用于色谱系统的热开关和操作方法

专利名称：用于色谱系统的热开关和操作方法
技术领域：
本发明涉及色谱系统及其操作技术，更具体地，涉及气体色谱系统、子系统、以及关于加热和/或冷却色谱柱的操作技术。
背景技术：
在现有的色谱分析中，典型地随着被分析物移动穿过柱而发生被分析物的成分分离。成分穿过柱的时间典型地取决于成分相对于固定相的各自
的亲和力(affinity)。因为亲和力通常取决于温度，所以优选地以特定的方式控制柱的温度。现有的柱可以进一步具有温度控制，该温度控制提供温度调节和/或使柱的温度从第一温度快速上升到较高的第二温度。另外，柱的温度控制可以进一步包括对使柱的温度从较高的第二温度快变到较低的第一温度的需求。例如，现有的色谱协议典型地以低温开始，以在将被分析的较轻成分中提供足够的分离度，然后快速升高温度以洗提被分析的较重的成分。例如，在现有的色谱系统中，初始的柱温度可以略高于环境室温，例如，大约4(TC。在色谱分离期间，柱的温度可以以预定的速率和/或根据预定的进度增加，从而产生较高的第二柱温度。分析结束时，优选地在冷却色谱柱降低了分析之间的时间时，尤其是当色谱系统以一次或多次温度增加进行操作时冷却柱。
柱的温度以及在预定温度下所耗费的时间进一步与被分析的分析物相关。例如，与油的较重成分的分离和分析相比，气体样品的色谱分离和分析通常可以在较短的时间内且以较低的最大温度实现以洗提所有成分。分析完成之后，不管被分析的分析物，通常需要将柱返回到较低的温度。鉴于这个要求，通过油样品的较重成分的温度快变而出现的较高的最大温度通常变为在开始下一次分析之前较长的冷却时间。
如本领域普通技术人员所知道的，现有的冷却方法包括使用利用周围空气的强制对流。然而，在一些情况下，通过周围空气的强制对流冷却是不可能的，例如，当周围空气温度高于柱温度时。在现有技术中也采用其它的技术，例如，辐射或对流冷却，但是这样的系统在不同的环境下通常是不切实际的。在下向井眼的环境下，与对流冷却技术相比，这些现有技术可能不合适或者可能是不可能的。
此外，将冷却系统直接连接到柱可能产生不受欢迎的结果，这是因为所连接的冷却系统增加了柱的有效热质量。当以温度斜线变化
(temperature ramp)'加热柱时，冷却系统也将被加热。当需要冷却系统时，由于增加的柱质量而需要更长的时间来获得初始温度。因此，越大的热质量需要越大的加热负荷来实现特定的温度增加速率。增加的动力需求可能是显著的，尤其是在动力受限的环境(例如，下向井眼环境)下。此外，一些冷却系统部件的最大允许温度可能低于一个或多个柱的操作温度。例如，珀耳帖冷却器的最大允许温度典型地为大约225"，因此柱的操作温度将被限制为低于这个温度。

发明内容
本发明的一个或多个方面致力于解决现有技术中存在的主体之间的热冷却问题和局限性。本发明的一个实施例可致力于分析系统。所述分析系统可以包括具有第一热主体的色谱柱、具有表面的第二热主体和致动器，所述致动器被构造用于控制第一热主体的至少一部分和第二热主体的至少一部分之间的热连通。
本发明的另外的方面可以致力于一种在具有至少一个色谱柱的色谱系统中特征化被分析物的方法。所述方法可以包括步骤将被分析物引入到色谱柱中，其中所述柱具有第一热主体；使所述色谱柱的温度从第一温度升高到第二温度；以及将所述第一热主体热连接到第二热主体。
本发明的另外的方面可以致力于计算机可读介质。所述计算机可读介质可以包括存储在该计算机可读介质上的限定指令的计算机可读信号，所述指令因由计算机执行而指示计算机执行在分析系统中特征化被分析物的方法，其中所述分析系统具有至少一个具有第一热主体的色谱柱、第二热主体和致动器装置，所述致动器装置被构造用于控制第一热主体和第二热主体之间的热连通。所述方法可以包括步骤使色谱柱的温度从第一温度升高到第二温度；以及将所述第一热主体热连接到第二热主体。


附图并没有按比例绘制。在附图中，在各图中所示的每个相同或几乎相同的部件用相同的标号表示。为了清晰起见，并非每个部件可以被标在每幅图中。本附图示出了根据本发明的多个实施例。这些实施例的选择以及后面的对这些实施例的说明只是为了清楚的目的，并不意味着限制所主张的本发明的范围。本领域普通技术人员将容易理解，根据这里所描述的构造，本发明可以以多种可选构造来实施，其中-
