WO2014202540A1 - Device and method for thermal and differential calorimetric analysis of samples having large volumes - Google Patents

Device and method for thermal and differential calorimetric analysis of samples having large volumes Download PDF

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WO2014202540A1
WO2014202540A1 PCT/EP2014/062591 EP2014062591W WO2014202540A1 WO 2014202540 A1 WO2014202540 A1 WO 2014202540A1 EP 2014062591 W EP2014062591 W EP 2014062591W WO 2014202540 A1 WO2014202540 A1 WO 2014202540A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
sample
chamber
thermal
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/062591
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French (fr)
Inventor
Claude Favotto
Jacques ROGEZ
Fabien ROGET
Pierre Satre
Original Assignee
Cnrs
Universite De Toulon
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00Measuring quantity of heat
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G01N25/4846Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample
    • G01N25/4866Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample by using a differential method

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal and calorimetric analysis methods, that is to say the measurement of transformation temperatures and relative amounts of heat, and more particularly to the field of differential calorimetry allowing to measure and compare, for a given heating or cooling, the heat exchanges between a sample to be studied and a known reference with the source or the heat sink.
  • the invention makes it possible to perform this type of measurement accurately and reproducibly on samples of unconventional size and in any type of state, stable or metastable.
  • a calorimeter is a system for measuring thermal effects in order to determine the quantities of heat exchanged, in particular with a sample made of a phase change material (Phase Change Material or PCM) with to study.
  • phase change material Phase Change Material or PCM
  • the thermal effects are detectable on macroscopic samples only in a state of non-thermal equilibrium. Indeed, a phase change can not be achieved at equilibrium because it is necessary to bring energy and thus create a thermal gradient.
  • the document FR 2,717,900 describes a differential calorimeter, comprising a measurement chamber and a reference chamber and which makes it possible to measure the amount of heat evolved or absorbed by a sample of several hundred kilograms contained in a large container up to to several hundred liters. But again, the document provides no information as to the study of the phase transitions of the sample itself.
  • Document US 2002 / 0,098,593 discloses a differential calorimetry thermal analysis device, including optical measuring tools and a method which greatly reduce inaccuracies in the context of heat exchange measurements obtained by conventional differential calorimetry.
  • the document describes a calorimeter comprising a multitude of measuring speakers, which allows measurements on several samples of the same nature simultaneously.
  • the purpose of the device and method described is the reduction of measurement inaccuracies.
  • the use of a multitude of speakers does not allow in this case to study samples of large volume.
  • the calorimeter comprises a measurement chamber and a reference chamber, each connected to a temperature probe and partially in contact with a temperature-controlled metal structure.
  • the samples to be tested are small in the order of 5 mm 3 .
  • the present invention aims to remedy all or part of the disadvantages mentioned above. It aims to propose a new device and a new process which, related to the principle of the classical differential calorimetry, ensures the precise quantification of heat exchanges between one or more samples of unconventional size and the other parts of the calorimeter, whatever the state of the sample (s), stable or metastable.
  • the invention relates to a device for differential thermal and calorimetric analysis of a test sample, in particular of a phase change material in a measurement interval, comprising:
  • the thermal and calorimetric analysis device of the invention is particularly intended for analyzes where the sample is a phase-change material and / or where the volume of the samples to be tested is large and consistent with the industrial volumes.
  • the system described in the invention makes it possible to perform accurate and reproducible measurements of heat amounts by conventional differential calorimetry with measuring chambers 100 to 1000 times larger than the measuring chambers of conventional calorimeters.
  • the thermal and calorimetric analysis device of the invention is characterized in that the volume ratio between the chambers and the heat transfer fluid ensures a stability of the characteristic temperature of the sample to be tested, such as that the temperature during phase changes of this sample, lower than 0.1 ° C.
  • the volume ratio is such that the volume of the heat transfer fluid contained in the reservoir is at least greater than two and a half times the total volume occupied by said at least two measuring chambers. Additional features may be provided for the differential thermal and calorimetric analysis device of the invention, such as:
  • each of the at least two enclosures has an internal volume of at least 50 milliliters
  • means for circulating the thermal transfer fluid in closed circuit may be provided and be associated with means for controlling the circulation of the heat transfer fluid;
  • said at least two enclosures are sealed and the measuring chamber is provided with an opening and closing system for sealingly introducing the sample to be tested and maintaining it in a leak-proof manner; screw from the outside environment;
  • the reservoir containing the heat transfer fluid may be hermetic
  • At least one measurement chamber is connected on the one hand to a reservoir containing the sample to be tested in the liquid phase, and on the other hand to a reservoir containing a gas under a pressure greater than the internal pressure of the chamber; flow of the sample to be measured or pressurized gas tanks to the measuring chamber being provided by means of communication of the measuring chamber respectively with the reservoir containing the sample and the compressed gas reservoir.
  • the system can be better isolated from the outside environment, also permitting measurements over a wide range of pressures and temperatures.
  • the tank is equipped with a purge system for emptying and replacement of the heat transfer fluid with a fluid adapted to the temperature ranges necessary for the study of phase changes of the sample to be tested. So, it is easy to adapt the thermodynamic properties of the heat transfer fluid according to the pressure and temperature parameters during the measurements; the temperature regulation of the heat transfer fluid is ensured by thermo-resistances whose power is regulated by at least one PID regulator, and the temperature of said fluid is measured by a temperature probe and / or by a cooling unit integrated into the means circulation of the heat transfer fluid.
  • the measuring chambers are made of a good thermal conductive material, preferably aluminum, copper, silver or metal alloys and / or the reference material may be air, sapphire, alumina, water, oil, and preferably air;
  • a further object of the invention is to provide a method of thermal analysis and calorimetry.
  • This method has the particularity of being a method of differential and quantitative heat and calorimetric analysis of a sample to be tested, a method being implemented by a differential thermal and calorimetric analysis device according to the characteristics of said analysis device.
  • This method is characterized in that it comprises the following steps:
  • the speakers used have an internal volume of at least 50 milliliters
  • the method may further comprise the following steps:
  • An opening step once a new thermal equilibrium has been reached and the measurements acquired and recorded, means of communication of the measurement chamber with the reservoir and of another means of communication of the measuring chamber for the placed in communication with a tank containing a neutral gas under pressure, allowing the emptying of the measuring chamber.
  • the presence of a reference chamber and the differential mounting with the at least two measuring cells make it possible to annihilate any anomalies in the regulation of the fluid temperature and the thermal disturbances coming from the external environment.
  • the differential mounting also allows recording on a more accurate scale, differences in temperature and heat flow between the reference speaker and the at least two measuring speakers.
  • the method according to the invention may also comprise the following steps:
  • a step of choosing and applying at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid to bring the test liquid to the desired phase transition, respectively gaseous or solid, or to undergo a reaction the step being associated with triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measuring chamber subjected to these same thermal instructions, ⁇ a step of opening the means of communication of the enclosure with the reservoir containing the liquid sample, after having brought the material present in the measuring chamber back into a liquid state,
  • the thermal analysis and calorimetry device also makes it possible to carry out other types of studies, such as mixing or dissolution reactions.
  • the classification of the materials tested according to their latent heat using the software set and the acquisition, recording and data processing means comprises: A step of storing the temperature data of the thermal transfer fluid and the reference and measurement chambers, and heat flux data of said enclosures,
  • a step of determining the flow of heat between the sample and the heat transfer fluid in the phase change zone of the sample by comparing the heat flow from the measurement chamber to the heat transfer fluid with the heat flow from the reference chamber to said fluid, the temperature of the measuring chamber being substantially constant,
  • a step of classifying the materials according to their capacity to store thermal energy with regard to the quantities of heat flux exchanged between the tested samples and the heat transfer fluid during the phase transition of said samples.
  • a further object of the invention is to describe the use of a thermal analysis and calorimetric device
  • the invention relates to a use of a differential thermal and calorimetric analysis device according to the invention, integrated in an experimental thermal power station as a thermal and calorimetric measurement device in the storage unit where the samples tested may be in the liquid, solid or gaseous state.
  • the use of the thermal and calorimetric analysis device is characterized in that the volume of the measurement chambers makes it possible to solve the problems related to the scale factor and to overcome the sampling phenomena which modify the supercooling properties of the sample (s) studied.
  • the use of large volume samples statistically allows a very large number of germination sites present in the samples, as will be seen later.
  • FIG. 1 illustrates the invention in one embodiment
  • FIG. 2 illustrates an example of a thermogram obtained by conventional differential calorimetry
  • FIG. 3 illustrates the invention in another embodiment.
  • the invention has been developed to overcome certain defects inherent in the differential differential calorimetry (so-called in the English language DSC for "Differential Scanning Calorimetry").
  • DSC differential differential scanning Calorimetry
  • the temperature-enthalpy relationship is an important feature since it determines the heat storage capacity. Measurements by DSC make it possible to determine this relationship experimentally.
  • the invention thus proposes an analysis device allowing an adaptation of the principles of the DSC for large samples (about 4700 times the size of a "classical" sample) in a compact analysis device and having a reasonably sized scaled down.
  • the analysis device makes it possible to analyze samples of large volume with great accuracy while having a simple configuration, a very good isothermality and while being compact.
  • the size of the speakers of the device of the invention offers a compromise between the largest possible dimensions to overcome the disadvantages of conventional calorimeters, while being of reasonable size to obtain the best accuracy of the measurement of the desired temperature.
  • the invention therefore proposes very precise calorimetric measurements, in a very wide range of sample volumes, in particular for representative volumes of an industrial device (of the order of 50 ml to 1000 ml or even 10,000 ml), allowing, in particular, to free from certain undesirable kinetic effects, and above all offering possibilities of industrial applications in the field of energy.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) With reference to FIG. 1, the thermal and calorimetric analysis device (0) will now be described.
  • the invention is a system allowing, among other things, the study of heat exchanges between the different parts of said device (0), typically between a sample whose thermodynamic properties are to be known and a thermostated fluid.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) allows the establishment of a thermal analysis and calorimetric technique for measuring the differences in heat exchange between a sample, a reference and said fluid said heat transfer subject to a thermal setpoint.
  • This technique the conventional differential calorimetry, makes it possible in particular to study the physical and chemical transformations of the samples tested, for example and in a nonlimiting manner, the phase transitions of these samples.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) is a calorimeter comprising a reservoir (1), for example and without limitation, a steel tank, stainless steel or any other rigid material that can withstand pressure and temperature variations, said reservoir being filled with a heat transfer fluid (2).
  • the heat transfer fluid (2) may be heated and / or cooled by heating and / or cooling means, for example and without limitation, by immersion heaters (4) distributed in the fluid in a homogeneous manner, said immersion heaters being controlled by means for controlling (41) and regulating (40) the temperature, the regulating means being for example and without limitation, PID type regulators (40), the control means being, for example and in a nonlimiting manner, temperature probes (41).
  • This type of regulator makes it possible to control the power delivered to the immersion heaters (4), in order to subject the thermal transfer fluid (2) to thermal instructions.
  • a thermal setpoint is defined as a controlled variation and followed by the temperature of the heat transfer fluid (2) from an initial temperature to a final temperature.
  • a closed fluid circulation system is put in place, containing, for example and without limitation, a pump and a flow control system (21). ) of fluid (2).
  • the means for heating and / or cooling the heat transfer fluid (2) may be arranged outside the tank (1), for example, at the level of the fluid circulation circuit ( 2).
  • a refrigeration unit is integrated with the circulation system of the heat transfer fluid (2) so as to study the heat exchanges at temperatures below the temperature of the external environment.
  • the refrigeration unit may for example be disposed outside the tank, and may use a refrigerant other than the heat transfer fluid (2).
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) is furthermore constituted of at least two measurement chambers (30, 31) which, according to the exemplary embodiment of the invention, are perfectly identical and perfectly fluid-tight. heat transfer (2).
  • the enclosures (30, 31) are provided with an opening and sealing system, allowing the introduction of samples to be tested.
  • These measuring enclosures (30, 31) are, for example and without limitation, cylindrical, machined in a material that is a good thermal conductor, for example and without limitation, aluminum, copper, silver, or any other metal alloy.
  • the geometry of each enclosure may vary without departing from the scope of the invention.
  • Each chamber has an internal volume corresponding to a volume well beyond the volumes used in conventional DSC calorimeters and approaching the representative volume of samples used industrially.
  • the internal volume of each chamber is between 50 and 1000 ml_, or even 10000 ml_, and preferably the volume of each chamber is of the order of 250 ml_.
  • said at least two enclosures (30, 31) and said heat transfer fluid (2) have a ratio of volumes allowing easy control of the fluid temperature, in order to preferentially obtain a temperature stability lower than 0.1 ° C of the characteristic temperature of the sample (in particular, the phase change temperature) for the cells having a volume of 1000ml to 10,000ml, or even a temperature stability of 0.01 ° C for the cells from 50 ml to 1000 ml, especially during the phase changes of the sample.
  • the device of the invention is configured so that the total volume occupied by all the measuring speakers (30, 31) respects a ratio such as the volume of said at least two speakers ( 30, 31) and the volume of said heat transfer fluid (2) obey the following formula (F1):
  • Vfiuide represents the volume of the heat transfer fluid
  • Off-the-air represents the total volume of the analysis device in the absence of said at least two enclosures (30, 31);
  • the interior represents the internal volume of each enclosure (30, 31);
  • Venveioppe represents the volume of the envelope of each enclosure (30, 31);
  • AT represents a change in temperature of the fluid, during the transformation of the test sample Q represents the heat exchanged during the variation (or increment) between said fluid (2) and said at least two enclosures (30, 31);
  • Cptiuide represents the heat capacity volume of the heat transfer fluid (2)
  • Cpenveioppe represents the volume heat capacity of the envelope of each enclosure (30, 31).
  • the volume ratios between the volume of the heat transfer fluid (2) and the volume of the enclosures (30, 31) are configured to maintain a good temperature stability within the heat transfer fluid (2). Therefore, a thermal equilibrium can be established so that the temperature of the enclosures (30, 31) does not vary beyond the temperature variation of the fluid (2) during the transformation of the sample to be tested. It should be noted that this variation must remain small for the thermal regulation of the bath remains correct, even when the sample absorbs or returns thermal energy.
  • the volume ratio is such that the volume of the heat transfer fluid (2) contained in the reservoir (1) is greater than at least two and a half times the total volume occupied by said at least two measuring chambers.
  • thermal (2) the latter thus has a high temperature stability, less than 0.1 ° C, preferably less than 0.01 ° C. Therefore, the heat transfer fluid (2) having a high temperature stability, it allows the maintenance of the temperature stability of the enclosures (30, 31) less than 0.1 ° C, or even less than 0.01 ° C as has been specified above in the description.
  • an enclosure is preferably full of air, and said reference enclosure (30).
  • This enclosure may also contain a reference material other than air, for example, alumina, water, an oil or any other material not undergoing a change of state or physico-chemical transformation caused by the thermal setpoint during the measurement interval.
  • At least one chamber is charged with the sample to be measured, and said laboratory or measuring chamber (31).
  • each chamber (30, 31) is instrumented with at least one device for measuring temperature variations (Th) and at least one device for measuring heat fluxes ( ⁇ ).
  • Th temperature variations
  • heat fluxes
  • the devices for measuring temperature variations are thermocouples (Th) type K, performing a dead turn around each chamber (30, 31) of measurement.
  • the accuracy of these thermocouples can be between 0.001 K and 1 K, preferentially around 0.1 K.
  • the devices for measuring heat flows are thermal flux meters ( ⁇ ), consisting of sensitive plates, for example and not limited to platinum, fixed against the outer wall of the measuring chambers (30). , 31).
  • the thermal flux meters ( ⁇ ) are of great precision, for example and without limitation, between 0.001 and 100 mV / (W.cm -2 ), preferably between 1 and 5 mV / (W.cm -2 ), and provide more accurate heat flux measurements than extrapolated heat fluxes from temperature curves obtained with thermocouples (Th). However, it is useful to instrument the measurement chambers (30, 31) with thermocouples (Th) to define the temperature range in which the heat flow measurements are made.
  • the reservoir (1) is covered with a cover in the same material, in order to limit the evaporation of the heat transfer fluid (2).
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) can be sealed. This makes it possible to greatly reduce heat exchanges with the external environment, such a device being an isothermal system whose temperature is slowly varied, and also makes it possible to work in greater temperature and pressure ranges.
  • thermo and calorimetric analysis device (0) depend solely on the temperature and pressure resistance of the materials used for the design of said device.
  • the pressure inside the measurement chambers (30, 31) is independent of the pressure of the remainder of the device (0), and remains at atmospheric pressure so that the experimenter can freely load or unload the measurement chambers (31) into samples.
  • At least one measurement chamber (31) can be connected on the one hand to a reservoir (7) containing the sample studied in the liquid phase, and on the other hand to a reservoir (8) containing a gas under pressure.
  • the gas pressure in the tank will in all cases be greater than the pressure inside the measuring chamber (s) (31).
  • the flow of the sample from the reservoir (7) to the enclosure (31), and the flow of gas from the gas reservoir (8) to the enclosure (31) is regulated by communication means (70, 80). of the enclosure with respectively the reservoir (7) containing the sample and the reservoir (8) containing the gas under pressure.
  • These communication means may be, for example and without limitation, communication valves (70, 80) that can be controlled by software contained in the data acquisition means (5).
  • This improved embodiment is useful for the simulation of industrial processes that a conventional calorimeter does not allow. It is indeed possible to introduce a liquid phase in the device (0) during data acquisition in order to study the energy balance of a dissolution in the liquid phase, an oxidation, a combustion, of any type of chemical reactions in general.
  • a chamber preferably in the form of a coil, can be inserted into the circuit of the heat transfer fluid, and / or immersed in this fluid upstream of the chamber which contains the sample to be tested. to thermostate the fluid before any reaction takes place.
  • the heat transfer fluid reservoir (1) (2) is equipped with a purge system for draining the fluid (2).
  • the choice of the type of fluid (2) depends on the temperature and pressure ranges at which the measurements are made, and a change of fluid (2) in the tank (1) must be able to be done quickly and with few constraints. Furthermore, it is possible to use for the heat transfer fluid any material that can be in the liquid state at the working temperature at which the change of state of the sample to be tested is observed.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) is maintained at atmospheric pressure.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) comprises a software package associated with means for acquiring and recording (5) temperature and heat flow data, for example and non-limiting, an acquisition unit (5) associated with a mass storage device.
  • the thermal and calorimetric analysis device is also equipped with means, hardware and software, signal processing (6), for correlating and comparing the temperature data and the heat flow data obtained from the speaker or speakers. measurement (31) with the data obtained from the reference chamber (30).
  • the acquisition frequency of the temperature and flow data may be, for example and without limitation, between 0.001 Hz and 1000 Hz, and preferably between 1/60 and 1/30 Hz, the thermodynamic phenomena studied being relatively long and extended experiences over several hours. Acquisition frequencies below 1 Hz are therefore appropriate in some embodiments. However, it is worth noting that the frequency limit depends primarily on the technical characteristics of the data acquisition and recording means (5).
  • the sample, object of the heat exchange measurements is inserted in at least one measurement chamber (31), different from the reference chamber (30).
  • the enclosures (30, 31) are immersed in the heat transfer fluid (2).
  • the device (0) it is possible to insert a sample into one or more measurement chambers (31) without the need for them. out of the transfer fluid.
  • a second step it is then necessary to ensure that all the parts of the device (0) are at the same temperature, which will be called initial temperature in some embodiments, using the measuring means and controlling the temperature (Th, 41) of the enclosures (30, 31) and the fluid (2). The thermal equilibrium is reached all the more quickly as the heat transfer fluid (2) is circulated by the circulation means (20, 21). This initial temperature is far from the phase change temperature of the measured sample.
  • the third step consists of a choice and the application of at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2), using means for controlling and regulating the temperature (40, 41) and means heating (4).
  • a thermal setpoint is defined as a controlled variation and followed by the temperature of the heat transfer fluid (2) from an initial temperature to a final temperature. This thermal stress, applied to the heat transfer fluid (2), will induce heat exchanges between the measurement chambers (30, 31) and the fluid (2).
