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HINTERGRUND
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
Anmeldungen für die Vereinigten Staaten mit den Nummern
60/942,242, anmeldet am 6. Juni 2007, 60/942,245, angemeldet am
6. Juni 2007, 61/015,731, angemeldet am 21. Dezember 2007 und der
Patentanmeldung der Vereinigten Staaten mit der Nummer 12/129,355,
angemeldet am 29. Mai 2008, die hierin in ihrer Gesamtheit durch
Bezugnahme aufgenommen sind.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und
Verfahren für die Messung der Eigenschaften von Materialien,
während diese Materialien geheizt oder gekühlt
werden.
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Differentialthermoanalyse
(DTA – Differential Thermal Analysis) und dynamische Differenzkalorimetrie
(DSC – Differential Scanning Calorimetry) können
mit hohen Heizgeschwindigkeiten für die Probe durchgeführt
werden, wie es in dem
US-Patent
5 509 733 an Danley (”das Patent
'733 ”) beschrieben ist, welches
eine „mit Infrarot beheizte Vorrichtung für die
Differentialthermoanalyse” offenbart, die ermöglicht,
dass sowohl schnelle Heiz- als auch schnelle Kühlgeschwindigkeiten
erreicht werden. Das Patent
'733 offenbart
den Einsatz einer Infrarot-Wärmequelle, um eine Messanordnung
für die Differentialthermoanalyse (oder möglicherweise
eine dynamische Differernzkalorimetrie) zu heizen, die mit einer
oder zwei Wärmesenken über ein oder zwei den Wärmefluss
beschränkende Elemente gekoppelt ist, die die Geschwindigkeit
des Wärmestroms zwischen der Wärmesenke und der
Messanordnung begrenzen. Die Wärmesenken werden gekühlt,
indem entweder ein kaltes Fluid durch sie umgewälzt wird
oder indem eine unterkühlte Flüssigkeit zugeführt
wird, welche innerhalb der Wärmesenke verdampft, wobei
Wärme wegtransportiert wird. Die unterkühlte Flüssigkeit kann
das Kühlmittel in einem Dampfkompressionskühlsystem
sein oder sie kann ein expandierbares Kühlmittel sein,
so wie flüssiger Stickstoff, dessen Dampf nach dem Kühlen
der Wärmesenke in die Atmosphäre entlassen wird.
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In
dem Patent
'733 weist
der offenbarte Infrarotofen eine Vielzahl von rohrförmigen
Quarzhalogenlampen, die in dem nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen
Spektrums stark strahlen, und einen Reflektor, der die Lampen und
die Messanordnung, die von den Lampen beheizt wird, umschließt, auf.
Der Reflektor nimmt die Form einer Vielzahl entweder elliptischer
oder parabolischer zylindrischer Flächen an, die gleich
der Anzahl der Lampen ist. Die zylindrischen Flächen sind
in Bezug auf die Lampen derart angeordnet, dass jede Lampe sich in
einem der Brennpunkte jeder Ellipse oder in dem Brennpunkt jeder
Parabel befindet. Die Lampen und die Brennpunkte sind auf einem
Kreis, der auf die Messanordnung zentriert ist, gleich beabstandet.
Der zweite Brennpunkt jedes elliptischen Zylinders eines Mehrellipsenreflektors
ist zu den anderen zweiten Brennpunkten und zu der Mittelachse der
Messanordnung kollinear. Auf diese Weise wird ein großer Anteil
der Infrarotstrahlung, die von jeder Lampe ausgesendet wird, durch
Reflexion von den elliptischen Flächen auf die Fläche
der Messanordnung gerichtet, so dass sie geheizt wird. In dem Fall
eines Mehrparabelreflektors sind die Brennpunkte der parabolischen
Flächen auf einem Kreis, der auf die Messanordnung zentriert
ist, gleich beabstandet, wobei die Achse jeder Parabel durch den
Mittelpunkt der Messanordnung verläuft. Auf diese Weise
wird ein großer Anteil der Infrarotstrahlung, die von jeder
Lampe ausgesendet wird, durch die parabolische Fläche in
parallelen Strahlen reflektiert, die auf die Messanordnung gerichtet
sind, so dass die Messanordnung geheizt wird.
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Die
Heizanordnung, die in dem Patent
'733 offenbart
ist, kann im Zusammenwirken mit einer Messanordnung verwendet werden,
die einen Sensor vom Scheibentyp aufweist, welcher entsprechend
dem
US-Patent 4 095 453 aufgebaut
ist, wobei der Sensor mit einem Paar metallischer Temperaturausgleichsringe
mit hoher thermischer Leitfähigkeit verbunden ist, wobei
ein Ring mit jeweils einer Seite der Sensorscheibe verbunden ist.
Die Ringe sind mit dem Wärme beschränkenden Elementen
(hierin auch „thermische Widerstände” genannt)
verbunden, die wiederum mit den Wärmesenken verbunden sind. Die
Wärme beschränkenden Elemente sind dünnwandige
Zylinder, die aus Metallen mit relativ geringer thermischer Leitfähigkeit
hergestellt sind, welche widerstandsfähig gegenüber
hohen Temperaturen und gegen die hohen thermischen Belastungen,
die auf sie wirken können, sind. In dem Fall einer Vorrichtung
mit einer einzigen Wärmesenke ist das Wärme beschränkende
Element mit dem Temperaturausgleichring, der sich unterhalb des
Sensors befindet, verbunden, und ein zweier dünnwandiger
Abschnitt, der dem Wärme beschränkenden Element ähnlich ist,
ist mit dem oberen Temperaturausgleichsring verbunden. Eine entfernbare
Abdeckung ist auf das offene Ende des oberen dünnwandigen
Bereiches gebracht, um den Probenbereich einzuschließen. Ihr Hauptzweck
besteht darin, die direkte Bestrahlung des Sensors und der Probentiegel
durch die Lampen zu verhindern.
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Ein
Haupthindernis, die Vorrichtung, die in dem Patent
'733 beschrieben ist, zu verwenden,
um dynamische Differenzkalorimetrie auszuführen, ist, dass
der Sensor und die Probentiegel Wärme mit den Wärme
beschränkenden Elementen und den Wärmesenken (und
mit der Abdeckung der Messanordnung in dem Fall eines thermischen
Analysegerätes mit einer einzigen Wärmesenke)
austauschen. In Anbetracht dessen, dass die Temperaturdifferenzen zwischen
dem Sensor und den Wärmesenken und zwischen dem Sensor
und Teilen der Wärme beschränkenden Elemente oftmals
in der Größenordnung von einigen Hundert Grad
liegen und sogar 1000°C oder darüber erreichen
können, kann der Wärmeaustausch recht groß sein.
Da diese Wärme nicht durch den Sensor strömt,
wird sie nicht gemessen; somit begründet sie einen Messfehler
für die Wärmestromgeschwindigkeit. Bei Experimenten,
bei denen die quantitative Messung der Wärmestromgeschwindigkeit
nicht notwendig ist, so wie bei Experimenten, während denen
nur die Temperatur eines Überganges gemessen wird und nur
die Kenntnis über die Richtung des Wärmeaustauschs,
d. h. ob der Übergang exotherm oder endotherm ist, erforderlich
ist, kann die Vorrichtung des Patentes
'733 angemessen sein.
