DE19910924A1 - Calorimeter; has coolant-evaporation device to produce complete phase transition of coolant from liquid to gas in front of cooling area in contact with edge of heatable measuring cell - Google Patents
Calorimeter; has coolant-evaporation device to produce complete phase transition of coolant from liquid to gas in front of cooling area in contact with edge of heatable measuring cellInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Kalorimeter für den Betrieb bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur, insbesondere für tiefste Temperaturen. Die gängigen Mess systeme werden beispielsweise als DSC (differential scanning calorimeter) oder als TMDSC (temperature-modulated differential scanning calorimeter) bezeichnet und um fassen eine als Ofen ausgebildete Messzelle, die von einer Kühlvorrichtung kühlbar ist. Im Ofen ist ein hochempfindlicher Sensor zur Wärmestromerfassung angeordnet, der Unterschiede zwischen dem Wärmefluss zum Probentiegel und dem Wärmefluss zum Referenztiegel erfassbar macht.The invention relates to calorimeters for operation at temperatures below Ambient temperature, especially for the lowest temperatures. The common measurement systems are used, for example, as DSC (differential scanning calorimeter) or as TMDSC (temperature-modulated differential scanning calorimeter) and around contain a measuring cell designed as an oven, which can be cooled by a cooling device. A highly sensitive sensor for heat flow detection is arranged in the furnace Differences between the heat flow to the sample crucible and the heat flow to Makes reference crucible detectable.
Weil die bekannten Kalorimeter eine schwache Kühlkopplung zwischen dem Ofen und der Kühlvorrichtung vorsehen, können in der Regel keine Messungen bis zu tiefsten Temperaturen bis nahezu an den absoluten Nullpunkt durchgeführt werden. Tiefere Temperaturen sind nicht stabil einstellbar. Zudem sind diese Kühlvorrichtungen auf grund ihres hohen Kühlmittelverbrauchs und der schlechten Kontrollierbarkeit (Rege lung) der Temperaturverteilung, bzw. deren Homogenität, nicht effizient. Es treten auch Kondensations- bzw. Vereisungsprobleme auf, insbesondere in Kombination mit einem Probenwechsel durch einen Roboter. Um auch bei tiefen Temperaturen exakte Mes sungen durchführen zu können, wurde bereits vorgeschlagen die Messzeile bzw. den Ofen bei der Messung in einem topfförmigen bzw. zylindrischen Kryostaten, z. B. ein Dewargefäss, anzuordnen (Meas. Sci. Techol. 9 (1998) 1866-1872; Jan K. Krüger et al.). Die Messzelle ist dabei über mindestens ein Chromstahlröhrchen an einem den Kryostaten abschliessenden Deckel befestigt. Um eine genügende Kühlung zu gewähr leisten, hat der Kryostat eine Aufnahmetiefe für die Messzelle von mehr als 15 cm. Die ser hohe Freiraum über der eingesetzten Messzelle ermöglicht störende Konvektions strömungen. Darum sind über der Messzelle an den Röhrchen zwei Metallscheiben als Konvektions- und Strahlungsschilder angeordnet. Weil die Metallscheiben einen Rings palt freilassen, können trotz dieser Scheiben Konvektionsströmungen auftreten. Das Wechseln einer Probe ist sehr umständlich, weil der Deckel des Kryostaten mitsamt der Messzelle und deren Anschlussleitungen herausgenommen und das Wechseln im en gen Raum unterhalb der unteren Metallscheibe durchgeführt werden muss. Ein auto matischer Probenwechsel ist ausgeschlossen. Because the known calorimeter has a weak cooling coupling between the furnace and the cooling device can usually not take measurements down to the deepest Temperatures up to almost zero are carried out. Deeper Temperatures cannot be set stably. In addition, these cooling devices are on due to their high coolant consumption and poor controllability (rain temperature distribution, or their homogeneity, not efficient. It also occur Condensation or icing problems, especially in combination with one Sample change by a robot. To ensure exact measurements even at low temperatures To be able to carry out solutions, the measuring line or the Oven when measuring in a cup-shaped or cylindrical cryostat, e.g. B. a Dewar vessel to be arranged (Meas. Sci. Techol. 9 (1998) 1866-1872; Jan K. Krüger et al.). The measuring cell is connected to at least one chrome steel tube Cryostat-closing lid attached. To ensure sufficient cooling the cryostat has a depth for the measuring cell of more than 15 cm. The This high free space above the measuring cell enables disruptive convection currents. That is why there are two metal disks on the tubes above the measuring cell Convection and radiation shields arranged. Because the metal washers make a ring if left blank, convection currents can occur despite these disks. The Changing a sample is very cumbersome because the lid of the cryostat together with the Measuring cell and its connection lines removed and changing in the en must be carried out in the space below the lower metal disc. A car Matic sample change is excluded.
