CN206652487U - 无机粉体制作装置以及无机粉体制作与分级装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种无机粉体制作装置以及无机粉体制作与分级装置，其中的无机粉体制作装置包括绝缘管、至少一对环状射频电极与气体供应装置。所述对环状射频电极环绕于绝缘管的外周配置，以于通电后在绝缘管外产生第一电场区并于绝缘管内产生具有等离子体焰炬的第二电场区。气体供应装置则对绝缘管内供应反应雾体与惰性气体，以使反应雾体通过上述等离子体焰炬而被热裂解及氧化成无机粉体。

Description

无机粉体制作装置以及无机粉体制作与分级装置
技术领域
本实用新型是有关于一种粉体制造技术，且特别是有关于一种无机粉体制作装置以及无机粉体制作与分级装置。
背景技术
高纯度无机粉体广泛应用于各种产业，包含陶瓷被动元件产业、结构陶瓷产业、显示器产业及半导体产业当中，除了考虑无机粉体的尺度大小及微细化外，无机粉体本身的结晶度、形貌与纯度等都在应用中具有严谨地规格定义，因为这些规格代表着粉体的力学、电气特性、介电性、磁性、热特性及光学特性等。而无机粉体的尺度、形貌、粒度均匀度、表面积与结晶性等，皆与无机粉体合成方法有很大的关系。
以金属有机盐类制备无机粉体的方法为例，是将金属有机盐类先分解于特定溶剂中后，常见添加胺类进行加热湿式还原得到无机粉体。然而受限于产率与废液污染，加上部分金属有机盐类的裂解温度过高，致使反应器需于高温下热还原的危险性等问题。因此，部分技术采用喷雾热裂解方式进行粉体制备。考虑加温区间及温度，这类的反应器多半具有一定长度，反应时间过长而对于颗粒尺度的控制与结晶度等均匀度有很大的影响。另外，产生的废气处理也是一大难题，间接导致产出的无机粉体收集上多半需采取后端分级设备处理，对于产量与产率上有很大的限制。
另外，金属有机盐类分解于特定溶剂中形成的反应前驱物，无法应用于高压喷雾的高速喷雾处理及对于喷嘴的材料腐蚀等问题，反应腔体污染致使无机粉体纯度下降等有待克服。
再者，无机粉体制作技术需考虑可大量生产、连续式及符合环保等条件，制作加工成本需有效降低，整体生产的连续性需有效设计与达成，无机粉体需取得容易，同步分级化及制作工艺环境污染性应降至最低。最终还需配合无机粉体的尺度、均匀性、形貌、表面积及材料本体的结晶性、可分散性及功能性等皆需同时考虑。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种无机粉体制作装置，能制作出容易分级的次微米级无机粉体。
本实用新型另一目的在于提供一种无机粉体制作与分级装置，能连续式生产不同尺度的次微米或纳米级无机粉体。
为达上述目的，本实用新型的无机粉体制作装置包括绝缘管、至少一对环状射频电极与气体供应装置。所述对环状射频电极环绕于绝缘管的外周配置，以于通电后在绝缘管外产生第一电场区并于绝缘管内产生具有等离子体焰炬的第二电场区。气体供应装置则对绝缘管内供应反应雾体与惰性气体，以使反应雾体(reaction mist)通过上述等离子体焰炬而被裂解氧化成无机粉体。
所述绝缘管包括电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管。
所述第一电场区的电场强度大于所述第二电场区的电场强度。
所述无机粉体制作装置还包括：外管，环绕所述绝缘管并包围所述对环状射频电极；以及氮气供应装置，对所述外管内供应氮气。
所述气体供应装置包括：反应雾体产生器，连至所述绝缘管，以供应所述反应雾体；以及高压气体供应装置，与所述反应雾体产生器相连，以供应所述惰性气体至所述反应雾体产生器。
本实用新型的无机粉体制作与分级装置包括雾化设备、等离子体设备以及与等离子体设备相连的分级设备。雾化设备是用以雾化反应液体为反应雾体。等离子体设备则包括与雾化设备相连的绝缘管、高压气体供应装置与至少一对环状射频电极。高压气体供应装置用以供应惰性气体至上述雾化设备，以使反应雾体连同惰性气体进入上述绝缘管。而环状射频电极是环绕于绝缘管的外周，以于通电后在绝缘管外产生第一电场区并于绝缘管内产生具有等离子体焰炬的第二电场区，使上述反应雾体通过等离子体焰炬而被裂解氧化成无机粉体。所述分级设备包括不同半径的多个干式涡锥(cone)，用以分级上述无机粉体。
