TWM631818U - 一種導電材料超細粉末製備裝置 - Google Patents

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Abstract

本創作涉及一種導電材料超細粉末製備裝置，包括高溫蒸發與成核爐體、生長與固化控溫管、流體混合冷卻器及粉末收集器。通過殼體、保溫材料的配合控制蒸發腔、成核腔、生長腔及固化腔內的溫度區間；內部坩堝、坩堝蓋及各個通道的配合設計，及坩堝蓋出口的縮口設計，以及生長腔與固化腔的內徑的變化設計，較好地控制了微粒的碰撞。以上設計方便而準確地控制各個區間內功能的實現，為批量製備顆粒球狀好、顆粒均勻、分散性好的粉末提供了條件。

Description

一種導電材料超細粉末製備裝置
本創作屬於超細粉製備技術領域，特別是指一種導電材料超細粉末製備裝置。
在使用物理蒸發冷凝氣相法製備超細粉粒子時，需將原材料先經過高溫加熱氣化，再將氣態物質轉變為液態後固化成形。因為製備的超細粉粒子為微觀材料，多為奈米級、亞微米級或微米級粉末，成形的粒子尺寸較小，形成速度非常快，溫度非常高；蒸氣排出與成核的技術原理雖然簡單，但是實際運用卻非常困難。在將蒸氣排出坩堝內腔後，極易出現遇冷凝聚為液體或固體的情況，液體易流出坩堝外，導致物料損失，固體易造成出口堵塞，影響連續生產的持續進行。
現有氣相法在製備超細金屬粉時，雖然都需要經過蒸發、成核、生長、固化、冷卻及收集的過程，但因蒸發、成核、生長與固化的過程速度快，設備結構的限制會導致很難單獨控制金屬蒸氣的成核過程，有時會將蒸發、成核、生長及固化集中在一個結構中一次性的完成。雖然最終能製備出超細顆粒，但得到的超細顆粒基本上是大小不均、形態混亂的不良品，甚至出現聯體現象。也有將成核、生長及固化分佈在一個管道中的操作，但是這種操作並未對各個階段進行特別控制，導致成核過程中伴有大量生長，生長階段仍會發生成核，同時固化也伴隨其中，最終的產品中將會出現大小不均勻現象，以及坩堝蓋出口保溫不良引起出口堵塞所導致的無法繼續生產的問題。
本創作針對背景技術中的問題，提供了一種導電材料製細粉末製備裝置，通過殼體、保溫材料的配合控制蒸發腔、成核腔、生長腔及固化腔內的溫度區間；內部坩堝、坩堝蓋及各個通道的配合設計，及坩堝蓋出口的縮口設計，以及生長腔與固化腔的內徑的變化設計，較好地控制了微粒的碰撞。以上設計方便而準確地控制各個區間內功能的實現，為批量製備顆粒球狀好、顆粒均勻、分散性好的粉末提供了條件。
為實現上述目的，本創作通過以下技術方案實現：
一種導電材料超細粉末製備裝置，包括高溫蒸發與成核爐體、生長與固化控溫管、流體混合冷卻器及粉末收集器；所述高溫蒸發與成核爐體包括外部的第一殼體，第一殼體的內部安裝有坩堝和坩堝蓋，穿過第一殼體並伸入坩堝蓋的內腔的等離子弧槍，穿過第一殼體並連通於內部的坩堝與坩堝蓋組成的內腔的加料裝置及載流氣預熱輸入管，所述坩堝與坩堝蓋組成的內腔分為下部的蒸發腔與上部的成核腔；所述生長與固化控溫管包括外部的第二殼體以及內部的用於載流氣、液相或/和固相微粒通過的內通道，內通道與第二殼體之間設置有用於控制生長與固化過程的溫度的保溫材料，生長與固化控溫管的內通道的前端與坩堝蓋的側面出口連通，坩堝蓋側面出口的內徑小於坩堝蓋的安裝下口的內徑；所述流體混合冷卻器包括第三殼體以及穿過第三殼體的流體輸入通道及噴口。
進一步的，所述坩堝及坩堝蓋與第一殼體之間設置保溫材料，所述保溫材料用於控制坩堝與坩堝蓋組成的內腔的內部溫度，以使得坩堝內熔融狀態且可導電的原材料的液面中心區域處於沸點或沸點以上的溫度，從而形成蒸發區，並使得坩堝蓋內及坩堝內的液面邊緣區域的成核腔的溫度處於沸點以下，從而形成成核區。
進一步的，所述坩堝與坩堝蓋組成的內腔的下部的蒸發區主要位於坩堝的內腔中（例如蒸發區的至少50%的體積位於坩堝的內腔中），上部的成核區主要位於坩堝蓋的內腔中（例如成核區的至少50%的體積位於坩堝蓋的內腔中）。
進一步的，蒸發區與成核區的分界為一變化的曲面層，曲面層的位置由內腔的溫度及原材料的沸點決定，生產過程中曲面層隨著等離子弧槍的槍頭的上下移動而跟隨移動，曲面層的下口徑隨著等離子弧槍功率的增減而跟隨變化。