Eine hohe Messgenauigkeit bei tiefen Temperaturen und bei langzeitigen Messvorgän gen stellt auch hohe Anforderungen an den Kryostaten. Nebst einer guten Isolierung mit einem Vakuummantel, soll vorzugsweise eine ununterbrochene, effiziente Kühllei stung bei kleinem Kühlmittelverbrauch gewährleistet werden. Der Kryostat soll im Be reich der Messzelle eine möglichst konstante räumliche und zeitliche Temperaturver teilung erzielbar machen. Zum Bereitstellen tiefer Messtemperaturen wurde bereits vor geschlagen (Meas. Sci. Techol. 9 (1998) 1866-1872; Jan K. Krüger et al.) Stickstoff oder Helium als Kühlflüssigkeit von einem Dewar-Gefäss ohne Überdruck durch eine Kühlleitung des Kryostaten zu pumpen. Die Kühlleitung verläuft im Kühlbereich wen delförmig um die zylindrische Innenberandung des Kryostaten. Um einen guten und möglichst homogenen Wärmeaustausch zwischen der Kühlleitung und der Innenberan dung zu gewährleisten, liegt die Kühlleitung an einem Berandungsbereich mit guter Wärmeleitfähigkeit an. Weil der Kühlflüssigkeits-Vorrat nicht unter Druck steht, kann während des Kühlbetriebs Kühlflüssigkeit nachgefüllt werden, was beliebig lange Mess vorgänge ermöglicht. Ein kleiner Kühlflüssigkeits-Verbrauch und eine konstante Tem peraturverteilung konnte mit dem beschriebenen Vakuummantel weitmöglichst gewähr leistet werden. Trotzdem zeigen Temperaturzeitreihen bei scheinbar konstanter Tempe ratur Schwankungen im Bereich von über 0.02°K. Solche Temperaturschwankungen können die Genauigkeit der gemessenen spezifischen Wärme beeinträchtigen.High measuring accuracy at low temperatures and with long-term measuring processes gen also places high demands on the cryostat. In addition to good insulation with a vacuum jacket, should preferably be an uninterrupted, efficient cooling cable performance with low coolant consumption. The cryostat is said to be in Be the measuring cell ensures that the temperature and temp Make division achievable. To provide low measuring temperatures has already been done beaten (Meas. Sci. Techol. 9 (1998) 1866-1872; Jan K. Krüger et al.) nitrogen or helium as cooling liquid from a Dewar vessel without overpressure by a Pump the cooling line of the cryostat. The cooling line runs in the cooling area Del-shaped around the cylindrical inner edge of the cryostat. To be a good and Heat exchange between the cooling line and the interior is as homogeneous as possible To ensure that the cooling line is in good condition Thermal conductivity. Because the coolant supply is not under pressure, can during the cooling operation, coolant can be refilled, which can be measured for any length of time operations enabled. A small coolant consumption and a constant tem temperature distribution could be guaranteed as far as possible with the described vacuum jacket to be achieved. Nevertheless, temperature time series show an apparently constant temperature fluctuations in the range of over 0.02 ° K. Such temperature fluctuations can affect the accuracy of the measured specific heat.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Kalorimeter zu finden, bei dem die Messung in einem Kryostaten durchführbar ist, ohne dass die Messung durch Störfaktoren, wie Konvektionsströmungen, Kondensation/Vereisung und/oder zeitliche Temperaturschwankungen im Kryostaten, beeinträchtigt werden. Zudem soll der Proben wechsel einfach und insbesondere auch automatisch erfolgen können. Auf keinen Fall darf während des Betriebes und insbesondere beim Probenwechsel Kondensation oder Verei sung auftreten.The object of the present invention is to find a calorimeter at which the measurement can be carried out in a cryostat without the measurement Disruptive factors such as convection currents, condensation / icing and / or temporal Temperature fluctuations in the cryostat are affected. In addition, the rehearsal change can be done easily and especially automatically. Under no circumstances condensation or freezing during operation and especially when changing samples solution occur.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die abhängigen An sprüche beschreiben alternative bzw. vorteilhafte Ausführungsformen.This object is solved by the features of claim 1. The dependent types sayings describe alternative or advantageous embodiments.
Beim Lösen der Aufgabe wurde erkannt, dass die Messzelle nicht am Abschlussdeckel des Kryostaten, sondern an einem festen Teil des Kryostaten, vorzugsweise am Boden oder gegebenenfalls an der Seitenwand befestigt werden soll. Dadurch können die Anschluss verbindungen an einem unbewegten Teil aus dem Kryostaten geführt werden, was den Probenwechsel vereinfacht. Zudem wird die Abkühlgeschwindigkeit durch die Wärmeüber tragung via Wärmeleitung erhöht.When completing the task, it was recognized that the measuring cell was not on the end cover of the Cryostat, but on a fixed part of the cryostat, preferably on the ground or if necessary, to be attached to the side wall. This allows the connection connections on an immovable part from the cryostat, which the Sample change simplified. In addition, the cooling rate is transferred by the heat increased heat conduction.
Um Konvektionsströmungen im Bereich der Probe zu vermeiden, wird ein betätigbarer Messzellendeckel an der Öffnung der Messzelle bzw. des Ofens angeordnet. Der Ab schlussdeckel gewährleistet lediglich das Verschliessen des Kryostaten und kann mit einer beliebigen bekannten Betätigungsvorrichtung versehen werden. Das Kalorimeter soll mög lichst einfach, insbesondere auch mit bekannten Robotern zum automatischen Wechseln von Proben, einsetzbar sein. Dazu wird vorzugsweise eine gemeinsame Betätigung des Abschlussdeckels und des Messzellendeckels bzw. des Ofendeckels vorgesehen. Um le diglich einen kleinen Freiraum über dem Abschlussdeckel zu benötigen, ermöglicht die be vorzugte Betätigungsvorrichtung beim Öffnen und Schliessen des Abschlussdeckels eine Hebe-Schwenkbewegung, bei der der Deckel lediglich um etwas mehr als die Einstecktiefe angehoben wird. Der Messzellendeckel soll vorzugsweise aufgeklappt werden, so dass er im offenen Zustand einen kleinen Querschnittsbereich im Kryostaten beansprucht. Wenn beide Deckel offen sind ist die gesamte Öffnung der Messzelle von oben frei zugänglich.In order to avoid convection flows in the area of the sample, an operable one Measuring cell cover arranged at the opening of the measuring cell or the furnace. The Ab the end cover only ensures that the cryostat is closed and can be closed with a any known actuator can be provided. The calorimeter should be possible As simple as possible, especially with known robots for automatic changing of samples, can be used. For this purpose, a common actuation of the End cover and the measuring cell cover or the furnace cover provided. To le Only the need for a small space above the end cover enables be preferred operating device when opening and closing the end cover Lift-swivel movement, in which the cover is only slightly more than the insertion depth is raised. The measuring cell cover should preferably be opened so that it claimed a small cross-sectional area in the cryostat when open. If Both covers are open, the entire opening of the measuring cell is freely accessible from above.
