DE2318340A1

DE2318340A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung von differentialthermoanalysen

Info

Publication number: DE2318340A1
Application number: DE19732318340
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Phys Dr Hentze
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Hentze Guenter Dipl-Physdr 5068 Odenthal De
Priority date: 1973-04-12
Filing date: 1973-04-12
Publication date: 1974-11-07
Also published as: DE2318340B2

Description

"Vorrichtung zur Durchführung von Differentialthermoanalysen" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchfiihrung von Differentialtheroanalysen mit eine elektrisch beheizten Ofenkörper, der Kanäle zur Aufnahme von Gefässen für Probe- und Inertsubstanzen aufweist, wobei den Gefässen Thermoelemente z Temperaturmessung zugeordnet sind.
Es ist ein Nesskopf zur Durchführung von Thermoanalysen belLannt (DT-OS 1 598 792), bei dem der ciit der Heizwicklung versehene Ofenkörper Kanäle zur Aufnahme der Proberöhrchen sowie zur Beleuchtung und Beobachtung der in dem Proberöhrchen befindliche Proben aufweist. Ein Thermoelement befindet sich in einer gesonderten Sackbohrung auf der den Aufnahmekanälen abgewandten Seite des Ofenkörpers.
Die thermische Kopplung des Thermoelements mit der in dem Proberöhrchen befindlichen Probe ist bei einer derartigen Anordnung nicht so, dass Messungen der Temperatur der Probesubstanz durchgeführt werden können. Deshalb dient das Thermoelement bei der bekannten Anordnung zur Temperaturmessung des Ofenkörpers, während die Thermoanalyse mit optischen Mitteln (Photozellen) durchgeführt wird.
Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Durchführung von Differentialthermoanalysen (britische Patentschrift 1 259 453) sind die Thermoelemente in die i! Probegefäss enthaltene Substanz eintauchend aus£ebildet. Lie Thermoelemente sind ihrerseits von keramischen Doppelröhren umgeben. Der für Schutzrohre notwendige Baumbedarf geht jedoch an dem iff Probegefäss aufnehmbaren Substanzvolumen für die Analyse verloren.
s sind auch Apparaturen zur Durchführung von Differentialthermoanalysen bekannt, bei denen die Thermoelemente für das Probe- und Inertmaterial parallel zur Längsachse des Ofens nebeneinander in diesem angeordnet sind. Die heissen Lötstelle der Thermoelemente befinden sich auf gleicher Höhe im Ofen und sind am Probegefäss oder dessen Halterung angeschweisst (D.Schultze: "Differentialthermoanalyse", Verlag Chemie, 1969, Seiten 79, 101, 111 und 112 ).
Abgesehen davon, dass die Gefässe für Probe- und Inertmaterial eist umgestülpt von oben in den Ofen eingeführt und auf die Thermoelemente aufgesteckt werden müssen, weisen die Gefässe eine komplizierte Form mit Innenbohrungen und dergl. auf, welche ihre herstellung verteuert, den erforderlichen Aufwand ver grössert und die aufnehmbare Menge der zu untersuchenden Probe verkleinert. Thermoelemente werden durch korrosive Medien angegriffen, Untersuchungen unter eigenem Dampfdruck der Probe sin nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung von Differentialthermoanalysen zu schaffen, die bei vergleichsweise grosser Probeilenge unc trotz relativ grosser Wärmeinhalte der Gefässe eine hohle Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messungen erzielt. Der Ofen und die darin einzuführenden Gefässe sollen einen einfachen Aufbau aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass der Ofenkörper aus im wesentlichen zwei Teilen, wie einer Grund-oder Abdeckplatte und einem wenigstens einseitig offenen, vorzugsweise zylindrischen Block, besteht, in dem die Kanäle so angeordnet sind, dass ihre offene Seite der Grund- oder Abdeckplatte zugekehrt ist, und die Gefässe in den Kanälen so gehaltert sind, dass sie mit de Ofenkörper über einen Teil ihrer Länge in gutem Wärmekontakt stehen, während das der Grund- oder Abdeckplatte zugekehrte Ende der Gefässe mit dem Ofenkörper in schlechter, mit den Thermoelementen Jedoch in guter Warmeleitverbindung steht.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung nat gegenüber dem Stand der Technik viele offensichtliche Vorteile. Es sind genauere und speziellere Analysenergebnisse erzielbar, welche insbesondere durch die verbesserte thermische Kopplung zwischen Thermoelementen und Gefässen noch dazu schneller erhalten werden können.
