CN114514074A - 用于使液滴生长的压力驱动扩散管 - Google Patents

用于使液滴生长的压力驱动扩散管 Download PDF

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Abstract

一种液滴发生器，包括：腔室，该腔室包括填充有具有蒸汽的气体的封闭空间；延伸穿过腔室的管；位于管内的气体流动通道；和位于腔室中的加热器。所述管包括侧壁，所述侧壁具有暴露于腔室的封闭空间的外表面、和内表面。所述管包含液体。加热器可操作成将包含在管中的液体的相改变为蒸汽，从而将蒸汽提供到封闭空间中。封闭空间中的压力高于气体流动通道中的压力，使得封闭空间中的蒸汽通过穿过所述管而流到气体流动通道。

Description

用于使液滴生长的压力驱动扩散管
技术领域
本发明总体上涉及液滴发生器及其方法，更具体地，本发明涉及通过供应由压力驱动的蒸汽来使液滴生长的液滴发生器。
背景技术
人们暴露于不同水平的挥发性有机化合物、空气传播的污染物、病毒和细菌、液滴、和有机/无机颗粒物。通常称为凝结核计数器(CNC)的凝结颗粒计数器(CPC)是一种用于测量悬浮在空气中的亚微米颗粒的仪器。该仪器可以利用液滴发生器通过气相分子在颗粒表面上凝结而将小尺寸颗粒生长成较大尺寸的液滴，从而可以光学检测该颗粒。因此，CPC必须产生过饱和气流，以实现较大液滴的形成。
因此，可能需要用于有效地产生过饱和气流的液滴发生器和方法。
发明内容
在一个实施例中，液滴发生器包括：腔室，该腔室包括填充有具有蒸汽的气体的封闭空间；延伸穿过腔室的管；管内的气体流动通道；以及第一腔室中的加热器。该管包括侧壁，该侧壁具有暴露于腔室的封闭空间的外表面、和内表面。该管包含液体。加热器可操作以将包含在管中的液体的相变为蒸汽，使得将蒸汽提供到封闭空间中。第一腔室中的蒸汽压力高于气体流动通道中的压力，使得第一腔室中的蒸汽通过穿过管的侧壁而流到气体流动通道。
在另一个实施例中，液滴发生器包括：腔室，该腔室包括：填充有具有蒸汽的气体的封闭空间；在腔室内延伸的多个管，所述多个管中的每一个均包括具有暴露于腔室的封闭空间的外表面、和内表面；所述多个管内的多条气体流动通道；和多个加热器，所述多个加热器中的每一个均可操作以使容纳在腔室中的所述多个管中的一个管中的液体的相变为蒸汽，从而将蒸汽提供到封闭空间中。腔室的封闭空间中的压力高于所述多个气体流动通道中的压力，使得封闭空间中的蒸汽通过穿过所述多个管的侧壁而流到所述多条气体流动通道。
在又一个实施例中，用于产生连续液滴的方法包括：在液滴发生器的腔室内提供管；向液滴发生器的管提供液体；用腔室中的加热器加热液滴发生器的腔室中的管，以将容纳在腔室中的管内的液体的相变为蒸汽，从而将蒸汽提供到腔室的密闭空间中；使密闭空间中的蒸汽通过管的侧壁而流到管内侧的气体流动通道；使包含颗粒的气流通过气体流动通道。
附图说明
附图中阐述的实施例在本质上是说明性和示例性，并且不旨在限制由权利要求限定的本发明。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中类似的结构用类似的附图标记表示，并且其中：
图1A描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的液滴发生器的截面图；
图1B描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的管的一部分的放大图；
图1C描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的管的一部分的放大图；
图2A描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的液滴发生器的示意图；
图2B描绘了根据根据本文所示和描述的一个或多个实施例的、图1A中的液滴发生器的截面图；
图3描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例使用过饱和条件产生液滴；
图4A示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的、管的内表面沿含颗粒气流方向的温度；
图4B示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的液滴发生器的第一腔室的一部分中的温度测量点；
图4C示出了对应于图4B中的温度测量点的温度分布的曲线图；
图5描绘了根据本文所示和描述的另一个实施例的液滴发生器的截面图；
图6A描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的管和围绕管的加热器的示意性结构；
图6B描绘了根据本文所示和描述的另一个实施例的管和围绕管的加热器的示意性结构；
图6C描绘了根据本文所示和描述的另一个实施例的管和围绕管的表面加热器的示意性结构；
图7示出了根据本文所示和描述的另一个实施例的管中所含液体的相变和通过压力驱动进入气体流动通道的蒸汽。