  • the comparison of the temperature and heat flow data obtained from the reference chamber (30) and the measurement chamber (s) (31) will make it possible to study the physical and chemical transformations of the measured sample.
  • this step of applying at least one thermal setpoint is associated with the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the measurement chambers (30, 31) subjected to these same thermal instructions.
  • the last step is to correlate the temperature data with the heat flux data, for each measuring chamber (30, 31), whether it contains a sample (31) or that it is the reference (30). ). These correlations then allow comparisons to be made between the results obtained for the reference chamber (30) and those obtained for at least one measurement chamber (31). These comparisons make it possible to directly detect thermodynamic transitions of the material to be tested, such as phase transitions and temperatures. which they occur. Indeed, during phase transitions, a material can store or provide a lot of heat, without changing the temperature.
  • the thermal and calorimetric analysis device (0) is adapted to the study of material in all known thermodynamic states, for example and without limitation the solid, liquid, gaseous stable or metastable states.
  • FIG. 2 An example is presented in Figure 2, showing the temperature (measurement) and heat flux ( ⁇ ⁇ measurement) curves of the measuring chamber (31), as well as the temperature (T ref ) and flow curves.
  • heat ( ⁇ ⁇ ) of the reference chamber (30) as a function of time.
  • the phase transition in this case a melting, which takes place while the temperature of the measuring chamber (31) is almost constant.
  • the temperature of the reference chamber (30) increases in exactly the same way as the temperature of the heat transfer fluid (2), and the temperature or flow curves of the reference chamber (30) do not have no discontinuity or breakage.
  • the heat flux curve of the reference (30) outside the temperature zone characteristic of the change of state of the sample, has values that are substantially lower than those of the heat flow curve of the sample. measuring chamber (31). This results from the differences in heat capacities, thermal conductivities and densities between the enclosure (31) containing the sample and the reference (30) inert.
  • the method can be adapted to mixing or dissolution reactions, not requiring the application of a thermal setpoint.
  • a first sample is placed in at least one measurement chamber (31) different from the reference chamber (30).
  • a second step it is then necessary to ensure that all the parts of the device (0) are at the same temperature, which will be called initial temperature in some embodiments, using the measuring means and controlling the temperature (Th, 41) of the enclosures (30, 31) and the fluid (2). The thermal equilibrium is reached all the more quickly as the heat transfer fluid (2) is circulated by the circulation means (20, 21).
  • a third step the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the speakers (30, 31) are triggered.
  • the communication valve (70) allowing the circulation of at least one other sample in the liquid or gaseous phase is opened in order to inject the said sample or samples into at least one measuring chamber (31) containing at least minus a sample set up beforehand.
  • this communication valve (70) is closed.
  • the communication means (70) of the measuring chamber (31) with the reservoir (7) are open, and the other communication valve (80), connecting the measuring chamber (31) to the compressed gas reservoir (8), is opened, so as to drive the final material from the measuring chamber (31) to the reservoir ( 7).
  • these reactions may be mixing reactions: a reaction in the liquid phase between at least two samples, a reaction between at least one sample, a liquid sample and a gaseous sample; or else dissolution reactions: dissolution of at least one solid sample by at least one liquid sample.
  • the last step consists of the correlation of the temperature data with the heat flux data, and for each measuring chamber (30, 31), that it contains at least one sample (31) or that it is the reference (30). This step makes it possible to clearly identify the type of reaction, for example and in a nonlimiting manner, exothermic or endothermic.
  • the method can be adapted to samples in the liquid phase, with the possibility of never removing the enclosures (30, 31) from the transfer fluid (2).
  • at least one measuring chamber (31) is connected to two independent tanks (7, 8), one (7) containing the sample in liquid phase, and the other (8) containing gas under pressure. The pressure of this gas is greater than the pressure inside the measuring chamber (s) (31).
  • the flow of the sample in the liquid phase and the gas between the tanks and the enclosure or enclosures is controlled by flow control means (70, 80), for example and without limitation a communication valve. This process will now be described.
  • the communication valve (70) allowing the circulation of the sample in the liquid phase is opened in order to inject said sample into at least one measuring chamber (31).
  • this communication valve (70) is closed.
  • the third step consists, as for the process described above, in a choice and in the application of at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2), using means for controlling and regulating the temperature (40, 41) and heating means (4).
  • This thermal stress applied to the heat transfer fluid (2) is chosen so as to allow a phase change of the sample in the liquid phase, respectively towards the solid or gaseous state depending on the type of measurement, and will induce exchanges. of heat between the measurement chambers (30, 31) and the fluid (2). Comparing the temperature and heat flow data obtained from the reference chamber (30) and the measurement chamber (s) (31) will make it possible to study the physical and chemical transformations. of the tested sample caused by the thermal setpoint.
  • this step of applying at least one thermal setpoint is associated with the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the measurement chambers (30, 31) subjected to these same thermal instructions.
  • the sample At the end of the measurement and in a fourth step, that is to say once the thermal equilibrium reached and the change of state of the sample finished, the sample has undergone a change of state towards its initial state, that is to say liquid.
  • the communication valve (70) connecting the measuring chamber (31) to the reservoir (7) containing the liquid sample is then opened again.
  • the other communication valve (80), connecting the measuring chamber (31) to the compressed gas reservoir (8), is opened, so as to drive the liquid sample from the measuring chamber ( 31) to the reservoir containing the liquid sample (7).
  • the last step consists in correlating the temperature data with the heat flux data, for each measurement chamber (30, 31), whether it contains a sample (31) or that it is the reference (30). This step clearly identifies the phase changes in the sample, and the temperatures at which they occur.
  • Another advantage related to the large volume of the measurement chambers (30, 31) is the possibility of carrying out calorimetric dissolution measurements of at least one solid sample initially placed in the measuring chamber (31), by at least one liquid contained in a tank (7) and introduced into the measuring chamber (31) following the opening of the communication valve (70).
  • Working on large-volume samples allows measurement of lower thermal effects relative to one mole of sample: this greatly increases the accuracy of heat flow measurements compared to conventional differential calorimetry allowing only the study low volume samples.
  • Another advantage related to the large volume of the measuring speakers (30, 31) is the possibility of solving the problems related to the scale factor and to avoid sampling phenomena during supercooling phenomena.
  • the supercooled state is the metastable state of a material remaining in the liquid phase while its temperature is lower than its solidification point.
  • the least impurity or interface defects present in the enclosure that contains the liquid can trigger the solidification reaction.
  • the measuring chambers of the state of the art thermal analysis and calorimetry apparatus are of such a small volume that the number of impurities or interface defects present in the enclosure which contains the liquid can be very different from one speaker to another or from one experience to another. It will therefore be very difficult under these conditions to obtain these metastable states of the material in a reproducible manner.
  • the advantage of having measuring chambers (30, 31) of a sufficiently large volume, for example and in a nonlimiting manner at least 0.05 liters, preferably 0.250 liters, is to overcome these phenomena of sampling.
  • the device of the invention it is possible to observe the phenomenon of crystallization of a liquid which takes place in two stages.
  • the first step concerns the germination, or appearance of the first "embryos" of solid ordered in a completely disordered liquid.
  • the second step concerns the growth of these germs by accretion of the atoms in a liquid into an ordered network.
  • the first step is carried out in practice at a temperature below the thermodynamic equilibrium solid-liquid temperature. This is referred to as the solidification retardation or supercooling interval measured in Kelvin (or ° C).
  • This supercooling interval depends on the nature of the material, inter alia, the mobility of the atoms and the ease of the solid forming to be ordered. Germination occurs heterogeneously, that is to say that the "embryos" of solid arise on local defects which may be for example chemical impurities or surface heterogeneities. The number of these defects is an increasing function of the volume of the sample. By increasing this volume, it promotes the appearance of the first seeds of the crystalline phase and consequently reduces the supercooling interval.
  • embodiments combining at least one heat flux measuring device, at least one chamber (30, 31) whose volume is greater than or equal to 50 ml, and a thermal transfer fluid (2) whose volume is at least 2.5 times more large than the volume of said speakers, provides unmatched measurement accuracy.
  • the invention may relate to a combination of all or part of these speaker volume characteristics (30, 31), heat transfer fluid volume (2) and heat flow measurement devices ( ⁇ ).
  • the invention is therefore also better adapted to industrial reality, based on materials of lower purity than materials conventionally studied in the laboratory, but in much larger quantities.
  • the use of the thermal and calorimetric analysis device (0) with industrial materials of a lower purity than the measurement materials in large quantities will make it possible to avoid the metastable states of the material and thus allow the phase changes of the materials under conditions very close to the industrial reality. Due to the size of the sample, analyzes at very slow speeds are also possible.
  • the measuring chambers containing the materials can thus store large amounts of heat without changing the temperature, in order to restore it later.
  • the features of the invention can be exploited in an energy storage application, the thermal and calorimetric analysis device (0) being integrated in a thermal power station, for example a power plant.
  • a thermal power station for example a power plant.
  • experimental solar Schematically, the heat transfer fluid (2) is heated by the solar radiation, and this excess heat is absorbed in the materials contained in the measurement chambers (31). The amount of energy that can be stored by the device (0) is all the greater as the materials used in the measurement chambers have latent heats of greater state change.
  • An additional advantage of the invention is the establishment of a method for classifying materials according to their latent heat: the greater the latent heat of a material, the more interesting it will be to use as part of an energy storage application.
  • conventional differential scanning calorimetry is performed at heating and cooling rates of 10 ° C / min.
  • the analysis device of the invention operates at 0, 1 ° C / min or 100 times more slowly. The method according to the invention for classifying materials according to their latent heat will now be described.
  • the first step of the method consists in storing in the storage means all the temperature data of the heat transfer fluid (2), the temperature of the reference (30) and measurement (31) chambers obtained respectively by the means of temperature control (41) and temperature measuring devices (Th).
  • the heat flux data obtained by the heat flux measurement devices ( ⁇ ) from the reference chamber (30) to the heat transfer fluid (2) on the one hand, and the measurement chamber ( 31) to the thermal transfer fluid on the other hand, are also recorded.
  • the second step of the method consists in the correlation by the software set of the temperature and heat flow data, on the one hand for the reference chamber (30), and on the other hand for at least one measuring chamber (31). This step thus makes it possible to identify the phase change temperature of the sample studied.
  • the phase change is marked on the curve representing the heat fluxes between the measuring chamber (31) and the thermal transfer fluid by a peak, the temperature of the measuring chamber (31) being substantially constant during the changeover. phase of the sample.
  • the third step makes it possible to calculate the heat flow of the sample towards the heat transfer fluid (2) during the change of state of said sample, by comparison, thanks to the software set, of the heat flow of the enclosure of reference (30) to the heat transfer fluid (2) with the heat flow from the measurement chamber (31) to said fluid (2).
  • the fourth step is the classification of materials based on their ability to store thermal energy. Plus the flow of heat of the sample to the heat transfer fluid is important during the phase transition of said sample, plus the latent heat of the sample, and therefore its ability to store thermal energy, is large. This technical characteristic of the invention will therefore be used in the context of energy applications related to energy storage.
  • the calculation of the volumes required for the construction of a thermal and calorimetric analysis device (0) according to the invention is based on a heat balance of the device itself.
  • the heat transfer fluid (2) is temperature controlled. It receives heating means and / or cooling a first thermal power.
  • the device thermally releases a second power through leaks with the external medium.
  • the transformation of the material releases or absorbs a third power.
  • the first and second powers are equal; the third power is zero. If the power is measured under these conditions, the "thermal leakage of the device" is measured.
  • a sufficient quantity of temperature-controlled heat transfer fluid is provided so that the temperature of this fluid does not rise or fall below a certain threshold when heating or cooling the sample. in a transformation.
  • Each chamber is taken in this cylindrical example, provided with a sealing plug serving as an opening and closing system for the introduction of the sample to be measured.
  • Each chamber has a length of 20 cm, an internal diameter and 6 cm, an outer diameter of 7 cm and an internal volume of 510 cm 3 approximately.
  • the cap is 3 cm high, 1 cm thick, 7 cm inside diameter, 8 cm outside diameter.
  • the total volume of each chamber is 840 cm 3 .
  • the body volume of each enclosure is about 330 cm 3 .
  • the phase change material has a transformation energy AH of between 144 J / cm 3 . and 648 J / cm 3 .
  • the material of the envelope of each cell is either an aluminum alloy (durai), copper, whose thermal mass is 815 J / K or 1220 J / K thermal mass steel.
  • the fluid can be oil (thermal mass 586 J / K), water (thermal mass of 1387 J / K) or molten salt (thermal mass of 1097 J / K).
  • the minimum energy value 144 J / cm 3 is used, the shell material is steel and the heat transfer fluid is the water.
  • the ratio ie all pregnant Vs becomes greater than or equal to 2.5. 2. Comparison of the measurement results of a sample provided on the one hand by a conventional calorimeter and on the other hand by a thermal analysis and calorimetric device according to the invention.
  • the conventional measurement calorimeter used is that designed by the company Setaram and bearing the reference DSC131.
  • a first sample of a sebacic acid and a second sample of a succinic acid were analyzed by the DSC 131 calorimeter.
  • the average supercooling degree of the first and second samples is much closer to that observed in the industrial application, which the classical DSC could not have brought to light.
  • PCMs phase change materials
  • MCP materials are generally used to store thermal energy in a very small temperature range but with high accuracy. These materials have a higher storage density than other materials when used around the temperature of their phase change but have volume-dependent characteristics. As a result, having very precise measurements opens the way to integrate (or better use) these materials in various applications that require precise knowledge of this temperature.
  • the present application describes various technical features and advantages with reference to the figures and / or various embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the technical features of a given embodiment may in fact be combined with features of another embodiment unless the reverse is explicitly mentioned or it is evident that these features are incompatible. In addition, the technical features described in a given embodiment can be isolated from the other features of this mode unless the opposite is explicitly mentioned.

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Abstract

The present invention relates to the field of thermal and calorimetric analysis, that is, the measurement of heat quantities, and specifically to the field of differential calorimetry which makes it possible to measure and to compare the heat exchanges between a sample to be studied and a known reference. The invention in particular makes it possible to perform said type of measurement in a precise and reproducible manner on samples in all types of states, stable or metastable, in particular on samples of phase change materials having a large volume.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE D' ANALYSE THERMIQUE ET CALORIMETRIQUE DIFFERENTIELLE D' ECHANTILLONS DE VOLUMES IMPORTANTS  DEVICE AND METHOD FOR DIFFERENTIALLY THERMAL AND CALORIMETRIC ANALYSIS OF SAMPLES OF MAJOR VOLUMES
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des méthodes thermiques et calorimétriques d'analyse, c'est à dire la mesure de températures de transformations et des quantités de chaleur relatives, et plus particulièrement au domaine de la calorimétrie différentielle permettant de mesurer et de comparer, pour un échauffement ou un refroidissement donné, les échanges de chaleur entre un échantillon à étudier et une référence connue avec la source ou le puits de chaleur. L'invention permet notamment de réaliser ce type de mesure de manière précise et reproductible sur des échantillons de taille non conventionnelle et dans tout type d'état, stables ou métastables. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of thermal and calorimetric analysis methods, that is to say the measurement of transformation temperatures and relative amounts of heat, and more particularly to the field of differential calorimetry allowing to measure and compare, for a given heating or cooling, the heat exchanges between a sample to be studied and a known reference with the source or the heat sink. The invention makes it possible to perform this type of measurement accurately and reproducibly on samples of unconventional size and in any type of state, stable or metastable.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION BACKGROUND OF THE INVENTION
De façon connue en soi, un calorimètre est un système destiné à mesurer des effets thermiques afin de déterminer des quantités de chaleur échangées, en particulier avec un échantillon réalisé en un matériau à changement de phase (en langue anglaise Phase Change Material ou PCM) à étudier. Les effets thermiques sont décelables sur des échantillons macroscopiques seulement en état de non-équilibre thermique. En effet un changement de phases ne peut se réaliser à l'équilibre puisqu'il faut nécessairement apporter de l'énergie et donc créer un gradient thermique.  In a manner known per se, a calorimeter is a system for measuring thermal effects in order to determine the quantities of heat exchanged, in particular with a sample made of a phase change material (Phase Change Material or PCM) with to study. The thermal effects are detectable on macroscopic samples only in a state of non-thermal equilibrium. Indeed, a phase change can not be achieved at equilibrium because it is necessary to bring energy and thus create a thermal gradient.
Toutefois, une des problématiques des dispositifs industriels est l'évaluation précise et reproductible des échanges de chaleur, notamment dans le but d'étudier les transformations physiques et chimiques des échantillons, par exemple, réalisés en un matériau à changement de phase testés, accompagnées d'échanges de chaleur entre un échantillon et le calorimètre. Certaines de ces solutions sont divulguées ci-après.  However, one of the problems of industrial devices is the precise and reproducible evaluation of the heat exchanges, in particular with the aim of studying the physical and chemical transformations of the samples, for example, made of a phase-change material tested, accompanied by heat exchange between a sample and the calorimeter. Some of these solutions are disclosed below.
De nombreux documents divulguent des systèmes permettant d'effectuer des mesures sur des échantillons de taille non conventionnelle, comme cela est décrit par exemple dans le document US 5,135,31 1 . Ce document divulgue une enceinte calorimétrique de plusieurs mètres cube, une telle enceinte étant rendue adiabatique pour permettre l'étude des échanges de chaleur entre un être vivant et l'enceinte dans laquelle ce dernier est disposé. Cependant, il ne s'agit pas de calorimétrie différentielle, puisqu'il n'y a pas d'enceinte de mesure de référence. D'autre part, ce calorimètre a été conçu pour mesurer les pertes de chaleur des êtres vivants, et n'est donc pas approprié pour l'étude des échanges de chaleur au cours des changements d'états des échantillons industriels impliqués dans notre application. Many documents disclose systems for performing measurements on unconventional size samples, as described for example in US 5,135,31 1. This document discloses a calorimetric enclosure of several cubic meters, such a chamber being rendered adiabatic to allow the study of heat exchanges between a living being and the enclosure in which the latter is disposed. However, it is not a matter of differential calorimetry, since there is no reference measuring chamber. On the other hand, this calorimeter was designed to measure the heat loss of living beings, and is therefore not suitable for the study of heat exchange during the changes of states of the industrial samples involved in our application.
Le document US 2010/0,255,588 divulgue un calorimètre pouvant contenir des échantillons de grand volume, typiquement plusieurs centaines de millilitres. Il ne s'agit pas de calorimétrie différentielle, puisque une seule enceinte de mesure est nécessaire. Par ailleurs, les caractéristiques mises en avant dans ce document concernent la possibilité de réguler efficacement la température à l'intérieur du ou des compartiments calorimétriques, et non pour mesurer les échanges de chaleur au cours des changements d'états des échantillons industriels impliqués dans notre application.  Document US 2010 / 0,255,588 discloses a calorimeter that can contain large volume samples, typically several hundred milliliters. It is not a matter of differential calorimetry, since only one measuring chamber is necessary. Moreover, the features highlighted in this document concern the possibility of effectively regulating the temperature inside the calorimetric compartment (s), and not for measuring the heat exchanges during the changes of states of the industrial samples involved in our analysis. application.
Le document FR 2,717,900 décrit un calorimètre différentiel, comprenant une enceinte de mesure et une enceinte de référence et qui permet d'effectuer des mesures de quantité de chaleur dégagées ou absorbées par un échantillon de plusieurs centaines de kilogrammes contenu dans un récipient volumineux allant jusqu'à plusieurs centaines de litres. Mais encore une fois, le document n'apporte aucune information quant à l'étude des transitions de phase de l'échantillon lui-même.  The document FR 2,717,900 describes a differential calorimeter, comprising a measurement chamber and a reference chamber and which makes it possible to measure the amount of heat evolved or absorbed by a sample of several hundred kilograms contained in a large container up to to several hundred liters. But again, the document provides no information as to the study of the phase transitions of the sample itself.
