DE102010008568B4

DE102010008568B4 - Kalorimeter mit Differentialabtastung

Info

Publication number: DE102010008568B4
Application number: DE102010008568.5A
Authority: DE
Inventors: Shinya Nishimura; Kentaro Yamada; Hirohito Fujiwara
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2030-02-20
Also published as: US20100220764A1; JP2010190807A; CN101813652A; JP5283535B2; CN101813652B; US8342744B2; DE102010008568A1

Abstract

Differential-Abtastungskalorimeter (1; 1B; 1C; 1D), mit:
- einem Kühlkörper (10), der eine Messprobe und ein Referenzmaterial speichert;
- einem Heizgerät (12), das den Kühlkörper (10) erwärmt;
- einem Kühlblock (20; 21; 22; 23), der vom Kühlkörper (10) getrennt und unter dem Kühlkörper (10) positioniert ist;
- einem Thermowiderstand (14), der zwischen dem Kühlkörper (10) und dem Kühlblock (20; 21; 22; 23) geschaltet ist, und dazwischen einen Wärmeflusspfad bildet;
- einem Kühlkopf (30; 31; 32; 33), der mit einer Innenbohrung (30i; 31i; 32i; 33i) ausgeführt ist, damit der Kühlkopf (30; 31; 32; 33) abnehmbar am Kühlblock (20) befestigt werden kann und der durch ein externes Kühlgerät gekühlt wird; und
- Differential-Wärmeflussdetektoren (3; 5), die die Temperaturdifferenz zwischen der Messprobe und dem Referenzmaterial als ein Wärmefluss-Differenzsignal ausgeben, wobei:
- der Kühlblock (20; 21; 22; 23) eine Seitenwand (23s) hat, die an einer Außenseite eines mit dem Thermowiderstand (14) verbundenen Verbindungsabschnitts (20c; 21c; 22c; 23c) geformt und in der Innenbohrung (30i; 31i; 32i; 33i) eingesetzt ist; und
- der Kühlkopf (30; 31; 32; 33) so angeordnet ist, dass eine obere Oberfläche (30u; 31u; 32u; 33u) desselben bündig mit dem oder unterhalb des Verbindungsabschnitts (20c; 21c; 22c; 23c) angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kalorimeter mit Differentialabtastung, an dem ein durch ein externes Kühlgerät zu kühlender Kühlkopf abnehmbar angebracht ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Das Kalorimeter mit Differentialabtastung ist ein Wärmeanalysegerät, das die Temperaturen einer Messprobe und eines Referenzmaterials, die in einem Kühlkörper untergebracht sind, mit konstanter Geschwindigkeit ändert, um dadurch die Differenz des durch die Messprobe und das Referenzmaterial fließenden Wärmeflusses zu messen. Das Differentialabtastungs-Kalorimeter enthält ein Heizgerät zum Erwärmen des Kühlkörpers und einen Kühlmechanismus zum Abkühlen des Kühlkörpers. Am Kühlmechanismus ist extern ein Gaskühlgerät ( JP 07-122619 B2 ) oder ein elektrisches Kühlgerät angeschlossen, um so die Kühlung vorzunehmen. Das Gaskühlgerät arbeitet mit Gas, das durch Verdampfen von Flüssigstickstoff oder dgl. erhalten wird, und das elektrische Kühlgerät arbeitet mit einem von einem Kompressor gekühlten Kühlmittel.
Ferner wird folgendes Differentialabtastungs-Kalorimeter als ein Wärmeanalysegerät offenbart ( JP 2006-58047 A ): Differentialabtastungs-Kalorimeter, bei dem in einem Kühlmechanismus selbst eine Einführbohrung ausgeformt ist, in die ein Kühlkopf eingeführt wird und die es ermöglicht, ein externes elektrisches Kühlgerät abnehmbar mit dem Kühlmechanismus zu verbinden, und bei dem ein mit der Einführbohrung durchgängiger Ausflussströmungspfad vorgesehen ist, um die Gaskühlung des Kühlmechanismus selbst zu ermöglichen.
Ferner ist ein Abtastungs-Kalorimeter offenbart, bei dem ein Kühlflansch mit einer zylindrischen Scheibe über einen Thermowiderstand mit dem unteren Abschnitt des Kühlkörpers verbunden ist ( JP 2002-310965 A (1 und Absatz 0045)).
Das Gaskühlgerät bedeutet jedoch eine komplizierte Kühlmittelversorgung und hohe Betriebskosten, während das Kühlgerät nur in einem begrenzten Temperaturbereich eingesetzt werden darf. Wenn nur eines des Gaskühlgeräts und des elektrischen Kühlgeräts zur Kühlung verwendet werden kann, ist deshalb die Messung mittels des Differentialabtastungs-Kalorimeters eingeschränkt.
Ferner ist im Fall der in der JP 2002-310965 A beschriebenen Technologie das externe Kühlgerät auf einer oberen Oberfläche 12 eines Kühlflansches (Kühlblock) 10 angebaut. Deshalb befindet sich der Kühlkopf des Kühlgeräts neben einem Thermowiderstand 9 so am Kühlflansch 10, dass er direkt zu diesem weist, so dass ein nicht vernachlässigbarer Wärmezufluss über eine Luftschicht zwischen dem Kühlkopf und dem Thermowiderstand 9 stattfindet. Dies geschieht deshalb, weil zwischen dem Kühlkopf und dem Thermowiderstand 9 eine Temperaturdifferenz von 100°C oder höher vorliegt. In diesem Fall treten thermische Effekte durch Strahlung, Konvektion und dgl. zwischen dem Kühlkopf und dem Thermowiderstand 9 auf, was zu Ungleichgewicht und Destabilisierung der Wärmeleitung zum Kühlkörper führt. Wenn jedoch der Kühlkopf vom Thermowiderstand 9 getrennt wird, so dass er mit dem Kühlflansch 10 in Kontakt gebracht wird, entsteht im Kühlflansch 10 ein thermischer Widerstand. Als Ergebnis wird die Temperaturverteilung des Kühlflansches 10 breiter und die Kühlleistung sinkt.
