只要是能夠進行作為測定對像試樣的微小部分的通過紅外線的微小部分的觀察(或能通過紅外線形成放大圖像的)設(shè)備，則沒有特別的限制。這種“紅外線放大裝置”，甚至不一定需要具有作為光學(xué)要素的透鏡或鏡頭。
通過顯微鏡的放大倍率，優(yōu)選5倍或其以上，更優(yōu)選10倍或其以上，特別優(yōu)選40倍或其以上。
(溫度控制器·數(shù)據(jù)處理裝置)在本發(fā)明中可使用的溫度控制器和/或數(shù)據(jù)處理裝置，沒有特別的限制。這些優(yōu)選根據(jù)需要，通過個人用計算機等計算機進行控制，和/或處理所得到的數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明中，可利用的數(shù)據(jù)處理方法，沒有特別的限制。測定數(shù)據(jù)除以通常的模擬量、數(shù)字量處理之外，也可以以矢量等進行處理。進而，也可以將紅外線測定數(shù)據(jù)和其他任意的數(shù)據(jù)組合。這些數(shù)據(jù)也可以按給予二維數(shù)據(jù)的方式進行處理，或者也可以通過將該二維數(shù)據(jù)按NMR(或MRI)或X線CT等那樣累計成“切成圓片”狀，按給予模擬三維數(shù)據(jù)的方式進行處理。
(測定原理·測定裝置)以下，對在本發(fā)明中可適當(dāng)利用的測定原理和用于測定的裝置進行詳細說明。
(熱導(dǎo)率·熱擴散率的定義)在如圖1所示的面積A、板厚d的板狀試樣中，當(dāng)試樣處于一面為溫度T1、相反面為溫度T2(T1＞T2)的恒定狀態(tài)時，在僅有熱量Q通過一維熱傳導(dǎo)在板厚方向的試樣內(nèi)部流過時，該熱量Q可由以下公式表示Q=λ·(T1-T2)·Ad=λ·A·ΔTd-------(1)]]>此時的比例常數(shù)λ被定義為熱導(dǎo)率。
在考慮到試樣內(nèi)的濃度為非恒定時的場合，試樣內(nèi)的溫度分布和溫度隨時間的變化之間，如果設(shè)定試樣的密度為p、定壓比熱為Cp，則用以下的熱擴散方程式表示ρ·Cp·∂T∂t=λ·(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)]]>∂T∂t=α·(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)-----(2)]]>此時的比例常數(shù)α被定義為熱擴散率。
熱擴散率α和熱導(dǎo)率λ，具有以下公式所示的關(guān)系。
λ＝α·Cp·ρ (3)(交流狀熱變化時的測定理論)
下面，對在本發(fā)明中，給予試樣交流狀熱變化時的測定理論進行說明。
即，對于試樣的非恒定熱傳導(dǎo)，如果僅以厚度方向(x軸向)的一維考慮時，前述熱擴散方程式(2)變?yōu)橐韵鹿?amp;PartialD;T∂t=α·∂2T∂x2----(4)]]>如圖2所示，用以下條件解上述(4)式。
(i)在應(yīng)測定試樣的一面，使試樣溫度呈交流狀變化。
X＝0、T＝T0·cos(ωt)(ii)溫度波無限擴散。
(iii)應(yīng)測定試樣，熱厚如下記公式表示d>2αω]]>此時，其解由下式表示T(x,t)=T0·exp(-ω2·α·x)·cos(ω·t-ω2·α·x)---(5)]]>在這里，ω是調(diào)制頻率的角速度，設(shè)調(diào)制頻率為f時，用ω＝2·π·f表示。在(5)式中，exp項是在距離x處的溫度增幅，cos項是在x處的相位。因此，由在試樣厚度d處的溫度隨時間的變化，由以下公式表示T(d,t)=T0·exp(-ω2·α·d)·cos(ω·t-ω2·α·d)----(6)]]>在這里，如果只著眼于溫度的相位差，由于相位差Δθ是x＝0的面和x＝d的面的相位的差分，所以成為Δθ=ω2·α·d+π4----(7)]]>
由于ω＝2·πf，所以表示為Δθ=π·fα·d+π4---(8)]]>圖3(a)和(b)，表示數(shù)據(jù)的模式圖。
通過上述公式(8)，對已知厚度d的試樣，通過變化調(diào)制頻率f，對其一面進行交流狀加熱，測定此時在背面的溫度變化的相位延遲Δθ，可以求得熱擴散率α。這樣，在給予試樣交流狀溫度變化的測定中，由于是通過在試樣的加熱面和背面的溫度變化的相位差求得熱擴散率的，因此幾乎不存在溫度的絕對值引起誤差的問題，可進行高精度的測定。