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Zusätzlich,
obwohl die Vorrichtung, die in dem Patent
'733 offenbart ist, eine schnelle
thermische Antwort hat, basierend auf der geringen Masse der Messanordnung,
ist die Vorrichtung nicht dazu ausgelegt, den Wirkungsgrad des Strahlungswärmeaustausches
zwischen den Lampen und der Messanordnung zu maximieren. In Anbetracht
dessen, dass der Sensor im Wesentlichen durch Strahlung der Wärme
beschränkenden Elemente und des dünnwandigen Gehäuses
oberhalb des Sensors in dem Fall einer Ausgestaltung mit einer einzigen
Wärmesenke oder durch Strahlung sowohl der Wärme beschränkenden
Elemente in dem Fall der Ausgestaltung mit doppelter Wärmesenke
geheizt wird, ist die Fläche, die Strahlung auffängt,
wodurch die Messanordnung geheizt wird, ein geringer Bruchteil des gesamten
bestrahlen Flächengebiets. Darüber hinaus, trotz
der Tatsache, dass die Wärmesenken mit einer Beschichtung,
die Infrarot stark reflektiert, so wie Gold, beschichtet sind, absorbieren
die Wär mesenken und der Reflektor nichtsdestotrotz einiges von
der Energie, die von den Lampen ausgesendet wird, da die Beschichtung
nicht perfekt reflektierend ist. Bei jeder Reflexion wird ein kleiner
Anteil der Strahlung absorbiert und ist somit nicht mehr verfügbar,
um die Messanordnung zu heizen. Da das Gebiet, das beheizt werden
soll, im Vergleich zu dem kombinierten Gebiet aus Reflektor und
Wärmesenke sehr klein ist, wird praktisch die gesamte Strahlung, die
von den Lampen ausgesendet wird, von dem Reflektor und der Wärmesenke
anstatt von der Messanordnung absorbiert.
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Eine
weitere Beschränkung der Vorrichtung, die in dem Patent
'733 offenbart ist, ist
das Vorhandensein einer Röhre aus Quarzglas, die die Messanordnung
umschließt. Die Röhre aus Quarzglas erlaubt es,
dass ein umschlossener Raum mit einem Gas gespült werden
kann, das als eine Schutzumgebung für die Probe dienen
kann, wenn ein inertes Spülgas verwendet wird, oder eine
Reaktionsumgebung bilden kann, wenn ein reaktives Spülgas
verwendet wird. Obwohl das Quarzglas für Strahlung im nahen
Infrarot stark durchlässig ist, absorbiert es nichtsdestotrotz
eine kleinen Anteil der Strahlung im nahen Infrarot und absorbiert
stark infrarote Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer
als etwa 4 μm ist. Somit verringert die Absorption von
Strahlung durch das Quarzrohr weiter den Wirkungsgrad der Strahlung,
die die Messanordnung beheizt. Es wird daher verstanden werden,
dass der Wirkungsgrad des Infrarot-Heizsystems, das in dem Patent
'733 offenbart ist, relativ
gering ist und nur ein kleiner Bruchteil der Energie, die an die
Lampen geliefert wird, tatsächlich die Messanordnung heizt.
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Zusätzlich
erfordern Vorrichtungen, wie die, die in dem Patent
'733 offenbart ist, eine Kühlung, weil
der Reflektor das meiste der Strahlung, die von den Lampen ausgesendet
wird, absorbiert. Das Patent
'733 lehrt
das Kühlen des Reflektors durch Umwalzen eines Kühlmittels
(z. B. Wasser) durch Kühldurchlässe in der Reflektoranordnung
oder durch Verwenden von Kühlrippen auf der Außenseite
des Reflektors. Die Luftzirkulation wird entweder durch die Verwendung
eines Ventilators oder durch natürliche Konvektion erzwungen,
wobei auf den Auftrieb der Luft, die durch die Rippen erhitzt wird,
vertraut wird. Wenn die minimale Betriebstemperatur der Wärmesenken
unterhalb der minimalen Temperatur des Reflektors liegt (z. B.,
wenn die Wärmesenke gekühlt wird, indem ein Kühlmittel
mit niedriger Temperatur, wie flüssiger Stickstoff, verwendet
wird, und der Reflektor mit Wasser gekühlt wird), ist die
Messanordnung von einem Reflektor umgeben, der wesentlich warmer
ist als die Messanordnung, was zu einem Aufheizen der Messanordnung
durch den Reflektor führt. Die Kühlgeschwindigkeiten
der Messanordnung sind somit verringert, und die minimale Temperatur,
die die Messanordnung erreichen kann, ist erhöht. Somit
beschränkt das Verfahren zum Kühlen des Reflektors
die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung des Patentes
'733 .
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Andererseits
kann ein herkömmliches dynamisches Wärmestromdifferenzkalorimeter
aufgebaut werden, indem ein Sensor in ein Gehäuse mit gleichförmiger
Temperatur eingebaut wird, das entsprechend dem gewünschten
experimentellen Temperaturprogramm beheizt und gekühlt
wird. Dies verringert die Temperaturdifferenzen zwischen dem Sensor
und den Probentiegeln und ihrer Umgebung stark, so dass der ungemessene
Wärmeaustausch zwischen Sensor und Probentiegeln und dem
Gehäuse verringert wird. Solche Gehäuse haben
jedoch im Allgemeinen relativ hohe Wärmekapazitäten
und sind somit für das Heizen und Kühlen mit hohen
Geschwindigkeiten nicht gut geeignet. Darüber hinaus werden
die Gehäuse typischerweise durch Widerstandsheizelemente
geheizt, die von dem Gehäuse des DSC elektrisch und thermisch
isoliert werden müssen. Somit übertragen die Heizelemente
Wärme nicht schnell auf das Gehäuse des DSC, und
wenn die Energie weggenommen wird, kühlen sie langsam ab.
Die Heizelemente, die elektrische und die thermische Isolierung
der Heizelemente fügen auch Masse zu dem DSC hinzu, was
seine Wärmekapazität erhöht, so dass
weiter das Vermögen eingeschränkt wird, schnell
zu heizen und zu kühlen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein dynamisches
Differenzkalorimeter eine Messanordnung mit einer Sensoranordnung
für die dynamische Differenzkalorimetrie zum Aufnehmen
einer Probe, die in einem Hohlraum innerhalb eines länglichen
Zylinders eingebaut ist, sowie eine Infrarotlampenanordnung, die
am Umfang um den länglichen Zylinder angeordnet ist, mit
einer Länge, die im Wesentlichen der des Zylinders entspricht,
auf. Die Infrarotlampenanordnung weist bevorzugt eine Vielzahl rohrförmiger
Lampen auf, jede mit einer Längsachse, die parallel zu
der Achse des länglichen Zylinders angeordnet ist, und
einen Infrarotreflektor mit einer Vielzahl teilzylindrischer Flächen,
die jede eine zylindrische Form beschreiben, die einen Brennpunkt
hat, der kollinear zu der Achse der rohrförmigen Lampe
liegt. Das Kalorimeter weist weiterhin einen thermischen Widerstand
auf, der an die Messanordnung gekoppelt ist, wobei der thermische
Widerstand im Wesentlichen außerhalb eines Bereiches angeordnet
ist, dessen Umfangsbereich durch einen Hohlraum innerhalb der Lampenanordnung
definiert ist, und eine Wärmesenke, die thermisch mit dem thermischen
Widerstand und mit dem Infrarotreflektor gekoppelt ist.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein
dynamisches Differenzkalorimeter eine Messanordnung, die eine Sensoranordnung
für die dynamische Differenzkalorimetrie umfasst, zum Aufnehmen
einer Probe auf. Die Messanordnung weist einen länglichen
Zylinder mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf, der einen
Hohlraum, in dem sich die Sensoranordnung für die DSC befindet, und
eine Außenfläche mit hohem Emissionsvermögen
hat. Das Kalorimeter weist weiterhin eine Infrarotlampenanordnung
auf, die am Umfang um den länglichen Zylinder angeordnet
ist und eine Länge hat, die der des länglichen
Zylinders im Wesentlichen entspricht. Die Infrarotlampenanordnung
weist eine Vielzahl rohrförmiger Lampen auf, die mit ihren Längsachsen
parallel zu der Achse des länglichen Zylinders angeordnet
sind, und einen Infrarotreflektor, der eine Vielzahl teilzylindrischer
Flächen aufweist, die jede eine zylindrische Form beschreiben, welche
einen Brennpunkt kollinear zu der Achse der rohrförmigen
Lampe hat. Das Kalorimeter umfasst außerdem einen thermi schen
Widerstand, der thermisch mit der Messanordnung gekoppelt ist, und
eine Wärmesenke, die thermisch mit dem thermischen Widerstand
und mit dem Infrarotreflektor gekoppelt ist.
