FR2917167A1 - Systeme et procede pour analyse thermique a l'aide de resistance thermique variable - Google Patents

Abstract

Un appareil de mesure thermique et un procédé pour exécuter une analyse calorimétrique différentielle à compensation de puissance (« DSC ») de flux de chaleur sont décrits. Une résistance thermique variable permet de coupler un assemblage de mesure (41) à un dissipateur de chaleur (5 1 ) dans l'appareil de mesure thermique, pour que des échantillons puissent être chauffés et refroidis rapidement. L'appareil peut être configuré avec une enceinte (42) d'assemblage d'échantillon à haute conductivité. L'enceinte (42) peut comprendre un revêtement à haute émissivité. Dans une configuration, l'enceinte (42) s'étend le long d'une direction longitudinale semblable à celle d'un assemblage de lampe à infrarouge (59) utilisé pour chauffer l'enceinte (42), optimisant ainsi le chauffage de l'enceinte (42). Dans une configuration, la résistance thermique variable comprend un espace dont la composition de gaz peut être variée lors d'une mesure d'échantillon pour optimiser indépendamment les vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon.

Description

SYSTÈME ET PROCÉDÉ POUR ANALYSE THERMIQUE À L'AIDE DE RÉSISTANCE THERMIQUE

VARIABLE

La présente invention concerne généralement des appareils et procédés pour des mesures de propriété de matériaux exécutées au cours du chauffage et du refroidissement. Une analyse thermique différentielle ( DTA ou Differential Thermal Analysis ) et une calorimétrie à balayage différentiel ( DSC ou dfferential scanning calorimetry ) peuvent être exécutées à des vitesses de chauffage d'échantillon élevées, comme cela est décrit dans le brevet US 5 509 733 attribué à Danley ( le brevet '733 ), qui décrit un dispositif d'analyse thermique différentielle à chauffage infrarouge ( Infrared Heated Differential Thermal Analyzer ) qui permet d'obtenir des vitesses de chauffage et de refroidissement élevées. Le brevet '733 décrit l'utilisation d'une source de chaleur par infrarouge pour chauffer un assemblage de mesure d'analyse thermique différentielle (ou potentiellement une calorimétrie à balayage différentiel) qui est couplé à un ou deux dissipateurs thermiques par l'intermédiaire d'un ou de deux éléments de restriction de flux de chaleur qui limitent le taux de chaleur s'écoulant entre le dissipateur de chaleur et l'assemblage de mesure. Les dissipateurs thermiques sont refroidis soit en faisant circuler un fluide froid à travers eux ou en alimentant un liquide sous-refroidi qui s'évapore à l'intérieur du dissipateur thermique en emportant la chaleur. Le liquide sous-refroidi peut être le réfrigérant dans un système de réfrigération à compression de vapeur où il peut être un fluide de refroidissement consommable tel que de l'azote liquide dont la vapeur est évacuée vers l'atmosphère après avoir refroidi le dissipateur thermique. Le générateur de chaleur décrit dans le brevet '733 peut être utilisé en conjonction avec un assemblage de mesure qui comprend un capteur de type en disque construit selon le brevet US 4 095 453, où le capteur est joint à une paire d'anneaux d'égalisation de température métalliques à haute conductivité thermique, un anneau joint à chaque côté du disque de capteur. Les anneaux sont joints aux éléments de restriction de chaleur (également appelés résistances thermiques dans les présentes), qui sont à leur tour joints aux dissipateurs de chaleur. Les éléments de restriction de chaleur sont des cylindres à paroi mince faits de métaux à conductivité thermique relativement faible qui résistent à des températures élevées et aux contraintes thermiques importantes qui peuvent leur être imposées. Dans le cas d'un appareil possédant un dissipateur de chaleur unique, l'élément de restriction de chaleur est joint à l'anneau d'égalisation de température situé en dessous du capteur et une seconde section à paroi mince similaire à l'élément de restriction de chaleur est jointe à l'anneau d'égalisation de température supérieur. L'utilisation d'un élément de restriction de chaleur à haute résistance thermique peut favoriser des vitesses de chauffage d'échantillon élevées en réduisant la dissipation de chaleur indésirable à partir du capteur au cours du chauffage.

Bien que l'appareil décrit dans le brevet '733 puisse obtenir des vitesses de chauffage et des vitesses de refroidissement relativement élevées, la vitesse de refroidissement de l'appareil est néanmoins limitée par des facteurs tels que la température du dissipateur de chaleur (plus la température du dissipateur de chaleur est basse, plus la vitesse de refroidissement est importante depuis une température élevée), qui à son tour dépend de la température du fluide de refroidissement et de la géométrie du dissipateur de chaleur. En outre, la vitesse de refroidissement est limitée par la résistance thermique des éléments de restriction de chaleur qui ont tendance à limiter la vitesse de dissipation de chaleur à partir du capteur au cours du refroidissement.

En outre, l'appareil décrit dans le brevet '733 n'est pas bien adapté à l'exécution d'une calorimétrie à balayage différentiel car le capteur et les récipients à échantillon échangent de la chaleur avec les éléments de restriction de chaleur, les dissipateurs de chaleur et le couvercle d'assemblage de mesure dans le cas du dispositif d'analyse thermique possédant un dissipateur de chaleur unique. Étant donné que les différences de température entre le capteur et les dissipateurs de chaleur et entre le capteur et des parties des éléments de restriction de chaleur sont souvent de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, et peuvent même atteindre 1000 C ou plus, l'échange de chaleur peut être assez important. Comme cette chaleur ne s'écoule pas à travers le capteur, elle n'est pas mesurée ; ainsi l'échange de chaleur non mesuré constitue une erreur de mesure de vitesse d'écoulement de chaleur. Pour certaines expériences où une mesure quantitative de vitesse d'écoulement de chaleur n'est pas nécessaire, par exemple des expériences où seule la température d'une transition est mesurée, et où seule la connaissance de la direction de l'échange de chaleur, c'est-à-dire savoir si la transition est exothermique ou endothermique, est nécessaire, l'appareil du brevet '733 peut être adéquat. Par ailleurs, un DSC de flux de chaleur conventionnel peut être construit en installant un capteur à l'intérieur d'une enceinte de température uniforme qui est chauffée et refroidie selon le programme de température expérimental souhaité. Ceci réduit énormément les différences de température entre le capteur et les récipients à échantillon et leurs environs, réduisant ainsi l'échange de chaleur non mesuré entre le capteur et les récipients à échantillon et l'enceinte. Cependant, de telles enceintes possèdent généralement des capacités de chaleur relativement élevées et ainsi ne sont pas bien adaptés pour le chauffage et le refroidissement à des vitesses élevées. En outre, les enceintes sont d'habitude chauffées par des éléments de chauffage par résistance qui doivent être isolés électriquement et thermiquement par rapport à l'enceinte de DSC. Ainsi, les éléments de chauffage ne transfèrent pas la chaleur rapidement à l'enceinte de DSC et, lorsque la puissance est éliminée, ils refroidissent lentement. Les éléments de chauffage et l'isolation électrique et thermique des éléments de chauffage contribuent également à la masse du DSC, augmentant sa capacité calorifique, limitant davantage sa capacité à chauffer et refroidir rapidement. Ainsi, il existe de nombreux obstacles à l'obtention d'un système pour un chauffage d'échantillon rapide et un refroidissement d'échantillon rapide compatible avec l'analyse thermique d'échantillons, tel que le DSC de flux de chaleur. Dans une configuration de la présente invention, un système de mesure thermique comprend un assemblage de mesure possédant un assemblage de capteur d'analyse thermique différentielle pour recevoir un échantillon qui est installé dans une cavité à l'intérieur d'un cylindre oblong, un assemblage de lampe à infrarouge disposé de façon circonférentielle autour du cylindre oblong et possédant une longueur sensiblement similaire à celle du cylindre. L'assemblage de lampe à infrarouge comprend de préférence une pluralité de lampes tubulaires possédant chacune un axe longitudinal agencé parallèlement à l'axe du cylindre oblong, et un réflecteur à infrarouge comprenant une pluralité de surfaces cylindriques quadriques partielles qui décrivent chacune une forme cylindrique qui possède un foyer coïncidant avec l'axe de chaque lampe tubulaire. Le système de mesure thermique comprend en outre une résistance thermique couplée à l'assemblage de mesure, dans lequel la résistance thermique possède une résistance thermique configurable, dont le périmètre est défini par l'assemblage de lampe, et un dissipateur de chaleur couplé thermiquement à la résistance thermique et au réflecteur à infrarouge, dans lequel la résistance thermique est opérationnelle pour varier dynamiquement la résistance thermique entre l'assemblage de mesure et le dissipateur de chaleur à des moments appropriés au cours d'une expérience. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, un procédé pour exécuter une mesure thermique comprend la fourniture d'une résistance thermique variable entre un assemblage de mesure d'échantillon et un dissipateur de chaleur dans un instrument d'analyse thermique, le chauffage d'un échantillon dans l'assemblage de mesure d'échantillon lorsque la résistance variable possède une première résistance thermique, la modification de la résistance variable de sorte que la résistance variable possède une seconde résistance thermique différente de la première résistance thermique, et le refroidissement de l'échantillon de mesure alors que la résistance variable possède la seconde résistance thermique, dans lequel les vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon sont configurées pour varier de manière indépendante. La figure la est un diagramme schématique qui représente une coupe transversale verticale à travers la ligne centrale d'un assemblage de mesure calorimétrique selon une configuration de la présente invention.