Andererseits ist die thermische Kopplung der Gefässe für Probe-und Inertsubstanz mit dem Ofenkörper so getroffen, dass der Ofen sowohl mit hohen als auch mit niedrigen Aufheizraten betrieben werden kann, ohne dass letztere zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Hierdurch vergrössert sich der Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Vorrichtung erheblich.
Der Aufbau des erfindungsgemässen Geräts ist vereinfacht, und die Handhabung der Probegefässe, insbesondere ihr Austausch, ist wesentlich erleichtert.
Durch das Einführen der Gefässe in den Ofen in ihrer Gebrauchslage vom offenen Ende der Kanäle her ist die Verwendung sowohl offener als auch geschlossener Ampullen möglich. Nach dem Einsetzen aller Gefässe in die um die Längsachse des Ofenkörpers angeordneten Kanäle werden diese mit Vorteil federnd festgehalten und von der Grund- oder Abdeckplatte abgedeckt. Ein Betrieb ist sowohl bei offenen Gefässen unter Normaldruck (1~ate) und unter Vakuum als auch bei geschlossenen Gefässen unter Atmosphä renüberdruck (atü) möglich.
Die thermische Kopplung der Thermoelemente mit den Gefässen wird durch eine Metallschicht, welche die Gefässe umgibt, verbessert.
Die Aufheizrate und -gleichmässigkeit wird insbesondere durch die Anordnung und Ausbildung der Heizung im Ofenkörper verbessert.
Durch die Kühlmöglichkeit für den Ofenkörper ist ein Betrieb der erfindungegemässen Vorrichtung auch im Temperaturbereich weit unterhalb 0°C möglich.
Mit Vorteil besteht der Ofenkörper aus gut wärmeleitendem Meta wie Aluminium oder Silber. Damit lassen sich Arbeitstemperaturer bis etwa 5000C erzielen. Wenn der Ofenkörper aus keramischem Material besteht, lässt sich der Arbeitsbereich, in dem Messungen durchgeführt werden können, auch auf höhere Temperaturen ausdehnen.
Die Wahl der Durchmesserrelation zwischen Kanälen und Ofenkörper verbessert die erreichbaren Ergebnisse weiter.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durch führung von Differentialthermoanalysen, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtuns eäss Fig.1, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.1, Fig. 4 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäss Fig.1 betreffend die elektrische Heizleiterwicklung und Fig. 5 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäss Fig.1 betreffend die Durchführung der elektrischen Anschlüsse.
Wie dem Ausführungsbeispiel in Fig.1 zu entnehmen, besteht der Messkopf zur Durchführung von Differentialthermoanalysen aus einem Ofenkörper 1 aus Aluminium, Silber oder auch Keramik in Form eines zylindrischen Blocks. In dem Ofenkörper 1 sind Kanäle 2,wie dargestellt als Sackbohrungen ausgeführt, vorgesehen.
Die Kanäle sind an einem Ende erweitert. In die Kanäle 2 werden Gefässe 3 vom offenen oder erweiterten Ende der Kanäle her eingeführt. Die Gefässe 3 bestehen aus Glas oder einem Metall wie Edelstahl. Sie werden durch zwei Klemmfedern 4, vorzugsweise aus Volfram-Draht, in ihrer Lage gehalten. 33in Teil der Gefässe 3 liegt an den Innenwandungen der Kanäle 2 an. Die Anlagefläche dient der optimalen thermischen Kopplung zwischen Gefäss und Ofenkörper bei den Gefässen für die Probesubstanz als auch für die Inert- oder Vergleichssubstanz.
Am gemäss Fig.1 unteren Ende der Gefässe 3 sind diese mit einer Metallscheibe 5 versehen, welche beispielsweise aus einem aufgeschobenen, in sich federnden Metallrohr z.B. aus Gold, Platin oder Nickel besteht. Die iietallschicht kann jedoch auch durch Metallisieren der Probegefässe 3 mit einer Schicht 5 aus Gold oder einem anderen Metall oder -legierung ähnlicher Eigenschaften hergestellt werden.