Andererseits ist im Fall der in JP 2006-58047 A beschriebenen Technologie der Kühlkopf vollständig im Kühlmechanismus (Kühlblock) aufgenommen, so dass das Problem des Wärmezuflusses zwischen dem Kühlkopf und dem Thermowiderstand nicht auftritt. Der zylindrische Kühlkopf ist jedoch im Kühlblock in einer exzentrischen Lage eingeführt, so dass die Gefahr einer ungleichmäßigen Kühlung des Kühlblocks besteht. Angesichts dieses Risikos bietet die in der JP 2006-58047 A beschriebene Technologie noch Verbesserungsmöglichkeiten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben beschriebenen Probleme erarbeitet, und es ist eine Aufgabe, ein Differentialabtastungs-Kalorimeter bereitzustellen, das in der Lage ist, den Wärmezufluss vom Kühlkopf zum Thermowiderstand zwischen dem Kühlkörper und dem Kühlblock zu unterdrücken, wenn der vom externen Kühlgerät zu kühlende Kühlkopf mit dem Kühlblock verbunden ist, um dadurch die Abkühlgeschwindigkeit, die Messgenauigkeit und die Kühlleistung zu verbessern.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe enthält ein Differentialabtastungs-Kalorimeter gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Kühlkörper, der eine Messprobe und ein Referenzmaterial speichert; ein Heizgerät, das den Kühlkörper erwärmt; einen Kühlblock, der vom Kühlkörper getrennt und unter dem Kühlkörper positioniert ist; einen Thermowiderstand, der zwischen dem Kühlkörper und dem Kühlblock geschaltet ist, und dazwischen einen Wärmeflusspfad bildet; einen Kühlkopf, der mit einer Innenbohrung ausgeführt ist, damit der Kühlkopf abnehmbar am Kühlblock befestigt und durch ein externes Kühlgerät gekühlt werden kann; und Differential-Wärmeflussdetektoren, die die Temperaturdifferenz zwischen der Messprobe und dem Referenzmaterial als ein Wärmefluss-Differenzsignal ausgeben, wobei: der Kühlblock eine Seitenwand hat, die an einer Außenseite eines mit dem Thermowiderstand verbundenen Verbindungsabschnitts geformt und in der Innenbohrung eingesetzt ist, und der Kühlkopf so angeordnet ist, dass eine obere Oberfläche desselben bündig mit dem oder unterhalb des Verbindungsabschnitt(s) angeordnet ist.
Die obere Oberfläche des Kühlkopfes ist wie oben beschrieben bündig mit dem oder unterhalb des Verbindungsabschnitt(s) angeordnet und deshalb weist der Thermowiderstand nicht direkt zum Kühlkopf. Es ist deshalb möglich, den Wärmezufluss über eine Luftschicht zwischen dem Thermowiderstand und dem Kühlkopf zu unterdrücken. Ferner ist die in der Innenbohrung des Kühlkopfes befestigte Seitenwand an der Außenseite des Verbindungsabschnitts positioniert, so dass zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes und dem Verbindungsabschnitt in der Seitenansicht unweigerlich ein Spalt geformt wird. Deshalb kann ein direkter Kontakt zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes und dem Thermowiderstand verhindert werden. Ferner erfolgt die Wärmeleitung über einen Passabschnitt zwischen der Innenbohrung des Kühlkopfes und der Seitenwand. Deshalb kann im Vergleich zur Wärmeleitung über einen anderen Passabschnitt (z. B. Passabschnitt zwischen einer unteren und einer oberen Oberfläche des Kühlkopfes und einer oberen Oberfläche des Kühlblocks) der Wärmeflusspfad zum Thermowiderstand verkürzt werden. Als Ergebnis können die Kühlgeschwindigkeit erhöht und die Kühlleistung verbessert werden.
Ferner umgibt die Innenoberfläche des Kühlkopfes die Seitenwand und kommt mir ihr in Kontakt. Deshalb ist der Wärmeleitungsverlust zwischen dem Kühlkopf und dem Kühlblock gering, so dass die Kühlleistung verstärkt werden kann.
Die Seitenwand kann eine Außenumfangsoberfläche eines hervorstehenden Abschnitts enthalten, der vom Kühlblock aus nach oben oder unten hervorsteht.
Bei dieser Struktur reicht es aus, den hervorstehenden Abschnitt in der Innenbohrung des Kühlkopfes einzusetzen, wodurch eine zuverlässige Befestigung ermöglicht wird.
In einer der oberen und unteren Oberflächen des Kühlblocks kann eine ringförmige Nut eingeformt sein, wobei die ringförmige Nut durch den hervorstehenden Abschnitt und einen den hervorstehenden Abschnitt von der Außenseite aus umgebenden Außenumfangsring mit dazwischen liegender ringförmiger Nut geschnitten wird, und der Kühlkopf in der ringförmigen Nut untergebracht werden und der hervorstehende Abschnitt mit der Innenbohrung versehen sein kann.