图8描绘了根据本文所示和描述的另一个实施例的包括多个管的液滴发生器。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例的各方面，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。
本文描述的实施例总体涉及凝结液滴发生器装置和方法，所述凝结液滴发生器装置和方法可以与凝结颗粒计数器(CPC)或可能需要颗粒、化合物、生物制剂和/或其他小物体被放大以使其可以被检测和/或分析的其他装置结合使用。更具体地，本文描述的实施例涉及通过供应由压力驱动的蒸汽来使液滴生长的液滴发生器。液滴发生器包括第一腔室、容纳液体的第二腔室、延伸穿过第一腔室和第二腔室的管、以及加热器。该管包括：侧壁，所述侧壁具有暴露于第一腔室和第二腔室的外表面、以及内表面；位于第二腔室一侧的第一开口；位于第一腔室一侧的第二开口；以及位于管内的气体流动通道。该管被构造为接收来自第二腔室的液体，并且加热器可操作以将包含在第一腔室中的管中的液体的相改变为蒸汽，使得将蒸汽提供到第一腔室中。第一腔室中的压力高于气体通道中的压力，使得第一腔室中的蒸汽通过穿过管的孔而流到气体流动通道。气体流动通道因来自第一腔室的蒸汽流而变得过饱和。
管用作液体流动通道，其允许来自第二腔室的液体朝向第一腔室一侧移动。即，管用作向第一腔室供应液体的介质。此外，当被加热器加热时，该管还向第一腔室提供蒸汽。此外，管包括多个孔，这些孔允许第一腔室中的蒸汽通过孔并经由第一腔室和气体流动通道之间的扩散和蒸汽压差流入气体流动通道。
本文将更详细地描述液滴发生器和使用液滴发生器产生液滴的方法。
图1A描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的液滴发生器的截面图。
如图1A所示，腔室110包括由壳体111和管130界定的封闭空间112。具体地，封闭空间112由壳体111和管130的外表面132界定。即，腔室110的部分被穿过腔室110的管130排除在外。虽然图1A将封闭空间112描绘为矩形，但封闭空间112的形状不限于此。在实施例中，腔室110的中心轴线可以与管130的中心轴线平行。例如，腔室110的中心轴线可以与管130的中心轴线重叠。作为另一示例，管130的中心轴线可以偏离腔室110的中心轴线，但是腔室110的中心轴线可以平行于管130的中心轴线。封闭空间112填充有具有蒸汽的气体。蒸汽可以是水蒸汽，或任何有机化合物的蒸汽，在所述有机化合物中羟基键合到烷基或取代的烷基的碳原子，所述有机化合物包括但不限于异丙醇、丁醇、甲醇、乙醇、或水与此类有机化合物的任何组合。封闭空间112中的气体可以包括不可凝气体，例如先前溶解在液体中的气体。
管130具有各种功能。首先，管130用作液体流动通道，其允许来自外部液体供应器的液体通过毛细管作用经由侧壁136沿﹣x方向移动。其次，管130在被加热器150加热时将蒸汽提供到腔室110中。例如，管中的液体在被加热器150加热时蒸发到腔室110中。第三，管130包括多个孔，这些孔允许第一腔室110中的蒸汽通过孔并流入气体流动通道142。例如，管130可以由具有孔结构的亲水性聚合物制成，下面将参照图1B和图1C进行详细描述。
如下文更详细描述的那样，在腔室110处的侧壁136中的液体可以通过加热器150相变成蒸汽。液体可以是水以及其中羟基与烷基或取代烷基的碳原子键合的任何有机化合物，所述有机化合物包括但不限于异丙醇、丁醇、甲醇、乙醇、或水和此类有机化合物的任何组合。加热器150可以安装在腔室110中的任何位置。例如，加热器150可以安装在管130的外表面132处。作为另一个示例，加热器150可以安装在管130的外表面132上。蒸汽流入腔室110的封闭空间112中。然后，腔室110中的蒸汽通过管130的孔被朝向气体流动通道142输送。
图1B和1C描绘了包括管130的一部分的区域137的放大图。管130可由亲水聚合物制成。例如，管130可以由滤纸制成。管130可以包括纤维素纤维。管130包括具有多个孔的孔结构。包含在管130中的液体填充管130的孔，如图1B中的对角线所示。应该理解的是，图1B和图1C中描绘的管130的孔和整体孔结构仅用于说明目的，这是因为孔可以沿任何方向行进并且具有不同的尺寸。
当管130的外表面被加热器150(图1B和1C中未示出)加热时，管130中所含的液体蒸发进入腔室110，如图1A中的箭头所示。当管130的外表面的温度高于管130的内表面的温度时，液体的蒸发从管130的外表面处开始。蒸发产生的蒸汽可能会积聚在腔室110的封闭空间112中，只要蒸汽压力也增加即可。
当封闭空间112中的蒸汽压力(Pvapor)小于管130中的毛细管压力(Pcapillary)时，封闭空间112中的蒸汽可能被管130中的液体阻挡并且可能无法通过管130。具体地，参考图1B，封闭空间112中的蒸汽压力(Pvapor)小于管130中的毛细管压力(Pcapillary)。毛细管压力(Pcapillary)由孔结构的孔径、液体在管130中的表面张力、以及液体和孔结构之间的接触角决定。毛细管压力可以通过Young﹣Laplace方程估算：