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Bei
noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
ein dynamisches Differenzkalorimeter eine Messanordnung, die eine
Sensoranordnung für die dynamische Differenzkalorimetrie
umfasst, zum Aufnehmen einer Probe auf, wobei die Messanordnung
einen länglichen Zylinder aufweist. Das Kalorimeter umfasst
außerdem eine Infrarotlampenanordnung, die am Umfang um
den länglichen Zylinder angeordnet ist und eine Länge
hat, die der des länglichen Zylinders im Wesentlichen entspricht,
wobei die Infrarotlampenanordnung eine Vielzahl rohrförmiger
Lampen aufweist, jede mit einer Langsachse parallel zu einer Achse
des länglichen Zylinders, und einen Infrarotreflektor mit
einer Vielzahl teilzylindrischer Flächen, die jede eine
zylindrische Form beschreiben, welche einen Brennpunkt kollinear
zu der Achse jeder rohrförmigen Lampe hat. Das Kalorimeter
umfasst weiterhin einen thermischen Widerstand, der mit der Messanordnung
gekoppelt ist und der einen konfigurierbaren thermischen Widerstandswert
hat, und eine Wärmesenke, die thermisch mit dem thermischen
Widerstand und mit dem Infrarotreflektor gekoppelt ist, wobei der
thermische Widerstand so betreibbar ist, dass er den thermischen
Widerstandswert zwischen der Messanordnung und der Wärmesenke
während der Probenmessung ändert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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1 ist
ein schematisches Schaubild, dass einen vertikalen Querschnitt durch
die Mittellinie einer Kalorimeter-Messanordnung gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 zeigt
eine horizontale Querschnittansicht durch den Infrarotofen und die
Messanordnungen, die in der 1 veranschaulicht
sind.
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3 ist
ein schematisches Schaubild, das einen vertikalen Querschnitt durch
die Mittellinie einer Kalorimeter-Messanordnung gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 zeigt
eine horizontale Querschnittsansicht durch den Infrarotofen und
die Messanordnungen, die in der 3 veranschaulicht
sind:
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GENAUE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Um
die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hiernach mit Bezug auf die 1–4 diskutiert.
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Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein dynamisches
Wärmestromdifferenzkalorimeter einen Infrarotofen auf,
der verwendet wird, um eine Messanordnung zu heizen, die ein Gehäuse
mit hoher thermischer Leitfähigkeit umfasst, ähnlich
wie bei einem herkömmlichen DSC. Das Gehäuse verringert
Temperaturdifferenzfehler, die sich aus dem Wärmeaustausch
zwischen dem Sensor, den Probentiegeln und ihrer Umgebung ergeben.
Angesichts dessen, dass ein derartiges Gehäuse beträchtlich
massiver ist als das, das zum Beispiel in dem Patent
'733 beschrieben ist, muss vielmehr
Infrarotenergie von den Lampen an die Messanordnung geliefert werden,
um eine gewünschte Heizgeschwindigkeit zu erzielen, und
mehr Energie muss abgezogen werden, um eine gewünschte
Kühlgeschwindigkeit zu erzielen. Bei Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung, die in Einzelheiten hiernach beschrieben sind, ist die
Außenfläche eines DSC-Gehäuses, das eine
Messanordnung umgibt, ein länglicher kreisförmiger
Zylinder, der ungefähr die gleiche Länge wie ein
Reflektorhohlraum und eine Lampenanordnung, welche eine Infrarot-Heizanordnung
bilden, hat. Auf diese Weise fängt das DSC-Gehäuse
einen größeren Anteil der Energie ein, die von den
Lampen ausgesendet und von dem Reflektor reflektiert wird.
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Bevorzugt
weist das DSC-Gehäuse eine Außenfläche
mit hohem Emissionsvermögen auf. Bei einer Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung weist das DSC-Gehäuse ein einziges
Materi al mit hohem Emissionsvermögen auf. Bei einer weiteren Ausgestaltung
weist das DSC-Gehäuse ein Gehäuse auf, so wie
ein zylindrisches Gehäuse, dessen Emissionsvermögen
in einem inneren Bereich der Zylinderwände nicht hoch ist,
dessen Außenfläche jedoch mit einer Schicht mit
hohem Emissionsvermögen beschichtet oder laminiert ist,
um die Absorption von Strahlung, die auf der Oberfläche
ankommt, stark zu erhöhen. Zusätzlich ist bei
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Messanordnung
ohne ein umgebendes Quarzrohr aufgebaut, das herkömmlich verwendet
wird, um die Messanordnung zu umschließen, so wie das,
das in dem Patent
'733 veranschaulicht
ist. Dies verbessert weiterhin den Wirkungsgrad beim Wärmeaustausch
und ermöglicht es außerdem, dass die Lampen näher
an der Messanordnung anzuordnen sind, was wiederum ermöglicht,
dass das Oberflächengebiet des Reflektors verringert wird. Das
Verhältnis von beheizter Fläche zu Reflektorfläche
ist somit vergrößert, was weiterhin den Wirkungsgrad
des Infrarotheizens verbessert.
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Bevorzugt
wird bei der DSC-Vorrichtung eine einzige Wärmesenke verwendet
und außerhalb des Reflektors des Infrarotofens angeordnet,
so dass die Wärmesenke nicht direkt durch Strahlung beheizt wird,
was weiterhin den Wirkungsgrad des Infrarotheizens verbessert. Die
Wärmesenke kann gekühlt werden, indem Wasser oder
irgendein anderes Fluid als Kühlmittel umgewälzt
wird. Als Alternative kann die Wärmesenke durch Verdampfung
einer unterkühlten Flüssigkeit gekühlt
werden, die das Kühlmittel in einem Dampfkompressionskühlsystem
ist, oder eines expandierbaren Kühlmittels, so wie flüssigem Stickstoff,
dessen Dampf in die Atmosphäre entlassen wird.
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Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Wärmestrom-DSC
einen einzigen thermischen Widerstand, der verwendet wird, um die
Messanordnung thermisch mit der externen Wärmesenke zu
verbinden, die sich außerhalb des Reflektors befindet.