Beim Beseitigen der Störungseinflüsse wurde erkannt, dass die Messungen nicht nur von Konvektionsströmungen beeinflusst werden. Es gehen auch vom Kühlen mit einer ver dampfbaren Kühlflüssigkeit, wie flüssigem Stickstoff oder Helium, Störungen aus. Wenn das flüssige Kühlmittel in den zum Kühlen des Kryostaten vorgesehenen Kühlleitungen ver dampft, so gibt es Bereiche in den Leitungen in denen sich lediglich Flüssigkeit, lediglich Gas, oder aber Gas und Flüssigkeit befinden. Dies kann zu bereichsweise unterschiedli chen Temperaturen führen. Weil diese Bereiche nicht stationär sind, sondern sich verschie ben, treten lokal zeitliche Temperaturschwankungen im Kryostaten bzw. an dessen Innen berandung auf. Zudem führen die beim Verdampfen entstehenden Gasblasen zu Vibratio nen bzw. akustischen Signalen, die sich störend auf die Messungen des hochempfindli chen Sensors auswirken. Versuche haben gezeigt, dass mit einem Verdampfungsbe reich bzw. einer Verdampfungsvorrichtung vor dem kühlungswirsamen Kühlleitungsbe reich des Kryostaten die Amplituden der zeitlichen Temperaturschwankungen wesent lich verkleinert werden können. Die Verdampfungsvorrichtung soll gewährleisten, dass das Kühlmittel vollständig verdampft und das entstehende Gas nicht unnötig erwärmt ist, sondern eine Temperatur nahe bei der dem vorliegenden Druck entsprechenden Verdampfungstemperatur hat. When eliminating the interference, it was recognized that the measurements were not only from Convection currents can be influenced. It also goes from cooling with a ver vaporizable cooling liquid, such as liquid nitrogen or helium. If that liquid coolant in the cooling lines provided for cooling the cryostat vapors, there are areas in the lines in which there is only liquid, only Gas, or gas and liquid. This can differ from area to area temperatures. Because these areas are not stationary, but different temperature fluctuations occur locally in the cryostat or on the inside thereof border on. In addition, the gas bubbles generated during evaporation lead to vibrations NEN or acoustic signals that interfere with the measurements of the highly sensitive Chen sensor impact. Tests have shown that with an evaporation chamber rich or an evaporation device in front of the cooling effective Kühlleitungsbe of the cryostat, the amplitudes of the temporal temperature fluctuations are essential can be reduced in size. The evaporator is designed to ensure that the coolant evaporates completely and the resulting gas is not heated unnecessarily but a temperature close to that corresponding to the present pressure Evaporation temperature has.
Dabei ist es insbesondere zweckmässig die Verdampfung mit einem Regelkreis zu kontrollieren. Der Regelkreis umfasst vorzugsweise mindestens einen Temperatursen sor, eine Verdampfungsheizung und eine Steuerung. Die Steuerung regelt die Heiz leistung der Verdampfungsheizung entsprechend der Temperatur des Kühlgases das in die weiterführende Kühlleitung gelangt. Das von der Verdampfungsvorrichtung in den aktiven Kühlbereich des Kryostaten gelangende Kühlgas soll eine im wesentlichen feste Temperatur haben.It is particularly expedient to use evaporation with a control loop check. The control loop preferably comprises at least one temperature sensor sor, an evaporation heater and a controller. The control regulates the heating performance of the evaporation heater according to the temperature of the cooling gas the further cooling line arrives. That from the evaporator in the Cooling gas entering the active cooling area of the cryostat is said to be an essentially solid Have temperature.
Um die in der Verdampfungsvorrichtung entstehenden Vibrationen zu dämpfen, soll die Verdampfungsvorrichtung genügend Masse haben und/oder so gut wie möglich mechanisch von der Innenberandung des Kryostaten und/oder der Befestigung der Messzelle bzw. des Sensors entkoppelt werden. Insbesondere wird durch die Gestaltung der Verdamp fungsvorrichtung und des Anschlusses der Kühlleitung verhindert, dass sich Vibrationen im Kühlgas oder der Kühlleitungswand ausbreiten können. Es versteht sich von selbst, dass die Verdampfungsvorrichtung gegebenenfalls auch lediglich als beheizbarer Kühlleitungsabschnitt ausgebildet werden kann.In order to dampen the vibrations arising in the evaporation device, the Evaporation device have sufficient mass and / or mechanical as much as possible of the inner edge of the cryostat and / or the attachment of the measuring cell or the Sensors are decoupled. In particular, the design of the evaporator device and the connection of the cooling line prevents vibrations can spread in the cooling gas or the cooling pipe wall. It goes without saying that the evaporation device may also only be a heatable one Cooling line section can be formed.