Pcapillary＝σ·cosθ/d 方程(1)
其中：Pcapillary是毛细管压力，σ是液体122的表面张力，θ是液体和孔结构之间的接触角，d是孔径。随着蒸汽被加热器150连续引入封闭空间112，封闭空间112中的蒸汽压力(Pvapor)持续增加。
当蒸汽压力(Pvapor)达到高于毛细管压力(Pcapillary)的某一水平时，蒸汽压力开始形成一条或多条通过管130的侧壁的孔结构的路径。例如，参照图1C，在管130的侧壁的孔结构中形成路径160。路径160的形状和尺寸可以根据蒸汽压力(Pvapor)和毛细管压力(Pcapillary)的动力学随机确定。由于封闭空间112中的压力和气体流动通道142中的压力的压力差，路径160允许封闭空间112中的蒸汽通过管130。即，封闭空间112中的压力大于气体流动通道142中的压力，使得封闭空间112中的蒸汽如箭头162所示流入气体流动通道142。管130中的液体可以如箭头164所示沿着路径160蒸发，使得蒸汽被供应到路径160并流入气体流动通道142。
蒸汽从腔室110流入气体流动通道142增加了气体流动通道142内的湿度并使气体流动通道142处于过饱和状态，从而通过凝结引发颗粒的生长。例如，如图1A所示，在颗粒上形成凝结液滴146﹣1、146﹣2和146﹣3。腔室110中的蒸汽的温度高于气体流动通道142中的含颗粒的气体的温度。因此，来自腔室110的蒸汽可以容易地凝结在颗粒和包括颗粒的液滴上。
参照图1A，管130构造成将含颗粒气流140引入管130内部的气体流动通道142中。含颗粒气流140可包括任意数量的各种颗粒，包括但不限于柴油颗粒、微生物、化学化合物等。含颗粒气流140还可以包括挥发性有机化合物、化学气体、病毒和细菌等。含颗粒气流140的载体可以例如是氧气或氮气等气体。可以通过任何方式将含颗粒气流140连续地吸入第一开口133中。作为示例而非限制，抽吸泵(未示出)可用于将含颗粒空气吸入管130中。当含颗粒气流140沿﹣x方向穿过气体流动通道142时，凝结液滴形成在颗粒上，例如液滴146﹣1、146﹣2和146﹣3，然后该液滴146﹣1、146﹣2和146﹣3连续地离开气体流动通道142。颗粒可以是纳米级颗粒并且用作种子以变成水滴。凝结液滴在它们移动通过气体流动通道142时变得更大并增加重量，这是因为随着液滴在过饱和区域内行进，更多的蒸汽与液滴接触并在液滴上凝结。在这方面，纳米级颗粒生长为微米级水滴。
通过增加液滴(例如，146﹣1、146﹣2、146﹣3)的体积(即质量)，液滴的惯性也与体积增加成比例地迅速增加。例如，液滴发生器100在不到0.3秒的时间内将颗粒(例如，10nm颗粒)生长为3微米的水滴。在通过液滴发生器100的过程中，颗粒的初始惯性在0.3秒内增加了270万倍。
现在参照图2A，示出了根据一个实施例的液滴发生器100。所示实施例通常包括第一腔室110、第二腔室120、管130和加热器150。如图2A所示，管130沿x轴延伸穿过第一腔室110和第二腔室120。管130包括位于第二腔室120一侧的第一开口133和位于第一腔室110一侧的第二开口131。加热器150位于第一腔室110内并围绕管130的外表面132的一部分，如图2B所示。第一腔室110可以通过旁路通道114连接到第二腔室120。在一些实施例中，液滴发生器100可以不包括旁路通道114。
第二腔室120被构造为保持液体122，液体可以是水、其中羟基与烷基或取代烷基的碳原子键合的任何有机化合物，所述有机化合物包括但不限于异丙醇、丁醇、甲醇、乙醇、或水与此类有机化合物的任何组合。液体122可被第二腔室120中的管130吸收，并且所吸收的液体可通过毛细管力沿﹣x方向移动(即，朝向第一腔室110移动)。第一腔室110中的加热器150将包含在管130中的液体的相改变为蒸汽，从而将蒸汽提供到第一腔室110中。
图2B描绘了图1A中的液滴发生器100在x﹣z平面中的截面图。如图2A和2B所示，第一腔室110包括封闭空间112。封闭空间112由第一壳体111和管130的第一部分130﹣1限定。具体地，第一腔室110由第一壳体111和管130的第一部分130﹣1的外表面132限定。即，第一腔室110的部分被穿过第一腔室110的管130排除在外。虽然图2A将第一腔室110描绘为圆柱形腔室，但是第一腔室110的形状不限于此，并且第一腔室110可以具有不同的形状。在实施例中，第一腔室110的中心轴线可以与管130的中心轴线平行。例如，第一腔室110的中心轴线可以与管130的中心轴线重叠。作为另一示例，管130的中心轴线可以偏离第一腔室110的中心轴线，然而第一腔室110的中心轴线可以平行于管130的中心轴线。