(熱擴散長度)在前述的“熱厚”的條件中的2·α/ω]]>由于具有長度維，被稱為熱擴散長度，在本測定法中，是重要的參數(shù)之一。試樣的厚度d和熱擴散長度μ的關(guān)系，如圖4(a)和(b)所示，被定義為d＞μ熱厚d＜μ熱薄由于熱擴散長度是溫度變化的波長，因此在其比試樣的厚度大，即熱薄的場合，試樣整體會在同一周期發(fā)生溫度變化。這種場合，試樣表面和背面的溫度變動的相位差接近0，熱擴散率無法從公式(8)求得。因此，為了使公式(8)成立，必要的“熱厚”條件，意味著試樣內(nèi)必須存在最低1波長或其以上的溫度波。
(試樣表面的加熱方法)下面，對在本發(fā)明中，在試樣表面設(shè)置加熱源的一個優(yōu)選形態(tài)進行說明。
在這種形態(tài)中，優(yōu)選對試樣濺射金(Au)等金屬，制成金屬薄膜，利用該膜作為交流加熱器。這種交流加熱器，例如，可接通通過函數(shù)·合成器調(diào)制過的交流電流，通過此時的焦爾熱使試樣發(fā)生交流狀的溫度波。焦爾熱不論電流的正負，由于在其峰值為最高，所以此時的溫度變化周期，如式10所示，為交流電流的2倍。
V＝V0·cos(ω·t)I＝I0·cos(ω·t)(9)P＝I2·R＝I02·R·cos2(ω·t)＝(I02·R/2)·(1+cos(2·ω·t)) (10)在這里，V是電壓，I是電流，P是發(fā)熱量。因此，實際加熱的頻率，是通電的調(diào)制頻率的2倍。如果采用這種方法，交流加熱器的熱容量與試樣相比小到可以忽略不計，而且由于交流加熱器是直接對試樣濺射形成的，所以加熱器和試樣之間的熱損失，實質(zhì)上是可以忽視不計。
(試樣背面的溫度變化的測定方法)在本發(fā)明的一優(yōu)選形態(tài)中，優(yōu)選在試樣背面(與交流加熱器側(cè)相反的一面)，濺射與加熱器同樣的金(Au)等金屬，形成金屬薄膜，利用該膜作為薄膜溫度傳感器。圖5表示薄膜傳感器電路圖的模式圖。在試樣的溫度傳感器一側(cè)，當(dāng)溫度變化時，金屬薄膜的電阻值由于其溫度依存性，也與溫度成比例地變化。薄膜溫度傳感器的電路中，已組裝入直流電源和假負載電阻，通過使金屬薄膜的電阻變化的交流成分變作電壓的變化，與溫度傳感器并行組裝入的鎖定放大器進行測定。由于濺射的條件等，溫度傳感器的電阻值的溫度依存性也產(chǎn)生變化，但因為求熱擴散率依據(jù)的不是溫度的絕對值，而是相位差，所以實質(zhì)上不成為問題。如果采用該方法，由于溫度傳感器的熱容量與試樣相比小得可以忽視不計，而且由于是對試樣直接濺射形成，所以傳感器和試樣之間的熱損失可以忽視不計。
(基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu))圖6的模式圖，表示本發(fā)明的測定方法中可適當(dāng)使用的基本系統(tǒng)構(gòu)成(本發(fā)明的測定裝置)的一例。
該系統(tǒng)是由以下組件構(gòu)成用于對試樣進行交流加熱的函數(shù)合成器，用于將試樣背面的溫度變化轉(zhuǎn)變成電流的DC源，用于只測定試樣背面的溫度變化的特定頻率的鎖定放大器，用于加熱/冷卻試樣的熱臺、和溫度控制器、用于將試樣收納在熱臺的樣品盒，用于檢驗流向薄膜傳感器的DC源等的數(shù)字萬用表，用于進行各裝置控制和數(shù)據(jù)處理的個人用計算機。
圖7和圖8以曲線模式表示由該圖6系統(tǒng)構(gòu)成進行的測定例。
(試樣配置等的形態(tài))圖9的模式透視圖，表示在本發(fā)明中可合適使用的試樣、紅外像放大裝置(顯微鏡等)的配置的一例。在該圖9的例子中，例如，可在如圖11模式所示的測定區(qū)域，對如圖10(a)模式所示的試樣進行測定(圖10(b)中，模式地表示在這樣的試樣上設(shè)置上述交流熱源的例子)。另外，圖12(a)和(b)，表示試樣放大形態(tài)的一例。
圖12(a)和(b)，表示試樣的區(qū)域和放大部分的關(guān)系的一例。在以2500像素測定圖12(b)所示的放大部分的場合，1點的測定規(guī)格是7.5μm×7.5μm。