進一步的，所述坩堝蓋具有上小下大的錐台或弧狀台形狀，坩堝蓋的側面設置有載流氣及微粒的出口，出口的內徑小於坩堝蓋與坩堝安裝連接處的下口徑，出口的縮口結構設計提高了成核後的微粒碰撞結合的機率，從而便於微粒在生長與固化控溫管內快速生長。
進一步的，所述生長與固化控溫管內設有生長腔和固化腔，生長腔位於靠近坩堝蓋的出口的一端，固化腔靠近流體混合冷卻器。載流氣在管道內流動時將形成溫度場及速度場，溫度場的等溫線與速度場的等速線均為子彈頭狀的曲形面，所以生長腔為微粒碰撞結合的主要場所，僅在生長腔的邊緣處存在少量的固化，固化腔為已生長完成的顆粒固化的主要場所，僅在固化腔的中心處存在少量的生長。
進一步的，所述生長與固化控溫管的生長腔內腔的內徑小於或等於固化腔內腔的內徑，並且生長腔內腔與固化腔內腔均呈圓管狀、或喇叭管狀或台階管狀等管狀。
進一步的，所述流體混合冷卻器為管狀或罐狀，內徑大於或等於固化管內管的內徑。
進一步的，所述流體混合冷卻器內用於冷卻的流體為氣體、液體或液體與氣體的混合物。
進一步的，所述粉末收集器為固化成形後的超細粉末匯集的容器，當用於冷卻的流體為氣體時，粉末收集器內設置有過濾式氣固分離器、磁力分離器或旋風分離器；當用於冷卻的流體為液體或液體與氣體的混合物時，粉末收集器內設置有離心分離器、磁力分離器或氣固液分離器。
進一步的，所述粉末收集器的底部設置有用於排出超細粉末的出粉口，粉末收集器的上部設置有用於載流氣的排出的出氣口，載流氣經出氣口排出後可以經增壓再循環使用。
進一步的，所述高溫蒸發與成核爐體、生長與固化控溫管及流體混合冷卻器均設置有殼體，各個殼體為一體式結構、分段式結構，或為具有交叉共用段的結構，各個殼體可根據需要設置有冷卻結構。
相對於現有技術，本創作的有益效果是：
本創作通過將成核與蒸發過程設計在同一爐體內的坩堝與坩堝蓋組成的內腔中，更好地解決了高溫下高沸點材料蒸氣的溫度難以長時間控制在沸點以上的問題，無需將成核過程控制為遠離蒸發區；坩堝蓋連接生長腔的出口的縮口設計，將成核後的微粒經由載流氣攜帶通過出口，實現快速生長；固化腔內的溫度比生長腔內的溫度低的設計，使得溫度下降後，載流氣體體積收縮而流速變慢，以及固化腔內腔的內徑大於或等於生長腔的設計，也使得載流氣流速變慢，兩種設計共同的作用為固化提供充分的時間與空間；流體混合冷卻可以更快的使超細粉末顆粒冷卻，便於後續的收集。
結合附圖和實施例對本創作做進一步描述，雖然進行清楚完整地描述，顯然所描述的實施例僅僅是本創作一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本創作中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬本創作保護的範圍。
如圖1所示，本創作提供了一種導電材料超細粉末製備裝置，包括高溫蒸發與成核爐體1、生長與固化控溫管2、流體混合冷卻器3及粉末收集器4。如圖1和圖2所示，高溫蒸發與成核爐體1包括外部的蒸發與成核爐體殼體10，蒸發與成核爐體殼體10的內部安裝有坩堝11與坩堝蓋12，穿過蒸發與成核爐體殼體10並伸入坩堝蓋12的內腔的等離子弧槍13，穿過蒸發與成核爐體殼體10並連通於內部的坩堝11與坩堝蓋12組成的內腔的加料裝置14及載流氣預熱輸入管15。坩堝11及坩堝蓋12和蒸發與成核爐體殼體10之間設置有保溫材料17，保溫材料17用於控制坩堝11與坩堝蓋12組成的內腔的內部溫度，以使得坩堝11內熔融狀態且可導電的原材料18的液面中心區域處於沸點或沸點以上的溫度，從而形成蒸發區191；使得坩堝蓋12內及坩堝11內的液面邊緣區域的成核腔的溫度處於沸點以下，從而形成成核區192。蒸發區191與成核區192的分界為一變化的蒸發區與成核區分界曲面層19，曲面層的位置由內腔溫度及熔融狀態且可導電的原材料18的沸點決定，生產過程中曲面層隨著等離子弧槍13的槍頭的上下移動而跟隨移動，曲面層的下口徑隨著等離子弧槍13功率的增減而跟隨變化。