所述绝缘管包括电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管。
所述第一电场区的电场强度大于所述第二电场区的电场强度。
所述等离子体设备还包括：外管，环绕所述绝缘管并包围所述对环状射频电极；以及氮气供应装置，对所述外管内供应氮气。
所述干式涡锥的锥角小于20度。
每一个干式涡锥具有出口、进气口与粉体排出口，所述出口的管径为最大管径除以N、所述进气口的管径为所述最大管径除以M与所述粉体排出口的管径为最大管径除以L，其中N＝3.5至5.5、M＝5.5至8.5且L＝6.5至10。
所述雾化设备包括压电震荡器或超音波震荡器。
所述高压气体供应装置包括高压气瓶。
本实用新型的优点在于，基于上述，本实用新型通过在绝缘管外设置环状射频电极，来降低管内电场强度而形成低浓度等离子体反应区，可避免过高的等离子体浓度造成材料汽化，仅进行快速热裂解反应。另外，本实用新型利用雾化设备、射频等离子体焰炬及干式涡锥分级的设备，整合形成依连续式生产装置，可有效改善原有粉体合成的反应时间、减低污染并达到连续式反应且粉体自动分级的效果
为让本实用新型的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本实用新型的一实施例的一种无机粉体制作装置的立体示意图；
图2是图1的无机粉体制作装置的剖面示意图；
图3是依照本实用新型的另一实施例的一种无机粉体制作与分级装置的示意图；
图4是图3中的干式涡锥的细部示意图。
符号说明
100：无机粉体制作装置
102、306：绝缘管
102a：外周
102b：内侧
104、310a、310b：环状射频电极
106：正极电极
108：负极电极
110、312：外管
204：第一电场区
208：第二电场区
206：等离子体焰炬
200：反应雾体供应装置
202、308：高压气体供应装置
210：氮气供应装置
300：雾化设备
302：等离子体设备
304：分级设备
314a、314b、314c、400：干式涡锥
402：出口
404：进气口
406：粉体排出口
d、Da、Dc、Di、Do：管径
t：管壁厚度
θ：锥角
具体实施方式
现将参照绘示有实施例的附图来更完整地描述本实用新型的概念。然而，本实用新型还可使用许多不同的形式来实施，且其不应将其视为受限于以下实施例。在附图中，为了清楚起见，各层、区域、结构及/或装置的相对厚度及位置可能缩小或放大。此外，在各附图中使用相似或相同的元件符号来表示相似或相同元件或特征。应理解的是，当元件被称为“连接”至另一元件时，其可以是直接连接至其他元件，或者可能存在中间元件；反之，当元件被称为“直接连接”至另一元件时，将不存在中间元件。应当用相同的方式来解释用于描述元件或膜层之间的关系的其他空间用语。
图1是依照本实用新型的一实施例的一种无机粉体制作装置的立体示意图。图2是图1的无机粉体制作装置的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的无机粉体制作装置100包括一绝缘管102，其具有外周102a与内侧102b，绝缘管102例如是电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管，且绝缘管102的材料可列举但不限于氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅、碳化硅或其组合。无机粉体制作装置100还包括至少一对环状射频电极104，环绕于绝缘管102的外周102a，上述环状射频电极104一般是由正极电极106与负极电极108所构成，且环状射频电极104材料可列举但不限于铜、银、金、铝、镍或其组合。在另一实施例中，环状射频电极104的对数也可增加，以增加绝缘管102内的反应区域，进而增加反应时间。在一实施例中，环状射频电极104的形状与绝缘管102的外周102a相匹配，例如绝缘管104为圆形管时，环状射频电极104的形状可以是圆形、C型或弧形，并不限于此。在一实施例中，无机粉体制作装置100还可具有一外管110环绕上述绝缘管102并包围所述对环状射频电极104，其中外管110的材料与绝缘管102相同，故不再赘述。