Die Thermoelemente 6, welche der Erfassung der Ternperatur der Substanzen in den Gefässen dienen, sind entweder durch Anlöten oder Anschweissen fest oder durch Aufschrauben, Anklemmen oder dergl. lösbar mit den Gelassen 3 verbunden. Die Verbindungsleitung der Thermoelemente zum ITess nstrument, vorzugsweise aus Ausgleichsleiteflnaterial (nicht dargestellt), ist durch ein Durchführung 7 aus de Ofenkörper 1 herausgeführt. Der Ofenkörper 1 wird nach Einsetzen der Probegefässe ; von einer Grund-oder Abdeckplatte 8 verschlossen. Die Gefässe 3 sind dann nach ihrem Einführen in der Gebrauchslage der offenen oder geschlossenen Ampullen in den Kanälen 2, die um die Längsachse des Ofe körpers herum angeordnet sind (siehe Fig.2), so gehaltert, dass sie mit dem Ofenkörper über einen Teil ihrer Länge (in Fig.2 im oberen Teil mindestens die Hälfte der Länge) in gutem Wärmekontakt stehen, während das der Grund- oder Abdeckplatte 8 zugekehrte Ende 9 der Gefässe durch die Form einer Hemisphäre nur punktförmigen Kontakt mit der Grund- oder Abdeckplatte 8 aufweist und ein Kontakt mit dem Ofenkörper 1 infolge des erweiterten Indes 10 der Kanäle 2 vollig fehlt und statt dessen ein Luftzwischenraum vorhanden ist.
In der Längsachse des Ofenkörpers 1 befindet sich eine zentrale Bohrung 11, welche zur Aufnahme eines nichtdargestellten Thenao elements dient, das die Temperatur des Ofenkörpers erfasst. Der Ofenkörper 1 ist an seinem Umfang mit einer elektrischen Heizwicl;lung 12 versehen (siehe Fig.4), die in vorzugsweise schraubenlinienförmigen Nuten 13 am Aussenumfang des als Block ausgebildeten Ofenkörpers 1 eingelegt ist. Der elektrische Heizkörper kann jedoch auch innerhalb des einen Block bildenden Ofenkörpers 1 eingegossen oder in anderer gleise eingebracht sein.
Die Anordnung des Heizkörpers im Block kann ebenfalls in der Nane des Aussenumiangs ues Ofenkörpers 1 oder in der N*åhe der Kanäle 2, diese gemeinsam umgebend, erfolgen. Die Kanäle 2 oder die Gefässe 3 können jedoch auch einzeln beheizt werden. Die Steuerung der Heizleistung der elektrischen Heizkörper geschieht in jedem Falle derart, dass mit Hilfe elektrischer Steuerelemente für eine Temperaturdifferenz zwischen Probe- und Inertmaterial gegen Null gesorgt wird. Im gemäss Fig.1 oberen Teil des Ofenkörpers 1 befindet sich eine Ausnehmung 14 in Topfform, wel che zwecks Kühlung mit flüssiger Luft, Stickstoff oder dergl.
beschickt werden kann, so dass temperaturen im Bereich bis etwa -150°C erzielt werden können. Je nach Wahl des materials für den Ofenkörper 1 können Temperaturen bis etwa 5000C bei der Ausführung aus Metall und darüber bei der Ausführung aus Keramik erzielt werden. Je nach @ Wahl des für die Gefässe 3 verwendeten Materials kann der Druckbereich, in dem gemessen wird (Vakuum bis atü), z.B. 20 atü und mehr betragen. Die Paarung zwischen dem Material des Ofenkörpers 1 und/oder der Grundplatte 8 und der Gefässe 3 ist mit Vorteil so getroffen, dass keine zusätzliche elektrische Isolation zwischen Gefäss und Ofenkörper erforderlich ist. Bei der Paarung Metall/Metall kann jedoch eine Aussenoxidation des Metallgefässes 3 die Isolation ersetzen.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Aussendurchmesse des Ofenkörpers kleiner ist als 100 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 25 und 75 mm, und der Gefässdurchmesser zwischen einigen Kjillimetern und 30 mm liegt.
Das obere Ende des Ofenkörpers 1 wird von einer Platte 15 (siehe Fig.5) abgeschlossen, welche einen Verbindungskörper 16 für die elektrischen Anschlüsse der Ofenheizung 12 aufweist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist auf alle Arten von Differentialthermoanalysen anwendbar. Mit ihr kann das thermische Verhalten von Substanzen und Gemischen (Umwandlungen undJReaktionen),u.a. durch Messungen unter eigenem Dampfdruck, nötigenfalls unter sehr hohen Drücken, gemessen und registriert werden.
Das Registriergerät, z.B. ein Schreiber, vervollständigt die dargestellte Vorrichtung. Um hohe, insbesondere lineare Aufheiz und Abkühlungsraten, insbesondere auch bei hoher Geschwindigkeit der Temperaturänderung realisieren zu können, erfolgt die Stromversorgung des Ofens über ein elektrisches Regelgerät (nicht dargestellt), das von dem Thermoelementin der zentralen Bohrung 11 im Ofen gesteuert wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zur Durchführung von Differentialthermoanalzsen mit einem elektrisch beheizten Ofenkörper, der Kanäle zur.

