CN114733474B - 一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，包括壳体组件、燃料供给单元以及电喷射雾化单元。电喷射雾化单元设置于壳体组件上，电喷射雾化单元包括发射极和加速组件，加速组件位于发射极沿第一方向的一侧，发射极和加速组件之间形成沿第一方向的加速电场。电喷射雾化单元包括发射极和加速组件，且在发射极和加速组件之间形成由壳体组件外向壳体组件内的电场环境，当发射极中发射含前驱液的雾化液滴后，雾化液滴经过电场的加速作用，能够快速射入至位于壳体组件内部的燃烧火焰中。即本申请的电喷射雾化单元能够减少由于燃烧火焰时的高温高压复杂环境，导致电喷射辅助雾化方式与高温燃烧火焰的耦合难度大的问题。

Description

一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置

技术领域

本发明涉及纳米颗粒合成技术领域，特别是涉及一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置。

背景技术

燃烧火焰合成是国际燃烧学科上持续关注的前沿技术，作为燃料领域的一个新兴分支方向，可用于合成陶瓷、光学、电子、催化、光伏、电化学及传感器在内多个领域所需的纳米颗粒。

燃烧火焰合成纳米颗粒是利用前驱液在火焰中反应以生成对应成分的纳米颗粒的过程。而在纳米颗粒合成前，一般需要将前驱液以雾化的形式喷射至火焰中。常见的前驱液的雾化方式有超声波雾化、双流体雾化以及电喷射辅助雾化方式。其中，电喷射辅助雾化方式以超细液滴雾化及单一粒径分散能力而著称，对合成高性能纳米颗粒有直接的促进作用。

然而，由于电喷射辅助雾化方式与高温燃烧复杂火焰场的耦合难度大，导致电喷射辅助雾化方式在当前火焰合成领域中并未广泛应用。

发明内容

基于此，有必要针对电喷射辅助雾化方式与高温燃烧复杂火焰场的耦合难度大的问题，提出一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置。

一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，包括：

壳体组件；

燃料供给单元，用于向所述壳体组件内提供燃料，使得所述壳体组件内产生燃烧火焰；以及

电喷射雾化单元，设置于所述壳体组件上，所述电喷射雾化单元包括发射极和加速组件，所述加速组件位于所述发射极沿第一方向的一侧，所述发射极和加速组件之间形成沿第一方向的加速电场，所述发射极用于发射含前驱液的雾化液滴，所述第一方向为所述壳体组件由外向内的方向。

在其中一个实施例中，所述加速组件包括加速极板，所述发射极具有发射雾化液滴的发射孔，所述加速极板上开设有与所述发射极的发射孔位置对应的提取孔，所述发射极接正极电压，所述加速极板接地。

在其中一个实施例中，所述加速组件还包括提取极板，所述提取极板位于所述发射极和所述加速极板之间，所述提取极板接正极电压，且所述提取极板的电压值小于所述发射极的电压值，所述提取极板上开设有与所述发射孔位置对应的加速孔。

在其中一个实施例中，所述发射极与所述提取极板之间的距离小于所述提取极板与加速极板之间的距离。

在其中一个实施例中，所述发射极包括发射刃孔板，所述发射刃孔板上开设有多个孔深方向沿所述第一方向的发射孔，所述发射孔沿所述第一方向渐缩，且所述发射孔沿所述第一方向的一端为长条状发射口。

在其中一个实施例中，所述发射极还包括储液箱和多孔分布板，所述储液箱位于所述发射刃孔板远离所述壳体内部的一侧，所述多孔分布板位于所述储液箱内，且紧贴所述发射刃孔板。

在其中一个实施例中，所述电喷射雾化单元的数量为多个，多个所述电喷射雾化单元沿周向均匀设置于所述壳体组件。

在其中一个实施例中，所述壳体组件为正六边形柱体结构，所述电喷射雾化单元的数量为三个，三个所述电喷射雾化单元一一对应分别设置在所述正六边形柱体结构的三个互不相邻的侧壁上。