La figure lb illustre des détails d'une résistance thermique possédant une résistance thermique variable selon une configuration de la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe transversale horizontale à travers les assemblages de générateur de chaleur à infrarouge et de mesure illustrés sur la figure la.

La figure 3 représente des détails d'un assemblage de capteur, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 4 illustre des exemples d'étapes impliquées dans un procédé pour mesure thermique à l'aide d'une résistance thermique variable, selon un mode de réalisation de la présente invention.

La figure 5 représente les vitesses de chauffage et de refroidissement obtenues dans des conditions de chauffage à boucle fermée lors de l'utilisation d'un appareil de la présente invention possédant une résistance thermique configurable.

Afin de clarifier la présente invention, des modes de réalisation de la présente invention sont décrits ci-dessous par rapport aux figures 1 à 5. Dans une configuration de la présente invention, un système pour mesure thermique comprend un générateur de chaleur à infrarouge utilisé pour chauffer un assemblage de mesure qui incorpore une enceinte à haute conductivité thermique similaire à celle d'un DSC conventionnel. Les termes système pour analyse thermique , système de mesure thermique , et système d'analyse thermique sont utilisés de façon interchangeable dans les présentes pour indiquer généralement un système qui est configuré pour mesurer les propriétés thermiques d'un échantillon, y compris des DTA et DSC et des techniques connexes. L'enceinte réduit les erreurs de différence de température qui résultent d'un échange de chaleur entre le capteur, les récipients à échantillon et leurs environs. Dans des configurations de la présente invention décrites en détail ci-dessous, la surface extérieure de l'enceinte qui loge l'assemblage de mesure est un cylindre circulaire oblong dont la longueur est égale à celle d'un assemblage de cavité de réflecteur et de lampe qui forme un assemblage de chauffage à infrarouge. De cette manière, l'enceinte intercepte une fraction importante de l'énergie émise par les lampes et réfléchie par le réflecteur. La surface extérieure de l'enceinte est enduite avec un revêtement à haute émissivité pour augmenter énormément l'absorption de rayonnement arrivant au niveau de la surface. En conséquence, en s'assurant que la géométrie de l'enceinte est configurée pour intercepter et absorber une fraction plus importante du rayonnement émis, même une enceinte relativement massive peut être chauffée rapidement. En outre, dans des modes de réalisation de la présente invention, le rapport de la superficie chauffée par rapport à la superficie de réflecteur est augmenté par rapport à un système possédant un tube de quartz enfermant l'assemblage de mesure, tel que celui illustré dans le brevet `733. L'élimination d'une enceinte en quartz améliore davantage le rendement d'échange de chaleur et permet aux lampes d'être positionnées plus près de l'assemblage de mesure, qui, à son tour, permet à la superficie de réflecteur d'être réduite. De préférence, un dissipateur de chaleur unique est situé extérieurement au réflecteur de générateur de chaleur à infrarouge, de sorte que le dissipateur de chaleur ne soit pas directement chauffé par rayonnement, ce qui améliore davantage le rendement de chauffage à infrarouge. Le dissipateur de chaleur peut être refroidi en faisant circuler de l'eau ou un certain autre fluide en tant que fluide de refroidissement. En variante, le dissipateur de chaleur peut être refroidi par évaporation d'un liquide sous-refroidi, qui peut être le fluide de réfrigération dans un système de réfrigération à compression de vapeur, ou un fluide de refroidissement consommable tel que de l'azote liquide dont la vapeur est évacuée vers l'atmosphère. En outre, le système comprend une résistance thermique utilisée pour fournir un passage d'écoulement de chaleur ( raccorder thermiquement ) l'assemblage de mesure au dissipateur de chaleur externe, où la résistance thermique est également située extérieurement au réflecteur. L'objectif de la résistance thermique est de limiter la vitesse d'écoulement de chaleur entre l'assemblage de mesure et le dissipateur de chaleur mais de permettre également à une chaleur suffisante de s'écouler pour que l'assemblage de mesure puisse être refroidi à la vitesse souhaitée. Ainsi, les conditions pour la résistance thermique sont généralement différentes pour le chauffage, lorsqu'une résistance thermique importante est plus souvent souhaitée que pour le refroidissement, et lorsqu'une faible résistance thermique est généralement souhaitée. La résistance thermique comprend un espace rempli de gaz dont la composition de gaz peut être configurée pour modifier la résistance thermique de la résistance thermique. De préférence, la résistance thermique est également située extérieurement au réflecteur, la résistance étant disposée à l'extérieur de la région définie par la cavité de réflecteur. Dans des configurations de la présente invention, le diamètre de l'enceinte et l'assemblage de mesure peut être de façon pratique dimensionné selon des dimensions réduites, de sorte que la masse de l'assemblage de mesure et de l'enceinte soit bien inférieure à celle dans un appareil DSC typique. Ceci facilite davantage la capacité de chauffer et refroidir rapidement un échantillon au cours de mesures d'échantillon. Plutôt que d'utiliser un système de refroidissement séparé pour le réflecteur, comme cela est décrit dans l'art antérieur, dans des configurations de la présente invention, le réflecteur est également thermiquement couplé au dissipateur de chaleur pour le refroidissement. De cette manière, les vitesses de refroidissement et la température minimum obtenues par l'appareil sont améliorées. Cette configuration possède l'avantage supplémentaire que l'appareil est simplifié par élimination d'un système de refroidissement séparé pour le réflecteur à infrarouge. La figure la représente une coupe transversale verticale à travers un système de mesure thermique possédant un assemblage dans lequel une résistance thermique à espace rempli de gaz est utilisée pour coupler l'assemblage de mesure à un dissipateur de chaleur. Pour améliorer les vitesses de chauffage et de refroidissement réalisables, la taille de l'assemblage de mesure est énormément réduite par rapport à celle des assemblages de mesure conventionnels, comme celles de l'échantillon et des récipients à échantillon utilisés. L'assemblage de mesure 41 comprend une enceinte à haute conductivité thermique 42, un assemblage de capteur 43 et une résistance thermique 44. En plus de posséder une haute conductivité thermique, l'enceinte 42 présente de préférence une haute émissivité sur sa surface extérieure. Dans des modes de réalisation de la présente invention, ces deux propriétés peuvent être obtenues de plusieurs manières. L'enceinte 42 peut comprendre un cylindre qui contient un matériau unique qui possède une haute conductivité thermique et une haute émissivité, de sorte que la surface extérieure de l'enceinte 42 possède également une haute émissivité. En variante, l'enceinte 42 peut comprendre un cylindre possédant une épaisseur de paroi de cylindre donnée, dont une partie intérieure est faite d'un matériau à haute conductivité thermique qui ne possède pas de haute émissivité. Dans ce dernier cas, une couche extérieure de la paroi de cylindre, qui peut comprendre un revêtement extérieur appliqué sur le cylindre, possède une haute émissivité, de sorte que la surface extérieure du cylindre présente une haute émissivité. Dans les deux cas, la conductivité thermique générale de l'enceinte reste élevée. Dans un mode de réalisation de la présente invention, l'enceinte à haute conductivité thermique 42 est faite d'argent pur commercial, et est agencée sous forme de cylindre, de préférence un cylindre possédant une section transversale circulaire ( cylindre circulaire ), qui comprend une cavité 46, qui est fermée par un couvercle intérieur 47 et un couvercle extérieur 48, chacun également fait d'argent. La surface extérieure cylindrique 49 est enduite avec un revêtement à haute émissivité qui améliore l'absorption infrarouge de la surface. Un tel revêtement approprié est LaserBlack, un revêtement breveté produit par Epner Technology Inc. de Brooklyn, New York. Dans une configuration de la présente invention, l'assemblage de capteur de calorimétrie à balayage différentiel d'écoulement de chaleur 43 tel qu'il est décrit dans le brevet US 6 431 747 et dans la demande de brevet US n 11/843,225, déposée le 22 août 2007 (qui est fondée sur la demande de brevet US n 60/839 673, déposée le 24 août 2006), est joint inséparablement à la base de la cavité 46 de l'enceinte 42 par brasage, ce qui garantit que l'échange de chaleur entre le capteur et l'enceinte est très répétable. Dans des modes de réalisation de la présente invention, le rendement de chauffage de l'assemblage de mesure peut dépasser 50 %.