(測定條件例)在圖6系統(tǒng)構(gòu)成中，可合適使用的條件的例子，如以下所示(i)試樣規(guī)格□7.5μm～20mm(ii)試樣厚度0.1μm～3mm(iii)測定溫度范圍20℃～350℃(根據(jù)特別規(guī)格，可在-269℃～600℃)(iv)升溫/降溫速度＝0.1℃/分～20℃/分(0.01℃/分～2000℃/分)(v)測定頻率范圍0.01Hz～10MH(vi)通過交流加熱的試樣的溫度變化0.1℃～10℃(其他測定條件)(1)使應(yīng)測定試樣按一定速度升溫或降溫，同時通過顯微鏡放大該試樣的至少一部分，在通過紅外線放射溫度計測定該放大部分的溫度分布的形態(tài)中，可合適使用的條件的例子，如以下所示(i)試樣規(guī)格□7.5μm～20mm(ii)試樣厚度1μm～3mm(iii)放大倍率1倍～100倍(iv)測定范圍□7.5μm～□1mm(v)紅外線放射溫度計取樣間隔1幀/秒～5500幀/秒，特別緩慢的沒有限制。
(vi)紅外線放射溫度計分解能力100像素～50000像素/每平方毫米(vii)升溫/降溫速度＝0.05℃/分～2000℃/分(2)在使應(yīng)測定試樣和參照試樣以一定速度升溫或降溫，同時通過顯微鏡放大該試樣和參照試樣的至少一部分，用紅外線放射溫度計測定此時的溫度變化，通過比較測定試樣和參照試樣的溫度變化的差，進行試樣的DTA分析的形態(tài)中，可合適使用的條件的例子，如以下所示(i)校正試樣藍寶石、氮化硼、玻璃狀碳(3)一面進行(2)的熱分析，一面對應(yīng)測定試樣的一部分進行交流狀加熱，由到達以距離d離開的位置的溫度波的相位差的延遲，測定熱擴散率的形態(tài)。
(i)接觸型交流熱源的形成方法以濺射、蒸鍍、粘結(jié)等安裝金屬電阻或熱電偶、熱敏電阻。
(ii)接觸型交流熱源的種類金、白金、銀、Ni、Al、Cr、Ni、C、Ti等。
(導(dǎo)電性物質(zhì))在交流熱源中可合適使用的導(dǎo)電性物質(zhì)，只要是能通過電流以焦爾熱發(fā)熱的物質(zhì)即可，沒有特別的限制。作為這種導(dǎo)電性物質(zhì)，可列舉金、銀、白金、銅、鐵、鋅、銻、銥、鉻鎳合金、康銅、鎳鉻合金、鋁、鉻、鎳、碳等。
另外，用于這些交流熱源和電阻式溫度計的導(dǎo)電性薄膜，優(yōu)選其與被測定試樣的界面為可以忽視不計的程度，其厚度與被測定試樣相比充分的薄，其熱容量與被測定試樣相比充分小，與被測定試樣完全密接。在這種場合，可以推定，被測定試樣的一面本身，是以交流熱源的調(diào)制頻率在交流發(fā)熱(關(guān)于這種交流熱源的配置·利用的詳情，可參照例如日本專利第2591570號)。
(非接觸型交流加熱)在本發(fā)明中，作為對試樣的一部分給予交流溫度波的方法，也可使用由光照射-吸收進行的方法。這種場合，例如可以使用直接或用遮光器調(diào)制激光照射、聚光的可視或紅外光照射的方法。
以下，通過實施例更具體地說明本發(fā)明。
實施例實施例1(溫度波向薄膜厚度方向擴散時，由其相位延遲的計測，求薄膜的厚度方向的熱擴散率的例子)實驗方法在2cm×3cm左右的派熱克斯玻璃(厚度0.5mm、コ一ニング公司制、商品名パィレックス7740)上，通過金濺射形成了帶狀平面加熱器電極(1mm×5mm、厚度50nm、平面電極電阻50歐姆)。此時使用的金濺射條件，如以下所示。
<金濺射條件>
サンュゥ電子5mA、2kV、5分通過對由上述得到的平面加熱電極，接通頻率0.5Hz的交流電，使其發(fā)生溫度波。此時輸入的交流電壓是3Vp-p、平面電極的電阻是48歐姆、波形是正弦波。
試樣將市場銷售的食品用保鮮薄膜(聚偏氯乙烯、厚度8μm、吳羽化學(xué)公司制、商品名クレラップ)和市售商品熱復(fù)寫用色帶(膜厚6μm、油墨層厚約0.5μm、商品名ALPS MD色帶)，配置在上述電極上，使食品用保鮮薄膜和色帶相互不重疊。用紅外線照相機(レィセォン公司制、商品名Radiance)同時對如此配置的兩個試樣進行了計測。
設(shè)定紅外線照相機的快門速度是1ms、每秒鐘的幀數(shù)是200枚、像素數(shù)是128×128。
結(jié)果圖13和圖14，顯示保鮮薄膜和色帶的溫度分布(圖中，右側(cè)部分是電極金，左上部是保鮮膜，左下部是色帶)。
