Technisches Gebiet
[0001] Dies ist ein Teilgesuch zum Stammgesuch Nr. 0291/02 vom 20. Februar 2002 (CH 695 709)
[0002] Die Erfindung betrifft eine Hochdruckkapsel für kalorimetrische Messungen gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Hochdruckkapsel eignet sich insbesondere als Probenaufnehmer für die differentielle Scanning-Kalorimetrie.
Stand der Technik
[0003] Die differentielle Scanning-Kalorimetrie wird insbesondere in der Forschung, in der Qualitätskontrolle und für die Abklärung der thermischen Sicherheit von chemischen Produktionsverfahren eingesetzt. Mit dieser mikrokalorimetrischen Messmethode lässt sich erkennen, bei welcher Temperatur sich eine Probe umwandelt oder reagiert und wie gross die dazu erforderliche Wärmemenge ist beziehungsweise wie viel Wärme freigesetzt wird.
Bei der Abklärung der thermischen Sicherheit werden Edukte, Produkte und Reaktionsmischungen in verschiedenen Stadien der Reaktion mittels Mikrokalorimetrie untersucht, um das thermische Risiko des Produktionsverfahrens quantitativ bemessen zu können.
[0004] Um eine derartige kalorimetrische Messung durchzuführen, wird eine Probe in einer Hochdruckkapsel druckdicht verschlossen. Die Kapsel wird mit der Probe mit einem festen Temperaturprogramm aufgeheizt und ihr thermisches Verhalten beobachtet. Die Hochdruckkapsel muss dabei einem hohen Druck standhalten können. Zudem sollte sie eine möglichst geringe Masse aufweisen, um eine möglichst grosse Messempfindlichkeit zu gewährleisten.
[0005] Es sind Hochdruckkapseln bekannt, welche über einen Schraubverschluss verschliessbar sind. Diese Kapseln weisen ein Probevolumen von ungefähr 30 Microl und eine Masse von 1 g auf.
Nachteilig an diesen Kapseln ist, dass sie nur bis zu einem Druck von 50 bar, je nach Ausführungsform maximal 150 bar, dicht sind. Zudem sind sie relativ teuer, so dass sie im Allgemeinen mehrmals verwendet werden. Eine mehrmalige Verwendung kommt jedoch für kalorimetrische Messungen auf dem Gebiet der thermischen Sicherheit nicht in Frage, da Rückstände der Reinigungsmittel und der Masseverlust bei mechanischer Reinigung zu einer Verfälschung der Messresultate führen können.
[0006] Auf dem Gebiet der thermischen Sicherheit hat sich eine Einweg-Hochdruckkapsel aus vergoldetem Stahl bewährt, welche einem Druck von bis zu 200 bar standhält. Diese Kapsel besteht aus einem einen Hohlraum aufweisenden Tiegel, welcher mit einem ebenfalls aus vergoldetem Stahl gefertigten Deckel verschliessbar ist.
Der Verschluss erfolgt durch Kaltverschweissen, indem zwischen Deckel und einer Auflagefläche des Tiegels eine dünne Verschlussscheibe aus Reingold eingelegt wird und der Deckel auf die Verschlussscheibe gepresst wird. Typischerweise weist die Verschlussscheibe eine Dicke von 0.2 mm auf. Diese Hochdruckkapsel besitzt bei einem Probevolumen von ca. 50 Microl eine Masse von 1.5 g. Obwohl sich diese Kapsel in der Praxis bewährt hat, weist sie doch den Nachteil auf, dass ihre Masse im Vergleich zur Probe relativ gross ist und somit die Messung beeinträchtigt. Die relativ grosse Masse verunmöglicht durch ihr träges Temperaturverhalten auch die Erfassung von schnellen Phänomenen und begrenzt zudem die Heizgeschwindigkeit und somit die Anzahl der pro Zeit durchgeführten Messungen.
Ferner erfordert das Kaltverschweissen relativ hohe Drücke von bis zu 800 kp/cm<2> (80 MPa) bar, so dass hierfür eine Kniehebelpresse oder eine hydraulische Presse erforderlich ist.
Darstellung der Erfindung
[0007] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckkapsel für kalorimetrische Messungen zu schaffen, welche ein Kriechen der Probe verhindert und welche insbesondere auf dem Gebiet der thermischen Sicherheit einsetzbar ist.