Mit den erfindungsgemässen Ausführungsformen können Messungen der spezifischen Wärme einer Probe in einem Kryostaten durchgeführt werden, ohne dass die Messungen durch Störfaktoren, wie Konvektionsströmungen und/oder zeitliche Temperaturschwankun gen des Kryostaten, beeinträchtigt werden. Der Probenwechsel kann einfach und insbeson dere auch automatisch durchgeführt werden, weil nach dem Öffnen des Abschlussdeckels und des Messzellendeckels der Probentiegel von oben frei zugänglich ist.With the embodiments according to the invention, measurements of the specific Heat a sample in a cryostat without the measurements due to disruptive factors such as convection currents and / or temporal temperature fluctuations against the cryostat. The sample change can be simple and in particular which can also be carried out automatically because after opening the cover and the measuring cell cover the sample crucible is freely accessible from above.
Die Zeichnungen erläutern das erfindungsgemässe Kalorimeter anhand eines Ausfüh rungsbeispieles. Dabei zeigtThe drawings explain the calorimeter according to the invention using an embodiment example. It shows
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Kalorimeter mit einem Bowdenzug Fig. 1 shows a vertical section through a calorimeter with a Bowden cable
Fig. 2 schematische Seitenansicht einer Rampenführung zur Betätigung des Ab schlussdeckels Fig. 2 shows a schematic side view of a ramp guide for actuating the end cover
Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch ein Kalorimeter mit einer Hebelbetätigungsvor richtung Fig. 3 shows a vertical section through a calorimeter with a Hebelbetantriebvor direction
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Kalorimeters 1. Eine Messzelle 2 ist auf dem Innenboden 3 eines Kryostaten 4 angeordnet. Die Messzelle 2 umfasst einen topfförmigen Aufnahmeteil 5, an dessen inneren Boden ein Sensor 6 angeordnet ist. Der Aufnahmeteil 5 ist von einem Messzellendeckel 5a verschliessbar, so dass bei geschlossenem Messzellendeckel 5a keine Messstörungen aufgrund von Konvektionsströmungen auftreten können. Um die Anschlussleitungen des Sensors 6, der aus Keramik bestehen kann, nach aussen zu führen und gegebenenfalls auch eine Spülgaszuführung in den Aufnahmeteil 5 bereitzustellen, ist ein Einsteckbereich 7 des Sensors 6 durch den Innenboden 3, ein Durchführungsrohr 8 und einen Aussenboden 9 des Kryostaten 4 aus dem Kryostaten 4 geführt und mit einer nicht dargestellten Befe stigungsvorrichtung befestigt. Die Befestigungsvorrichtung umfasst gegebenenfalls eine Anpresseinheit, die den Sensor 6 mit seiner Unterseite an den Aufnahmeteil 5 presst. Die Anschlussleitungen und die Spülgaszuführung werden über eine vakuumdichte Anschlusseinrichtung 10 mit nicht dargestellten weiterführenden Leitungen verbunden. Durch den Innenboden 3 führen vorzugsweise Anschlussbohrungen 3a, an die nicht eingezeichnete Trockengaszuführungen angeschlossen werden, so dass bei einem of fenen Kryostaten 4 durch das Zuführen von Trockengas ein Eintreten und Kondensie ren bzw. Gefrieren von Umgebungsluft verhindert werden kann. Der Innenboden 3 ent hält im Inneren eine in der Zeichnung nicht dargestellte, ringförmige Aussparung, an deren Unterseite die Trockengasleitung angeschlossen ist. An der Oberseite des In nenbodens 3 befinden sich Düsen, die die ringförmige Aussparung mit der Innenkam mer verbinden. In der ringförmigen Aussparung wird das Trockengas vortemperiert. Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive calorimeter 1. A measuring cell 2 is arranged on the inner bottom 3 of a cryostat 4 . The measuring cell 2 comprises a cup-shaped receiving part 5 , on the inner bottom of which a sensor 6 is arranged. The receiving part 5 can be closed by a measuring cell cover 5 a, so that when the measuring cell cover 5 a is closed, no measurement disturbances due to convection currents can occur. In order to lead the connecting lines of the sensor 6 , which may be made of ceramic, to the outside and possibly also to provide a purge gas supply to the receiving part 5 , there is an insertion area 7 of the sensor 6 through the inner bottom 3 , a lead-through tube 8 and an outer bottom 9 of the cryostat 4 led out of the cryostat 4 and attached to a fastening device (not shown). The fastening device optionally includes a pressing unit, which presses the sensor 6 with its underside onto the receiving part 5 . The connecting lines and the purge gas supply are connected to further lines, not shown, via a vacuum-tight connecting device 10 . Through the inner floor 3 lead connection holes 3 a, to which dry gas feeds (not shown) are connected, so that in an open cryostat 4 by the supply of dry gas, entry and condensation or freezing of ambient air can be prevented. The inner floor 3 ent holds an annular recess, not shown in the drawing, to the underside of which the dry gas line is connected. At the top of the inner nenboden 3 there are nozzles that connect the annular recess with the inner chamber. The drying gas is preheated in the annular recess.
