TW201606281A - 膠體大小分布測量技術 - Google Patents

膠體大小分布測量技術 Download PDF

Info

Publication number
TW201606281A
TW201606281A TW104109410A TW104109410A TW201606281A TW 201606281 A TW201606281 A TW 201606281A TW 104109410 A TW104109410 A TW 104109410A TW 104109410 A TW104109410 A TW 104109410A TW 201606281 A TW201606281 A TW 201606281A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
particles
droplets
particle
vapor
fluid
Prior art date
Application number
TW104109410A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI671516B (zh
Inventor
大衛 布雷克福德
德瑞克 歐伯萊特
唐納德D 格蘭特
蓋瑞 范史庫內韋德
馬克R 里奇
Original Assignee
流體測量技術股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 流體測量技術股份有限公司 filed Critical 流體測量技術股份有限公司
Publication of TW201606281A publication Critical patent/TW201606281A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI671516B publication Critical patent/TWI671516B/zh

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N15/0211Investigating a scatter or diffraction pattern
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0255Investigating particle size or size distribution with mechanical, e.g. inertial, classification, and investigation of sorted collections
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/065Investigating concentration of particle suspensions using condensation nuclei counters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0053Investigating dispersion of solids in liquids, e.g. trouble
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/01Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
    • G01N2015/019Biological contaminants; Fouling
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0255Investigating particle size or size distribution with mechanical, e.g. inertial, classification, and investigation of sorted collections
    • G01N2015/0261Investigating particle size or size distribution with mechanical, e.g. inertial, classification, and investigation of sorted collections using impactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

一種測量稀釋膠體內的粒子之尺寸分布的方法和系統,例如,藉由噴霧化的膠體粒子之最小檢測尺寸的變化。該判定一流體中的粒子之尺寸分布的方法,包含形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,蒸發該等細滴以產生粒子,及藉改變一檢測臨界值來測量該等粒子的濃度。一種用以判定一流體中的粒子之尺寸分布的系統或裝置,包含一細滴形成器用以形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,及一凝縮粒子檢測器用以蒸發該等細滴來產生粒子,並可測量該等粒子的濃度,該凝縮粒子檢測器具有一可變的檢測臨界值。

