DE112008001462B4

DE112008001462B4 - Thermisches Messsystem und Verfahren zum Durchführen einer thermischen Analyse, wobei ein variabler thermischer Widerstand verwendet wird

Info

Publication number: DE112008001462B4
Application number: DE112008001462.0T
Authority: DE
Inventors: Robert L. Danley
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: WO2008153913A1; GB2462955A; GB2462954B; DE112008001385B4; GB2478879B8; GB2462954A; WO2008153910A1; DE112008001385T5; GB0919876D0; GB2478879A; GB2478879A8; GB201110397D0; DE112008001462T5; GB2478879B; GB2462955B; GB0919874D0

Abstract

Thermisches Messsystem, das aufweist: eine Messanordnung zum Aufnehmen einer Probe, wobei die Messanordnung einen länglichen Zylinder aufweist; eine Infrarotlampenanordnung, die am Umfang um den länglichen kreisförmigen Zylinder angeordnet ist und einen Infrarotreflektor (60) aufweist, der einen Hohlraum (46) mit einer Länge, die ungefähr dieselbe ist, wie die des länglichen Zylinders, und der weiterhin eine Bodenplatte aufweist; einen thermischen Widerstand (44), der mit der Messanordnung gekoppelt ist und einen variablen thermischen Widerstandswert hat, wobei der thermische Widerstand (44) aufweist: einen gasgefüllten Spalt (45); eine Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, die einstückig mit der Messanordnung ausgebildet ist; und eine Wärmesenkenfläche, die auf einer Seite des gasgefüllten Spaltes (45) gegenüber der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist; eine Wärmesenke (51), die thermisch mit dem thermischen Widerstand (44) und mit der Infrarotlampenanordnung gekoppelt ist, wobei die Wärmesenke (51) einen ...

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren für Messungen von Materialeigenschaften, die während des Heizens und des Kühlens durchgeführt werden.
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 Differentialthermoanalyse-(oder möglicherweise eine dynamische Differenzialkalorimetrie-)Messanordnung zu heizen, die mit einer oder zwei Wärmesenken über ein oder zwei den Wärmefluss beschränkende 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.
Der Ofen, der in dem Patent '733 offenbart ist, kann im Zusammenwirken mit einer Messanordnung verwendet werden, welche einen scheibenartigen Sensor aufweist, der 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 auf jeder Seite der Sensorscheibe angebracht ist. Die Ringe sind mit den Wärme beschränkenden Elementen (hierin auch als „thermische Widerstände” bezeichnet), 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 den großen thermischen Belastungen, die auf sie aufgebracht werden könnten, sind. In dem Fall einer Vorrichtung mit einer einzigen Wärmesenke ist das Wärme beschränkende Element mit dem Temperaturausgleichsring verbunden, der sich unterhalb des Sensors befindet, und ein zweiter dünnwandiger Abschnitt, ähnlich dem Wärme beschränkenden Element, ist mit dem oberen Temperaturausgleichsring verbunden. Das Verwenden eines Wärme beschränkenden Elementes mit hohem thermischen Widerstand kann die hohen Heizgeschwindigkeiten der Probe einfacher erreichbar machen, indem unerwünschte Wärmedissipation von dem Sensor während des Heizens verringert wird.
Obwohl die Vorrichtung, die in dem Patent '733 offenbart ist, relativ hohe Heizgeschwindigkeiten und Kühlgeschwindigkeiten erreichen kann, ist die Kühlgeschwindigkeit der Vorrichtung nichtsdestotrotz durch solche Faktoren, wie die Temperatur der Wärmesenke, beschränkt (je geringer die Temperatur der Wärmesenke ist, desto höher ist die Kühlgeschwindigkeit von einer erhöhten Temperatur her), die wiederum von der Temperatur des Kühlmittels und der Geometrie der Wärmesenke abhängt. Zusätzlich ist die Kühlgeschwindigkeit durch den thermischen Widerstand der Wärme beschränkenden Elemente beschränkt, die die Geschwindigkeit der Wärmedissipation von dem Sensor während des Kühlens begrenzen werden.
Weiterhin ist die Vorrichtung, die in dem Patent '733 beschrieben ist, nicht gut dazu geeignet, dynamische Differenzkalorimetrie durchzuführen, da der Sensor und der Probenbehälter Wärme mit den Wärme beschränkenden Elementen, den Wärmesenken und der Abdeckung der Messanordnung in dem Fall des thermischen Analysegerätes mit einer einzigen Wärmesenke austauschen. Aufgrund der Tatsache, dass die Temperaturdifferenzen zwischen dem Sensor und den Wärmesenken und zwischen dem Sensor und den Teilen der Wärme beschränkenden Elemente oftmals in der Größenordnung von mehreren Hundert Grad liegen und selbst 1000°C oder darüber erreichen können, kann der Wärmeaustausch recht groß sein. Da diese Wärme nicht durch den Sensor fließt, wird sie nicht gemessen; somit bildet der nicht gemessene Wärmeaustausch einen Messfehler für die Wärmestromgeschwindigkeit. Bei einigen Experimenten, bei denen die quantitative Messung der Wärmestromgeschwindigkeit nicht notwendig ist, zum Beispiel bei Experimenten, bei denen nur die Temperatur eines Übergangs gemessen wird, und nur die Kenntnis über die Richtung des Wärmeaustausches, d. h. ob der Übergang exotherm oder endotherm erfolgt, erforderlich ist, kann die Vorrichtung des Patentes '733 zweckmäßig sein.
Andererseits kann ein herkömmliches Wärmestrom-DSC aufgebaut werden, indem ein Sensor innerhalb eines Gehäuses mit gleichförmiger Temperatur eingebaut wird, das entsprechend dem gewünschten experimentellen Temperaturprogramm geheizt und gekühlt wird. Dies verringert die Temperaturdifferenzen zwischen dem Sensor und den Probenbehältern und ihrer Umgebung stark, so dass der nicht gemessene Wärmeaustausch zwischen Sensor und Probenbehältern und dem Gehäuse verkleinert wird. Jedoch haben derartige Gehäuse im Allgemeinen einen sehr hohe Wärmekapazität 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 diese Heizelemente die Wärme nicht schnell zu dem Gehäuse des DSC, und wenn Energie weggenommen wird, kühlen sie langsam ab. Die Heizelemente und die elektrische und thermische Isolierung der Heizelemente tragen auch mit Masse zu dem DSC bei, wodurch seine Wärmekapazität erhöht wird, was weiter sein Vermögen einschränkt, schnell zu heizen und abzukühlen.
Somit gibt es viele Hindernisse dabei, ein System zum schnellen Probenheizen und schnellen Probenkühlen zu erhalten, das mit der thermischen Analyse von Proben vereinbar ist, so wie einem dynamischen Wärmestromdifferenzkalorimeter.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Durchführen einer thermischen Messung das Bereitstellen eines variablen thermischen Widerstandes zwischen einer Probenmessanordnung und einer Wärmesenke in einem thermischen Analyseinstrument, das Heizen einer Probe in der Probenmessanordnung, wenn der variable Widerstand einen ersten thermischen Widerstandswert hat, das Ändern des variablen Widerstandes, so dass der variable Widerstand einen zweiten thermischen Widerstandswert hat, der von dem ersten thermischen Widerstandswert unterschiedlich ist, und das Kühlen der Messprobe, während der variable Widerstand den zweiten thermischen Widerstandswert hat, auf, wobei die Heiz- und Kühlgeschwindigkeit der Probe so gestaltet ist, dass sie unabhängig zu ändern sind.
