[发明专利]具有电阻加热器和冷却装置的流变仪

说明书

本发明描述了一种用于控制样本的温度的方法和装置。该样本可以是流变仪样本。使用热控制系统，该热控制系统包括几何元件、热导体元件、加热器元件、冷却装置和热阻层。该冷却装置可以是帕尔贴元件。该热导体元件被设置为邻近于该几何元件并且与该几何元件热连通。该加热器元件与该热导体元件热接触。该热阻层设置在该热导体元件的元件表面与该冷却装置的冷却表面之间并且与该元件表面和该冷却表面热接触。操作该加热器元件以使热量流到该几何元件，并且操作该冷却装置以将该冷却表面冷却到小于该元件表面的温度的温度。

相关申请

本申请要求于2020年5月27日提交的名称为“具有电阻加热器和冷却装置的流变仪(Rheometer having Resistance Heater and Cooling Device)”的美国临时专利申请序列号63/030,577的较早前提交日期的权益，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及一种用于控制样本的温度的方法和装置，并且更具体地涉及一种用于流变仪的方法和装置，该流变仪用于通过测量诸如粘度、弹性、剪切致稀、屈服应力和柔顺性的材料性质来表征材料。

背景技术

旋转流变仪、黏度计和粘度计用于通过旋转、偏转或振荡材料中的测量对象，并且测量例如旋转或偏转或振荡材料内的对象所需的扭矩来测量流体或诸如其粘度的其他材料性质。如本文所用，术语“流变仪”意指流变仪、黏度计、粘度计和用于测量流体或类似材料的性质的类似仪器。可测量的材料的示例包括：液体、油、分散体、混悬剂、乳剂、粘合剂、诸如血液的生物流体、聚合物、凝胶、糊剂、浆料、熔化物、树脂、粉末和它们的混合物。此类材料在本文中统称为“流体”。材料的更具体的非限制性示例包括：沥青、细云片岩、钻井泥浆、润滑剂、油、润滑脂、光阻材料、水泥浆、弹性体、热塑性材料、热固性材料和涂层。

如本文所用，术语“几何结构”意指被配置为与流变仪样本物理接触并且与该流变仪样本热接合以实现温度相依的物理性质的测量的对象。术语“几何元件”在本文中与术语“几何结构”互换地使用。几何结构可具有若干几何形状中的任一几何形状，包括例如圆锥形、圆盘形、叶片形、平行板形、同心圆柱体形和双同心圆柱体形。几何结构可由各种不同的材料制成，包括但不限于不锈钢、阳极氧化铝和钛。

材料的流体性质通常取决于材料的温度。因此，知晓被测试材料的温度并且其为均匀的通常是重要的。如果材料的温度不均匀，则测量的准确性和有效性可能会有所下降。因此，例如通常通过使用流体浴或帕尔贴(Peltier)元件来准确地控制流体的温度并且优选地使其尽可能均匀。帕尔贴元件根据帕尔贴热电效应操作，其中电流穿过两个相异金属或半导体结，使得跨越该结形成温度梯度。结的一侧上的温度增加，而结的另一侧上的温度降低。与流体浴相比，帕尔贴元件温度控制系统提供了样本的更快速加热和冷却，并且更经济，因为它不需要昂贵的温度控制流体循环器。

帕尔贴元件提供了控制流变仪中的样本温度的方便方式。样本温度通过控制供应到帕尔贴元件的电流来控制。电流的方向确定了帕尔贴元件是用于冷却样本还是加热样本。通常，帕尔贴元件被放置为与下部几何结构热接触，以实现可大于或小于周围温度的样本温度。为了在没有热梯度的情况下进行操作，帕尔贴元件也可用于将热量供应到护罩或护套或从该护罩或护套移除热量，该护罩或护套将热量传递到上部几何结构或从上部几何结构传递热量以实现基本上等于下部几何结构的温度的温度。

由于帕尔贴元件的最大操作温度，将帕尔贴元件用来加热和冷却样本限制了流变仪仪器的操作温度范围。如本文所用，帕尔贴元件的“指定最大温度”是指这样一种温度，高于该温度，预期帕尔贴元件的冷却性能随时间以可接受速率劣化。劣化可能是由于温度相依的扩散过程和/或在元件的制造中使用的焊料的熔化温度。加热到高于帕尔贴元件的指定最大温度的温度的当前流变温度控制技术(诸如电阻加热器)与不太期望的冷却方法一起使用。例如，可使用温度由单独冷却器单元控制的液体冷却剂或者可使用液氮；然而，通常产生诸如增加的复杂性和成本、降低的冷却速率和更低的精确度的缺点。

发明内容