CN103813861A - 表面处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有稳健的喷嘴构造的表面处理装置。该装置包括用于沿喷射方向(144)向气态气氛喷射可燃物质主流(142)的喷嘴(140)；用于在点燃点中点燃主流(142)的器件；以及不能透过的护罩(160)，该不能透过的护罩(160)提供了与喷射方向大致相对的平面表面(150)且在喷嘴前方具有允许主流(142)通过的孔(154)。护罩定位在喷嘴(140)与主流的点燃点之间。有利的是，护罩的尺寸定制成允许从喷嘴(140)喷射的主流(142)和来自气态气氛的气体的周向副流(156)经由该孔同时通过。

Description

表面处理装置及方法
技术领域
本发明涉及表面处理装置，且涉及根据独立权利要求的前序部分的表面处理方法。
背景技术
表面处理在这里指的是分层工艺，其中基底的表面层通过允许颗粒在基底基质中扩散进行改良，或其中颗粒沉积在表面上使得在基底上产生表面层。用于这种表面处理的颗粒通常非常小，平均颗粒直径的范围为10nm至100nm。这种大小的颗粒通常以颗粒合成工艺来生成，其中前体化学品暴露于热反应器。在热反应器的强热中，它们经历导致所需颗粒的发展的特定热化学和物理反应。
在工业应用中，颗粒合成工艺通常合并了源元件和热反应器，源元件将喷嘴应用于喷射表面处理颗粒的前体物质的组合，热反应器用于将前体物质的组合转化为定向的颗粒流。通常，热反应器为湍流氢氧火焰，来自一个或多个喷嘴的喷嘴出口通道将材料喷雾喷射到火焰中，材料可混合在一起或通过单独的出口来喷射。
表面处理装置的问题在于允许颗粒的有效沉积所需的温度非常高，且实现这些温度的来自火焰的热引起对喷嘴材料的极端应变。在火焰喷嘴的强热趋于恶化的情况下，其结果是所发出的颗粒流的质量快速下降。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种方法和一种用于实施该方法的设备，以克服或至少减轻上述问题。本发明的目的通过表面处理装置和表面处理方法来实现，该装置和方法的特征在独立权利要求中陈述。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明基于将不能透过的护罩放置在喷嘴前方，不能透过的护罩提供与所喷射的流的方向大致相对的平面表面。在喷嘴前方，该护罩具有允许穿过护罩的主流的通过的孔。所喷射的流包括可燃物质，可燃物质点燃以生成颗粒生成所需的热。有利的是，护罩定位在喷嘴与所喷射的流的点燃点之间。护罩还可尺寸定制成允许主流和来自环绕气态气氛的气体副流经由该孔同时通过。本发明的优点在于该护罩保护喷嘴免受燃烧物质的热。
附图说明
在下文中，将参考所附附图更详细地描述实施例，在附图中
图1示出了根据本发明的表面处理装置的实施例；
图2示出了图1的示例性喷嘴周围的流的横截面视图；
图3示出了根据本发明的表面处理装置的另一个实施例；
图4示出了根据本发明的表面处理装置的又一个实施例。
具体实施方式
以下实施例为示例性的。尽管说明书可提到"一"、"一个"、或"一些"实施例，但这并非必然地意指各个此类实施例均是指相同的实施例，或特征仅适用于单个实施例。还可组合不同实施例的单个特征来提供其它实施例。
在下文中，将以装置架构的简单示例来描述本发明的特征，本发明的各种实施例都可以在该架构中实施。仅详细描述了用于示出实施例的相关元件。表面处理方法和装置的各种实施包括本领域的技术人员大体上已知且本文中可能不会具体地描述的元件。表面处理装置的构造可描述为处于操作情况下，其中限定的装置元件调整成用以提供限定的流动条件。系统元件的此类调整从描述中变得明显且本领域的技术人员可通过简单的测试和试验作出此类调整。
这里的表面处理装置指的是生成纳米颗粒且朝待处理的表面引导纳米颗粒的设备。图1示出了根据本发明的表面处理装置的实施例。表面处理装置包括源单元100和护罩160。源元件包括用于喷射表面处理颗粒的前体物质组合的喷嘴和用于产生将前体物质组合转化为颗粒流的热反应器的器件。喷嘴在这里表示生成前体物质的定向流且将它们引导到热反应器中的元件。在表面处理装置的使用期间，用于产生热反应器的器件提供了局部热分布，因此使得横穿该分布位置的物件暴露于热。
在本实施例中，局部热分布由火焰提供，前体物质穿过火焰。源单元100包括生成纳米颗粒所需的各种前体物质的容器102,104,106。在图1中，容器102,104,106已经示为储存容器，但对于本领域的技术人员来说清楚的是，容器还可以以其它方式来实施，例如，从远程材料供应系统供给连接。