如图2A和2B所示，第二腔室120由第二壳体121和管130的第二部分130﹣2界定。具体地，第二腔室120由第二壳体121和管130的第二部分130﹣2的外表面132界定。也就是说，第二腔室120的部分被穿过第二腔室120的管130排除在外。虽然图2A将第二腔室120描绘为圆柱形腔室，但第二腔室120的形状不限于此，第二腔室120可以具有不同的形状。在实施例中，第二腔室120的中心轴线与管130的中心轴线平行。例如，第二腔室120的中心轴线可以与管130的中心轴线重叠。作为另一示例，管130的中心轴线可以偏离第二腔室120的中心轴线，然而第二腔室120的中心轴线可以平行于管130的中心轴线。
如上文参照图2A所示，第二腔室120被构造为保持液体122。第一腔室110和第二腔室120彼此分离，使得第二腔室120中的液体122除了通过管130之外不会流入第一腔室110。第二壳体121可以包括液体入口(未示出)，以用液体122填充第二腔室120。在实施例中，第二腔室120可以完全填充有液体122，或部分填充有液体122。
如图2A和2B所示，管130包括位于第二腔室120侧的第一开口133和位于第一腔室110侧的第二开口131。管130包括具有外表面132和内表面134的侧壁136。侧壁136可以具有任何合适的几何形状，例如圆柱形或矩形，并且可以具有介于0.5微米和5厘米之间的厚度。
管130具有各种功能。首先，管130提供保持在第二腔室120内的液体122和气体流动通道142之间的分离。其次，管130用作液体流动通道，其允许来自第二腔室120的液体经由侧壁136通过毛细管作用朝向第一腔室110侧移动。例如，第二腔室120中的液体122被管130的第二部分130﹣2吸收，所吸收的液体流向管130的第一部分130﹣1。第三，当被加热器150加热时，管130将蒸汽提供到第一腔室110。例如，管的第一部分130﹣1中的液体在被加热器150加热时蒸发到第一腔室110中。第四，管130包括多个孔，所述多个孔允许第一腔室110中的蒸汽穿过孔并通过第一腔室110和气体流动通道142之间的扩散和蒸汽压差流入气体流动通道142。
如上文参照图1A和图1B所示，第一腔室110处的侧壁136中的液体可以被第一腔室110中的加热器150相变为蒸汽，并且蒸汽流入第一腔室110。然后，第一腔室110中的蒸汽经由穿过管130的侧壁的孔结构的一条或多条路径朝向气体流动通道142输送。该一条或多条路径如上文参照图1B和1C所描述的那样产生。
参照图2A和2B所示，第一开口133被构造为将含颗粒气流140引入管130内的气体流动通道142中。含颗粒气流140可以包括任意数量的各种颗粒，包括但不限于柴油颗粒、微生物、化合物等。含颗粒气流140还可以包括挥发性有机化合物、化学气体、病毒和细菌等。含颗粒气流140的载体可以是气体，例如氧气或氮气。可以通过任何方式将含颗粒气流140连续地吸入第一开口133中。作为示例而非限制，抽吸泵(未示出)可用于将含颗粒空气吸入第一开口133中。当含颗粒气流140沿﹣x方向穿过气体流动通道142时，在颗粒上形成凝结液滴，例如，液滴146﹣1、146﹣2、146﹣3，液滴146﹣1、146﹣2、146﹣3然后在第二开口131处连续地离开气体流动通道142。颗粒可以是纳米级颗粒并且用作种子以变成水滴。凝结液滴在它们移动通过气体流动通道142时变得更大并增加重量，这是因为随着液滴在过饱和区域内行进，更多的蒸汽与液滴接触并在液滴上凝结。在这方面，纳米级颗粒生长为微米级水滴。
通过增加液滴(例如，146﹣1、146﹣2、146﹣3)的体积(即，质量)，液滴的惯性也与体积增加成比例地迅速增加。例如，液滴发生器100在不到0.3秒的时间内将颗粒(例如，10nm颗粒)生长为3微米的水滴。在通过液滴发生器100的过程中，颗粒的初始惯性在0.3秒内增加了270万倍。
虽然液滴随着它们移动通过气体流动通道142而生长并增加重量，但液滴还可以收集挥发性有机化合物(VOC)和/或气态化学物质。液滴用作收集VOC和/或化学气体的介质。水滴(例如，146﹣1、146﹣2、146﹣3)表面附近的VOC和/或气态化学物质通过从较高化学浓度区域(例如，水滴以外的区域)扩散而自发地移动到水滴表面浓度较低的区域。在液滴生长的同时，从第一腔室110产生的蒸汽连续地凝结在液滴的表面上。新凝结的蒸汽使液滴浓度降低。因此，液滴连续收集VOC和气态化学物质而不会饱和。可以用下面的Fick定律解释朝向水滴的VOC和/或气态化学扩散。
Figure BDA0003588623130000101
(2)
Figure BDA0003588623130000103
其中，JVOC是扩散性VOC(和/或气态化学物质)转移率(kmol/秒)，Area是水滴的表面积(m2)，Ctotal是总浓度(kmol/m3)，DVOC是VOC(和/或气态化学物质)在混合物中的的扩散率(m2/second)，以及
Figure BDA0003588623130000104