Par ailleurs, l'état de l'art décrit de nombreux dispositifs et méthodes dont le but est l'amélioration de la précision des mesures de température au voisinage des points de changement d'état. En effet, les mesures dans ces domaines particuliers de températures pour un échantillon au voisinage d'un changement de phase, (solide-solide, solide-liquide, solide-gaz, liquide-gaz pour les principales) sont particulièrement difficiles à effectuer car siège de variations brutales des variables physico-chimiques. Il est à noter que la mesure calorimétrique de température d'un changement d'état d'un microéchantillon est un domaine très développé dans la science. Moreover, the state of the art describes numerous devices and methods whose purpose is to improve the accuracy of temperature measurements in the vicinity of the points of change of state. Indeed, measurements in these particular areas of temperature for a sample near a phase change, (solid-solid, solid-liquid, solid-gas, liquid-gas for the main ones) are particularly difficult to perform because seat brutal variations of the physicochemical variables. It should be noted that Calorimetric temperature measurement of a change of state of a micro-sample is a highly developed area in science.
Le document US 2002/0,098,593 décrit un dispositif d'analyse thermique par calorimétrie différentielle, incluant des outils de mesure optiques et une méthode qui permettent de grandement réduire les imprécisions dans le cadre des mesures d'échanges de chaleur obtenues par calorimétrie différentielle classique. Le document décrit un calorimètre comprenant une multitude d'enceintes de mesure, ce qui autorise des mesures sur plusieurs échantillons de même nature simultanément. Le but du dispositif et de la méthode décrits est la réduction des imprécisions liées aux mesures. Cependant, l'utilisation d'une multitude d'enceintes ne permet pas dans ce cas précis d'étudier des échantillons de volume important.  Document US 2002 / 0,098,593 discloses a differential calorimetry thermal analysis device, including optical measuring tools and a method which greatly reduce inaccuracies in the context of heat exchange measurements obtained by conventional differential calorimetry. The document describes a calorimeter comprising a multitude of measuring speakers, which allows measurements on several samples of the same nature simultaneously. The purpose of the device and method described is the reduction of measurement inaccuracies. However, the use of a multitude of speakers does not allow in this case to study samples of large volume.
Un autre document qui traite de la mesure précise de la détermination de ces points de changement d'état est le document US 2007/0,242,722 qui propose notamment une méthode et un dispositif permettant de réaliser une calorimétrie différentielle sur des divers échantillons. Le calorimètre comprend une enceinte de mesure et une enceinte de référence, reliées chacune à une sonde de température et partiellement en contact avec une structure métallique régulée en température. Toutefois, pour avoir une meilleure précision de mesure avec un temps de mesure relativement court, les échantillons à tester sont de petite taille de l'ordre de 5 mm3. Another document which deals with the precise measurement of the determination of these points of change of state is the document US 2007 / 0,242,722 which proposes in particular a method and a device making it possible to perform differential calorimetry on various samples. The calorimeter comprises a measurement chamber and a reference chamber, each connected to a temperature probe and partially in contact with a temperature-controlled metal structure. However, to have a better measurement accuracy with a relatively short measurement time, the samples to be tested are small in the order of 5 mm 3 .
Dans ce document, on propose de mesurer précisément le point de congélation d'un petit échantillon de matériau à changement de phase (CPM) à tester à l'état liquide pour en établir la relation température/enthalpie déterminant la capacité de stockage de chaleur. Cependant, pour limiter l'incertitude sur la mesure en calorimétrie, la méthode reprend le principe de chauffage et refroidissement par étapes et requiert une analyse numérique poussée, basée sur l'extrapolation des données obtenues par calorimétrie différentielle classique. En effet, la méthode propose de tracer des tangentes à la courbe de températures de l'échantillon, pour déduire les changements de phase correspondant à la température à laquelle la congélation de l'échantillon a lieu, à partir de la différence de température entre la référence et l'échantillon à tester. La méthode offre donc une valeur indirecte de cette température de congélation. En définitive, cette méthode nécessite un traitement, une évaluation et une représentation de données sophistiqués. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION In this document, it is proposed to accurately measure the freezing point of a small sample of phase change material (CPM) to be tested in the liquid state to establish the temperature / enthalpy relationship determining the heat storage capacity. However, to limit the uncertainty of the calorimetric measurement, the method uses the principle of heating and cooling in stages and requires a thorough numerical analysis, based on the extrapolation of data obtained by conventional differential calorimetry. Indeed, the method proposes to draw tangents to the temperature curve of the sample, to deduce the phase changes corresponding to the temperature at which the freezing of the sample takes place, from the temperature difference between the sample. reference and sample to test. The method therefore offers an indirect value of this freezing temperature. Ultimately, this method requires sophisticated processing, evaluation and data representation. GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet de remédier à tout ou partie des inconvénients cités ci-dessus. Elle a pour but de proposer un nouveau dispositif et un nouveau procédé qui, apparenté au principe de la calorimétrie différentielle classique, assure la quantification précise des échanges de chaleurs entre un ou plusieurs échantillons de taille non conventionnelle et les autres parties du calorimètre, quelque soit l'état du ou des échantillons, stable ou métastable. The present invention aims to remedy all or part of the disadvantages mentioned above. It aims to propose a new device and a new process which, related to the principle of the classical differential calorimetry, ensures the precise quantification of heat exchanges between one or more samples of unconventional size and the other parts of the calorimeter, whatever the state of the sample (s), stable or metastable.
A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle d'un échantillon à tester, en particulier d'un matériau à changement de phase dans un intervalle de mesure, comprenant : To this end, the invention relates to a device for differential thermal and calorimetric analysis of a test sample, in particular of a phase change material in a measurement interval, comprising:
• un réservoir dans lequel sont disposés au moins deux enceintes identiques, une enceinte dite de référence rempli d'un matériau référence et au moins une enceinte dite de mesure comprenant l'échantillon à tester, A reservoir in which at least two identical enclosures are arranged, a so-called reference chamber filled with a reference material and at least one measurement chamber comprising the sample to be tested,
• Un dispositif de mesure de températures associé à chaque enceinte, • A temperature measuring device associated with each enclosure,
• des moyens d'acquisition et de traitement de données pour délivrer, en fonction du temps, des signaux différentiels représentatifs de la différence de température entre lesdites au moins deux enceintes pour en déduire une température caractéristique, en particulier la température de changement de phase, de l'échantillon à tester, ledit dispositif d'analyse étant caractérisé en ce que : il comprend des moyens de chauffage et/ou de refroidissement, pour transmettre auxdites au moins deux enceintes une température de travail dans l'intervalle de mesure, le réservoir étant rempli d'un fluide de transfert thermique pouvant être soumis à au moins une consigne thermique prédéterminée pour le réguler, lesdites au moins deux enceintes étant totalement immergées dans ledit fluide lors de l'analyse différentielle, il comprend un dispositif de mesure du flux de chaleur associé à chaque enceinte de sorte que les signaux différentiels délivrés soient également fonction de la différence entre les flux thermiques traversant lesdites au moins deux enceintes, Data acquisition and processing means for delivering, as a function of time, differential signals representative of the temperature difference between said at least two enclosures to deduce a characteristic temperature, in particular the phase change temperature, of the sample to be tested, said analysis device being characterized in that: it comprises means for heating and / or cooling, for transmitting to said at least two enclosures a working temperature in the measurement interval, the reservoir being filled with a heat transfer fluid that can be subjected to at least one thermal setpoint predetermined to regulate it, said at least two enclosures being totally immersed in said fluid during the differential analysis, it comprises a device for measuring the heat flux associated with each enclosure so that the differential signals delivered are also a function of the difference between the thermal flows passing through said at least two enclosures,
Le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique de l'invention est particulièrement destiné à des analyses où l'échantillon est un matériau à changement de phase et/ou où le volume des échantillons à tester est important et conforme aux volumes industriels. Ainsi, le système décrit dans l'invention permet d'effectuer des mesures précises et reproductibles de quantités de chaleur par calorimétrie différentielle classique avec des enceintes de mesures 100 à 1000 fois plus grandes que les enceintes de mesure des calorimètres classiques. The thermal and calorimetric analysis device of the invention is particularly intended for analyzes where the sample is a phase-change material and / or where the volume of the samples to be tested is large and consistent with the industrial volumes. Thus, the system described in the invention makes it possible to perform accurate and reproducible measurements of heat amounts by conventional differential calorimetry with measuring chambers 100 to 1000 times larger than the measuring chambers of conventional calorimeters.
Selon une autre particularité, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique de l'invention est caractérisé en ce que le rapport de volume entre les enceintes et le fluide de transfert thermique assurent une stabilité de la température caractéristique de l'échantillon à tester, telle que la température lors des changements de phase de cet échantillon, inférieure à 0,1 °C. According to another feature, the thermal and calorimetric analysis device of the invention is characterized in that the volume ratio between the chambers and the heat transfer fluid ensures a stability of the characteristic temperature of the sample to be tested, such as that the temperature during phase changes of this sample, lower than 0.1 ° C.
Avantageusement, le rapport des volumes est tel que le volume du fluide de transfert thermique contenu dans le réservoir est au moins supérieur à deux fois et demi le volume total occupé par lesdites au moins deux enceintes de mesure. Des caractéristiques additionnelles peuvent être prévues pour le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle de l'invention, telles que : Advantageously, the volume ratio is such that the volume of the heat transfer fluid contained in the reservoir is at least greater than two and a half times the total volume occupied by said at least two measuring chambers. Additional features may be provided for the differential thermal and calorimetric analysis device of the invention, such as:
- chacune desdites au moins deux enceintes présente un volume interne d'au moins 50 millilitres ; each of the at least two enclosures has an internal volume of at least 50 milliliters;
- des moyens de circulation en circuit fermé du fluide de transfert thermique peuvent être prévus et être associés à des moyens de contrôle de la circulation du fluide de transfert thermique ; means for circulating the thermal transfer fluid in closed circuit may be provided and be associated with means for controlling the circulation of the heat transfer fluid;
- lesdites au moins deux enceintes sont étanches et l'enceinte de mesure est pourvue d'un système d'ouverture et de fermeture pour l'introduction de manière étanche de l'échantillon à tester et de le maintenir de manière étanche vis-à-vis du milieu extérieur ; said at least two enclosures are sealed and the measuring chamber is provided with an opening and closing system for sealingly introducing the sample to be tested and maintaining it in a leak-proof manner; screw from the outside environment;
- le réservoir contenant le fluide de transfert thermique peut être hermétique ; the reservoir containing the heat transfer fluid may be hermetic;
- au moins une enceinte de mesure est reliée d'une part à un réservoir contenant l'échantillon à tester en phase liquide, d'autre part à un réservoir contenant un gaz sous une pression supérieure à la pression interne de l'enceinte, la circulation de l'échantillon à mesurer ou du gaz sous pression des réservoirs vers l'enceinte de mesure étant assurée par des moyens de communication de l'enceinte de mesure respectivement avec le réservoir contenant l'échantillon et le réservoir de gaz comprimé. Ainsi, on peut isoler au mieux le système du milieu extérieur, autorisant également des mesures dans une large gamme de pressions et de températures. D'autre part, il est possible de charger des échantillons en phase liquide sans extraire les enceintes de mesure du fluide de transfert thermique ; at least one measurement chamber is connected on the one hand to a reservoir containing the sample to be tested in the liquid phase, and on the other hand to a reservoir containing a gas under a pressure greater than the internal pressure of the chamber; flow of the sample to be measured or pressurized gas tanks to the measuring chamber being provided by means of communication of the measuring chamber respectively with the reservoir containing the sample and the compressed gas reservoir. Thus, the system can be better isolated from the outside environment, also permitting measurements over a wide range of pressures and temperatures. On the other hand, it is possible to load samples in the liquid phase without extracting the measuring chambers from the heat transfer fluid;
- le réservoir est équipé d'un système de purge permettant la vidange et le remplacement du fluide de transfert thermique par un fluide adapté aux plages de températures nécessaires à l'étude des changements de phase de l'échantillon à tester. Ainsi, il est facile d'adapter les propriétés thermodynamiques du fluide de transfert thermique en fonction des paramètres de pression et de température lors des mesures ; la régulation en température du fluide de transfert thermique est assurée par des thermo-résistances dont la puissance est régulée par au moins un régulateur PID, et la température dudit fluide est mesurée par une sonde de température et/ou par un groupe frigorifique intégré aux moyens de circulation du fluide de transfert thermique. Cela peut s'avérer utile pour maintenir efficacement l'équilibre thermique du fluide de transfert thermique à la température choisie, ou bien pour travailler à des températures inférieures à la température du milieu extérieur ; les enceintes de mesure sont constituées d'un matériau bon conducteur thermique, préférentiellement l'aluminium, le cuivre, l'argent ou les alliages métalliques et/ou le matériau de référence peut être l'air, saphir, alumine, eau, huile, et de préférence l'air ; - The tank is equipped with a purge system for emptying and replacement of the heat transfer fluid with a fluid adapted to the temperature ranges necessary for the study of phase changes of the sample to be tested. So, it is easy to adapt the thermodynamic properties of the heat transfer fluid according to the pressure and temperature parameters during the measurements; the temperature regulation of the heat transfer fluid is ensured by thermo-resistances whose power is regulated by at least one PID regulator, and the temperature of said fluid is measured by a temperature probe and / or by a cooling unit integrated into the means circulation of the heat transfer fluid. This may be useful for effectively maintaining the thermal equilibrium of the heat transfer fluid at the chosen temperature, or for working at temperatures below the temperature of the external environment; the measuring chambers are made of a good thermal conductive material, preferably aluminum, copper, silver or metal alloys and / or the reference material may be air, sapphire, alumina, water, oil, and preferably air;
Un objectif supplémentaire de l'invention est de proposer un procédé d'analyse thermique et calorimétrique. A further object of the invention is to provide a method of thermal analysis and calorimetry.
Ce procédé a la particularité d'être un procédé d'analyse thermique et calorimétrique différentielle et quantitative d'un échantillon à tester, procédé étant mis en œuvre par un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle selon les caractéristiques dudit dispositif d'analyse. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : This method has the particularity of being a method of differential and quantitative heat and calorimetric analysis of a sample to be tested, a method being implemented by a differential thermal and calorimetric analysis device according to the characteristics of said analysis device. This method is characterized in that it comprises the following steps:
• une étape de mise en place de l'échantillon à tester dans au moins une enceinte de mesure, différente de l'enceinte de référence, et étant totalement immergées dans un fluide de transfert thermique, • une étape de mise à l'équilibre thermique, à une température initiale éloignée de la température de changement de phase, de toutes les parties du dispositif, et de mise en circulation du fluide, A step of placing the sample to be tested in at least one measurement chamber, different from the reference chamber, and being totally immersed in a heat transfer fluid, A thermal equilibrium step, at an initial temperature remote from the phase change temperature, of all the parts of the device, and of circulation of the fluid,
• une étape de choix et d'application d'au moins une consigne thermique au fluide de transfert thermique, associée au déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte de mesure soumise à ces mêmes consignes thermiques, A step of choosing and applying at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid, associated with triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measuring chamber subjected to these same thermal instructions,
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte et de comparaison des résultats entre l'enceinte de référence et au moins une enceinte de mesure, par les moyens de traitement et l'ensemble logiciel de manière à avoir une donnée directement représentative de la température de changement d'état de l'échantillon à tester. A step of correlating the temperature and heat flux data obtained in each chamber and comparing the results between the reference chamber and at least one measurement chamber, by the processing means and the software unit so as to have a data directly representative of the change of state temperature of the sample to be tested.
Les enceintes utilisées ont un volume interne d'au moins 50 millilitres The speakers used have an internal volume of at least 50 milliliters
Le procédé peut comprendre en outre les étapes suivantes : The method may further comprise the following steps:
• une étape de mise en place d'au moins un échantillon dans au moins une enceinte de mesure, différente de l'enceinte de référence, les enceintes étant totalement immergées dans un fluide de transfert thermique; A step of placing at least one sample in at least one measurement chamber, different from the reference chamber, the chambers being totally immersed in a heat transfer fluid;
• une étape de mise à l'équilibre thermique de toutes les parties du dispositif, et de mise en circulation du fluide, A step of thermally equilibrating all the parts of the device, and circulating the fluid,
• une étape de déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte de mesure, A step of triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measuring chamber,
• une étape de mise en place d'au moins un autre échantillon en phase liquide ou gazeuse dans au moins une enceinte de mesure contenant l'échantillon préalablement mis en place, par ouverture des moyens de communication de l'enceinte avec un réservoir contenant le ou lesdits échantillons à l'état liquide ou gazeux, A step of placing at least one other sample in the liquid or gaseous phase in at least one measuring chamber containing the sample that has been set up, by opening means for communicating the enclosure with a reservoir containing said sample or samples in the liquid or gaseous state,
• une étape de fermeture des moyens de communication de l'enceinte de mesure avec le réservoir ; A step of closing the communication means of the measurement chamber with the reservoir;
• une étape d'ouverture, une fois un nouvel équilibre thermique atteint et les mesures acquises et enregistrées, des moyens de communication de l'enceinte de mesure avec le réservoir et d'un autre moyen de communication de l'enceinte de mesure pour la mise en communication avec un réservoir contenant un gaz neutre sous pression, permettant la vidange de l'enceinte de mesure. An opening step, once a new thermal equilibrium has been reached and the measurements acquired and recorded, means of communication of the measurement chamber with the reservoir and of another means of communication of the measuring chamber for the placed in communication with a tank containing a neutral gas under pressure, allowing the emptying of the measuring chamber.
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte et de comparaison des résultats entre l'enceinte de référence et au moins une enceinte de mesure, par les moyens de traitement et l'ensemble logiciel. A step of correlating the temperature and heat flow data obtained in each chamber and comparing the results between the reference chamber and at least one measurement chamber, by the processing means and the software unit.
La présence d'une enceinte de référence et le montage différentiel avec les au moins deux cellules de mesure permettent d'annihiler les éventuelles anomalies de régulation de la température du fluide et les perturbations thermiques venant du milieu extérieur. Le montage différentiel permet de plus un enregistrement sur une échelle plus précise, des différences de température et de flux de chaleur entre l'enceinte référence et les au moins deux enceintes de mesure. The presence of a reference chamber and the differential mounting with the at least two measuring cells make it possible to annihilate any anomalies in the regulation of the fluid temperature and the thermal disturbances coming from the external environment. The differential mounting also allows recording on a more accurate scale, differences in temperature and heat flow between the reference speaker and the at least two measuring speakers.
Préférentiellement, le procédé selon l'invention peut comprendre aussi les étapes suivantes : Preferably, the method according to the invention may also comprise the following steps:
• une étape d'injection du matériau à mesurer dans l'enceinte de mesure et préalablement thermostaté dans ledit fluide, par ouverture de moyens de communication de l'enceinte avec un réservoir contenant l'échantillon à l'état liquide, • une étape de fermeture des moyens de communication de l'enceinte de mesure avec le réservoir contenant l'échantillon, A step of injecting the material to be measured into the measurement chamber and previously thermostatically controlled in said fluid, by opening means of communication of the chamber with a reservoir containing the sample in the liquid state, A step of closing the communication means of the measuring chamber with the reservoir containing the sample,
• une étape de choix et d'application d'au moins une consigne thermique au fluide de transfert thermique pour amener le liquide à tester à la transition de phase souhaitée, respectivement gazeux ou solide, ou à subir une réaction, l'étape étant associée au déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte de mesure soumise à ces mêmes consignes thermiques, · une étape d'ouverture du moyen de communication de l'enceinte avec le réservoir contenant l'échantillon liquide, après avoir ramené le matériau présent dans l'enceinte de mesure dans un état liquide, A step of choosing and applying at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid to bring the test liquid to the desired phase transition, respectively gaseous or solid, or to undergo a reaction, the step being associated with triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measuring chamber subjected to these same thermal instructions, · a step of opening the means of communication of the enclosure with the reservoir containing the liquid sample, after having brought the material present in the measuring chamber back into a liquid state,
• une étape d'ouverture d'un autre moyen de communication de l'enceinte de mesure pour mise en communication avec un réservoir contenant un gaz neutre sous pression, permettant la vidange de l'enceinte de mesure, A step of opening another communication means of the measurement chamber for communication with a reservoir containing a pressurized neutral gas, enabling the measurement chamber to be emptied,
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte et de comparaison des résultats entre l'enceinte de référence et au moins une enceinte de mesure, par les moyens de traitement et l'ensemble logiciel. A step of correlating the temperature and heat flow data obtained in each chamber and comparing the results between the reference chamber and at least one measurement chamber, by the processing means and the software unit.
