CN113578213B - 一种亚微米级单分散气溶胶发生装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚微米级单分散气溶胶发生装置及系统，包括进液结构、气溶胶发生结构、鞘气保护结构、气溶胶干燥结构、图像采集结构和气溶胶静电中和结构，所述进液结构包括毛细管进液针，样品溶液从所述毛细管进液针进液端进入；气溶胶发生结构用于在毛细管进液针出液端形成泰勒锥，鞘气保护结构用于在毛细管进液针周围形成气柱将气溶胶携带到气溶胶干燥结构，气溶胶干燥结构用于将气溶胶中的水分干燥，气溶胶静电中和结构用于中和气溶胶中的带电电荷，本发明的亚微米级单分散气溶胶发生装置及系统能够生成稳定均匀的亚微米级单分散气溶胶，且浓度可控。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶发生设备技术领域，特别涉及一种亚微米级单分散气溶胶发生装置及系统。
背景技术
现代工业诸如电子、医药、精密仪器、航天等行业的飞速发展，使得对空气环境中的悬浮微粒的尺寸和数量的控制日趋严格，对高效空气过滤器的性能要求也越来越高，这就需要有先进的测试方法和测试手段来保证其质量，以满足高标准要求。粒子计数法由于其检测灵敏度高，对气溶胶选择余地大等诸多优点，已成为当今国际上高效过滤器主流试验方法，被欧美诸多国家所采用。钠焰法和油雾法是我国现行国标规定的高效空气过滤器测试方法，该方法已有十多年没有修订，已不能完全满足实际发展的需要。为促进我国过滤器行业的发展、提升过滤器产品质量并与国际接轨，对《高效空气过滤器性能试验方法》国家标准的修编工作已于2005年启动。国标修编过程中需要对粒子计数法进行研究，而对一种过滤器性能试验方法研究，首先需要解决的问题之一就是测试气溶胶的稳定发生，也就是需要研制出能够发生满足测试要求气溶胶粒子的气溶胶发生器。
现有技术中，根据发生粒子使用的外力不同，可分为分散法和凝聚法。分散法是通过挤压、研磨等物理作用施加外力方式将固体物质粉碎形成分散粒子，或者让压缩空气通过喷雾器喷嘴，利用喷嘴的剪切力将固体物质粉碎形成分散粒子。凝聚法是通过物理化学反应而形成固体或液体气态气溶胶粒子，如通过将盐水气化，再将饱含水蒸气的气溶胶干燥，形成需要的气溶胶粒子。根据发生的气溶胶粒子分散度不同，分为单分散气溶胶和多分散气溶胶发生。其现有的技术主要包括以下几种：1、喷雾法：产生液体气溶胶最简单的方法是使用压缩空气喷雾，常见的喷雾器类型有压缩空气喷雾、旋转式喷雾以及转盘式喷雾。无论是哪种方法，其发生原理和构造均相对简单，比较容易实现。但其缺点也很明显，即该类型的喷雾器所发生的的气溶胶一般为多分散气溶胶，气溶胶的粒径和分散度不可调节。无法适用对气溶胶粒径和分散度要求较高的使用场景。 2、振动孔法：振动孔法可以发生单分散气溶胶，并且其浓度、粒径、分散度都是已知并稳定的并且精度较高。但其缺点为所发生的单分散气溶胶浓度太低，约为1000粒/立方厘米，并且所发生的的粒径一般为0.5-50微米，无法发生粒径更小的粒子，无法适用一些要求气溶胶浓度高的使用场景。3、冷凝法：冷凝法可以发生高浓度的亚微米级气溶胶粒子，广泛用于滤料、过滤器的效率测试或者气溶胶研究之用，但其缺点为对环境要求较高，无法稳定发生亚微米气溶胶。
发明内容
本发明提供了一种亚微米级单分散气溶胶发生装置及系统，已解决现有技术中气溶胶发生装置的上述缺点。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种亚微米级单分散气溶胶发生装置，包括进液结构、气溶胶发生结构、鞘气保护结构、气溶胶干燥结构、图像采集结构和气溶胶静电中和结构，
所述进液结构包括毛细管进液针，样品溶液从所述毛细管进液针进液端进入；
所述气溶胶发生结构包括气溶胶发生室和高压电源模块，所述毛细管进液针出液端延伸至所述气溶胶发生室内，所述高压电源模块用于在所述气溶胶发生室内产生电场，所述毛细管进液针出液端内的样品溶液在所述电场的作用下被抽出形成泰勒锥并持续分散成粒度均匀的亚微米气溶胶；