Bevorzugt befindet sich der thermische Widerstand auch außerhalb
des Reflektors, wobei der Widerstand außerhalb des Bereiches
angeordnet ist, der durch den Reflektorhohlraum definiert ist. Der
thermische Widerstand kann aus einem festen Material mit der geeigneten
Zusammensetzung und Geometrie, um die gewünschte Wärmestrombeschränkung
zu erzeugen, auf gebaut sein, oder er kann ein schmaler Spalt sein,
der mit gasgefüllt ist, so dass die thermische Leitfähigkeit
des Gases und die Abmessungen des Spaltes die gewünschte
Beschränkung des Wärmestromes erzeugen. Wenn der
thermische Widerstand einen gasgefüllten Spalt aufweist,
kann die Zusammensetzung des Gases geändert werden, um
die Größe seines thermischen Widerstandswertes
abzuändern. Anstatt ein getrenntes Kühlsystem
für den Reflektor zu verwenden, wie es im Stand der Technik
beschrieben ist, ist bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung der
Reflektor ebenfalls an die Wärmesenke gekoppelt, so dass
auch er von der Wärmesenke gekühlt wird. Auf diese
Weise werden die Kühlgeschwindigkeiten und die minimale
Temperatur, die von der Vorrichtung erreicht wird, verbessert. Zusätzlich
wird das Gerät durch Beseitigung eines getrennten Kühlsystems
für den Infrarotreflektor vereinfacht.
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1 zeigt
einen vertikalen Querschnitt durch die Mittellinie einer Kalorimeter-Messanordnung
gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
bei der ein massiver thermischer Widerstand verwendet wird, um die
Messanordnung an die Wärmesenke zu koppeln. Die Messanordnung
1 weist
ein Gehäuse
2 mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
eine Sensoranordnung
3, einen thermischen Widerstand
4 und
einen Kühlflansch
5 auf. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse
2 mit
hoher thermischer Leitfähigkeit aus kommerziell reinem
Silber in der Form eines Zylinders hergestellt, bevorzugt eines
Zylinders mit einem ungefähr kreisförmigen Querschnitt
(„kreisförmiger Zylinder”), und umfasst
einen Hohlraum
6, der von einem inneren Deckel
7 und
einem äußeren Deckel
8 verschlossen ist,
die auch beide aus Silber hergestellt sind. Eine zylindrische Außenfläche
9 ist
mit einem Überzug mit hohem Emissionsvermögen
beschichtet, der das Absorptionsvermögen der Fläche für
Infrarot verstärkt, wobei hohes Emissionsvermögen
als normales gesamtes Emissionsvermögen größer
als ungefähr 0.9 definiert ist. Ein solcher geeigneter Überzug
ist Laser Black, ein geschützter Überzug, der
von der Epner Technology Inc, Brooklyn, NY, hergestellt wird. Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung
3 für
das dynamische Wärmestromdifferenzkalorimeter, wie im
US-Patent 6 431 747 und
in der US-Patentanmeldung 11/843,225, angemeldet am 22. August 2007 (die
auf der US-Patentanmeldung 60/839,673, angemeldet am 24. August
2006, basiert) (von denen jede hierin in ihrer Gesamtheit durch
Bezugnahme aufgenommen ist) beschrieben ist, untrennbar mit der
Basis des Hohlraums
6 des Gehäuses
2 durch
Hartlöten verbunden, was sicherstellt, dass der Wärmeaustausch
zwischen dem Sensor und dem Gehäuse streng wiederholbar
ist.
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Ein
Flansch
10 am unteren Ende des Gehäuses
2 bildet
eine Einrichtung, über die das Gehäuse mit dem
thermischen Widerstand
4 verbunden werden kann, der eine
Vielzahl schlanker Stangen
11 aufweist. Bevorzugt sind
die schlanken Stangen
11 untrennbar mit einem Kühlflansch
7 verbunden,
zum Beispiel durch Hartlöten. Das Material und die Struktur
der schlanken Stangen
11 sind so gewählt, dass sie
mechanischen Belastungen widerstehen, die sich während
des Ausdehnens und Zusammenziehens des Gehäuses
2 in
Bezug auf den Kühlflansch
5 entwickeln. Zum Beispiel
können die Stangen
11 aus Nickel hergestellt sein.
Der Kühlflansch
5 bildet eine flache Anbaufläche
13,
an der die Wärmesenke oder ein Wärmetauscher
14 befestigt
ist. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind das
Gehäuse
2, die Sensoranordnung
3 und
der Kühlflansch
5 dieselben wie ihre entsprechenden
Elemente, die in dem
US-Patent
Nr. 6 523 998 („das Patent
'998 ”) an Danley u. a. beschrieben
sind, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen
ist. Beachtenswert jedoch benutzt die Vorrichtung des Patentes
'998 Widerstandsheizelemente
und damit verknüpfte Strukturen, um eine Probe zu heizen,
im Gegensatz zu einer Infrarotofenanordnung
22 (siehe
1),
die in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet und
hiernach beschrieben ist.
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Der
Wärmetauscher
14 umfasst einen Flansch
15 mit
einer ebenen Anbaufläche
16, die im Kontakt mit
der ebenen Anbaufläche
13 des Kühlflansches
5 ist.
Der Körper
17 des Wärmetauschers ist einstückig
mit dem Flansch
15 ausgebildet und umfasst einen Boden,
eine Innen- und eine Außenwand, die mit einer Abdeckung
19 verbunden
sind, um einen Hohlraum
20 zu bilden, welcher das Kühlmittel enthält,
das Wärme mit der Innenfläche
21 des
Körpers austauscht. Es können Rippen hinzugefügt
werden, um das Gebiet der seitlichen Fläche
21 zu
vergrößern, wenn es entsprechend der Größe
des Wärmeaustausches erforderlich ist. Wenn das Kühlmittel flüssiger
Stickstoff ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Stickstoffes
gesteuert werden, indem die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden,
die in dem
US-Patent 6 578 367 an
Schaefer u. a. offenbart sind, das hierin durch Bezugnahme in seiner
Gesamtheit aufgenommen ist. Als Alternative kann die Strömungsgeschwindigkeit
des flüssigen Stickstoffes gesteuert werden, indem die
Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, die in der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 61/015,731 an Danley offenbart sind.
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Bei
der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1 veranschaulicht
ist, weist die Infrarotofenanordnung 22 einen Reflektorkörper 23, eine
obere Platte 24, eine untere Platte 25, vier Lampen 26 und
acht Lampenhalter 27 auf. Der Reflektorkörper 23 enthält
einen Hohlraum, der vier sich schneidende, parallel vertikal ausgerichtete
Teile von teilquadrischen Zylindern, zum Beispiel teilelliptischen
Zylindern, aufweist, in dem sich eine rohrförmige Quarz-Halogenlampe 26 an
einem Brennpunkt bei jedem aus einem Satz aus vier quadrischen Zylindern
befindet, die durch die teilquadrischen Zylinderbereiche definiert
sind, welche die Hohlraumwände bilden. Bei der Ausgestaltung,
die in 1 gezeigt ist, sind die quadrischen Zylinder elliptische
Zylinder, bei denen ein zweiter Brennpunkt jedes der elliptischen
Zylinder kollinear ist und sich im Mittelpunkt des Reflektorkörpers
kollinear zu der Mittelachse der Messanordnung befindet. Die Lampen
können zum Beispiel T-3 konfigurierte Lampen mit 250 Watt
sein, mit einer RSC(Recessed Single Contact)-Basis und 1¼ Zoll
Leuchtfadenlänge, was somit eine Gesamtleistung von 1000
Watt ergibt. Der Hohlraum des Reflektors ist poliert und hat eine
Beschichtung mit hohem Reflexionsvermögen für
Infrarot, die darauf aufgetragen ist. Hohes Reflexionsvermögen
für Infrarot ist definiert als ein Gesamtreflexionsvermögen
in der Halbkugel von wenigstens 0.95 im elektromagnetischen Spektrum
des Nahinfrarot bis zu 12 μm Wellenlänge. Eine
derartige geeignete Beschichtung ist Laser Gold, ein geschützter Überzug,
der von der Epner Technology Inc., Brooklyn, NY, hergestellt wird. Die
obere Platte 24 des Reflektors ist eben und hat Anbauansätze
(nicht gezeigt) für vier Lampenhalter 27, die
das obere Ende jeder Lampe halten und einen elektrischen Kontakt
damit herstellen. Die Fläche 28 der Platte, die
dem Hohlraum des Reflektorblockes zugewandt ist, ist poliert und
hat einen Überzug mit hohem Reflexionsvermögen
für Infrarot, der darauf aufgetragen ist. Ein Loch 29,
das sich durch die Platte erstreckt, erlaubt den Zugang zur Messanordnung zum
Einbringen und Herausnehmen von Proben. Die untere Platte 25 des
Reflektors ist eben und hat Anbauansätze (nicht gezeigt)
für die vier Lampenhalter 27, die das untere Ende
jeder Lampe halten und mit diesem einen elektrischen Kontakt herstellen.