Les tailles d'échantillon et de récipient à échantillon dans le mode de réalisation illustré sur la figure la étant très réduites, l'assemblage de capteur 43 est de préférence équipé de cavités cylindriques sur les positions d'échantillon et de référence, qui aident à placer et retenir les récipients à échantillon, comme cela est décrit davantage par rapport à la figure 3 ci-dessous. En outre, les cavités cylindriques réduisent la résistance de contact thermique entre les capsules d'échantillon et le capteur en augmentant la superficie pour l'échange de chaleur. La résistance thermique réduite aide à réduire le décalage de température entre la capsule d'échantillon et le capteur qui peut se produire lorsque des vitesses élevées de chauffage et de refroidissement sont utilisées.

Une plaque en argent plate 50 qui est une partie intégrante de l'assemblage de mesure forme une surface d'une résistance thermique à espace rempli de gaz 44, comme cela est illustré sur la figure lb. L'espace rempli de gaz 45 est disposé entre la plaque 50 et la surface opposée de la résistance thermique 44 formée par un prolongement de dissipateur de chaleur 52, qui s'étend vers le haut dans la plaque inférieure de réflecteur 62 pour supporter l'assemblage de mesure. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, l'espace rempli de gaz 45 est un simple espace qui résulte lorsque deux surfaces nominalement plates sont comprimées ensemble. Par exemple, le dissipateur de chaleur 51 qui comprend une partie extérieure 92 et le prolongement de dissipateur de chaleur 52 disposé au centre du dissipateur de chaleur 51 peuvent être configurés de sorte que le prolongement de dissipateur de chaleur 52 entre en contact nominal avec la plaque 50 lorsque le dissipateur de chaleur 51 est assemblé sur l'assemblage de mesure 41. Dans une telle configuration, l'espace rempli de gaz résultant se produit du fait que les deux surfaces nominalement plates - la plaque 50 et la partie supérieure du prolongement de dissipateur de chaleur 52 - ne sont pas parfaitement plates, de sorte qu'un gaz remplit des espaces entre les surfaces nominalement plates.

La dimension verticale moyenne de l'espace rempli de gaz résultant correspond à la séparation verticale moyenne entre la partie supérieure du prolongement de dissipateur de chaleur 52 et la partie inférieure de la plaque 50 prise sur la zone plane entre le prolongement de dissipateur de chaleur 52 et la plaque 50. Ainsi, du fait que ni la surface de prolongement de dissipateur de chaleur 52 ni celle de la plaque 50 ne peuvent être idéalement plates, à savoir, chaque surface possède un certain degré de rugosité ou de non-planarité, lorsque la plaque 50 et le prolongement de dissipateur de chaleur 52 sont mis en contact, il y aura de nombreux espaces entre les points réels de contact entre la plaque 50 et le prolongement de dissipateur de chaleur 52, qui peut être exprimés comme un espace vertical moyen.

Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, comme cela est illustré sur les figures la et lb, le prolongement de dissipateur de chaleur 52 peut être configuré de sorte qu'un espace vertical fini 45 existe entre la plaque 50 et la partie supérieure de prolongement de dissipateur de chaleur 52 (à savoir, il n'y a aucun contact entre la plaque 50 et le prolongement de dissipateur de chaleur 52), lorsque la surface 66 est assemblée contre la plaque inférieure 62. Des exemples de dimensions de l'espace rempli de gaz 45 comprennent une largeur latérale (diamètre) allant de quelques millimètres à plusieurs centimètres, correspondant au diamètre du prolongement de dissipateur de chaleur 52, et une dimension verticale allant de quelques dizaines de millimètre jusqu'à nominalement zéro millimètres, comme cela est décrit ci-dessus. Cependant la présente invention n'est pas limitée à une plage de taille particulière quelconque de l'espace rempli de gaz 45, et l'invention n'est pas Iimitée à un rapport vertical/horizontal particulier de l'espace rempli de gaz 45. En faisant à nouveau référence à la figure 1 a, deux passages de faible diamètre 53 qui s'étendent à travers le prolongement de dissipateur de chaleur alimentent en gaz la résistance thermique 44 ; les passages 53 sont alimentés par un passage de taille plus importante 55 qui passe à travers le dissipateur de chaleur où il est fermé par un soufflet 56 et un agencement d'étanchéité 57 auquel la source de gaz est raccordée. Conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention, le soufflet remplit également la fonction supplémentaire de maintenir l'assemblage de mesure en place et de maintenir la hauteur verticale de l'espace 45 de la résistance thermique. Lorsque l'assemblage de mesure est installé pour chauffer le dissipateur 51, il est maintenu en place contre le prolongement de dissipateur de chaleur 52 et le soufflet 56 est comprimé. L'agencement d'étanchéité 57 est configuré pour être serré, serrant l'agencement d'étanchéité sur les tubes de protection de thermocouple et ainsi exerçant une force qui maintient la plaque inférieure 50 de l'assemblage de mesure fermement en place contre le prolongement de dissipateur de chaleur 52. Le serrage de l'agencement d'étanchéité 57 a tendance à tirer la plaque 50, qui est couplée aux tubes de protection de thermocouple qui passent à travers le passage 55, vers le prolongement de dissipateur de chaleur 52. En conséquence, le procédé de serrage peut être utilisé pour maintenir la plaque 50 en contact avec le prolongement de dissipateur de chaleur 52.

Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, des entretoises minces (non représentées) sont disposées à l'intérieur de l'espace rempli de gaz 45 pour augmenter la résistance thermique effective. Dans un mode de réalisation de la présente invention, les entretoises sont des feuilles métalliques minces qui s'étendent horizontalement à travers le diamètre de l'espace rempli de gaz 45. Par exemple, les feuilles métalliques minces peuvent être des disques circulaires possédant un diamètre dont la taille varie jusqu'à celle de l'espace rempli de gaz 45. Ainsi, les entretoises minces sont disposées de façon similaire à une couche à l'intérieur de l'espace rempli de gaz 45. Conformément à des modes de réalisation de la présente invention, même si des feuilles minces de métal possèdent d'habitude une résistance thermique naturellement faible du fait qu'elles sont minces et sont faites de matériau à relativement haute conductivité thermique, la résistance thermique de l'espace rempli de gaz 45 est augmentée lorsque les feuilles minces sont disposées horizontalement à l'intérieur de l'espace. Ceci est dû au fait que la présence d'une ou plusieurs feuilles métalliques minces horizontales augmente la résistance thermique en augmentant le nombre de couches gazeuses minces à l'intérieur de l'interface entre la plaque 50 et le prolongement 52. Sans aucune entretoise en feuille métallique horizontale mince ( entretoise ) à l'intérieur de l'espace 45, il y a seulement une seule couche gazeuse entre la plaque 50 et le prolongement 52, telle que la configuration illustrée sur la figure lb. L'ajout d'une entretoise augmente le nombre de couches gazeuses jusqu'à deux : une couche gazeuse se trouve entre l'entretoise et la plaque 50, et une couche gazeuse se trouve entre l'entretoise et le prolongement 52.

Etant donné que les surfaces supérieure et inférieure de chaque entretoise retiennent un degré de non-planarité ou de rugosité, de nombreux espaces persistent entre des entretoises adjacentes même lorsqu'elles sont mises en contact les unes avec les autres, produisant une couche gazeuse effective entre des entretoises adjacentes. En conséquence, l'insertion de chaque entretoise supplémentaire à l'intérieur de l'espace 45 augmente d'un le nombre de couches gazeuses, augmentant ainsi la résistance thermique de l'assemblage d'espace pour une composition de gaz donnée quelconque. Dans un mode de réalisation de la présente invention, deux entretoises sont disposées à l'intérieur de l'espace 45, fournissant trois couches gazeuses à l'intérieur de l'espace.