Description

膠體大小分布測量技術 發明領域
本發明概有關於用以分析材料的方法和裝置。特別是,本發明有關用以測量稀釋膠體中的粒子之尺寸分布的方法和裝置。最特別的是,本發明有關藉由噴霧化的膠體粒子之最小檢測尺寸的變化而來測量該稀釋膠體中的粒子之尺寸分布的方法和裝置。該技術係可用於例如膠體特徵化、濾器測試,及高純度水系統監測。
發明背景
在此領域的既有技術咸信是有顯著的限制和缺點。具言之,用來測量膠體中之粒子大小分布的系統係限制於大於25mm的粒子直徑,當該等膠體係以非常低的濃度存在於超純的液體中時。
微小粒子對半導體裝置製造工業是一重大問題。小於50mm的粒子會顯著地減低今日半導體裝置的製造良率。用以測量此等粒子之濃度,尤其是低濃度,的能力係極為需要。該技術狀況之一簡要的說明係被提供於No.8272253和No.8573034美國專利中。
在本申請案中之任何處所提到的全部美國專利 和專利申請案,及所有其它的公開文獻,其內容皆併此附送。
本發明之概要說明
本發明提供分析方法和裝置等,其係實用、可靠、準確又有效率的,且其係咸信能構成超越該背景技術之一改良。在較佳實施例中,本發明係有關於一種噴霧化裝置和方法,其會造成該流體的細滴(噴霧化)含有粒子和熔化的物質在等於該主體材料的濃度。當該液體蒸發後,該氣生細滴合變成一由非揮發性溶解物質所構成的粒子,或由一膠體粒子和非揮發性溶解物質所組成的粒子。在該所要的殘餘濃度和粒子尺寸時,該等氣懸體粒子會太小而不能被光學地檢測。該等粒子嗣會被一凝縮粒子計數器(CPC)以一時間或空間逐變的檢測臨界直徑來取樣。在較佳實施例中,被引至該噴霧器的樣品可由該未改變的源膠體,一在一樣品引入裝置下游,或在一膠體濃縮器(利用蒸發及/或越流過濾)之下游的膠體所組成。
本發明之用以判定一流體中粒子尺寸分布的基本方法包括形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,蒸發該等細滴以產生粒子,及藉改變一檢測臨界值來測量該等粒子的濃度。該用以判定一流體中之粒子尺寸分布的基本系統或裝置包含一細滴形成器用以形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,及一凝縮粒子檢測器用以蒸發該等細滴來產生粒 子,並用以測量該等粒子的濃度,該凝縮粒子檢測器具有一可變的檢測臨界值。
在一態樣中,本發明有關於一種凝縮粒子計數器,其中過飽和的程度係藉調整該飽和的氣懸體流之溫度及/或在該凝縮區域處的傳送穴之壁等而被暫時地改變。該等溫度可被以一步進方式或連續地逐漸調整。
在另一態樣中,本發明係有關於一種凝縮粒子計數器,其中該過飽和的程度係藉調整一蒸氣飽和流對一乾燥流的比率而被暫時地改變。
在另一態樣中,本發明係有關於一種凝縮粒子計數器,其中該過飽和的程度係藉添加一受控量的液體於該氣體流,或藉控制該氣體流對該工作流體表面的曝露,以控制被送至該氣體的蒸氣質量來調整該蒸氣含量,而被暫時地改變。
在另一態樣中,本發明係有關於一種凝縮粒子計數器,其中該過飽和的程度係被空間地改變,即粒子係曝露於一漸增的超飽和程度。較大的粒子(其中該凝縮生長的開始發生在一較低的過飽和)具有一較長的生長期間,故所造成的細滴係較大。藉著測量被該等細滴散射的光之量(較大的細滴會造成較多的散射光),則該原始粒子的尺寸將能被推知。
本發明相信係為包含新穎的元件,以新穎的方式組合來產生更可預知的結果。被本發明解決的問題並非在習知技術中完全得知。
本發明的態樣、特徴、優點、利益和目的等,對精習於該技術者將可藉參閱以下說明、圖式和申請專利範圍而變得清楚明瞭。
10‧‧‧系統
11‧‧‧噴霧器
12‧‧‧入口
13‧‧‧凝縮粒子計數器
20,30‧‧‧系統
21,31,41,140‧‧‧噴霧器
22,32‧‧‧入口
23,33‧‧‧凝縮粒子計數器
24‧‧‧粒子濃縮器
35‧‧‧樣品引入系統
40‧‧‧各部件
42‧‧‧入口總成
43‧‧‧蒸發器
44‧‧‧細滴計數器
45‧‧‧排洩系統
45a‧‧‧廢料出口
45b‧‧‧選擇閥
45c‧‧‧排洩口
45d‧‧‧水背壓閥和量計
46‧‧‧氣體/空氣系統
46a‧‧‧空氣入口
46b‧‧‧稀釋流閥和量計
46c‧‧‧噴霧器氣體壓力調節器
46d‧‧‧水調節器
50‧‧‧撞擊針
51‧‧‧氣體入口
52‧‧‧載體氣體入口
53‧‧‧樣品入口
54‧‧‧氣懸體出口
55‧‧‧裝運洩口
56‧‧‧細滴計數器立管
57‧‧‧細滴廢料出口
58‧‧‧加熱器
59‧‧‧溫度探針
60‧‧‧熱電模組
61‧‧‧乾空氣入口
62‧‧‧定心彈簧
63‧‧‧樣品毛細管
64‧‧‧廢料
65‧‧‧尖端
66‧‧‧噴霧器孔
67‧‧‧氣體孔
70‧‧‧撞擊針總成
71‧‧‧針
72‧‧‧彈簧
73‧‧‧調整螺絲
80,90,100,110‧‧‧凝縮粒子計數器
81,91,101‧‧‧氣懸體
82,92,102‧‧‧飽和器
83,93,103‧‧‧冷凝器
94‧‧‧無粒子氣體
104‧‧‧乾空氣
105‧‧‧飽和空氣
114‧‧‧蒸氣
120,130‧‧‧大細滴
121,131‧‧‧較小細滴
132‧‧‧相反表面
141‧‧‧噴流撞擊器
142‧‧‧鞘流入口
143‧‧‧撞擊器噴嘴
圖1為沒有上游膠體調變的系統之一較佳實施例的示意圖。
圖2為使用一粒子濃縮器的系統之一實施例的示意圖。
圖3為使用一膠體或溶質引入裝置的系統之一實施例的示意圖。
圖4為本發明的噴霧系統之一較佳實施例的示意圖。
圖5a-c示出該噴霧器之各截面圖。
圖6示出該可動撞擊針之一實施例。
圖7為一方塊圖乃示出一傳統的凝縮粒子連接器(CPC)。
圖8為一方塊圖乃示出利用一乾淨鞘套飽和流的CPC之一實施例。
圖9為一方塊圖乃示出該CPC之一實施例,其中該過飽和的程度係藉一乾對蒸氣充載空氣流的比率來調變。