[0008] Diese Aufgabe löst eine Hochdruckkapsel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
[0009] Die erfindungsgemässe Hochdruckkapsel für kalorimetrische Messungen umfasst einen Tiegel, welcher einen Hohlraum zur Probenaufnahme aufweist, und einen Deckel zur Verschliessung des Tiegels.
In einer Wandung des Hohlraums ist mindestens eine umlaufende Rille angeordnet.
[0010] Diese Rille verhindert ein Kriechen von Proben, insbesondere von niedrig-viskosen Lösungsmitteln, und verhindert somit, dass die Auflagefläche des Tiegels benetzt und die Kaltverschweissung erschwert oder gar verunmöglicht wird. Zudem verbessert die Rille das Oberflächen/Volumen-Verhältnis.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemässe Hochdruckkapsel eine Verschlussscheibe auf, welche gleichzeitig als Deckel dient. Damit sich die Hochdruckkapsel mittels Kaltverschweissen schliessen lässt, weist sie an den Verschlussstellen zwischen Tiegel und Deckel geeignete Oberflächen auf.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie eine geringere Masse aufweist als diejenigen im Stand der Technik.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform sind hierfür an den Verschlussstellen Mikrostrukturen vorhanden, Vorzugsweise sind diese Mikrostrukturen in der Auflagefläche angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die Oberflächen sehr glatt ausgebildet, vorzugsweise geläppt.
[0013] Die spezielle Behandlung der Oberfläche ermöglicht ein Kaltverschweissen mit einem relativ geringen Pressdruck, so dass sich hierfür kleinere Pressen einsetzen lassen.
Es lässt sich somit eine mobile Verschliessapparatur verwenden, so dass auch ein Verschliessen unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen, beispielsweise in einem Handschuhkasten, möglich ist.
[0014] Der geringer angewandte Pressdruck ermöglicht zudem, dass der Tiegel dünnwandiger ausgestaltet wird als der eingangs erwähnte Einweg-Tiegel. Dadurch und durch die Reduktion des Deckels auf die Verschlussscheibe lässt sich die Masse der Hochdruckkapsel erheblich verringern, insbesondere halbieren.
[0015] Ein weiterer Vorteil ist, dass im Falle eines Überschreitens des maximalen Druckes lediglich die Verschlussscheibe fortgeschleudert wird.
Durch ihre geringe Masse verringert sich die Gefahr für den Ofen, die Messfühler oder für in der Nähe stehende Personen.
[0016] Ferner ist vorteilhaft, dass sich die Kapsel auf einfache Art und Weise wieder öffnen lässt, nämlich durch Einstechen der dünnen Verschlussscheibe.
[0017] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0018] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind, erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Tiegel in einer ersten Ausführungsform;
<tb>Fig. 2<sep>einen Querschnitt durch eine Verschlussscheibe vor der Kaltverschweissung;
<tb>Fig. 3<sep>einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1;
<tb>Fig. 4<sep>eine verschlossene erfindungsgemässe Hochdruckkapsel und
<tb>Fig. 5<sep>einen vergrösserten Ausschnitt eines erfindungsgemässen Tiegels gemäss einer zweiten Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0019] Die erfindungsgemässe Hochdruckkapsel K besteht im hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einem Tiegel 1 und einem Deckel in Form mindestens einer, vorzugsweise genau einer Verschlussscheibe 2 oder Verschlussmembran.
[0020] In Fig. 1 ist der Tiegel 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Er ist aus einem Metall, vorzugsweise Stahl, gefertigt. Der Tiegel 1 ist mindestens teilweise vergoldet, wobei er mindestens im Bereich der weiter unten beschriebenen Mikrostrukturen 17 vergoldet ist.
Der Tiegel 1 weist eine zylindrische Grundform auf, wobei ein unterer Teil 10 über eine Stufe in einen Kragen 11 mit einem grösseren Aussendurchmesser übergeht.
[0021] Der Tiegel 1 weist einen nach oben offenen, zylindrischen Hohlraum 12 auf, welcher zur Aufnahme einer Probe dient. Der Hohlraum 12 verbreitert sich im oberen Bereich des Kragens 11, so dass der Tiegel 1 eine umlaufende Auflagefläche 15 aufweist. Oberhalb dieser Auflagefläche 15 weist der Kragen 11 eine radial in den Hohlraum 12 hineinragende, umlaufende Rückhaltenase 13 auf. An seiner Aussenseite ist der Kragen 11 in diesem Bereich vorzugsweise mit einer umlaufenden abgeschrägten Kante 14 versehen.