Un exemple d'épaisseur d'entretoise peut être d'environ 0,0005 pouce à environ 0,01 pouce, laquelle plage d'épaisseur est appropriée pour produire des espaces remplis de gaz de petite taille 45, comme cela est décrit ci-dessous. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, une ou plusieurs entretoises minces sont placées horizontalement dans un empilement d'entretoises (à savoir, les entretoises sont agencées de façon similaire à des couches) entre le prolongement de dissipateur de chaleur 52 et la plaque 50, après quoi l'agencement d'étanchéité 57 est serré de sorte que l'empilement d'entretoises entre en contact nominal avec le prolongement de dissipateur de chaleur 52 et la plaque 50. Dans un mode de réalisation de la présente invention, l'espacement vertical moyen total, qui est la somme des espaces verticaux moyens créés entre de quelconques entretoises dans l'empilement, l'espace moyen entre la partie supérieure de l'empilement d'entretoises et la plaque 50, et l'espace moyen entre la partie inférieure de l'empilement d'entretoises et le prolongement de dissipateur de chaleur 52, mesured'environ 0,0001 pouce à 0,002 pouce. En sélectionnant le nombre approprié d'entretoises, conjointement à la rugosité de surface appropriée, parmi d'autres paramètres, l'espace vertical moyen total peut être construit pour obtenir une dimension souhaitée, pour fournir pour une plage souhaitée de résistance thermique réalisable.

L'utilisation d'entretoises minces fournit de multiples avantages pour construire la résistance thermique dans l'assemblage 59. Par exemple, si un utilisateur souhaite une plage de résistance thermique qui nécessite qu'un espace vertical moyen mesure environ 0,001 pouce, afin d'essayer d'obtenir la séparation verticale, la partie supérieure du prolongement 52 pourrait être mise à proximité de la plaque 50 selon approximativement 0,001 pouce. Cependant, il peut être extrêmement difficile d'obtenir de façon reproductible un tel espace de petite taille, par exemple, en ajustant l'agencement d'étanchéité 57, et en outre de déterminer l'instant auquel l'espace approprié est obtenu. Par contre, l'utilisation d'entretoises minces facilite un contrôle plus précis d'un espace vertical en permettant à un utilisateur d'assembler le prolongement de dissipateur de chaleur 52 et la plaque 50 ensemble jusqu'à ce qu'un contact soit réalisé sur les surfaces supérieure et inférieure de l'empilement interposé d'entretoises minces, stade auquel un assemblage serré est obtenu dans lequel chaque entretoise est en contact avec une surface externe sur le côté supérieur et côté inférieur. Du fait que la rugosité de surface de la partie supérieure du prolongement du dissipateur de chaleur 52 et la partie inférieure de la plaque 50, ainsi que celle des entretoises interposées, a tendance à persister, sensiblement le même espace effectif peut être produit à chaque fois que le prolongement de dissipateur de chaleur 52 est serré contre la plaque 50.

De cette manière, un utilisateur pourrait déterminer par essai le nombre d'entretoises nécessaires pour produire la dimension d'espace souhaitée ou la plage de résistance thermique souhaitée. En outre, en variant la composition du gaz distribué à l'espace dans la résistance thermique 44, la résistance thermique, et donc la vitesse d'écoulement de chaleur entre l'assemblage de mesure et le dissipateur de chaleur, peut être variée. La variation de la vitesse d'écoulement de chaleur, à son tour, change les vitesses de chauffage et de refroidissement qui peuvent être obtenues. Par exemple, si un gaz à faible conductivité tel que l'argon (ou un vide dans des configurations où l'espace est conçu pour supporter un vide) est utilisé, la vitesse de chauffage relative peut être augmentée, alors que la vitesse de refroidissement relative est réduite. Si une composition de gaz à haute conductivité thermique est utilisée à la place, la vitesse de chauffage relative est réduite, mais la vitesse de refroidissement relative est augmentée. En conséquence, la composition de gaz dans la résistance thermique 44 peut être configurée (adaptée) pour varier les vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon maximums selon les conditions expérimentales. Dans un mode de réalisation de la présente invention, une résistance thermique est configurée pour produire une résistance thermique lorsque de l'He est utilisé pour remplir l'espace de gaz qui est plusieurs fois inférieure à la résistance thermique lorsque du N2 est utilisé pour remplir l'espace de gaz. Le fluide de refroidissement est distribué à la cavité 58 dans le dissipateur de chaleur où le fluide de refroidissement entre en contact avec des surfaces du dissipateur de chaleur pour extraire la chaleur. Des ailettes peuvent être ajoutées pour augmenter la superficie du dissipateur de chaleur si nécessaire selon l'amplitude d'échange de chaleur. Si le fluide de refroidissement est de l'azote liquide, la vitesse d'écoulement de l'azote liquide peut être contrôlée à l'aide de l'appareil et du procédé décrit dans le brevet US 6 578 367 attribué à Schaefer, et al. Dans une configuration de la présente invention, à l'aide d'un assemblage de 15 mesure possédant une masse d'environ 25 g, des vitesses de chauffage d'échantillon maximums dans la plage de 2000 à 3000 C/min peuvent être obtenues. Comme cela est représenté sur la figure 1 a, l'assemblage de générateur de chaleur à infrarouge 59 comprend un corps de réflecteur 60, une plaque supérieure 61, une plaque inférieure 62, quatre lampes 26 et huit supports de 20 lampe 27. Le corps de réflecteur 60 contient une cavité comprenant des parties se croisant de cylindres quadriques. Dans un mode de réalisation de la présente invention, les parties se croisant de cylindre quadrique comprennent des parties de quatre cylindres elliptiques se croisant orientés verticalement et parallèles dans lesquels une lampe est située au niveau d'un foyer de chacun des quatre cylindres 25 elliptiques. Les autres foyers des cylindres elliptiques sont colinéaires et situés au centre du corps de réflecteur coïncidant avec l'axe central de l'assemblage de mesure. Les lampes peuvent être des lampes de 250 watts possédant une configuration T-3 avec une base RSC ( recessed single contact ou contact unique évidé) et une longueur de filament allumé de 1 pouces, délivrant ainsi une 30 puissance totale de 1000 watts. La cavité du réflecteur est polie et comprend un revêtement qui possède une réflectivité infrarouge très élevée, qui est définie comme possédant une réflectivité totale hémisphérique d'au moins environ 0,95 dans le spectre électromagnétique du proche infrarouge jusqu'à une longueur d'onde de 12 m. Un tel revêtement approprié est Laser Gold, un revêtement de dépôt électrolytique breveté produit par Epner Technology Inc. de Brooklyn, New York. La plaque supérieure de réflecteur 61 est plate et possède des pattes de montage (non représentées) pour quatre supports de lampe 27 qui maintiennent et réalisent un contact électrique avec l'extrémité supérieure de chaque lampe. La surface 63 de la plaque faisant face à la cavité du bloc réflecteur est polie et possède un revêtement appliqué qui possède une réflectivité infrarouge très élevée. Dans cette configuration, un orifice 64 s'étend à travers la plaque 61 permettant l'accès à l'assemblage de mesure pour charger et décharger des échantillons. La plaque inférieure de réflecteur 62 est plate et possède des pattes de montage pour quatre supports de lampe qui maintiennent et réalisent un contact électrique avec l'extrémité inférieure de chaque lampe. La surface 65 de la plaque faisant face à la cavité du bloc réflecteur est polie et possède un revêtement appliqué qui possède une réflectivité infrarouge très élevée. Dans cette configuration, l'orifice 54 qui s'étend à travers la plaque permet au prolongement de dissipateur de chaleur 52 et à la résistance thermique 44 d'entrer dans la plaque inférieure et de supporter l'assemblage de mesure. La surface plate extérieure 85 de la plaque inférieure s'accouple avec la surface plate 66 du dissipateur de chaleur, refroidissant ainsi l'assemblage de réflecteur entier. La figure 2 représente une vue en coupe transversale horizontale à travers les assemblages de générateur de chaleur à infrarouge et de mesure. Dans des modes de réalisation de la présente invention, la cavité 67 comprend une pluralité de surfaces cylindriques quadriques partielles, où chaque surface cylindrique quadrique partielle est adjacente à une ou plusieurs surfaces similaires, comme cela est illustré sur la figure 2. Le terme surface cylindrique quadrique partielle , tel qu'il est utilisé dans les présentes, fait référence à une surface tridimensionnelle qui définit un cylindre partiel dont la forme de section transversale est celle d'une partie d'une courbe quadrique, telle qu'une ellipse. Ainsi, la cavité 67 est définie par une série de quatre cylindres quadriques partiels qui sont chacun adjacents à deux autres cylindres quadriques partiels disposés sur des côtés opposés du cylindre en question.