Ainsi, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique permet également de réaliser d'autres types d'études, comme des réactions de mélange ou de dissolution. Thus, the thermal analysis and calorimetry device also makes it possible to carry out other types of studies, such as mixing or dissolution reactions.
De manière préférentielle, dans le procédé selon l'invention, la classification des matériaux testés en fonction de leur chaleur latente à l'aide de l'ensemble logiciel et des moyens d'acquisition, d'enregistrement et de traitement des données comprend : • une étape de mémorisation des données de température du fluide de transfert thermique et des enceintes de référence et de mesure, et des données de flux de chaleur desdites enceintes, Preferably, in the method according to the invention, the classification of the materials tested according to their latent heat using the software set and the acquisition, recording and data processing means comprises: A step of storing the temperature data of the thermal transfer fluid and the reference and measurement chambers, and heat flux data of said enclosures,
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur des enceintes de référence et de mesure, qui permet le suivi en fonction du temps de la température et du pic correspondant sur la courbe de flux de chaleur de l'enceinte de mesure, A step of correlating the temperature and heat flow data of the reference and measurement chambers, which allows the temperature and the corresponding peak to be monitored as a function of time on the heat flux curve of the measuring chamber ,
• une étape de détermination du flux de chaleur entre l'échantillon et le fluide de transfert thermique dans la zone de changement de phase de l'échantillon, par comparaison du flux de chaleur de l'enceinte de mesure vers le fluide de transfert thermique avec le flux de chaleur de l'enceinte de référence vers ledit fluide, la température de l'enceinte de mesure étant sensiblement constante, A step of determining the flow of heat between the sample and the heat transfer fluid in the phase change zone of the sample, by comparing the heat flow from the measurement chamber to the heat transfer fluid with the heat flow from the reference chamber to said fluid, the temperature of the measuring chamber being substantially constant,
• une étape de classification des matériaux suivant leurs capacités à stocker de l'énergie thermique, au regard des quantités de flux de chaleur échangées entre les échantillons testés et le fluide de transfert thermique durant la transition de phase desdits échantillons. A step of classifying the materials according to their capacity to store thermal energy, with regard to the quantities of heat flux exchanged between the tested samples and the heat transfer fluid during the phase transition of said samples.
Un objectif supplémentaire de l'invention est de décrire l'utilisation d'un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique A further object of the invention is to describe the use of a thermal analysis and calorimetric device
A cet effet, l'invention concerne une utilisation d'un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle selon l'invention, intégré dans une centrale thermique expérimentale en tant que dispositif de mesure thermique et calorimétrique dans l'unité de stockage où les échantillons testés peuvent être à l'état liquide, solide ou gazeux. For this purpose, the invention relates to a use of a differential thermal and calorimetric analysis device according to the invention, integrated in an experimental thermal power station as a thermal and calorimetric measurement device in the storage unit where the samples tested may be in the liquid, solid or gaseous state.
Ainsi, certains produits ou corps purs à pression constante peuvent emmagasiner et restituer beaucoup d'énergie sans que leur température interne ne varie : c'est le cas des matériaux en cours de transition de phase du premier ordre. Thus, certain products or pure bodies with constant pressure can store and restore a lot of energy without their internal temperature. does not vary: this is the case of materials in phase transition of the first order.
Selon une autre particularité, l'utilisation du dispositif d'analyse thermique et calorimétrique est caractérisée en ce que le volume des enceintes de mesure permet de résoudre les problèmes liés au facteur d'échelle et de s'affranchir des phénomènes d'échantillonnage modifiant les propriétés de surfusion du ou des échantillons étudiés. Ainsi, l'utilisation d'échantillons de grand volume permet statistiquement un très grand nombre de sites de germination présents dans les échantillons, comme on le verra ultérieurement. L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : According to another feature, the use of the thermal and calorimetric analysis device is characterized in that the volume of the measurement chambers makes it possible to solve the problems related to the scale factor and to overcome the sampling phenomena which modify the supercooling properties of the sample (s) studied. Thus, the use of large volume samples statistically allows a very large number of germination sites present in the samples, as will be seen later. The invention, with its features and advantages, will emerge more clearly on reading the description given with reference to the appended drawings in which:
La figure 1 illustre l'invention dans un mode de réalisation ; Figure 1 illustrates the invention in one embodiment;
La figure 2 illustre un exemple de thermogramme obtenu par calorimétrie différentielle classique ; FIG. 2 illustrates an example of a thermogram obtained by conventional differential calorimetry;
La figure 3 illustre l'invention dans un autre mode de réalisation. Figure 3 illustrates the invention in another embodiment.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF
L'INVENTION THE INVENTION
L'invention a été développée pour pallier certains défauts inhérents à la calorimétrie différentielle classique (dite en langue anglo-saxonne DSC pour « Differential Scanning Calorimetry »). Dans l'exemple des échantillons de matériau à changement de phase, la relation température-enthalpie est une caractéristique importante puisqu'elle détermine la capacité de stockage de la chaleur. Les mesures par DSC permettent de déterminer expérimentalement cette relation.  The invention has been developed to overcome certain defects inherent in the differential differential calorimetry (so-called in the English language DSC for "Differential Scanning Calorimetry"). In the example of the phase change material samples, the temperature-enthalpy relationship is an important feature since it determines the heat storage capacity. Measurements by DSC make it possible to determine this relationship experimentally.
Ainsi pour effectuer ces mesures, les calorimètres commerciaux proposent des enceintes de mesure (30, 31 ) de très faible volume, de l'ordre de la centaine de microlitres, afin d'assurer une précision des mesures d'enthalpie suffisante. Toutefois, dès que l'on souhaite augmenter le volume des échantillons à analyser, les calorimètres commerciaux deviennent très vite limités. Thus, in order to carry out these measurements, commercial calorimeters propose measurement chambers (30, 31) of very small volume, of the order of a hundred microliters, in order to ensure a sufficient accuracy of the enthalpy measurements. However, as soon as we wish to increase the volume of samples to analyze, commercial calorimeters quickly become limited.
En effet, d'une manière générale, dans un calorimètre, plus les enceintes sont grandes, plus le volume du fluide de transfert thermique est important et plus il sera difficile de maintenir l'iso-thermicité de ce fluide à un taux donné. En effet, dans un très grand volume de fluide, l'homogénéisation de la température de ce fluide est non seulement difficile à assurer mais également nécessiterait des ressources externes supplémentaires et parfois coûteuses. En d'autres termes, des enceintes plus grandes nécessitent un bain thermostaté plus grand et entraînent des surcoûts dans la fabrication du dispositif de mesure.  In general, in a calorimeter, the larger the enclosures, the larger the volume of the heat transfer fluid, and the more difficult it will be to maintain the isothermicity of this fluid at a given rate. Indeed, in a very large volume of fluid, the homogenization of the temperature of this fluid is not only difficult to ensure but also require additional external resources and sometimes expensive. In other words, larger speakers require a larger thermostat bath and lead to additional costs in the manufacture of the measuring device.
Par ailleurs, pour un échantillon de matériau à changement de phase, plus la masse de l'échantillon à tester est importante, plus le temps de stabilisation en température est long pour assurer une bonne homogénéité thermique et une bonne précision dans les mesures.  Moreover, for a sample of phase change material, the larger the mass of the sample to be tested, the longer the temperature stabilization time is to ensure good thermal homogeneity and good accuracy in the measurements.
De ce fait, pour avoir la même précision de mesure sur un échantillon de plus grand volume, il est nécessaire d'avoir recours à des systèmes industriels complexes et très encombrants. En effet, si l'on augmente la taille des enceintes (des échantillons), on multiplie également les dimensions du calorimètre de plusieurs milliers de fois pour cette adaptation, il serait donc nécessaire d'avoir un dispositif d'analyse qui aurait des dimensions gigantesques.  Therefore, to have the same measurement accuracy on a sample of larger volume, it is necessary to resort to complex and very cumbersome industrial systems. Indeed, if we increase the size of the speakers (samples), we also multiply the dimensions of the calorimeter several thousand times for this adaptation, it would be necessary to have an analysis device that would have gigantic dimensions .
L'invention propose donc un dispositif d'analyse permettant une adaptation des principes de la DSC pour des échantillons de grandes dimensions (environ 4700 fois la taille d'un échantillon « classique ») dans un dispositif d'analyse compact et présentant une taille raisonnablement réduite.  The invention thus proposes an analysis device allowing an adaptation of the principles of the DSC for large samples (about 4700 times the size of a "classical" sample) in a compact analysis device and having a reasonably sized scaled down.
Le dispositif d'analyse conforme à l'invention permet d'analyser des échantillons de grand volume avec une grande précision tout en présentant une configuration simple, une très bonne iso-thermicité et tout en étant compact.  The analysis device according to the invention makes it possible to analyze samples of large volume with great accuracy while having a simple configuration, a very good isothermality and while being compact.
Pour ce faire, la taille des enceintes du dispositif de l'invention offre un compromis entre des dimensions les plus grandes possibles pour pallier les inconvénients des calorimètres classiques, tout en étant de taille raisonnable pour obtenir la meilleure précision de la mesure de la température souhaitée. To do this, the size of the speakers of the device of the invention offers a compromise between the largest possible dimensions to overcome the disadvantages of conventional calorimeters, while being of reasonable size to obtain the best accuracy of the measurement of the desired temperature.
L'invention propose donc des mesures calorimétriques très précises, dans une gamme de volumes d'échantillons très vaste, en particulier pour des volumes représentatifs d'un dispositif industriel (de l'ordre de 50ml à 1000ml voire 10000ml), permettant notamment de s'affranchir de certains effets cinétiques indésirables, et surtout offrant des possibilités d'applications industrielles dans le domaine de l'énergie.  The invention therefore proposes very precise calorimetric measurements, in a very wide range of sample volumes, in particular for representative volumes of an industrial device (of the order of 50 ml to 1000 ml or even 10,000 ml), allowing, in particular, to free from certain undesirable kinetic effects, and above all offering possibilities of industrial applications in the field of energy.
En référence à la figure 1 , le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) va maintenant être décrit. L'invention est un système permettant, entre autres, l'étude des échanges de chaleur entre les différentes parties dudit dispositif (0), typiquement entre un échantillon dont on veut connaître certaines propriétés thermodynamiques et un fluide thermostaté.  With reference to FIG. 1, the thermal and calorimetric analysis device (0) will now be described. The invention is a system allowing, among other things, the study of heat exchanges between the different parts of said device (0), typically between a sample whose thermodynamic properties are to be known and a thermostated fluid.
De façon plus précise, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) autorise la mise en place d'une technique d'analyse thermique et calorimétrique permettant de mesurer les différences des échanges de chaleur entre un échantillon, une référence et ledit fluide dit de transfert thermique soumis à une consigne thermique. Cette technique, la calorimétrie différentielle classique, permet notamment d'étudier les transformations physiques et chimiques des échantillons testés, par exemple et de façon non limitative, les transitions de phase de ces échantillons.  More specifically, the thermal and calorimetric analysis device (0) allows the establishment of a thermal analysis and calorimetric technique for measuring the differences in heat exchange between a sample, a reference and said fluid said heat transfer subject to a thermal setpoint. This technique, the conventional differential calorimetry, makes it possible in particular to study the physical and chemical transformations of the samples tested, for example and in a nonlimiting manner, the phase transitions of these samples.
Bien entendu, cette technique permet d'étudier d'autres types de réaction, par exemple et de façon non limitative, une réaction en phase liquide entre au moins deux constituants liquides introduits dans l'enceinte de mesure (31 ), une réaction entre au moins un constituant solide et au moins un constituant liquide placés initialement dans l'enceinte de mesure (31 ), et un échantillon en phase gazeuse introduite dans l'enceinte de mesure (31 ).  Of course, this technique makes it possible to study other types of reaction, for example and without limitation, a reaction in the liquid phase between at least two liquid constituents introduced into the measuring chamber (31), a reaction between at least one solid component and at least one liquid component initially placed in the measuring chamber (31), and a gas phase sample introduced into the measuring chamber (31).
Dans certains modes de réalisation, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) est un calorimètre comprenant un réservoir (1 ), par exemple et de façon non limitative, un bac en acier, en acier inoxydable ou tout autre matériau rigide pouvant résister à des variations de pression et de température, ledit réservoir étant rempli d'un fluide (2) de transfert thermique. Le fluide (2) de transfert thermique peut être chauffé et/ou refroidi par des moyens de chauffage et/ou refroidissement, par exemple et de façon non limitative, par des thermoplongeurs (4) répartis dans le fluide de manière homogène, lesdits thermoplongeurs étant régulés par des moyens de contrôle (41 ) et de régulation (40) de la température, les moyens de régulation étant par exemple et de façon non limitative, des régulateurs de type PID (40), les moyens de contrôle étant, par exemple et de façon non limitative, des sondes de température (41 ). Ce type de régulateurs permet de contrôler la puissance délivrée aux thermoplongeurs (4), afin de soumettre le fluide (2) de transfert thermique à des consignes thermiques. In some embodiments, the thermal and calorimetric analysis device (0) is a calorimeter comprising a reservoir (1), for example and without limitation, a steel tank, stainless steel or any other rigid material that can withstand pressure and temperature variations, said reservoir being filled with a heat transfer fluid (2). The heat transfer fluid (2) may be heated and / or cooled by heating and / or cooling means, for example and without limitation, by immersion heaters (4) distributed in the fluid in a homogeneous manner, said immersion heaters being controlled by means for controlling (41) and regulating (40) the temperature, the regulating means being for example and without limitation, PID type regulators (40), the control means being, for example and in a nonlimiting manner, temperature probes (41). This type of regulator makes it possible to control the power delivered to the immersion heaters (4), in order to subject the thermal transfer fluid (2) to thermal instructions.
Une consigne thermique est définie comme une variation contrôlée et suivie de la température du fluide (2) de transfert thermique depuis une température initiale jusqu'à une température finale. Dans un souci de bonne homogénéité de la température du fluide (2) de transfert thermique, un système de circulation fermée du fluide est mis en place, contenant par exemple et de façon non limitative, une pompe et un système de contrôle du débit (21 ) de fluide (2).  A thermal setpoint is defined as a controlled variation and followed by the temperature of the heat transfer fluid (2) from an initial temperature to a final temperature. For the sake of good homogeneity of the temperature of the heat transfer fluid (2), a closed fluid circulation system is put in place, containing, for example and without limitation, a pump and a flow control system (21). ) of fluid (2).
Selon une variante de l'invention, les moyens de chauffage et/ou de refroidissement du fluide (2) de transfert thermique peuvent être disposés à l'extérieur du réservoir (1 ), par exemple, au niveau du circuit de circulation du fluide (2).  According to a variant of the invention, the means for heating and / or cooling the heat transfer fluid (2) may be arranged outside the tank (1), for example, at the level of the fluid circulation circuit ( 2).
Dans certains modes de réalisation, un groupe frigorifique est intégré au système de circulation du fluide (2) de transfert thermique, de façon à étudier les échanges de chaleur à des températures inférieures à la température du milieu extérieur. Toutefois, selon d'autres variantes, le groupe frigorifique peut par exemple être disposé à l'extérieur du réservoir, et peut utiliser un fluide frigorigène différent du fluide de transfert thermique (2).  In some embodiments, a refrigeration unit is integrated with the circulation system of the heat transfer fluid (2) so as to study the heat exchanges at temperatures below the temperature of the external environment. However, according to other variants, the refrigeration unit may for example be disposed outside the tank, and may use a refrigerant other than the heat transfer fluid (2).
Le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) est de plus constitué d'au moins deux enceintes de mesure (30, 31 ) qui, selon l'exemple de réalisation de l'invention, sont parfaitement identiques, et parfaitement étanches au fluide de transfert thermique (2). Préférentiellement, les enceintes (30, 31 ) sont pourvues d'un système d'ouverture et de fermeture étanche, permettant l'introduction d'échantillons à tester. Ces enceintes de mesure (30, 31 ) sont, par exemple et de façon non limitative, cylindriques, usinées dans un matériau qui soit un bon conducteur thermique, par exemple et de façon non limitative l'aluminium, le cuivre, l'argent, ou tout autre alliage métallique. La géométrie de chaque enceinte peut varier sans sortir du périmètre de l'invention. The thermal and calorimetric analysis device (0) is furthermore constituted of at least two measurement chambers (30, 31) which, according to the exemplary embodiment of the invention, are perfectly identical and perfectly fluid-tight. heat transfer (2). Preferably, the enclosures (30, 31) are provided with an opening and sealing system, allowing the introduction of samples to be tested. These measuring enclosures (30, 31) are, for example and without limitation, cylindrical, machined in a material that is a good thermal conductor, for example and without limitation, aluminum, copper, silver, or any other metal alloy. The geometry of each enclosure may vary without departing from the scope of the invention.
Chaque enceinte dispose d'un volume interne correspondant à un volume largement au-delà des volumes mis en œuvre dans les calorimètres DSC classiques et s'approchant du volume représentatif des échantillons utilisés industriellement. Par exemple et de manière non limitative, le volume interne de chaque enceinte est compris entre 50 et 1000 ml_, voire 10000 ml_, et préférentiellement le volume de chaque enceinte est de l'ordre de 250 ml_.  Each chamber has an internal volume corresponding to a volume well beyond the volumes used in conventional DSC calorimeters and approaching the representative volume of samples used industrially. For example and without limitation, the internal volume of each chamber is between 50 and 1000 ml_, or even 10000 ml_, and preferably the volume of each chamber is of the order of 250 ml_.
Selon l'invention, lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) et ledit fluide de transfert thermique (2) présentent un rapport de volumes permettant un contrôle facile de la température du fluide, afin d'obtenir préférentiellement une stabilité en température inférieure à 0,1 °C de la température caractéristique de l'échantillon (en particulier, la température de changement de phase) pour les cellules ayant un volume de 1000ml à 10.000ml, voire une stabilité en température de 0,01 °C pour les cellules de 50 ml à 1000ml, en particulier lors du changements de phase de l'échantillon.  According to the invention, said at least two enclosures (30, 31) and said heat transfer fluid (2) have a ratio of volumes allowing easy control of the fluid temperature, in order to preferentially obtain a temperature stability lower than 0.1 ° C of the characteristic temperature of the sample (in particular, the phase change temperature) for the cells having a volume of 1000ml to 10,000ml, or even a temperature stability of 0.01 ° C for the cells from 50 ml to 1000 ml, especially during the phase changes of the sample.