Die EP 0 660 110 A1 beschreibt eine Messanordnung mit einem länglichen Zylinder zum Aufnehmen einer Probe, eine Infrarotlampenanordnung, die am Umfang um den länglichen kreisförmigen Zylinder angeordnet ist, einen Hohlraum mit einer Länge, die ungefähr dieselbe ist, wie die des länglichen Zylinders, einen thermischen Widerstand, der mit der Messanordnung gekoppelt ist, und eine Wärmesenke, die thermisch mit dem thermischen Widerstand gekoppelt ist. Ähnliche Messanordnungen sind auch aus der EP 778 463 B1 und aus der EP 703 448 A1 bekannt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein thermisches Messsystem eine Messanordnung mit einer Sensoranordnung für die differentielle thermische Analyse zum Aufnehmen einer Probe auf, die innerhalb eines Hohlraumes in einem länglichen Zylinder eingebaut ist, wobei eine Infrarotlampenanordnung am Umfang um den länglichen Zylinder angeordnet ist und eine Länge hat, die im Wesentlichen der des Zylinders entspricht. 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, der eine Vielzahl teilquadratischer zylindrischer Flächen aufweist, die jede eine zylindrische Form beschreiben, die einen Brennpunkt hat, der auf die Achse jeder rohrförmigen Lampe fällt. Das thermische Messsystem weist weiterhin einen thermischen Widerstand auf, der mit der Messanordnung gekoppelt ist, wobei der thermische Widerstand einen konfigurierbaren thermischen Widerstandswert hat und dessen Randbereich durch die Lampenanordnung definiert ist, 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 zu geeigneten Zeitpunkten während eines Experiments dynamisch abändert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist ein schematisches Schaubild, das einen vertikalen Querschnitt durch die Mittellinie einer Kalorimetermessanordnung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
1b veranschaulicht Einzelheiten eines thermischen Widerstandes mit einem variablen thermischen Widerstandswert gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
2 zeigt eine horizontale Querschnittansicht durch den Infrarotofen und Messanordnungen, die in der 1a veranschaulicht sind.
3 zeigt Einzelheiten einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht beispielhafte Schritte, die bei einem Verfahren für die thermische Messung enthalten sind, bei dem ein variabler thermischer Widerstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
5 zeigt die Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten, die unter Heizbedingungen in geschlossenem Kreis gehalten werden, wenn eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem konfigurierbaren thermischen Widerstandswert verwendet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, sind hiernach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1–5 diskutiert.
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein System für die thermische Messung einen Infrarotofen, der verwendet wird, um eine Messanordnung zu heizen, die ein Gehäuse mit hoher thermischer Leitfähigkeit ähnlich dem wie bei einem herkömmlichen DSC umfasst. Die Ausdrücke „System für die thermische Analyse”, „thermisches Messsystem” und „thermisches Analysesystem” werden hierin austauschbar verwendet, um im Allgemeinen ein System zu bezeichnen, das dazu ausgelegt ist, die thermischen Eigenschaften einer Probe zu messen, einschließlich mit DTA und DSC und verwandten Techniken. Das Gehäuse verringert Temperaturdifferenzfehler, die sich aus dem Wärmeaustausch zwischen dem Sensor, den Probenbehältern und ihrer Umgebung ergeben.
Bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die in Einzelheiten hiernach beschrieben werden, ist eine Außenfläche des Gehäuses, in dem die Messanordnung untergebracht ist, ein länglicher kreisförmiger Zylinder, der die gleiche Länge hat wie ein Reflektorhohlraum und eine Lampenanordnung, die eine Infrarotheizanordnung bildet. Auf diese Weise empfängt das Gehäuse einen wesentlichen Anteil der Energie, die von den Lampen emittiert und von dem Reflektor reflektiert wird. Die Außenfläche des Gehäuses ist mit einem Überzug mit hohem Emissionsvermögen beschichtet, um die Absorption von Strahlung, die auf der Oberfläche auftritt, stark zu erhöhen. Demgemäß, indem sichergestellt wird, dass die Geometrie des Gehäuses so ausgelegt ist, dass sie einen größeren Anteil der ausgesendeten Strahlung aufnimmt und absorbiert, kann sogar ein relativ massives Gehäuse schnell geheizt werden.
Zusätzlich wird bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis von beheizter Fläche zu Reflektorfläche im Vergleich zu einem System, welches ein Quarzrohr umfasst, das die Messanordnung umschließt, so wie das, das in dem Patent '733 veranschaulicht ist, erhöht. Das Beseitigen eines Quarzgehäuses verbessert weiterhin den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs und ermöglicht es, dass die Lampen näher an der Messanordnung angeordnet werden können, was wiederum ermöglicht, dass das Oberflächengebiet des Reflektors verkleinert wird.
Bevorzugt befindet sich eine einzige Wärmesenke außerhalb des Reflektors des Infrarotofens, so dass die Wärmesenke nicht direkt durch Strahlung beheizt wird, was weiter den Wirkungsgrad des Infrarotheizens verbessert. Die Wärmesenke kann durch umlaufendes Wasser oder irgendein anderes Fluid als ein Kühlmittel gekühlt werden. Als Alternative kann die Wärmesenke durch Verdampfen einer unterkühlten Flüssigkeit gekühlt werden, die das Kühlmittel in einem Dampfkompressionskühlsystem sein kann, oder eines expandierbaren Kühlmittels, so wie flüssigem Stickstoff, dessen Dampf in die Atmosphäre ausgelassen wird.
Zusätzlich umfasst das System einen thermischen Widerstand, der verwendet wird, um einen Wärmestromweg („thermisch angeschlossen”) von der Messanordnung zu der externen Wärmesenke zur Verfügung zu stellen, wobei sich der thermische Widerstand außerdem außerhalb des Reflektors befindet. Der Zweck des thermischen Widerstandes besteht darin, die Geschwindigkeit des Wärmestroms zwischen der Messanordnung und der Wärmesenke zu begrenzen, jedoch auch zu ermöglichen, dass ausreichend Wärme strömt, so dass die Messanordnung mit der gewünschten Geschwindigkeit gekühlt werden kann. Somit sind die Anforderungen an den thermischen Widerstand im Allgemeinen für das Heizen, wenn oftmals ein großer thermischer Widerstandswert gewünscht wird, unterschiedlich gegenüber denen für das Kühlen, wenn im Allgemeinen ein kleiner thermischer Widerstandswert gewünscht wird. Der thermische Widerstand weist einen gasgefüllten Spalt auf, dessen Gaszusammensetzung ausgestaltet werden kann, um den thermischen Widerstandswert des thermischen Widerstandes abzuändern. Bevorzugt befindet sich der thermische Widerstand ebenfalls außerhalb des Reflektors, wobei der Widerstand außerhalb des Bereiches angeordnet ist, der durch den Hohlraum des Reflektors definiert ist.
Bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können der Durchmesser des Gehäuses und der Messanordnung zweckmäßigerweise auf kleine Abmessungen skaliert werden, so dass die Masse der Messanordnung und die des Gehäuses viel geringer sind als bei einer typischen DSC-Vorrichtung. Dies vereinfacht weiterhin die Möglichkeit, eine Probe während Probemessungen schnell zu heizen und zu kühlen.