An einem Anschlussring 11 des Aussenbodens 9 ist ein äusserer Zylindermantel 12 des Kryostaten 4 dicht mit dem Aussenboden 9 verbunden. Am oberen Ende des äusseren Zylindermantels 12 ist über einem weiteren Anschlussring 11 ein Anschlussflansch 13 mit Leitungsdurchführungen angeordnet. Auf dem Anschlussflansch 13 ist ein Ab schlussringteil 14 mit einer zentralen Kryostatöffnung 15 angeordnet. Die Kryostatöff nung 15 ist von einem Abschlussdeckel 16, vorzugsweise mit einem Dichtungsring 17, im wesentlichen dicht verschliessbar. Um die Messzelle 2 auf eine gewünschte Tempe ratur bringen zu können, ist ein Heizteil 18 vorzugsweise mit zwei Isolationsscheiben unter dem Aufnahmeteil 5 angeordnet. Zwischen dem Heizteil 18 und dem Innenboden 3 ist eine Zwischenschicht 24 angeordnet, die vorzugsweise eine tiefe Wärmeleitfähig keit aufweist. Im Aufnahmeteil 5 ist ein nicht dargestellter Temperatursensor angeord net. Die Anschlussleitungen des Heizteils 18 und des nicht dargestellten Temperatur sensors werden durch mindestens ein Schutzrohr 19 von der Messzelle 2 zu einer Durchführung im Anschlussflansch 13 und anschliessend zu einer nicht dargestellten Steuerung/Regelung des Kalorimeters 1 geführt. On a connecting ring 11 of the outer base 9 , an outer cylinder jacket 12 of the cryostat 4 is tightly connected to the outer base 9 . At the upper end of the outer cylinder jacket 12 , a connection flange 13 with cable bushings is arranged over a further connection ring 11 . On the connecting flange 13 , a closing ring part 14 is arranged with a central cryostat opening 15 . The Kryostatöff opening 15 is from a cover 16 , preferably with a sealing ring 17 , essentially tightly closed. In order to bring the measuring cell 2 to a desired temperature, a heating part 18 is preferably arranged with two insulation washers under the receiving part 5 . Between the heating part 18 and the inner bottom 3 , an intermediate layer 24 is arranged, which preferably has a deep thermal conductivity. In the receiving part 5 , a temperature sensor, not shown, is net angeord. The connecting lines of the heating part 18 and the temperature sensor (not shown) are led through at least one protective tube 19 from the measuring cell 2 to a passage in the connection flange 13 and then to a control / regulation of the calorimeter 1 , not shown.
Die Innenberandung des Kryostaten 4 wird von einem dünnwandigen inneren Zylinder mantel 20 gebildet, der oben dicht mit dem Anschlussflansch 13 und unten dicht mit dem oberen Rand des Kontaktmantels 21 mit dem Innenboden 3 verbunden ist. Der Hohlraum zwischen dem inneren und dem äusseren Zylindermantel 20 bzw. 12 ist nach aussen dicht abgeschlossen und zur Gewährleistung einer guten Isolation ist darin ein Vakuum aufgebaut. Um die Innenberandung 20 und damit den Innenraum des Kryostaten 4 effizient und homogen kühlen zu können, ist in einem Kühlbereich ein Kontaktmantel 21 angeordnet mit einer an dessen Aussenseite wendelförmig verlau fenden Rille 22 zur Aufnahme einer nur am Rillenanfang und Rillenende dargestellten Kühlleitung 23. Das flüssige Kühlmittel gelangt durch einen Kühlmittelanschluss 13a im Anschlussflansch 13 in einen ersten, gegen unten führen den, Bereich der Kühlleitung 23. Im Hohlraum zwischen dem Aussenboden 9 und dem Innenboden 3 schliesst die Kühlleitung 23 an eine Wärmeleitungs-Platte 25, vorzugsweise eine Kupferplatte, einer Kühlmittel-Verdampfungsvorrichtung 26 an. Die Wärmeleitungs-Platte 25 ist vorzugs weise an der Kühlmittelversorgungsleitung 23 und an der Verbindungsleitung dem die Messzelle 2 tragenden Innenboden 3 beabstandet angeordnet und insbesondere am Durchführungsrohr 8 befestigt. Die Wärmeleitungsplatte 25 hat eine hinreichend grosse zentrale Bohrung um jeden thermischen Kontakt mit dem Durchführungsrohr 8 zu ver meiden.The inner edge of the cryostat 4 is formed by a thin-walled inner cylinder jacket 20 which is tightly connected at the top to the connecting flange 13 and at the bottom tightly to the upper edge of the contact jacket 21 with the inner bottom 3 . The cavity between the inner and the outer cylinder jacket 20 or 12 is sealed off from the outside and a vacuum is built up therein to ensure good insulation. In order to be able to cool the inner edge 20 and thus the interior of the cryostat 4 efficiently and homogeneously, a contact jacket 21 is arranged in a cooling area with a helically extending groove 22 on the outside thereof for receiving a cooling line 23 shown only at the beginning and end of the groove. The liquid coolant passes through a coolant connection 13 a in the connection flange 13 into a first region of the cooling line 23 leading downwards. In the cavity between the outer floor 9 and the inner floor 3, the cooling line 23 connects to a heat conduction plate 25 , preferably a copper plate, of a coolant evaporation device 26 . The heat conduction plate 25 is preferably arranged on the coolant supply line 23 and on the connecting line to the inner bottom 3 carrying the measuring cell 2 and in particular attached to the lead-through tube 8 . The heat conduction plate 25 has a sufficiently large central bore to avoid any thermal contact with the feed-through tube 8 .