坩堝蓋12具有上小下大的錐台或弧狀台形狀，坩堝蓋12的側面設置有載流氣及微粒的坩堝蓋側面出口16，出口的內徑小於坩堝蓋12與坩堝11安裝連接處的下口徑。出口的縮口結構設計提高了成核後的微粒碰撞結合的機率，從而便於微粒在生長與固化控溫管2內快速生長。
如圖1和圖3所示，生長與固化控溫管2包括外部的生長與固化控溫管殼體20以及內部的用於載流氣、液相或/和固相微粒通過的內通道，內通道和生長與固化控溫管殼體20之間設置有用於控制生長與固化過程的溫度的保溫材料23，生長與固化控溫管2的內通道的前端與坩堝蓋側面出口16連通。所述內通道內設有生長腔21與固化腔22，生長腔21位於靠近坩堝蓋12出口的一端，固化腔22靠近流體混合冷卻器3。生長腔21的內徑小於或等於固化腔22的內徑。因載流氣在管道內流動時將形成溫度場及速度場，溫度場的等溫線與速度場的等速線均為子彈頭狀的曲形面，所以生長腔21為微粒碰撞結合的主要場所，僅在生長腔21的邊緣處存在少量的固化，固化腔22為已生長完成的顆粒固化的主要場所，僅在固化腔22的中心處存在少量的生長。
如圖1和圖3所示，流體混合冷卻器3包括流體混合冷卻器殼體30及穿過流體混合冷卻器殼體30的流體混合冷卻器流體輸入通道31。流體混合冷卻器3為管狀或罐狀，內徑大於或等於固化腔22的內徑。
如圖1所示，粉末收集器4為固化成形後的超細粉末匯集的容器，當用於冷卻的流體為氣體時，粉末收集器4內設置有過濾式氣固分離器或磁力分離器或旋風分離器；當用於冷卻的流體為液體或液體與氣體的混合物時，粉末收集器4內設置有離心分離器或磁力分離器或氣固液分離器。粉末收集器4的底部設置有用於超細粉末的排出的出粉口41，粉末收集器4的上部設置有用於載流氣的排出的出氣口42，載流氣經排氣口排出後可以經增壓再循環使用。
具體工作過程：
導電原材料由加料裝置14通過加料管道輸送進入坩堝11內，啟動等離子弧槍13，等離子弧槍13與導電原材料之間通過等離子電弧實現電連通，進而產生能量對導電原材料進行加熱。導電原材料受熱後，融化並在蒸發區191範圍內蒸發為蒸氣，蒸氣擴散至成核區192中，溫度由沸點以上降至沸點以下，蒸氣開始凝結為液核。通過載流氣預熱輸入管15，將惰性載流氣先在坩堝11或坩堝蓋12和蒸發與成核爐體殼體10之間的保溫材料17中進行預加熱，再由載流氣預熱輸入管15輸送至坩堝11與坩堝蓋12組成的內腔中，攜帶成核的微粒通過縮口設計的坩堝蓋側面出口16，進入生長與固化控溫管2中。坩堝蓋側面出口16的縮口設計使得在生長腔21中增加了成核微粒的碰撞機率，從而提高了生長效率。在完成生長後，微粒進入固化腔22，固化腔22內的溫度降至熔點以下，生長完成的微粒固化為固體顆粒。固化後的顆粒再由載流氣攜帶進入流體混合冷卻器3內，使用冷卻流體（液體或氣體或氣液混合霧）對高溫的固體顆粒進行快速冷卻。最後將冷卻完成的超細粉末送入粉末收集器4中進行粉末收集，並通過出氣口42排出載流氣與/和冷卻氣，以及通過出粉口41排出粉末。
1:高溫蒸發與成核爐體
2:生長與固化控溫管
3:流體混合冷卻器
4:粉末收集器
10:蒸發與成核爐體殼體
11:坩堝
12:坩堝蓋
13:等離子弧槍
14:加料裝置
15:載流氣預熱輸入管
16:坩堝蓋側面出口
17:保溫材料
18:熔融狀態且可導電的原材料
19:蒸發區與成核區分界曲面層
191:蒸發區
192:成核區
20:生長與固化控溫管殼體
21:生長腔
22:固化腔
23:保溫材料
30:流體混合冷卻器殼體
31:流體混合冷卻器流體輸入通道
41:出粉口
42:出氣口
圖1為本創作的結構示意圖。 圖2為本創作的高溫蒸發與成核爐體的結構示意圖。 圖3為本創作的生長與固化控溫管的結構示意圖。
1:高溫蒸發與成核爐體
11:坩堝
12:坩堝蓋
13:等離子弧槍
14:加料裝置
15:載流氣預熱輸入管
16:坩堝蓋側面出口
2:生長與固化控溫管
3:流體混合冷卻器
4:粉末收集器
41:出粉口
42:出氣口

Claims (11)