Bei dieser Struktur erfolgt die Wärmeleitung ebenfalls über einen Kontaktabschnitt zwischen dem Außenumfang des Kühlkopfes und der Innenoberfläche des äußeren Umfangsrings. Deshalb wird der Wärmeleitungsverlust zwischen dem Kühlkopf und dem Kühlblock weiter verringert, wodurch die Kühlleitung weiter verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Wärmezufluss vom Kühlkopf zum Thermowiderstand zwischen dem Kühlkörper und dem Kühlblock zu unterdrücken, wenn der durch das externe Kühlgerät zu kühlende Kühlkopf mit dem Kühlblock verbunden ist, und die Abkühlgeschwindigkeit, die Messgenauigkeit und die Kühlleistung zu verbessern.
Figurenliste
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

1 eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine partielle vergrößerte Ansicht eines benachbarten Bereichs eines Verbindungsabschnitts eines Kühlblocks;
3 eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters;
4 eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht des Differentialabtastungs-Kalorimeters gemäß der zweiten Ausführungsform;
6 eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Differentialabtastungs-Kalorimeter 1 enthält: einen Kühlkörper 10, der eine Messprobe und ein Referenzmaterial speichert; ein spiralförmiges Heizelement 12, das um den Außenumfang des Kühlkörpers 10 gewickelt ist und den Kühlkörper 10 erwärmt; einen Kühlblock 20, der unter dem Kühlkörper 10, aber von diesem getrennt angeordnet ist; einen Thermowiderstand 14, der zwischen dem Kühlkörper 10 und dem Kühlblock 20 geschaltet ist und einen Wärmeflusspfad zwischen ihnen bildet; einen Kühlkopf 30, der von einem externen elektrischen Kühlgerät (nicht dargestellt) gekühlt wird; und Differential-Wärmeflussdetektoren (Thermoelementanschlüsse) 3 und 5, die die Temperaturdifferenz zwischen der Messprobe und dem Referenzmaterial als Wärmefluss-Differenzsignal ausgeben.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Äußere des Heizgeräts 12 von einer Abdeckung (nicht dargestellt) abgedeckt ist.
Der Kühlkörper 10 hat eine Zylinderform und ein Teil desselben, der über der unteren Oberfläche 10d in axialer Richtung in der Mitte positioniert ist, bildet einen oberen Zylinder 10a und ein Teil unter der unteren Oberfläche 10d bildet einen unteren Zylinder 10b. Im Innenraum, der von der unteren Oberfläche 10d und dem oberen Zylinder 10a des Kühlkörpers 10 umgeben ist, sind ein Messprobenhalter 2 und ein Referenzmaterial-Probenhalter 4 angeordnet, auf denen sich das Messmaterial bzw. das Referenzmaterial befinden. Der Messprobenhalter 2 und der Referenzmaterial-Probenhalter 4 sind ferner durch Metalldrähte aus den gleichen Metallen wie die Thermoelementanschlüsse 3 bzw. 5 mit den Thermoelementanschlüssen 3 bzw. 5 verbunden. Die Metalldrähte sind unter dem Kühlkörper 10 herausgeführt und jeder Metalldraht ist mit einem Verstärker 61 verbunden, um ein Thermoelement zur Detektion der Wärmedifferenz zu bilden. Dies gestattet die Detektion der Temperaturdifferenz zwischen der Messprobe und dem Referenzmaterial. Die erkannte Temperaturdifferenz wird als Wärmefluss-Differenzsignal aufgezeichnet. Ein Thermoelement wird aus dem Thermoelementanschluss 3 an einen Verstärker 62 angeschlossen, so dass die Temperatur der Messprobe aufgezeichnet wird.
Ferner ist ein Steuerthermoelement 18 an der Innenoberfläche des unteren Zylinders 10b des Kühlkörpers 10 angebracht, um damit die Temperatur des Kühlkörpers 10 zu messen. Der Ausgang des Thermoelements 18 wird von einem Proportional-Integral-Differential- (PID)-Berechnungsabschnitt 71 berechnet, der eine hinreichend bekannte PID-Regelschaltung enthält, und das berechnete Ergebnis wird an einen Heizgerätetreiber (Treiberschaltung) 72 ausgegeben, um so die Regelung der Temperatur des Heizgeräts 12 zu ermöglichen.
Ein Deckel 11 ist abnehmbar auf dem oberen Ende des oberen Zylinders 10a des Kühlkörpers 10 angebracht, so dass das Innere des Kühlkörpers 10 gegen die Außenluft abgeschirmt ist.
Im Hinblick auf den Wärmewiderstand und die Einengung der Temperaturverteilung besteht der Kühlkörper 10 aus z. B. reinem Ag, bei dem es sich um ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit handelt. Der Kühlkörper 10 hat deshalb hinsichtlich der Temperaturänderung der Probe eine ausreichend hohe Wärmekapazität.