Anstatt für den Reflektor ein getrenntes Kühlsystem zu verwenden, wie es im Stand der Technik beschrieben ist, ist bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung der Reflektor ebenfalls thermisch an die Wärmesenke für das Kühlen gekoppelt. Auf diese Weise werden die Kühlgeschwindigkeiten und die minimale Temperatur, die von der Vorrichtung erreicht wird, verbessert. Diese Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, dass die Vorrichtung durch das Beseitigen eines getrennten Kühlsystems für den Infrarotreflektor vereinfacht ist.
1a zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein thermisches Messsystem mit einer Anordnung, bei der ein thermischer Widerstand mit gasgefülltem Spalt verwendet wird, um die Messanordnung mit der Wärmesenke zu koppeln. Um die Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten, die erreichbar sind, zu verbessern, ist die Messanordnung im Vergleich mit herkömmlichen Messanordnungen in ihrer Größe stark verkleinert, ebenso wie die verwendeten Proben und Probenhälter. Die Messanordnung 41 weist ein Gehäuse 42 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, eine Sensoranordnung 43 und einen thermischen Widerstand 44 auf.
Zusätzlich dazu, dass es eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, zeigt das Gehäuse 42 bevorzugt ein hohes Emissionsvermögen auf seiner Außenfläche. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können diese beiden Eigenschaften auf mehr als einem Weg erreicht werden Das Gehäuse 42 kann einen Zylinder aufweisen, der ein einziges Material enthält, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit und ein hohes Emissionsvermögen hat, so dass die Außenfläche des Gehäuses 42 ebenfalls ein hohes Emissionsvermögen hat. Als Alternative kann das Gehäuse 42 einen Zylinder mit einer gegebenen Zylinderwanddicke aufweisen, dessen Innenbereich aus einem stark thermisch leitfähigen Material hergestellt ist, das kein hohes Emissionsvermögen hat. Im letzteren Fall hat eine äußere Schicht der Zylinderwand, die einen Außenüberzug aufweisen kann, welcher auf den Zylinder aufgebracht ist, ein hohes Emissionsvermögen, so dass die Außenfläche des Zylinders ein hohes Emissionsvermögen zeigt. In beiden Fällen bleibt die gesamte thermische Leitfähigkeit des Gehäuses hoch.
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 geschützter Überzug, der von der Epner Technology Inc., Brooklyn, NY, hergestellt wird. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung 43 eines dynamischen Wärmestromdifferenzkalorimeters, wie es in dem US-Patent 6 431 747 und in der US-Patentanmeldung Nr. 11/843,225, angemeldet am 22. August 2007 (basierend auf der US-Patentanmeldung Nr. 60/893,673, angemeldet am 24. August 2006) 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. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Wirkungsgrad beim Heizen der Messanordnung 50% übersteigen.
Da die Abmessungen von Probe und Probenbehälter bei der Ausführungsform, die in der 1a veranschaulicht ist, sehr gering sind, ist die Sensoranordnung 43 bevorzugt in zylindrische Hohlräume sowohl an der Proben- als auch der Referenzposition eingepasst, die beim Anordnen und Halten der Probenbehälter helfen, wie es weiter mit Bezug auf die 3 hiernach diskutiert wird. Weiter verringern die zylindrischen Hohlräume den thermischen Kontaktwiderstand zwischen den Probenkapseln und dem Sensor durch Vergrößern des Oberflächengebietes für den Wärmeaustausch. Der verringerte thermische Widerstandswert hilft beim Verkleinern des Temperaturnachhinkens zwischen der Probenkapsel und dem Sensor, das auftreten kann, wenn Hoheits- und Kühlgeschwindigkeiten verwendet werden.
Eine ebene Silberplatte 50, die ein einstückiges Teil der Messanordnung ist, bildet eine Fläche eines thermischen Widerstandes 44 mit gasgefülltem Spalt, wie in der 1b veranschaulicht.
Der gasgefüllte Spalt 45 ist zwischen der Platte 50 und der gegenüberliegenden Fläche des thermischen Widerstandes 44 angeordnet, die durch eine Wärmesenken-Verlängerung 52 gebildet ist, welche sich nach oben in die Bodenplatte des Reflektors erstreckt, um die Messanordnung zu stützen.
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, jeder 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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den 1a und 1b 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 62 gebracht wird.
Beispielhafte Abmessungen für den gasgefüllten Spalt 45 umfassen eine seitliche Breite (Durchmesser), die 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 bis hinunter 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.
Wieder mit Bezug auf die 1 liefern zwei Durchlässe 53 mit kleinem Durchmesser, die sich durch die Wärmesenken-Verlängerung erstrecken, Gas an den thermischen Widerstand 44; die Durchlässe 43 werden von einem größeren Durchlass 55 versorgt, der durch die Wärmsenke dort verläuft, wo sie von einem Balg 56 und einer Dichtanordnung 57 verschlossen ist, an 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 an der Wärmesenke 51 eingebaut ist, wird sie an ihren 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 im Kontakt mit der Wärmesenken-Verlängerung zu halten.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind dünne Abstandhalter (nicht gezeigt) innerhalb des gasgefüllten Spaltes 45 angeordnet, um den effektiven thermischen Widerstandwert 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 Abtandhalter schichtartig innerhalb des gasgefüllten Spaltes 45 angeordnet.
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 den thermischen 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 Spaltes 45 gibt es nur eine einzige Gasschicht zwischen der Platte 50 und der Verlängerung 52, so wie bei der Ausgestaltung, die in 1b gezeigt ist. Das Hinzufügen eines Abstandhalters erhöht die Anzahl der Gasschichten auf zwei: eine Gasschicht liegt zwischen dem Abstandhalter und der Platte 50 und eine Gasschicht liegt zwischen dem Abstandhalter und der Verlängerung 52.
Da die obere und die 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.
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.
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 Abstandhalterstapels 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 Widerstandswertes zu sorgen.
Der Einsatz dünner Abstandhalter liefert mehrere Vorteile zum Bauen des thermischen Widerstandes in der Anordnung 59. Wenn zum Beispiel eine 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, wann der geeignete Spalt erreicht ist. Im Gegensatz dazu vereinfacht die Verwendung dünner Abstandhalter die genaue 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 im 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 dazwischengeschalteten 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.
Darüber hinaus, durch Variieren 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 abgeändert werden. Die Änderung der Wärmestromgeschwindigkeit ändert wiederum die Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten, die erhalten werden können. Wenn zum Beispiel ein Gas mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, so wie Argon (oder ein Vakuum, bei Ausgestaltungen, bei denen der Spalt so gestaltet ist, dass ein Vakuum unterstützt wird) verwendet wird, kann die relative Heizgeschwindigkeit erhöht werden, während die relative Kühlgeschwindigkeit erniedrigt wird. Wenn stattdessen eine Gaszusammensetzung mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet wird, wird die relative Heizgeschwindigkeit abgesenkt, jedoch wird die relative Kühlgeschwindigkeit erhöht. Demgemäß kann die Gaszusammensetzung in dem thermischen Widerstand 44 so gestaltet (maßgeschneidert) werden, um die maximale Heiz- und Kühlgeschwindigkeit der Probe entsprechend experimenteller Notwendigkeiten zu variieren. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein thermischer Widerstand so gestaltet, dass er einen thermischen Widerstandswert erzeugt, wenn He verwendet wird, um den Gasspalt zu füllen, der mehrere Male kleiner ist als der thermische Widerstand, wenn N2 verwendet wird, um den Gasspalt zu kühlen.