[0022] Als typische Abmessungen weist der Tiegel 1 einen äusseren Durchmesser von 6 mm und eine Höhe von 4 mm auf.
Der Hohlraum 12 besitzt vorzugsweise ein Probenvolumen von ca. 50 Microl.
[0023] Die Auflagefläche 15 ist planar ausgebildet und verläuft mindestens annähernd parallel zu einer planen Grundfläche 16 des Tiegels 1. Erfindungsgemäss verfügt die Auflagefläche 15 über eine speziell behandelte Oberfläche, um eine Kaltverschweissung zu ermöglichen. In diesem Beispiel sind es Mikrostrukturen 17, wie dies in Fig. 3 sichtbar ist. Es handelt sich dabei um Rillen, welche vorzugsweise eine sägezahnartige Form aufweisen, und vorzugsweise eine Tiefe und Breite von 0.05 mm aufweisen.
Diese Mikrostrukturen 17 sind vorzugsweise unterbrechungsfrei über den gesamten Radius der Auflagefläche 15 angeordnet, wobei sie sich radial über mindestens die halbe Breite der Auflagefläche 15 erstrecken.
[0024] Der Tiegel 1 ist mittels der Verschlussscheibe 2 verschliessbar, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verschlussscheibe 2 ist aus Reingold oder aus vergoldeten Substraten wie Aluminium, Messing oder Silber gefertigt und weist typischerweise eine Dicke von annähernd 0.5 mm auf. Ihr Durchmesser entspricht dem Durchmesser der oberen Öffnung des Tiegels 1. Im hier dargestellten Beispiel beträgt er 5 mm.
[0025] Um den Tiegel zu verschliessen, wird die Verschlussscheibe 2 auf die Auflagefläche 15 gelegt und mittels einer geeigneten Presse auf die Auflagefläche 15 gepresst.
Ein relativ geringer Pressdruck reicht aus, um die Verschlussscheibe 2 mit den Mikrostrukturen 17 der Auflagefläche 15 kaltzuverschweissen. Der so entstandene Verschluss ist bis zu 150-200 bar druckdicht. In Fig. 4 ist die verschlossene Hochdruckkapsel K dargestellt, in welcher die Verformung der Verschlussscheibe 2 sichtbar ist. Die Verschlussscheibe 2 ragt leicht in den Hohlraum 12 hinein und hat sich entlang ihres Umfanges an die Rückhaltenase 13 angeschmiegt.
[0026] Wie in den Fig. 1 und 4 sichtbar ist, sind in einer Wandung des Hohlraums 12 vorzugsweise mehrere umlaufende Rillen 18 vorhanden. Im hier dargestellten Beispiel sind es drei Rillen. Es genügt jedoch eine einzige Rille, welche im oberen Bereich des Hohlraumes 12, aber unterhalb der Auflagefläche 15 angeordnet ist. Die Rillen weisen eine maximale Breite b von 0.4 mm auf.
Vorzugsweise sind sie nicht miteinander verbunden, sondern verlaufen jeweils auf einer gleichbleibenden Höhe um die Wandung des Hohlraumes 12. Diese Rillen verhindern, wie eingangs erwähnt, ein Kriechen der Probe und somit ein Benetzen der Auflagefläche 14. Diese mindestens eine Rille lässt sich auch bei bekannten Tiegeln einsetzen und ist nicht auf den erfindungsgemässen Tiegel mit den Mikrostrukturen beschränkt.
[0027] In der Fig. 5 ist der Tiegel in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Er weist anstelle der Mikrostrukturen eine speziell glatte Oberfläche auf, um die Kaltverschweissung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Oberfläche geläppt.
[0028] Diese Hochdruckkapsel ermöglicht ein Kaltverschweissen mit einem relativ geringen Pressdruck.
Durch die Reduktion der gesamten Masse der Kapsel wird die Messgenauigkeit erhöht wie auch das thermische Verhalten beschleunigt. Die erfindungsgemässen Rillen verhindern ein Benetzen der Auflagefläche des Tiegels und ermöglichen die Kaltverschweissung und verbessern zudem das Oberflächen/Volumen-Verhältnis.