Der Kühlblock 20 weist in der Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Quaderform auf. Von der Mitte des Kühlblocks 20 aus ragt ein zylindrischer hervorstehender Abschnitt 20p nach oben, und ein Teil der Außenseite des hervorstehenden Abschnitts 20p bildet eine ebene Oberfläche, die sich vom Rand der ebenen Oberfläche aus senkrecht nach unten erstreckt, um eine untere Wand 20d zu bilden. Ferner sind eine Außenumfangsoberfläche 20pw der hervorstehenden Abschnitts 20p und die ebene Oberfläche miteinander so verbunden, dass sie eine Stufe bilden. Es ist zu beachten, dass zwar die äußere Umfangsoberfläche 20pw in den Patentansprüchen einer „Seitenwand“ entspricht, die untere Wand 20d jedoch nicht der „Seitenwand“ entspricht. Ferner verläuft eine runde Bohrung 20h, die in der Mitte des hervorstehenden Abschnitts 20p und der äußeren Umfangsoberfläche 20pw offen ist, durch den Kühlblock 20. Ferner ist ein Hohlraum 20a mit einem rechteckigen Querschnitt entlang dem Außenumfang des Kühlblocks 20 in dessen Innern vorgesehen, wobei der Hohlraum 20a mit einem Kühlgas-Zufuhrrohr 40 und einem Kühlgas-Auslassrohr 41, das an der unteren Wand 20a des Kühlblocks 20 angebracht ist, durchgängig ausgeführt ist. Demzufolge kann durch Einleiten des durch Verdampfen von Flüssigstickstoff erhaltenen Kühlgases, des aus Druckluft bestehende Kühlgases oder dgl. in das Kühlgas-Zufuhrrohr 40 der Kühlblock 20 selbst durch das Gas gekühlt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der Hohlraum 20a einen kreisförmigen Querschnitt haben kann.
Ferner sind Stützen 50 jeweils an den vier Ecken der unteren Oberfläche des Kühlblocks 20 vorgesehen und der Kühlblock 20 wird über die Stützen 50 auf einer Basis 52 gelagert.
Der Kühlblock 20 fungiert als Kühlquelle zum Kühlen des Kühlkörpers 10 und die Wärmekapazität des Kühlblocks 20 ist entsprechend der Kühlfähigkeit desselben, der Fähigkeit des Heizgeräts 12, dem Wärmewiderstandswert (wird später beschrieben) des Thermowiderstands 14 und dgl. eingestellt. Ferner besteht der Kühlblock 20 unter dem Gesichtspunkt der Einengung der Temperaturverteilung und der Kostensenkung aus Cu, Al oder dgl., also aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Beide Enden des Thermowiderstands 14 sind durch Hartlöten an der unteren Endoberfläche des unteren Zylinders 10b des Kühlkörpers 10 bzw. an der oberen Endoberfläche 20c des hervorstehenden Abschnitts 20p des Kühlblocks 20 befestigt. Der Thermowiderstand 14 ist aus einer großen Anzahl rechteckiger Platten aufgebaut, die voneinander in Umfangsrichtung der unteren Endoberfläche des unteren Zylinders 10b (und der oberen Endoberfläche 20u des hervorstehenden Abschnitts 20p) getrennt und innerhalb der Außenumfangsränder dieser Endoberflächen angeordnet sind (siehe 2). Es sei darauf hingewiesen, dass an der oberen Endoberfläche 20u des hervorstehenden Abschnitts 20p eine ringförmige Abschirmplatte 16 am Abschnitt an der Außenseite des Thermowiderstands 14 angebracht werden kann, um den Wärmezufluss über eine Luftschicht zum Kühlkopf 30 noch besser zu verhindern.
Ferner entspricht ein Verbindungsabschnitt 20c zum unteren Ende des Thermowiderstands 14 an der oberen Endoberfläche 20u einem „Verbindungsabschnitt bezüglich des Thermowiderstands“ in den Patentansprüchen.
Der Wärmewiderstandswert des Thermowiderstands 14 wird gemäß der maximal/minimal erreichbaren Temperaturen des Kühlkörpers 10 bestimmt, wobei die Fähigkeit hinsichtlich Anstieg und Abfall der Temperatur und dgl. zu berücksichtigen ist. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper 10 und dem Kühlblock 20 erreicht maximal ca. 600°C und der Thermowiderstand 14 ist einer hohen Wärmespannung ausgesetzt. Deshalb sind der Thermowiderstand 14 und der Kühlkörper 10 (sowie der Kühlblock 20) durch Hartlöten oder dgl. miteinander verbunden.
Wenn der Thermowiderstand 14 aus reinem Fe besteht, ist es möglich, den Bereich zwischen den maximal/minimal erreichbaren Temperaturen des Kühlkörpers 10 mit der folgenden Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von reinem Fe zu verbreitern: Im Vergleich zu anderen Metallen nimmt in reinem Fe die Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen stärker ab und bei niedrigen Temperaturen stärker zu.
Der Kühlkopf 30 hat eine im Wesentlichen rechteckige Quaderaußenform und eine im Innern durch die Mitte verlaufende kreisförmige Bohrung 30i. Ferner erstreckt sich ein Verbindungsabschnitt 30c bezüglich des externen elektrischen Kühlgeräts (nicht dargestellt) von der Seitenwand des Kühlkopfes 30 aus, so dass der Kühlkopf 30 vom elektrischen Kühlgerät gekühlt wird.
Ferner deckt der Kühlkopf 30 den oberen Teil des Kühlblocks 20 ab, und der hervorstehende Abschnitt 20p ist in der Bohrung 30i im Innern angebracht. Als Ergebnis kommen die Seitenoberfläche der Innenbohrung 30i und die Außenumfangsoberfläche 20pw des hervorstehenden Abschnitts 20p miteinander in Kontakt, so dass Wärme zwischen dem Kühlkopf 30 und dem Kühlblock 20 übertragen wird. Ferner wird Wärme auch in dem Abschnitt übertragen, an dem die untere Oberfläche des Kühlkopfes 30 und die obere Oberfläche des Kühlblocks 20 miteinander verbunden sind.
