CN1652996A - 用于制造纳米粉末的感应耦合等离子反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造纳米粉的高频感应等离子反应器，其设计能使用固相粉末作为起始原料，连续地批量生产纳米粉，并且通过将原料粉末彻底蒸发，能制造高纯度纳米粉。高频感应等离子反应器包括上体和盖。上体具有反应管，反应管内部形成垂直延伸的反应室，上体还具有环绕在反应管外围的高频线圈，以及位于反应管内部的陶瓷内壁。陶瓷内壁具有多个气体通过孔，并与反应管的内侧壁之间形成气体流动通道，使氩气从外部流入反应室。盖装在反应室的上端，适于密封反应室。盖具有与反应室相通的粉末喷射管。
Description
技术领域
本发明一般地涉及一种利用高频线圈在大气压下制造纳米粉的等离子反应器。更具体地，本发明涉及一种制造纳米粉的高频感应等离子反应器，其设计是使用固相粉末作为起始原料，大量地连续生产纳米粉，并且通过彻底地蒸发原料粉末制造高纯度纳米粉。
背景技术
一般地，制造纳米粉的反应器是指通过将作为原料的气相或液相物质蒸发制造纳米粉的设备。使用此反应器制造的纳米粉被输送到单独的收集装置中，并收集在收集装置中。
传统的反应器制造纳米粉是利用直流型、高频型、直流/高频型等类型的等离子火炬，将反应物电离和分解。具体地，反应器得到纳米粉是通过在等离子火炬的电极之间产生等离子弧柱，并连续地保持等离子弧柱。
但是，传统的反应器在其使用过程中可能出现几个问题。一个重复出现的问题是，传统反应器的设计仅仅使用气相或液相物质作为起始原料，因此固相物质不能用于制造纳米粉。这使得不可能进行纳米粉的连续化批量生产。
传统反应器的另一个缺点是可应用的材料有限。在传统反应器中，由于反应器中所含水蒸汽引起的爆炸性反应以及粉末的吸附问题，仅仅可以使用非反应性的氧化物基的材料(例如，氧化铝等等)。
并且，传统反应器不能控制等离子体，因为反应器没有单独的等离子体控制装置。
最后，传统反应器内的水分含量百分数不足。这主要是由于反应器的空间利用率低。对于传统反应器，仅有等离子火炬电极之间的空间是可用的，而不是反应器的所有空间。
发明内容
因此，在考虑上述问题的基础上提出本发明，并且本发明的一个目的是提供一种制造纳米粉的高频感应等离子反应器，其设计是在大气压下利用高频感应加热通过蒸发固相原料粉末制造高纯度纳米粉。
本发明的另一个目的是提供一种高频感应等离子反应器，它具有布置成两层的上反应室和下反应室，下反应室具有比上反应室高的温度和大的容量，从而使原料粉末彻底蒸发。
本发明的再一个目的是提供一种高频感应等离子反应器，其设计能通过低温冷却剂(即，氩气)流入反应室防止蒸发的纳米粉的长大和吸附。
本发明的又一个目的是提供一种高频感应等离子反应器，其设计能将冷却气体螺旋状地引导至反应室内，从而通过其螺旋状运动将熔化的和蒸发的纳米粉安全地运送到收集站，而不会团聚。
本发明的又一个目的是提供一种高频感应等离子反应器，其设计能利用装在反应室周围的永磁体，防止等离子体吸附到反应室的内壁上。
根据本发明，上述和其它目的的达到可以通过提供一种制造纳米粉的等离子反应器，包括：上体，上体具有反应管，反应管内部形成垂直延伸的反应室，上体还具有环绕在反应管外围的高频线圈以及位于反应管内部的陶瓷内壁，陶瓷内壁具有多个气体通过孔，并与反应管之间形成气体流动通道，使氩气从外部流入反应室；以及盖，盖装在反应室的上端，适于密封反应室，盖具有与反应室相通的粉末喷射管。
优选地，制造纳米粉的等离子反应器还可以包括装在上体下面的下体，下体具有反应管，反应管形成有与上体的反应室相通的反应室，下体还具有环绕在反应管外围的高频线圈以及位于反应管内部的陶瓷内壁，下体的反应室具有比上体的反应室大的直径，下体的高频线圈具有比上体的高频线圈大的容量，陶瓷内壁具有多个气体通过孔，并与反应管之间形成气体流动通道。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。在附图中：
图1是表示本发明等离子反应器的剖视图；
图2是沿图1的线A-A的剖视图；
图3是本发明陶瓷内壁的透视图；以及
图4是本发明永磁体的透视图。
具体实施方式
图1是本发明等离子反应器的剖视图，图2是沿图1的线A-A的剖视图。首先将介绍等离子反应器的结构。