所述鞘气保护结构包括鞘气入口和鞘气通道结构，所述鞘气入口与所述鞘气通道结构入口连接，所述鞘气通道结构出口与所述气溶胶发生室相通，所述鞘气通道结构设置在所述毛细管进液针的方向上，所述鞘气从所述鞘气入口进入鞘气通道结构并形成气柱将所述毛细管进液针均匀包裹；
所述气溶胶干燥结构包括至少一个气溶胶通孔和干燥室，所述干燥室侧壁上设置有气溶胶出气嘴，所述气柱携带所述亚微米气溶胶通过所述气溶胶通孔进入所述干燥室进行干燥；
所述气溶胶静电中和结构用于将干燥后的所述气溶胶进行静电中和。
所述图像采集结构包括成像镜头，所述成像镜头设置在所述气溶胶发生室侧壁上。
进一步的：所述进液结构还包括毛细管进液针调节旋钮和进液固定座，所述毛细管进液针固定在所述毛细管进液针调节旋钮上，所述毛细管进液针调节旋钮内设置有储液腔，所述毛细管进液针进液端与所述储液腔相通，所述进液固定座上设置有进液口一，所毛细管进液针调节旋钮侧壁上设置有进液口二，所述进液口二分别与所述进液口一和所述储液腔相通。
进一步的：所述高压电源模块包括极板和为所述极板提供电源的供电电源，所述极板设置在所述气溶胶发生室内与所述毛细管进液针出液端相对的一侧，所述供电电源为所述极板供电以在所述极板处产生所述电场。
进一步的：所述进液固定座下侧壁上还设置有废液口，所述废液口与所述储液腔相通，用于排出过量的所述样品溶液。
进一步的：所述鞘气包括高温干燥气体或二氧化碳。
进一步的：所述气溶胶静电中和结构包括电极针、空气进气嘴和进气通道，所述电极针连接静电消除设备，所述进气通道连接所述空气进气嘴和所述干燥室，所述电极针的针头延伸至所述进气通道内，所述电极针通电用于电离空气以中和干燥室内所述气溶胶所带电荷。
根据本发明的另一方面，还提供了一种亚微米级单分散气溶胶发生系统，所述系统包括上述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，另外还包括：鞘气供气结构和空气供气结构，
所述鞘气供气结构包括鞘气罐、鞘气流量调节阀、鞘气流量计和鞘气过滤器，所述鞘气罐、所述鞘气流量调节阀、所述鞘气流量计和所述鞘气过滤器依次连接，所述鞘气过滤器还连接所述鞘气入口；
所述空气供气结构包括空气流量计和空气过滤器，所述空气流量计分别连接空气气源和所述空气过滤器，所述空气过滤器还连接所述空气进气嘴。
进一步的：还包括气溶胶光度计，所述气溶胶光度计用于检测所述气溶胶出气嘴输出的气溶胶的浓度。
进一步的：还包括注液泵，所述毛细管进液针通过所述注液泵与样品溶液瓶连接。
采用上述技术方案，其有益效果为：
1、可以通过对电场强度的控制，自动发生特定粒径的单分散气溶胶，同时将发生、干燥、静电中和集成一体化设计，增加了检测的时效性和准确性。
2、所发生的气溶胶浓度较低，无需稀释，可直接用于后端仪器的检验和校准，使用方便，省时省力。
3、根据样品溶液的不同可以发生不同类型的气溶胶，如盐性气溶胶、油性气溶胶、标准粒子气溶胶等，具有良好的通用性。
附图说明
图1为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置的剖视图；
图3为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置中毛细管进液针调节旋钮的结构示意图；
图4为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置中通孔的结构示意图；
图5为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置中鞘气通道结构的结构示意图；
图6为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置中鞘气流动示意图；
图7为本发明实施例1的亚微米级单分散气溶胶发生装置中气溶胶进入干燥室时气流流动示意图；
图8为本发明实施例2的亚微米级单分散气溶胶发生系统的结构示意图。