是VOC(和/或气态化学物质)与混合物之间的浓度比。第二开口131可与用于分析产生的液滴的外部传感装置(未示出)(例如，颗粒过滤器、颗粒收集器、颗粒计数器、颗粒分析仪、化学分析仪、生物标志物分析仪、或生物物种分析仪)相连。外部传感装置可以通过无线或有线通信与附加系统或子系统通信。例如，外部传感装置可以通过诸如蜂窝网络、卫星通信网络、WiFi网络等的无线网络可通信地耦合到远程计算机。虽然图中没有说明，但是本文所述的实施例还可以包括在管130之前的饱和器/预处理器部分，通过该饱和器/预处理器部分，含颗粒气流140可以在进入管130之前被调节到指定的温度和饱和比。例如，可以在进入管130的第一开口133之前通过冷却元件降低含颗粒气流140的温度。
在图2B所示的实施例中，第一腔室110可以通过旁路通道114连接到第二腔室120。旁路通道114可操作以调节第一腔室110的内部压力。例如，如果第一腔室110中的压力远远大于第二腔室120中的压力(例如，第一腔室110中的压力与第二腔室120中的压力之间的差值大于预定值)，则旁路通道114的端口打开并且允许第一腔室110中的蒸汽流入第二腔室120。通过降低第一腔室110中的压力和增加第二腔室120中的压力，可以增强将管130中的液体122拉向﹣x方向的毛细管力并帮助液体122顺着管130沿﹣x方向流动。因此，控制第一腔室110中的压力可以有助于将蒸汽供应到第一腔室110中。
加热器150可以围绕第一腔室110中的管130的外表面132的一部分。例如，加热器150可以是由加热元件材料制成的线材，其缠绕在第一部分130﹣1的外表面132周围。加热器150为管130中包含的相变液体提供热能并产生垂直于含颗粒气流140的方向的温度梯度。例如，图4A示出了管130的内表面134沿含颗粒气流140的方向的温度。加热器150可以包括加热元件，该加热元件在接收到控制电流或电压时产生热量。
图4B示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的液滴发生器的第一腔室的一部分中的温度测量点。图4C示出了显示对应于图4B中的温度测量点的温度分布的曲线图。如图4C所示，点③(即，加热器主体和与管130的外表面132接触的接触表面)处的温度最高，并且随着温度测量点沿+z方向移动，温度降低。类似地，温度可以随着温度测量点从点③沿﹣z方向移动而降低，并且在气体流动通道142的中心处(即，在点⑥处)变得最低。如图4C所示，由于第一腔室110中的蒸汽温度相对高于气体流动通道142中的气体和/或颗粒的温度，因此来自第一腔室110的蒸汽可以容易地凝结在气体流动通道142中的颗粒和含颗粒液滴上。另外，如图4C所示，点③(即，加热器主体和与管130的外表面132接触的接触表面)的温度高于点④(即，管130的内表面134)的温度。因此，管130中的液体蒸发发生在管130的外表面132，并且蒸汽被供应到第一腔室110中。
虽然图1A和1B示出了围绕管130的外表面132的加热器150，但其他构造也是可行的。在一些实施例中，如图5所示，加热器510可以被构造为围绕第一腔室110的第一壳体111。加热器510可以围绕第一腔室的第一壳体111的全部或一部分。在此实施例中，管130的第一部分130﹣1中的液体可以被加热器510间接加热，并且管130的外表面132上的液体蒸发到第一腔室110中。
在一些实施例中，可以调节加热器150的长度，使得它向管130或第一壳体111的外表面132的整个长度或一部分提供热量以提供最佳操作条件。例如，如图6A所示，加热器150的加热丝仅围绕管130的第一部分130﹣1的中心部分。在该示例中，加热丝可以密集地缠绕在外表面132周围，使得第一部分130﹣1的外表面132的中心部分基本上不暴露于第一腔室110(图6A中未示出)，而外表面132的其余部分暴露于第一腔室110。暴露的外表面132可以包括多个孔并允许第一腔室110中的蒸汽通过管130的多个孔流入气体流动通道142。
作为另一个示例，如图6B所示，加热器150的加热丝围绕管130的整个第一部分130﹣1。在该示例中，加热丝可以稀疏地缠绕在管130的第一部分130﹣1的外表面132周围，使得外表面132暴露在缠绕的丝之间。缠绕的丝之间的暴露外表面132可以包括多个孔并且允许第一腔室110中的蒸汽通过多个孔流入气体流动通道142。作为另一个示例，如图6C所示，表面加热器可以围绕管130的一部分。
仍然参照图2B，在一些实施例中，管130可包括两层壁，包括外壁130A和内壁130B。外壁130A可以是亲水层，而内壁130B可以是疏水层。外壁130A的作用类似于上文描述的侧壁136。例如，外壁130A用作液体通道，其允许来自第二腔室120的液体通过毛细管作用经由侧壁136朝向第一腔室110侧移动，并且当被加热器150加热时将蒸汽提供到第一腔室110中。外壁130A还包括多个孔，这些孔允许第一腔室110中的蒸汽穿过孔并通过第一腔室110和气体流动通道142之间的扩散和/或蒸汽压差流入气体流动通道142。
内壁130B可以由一个或多个疏水层构成，所述疏水层包括具有多个孔的纳米或微米尺寸的孔结构。包括一个或多个疏水层的内壁130B防止液体进入气体流动通道142并破坏含颗粒气流140。在润湿壁装置中，液体可能由于诸如冲击的外力而进入管中，或者可能仅在竖直方向上有效运行。内壁130B可以包括多个孔，这些孔允许第一腔室110中的蒸汽通过孔并经由第一腔室110和气体流动通道142之间的扩散和/或蒸汽压力差流入气体流动通道142。虽然因内壁130B是疏水层而防止外壁中的液体通过内壁130B，但基于第一腔室110和气体流动通道142之间的扩散和/或蒸汽压差，第一腔室110中的蒸汽可以通过内壁130B的多个孔。
