[发明专利]差分绝热补偿量热计和操作方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年7月7日提交的名称为“A differential adiabatic calorimeter and method of operation(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 adiabatic compensation calorimeter and method of operation(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

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

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已被广泛用来研究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。

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究通常是使用与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^TM等温反应微量热计)上进行的。

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究)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。

为了研究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。

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。

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