圖15和圖16表示在照片中各點的溫度隨時間的變化。在試樣上與電極側(cè)稍微離開的點(100μm)，相位延遲后滯，從由熱擴散方程式求得的相位和熱擴散率的關(guān)系，計算出的色帶的熱擴散率是0.11mm2s-1。保鮮薄膜的熱擴散率是0.09mm2s-1。這兩枚的熱擴散率的差，作為平面信息也可以確認。另外，圖13和圖14的差，雖然觀測時間不同，但所計算的熱擴散率與上述的值相同。
實施例2(植物內(nèi)皮細胞的冷卻過程的解析-細胞間、細胞內(nèi)的結(jié)晶化速度解析和溫度傳播的解析)實驗方法在冰水上放置的冷卻板上設(shè)置了珀耳帖元件的試樣臺，對被密接在載玻片上的洋蔥內(nèi)皮細胞的冷卻過程，用與實施例1使用的相同的紅外線照相機，進行了計測。在冷卻過程中，以冷卻速度約200℃/分，進行了從室溫到-30℃附近的冷卻。設(shè)定紅外線照相機的快門速度為2ms，幀數(shù)為200枚/秒，像素數(shù)為128×128。
試樣從新鮮的洋蔥外側(cè)，剝?nèi)牡?層或第2層芽和根部位置到大致位于中心的外皮，密接在載玻片上，作為試樣。外皮厚度約75μm，每個細胞的大小，是約100μm×300μm的橢圓形。
結(jié)果圖17～圖28，按時間順序地顯示了冷卻洋蔥細胞的過程。不僅是洋蔥，水溶液在凝固時，一般如果發(fā)生過冷卻，開始結(jié)晶化，就將由于潛熱一度升溫。在這些圖中，明亮的地方是凝固的部分，溫度比周圍更高。一旦凝固結(jié)束，就與周圍的溫度相同，圖面變暗。對細胞內(nèi)，和相鄰的細胞間的指定部位的溫度變化進行了測定。圖29是圖20的放大圖。
圖30～圖33表示了有關(guān)圖15中的+符號的各位置，細胞內(nèi)(短軸、長軸方向)和細胞間的溫度曲線。
圖30和圖31，是對于細胞內(nèi)短軸方向上選定的點，進行了溫度變化比較的圖(圖30是捕捉到細胞內(nèi)凝固發(fā)熱現(xiàn)象的例子，圖31是其上升部分的放大圖)?？芍?，越是從潛熱的發(fā)生開始點(1)離開，潛熱發(fā)生的上升時間以及達到最初的極大的時間上越會產(chǎn)生數(shù)十毫秒的延遲。若由此估算細胞內(nèi)短軸方向的溫度傳播速度，大約是5μm/ms。這就是冰的成長速度。另外，潛熱的曲線，所謂主峰有另外的極大，在該極大中，也顯示出與主峰大致相同的時間延遲。
與圖34和圖35的結(jié)果對照時，可觀測到，圖29中的(10)和(11)的點的極大的時間大體一致，這種情況正是該細胞連接長軸的兩鄰細胞的潛熱的影響(由于這些熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的溫度上升)。
圖32和33，在細胞內(nèi)長軸方向比較了溫度變化，但可觀測到，越是從潛熱發(fā)生開始點(1)向兩端方向分離，在潛熱上升時間上越會產(chǎn)生延遲。若由此估算細胞內(nèi)長軸方向的溫度傳播速度，大約是10μm/ms。潛熱有2或3個極大，在接近長軸方向頂端的位置，有3個極大。如果對照圖34和圖35的結(jié)果，例如這些圖的曲線圖(16)的第3個極大，與曲線圖(12)的極大的時間基本相等，這種情況顯示，該細胞受到與連接長軸端的鄰近細胞的潛熱的影響。
圖34和圖35，表示與該細胞具有接點的周圍7個細胞，同基本中心位置的溫度曲線圖的比較。各細胞中心位置的溫度，分別具有多個極大，但表示最大的極大的時間，是細胞本身凝固的時間，在細胞間，時間并不一致。其他的極大，是周圍細胞的潛熱影響的結(jié)果。每連接長邊的2個相鄰的細胞間的、給予最大的極大的時間延遲幅度，基本固定為20ms。這樣，在本方法中，可以細胞單位觀測、解析有關(guān)細胞內(nèi)、細胞間的熱移動的信息。
實施例3(使用了黑體的溫度校正法)實驗方法以1cm×1cm大小的特氟隆片材(厚度200μm)作為測定用試樣。在該平板狀試樣(大小1cm×1cm)的一部分，用噴碳(放射率0.94；厚度1μm)涂布，形成模擬黑體。在該模擬黑體表面，安裝校正后的直徑25μm的鎳鉻鎳鋁熱電偶(商品名SPAL-001-50、SPCH-001-50、OMEGA ENGINEERING INC.公司制)，從該熱電偶通過規(guī)定的接口(商品名AT-GPIB、NATIONAL INSTRUMENTS公司制)，向個人用計算機(商品名INSPIRON3000、DELL公司制)索取溫度。此時的溫度數(shù)據(jù)的索取條件，如以下所示。