Pour pouvoir obtenir cette précision et cette stabilité en température, le dispositif de l'invention est configuré de sorte que le volume total occupé par toutes les enceintes de mesure (30, 31 ) respecte un rapport tel que le volume desdites au moins deux enceintes (30, 31 ) et le volume dudit fluide de transfert thermique (2) obéissent à la formule suivante (F1 ) : In order to obtain this accuracy and this temperature stability, the device of the invention is configured so that the total volume occupied by all the measuring speakers (30, 31) respects a ratio such as the volume of said at least two speakers ( 30, 31) and the volume of said heat transfer fluid (2) obey the following formula (F1):
¥f luids ¥ f luids
Sers tout cslluls
Figure imgf000018_0001
Sall all things
Figure imgf000018_0001
dans laquelle  in which
Vfiuide représente le volume du fluide de transfert thermiqueVfiuide represents the volume of the heat transfer fluid
(2) ; Vhors-tout-œiiuie représente le volume total du dispositif d'analyse en l'absence desdites au moins deux enceintes (30, 31 ) ; (2); Off-the-air represents the total volume of the analysis device in the absence of said at least two enclosures (30, 31);
Vinterne-œiiuie représente le volume interne de chaque enceinte (30, 31 ) ; The interior represents the internal volume of each enclosure (30, 31);
Venveioppe représente le volume de l'enveloppe de chaque enceinte (30, 31 ) ; Venveioppe represents the volume of the envelope of each enclosure (30, 31);
AT représente une variation de température du fluide, lors de la transformation de l'échantillon à tester Q représente la chaleur échangée lors de la variation (ou incrément) entre ledit fluide (2) et lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) ; AT represents a change in temperature of the fluid, during the transformation of the test sample Q represents the heat exchanged during the variation (or increment) between said fluid (2) and said at least two enclosures (30, 31);
Cptiuide représente la capacité calorifique volumique du fluide de transfert de chaleur (2) ; Cptiuide represents the heat capacity volume of the heat transfer fluid (2);
Cpenveioppe représente la capacité calorifique volumique de l'enveloppe de chaque enceinte (30, 31 ).  Cpenveioppe represents the volume heat capacity of the envelope of each enclosure (30, 31).
On comprend donc que les rapports de volume entre le volume du fluide de transfert thermique (2) et le volume des enceintes (30, 31 ) sont configurés pour maintenir une bonne stabilité de température au sein du fluide (2) de transfert thermique. De ce fait, un équilibre thermique peut s'établir de sorte que la température des enceintes (30, 31 ) ne varie pas au-delà de la variation de température du fluide (2) lors de la transformation de l'échantillon à tester. Il est à noter que cette variation doit rester petite pour que la régulation thermique du bain reste correcte, même lorsque l'échantillon absorbe ou restitue de l'énergie thermique. Préférentiellement, le rapport des volumes est tel que le volume du fluide de transfert thermique (2) contenu dans le réservoir (1 ) est supérieur à au moins deux fois et demi le volume total occupé par lesdites au moins deux enceintes de mesure. De la sorte, les flux de chaleur provenant des enceintes (30, 31 ) vers le fluide de transfert thermique ont très peu d'influence sur les variations de température du fluide de transfert thermique (2) : ce dernier présente donc une grande stabilité en température, inférieure à 0.1 °C, préférentiellement inférieure à 0.01 °C. Par conséquent, le fluide de transfert thermique (2) présentant une grande stabilité en température, il permet le maintien de la stabilité en température des enceintes (30, 31 ) inférieure à 0.1 °C, voire inférieure à 0.01 °C comme cela a été précisé plus haut dans la description. It is thus clear that the volume ratios between the volume of the heat transfer fluid (2) and the volume of the enclosures (30, 31) are configured to maintain a good temperature stability within the heat transfer fluid (2). Therefore, a thermal equilibrium can be established so that the temperature of the enclosures (30, 31) does not vary beyond the temperature variation of the fluid (2) during the transformation of the sample to be tested. It should be noted that this variation must remain small for the thermal regulation of the bath remains correct, even when the sample absorbs or returns thermal energy. Preferably, the volume ratio is such that the volume of the heat transfer fluid (2) contained in the reservoir (1) is greater than at least two and a half times the total volume occupied by said at least two measuring chambers. In this way, the heat flows from the enclosures (30, 31) to the heat transfer fluid have very little influence on the temperature variations of the transfer fluid. thermal (2): the latter thus has a high temperature stability, less than 0.1 ° C, preferably less than 0.01 ° C. Therefore, the heat transfer fluid (2) having a high temperature stability, it allows the maintenance of the temperature stability of the enclosures (30, 31) less than 0.1 ° C, or even less than 0.01 ° C as has been specified above in the description.
De manière inattendue, les inventeurs ont découvert que le volume interne des enceintes (30, 31 ) permet de s'affranchir du facteur d'échelle lors des phénomènes cinétiques de surfusion. Cette notion de surfusion sera abordée plus loin dans la description.  Unexpectedly, the inventors have discovered that the internal volume of the enclosures (30, 31) makes it possible to dispense with the scale factor during kinetic supercooling phenomena. This notion of supercooling will be discussed later in the description.
De manière à pouvoir réaliser des mesures suivant la technique de la calorimétrie différentielle classique, une enceinte est de préférence pleine d'air, et dite enceinte de référence (30). Cette enceinte peut en outre contenir un matériau de référence autre que l'air, par exemple, l'alumine, l'eau, une huile ou tout autre matériau ne subissant pas de changement d'état ou de transformation physico-chimique provoquée par la consigne thermique pendant l'intervalle de mesure.  In order to be able to measure using the conventional differential calorimetry technique, an enclosure is preferably full of air, and said reference enclosure (30). This enclosure may also contain a reference material other than air, for example, alumina, water, an oil or any other material not undergoing a change of state or physico-chemical transformation caused by the thermal setpoint during the measurement interval.
Au moins une enceinte est chargée de l'échantillon à mesurer, et dite enceinte laboratoire ou de mesure (31 ).  At least one chamber is charged with the sample to be measured, and said laboratory or measuring chamber (31).
Afin de mesurer les échanges de chaleur, chaque enceinte (30, 31 ) est instrumentée d'au moins un dispositif de mesure des variations de température (Th) et d'au moins un dispositif de mesure des flux de chaleur (φ). Ce type d'instrumentation permet notamment de préciser le caractère exothermique ou endothermique d'une réaction. Elle permet également de s'affranchir des phénomènes parasites extérieurs (mécaniques, électriques, magnétiques ou thermiques).  In order to measure heat exchanges, each chamber (30, 31) is instrumented with at least one device for measuring temperature variations (Th) and at least one device for measuring heat fluxes (φ). This type of instrumentation makes it possible in particular to specify the exothermic or endothermic nature of a reaction. It also makes it possible to overcome outside parasitic phenomena (mechanical, electrical, magnetic or thermal).
Par exemple et de façon non limitative, les dispositifs de mesure des variations de températures sont des thermocouples (Th) de type K, réalisant un tour mort autour de chaque enceinte (30, 31 ) de mesure. La précision de ces thermocouples peut être comprise entre 0,001 K et 1 K, préférentiellement autour de 0,1 K. Par exemple et de façon non limitative, les dispositifs de mesure des flux de chaleur sont des fluxmètres thermiques (φ), constitués de plaquettes sensibles, par exemple et de façon non limitative en platine, fixées contre la paroi externe des enceintes de mesure (30, 31 ). Les fluxmètres thermiques (φ) sont d'une grande précision, par exemple et de façon non limitative, entre 0,001 et 100 mV/(W.cm"2), préférentiellement entre 1 et 5 mV/(W.cm"2), et offrent des mesures des flux de chaleur plus exactes que les flux de chaleur extrapolés à partir des courbes de température obtenues avec les thermocouples (Th). Cependant, il est utile d'instrumenter les enceintes de mesure (30, 31 ) avec des thermocouples (Th) afin de définir la plage de température dans laquelle les mesures de flux de chaleur sont réalisées. For example and without limitation, the devices for measuring temperature variations are thermocouples (Th) type K, performing a dead turn around each chamber (30, 31) of measurement. The accuracy of these thermocouples can be between 0.001 K and 1 K, preferentially around 0.1 K. For example and without limitation, the devices for measuring heat flows are thermal flux meters (φ), consisting of sensitive plates, for example and not limited to platinum, fixed against the outer wall of the measuring chambers (30). , 31). The thermal flux meters (φ) are of great precision, for example and without limitation, between 0.001 and 100 mV / (W.cm -2 ), preferably between 1 and 5 mV / (W.cm -2 ), and provide more accurate heat flux measurements than extrapolated heat fluxes from temperature curves obtained with thermocouples (Th). However, it is useful to instrument the measurement chambers (30, 31) with thermocouples (Th) to define the temperature range in which the heat flow measurements are made.
Dans certains modes de réalisation, le réservoir (1 ) est recouvert d'un couvercle dans le même matériau, afin de limiter l'évaporation du fluide (2) de transfert thermique.  In some embodiments, the reservoir (1) is covered with a cover in the same material, in order to limit the evaporation of the heat transfer fluid (2).
Dans certains modes de réalisation, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) peut être rendu hermétique. Ceci permet de diminuer grandement les échanges de chaleur avec le milieu extérieur, un tel dispositif étant un système isotherme dont on fait varier lentement la température, et permet aussi de travailler dans des plages de températures et de pressions plus étendues.  In some embodiments, the thermal and calorimetric analysis device (0) can be sealed. This makes it possible to greatly reduce heat exchanges with the external environment, such a device being an isothermal system whose temperature is slowly varied, and also makes it possible to work in greater temperature and pressure ranges.
Par exemple et de façon non limitative, il est possible de travailler dans des plages de températures comprises entre -50 et 600 °C, préférentiellement entre 10 et 180 °C, et des plages de pressions comprises entre 0 et 100 bars, préférentiellement entre 1 et 10 bars. Les limites de température et de pression d'un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) dépendent uniquement de la résistance en température et en pression des matériaux utilisés pour la conception dudit dispositif. Au voisinage des hautes pressions, il est possible, dans certains modes de réalisation de charger les enceintes de mesure (30, 31 ) avec des échantillons sans sortir lesdites enceintes (30, 31 ) du fluide (2) de transfert thermique. Dans ce cas, la pression à l'intérieur des enceintes de mesure (30, 31 ) est indépendante de la pression du reste du dispositif (0), et reste à la pression atmosphérique afin que l'expérimentateur puisse librement charger ou décharger les enceintes de mesure (31 ) en échantillons. For example and without limitation, it is possible to work in temperature ranges between -50 and 600 ° C, preferably between 10 and 180 ° C, and pressure ranges between 0 and 100 bar, preferably between 1 and 100 bar. and 10 bars. The temperature and pressure limits of a thermal and calorimetric analysis device (0) depend solely on the temperature and pressure resistance of the materials used for the design of said device. In the vicinity of high pressures, it is possible in some embodiments to charge the measurement chambers (30, 31) with samples without removing said enclosures (30, 31) from the heat transfer fluid (2). In this case, the pressure inside the measurement chambers (30, 31) is independent of the pressure of the remainder of the device (0), and remains at atmospheric pressure so that the experimenter can freely load or unload the measurement chambers (31) into samples.
Selon un mode de réalisation amélioré de l'invention, au moins une enceinte de mesure (31 ) peut être reliée d'une part à un réservoir (7) contenant l'échantillon étudié en phase liquide, et d'autre part à un réservoir (8) contenant un gaz sous pression. La pression de gaz dans le réservoir sera dans tous les cas supérieure à la pression à l'intérieur de la ou des enceintes de mesure (31 ). La circulation de l'échantillon du réservoir (7) vers l'enceinte (31 ), et la circulation de gaz du réservoir de gaz (8) vers l'enceinte (31 ) est régulée par des moyens de communication (70, 80) de l'enceinte avec respectivement le réservoir (7) contenant l'échantillon et le réservoir (8) contenant le gaz sous pression. Ces moyens de communication peuvent être, par exemple et de façon non limitative, des vannes de communication (70, 80) qui peuvent être pilotées par un logiciel contenu dans les moyens d'acquisition des données (5).  According to an improved embodiment of the invention, at least one measurement chamber (31) can be connected on the one hand to a reservoir (7) containing the sample studied in the liquid phase, and on the other hand to a reservoir (8) containing a gas under pressure. The gas pressure in the tank will in all cases be greater than the pressure inside the measuring chamber (s) (31). The flow of the sample from the reservoir (7) to the enclosure (31), and the flow of gas from the gas reservoir (8) to the enclosure (31) is regulated by communication means (70, 80). of the enclosure with respectively the reservoir (7) containing the sample and the reservoir (8) containing the gas under pressure. These communication means may be, for example and without limitation, communication valves (70, 80) that can be controlled by software contained in the data acquisition means (5).
Ce mode de réalisation amélioré s'avère utile pour la simulation de procédés industriels qu'un calorimètre classique ne permet pas. Il est possible en effet d'introduire une phase liquide dans le dispositif (0) pendant l'acquisition des données afin d'étudier le bilan énergétique d'une dissolution en phase liquide, d'une oxydation, d'une combustion, de tout type de réactions chimiques en général.  This improved embodiment is useful for the simulation of industrial processes that a conventional calorimeter does not allow. It is indeed possible to introduce a liquid phase in the device (0) during data acquisition in order to study the energy balance of a dissolution in the liquid phase, an oxidation, a combustion, of any type of chemical reactions in general.
Selon une variante de ce mode, une chambre, de préférence en forme de serpentin, peut être insérée dans le circuit du fluide de transfert thermique, et/ou immergée dans ce fluide en amont de l'enceinte qui contient l'échantillon à tester, afin de thermostater le fluide avant qu'aucune réaction n'ait lieu.  According to a variant of this embodiment, a chamber, preferably in the form of a coil, can be inserted into the circuit of the heat transfer fluid, and / or immersed in this fluid upstream of the chamber which contains the sample to be tested. to thermostate the fluid before any reaction takes place.
Dans certains modes de réalisation, le réservoir (1 ) de fluide de transfert thermique (2) est équipé d'un système de purge permettant la vidange du fluide (2). Le choix du type de fluide (2) dépend des plages de température et de pression auxquelles les mesures sont réalisées, et un changement de fluide (2) dans le réservoir (1 ) doit pouvoir se faire rapidement et avec peu de contraintes. Par ailleurs, il est possible d'utiliser pour le fluide de transfert thermique tout matériau pouvant se trouver à l'état liquide à la température de travail à laquelle on observe le changement d'état de l'échantillon à tester. In some embodiments, the heat transfer fluid reservoir (1) (2) is equipped with a purge system for draining the fluid (2). The choice of the type of fluid (2) depends on the temperature and pressure ranges at which the measurements are made, and a change of fluid (2) in the tank (1) must be able to be done quickly and with few constraints. Furthermore, it is possible to use for the heat transfer fluid any material that can be in the liquid state at the working temperature at which the change of state of the sample to be tested is observed.
Dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) est maintenu à la pression atmosphérique.  In a preferred embodiment, the thermal and calorimetric analysis device (0) is maintained at atmospheric pressure.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) comprend un ensemble logiciel associé à des moyens d'acquisition et d'enregistrement (5) des données de température et de flux de chaleur, par exemple et de façon non limitative, une centrale d'acquisition (5) associée à un dispositif de stockage de masse. Le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique est également équipé de moyens, matériels et logiciels, de traitement du signal (6), permettant de corréler et de comparer les données de températures et les données de flux de chaleur obtenues de la ou des enceintes de mesure (31 ) avec les données obtenues de l'enceinte de référence (30).  In some embodiments, the thermal and calorimetric analysis device (0) comprises a software package associated with means for acquiring and recording (5) temperature and heat flow data, for example and non-limiting, an acquisition unit (5) associated with a mass storage device. The thermal and calorimetric analysis device is also equipped with means, hardware and software, signal processing (6), for correlating and comparing the temperature data and the heat flow data obtained from the speaker or speakers. measurement (31) with the data obtained from the reference chamber (30).
La fréquence d'acquisition des données de température et de flux pourra être, par exemple et de façon non limitative, comprise entre 0,001 Hz et 1000 Hz, et préférentiellement entre 1 /60 et 1 /30 Hz, les phénomènes thermodynamiques étudiés pouvant être relativement long et les expériences étendues sur plusieurs heures. Des fréquences d'acquisition inférieures au Hz sont donc appropriées dans certains modes de réalisation. Cependant, il est bon de noter que la limite fréquentielle dépend avant tout des caractéristiques techniques des moyens d'acquisition et d'enregistrement des données (5).  The acquisition frequency of the temperature and flow data may be, for example and without limitation, between 0.001 Hz and 1000 Hz, and preferably between 1/60 and 1/30 Hz, the thermodynamic phenomena studied being relatively long and extended experiences over several hours. Acquisition frequencies below 1 Hz are therefore appropriate in some embodiments. However, it is worth noting that the frequency limit depends primarily on the technical characteristics of the data acquisition and recording means (5).
Pour mieux cerner les avantages de ce dispositif d'analyse thermique et calorimétrique, il est proposé selon l'invention un procédé d'analyse thermique et calorimétrique, qui va maintenant être décrit.  To better understand the advantages of this thermal analysis device and calorimetric, it is proposed according to the invention a thermal analysis method and calorimetry, which will now be described.
Dans une première étape, l'échantillon, objet des mesures d'échanges de chaleur, est inséré dans au moins une enceinte de mesure (31 ), différente de l'enceinte de référence (30). Les enceintes (30, 31 ) sont immergées dans le fluide (2) de transfert thermique.  In a first step, the sample, object of the heat exchange measurements, is inserted in at least one measurement chamber (31), different from the reference chamber (30). The enclosures (30, 31) are immersed in the heat transfer fluid (2).
Dans certains modes de réalisation, il est possible d'insérer un échantillon dans une ou des enceintes de mesure (31 ) sans pour autant les sortir du fluide de transfert. Dans une deuxième étape, il convient ensuite de s'assurer que l'intégralité des parties du dispositif (0) est à la même température, que l'on appellera température initiale dans certains modes de réalisation, à l'aide des moyens de mesure et de contrôle de la température (Th, 41 ) des enceintes (30, 31 ) et du fluide (2). L'équilibre thermique est atteint d'autant plus rapidement que le fluide (2) de transfert thermique est en circulation grâce aux moyens de circulation (20, 21 ). Cette température initiale est éloignée de la température de changement de phase de l'échantillon mesuré. In some embodiments, it is possible to insert a sample into one or more measurement chambers (31) without the need for them. out of the transfer fluid. In a second step, it is then necessary to ensure that all the parts of the device (0) are at the same temperature, which will be called initial temperature in some embodiments, using the measuring means and controlling the temperature (Th, 41) of the enclosures (30, 31) and the fluid (2). The thermal equilibrium is reached all the more quickly as the heat transfer fluid (2) is circulated by the circulation means (20, 21). This initial temperature is far from the phase change temperature of the measured sample.
La troisième étape consiste en un choix et en l'application d'au moins une consigne thermique au fluide (2) de transfert thermique, à l'aide de moyens de contrôle et de régulation de la température (40, 41 ) et de moyens de chauffage (4). Une consigne thermique est définie comme une variation contrôlée et suivie de la température du fluide (2) de transfert thermique depuis une température initiale jusqu'à une température finale. Cette contrainte thermique, appliquée au fluide (2) de transfert thermique, va induire des échanges de chaleur entre les enceintes de mesure (30, 31 ) et le fluide (2). La comparaison des données de température et de flux de chaleur obtenues auprès de l'enceinte de référence (30) et de la ou des enceintes de mesure (31 ) va permettre d'étudier les transformations physiques et chimiques de l'échantillon mesuré. Pour que cela soit rendu possible, cette étape d'application d'au moins une consigne thermique est associée à l'acquisition et à l'enregistrement des données de températures et de flux de chaleur des enceintes (30, 31 ) de mesure soumises à ces mêmes consignes thermiques.  The third step consists of a choice and the application of at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2), using means for controlling and regulating the temperature (40, 41) and means heating (4). A thermal setpoint is defined as a controlled variation and followed by the temperature of the heat transfer fluid (2) from an initial temperature to a final temperature. This thermal stress, applied to the heat transfer fluid (2), will induce heat exchanges between the measurement chambers (30, 31) and the fluid (2). The comparison of the temperature and heat flow data obtained from the reference chamber (30) and the measurement chamber (s) (31) will make it possible to study the physical and chemical transformations of the measured sample. For this to be possible, this step of applying at least one thermal setpoint is associated with the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the measurement chambers (30, 31) subjected to these same thermal instructions.