Conformément à des modes de réalisation de la présente invention, chaque cylindre quadrique partiel, tel qu'un cylindre elliptique ou parabolique partiel, possède un foyer (qui correspond à un point dans un plan du cylindre quadrique 15 partiel tel qu'il est vu en coupe transversale, telle que celle illustrée sur la figure 2) qui correspond à une position d'une lampe 26. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, la cavité 67 du corps de réflecteur 60 comprend quatre surfaces cylindriques elliptiques partielles se croisant. De préférence, les quatre surfaces cylindriques elliptiques partielles définissent chacune une partie d'un cylindre elliptique respectif (dont la partie restante est imaginaire) qui est agencé de sorte qu'un foyer de chaque cylindre elliptique soit situé afin d'être espacé de façon égale sur un cercle centré sur l'assemblage de mesure 41. L'axe de chaque lampe 26 est centré sur un foyer respectif des foyers espacés de façon égale. Le second foyer de chaque cylindre elliptique coïncide avec chaque autre second foyer et la ligne centrale de l'assemblage de mesure 41. Le capteur 43 est situé symétriquement par rapport à la ligne centrale de l'assemblage de mesure à l'intérieur de la cavité 33 de l'enceinte 42 possédant une position d'échantillon 68 et une position de référence 69. En faisant à nouveau référence à la figure la, la cavité 67 du bloc réflecteur 60 est conçue pour avoir approximativement la même longueur (dans le but de la présente description, l'utilisation de l'expression approximativement la même longueur ou approximativement égale signifie que le rapport de longueur de la cavité de bloc réflecteur 67 et l'enceinte 42 le long de son axe est environ 0,8 à 1,2 et aligné avec l'enceinte conductrice 42, de sorte que l'enceinte 42 soit entourée par la cavité de bloc réflecteur 67 sur sa longueur entière. Afin de chauffer efficacement l'enceinte 42, la cavité de bloc réflecteur 67 est conçue pour ne pas s'étendre sensiblement au-delà de la longueur de l'enceinte 42. La figure 3 représente des détails de l'assemblage de capteur 43, selon un mode de réalisation de la présente invention. De préférence, le capteur est construit conformément à celui décrit dans le brevet US 6 431 747 et la demande de brevet US n 11/843 225, déposée le 22 août 2007, et le procédé de mesure de vitesse d'écoulement de chaleur décrit dans ceux-ci peut être pratiqué à l'aide de la présente invention. Dans une configuration de la présente invention, la base de capteur est faite d'un premier matériau (tel qu'un métal ou un alliage) constituant un élément d'une paire de thermocouple et comprend une base relativement plus épaisse (par exemple 0,5 mm à 1,0 mm d'épaisseur) 71 avec une surface de montage plate 72 par laquelle le capteur est monté dans l'enceinte à haute conductivité thermique, et une paire de tubes cylindriques de paroi relativement plus mince (par exemple 0,127 mm d'épaisseur) 73 et 74 qui forment les résistances thermiques de mesure. Dans un mode de réalisation préféré, la base 71 (ainsi que les cylindres à paroi mince 73 et 74) est fait de constantan, l'élément négatif d'un thermocouple de type E. Un support d'échantillon 75 et un support de référence 76 sont faits d'un second matériau différent de celui utilisé pour former la base 71, de sorte que les supports 75 et 76 forment chacun une paire de thermocouples avec le constantan (ou autre matériau de thermocouple utilisé pour former la base 71 et les tubes 73, 74). Le support d'échantillon 75 comprend une cavité 77 dans laquelle un échantillon contenu dans un capsule d'échantillon (non représentée) peut être inséré ; le support de référence 76 comprend une cavité 78 dans laquelle une capsule de référence (également non représentée) contenant une référence (si utilisée) peut être insérée. Dans un mode de réalisation préféré, les supports d'échantillon 75, 76 sont faits de chromel, l'élément positif d'un thermocouple de type E. Un fil à signal 79 qui est fait du même alliage que celui utilisé dans le support d'échantillon est soudé au support d'échantillon et un fil à signal 80 qui est fait du même alliage que le support de référence est soudé au support de référence. Un thermocouple comprenant un fil 81 fait du même alliage que la base 71 et un fil 82 fait du même alliage que les supports d'échantillon et de référence, est soudé à la base. Une jonction de thermocouple est formée au niveau de l'interface entre les extrémités supérieures de tubes à paroi mince 73 et 74 et les bases des supports d'échantillon et de référence 75 et 76. Les supports d'échantillon et de référence peuvent être joints aux tubes à paroi mince à l'aide de soudage, brasage ou soudage par diffusion (également appelé assemblage par diffusion), comme cela est décrit dans la demande de brevet US n 60/839 673, bien que le procédé préféré soit le soudage par diffusion. Dans une configuration de la présente invention, l'assemblage de mesure d'échantillon et l'enceinte comprennent une masse d'environ 10 à 100 g, et dans une configuration préférée, d'environ 25 g. Dans une configuration de la présente invention, les supports 75, 76 sont conçus avec un diamètre et une hauteur de sorte que le volume de cavités 77, 78 soit de l'ordre d'environ 10-3 à 10-2 cm3, ce qui correspond à des matériaux d'échantillon (référence) possédant une masse dans la plage d'environ plusieurs dizaines de microgrammes à plusieurs milligrammes, suivant la densité d'échantillon.

Un signal de température différentielle AT représentant la différence de température entre les supports d'échantillon et de référence est mesuré entre les fils 79 et 80. Un second signal de température différentielle ATo représentant la différence de température entre le support d'échantillon et la base de capteur est mesuré entre les fils 79 et 82. La température de la base To est mesurée entre les fils 81 et 82 et la température du support d'échantillon TS est mesurée entre les fils 79 et 81. La figure 4 illustre des exemples d'étapes impliquées dans un procédé pour analyse thermique à l'aide d'une résistance thermique variable, selon un mode de 10 réalisation de la présente invention. Dans l'étape 402, une résistance thermique qui comprend un espace rempli de gaz est alimentée avec une première composition de gaz. La résistance thermique forme une partie d'un outil d'analyse thermique qui comprend une enceinte de mesure couplée à un dissipateur de chaleur par la résistance thermique. Par exemple, 15 un gaz à faible conductivité thermique comme l'argon peut être distribué à l'espace rempli de gaz de la résistance thermique, auquel cas des vitesses de chauffage plus élevées et des vitesses de refroidissement plus lentes sont obtenues. Dans l'étape 404, l'échantillon est chauffé. Si la résistance thermique est pourvue d'un gaz à faible conductivité, tel que de l'argon ou de l'azote, la vitesse de 20 chauffage d'échantillon relative peut être augmentée. Ceci est dû au fait que la vitesse de chauffage d'échantillon dépend de la vitesse à laquelle la chaleur est distribuée à l'échantillon et la vitesse à laquelle la chaleur quitte l'échantillon. Du fait que l'enceinte 42 absorbe la chaleur émise à partir de l'assemblage de lampe 59, l'enceinte 42 conduit la chaleur à l'assemblage de capteur 43, qui, au cours du 25 chauffage, possède d'habitude une température inférieure à celle de l'enceinte 42. En outre, la chaleur est éloignée de l'enceinte 42 à travers la résistance 44 pour chauffer le dissipateur 52. Si la résistance 44 possède une résistance thermique relativement plus élevée, la vitesse de perte de chaleur à partir de l'assemblage de capteur 43 pour chauffer le dissipateur 52 est relativement plus lente. En conséquence, pour une 30 vitesse donnée de chaleur entrée à partir de l'assemblage de lampe 59, la vitesse de chauffage nette de l'assemblage 43 est plus élevée. Dans l'étape 406, la température d'échantillon est maintenue dans un état permanent. La puissance relative fournie à partir des lampes de chauffage est ajustée 18 de sorte que l'écoulement de chaleur dans l'enceinte à partir des lampes soit juste compensé par l'écoulement de chaleur vers le dissipateur de chaleur éliminant ainsi une température constante. Dans l'étape 408, la composition de gaz de la résistance thermique est commutée à une seconde composition. Dans un mode de réalisation de la présente invention, la commutation de composition de gaz se fait alors que la température d'échantillon est maintenue à une valeur constante. La commutation de composition de gaz pourrait se faire, par exemple, au cours d'une étape de tenue isotherme planifiée.