图1A至图1D示出了根据本发明的一个或多个实施例的冷却及加热组
件；
图2A和图2B示出了根据本发明另外的实施例的冷却及加热组件；以
及
图3A和图3B示出了根据本发明另外的实施例的冷却及加热组件。优选实施方式
这里所使用的术语"被分析物"应被定义为被分析的样品。另外，术语被分析物和样品可交换使用。另外，术语"色谱柱"和"柱"应该可交换使用而没有任何范围限制。此外，术语"分析"应被限定为本领域普通技术人员所理解的色谱分析。另外，术语"热主体"或"主体"应包括具有第一热质量的第一热主体和具有第二热质量的第二热主体。根据本发明的一个实施例，柱可以与第一热主体热连通。另外，术语"来源"或"热源"这里被限定为产生或供给热量的环境或物体。此外，这里所使用的术语"散热器(sink)"
或"热沉(heat sink)"这里被限定为从另一物体(热源)吸收并逸散热量的环境或物体。
鉴于传统的冷却技术的上述局限性，本发明通过提供将柱温度降低到初始快变温度(ramp temperature)的系统或子系统和技术来帮助柱冷却。因此，本发明的一些方面致力于可以减少分析之间的时间的冷却系统和技术。本发明的另外方面致力于可以保持预定的柱温度的冷却系统和技术。
如本领域技术人员所理解，温度受控的柱可以设置在各种环境中。一种这样的环境是下向井眼环境，其中柱用于实现被分析物(例如，地层流体)的组成分析。当定位下向井眼时，传统的色谱柱典型地在低于下向井眼环境的环境温度的温度下操作。如本领域普通技术人员所理解，下向井
眼的状态可以达到大约20(TC，从而对保持柱的所需温度所使用的冷却机构强加了很大的柱冷却需求。
虽然本发明的一些方面涉及有助于设置在下向井眼或井下环境中的色谱系统的操作的系统和技术，但是本发明的各方面不限于这种环境。本领域普通技术人员易于理解，本发明的一个或多个方面在以地面为基地的系统中可以很容易地实现。例如，通过减小所需的柱冷却周期并因此减小基于实验的色谱系统的总体分析周期时间，本发明的一些特别有利的特征可以帮助特征化被分析物。
本发明的一些方面进一步致力于在不需要冷却系统时从柱分离冷却系统或者其一部分的系统和技术。根据本发明的一个实施例的冷却系统或者其一部分的分离导致加热操作期间热质量的减小，从而导致加热负载减小。当柱在可用于加热的动力受限的环境下进行操作时，加热负载的这种减小是特别有益的。
本发明的另外方面可以涉及修改被加热和/或被冷却的主体的有效热质量。对于本发明的特定的实施例，可以通过例如经由热传导在主体和一个或多个热源或热沉之间建立热连通来影响主体的有效热质量的改变。这个方法在包括例如远程独立环境的特定操作条件下是特别有利的。
根据本发明，可以通过例如但不限于铜(具有大约386W/m，K的热导
率)的热传导材料来影响热主体之间的热传导。在本发明的一个实施例中，
热主体可以包括心轴和相关的配合体。在可选的实施例中，热主体可以包括具有第一热质量的第一热主体和具有第二热质量的第二热主体。本领域
普通技术人员将明白，在实施本发明时可以利用多种可选的热传导材料，并且可以基于所需的热特性或想要的操作环境来选择热传导材料。另外，如本领域中所了解的，热传导材料可以进一步改进，包括但不限于表面处理、涂敷等的应用，使得在操作时热传导材料的所需特性被增强或者保持。本发明的可选实施例可以包括提供多个热源和/或热沉的系统和技术。如这里所使用，热沉可以是接收热量的主体，热源可以是具有热质量并能够传递热量的主体。
本发明的一些方面可以适于促进进行热传递的主体之间的接触，例如，以便减小主体之间的热阻。可能由干涉产生的接触表面处的变形可以改变两个主体之间的有效热传导传递区域和/或热导材料的热导特性。例如，在进行热传递的主体之间的界面上或沿着该界面出现粗糙或脏污可能导致热导率降低。此外，进行热传递的主体之间的实际接触区域还可以取决于产生或影响接触的所施加的负载。