Kühlmittel wird in einen Hohlraum 58 in der Wärmesenke geliefert, wo das Kühlmittel die Oberflächen der Wärmesenke berührt, um Wärme abzuziehen. Rippen können hinzugefügt werden, um das Gebiet der Wärmesenkenfläche zu vergrößern, wenn dies entsprechend der Größe des Wärmeaustauschs nötig 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 6 578 376 an Schäfer u. a. offenbart sind. Bei der besten Art der Ausführungsform wird die Pumpe der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/015,731 von Danley verwendet, um flüssigen Stickstoff zuzuführen. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der eine Messanordnung mit einer Masse von etwa 25 g verwendet wird, können maximale Heizgeschwindigkeiten für die Probe in dem Bereich von 2000–3000°C/min erreicht werden.
Wie in der 1a gezeigt ist, weist eine Infrarotofenanordnung 59 einen Reflektorkörper 60, eine obere Platte 61, eine untere Platte 62, vier Lampen 26 und acht Lampenhalter 27 auf. Der Reflektorkörper 60 enthält einen Hohlraum, der sich schneidende Bereiche quadrischer Zylinder aufweist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die sich schneidenden Teile quadrischer Zylinder Teile von vier parallelen, vertikal ausgerichteten, sich schneidenden elliptischen Zylindern auf, in denen eine Lampe an einem Brennpunkt jeder der vier elliptischen Zylinder angeordnet ist. Die anderen Brennpunkte der elliptischen Zylinder sind kollinear und befinden sich im Mittelpunkt des Reflektorkörpers in Übereinstimmung mit 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 elektroplattierter 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. Bei dieser Ausgestaltung erstreckt sich ein Loch 64 durch die Platte 61, das den Zugang zu der Messanordnung für das Einbringen und Herausholen von Proben erlaubt. 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. Die 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. Bei dieser Ausgestaltung erlaubt ein Loch 54, das sich durch die Platte erstreckt, 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 hinteren Platte entspricht der ebenen Fläche 66 der Wärmesenke, so dass die gesamte Reflektoranordnung gekühlt wird.
2 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht durch den Infrarotofen und die Messanordnungen. 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 2 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.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hat jeder teilquadrische Zylinder, so wie ein teilelliptischer oder teilparabolischer Zylinder, einen Brennpunkt (der einem Punkt in einer Ebene des teilquadrischen Zylinders entspricht, wenn im Querschnitt betrachtet wird, so wie es in 2 veranschaulicht ist), der einer Position einer Lampe 26 entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Hohlraum 67 des Reflektorkörpers 60 zwei sich schneidende teilelliptische zylindrische Flächen auf. Bevorzugt definieren die vier teilelliptischen zylindrischen Flächen jede einen Teil eines jeweiligen elliptischen Zylinders (dessen verbleibender Teil imaginär ist), der so angeordnet ist, dass sich ein Brennpunkt jedes elliptischen Zylinders gleich beabstandet auf einem Kreis befindet, der auf die Messanordnung 41 zentriert ist. Die Achse jeder Lampe 26 ist auf einen entsprechenden Brennpunkt der gleich beabstandeten Brennpunkte zentriert. Der zweite Brennpunkt jedes elliptischen Zylinders fällt mit jedem anderen zweiten Brennpunkt und der Mittenlinie der Messanordnung 41 zusammen. Der Sensor 43 ist symmetrisch in Bezug auf die Mittenlinie der Messanordnung innerhalb des Hohlraums 33 des Gehäuses 42 angeordnet, der eine Probenposition 68 und eine Referenzposition 69 hat. Mit Bezug wieder auf die 1a ist der Hohlraum 67 des Reflektorblocks 60 so gestaltet, dass er ungefähr die gleiche Länge (für die Zwecke dieser Offenbarung bedeutet die Verwendung des Ausdruckes „ungefähr die gleiche Länge” oder „ungefähr gleich”, dass das Verhältnis von Länge des Hohlraums 67 des Reflektorblockes und des Gehäuses 42 entlang ihrer Achse ungefähr 0.8–1.2 ist) hat und mit dem leitenden Gehäuse 42 ausgerichtet ist, so dass das Gehäuse 42 über seine gesamte Länge von dem Hohlraum 67 des Reflektorblockes 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.
3 zeigt Einzelheiten der Sensoranordnung 43 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt ist der Sensor entsprechend dem aufgebaut, was in dem US-Patent 6 431 747 und in der US-Patentanmeldung Nr. 11/843,225, angemeldet am 22. August 2007, beschrieben ist, und das Messverfahren für die Wärmestromgeschwindigkeit, das darin gelehrt wird, kann in die Praxis umgesetzt werden, indem die vorliegende Erfindung verwendet wird. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Sensorbasis aus einem ersten Material (so wie einem Metall oder einer Legierung) hergestellt, das ein Element eines Thermokopplungspaares bildet und eine relativ dickere (z. B. 0.5 mm bis 1.0 mm dicke) Basis 71 mit einer ebenen Anbaufläche 72, mittels der der Sensor in dem Gehäuse mit hoher thermischer Leitfähigkeit angebracht wird, und ein Paar zylindrischer Wände 73 und 74 relativ dünnerer (z. B. 0.127 mm dick) Wand, die die messenden thermischen Widerstände bilden, umfasst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Basis 71 (ebenso wie die dünnwandigen Zylinder 73 und 74) aus Constantan hergestellt, dem negativen Element einer Thermokopplung vom Typ E. Ein Probenhalter 75 und ein Referenzhalter 76 sind aus einem zweiten Material, das von dem, das zum Bilden der Basis 71 verwendet wird, unterschiedlich ist, hergestellt, so dass die Halter 75 und 76 jeder ein Thermokopplungspaar mit dem Konstantan (oder einem anderen Thermokopplungsmaterial, das verwendet wird um die Basis 71 und die Rohre 73, 74 zu bilden) bildet. Der Probenhalter 75 umfasst einen Hohlraum 77, in den eine Probe, die in einer Probenkapsel (nicht gezeigt) enthalten ist, eingesetzt werden kann; der Referenzhalter 76 umfasst einen Hohlraum 78, in den eine Referenzkapsel (ebenfalls nicht gezeigt), welche eine Referenz enthält (wenn eine solche verwendet wird) eingesetzt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Probenhalter 75, 76 aus Chromel hergestellt, dem positiven Element einer Thermokopplung vom Typ E. Ein Signaldraht 79, der aus derselben Legierung hergestellt ist, wie sie bei dem Probenhalter verwendet wird, wird an den Probenhalter geschweißt und ein Signaldraht 80, der aus derselben Legierung hergestellt ist, wie der Referenzhalter, wird an den Referenzhalter geschweißt. Eine Thermokopplung, die einen Draht 81, der aus derselben Legierung wie die Basis 71 hergestellt ist, und ein Draht 82, der aus derselben Legierung wie die Proben- und Referenzhalter hergestellt ist, wird an die Basis geschweißt. Ein Thermokopplungsübergang wird an der Grenzfläche zwischen den oberen Enden der dünnwandigen Rohre 73 und 74 und den Basen von Proben- und Referenzhalter 75 und 76 gebildet. Der Proben- und der Referenzhalter können mit den dünnwandigen Rohren verbunden werden, indem Schweißen, Hartlöten oder Diffusionsschweißen (auch als Diffusionsbonden bekannt) eingesetzt werden, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 60/839,673 beschrieben ist, obwohl das bevorzugte Verfahren Diffusionsschweißen ist. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Probenmessanordnung und das Gehäuse eine Masse von ungefähr 10–100 g auf und bei einer bevorzugten Ausgestaltung etwa 25 g. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Halter 75, 76 mit einem Durchmesser und einer Höhe derart gestaltet, dass das Volumen der Hohlräume 77, 78 in der Größenordnung von etwa 10–3 bis 10–2 cm3 ist, was Proben-(Referenz-)Materialien mit einer Masse in dem Bereich von etwa einigen Zehnteln eines Mikrogramms bis mehreren Milligramm entspricht, abhängig von der Probendichte.
