量热系统和操作方法
【专利说明】量热系统和操作方法
[0001]本申请是申请号为201080039611.7、发明名称为“差分绝热补偿量热计和操作方法”、申请日为2010年7月7号的原案申请的分案申请。
_2] 相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2009年7月7日提交的名称为“A differential adiabaticcalorimeter and method of operat1n ( 一种差分绝热量热计和操作方法)”的美国临时专利申请号61/223，552和于2010年7月6日提交的名称为“A differential adiabaticcompensat1n calorimeter and method of operat1n ( 一种差分绝热补偿量热计和操作方法)”的美国专利申请号12/830，825的优先权。
技术领域
[0004]本发明总体涉及绝热量热计装置领域和操作方法，并且更具体地涉及使用差分绝热补偿技术的差分绝热量热计。
【背景技术】
[0005]量热计是一种测量生物、化学或物理样本或过程的热和热释放速度的常用分析方法。有三种主要类型的量热计:温度扫描量热计、等温量热计和绝热量热计。差分扫描量热计是最常用的温度扫描量热计，其中以扫描温度的函数测量样本和参照物之间的形式为热或温度的差。差分扫描量热计或DSC使用通常称作“差分通道”或“参照通道”设计的“双单元”设计。这种类型的“双单元”量热计设计由样本通道和参照通道组成，在控制和功能上与单通道设计根本不同。通过几毫克范围内的典型样本大小，DSC已被广泛用来研宄材料的热物理或热化学性质。相反地，由于缺乏灵敏性，单通道扫描量热计，即没有参照通道的装置不常用，大多数用于粗略筛选目的。温度扫描量热计的主要缺点之一是不能用实验方法获得时间分辨热化学信息。
[0006]因为化学和药学工业中希望许多制造过程是等温的，所以等温量热计主要用来监控时间分辨反应过程。尽管通常在单通道等温反应量热计上测试升尺度的反应，但克尺度的反应量热研宄通常是使用与DSC类似的差分或参照量热设计原理在等温微量热计(例如SuperCRC?等温反应微量热计)上进行的。
[0007]绝热量热法也已经用于物理性质测量(例如比热和相转移研宄)和反应过程监控(例如在混合时的化学反应或在温升时的分解)。近来，绝热量热计已经用来测量随时间变化的温度和压力，以便查看不期望的化学反应。当化学混合时，反应或分解变成放热的，从样本释放出来的热可引起显著温度剧增，有时发展为自身永久存在的热耗散反应。当前的绝热量热计全部是单通道装置。
[0008]为了研宄此自我永久存在的反应，开发了被称作加速量热计(ARC)的绝热量热计(美国专利号4，208，907)。但是，此单通道量热计是准绝热装置，原因是由样本释放出的大部分热被样本容器吸收或汇聚到样本容器中。因为这个热库效应，实验温升和温升的速度因此衰减或比理论极限值低，引起所称的“热延迟”效应，该效应会显著降低反应进度，导致达到最大速度(TMR)的不正确时间，最大速度是耗散反应危险评估的临界值。用补偿方法还开发了另一种单通道绝热量热计(美国专利号4，130，016)，其思想是通过用附连到样本容器的外壁的补偿加热器可补偿热吸收的热损失。然而，该装置不仅没能传送高于95%的量热结果，而且难以减小升尺度容器的尺寸以满足分析实验室标准，因此未被商业化。
[0009]自从21世纪早期，一些单通道扫描量热计装置被开发出来，以便降低容器的热吸收效应，达到较高绝热性(美国专利号6，157，009和7，021，820)。但是，这些扫描装置既不是绝热的，也不是等温的，因此时间分辨温度和压力信息，诸如最大绝热温升和达到最大速度(TMR)的时间不能在这些装置上测量。