<溫度數(shù)據(jù)的索取條件>1000點/s在試樣的底部(下側(cè))，使用銀糊使大小1cm×1cm的陶瓷加熱器(商品名、坂口電熱公司制)密接，由直流電源施加5.9V、0.11A的電流，使其發(fā)熱，使試樣的溫度從室溫(約26℃)，緩慢變化到150℃左右。
使用與在實施例1中使用的相同的紅外線照相機，計測含有上述熱電偶的、模擬黑體面和特氟隆的界面附近。設(shè)定紅外線照相機的快門速度為0.5ms、每秒的幀數(shù)120枚、像素數(shù)256×256。
結(jié)果圖36表示測定面的圖像的一例。圖中，左半部是模擬黑體面，左下是熱電偶，右半部是特氟隆面。本測定中，以每分鐘1度左右，可將各部分的溫度看作是一定的。圖37，表示模擬黑體面內(nèi)的熱電偶附近位置(圖中+2)，和特氟隆面內(nèi)的位置(+9)的放射率強度的時間變化。放射率強度在黑體面內(nèi)，顯示高傾向。在圖38中，表示黑體面內(nèi)的放射率和通過熱電偶的溫度的時間變化。在兩者對時間的變化率上，觀測不到時間的延遲。圖39，是從以上結(jié)果求得的模擬黑體面和特氟隆面的放射強度和溫度的關(guān)系的曲線圖。通過如此將模擬黑體置于紅外照相機視野內(nèi)，同時進行測定，即使在高速掃描的場合，也能夠校正溫度。
實施例4(植物內(nèi)皮細胞的冷卻過程解析-在一面給予交流調(diào)制溫度一面冷卻時的細胞間、細胞內(nèi)的凝固熱和熱擴散率同時觀測法)實驗方法在用冰水冷卻了單面的鋁制散熱器上，使用銀糊設(shè)置珀耳帖元件(商品名MO-40)，通過對在其上的派熱克斯玻璃上進行金濺射，安裝了平面電極(1mm×5mm、厚度50nm、平面電極的電阻50歐姆)。
在如此形成的平面電極上，直接設(shè)置下述的洋蔥內(nèi)皮細胞，對平面電極接通0.5Hz(3Vp-p、平面電極的電阻48歐姆、波形正弦波)頻率的交流電，使其發(fā)生了溫度波。通過一面使其產(chǎn)生如此的溫度波，一面在上述珀耳帖元件上通電，以冷卻速度約200℃/分使試樣整體從室溫冷卻到-30℃左右，用與實施例1使用的相同的紅外線照相機，對細胞內(nèi)的交流溫度場的溫度分布進行了測定。紅外線照相機的快門速度設(shè)定為2ms、幀數(shù)為400枚/秒、像素數(shù)128×128。
試樣從新鮮的洋蔥的外側(cè)，從第1層或第2層的芽和根的位置，采取大致位于中心的外皮，在載玻片上展開作為試樣。厚度約75μm，每個細胞的大小，約50μm×300μm。
結(jié)果圖40表示在一面給予交流溫度一面冷卻的洋蔥的某一瞬間的溫度分布例。圖中，在溫度高的區(qū)域(左側(cè)綠色)的下面，洋蔥和平面電極連接。圖像是在其境界附近的細胞凝固時拍攝的。圖41顯示與平面電極相連接的細胞內(nèi)的2點(+13和+14)，和與該細胞連接且不與平面電極連接的細胞內(nèi)的2點(+7和+6)的溫度曲線圖。但(+14)不與平面電極連接。隨著距離從連接平面電極的位置離開，相位產(chǎn)生延遲，從上述公式(數(shù)8)計算的熱擴散率，約為0.15mm2s-1。
圖42和圖43，表示在交流通電下、由洋蔥細胞的潛熱導(dǎo)致的發(fā)熱的情況。即使施加交流溫度，細胞在冷卻過程中也未顯示細胞單位的潛熱發(fā)生，而且其發(fā)生過程也沒有相鄰細胞依次凝固的情況。圖44表示，在圖42中所記點的溫度變化的分布圖?？芍?，在與平面電極連接和未連接的場合，潛熱發(fā)生時都影響交流溫度場，圖形紊亂。圖45表示，在細胞內(nèi)長軸方向不同位置的交流溫度變化?？芍词乖谕患毎麅?nèi)，潛熱的影響由于位置不同而各異。
實施例5(超取向聚乙烯-原纖維的微界面溫度擴散各向異性的測定)實驗方法安裝通過在拉伸方向和其垂直方向，對由下述方法制成的超取向聚乙烯薄膜上進行金濺射形成的平面電極(1mm×5mm、厚度50nm、平面電極的電阻50歐姆)和導(dǎo)線，再在藍寶石載玻片上壓接固定上述聚乙烯薄膜后，通過從0.05Hz到300Hz頻率的交流通電(交流電壓3～10Vp-p，波形為正弦波及其合成波)，使其發(fā)生溫度波。測定溫度分布的顯微紅外照相機(商品名Radiance HS、レィセォン公司制)的快門速度設(shè)定為1ms、幀數(shù)為200枚/秒、像素數(shù)為128×128。