Bezugszeichenliste
[0029]
K : Hochdruckkapsel
b : Breite
1 : Tiegel
10 : Unterer Teil
11 : Kragen
12 : Hohlraum
13 : Rückhaltenase
14 : Kante
15 : Auflagefläche
16 : Grundfläche
17 : Mikrostruktur
18 : Rille
2 : Verschlussscheibe
Technical area
This is a partial application to the parent application no. 0291/02 of 20 February 2002 (CH 695 709)
The invention relates to a high pressure capsule for calorimetric measurements according to the preamble of claim 1. The high pressure capsule is particularly suitable as a sample pickup for the differential scanning calorimetry.
State of the art
The differential scanning calorimetry is used in particular in research, in quality control and for the clarification of the thermal safety of chemical production processes. With this microcalorimetric measuring method it can be detected, at which temperature a sample transforms or reacts and how big the required amount of heat is or how much heat is released.
In the investigation of thermal safety, reactants, products and reaction mixtures are examined at different stages of the reaction by means of microcalorimetry in order to be able to quantitatively measure the thermal risk of the production process.
To perform such a calorimetric measurement, a sample is sealed pressure-tight in a high-pressure capsule. The capsule is heated with the sample with a fixed temperature program and observed their thermal behavior. The high-pressure capsule must be able to withstand a high pressure. In addition, it should have the lowest possible mass in order to ensure the greatest possible sensitivity.
There are known high pressure capsules, which are closable via a screw cap. These capsules have a sample volume of about 30 microns and a mass of 1 g.
A disadvantage of these capsules is that they are only up to a pressure of 50 bar, depending on the embodiment, a maximum of 150 bar, tight. In addition, they are relatively expensive, so they are generally used several times. Repeated use is, however, out of the question for calorimetric measurements in the field of thermal safety since residues of the cleaning agents and the loss of mass during mechanical cleaning can lead to a falsification of the measurement results.
In the field of thermal safety, a disposable high-pressure capsule made of gold-plated steel has proven itself, which withstands a pressure of up to 200 bar. This capsule consists of a cavity having a crucible, which can be closed with a lid also made of gold-plated steel.
The closure is carried out by cold welding, by inserting a thin sealing disc made of pure gold between the lid and a bearing surface of the crucible and the lid is pressed onto the closure disc. Typically, the closure disc has a thickness of 0.2 mm. This high-pressure capsule has a mass of 1.5 g with a sample volume of approx. 50 microl. Although this capsule has been proven in practice, it has the disadvantage that its mass is relatively large compared to the sample and thus impairs the measurement. Due to its slow temperature behavior, the relatively large mass also makes it possible to detect fast phenomena and also limits the heating speed and thus the number of measurements per time.
Furthermore, the cold welding requires relatively high pressures of up to 800 kp / cm 2 (80 MPa) bar, so that a toggle press or a hydraulic press is required for this purpose.
Presentation of the invention
It is therefore an object of the invention to provide a high-pressure capsule for calorimetric measurements, which prevents creeping of the sample and which can be used in particular in the field of thermal safety.
This object is achieved by a high-pressure capsule having the features of patent claim 1.
The inventive high-pressure capsule for calorimetric measurements comprises a crucible, which has a cavity for receiving samples, and a lid for closing the crucible.
In a wall of the cavity at least one circumferential groove is arranged.
This groove prevents creeping of samples, in particular of low-viscosity solvents, and thus prevents the contact surface of the crucible from wetting and making the cold-welding difficult or even impossible. In addition, the groove improves the surface / volume ratio.
In a preferred embodiment, the high-pressure capsule according to the invention has a closure disc which simultaneously serves as a lid. So that the high-pressure capsule can be closed by means of cold welding, it has suitable surfaces at the closure points between crucible and lid.
This embodiment has the advantage that it has a lower mass than those in the prior art.
In a preferred embodiment, microstructures are present at the closure sites for this purpose. Preferably, these microstructures are arranged in the support surface. In another embodiment, the surfaces are very smooth, preferably lapped.
The special treatment of the surface allows cold welding with a relatively low pressure, so that it can be used for smaller presses.
It is thus possible to use a mobile closing device, so that a closure under defined pressure and temperature conditions, for example in a glove box, is possible.
The less applied pressing pressure also allows the crucible is made thin-walled than the aforementioned disposable crucible. As a result, and by the reduction of the lid on the shutter disc, the mass of the high-pressure capsule can be significantly reduced, in particular halve.