La dernière étape consiste en la corrélation des données de température avec les données de flux de chaleur, et ce pour chaque enceinte de mesure (30, 31 ), qu'elle contienne un échantillon (31 ) ou qu'elle soit la référence (30). Ces corrélations permettent ensuite de réaliser des comparaisons entre les résultats obtenus pour l'enceinte de référence (30) et ceux obtenus pour au moins une enceinte de mesure (31 ). Ces comparaisons permettent de détecter directement des transitions thermodynamiques du matériau à tester, comme les transitions de phase, et les températures auxquelles elles surviennent. En effet, lors des transitions de phase, un matériau peut emmagasiner ou fournir beaucoup de chaleur, sans pour autant changer de température. D'autre part, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) est adapté à l'étude de matériau dans tous les états thermodynamiques connus, par exemple et de façon non limitative les états solides, liquides, gazeux stables ou métastables. The last step is to correlate the temperature data with the heat flux data, for each measuring chamber (30, 31), whether it contains a sample (31) or that it is the reference (30). ). These correlations then allow comparisons to be made between the results obtained for the reference chamber (30) and those obtained for at least one measurement chamber (31). These comparisons make it possible to directly detect thermodynamic transitions of the material to be tested, such as phase transitions and temperatures. which they occur. Indeed, during phase transitions, a material can store or provide a lot of heat, without changing the temperature. On the other hand, the thermal and calorimetric analysis device (0) is adapted to the study of material in all known thermodynamic states, for example and without limitation the solid, liquid, gaseous stable or metastable states.
Un exemple est présenté figure 2, montrant les courbes de température ( de mesure) et de flux de chaleur (φϋθ mesure) de l'enceinte de mesure (31 ) , ainsi que les courbes de température (Tref) et de flux de chaleur (φΓθί) de l'enceinte de référence (30) en fonction du temps. On remarque bien la transition de phase, en l'occurrence une fusion, qui a lieu alors que la température de l'enceinte de mesure (31 ) est quasiment constante. Par comparaison, la température de l'enceinte de référence (30) augmente exactement de la même façon que la température du fluide (2) de transfert thermique, et les courbes de température ou de flux de l'enceinte de référence (30) ne présentent aucune discontinuité ou rupture. On notera que la courbe de flux de chaleur de la référence (30) , en dehors de la zone de température caractéristique du changement d'état de l'échantillon, présente des valeurs sensiblement inférieures à celles de la courbe de flux de chaleur de l'enceinte de mesure (31 ). Cela provient des différences de capacités calorifiques, de conductivités thermiques et de masses volumiques entre l'enceinte (31 ) contenant l'échantillon et la référence (30) inerte. An example is presented in Figure 2, showing the temperature (measurement) and heat flux (φ ϋθ measurement) curves of the measuring chamber (31), as well as the temperature (T ref ) and flow curves. heat (φ Γθί ) of the reference chamber (30) as a function of time. We note well the phase transition, in this case a melting, which takes place while the temperature of the measuring chamber (31) is almost constant. By comparison, the temperature of the reference chamber (30) increases in exactly the same way as the temperature of the heat transfer fluid (2), and the temperature or flow curves of the reference chamber (30) do not have no discontinuity or breakage. It should be noted that the heat flux curve of the reference (30), outside the temperature zone characteristic of the change of state of the sample, has values that are substantially lower than those of the heat flow curve of the sample. measuring chamber (31). This results from the differences in heat capacities, thermal conductivities and densities between the enclosure (31) containing the sample and the reference (30) inert.
Une interprétation de la courbe, délivrée par le dispositif d'analyse de l'invention, pour déterminer la température de changement de phase est aisée et donne accès directement à la température recherchée pour l'échantillon testé.  An interpretation of the curve, delivered by the analysis device of the invention, for determining the phase change temperature is easy and provides direct access to the desired temperature for the sample tested.
Dans certains modes de réalisation, le procédé peut être adapté à des réactions de mélange ou de dissolution, ne nécessitant pas d'application d'une consigne thermique. Dans une première étape, un premier échantillon est mis en place dans au moins une enceinte de mesure (31 ) différente de l'enceinte de référence (30). Dans une deuxième étape, il convient ensuite de s'assurer que l'intégralité des parties du dispositif (0) est à la même température, que l'on appellera température initiale dans certains modes de réalisation, à l'aide des moyens de mesure et de contrôle de la température (Th, 41 ) des enceintes (30, 31 ) et du fluide (2). L'équilibre thermique est atteint d'autant plus rapidement que le fluide (2) de transfert thermique est en circulation grâce aux moyens de circulation (20, 21 ). In some embodiments, the method can be adapted to mixing or dissolution reactions, not requiring the application of a thermal setpoint. In a first step, a first sample is placed in at least one measurement chamber (31) different from the reference chamber (30). In a second step, it is then necessary to ensure that all the parts of the device (0) are at the same temperature, which will be called initial temperature in some embodiments, using the measuring means and controlling the temperature (Th, 41) of the enclosures (30, 31) and the fluid (2). The thermal equilibrium is reached all the more quickly as the heat transfer fluid (2) is circulated by the circulation means (20, 21).
Dans une troisième étape, l'acquisition et l'enregistrement des données de températures et de flux de chaleur des enceintes (30, 31 ) sont déclenchés.  In a third step, the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the speakers (30, 31) are triggered.
Dans une quatrième étape, la vanne de communication (70) permettant la circulation d'au moins un autre échantillon en phase liquide ou gazeuse est ouverte afin d'injecter le ou les dits échantillons dans au moins une enceinte de mesure (31 ) contenant au moins un échantillon mis en place au préalable. Dans une cinquième étape, cette vanne de communication (70) est fermée. Ainsi dès que tous les échantillons sont en contact dans au moins une enceinte de mesure (31 ), le système acquiert et enregistre les flux de chaleurs dus aux réactions engendrées par la mise en contact des échantillons, jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.  In a fourth step, the communication valve (70) allowing the circulation of at least one other sample in the liquid or gaseous phase is opened in order to inject the said sample or samples into at least one measuring chamber (31) containing at least minus a sample set up beforehand. In a fifth step, this communication valve (70) is closed. Thus, as soon as all the samples are in contact in at least one measurement chamber (31), the system acquires and records the heat flows due to the reactions generated by the contacting of the samples, until the thermal equilibrium be reached.
Ainsi, au cours de la sixième étape, une fois les données de flux de chaleur et de température acquises et enregistrées, les moyens de communications (70) de l'enceinte de mesure (31 ) avec le réservoir (7) sont ouverts, et l'autre vanne de communication (80), reliant l'enceinte de mesure (31 ) au réservoir (8) de gaz comprimé est ouverte, de manière à chasser le matériau final de l'enceinte de mesure (31 ) vers le réservoir (7). Par exemple et de façon non limitative, ces réactions peuvent être des réactions de mélange : une réaction en phase liquide entre au moins deux échantillons, une réaction entre au moins un échantillon, un échantillon liquide et un échantillon gazeux ; ou bien des réactions de dissolution : dissolution d'au moins un échantillon solide par au moins un échantillon liquide. Enfin, la dernière étape consiste en la corrélation des données de température avec les données de flux de chaleur, et ce pour chaque enceinte de mesure (30, 31 ), qu'elle contienne au moins un échantillon (31 ) ou qu'elle soit la référence (30). Cette étape permet de clairement identifier le type de réaction, par exemple et de façon non limitative exothermique ou endothermique. Thus, in the sixth step, once the heat and temperature flow data have been acquired and recorded, the communication means (70) of the measuring chamber (31) with the reservoir (7) are open, and the other communication valve (80), connecting the measuring chamber (31) to the compressed gas reservoir (8), is opened, so as to drive the final material from the measuring chamber (31) to the reservoir ( 7). For example and without limitation, these reactions may be mixing reactions: a reaction in the liquid phase between at least two samples, a reaction between at least one sample, a liquid sample and a gaseous sample; or else dissolution reactions: dissolution of at least one solid sample by at least one liquid sample. Finally, the last step consists of the correlation of the temperature data with the heat flux data, and for each measuring chamber (30, 31), that it contains at least one sample (31) or that it is the reference (30). This step makes it possible to clearly identify the type of reaction, for example and in a nonlimiting manner, exothermic or endothermic.
Dans certains modes de réalisation, et en référence à la figure 3, le procédé peut être adapté à des échantillons en phase liquide, avec la possibilité de ne jamais sortir les enceintes (30, 31 ) du fluide (2) de transfert. Dans ce cas, au moins une enceinte de mesure (31 ) est reliée à deux réservoirs (7, 8) indépendants, l'un (7) contenant l'échantillon en phase liquide, et l'autre (8) contenant du gaz sous pression. La pression de ce gaz est supérieure à la pression à l'intérieur de la ou des enceintes de mesure (31 ). La circulation de l'échantillon en phase liquide et du gaz entre les réservoirs et la ou les enceintes est contrôlée par des moyens de contrôle du flux (70, 80), par exemple et de façon non limitative une vanne de communication. Ce procédé va maintenant être décrit.  In certain embodiments, and with reference to FIG. 3, the method can be adapted to samples in the liquid phase, with the possibility of never removing the enclosures (30, 31) from the transfer fluid (2). In this case, at least one measuring chamber (31) is connected to two independent tanks (7, 8), one (7) containing the sample in liquid phase, and the other (8) containing gas under pressure. The pressure of this gas is greater than the pressure inside the measuring chamber (s) (31). The flow of the sample in the liquid phase and the gas between the tanks and the enclosure or enclosures is controlled by flow control means (70, 80), for example and without limitation a communication valve. This process will now be described.
Dans une première étape, la vanne de communication (70) permettant la circulation de l'échantillon en phase liquide est ouverte afin d'injecter ledit échantillon dans au moins une enceinte de mesure (31 ). Dans une deuxième étape, cette vanne de communication (70) est fermée.  In a first step, the communication valve (70) allowing the circulation of the sample in the liquid phase is opened in order to inject said sample into at least one measuring chamber (31). In a second step, this communication valve (70) is closed.
La troisième étape consiste, comme pour le procédé décrit précédemment, en un choix et en l'application d'au moins une consigne thermique au fluide (2) de transfert thermique, à l'aide de moyens de contrôle et de régulation de la température (40, 41 ) et de moyens de chauffage (4). Cette contrainte thermique appliquée au fluide (2) de transfert thermique, est choisie de manière à permettre un changement de phase de l'échantillon en phase liquide, respectivement vers l'état solide ou gazeux suivant le type de mesure, et va induire des échanges de chaleur entre les enceintes de mesure (30, 31 ) et le fluide (2). La comparaison des données de température et de flux de chaleur obtenues auprès de l'enceinte de référence (30) et de la ou des enceintes de mesure (31 ) va permettre d'étudier les transformations physiques et chimiques de l'échantillon testé provoquées par la consigne thermique. Pour que cela soit rendu possible, cette étape d'application d'au moins une consigne thermique est associée à l'acquisition et à l'enregistrement des données de températures et de flux de chaleur des enceintes (30, 31 ) de mesure soumises à ces mêmes consignes thermiques. The third step consists, as for the process described above, in a choice and in the application of at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2), using means for controlling and regulating the temperature (40, 41) and heating means (4). This thermal stress applied to the heat transfer fluid (2) is chosen so as to allow a phase change of the sample in the liquid phase, respectively towards the solid or gaseous state depending on the type of measurement, and will induce exchanges. of heat between the measurement chambers (30, 31) and the fluid (2). Comparing the temperature and heat flow data obtained from the reference chamber (30) and the measurement chamber (s) (31) will make it possible to study the physical and chemical transformations. of the tested sample caused by the thermal setpoint. For this to be possible, this step of applying at least one thermal setpoint is associated with the acquisition and recording of the temperature and heat flow data of the measurement chambers (30, 31) subjected to these same thermal instructions.
A la fin de la mesure et dans une quatrième étape, c'est-à-dire une fois l'équilibre thermique atteint et le changement d'état de l'échantillon terminé, l'échantillon a subi un changement d'état vers son état initial, c'est-à-dire liquide. La vanne de communication (70) reliant l'enceinte de mesure (31 ) au réservoir (7) contenant l'échantillon liquide est alors de nouveau ouverte.  At the end of the measurement and in a fourth step, that is to say once the thermal equilibrium reached and the change of state of the sample finished, the sample has undergone a change of state towards its initial state, that is to say liquid. The communication valve (70) connecting the measuring chamber (31) to the reservoir (7) containing the liquid sample is then opened again.
Dans une cinquième étape, l'autre vanne de communication (80), reliant l'enceinte de mesure (31 ) au réservoir (8) de gaz comprimé est ouverte, de manière à chasser l'échantillon liquide de l'enceinte de mesure (31 ) vers le réservoir contenant l'échantillon liquide (7).  In a fifth step, the other communication valve (80), connecting the measuring chamber (31) to the compressed gas reservoir (8), is opened, so as to drive the liquid sample from the measuring chamber ( 31) to the reservoir containing the liquid sample (7).
Enfin, la dernière étape consiste en la corrélation des données de température avec les données de flux de chaleur, et ce pour chaque enceinte de mesure (30, 31 ), qu'elle contienne un échantillon (31 ) ou qu'elle soit la référence (30). Cette étape permet de clairement identifier les changements de phase de l'échantillon, et les températures auxquels ces derniers surviennent.  Finally, the last step consists in correlating the temperature data with the heat flux data, for each measurement chamber (30, 31), whether it contains a sample (31) or that it is the reference (30). This step clearly identifies the phase changes in the sample, and the temperatures at which they occur.
Un autre avantage lié au volume important des enceintes (30, 31 ) de mesure est la possibilité de réaliser des mesures calorimétriques de dissolution d'au moins un échantillon solide placé initialement dans l'enceinte de mesure (31 ), par au moins un liquide contenu dans un réservoir (7) et introduit dans l'enceinte de mesure (31 ) suite à l'ouverture de la vanne de communication (70). Le fait de travailler sur des échantillons de grand volume permet de mesurer des effets thermiques plus faibles rapportés à une mole d'échantillon : on augmente ainsi grandement la précision des mesures de flux de chaleur par rapport à la calorimétrie différentielle classique autorisant seulement l'étude d'échantillons de faible volume. Another advantage related to the large volume of the measurement chambers (30, 31) is the possibility of carrying out calorimetric dissolution measurements of at least one solid sample initially placed in the measuring chamber (31), by at least one liquid contained in a tank (7) and introduced into the measuring chamber (31) following the opening of the communication valve (70). Working on large-volume samples allows measurement of lower thermal effects relative to one mole of sample: this greatly increases the accuracy of heat flow measurements compared to conventional differential calorimetry allowing only the study low volume samples.
Un autre avantage lié au volume important des enceintes (30, 31 ) de mesure est la possibilité de résoudre les problèmes liés au facteur d'échelle et de s'affranchir des phénomènes d'échantillonnage lors des phénomènes de surfusion. Another advantage related to the large volume of the measuring speakers (30, 31) is the possibility of solving the problems related to the scale factor and to avoid sampling phenomena during supercooling phenomena.
En effet, l'état surfondu est l'état métastable d'un matériau demeurant en phase liquide alors que sa température est plus basse que son point de solidification. Dans cet état, la moindre impureté ou défauts d'interface présents dans l'enceinte qui contient le liquide peut déclencher la réaction de solidification. Or, les enceintes de mesure des appareils d'analyse thermique et calorimétrique de l'état de l'art sont d'un volume si faible que le nombre d'impuretés ou défauts d'interface présents dans l'enceinte qui contient le liquide peut être très différente d'une enceinte à l'autre ou d'une expérience à l'autre. Il sera donc très difficile dans ces conditions d'obtenir ces états métastables de la matière de façon reproductible. L'intérêt de disposer d'enceintes de mesure (30, 31 ) d'un volume suffisamment grand, par exemple et de façon non limitative au moins 0,05 litres, préférentiellement 0,250 litres, est de s'affranchir de ces phénomènes d'échantillonnage.  Indeed, the supercooled state is the metastable state of a material remaining in the liquid phase while its temperature is lower than its solidification point. In this state, the least impurity or interface defects present in the enclosure that contains the liquid can trigger the solidification reaction. However, the measuring chambers of the state of the art thermal analysis and calorimetry apparatus are of such a small volume that the number of impurities or interface defects present in the enclosure which contains the liquid can be very different from one speaker to another or from one experience to another. It will therefore be very difficult under these conditions to obtain these metastable states of the material in a reproducible manner. The advantage of having measuring chambers (30, 31) of a sufficiently large volume, for example and in a nonlimiting manner at least 0.05 liters, preferably 0.250 liters, is to overcome these phenomena of sampling.
Plus particulièrement, avec le dispositif de l'invention et en utilisant des enceintes de plus grand volume que celles utilisées par les microcalorimètres, on se donne la possibilité d'observer des phénomènes physico-chimiques que l'on ne peut pas voir au-dessous d'une certaine masse d'échantillon.  More particularly, with the device of the invention and using larger volume speakers than those used by microcalorimeters, it is possible to observe physico-chemical phenomena that can not be seen below some sample mass.
Par exemple, avec le dispositif de l'invention, il est possible d'observer le phénomène de cristallisation d'un liquide qui s'effectue en deux étapes. La première étape concerne la germination, ou apparition des premiers « embryons » de solide ordonnés dans un liquide complètement désordonné. La deuxième étape concerne la croissance de ces germes par accrétion des atomes dans un liquide en un réseau ordonné.  For example, with the device of the invention, it is possible to observe the phenomenon of crystallization of a liquid which takes place in two stages. The first step concerns the germination, or appearance of the first "embryos" of solid ordered in a completely disordered liquid. The second step concerns the growth of these germs by accretion of the atoms in a liquid into an ordered network.
La première étape s'effectue dans la pratique à une température inférieure à la température thermodynamique d'équilibre solide-liquide. On parle alors de retard à la solidification ou intervalle de surfusion mesuré en Kelvin (ou °C).  The first step is carried out in practice at a temperature below the thermodynamic equilibrium solid-liquid temperature. This is referred to as the solidification retardation or supercooling interval measured in Kelvin (or ° C).
Cet intervalle de surfusion dépend de la nature du matériau, entre autres, de la mobilité des atomes et de la facilité du solide en formation à s'ordonner. La germination s'effectue de manière hétérogène, c'est-à-dire que les « embryons » de solide naissent sur des défauts locaux qui peuvent être par exemple des impuretés chimiques ou des hétérogénéités de surface. Le nombre de ces défauts est une fonction croissante du volume de l'échantillon. En augmentant ce volume, on favorise l'apparition des premiers germes de la phase cristalline et on diminue en conséquence l'intervalle de surfusion. This supercooling interval depends on the nature of the material, inter alia, the mobility of the atoms and the ease of the solid forming to be ordered. Germination occurs heterogeneously, that is to say that the "embryos" of solid arise on local defects which may be for example chemical impurities or surface heterogeneities. The number of these defects is an increasing function of the volume of the sample. By increasing this volume, it promotes the appearance of the first seeds of the crystalline phase and consequently reduces the supercooling interval.
Les phénomènes physiques, notamment les échanges de chaleur, intervenant au niveau d'échantillons de grande taille, dont le volume est supérieur ou égal à 50 mL et qui sont testés dans le dispositif d'analyse thermique (0), sont mesurés de façon beaucoup plus précise que dans l'art antérieur. Cette précision est obtenue grâce à des enceintes (30, 31 ) d'un volume supérieur à 50 mL, préférentiellement 250 mL, permettant de s'affranchir du facteur d'échelle et du phénomène de surfusion, et/ou grâce à l'utilisation au moins au niveau de l'enceinte de mesure (31 ) d'au moins un dispositif de mesure du flux de chaleur (φ) permettant de détecter plus précisément certaines transformations comme les changements d'état des échantillons testés, et/ou grâce au volume de fluide de transfert thermique (2) stocké dans le réservoir (1 ), au moins 2,5 fois supérieur au volume des enceintes (30, 31 ) de manière à permettre le maintien de la stabilité en température des enceintes (30, 31 ).  Physical phenomena, including heat exchange, occurring in large samples with a volume greater than or equal to 50 mL and tested in the thermal analysis device (0), are measured significantly. more accurate than in the prior art. This accuracy is obtained thanks to enclosures (30, 31) with a volume greater than 50 ml, preferably 250 ml, making it possible to overcome the scale factor and the supercooling phenomenon, and / or through the use of at least at the level of the measuring chamber (31) of at least one heat flux measuring device (φ) making it possible to detect more precisely certain transformations, such as the changes in state of the samples tested, and / or thanks to the volume of heat transfer fluid (2) stored in the tank (1), at least 2.5 times greater than the volume of the enclosures (30, 31) so as to maintain the temperature stability of the enclosures (30, 31 ).