在其中一个实施例中，所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括底座，所述壳体组件包括外部壳体、中间壳体以及内部壳体，所述外部壳体、中间壳体以及内部壳体由外向内依次排列且分别设置在所述底座上，所述发射极设置在所述外部壳体上，所述提取极板设置在所述中间壳体上，所述加速极板设置在内部壳体上，所述燃料供给单元设置在所述底座上。

在其中一个实施例中，所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括轴心电极，所述轴心电极设置于所述壳体组件内，且其长度方向沿第二方向，所述轴心电极接负极电压，所述第二方向与所述第一方向垂直；所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括绝缘套管，所述绝缘套管套设在所述轴心电极的外部，所述绝缘套管与所述轴心电极之间具有间隙，所述间隙中用于通入氮气。

上述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，电喷射雾化单元包括发射极和加速组件，且在发射极和加速组件之间形成由壳体组件外向壳体组件内的电场环境，一方面，在电场的作用下，便于从发射极中引射出前驱液射流，并进一步雾化成均匀细液滴；另一方面前驱液细液滴能够在电场作用下，加速射入至位于壳体组件内部的燃烧火焰中。即本申请的电喷射雾化单元能够解决电喷射辅助雾化方式与高温燃烧复杂火焰场耦合难度大等问题，从而使得电喷射辅助雾化的方式能广泛用于火焰合成功能纳米颗粒。

附图说明

图1为一实施例中的电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置结构示意图；

图2为图1中B-B向结构示意图；

图3为图2中A-A向结构示意图；

图4为电喷射雾化单元的放大结构示意图；

图5为发射刃孔板的结构示意图；

图6为提取极板的结构示意图。

附图标记：100-壳体组件；110-底座；120-外部壳体；130-中间壳体；140-内部壳体；

200-燃料供给单元；210-燃料进气管；220-氧气进气管；230-燃料分配箱；240-氧气分配箱；

300-电喷射雾化单元；310-发射极；311-发射刃孔板；3111-发射孔；312-储液箱；313-多孔分布板；320-提取极板；321-提取孔；330-加速极板；331-加速孔；340-进液管；

400-轴心电极；410-绝缘套管；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1-图4，本发明一实施例提供了一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，用于使得前驱液经过燃烧火焰加热反应生成对应的功能纳米颗粒。例如，前驱液为Y₃ ⁺和Al₃ ⁺的无机盐，在燃烧火焰中反应，能够生成钇铝复合氧化物纳米颗粒。电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置包括壳体组件100、燃料供给单元200以及电喷射雾化单元300。燃料供给单元200用于向壳体组件100内提供燃料，使得壳体组件100内产生燃烧火焰。电喷射雾化单元300用于通过电喷射的方式为燃烧火焰产生含前驱液的辅助雾化液滴，电喷射雾化单元300设置于壳体组件100上，电喷射雾化单元300包括发射极310和加速组件，加速组件位于发射极310沿第一方向OX的一侧，发射极310和加速组件之间形成沿第一方向OX的加速电场，发射极310用于发射含前驱液的雾化液滴，加速电场用于增加雾化液滴的速度，第一方向OX为壳体组件100由外向内的方向。

在本实施例中，电喷射雾化单元300包括发射极310和加速组件，且在发射极310和加速组件之间形成由壳体组件100外向壳体组件100内的电场环境，一方面，在电场的作用下，便于从发射极310中引射出前驱液射流，并进一步雾化成均匀细液滴；另一方面前驱液细液滴能够在电场作用下，加速射入至位于壳体组件100内部的燃烧火焰中。即本申请的电喷射雾化单元300能够解决电喷射辅助雾化方式与高温燃烧复杂火焰场耦合难度大等问题，从而使得电喷射辅助雾化的方式能广泛用于火焰合成功能纳米颗粒。

此外，本申请通过采用电喷射雾化单元300与高温燃烧火焰耦合的方式，其中电喷射雾化单元300用于产生尺度均匀的亚微米液滴，亚微米液滴在燃烧火焰中蒸发，且由于蒸发后的液滴所带电荷超过瑞利极限，因此能够分裂产生更细的液滴，进一步提升了纳米颗粒合成性能。