Die Wärmeleitungs-Platte 25 steht mit einer, vorzugsweise an deren Oberseite ange ordneten, Verdampfungsheizung 27 in Wärmeleitungskontakt. Das Kühlmittel gelangt durch Hohlräume 28 in der Platte 25 und/oder durch einen nicht dargestellten Bereich der Kühlleitung, welcher in Wärmeleitungskontakt mit der Platte geführt ist. Um einen effizienten Wärmeleitungskontakt zu gewährleisten, sind an der Unterseite der Platte 25 gegebenenfalls Vertiefungen bzw. Rillen für die Kühlleitung ausgebildet. Die Kühlmittel- Verdampfungsvorrichtung 26 soll mittels der durch die Verdampfungsheizung 27 zuge führten Wärme einen im wesentlichen vollständigen Phasenüberganges des Kühlmittels vom flüssigen in den gasförmigen Zustand gewährleisten, so dass in der weiterführen den Kühlleitung 23 Kühlgas mit einer Temperatur nahe bei der dem vorliegenden Druck entsprechenden Verdampfungstemperatur weiterströmt. Dabei ist es insbesondere zweckmässig die Verdampfung mit einem nicht dargestellten Regelkreis zu kontrollie ren. Der Regelkreis umfasst vorzugsweise mindestens einen Temperatursensor, eine Speisung der Verdampfungsheizung 27 und eine Steuerung. Durch das Steuern der Speisung in Abhängigkeit des aktuellen Temperaturwertes kann gewährleistet werden, dass das weiterströmende Kühlgas die gewünschte Temperatur hat. The heat conduction plate 25 is in contact with a, preferably arranged on the top, evaporative heating 27 in heat conduction. The coolant passes through cavities 28 in the plate 25 and / or through an area of the cooling line, not shown, which is in thermal contact with the plate. In order to ensure efficient heat conduction contact, depressions or grooves for the cooling line are optionally formed on the underside of the plate 25 . The coolant evaporation device 26 is to ensure, by means of the heat supplied by the evaporation heater 27 , an essentially complete phase transition of the coolant from the liquid to the gaseous state, so that in the coolant line 23 cooling gas with a temperature close to the evaporation temperature corresponding to the present pressure flows on. It is particularly expedient to control the evaporation with a control circuit (not shown). The control circuit preferably comprises at least one temperature sensor, a supply for the evaporation heater 27 and a controller. By controlling the supply depending on the current temperature value, it can be ensured that the cooling gas flowing on has the desired temperature.
Um die in der Verdampfungsvorrichtung 26 gegebenenfalls beim Verdampfen entstehenden Vibrationen zu dämpfen, soll die Verdampfungsvorrichtung genügend Masse haben und/oder so gut wie möglich mechanisch von der Innenberandung des Kryostaten und/oder der Befestigung der Messzelle bzw. des Sensors entkoppelt werden. Anstelle der darge stellten Befestigung an den Leitungen 23 könnte die die Befestigung auch am äusseren Zylindermantel 12 oder insbesondere am Aussenboden 9 vorgesehen werden und müsste dann aber über hinreichend dünne und lange Halter thermisch vom Zylinder mantel abgeschirmt werden.In order to dampen the vibrations that may occur in the evaporation device 26 during evaporation, the evaporation device should have sufficient mass and / or be mechanically decoupled as well as possible from the inner edge of the cryostat and / or the attachment of the measuring cell or the sensor. Instead of the Darge presented attachment to the lines 23 , the attachment could also be provided on the outer cylinder jacket 12 or in particular on the outer bottom 9 and would then have to be thermally shielded from the cylinder jacket via sufficiently thin and long holders.
Von der Verdampfungsvorrichtung 26 gelangt das Kühlgas durch die Kühlleitung 23 zum Kühlbereich mit dem Kontaktmantel 21. Nach dem Durchströmen der Kühlwendel am Kontaktmantel 21 wird das Kühlgas durch einen Kühlmittelanschluss 13a im Anschluss flansch 13 aus dem Kryostaten 4 geführt. Der Kontaktmantel 21 hat innenseitig eine durch eine gefräste Spirale künstlich vergrösserte Oberfläche (nicht in der Figur dar gestellt) um den thermischen Übergang zum Kontaktgas zu verbessern.From the evaporation device 26, the refrigerant gas passes through the cooling pipe 23 for cooling the contact area with jacket 21st After flowing through the cooling coil on the contact jacket 21 , the cooling gas is guided through a coolant connection 13 a in the connection flange 13 from the cryostat 4 . The contact jacket 21 has a surface artificially enlarged by a milled spiral (not shown in the figure) to improve the thermal transition to the contact gas.
Um die Benützung des Kalorimeters 1 zu vereinfachen, wird eine Deckel-Betätigungs vorrichtung zum Öffnen und Schliessen des Messzellendeckels 5a und des Abschluss deckels 16 vorgesehen. Zur Betätigung, ist vorzugsweise eine gemeinsame Antriebsein heit 29 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel treibt ein Drehantrieb eine Exzenterscheibe 30 an. Die Exzenterscheibe 30 macht einen vertikal geführten Betäti gungsbolzen 31 auf und ab bewegbar. Es versteht sich von selbst, dass der Betäti gungsbolzen 31 auch von einem Linearantrieb oder aber einem fluidisch antreibbarer Betätigungszylinder betätigt werden könnte.In order to simplify the use of the calorimeter 1 , a cover actuating device for opening and closing the measuring cell cover 5 a and the end cover 16 is provided. For actuation, a common Antriebsein unit 29 is preferably formed. In the exemplary embodiment shown, a rotary drive drives an eccentric disk 30 . The eccentric disc 30 makes a vertically guided actuation pin 31 up and down movable. It goes without saying that the actuation pin 31 could also be actuated by a linear drive or a fluidically actuable actuating cylinder.