Another advantage is that in case of exceeding the maximum pressure, only the shutter disc is thrown away.
Their low mass reduces the risk to the oven, sensors or nearby people.
Furthermore, it is advantageous that the capsule can be reopened in a simple manner, namely by piercing the thin closure disc.
Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.
Short description of the drawing
In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> a cross section through a crucible according to the invention in a first embodiment;
<Tb> FIG. 2 <sep> a cross section through a shutter disc before cold welding;
<Tb> FIG. 3 <sep> is an enlarged detail from FIG. 1;
<Tb> FIG. 4 <sep> a closed inventive high pressure capsule and
<Tb> FIG. 5 <sep> an enlarged detail of a crucible according to the invention in accordance with a second embodiment.
Ways to carry out the invention
The high-pressure capsule K according to the invention consists in the preferred embodiment described here of a crucible 1 and a lid in the form of at least one, preferably exactly one closure disc 2 or closure membrane.
In Fig. 1, the crucible 1 is shown in a first embodiment. It is made of a metal, preferably steel. The crucible 1 is at least partially gold-plated, wherein it is gold-plated at least in the region of the microstructures 17 described below.
The crucible 1 has a cylindrical basic shape, with a lower part 10 passing over a step into a collar 11 with a larger outer diameter.
The crucible 1 has an upwardly open, cylindrical cavity 12, which serves to receive a sample. The cavity 12 widens in the upper region of the collar 11, so that the crucible 1 has a peripheral bearing surface 15. Above this bearing surface 15, the collar 11 has a radially extending into the cavity 12, circumferential retaining tab 13. On its outer side, the collar 11 is preferably provided in this area with a circumferential bevelled edge 14.
As a typical dimensions, the crucible 1 has an outer diameter of 6 mm and a height of 4 mm.
The cavity 12 preferably has a sample volume of about 50 microns.
The support surface 15 is planar and extends at least approximately parallel to a flat base surface 16 of the crucible 1. According to the invention, the support surface 15 has a specially treated surface to allow a cold weld. In this example, they are microstructures 17, as shown in FIG. These are grooves, which preferably have a sawtooth-like shape, and preferably have a depth and width of 0.05 mm.
These microstructures 17 are preferably arranged uninterrupted over the entire radius of the support surface 15, wherein they extend radially over at least half the width of the support surface 15.
The crucible 1 can be closed by means of the shutter disc 2, as shown in Fig. 2. The closure disc 2 is made of pure gold or gold-plated substrates such as aluminum, brass or silver and typically has a thickness of approximately 0.5 mm. Its diameter corresponds to the diameter of the upper opening of the crucible 1. In the example shown here, it is 5 mm.
To seal the crucible, the shutter disc 2 is placed on the support surface 15 and pressed by means of a suitable press on the support surface 15.
A relatively low compression pressure is sufficient to cold-weld the closure disk 2 to the microstructures 17 of the support surface 15. The resulting closure is pressure-tight up to 150-200 bar. 4, the sealed high-pressure capsule K is shown, in which the deformation of the closure disc 2 is visible. The shutter disc 2 protrudes slightly into the cavity 12 and has nestled along its circumference to the retention tab 13.
As can be seen in Figs. 1 and 4, in a wall of the cavity 12, preferably a plurality of circumferential grooves 18 are present. In the example shown here, there are three grooves. However, it is sufficient a single groove, which is arranged in the upper region of the cavity 12, but below the support surface 15. The grooves have a maximum width b of 0.4 mm.
Preferably, they are not connected to each other, but each extend at a constant height around the wall of the cavity 12. These grooves prevent, as mentioned above, a creep of the sample and thus wetting the support surface 14. This at least one groove can also be in known Use crucibles and is not limited to the inventive crucible with the microstructures.
5, the crucible is shown in a second embodiment. It has a specially smooth surface instead of the microstructures to allow the cold welding. Preferably, the surface is lapped.
This high-pressure capsule allows cold welding with a relatively low compression pressure.
By reducing the total mass of the capsule, the measurement accuracy is increased as well as accelerating the thermal behavior. The inventive grooves prevent wetting of the bearing surface of the crucible and allow the cold welding and also improve the surface / volume ratio.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0029]
K: high pressure capsule
b: width
1: crucible
10: Lower part
11: collar
12: cavity
13: retention nose
14: edge
15: bearing surface
16: floor area
17: microstructure
18: groove
2: shutter disc