容器包括提供纳米颗粒的一个或多个前体的前体源102。前体可包括液体或气态物质。为了提供热反应器，即，用于生成颗粒的热，容器还包括用于燃烧物质的源104。燃烧物质在这里指的是一种或多种可燃流体的混合物，其可点燃以在放热过程中燃烧。可燃流体通常包括可燃气体，如，氢、甲烷、丙烷或丁烷。容器还可包括对燃烧过程有影响的燃烧控制物质源106，通常与它们在燃烧发生的空间中的相关比例有关。燃烧控制物质通常包括携带氧的气体(例如，空气、氧或臭氧)。燃烧控制物质还可包括一种或多种不活泼气体，如，氮或二氧化碳。
来自它们相应的容器102,104,106的前体物质、燃烧物质和燃烧控制物质有效地混合以形成均匀的可燃流体，该可燃流体可被点燃以形成火焰190。混合可发生在预混合室中，可燃流体从该预混合室中出来、加压且供给到喷嘴140中。
作为备选，混合可发生在喷嘴140自身中。例如，在暴露将一个或多个前体携带到热反应器的液体物质之前，液体物质通常雾化成液滴。雾化可在喷嘴140中执行，例如，在其中气体用于将液体进料分成液滴的双流体雾化喷嘴中执行。液体液滴和雾化的气体形成从喷嘴140中喷出的气悬体。在从喷嘴离开之后，燃烧物质点燃成火焰。在火焰的热中，液滴雾化，且前体物质经历颗粒生成过程。可燃气体和/或燃烧控制气体可作为双流体喷雾器的雾化气体部分地供给，使得入口108和110可整体或部分地并入物理实施中。
因此，喷嘴140构造成大致沿喷射方向144向气态气氛喷射可燃流体的主流142。气态气氛在这里指的是环绕喷嘴开口的空间的内容物。喷嘴可喷射主流142到开启的空间中，以此使气态气氛对应于大气空气。作为备选，喷嘴可喷射主流142到限定的空间中，该空间的气态内容物可经由空间的入口和出口来具体控制。喷射方向144在这里指的是离开喷嘴的加压的流体流的平均速度方向。喷射方向144通常取决于作用于流体和/或作用于喷嘴140形式上的压力方向。
在喷嘴140前方，不能透过的护罩160定位成与喷嘴140有距离148。不能透过的在此背景中意指流体(气体和/或液体)大致不渗透经过护罩160。护罩提供了与喷射方向相对的平面表面150。相对在此背景中意指平面表面150相对于主流142定位，使得它可形成物理隔层，该物理隔层保护喷嘴140免受试图从直接或倾斜地与喷射方向144相对的方向到达的流体流和/或热。
护罩160定位成与喷嘴140有一定距离。这形成了允许气态气氛的介质移动到喷嘴140与护罩160之间的区域的间隙152。更具体而言，喷射方向144上的喷嘴140的尺寸形成了喷嘴的垂直边界146。喷嘴的垂直边界146表示主流142可考虑从其开始的点的表面。喷嘴可以以各种方式来实施且喷嘴的垂直边界146可对应地变化。在物质在喷雾之前混合的情况下，喷嘴可具有简单的构造，其中液体混合物从一个圆形端件离开且垂直边界146对应于端件的外缘。另一方面，喷嘴140可构造成包括来自容器102,104,106的一定数目的源供给物且执行液体物质到液滴的雾化。在那些情况下，喷嘴的垂直边界146自然更加复杂，喷嘴的各个部分可能沿喷射方向144延伸至不同长度。然而，即使是在那些情况下，间隙152也形成在护罩160的平面表面150与喷嘴140的波状的垂直边界146之间。
为了允许流的前进，护罩160包括孔154，该孔154定位在喷嘴140前方。该孔尺寸定制成使得在操作期间，从喷嘴喷出的物质的主流144穿过孔154。在一些点处，主流144点燃且开始在极高的温度下燃烧。点燃是由于热源的结果而发生的，例如，热源可为点火器、引燃火焰、点燃的颗粒生成火焰或热的基底。点燃点指的是放热反应在主流中所开始的位置，且取决于热源的温度和位置、主流的可燃特征以及主流144的平均速度。有利的是，点燃点调整成使得主流144仅在穿过孔154之后点燃。只要火焰处于护罩的相对侧，护罩就保护喷嘴免受火焰放射的热。
也已经发现的是，通过孔154相对于间隙的限定的调整，来自喷嘴的主流144开始沿来自环绕气态气氛的气体曳引且产生来自气态气氛的气体副流。这在图2中示出，图2示出了图1的示例性喷嘴周围的流的横截面视图。主流144为从喷嘴140离开的物质喷雾。离开的物质形成束，且束的横截面根据喷嘴的开口形状变化。通常，喷雾在从喷嘴离开之后膨胀，使得束的横截面形状被保持但横截面面积增大。因此，孔154的形状与主流144的横截面形状相对应，且孔的面积大于主流的横截面面积。