圖10為一方塊圖乃示出該CPC之一實施例,其中該過飽和的程度係藉控制該蒸氣的質量流率來調變。
圖11為一示出大細滴之重力沉澱的視圖。
圖12為一示出慣性碰撞的視圖。
圖13a和13b示出一具有大細滴移除功能的噴流撞擊霧化器之一實施例。
圖14為一圖表乃示出因大細滴移除所造成之預期的減少的最大非揮發性殘餘粒子尺寸。
詳細說明
本發明描述一種用以判定一膠體內的粒子之尺寸分布的方法。此係藉該膠體的噴霧化來達成,其中當該霧化的細滴蒸發後,由先前存在於該膠體中之粒子形成的氣懸體現會懸浮於一背景氣體中。在所要的粒子尺寸中,該等粒子不能被以光學裝置來檢測。故該等粒子的濃度會被使用一凝縮粒子計數器以一逐變的最小檢測粒子尺寸來測量。
圖1為本發明的系統10之一第一實施例的簡化圖。該系統10包含一噴霧器11具有一入口12。該噴霧器11會形成細滴。一凝縮粒子計數器或檢測器13係導通地連接於該噴霧器11。在該系統10之此實施例中,該水樣品是不改變的。此組構係最有用於超純水系統對粒子的監測。此組構對於濾水器(其中一膠體會被引入該濾水器的上游)之倚賴尺寸的粒子突破測試亦是有利的。
在圖2中,該系統20之一變化實施例係被示意地示出,且具有一噴霧器21和凝縮粒子檢測器31。一粒子濃縮器24具有入口22,係連接於該噴霧器21。該樣品係藉濃 縮該膠體內的粒子來調變。此組構會因增加該有效的取樣體積而於低濃度造成減少的統計誤差。濃縮的方法包括但不限於,溶劑蒸發和越流過濾。
請參閱圖3,該系統30之又一實施例係被示意地示出,包含一噴霧器31和凝縮粒子計數器33。一樣品引入系統35,含有入口32,係連接於該噴霧器31。在該系統30之此實施例中,該樣品係藉注射一較高濃度的膠體於一乾淨溶劑流中來調變。此技術係可用於特徴化該高濃度膠體的粒子尺寸分布,但更重要的是其必須用一已知濃度的膠體來校準該噴霧裝置的受檢容積。
圖4~5示出一被用於該等系統10、20、30中的噴霧器之較佳實施例和相關聯的部件40等。首先參閱圖4,該噴霧器41係導通地連接於一輸入入口總成42及一輸出蒸發43。該入口42係用於超純水(UPW)。該蒸發器43具有一氣懸體出口。一細滴計數器44係連接於該噴霧器41。該系統40有一排洩系統45係導通地連接於該水入口42及該細滴計數器44。該排洩系統45的實施例較好包含一廢料出口45a,一選擇閥45b,一排洩口45c及一水背壓閥和量計45d。該系統40亦具有一氣體/空氣系統46導通地連接於該噴霧器41。該系統46較好包含一空氣入口46a,一稀釋流閥和量計46b,一噴霧器氣體壓力調節器46c,及一水調節器46d。此系統40具有相關聯的電子器件和程式邏輯控制用以自動進行該蒸發器43、TED控制、細滴計數器44,及系統液體壓力和溫度的功能。
嗣請參閱圖5a和5b,該噴霧器41包含一撞擊針50,一氣體入口51,一載體氣體入口52,一樣品入口53,及一氣懸體出口54。該細滴計數器44的連接亦被示出。該細滴計數器44亦具有一裝運洩口55、細滴計數器立管56,及一細滴廢料出口57。一加熱器58、溫度探針59和熱電模組60亦連接於該總成41。一乾空氣入口61係被耦接靠近該氣懸體出口54。該樣品入口53設置較好包含一定心彈簧62、樣品毛細管63,及廢料64連接物。圖5c示出該撞擊件50的尖端65相對於一噴霧器孔66和氣體67的排列。
請參閱圖6,該噴霧器之一較佳實施例併設一可動的彈簧載壓撞擊針總成70,包含一針71,一彈簧72,及一調整螺絲73。該可動的針70會提供二優點,第一是在調整時能最小化該針對孔和安裝表面造成損害的可能性。第二是該針的位置將會隨著出離該第二噴霧器孔之氣體流的停滯壓力而改變。此會造成較少的該撞擊針之因熱膨脹產生的形狀變化及/或液體和氣體壓力等所致的性能變化。
可與本發明之該系統一起使用的細滴形成元件或噴霧器之變化實施例係被示出並描述於:2010年12月14日頒給Blackford等人之No.7852465美國專利,名稱為”用以測量液體流率的系統”;2012年9月25日頒給Grant等人之No.8272253美國專利,名稱為”粒子濃度測量技術”;及2013年11月5日頒給Grant等人之No.8573034美國專利,名稱為”殘餘物濃度測量技術”。該美國專利No.8272253描述用以噴霧化一膠體的特定方法和定規。此等美國專利文件的揭露內 容係併此附送。
本發明的噴霧器之一獨特特徴係該霧化區的凹陷位置能容許大的細滴(其蒸發後的殘餘物可達到所要的粒子尺寸)在進入該蒸發段之前先被重力地沉澱。
圖7~10示出本發明的該系統之一可變檢測限制的凝縮粒子計數器之數個實施例。該等凝縮粒子計數器會依一原理來操作,即在一過飽和蒸氣中,蒸氣將會冷凝在大於一臨界尺寸的粒子上。此係稱為該粒子的活化或成核。此等活化的粒子嗣會以數倍的量值生長,而使它們能被容易地使用光學裝置來檢測。在一氣懸體中之一蒸氣的過飽和程度係由飽和比來定義:S=p ν /p sat ,其中(p ν)係為該氣懸體內之一氣體的蒸氣壓力比,而psat為該相同氣體在其冷凝相之一平坦表面上的蒸氣壓力。
該臨界粒子直徑可被使用凱文(Kelvin)關係式來算出:
其中KB係為波茲曼(Boltzmann’s)常數,T是溫度,σ是該冷凝相表面張力,而νν是一蒸氣分子的體積。
該凱文關係式會算出作用在一蒸氣分子之添加物上的表面張力,其對高度彎曲的表面是不可忽略的。該凱文關係會顯示該最小的受測粒子直徑會如何隨著該工作蒸氣的飽和比改變。
圖7示出一傳統的凝縮粒子計數器或檢測器(CPC)80,其中一氣懸體81會移行穿過一飽和區82,其在進 入該冷凝區之前帶有該氣懸體中的工作流體之蒸氣壓力等於psat。假使空氣的熱擴散率係高於該工作蒸氣的質量擴散率,則該過飽和蒸氣狀態會因將含有該工作蒸氣的氣懸體曝露於相對較冷的輸送壁而被造成。相反地,若該蒸氣的質量擴散率係高於空氣的熱擴散率(例如水),則該飽和的氣懸體會被曝露於溫暖潮濕的壁。用於此等CPC的飽和比會被藉改變該飽和器82及/或冷凝器83的溫度而暫時地調變。