然后，请参照图2，本实施例的无机粉体制作装置100除了图1中的结构，还具有气体供应装置。详细而言，气体供应装置例如反应雾体供应装置200以及高压气体供应装置202，对绝缘管102内供应反应雾体与惰性气体，其中反应雾体例如金属有机盐类前驱物的雾态物；惰性气体例如高浓度的氩气，如纯度99.9％以上的氩气或氩气与空气的混合气体，其中氩气与空气的混合气体包括5mol％至15mol％的氧气。所述金属有机盐类前驱物是指金属有机盐类与溶剂的组合，例如化学式为[CnH2n+1COO]ARe的金属有机盐类，其中A＝1至5；n＝5至19；Re为Y、La、Dy、Nd、Ce、Pr、Gd、Ag、Cu、Zn、Sr或其组合。前述溶剂部分则例如甲苯、二甲苯、乙酸烯酯(Paramenthene acetate)、乙酸正丁酯(butyl acetate)或其组合。在另一实施例中，气体供应装置例如连至绝缘管102的反应雾体产生器200以及与反应雾体产生器相连的高压气体供应装置202(如高压气瓶)，以供应高压的惰性气体至反应雾体产生器200内并通过高压气体带动反应雾体进入绝缘管102内。
反应期间，环状射频电极104于通电后会在绝缘管102外产生第一电场区204并于绝缘管102内产生具有等离子体焰炬206的第二电场区208，其中第一电场区204的电场强度大于第二电场区208的电场强度。因此，当反应雾体供应装置200供应的反应雾体通过等离子体焰炬206，将被裂解氧化成无机粉体，其中所裂解出的无机粉体的粒径为50至500微米。在一实施例中，射频频率介于100kHz至1000kHz；高电压范围介于0.5kV至5kV；输出瓦数介于0.5kW至5kW。根据环状射频电极104的前述条件，绝缘管102的管径d可设定在8cm以下、管壁厚度t则在3mm以下。此外，可加设氮气供应装置210，对外管110内供应氮气，让外管110与绝缘管102之间充满氮气，以避免第一电场区204产生电弧甚至发生爆炸。
在本实施例中，利用设置于绝缘管102外周102a的环状射频电极104施以高电场，并通过绝缘管102内侧102b供应高浓度惰性气体(例如纯度99.99％的氩气)而形成等离子体，由于绝缘管102管壁采用高绝缘性材质，能限制绝缘管102内部第二电场区202的电场强度，而使内部等离子体浓度、温度与强度较弱，对于通过的反应雾体仅达到裂解氧化，而不因等离子体焰炬206强度过大而汽化，以避免需要额外的冷却区域以及过小的无机粉体不易收集的问题。
图3是依照本实用新型的另一实施例的一种无机粉体制作与分级装置的示意图。
请参照图3，本实施例的无机粉体制作与分级装置包括雾化设备300、等离子体设备302以及分级设备304。雾化设备300用以雾化反应液体为反应雾体，其中雾化设备300例如压电震荡器或超音波震荡器，而反应液体例如上一实施例中的金属有机盐类前驱物，故不再赘述。等离子体设备302中的绝缘管306与上述雾化设备300相连，并具有高压气体供应装置308(如高压气瓶)，用以供应惰性气体至雾化设备308，以使反应雾体连同惰性气体进入绝缘管306，所述惰性气体例如纯度99.9％以上的氩气或氩气与空气的混合气体，其中氩气与空气的混合气体包括5mol％至15mol％的氧气。本实施例中的绝缘管306例如是电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管，其材料例如氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅、碳化硅或其组合。等离子体设备302还包括两对环状射频电极310a和310b，环绕于绝缘管306的外周，以于通电后在绝缘管306外产生第一电场区并于绝缘管306内产生具有等离子体焰炬的第二电场区，详如图2所示，其中第一电场区的电场强度大于第二电场区的电场强度。当雾化的反应液体被高压气体带动进入绝缘管306，会通过等离子体焰炬而被裂解氧化成无机粉体。另外，如同上一实施例，本实施例的绝缘管306外围也可包括一外管312包围两对环状射频电极310a和310b，并通过氮气供应装置(未绘示)对外管312内供应氮气。随后，可利用高压气流方式将反应后的无机粉体导入与等离子体设备302相连的分级设备304。分级设备304包括不同半径的数个干式涡锥314a、314b和314c，用以分级无机粉体。