Dans l'étape 410, l'échantillon est refroidi. Si la seconde composition comprend un gaz à haute conductivité, tel que de l'hélium, la vitesse de refroidissement relative est augmentée pour un échantillon à une température élevée, du fait que la vitesse de conduction de chaleur vers le dissipateur de chaleur est plus importante. En conséquence, la vitesse de chauffage d'échantillon et la vitesse de refroidissement d'échantillon peuvent être indépendamment maximisées par un choix approprié de la composition de gaz dans les exemples d'étapes de la figure 4. La capacité de maximiser indépendamment les vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon permet de meilleures performances dans des systèmes de mesure tels que les calorimètres à compensation de puissance ( DSC ou differential scanning calorimeters ). Dans une expérience de DSC, le programme de température est exécuté sous une commande en boucle fermée, de sorte que des segments de chauffage et (occasionnellement) des segments de refroidissement de l'expérience soient exécutés à des vitesses constantes. Ainsi, dans une expérience de type DSC, la puissance est ajustée pour maintenir une vitesse de chauffage programmée et éventuellement également une procédure similaire est appliquée au cours d'un cycle de refroidissement. Pour un instrument de DSC donné, la puissance maximum qui peut être appliquée de façon contrôlable dans une expérience à boucle fermée est limitée. Cette limite de la puissance maximum peut limiter la capacité d'utiliser une commande à boucle fermée pour chauffer des échantillons rapidement.

Si un échantillon perd de la chaleur vers l'environnement, par exemple, à travers une résistance thermique couplée à un dissipateur de chaleur, trop rapidement au cours du chauffage, la puissance nécessaire pour maintenir une vitesse de chauffage donnée peut dépasser la capacité de l'instrument à chauffer l'échantillon de façon 19 contrôlable. En outre, bien qu'il puisse être possible de chauffer un échantillon de façon contrôlable à une vitesse donnée dans une plage de faible température où la différence entre la température d'échantillon et l'environnement extérieur est faible, à des températures plus élevées la vitesse de perte de chaleur à partir de l'échantillon vers le dissipateur de chaleur peut être telle que la puissance disponible maximum est insuffisante pour produire la vitesse de chauffage souhaitée ou pour maintenir la vitesse de chauffage souhaitée de façon contrôlable. Il est donc souhaitable d'avoir une résistance thermique plus importante pour minimiser la perte de chaleur à partir de l'échantillon au cours du chauffage. En conséquence, l'utilisation d'un espace rempli de gaz à haute résistance thermique permettrait à la vitesse de chauffage programmée d'être maintenue à une température plus élevée. Inversement, une puissance inférieure serait nécessaire pour maintenir une vitesse de chauffage donnée à une température donnée par rapport à l'utilisation d'un espace rempli de gaz à faible résistance. Par contre, lorsque l'on essaye de conduire des expériences à vitesse de chauffage très élevée à l'aide d'un gaz à faible résistance thermique, la puissance de générateur de chaleur pourrait atteindre sa valeur maximum avant que la limite de température programmée ne soit atteinte et la vitesse de chauffage diminuerait au fur et à mesure que l'échantillon continue de chauffer. Inversement, lorsque l'on essaye de réaliser des expériences à vitesse de refroidissement élevée à l'aide d'une haute résistance thermique, la puissance de générateur de chaleur pourrait atteindre zéro avant que la température cible ne soit obtenue et la vitesse de refroidissement diminuerait faisant en sorte que l'échantillon prend un temps plus long que souhaité pour refroidir. La figure 5 représente les vitesses de chauffage et de refroidissement expérimentales obtenues dans des conditions de chauffage à boucle fermée lors de l'utilisation d'un appareil de la présente invention possédant une résistance thermique configurable, à savoir, la résistance thermique peut être modifiée pour avoir des valeurs différentes. Le graphique représente deux courbes séparées qui correspondent aux vitesses de chauffage et de refroidissement à partir de deux expériences respectives superposées : la première expérience, essai de vitesse de refroidissement.004 , a été exécutée à l'aide d'hélium, un gaz à haute conductivité thermique, dans l'espace, entraînant une faible résistance thermique ; la seconde expérience, essai de vitesse de refroidissement.005 , a été exécutée à l'aide d'azote, un gaz à faible conductivité thermique dans l'espace, entraînant une haute résistance thermique. Dans chaque expérience, le DSC a été programmé pour chauffer de 33,33 C/sec (2000 C.min) jusqu'à 400 C, après quoi il a été laissé refroidir de façon balistique, c'est-à-dire sans aucun contrôle de température actif.

Dans le cas de l'expérience exécutée avec une faible résistance thermique, l'essai de vitesse de refroidissement.004, la vitesse de chauffage peut seulement être maintenue à 150 C, stade auquel le générateur de chaleur à infrarouge atteint une puissance maximum et un contrôle de température est perdu et la vitesse de chauffage ne peut pas être maintenue. Lors du refroidissement, la vitesse de refroidissement maximum obtenue est -26,91 C/sec à 327,27 C et à 100 C, le DSC se refroidit à -10,01 C/sec. En comparaison, dans l'expérience exécutée à l'aide de la haute résistance thermique, l'essai de vitesse de refroidissement.005, la vitesse de chauffage programmée de 33,33 C/sec est maintenue à 400 C. Cependant, lors du refroidissement, la vitesse de refroidissement maximum obtenue est -17,42 C/sec à 369,92 C et à 100 C, la vitesse de refroidissement est -5,574 C/sec. Comme cela est illustré sur la figure 5, l'utilisation de gaz à faible conductivité thermique ( TC ou thermal conductivity ) dans la résistance thermique permet à une vitesse de chauffage constante plus élevée d'être maintenue à des températures plus élevées sous une commande à boucle fermée. Cependant, l'utilisation du gaz à faible TC dans la résistance thermique entraîne également une vitesse de refroidissement plus lente. L'utilisation d'un gaz à haute TC dans la résistance thermique entraîne une température maximum inférieure qui peut être obtenue à une vitesse de chauffage élevée sous commande à boucle fermée, mais une vitesse de refroidissement plus élevée est également obtenue.

En faisant à nouveau référence à la figure 5, conformément aux modes de réalisation de la présente invention, le comportement de chauffage/refroidissement peut être modifié en utilisant des gaz différents dans une résistance thermique variable à espace rempli de gaz pour ajuster des conditions expérimentales selon les besoins. Par exemple, les données montrent que pour une expérience dont une température maximum est inférieure à environ 125 C, des vitesses de chauffage stables de 33,3 C sont réalisables à l'aide d'hélium. Ainsi, pour la commodité, de l'hélium pourrait être utilisé pour les cycles de chauffage et de refroidissement pour des expériences dans lesquelles la température maximum ne dépasse pas 125 C et une vitesse de chauffage de 33,3 C ou moins est souhaitée. La capacité à obtenir des vitesses de chauffage rapides et des vitesses de refroidissement rapides facilite les mesures de propriété d'échantillon qui sont difficiles à réaliser à l'aide d'appareils de mesure thermique conventionnels. Par exemple, pour la mesure à une température élevée de propriétés d'un échantillon partiellement cristallin ou non cristallin, il est souhaitable de chauffer rapidement jusqu'à une température ou plage de température souhaitée. Un chauffage rapide évite la recristallisation de l'échantillon qui pourrait se produire à des températures intermédiaires au cours du chauffage à une vitesse plus lente. Ceci est dû au fait qu'une substance qui existe sous forme partiellement cristalline ou non cristalline existe d'habitude dans un état métastable possédant une énergie libre plus élevée qu'un état cristallin de cette même substance. Au cours d'un chauffage relativement plus lent, la substance (échantillon) peut atteindre une température suffisante pour dépasser la barrière d'énergie à la recristallisation, stade auquel l'échantillon commence à se recristalliser pour atteindre un état d'énergie libre moins importante (plus stable). Par la suite, à des températures plus élevée, l'échantillon recristallisé (cristallin stable) pourrait fondre, par exemple. En conséquence, si l'objet de l'étude expérimentale était de déterminer les caractéristiques de fusion de la forme partiellement cristalline ou non cristalline de la substance, l'objectif échouerait à l'aide d'un appareil à faible vitesse de chauffage d'échantillon, du fait que l'échantillon se recristalliserait avant d'avoir atteint une température de fusion. De façon similaire, la capacité de varier la vitesse de refroidissement d'échantillon et d'atteindre des vitesses de refroidissement élevées facilite la congélation sur place ( freezing in ) de la structure d'échantillon à une température élevée (par refroidissement rapide), ainsi que la capacité d'étudier l'effet de vitesse de refroidissement d'échantillon sur des transitions qui se produisent à l'intérieur de l'échantillon au cours du refroidissement. Les appareils de mesure thermique construits selon les modes de réalisation de la présente invention permettent à des expériences d'être réalisées à l'aide des vitesses de chauffage disponibles avec un appareil possédant une haute résistance thermique et des vitesses de refroidissement élevées disponibles avec un appareil possédant une faible résistance thermique. Plus généralement, le compromis inhérent dans l'appareil à résistance thermique fixe décrit ci-dessus est éliminé. Du fait que les vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon peuvent être variées indépendamment l'une de l'autre en fournissant une résistance thermique différente au stade de chauffage d'échantillon par rapport au stade de refroidissement d'échantillon, le chauffage d'échantillon et le refroidissement d'échantillon peuvent être maximisés dans une expérience donnée quelconque. Il faut en outre noter que le temps nécessaire pour commuter d'une résistance à faible TC à une résistance à haute TC (ou vice versa) dépend du temps nécessaire pour changer le gaz dans l'espace de la composition correspondant à la résistance à faible TC à la composition correspondant à la résistance à haute TC. Dans une configuration de la présente invention, l'espace rempli de gaz mesure environ 0,001 pouce dans la direction d'écoulement de chaleur prédominant, indiquant la distance la plus courte entre la plaque en argent plate d'assemblage de mesure et le prolongement de dissipateur de chaleur. Il faut également noter que les modes de réalisation de la présente

invention décrits ci-dessus par rapport aux figures 1 à 3 peuvent être utilisés pour pratiquer les inventions décrites dans les brevets US 6 488 406, 6 561 692, 6 648 504, et 6 843 595, qui décrivent diverses configurations et divers composants d'appareils connexes à la calorimétrie à balayage différentiel.