Um in diesem Fall das Einsetzen des hervorstehenden Abschnitts 20p in die Innenbohrung 30i zu erleichtern, kann zwischen der Seitenoberfläche der Innenbohrung 30i und der Außenumfangsoberfläche 20pw des hervorstehenden Abschnitts 20p ein geeigneter Abstand vorgesehen sein. In diesem Fall ist es besser, den Abstand mit wärmeleitfähigem Fett oder dgl. zu füllen. Ferner wird das wärmeleitfähige Fett natürlich vorzugsweise verwendet, um die untere Oberfläche des Kühlkopfes 30 und die obere Oberfläche des Kühlblocks 20 zu verbinden.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Kühlkopf 30 und der Kühlblock 20 mittels Schrauben (nicht dargestellt) oder dgl. aneinander befestigt sind. Ferner ist der Außendurchmesser des Kühlkopfes 30 größer als der Außendurchmesser des Kühlblocks 20, so dass der Kühlkopf 30 die obere Oberfläche des Kühlblocks 20 vollständig abdeckt. In diesem Fall ist es ausreichend, den Kontaktbereich zwischen dem Kühlkopf und dem Kühlblock so einzustellen, dass er für die erforderliche Kühlfähigkeit des Kühlkopfes ausreicht.
2 ist eine partielle vergrößerte Ansicht eines benachbarten Bereichs des Verbindungsabschnitts 20c des Kühlblocks 20. Eine obere Oberfläche 30u des Kühlkopfes 30 ist nicht über, sondern unter dem Verbindungsabschnitt 20c angeordnet. Deshalb weist der Thermowiderstand 14 nicht direkt zum Kühlkopf 30. Als Ergebnis kann der Wärmezufluss über die Luftschicht zwischen dem Thermowiderstand 14 und dem Kühlkopf 30 unterdrückt werden.
In diesem Zusammenhang bedeutet die „obere Oberfläche des Kühlkopfes 30“ einen an der obersten Seite (Seite zum Kühlkörper 10) angeordneten Abschnitt, wenn der Kühlkopf 30 am Kühlblock 20 angebracht ist.
Wenn dagegen die obere Oberfläche 30u des Kühlkopfes 30 über dem Verbindungsabschnitt 20c positioniert ist (im Fall eines Kühlkopfes 30x, der in 2 mit einer Strichlinie angedeutet ist), weist die Innenoberfläche des Kühlkopfes 30 (am gegenüberliegenden Abschnitt F in 2) direkt zum Thermowiderstand 14 über die Luftschicht in der Umgebung des Verbindungsabschnitts 20c, und zwischen dem Kühlkopf 30 und dem Wärmewiderstand 14 entsteht ein Wärmezufluss.
Es ist zu beachten, dass so lang die obere Oberfläche 30u des Kühlkopfes 30 nicht über dem Verbindungsabschnitt 20c positioniert ist, die obere Oberfläche 30u des Kühlkopfes 30 nicht notwendigerweise unter dem Verbindungsabschnitt 20c positioniert ist. Das heißt, die obere Oberfläche 30u des Kühlkopfes 30 und der Verbindungsabschnitt 20c können bündig zueinander liegen.
Da ferner der hervorstehende Abschnitt 20p in der Innenbohrung 30i des Kühlkopfes eingesetzt und der Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts 20p an der Außenseite des Verbindungsabschnitts 20c positioniert ist, entsteht zwischen der Seiteoberfläche der Innenbohrung 30i und dem Verbindungsabschnitt 20c in der Seitenansicht unweigerlich ein Spalt F. Deshalb wird ein direkter Kontakt zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes 30 und dem Thermowiderstand 14 vermieden. Ferner erfolgt die Wärmeleitung über den Passabschnitt zwischen der Innenbohrung 30i des Kühlkopfes 30 und der Außenumfangsoberfläche 20pw des hervorstehenden Abschnitts 20p. Deshalb kann im Vergleich zur Wärmeleitung über einen anderen Passabschnitt (z. B. Passabschnitt zwischen der unteren und der oberen Oberfläche des Kühlkopfes 30 und der oberen Oberfläche des Kühlblocks 20) der Wärmeflusspfad zum Thermowiderstand 14 verkürzt werden. Als Ergebnis können die Kühlgeschwindigkeit erhöht und die Kühlleistung verbessert werden.
Ferner kommt die Innenoberfläche des Kühlkopfes 30 mit dem hervorstehenden Abschnitt 20p so in Kontakt, dass sie den hervorstehenden Abschnitt 20p umgibt. Deshalb ist der Wärmeleitungsverlust zwischen dem Kühlkopf 30 und dem Kühlblock 20 gering, so dass die Kühlleistung verbessert werden kann. Insbesondere wenn der Spalt F verkleinert wird (auf eine finite Größe ungleich null) wird der Wärmeflusspfad vom Kühlkopf 30 über den Kühlblock 20 zum Thermowiderstand 14 verkürzt und somit die Kühlleistung verbessert.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur des Differentialabtastungs-Kalorimeters 1. Wie in 3 dargestellt liegt von der Innenbohrung des Kühlkopfes 30 aus, der den Kühlblock 20 von oben her abdeckt, das Spitzenende des hervorstehenden Abschnitts 20p des Kühlblocks 20 zur Außenseite frei, und der Thermowiderstand 14 ist senkrecht auf der oberen Oberfläche des hervorstehenden Abschnitts 20p stehend vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die Eckabschnitte der Seitenwand des Kühlkopfes 30 mit einer Fase ausgeführt sind. Ferner zeigt 3 den Fall, in dem eine Abschirmplatte 16 angebracht ist.
