CN111364020B - 一种气溶胶传输辅助装置及输送方法 - Google Patents

一种气溶胶传输辅助装置及输送方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气溶胶传输辅助装置及输送方法，包括雾化发生器、混合缓冲室以及十字形管道接头，所述雾化发生器与混合缓冲室之间并联设有至少两条结构相同的气溶胶传输支管路，每一条气溶胶传输支管路均串联有两个电动阀和一个缓冲室，其中缓冲室位于两个电动阀之间，且两个电动阀交替开闭；所述缓冲室的控制端接有一个可调阀门，该可调阀门将外部的气体输入到缓冲室中，且混合缓冲室上连接有收集瓶；所述十字形管道接头的进口与混合缓冲室的出口连通，该十字形管道接头的三个出口均设有电动阀。通过该装置可利用液体气溶胶高速形成薄膜。

Description

一种气溶胶传输辅助装置及输送方法
技术领域
本发明属于新型材料制备技术领域，尤其是薄膜材料制备，具体涉及一种气溶胶传输辅助装置及输送方法。
背景技术
薄膜材料有广阔的应用领域，相关研究工作在近30年内一直是材料科学的热点。薄膜材料制备是研究和应用的第一步，因此新的制备方法与设备不断出现。总体上，薄膜材料制备方法都追求高质量、高速度、低能耗、低污染排放等。但目前主流的制备方法，大部分都需要真空环境的支持，如分子束外延、溅射、化学气相沉积等。通常都是气态的原料通过管路输入到反应室中去，在反应室特殊的物理化学条件下形成薄膜材料。
气态反应物由于原子密度远远低于固态和液态的，因此薄膜沉积的速度总体上是较低的。如果有高浓度反应物进入反应室，如液体气溶胶，则在反应室物理化学条件合适的情况下，可以实现高速度薄膜沉积。
可是，液体气溶胶进入反应室形成薄膜，由于反应室与雾化发生器之间具有较大的气压差，目前还存在两个未有效解决的主要技术难题：一是雾化源持续地、稳定地输出问题；二是液体气溶胶输入量控制问题。另外，液体气溶胶还会污染管道。
发明内容
本发明提供一种气溶胶传输辅助装置及输送方法，以解决背景技术中的液体气溶胶进入反应室的技术难题，进而实现可利用液体气溶胶高速形成薄膜。
一种气溶胶传输辅助装置，其特征在于：包括雾化发生器、混合缓冲室以及十字形管道接头，所述雾化发生器与混合缓冲室之间并联设有至少两条结构相同的气溶胶传输支管路，每一条气溶胶传输支管路均串联有两个电动阀和一个缓冲室，其中缓冲室位于两个电动阀之间，且两个电动阀交替开闭；所述缓冲室的控制端接有一个可调阀门，该可调阀门将外部的气体输入到缓冲室中，且混合缓冲室上连接有收集瓶；每条所述气溶胶传输支管路上的两个电动阀用于控制本条气溶胶传输支管路的通断状态，且两条结构相同的气溶胶传输支管路以交替连通的方式将雾化发生器产生的气溶胶传输给混合缓冲室；
所述十字形管道接头的进口与混合缓冲室的出口连通，该十字形管道接头的三个出口均设有电动阀，且十字形管道接头的其中一个出口与反应室连通，并将混合后的气溶胶持续稳定地输入到反应室中。
进一步：所述混合缓冲室内设有翅片扰流组，所述翅片扰流组设置于混合缓冲室的出口处；所述翅片扰流组包括沿混合缓冲室中轴线依次同轴布设的大翅片、中翅片和小翅片，且所述小翅片靠近所述混合缓冲室；所述大翅片、中翅片以及小翅片均为圆环形，且所有翅片的外边缘与所述混合缓冲室内壁固定，所述大翅片的外边缘和中翅片的外边缘与混合缓冲室的内壁之间均开设有流水孔。
进一步：所述混合缓冲室上设有可调阀门，该可调阀门将外界的气体输入到混合缓冲室中。
进一步：所述电动阀为电动插板阀，且所有的电动插板阀均采用PLC进行控制。
一种液体气溶胶输送方法，其特征在于：使用本案中公开的气溶胶传输辅助装置用于输送液体气溶胶，所述气溶胶传输辅助装置包括结构相同的两条气溶胶传输支管路，两条气溶胶传输支管路分别为第一气溶胶传输支管路和第二气溶胶传输支管路；其中：所述第一气溶胶传输支管路包括第一左电动阀MF1、缓冲室H1、第一可调阀门F1以及第一右电动阀MF2；所述第二气溶胶传输支管路包括第二左电动阀MF3、缓冲室H2、第二可调阀门F1、第二右电动阀MF4；所述十字形管道接头(6)的三个出口分别设有第一电动阀MF5、第二电动阀MF6以及第三电动阀MF7，其中，第三电动阀MF7连通所述反应室；