En résumé, conformément aux modes de réalisation de la présente invention, un appareil de mesure thermique capable d'être utilisé en tant que DSC de flux de chaleur est configuré pour fournir une association de vitesses de chauffage et de refroidissement d'échantillon plus rapides par rapport aux systèmes conventionnels. En outre, les configurations de la présente invention fournissent un agencement plus efficace pour chauffer un DSC à l'aide d'un système de chauffage à infrarouge. Enfin, des mesures d'échantillon plus versatiles sont fournies par des modes de réalisation dans lesquels un DSC de flux de chaleur comprend une résistance thermique variable. Ainsi, la conductivité thermique de la résistance thermique peut être réduite au cours de chauffage d'échantillon et augmentée au cours de refroidissement d'échantillon, ce qui permet à la vitesse de chauffage d'échantillon et à la vitesse de refroidissement d'échantillon d'être maximisées indépendamment au cours d'une mesure d'échantillon unique.

La description précédente des modes de réalisation préférés de la présente invention a été présentée dans des buts illustratifs et descriptifs. Elle n'est pas prévue pour être exhaustive ou pour limiter l'invention aux formes précises décrites. De nombreuses variations et modifications des modes de réalisation décrits dans les présentes seront évidentes pour l'homme du métier ordinaire au vu de la description ci-dessus. Par exemple, des configurations de la présente invention comprennent une résistance thermique variable à espace capable de supporter une quelconque association de gaz qui présentent une pression de gaz totale d'environ une atmosphère à un vide, cette dernière condition permettant une conductivité thermique inférieure de la résistance thermique. Notamment, la portée de l'invention est destinée à être définie seulement par les revendications jointes aux présentes, et par leurs équivalents. En outre, dans la description des modes de réalisation représentatifs de la présente invention, le mémoire peut avoir présenté le procédé et/ou processus de la présente invention sous forme de séquence particulière d'étapes. Cependant, dans la mesure où le procédé ou processus ne dépend pas de l'ordre particulier des étapes présentées dans les présentes, le procédé ou processus ne doit pas être limité à la séquence particulière d'étapes décrite. Comme l'homme du métier ordinaire l'appréciera, d'autres séquences d'étapes peuvent être possibles. Ainsi, l'ordre particulier des étapes présenté dans le mémoire ne doit pas être interprété comme limitatif des revendications. En outre, les revendications concernant le procédé et/ou processus de la présente invention ne doivent pas être limitées à l'exécution de leurs étapes dans l'ordre écrit, et l'homme du métier peut facilement apprécier que les séquences puissent être variées et toujours rester dans l'esprit et la portée de la présente invention. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (41)

REVENDICATIONS

1. Système de mesure thermique, comprenant : un assemblage de mesure (41) pour recevoir un échantillon, l'assemblage de mesure (41) comprenant un cylindre oblong ; un assemblage de lampe à infrarouge (59) disposé de façon circonférentielle autour 5 du cylindre circulaire oblong et comprenant une cavité (46) possédant une longueur approximativement identique à celle du cylindre oblong ; une résistance thermique (44) couplée à l'assemblage de mesure (41) et possédant une résistance thermique variable ; et un dissipateur de chaleur (51) thermiquement couplé à la résistance thermique (44) et 10 au réflecteur à infrarouge, dans lequel la résistance thermique (44) est opérationnelle pour varier la résistance thermique entre l'assemblage de mesure (41) et le dissipateur de chaleur (51) au cours de mesure d'échantillon.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'assemblage de lampe à 15 infrarouge (59) comprend une pluralité de lampes oblongues agencées avec leurs axes longitudinaux parallèles à un axe du cylindre oblong et un réflecteur à infrarouge comprenant une pluralité de surfaces cylindriques elliptiques partielles qui décrivent chacune une partie d'une forme cylindrique possédant un premier foyer coïncidant avec une position d'une lampe oblongue et un second foyer colinéaire 20 avec un axe du cylindre oblong.

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la résistance thermique (44) comprend : un espace rempli de gaz (45) ; 25 une plaque à haute conductivité thermique (50) qui est solidaire de l'assemblage de mesure (41) ; et une surface de dissipateur de chaleur (41) disposée sur un côté de l'espace rempli de gaz (45) en face de la plaque à haute conductivité thermique (50).

4. Système selon la revendication 3, dans lequel l'espace rempli de gaz (45) comprend un espace vertical moyen d'entre environ 0,0001 pouce et environ 0,01 pouce.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, comprenant en outre un ou plusieurs passages raccordés à l'espace rempli de gaz (45) et configurés pour fournir un gaz à l'espace rempli de gaz (45).

6. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le système est configuré pour produire une résistance thermique lorsque l'espace rempli de gaz (45) comprend de l'hélium qui est plusieurs fois inférieure à une résistance thermique lorsque l'espace rempli de gaz (45) comprend de l'azote.

7. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le système 15 est configuré pour varier une composition de gaz de l'espace rempli de gaz (45) au cours de mesure d'échantillon.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, comprenant en outre : un réflecteur à infrarouge possédant une plaque inférieure (62) ; et 20 un assemblage d'étanchéité couplé à l'assemblage de mesure (41), dans lequel le dissipateur de chaleur (51) comprend une partie extérieure configurée pour prendre appui contre la plaque inférieure (62) et comprend en outre un prolongement de dissipateur de chaleur (52) configuré pour s'étendre à travers une ouverture dans la plaque inférieure (62) lorsque la partie extérieure prend appui contre la plaque 25 inférieure (62), et l'assemblage d'étanchéité est opérationnel pour ajuster une distance entre la plaque à haute conductivité thermique (50) et le prolongement de dissipateur de chaleur (52), afin de produire un espace rempli de gaz (45) possédant une hauteur verticale inférieure à quelques dizaines de millimètre entre la plaque à haute conductivité et une partie supérieure du prolongement de dissipateur de 30 chaleur (52).

9. Système selon la revendication 8, comprenant en outre une ou plusieurs entretoises minces disposées horizontalement dans un empilement d'entretoises entre leprolongement de dissipateur de chaleur (52) et la plaque à haute conductivité thermique (50), dans lequel l'empilement d'entretoises est configuré pour produire un espace vertical moyen total possédant une dimension d'environ 0,0001 pouce à 0,01 pouce lorsqu'une partie supérieure et une partie inférieure de l'empilement d'entretoises sont mises en contact avec la plaque à haute conductivité thermique (50) et le prolongement de dissipateur de chaleur (52) respectifs.

10. Système de mesure thermique configurée pour exécuter une calorimétrie à balayage différentiel de flux de chaleur, comprenant : un assemblage de mesure (41) pour recevoir un échantillon, l'assemblage de mesure (41) comprenant un cylindre oblong ; un assemblage de lampe à infrarouge (59) disposé de façon circonférentielle autour du cylindre circulaire oblong, l'assemblage de lampe à infrarouge (59) comprenant une pluralité de lampes oblongues agencées avec leurs axes longitudinaux parallèles à un axe du cylindre oblong et un réflecteur à infrarouge comprenant une cavité possédant une longueur approximativement identique à celle du cylindre oblong, dans lequel la cavité comprend une pluralité de surfaces cylindriques quadriques partielles qui décrivent chacune une partie d'une forme cylindrique possédant un premier foyer coïncidant avec une position d'une lampe oblongue ; et une résistance thermique (44) couplée à l'assemblage de mesure (41) et possédant une résistance thermique variable ; dans lequel la résistance thermique (44) est opérationnelle pour varier la résistance thermique entre l'assemblage de mesure (41) et un dissipateur de chaleur (51) au cours d'une mesure d'échantillon.