4 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters 1B gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung von Komponenten und Abschnitten von 4, die die gleichen wie die des Differentialabtastungs-Kalorimeters 1 gemäß der ersten Ausführungsform sind, ebenso entfällt wie ihre Darstellung, oder dass sie mit identischen Bezugszeichen wie die der ersten Ausführungsform gekennzeichnet sind.
Bei der zweiten Ausführungsform ragt ein zylindrischer hervorstehender Abschnitt 21p, der identisch mit dem der ersten Ausführungsform ist, nach oben aus dem Kühlblock 21 und bildet eine ebene Oberfläche an der Außenseite des hervorstehenden Abschnitts 21p. Ferner ist ein senkrecht auf der ebenen Oberfläche stehender Außenumfangsring 21r entlang dem Außenumfangsrand des Kühlblocks 21. Der Außenumfangsring 21r umgibt den hervorstehenden Abschnitt 21p an seiner Außenseite, wobei eine Nut 21g dazwischen vorgesehen ist. Der Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts 21p, die ebene Oberfläche des Kühlblocks 21 und der Innenumfang des Außenumfangsrings 21r schneiden die Nut 21g.
Der Außendurchmesser des Kühlkopfes 31 ist im Wesentlichen gleich dem Außenumfang der Nut 21g. Wenn der Kühlblock 21 durch den Kühlkopf 31 von oben abgedeckt wird, sitzt der Kühlkopf 31 passgenau in der Nut 21g, während eine Außenumfangsoberfläche 21pw (entsprechend einer „Seitenwand“ in den Ansprüchen) des hervorstehenden Abschnitts 21p in der Innenbohrung 31i des Kühlkopfes 31 sitzt.
Es ist zu beachten, dass ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform das untere Ende des Thermowiderstands 14 mit einer oberen Endoberfläche 21u des Kühlblocks 21 verbunden ist und dadurch einen Verbindungsabschnitt 21c bildet (entsprechend einem „Verbindungsabschnitt, der mit dem Thermowiderstand verbunden ist“ in den Ansprüchen).
Außerdem ist bei der zweiten Ausführungsform eine obere Oberfläche 31u des Kühlkopfes 31 unter dem Verbindungsabschnitt 21c positioniert. Deshalb weist der Thermowiderstand 14 nicht direkt zum Kühlkopf 31, so dass es möglich ist, den Wärmezufluss zwischen dem Thermowiderstand 14 und dem Kühlkopf 21 über die Luftschicht zu unterdrücken.
Ferner ist der hervorstehende Abschnitt 21p in der Innenbohrung 31i des Kühlkopfes 31 eingesetzt und der Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts 21p ist an der Außenseite des Verbindungsabschnitts 21c positioniert. Deshalb wird, in der Seitenansicht, unweigerlich ein Spalt (wie der Spalt F) zwischen der Seitenoberfläche der Innenbohrung 31i und dem Verbindungsabschnitt 21c gebildet. Deshalb wird der direkte Kontakt zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes 31 und dem Thermowiderstand 14 vermieden.
Ferner ist bei der zweiten Ausführungsform der Kühlkopf 31 in der Nut 21g aufgenommen. Die Wärmeleitung erfolgt deshalb auch über den Kontaktabschnitt zwischen dem Außenumfang des Kühlkopfes 31 und der Innenoberfläche des Außenumfangsrings 21r, so dass der Wärmeleitungsverlust zwischen dem Kühlkopf 31 und dem Kühlblock 21 gegenüber der ersten Ausführungsform weiter verringert wird. Als Ergebnis kann die Kühlleistung noch mehr verbessert werden.
5 ist eine Draufsicht des Differential-Abtastungskalorimeter 1B gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie 5 zeigt, erstreckt sich der rechteckige Außenumfangsring 21r senkrecht vom Umfangsrand des rechteckigen Kühlblocks 21 aus nach oben, um so die Außenumfangswand der Nut 21g zu bilden. Die Innenumfangswand der Nut 21g wird dabei vom zylindrischen hervorstehenden Abschnitt 21p gebildet. Wie oben beschrieben können der Innen- und Außenumfang bezüglich einer „ringförmigen Nut“ in den Ansprüchen unterschiedliche Formen haben. Ferner ist die Form der Nut nicht auf eine Kreisform beschränkt, sondern kann davon verschieden, etwa rechteckig sein. Ferner kann sich der Außenumfangsring 21r auch von einer vorgegebenen Position aus innerhalb des Umfangsrandes des Kühlblocks 21 senkrecht nach oben erstrecken.
Es ist zu beachten, dass ein Ausschnitt 21t in einem Teil des Außenumfangsrings 21r geformt ist, so dass sich der Außenumfangsring 21r und ein Verbindungsabschnitt 31c, der sich seitlich vom Kühlkopf 31 aus erstreckt, nicht gegenseitig stören.
6 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters 1C gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung von Komponenten und Abschnitten von 6, die die gleichen wie die des Differentialabtastungs-Kalorimeters 1 gemäß der ersten Ausführungsform sind, ebenso entfällt wie ihre Darstellung, oder dass sie mit identischen Bezugszeichen wie die der ersten Ausführungsform gekennzeichnet sind.