一CPC 90之一變化實施例示於圖8中,而具有一飽和器92和冷凝器93,以無粒子氣體94鞘套著該氣懸體流91,將該氣懸體限制於流線,其會歷經類似過飽和的層度而造成一較明顯的尺寸”切除”。在此等組織中該鞘套流可在被引入該氣懸體流之前被以蒸氣預先載壓。針對預先載壓的鞘套流,該飽和比亦可藉控制該鞘套流的蒸氣壓力成一下飽和程度而被改變。此可藉改變乾空氣104對飽和空氣105之比而被達成如圖9中所示(包含CPC 100具有飽和區102和冷凝區103,及氣懸體流101),或藉控制被引至該鞘套氣體之蒸氣114的質量流來達成,如圖10(CPC 110)中所示。在所有各例中,該氣懸體可以或可不直接曝露於該工作流體。控制一冷凝蒸氣的蒸氣壓力之一附加優點係,假若兩種冷凝蒸氣被使用,該等蒸氣之一者開始冷凝而可能造成第二種蒸氣之均勻(自行活化)冷凝所須的溫度差乃可藉限制該第二種蒸氣的蒸氣含量而被減少。此等”兩種蒸氣”方法可被使用於當一特定的工作蒸氣需要在非常小的 粒子(例如二甘醇)上冷凝時,或在臨界尺寸有關材料的粒子上時(例如水冷凝於斥水性粒子上),其中該最初成核的蒸氣不會使該粒子生長至一足夠尺寸,而該第二種蒸氣必須能使該等粒子“增脹”至一較大尺寸。
針對混合式CPC,過飽和係藉混合二不同溫度的氣體流來達成,其中該較熱流含有冷凝蒸氣,而該較冷流可以或可不包含冷凝蒸氣。若該工作流體的關係dPsat/dTemp為正,則其係可能達到一操作情況,其中在所造成的混合物中之蒸氣含量在該混合氣體溫度時係高於該飽和蒸氣含量。該過飽和程度能藉使用針對層流CPC所述的上述方法之一者,來改變該等氣體流的溫度,該等氣體流之間的流量比,及/或蒸氣含量的明確控制而被控制。請注意該混合式CPC需有一生長段(典型為冷卻的壁)在該混合區的下游處。
要暫時地改變過飽和程度時,該膠體中的粒子之尺寸分布可藉微分所測出的氣懸體濃度作為臨界直徑之一函數來被推斷。要空間地改變過飽和程度時,該尺寸分布係被直間地推斷(例如參見美國專利No.7656510)。時間性變化可以容許穩定狀態條件的非取樣期間來逐增漸進,或以流量和溫度的主動控制及/或監測來算出該飽和比和最後的最小受測粒子尺寸而為連續的。
該CPC工作流體最理想是惰性且無毒的並具有一非常低的表面能量,而會限制該最小受測粒子尺寸的任何材料相關性。氟化溶劑譬如3M FLUORINERT FC-40和 FC-43曾被用作工作流體,但它們較昂貴並有危害環境效應。3M NOVEC流體(7500)具有類似的性質,但較便宜並有較少的環境衝擊。任何上述的CPC皆可使用此等氟化溶劑作該工作流體(或作為在一二種蒸氣系統中的主要冷凝流體),大部份的該溶劑皆能由該CPC中的冷凝區及一下游的第二冷凝器被回收。由於該氟化溶劑與水之間的低可混合性,故該氟化溶劑能藉該冷凝流體貯槽內的適當濾層之抽離而被再循環使用。
本發明的另一實施例利用一另擇的大細滴移除機構。其可被與文中所述的既有噴霧器撞擊件配合使用。此外,一另擇的大細滴移除機構可以取代前述的撞擊針來被使用。具言之,該附加的大細滴移除機構係藉重力沉澱或藉慣性驅動抓取來操作。請參閱圖11,於重力沉澱時,大細滴120將會由一氣懸體以一比較小細滴121更高的速率急促下降。在該所要尺寸範圍內的粒子之終端速度可被使用以下公式來算出:Vsettling=3E-8*ρpdp 2
其中ρp為kg/m3,而dp為μm
因此,針對一所予的沉澱距離若有足夠的駐留時間,大的細滴將會被由該氣懸體優先地移除。此乃可藉一長管或數平行板來達成。請參閱圖12,慣性驅動抓取會依一原理來操作,即大的細滴130相較於較小細滴131會有一較高的傾向來橫越氣流流線(慣性對拖曳力之比較高)。此現象係能有利地用來分開較大的細滴130與較小的細滴131, 乃可藉如以傳統撞擊件的情況在一表面上抓取,或如以實際撞擊件的情況於一第二氣流中抓取。大細滴130帶有較多的動量使它們能橫越較多流線,故會使它們撞擊在一相反表面132上。較小細滴131能夠較迅速地改變方向,因此能夠逃出該撞擊區。對圓形噴口撞擊件而言,有50%的粒子會被由該氣懸體移除的粒子直徑(d50)可用如下公式來算出:
其中μ為該氣體黏度,D為該噴口直徑,ρ為該粒子密度,且Q為圓形噴口撞擊件的體積氣體流率(Marple等人於Atmospheric Environment Vol.10.pp.891-896中所述),而Stk50係約為0.24。
在靠近該邊界層之流線上的細滴會達到一較低速度,因此具有較小的動量,其會造成一偏斜朝向大細滴逃離該撞擊件。大細滴移除效率能藉添加一環形鞘流於該氣懸體而被改變,該鞘流會將該氣懸體”噴流”限制在該氣流的中心線,而得確保全部的該等細滴皆在一足夠的速度能被移除。
圖13a~b示出一噴霧器140之一實施例,包含一大細滴移除裝置。該總成包含一噴流撞擊器141,鞘流入口142及一撞擊器噴嘴143。該撞擊表面會被加熱以藉蒸發來移除被撞擊的細滴產生的液體。顯示出該噴流撞擊器之加強的大細滴移除數據係被示於圖14中,其為所算出的細滴分布 之一圖表。
本發明的方法之一基本實施例包含造成該流體之細滴的步驟(噴霧化),該流體含有粒子和溶解物質在等於該主體材料的濃度。當該液體蒸發時,該氣生細滴會變成一由非揮發性溶解物質構成的粒子,或一由一膠體粒子與非揮發性溶解物質所組成的粒子。該等粒子嗣會被一凝縮粒子計數器(CPC)以一時間上或空間上漸變的檢測臨界直徑來取樣。在較佳實施例中,被引入該噴霧器的樣品可由不變的源膠體,及在一樣品引入裝置下游,或在一膠體凝縮器(利用蒸發及/或越流過濾)下游之一膠體所組成。在一實施例中,該過飽和程度係藉調整該飽和的氣懸體流之溫度及/或該冷凝區處的傳輸穴之壁的溫度,而被暫時地改變。該等溫度可被以一逐步漸進的方式或連續逐升地來調整。在另一實施例中,該過飽和程度係藉調整一蒸氣飽和流對乾氣流的比率而被暫時地改變。在另一實施例中,該過飽和程度係藉添加受控量的液體於該氣體流,或藉控制該氣體流對該工作流體表面的曝露,來控制輸送至該氣體的蒸氣之質量以調整該蒸氣含量,而被暫時地改變。且在又另一實施例中,該過飽和程度係被空間地改變,其中粒子係曝露於一漸增的過飽和程度。較大的粒子(其凝縮生長的開始會發生在一較低過飽和)具有一較長的生長期間,故所造成的細滴會較大。藉著測量被該等細滴散射的光量(較大的細滴會造成較多散射光),則該原始粒子的尺寸能被推知。