图中，11-毛细管进液针，12-毛细管进液针调节旋钮，13-进液固定座，14- 进液口一，15-进液口二，16-储液腔，17-废液口，18-通孔，181-第一端，182- 第二端，21-气溶胶发生室，22-极板，31-成像镜头，32-照明结构，41-鞘气入口， 421-第一鞘气通道，422-第二鞘气通道，423-第三鞘气通道，51-气溶胶通孔，52- 干燥室，61-电极针，62-空气进气嘴，63-进气通道，64-气溶胶出气嘴，71-注液泵，72-废液瓶，81-鞘气罐，82-鞘气流量调节阀，83-鞘气流量计，84-鞘气过滤器，91-空气流量计，92-空气过滤器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种亚微米级单分散气溶胶发生装置，如图所示，包括进液结构、气溶胶发生结构、鞘气保护结构、图像采集结构、气溶胶干燥结构和气溶胶静电中和结构，样品溶液从进液结构进入气溶胶发生结构；气溶胶发生结构用于在进液结构输出端形成泰勒锥，鞘气保护结构用于将气溶胶携带到气溶胶干燥结构，图像采集结构用于观察泰勒锥是否形成，气溶胶干燥结构用于将气溶胶中的水分干燥，气溶胶静电中和结构用于中和气溶胶中的带电电荷。
在本发明的实施例中，进液结构包括毛细管进液针11、毛细管进液针调节旋钮12和进液固定座13，毛细管进液针11固定在毛细管进液针调节旋钮12上，毛细管进液针调节旋钮12内设置有储液腔16，且毛细管进液针11进液端与储液腔16相通，进液固定座13上水平的设置有通孔18，所述毛细管进液针调节旋钮12通过螺纹设置在所述通孔18的第一端181，即在图中表现为设置在进液固定座13右侧，毛细管进液针11的出液端穿过通孔18的第二端182延伸到进液固定座13外，即在图中表现为延伸到进液固定座13左侧外面。
进液固定座13侧壁上设置有进液口一14和废液口17，毛细管进液针调节旋钮12侧壁上设置有进液口二15，进液口二15分别与进液口一14和储液腔16相通，废液口17与进液口一14相通，用于排出过量的样品溶液。
样品溶液从进液口一14进入进液口二15，然后进入储液腔16，最后从毛细管进液针11进液端进入毛细管进液针11内。当储液腔16中的溶液储满后，过量的溶液从废液口17排出。
在本发明的实施例中，毛细管进液针11为不锈钢毛细金属管，其规格具体为：内径1/16英寸，内径0.5mm。
气溶胶发生结构包括气溶胶发生室21和高压电源模块，气溶胶发生室21 的一端与进液固定座13上的通孔18的第二端182相通，即毛细管进液针11的出液端穿过通孔18的第二端182延伸到气溶胶发生室21内。
由于毛细管进液针11的进液端固定在毛细管进液针调节旋钮12上，因此可以通过旋转毛细管进液针调节旋钮12来改变毛细管进液针11的出液端延伸至气溶胶发生室21内的距离。通常来说，通过微调毛细管进液针11的出液端延伸至气溶胶发生室21内的距离可以调整毛细管进液针11出液端内的样品溶液所受电场的作用力大小，进而起到调节气溶胶粒径的作用。
高压电源模块包括极板22和为极板22提供电源的供电电源，极板22设置在气溶胶发生室21的另一端，即极板22设置在气溶胶发生室21内与毛细管进液针11出液端相对的另一侧，供电电源为极板22供电以在极板22处产生电场，在本发明的实施例中，供电电源提供-2.5KV—7KV的高压电，极板22在供电电源的作用下形成均匀电场，毛细管进液针11出液端内的样品溶液在电场的作用下被抽出形成泰勒锥并持续分散成粒度均匀的亚微米气溶胶。
供电电源提供的电压大小能够影响气溶胶的粒径和分散度，一般来说，合适的电场大小会使气溶胶粒径和分散度更均匀，因此需要根据样品溶液不同对供电电源进行相应调整。
在本发明的另一个实施例中，也可以用导电针头代替极板22。
在本发明的实施例中，通过设置图像采集结构观察在毛细管进液针11出液端是否形成泰勒锥来判断供电电源提供的电压是否合适。