Ein Differenztemperatursignal ΔT, das die Temperaturdifferenz zwischen dem Proben- und dem Referenzhalter darstellt, wird zwischen den Drähten 79 und 80 gemessen. Ein zweites Differenztemperatursignal ΔT_O, das die Temperaturdifferenz zwischen dem Probenhalter und der Sensorbasis darstellt, wird zwischen den Drähten 79 und 82 gemessen. Die Temperatur der Basis T_O wird zwischen den Drähten 81 und 82 gemessen und die Temperatur des Probenhalters Ts wird zwischen den Drähten 79 und 81 gemessen.
4 veranschaulicht beispielhafte Schritte, die in einem Verfahren für die thermische Analyse umfasst sind, bei dem ein variabler thermischer Widerstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Im Schritt 402 wird ein thermischer Widerstand, der einen gasgefüllten Spalt aufweist, mit einer ersten Gaszusammensetzung versorgt. Der thermische Widerstand bildet einen Teil eines thermischen Analysewerkzeugs, das ein Messgehäuse umfasst, welches über den thermischen Widerstand an eine Wärmesenke gekoppelt ist. Zum Beispiel kann ein Gas mit geringer thermischer Leitfähigkeit, wie Argon, an den gasgefüllten Spalt des thermischen Widerstands geliefert werden, wobei in diesem Fall höhere Heizgeschwindigkeiten und niedrigere Kühlgeschwindigkeiten erreicht werden.
Im Schritt 404 wird die Probe beheizt. Wenn der thermische Widerstand mit einem Gas mit niedriger Leitfähigkeit versehen ist, so wie Argon oder Stickstoff, kann die relative Heizgeschwindigkeit der Probe erhöht werden. Dies ist der Fall, da die Geschwindigkeit des Probenheizens von der Geschwindigkeit abhängt, mit der Wärme der Probe zugeführt wird, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme die Probe verlässt. Da das Gehäuse 42 Wärme absorbiert, die von der Lampenanordnung 59 ausgesandt wird, leitet das Gehäuse 42 Wärme an die Sensoranordnung 43, die, während des Heizens, typischerweise eine niedrigere Temperatur hat als das Gehäuse 42. Zusätzlich wird Wärme weg von dem Gehäuse 42 durch den Widerstand 44 zur Wärmesenke 52 geleitet. Wenn der Widerstand 44 einen relativ höheren thermischen Widerstandswert hat, ist die Geschwindigkeit des Wärmeverlustes von der Sensoranordnung 43 zur Wärmesenke 52 relativ geringer. Demgemäß ist bei einer gegebenen Geschwindigkeit des Wärmeeintrags von der Lampenanordnung 59 die Nettoheizgeschwindigkeit der Anordnung 43 höher.
Im Schritt 406 wird die Probentemperatur in einem stationären Zustand gehalten. Die relative Energie, die von den Heizlampen geliefert wird, wird so angepasst, dass der Wärmestrom in das Gehäuse von den Lampen genau durch den Wärmestrom hinaus zu der Wärmesenke ausgeglichen ist, so dass eine konstante Temperatur gehalten wird.
Im Schritt 408 wird die Gaszusammensetzung des thermischen Widerstandes auf eine zweite Zusammensetzung umgeschaltet. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschieht das Umschalten der Gaszusammensetzung, während die Probentemperatur auf einem konstanten Wert gehalten wird. Das Umschalten der Gaszusammensetzung könnte zum Beispiel während eines geplanten isothermischen Halteschrittes stattfinden.
Im Schritt 410 wird die Probe gekühlt. Wenn die zweite Zusammensetzung ein Gas mit hoher Leitfähigkeit aufweist, so wie Helium, wird die relative Abkühlgeschwindigkeit für eine Probe bei einer erhöhten Temperatur vergrößert, da die Geschwindigkeit der Wärmeleitung zu der Wärmesenke größer ist. Dementsprechend können sowohl die Heizgeschwindigkeit der Probe als auch die Kühlgeschwindigkeit der Probe unabhängig durch geeignete Wahl der Gaszusammensetzung bei den beispielhaften Schritten der 4 maximiert werden.
Die Möglichkeit, sowohl die Heiz- als auch die Kühlgeschwindigkeit der Probe unabhängig zu maximieren, ermöglicht ein besseres Leistungsverhalten bei Messsystemen, so wie dynamischen Differenzkalorimetern. Bei einem DSC-Experiment wird das Temperaturprogramm unter einer Steuerung in geschlossenem Kreis ausgeführt, so dass Heizsegmente und (gelegentlich) Kühlsegmente des Experiments mit konstanten Geschwindigkeiten ausgeführt werden. Somit wird bei einem DSC-artigen Experiment die Leistung angepasst, um eine programmierte Heizgeschwindigkeit beizubehalten, und möglicherweise wird außerdem eine ähnliche Prozedur während eines Kühlzyklus angewendet. Bei einem gegebenen DSC-Instrument ist die maximale Energie, die steuerbar in einem Experiment mit geschlossener Schleife verwendet werden kann, beschränkt. Diese Beschränkung der maximalen Energie kann die Möglichkeit begrenzen, Steuerung in geschlossenem Kreis zu verwenden, um Proben schnell zu heizen. Wenn eine Probe Wärme in die Umgebung, zum Beispiel durch einen thermischen Widerstand, der mit einer Wärmesenke gekoppelt ist, während des Heizens zu schnell verliert, kann die Energie, die benötigt wird, um eine vorgegebene Heizgeschwindigkeit zu halten, die Möglichkeiten des Instrumentes übersteigen, die Probe steuerbar zu heizen. Zusätzlich, obwohl es möglich sein mag, eine Probe steuerbar mit einer gegebenen Geschwindigkeit in einem Niedertemperaturbereich zu heizen, in dem die Differenz zwischen der Probentemperatur und der Außenumgebung gering ist, kann bei höheren Temperaturen die Geschwindigkeit des Wärmeverlustes von der Probe zu der Wärmesenke derart sein, dass die maximal verfügbare Energie nicht ausreicht, um die gewünschte Heizgeschwindigkeit zu erzeugen oder um die gewünschte Heizgeschwindigkeit in einer kontrollierbaren Weise zu halten. Es ist daher wünschenswert, einen größeren thermischen Widerstandswert zu haben, um den Wärmeverlust von der Probe während des Heizens zu minimieren. Demgemäß würde das Verwenden eines gasgefüllten Spaltes mit hohem thermischen Widerstandswert ermöglichen, dass die programmierte Heizgeschwindigkeit auf einer höheren Temperatur gehalten wird. Umgekehrt würde weniger Energie erforderlich sein, um eine gegebene Heizgeschwindigkeit auf einer gegebenen Temperatur zu halten, im Vergleich zum Verwenden eines gasgefüllten Spaltes mit geringem Widerstand. Im Gegensatz dazu, wenn versucht wird, Experimente mit sehr hoher Heizgeschwindigkeit zu laufen, wobei ein Gas mit niedrigem thermischen Widerstandwert verwendet wird, könnte die Ofenleistung ihren Maximalwert erreichen, bevor die programmierte Temperaturgrenze erreicht war, und die Heizgeschwindigkeit würde abfallen, während die Probe weiter aufheizt.
