JP3291691B2

JP3291691B2 - 細孔径分布測定装置

Info

Publication number: JP3291691B2
Application number: JP2000048723A
Authority: JP
Inventors: 正司淺枝; 稔了都留
Original assignee: 西華産業株式会社
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2002-06-10
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001235417A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィルタ、膜、中
空糸等の微細な孔の径とその分布状況とを測定する細孔
径分布測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フィルタ等の微細な孔の径とその分布状
況とを測定する従来の手段としては、例えば、被検体を
砕いて粉末試料として測定する窒素吸着法や水銀圧入法
等が知られている。

【０００３】また、被検体をそのままの形態で測定しう
るものとしては、透過法であるバブルポイント法を改良
したドライ−ウエットフロー法が知られており、ＡＳＴ
Ｍで規格化され、測定装置も市販されている。

【０００４】さらに、毛管凝縮法として、被検体の上流
側に例えば窒素ガス等の被凝縮性ガスを流し、かつ被検
体の下流側に酸素を流し、その拡散速度から被検体の細
孔径を測定するようにしたものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、窒素吸着法や
水銀圧入法によると、被検体を砕いて粉末試料としなけ
ればならず、透過に寄与しない細孔径、例えば、支持孔
の径や貫通していない細孔の径まで測定してしまい、フ
ィルタ等としての本来の機能に関係する細孔のみの径を
正確に測定することは難しい。

【０００６】ドライ−ウエットフロー法では、測定可能
な細孔径の限界が５０nm(50×10^-9m)程度であり、フィ
ルタとしての分離選択性が発現するメソボア(２〜５０n
m)からマイクロボア(２nm以下)領域の測定ができない。
そのため、被検体の形態を崩すことなく、そのままの形
態で、メソボアからマイクロボアの領域まで正確に測定
できる透過法による細孔径分布測定装置の実現が望まれ
ている。

【０００７】上述の毛管凝縮法による測定手段では、ガ
スクロマトグラフィー等の高価な装置を用いなければな
らず、また、細孔内での透過のメカニズムが明確に解明
されていないことから、測定自体が困難である。

【０００８】本発明は、従来の技術が有する上記のよう
な問題点に鑑み、高価な装置を用いることなく、また被
検体の形態を崩すことなく、被検体のメソボアからマイ
クロボアの領域までの細孔の径及びその分布状況を正確
に測定できるようにした細孔径分布測定装置を提供する
ことを目的としている。

【０００９】また、被検体を通過させる検査ガス中の凝
縮性ガスの量や割合の変動、及びその変動に伴う温度の
変動等を少なくし、安定させることができるとともに、
正確に調節できるようにした細孔径分布測定装置を提供
することをも目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は次のようにして解決される。 (１) 細孔を有する被検体を、その細孔の一端が１次チ
ャンバに、かつ細孔の他端が２次チャンバにそれぞれ連
通するようにして、被検体を保持する保持手段と、１次
チャンバに非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合気体であ
る検査ガスを供給する検査ガス供給手段と、検査ガス供
給手段中に設けられ、１次チャンバに供給される非凝縮
性ガスと凝縮性ガスとの混合割合を調節する調節手段
と、２次チャンバに接続され、被検体を通過した検査ガ
スの量を経時的に測定する測定手段とを備えるものとす
る。

【００１１】(２) 上記(１)項において、検査ガス供給
手段が、非凝縮性ガスの供給系路と、それから分岐され
たバイパス系路とを有するものとし、このバイパス系路
に、凝縮性ガスの供給手段を設ける。

【００１２】(３) 上記(２)項において、凝縮性ガスの
供給手段が、気化することにより凝縮性ガスとなる液体
を収容して、その中を非凝縮性ガスが通過することによ
り、非凝縮性ガス中に凝縮性ガスが混入するようにした
バブラーを有するものとする。

【００１３】(４) 上記(３)項において、凝縮性ガスの
供給手段が、バイパス系路に直列に接続した複数のバブ
ラーを有するものとする。

【００１４】(５) 上記(２)項において、凝縮性ガスの
供給手段が、気化することにより凝縮性ガスとなる液体
をバイパス系路に微少量ずつ供給するポンプと、バイパ
ス系路における前記ポンプの下流側に設けられ、前記液
体を気化させる蒸発器とを有するものとする。