試樣由凝膠拉伸法制成的超取向聚乙烯薄膜(倍率50倍)。厚度20μm、1cm×1cm方形(關(guān)于該由凝膠拉伸法制成的超取向聚乙烯薄膜的詳情，可參照文獻J.Mater.Sci.、1980、15、505)。
結(jié)果圖46表示，一面在室溫給予交流溫度，一面用顯微紅外照相機觀察的聚乙烯原纖維的溫度分布。圖中，顯黑的部分是濺射電極。平板電極的長軸和原纖維的取向方向形成垂直?？芍瑴囟认蛟w維的方向傳播，而在原纖維間的微界面，溫度沒有傳播的情況。圖47表示在原纖維方向距離平板電極相等的3點(圖46所示的+5、+9、+18)，和電極上的1點(+20)的溫度分布圖。在試樣均質(zhì)的場合，在距交流熱源相等的距離上，本應(yīng)顯示相等的相位延遲，但在圖47中，當(dāng)以電極上的波形為基準時，即使距離相同，也顯示相位延遲不同，熱擴散率呈各向異性。圖49，顯示了再加上等距離的1點(+7)，距發(fā)熱面等距離的相位延遲分布的放大圖。圖48是以同一條件、不同的瞬間，拍攝的與圖46相同的試樣?？梢悦鞔_地觀察到原纖維間的溫度分布。以上的結(jié)果顯示，通過使用顯微紅外照相機的交流場的溫度分布觀察，對于材料內(nèi)的取向或微界面的傳熱不均勻等，是能夠進行定量觀察的。
另一方面，圖50顯示在原纖維的取向方向和平行電極的長軸方向平行時，交流溫度場的原纖維溫度分布的結(jié)果?？芍m然交流溫度場的進行波面與電極的長軸平行，但與其波面平行的1根原纖維的溫度大致是均勻的情況，和在相鄰的原纖維間的微界面中，溫度場產(chǎn)生不均勻的情況。圖51顯示在距平行電極等距離的位置，即1根原纖維內(nèi)的位置(+19、+22、+23)和電極上的1點(+28)的溫度分布圖。這種場合，在1根原纖維內(nèi)，顯示相等的相位延遲。圖52表示圖51的放大圖?？床坏皆w維內(nèi)的相位延遲的差。
從圖49和圖52的結(jié)果可知，在求原纖維方向及其垂直方向的熱擴散系數(shù)時，原纖維方向是3.4mm2s-1、其垂直方向是0.67mm2s-1，可評價在微界面的熱傳導(dǎo)的不均勻性。
實施例6(薄膜平面方向的熱擴散率測定)試樣及實驗方法安裝通過對設(shè)置在玻璃(商品名パィレックス7740、コ一ニング公司制)上的聚酰亞胺(厚度3.7μm)表面直接進行金濺射形成的平面電極(1mm×5mm、平面電極的電阻為50歐姆)和導(dǎo)線，用ァロンα201將薄膜固定在藍寶石玻璃(商品名43629、ェドモント公司制)上后，通過頻率從0.1Hz至10Hz的交流電(交流電壓為3～5Vp-p)，使其產(chǎn)生溫度波。要測定溫度分布的紅外線照相機(商品名Radiance HS、レィセォン公司制)的快門速度設(shè)定為0.5ms、幀數(shù)為1500枚/秒、像素數(shù)為64×64。
結(jié)果圖53表示平面電極和薄膜面內(nèi)的2維溫度分布。圖中，下面的部分是通過平面電極產(chǎn)生的交流溫度波的發(fā)生源。可觀察到，與溫度波進行方向相對的波面，與平行電極的長軸方向平行的情況。圖54表示，在距平行電極距離不同的位置(圖53中，+1～+6)，計測了交流溫度的時間變化的例子?？芍綇钠叫须姌O離開，相位越延遲。圖55表示如果將相位延遲Δθ相對于距電極位置的距離d的點用線連起來，顯示直線關(guān)系的例子。該斜線的梯度，由于成為熱擴散率和頻率的函數(shù)，所以如果已知頻率，就可以計算出熱擴散率。圖55的場合，計算出的熱擴散率是0.28mm2s-1。
實施例7(觀測空氣中水滴的冷卻、結(jié)晶化過程的潛熱)實驗方法在置于干冰上的冷卻板上，使用銀糊設(shè)置珀耳帖元件(商品名MO-40)，在以冷卻速度約200℃/分，從室溫到-30℃附近的冷卻過程中，計測了附著、冷卻結(jié)晶化的水滴的凝固潛熱。紅外線照相機(商品名Radiance HS、レィセォン公司制)的快門速度設(shè)定為1ms、幀數(shù)為400枚/秒、像素數(shù)為128×128。
結(jié)果圖57顯示在水滴的潛熱發(fā)生的瞬間捕捉到的圖像，在圖57中，顯示在圖56所示位置潛熱發(fā)生時的溫度變化的曲線圖。