Wenn umgekehrt versucht wird, Experimente mit hoher Kühlgeschwindigkeit zu laufen, wobei ein hoher thermischer Widerstandswert verwendet wird, könnte die Ofenleistung Null erreichen, bevor die Zieltemperatur erreicht wurde, und die Kühlgeschwindigkeit würde abfallen, was bewirkt, dass die Probe eine längere Zeit als gewünscht braucht, um abzukühlen.
5 zeigt experimentelle Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten, die unter Heizbedingungen im geschlossenen Kreis erhalten werden, wenn eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem konfigurierbaren Widerstand verwendet wird, das heißt, der thermische Widerstandswert kann so abgeändert werden, dass er unterschiedliche Werte hat. Die Auftragung zeigt zwei getrennte Kurven, die den Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten aus zwei jeweiligen Experimenten überlagert entsprechen: das erste Experiment, „Kühlgeschwindigkeit Test.004” wurde durchgeführt, indem Helium in dem Spalt verwendet wurde, ein Gas mit hoher thermischer Leitfähigkeit, was zu einem niedrigen thermischen Widerstandswert führt; das zweite Experiment „Kühlgeschwindigkeit Test.005” wurde durchgeführt, indem Stickstoff, ein Gas mit geringer thermischer Leitfähigkeit, in dem Spalt verwendet wurde, was zu einem hohen thermischen Widerstandswert führt. Bei jedem Experiment war das DSC so programmiert, dass es mit 33.33°C/sec (2000°C/min) auf 400°C heizt, woraufhin es ballistisch, d. h. ohne aktive Temperatursteuerung, abkühlen durfte. In dem Fall des Experiments, das mit einem geringen thermischen Widerstandswert durchgeführt wurde, Kühlgeschwindigkeit Test.004, kann die Heizgeschwindigkeit nur auf 150°C gehalten werden, da an diesem Punkt der Infrarotofen maximale Leistung erreicht und die Temperatursteuerung verloren geht und die Heizgeschwindigkeit nicht beibehalten werden kann. Beim Kühlen ist die erreichte maximale Kühlgeschwindigkeit –26.91°C/s bei 327.27°C, und bei 100°C kühlt das DSC mit –10.01°C/s. Im Vergleich wird bei dem Experiment, das durchgeführt wird, indem der hohe thermische Widerstandswert verwendet wird, Kühlgeschwindigkeit Test.005, die programmierte Heizgeschwindigkeit von 33.33°C/s bis 400°C gehalten. Beim Kühlen jedoch ist die erreichte maximale Kühlgeschwindigkeit –17.42°C/s bei 369.92°C, und bei 100°C ist die Kühlgeschwindigkeit –5.574°C/s.
Wie es in der 5 veranschaulicht ist, ermöglicht die Verwendung eines Gases mit geringer thermischer Leitfähigkeit (TC – Thermal Conductivity) in dem thermischen Widerstand eine höhere konstante Heizgeschwindigkeit, die unter der Steuerung mit geschlossener Schleife auf höheren Temperaturen gehalten werden kann. Die Verwendung des Gases mit niedriger TC im thermischen Widerstand jedoch führt außerdem zu einer kleineren Kühlgeschwindigkeit. Die Verwendung eines Gases mit hoher TC in dem thermischen Widerstand führt zu einer niedrigeren Maximaltemperatur, die bei hoher Heizgeschwindigkeit unter Steuerung im geschlossenen Kreis erreicht werden kann, jedoch wird außerdem eine höhere Kühlgeschwindigkeit erreicht.
Mit Bezug wieder zur 5 kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Verhalten beim Heizen/Kühlen abgeändert werden, indem in einem variablen thermischen Widerstand mit gasgefülltem Spalt unterschiedliche Gase verwendet werden, um an experimentelle Bedingungen nach Bedarf anzupassen. Zum Beispiel veranschaulichen die Daten, dass bei einem Experiment, dessen maximale Temperatur niedriger als etwa 125°C ist, stabile Heizgeschwindigkeiten von 33.3°C/s erreichbar sind, wenn Helium verwendet wird. Somit könnte aus Zweckmäßigkeitsgründen Helium sowohl für Heiz- als auch für Kühlzyklen bei Experimenten verwendet werden, bei denen die maximale Temperatur 125°C nicht übersteigt und eine Heizgeschwindigkeit von 33.3°C/s oder weniger gewünscht wird.
Die Möglichkeit, sowohl schnelle Heizgeschwindigkeiten als auch schnelle Kühlgeschwindigkeiten zu erreichen, vereinfacht Messungen von Probeneigenschaften, die schwierig durchzuführen sind, wenn herkömmliche thermische Messvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel ist es für die Messung von Eigenschaften einer teilkristallinen oder nichtkristallinen Probe bei erhöhten Temperaturen erwünscht, schnell auf eine gewünschte Temperatur oder in einen Temperaturbereich zu heizen. Schnelles Heizen vermeidet das Rekristallisieren der Probe, die bei zwischenliegenden Temperaturen während des Heizens mit einer geringeren Geschwindigkeit auftreten könnte. Dies ist der Fall, da eine Substanz, die in teilkristalliner oder nichtkristalliner Form vorliegt, typischerweise in einem metastabilen Zustand vorliegt, der eine höhere freie Energie als ein kristalliner Zustand derselben Substanz hat. Während eines relativ langsameren Heizens kann die Substanz (Probe) eine Temperatur erreichen, die ausreichend ist, eine Energiebarriere in die Rekristallisierung zu überwinden, wobei an diesem Punkt die Probe zu rekristallisieren beginnt, um einen Zustand mit geringerer freier Energie (der stabiler ist) zu erreichen. Anschließend, bei höheren Temperaturen könnte die rekristallisierte (stabil kristalline) Probe zum Beispiel schmelzen. Demgemäß, wenn das Ziel der experimentellen Studie wäre, die Schmelzeigenschaften der teilkristallinen oder nichtkristallinern Form der Substanz zu bestimmen, würde der Zweck vereitelt, wenn eine Vorrichtung mit einer niedrigen Heizgeschwindigkeit für die Probe verwendet würde, da die Probe rekristallisieren würde, bevor sie eine Schmelztemperatur erreicht hat. In ähnlicher Weise vereinfacht die Möglichkeit, die Kühlgeschwindigkeit der Probe zu variieren und hohe Kühlgeschwindigkeiten zu erreichen, das „Einfrieren” der Probenstruktur bei einer hohen Temperatur (durch schnelles Kühlen), ebenso wie die Möglichkeit, die Wirkung der Kühlgeschwindigkeit der Probe auf Übergänge zu studieren, die innerhalb der Probe während des Kühlens stattfinden.