具体输送方法包括如下步骤：
A、关闭第一电动阀MF5和第二电动阀MF6，开启第三电动阀MF7；
B、开启雾化发生器，由雾化发生器产生液体气溶胶，液体气溶胶经由第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路交替实现分别输入混合缓冲室内；所述混合缓冲室上设置的可调阀门为第三可调阀门F3；
C、交替充气，具体如下：
c-1.关闭第一右电动阀MF2和第二右电动阀MF4，打开第一左电动阀MF1和第二左电动阀MF3，雾化发生器输出的液体气溶胶通过第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路进入缓冲室H1和缓冲室H2中；
c-2.关闭第一左电动阀MF1，打开第一右电动阀MF2，打开第一可调阀门F1，通过第一可调阀门F1向缓冲室H1中输入载气，缓冲室H1中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室中；待第一缓冲室H1中的液体气溶胶冲入混合缓冲室以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
c-3.关闭第二左电动阀MF3，打开第二右电动阀MF4，打开第二可调阀门F2，通过第二可调阀门F2向第二缓冲室H2中输入载气，第二缓冲室H2中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室中；待第二缓冲室H2中的液体气溶胶冲入混合缓冲室以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
D、重复步骤C，通过第一气溶胶传输支管路和第一气溶胶传输支管路交替实现向混合缓冲室中持续地、稳定地输入液体气溶胶；
E、打开第三可调阀门F3，通过第一可调阀门F1向混合缓冲室中输入载气，混合缓冲室中的液体气溶胶在载气的作用下、通过十字形管道接头的第三电动阀MF7进入反应室中；
F、至此，雾化发生器产生的液体气溶胶输送至反应室的过程完成。
本方案的有益效果：
1、解决了雾化源也即液体气溶胶不能持续地、稳定地输入反应室的技术难题；
2、本案通过浓度调节的方式达到控制液体气溶胶输入量的目的，解决了液体气溶胶输入反应器的量不可控的技术难题；
3、本案中多路气溶胶传输支管路相互配合，有效将雾化发生器和反应室隔开，使不同工作压力的雾化发生器和反应室能够同时有效工作，从而能够在常压状态下实现薄膜制备；
4、本方案中的传输辅助装置还具有清洗方便优点，能够彻底清除管道以及各部件的污染物。
附图说明
图1为本发明中传输辅助装置的整体结构示意图；
图2为本发明中翅片扰流组的结构安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，一种气溶胶传输辅助装置及输送方法，包括雾化发生器1、混合缓冲室4以及十字形管道接头6。其中，需要说明的是：在材料制备领域，雾化发生器1一般是依据超声雾化方式产生液体气溶胶的一种设备，而雾化量与溶液的成分、浓度、温度以及气压等因素都有关系，而且通常是在常压下实现稳定的雾化。
所述雾化发生器1与混合缓冲室4之间并联设有至少两条结构相同的气溶胶传输支管路。需要说明的是，本案中仅以两条结构相同的气溶胶传输支管路做出使用说明，在实际应用中，可以根据不同的场景设置大于两条并联的气溶胶传输支管路。为方便说明，本实施例中以第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路以分别为两条气溶胶传输支管路命名。另外，并联设置不一定是并排设置。
每一条气溶胶传输支管路均串联有两个电动阀和一个缓冲室，其中缓冲室位于两个电动阀之间，且两个电动阀交替开闭。所述缓冲室的控制端接有一个可调阀门，该可调阀门将外部的气体输入到缓冲室中，且混合缓冲室4上连接有收集瓶5。收集瓶5位于混合缓冲室4下方且瓶口竖直向上，利用重力回流方式收集混合缓冲室4的内壁形成的凝结液体。在本案中，第一气溶胶传输管路上的两个电动阀分别为第一左电动阀MF1和第一右电动阀MF2，缓冲室为第一缓冲室H1，缓冲室上的可调阀门为第一可调阀门F1。第二气溶胶传输管路上的两个电动阀分别为第二左电动阀MF3和第二右电动阀MF4，缓冲室为第二缓冲室H2，缓冲室上的可调阀门为第二可调阀门F2。