  1. 一種導電材料超細粉末製備裝置，其包括一高溫蒸發與成核爐體、一生長與固化控溫管、一流體混合冷卻器及一粉末收集器；其中該流體混合冷卻器之一端與該生長與固化控溫管連接，而其另一端與該粉末收集器連接；其中該高溫蒸發與成核爐體包括其外部的一第一殼體，第一殼體的內部安裝有一坩堝和一坩堝蓋，穿過該第一殼體一併伸入該坩堝蓋的內腔的一等離子弧槍，穿過該第一殼體一併連通於內部的該坩堝與該坩堝蓋組成的內腔的一加料裝置及一載流氣預熱輸入管，該坩堝與該坩堝蓋組成的內腔分為下部的一蒸發腔與上部的一成核腔；其中該生長與固化控溫管包括外部的一第二殼體以及內部的用於載流氣、液相及/或固相微粒通過的一內通道，該內通道與該第二殼體之間設置有用於控制生長與固化過程的溫度的一保溫材料，該生長與固化控溫管的內通道的前端與該坩堝蓋的側面出口連通；該流體混合冷卻器包括一第三殼體以及穿過該第三殼體的一流體輸入通道及一噴口。
  2. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該坩堝及該坩堝蓋與該第一殼體之間設置一保溫材料，該保溫材料用於控制該坩堝與該坩堝蓋組成的內腔的內部溫度，以使得該坩堝內熔融狀態且可導電的原材料的液面中心區域處於沸點或沸點以上的溫度，從而形成一蒸發區；並使得該坩堝蓋內及該坩堝內的液面邊緣區域的成核腔的溫度處於沸點以下，從而形成一成核區。
  3. 如請求項2所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該高溫蒸發與成核爐體內該坩堝與該坩堝蓋組成的內腔的下部的該蒸發區主要位於該坩堝的內腔中，而上部的該成核區主要位於該坩堝蓋的內腔中。
  4. 如請求項2或3所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該蒸發區與該成核區的分界為一變化的曲面層，該曲面層的位置由內腔的溫度及原材料的沸點決定，生產過程中該曲面層隨著該等離子弧槍的槍頭的上下移動而跟隨移動，且該曲面層的下口徑隨著該等離子弧槍功率的增減而跟隨變化。
  5. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該坩堝蓋具有上小下大的錐台或弧狀台形狀，該坩堝蓋的側面設置有一載流氣及微粒的出口，該出口的內徑小於該坩堝蓋與該坩堝安裝連接處的下口徑，且該出口具有縮口結構設計。
  6. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該生長與固化控溫管的內管道內設有一生長腔和一固化腔，該生長腔位於靠近該坩堝蓋的出口的一端，該固化腔靠近該流體混合冷卻器，該生長腔的內徑小於或等於該固化腔的內徑，並且該生長腔與該固化腔均呈圓管狀、喇叭管狀或台階管狀。
  7. 如請求項6所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該流體混合冷卻器為管狀或罐狀，其內徑大於或等於該固化腔的內徑。
  8. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該流體混合冷卻器內用於冷卻的流體為氣體、液體或液體與氣體的混合物。
  9. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中該粉末收集器為固化成形後的超細粉末匯集的容器，當用於冷卻的流體為氣體時，該粉末收集器內設置有一過濾式氣固分離器、磁力分離器或旋風分離器；當用於冷卻的流體為液體或液體與氣體的混合物時，該粉末收集器內設置有一離心分離器、磁力分離器或氣固液分離器。
  10. 如請求項1或9所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該粉末收集器的底部設置有用於排出超細粉末的一出粉口，該粉末收集器的上部設 置有用於排出載流氣的一出氣口，而載流氣經該出氣口排出後係經增壓再循環使用。
  11. 如請求項1所述之導電材料超細粉末製備裝置，其中，該第一殼體、第二殼體和第三殼體的各個殼體為一體式結構、分段式結構，或具有交叉共用段的結構。
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