Die Fläche 30 der Platte, die dem Hohlraum des
Reflektorblockes zugewandt ist, ist poliert und hat einen Überzug
mit hoher Reflektivität für Infrarot, der auf ihn
aufgebracht ist. Ein Loch 31, das sich durch die Platte
erstreckt, ermöglicht, dass der thermische Widerstand durch
die Platte geführt wird. Eine äußere ebene
Fläche 32 der unteren Fläche entspricht
einer ebenen Fläche 33 des Flansches 15 des
Kühlers, so dass die gesamte Reflektoranordnung gekühlt
wird.
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2 zeigt
eine horizontale Querschnittansicht durch den Infrarotofen und die
Messanordnungen. Ein Hohlraum 34 des Reflektorkörpers 23 weist vier
sich schneidende parallele teilelliptische Zylinder auf, die so
angeordnet sind, dass ein Brennpunkt jedes teilelliptischen Zylinders
sich gleich beabstandet auf einem Kreis befindet, der auf der Messanordung 1 zentriert
ist. Mit Bezug wieder auf die 1 ist der Hohlraum 34 des
Reflektorblockes so gestaltet, dass er ungefähr dieselbe
Länge hat wie (für die Zwecke dieser Offenbarung
bedeutet die Verwendung der Formulierung „ungefähr
dieselbe Länge” oder „ungefähr
gleich”, dass das Verhältnis der Länge
des Hohlraums 34 des Reflektorblockes und des Gehäuses 2 entlang
ihrer Achse etwas 0.8 bis 1.2, bevorzugt 0.9 bis 1.1 ist) das leitende
Gehäuse 2 hat und damit ausgerichtet ist, so dass
das Gehäuse 2 von dem Hohlraum 34 des
Reflektorblockes über seine gesamte Länge umgeben
ist. Um das Gehäuse 2 effizient zu heizen, ist
der Hohlraum 34 des Reflektorblockes so gestaltet, dass
er sich nicht wesentlich über die Länge des Gehäuses 2 hinaus
erstreckt.
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Eine
Lampe 26 befindet sich an jedem der vier gleich beabstandeten
Brennpunkte. Der zweite Brennpunkt jeder Ellipse ist kollinear zu
jedem der anderen zweiten Brennpunkte und zu der Mittellinie der
Messanordnung 1. Die Sensoranordnung 3 befindet
sich symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie der Messanordnung
innerhalb des Hohlraums 6 des Gehäuses 2 (in
der 2 gezeigt) und hat eine Probenposition 37 und
eine Referenzposition 38, auf die Probenbehälter
und Referenzbehälter gebracht werden. Während
der Experimente enthält der Probenbehälter eine
Probe, während der Referenzbehälter leer sein
kann oder ein Referenzmaterial enthalten kann.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die oben mit Bezug auf die
1–
2 offenbart
sind, verwendet werden können, um die Erfindungen, die in
den
US-Patenten Nrn. 6 488 408 ;
6 561 692 ;
6 648 504 und
6 843 595 offenbart sind, in die Praxis
umzusetzen.
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3 zeigt
einen vertikalen Querschnitt durch die Mittellinie der Kalorimeter-Messanordnung für
eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die einen thermischen
Widerstand mit gasgefülltem Spalt verwendet, um die Messanordnung
mit der Wärmesenke zu koppeln. Um weiter die Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten,
die erreichbar sind, weiter zu verbessern, ist die Messanordnung
in ihrer Größe stark verkleinert, ebenso wie die
verwendeten Proben und Probenbehälter. Die Messanordnung 41 weist
ein Gehäuse 42 mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
eine Sensoranordnung 43 und einen thermischen Widerstand 44 auf.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
das Gehäuse 42 mit hoher thermischer Leitfähigkeit
aus kommerziell reinem Silber hergestellt und ist in der Form eines
Zylinders angeordnet, bevorzugt eines Zylinders mit einem kreisförmigen
Querschnitt („kreisförmiger Zylinder”),
der den Hohlraum 46 umfasst, welcher von einem inneren
Deckel 47 und einem äußeren Deckel 48 verschlossen
ist, die beide ebenfalls aus Silber hergestellt sind. Eine zylindrische
Außenfläche 49 ist mit einem Überzug
mit hohem Emissionsvermögen beschichtet, welcher das Absorptionsvermögen
der Fläche für Infrarot verstärkt. Ein
derartiger geeigneter Überzug ist Laser Black, ein geschütztes
Produkt, das von der Epner Technology Inc., Brooklyn, NY, hergestellt
wird.
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Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung
43 eines
dynamischen Wärmestromdifferenzkalorimeters, wie sie in dem
US-Patent 6 431 747 und
in einer Patentoffenbarung (US-Patentanmeldung Nr. 60/839,673) beschrieben
ist, untrennbar mit der Basis des Hohlraums
46 des Gehäuses
42 durch
Hartlöten verbunden, was sicherstellt, dass der Wärmeaustausch
zwischen dem Sensor und dem Gehäuse in hohem Maße
wiederholbar ist. Da die Abmessungen von Probe und Probenbehälter
bei dieser Ausführungsform sehr gering sind, ist die Sensoranordnung
43 bevorzugt
in zylindrische Hohlräume sowohl an der Proben- als auch
an der Referenzposition eingepasst, um beim Anordnen und Halten
der Probenbehälter zu helfen (das heißt, Behältern,
die Materialien halten, die entweder an die Proben- oder die Referenzposition
gebracht werden). Diese Anordnung steht im Gegensatz zu der der
Sensoranordnung
3 der vorangegangenen Ausführungsform,
welche ebene Plattformen umfasst, um die Probenbehälter zu
tragen. Weiter verringern die zylindrischen Hohlräume den
Kontaktwiderstand zwischen den Probenkapseln und dem Sensor durch
Vergrößern des Oberflächengebietes für
den Wärmeaustausch. Dieses hilft beim Verkleinern der Temperaturdifferenz zwischen
Probenkapsel und Sensor, wenn hohe Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten
eingesetzt werden.
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Der
obere Bereich des thermischen Widerstandes 44 mit gasgefülltem
Spalt weist eine ebene Silberplatte 50 auf, die ein einstückiges
Teil der Messanordnung ist. Die gegenüberliegende Fläche
des thermischen Widerstandes 44 wird durch die Wärmesenken-Verlängerung 52 der
Wärmesenke 51 gebildet, die sich nach oben in
die Bodenplatte des Reflektors erstreckt, um die Messanordnung zu
stützen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der gasgefüllte
Spalt 45 ein einfacher Spalt, der sich ergibt, wenn zwei
nominal ebene Flächen zusammengedrückt werden.