Ainsi, dans certains modes de réalisation offrant l'association d'au moins un dispositif de mesure de flux de chaleur à au moins une enceinte (30, 31 ) dont le volume est supérieur ou égal à 50 mL, offre une grande précision dans les analyses thermiques et calorimétriques différentielles selon l'invention. De même, des modes de réalisation combinant au moins des enceintes dont le volume est supérieur ou égal à 50 mL avec un fluide de transfert thermique (2) dont le volume est au moins 2,5 fois plus grand que le volume des enceintes (30, 31 ), offre une grande précision dans les analyses thermiques et calorimétriques différentielle selon l'invention. De plus, des modes de réalisation combinant au moins un dispositif de mesure de flux de chaleur, au moins une enceinte (30, 31 ) dont le volume est supérieur ou égal à 50 mL, et un fluide de transfert (2) thermique dont le volume est au moins 2,5 fois plus grand que le volume desdites enceintes, fournit une précision des mesures inégalée. Thus, in certain embodiments offering the combination of at least one device for measuring heat flow to at least one enclosure (30, 31) whose volume is greater than or equal to 50 ml, offers great precision in the differential thermal and calorimetric analyzes according to the invention. Similarly, embodiments combining at least one speaker whose volume is greater than or equal to 50 ml with a heat transfer fluid (2) whose volume is at least 2.5 times greater than the volume of the speakers (30). , 31), offers a high accuracy in the differential thermal and calorimetric analyzes according to the invention. In addition, embodiments combining at least one heat flux measuring device, at least one chamber (30, 31) whose volume is greater than or equal to 50 ml, and a thermal transfer fluid (2) whose volume is at least 2.5 times more large than the volume of said speakers, provides unmatched measurement accuracy.
L'invention peut porter sur une combinaison de tout ou partie de ces caractéristiques de volume d'enceintes (30, 31 ), de volume de fluide de transfert thermique (2) et de dispositifs de mesure de flux de chaleur (φ).  The invention may relate to a combination of all or part of these speaker volume characteristics (30, 31), heat transfer fluid volume (2) and heat flow measurement devices (φ).
L'invention est donc aussi mieux adaptée à la réalité industrielle, reposant sur des matériaux d'une pureté plus faible que celle des matériaux classiquement étudiés en laboratoire, mais dans des quantités beaucoup plus importantes. The invention is therefore also better adapted to industrial reality, based on materials of lower purity than materials conventionally studied in the laboratory, but in much larger quantities.
Ainsi, dans certains modes de réalisation, l'utilisation du dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) avec des matériaux industriels d'une pureté plus faible que les matériaux de mesure dans des quantités importantes va permettre d'éviter les états métastables de la matière et ainsi autoriser les changements de phases des matériaux dans des conditions très proches de la réalité industrielle. De par la taille de l'échantillon, des analyses à des vitesses très lentes sont également possibles.  Thus, in certain embodiments, the use of the thermal and calorimetric analysis device (0) with industrial materials of a lower purity than the measurement materials in large quantities will make it possible to avoid the metastable states of the material and thus allow the phase changes of the materials under conditions very close to the industrial reality. Due to the size of the sample, analyzes at very slow speeds are also possible.
Les enceintes de mesure contenant les matériaux peuvent ainsi emmagasiner de fortes quantités de chaleur sans changer de température, afin de la restituer ultérieurement.  The measuring chambers containing the materials can thus store large amounts of heat without changing the temperature, in order to restore it later.
Dans certains modes de réalisation, les caractéristiques de l'invention peuvent être mises à profit dans une application du stockage de l'énergie, le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) étant intégré dans une centrale thermique, par exemple, une centrale solaire expérimentale. Schématiquement, le fluide (2) de transfert thermique est réchauffé par le rayonnement solaire, et ce surplus de chaleur est absorbé dans les matériaux contenu dans les enceintes de mesure (31 ). La quantité d'énergie pouvant être emmagasinée par le dispositif (0) est d'autant plus grande que les matériaux utilisés dans les enceintes de mesure ont des chaleurs latentes de changement d'états plus importantes.  In some embodiments, the features of the invention can be exploited in an energy storage application, the thermal and calorimetric analysis device (0) being integrated in a thermal power station, for example a power plant. experimental solar. Schematically, the heat transfer fluid (2) is heated by the solar radiation, and this excess heat is absorbed in the materials contained in the measurement chambers (31). The amount of energy that can be stored by the device (0) is all the greater as the materials used in the measurement chambers have latent heats of greater state change.
Un avantage supplémentaire de l'invention est donc la mise en place d'un procédé permettant la classification des matériaux en fonction de leur chaleur latente : plus la chaleur latente d'un matériau est grande, plus il sera intéressant de l'utiliser dans le cadre d'une application de stockage de l'énergie. Par exemple, la calorimétrie différentielle classique s'effectue à des vitesses de chauffage et de refroidissement de 10°C/min. Le dispositif d'analyse de l'invention fonctionne à 0, 1 °C/min soit 100 fois plus lentement. Le procédé suivant l'invention permettant la classification des matériaux en fonction de leur chaleur latente va maintenant être décrit. An additional advantage of the invention is the establishment of a method for classifying materials according to their latent heat: the greater the latent heat of a material, the more interesting it will be to use as part of an energy storage application. For example, conventional differential scanning calorimetry is performed at heating and cooling rates of 10 ° C / min. The analysis device of the invention operates at 0, 1 ° C / min or 100 times more slowly. The method according to the invention for classifying materials according to their latent heat will now be described.
La première étape du procédé consiste en la mémorisation dans les moyens de mémorisation de toutes les données de température du fluide (2) de transfert thermique, de température des enceintes de référence (30) et de mesure (31 ) obtenues respectivement par les moyens de contrôle de la température (41 ) et les dispositifs de mesure de la température (Th). Les données de flux de chaleur obtenus par les dispositifs de mesure de flux de chaleur (φ) de l'enceinte de référence (30) vers le fluide (2) de transfert thermique d'une part, et de l'enceinte de mesure (31 ) vers le fluide de transfert thermique d'autre part, sont également enregistrées.  The first step of the method consists in storing in the storage means all the temperature data of the heat transfer fluid (2), the temperature of the reference (30) and measurement (31) chambers obtained respectively by the means of temperature control (41) and temperature measuring devices (Th). The heat flux data obtained by the heat flux measurement devices (φ) from the reference chamber (30) to the heat transfer fluid (2) on the one hand, and the measurement chamber ( 31) to the thermal transfer fluid on the other hand, are also recorded.
La deuxième étape du procédé consiste en la corrélation par l'ensemble logiciel des données de température et de flux de chaleur, d'une part pour l'enceinte de référence (30), et d'autre part pour au moins une enceinte de mesure (31 ). Cette étape permet ainsi de repérer la température de changement de phase de l'échantillon étudié. Le changement de phase est repéré sur la courbe représentant les flux de chaleur entre l'enceinte de mesure (31 ) et le fluide de transfert thermique par un pic, la température de l'enceinte de mesure (31 ) étant sensiblement constante durant le changement de phase de l'échantillon.  The second step of the method consists in the correlation by the software set of the temperature and heat flow data, on the one hand for the reference chamber (30), and on the other hand for at least one measuring chamber (31). This step thus makes it possible to identify the phase change temperature of the sample studied. The phase change is marked on the curve representing the heat fluxes between the measuring chamber (31) and the thermal transfer fluid by a peak, the temperature of the measuring chamber (31) being substantially constant during the changeover. phase of the sample.
La troisième étape permet de calculer le flux de chaleur de l'échantillon vers le fluide (2) de transfert thermique durant le changement d'état dudit échantillon, par comparaison grâce à l'ensemble logiciel, du flux de chaleur de l'enceinte de référence (30) vers le fluide (2) de transfert thermique avec le flux de chaleur de l'enceinte de mesure (31 ) vers ledit fluide (2).  The third step makes it possible to calculate the heat flow of the sample towards the heat transfer fluid (2) during the change of state of said sample, by comparison, thanks to the software set, of the heat flow of the enclosure of reference (30) to the heat transfer fluid (2) with the heat flow from the measurement chamber (31) to said fluid (2).
La quatrième étape consiste en la classification des matériaux en fonction de leur capacité à stocker de l'énergie thermique. Plus le flux de chaleur de l'échantillon vers le fluide de transfert thermique est important durant la transition de phase dudit échantillon, plus la chaleur latente de l'échantillon, et donc sa capacité à stocker de l'énergie thermique, est grande. Cette caractéristique technique de l'invention, sera donc mise à profit dans le cadre des applications énergétiques liées au stockage de l'énergie. The fourth step is the classification of materials based on their ability to store thermal energy. Plus the flow of heat of the sample to the heat transfer fluid is important during the phase transition of said sample, plus the latent heat of the sample, and therefore its ability to store thermal energy, is large. This technical characteristic of the invention will therefore be used in the context of energy applications related to energy storage.
Partie expérimentale Experimental part
1 . Calcul du rapport des volumes : 1. Calculation of the volume ratio:
Le calcul des volumes nécessaires à la construction d'un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique (0) selon l'invention est basé sur un bilan thermique du dispositif lui-même.  The calculation of the volumes required for the construction of a thermal and calorimetric analysis device (0) according to the invention is based on a heat balance of the device itself.
Le fluide (2) de transfert thermique est régulé en température. Il reçoit, des moyens de chauffage et/ou refroidissement une première puissance thermique. Le dispositif dégage thermiquement une seconde puissance à travers des fuites avec le milieu extérieur. La transformation du matériau dégage ou absorbe une troisième puissance. Lorsque le dispositif (0) est isotherme et/ou qu'aucune transformation du matériau n'est engagée, les première et deuxième puissances sont égales; la troisième puissance est nulle. Si l'on mesure la puissance dans ces conditions, on mesure les « fuites thermiques du dispositif ».  The heat transfer fluid (2) is temperature controlled. It receives heating means and / or cooling a first thermal power. The device thermally releases a second power through leaks with the external medium. The transformation of the material releases or absorbs a third power. When the device (0) is isothermal and / or no transformation of the material is engaged, the first and second powers are equal; the third power is zero. If the power is measured under these conditions, the "thermal leakage of the device" is measured.
Dans le réservoir, on fournit une quantité suffisante de fluide de transfert thermique régulé en température pour que la température de ce fluide ne s'élève ou ne diminue pas au-delà d'un certain seuil lors de échauffement ou le refroidissement de l'échantillon dans une transformation.  In the reservoir, a sufficient quantity of temperature-controlled heat transfer fluid is provided so that the temperature of this fluid does not rise or fall below a certain threshold when heating or cooling the sample. in a transformation.
Un exemple de calcul est donné dans le tableau suivant dans lequel les caractéristiques sont relatives aux dimensions de chaque enceinte, au volume du fluide de transfert thermique utilisé, au type du matériau à tester, et au type du fluide utilisé respectivement.  An example of calculation is given in the following table in which the characteristics are relative to the dimensions of each chamber, the volume of the heat transfer fluid used, the type of material to be tested, and the type of fluid used respectively.
Caractéristiques de chaque enceinte Chaque enceinte est prise dans cet exemple cylindrique, pourvue d'un bouchon étanche servant de système d'ouverture et de fermeture pour l'introduction de l'échantillon à mesurer. Characteristics of each speaker Each chamber is taken in this cylindrical example, provided with a sealing plug serving as an opening and closing system for the introduction of the sample to be measured.
Chaque enceinte présente une longueur de 20 cm, un diamètre interne et 6 cm, un diamètre externe de 7 cm et un volume interne de 510 cm3 approximativement. Each chamber has a length of 20 cm, an internal diameter and 6 cm, an outer diameter of 7 cm and an internal volume of 510 cm 3 approximately.
Le bouchon est d'une hauteur de 3 cm, d'une épaisseur de 1 cm, d'un diamètre interne de 7 cm, d'un diamètre externe de 8 cm.  The cap is 3 cm high, 1 cm thick, 7 cm inside diameter, 8 cm outside diameter.
Le volume total de chaque enceinte est de 840 cm3, The total volume of each chamber is 840 cm 3 ,
Le volume du corps de chaque enceinte est d'environ 330 cm3. The body volume of each enclosure is about 330 cm 3 .
Le matériau à changement de phase présente une énergie de transformation AH comprise entre 144 J/cm3. et 648 J/cm3. The phase change material has a transformation energy AH of between 144 J / cm 3 . and 648 J / cm 3 .
Le matériau de l'enveloppe de chaque cellule est soit un alliage d'aluminium (durai), de cuivre, dont la masse thermique est de 815 J/K soit de l'acier de masse thermique 1220 J/K.  The material of the envelope of each cell is either an aluminum alloy (durai), copper, whose thermal mass is 815 J / K or 1220 J / K thermal mass steel.
Le fluide peut être de l'huile (de masse thermique 586 J/K), de l'eau (de masse thermique de 1387 J/K) ou du sel fondu (de masse thermique de 1097 J/K). Pour déterminer la limite inférieure du rapport entre le volume total desdites enceintes et le volume du fluide, la valeur minimale d'énergie 144 J/cm3 est utilisée, le matériau de l'enveloppe est l'acier et le fluide de transfert thermique est l'eau. En calculant la limite inférieure selon la formule (F1 ), avec un AT àe 0,02 K, on obtient un rapport VfiUide/Vhors tout enceinte = 2,76 The fluid can be oil (thermal mass 586 J / K), water (thermal mass of 1387 J / K) or molten salt (thermal mass of 1097 J / K). To determine the lower limit of the ratio between the total volume of said enclosures and the volume of the fluid, the minimum energy value 144 J / cm 3 is used, the shell material is steel and the heat transfer fluid is the water. By calculating the lower limit according to the formula (F1), with an AT at 0.02 K, a ratio Vfi U i of / V is obtained excluding t outside the enclosure = 2.76
Si la géométrie de l'enceinte est parallélépipédique, par exemple de 100*100*250 mm, le rapport ie Vs tout enceintes devient supérieur ou égal à 2,5. 2. Comparaison des résultats de mesure d'un échantillon fournis d'une part par un calorimètre classique et d'autre part par un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique selon l'invention. If the geometry of the enclosure is parallelepipedic, for example 100 * 100 * 250 mm, the ratio ie all pregnant Vs becomes greater than or equal to 2.5. 2. Comparison of the measurement results of a sample provided on the one hand by a conventional calorimeter and on the other hand by a thermal analysis and calorimetric device according to the invention.
Mesure en calorimétrie différentielle classique :  Measurement in classical differential calorimetry:
Le calorimètre de mesure classique utilisé est celui conçu par la société Setaram et portant la référence DSC131 .  The conventional measurement calorimeter used is that designed by the company Setaram and bearing the reference DSC131.
Un premier échantillon d'un acide sébacique et un deuxième échantillon d'un acide succinique ont été analysés par le calorimètre DSC 131 .  A first sample of a sebacic acid and a second sample of a succinic acid were analyzed by the DSC 131 calorimeter.
Avec la mesure par DSC, la surfusion de l'acide sébacique se situe autour de 5,7°C et celle de l'acide succinique autour de 56,9°C.  With DSC measurement, supercooling of sebacic acid is around 5.7 ° C and that of succinic acid around 56.9 ° C.
Mesure avec le dispositif d'analyse thermique et calorimétrique de l'invention.  Measurement with the thermal analysis and calorimetric device of the invention.
Avec le dispositif d'analyse selon l'invention, il a été possible de démontrer que la surfusion de l'acide sébacique a lieu à 1 °C et celle de l'acide succinique à 14, 8°C.  With the analysis device according to the invention, it has been possible to demonstrate that supercooling of sebacic acid takes place at 1 ° C. and that of succinic acid at 14.8 ° C.
Ainsi, conditionné dans un volume plus proche de celui des échantillons industriels, le degré de surfusion moyen du premier et deuxième échantillons est beaucoup plus proche de celui observé dans l'application industrielle, ce que la DSC classique n'aurait pas pu mettre en évidence.  Thus, conditioned in a volume closer to that of the industrial samples, the average supercooling degree of the first and second samples is much closer to that observed in the industrial application, which the classical DSC could not have brought to light. .
Par ailleurs, avoir des mesures aussi précises et proches de celles observées dans l'application industrielle est une avancée importante lorsque l'on utilise des matériaux à changement de phase (MCP).  In addition, having measurements as accurate and close to those observed in industrial application is an important advance when using phase change materials (PCMs).
En effet, ces matériaux MCP sont généralement utilisés pour stocker de l'énergie thermique dans un intervalle de température très petit mais avec une grande précision. Ces matériaux présentent une densité de stockage supérieure à d'autres matériaux lorsqu'ils sont utilisés autour de la température de leur changement de phase mais présentent des caractéristiques qui dépendent de leur volume. De ce fait, avoir des mesures très précises, ouvre la voie pour intégrer (ou mieux utiliser) ces matériaux dans des applications diverses qui nécessitent une connaissance précise de cette température. La présente demande décrit diverses caractéristiques techniques et avantages en référence aux figures et/ou à divers modes de réalisation. L'homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d'un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d'un autre mode de réalisation à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné ou qu'il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné. II doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus. Indeed, these MCP materials are generally used to store thermal energy in a very small temperature range but with high accuracy. These materials have a higher storage density than other materials when used around the temperature of their phase change but have volume-dependent characteristics. As a result, having very precise measurements opens the way to integrate (or better use) these materials in various applications that require precise knowledge of this temperature. The present application describes various technical features and advantages with reference to the figures and / or various embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the technical features of a given embodiment may in fact be combined with features of another embodiment unless the reverse is explicitly mentioned or it is evident that these features are incompatible. In addition, the technical features described in a given embodiment can be isolated from the other features of this mode unless the opposite is explicitly mentioned. It should be obvious to those skilled in the art that the present invention allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention as claimed. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration, but may be modified within the scope defined by the scope of the appended claims, and the invention should not be limited to the details given above.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle (0) d'un échantillon à tester, en particulier d'un matériau à changement de phase dans un intervalle de mesure, comprenant : 1. Apparatus for differential thermal and calorimetric analysis (0) of a test sample, in particular of a phase change material in a measurement interval, comprising:
• un réservoir (1 ) dans lequel sont disposés au moins deux enceintes identiques (30, 31 ), une enceinte dite de référence (30) rempli d'un matériau référence et au moins une enceinte dite de mesure (31 ) comprenant l'échantillon à tester, A reservoir (1) in which at least two identical enclosures (30, 31), a so-called reference chamber (30) filled with a reference material and at least one measurement chamber (31) comprising the sample are arranged to test,
• Un dispositif de mesure de températures (Th) associé à chaque enceinte, A temperature measuring device (Th) associated with each enclosure,
• des moyens d'acquisition et de traitement de données (5, 6) pour délivrer, en fonction du temps, des signaux différentiels représentatifs de la différence de température entre lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) pour en déduire une température caractéristique, en particulier la température de changement de phase, de l'échantillon à tester, Data acquisition and processing means (5, 6) for delivering, as a function of time, differential signals representative of the temperature difference between said at least two enclosures (30, 31) to derive a characteristic temperature therefrom , in particular the phase change temperature, of the sample to be tested,
• il comprend des moyens de chauffage et/ou de refroidissement (4), pour transmettre auxdites au moins deux enceintes (30, 31 ) une température de travail dans l'intervalle de mesure, le réservoir (1 ) étant rempli d'un fluide de transfert thermique (2) pouvant être soumis à au moins une consigne thermique prédéterminée pour le réguler, lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) étant totalement immergées dans ledit fluide (2) lors de l'analyse différentielle, ledit dispositif d'analyse (0) étant caractérisé en ce que : It comprises heating and / or cooling means (4), for transmitting to said at least two enclosures (30, 31) a working temperature in the measuring interval, the reservoir (1) being filled with a fluid heat transfer device (2) which can be subjected to at least one predetermined thermal set point to regulate it, said at least two enclosures (30, 31) being totally immersed in said fluid (2) during the differential analysis, said device analysis (0) being characterized in that:
• il comprend un dispositif de mesure du flux de chaleur (φ) associé à chaque enceinte (30, 31 ) de sorte que les signaux différentiels délivrés soient également fonction de la différence entre les flux thermiques traversant lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ). It comprises a device for measuring the heat flux (φ) associated with each enclosure (30, 31) so that the differential signals delivered are also a function of the difference between the heat flows passing through the at least two enclosures (30, 31). ).