【００１５】(６) 上記(１)〜(５)項のいずれかにおい
て、検査ガス供給手段に、検査ガスの温度を設定温度に
維持する温度維持手段を設ける。

【００１６】(７) 上記(１)〜(６)項のいずれかにおい
て、２次チャンバをほぼ大気圧に維持し、かつ１次チャ
ンバを大気圧より大きい値に維持する圧力調整手段を設
ける。

【００１７】(８) 上記(１)〜(７)項のいずれかにおい
て、非凝縮性ガスを窒素とし、かつ凝縮性ガスを水蒸気
とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、添
付図面を参照して説明する。図１は、測定装置の外観を
示す。この測定装置は、扉(A1)を備えた上部ケース(Ａ)
と下部ケース(Ｂ)とからなり、上部ケース(Ａ)内には、
本体(１)と後述するヒートバス(34)とが設けられ、下部
ケース(Ｂ)内には、後述するその他の配管系統と、窒素
ガス源(10)及び水源(28)等が設けられている。上部ケー
ス(Ａ)と下部ケース(Ｂ)との内部には、それぞれ制御手
段(図示略)が設けられ、それらは、ケーブル(Ｃ)を介し
てコンビュータ(Ｄ)に接続され、コンビュータ(Ｄ)によ
り制御されるようになっている。

【００１９】図２は、測定装置の本体部分の概略構成と
配管系統とを模式的に示す図である。本体(１)の内部に
は、１次チャンバである密閉されたチャンバ(２)が形成
され、本体(１)の右端壁には、チャンバ(２)内に水平に
突入する円筒状のホルダ(３)の基端部がキャップ(４)を
もって着脱自在に装着されている。ホルダ(３)は、被検
体(５)の保持手段をなすもので、その内部は、２次チャ
ンバ(図示略)となっている。

【００２０】この例では、被検体(５)は、無数の細孔
(図示略)が放射状に形成された円筒状フィルタとしてあ
り、その細孔の一端が１次チャンバであるチャンバ(２)
に、かつ細孔の他端が２次チャンバであるホルダ(３)の
内部にそれぞれ連通するようにして、一端部がホルダ
(３)の先端部に、気密を保つようにしてわずかだけ外嵌
されて保持されている。被検体(５)の他端は、閉塞部材
(６)により気密を保つようにして閉塞されている。

【００２１】ホルダ(３)は、被検体(５)の形状に応じ
て、それに適合するものに適宜交換される。例えば、被
検体(５)が平膜状のものである場合には、図３に示すよ
うに、先端に拡径段部(3a')を有する円筒状のホルダ
(３')とし、その拡径段部(3a')の開口端部に、平膜状の
被検体(５)を太鼓の皮張りと同様の要領で装着し、その
周囲を適宜シールするのがよい。

【００２２】チャンバ(２)には、検査ガス供給管(７)と
余剰ガス排出管(８)とが接続され、ホルダ(３)には、通
過ガス排出管(９)が接続されている。

【００２３】検査ガス供給管(７)には、非凝縮性ガスと
凝縮性ガスとの混合ガスが供給される。非凝縮性ガスと
しては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不
活性ガスを用いることができるが、ここでは窒素ガスを
用いている。凝縮性ガスとしては、水蒸気、エタノー
ル、四塩化炭素、ヘキサン等を用いることができるが、
ここでは水蒸気を用いている。

【００２４】検査ガス供給管(７)には、窒素ガス源(10)
に接続された主供給管(11)が接続され、主供給管(11)に
は、バイパス管(12)が接続されている。

【００２５】主供給管(11)におけるバイパス管(12)の接
続部より窒素ガス源(10)側には、主供給管(11)、ひいて
は、バイパス管(12)及びチャンバ(２)を、大気圧よりわ
ずかに大きい値に維持する圧力調整手段をなすレギュレ
ータ(13)が設けられている。なお、チャンバ(２)内の圧
力は、後述する自動圧力コントローラ(36)により正確に
調整される。

【００２６】主供給管(11)におけるバイパス管(12)と並
列の部分には、流量コントローラ(14)と１個の電磁弁(1
5)とが設けられている。バイパス管(12)の上流側には、
流量コントローラ(16)が、またその下流側には、２個の
電磁弁(17)(18)が設けられている。これらの流量コント
ローラ(14)(16)、電磁弁(15)(17)(18)、及び後述する電
磁弁(26)等により、チャンバ(２)に供給される非凝縮性
ガスと凝縮性ガスとの混合割合を調節する調節手段が形
成されている。