Zum Beispiel kann die Wärmesenke 51, die einen äußeren Bereich 92 und
die Wärmesenken-Verlängerung 52, die
in der Mitte der Wärmesenke 51 angeordnet ist, aufweist,
so ausgestaltet werden, dass die Wärmesenken-Verlängerung 52 in
nominalen Kontakt mit der Platte 50 kommt, wenn die Wärmesenke 51 an die
Messanordnung 41 angebaut wird. Bei einer solchen Ausgestaltung
tritt der sich ergebende gasgefüllte Spalt auf, da die
beiden nominal ebenen Flächen – die Platte 50 und
der obere Bereich der Wärmesenken-Verlängerung 52 – nicht
perfekt eben sind, so dass Gas die Räume zwischen den nominal ebenen
Flächen füllt. Die mittlere vertikale Abmessung
des sich ergebenden gasgefüllten Spaltes entspricht der
mittleren vertikalen Trennung zwischen dem oberen Bereich der Wärmesenken-Verlängerung 52 und
dem Boden der Platte 50, gebildet über die planare
Fläche zwischen der Wärmesenken-Verlängerung 52 und
der Platte 50. Somit, da weder die Oberfläche
der Wärmesenken-Verlängerung 52 noch die
der Platte 50 ideal eben sein kann, das heißt,
jede Fläche hat einen gewissen Grad an Rauhigkeit oder Nichtplanarität,
kann es, wenn die Platte 50 und die Wärmesenken-Verlängerung 52 in
Kontakt gebracht werden, viele Spalte zwischen den tatsächlichen Kontaktpunkten
zwischen der Platte 50 und der Wärmesenken-Verlängerung 52 geben,
die als ein mittlerer vertikaler Spalt ausgedrückt werden
können.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wie sie in 3 veranschaulicht ist, kann
die Wärmesenken-Verlängerung 52 so gestaltet
sein, dass ein endlicher vertikaler Spalt 45 zwischen der
Platte 50 und dem oberen Bereich der Wärmesenken-Verlängerung 52 vorhanden
ist (das heißt, es gibt keinen Kontakt zwischen der Platte 50 und
der Wärmesenken-Verlängerung 52), wenn
die Fläche 66 beim Zusammenbau gegen die untere Platte 52 gebracht
wird.
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Beispielhafte
Abmessungen für den gasgefüllten Spalt 45 umfassen
eine seitliche Breite (Durchmesser), der im Bereich von einigen
Millimetern bis mehreren Zentimetern liegt, entsprechend dem Durchmesser
der Wärmesenken-Verlängerung 52, und
eine vertikale Abmessung, die im Bereich von wenigen Zehnteln eines
Millimeters hinab zu nominal Null Millimetern liegt, wie oben diskutiert
worden ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf irgendeinen
besonderen Größenbereich für den gasgefüllten
Spalt 45 beschränkt, noch ist die Erfindung auf
ein bestimmtes Verhältnis vertikal zu horizontal beim gasgefüllten
Spalt 45 beschränkt.
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Zwei
Durchlässe 53 mit kleinem Durchmesser, die sich
durch die Wärmesenken-Verlängerung erstrecken,
liefern Gas an den thermische Widerstand 44; die Durchlässe 53 werden
von einem größeren Durchlass 55 versorgt,
der durch die Wärmesenke dort verläuft, wo sie
von einem Balg 56 und einer Dichtanordnung 57 verschlossen
ist, an die die Gasquelle angeschlossen ist. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt der
Balg 56 außerdem die zusätzliche Funktion
des Haltens der Messanordnung an ihrem Platz und des Einhaltens
der Abmessungen des Spaltes 45 des thermischen Widerstandes
aus. Wenn die Messanordnung der Wärmesenke 51 eingebaut
ist, wird sie an ihrem Platz gegen die Wärmesenken-Verlängerung 52 gehalten
und der Balg 56 wird zusammengedrückt. Die Dichtanordnung 57 ist
so ausgestaltet, dass sie festgezogen wird, was die Dichtanordnung mit
den Schutzrohren der Thermokopplung verklemmt und dadurch eine Kraft
ausübt, die die Platte 50 der Messanordnung fest
an ihrem Ort gegen die Wärmesenken-Verlängerung 52 hält.
Das Festziehen der Dichtanordnung 57 wird die Platte 50,
die mit den Schutzrohren der Thermokopplung gekoppelt ist, die durch
den Durchlass 55 verlaufen, gegen die Wärmesenken-Verlängerung 52 ziehen.
Demgemäß kann der Festziehprozess verwendet werden,
um die Platte 50 in Kontakt mit der Wärmesenken-Verlängerung 52 zu
halten.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind dünne Abstandhalter (nicht gezeigt) innerhalb des
gasgefüllten Spaltes 45 angeordnet, um den effektiven
thermischen Widerstand zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Abstandhalter dünne
metallische Bleche, die sich horizontal über den Durchmesser
des gasgefüllten Spaltes 45 erstrecken. Zum Beispiel
können die dünnen metallischen Bleche kreisförmige
Scheiben mit einem Durchmesser sein, der im Größenbereich
bis zu dem des gasgefüllten Spaltes 45 liegt.
Somit werden die dünnen Abstandhalter schichtartig innerhalb
des gasgefüllten Spaltes angeordnet.
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Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird, selbst wenn dünne Bleche
aus Metall typischerweise von sich aus einen geringen thermischen
Widerstand haben, da sie dünn sind und aus Material mit
einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt
sind, der thermische Widerstand des gasgefüllten Spaltes 45 erhöht,
wenn die dünnen Bleche horizontal innerhalb des Spaltes
angeordnet sind. Dies ist der Fall, da das Vorhandensein eines oder
mehrerer horizontaler dünner metallischer Bleche in thermischem
Widerstand durch Erhöhen der Anzahl dünner Gasschichten
innerhalb des Grenzbereiches zwischen der Platte 50 und
der Verlängerung 52 vergrößert.
Ohne irgendeinen dünnen horizontalen Abstandhalter aus
metallischem Blech („Abstandhalter”) innerhalb
des gasgefüllten Spaltes 45 gibt es nur eine einzige
Gasschicht zwischen der Platte 50 und der Verlängerung 52.
Das Hinzufügen eines Abstandhalters erhöht die
Anzahl der Gasschichten auf zwei: eine Gasschicht zwischen dem Abstandhalter und
der Platte 50 und eine Gasschicht zwischen dem Abstandhalter
und der Verlängerung 52. Da die obere und untere
Fläche jedes Abstandhalters einen gewissen Grad an Nichtplanarität
oder Rauhigkeit enthalten, bleiben viele Spalte zwischen benachbarten
Abstandhaltern bestehen, selbst wenn sie in Kontakt miteinander
gebracht werden, was eine effektive Gasschicht zwischen benachbarten
Abstandhaltern erzeugt. Demgemäß wird das Einsetzen
jedes zusätzlichen Abstandhalters in den Spalt 45 die
Anzahl der Gasschichten um Eins erhöhen, so dass der thermische
Widerstand der Spaltanordnung für irgendeine gegebene Gaszusammensetzung
vergrößert wird. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind zwei Abstandhalter innerhalb des
Spaltes 45 angeordnet, was drei Gasschichten innerhalb des
Spaltes bildet.