参看图1和2，本发明的等离子反应器包括上体1、盖2和下体3。上体1具有反应管11和高频线圈12，反应管11内部形成垂直延伸的反应室111，并且高频线圈12环绕在反应管11的外围。盖2装在反应室111的上端，用于密封反应室111。盖2具有与反应室111相通的粉末喷射管21，用于将原料粉末喷射到反应室111中。
下体3位于上体1的下面，并具有反应管31和高频线圈32，反应管31内部形成垂直延伸的反应室311，并且高频线圈32环绕在反应管31的外围。下体3的反应室311具有比上体1的反应室111大的直径，并且下体3的高频线圈32具有比上体1的高频线圈12大的容量。因此，下体3适于彻底蒸发已经通过上体1的反应室111的原料粉末。
上体1和下体3分别装有陶瓷内壁13和33。每个陶瓷内壁13和33分别具有多个气体通过孔132和332，并分别与各个反应管11和31之间形成气体流动通道131和331。
上体1和下体3的各个反应管11和31分别具有陶瓷内侧壁112和外侧壁113，以及内侧壁312和外侧壁313。反应管11和31适于接收来自外部的水，并将水在其中循环，从而冷却其内侧壁112和312。
盖2具有气体流入管211，使氩气从外部流入。气体流入管211与粉末喷射管21相通。盖2中还具有冷却管212，其位置靠近盖的下表面。冷却管212适于接收来自外部的冷却水。冷却水用于冷却盖2的下表面。
上体1和下体3在彼此相对的相邻连接端之间具有绝缘体4。绝缘体4用于防止向上体1和下体3进行热传导。
上体1和下体3分别具有多个绝缘杆5，均匀地分布在它们的外圆周围。绝缘杆5用于保护反应管11和31以及高频线圈12和32。
下面参考图1和2描述等离子反应器的操作。
当为上体1和下体3的每个高频线圈12和32供电时，由于从各个高频线圈12和32发出的高频率，上体1和下体3的各个反应室111和311的温度升高。在这种情况下，由于下体3的高频线圈32具有比上体1的高频线圈12大的容量，因此下体3的反应室311适于保持在比上体1的反应室111高的温度下。
接着，将具有较大粒度的原料粉末通过粉末喷射管21输入到上体1的反应管11内形成的反应室111中，其中粉末喷射管21穿过盖2的中心垂直轴线。
由于反应室111的高温，输入到上体1的反应室111内的原料粉末熔化并蒸发。由材料粉末的这种蒸发，得到含纳米粉的气体。
但是，在上体1的反应室111的蒸发结束时，一部分气体没有彻底蒸发，仍保持熔化状态。这种熔化的材料落入下体3的反应室311中，接着在反应室311中被再次加热并蒸发。
由于下体3的反应室311具有比上体1的反应室111高的温度，因此已经通过上体1的反应室111的未蒸发的熔化材料，在下体3的反应室311中被彻底蒸发。
下面将详细地解释本发明的细节。
如图1到3所示，每个陶瓷内壁13和33分别具有多个气体通过孔132和332，并且与反应管11和31的每个内侧壁112和312形成相应的气体流动通道131和331。
气体通过孔132和332倾斜地穿过内壁13和33，使它们的出口相对于其入口横向下倾斜。由于气体通过孔132和332的倾斜方向，从外部流入的气体，即氩气，在反应室111和311内形成螺旋状漩涡流。
氩气首先从外部供应到气体流动通道131和331，接着通过内壁13和33的气体通过孔132和332喷入反应室111和311，同时形成螺旋状漩涡流。
熔化和蒸发的粉末连续地通过上体1的反应室111以及下体3的反应室311，同时形成螺旋状漩涡流，接着落入收集装置。
粉末的漩涡流动防止粉末在其下降过程中团聚并吸附到反应室的内壁上。
如图2和4所示，每个上体1和下体3在高频线圈12和32周围具有相应的永磁体组件14和34。每个永磁体组件14和34包括多个永磁体141和341，永磁体141和341由固定装置固定并且彼此均匀地间隔。永磁体141和341的内端具有彼此相同的极性，适于将等离子体压缩在反应室111和311内部，从而防止等离子体被吸收到反应室111和311的内壁上。
工业实用性
从上面的描述可以清楚地看出，本发明提供一种高频感应等离子反应器，其设计能使用固相粉末作为起始原料，连续地批量生产纳米粉。
根据本发明，高频感应等离子反应器通过将供应到反应室内的原料粉末彻底蒸发，能制造高纯度纳米粉。
由于利用流入反应室的低温冷却气体(即，氩气)防止蒸发的纳米粉长大和吸附，因此也可以应用于某些强烈反应性的材料。