图4是图3中的干式涡锥的细部示意图。干式涡锥400代表分级设备304中的每个干式涡锥，其中锥角θ约小于20度。干式涡锥400具有出口402、进气口404与粉体排出口406。在一实施例中，出口402的管径Do为最大管径Dc除以N(Do＝Dc/N)，其中N＝3.5至5.5；进气口404的管径Di为最大管径Dc除以M(Di＝Dc/M)，其中M＝5.5至8.5；粉体排出口406的管径Da为最大管径Dc除以L(Da＝Dc/L)，其中L＝6.5至10。进气口404一般连至干式涡锥400的上端水平区，其高度约为Dc/2。
综上所述，本实用新型通过在绝缘管外周设置环状射频电极，降低电场强度于管内形成的低浓度等离子体反应区，可避免放电效应造成材料汽化而进行快速热裂解反应，而形成无机粉体。另外，本实用新型利用雾化设备、射频等离子体焰炬及干式涡锥分级的设备整合形成依连续式生产装置，可有效改善原有粉体合成的反应时间、减低污染并达到连续式反应且粉体自动分级的效果。

Claims (13)

1.一种无机粉体制作装置，其特征在于，该无机粉体制作装置包括：
绝缘管；
至少一对环状射频电极，环绕于该绝缘管的外周，以于通电后在该绝缘管外产生第一电场区并于该绝缘管内产生具有等离子体焰炬的第二电场区；以及
气体供应装置，对该绝缘管内供应反应雾体与惰性气体，以使该反应雾体通过该等离子体焰炬而被裂解氧化成无机粉体。
2.如权利要求1所述的无机粉体制作装置，其特征在于，该绝缘管包括电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管。
3.如权利要求1所述的无机粉体制作装置，其特征在于，该第一电场区的电场强度大于该第二电场区的电场强度。
4.如权利要求1所述的无机粉体制作装置，其特征在于，该无机粉体制作装置还包括：
外管，环绕该绝缘管并包围该对环状射频电极；以及
氮气供应装置，对该外管内供应氮气。
5.如权利要求1所述的无机粉体制作装置，其特征在于，该气体供应装置包括：
反应雾体产生器，连至该绝缘管，以供应该反应雾体；以及
高压气体供应装置，与该反应雾体产生器相连，以供应该惰性气体至该反应雾体产生器。
6.一种无机粉体制作与分级装置，包括：
雾化设备，以雾化反应液体为反应雾体；
等离子体设备，包括：
绝缘管，与该雾化设备相连；
高压气体供应装置，供应惰性气体至该雾化设备，以使该反应雾体连同该惰性气体进入该绝缘管；以及
至少一对环状射频电极，环绕于该绝缘管的外周，以于通电后在该绝缘管外产生第一电场区并于该绝缘管内产生具有等离子体焰炬的第二电场区，使该反应雾体通过该等离子体焰炬而被裂解氧化成无机粉体；以及
分级设备，与该等离子体设备相连，该分级设备包括不同半径的多个干式涡锥，用以分级该无机粉体。
7.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该绝缘管包括电阻率在109Ω·cm以上的陶瓷管。
8.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该第一电场区的电场强度大于该第二电场区的电场强度。
9.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该等离子体设备还包括：
外管，环绕该绝缘管并包围该对环状射频电极；以及
氮气供应装置，对该外管内供应氮气。
10.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该多个干式涡锥的锥角小于20度。
11.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该多个干式涡锥中的每一个具有出口、进气口与粉体排出口，该出口的管径为最大管径除以N、该进气口的管径为该最大管径除以M与该粉体排出口的管径为最大管径除以L，其中N＝3.5至5.5、M＝5.5至8.5且L＝6.5至10。
12.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该雾化设备包括压电震荡器或超音波震荡器。
13.如权利要求6所述的无机粉体制作与分级装置，其特征在于，该高压气体供应装置包括高压气瓶。
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