另外，根据本发明可以进一步防止热传导材料的退化以及所导致的主体热传递的退化。例如，接触表面之间存在的绝热层可以影响热传递速率。表面之间的氧化物膜或者任何其它的不良导体也可能增加接触电阻。优选地，选择包括一个或多个传递表面的材料来限制不受欢迎地增加接触热阻的层的出现或产生。此外，根据本发明，可以对热传导材料应用适当的表面处理，以促进主体之间的热传递。因此，根据本发明的一个或多个实施例，至少一部分接触表面包括和/或涂敷有惰性材料。例如，接触表面可以包括表面处理，该表面处理包括但不限于惰性贵金属(例如，金)。然而，本发明不限于此，而可以采用任何不易于形成氧化层的材料作为接触表面的一部分。根据本发明，如本领域普通技术人员所理解，适当的表面处理可以进一步包括应用合适的化学成分或表面抛光来实现主体之间的热传递。
根据本发明的一些实施例，包括热传导材料的接触表面中的至少一个接触表面的材料可以包括可以至少部分地与接触主体的形状一致的金属或合金，以便至少部分地增加有效热传递面积。因此，在本发明的一些实施例中，在热传递表面之间可以釆用可塑性变形或有延展性的材料。
然而，在本发明的一些实施例中，可以转移典型地具有大约0.0262W/nrK (在大约300K的温度和大气压下)的热导率的低传导率材料(例如，干燥空气)来中断加热路径并减小热传递速率。本领域普通技术人员将明白根据本发明可以使用干燥空气的多种替换物。例如，在实施本发明中可以利用各种可选气体，例如但不限于氩气、氪气或氙气。另外，具有适当传导率的液体或凝胶材料可以进一步替换这里描述的千燥空气。在可选实施例中，低传导率的材料可以仅仅是真空。因此，当分别不再需要冷却系
8统或加热系统时，被加热或冷却的主体与热沉或热源分离。
根据本发明的一个实施例，致动器与热主体连通。致动器被设置成使得其可以控制主体之间的热连通。致动器可以是机械致动装置，用于促进热主体的接触和/或分离。例如，致动器可以用于影响或促进使热沉和/或热源接触到色谱柱。致动器可以采用但不限于机电激发的部件(例如，电动机)和/或通过气动或液压方式驱动。根据本发明的一个实施例，本发明可以利用电磁致动器、金属致动器、磁致伸缩装置和/或压电装置中的任何一个来实施。这种致动器中的任何一个都可以与一个或多个杆件、螺杆或可以提供促进或影响表面之间更好的接触压力的机械优点的其它装置结合使用。根据本发明的可选实施例，用于使进行热传递的主体接触和/或分离的致动器可以是热传导材料。例如，在主体之间建立和中断热传递可以釆用形状记忆金属，例如，镍钛金属。
如在图1A和图1B中示出的实施例所说明，本发明可以包括固定或设置在第一热主体或心轴114上的色谱柱112和如图1所示也优选地螺旋巻绕第一热主体心轴114的加热器126。第一热主体114可以包括高热导率材料(例如，金属、金属合金或者复合材料)或者由高热导率材料(例如，金属、金属合金或者复合材料)形成，并且可以具有低的热质量，从而有助于快速加热和冷却柱112。在图1A所示的位置处，截头圆锥体形的第一热主体114与巻绕在其上的柱112—起远离第二热主体138设置。第二热主体138包括互补形状的特征，其中可以如下所述设置带有柱112的第一热主体114。在加热或温度快变的过程期间，如图1A所示设置第一热主体114，使得包括柱112的组件具有通过加热器126加热的第一有效热质量。
在本发明的另外的实施例中，包括第一热主体心轴114和柱112的第一主体被设置成与如图1B所示的相配合的工件第二热主体138热连通。本发明的优选构造涉及其中相配合的工件第二热主体138有效地用作第二热主体的实施例。相反，在一些情况下，第二热主体138可以用作促进来自包括第一热主体114和柱112的第一主体的热能的传递的热沉或冷库(coldreservoir)。当与第一组件的有效热质量相比时，本发明的一些相关的实施例涉及具有大的热质量的冷库结构。在典型的操作中，第一组件被设置成在非加热操作期间与第二热主体138热连通。例如，在柱112的温度快变之后，柱的温度在下一个分析周期降低。可以通过用具体表现为第二热质量
主体138的热沉从第一组件抽出热量来加速该冷却操作。
图1C和图1D示出了本发明的另外的实施例，其中如在上述的实施例 中所述，第一组件或第一主体可以包括第一热主体114，第一热主体114具 有至少一个与其热连通的色谱柱U2。在图1C所示的第一构造中，第一主 体可以与第二热主体124进一步连通，例如，第二热主体124可以为具有高 热质量以及对应的互补形状特征的热源。该构造可以通过减小加热器上的 加热负载和/或提供热量调整能力来进一步促进柱的加热。在对应的非加 热操作中，第一主体可以与热源124热分离，并且以其例如如图1D所示的 互补形状的特征与第二热主体138以热连通方式连接。