實施例8(微弱穩(wěn)定熱流的觀測和熱導(dǎo)率測定)試樣和實驗方法如圖58所示，將試樣s夾入標準試樣r1、r2之間，在可假設(shè)一維穩(wěn)定熱流的場合(真空中、固定的截面積)，假設(shè)沒有對周圍的熱損失的影響，試樣的熱導(dǎo)率λs，可以由與標準試樣內(nèi)的溫度梯度的比，通過以下公式(12)求得。
λs=λr1∂T∂x|r1/∂T∂x|s=λr2∂T∂xλ|r2/∂T∂x|s----(12)]]>在上述公式中，λr1、λr2是標準試樣的熱導(dǎo)率。
作為標準試樣，選擇0.6mm厚的陶瓷板(商品名マコ-ル，石原藥品(株)制，陶瓷的種類SiO2·Al2O3混合系)，在2個熱電材料鉍·碲·硒燒結(jié)體(厚度0.7mm，鉍·碲·硒的摩爾比＝40∶59.5∶0.5)之間，使該陶瓷板成形為夾層狀。
對由上述得到的夾層狀的成形體，在一側(cè)面(在不與陶瓷板接觸的鉍·碲·硒一側(cè)面)上，安裝了碳電阻和為了均熱化的銅板。此時用的碳電阻，大小是1.5×1.5mm，厚度是0.1mm，電阻值是100歐姆。另外，銅板的大小是1×1mm，厚度是0.5mm。這些，用耐熱有機硅(サンハャト公司制)將銅板貼附在夾層狀成形體的上述側(cè)面上，而且用耐熱有機硅將碳電阻貼附在該銅板表面上。
在夾層狀的成形體另一面，用耐熱有機硅(サンハャト公司制)粘接鋁散熱板(大小1×1mm，厚度2mm)。
在上述系統(tǒng)，對碳電阻通電(3伏、0.1安)，等到銅板溫度上升10℃左右，且該溫度穩(wěn)定化(從通電開始5分鐘左右)。這時的溫度，通過用耐熱有機硅(サンハャト公司制)安裝在該銅板上的溫度傳感器(サ-モテック公司制，商品名鎳鉻·鎳鋁熱電偶)，進行了測定。
在上述系統(tǒng)中，通過使マコ-ル、試樣、マコ-ル的截面積固定(約0.7×0.7mm)，減少由于向周圍對流引起的熱損失，和由于輻射導(dǎo)致的熱損失，所以能夠歸納每個單位面積的熱流。
在上述測定中，圖59和圖60表示以穩(wěn)定狀態(tài)取得的紅外線溫度觀測結(jié)果。在圖59和圖60中，右側(cè)是發(fā)熱，左側(cè)是低溫散熱。圖中的橫線，是觀測溫度梯度的線。圖59的測定結(jié)果，是從幾項解析結(jié)果得到的，圖60的測定結(jié)果，表示平均值。從圖60的溫度梯度求得的熱導(dǎo)率，是1.25-1.88W/mK，與用以前的恒定法所得知的值1.60基本一致。
加之，在圖59和圖60中，可以清晰地觀測到加熱器和試樣的接觸界面的溫度降低。此結(jié)果表明了，本發(fā)明的測定方法也適用于界面熱電阻測定。
實施例9(三維表示和微分圖像)試樣和實驗方法以實施例4為基準。
結(jié)果高速拍攝洋蔥的冷卻凝固過程的溫度，作為面信息，保存在儲存器中。以xy面，在z軸上取溫度的3維方式表示目前凝固過程中的某時刻的溫度表示(圖61和圖63)的同時，扣除1至數(shù)幀前的圖像，作為差分圖像，同樣再劃3維曲線(圖62和圖64)。這里表示了從攝影開始125毫秒后(圖61和圖62)、和355毫秒后(圖63和圖64)的狀態(tài)。
正如分別比較了溫度(圖61和圖63)和微分溫度(圖62和圖64)兩者的圖像所表明的那樣，微分圖像雜波減少、由于凝固產(chǎn)生的發(fā)熱變得更加明確了。進而，能連續(xù)描繪這些各時間的圖像，也能夠作為3維動畫描繪凝固過程。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可取得以下效果。
(1)由于觀察微小部分，所以迅速的溫度變化的測定是容易的。
(2)由于觀察微小部分，所以迅速的紅外線(熱)分析是容易的。
(3)根據(jù)需要，二維的(乃至模擬三維的)紅外線(熱)分析是容易的。
(4)根據(jù)需要，通過觀測由交流熱源發(fā)生的溫度波擴散，可同時測定熱擴散率。
本發(fā)明的分析方法和分析裝置，可沒有特別限定地利用于通過紅外線傳感器進行的微小部分的熱特性分析是有用的用途中。作為這種用途，可列舉以下事例。
(1)基于生鮮物質(zhì)等的冷凍過程(以前基于模擬)等的詳細實測的解析。
(2)基于冷凍食品的冷凍解凍過程等的詳細實測的解析。
(3)可在微米級觀測由珀耳帖元件通電導(dǎo)致的吸發(fā)熱。
(4)可以闡明復(fù)合材料和發(fā)泡材料等復(fù)雜系統(tǒng)的傳熱、融解現(xiàn)象。
(5)基于微小部分的化學(xué)反應(yīng)的溫度變化的追蹤。