Thermische Messvorrichtungen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, ermöglichen es, dass Experimente durchgeführt werden, die die höheren Heizgeschwindigkeiten verwenden, die bei einer Vorrichtung mit einem hohen thermischen Widerstandswert verfügbar sind, und die hohen Kühlgeschwindigkeiten, die bei einer Vorrichtung mit einem niedrigen thermischen Widerstandswert verfügbar sind, verwendet werden. Allgemeiner ist der innewohnende Kompromiss bei Vorrichtungen mit festem thermischem Widerstandswert, die oben beschrieben wurden, beseitigt. Da die Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten der Probe unabhängig voneinander geändert werden können, indem ein unterschiedlicher thermischer Widerstandswert in der Wärmeheizstufe im Gegensatz zu der Wärmekühlstufe bereitgestellt wird, können bei irgendeinem gegebenen Experiment sowohl das Probenheizen als auch das Probenkühlen maximiert werden. Es soll weiter angemerkt werden, dass die Zeit, die für das Umschalten von einem Widerstand mit niedriger TC auf hohe TC (oder umgekehrt) erforderlich ist, von der Zeit abhängt, die benötigt wird, um das Gas in den Spalt von der Zusammensetzung, die dem Widerstand mit geringer TC entspricht, in die Zusammensetzung, die dem Widerstand mit hoher TC entspricht, zu wechseln.
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der gasgefüllte Spalt ungefähr 0.001 Zoll in die Richtung des vorherrschenden Wärmestromes, was den kürzesten Abstand zwischen der ebenen Silberplatte der Messanordnung und der Wärmesenken-Verlängerung bedeutet.
Es sollte außerdem angemerkt werden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben mit Bezug auf die 1–3 offenbart sind, verwendet werden können, um die Erfindungen, die in den US-Patenten 6 488 406 , 6 561 692 , 6 648 504 und 6 843 595 offenbart sind, welche verschiedene Ausgestaltungen und Komponenten von Vorrichtungen mit Bezug auf die dynamische Differenzkalorimetrie offenbaren, in die Praxis umzusetzen.
Zusammengefasst wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine thermische Messvorrichtung, die für den Einsatz als ein Wärmestrom-DSC geeignet ist, so ausgestaltet, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Systemen eine Kombination schnellerer Heiz- und Kühlgeschwindigkeiten der Probe zur Verfügung stellt. Zusätzlich bieten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eine effizientere Anordnung zum Heizen eines DSC, indem ein Infrarotheizsystem verwendet wird. Schließlich werden vielseitigere Probenmessungen durch Ausführungsformen bereitgehalten, bei denen ein Wärmestrom-DSC einen variablen thermischen Widerstand umfasst. Somit kann die thermische Leitfähigkeit des thermischen Widerstandes während des Heizens der Probe abgesenkt und während des Kühlens der Probe erhöht werden, was es ermöglicht, dass die Heizgeschwindigkeit der Probe und die Kühlgeschwindigkeit der Probe während einer einzigen Probenmessung unabhängig maximiert werden können.
Die voranstehende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen ist zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt worden. Sie ist nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränkend gedacht. Viele Variationen und Modifikationen der hierin beschriebenen Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann im Lichte der obigen Offenbarung deutlich werden. Zum Beispiel umfassen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung einen variablen thermischen Widerstand vom Spalttyp, der in der Lage ist, jedwede Kombination von Gasen zu unterstützen, die einen Gesamtgasdruck von etwa einer Atmosphäre bis zu einem Vakuum zeigen, wobei der letztere Zustand für eine geringere thermische Leitfähigkeit des thermischen Widerstandes sorgt.
Insbesondere soll der Umfang der Erfindung nur durch die hier angehängten Ansprüche und durch ihre Äquivalente definiert sein.
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.

Claims

Thermisches Messsystem, das aufweist: eine Messanordnung zum Aufnehmen einer Probe, wobei die Messanordnung einen länglichen Zylinder aufweist; eine Infrarotlampenanordnung, die am Umfang um den länglichen kreisförmigen Zylinder angeordnet ist und einen Infrarotreflektor (60) aufweist, der einen Hohlraum (46) mit einer Länge, die ungefähr dieselbe ist, wie die des länglichen Zylinders, und der weiterhin eine Bodenplatte aufweist; einen thermischen Widerstand (44), der mit der Messanordnung gekoppelt ist und einen variablen thermischen Widerstandswert hat, wobei der thermische Widerstand (44) aufweist: einen gasgefüllten Spalt (45); eine Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, die einstückig mit der Messanordnung ausgebildet ist; und eine Wärmesenkenfläche, die auf einer Seite des gasgefüllten Spaltes (45) gegenüber der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist; eine Wärmesenke (51), die thermisch mit dem thermischen Widerstand (44) und mit der Infrarotlampenanordnung gekoppelt ist, wobei die Wärmesenke (51) einen äußeren Bereich aufweist, der so gestaltet ist, dass er gegen die Bodenplatte anliegt, und die weiterhin eine Wärmesenken-Verlängerung (52) aufweist, die so gestaltet ist, dass sie sich durch eine Öffnung in der Bodenplatte erstreckt, wenn der äußere Bereich an der Bodenplatte anliegt, und die weiterhin eine Dichtanordnung (57) aufweist, die mit der Messanordnung gekoppelt ist; wobei der thermische Widerstand (44) so betreibbar ist, dass der thermische Widerstandwert zwischen der Messanordnung und der Wärmesenke (51) während der Probenmessung geändert wird, indem eines oder mehreres aus dem Ändern eines Gesamtdruckes innerhalb des Spaltes (45) von etwa Atmosphärendruck zu einem Vakuum und Ändern einer Zusammensetzung des Gases, das in dem Spalt (45) enthalten ist, geändert wird, und wobei die Dichtanordnung (57) so betreibbar ist, dass sie einen Abstand zwischen der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit und der Wärmesenken-Verlängerung (52) so einstellt, dass der gasgefüllte Spalt (45) mit einer vertikalen Höhe von weniger als einigen Zehnteln eines Millimeters zwischen der Platte (50) mit hoher Leitfähigkeit und einer Oberseite der Wärmesenken-Verlängerung (52) erzeugt wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, bei dem der thermische Widerstand (44) im Wesentlichen außerhalb eines Bereiches, der durch den Hohlraum (46) der der Infrarotlampenanordnung bestimmt ist, angeordnet ist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, bei dem die Infrarotlampenanordnung eine Vielzahl länglicher Lampen (26), die mit ihren Längsachsen parallel zu einer Achse des länglichen Zylinders angeordnet sind, und wobei der Infrarotreflektor (60) eine Vielzahl teilquadratischer zylindrischer Flächen aufweist, die jede einen Teil einer zylindrischen Form beschreiben, mit einem ersten Brennpunkt, der mit einer Position einer länglichen Lampe (26) übereinstimmt.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, bei dem der gasgefüllte Spalt (45) einen mittleren vertikalen Spalt mit zwischen 0.0001 Zoll und etwa 0.01 Zoll aufweist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, das weiter einen oder mehrere Durchlässe (53) aufweist, die mit dem gasgefüllten Spalt (45) verbunden und so ausgelegt sind, dass sie Gas an den gasgefüllten Spalt (45) liefern.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, wobei das System so gestaltet ist, dass es einen thermischen Widerstandwert, wenn der gasgefüllte Spalt (45) Helium aufweist, erzeugt, der ein Vielfaches niedriger als ein thermischer Widerstand ist, wenn der gasgefüllte Spalt (45) Stickstoff aufweist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, wobei das System so ausgelegt ist, dass eine Gaszusammensetzung des gasgefüllten Spaltes (45) während der Probenmessung geändert wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, das weiterhin einen oder mehrere dünne Abstandhalter aufweist, die horizontal in einem Abstandhalterstapel zwischen der Wärmesenken-Verlängerung (52) und der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet sind, wobei der Abstandhalterstapel so ausgelegt ist, dass er einen mittleren vertikalen Gesamtspalt mit einer Abmessung von 0.0001 Zoll bis 0.01 Zoll erzeugt, wenn eine Oberseite und eine Unterseite des Abstandhalterstapels in Kontakt mit jeweils der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit und der Wärmesenken-Verlängerung (52) gebracht wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, bei dem die Messanordnung eine Sensoranordnung (43) mit einem Probenhalter (75) und einem Referenzhalter (76) aufweist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 9, bei dem der Probenhalter (75) und der Referenzhalter (76) Hohlzylinder aufweisen.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 9, bei dem ein Basisbereich (71) der Sensoranordnung (43) ein erstes Material eines Thermokopplungspaares aufweist und bei dem der Proben- und der Referenzhalter (75, 76) jeder ein zweites Material des Thermokopplungspaares aufweist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 9, bei dem die Messanordnung eine Masse zwischen 10 und 100 Gramm aufweist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 9, bei dem ein Volumen der Hohlräume (77, 78) von Proben- und Referenzhalter (75, 76) zwischen 0.001 und 0.01 Kubikzentimetern liegt.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 1, bei dem der längliche Zylinder Silber aufweist.