图3描绘了根据本文所示和描述的一种或多种实施例的使用过饱和条件来产生液滴。现在将描述连续液滴发生器的操作和操作参数。关于液滴发生器的设计的一个问题可能是管130内的过饱和条件的可持续性，该过饱和条件通过凝结来促进颗粒生长。饱和比(或超饱和度)可以定义为：
Figure BDA0003588623130000131
其中，pv是蒸汽分压，psat(T)是温度T下蒸汽的饱和压力。对于水而言，饱和比可以进一步定义为相同温度下的实际比湿度与饱和比湿度的比值。如果结果值小于1，则该条件被认为是不饱和的。如果结果值等于1，则该条件是饱和的。如果结果值大于1，则该条件被认为是过饱和的。过饱和意味着蒸汽在给定温度下过度存在。颗粒暴露于过饱和蒸汽导致吸收形式的蒸汽沉积，联合蒸汽凝结，从而致使液滴在颗粒周围生长。
连续液滴发生器使颗粒成核的功效取决于流场以及蒸发﹣冷凝管内的热和质量传输。当初始粒径小于平均气体自由程时，由颗粒诱导的液滴生长速率由蒸汽分子的随机分子碰撞速率决定。碰撞速率可由气体动力学理论给出：
Figure BDA0003588623130000141
其中M是液体的分子量，m是蒸汽分子的质量，λ是含颗粒气体的平均自由程，ρp是颗粒密度，t是时间，k是每个分子的气体常数，Na是阿伏伽德罗常数。
对于大于气体平均自由程的颗粒，生长不取决于随机分子碰撞的速率，而是取决于分子扩散到液滴表面的速率。这类似于气溶胶颗粒的凝结：
Figure BDA0003588623130000142
参照图3，由于第一腔室110与区域310之间的压力差，在第一腔室110中的蒸汽连续流入管130的气体流动通道后，管130内的区域310变为过饱和状态。因此，当含颗粒气体进入过饱和的区域310，区域310中的蒸汽凝结在颗粒上和含颗粒液滴上。
图7示出了根据本文所示和描述的另一个实施例的、包含在管130中的液体的相变和通过压力驱动进入气体流动通道的蒸汽。
液滴产生器700与图1A至图1B所示的液滴产生器100相同。在本实施例中，容纳在第二腔室120内的液体122可为水或酒精。与图1B所示的其中含颗粒气流140通过进入第二开口131而流入气体流动通道142的实施例相反，在本实施例中，含颗粒气流720通过进入第一开口133而流入气体流动通道142。第二腔室120中的液体122被管130吸收并朝向第一腔室110移动。然后，第一腔室110处的管130中的液体可以通过加热器150相变成蒸汽并且蒸汽流入到第一腔室110中。第一腔室110中的蒸汽随后通过管130的孔被输送向气体流动通道142，这是因为第一腔室110中的蒸汽压力高于气体流动通道142中的蒸汽压力，如上所述。
随着含颗粒气流140在+x方向上穿过气体流动通道142，在颗粒上形成凝结液滴，例如液滴722﹣1、722﹣2和722﹣3，然后该液滴连续在第一开口133处离开气体流动通道142。与图3中的过饱和区域310相反，在本实施例中，图7中的区域710由于酒精的特性而变得过饱和。在该实施例中，随着气体沿+x方向行进，含颗粒气体的温度降低，并且当汽化的酒精行进通过区域170时，汽化的酒精可能会凝结在气体流动通道142中的颗粒和含颗粒液滴上。
图8描绘了根据本文所示和描述的另一个实施例的包括多个管的液滴发生器800。
所示实施例通常包括第一腔室810、第二腔室820、多个管830和多个加热器850。如图8所示，多个管830中的每一个都沿x轴延伸穿过第一腔室810和第二腔室820。多个管830中的每一个均包括在第二腔室820一侧的第一开口833和在第一腔室810一侧的第二开口831。多个加热器850中的每一个在第一腔室810内并且围绕多个管830中的每一个的外表面的一部分。第一腔室810可以通过旁路通道814连接到第二腔室820。在一些实施例中，液滴发生器100可以不包括旁路通道814。
第二腔室820被构造为保持液体822，其可以是水、其中羟基与烷基或取代烷基的碳原子键合的任何有机化合物，所述有机化合物包括但不限于异丙醇、丁醇、甲醇、乙醇或水与此类有机化合物的任何组合。液体822可被第二腔室820中的多个管830吸收，并且所吸收的液体可沿﹣x方向(即，朝向第一腔室810)移动。第一腔室810中的多个加热器850中的每一个将包含在多个管830中的每一个中的液体的相改变为蒸汽，使得蒸汽被提供到第一腔室810中。
第一腔室810包括封闭空间812。封闭空间812由第一壳体811和多个管830界定。具体地，封闭空间812由第一壳体811和多个管830的外表面界定。即，第一腔室810为圆柱形腔室，多个管830穿过第一腔室810。第二腔室820由第二壳体821和多个管830界定。具体地，第二腔室820由第二壳体821和多个管830的外表面界定。也就是说，第二腔室820是圆柱形腔室，并且多个管830穿过第二腔室820。