具体的，图像采集结构包括成像镜头31和照明结构32，成像镜头31和照明结构32对称的设置在气溶胶发生室21侧壁上。在本发明的实施例中，为了观察，成像镜头31设置在气溶胶发生室21侧壁上方，照明结构32设置在气溶胶发生室21侧壁下方。由于现有技术中，类似的图像采集结构有多种，在本发明的实施例中，对其不做过多赘述。
在本发明的实施例中，鞘气保护结构包括鞘气入口41和鞘气通道结构，鞘气入口41与鞘气通道结构入口连接，鞘气通道结构出口与气溶胶发生室21相通，鞘气通道结构设置在毛细管进液针11的方向上，鞘气从鞘气入口41进入鞘气通道结构并形成气柱将毛细管进液针11均匀包裹，如图6所示，图中箭头的方向即鞘气的移动方向。
实际上，鞘气通道结构与进液固定座13上通孔18的左侧部分是同一结构，下面举例具体说明。
鞘气通道结构包括至少一个鞘气通道，在本发明的实施例中，以鞘气通道结构包括三个鞘气通道：第一鞘气通道421、第二鞘气通道422和第三鞘气通道 423为例进行说明，其中第一鞘气通道421一端与鞘气入口41相通，第一鞘气通道421、第二鞘气通道422和第三鞘气通道423依次相通，且其纵截面依次减小，第三鞘气通道423与气溶胶发生室21相通。
另外，在本发明的实施例中，第一鞘气通道421、第二鞘气通道422和第三鞘气通道423均为圆柱形，即三个鞘气通道的横截面为圆形，由于毛细管进液针11穿过通孔18延伸到气溶胶发生室21内，即毛细管进液针11穿过鞘气通道结构延伸到气溶胶发生室21内，因此当有毛细管进液针11穿过鞘气通道结构时，三个鞘气通道的横截面为圆环形。
在本发明的另一个实施例中，鞘气通道还可以是圆台的形状。
在本发明的实施例中，鞘气包括高温干燥气体或二氧化碳等。
气溶胶干燥结构包括至少一个气溶胶通孔51和干燥室52，干燥室52侧壁上设置有气溶胶出气嘴64，气柱携带亚微米气溶胶通过气溶胶通孔51进入干燥室52进行干燥。
在本发明的实施例中，气溶胶通孔51两端分别连接气溶胶发生室21和干燥室52，在气溶胶发生室21生成的气溶胶，可以在鞘气的携带下从气溶胶通孔 51进入干燥室52干燥。
为了能够使鞘气在干燥室52内与气溶胶充分融合，在本发明的实施例中，设置有三个气溶胶通孔51，这样可以使携带有气溶胶的鞘气通过气溶胶通孔51 后均匀散开并最终撞击到干燥室52内壁上，如图7所示，图中箭头的方向即携带有气溶胶的鞘气的移动方向，此时气溶胶与二氧化碳或高温干燥气体充分混合，高温干燥气体或二氧化碳将气溶胶中的水分蒸发，使液滴干燥结晶。
在干燥过程中，液滴和由蒸发的液滴产生的粒子附带有大量电荷，因此设置有气溶胶静电中和结构用于将干燥后的气溶胶进行静电中和。
气溶胶静电中和结构包括电极针61、空气进气嘴62和进气通道63，进气通道63连接空气进气嘴62和干燥室52，电极针61的针头延伸至进气通道63 内，电极针61连接有静电消除设备，通电后，静电消除设备通过电极针61电晕放电，产生大量离子电荷以中和干燥室52内气溶胶所带电荷。
在本发明的实施例中，静电消除设备为非放射性静电消除器。
实施例2
一种亚微米级单分散气溶胶发生系统，如图8所示，该系统包括实施例1 的亚微米级单分散气溶胶发生装置，另外还包括鞘气供气结构、空气供气结构和注液泵717。
在本发明的实施例中，鞘气供气结构包括鞘气罐81、鞘气流量调节阀82、鞘气流量计83和鞘气过滤器84，鞘气罐81、鞘气流量调节阀82、鞘气流量计 83和鞘气过滤器84依次连接，鞘气过滤器84还连接鞘气入口。
鞘气罐81中的鞘气从鞘气罐81中进入到鞘气流量调节阀82，之后进入到鞘气流量计83，再经过鞘气过滤器84，最后进入鞘气入口41，从鞘气入口41 进入亚微米级单分散气溶胶发生装置。
空气供气结构包括空气流量计91和空气过滤器92，空气流量计91分别连接空气气源和空气过滤器92，空气过滤器92还连接空气进气嘴62。
洁净的空气从空气气源进入空气过滤器92，然后进入空气进气嘴62，通过空气进气嘴62进入亚微米级单分散气溶胶发生装置。
注液泵71分别与样品溶液瓶和进液口一14连接，样品溶液通过注液泵71 进入注液口一14，然后进入注液口二15，再进入储液腔16，最后从毛细管进液针进液端进入毛细管进液针11内。