【００２７】バイパス管(12)における２個の電磁弁(17)
(18)のそれぞれの上流側と下流側とには、電磁弁(17)(1
8)の数に対応する数、すなわち、ここでは２個のバブラ
ー(19)(20)の入口管(21)と出口管(22)とが、それぞれ接
続されている。このバブラー(19)(20)は、凝縮性ガスの
供給手段をなすものである。

【００２８】各入口管(21)は、電磁弁(23)を備え、かつ
その下端は、各バブラー(19)(20)における密閉容器(24)
内に収容された、気化することにより凝縮性ガスとなる
液体、すなわち水(25)内に開口している。

【００２９】各出口管(22)は、電磁弁(26)を備え、かつ
その下端は、各密閉容器(24)内における水(25)の液位よ
り上方の空間に開口している。

【００３０】(27)は、水源(28)に接続された給水管で、
各バブラー(19)(20)の密閉容器(24)に接続された端部に
設けた電磁弁(29)を開くことにより、各密閉容器(24)に
給水しうるようになっている。

【００３１】各電磁弁(29)は、各密閉容器(24)内の水位
を検出するリミットスイッチ(30)により、水位が予め定
めた下限位置に達することにより開弁し、かつ同じく上
限位置に達することにより閉弁するように制御される。

【００３２】各密閉容器(24)の底部には、電磁弁(31)を
備えるドレン管(32)が接続されている。また、各密閉容
器(24)内には、水(24)の温度を検出する温度センサ(33)
が配設されている。

【００３３】上述の２個のバブラー(19)(20)、主供給管
(11)、バイパス管(12)等は、温度を、例えば40℃程度の
予め設定された温度に保つ温度維持手段の一種であるヒ
ートバス(34)内に配設され、検査ガス供給管(７)よりチ
ャンバ(２)に供給する検査ガスの温度を一定に保つよう
にしている。

【００３４】装置の平常の作動時には、電磁弁(17)(18)
(31)(32)を閉じ、電磁弁(15)(23)(26)を開いて、バイパ
ス管(12)に対して、２個のバブラー(19)(20)が直列に接
続された状態としておく。

【００３５】余剰ガス排出管(８)には、水蒸気を除去す
るトラップ(35)、自動圧力コントローラ(36)及び電磁弁
(37)が順次設けられ、その下流端は排気口(38)に接続さ
れている。

【００３６】通過ガス排出管(９)には、上記のトラップ
(35)と同様のトラップ(39)、被検体(５)を通過した検査
ガスの量を経時的に測定する測定手段である流量計(4
0)、及び電磁弁(41)が順次設けられ、その下流端は、余
剰ガス排出管(８)とともに、排気口(38)に接続され、大
気圧に解放されている。両トラップ(35)(39)のドレン口
は、電磁弁(42)(43)を介して、上述のドレン管(32)に接
続されている。

【００３７】本体(１)内には、温度及び湿度を検出する
温湿度計(ＲＨ)が設けられている。なお、この他にも、
本体(１)、及びそこから図１の右方に延出する通過ガス
排出管(９)等にも、温度や圧力を一定とする手段やそれ
らを検出するセンサ等が設けられるが、それらについて
は、説明を簡略化するため、図示及び詳細な説明を省略
する。

【００３８】この実施形態によると、流量コントローラ
(14)(16)により、主供給管(11)に流れる乾燥した窒素ガ
スの量と、バイパス管(12)に流れる湿気を帯びた窒素ガ
スの量とを調節して、それらを検査ガス供給管(７)より
本体(１)のチャンバ(２)に供給し、被検体(５)を求心方
向に通過して、ホルダ(３)より通過ガス排出管(９)へ流
出した窒素ガスの流量を、流量計(40)により経時的に測
定し、その測定データをコンピュータ(Ｄ)に入力して、
既知のいわゆるケルビン径(Kelvin径)と累積無次元透過
係数との比較データと対比して、被検体(５)に、例えば
0.5〜30nm(10^-9m)の範囲内の特定の径のものが、どの程
度存在するかを知ることができる。