如图1和图2所示，每条所述气溶胶传输支管路上的两个电动阀用于控制本条气溶胶传输支管路的通断状态，且两条结构相同的气溶胶传输支管路以交替连通的方式将雾化发生器1产生的气溶胶传输给混合缓冲室4。为了便于理解，本案中针对混合缓冲室4的通常结构进行简略描述，但是这并不是对混合缓冲室4的结构进行限定。混合缓冲室4一般圆柱型设计，混合缓冲室4沿轴向的左端设计为入口、右端设计为出口，在使用时混合缓冲室4沿轴向水平放置。
所述混合缓冲室4内设有翅片扰流组，所述翅片扰流组设置于混合缓冲室4的出口处；所述翅片扰流组包括沿混合缓冲室4中轴线依次同轴布设的大翅片8a、中翅片8b和小翅片8c，且所述小翅片8c靠近所述混合缓冲室4；所述大翅片8a、中翅片8b以及小翅片8c均为圆环形，且所有翅片的外边缘与所述混合缓冲室4内壁固定，所述大翅片8a的外边缘和中翅片8b的外边缘与混合缓冲室4的内壁之间均开设有流水孔8d。所述混合缓冲室4上设有第三可调阀门F3，该可调阀门为第三可调阀门F3，且第三可调阀门F3将外部气源输入到混合缓冲室4中，外部气源可以是控制气体、稀释气体或者反应气体。
在本方案中，设置翅片扰流组的目的在于：在液体气溶胶通过反应室7时，翅片扰流组可以阻碍液体向混合缓冲室4的出口流动或者流出，因此小翅片8c与混合缓冲室4的内壁之间不能设置流水孔8d之类的间隙。同时，翅片扰流组阻碍的液体通过流水孔8d回流后，再由收集瓶5进行收集。
如图1和图2所示，每条气溶胶传输支管路上的两个电动阀用于控制本条气溶胶传输支管路的通断状态，且两条气溶胶传输支管路以交替连通的方式将雾化发生器1产生的气溶胶传输给混合缓冲室4。本案中的通断状态与传统意义上的通断有本职区别，例如：当第一左电动阀MF1关闭，第一右电动阀MF2打开时，第一气溶胶传输支管路与混合缓冲室4连通，此时第一缓冲室H1中的气溶胶输入到混合缓冲室4中。当第一左电动阀MF1打开，第一右电动阀MF2关闭时，第一气溶胶传输支管路与混合缓冲室4断开，雾化发生器1中产生的气溶胶输入到第一缓冲室H1中，为后续向混合缓冲室4中输入气溶胶做准备。并且两条气溶胶传输支管路以交替连通的方式，就可以将雾化发生器1产生的气溶胶持续地、稳定地传输给混合缓冲室4。由于雾化发生器1一般在常压状态下工作，而反应室7一般是低压状态下工作，采用这一特殊的通断方式就能将不同工作压力的雾化发生器1和反应室7隔开，从而保证雾化发生器1和反应室7同时都能正常工作，这一技术为本案的核心发明点之一。
所述十字形管道接头6的进口与混合缓冲室4的出口连通，该十字形管道接头6的三个出口均设有电动阀，且十字形管道接头6的其中一个出口与反应室7连通，并将混合后的气溶胶持续稳定地输入到反应室7中。在本案中，十字形管道接头6的三个出口设置电动阀的具体位置及功能为：出口一设置的第一电动阀MF5用于连通外部气体，出口二设置的第二电动阀MF6用于连通外部气体，出口三设置的第三电动阀MF7用于连通反应室7，从而将混合后的气溶胶持续地、稳定地输入到反应室7中，在反应室7特殊的物理化学条件下形成薄膜材料。另外，本案中所有的电动阀为电动插板阀，且所有的电动插板阀均采用PLC进行控制。
针对不同的操作应用，本方案中的辅助装置可以实现多种功能：
第一种使用方法，用于液体气溶胶的输送，也是本案公开的一种气溶胶输送方法，其步骤如下：
A、关闭第一电动阀MF5和第二电动阀MF6，开启第三电动阀MF7；
B、开启雾化发生器1，由雾化发生器1产生液体气溶胶，液体气溶胶经由第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路交替实现分别输入混合缓冲室4内；
C、交替充气，具体如下：
c-1.关闭第一右电动阀MF2和第二右电动阀MF4，打开第一左电动阀MF1和第二左电动阀MF3，雾化发生器1输出的液体气溶胶通过第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路进入缓冲室H1和缓冲室H2中；