高频感应等离子反应器的设计能将冷却气体螺旋状地引导至反应室内，从而将熔化和蒸发的纳米粉通过其螺旋状运动安全地运送到收集站，而不会团聚。这将保证产品的稳定性。
高频感应等离子反应器的设计能防止等离子体吸附到反应室的内壁上，从而使等离子体的制造效率最大化。
虽然为了说明的目的披露了本发明的优选实施例，但本领域的一般技术人员应该意识到，在不偏离权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，不同的修改、增添和替代是可能的。
Claims (12)
1.一种用于制造纳米粉的等离子反应器，包括：
上体，该上体具有：反应管，反应管内部形成垂直延伸的反应室；环绕在反应管外围的高频线圈；以及位于反应管内部的陶瓷内壁，陶瓷内壁具有多个气体通过孔，并与反应管之间形成气体流动通道，使氩气从外部流入反应室；以及
盖，盖装在反应室的上端，并适于密封反应室，盖具有与反应室相通的粉末喷射管。
2.如权利要求1所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中反应管包括陶瓷内壁和外壁，二者之间形成一个空间，水充入该空间内并在其中循环。
3.如权利要求1所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中穿过内壁形成的气体通过孔是倾斜的，从而每个气体通过孔的出口与其入口相比横向下倾斜，从而使已经流过气体通过孔的流入气体在反应室内形成螺旋状漩涡流。
4.如权利要求1所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中上体在高频线圈外围周围具有永磁体组件，永磁体组件包括多个永磁体，永磁体通过固定装置均匀地结合，并且永磁体的内端具有彼此相同的极性，从而永磁体将等离子体压缩在反应室内，防止等离子体被吸附到反应室的壁上。
5.如权利要求1所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中上体具有装在其外围的多个绝缘杆，用于保护高频线圈和反应管。
6.如权利要求1所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中：
盖具有与粉末喷射管相通的气体流入管，用于使气体从外部流入；以及
盖还具有布置在盖的下表面附近的冷却管，冷却管适于从外部接收冷却水，从而利用冷却水冷却盖的下表面。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，还包括：
装在上体下面的下体；
其中下体具有：反应管，反应管形成有与上体的反应室相通的反应室；环绕在反应管外围的高频线圈；以及位于反应管内部的陶瓷内壁，下体的反应室具有比上体的反应室大的直径，下体的高频线圈具有比上体的高频线圈大的容量，陶瓷内壁具有多个气体通过孔，并与反应管之间形成气体流动通道，使氩气从外部流入反应室。
8.如权利要求7所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中反应管包括陶瓷内壁和外壁，在二者之间形成一个空间，水充入该空间内并在其中循环。
9.如权利要求7所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中穿过内壁形成的气体通过孔是倾斜的，每个气体通过孔的出口与其入口相比横向下倾斜，从而使已经流过气体通过孔的流入气体在反应室内形成螺旋状漩涡流。
10.如权利要求7所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中下体在高频线圈外围周围具有永磁体组件，永磁体组件包括多个永磁体，永磁体通过固定装置均匀地结合，并且其内端具有彼此相同的极性，从而永磁体将等离子体压缩在反应室内，防止等离子体被吸附到反应室的壁上。
11.如权利要求7所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中下体具有装在其外围多个绝缘杆，用于保护高频线圈和反应管。
12.如权利要求7所述的用于制造纳米粉的等离子反应器，其中上体和下体在彼此相对的相邻连接端之间具有绝缘体，绝缘体用于防止热量朝上体和下体传导。
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