[0010]尽管差分补偿原理已经用在几个商业等温和DSC量热计的仪器设计中，但从未被用在绝热量热计中。与现有的准绝热量热计相比，本发明是一种差分补偿绝热量热计，它在量热领域中是独特的仪器。在这个真正的绝热混合和反应量热计中，热吸收至样本容器的样本热损失可以被完全补偿，使得可以以真正绝热状态进行反应。差分绝热补偿反馈电路保证了既不会出现欠补偿，也不会出现过补偿，达到100%的绝热，最大温升，达到峰值温度的时间和达到最大速度的时间全部可以通过实验方式测量，没有热延迟。
【发明内容】
[0011]本发明包括一种新型差分绝热补偿量热计和用于该新型量热计的操作方法。本文中公开的差分绝热补偿量热计被设计成用来测量时间分辨绝热温升，温升速度，达到最大温度峰值的时间和达到放热化学反应的最大速度的时间。通过测量样本容器和参照容器之间的温差，并用本发明的差分绝热补偿技术，由样本容器吸收或汇聚到样本容器的热被实时地完全补偿，产生未失真的真正的绝热过程，获得与理论值匹配的最高时间分辨绝热温升和达到最大速度(TMRad)值的实验测量的真实绝热时间。同样，由于消除了容器热吸收效应，可在此差分绝热补偿量热计上测试具有低放热活动的一个或多个化学稀释的样本。
[0012]基本量热计包括样本容器和参照容器，样本温度传感器和参照温度传感器，联接到样本容器和参照容器的样本补偿加热器和参照补偿加热器，热补偿系统，围绕样本容器和参照容器设置的温控腔室和腔室温控系统。在此新型差分绝热补偿量热计中，在整个放热事件发生前和整个放热事件过程中，补偿热通过样本补偿加热器和参照补偿加热器分别被施加到样本容器和参照容器。此差分绝热补偿量热计可用作常用的用于各种放热应用的热分析工具，包括但不局限于混合量热计、自加热速度、温升和达到最大速度测量值的时间。
[0013]量热操作通过下列步骤启动:将样本加热到期望温度，开始补偿加热控制，(如果需要)注入并混合第二样本，搜索放热活动。当放热活动发生并检测到样本和参照物之间有温差时，调节样本加热器和参照加热器的热输出，使得通过差分热补偿电路将此温差返回到零。样本容器和参照容器之间的温差与样本容器吸收的样本热成比例，该温差是通过背面至背面连接的样本温度传感器和参照温度传感器测量的。还增加绝热腔室的温度，以便维持样本容器和参照容器周围的绝热条件，允许样本温度绝热地加速到最大值。
[0014]本发明已经在理论和实践中验证过，创建了一种产生总热损失补偿的被称作“无容器”效应，即样本不会获得或损耗到达样本容器的量。“无容器”效应的优点是可以在真实化学过程条件下进行实验，获得的参数是容易测量的(即不依赖于仪器)。可以用实验方法获得理论时间-温度和时间-压力的上升和速度。
[0015]与现有的热补偿量热计相比，此差分绝热补偿量热计从不需要也不记录补偿加热功率或加热功率差，而在现有的热补偿量热计中，由加热装置提供给样本系统的补偿加热功率差或加热功率差构成测量幅值。
[0016]差分绝热补偿技术相对其它补偿技术的其它优点是，由于样本容器和参照容器之间的温差是唯一的补偿反馈控制参数，所以，样本和容器的热容量和质量对于加热控制和结果计算来说变成不相关值。此特殊的仪器特征简化了测试过程，消除了由估计容器热容量值的不确定性引起的控制误差。
[0017]还有，下文通过为公开目的给出的结合所附的附图对优选实施例的描述，本发明的其它目的，特征和优点是显然的。
【附图说明】
[0018]为了更还理解本发明的实质和目的，应该参考下文结合附图进行的详细公开，图中相似的部件被赋予相似的附图标记，并且其中:
[0019]图1是本发明差分绝热补偿量热计的一个实施例的横截面视图；
[0020]图2是示出本发明图1的差分绝热补偿量热计的差分补偿控制系统的示意图；