本發明的方法之其它實施例包括但不限於以下各例。一基本程序係藉使用一具有一可變檢測臨界值的氣懸體粒子檢測器來測量霧化粒子的尺寸分布,以判定一膠體中的粒子之尺寸分布。用以霧化該膠體的特定方法和基準係被述於所附的No.8272253美國專利中。該程序之一方式包括使用一熱擴散層流式凝縮粒子檢測器。
A.在一途徑中,該檢測限制係藉調整在一充滿飽和工作蒸氣的氣懸體流之下游的冷凝器溫度而被改變,且:i該溫度係以一步進方式來被調整,且該濃度測量係在達到穩定狀態之後才進行;或ii另擇地,該溫度係被調整和測量遍及該轉變期間,其中該檢測限制係由該所測得的溫度來推斷;B.在另一途徑中,該檢測限制係藉調整該蒸氣飽和的氣懸體之溫度而被改變,且:i該溫度係以一步進方式來被調整,且該測量係在達到穩定狀態之後才進行;或ii另擇地,該溫度係被調整和測量遍及該轉變期間,其中該檢測限制係由該所測得的溫度來推斷;C.在又一途徑中,該檢測限制係藉調整該蒸氣飽和的氣懸體之溫度和在該冷凝器區中的壁之溫度而被改變,且:i該飽和器與冷凝器之間的溫度差係以一步進方式來被調整,且該測量係在達到穩定狀態之後才進行;或ii另擇地,該飽和器與冷凝器之間的溫度差係被調整和 測量遍及該轉變期間,其中該檢測限制係由該所測得的溫度來推斷;D.在又另一途徑中,該檢測限制係藉改變該冷凝器之前的冷凝蒸氣含量而來調整,且:a該氣懸體係例如使用一比例式三路閥來在一乾通道與一飽和通道之間被分開;或b另擇地,該氣懸體係被乾淨空氣同軸地鞘套,而在該鞘套空氣中的蒸氣含量係藉改變供應該鞘流之乾燥和飽和氣體流的比率,而被調整至一受控的蒸氣壓力(請注意該乾氣流可被略除):i該氣懸體流不含蒸氣;ii或者,該氣懸體流係充滿飽和蒸氣;或iii另擇地,該氣懸體對鞘流之比會被改變來控制所造成之混合物的蒸氣壓力。
該程序的另一方式包括使用一混合式凝縮粒子檢測器,a.其中該氣懸體係可存在於該等混合氣體流之任一或二者中;且b.該檢測臨界值係藉調整該熱和冷混合流之間的溫度差而被改變:i其中該溫度係以一步進方式來被調整,且該濃度測量係在達到穩定狀態之後才進行;或ii其中該溫度係被調整和測量遍及該轉變期間,而該檢測限制係由該所測得的溫度來推斷。
亦使用混合式凝縮粒子檢測器:a.該氣懸體係可存在於該等混合氣體流之任一或二者中;且b.該檢測臨界值係藉調整該熱及/或冷氣體流中的工作蒸氣含量而被改變:i該蒸氣壓力係以一計量式液體注入物譬如一注射器或蠕動泵驅動的噴霧器來控制;ii或者,該蒸氣壓力係藉空間性或時間性地限制該氣體流對該飽和液體之表面的曝露而來控制;或iii如又一變化例,該蒸氣壓力係藉改變該熱或冷氣體流中的乾燥與飽和氣體流之比率而來控制。
亦使用該混合式凝縮粒子檢測器:a.其中該氣懸體係可存在於該等混合氣體流之任一或二者中;且b.其中該檢測臨界值係藉調整該熱和冷氣體流的流率而被改變:i該蒸氣係存在於該二氣體流中;或ii其中蒸氣係只存在於該熱氣體流中。
回到該熱擴散層流式凝縮粒子檢測器,在另一實施例的方法中,該冷凝器區的溫度可被空間地改變而歷經較少的生長時間造成較小的粒子,其中該最初粒子尺寸可由所造成細滴的尺寸來被推斷。
在該方法的又一態樣中,其中具有一層流式或混合式的凝縮粒子計數器,該程序包括藉明確地控制存在於 該冷凝區之前的氣懸體中之蒸氣的質量,而來控制一或更多種冷凝流體的蒸氣壓力;a.該受控的蒸氣係為唯一的冷凝蒸氣;i該蒸氣壓力係以一計量式液體注入物譬如一注射器或蠕動泵驅動噴霧器來控制;或ii另擇地,該蒸氣壓力係藉空間性或時間性地限制該氣體流對該飽和液體之表面的曝露而來控制;或b.另擇地,其中有兩種蒸氣存在:i一種蒸氣是飽和的但單獨係不適合於充分的粒子生長(例如二甘醇),且該受控的蒸氣係存在而能繼續生長至一足夠尺寸(例如丁醇),其中該生長蒸氣將會在使用該飽和蒸氣來成核所需要的溫度時進行均勻成核化;或ii另擇地,該第二種蒸氣濃度係藉改變充滿飽和主要蒸氣的氣體與充滿飽和的主要和次要蒸氣之氣體的比率而來被控制。
上述方法可藉算出該CPC在各操作狀態時所測得的差動濃度來被實行。該膠體粒子尺寸分布可被以該凝縮的細滴尺寸分布來直接地推斷。該程度可被用來測量一未改變的膠體,一稀釋的膠體,或一通過一膠體濃縮器的膠體等之粒子尺寸分布。膠體濃縮可藉某些使用橫越氣流過濾法或蒸發的操作來達成。蒸發方法之例包括一沖浴於乾熱氣體中的半多孔式隔離,例如Porous PTFE(Zeus公司),或將該液體表面曝露於乾熱氣體。一較佳的冷凝蒸氣為一氟化溶劑(Fluorinert或Novec)。在此例中,該冷凝蒸氣 較好係被藉冷凝回收。該冷凝的工作流體與該膠體溶劑並非可混合的。且,該回收的工作流體會藉由該回收液體內的適當濾層抽出而被再循環使用。
至於使用一可動撞擊針的方法,其中一軸向力會被施加於該針,該力可為固定的(例如由一受節制的氣體源提供),或該力可隨著針位置改變(例如由一彈簧提供),或該力可被調整(例如藉調整一彈簧的預載壓,或藉改變氣體壓力來調整)。
以上各實施例係被選出、描述及圖示,俾使精習於該技術者能夠瞭解本發明,及製造和使用它的方法與程序。該等描述和所附圖式應被視為舉例說明,且非為排它的或限制之意。本發明並非要被限制於所揭的完全相同形式。精習於該技術者將會瞭解可能有不同於所揭的其它實施例會落在如申請專利範圍所界定之本發明的範圍內。
10‧‧‧系統
11‧‧‧噴霧器
12‧‧‧入口
13‧‧‧凝縮粒子計數器