第一腔室810和第二腔室820彼此分离，使得第二腔室820中的液体822除了经由多个管830外不流入第一腔室810。第二壳体821可以包括液体入口(未示出)，以用液体822填充第二腔室820。
每个管830均可以具有与上述管130相似的结构。例如，每个管830均包括具有外表面和内表面的侧壁。侧壁可以具有任何合适的几何形状，例如圆柱形或矩形，并且可以具有大约在0.5微米和5厘米之间的厚度。每个管830均具有各种功能。首先，管830提供保持在第二腔室820内的液体822与多个管830中的每一个内的气体流动通道之间的分离。其次，管830用作液体通道，该液体通道允许来自第二腔室820的液体通过毛细管作用经由管830的侧壁向第一腔室810一侧移动。第三，当被加热器850加热时，管830将蒸汽提供到第一腔室810的封闭空间812中。第四，管830包括多个孔，这些孔允许第一腔室810的封闭空间812中的蒸汽通过孔并经由扩散和/或第一腔室810和气体流动通道之间蒸汽压差流入每个管830内的气体流动通道。
现在应该理解，本公开的实施例可以提供基于蒸汽压差有效地产生过饱和区域的液滴发生器装置。液滴发生器装置包括第一腔室、容纳液体的第二腔室、延伸穿过第一腔室和第二腔室的管、以及加热器。管包括具有内表面和暴露于第一腔室和第二腔室的外表面的侧壁、位于第二腔室一侧的第一开口、位于第一腔室一侧的第二开口、以及位于管内的气体流动通道。该管被构造为接收来自第二腔室的液体，并且加热器可操作以将包含在第一腔室中的管中的液体的相改变为蒸汽，使得将蒸汽提供到第一腔室中。第一腔室中的压力高于气体通道中的压力。第一腔室110中的蒸汽随后通过管130的侧壁的孔结构经由一条或多条路径被输送到气体流动通道142。所述一条或多条路径如上文参照图1B和图1C所描述的那样产生。气体流动通道因蒸汽的流动而变得过饱和。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对这里描述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文描述的各种实施例的修改和变化，只要这些修改和变化落入所附权利要求及其等效物的范围内。

Claims (34)

1.一种液滴发生器，所述液滴发生器包括：
腔室，所述腔室包括填充有具有蒸汽的气体的封闭空间；
延伸通过所述腔室的管，所述管包括侧壁，所述侧壁具有暴露于所述腔室的所述封闭空间的外表面、和内表面；
位于所述管内的气体流动通道；和
位于所述腔室中的加热器，
其中：
所述管包含液体；
所述加热器能够操作成将包含在所述管中的所述液体的相改变为蒸汽，使得所述蒸汽被提供到所述封闭空间中；并且
所述封闭空间内的压力高于所述气体流动通道内的压力，使得所述封闭空间内的蒸汽通过穿过所述管的侧壁而流入所述气体流动通道。
2.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述封闭空间由壳体和所述管的所述外表面界定。
3.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述加热器是被构造为在所述腔室内围绕所述管的所述外表面的至少一部分的加热元件。
4.根据权利要求3所述的液滴发生器，其中，所述加热器位于所述腔室内的所述管的所述外表面上。
5.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述加热器被构造为围绕所述腔室的壳体。
6.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述加热器包括线状加热器或表面加热器。
7.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述管的外表面的温度高于所述管的内表面的温度。
8.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述管包括亲水层。
9.根据权利要求8所述的液滴发生器，其中，所述亲水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成为所述蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
10.根据权利要求9所述的液滴发生器，其中，所述路径响应于所述封闭空间中的所述压力变得大于所述管的毛细管压力而产生。
11.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述管包括亲水层和在所述亲水层内部的疏水层。
12.根据权利要求11所述的液滴发生器，其中，所述疏水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成为所述蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