气体156的副流为在主流144穿过护罩时环绕主流144的束的气态介质的周向流。在操作期间，存在于喷嘴140与护罩160之间的间隙152中的气态介质受到主流144的曳引，且在一些情况下，气态介质和主流开始同时流过护罩中的孔。通常，这在曳引的气体流的速度接近但还没有达到主流的速度时发生。主流使曳引的气态介质加速，且曳引的气态介质形成与主流144一起流过孔154的环绕流，且保护喷嘴140以及护罩160免受火焰190的强热。实验已经示出保护性的副流的效果显著，且其较大地延长了源单元的关键构件的寿命。
气体156的副流的存在取决于装置构造且可通过影响喷雾和孔周围区域中环绕的气态介质的流动特征的装置性质的简单调整来实现。理论上模拟和计算此类流动特征很复杂，但已经注意到的是，副流的保护性效果是如此有效以至于可容易地实现以及经由简单的实验识别应用气体副流的装置构造。在典型的设计情况下，给定了喷嘴类型和待应用于装置中的物质类型。这意味着束的大小和形状以及主流中的物质的速度是固定的。然后，可通过变化间隙152的长度和/或孔154的大小经过简单的实验来调整。通过执行短暂燃烧可容易地确定副流的存在(其中装置正常使用)，分别以保持件和间隙尺寸的不同组合燃烧。如果没有获得副流，则大量残渣形成于喷嘴和护罩表面上，且甚至在视觉上都可发现。当获得气体156的副流时，其保护效果开始生效且喷嘴和护罩的表面保持干净。
为了有效地保护喷嘴免受火焰的热，孔的大小应为尽可能小。另一方面，已知的是，孔必须与由主流形成的束的形状大致对应且大于主流的横截面，以产生副孔。孔的最佳尺寸通常通过从比主流的横截面大小更大5%量级的孔大小开始且增大该大小直到获得副流来实现。
清楚的是，给定的调整方法是示例性的；本领域的技术人员可容易地应用影响流周围的流动条件的其它特性来获得副流。此类调整为常规测试步骤且不需要本领域的技术人员的任何过度的实验。
当与待处理的表面的距离相对较长时，在与处理的表面碰撞之后不存在来自流的许多反压力。然而，在一些构造中，一些构造中的处理的表面可需要靠近喷嘴，且回流可危害由来自气态气氛的自由流提供的保护。图3示出了另一个实施例，其中通过增大气态气氛的压力避免了实现的冷却效果的此类损害。图3示出了喷嘴340，这次封闭到护罩360中，其形成喷嘴340周围的限定空间362。限定空间362提供气态气氛，主流首先喷射到该气态气氛中。如在上述实施例中，护罩360包括平面表面350和孔354，主流342朝处理表面横穿过孔354。
然而，在该实施例中，气态气氛以进入环绕喷嘴340的限定空间362中的加压气体流380的形式来提供。限定空间362中的气体流380的压力可调整成强于回流，且从而使产生有效冷却元件的副流保持在点燃的主流342与喷嘴340和护罩360的结构之间。
主流与副流的有效协作可通过附接至护罩360或整体结合到护罩360中的流动引导件370来进一步增强。流动引导件370形成半限定空间372，其端壁由护罩360的外壁中环绕孔354的区域形成，且其侧壁从端壁延伸距离D。有利的是，侧壁渐扩以形成截头圆锥体，其尺寸定制成在操作期间与主流342的尺寸相匹配，但比主流342水平地延伸更远10-20%。水平方向在此背景中指的是垂直于喷射方向344的方向。流动引导件的另一端为开启的。由于延长的尺寸，故从喷嘴喷射的主流和从护罩的限定空间362中流动的副流两者都可无障碍地横穿过流动引导件，且生成通过流动引导件370的开启端离开的期望的均匀流。距离D可调整成与火焰的性质相匹配，使得火焰内的颗粒被引导到优选的沉积和收集区中的处理表面上。此类区的位置取决于颗粒大小和速度以及取决于燃烧物质的绝热温度，且由本领域的技术人员针对各种物质组合容易地确定。
图4示出了另一个实施例，其中表面处理装置由护罩结构进一步改善，该护罩结构中，由旁通流提供加压气体流380，该旁通流用来沿横穿喷射方向的方向横穿过喷嘴340。旁通流产生了将热输送离开喷嘴340的冷却气体的对流。这进一步缓和了喷嘴的操作条件且从而改善了结构的耐用性。此外，一个旁通流可被引导到连结成一排的两个或多个喷嘴340,390,392的组合上。多个喷嘴的容易的应用便于可在处理表面上移动的线性燃烧器的产生，从而加速了表面处理系统的处理速率。在图4中，提供加压气体流的旁通流通过将护罩360构造为可关闭以合并喷嘴340,390,392的长形外壳且布置护罩360的一端处用于冷却气体的入口394和护罩的相对端处的出口396来实施。
用于提供图3和图4中的气体流380的气体可为不活泼气体，该不活泼气体不参与沉积过程或其可包括一种或多种过程气体。