在本发明的另外的实施例中，通过将柱连接到板或者使用典型地利用 光刻技术制造的MEMS柱可以将一个或多个色谱柱安装在平面结构中。如 图2A所示， 一个或多个冷库220可以被压到柱210上，以提供热沉或吸热主 体，并促进柱210的冷却。在图3A所示的可选实施例中，柱310可以被压在 冷库320和330两部件之间，以加速冷却操作。在非冷却操作期间，如图2B 和3B所示，通过例如在柱和一个或多个热沉之间引入绝缘体或者通过将柱
与热沉热分离，可以使柱与一个或多个热沉热绝缘。本发明的另外实施例 打算利用冷却组件作为冷库220、 320和/或330的部件。例如，可以通过热 电系统和技术(例如，珀耳帖装置(Peltier device))至少部分地影响冷却。
可以通过传统的组件和技术来实现第一主体、第二主体或者第一主体 和第二主体的致动，以影响热连接和/或分离。例如，可以使用磁致伸縮 装置作为产生导热路径的热开关的部件。可选地，可以另外使用形状记忆 合金来实现第一主体、第二主体或者第一主体和第二主体的致动以影响热 连接。可以采用其它组件，例如但不限于由例如电动机或气动致动器或液 压致动器驱动的机动化致动器。
现在己经说明了本发明的一些说明性实施例，但是本领域普通技术人 员应该清楚前面的描述仅仅是说明性的而不是限制性的，为了清晰起见， 通过例子的方式表示出来。多种修改和其它实施例在本领域普通技术人员 的范围内，并被认为落入本发明的范围内。具体地，虽然这里呈现的许多 实例涉及方法步骤或系统元件的具体组合，但是应该理解，那些步骤和元件可以以其它方式组合来实现相同的目的。例如，本发明的系统和技术可
以被实施用以在包括但不限于下向井眼环境的各种环境中加热和/或冷却
除色谱柱之外的部件。
本领域普通技术人员应该理解，这里描述的参数和构造是示例性的， 实际参数和/或构造将取决于使用本发明的系统和技术的具体应用。本领 域普通技术人员只利用常规经验也应该意识到或者能够确定本发明的具 体实施例的等效形式。因此，将明白的是这里描述的实施例只以实例的方 式呈现，并且在权利要求及其等效形式的范围内；另外，本发明可以以不 同于具体说明的方式进行实施。
此外，还应该理解的是，本发明致力于这里描述的每个特征、系统、 子系统或技术以及这里描述的特征、系统、子系统或技术中的两个或更多 个的任何组合，并且如果这种特征、系统、子系统或技术不是相互矛盾的， 则特征、系统、子系统和/或方法中的两个或更多个的任何组合被认为在 按权利要求实施的本发明的范围内。此外，只关于一个实施例讨论的步骤、 元件和特征并不意味着排除在其它实施例中相似的作用之外。
这里所使用的术语"多个"指两个或更多个项目或部件。无论在说明书 中还是在权利要求等中的术语"包含"、"包括"、"带有"、"具有"、"含有" 和"涉及"是开放式的术语，即，表示"包括但不限于"。因此，这种术语的 使用意味着包括下面所列出的项目及其等效形式以及额外的项目。对于权 利要求只有过渡短语"由…组成"和"主要由…组成"分别是闭合或半闭合的 过渡短语。权利要求中用于修饰权利要求中所述元件的顺序术语(例如， "第一"、"第二"、"第三"等)的使用本身不意味着任何优先权、优先级、 或权利要求中所述的一个元件相对于另一个的顺序、或者执行方法步骤的 时间顺序，而是只用作将具有特定名称的权利要求中所述的一个元件与具 有相同名称(但使用顺序术语)的另一元件相区分的标记，以区分权利要 求中所述的元件。
权利要求
1. 一种用于色谱柱的温度控制的系统，包括色谱柱，所述柱具有第一热主体；具有表面的第二热主体；和致动器，所述致动器被构造用于控制所述第一热主体的至少一部分和所述第二热主体的至少一部分之间的热连通。
2. 根据权利要求l所述的系统，进一步包括设置在所述表面的至少一部分上的热传导材料。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述热传导材料包括非氧化物形成材料或不形成氧化物的材料。