为了收集废液还在废液口处连接有废液瓶72。
另外，在本发明的实施例中，还包括气溶胶光度计，气溶胶光度计用于检测气溶胶出气嘴输出的气溶胶的浓度。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：包括进液结构、气溶胶发生结构、鞘气保护结构、气溶胶干燥结构、图像采集结构和气溶胶静电中和结构，
所述进液结构包括毛细管进液针，样品溶液从所述毛细管进液针进液端进入毛细管进液针；所述进液结构还包括毛细管进液针调节旋钮，所述毛细管进液针固定在所述毛细管进液针调节旋钮上，所述毛细管进液针调节旋钮内设置有储液腔，所述毛细管进液针进液端与所述储液腔相通；
所述气溶胶发生结构包括气溶胶发生室和高压电源模块，所述毛细管进液针出液端延伸至所述气溶胶发生室内，所述高压电源模块用于在所述气溶胶发生室内产生电场，所述毛细管进液针出液端内的样品溶液在所述电场的作用下被抽出形成泰勒锥并持续分散成粒度均匀的亚微米气溶胶；所述高压电源模块包括极板，所述极板设置在所述气溶胶发生室内与所述毛细管进液针出液端相对的一侧；
所述鞘气保护结构包括鞘气入口和鞘气通道结构，所述鞘气入口与所述鞘气通道结构入口连接，所述鞘气通道结构出口与所述气溶胶发生室相通，所述鞘气通道结构设置在所述毛细管进液针的方向上，所述鞘气从所述鞘气入口进入鞘气通道结构并形成气柱将所述毛细管进液针均匀包裹；
所述气溶胶干燥结构包括至少一个气溶胶通孔和干燥室，所述干燥室侧壁上设置有气溶胶出气嘴，所述气柱携带所述亚微米气溶胶通过所述气溶胶通孔进入所述干燥室进行干燥；
所述图像采集结构包括成像镜头，所述成像镜头设置在所述气溶胶发生室侧壁上；
所述气溶胶静电中和结构包括电极针、空气进气嘴和进气通道，所述电极针连接静电消除设备，所述进气通道连接所述空气进气嘴和所述干燥室，所述电极针的针头延伸至所述进气通道内，所述电极针通电用于电离空气以中和干燥室内所述气溶胶所带电荷。
2.根据权利要求1所述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：所述进液结构包括进液固定座，所述进液固定座上设置有进液口一，所毛细管进液针调节旋钮侧壁上设置有进液口二，所述进液口二分别与所述进液口一和所述储液腔相通。
3.根据权利要求2所述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：所述高压电源模块包括为所述极板提供电源的供电电源，所述供电电源为所述极板供电以在所述极板处产生所述电场。
4.根据权利要求3所述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：所述进液固定座下侧壁上还设置有废液口，所述废液口与所述储液腔相通，用于排出过量的所述样品溶液。
5.根据权利要求4所述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：所述鞘气包括高温干燥气体或二氧化碳。
6.一种亚微米级单分散气溶胶发生系统，所述系统包括权利要求1-5任一项所述的亚微米级单分散气溶胶发生装置，其特征在于：还包括：鞘气供气结构和空气供气结构，
所述鞘气供气结构包括鞘气罐、鞘气流量调节阀、鞘气流量计和鞘气过滤器，所述鞘气罐、所述鞘气流量调节阀、所述鞘气流量计和所述鞘气过滤器依次连接，所述鞘气过滤器还连接所述鞘气入口；
所述空气供气结构包括空气流量计和空气过滤器，所述空气流量计分别连接空气气源和所述空气过滤器，所述空气过滤器还连接所述空气进气嘴。
7.根据权利要求6所述的一种亚微米级单分散气溶胶发生系统，其特征在于：还包括气溶胶光度计，所述气溶胶光度计用于检测所述气溶胶出气嘴输出的气溶胶的浓度。
8.根据权利要求6所述的一种亚微米级单分散气溶胶发生系统，其特征在于：还包括注液泵，所述毛细管进液针通过所述注液泵与样品溶液瓶连接。
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