Bei der dritten Ausführungsform hat ein Kühlblock 22 eine Struktur, bei der ein identischer Kühlblock wie der Kühlblock 21 der zweiten Ausführungsform mit dem Kopf nach unten angeordnet ist. Das heißt, ein zylindrischer hervorstehender Abschnitt 22p ragt aus dem Kühlblock 22 nach unten, eine ebene Oberfläche wird an der Außenseite des hervorstehenden Abschnitts 22p geformt und ein Außenumfangsring 22r erstreckt sich von der ebenen Oberfläche entlang dem Außenumfangsrand des Kühlblocks 22 nach unten. Der Außenumfangsring 22r umgibt den hervorstehenden Abschnitt 22p an seiner Außenseite, wobei eine Nut 22g dazwischen vorgesehen ist. Der Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts 22p, die ebene Oberfläche des Kühlblocks 22 und der Innenumfang des Außenumfangsrings 22r schneiden die Nut 22g.
Der Außendurchmesser des Kühlkopfes 32 ist im Wesentlichen gleich dem Außenumfang der Nut 22g. Wenn der Kühlblock 22 durch den Kühlkopf 32 von unten abgedeckt wird, sitzt der Kühlkopf 32 passgenau in der Nut 22g, während eine Außenumfangsoberfläche 22pw (entsprechend einer „Seitenwand“ in den Ansprüchen) des hervorstehenden Abschnitts 22p in der Innenbohrung 32i des Kühlkopfes 32 sitzt.
Es ist zu beachten, dass die Stützen 50 am unteren Endrand des Außenumfangsrings 22r angebracht sind.
Bei der dritten Ausführungsform ist das untere Ende des Thermowiderstands 14 mit einer oberen Oberfläche 22u des Kühlblocks 22 entlang dem Außenumfang einer runden Bohrung 22h verbunden und bildet dadurch einen Verbindungsabschnitt 22c (entsprechend einem „Verbindungsabschnitt, der mit dem Thermowiderstand verbunden ist“ in den Ansprüchen). Ferner ist der Verbindungsabschnitt 22c im Innern des Außenumfangs des hervorstehenden Abschnitts 22p positioniert.
Außerdem ist der Kühlkopf 32 unter dem Kühlblock 22 positioniert, so dass eine obere Oberfläche 32u des Kühlkopfes 32 unter dem Verbindungsabschnitt 22c positioniert ist. Deshalb weist der Thermowiderstand 14 nicht direkt zum Kühlkopf 32, so dass es möglich ist, den Wärmezufluss zwischen dem Thermowiderstand 14 und dem Kühlkopf 32 über die Luftschicht zu unterdrücken.
Ferner ist der hervorstehende Abschnitt 22p in einer Innenbohrung 32i des Kühlkopfes 32 eingesetzt und der Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts 22p ist an der Außenseite des Verbindungsabschnitts 22c positioniert. Deshalb wird, in der Seitenansicht, unweigerlich ein Spalt (wie der Spalt F) zwischen der Seitenoberfläche der Innenbohrung 32i und dem Verbindungsabschnitt 22c gebildet. Deshalb wird der direkte Kontakt zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes 32 und dem Thermowiderstand 14 vermieden.
Ferner ist bei der dritten Ausführungsform der Kühlkopf 32 in der Nut 22g aufgenommen. Die Wärmeleitung erfolgt deshalb auch über den Kontaktabschnitt zwischen dem Außenumfang des Kühlkopfes 32 und der Innenoberfläche des Außenumfangsrings 22r, so dass der Wärmeleitungsverlust zwischen dem Kühlkopf 32 und dem Kühlblock 22 gegenüber der ersten Ausführungsform weiter verringert wird. Als Ergebnis kann die Kühlleistung noch mehr verbessert werden.
7 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Differentialabtastungs-Kalorimeters 1D gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung von Komponenten und Abschnitten von 7, die die gleichen wie die des Differentialabtastungs-Kalorimeters 1 gemäß der ersten Ausführungsform sind, ebenso entfällt wie ihre Darstellung, oder dass sie mit identischen Bezugszeichen wie die der ersten Ausführungsform gekennzeichnet sind.
Bei der vierten Ausführungsform hat ein Kühlblock 23 eine im Wesentlichen rechteckige Quaderform ohne den hervorstehenden Abschnitt und eine runde Bohrung 23h verläuft durch die Mittel des Kühlblocks 23. Ferner ist ein Hohlraum 23a mit einem rechteckigen Querschnitt entlang dem Außenumfang des Kühlblocks 23 in dessen Innern vorgesehen, wobei der Hohlraum 23a mit einem Kühlgas-Zufuhrrohr 40D und einem Kühlgas-Auslassrohr 41D, das an der unteren Oberfläche des Kühlblocks 23 angebracht ist, durchgängig ausgeführt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Rohre 40D und 41D an der unteren Oberfläche des Kühlblocks 23 eine 90°-Biegung haben, so dass sie seitlich verlaufen.
Der Kühlkopf 33 hat eine im Wesentlichen rechteckige Quaderaußenform und eine durch seine Mittel verlaufende rechteckige Innenbohrung 31i mit einem Innendurchmesser, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des Kühlblocks 23. Ferner erstreckt sich ein Verbindungsabschnitt 33c bezüglich des externen elektrischen Kühlgeräts (nicht dargestellt) von der Seitenwand des Kühlkopfes 33 aus, so dass der Kühlkopf 33 vom elektrischen Kühlgerät gekühlt wird.
Wenn ferner das Äußere des Kühlblocks 23 vom Kühlkopf 33 abgedeckt ist, sitzt der Kühlkopf 33 passgenau am Kühlblock 23, wobei eine Seitenwand 23s (entsprechend einer „Seitenwand“ in den Ansprüchen) des Kühlblocks 23 in der rechteckigen Innenbohrung 33i des Kühlkopfes 33 sitzt. In diesem Fall sind der Kühlkopf 33 und der Kühlblock 23 so aneinander befestigt, dass eine obere Oberfläche 33u des Kühlkopfes 33 und eine obere Oberfläche 23u des Kühlblocks 23 bündig zueinander liegen.