Verfahren zum Durchführen einer thermischen Analyse, das umfasst: Bereitstellen eines variablen thermischen Widerstandes (44) zwischen einer Probenmessanordnung und einer Wärmesenke (51) in einem thermischen Analysewerkzeug, wobei der thermische Widerstand (44) einen gasgefüllten Spalt (45) aufweist, der einen oder mehrere dünne Abstandhalter enthält, die horizontal in einem Abstandhalterstapel zwischen der Wärmesenke (51) und der Probenmessanordnung angeordnet sind; Heizen einer Probe in der Probenmessanordnung, wenn der variable Widerstand (44) einen ersten thermischen Widerstandswert hat; Abändern des variablen Widerstandes (44), indem eines oder mehreres aus dem Ändern eines Gesamtdruckes innerhalb des Spaltes (45) von etwa Atmosphärendruck zu einem Vakuum und Ändern einer Zusammensetzung des Gases, das in dem Spalt (45) enthalten ist, geändert wird, so dass der variable Widerstand (44) einen zweiten thermischen Widerstandwert hat, der sich von dem ersten thermischen Widerstandswert unterscheidet; und Kühlen der Messprobe, während der variable Widerstand (44) den zweiten thermischen Widerstand hat, wobei der eine oder die mehreren dünnen Abstandhalter derart angeordnet sind, dass sie eine Mehrzahl Gasschichten zwischen der Wärmesenke (51) und der Probenmessanordnung bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der gasgefüllte Spalt (45) so ausgelegt ist, dass er Gas durch einen Durchlass (55) erhält, der mit dem gasgefüllten Spalt (45) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der erste thermische Widerstand in Bezug auf den zweiten thermischen Widerstand größer ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Gas in dem gasgefüllten Spalt (45) während des Heizens Stickstoff und während des Kühlens Helium aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Abstandhalterstapel so ausgelegt ist, dass er einen mittleren vertikalen Gesamtspalt mit einer Abmessung von 0.0001 Zoll bis 0.01 Zoll erzeugt, wenn eine obere Seite und eine untere Seite des Abstandhalterstapels in Kontakt mit jeweils der Probenmessanordnung und der Wärmesenke (51) gebracht wird.
Thermisches Messsystem, das aufweist: eine Messanordnung zum Aufnehmen einer Probe, wobei die Messanordnung einen länglichen Zylinder aufweist, der so ausgelegt ist, dass er Wärme von einer Wärmequelle außerhalb des länglichen Zylinders erhält; einen thermischen Widerstand (48), der mit der Messanordnung gekoppelt ist und einen variablen thermischen Widerstandswert hat; und eine Wärmesenke (51), die thermisch mit dem thermischen Widerstand (48) gekoppelt ist, wobei der thermische Widerstand (48) so betreibbar ist, dass der thermische Widerstandswert zwischen der Messanordnung und der Wärmesenke (51) während der Probenmessung geändert wird, indem eines oder mehreres aus dem Ändern eines Gesamtdruckes innerhalb eines gasgefüllten Spaltes (45) des thermischen Widerstands (48) von etwa Atmosphärendruck zu einem Vakuum und Ändern einer Zusammensetzung des Gases, das in dem Spalt (45) enthalten ist, geändert wird, wobei der gasgefüllte Spalt (45) einen oder mehrere dünne Abstandhalter enthält, die horizontal in einem Abstandhalterstapel zwischen der Wärmesenke (51) und der Probenmessanordnung angeordnet sind, und wobei der eine oder die mehreren dünnen Abstandhalter derart angeordnet sind, dass sie eine Mehrzahl Gasschichten zwischen der Wärmesenke (51) und der Probenmessanordnung bereitstellen.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 20, bei dem der thermische Widerstand (48) so betreibbar ist, dass sein thermischer Widerstandswert geändert wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 21, bei dem der thermische Widerstand (48) weiter aufweist: eine Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, die einstückig mit der Messanordnung ausgebildet ist; und eine Wärmesenkenfläche, die auf einer Seite des Spaltes (45) gegenüber der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist; wobei der Abstandhalterstapel so ausgelegt ist, dass er einen mittleren vertikalen Gesamtspalt mit einer Abmessung von 0.0001 Zoll bis 0.01 Zoll erzeugt, wenn eine Oberseite und eine Unterseite des Abstandhalterstapels in Kontakt mit jeweils der Platte (50) mit hoher thermischer Leitfähigkeit und der Wärmesenken-Verlängerung (52) gebracht wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 21, bei dem der gasgefüllte Spalt (45) so ausgelegt ist, dass er Gas von einer externen Quelle erhält.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 23, bei dem der gasgefüllte Spalt (45) so ausgelegt ist, dass sich sein thermischer Widerstandswert ändert, wenn eine Zusammensetzung des Gases, das in dem gasgefüllten Spalt (45) enthalten ist, geändert wird.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 21, bei dem der gasgefüllte Spalt (45) so ausgelegt ist, dass er ein Vakuum unterstützt.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 20, weiter mit einer Infrarotlampenanordnung, die am Umfang um den länglichen kreisförmigen Zylinder angeordnet ist und einen Reflektorhohlraum umfasst, der eine Länge hat, die ungefähr dieselbe ist wie die des länglichen kreisförmigen Zylinders, wobei der thermische Widerstand (44) in einem Bereich außerhalb des länglichen kreisförmigen Zylinders angeordnet ist.
Thermisches Messsystem nach Anspruch 20, bei dem der eine oder die mehreren dünnen Abstandhalter ein oder mehrere dünne Metallbleche sind.