Claims (35)

  1. 一種判定一流體中的粒子之尺寸分布的方法,包含以下步驟:形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,蒸發該等細滴以產生粒子,及藉改變一檢測臨界值來測量該等粒子的濃度。
  2. 如請求項1之方法,其中流體是膠體。
  3. 如請求項2之方法,其中該膠體係選自下列膠體組群:一未改變的源膠體,在一樣品引入裝置的下游引入的膠體,及由一膠體濃縮器輸出的膠體。
  4. 如請求項1之方法,其中形成步驟係藉噴霧化來達成。
  5. 如請求項1之方法,其中該蒸發步驟會產生一粒子由一非揮發性溶解物質所構成,或一粒子由一膠體粒子和非揮發性溶解物質所組成,且其中該檢測臨界值為一直徑。
  6. 如請求項1之方法,其中該等蒸發細滴及測量濃度的步驟係藉凝縮粒子計數來達成。
  7. 如請求項6之方法,其中凝縮粒子計數包括飽和該等細滴及冷凝該等細滴,且其中該飽和程度會被改變。
  8. 如請求項7之方法,其中該檢測臨界值係時間性地改變。
  9. 如請求項8之方法,其中該時間性變化包括改變溫度。
  10. 如請求項9之方法,其中該等飽和細滴的溫度會被改變。
  11. 如請求項9之方法,其中一冷凝器的溫度會被步進地或連續逐升地改變。
  12. 如請求項8之方法,其中該時間性變化包括改變一充滿細滴的蒸氣流與一分開的乾氣體流之比率。
  13. 如請求項8之方法,其中該時間性變化包括改變被輸送至一氣體流的蒸氣之質量。
  14. 如請求項13之方法,其中所輸送的蒸氣質量係藉添加一受控量的液體於一氣體流而被改變。
  15. 如請求項13之方法,其中所輸送的蒸氣質量係藉控制一氣體流的曝露於一工作流體表面而被改變。
  16. 如請求項7之方法,其中該檢測臨界值係空間性地改變。
  17. 如請求項16之方法,其中該過飽和程度會增加,且更包含以下步驟:(1)測量被細滴散射的光量,及(2)以被散射的光量來推斷該細滴中的粒子尺寸,其中粒子尺寸係直接正比於該散射的光量。
  18. 如請求項7之方法,其中凝縮粒子計數係藉具有一充滿細滴的氣體流,一上游飽和區及一下游冷凝區的熱擴散層流式凝縮來達成。
  19. 如請求項7之方法,其中凝縮粒子計數係藉具有第一和第二混合氣體流及一冷凝區的混合式凝縮來達成。
  20. 一種用以判定一流體中的粒子之尺寸分布的系統,包含一細滴形成器用以形成該流體之一氣懸體細滴流,該等細滴含有粒子和溶解物質,及一凝縮粒子檢測器用以蒸發該等細滴來產生粒子並可測量該等粒子的濃度,該凝縮粒子檢測器具有一可變的檢測臨界值。
  21. 如請求項20之系統,其中該流體是一膠體。
  22. 如請求項21之系統,更包含一樣品引入裝置導通地連接於該細滴形成器,且其中該膠體係為一未改變的膠體或一稀釋的膠體。
  23. 如請求項22之系統,更包含一流體濃縮器設在該樣品引入裝置與該細滴形成器之間。
  24. 如請求項20之系統,其中該細滴形成器是一噴霧器。
  25. 如請求項21之系統,其中該噴霧器有一可動的彈簧載壓撞擊針。
  26. 如請求項20之系統,其中該凝縮粒子檢測器是一熱擴散層流式凝縮粒子計數器(CPC),具有一充滿細滴的氣體流,一上游飽和區,一下游冷凝區。
  27. 如請求項20之系統,其中該凝縮粒子檢測器是一混合式CPC,具有第一和第二混合氣體流及一冷凝區。
  28. 如請求項20之系統,其中檢測臨界值係可藉由溫度,或藉充滿細滴的蒸氣流相對於一乾氣體流的比率,或藉輸送至一氣體流的蒸氣之質量而被時間性地改變。
  29. 如請求項20之系統,其中該檢測臨界係可空間性地改變。
  30. 如請求項20之系統,其中粒子尺寸係由所造成的細滴之尺寸來被推斷,粒子尺寸係直接正比於細滴尺寸。
  31. 如請求項20之系統,更包含一大細滴移除機構。
  32. 如請求項31之系統,其中該大細滴形成器包含一重力沉澱機構。
  33. 如請求項31之系統,其中該大細滴形成器包含一慣性撞 擊器。
  34. 如請求項33之系統,其中該慣性撞擊器具有一加熱的碰撞表面,或具有一引芯元件。
  35. 如請求項33之系統,更包含一同軸的乾淨鞘套空氣流。
TW104109410A 2014-03-24 2015-03-24 膠體大小分布測量技術 TWI671516B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201461969478P 2014-03-24 2014-03-24
US61/969,478 2014-03-24
US201462074931P 2014-11-04 2014-11-04
US62/074,931 2014-11-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201606281A true TW201606281A (zh) 2016-02-16
TWI671516B TWI671516B (zh) 2019-09-11