11. Système selon la revendication 10, dans lequel l'assemblage de mesure (41) comprend un assemblage de capteur comprenant un support d'échantillon (75) et un support de référence (76) qui comprennent chacun une cavité creuse (77, 78) configurée pour recevoir des capsules respectives d'échantillon et de référence.

12. Système selon la revendication 1l, dans lequel le support d'échantillon (75) et le support de référence (76) comprennent des cylindres creux.30

13. Système selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel une partie de base de l'assemblage de capteur comprend un premier matériau d'une paire de thermocouples, et dans lequel les supports d'échantillon et de référence (75, 76) comprennent chacun un second matériau de la paire de thermocouples.

14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel l'assemblage de mesure (41) comprend une enceinte, et dans lequel l'assemblage de mesure comprend une masse d'entre environ dix et cent grammes. 10

15. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel un volume des cavités creuses des supports d'échantillon et de référence (75, 76) est entre environ 0,001 et 0,01 centimètre cube.

16. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, dans lequel 15 l'assemblage de mesure (41) comprend une enceinte à haute conductivité thermique (42).

17. Système selon la revendication 16, dans lequel l'assemblage de mesure (41) comprend une enceinte (42) en argent.

18. Système selon la revendication 17, dans lequel l'enceinte (42) comprend un cylindre possédant une paroi de cylindre dont la région extérieure comprend un matériau à haute émissivité configuré pour augmenter l'absorption infrarouge de l'enceinte (42). 25

19. Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, dans lequel la pluralité de parties de surfaces cylindriques quadriques sont des surfaces cylindriques elliptiques partielles, dans lequel chaque surface cylindrique elliptique partielle fait partie d'un cylindre elliptique possédant un second foyer coïncidant avec une ligne 30 centrale de l'assemblage de mesure (41).

20. Procédé pour exécuter analyse thermique, comprenant : 2028 la fourniture d'une résistance thermique variable entre un assemblage de mesure d'échantillon (41) et un dissipateur de chaleur (51) dans un outil d'analyse thermique ; le chauffage d'un échantillon dans l'assemblage de mesure d'échantillon (41) lorsque 5 la résistance variable possède une première résistance thermique ; la modification de la résistance variable de sorte que la résistance variable possède une seconde résistance thermique différente de la première résistance thermique ; et le refroidissement de l'échantillon de mesure alors que la résistance variable possède la seconde résistance thermique. 10

21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel, la résistance thermique (44) comprend un espace rempli de gaz (45) configuré pour recevoir un gaz à travers un passage raccordé à l'espace rempli de gaz (45). 15

22. Procédé selon la revendication 21, dans lequel la première résistance thermique est relativement supérieure à la seconde résistance thermique.

23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 21 et 22, dans lequel le gaz dans l'espace rempli de gaz (45) comprend de l'azote au cours du chauffage 20 d'échantillon et de l'hélium au cours du refroidissement d'échantillon.

24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 21 à 23, dans lequel l'espace rempli de gaz (45) contient une ou plusieurs entretoises minces agencées horizontalement dans un empilement d'entretoises entre le prolongement de 25 dissipateur de chaleur (52) et la plaque à haute conductivité thermique (50), dans lequel l'empilement d'entretoises est configuré pour produire un espace vertical moyen total possédant une dimension d'environ 0,0001 pouce à 0,01 pouce lorsqu'une partie supérieure et une partie inférieure de l'empilement d'entretoises sont mises en contact avec la plaque à haute conductivité thermique (50) et le 30 prolongement de dissipateur de chaleur (52) respectifs.

25. Système de mesure thermique, comprenant :un assemblage de mesure (41) pour recevoir un échantillon, l'assemblage de mesure (41) comprenant un cylindre oblong configuré pour recevoir de la chaleur depuis une source de chaleur externe au cylindre oblong ; une résistance thermique (44) couplée à l'assemblage de mesure (41) et possédant 5 une résistance thermique variable ; et un dissipateur de chaleur (51) thermiquement couplé à la résistance thermique, dans lequel la résistance thermique (44) est opérationnelle pour varier la résistance thermique entre l'assemblage de mesure (41) et le dissipateur de chaleur (51) au cours de mesure d'échantillon. 10

26. Système de mesure thermique selon la revendication 25, dans lequel la résistance thermique (44) comprend un espace adjacent à l'assemblage de mesure (41), l'espace étant opérationnel pour changer sa résistance thermique. 15

27. Système de mesure thermique selon la revendication 26, dans lequel la résistance thermique (44) comprend en outre : une plaque à haute conductivité thermique (50) qui est solidaire de l'assemblage de mesure (41) ; une surface de dissipateur de chaleur (51) disposée sur un côté de l'espace en face de 20 la plaque à haute conductivité thermique (50) ; et un empilement d'entretoises comprenant une ou plusieurs entretoises minces agencées horizontalement entre le prolongement de dissipateur de chaleur (52) et la plaque à haute conductivité thermique (50), dans lequel l'empilement d'entretoises est configuré pour produire un espace vertical moyen total possédant une dimension 25 d'environ 0,0001 pouce à 0,01 pouce lorsqu'une partie supérieure et une partie inférieure de l'empilement d'entretoises sont mises en contact avec la plaque à haute conductivité thermique (50) et le prolongement de dissipateur de chaleur (52) respectifs. 30

28. Système de mesure thermique selon l'une quelconque des revendications 26 et 27, dans lequel l'espace est configuré pour recevoir un gaz depuis une source externe.

29. Système de mesure thermique selon la revendication 28, dans lequel l'espace est configuré pour varier sa résistance thermique lorsqu'une composition de gaz contenu dans l'espace est changée.

30. Système de mesure thermique selon l'une quelconque des revendications 26 à 29, dans lequel l'espace est configuré pour supporter un vide.

31. Système de mesure thermique selon la revendication 30, dans lequel l'espace est configuré pour faire varier sa résistance thermique en modifiant une pression totale à l'intérieur de l'espace d'approximativement une pression atmosphérique à un vide et/ou en modifiant une composition de gaz contenu dans l'espace.

32. Système de mesure thermique selon l'une quelconque des revendications 25 à 31, comprenant en outre un assemblage de lampe à infrarouge (59) disposé de façon circonférentielle autour du cylindre circulaire oblong et comprenant une cavité de réflecteur possédant une longueur approximativement identique à celle du cylindre circulaire, dans lequel la résistance thermique (44) est disposée dans une région à l'extérieur du cylindre circulaire oblong.

33. Procédé d'analyse thermique au cours de traitement thermique rapide, comprenant : la fourniture d'une résistance thermique variable entre un assemblage de mesure d'échantillon (41) et un dissipateur de chaleur (51) dans un outil d'analyse thermique ; le chauffage d'un échantillon dans l'assemblage de mesure d'échantillon (41) lorsque la résistance variable possède une première résistance thelmique ; et le refroidissement de l'échantillon de mesure alors que la résistance variable possède une seconde résistance thermique inférieure à la première résistance thermique.

34. Procédé d'analyse thermique selon la revendication 33, dans lequel la résistance variable comprend un espace.

35. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 33 et 34, dans lequel l'espace est configuré pour recevoir un gaz depuis une source externe.

36. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 34 et 35, dans lequel l'espace est configuré pour varier sa résistance thermique lorsqu'une composition de gaz contenu dans l'espace est changée.

37. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 34 à 36, dans lequel l'espace est configuré pour supporter un vide important.

38. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 34 à 37, dans lequel l'espace est configuré pour faire varier sa résistance thermique en modifiant une pression totale à l'intérieur de l'espace d'approximativement une pression atmosphérique à un vide important et/ou en modifiant une composition de gaz contenu dans l'espace.

39. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 35 à 38, dans lequel la première résistance thermique correspond à une condition dans laquelle l'espace contient un gaz à faible conductivité et la seconde résistance thermique correspond à une condition dans laquelle l'espace contient un gaz à haute conductivité.

40. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 33 à 39, comprenant en outre la modification de la résistance variable de sorte que sa résistance thermique change de la première résistance thermique à la seconde résistance thermique alors que l'échantillon est maintenu à une température constante.

41. Procédé d'analyse thermique selon l'une quelconque des revendications 33 à 40, dans lequel le chauffage de l'échantillon comprend l'exécution d'un chauffage dans des conditions de boucle fermée, dans lequel une vitesse de chauffage constante est maintenue.