(6)因化學(xué)反應(yīng)、潛熱等的發(fā)熱向周圍的擴散過程。
(7)應(yīng)力下的材料變形或伴隨破壞的吸發(fā)熱的觀察。
(8)水從物質(zhì)表面蒸發(fā)過程的熱的觀察。
權(quán)利要求
1.一種熱分析方法，一面給予應(yīng)測定試樣的至少一部分溫度變化，一面利用紅外線傳感器，對基于該溫度變化的試樣的微小部分的熱特性進行測定。
2.權(quán)利要求1所述的熱分析方法，對多個微小部分的每一者的熱特性同時進行測定。
3.權(quán)利要求1或2所述的熱分析方法，通過紅外線放射溫度計或紅外線CCD照相機進行前述測定。
4.權(quán)利要求1～3任一項所述的熱分析方法，前述溫度變化，是試樣的固定速度的升溫或降溫。
5.權(quán)利要求1～4任一項所述的熱分析方法，通過紅外像放大裝置，一面放大前述試樣的微小部分，一面進行該部分的測定。
6.權(quán)利要求5所述的熱分析方法，前述紅外像放大裝置是顯微透鏡或反射鏡。
7.權(quán)利要求1～7任一項所述的熱分析方法，對前述試樣的微小部分，和給予了相同的升溫或降溫的可看作準黑體的參照試樣的微小部分進行熱特性的比較。
8.權(quán)利要求1～7任一項所述的熱分析方法，在前述試樣的一部分，配置含有激光光線的光照射，或通過通電焦爾發(fā)熱的部分加熱器(熱源)。
9.權(quán)利要求1～8任一項所述的熱分析方法，前述部分加熱器是交流熱源，由此給予試樣的至少一部分交流狀的溫度變化，觀測其擴散。
10.權(quán)利要求1～9任一項所述的熱分析方法，前述熱特性是溫度、溫度變化、溫度分布、潛熱、融解或固化的狀態(tài)、由溫度波的相位延遲求得的熱擴散率，由溫度波的衰減求得的熱導(dǎo)率，和這些熱特性的經(jīng)時變化、或多個微小部分間的這些熱特性的差或比構(gòu)成的組中選擇的1種或其以上的特性。
11.權(quán)利要求9的熱分析方法，給予前述部分加熱器局部的交流溫度，由安裝在距該加熱器的距離d的位置上的接觸傳感器，或被紅外計測的微小部分的溫度變化求熱擴散率。
12.權(quán)利要求11的熱分析方法，使前述局部的交流溫度產(chǎn)生的溫度波的頻率變化，求試樣的頻率特性。
13.一種熱分析裝置，至少含有為給予應(yīng)測定試樣溫度變化的溫度變化裝置；為放大試樣的微小部分的紅外像放大裝置；為測定該微小部分的熱特性的紅外線測定裝置，一面給予前述試樣的至少一部分溫度變化，一面利用紅外線測定基于該溫度變化的試樣的微小部分的熱特性。
14.權(quán)利要求13所述的熱分析裝置，前述溫度變化裝置，包括對應(yīng)測定試樣全體以一定速度升溫或降溫的裝置，和為給予該試樣交流地溫度變化的裝置。
15.權(quán)利要求13或14所述的熱分析裝置，利用紅外線傳感器或微小的接觸型溫度傳感器，對基于前述溫度變化的試樣的微小部分的熱特性進行測定。
16.權(quán)利要求13～15任一項所述的熱分析裝置，前述微小接觸型溫度傳感器，可選自熱電偶、熱敏電阻或金屬電阻溫度計。
17.權(quán)利要求15所述的熱分析裝置，前述微小接觸型溫度傳感器，被安裝在平板狀樣品的上下、平面上的至少1點或其以上，可計測從熱源的溫度的擴散。
18.權(quán)利要求13～17任一項所述的熱分析裝置，進一步含有一種溫度控制器，其可控制通過前述溫度變化裝置應(yīng)給予試樣整體的溫度。
19.權(quán)利要求13～16任一項所述的熱分析裝置，進一步含有一種數(shù)據(jù)處理裝置，其基于測定的溫度變化，為了對選自潛熱、比熱、熱擴散率、熱導(dǎo)率、熱電阻、熱電導(dǎo)、傳熱系數(shù)的1種或其以上進行向數(shù)據(jù)的變換處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可進行試樣微小部分的熱分析方法和裝置，一面賦予應(yīng)測定試樣的至少一部分溫度變化，一面利用紅外線對基于該溫度變化的試樣微小部分的熱特性進行測定。
文檔編號G01N25/18GK1589398SQ02822998
公開日2005年3月2日 申請日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月19日
發(fā)明者橋本壽正, 森川淳子 申請人:財團法人理工學(xué)振興會