【００３９】その測定原理は、凝縮性ガスが微細な細孔
内で毛管凝縮し、非凝縮性ガスの透過を阻止することを
利用したものである。具体的には、凝縮性ガスと非凝縮
性ガスとの混合物である検査ガスを、多孔質体の被検体
(５)に供給すると、小さい径の細孔内では、凝縮性ガス
の相対圧が低い状態でも毛管凝縮し、非凝縮性ガスの透
過を阻止する。一方、大きい径の細孔の場合は、毛管凝
縮により非凝縮性ガスの透過を阻止するには、より高い
凝縮性ガスの相対圧が必要である。

【００４０】この原理に基づき、凝縮性ガスの分圧、す
なわち、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの割合を変化させ
つつ、非凝縮性ガスの透過計数を測定することにより、
どの程度の径の細孔が、どの程度分布しているかを測定
することができる。また、すでに細孔の径とその分布状
況がわかっているサンプルがある場合には、それをマス
ターとして、この測定装置にかけ、その測定値と既知の
値との差を補正値として他の測定値を補正することもあ
る。

【００４１】この実施形態においては、２次チャンバで
あるホルダ(３)の内部を、通過ガス排出管(９)を介して
大気圧に解放し、かつ１次チャンバであるチャンバ(２)
を、大気圧よりわずかに大きい圧力に維持するようにし
てあるが、原理的には、２次チャンバの圧力より１次チ
ャンバの圧力を大とさえしておけばよく、例えば、１次
チャンバ側を大気圧程度に維持し、かつ２次チャンバ側
を、大気圧より減圧するようにしてもよい。ただ、上記
実施形態のように、２次チャンバ側を大気圧に解放して
おけば、２次チャンバを減圧した場合のような、毛管凝
縮した凝縮性ガスが再度気化して、測定精度を悪化させ
る等のおそれをなくすことができ、測定精度を向上する
ことができる。

【００４２】しかして、本実施形態においては、バイパ
ス管(12)に、複数、この例では２個のバブラー(19)(20)
を直列に接続してあるため、バイパス管(12)の下流端に
供給される窒素ガスの湿度を飽和状態に近い値、例えば
95％程度に安定して維持することができ、その変動をほ
とんどなくすことができるとともに、それに伴う温度の
変動を抑制できるので、高精度の測定が可能となる。

【００４３】上記の湿度をより安定化するためには、バ
ブラーを３個以上直列に接続することが望ましいが、経
済性と効率とを勘案すると、２個とするのが最適と思わ
れる。

【００４４】図４は、凝縮性ガスの供給手段の他の実施
形態を示す。この実施形態では、バイパス管(12)に設け
る凝縮性ガスの供給手段を、気化することにより凝縮性
ガスとなる液体、すなわち水を、バイパス系路に微少量
ずつ供給する、いわゆるシリンジポンプとしたポンプ(4
4)と、バイパス管(12)におけるポンプ(44)の下流側に設
けられ、液体、すなわち水を気化させる蒸発器(45)とに
より構成している。このようにしても、上記と同様の作
用及び効果を奏することができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によると、次のような効果を奏す
ることができる。請求項１記載の発明によると、高価な
装置を用いることなく、また被検体の形態を崩すことな
く、被検体のメソボアからマイクロボアの領域までの細
孔の径及びその分布状況を正確に測定することができ
る。

【００４６】請求項２記載の発明によると、非凝縮性ガ
スの供給系路(主供給管)と、それから分岐されたバイパ
ス系路とに流通させる非凝縮性ガスの流量を調節するこ
とにより、非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合割合を簡
単に調節することができる。

【００４７】請求項３記載の発明によると、バイパス系
路に流れる非凝縮性ガスに凝縮性ガスをほぼ飽和状態に
近い状態で安定して供給することができるとともに、凝
縮性ガスの供給手段の構成を簡素化し、安価に製造する
ことができる。

【００４８】請求項４記載の発明によると、バイパス系
路に供給される凝縮性ガスの供給状態を、単一のバブラ
ーを用いる場合より、より安定させることができ、測定
精度の向上に寄与することができる。

【００４９】請求項５記載の発明によると、凝縮性ガス
の供給手段を、ポンプと蒸発器とからなる簡単な構造の
ものとすることができる。

【００５０】請求項６記載の発明によると、温度維持手
段を設けたことにより、温度の変動による測定値の乱れ
を防止することができ、測定精度の向上に寄与すること
ができる。