Aufnahme von Gefässen für Probe- und Inertsubstanzen aufweist, wobei den Gefässen Thermoelemente zur Temperaturmessung zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (1) aus im wesentlichen zwei Teilen, wie einer Grund- oder Abdeckplatte (8) und einen wenigstens einseitig offenen, vorzugsweise zylindrischen Block, besteht, in dem die Kanäle (2) so angeordnet sind, dass ihre offene Seite der Grund- oder Abdeckplatte (8) zugekehrt ist, und die Gefässe (3) in den Kanälen (2) so gehaltert sind, dass sie mit dem Ofenkörper (1) über einen Teil ihrer Länge in gutem Wärmekontakt stehen, während das der Grund- oder Abdec'-platte (8) zugekehrte Ende der Gefässe (3) mit dem Ofenkörper (1) in schlechter, mit den Therr.loelementen (6) jedoch in guter Wärmeleitverbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (2) als Sackbohrungen ausgebildet sind und das der Grund- oder Abdeckplatte (8) zugekehrte Ende bei kleinem Gefässdurchmesser erweitert ist und die Gefässe (3) vom offenen und/oder erweiteren Ende (10) her einführbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Kanäle (2) um die Längsachse des Ofenkörpers (1) herum angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Kanäle (2) einsetzbaren Gefässe (3) als offene oder geschlossene Ampullen aus gebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder Mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefässe (3) aus Glas oder Metall bestehen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Gefässe (3) in den Kanälen (2) durch Federn (4) gehaltert sind.

7. Vorrichtung nach eines oder Mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefässe (3) wenigstens teilweise an den Kanalwandungen (2) anliegen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefässe (3) an ihrem Anschlussende für die Thermoelemente mit einer Metallschicht (5) versehen sind.

9. Vorrichtung nach eine oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente (6) durch Anlöten oder Anschweissen fest mit deL Gefäss (3) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente (6) durch Aufschrauben, Anklemmen oder dergl. lösbar mit dem Gefäss (3) verbunden sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (1) mittels einer an seinem Umfang angeordneten Heizwicklung (12) beheizbar ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (1) mit einem innerhalb des Blockes angeordneten, vorzugsweise eingegossenen Heizkörper (12) versehen ist.

13. Vorrichtung nach eine oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (1) an dem der Grund- oder Abdeckplatte (8) abgewandten stirnseitigen Ende eine Ausnehmung t14) zur Aufnahme eines Kühlmittels aufweist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (1) aus gut wärmeleitendem Metall wie Aluminium oder Silber besteht.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenkörper (i) aus keramischem Material besteht.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Kanaldurchmessers (2) zum Aussendurchmesser des Ofenkörpers (1) im Bereich von 1:3 bis 1:20 liegt.

L e e r s e i t e