c-2.关闭第一左电动阀MF1，打开第一右电动阀MF2，打开第一可调阀门F1，通过第一可调阀门F1向缓冲室H1中输入载气，缓冲室H1中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室4中；待第一缓冲室H1中的液体气溶胶冲入混合缓冲室4以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
c-3.关闭第二左电动阀MF3，打开第二右电动阀MF4，打开第二可调阀门F2，通过第二可调阀门F2向第二缓冲室H2中输入载气，第二缓冲室H2中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室4中；待第二缓冲室H2中的液体气溶胶冲入混合缓冲室4以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
D、重复步骤C，在步骤C中，步骤c-2和步骤c-3的顺序是可以互换和颠倒的；需要说明的是，如果气溶胶传输支管路的数量为多条，那么所采取的操作方式与步骤C中的操作方式也是相同的，通过多条气溶胶传输支管路交替实现向混合缓冲室4中持续地、稳定地输入液体气溶胶；
E、打开第三可调阀门F3，通过第一可调阀门F1向混合缓冲室4中输入载气，混合缓冲室4中的液体气溶胶在载气的作用下、通过十字形管道接头6的第三电动阀MF7进入反应室7中；
F、至此，雾化发生器1产生的液体气溶胶输入反应室7的过程完成。
在上述过程中，混合缓冲室4在任何时刻都与雾化发生器1是隔离的，相互间压力保持独立和不影响状态，因此实现了雾化发生器1产生的液体气溶胶，可以稳定的输入反应室7中。同时，通过第一可调阀门F1输入至第一缓冲室H1的载气、第二可调阀门F2输入至第二缓冲室H2的载气、第三可调阀门F3输入至混合缓冲室4的载气，也可以作为稀释气体使用，这样就可以实现调节液体气溶胶的浓度，进而控制了输入反应室7中的液体气溶胶的输入量。
在上述控制设计中，原则上输入至混合缓冲室4的载气，分别与输入至第一缓冲室H1的载气和输入至第二缓冲室H2的载气压力匹配，避免出现阻滞或者返流问题。液体气溶胶通过混合缓冲室4后，再经过十字型管道接头和第三电动阀MF7导入反应室7中去。
第二种使用方法，用于液体源的输入：
关闭第一左电动阀MF1、第一右电动阀MF2、第二左电动阀MF3和第二右电动阀MF4、第一电动阀MF5以及第二电动阀MF6，开启第三电动阀MF7，收集瓶5承装特定成分的反应用液体源；根据需要开启第三可调阀门F3并输入特定成分和压力的特种气体，并利用该特种气体将收集瓶5中的液体源蒸发成特殊气体，特殊气体通过第三电动阀MF7进入反应室7。
在该种工作模式下，为了充分满足实验或生产要求，收集瓶5的数量可以使用多个，从而实现多源液体源的输入。当然，特殊气体在反应室7内也可以形成薄膜材料。
关于本案中的传输辅助装置的清洗使用：
可以采用气体吹拂清洗，也可以是液体冲洗。清洗时，关闭第一可调阀门F1、第二可调阀门F2以及第三可调阀门F3，关闭第三电动阀MF7，通过清洗液或者清洗气体通过第一、二气溶胶传输管路进入至第一缓冲室H1、第二缓冲室H2以及混合缓冲室4中以进行全方位的清洗。需要说明的是：1、如果只对混合缓冲室4做清洗，可以拆除收集瓶5，收集瓶5的KF接口5a作为废气与废液排出口，此是需要关闭第一右电动阀MF2和第二右电动阀MF4；2、如果是清洗气溶胶传输支管路，则需要解除气溶胶传输支管路与雾化发生器1的连接，作为废气与废液的出口，这种模式下，需同时开始第一左电动阀MF1、第一右电动阀MF2、第二左电动阀MF3以及第二右电动阀MF4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气溶胶传输辅助装置，其特征在于：包括雾化发生器(1)、混合缓冲室(4)以及十字形管道接头(6)，所述雾化发生器(1)与混合缓冲室(4)之间并联设有至少两条结构相同的气溶胶传输支管路，每一条气溶胶传输支管路均串联有两个电动阀和一个缓冲室，其中缓冲室位于两个电动阀之间，且两个电动阀交替开闭；所述缓冲室的控制端接有一个可调阀门，该可调阀门将外部的气体输入到缓冲室中；所述混合缓冲室(4)上连接有收集瓶(5)，且混合缓冲室还连通有可调阀门；每条所述气溶胶传输支管路上的两个电动阀用于控制本条气溶胶传输支管路的通断状态，且两条结构相同的气溶胶传输支管路以交替连通的方式将雾化发生器(1)产生的气溶胶传输给混合缓冲室(4)；