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Eine
beispielhafte Dicke für einen Abstandhalter kann etwa 0.0005
Zoll bis etwa 0.01 Zoll sein, wobei dieser Dickenbereich geeignet
ist, um kleine gasgefüllte Spalte 45, wie sie
hiernach beschrieben sind, zu erzeugen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird einer oder
werden mehrere dünne Abstandhalter horizontal in einen
Abstandhalterstapel (das heißt, die Abstandhalter sind
schichtweise angeordnet) zwischen die Wärmesenken-Verlängerung 52 und
die Platte 50 gebracht, woraufhin die Dichtanordnung 57 festgezogen
wird, so dass der Abstandhalterstapel in nominalen Kontakt sowohl
mit der Wärmesenken-Verlängerung 52 als
auch mit der Platte 50 kommt. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der gesamte mittlere vertikale Spaltabstand,
der die Summe der mittleren vertikalen Spalte ist, die zwischen
den Abstandhaltern in dem Stapel erzeugt werden, der mittlere Spalt
zwischen der Oberseite des Abstandhalterstapels und der Platte 50 und
der mittlere Spalt zwischen der Unterseite des Abstandhalterstapel
und der Wärmesenken-Verlängerung 52,
ungefähr 0.0001 Zoll–0.002 Zoll. Durch Auswählen
der geeigneten Anzahl von Abstandhaltern, zusammen mit der geeigneten
Oberflächenrauhigkeit, neben anderen Parametern, kann der
gesamte mittlere vertikale Spalt so gebaut werden, dass eine gewünschte
Abmessung erreicht wird, um für einen gewünschten
Bereich des erreichbaren thermischen Widerstandes zu sorgen.
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Der
Einsatz dünner Abstandhalter liefert mehrere Vorteile zum
Bauen des thermischen Widerstandes in der Anordnung 59.
Wenn zum Beispiel ein Benutzer einen Bereich des thermischen Widerstandes
wünscht, der erfordert, dass ein mittlerer vertikaler Spalt
ungefähr 0.001 Zoll ist, könnte, um zu versuchen,
die vertikale Trennung zu erreichen, der obere Bereich der Verlängerung 52 in
eine Nähe von ungefähr 0.001 Zoll zu der Platte 50 gebracht
werden. Jedoch kann es außerordentlich schwierig sein,
einen solch kleinen Spalt reproduzierbar einzurichten, indem zum
Beispiel die Dichtanordnung 57 angepasst wird, ganz zu
schweigen festzustellen, warm der geeignete Spalt erreicht ist.
Im Gegensatz dazu vereinfacht die Verwendung dünner Abstandhalter
die genauere Steuerung eines vertikalen Spaltes, indem es einem
Benutzer ermöglicht wird, die Wärmesenken-Verlängerung 52 und
die Platte 50 zusammenzubauen, bis Kontakt sowohl an der
oberen als auch an der unteren Fläche des zwischengeschalteten
Stapels aus dünnen Abstandhaltern hergestellt ist, wobei
an diesem Punkt ein fester Sitz erreicht ist, bei dem jeder Abstandhalter
in Kontakt mit einer Außenfläche auf der oberen
Seite und der unteren Seite ist. Weil die Oberflächenrauhigkeit
des oberen Bereiches der Wärmesenken-Verlängerung 52 und
des Bodens der Platte 50, ebenso wie die der dazwischen
geschalteteten Abstandhalter, bestehen bleiben wird, kann im Wesentlichen
derselbe effektive Spalt jedes Mal, wenn die Wärmesenken-Verlängerung 52 gegen
die Platte 50 festgezogen wird, erzeugt werden. Auf diese
Weise könnte ein Nutzer durch Versuche die Anzahl der Abstandhalter
bestimmen, die benötigt werden, um die gewünschte
Spaltabmessung oder den gewünschten Bereich des thermischen
Widerstandes zu erzeugen.
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Darüber
hinaus, durch Wählen der Zusammensetzung des Gases, das
an den Spalt
45 geliefert wird, können der thermische
Widerstand und somit die Geschwindigkeit des Wärmestroms
zwischen der Messanordnung und der Wärmesenke maßgeschneidert
werden, um die gewünschten Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten
zu erzeugen. Wenn zum Beispiel ein Gas mit niedriger thermischer
Leitfähigkeit, so wie Argon, in den Spalt geliefert wird,
können höhere Heizgeschwindigkeiten und geringere
Kühlgeschwindigkeiten erreicht werden. Wenn ein Gas mit hoher
thermischer Leitfähigkeit, so wie Helium, in den Spalt
geliefert werden, können niedrigere Heizgeschwindigkeiten
und höhere Kühlgeschwindigkeiten erreicht werden.
Kühlmittel wird in den Hohlraum
58 in der Wärmesenke
geliefert, wo das Kühlmittel die Oberflächen der
Wärmesenken berührt, um Wärme abzuziehen.
Rippen können hinzugefügt werden, um das Gebiet
der Wärmesenkenfläche zu vergrößern, wenn
dies entsprechend der Größe des Wärmeaustausches
nötig ist. Wenn das Kühlmittel flüssiger Stickstoff
ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen
Stickstoffs gesteuert werden, indem die Vorrichtung und das Verfahren
verwendet werden, die in dem
US-Patent
6 578 367 an Schäfer u. a. offenbart ist, oder
die Vorrichtung, die in der vorläufigen US-Patentanmeldung
Nr. 61/015,731 von Danley beschrieben ist.
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Die
Infrarotofenanordnung 59 weist einen Reflektorkörper 60,
eine obere Platte 61, eine untere Platte 62, vier
Lampen 26 und acht Lampenhalter 27 auf (ein Lampenhalter 27,
der sich auf der Oberseite befindet, und ein Lampenhalter 27,
der sich auf der Unterseite jeder Lampe 26 befindet). Der
Reflektorkörper 60 enthält einen Hohlraum,
der vier parallele vertikal ausgerichtete sich schneidende elliptische Zylinder
aufweist, in denen sich eine Lampe an einem Brennpunkt jedes der
vier elliptischen Zylinder befindet. Die anderen Brennpunkte der
elliptischen Zylinder sind kollinear und befinden sich im Mittelpunkt
des Reflektorkörpers kollinear zu der Mittelachse der Messanordnung.
Die Lampen können Lampen mit 250 Watt in einer T-3 Konfiguration
mit einer RSC(Recessed Single Contact)-Basis und einer Leuchtfadenlänge
von 1¼ Zoll sein, was somit eine Gesamtleistung von 1000
Watt liefert. Der Hohlraum des Reflektors ist poliert und umfasst
einen Überzug, der ein sehr hohes Reflexionsvermögen
für Infrarot hat, welches als Gesamtreflektivität
einer Halbkugel von wenigstens ungefähr 0.95 in dem elektromagnetischen
Spektrum des nahen Infrarot bis zu 12 μm Wellenlänge
definiert ist. Ein derartiger geeigneter Überzug ist Laser
Gold, ein geschützter Überzug, der von der Epner
Technology Inc., Brooklyn, NY, hergestellt wird. Die obere Platte 61 des
Reflektors ist eben und hat Anbauansätze (nicht gezeigt)
für vier Lampenhalter 27, die das obere Ende jeder
Lampe halten und elektrischen Kontakt damit herstellen. Die Fläche 63 der
Platte, die dem Hohlraum des Reflektorblockes zugewandt ist, ist
poliert und hat einen aufgebrachten Überzug, der ein sehr
hohes Reflexionsvermögen für Infrarot hat. Ein
Loch 64, das sich durch die Platte erstreckt, erlaubt den
Zugang zu der Messanordnung zum Einbringen und Entfernen von Proben.