Bei automatischen Kalorimetern werden Probenwechsel von einem Roboter bzw. Mani pulator durchgeführt. Wenn für den Probenwechsel lediglich Bewegungen in der Verti kalen und insbesondere nur über kurze Distanzen durchgeführt werden müssen, so können einfach aufgebaute Manipulatoren eingesetzt werden. Die Deckel- Betätigungsvorrichtung umfasst zwischen der Antriebseinheit 29 und dem Abschluss deckel 16 eine erste Übertragungseinrichtung 32, die vorzugsweise ein Abheben und und seitliches Wegschwenken, gegebenenfalls aber lediglich ein Aufklappen des Ab schlussdeckels 16 erzielbar macht. Um ein Abheben und Wegschwenken zu ermögli chen, ist in einer Hülse 34 um den Bolzen 31 eine Rampenführung 33 ausgebildet, die den vertikal bewegbaren Betätigungsbolzen 31 mit einem in die Rampenführung 33 eingreifenden Führungsteil 35 gemäss Fig. 2 in einem ersten Höhenbereich nur vertikal und in einem zweiten Höhenbereich vertikal und um die eigene Achse drehend beweg bar macht. Die Bewegung des Betätigungsbolzens 31 wird über einen sich radial vom Betätigungsbolzen 31 weg erstreckenden Träger 36 auf den Abschlussdeckel 16 über tragen.With automatic calorimeters, sample changes are carried out by a robot or manipulator. If only movements in the vertical and especially only over short distances have to be carried out for the sample change, simply constructed manipulators can be used. The cover actuating device comprises between the drive unit 29 and the end cover 16, a first transmission device 32 , which preferably makes it possible to lift it off and swing it to the side, but possibly only to open the end cover 16 . In order to enable lifting and swiveling, a ramp guide 33 is formed in a sleeve 34 around the pin 31, which ramps the vertically movable actuating pin 31 with a guide part 35 engaging in the ramp guide 33 according to FIG. 2 only vertically and in a second height range vertically and rotatable about its own axis. The movement of the actuating pin 31 is carried over a radially extending from the actuating pin 31 carrier 36 on the end cover 16 on.
Zwischen der Antriebseinheit 29 und dem Messzellendeckel 5a ist eine zweite Übertra gungseinrichtung 37, insbesondere mit einem Bowdenzug 38 ausgebildet. Die Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung des Betätigungsbolzens 31 wird dabei in ein Auf- und Zuklap pen des Messzellendeckels 5a übertragen. Um lediglich die vertikale Bewegung des Betätigungsbolzens 31 zu übernehmen, ist am oberen Ende des Betätigungsbolzens 31 über ein Drehlager 39 ein erster Arm 40 befestigt. Am Arm 40 ist eine Hülse 41 mit ei nem Innengewinde montiert. In der Hülse 41 ist ein Verstellbolzen 42 mit dem Zugseil 43 des Bowdenzuges verstellbar eingeschraubt. Eine flexible Führungshülse 44 des Bowdenzuges 38 ist mittels eines Klemmhalters 45 an einem Gehäuseteil 46 befestigt. An ihrem anderen Ende steht die Führungshülse 44 an einem Abschlussteil 47 an. Das Abschlussteil 47 steht an einem Führungszylinder 48 an, der am Anschlussring 11 be festigt ist. Im Führungszylinder 48 ist ein am Zugseil 43 befestigter und von einer Feder 52 nach oben gepresster Kolben 49 geführt. Um den Bewegungsbereich des Kolbens 49 zu begrenzen, ist am Führungszylinder 48 ein Längsschlitz 50 und am Kolben 49 ein Vorstehteil 51 vorgesehen.Between the drive unit 29 and the measuring cell cover 5 a, a second transmission device 37 is formed , in particular with a Bowden cable 38 . The upward or downward movement of the actuating bolt 31 is transmitted in an up and down pen of the measuring cell cover 5 a. In order to take over only the vertical movement of the actuating bolt 31 , a first arm 40 is fastened to the upper end of the actuating bolt 31 via a pivot bearing 39 . On the arm 40 , a sleeve 41 is mounted with an internal thread. In the sleeve 41 , an adjusting bolt 42 is screwed adjustably with the pull cable 43 of the Bowden cable. A flexible guide sleeve 44 of the Bowden cable 38 is fastened to a housing part 46 by means of a clamp holder 45 . At its other end, the guide sleeve 44 is in contact with a closing part 47 . The end part 47 is on a guide cylinder 48 which is fastened to the connecting ring 11 be. In the guide cylinder 48 , a piston 49 is fastened to the pull cable 43 and pressed upwards by a spring 52 . In order to limit the range of motion of the piston 49 , a longitudinal slot 50 is provided on the guide cylinder 48 and a projecting part 51 is provided on the piston 49 .