所述十字形管道接头(6)的进口与混合缓冲室(4)的出口连通，该十字形管道接头(6)的三个出口均设有电动阀，且十字形管道接头(6)的其中一个出口与反应室(7)连通，并将混合后的气溶胶持续稳定地输入到反应室(7)中；
所述混合缓冲室(4)内设有翅片扰流组，所述翅片扰流组设置于混合缓冲室(4)的出口处；所述翅片扰流组包括沿混合缓冲室(4)中轴线依次同轴布设的大翅片(8a)、中翅片(8b)和小翅片(8c)，且所述小翅片(8c)靠近所述混合缓冲室(4)；所述大翅片(8a)、中翅片(8b)以及小翅片(8c)均为圆环形，且所有翅片的外边缘与所述混合缓冲室(4)内壁固定，所述大翅片(8a)的外边缘和中翅片(8b)的外边缘与混合缓冲室(4)的内壁之间均开设有流水孔(8d)。
2.根据权利要求1所述的一种气溶胶传输辅助装置，其特征在于：所述混合缓冲室(4)上设有可调阀门，该可调阀门将外界的气体输入到混合缓冲室(4)中。
3.根据权利要求2所述的一种气溶胶传输辅助装置，其特征在于：所述电动阀为电动插板阀，且所有的电动插板阀均采用PLC进行控制。
4.一种液体气溶胶输送方法，其特征在于：使用权利要求1至3中任一项所述的气溶胶传输辅助装置用于输送液体气溶胶，所述气溶胶传输辅助装置包括两条气溶胶传输支管路，两条气溶胶传输支管路分别为第一气溶胶传输支管路和第二气溶胶传输支管路；其中：所述第一气溶胶传输支管路包括第一左电动阀MF1、缓冲室H1、第一可调阀门F1以及第一右电动阀MF2；所述第二气溶胶传输支管路包括第二左电动阀MF3、缓冲室H2、第二可调阀门F2、第二右电动阀MF4；所述十字形管道接头(6)的三个出口设置的电动阀分别为第一电动阀MF5、第二电动阀MF6以及第三电动阀MF7，其中，第三电动阀MF7连通所述反应室(7)；所述混合缓冲室（4）上设置的可调阀门为第三可调阀门F3；
具体输送方法包括如下步骤：
A、关闭第一电动阀MF5和第二电动阀MF6，开启第三电动阀MF7；
B、开启雾化发生器(1)，由雾化发生器(1)产生液体气溶胶，液体气溶胶经由第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路交替实现分别输入混合缓冲室(4)内；
C、交替充气，具体如下：
c-1.关闭第一右电动阀MF2和第二右电动阀MF4，打开第一左电动阀MF1和第二左电动阀MF3，雾化发生器(1)输出的液体气溶胶通过第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路进入缓冲室H1和缓冲室H2中；
c-2.关闭第一左电动阀MF1，打开第一右电动阀MF2，打开第一可调阀门F1，通过第一可调阀门F1向缓冲室H1中输入载气，缓冲室H1中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室(4)中；待第一缓冲室H1中的液体气溶胶冲入混合缓冲室(4)以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
c-3.关闭第二左电动阀MF3，打开第二右电动阀MF4，打开第二可调阀门F2，通过第二可调阀门F2向第二缓冲室H2中输入载气，第二缓冲室H2中的液体气溶胶在载气的作用下进入混合缓冲室(4)中；待第二缓冲室H2中的液体气溶胶冲入混合缓冲室(4)以后，第一气溶胶传输管路和第二气溶胶传输管路重新恢复至步骤c-1中的状态；
D、重复步骤C，通过第一气溶胶传输支管路和第一气溶胶传输支管路交替实现向混合缓冲室(4)中持续地、稳定地输入液体气溶胶；
E、打开第三可调阀门F3，通过第一可调阀门F1向缓冲室H1中输入载气，混合缓冲室(4)中的液体气溶胶在载气的作用下、通过十字形管道接头(6)的第三电动阀MF7进入反应室(7)中；
F、至此，雾化发生器(1)产生的液体气溶胶输送至反应室(7)的过程完成。
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