在一些实施例中，参阅图4，加速组件包括加速极板330，发射极310具有发射雾化液滴的发射孔3111，加速极板330上开设有与发射孔3111位置对应的提取孔321，发射极310和加速极板330沿第一方向OX依次排列，发射极310接正极电压，加速极板330接地。

在本实施例中，发射极310接正高压电，其中电压范围为+1500V～+5000V之间。加速极板330接地。因此在发射极310与加速极板330之间形成沿第一方向OX的电场，一方面用于在靠近发射极310的位置处形成发射液滴，另一方面，便于发射液滴在电场的作用下，加速射流，从而便于快速射入至位于壳体组件100内部的燃烧火焰中。

进一步的，结合图4和图6，加速组件还包括提取极板320，提取极板320位于发射极310和加速极板330之间，提取极板320接正极电压，且提取极板320的电压值小于发射极310的电压值，提取极板320上开设有与发射孔3111位置对应的加速孔331。

在本实施例中，提取极板的电压范围为+100V～+500V之间，设置提取极板320，一方面，发射极310和提取极板320之间用于形成发射雾化液滴，提取极板320和加速极板330之间用于加速雾化液滴。通过提取极板320将雾化液滴的形成部分与加速部分分隔开，便于单独调节雾化液滴的形成部分或单独调节雾化液滴的加速部分。另一方面，加速极板330能够将雾化液滴的形成位置与火焰燃烧位置分隔，从而削弱燃烧火焰对发射极310和提取极板320的高温辐射。

具体的，发射极310与提取极板320之间的距离小于提取极板320与加速极板330之间的距离，以使得雾化液滴形成之后，具有足够大的加速空间，以获得较大的速度，便于快速射入至燃烧火焰内。

在一些实施例中，结合图4和图5，发射极310包括发射刃孔板311，发射刃孔板311上开设有多个孔深方向沿第一方向OX的发射孔3111，发射孔3111沿第一方向OX渐缩，且发射孔3111沿第一方向OX的一端为长条状发射口。

在本实施例中，发射孔3111可以是锥台型发射孔3111，锥台型发射孔3111有利于雾化液滴的前进。且为了形成较小颗粒的雾化液滴，长条状发射口的宽度小于0.1mm，即经过发射孔3111发射的雾化液滴为带状雾化滴，带状雾化液滴在电场的持续作用下能够分散以形成颗粒均匀的雾化液滴。

具体的，多个发射孔3111以阵列的方式均匀排列在发射刃孔板311上，即能够通过多个发射孔3111同时向燃烧火焰中发射雾化液滴，能够增加雾化液滴单位时间发射量，便于提高纳米颗粒的产量。且本申请的发射孔3111首先通过产生带状雾化液滴，然后再将雾化液滴分散的方式，能够增加单个发射孔3111的单位发射量。此外，相对于现有的电喷雾结构中直接使用直径较小的毛细管作为发射孔3111的方式，本申请的锥台型发射孔3111的尺寸相对于单个毛细管的尺寸较大，便于阵列布设；当需要产生相同流量的雾化液滴时，需要布设的锥台型发射孔3111的数量较少，即有利于加工生产发射极310。其中长条状发射口可以是矩形发射口，对应的，提取孔321和加速孔331均为与矩形发射口位置对应的矩形通孔。

进一步的，发射极310还包括储液箱312和多孔分布板313，储液箱312位于发射刃孔板311远离壳体内部的一侧，多孔分布板313位于储液箱312内，且紧贴发射刃孔板311。

在本实施例中，储液箱312通过进液管340与注射泵连接，注射泵能够连续供给前驱液至储液箱312中，储液箱312为方形薄壁壳层。发射刃孔板311与多孔分布板313紧贴，且发射刃孔板311处于多孔分布板313中心区域，多孔分布板313为方形高纯度泡沫导电铜板，厚度在1mm～2mm之间，孔隙率在60％-90％之间，多孔分布板313用于增大前驱液的穿透阻力，以使得向储液箱312中充入前驱液时，前驱液在储液箱312中液位快速上升的同时尚无法穿透，直至储液箱312中充满前驱液，从而能够保证多孔分布板313外表面完全浸润的同时能够稳定且均匀的向发射刃孔板311中输送前驱液，有利于在发射孔3111中产生稳定且均匀的雾化液滴。