Die Bewegung des Kolbens 49 wird über, einen zweiten Arm 53 und einen Verbin dungsstift 54 auf das eine Ende eines Kipphebels 55 übertragen, wobei der Kipphebel 55 um eine Kippachse 56 schwenkbar an einem mit dem Aufnahmeteil 5 verbundenen Lagerteil 57 gelagert ist. Das andere Ende des Kipphebels 55 ist mit dem Messzellen deckel 5a verbunden. Ein Anheben des Betätigungsbolzens 31 wird über den Bowden zug 38 auf ein Absenken des Verbindungsstiftes 54 übertragen, was zu einem Aufklap pen des Messzellendeckels 5a führt. Der Verbindungsstift 54 hat im Bereich der Feder hülse 59 eine tellerartige Vergrösserung (nicht in der Figur dargestellt). In diesen inte grierten Teller ist in der Oberseite ein O-Ring zur Vakuumdichtung des Messraumes für den fall geschlossener Deckel 16 und 5a eingelassen. Eine Rückstellfeder 58 in einer Federhülse 59 presst den in den Verbindungsstift 54 integrierten Teller mit einer Rück stellkraft nach oben und verhindert so zusätzlich Gasaustausch mit dem Aussenraum. Falls aufgrund eines möglichen Wärmeeintrages über die Federhülse 59 Messfehler entstehen, so kann diese Rückstellanordnung auch über dem Abschlussringteil 14 an geordnet werden. Bei geschlossenem Deckel erfolgt keine Strömung. Die Messzelle ist mit Kontaktgas gefüllt, beispielsweise Helium. Bei geöffnetem Deckel erfolgt eine Troc kengasströmung, beispielsweise Helium oder Stickstoff.The movement of the piston 49 is transmitted via, a second arm 53 and a connec tion pin 54 to one end of a rocker arm 55 , the rocker arm 55 being pivotally mounted about a rocking axis 56 on a bearing part 57 connected to the receiving part 5 . The other end of the rocker arm 55 is connected to the measuring cell cover 5 a. Raising the actuating bolt 31 is transmitted via the Bowden train 38 to lowering the connecting pin 54 , which leads to an opening of the measuring cell cover 5 a. The connecting pin 54 has in the area of the spring sleeve 59 a plate-like enlargement (not shown in the figure). In this integrated plate an O-ring for the vacuum seal of the measuring space for the closed lid 16 and 5 a is embedded in the top. A return spring 58 in a spring sleeve 59 presses the plate integrated in the connecting pin 54 with a restoring force upward and thus additionally prevents gas exchange with the outside space. If measurement errors occur due to a possible heat input via the spring sleeve 59 , this reset arrangement can also be arranged above the end ring part 14 . When the lid is closed, there is no flow. The measuring cell is filled with contact gas, e.g. helium. When the lid is open, a dry gas flow takes place, for example helium or nitrogen.
Fig. 3 zeigt ein Kalorimeter 1 bei dem die Deckel-Betätigungsvorrichtung eine pneuma tische Antriebseinheit 129 mit einem Druckluftanschluss 129a umfasst. Ein Kolbenteil 149 betätigt den Verbindungsstift 54 und damit den Messzellendeckel 5a über eine er ste Hebelanordnung 153. Der Abschlussdeckel 16 wird analog zum Messzellendeckel 5a über einen Kipphebel 155 auf- und zubewegt. Der Kipphebel 155 ist an einem La gerteil 157 schwenkbar gelagert und wird vom Kolbenteil 149 über eine zweite Hebe lanordnung 153' betätigt. Fig. 3 shows a calorimeter 1 in which the cover actuating device comprises a pneumatic drive unit 129 with a compressed air connection 129 a. A piston part 149 actuates the connecting pin 54 and thus the measuring cell cover 5 a via a lever arrangement 153 . The end cover 16 is opened and closed analogously to the measuring cell cover 5 a via a rocker arm 155 . The rocker arm 155 is pivotally mounted on a La gerteil 157 and is actuated by the piston part 149 via a second lever assembly 153 '.
Es versteht sich von selbst, dass beliebige dem Fachmann bekannte Deckel-Betäti gungsvorrichtungen einsetzbar sind. Eine nicht eingezeichnete Kontrolleinheit, vor zugsweise die Steuerung des Kalorimeters, steuert jeweils die Antriebseinheit 29, 129. Bei den Ausführungsformen mit lediglich einer gemeinsamen Antriebseinheit 29, 129 können die beiden Deckel 5a, 16 nur gemeinsam bewegt werden, was meist von Vorteil ist. Falls die Deckel 5a, 16 unabhängig voneinander betätigt werden sollen, muss je ein eigener Antrieb vorgesehen werden.It goes without saying that any cover actuation devices known to the person skilled in the art can be used. A control unit (not shown), preferably the control of the calorimeter, controls the drive unit 29 , 129 in each case. In the embodiments with only one common drive unit 29 , 129 , the two covers 5 a, 16 can only be moved together, which is usually advantageous. If the covers 5 a, 16 are to be operated independently of one another, a separate drive must be provided.
Der mit der vorliegenden Erfindung verbundene Vorteil liegt unter anderem darin, dass der innere Deckel bei jeder Temperatur, insbesondere bei tiefsten Temperaturen bis nahe an den absoluten Nullpunkt, geöffnet und geschlossen werden kann, ohne dass eine Kondensation oder Vereisung stattfindet. Dies wird unter anderem durch den Ab stand von der Laborluft und das trockene Spülgas ermöglicht.The advantage associated with the present invention is, inter alia, that the inner lid at any temperature, especially at very low temperatures up to close to absolute zero, can be opened and closed without condensation or icing takes place. This is partly due to the Ab stood by the laboratory air and the dry purge gas allows.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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Representative=s name: RECHTS- UND PATENTANWAELTE WEBER & SEIDEL, 69120 HE |
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8141 | Disposal/no request for examination |