Die untere Platte 62 des Reflektors ist eben und hat Anbauansätze
für vier Lampenhalter, die das untere Ende jeder Lampe
halten und elektrischen Kontakt damit herstellen. Eine Fläche 65 der
Platte, die dem Hohlraum des Reflektorblockes zugewandt ist, ist
poliert und hat einen aufgebrachten Überzug, der ein sehr
hohes Reflexionsvermögen für Infrarot hat. Ein
Loch 54, das sich durch die Platte erstreckt, erlaubt,
dass die Wärmesenken-Verlängerung 52 und der
thermische Widerstand 44 in die untere Platte eintreten
und die Messanordnung halten. Eine äußere ebene
Fläche 85 der unteren Platte entspricht der ebenen
Fläche 66 der Wärmesenke, so dass die
gesamte Reflektoranordnung gekühlt wird.
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Bei
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der
Hohlraum 67 eine Vielzahl teilquadrischer zylindrischer
Flächen auf, wobei jede teilquadrische zylindrische Fläche
einer oder mehreren ähnlichen Flächen benachbart
liegt, wie es in 4 allgemein veranschaulicht
ist. Der Ausdruck „teilquadrische zylindrische Fläche”,
wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine dreidimensionale
Fläche, die einen Teilzylinder definiert, dessen Querschnittsform
die eines Teiles einer quadrischen Kurve, so wie einer Ellipse ist.
Somit ist der Hohlraum 67 aus einer Anzahl von vier teilquadrischen
Zylindern definiert, die benachbart zu zwei weiteren teilquadrischen
Zylindern sind, welche auf gegenüberliegenden Seiten des
in Rede stehenden Zylinders angeordnet sind.
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Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann jeder teilquadrische Zylinder entweder
ein teilelliptischer oder ein teilparabolischer Zylinder sein, der
einen Brennpunkt hat (welcher einem Punkt in einer Ebene des teilquadrischen
Zylinders, im Querschnitt gesehen, so wie es in 4 veranschaulicht
ist, entspricht), der einer Position einer Lampe 26 entspricht.
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4 zeigt
eine horizontale Querschnittsansicht durch den Infrarotofen und
die Messanordnungen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist der Hohlraum 67 des Reflektorkörpers 60 vier
sich schneidende elliptische Zylinder auf, die so angeordnet sind,
dass ein Brennpunkt jedes elliptischen Zylinders sich gleich beabstandet
auf einem Kreis befindet, der auf die Messanordnung 41 zentriert
ist. Eine Lampe 26 befindet sich in jedem der gleich beabstandeten
Brennpunkte. Der zweite Brennpunkt jeder Ellipse ist kollinear zu
jedem anderen zweiten Brennpunkt und der Mittellinie der Messanordnung 41.
Ein Sensor 43 befindet sich symmetrisch mit Bezug auf die
Mittellinie der Messanordnung innerhalb eines Hohlraums 33 des
Gehäuses 42, das eine Probenposition 68 und
eine Referenzposition 69 hat. Mit Bezug wieder auf die 3 ist
der Hohlraum 67 des Reflektorblocks 60 so gestaltet, dass
er ungefähr dieselbe Länge (das Verhältnis
von Länge des Hohlraums 67 des Reflektorblocks
und des Gehäuses 42 ist etwa 0.8 bis 1.2, bevorzugt
etwa 0.9 bis 1.1) hat wie das leitende Gehäuse 42 und
mit diesem ausgerichtet ist, so dass das Gehäuse 42 über
seine gesamte Länge von dem Hohlraum 67 des Reflektorblocks
umgeben ist. Um das Gehäuse 42 effizient zu heizen,
ist der Hohlraum 67 des Reflektorblockes so gestaltet,
dass er sich nicht wesentlich über die Länge des
Gehäuses 42 hinaus erstreckt.
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Zusammengefasst
wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ein Wärmestrom-DSC so gestaltet, dass es im Vergleich
zu herkömmlichen Systemen schnellere Probenheiz- und -kühlgeschwindigkeiten
zur Verfügung stellt. Zusätzlich liefern Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung eine effizientere Anordnung zum Heizen
eines DSC, wenn die Wärmequelle eine Vielzahl von Lampen,
welche Infrarotstrahlung aussehen, ist. Schließlich werden
vielseitigere Probenmessungen durch Ausführungsformen bereitgestellt,
bei denen ein Wärmestrom-DSC einen konfigurierbaren thermischen
Widerstand umfasst. Somit kann die thermische Leitfähigkeit
des thermischen Widerstands während des Probenheizens abgesenkt und
während des Probenkühlens erhöht werden,
was es ermöglicht, dass die Heizgeschwindigkeit der Probe und
die Kühlgeschwindigkeit der Probe während eines
einzigen Experiments unabhängig voneinander maximiert werden
können.
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Die
voranstehende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist für die Zwecke der Veranschaulichung
und Beschreibung dargelegt worden. Sie ist nicht als erschöpfend
oder die Erfindung auf die offenbarten genauen Formen beschränkend
beabsichtigt. Viele Variationen und Modifikationen der hierin beschriebenen
Ausführungsformen werden dem Durchschnittsfachmann im Lichte
der obigen Offenbarung deutlich werden.
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Insbesondere
soll der Umfang der Erfindung nur durch die hierin angehängten
Ansprüche und durch ihre Äquivalente definiert
sein.
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Weiter
kann beim Beschreiben repräsentativer Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Beschreibung das Verfahren und/oder
den Prozess der vorliegenden Erfindung als eine bestimmte Abfolge
von Schritten dargestellt haben. In dem Maße jedoch, dass
das Verfahren oder der Prozess nicht auf die bestimmte Reihenfolge
der Schritte, die hierin aufgeführt sind, vertraut, sollte
das Verfahren oder sollte der Prozess nicht auf die bestimmte Abfolge
von beschriebenen Schritten beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann
erkennen würde, können andere Abfolgen der Schritte
möglich sein. Daher sollte die bestimmte Reihenfolge der
Schritte, die in der Beschreibung aufgeführt ist, nicht
als Beschränkungen für die Ansprüche
ausgelegt werden. Zusätzlich sollten die Ansprüche,
die auf das Verfahren und/oder den Prozess der vorliegenden Erfindung gerichtet
sind, nicht auf das Ausführen ihrer Schritte in der beschriebenen
Reihenfolge beschränkt sein, und ein Durchschnittsfachmann
kann leicht erkennen, dass die Abfolgen variiert werden können
und weiterhin innerhalb des Gedankens und Umfangs der vorliegenden
Erfindung bleiben.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
dynamisches Wärmestromdifferenzkalorimeter (DSC – Differential
Scanning Calorimeter) wird offenbart. Das DSC kann mit einem hochleitenden
Gehäuse für die Probenanordnung ausgestaltet sein.
Das Gehäuse kann eine Beschichtung mit hohem Emissionsvermögen
umfassen. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das
Gehäuse entlang einer Längsrichtung, die ungefähr
dieselbe ist, wie die einer Infrarotlampenanordnung, welche verwendet wird,
um das Gehäuse zu beheizen, so dass der Wirkungsgrad des
Beheizens des Probengehäuses erhöht wird. Bei
einer Ausführungsform wird ein gasgefüllter thermischer
Widerstand verwendet, um die Messanordnung an eine Wärmesenke
zu koppeln, so dass Proben schnell geheizt und schnell gekühlt
werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5509733 [0003, 0003, 0004, 0005, 0006, 0006, 0007, 0008, 0008, 0009, 0009, 0009, 0019, 0020]
- - US 509733 [0003]
- - US 4095453 [0005]
- - US 6431747 [0023, 0031]
- - US 6523998 [0024, 0024, 0024]
- - US 6578367 [0025, 0042]
- - US 6488408 [0029]
- - US 6561692 [0029]
- - US 6648504 [0029]
- - US 6843595 [0029]