在一些实施例中，结合图3，电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括轴心电极400，轴心电极400设置于壳体组件100内，且其长度方向沿第二方向OY，第二方向OY与第一方向OX垂直，轴心电极400接负极电压。

在本实施例中，第二方向OY可以是竖直方向，轴心电极400沿第二方向OY设置在火焰的中心位置处，轴心电极400接负极电压，以便于与发射极310的正极电压之间形成从发射极310至轴心电极400的电场，从而便于将雾化液滴引导至火焰中心位置处。其中，轴心电极400采用具有耐高温、且导电能力较强的二氧化钼材质，轴心电极400电压范围在-200V～-500V之间。轴心电极400的高度大于等于电喷射雾化单元300的高度，轴心电极400表面光滑处理。

进一步的，电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括绝缘套管410，绝缘套管410套设在轴心电极400的外部，用于防止轴心电极400向壳体外导电。绝缘套管410与轴心电极400之间具有间隙，间隙中用于通入氮气。一方面，氮气用于保护轴心电极400，以减少轴心电极400在燃烧火焰中的氧化作用；另一方面，氮气降低轴心电极400的温度，以延缓轴心电极400的使用寿命。

在一些实施例中，电喷射雾化单元300的数量为多个，多个电喷射雾化单元300沿轴向均匀设置于壳体组件100。多个均匀设置的电喷射雾化单元300用于同时向燃烧火焰中提供雾化液滴，用于增加电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置的合成纳米颗粒的产量。

在其中一个实施例中，结合图2，壳体组件100可以是正六边形柱体结构，电喷射雾化单元300的数量为三个，三个电喷射雾化单元300一一对应分别设置在正六边形柱体结构的三个互不相邻的侧壁上，轴心电极400位于正六边形柱体结构的轴线位置上。由于三个电喷射雾化单元300间隔设置以及电场的引导作用，三个电喷射雾化单元300产生的多股雾化液滴射流互不交叉，并且能够在轴心电极400的引导下汇聚于火焰中心区域，从而能够提升燃烧效率及稳定性。

具体的，电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置包括底座110，壳体组件100包括外部壳体120、中间壳体130以及内部壳体140，外部壳体120、中间壳体130以及内部壳体140分别设置在底座110上，且沿第一方向OX依次排列，发射极310设置在外部壳体120上，提取极板320设置在中间壳体130上，加速极板330设置在内部壳体140上，燃料供给单元200设置在底座110上。外部壳体120、中间壳体130以及内部壳体140同轴且等高设置，且均为正六边形柱体结构。壳体组件100为正六边形柱体结构，便于将多个壳体组件100集中且无间隔铺设，能够节约生产空间。此外，壳体组件100由石英材料制成，一方面，起绝缘作用；另一方面，便于通过壳体组件100观察火焰燃烧的情况，以及便于光学诊断。

在其他实施例中，在不考虑纳米颗粒稳定性以及产量的情况下，壳体组件100还可以是其他形状，例如球形、棱锥、正方体等。

在一些实施例中，结合图3，燃料供给单元200包括多个燃料进气管210和多个氧气进气管220，每个氧气进气管220套设在对应的燃料进气管210外，燃料进气管210和氧气进气管220分别与壳体内部连通。

在本实施例中，所用燃料为甲烷或氢气。燃料进气管210和氧气进气管220分别与穿过底座110与壳体内部连通，燃料进气管210和氧气进气管220同轴设置，便于在壳体组件100内形成稳定的多元分布扩散火焰。此外，为了便于将燃烧火焰集中在壳体组件100的中心区域，多个氧气进气管220均匀间隔排列在底座110上，且从底座110的中心位置向外扩散。具体的最外层的氧气进气管220应于与壳体组件100内表面的最小距离，应不小于内六角壳体内切圆半径的1/3，以用于减少火焰对壳体组件100的辐射作用。

进一步的，底座110内设置有燃料分配箱230和氧气分配箱240，燃料分配箱230位于氧气分配箱240的底部，燃料分配箱230通过燃料进气管210与壳体组件100内部连通，用于向壳体内部提供燃料；氧气分配箱240通过氧气进气管220与壳体组件100内部连通，用于向壳体内部提供氧气。