Ferner ist bei der vierten Ausführungsform das untere Ende des Thermowiderstands 14 mit einer oberen Oberfläche 23u des Kühlblocks 23 entlang dem Außenumfang der runden Bohrung 23h verbunden und bildet dadurch einen Verbindungsabschnitt 23c (entsprechend einem „Verbindungsabschnitt, der mit dem Thermowiderstand verbunden ist“ in den Ansprüchen).
Wie oben beschrieben ist die obere Oberfläche 33u des Kühlkopfes 33 nicht über dem Verbindungsabschnitt 23c positioniert. Deshalb weist der Thermowiderstand 14 nicht direkt zum Kühlkopf 33, so dass es möglich ist, den Wärmezufluss zwischen dem Thermowiderstand 14 und dem Kühlkopf 33 über die Luftschicht zu unterdrücken.
Ferner ist die Seitenwand 23s des Kühlblocks 23 in der Innenbohrung 33i des Kühlkopfes 33 eingesetzt und die Seitenwand 23s ist an der Außenseite des Verbindungsabschnitts 23c positioniert. Deshalb wird, in der Seitenansicht, unweigerlich ein Spalt (wie der Spalt F) zwischen der Seitenoberfläche der Innenbohrung 33i und dem Verbindungsabschnitt 23c gebildet. Deshalb wird der direkte Kontakt zwischen der Innenoberfläche des Kühlkopfes 33 und dem Thermowiderstand 14 vermieden.
Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl bei der vierten Ausführungsform die obere Oberfläche 33u des Kühlkopfes 33 und die obere Oberfläche 23u des Kühlblocks 23 bündig zueinander liegen, die obere Oberfläche 33u auch tiefer als die obere Oberfläche 23u angeordnet sein kann.
Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Entsprechungen innerhalb der Idee und des Gültigkeitsbereichs der vorliegenden Erfindung abdeckt.
Ferner ist das externe Kühlgerät zum Kühlen des Kühlkopfes nicht auf das elektrische Kühlgerät beschränkt, sondern es kann auch ein Gaskühlgerät, das Flüssigstickstoff oder dgl. verdampft oder Druckluft zuführt, verwendet werden. Für den zuletzt genannten Fall kann ein Strömungspfad, durch den das Gas vom Gaskühlgerät zu- und abfließt, im Kühlkopf vorgesehen sein.

Claims

Differential-Abtastungskalorimeter (1; 1B; 1C; 1D), mit: - einem Kühlkörper (10), der eine Messprobe und ein Referenzmaterial speichert; - einem Heizgerät (12), das den Kühlkörper (10) erwärmt; - einem Kühlblock (20; 21; 22; 23), der vom Kühlkörper (10) getrennt und unter dem Kühlkörper (10) positioniert ist; - einem Thermowiderstand (14), der zwischen dem Kühlkörper (10) und dem Kühlblock (20; 21; 22; 23) geschaltet ist, und dazwischen einen Wärmeflusspfad bildet; - einem Kühlkopf (30; 31; 32; 33), der mit einer Innenbohrung (30i; 31i; 32i; 33i) ausgeführt ist, damit der Kühlkopf (30; 31; 32; 33) abnehmbar am Kühlblock (20) befestigt werden kann und der durch ein externes Kühlgerät gekühlt wird; und - Differential-Wärmeflussdetektoren (3; 5), die die Temperaturdifferenz zwischen der Messprobe und dem Referenzmaterial als ein Wärmefluss-Differenzsignal ausgeben, wobei: - der Kühlblock (20; 21; 22; 23) eine Seitenwand (23s) hat, die an einer Außenseite eines mit dem Thermowiderstand (14) verbundenen Verbindungsabschnitts (20c; 21c; 22c; 23c) geformt und in der Innenbohrung (30i; 31i; 32i; 33i) eingesetzt ist; und - der Kühlkopf (30; 31; 32; 33) so angeordnet ist, dass eine obere Oberfläche (30u; 31u; 32u; 33u) desselben bündig mit dem oder unterhalb des Verbindungsabschnitts (20c; 21c; 22c; 23c) angeordnet ist.
Differential-Abtastungskalorimeter (1; 1B; 1C) nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand (23s) eine Außenumfangsoberfläche (20pw; 21pw; 22pw) eines hervorstehenden Abschnitts (20p; 21p; 22p) aufweist, der vom Kühlblock (20; 21; 22) aus nach oben oder unten hervorsteht.
Differential-Abtastungskalorimeter (1B; 1C) nach Anspruch 2, bei dem: - in einer der oberen und unteren Oberflächen (21u; 22u) des Kühlblocks (21; 22) eine ringförmige Nut (21g; 22g) eingeformt ist, wobei die ringförmige Nut (21g; 22g) durch den hervorstehenden Abschnitt (21p; 22p) und einen den hervorstehenden Abschnitt (21p; 22p) von der Außenseite aus umgebenden Außenumfangsring (21r; 22r) mit der dazwischen liegenden ringförmigen Nut (21g; 22g) geschnitten wird; und - der Kühlkopf (31; 32) in der ringförmigen Nut (21g; 22g) untergebracht und der hervorstehende Abschnitt (21p; 22p) in die Innenbohrung (31i; 32i) eingesetzt ist.