Family

ID=54334506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104109410A TWI671516B (zh) 2014-03-24 2015-03-24 膠體大小分布測量技術

Country Status (3)

Country Link
US (2) US9958371B2 (zh)
KR (1) KR101793170B1 (zh)
TW (1) TWI671516B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI745391B (zh) * 2016-06-30 2021-11-11 美商加野麥克斯Fmt股份有限公司 膠體粒子尺寸質量分佈測量技術
US11162879B2 (en) * 2017-07-24 2021-11-02 Kanomax Fmt, Inc. Particle detection system and method
EP3841371B1 (en) 2018-08-21 2024-04-17 Battelle Memorial Institute Extraction of materials from liquids
KR102341503B1 (ko) * 2018-09-21 2021-12-22 티에스아이 인코포레이티드 고온 응축 입자 계수기
AT522217B1 (de) * 2019-03-13 2022-06-15 Avl List Gmbh Kondensationspartikelzähler mit unterschiedlich temperierten Kondensationskanälen
CN110208150B (zh) * 2019-05-28 2022-08-23 哈尔滨工程大学 一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法及装置
US11933708B2 (en) 2021-05-07 2024-03-19 Tsi Incorporated Aerosol-based liquid particle detection measurement
KR102587910B1 (ko) * 2022-12-19 2023-10-11 엔비스아나(주) 오염물 분석 시스템, 오염물 분석 방법, 및 유체 도입 장치