13.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述液体包括水、其中羟基(﹣OH)与烷基或取代烷基的碳原子键合的有机化合物、或它们的组合。
14.根据权利要求1所述的液滴发生器，其中，所述加热器被构造为产生垂直于所述气体流动通道中的气流的行进方向的温度梯度。
15.根据权利要求1所述的液滴发生器，所述液滴发生器还包括：
容纳液体的第二腔室，其中：
所述管延伸穿过所述腔室和所述第二腔室；
所述管的所述外表面暴露于所述第二腔室中的液体；并且
所述管包括位于所述第二腔室一侧的第一开口、以及位于所述腔室一侧的第二开口。
16.根据权利要求15所述的液滴发生器，其中：
所述第一开口被构造为接收包含颗粒的气流；和
所述第二开口构造成输出产生的凝结液滴。
17.根据权利要求15所述的液滴发生器，其中，所述第二开口被构造为联接到一个或多个传感装置；并且
所述传感装置包括以下中的一种或多种：颗粒收集器、颗粒计数器、颗粒分析仪、化学分析仪、生物标志物分析仪、生物物种分析仪。
18.根据权利要求15所述的液滴发生器，其中，所述腔室通过旁路通道连接到所述第二腔室。
19.根据权利要求18所述的液滴发生器，其中，所述旁路通道的端口被构造为响应于所述腔室中的压力与所述第二腔室中的压力之间的差大于阈值而打开。
20.一种液滴发生器，所述液滴发生器包括：
腔室，所述腔室包括填充有具有蒸汽的气体的封闭空间；
多个管，所述多个管在所述腔室内延伸，所述多个管中的每一个都包括侧壁，所述侧壁具有暴露于所述腔室的所述封闭空间的外表面、和内表面；
位于所述多个管内的多个气体流动通道；以及
多个加热器，所述多个加热器中的每一个均能够操作成将容纳在所述腔室中的所述多个管之一中的液体的相改变为蒸汽，使得所述蒸汽被提供到所述封闭空间中，
其中，所述腔室的所述封闭空间中的压力高于所述多个气体通道中的压力，使得所述封闭空间中的所述蒸汽通过穿过所述多个管的侧壁而流到所述多个气体流动通道。
21.根据权利要求20所述的液滴发生器，其中，所述多个管中的每一个都包括亲水层。
22.根据权利要求21所述的液滴发生器，其中，所述亲水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成向所述蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
23.根据权利要求20所述的液滴发生器，其中，所述管包括亲水层和在所述亲水层内部的疏水层。
24.根据权利要求23所述的液滴发生器，其中，所述疏水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成向所述蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
25.根据权利要求22所述的液滴发生器，其中，所述路径响应于所述封闭空间中的压力大于所述管的毛细管压力而产生。
26.根据权利要求20所述的液滴发生器，所述液滴发生器还包括：
容纳液体的第二腔室，其中：
所述多个管延伸穿过所述腔室和所述第二腔室；
所述多个管中的每一个的所述外表面均暴露于所述第二腔室中的所述液体；并且
所述多个管中的每一个均包括位于所述第二腔室一侧的第一开口以及位于所述腔室一侧的第二开口。
27.根据权利要求26所述的液滴发生器，其中，所述腔室通过旁路通道连接到所述第二腔室。
28.根据权利要求27所述的液滴发生器，其中，所述旁路通道的端口被构造为响应于所述腔室中的压力与所述第二腔室中的压力之间的差大于阈值而打开。
29.一种产生连续液滴的方法，所述方法包括：
在液滴发生器的腔室内提供管；
向所述液滴发生器的所述管提供液体；
用所述腔室中的加热器加热所述液滴发生器的所述腔室中的所述管，以将包含在所述腔室中的所述管中的液体的相改变为蒸汽，使得所述蒸汽被提供到所述腔室的封闭空间中；
使所述封闭空间内的蒸汽通过所述管的侧壁而流到所述管内的气体流动通道；和
使含颗粒气流通过所述气体流动通道。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述管包括亲水层。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述亲水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成向蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述管包括亲水层和在所述亲水层内部的疏水层。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述疏水层包括孔结构，所述孔结构能够操作成向蒸汽提供从所述腔室到所述气体流动通道的路径。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述路径响应于所述封闭空间中的压力大于所述管的毛细管压力而产生。
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