【００５１】請求項７記載の発明によると、平衡状態に
近い状態で測定できるので、２次チャンバを減圧した場
合のような、毛管凝縮した凝縮性ガスが再度気化して、
測定精度を悪化させる等のおそれをなくすことができ、
測定精度を向上することができる。

【００５２】請求項８記載の発明によると、非凝縮性ガ
ス及び凝縮性ガスとして、安価で無害の窒素ガス及び水
蒸気を用いるので、経済性及び安全性に優れ、公害発生
のおそれが全くない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の外観図である。

【図２】同じく、本体部分の概略構成と配管系統とを模
式的に示す図である。

【図３】同じく、ホルダの他の例を示す拡大縦断面図で
ある。

【図４】同じく、供給手段の他の例を示す配管系統図で
ある。

【符号の説明】

(１)本体 (２)チャンバ(１次チャンバ) (３)(３')ホルダ(保持手段)(内部が２次チャンバ) (3a')拡径段部 (４)キャップ (５)被検体 (６)閉塞部材 (７)検査ガス供給管(検査ガス供給手段) (８)余剰ガス排出菅 (９)通過ガス排出菅 (10)窒素ガス源 (11)主供給管(供給系路) (12)バイパス管(バイパス系路) (13)レギュレータ(圧力調整手段) (14)流量コントローラ(調節手段) (15)電磁弁 (16)流量コントローラ(調節手段) (17)(18)電磁弁 (19)(20)バブラー(供給手段) (21)入口管 (22)出口管 (23)電磁弁 (24)密閉容器 (25)水 (26)電磁弁 (27)給水管 (28)水源 (29)電磁弁 (30)リミットスイッチ (31)電磁弁 (32)ドレン管 (33)温度センサ (34)ヒートバス(温度維持手段) (35)トラップ (36)自動圧力コントローラ (37)電磁弁 (38)排気口 (39)トラップ (40)流量計(測定手段) (41)電磁弁 (42)(43)電磁弁 (44)ポンプ (45)蒸発器 (Ａ)上部ケース (A1)扉 (Ｂ)下部ケース (Ｃ)ケーブル (Ｄ)コンビュータ (ＲＨ)温湿度計

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】細孔を有する被検体を、その細孔の一端
が１次チャンバに、かつ細孔の他端が２次チャンバにそ
れぞれ連通するようにして、被検体を保持する保持手段
と、１次チャンバに非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合気体
である検査ガスを供給する検査ガス供給手段と、検査ガス供給手段中に設けられ、１次チャンバに供給さ
れる非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合割合を調節する
調節手段と、２次チャンバに接続され、被検体を通過した検査ガスの
量を経時的に測定する測定手段とを備えることを特徴と
する細孔径分布測定装置。
【請求項２】検査ガス供給手段が、非凝縮性ガスの供
給系路と、それから分岐されたバイパス系路とを有し、
このバイパス系路に、凝縮性ガスの供給手段を設けた請
求項１記載の細孔径分布測定装置。
【請求項３】凝縮性ガスの供給手段が、気化すること
により凝縮性ガスとなる液体を収容して、その中を非凝
縮性ガスが通過することにより、非凝縮性ガス中に凝縮
性ガスが混入するようにしたバブラーを有している請求
項２記載の細孔径分布測定装置。
【請求項４】凝縮性ガスの供給手段が、バイパス系路
に直列に接続した複数のバブラーを有している請求項３
記載の細孔径分布測定装置。
【請求項５】凝縮性ガスの供給手段が、気化すること
により凝縮性ガスとなる液体をバイパス系路に微少量ず
つ供給するポンプと、バイパス系路における前記ポンプ
の下流側に設けられ、前記液体を気化させる蒸発器とを
有している請求項２記載の細孔径分布測定装置。
【請求項６】検査ガス供給手段に、検査ガスの温度を
設定温度に維持する温度維持手段を設けた請求項１〜５
のいずれかに記載の細孔径分布測定装置。
【請求項７】２次チャンバをほぼ大気圧に維持し、か
つ１次チャンバを大気圧より大きい値に維持する圧力調
整手段を設けた請求項１〜６のいずれかに記載の細孔径
分布測定装置。
【請求項８】非凝縮性ガスを窒素とし、かつ凝縮性ガ
スを水蒸気とした請求項１〜７のいずれかに記載の細孔
径分布測定装置。