4. 根据权利要求l所述的系统，进一步包括与所述第一热主体热连通的加热器。
5. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述致动器为机械致动器。
6. 根据权利要求l所述的系统，进一步包括温度传感器，所述温度传感器被设置用于测量所述柱的温度并产生表示所测量的柱温度的信号。
7. 根据权利要求6所述的系统，进一步包括控制器，所述控制器被构造用于从所述温度传感器接收所述信号，并且至少部分地基于所测量的柱温度产生用于所述致动器的致动信号。
8. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述第一热主体是热源，所述第二热主体是热沉。
9. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述第一热主体是热沉，所述第二热主体是热源。
10. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述色谱柱被设置在下向井眼的环境中或井下的环境中。
11. 一种在具有至少一个色谱柱的色谱系统中特征化被分析物的方法，包括步骤将被分析物引入到所述色谱柱中，所述柱具有在该柱中的相关的第一热主体；将所述色谱柱的温度从第一温度升高到第二温度；以及将所述第一热主体热连接到第二热主体。
12. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包括步骤 使所述柱与所述热沉热分离。
13. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包括步骤-将所述系统设置在下向井眼的环境中或井下的环境中。
14. 根据权利要求ll所述的方法，其中，所述将所述第一热主体热连接到第二热主体的步骤包括步骤使所述第一热主体的至少一部分与所述第二热主体的至少一部分相 接触。
15，根据权利要求ll所述的方法，其中，所述升高所述色谱柱的温度 的步骤包括步骤-将所述第一热主体的至少一部分热连接到被加热的主体。
16. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包括步骤 测量所述第一热主体的温度。
17. 根据权利要求16所述的方法，进一步包括步骤 当所述第一热主体的被测量的温度低于或等于阈值温度时使所述柱与所述热沉热分离。
18. 根据权利要求17所述的方法，进一步包括步骤-将另一被分析物引入到所述色谱柱中。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括步骤 升高所述第一热主体的温度；和在将所述第一热主体的温度升高之后，将所述第二热主体的至少一部 分热连接到所述第一热主体的至少一部分。
20. 根据权利要求ll所述的方法，其中，与所述第二热主体相比，所 述第一热主体具有低的热质量。
21. 根据权利要求ll所述的方法，其中，所述热连接为导热连接。
22. 根据权利要求ll所述的系统，其中，所述第一热主体是热源，所 述第二热主体是热沉。
23. 根据权利要求ll所述的系统，其中，所述第一热主体是热沉，所 述第二热主体是热源。
全文摘要
本发明公开了一种用于远程独立气相色谱法的热开关。当不需要加热或冷却时，装置机械地将热库或冷库与色谱柱分离。所述柱需要用于获得低于周围环境的初始温度的冷却系统。其它时间，所述柱需要被加热到相对较高的温度，在此期间冷却系统优选地被分离。热开关在使峰值冷却动力需求最小化的同时允许温度快速改变。
文档编号E21B49/08GK101498698SQ20081000863
公开日2009年8月5日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者大东成夫, 尼尔·博斯特罗姆, 杰格迪什·沙阿, 罗伯特·L·克莱因伯格 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司