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5374396A (en) * 1992-05-05 1994-12-20 Tsi Incorporated Syringe injection system for measuring non-volatile residue in solvents
KR100383547B1 (ko) * 2000-09-25 2003-05-12 학교법인 한양학원 초미세입자 응축핵계수기
WO2002074372A2 (en) * 2001-03-15 2002-09-26 The Government Of The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Health And Human Services Nebulizer having cooling chamber
US6498641B1 (en) * 2001-06-01 2002-12-24 Pacific Scientific Instruments Company Condensation nucleus counter with multi-directional fluid flow system
US7656510B2 (en) * 2002-09-18 2010-02-02 The Regents Of The University Of California Stream-wise thermal gradient cloud condensation nuclei chamber
US7635092B2 (en) * 2004-08-04 2009-12-22 Waters Technologies Corporation Humidity-controlled chamber for a thermogravimetric instrument
JP2007033064A (ja) * 2005-07-22 2007-02-08 Institute Of Physical & Chemical Research 微粒子計数器
US7363828B2 (en) * 2005-08-25 2008-04-29 Msp Corporation Aerosol measurement by dilution and particle counting
WO2007120700A2 (en) * 2006-04-11 2007-10-25 Lab Automate Technologies, Inc. Automated cascade impactor
US7777868B2 (en) * 2006-11-07 2010-08-17 Fluid Measurement Technologies, Inc. System for measuring non-volatile residue in ultra pure water
US20080137065A1 (en) * 2006-11-07 2008-06-12 Oberreit Derek R Measuring Analyte Concentrations in Liquids
US7777867B2 (en) * 2006-12-22 2010-08-17 Thermo Fisher Scientific Devices, methods, and systems for detecting particles in aerosol gas streams
US7721589B2 (en) 2007-02-05 2010-05-25 Glass Group Limited Automated system for impactor testing
KR100895542B1 (ko) * 2007-07-05 2009-05-06 안강호 응축핵 계수기
EP2195631A4 (en) 2007-10-02 2015-08-12 Clyde L Witham CASCADES impinger
US8272253B2 (en) * 2008-01-22 2012-09-25 Ct Associates, Inc. Particle concentration measurement technology
US8573034B2 (en) * 2008-01-22 2013-11-05 Ct Associates, Inc. Residue concentration measurement technology
GB0809995D0 (en) * 2008-05-31 2008-07-09 Spd Swiss Prec Diagnostics Gmb Assay device
US20100031734A1 (en) * 2008-08-05 2010-02-11 Nitto Denko Corporation Method and system for detecting impurities in liquids
US8465791B2 (en) * 2009-10-16 2013-06-18 Msp Corporation Method for counting particles in a gas

Also Published As

Publication number Publication date
US9958371B2 (en) 2018-05-01
US10697879B2 (en) 2020-06-30
US20180224366A1 (en) 2018-08-09
KR101793170B1 (ko) 2017-11-03
TWI671516B (zh) 2019-09-11
KR20150110432A (ko) 2015-10-02
US20150308940A1 (en) 2015-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI671516B (zh) 膠體大小分布測量技術
CN103487494B (zh) 一种环境气溶胶直接取样富集进样装置及定量分析方法
US7029921B2 (en) Apparatus for rapid measurement of aerosol bulk chemical composition
Ardon-Dryer et al. Laboratory studies of collection efficiency of sub-micrometer aerosol particles by cloud droplets on a single-droplet basis
US4917830A (en) Monodisperse aerosol generator
Sharp Pneumatic nebulisers and spray chambers for inductively coupled plasma spectrometry. A review. Part 2. Spray chambers
US4963289A (en) Method for producing monodisperse aerosols
US4794086A (en) Method for measurement of impurities in liquids
US9086350B2 (en) Particle concentration measurement technology
US20110095095A1 (en) Focusing particle concentrator with application to ultrafine particles
US7760355B2 (en) Focused droplet nebulizer for evaporative light scattering detector
US6506345B1 (en) Apparatus for rapid measurement of aerosol bulk chemical composition
TWI549745B (zh) 溶液混合裝置與混合方法以及溶液粒子監測系統與監測方法
CN102089640A (zh) 冷凝装置
Kidwell et al. Development and evaluation of a prototype system for collecting sub-hourly ambient aerosol for chemical analysis
KR20150049247A (ko) 입자 포집장치
US20140352411A1 (en) Nebulizer for Charged Aerosol Detection (CAD) System
JPH0634516A (ja) 被験液中の不揮発性残留物濃度監視装置及び同濃度測定方法
US7631567B1 (en) Systems and methods for collecting particles from a large volume of gas into a small volume of liquid
Hunter Jr et al. Wind tunnel seeding systems for laser velocimeters
US8671874B2 (en) Process and apparatus for localized coating of assembled cascade impactor particle collection surfaces
Sinha et al. Mass distribution of chemical species in a polydisperse aerosol: measurement of sodium chloride in particles by mass spectrometry
Tu et al. Experimental determination of interception collection efficiencies for small cloud droplets
JPS5826285A (ja) 減圧装置
Angelov et al. AEROSOL GENERATION DEVICES SUITABLE FOR SIMULATING FOGS IN LABORATORY CONDITIONS