2. Dispositif d'analyse (0) selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport de volume entre lesdites enceintes (30, 31 ) et ledit fluide de transfert thermique (2) assurent une stabilité de la température caractéristique de l'échantillon à tester, telle que la température lors des changements de phase de cet échantillon, inférieure à 0,1 °C. 2. Analysis device (0) according to claim 1 characterized in that the volume ratio between said enclosures (30, 31) and said heat transfer fluid (2) provide stability of the characteristic temperature of the sample to test, such as the temperature during phase changes of this sample, below 0.1 ° C.
3. Dispositif d'analyse (0) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le rapport des volumes est tel que le volume du fluide de transfert thermique (2) contenu dans le réservoir (1 ) est au moins supérieur à deux fois et demi le volume total occupé par lesdites au moins deux enceintes de mesure (30, 31 ). 3. Analysis device (0) according to claim 1 or 2 wherein the volume ratio is such that the volume of the heat transfer fluid (2) contained in the reservoir (1) is at least greater than two and a half times the total volume occupied by said at least two measurement chambers (30, 31).
4. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications4. Analysis device (0) according to any one of the claims
1 à 3 dans lequel chacune desdites au moins deux enceintes (30, 31 ) présente un volume interne d'au moins 50 millilitres. 1 to 3 wherein each of said at least two enclosures (30, 31) has an internal volume of at least 50 milliliters.
5. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant des moyens de circulation en circuit fermé (20) du fluide de transfert thermique (2) associés à des moyens de contrôle de la circulation (21 ) du fluide de transfert thermique (2). 5. Analysis device (0) according to any one of claims 1 to 4, comprising closed circuit circulation means (20) of the heat transfer fluid (2) associated with means for controlling the circulation (21). ) of the heat transfer fluid (2).
6. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) sont étanches et l'une desdites au moins deux enceintes (30, 31 ) est pourvue d'un système d'ouverture et de fermeture permettant d'introduire l'échantillon à mesurer et de le maintenir de manière étanche vis-à-vis du milieu extérieur. 6. Analysis device (0) according to any one of claims 1 to 5 wherein said at least two enclosures (30, 31) are sealed and one of said at least two enclosures (30, 31) is provided with an opening and closing system for introducing the sample to be measured and maintaining it in a sealed manner with respect to the external environment.
7. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le réservoir (1 ) contenant le fluide (2) de transfert thermique est hermétique. 7. Analysis device (0) according to any one of claims 1 to 6, wherein the reservoir (1) containing the fluid (2) heat transfer is hermetic.
8. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications8. Analysis device (0) according to any one of the claims
1 à 7, dans lequel au moins une enceinte de mesure (31 ) est reliée d'une part à un réservoir (7) contenant l'échantillon à tester en phase liquide, d'autre part à un réservoir (8) contenant un gaz sous une pression supérieure à la pression interne de l'enceinte (31 ), la circulation de l'échantillon à mesurer ou du gaz sous pression des réservoirs (7, 8) vers l'enceinte de mesure (31 ) étant assurée par des moyens de communication (70, 80) de l'enceinte de mesure (31 ) respectivement avec le réservoir contenant l'échantillon (7) et le réservoir de gaz comprimé (8). 1 to 7, in which at least one measurement chamber (31) is connected on the one hand to a reservoir (7) containing the test sample in the liquid phase, and on the other hand to a reservoir (8) containing a gas under a pressure greater than the internal pressure of the chamber (31), the flow of the sample to be measured or the pressurized gas from the reservoirs (7, 8) towards the measuring chamber (31) being provided by means of communication (70, 80) of the measuring chamber (31) respectively with the reservoir containing the sample (7) and the compressed gas reservoir (8).
9. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le réservoir (1 ) est équipé d'un système de purge permettant la vidange et le remplacement du fluide (2) de transfert thermique par un fluide adapté aux plages de températures nécessaires à l'étude des changements de phase de l'échantillon à tester. 9. Analysis device (0) according to any one of claims 1 to 8, wherein the reservoir (1) is equipped with a purge system for emptying and replacing the heat transfer fluid (2) by a fluid adapted to the temperature ranges necessary to study the phase changes of the sample to be tested.
10. Dispositif d'analyse (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la régulation en température du fluide de transfert thermique10. Analysis device (0) according to any one of claims 1 to 9, wherein the temperature control of the heat transfer fluid
(2) est assurée par des thermo-résistances (4) dont la puissance instantanée est régulée par des moyens de régulation de la température (40), par exemple au moins un régulateur PID (40) et/ou un groupe frigorifique pouvant être intégré aux moyens de circulation (20) du fluide (2) de transfert thermique, et la mesure de la température dudit fluide (2) est assurée par des moyens de contrôle (41 ), par exemple une sonde de température (41 ). (2) is provided by thermo-resistors (4) whose instantaneous power is regulated by temperature control means (40), for example at least one PID regulator (40) and / or a refrigeration unit that can be integrated the circulation means (20) of the heat transfer fluid (2), and the temperature measurement of said fluid (2) is provided by control means (41), for example a temperature sensor (41).
1 1 . Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel les enceintes (30, 31 ) de mesure sont constituées d'un matériau bon conducteur thermique, préférentiellement l'aluminium, le cuivre, l'argent ou les alliages métalliques et/ou le matériau référence est un matériau ne subissant aucun changement d'état ou transformation physico-chimique provoquée par ladite au moins consigne thermique dans l'intervalle de mesure, tel que par exemple, l'air, le saphir, l'alumine, l'eau, l'huile, ou l'air. 1 1. Analysis device according to one of claims 1 to 10, wherein the measuring chambers (30, 31) consist of a good thermal conductive material, preferably aluminum, copper, silver or metal alloys and / or the reference material is a material that does not undergo any change of state or physico-chemical transformation caused by the said at least thermal setpoint in the measurement interval, such as, for example, air, sapphire, alumina , water, oil, or air.
12. Procédé d'analyse thermique et calorimétrique différentielle et quantitative d'un échantillon à tester, procédé étant mis en œuvre par un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielle (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 12. A method for the differential and quantitative thermal and calorimetric analysis of a sample to be tested, the method being implemented by a differential thermal and calorimetric analysis device (0) according to any one of claims 1 to 10, and characterized in that it comprises the following steps:
• une étape de mise en place de l'échantillon à tester dans au moins une enceinte de mesure (31 ), différente de l'enceinte de référence (30), et étant totalement immergées dans un fluide de transfert thermique (2), A step of placing the sample to be tested in at least one measuring enclosure (31), different from the enclosure of reference (30), and being totally immersed in a heat transfer fluid (2),
• une étape de mise à l'équilibre thermique, à une température initiale éloignée de la température de changement de phase, de toutes les parties du dispositif d'analyse (0), et de mise en circulation du fluide (2), A step of thermally equilibrating, at an initial temperature remote from the phase change temperature, all the parts of the analysis device (0), and circulating the fluid (2),
• une étape de choix et d'application d'au moins une consigne thermique au fluide de transfert thermique (2), associée au déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte de mesure (30, 31 ) soumise à ces mêmes consignes thermiques, A step of selecting and applying at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2) associated with triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measurement chamber (30, 31) subjected to these same thermal instructions,
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte (30, 31 ) pour délivrer en fonction du temps, des signaux différentiels représentatifs de la différence de température entre lesdites au moins deux enceintes (30, 31 ) et de la différence entre les flux thermiques traversant ces enceintes afin d'en déduire directement la température de changement de phase de l'échantillon à tester A step of correlating the temperature and heat flux data obtained in each chamber (30, 31) in order to deliver, as a function of time, differential signals representative of the temperature difference between said at least two enclosures (30, 31) and the difference between the heat flows through these enclosures in order to directly deduce the phase change temperature of the sample to be tested
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il prend les étapes suivantes : 13. The method of claim 12, characterized in that it takes the following steps:
• une étape de mise en place d'au moins un échantillon dans au moins une enceinte de mesure (31 ), différente de l'enceinte de référence (30), les enceintes étant totalement immergées dans un fluide de transfert thermique (2) ; A step of placing at least one sample in at least one measuring chamber (31), different from the reference chamber (30), the chambers being totally immersed in a heat transfer fluid (2);
• une étape de mise à l'équilibre thermique de toutes les parties du dispositif d'analyse(O), et de mise en circulation du fluide (2), • une étape de déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte de mesure (30, 31 ), A step of thermally equilibrating all the parts of the analysis device (O), and circulating the fluid (2), A step of triggering the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measuring chamber (30, 31),
• une étape d'introduction d'au moins un autre échantillon en phase liquide ou gazeuse dans au moins une enceinte de mesure (31 ) contenant l'échantillon préalablement mis en place, par ouverture des moyens de communication (70) de l'enceinte avec un réservoir (7) contenant le ou lesdits échantillons à l'état liquide ou gazeux, · une étape de fermeture des moyens de communication (70) de l'enceinte de mesure (31 ) avec le réservoir (7). A step of introducing at least one other sample in the liquid or gaseous phase into at least one measurement chamber (31) containing the sample previously put in place, by opening the communication means (70) of the enclosure with a reservoir (7) containing said sample or samples in the liquid or gaseous state, · a step of closing the communication means (70) of the measuring chamber (31) with the reservoir (7).
• une étape d'ouverture, une fois un nouvel équilibre thermique atteint et les mesures acquises et enregistrées, des moyens de communication (70) de l'enceinte de mesure (31 ) avec le réservoir (7) et d'un autre moyen de communication (80) de l'enceinte de mesure (31 ) pour mise en communication avec un réservoir (8) contenant un gaz neutre sous pression, permettant la vidange de l'enceinte de mesure (31 ). An opening step, once a new thermal equilibrium has been reached and the measurements acquired and recorded, means of communication (70) of the measuring chamber (31) with the reservoir (7) and of another means of communication (80) of the measurement chamber (31) for communication with a reservoir (8) containing a pressurized neutral gas, for emptying the measuring chamber (31).
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte (30, 31 ) et de comparaison des résultats entre l'enceinte de référence (30) et au moins une enceinte de mesure (31 ), par les moyens de traitement (5) et l'ensemble logiciel. A step of correlating the temperature and heat flow data obtained in each chamber (30, 31) and comparing the results between the reference chamber (30) and at least one measurement chamber (31), by means of processing means (5) and the software package.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 14. The method of claim 12 or 13, characterized in that it comprises the following steps:
• une étape d'injection du matériau à mesurer dans l'enceinte (31 ) par ouverture de moyens de communication (70) de l'enceinte avec un réservoir (7) contenant l'échantillon à l'état liquide, • une étape de fermeture des moyens de communication (70) de l'enceinte (31 ) avec le réservoir (7) contenant l'échantillon, A step of injecting the material to be measured into the chamber (31) by opening means of communication (70) of the chamber with a reservoir (7) containing the sample in the liquid state, A step of closing the communication means (70) of the enclosure (31) with the reservoir (7) containing the sample,
• une étape de choix et d'application d'au moins une consigne thermique au fluide (2) de transfert thermique pour amener le liquide à tester à la transition de phase souhaitée, respectivement gazeux ou solide, ou à subir une réaction, l'étape étant associée au déclenchement de l'acquisition et de l'enregistrement en mémoire des données de température et de flux de chaleur de chaque enceinte (30, 31 ) de mesure soumise à ces mêmes consignes thermiques, A step of selecting and applying at least one thermal setpoint to the heat transfer fluid (2) to bring the test liquid to the desired phase transition, whether gaseous or solid, or to undergo a reaction; a step being associated with initiating the acquisition and recording in memory of the temperature and heat flow data of each measurement chamber (30, 31) subjected to these same thermal instructions,
• une étape d'ouverture du moyen de communication (70) de l'enceinte (31 ) avec le réservoir (7) contenant l'échantillon liquide, après avoir ramené le matériau présent dans l'enceinte de mesure (31 ) dans un état liquide, A step of opening the means of communication (70) of the enclosure (31) with the reservoir (7) containing the liquid sample, after having brought back the material present in the measuring chamber (31) in a state liquid,
• une étape d'ouverture d'un autre moyen de communication (80) de l'enceinte de mesure (31 ) pour mise en communication avec un réservoir (8) contenant un gaz neutre sous pression, permettant la vidange de l'enceinte de mesure (31 ), A step of opening another means of communication (80) of the measuring chamber (31) for communication with a reservoir (8) containing a pressurized neutral gas, allowing emptying of the chamber of measure (31),
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur obtenues dans chaque enceinte (30, 31 ) et de comparaison des résultats entre l'enceinte de référence (30) et au moins une enceinte de mesure (31 ), par les moyens de traitement (5) et l'ensemble logiciel. A step of correlating the temperature and heat flow data obtained in each chamber (30, 31) and comparing the results between the reference chamber (30) and at least one measurement chamber (31), by means of processing means (5) and the software package.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la classification des matériaux testés en fonction de leur chaleur latente à l'aide de l'ensemble logiciel et des moyens d'acquisition, d'enregistrement et de traitement des données (5, 6) comprend : 15. Method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the classification of the tested materials according to their latent heat using the software set and means of acquisition, recording and data processing (5, 6) comprises:
• une étape de mémorisation des données de température du fluide (2) de transfert thermique et des enceintes de référence (30) et de mesure (31 ), et des données de flux de chaleur desdites enceintes (30, 31 ), A step of storing the temperature data of the heat transfer fluid (2) and the reference chambers (30) and of measuring (31), and heat flux data of said enclosures (30, 31),
• une étape de corrélation des données de température et de flux de chaleur des enceintes de référence (30) et de mesure (31 ), qui permet le suivi en fonction du temps de la température et du pic correspondant sur la courbe de flux de chaleur de l'enceinte de mesure (31 ), A step of correlating the temperature and heat flow data of the reference (30) and measuring (31) chambers, which allows the temperature and the corresponding peak on the heat flux curve to be tracked as a function of time; of the measuring chamber (31),
• une étape de détermination du flux de chaleur entre l'échantillon et le fluide (2) de transfert thermique dans la zone de changement de phase de l'échantillon, par comparaison du flux de chaleur de l'enceinte de mesure (31 ) vers le fluide (2) de transfert thermique avec le flux de chaleur de l'enceinte de référence (30) vers ledit fluide (2), la température de l'enceinte de mesure (31 ) étant sensiblement constante, A step of determining the flow of heat between the sample and the heat transfer fluid (2) in the phase change zone of the sample, by comparing the heat flow from the measuring chamber (31) to the heat transfer fluid (2) with the heat flow from the reference chamber (30) to said fluid (2), the temperature of the measuring chamber (31) being substantially constant,
• une étape de classification des matériaux suivant leurs capacités à stocker de l'énergie thermique, au regard des quantités de flux de chaleur échangées entre les échantillons testés et le fluide (2) de transfert thermique durant la transition de phase desdits échantillons. A step of classifying the materials according to their capacity to store thermal energy, with regard to the quantities of heat flux exchanged between the tested samples and the heat transfer fluid (2) during the phase transition of said samples.
16. Utilisation d'un dispositif d'analyse thermique et calorimétrique différentielles (0) selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 5 caractérisée en ce que le dispositif (0) est intégré dans une centrale thermique expérimentale en tant que dispositif de mesure thermique et calorimétrique dans l'unité de stockage où les échantillons testés peuvent être à l'état liquide, solide ou gazeux. 16. Use of a differential thermal and calorimetric analysis device (0) according to any one of claims 1 to 1, characterized in that the device (0) is integrated in an experimental thermal power station as a measuring device. thermal and calorimetric in the storage unit where the tested samples can be in liquid, solid or gaseous state.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110887866A (en) * 2019-12-16 2020-03-17 重庆理工大学 Device and method for testing temperature control capability of phase change energy storage material
CN111788466A (en) * 2018-02-26 2020-10-16 艾卡工厂有限及两合公司 Calorimeter
CN113960106A (en) * 2020-07-21 2022-01-21 Oppo广东移动通信有限公司 Detection device and detection method for heat capacity and application

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114216924B (en) * 2021-12-06 2023-08-25 中船九江大正科技有限公司 Temperature simulation test box based on incremental PID algorithm

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60228946A (en) * 1984-04-26 1985-11-14 Shimadzu Corp Heating furnace for heat flux differential scanning calorimeter
US5135311A (en) 1991-07-03 1992-08-04 University Of New Mexico Convective calorimeter apparatus and method
FR2717900A1 (en) 1994-03-28 1995-09-29 Sceres Instr Systemes Large volume differential calorimetry appts.
EP0747694A2 (en) * 1995-06-02 1996-12-11 TA Instruments, Inc. Method and apparatus for gas flow modulated differential scanning calorimetry
DE19910924A1 (en) * 1999-03-12 2000-09-14 Mettler Toledo Gmbh Calorimeter; has coolant-evaporation device to produce complete phase transition of coolant from liquid to gas in front of cooling area in contact with edge of heatable measuring cell
EP1091208A1 (en) * 1999-09-27 2001-04-11 Mettler-Toledo GmbH Method and apparatus for thermally analyzing a material
US20020098593A1 (en) 2000-11-17 2002-07-25 Flir Systems Boston, Inc. Apparatus and methods for infrared calorimetric measurements
US20070242722A1 (en) 2006-02-13 2007-10-18 Toshihiko Nakamura Freezing point temperature measuring method and temperature calibrating method in differential scanning calorimetry
US20100255588A1 (en) 2007-10-25 2010-10-07 Mettler-Toledo Ag Temperature control device

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60228946A (en) * 1984-04-26 1985-11-14 Shimadzu Corp Heating furnace for heat flux differential scanning calorimeter
US5135311A (en) 1991-07-03 1992-08-04 University Of New Mexico Convective calorimeter apparatus and method
FR2717900A1 (en) 1994-03-28 1995-09-29 Sceres Instr Systemes Large volume differential calorimetry appts.
EP0747694A2 (en) * 1995-06-02 1996-12-11 TA Instruments, Inc. Method and apparatus for gas flow modulated differential scanning calorimetry
DE19910924A1 (en) * 1999-03-12 2000-09-14 Mettler Toledo Gmbh Calorimeter; has coolant-evaporation device to produce complete phase transition of coolant from liquid to gas in front of cooling area in contact with edge of heatable measuring cell
EP1091208A1 (en) * 1999-09-27 2001-04-11 Mettler-Toledo GmbH Method and apparatus for thermally analyzing a material
US20020098593A1 (en) 2000-11-17 2002-07-25 Flir Systems Boston, Inc. Apparatus and methods for infrared calorimetric measurements
US20070242722A1 (en) 2006-02-13 2007-10-18 Toshihiko Nakamura Freezing point temperature measuring method and temperature calibrating method in differential scanning calorimetry
US20100255588A1 (en) 2007-10-25 2010-10-07 Mettler-Toledo Ag Temperature control device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. ROGET ET AL: "Study of the KNO3-LiNO3 and KNO3-NaNO3-LiNO3 eutectics as phase change materials for thermal storage in a low-temperature solar power plant", SOLAR ENERGY, vol. 95, 6 July 2013 (2013-07-06), pages 155 - 169, XP055115536, ISSN: 0038-092X, DOI: 10.1016/j.solener.2013.06.008 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111788466A (en) * 2018-02-26 2020-10-16 艾卡工厂有限及两合公司 Calorimeter
CN110887866A (en) * 2019-12-16 2020-03-17 重庆理工大学 Device and method for testing temperature control capability of phase change energy storage material
CN113960106A (en) * 2020-07-21 2022-01-21 Oppo广东移动通信有限公司 Detection device and detection method for heat capacity and application

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