孔的尺寸定制成在表面处理装置的操作期间产生限定的流条件。为了阻碍放射的热，该孔制成尽可能小。然而，孔的最小极限由护罩与喷嘴的距离处的喷雾大小来提供。例如，在喷嘴具有点源的情况下，喷雾扩展且在一定距离内喷雾具有圆形横截面，该圆形横截面的直径取决于用于产生喷雾的压力。产生副流的所需的曳引效果的间隙的尺寸为专用的，且取决于孔的尺寸、间隙的长度以及施加的压力。元件的相互调整对本领域的技术人员来说是常规测试步骤。
对本领域的技术人员来说将明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实施本发明的构想。本发明及其实施例并不限于以上描述的示例，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1. 一种表面处理装置，包括：
喷嘴(140)，所述喷嘴(140)用于沿喷射方向(144)向气态气氛喷射可燃物质的主流(142)；
用于点燃所述主流(142)的器件；
不能透过的护罩(160)，所述不能透过的护罩(160)提供了与所述喷射方向大致相对的平面表面(150)且在所述喷嘴前方具有允许所述主流(142)通过的孔(154)；以及
所述护罩的尺寸定制成允许从所述喷嘴(140)喷射的所述主流(142)和来自所述周围气态气氛的气体的周向副流(156)经由所述孔同时通过。
2. 根据权利要求1所述的表面处理装置，其特征在于，所述护罩定位在所述喷嘴(140)与所述主流的点燃点之间。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的表面处理装置，其特征在于，所述护罩为与所述喷射方向大致垂直定位的平面物件。
4. 根据权利要求3所述的表面处理装置，其特征在于，所述护罩(360)由外壳提供，所述外壳包围所述喷嘴(340)周围的限定空间(362)。
5. 根据权利要求4所述的表面处理装置，其特征在于，所述外壳(360)包括入口，所述入口用于使加压气体流(380)进入环绕所述喷嘴(340)的所述限定空间(362)中。
6. 根据权利要求5所述的表面处理装置，其特征在于，所述表面处理装置包括附接到所述护罩(360)的或整体结合到所述护罩(360)中的流动引导件(370)。
7. 根据权利要求6所述的表面处理装置，其特征在于，所述流动引导件(370)形成半限定空间(372)，所述半限定空间(372)的端壁由所述护罩(360)的外壁中环绕所述孔(354)的区域形成，且所述限定空间(372)的侧壁从所述端壁延伸距离(D)。
8. 根据权利要求7所述的表面处理装置，其特征在于，所述侧壁渐扩以形成截头圆锥体。
9. 根据权利要求8所述的表面处理装置，其特征在于，所述侧壁比所述主流(342)水平地延伸更远10-20%。
10. 根据权利要求5所述的表面处理装置，其特征在于，所述加压气体流(380)由旁通流提供，所述旁通流用来沿横穿所述喷射方向的方向横穿过所述喷嘴(340)。
11. 根据权利要求10所述的表面处理装置，其特征在于，所述护罩(360)为长形外壳，所述长形外壳合并两个或多个喷嘴(340,390,392)。
12. 根据权利要求11所述的表面处理装置，其特征在于，所述护罩(360)包括在一端用于加压气体的入口(394)和在所述护罩(360)的相对端用于气体的出口(396)。
13. 一种表面处理方法，包括：
沿喷射方向将可燃物质的主流从喷嘴喷射到气态气氛中；
点燃所述主流；
引导所述主流经过不能透过的护罩，所述护罩提供与所述喷射方向相对的平面表面，且具有允许从所述喷嘴喷射的所述主流通过的孔；
将所述护罩定位成离所述喷嘴有一定距离，所述距离的尺寸定制成在所述护罩的所述平面表面与所述喷嘴的垂直边界之间形成间隙；以及
所述护罩的尺寸定制成允许从所述喷嘴(140)喷射的所述主流(142)和来自所述气态气氛的气体的周向副流(156)经由所述孔同时通过。
14. 根据权利要求13所述的表面处理方法，其特征在于，将所述护罩定位成与所述喷射方向大致垂直。
15. 根据权利要求14所述的表面处理方法，其特征在于，
提供喷嘴周围的限定空间；
将加压气体流提供至环绕所述喷嘴的所述限定空间中。
16. 根据权利要求15所述的表面处理方法，其特征在于，提供作为旁通流的所述加压气体流，所述旁通流用来沿横穿所述喷射方向的方向横穿过所述喷嘴。
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