综上，本申请的电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，首先，在发射极310与提取极板320之间的六角环形空间内产生非均匀高强电场，在该高强电场的作用下，前驱物溶液首先被引射成薄壁片状或锥状流，且随着薄壁片状或锥状流的移动，还能在高强电场的作用下被二次雾化成均匀细液滴。其次，在发射极310和加速极板330之间构造由壳体组件100外向壳体组件100内的均匀电场环境，使得穿过提取极板320的雾化液滴被进一步加速。最后，在轴心电极400的引导作用下，雾化液滴向火焰中心区域偏转、聚集，从而最大程度实现高温火焰环境下雾化液滴的无差别、快速分解反应，最终获得粒径均匀、晶向稳定的高性能纳米粉体。即本申请将用于产生雾化液滴的电喷射雾化单元与用于改变液滴运动路径的轴心电极400相组合，能够兼顾纳米粉体产率、纳米粉体性能的同时，提升电喷射辅助雾化火焰合成装置的稳定性、可靠性，解决电喷射辅助雾化方式与高温燃烧复杂火焰场耦合难度大等问题，从而使得电喷射辅助雾化方式能广泛用于火焰合成功能纳米颗粒。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，用于使得前驱液经过燃烧火焰加热反应生成功能纳米颗粒，其特征在于，包括：

壳体组件；

燃料供给单元，用于向所述壳体组件内提供燃料，使得所述壳体组件内产生燃烧火焰；以及

电喷射雾化单元，设置于所述壳体组件上，所述电喷射雾化单元包括发射极和加速组件，所述加速组件位于所述发射极沿第一方向的一侧，所述发射极和加速组件之间形成沿第一方向的加速电场，所述发射极用于发射含前驱液的雾化液滴，所述第一方向为所述壳体组件由外向内的方向；

其中，所述加速组件包括加速极板，所述发射极具有发射雾化液滴的发射孔，所述加速极板上开设有与所述发射极的发射孔位置对应的加速孔，所述发射极接正极电压，所述加速极板接地；

所述加速组件还包括提取极板，所述提取极板位于所述发射极和所述加速极板之间，所述提取极板接正极电压，且所述提取极板的电压值小于所述发射极的电压值，所述提取极板上开设有与所述发射孔位置对应的提取孔；

所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括轴心电极，所述轴心电极设置于所述壳体组件内，且其长度方向沿第二方向，所述轴心电极接负极电压，所述第二方向与所述第一方向垂直；

其中，所述壳体组件为正六边形柱体结构，所述电喷射雾化单元的数量为三个，三个所述电喷射雾化单元一一对应分别设置在所述正六边形柱体结构的三个互不相邻的侧壁上；

其中，所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括底座，所述壳体组件包括外部壳体、中间壳体以及内部壳体，所述外部壳体、中间壳体以及内部壳体由外向内依次排列且分别设置在所述底座上，所述发射极设置在所述外部壳体上，所述提取极板设置在所述中间壳体上，所述加速极板设置在内部壳体上，所述燃料供给单元设置在所述底座上；

所述发射极包括发射刃孔板，所述发射刃孔板上开设有多个孔深方向沿所述第一方向的发射孔，所述发射孔沿所述第一方向渐缩，且所述发射孔沿所述第一方向的一端为长条状发射口；

所述发射极还包括储液箱和多孔分布板，所述储液箱位于所述发射刃孔板远离所述壳体内部的一侧，所述多孔分布板位于所述储液箱内，且紧贴所述发射刃孔板；所述储液箱通过进液管与注射泵连接，所述注射泵能连续供给前驱液至所述储液箱中。

2.根据权利要求1所述的电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，其特征在于，所述发射极与所述提取极板之间的距离小于所述提取极板与加速极板之间的距离。

3.根据权利要求1所述的电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置，其特征在于，所述电喷射辅助雾化火焰合成功能纳米颗粒的装置还包括绝缘套管，所述绝缘套管套设在所述轴心电极的外部，所述绝缘套管与所述轴心电极之间具有间隙，所述间隙中用于通入氮气。

Images