一种纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法。该装置包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置。本发明专利技术是基于水蒸气凝结原理，将洁净鞘气包裹的带有大气颗粒物的样气通过饱和水蒸气通道，利用半导体制冷器和柔性加热器控制两级饱和水蒸气通道的温度，产生温度梯度，利用水蒸气扩散速率高于气体传热速率的特性使颗粒物周围的水蒸气过饱和，使得水蒸气凝结在颗粒物表面，促进颗粒物粒径增长。通过控制样气和鞘气的流量比例，或控制两级饱和水蒸气通道的温度差，来调节水蒸气过饱和度，实现对过饱和增长后的颗粒物粒径大小的动态控制。

Nano scale particle over saturation growth device and control method

The invention relates to a nano particle over saturation growth device and a control method thereof. The device comprises a particle like gas passage, a sheath gas passage, a saturated water vapor passage, a deionized water channel, an air flow proportional control device and a temperature gradient control device. The invention is based on the principle of water vapor condensation, the sample gas with atmospheric particulate clean sheath gas parcels through the water vapor channel by a semiconductor refrigerator and flexible heater two level water vapor channel temperature control, temperature gradient, water vapor diffusion rate is higher than the rate of heat transfer characteristics of gas particles around the water vapor supersaturation, make the water vapor condense on the surface of particles, particle size growth promoting. By controlling the flow ratio of the sample gas and sheath gas or controlling the temperature difference of the two stage saturated water vapor passage, the steam supersaturation is regulated, and the particle size of the supersaturated growth is controlled dynamically.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法
本专利技术涉及气溶胶监测
，具体涉及一种利用水蒸气凝结促进纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法。
技术介绍
颗粒物在过饱和环境下凝结增长达到光学方法可测量的粒径范围是大气超细颗粒物(粒径小于100nm)测量的主要手段。水蒸气分子在颗粒物表面的凝结可以促进颗粒物粒径的增长，颗粒物过饱和增长后的粒径大小与所处的水蒸气过饱和度有直接关系，获取不同水蒸气过饱和度条件下的颗粒物增长后的粒径大小信息有助于分析大气颗粒物的化学组分和凝结增长特征。中国专利CN104297118A中提到了一种利用正丁醇蒸气过饱和促进颗粒物凝结增长测量3nm～5μm颗粒物数浓度的装置，其利用了正丁醇蒸气分子扩散系数小于热扩散系数的原理，固定了饱和溶液装置和冷凝装置的壁面温度(39℃和10℃)，颗粒物周围的正丁醇蒸气过饱和度保持不变，不能满足对颗粒物凝结增长后的粒径大小的控制需求。因此，需要设计一种能够动态控制颗粒物凝结增长后粒径大小的颗粒物测量装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用水蒸气凝结促进纳米级颗粒物过饱和增长的装置及控制方法，该装置及控制方法能够解决现有技术中存在的不足，对对1nm～100nm之间的纳米颗粒物过饱和增长过程进行动态控制，使纳米颗粒物过饱和增长后的粒径在0.1μm～10μm范围内动态变化。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置。具体地说，所述颗粒物样气通道包括样气管道以及分别安装在样气管道上的样气流量计与样气真空泵。所述鞘气通道包括鞘气管道以及分别安装在鞘气管道上的过滤器、鞘气流量计与鞘气真空泵。所述饱和水蒸气通道包括从内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管。所述去离子水通道包括去离子水储存装置以及与去离子水储存装置相连的可调速水泵。所述气流比例控制装置包括压差测量系统、信号放大电路和真空泵驱动电路。所述压差测量系统包括开设在鞘气管道上的限流小孔以及用于测量限流小孔两端的压差的压差式传感器。鞘气经过限流小孔产生压差，利用压差式传感器测量限流小孔两端的压差，信号放大电路将采集到的压差信号放大，反馈到鞘气真空泵的电压控制端，控制真空泵的抽速；通过设定不同的压差值，调节鞘气流量的变化，以控制鞘气和样气气流的比例。所述温度梯度控制装置包括依次包裹在不锈钢套管外壁上的半导体制冷器与柔性加热器、分别设置在柔性加热器与不锈钢套管之间以及半导体制冷器与不锈钢套管之间的两个温度传感器、与温度传感器相连的数据采集系统、以及与半导体制冷器和柔性加热器相连的电流控制电路。进一步的，所述半导体制冷器和柔性加热器之间设有绝热块。所述的半导体制冷器和柔性加热器分别工作在制冷和加热模式，工作温度可通过上位机软件设定，柔性加热器外壳材料为硅橡胶，由放置在柔性加热器和不锈钢套管之间的温度传感器以及放置在半导体制冷器和不锈钢套管之间的温度传感器来测量饱和水蒸气通道外壁的温度，通过数据采集系统将温度信号反馈到上位机，上位机通过软件命令控制电流控制电路输出信号，调节半导体制冷器和柔性加热器的工作电流，以控制两级饱和水蒸气通道的温度差。进一步的，所述不锈钢套管的内径不小于12mm，且不锈钢套管采用316L不锈钢材质，该材质能够减少水对不锈钢套管内壁的腐蚀。进一步的，所述微孔内衬管的内径不小于9mm；所述微孔内衬管采用e-PTFE膨体聚四氟乙烯材料；所述微孔内衬管的管壁上开设有若干通孔，且通孔的孔隙尺寸小于0.5μm，孔隙率大于80％。可调速水泵控制去离子水在微孔内衬管和不锈钢管套之间流动，与微孔内衬管内的混合气流的流向相反，能够促进水蒸气透过微孔内衬管上的通孔渗透到颗粒物气流中。本专利技术还涉及一种上述纳米级颗粒物过饱和增长装置的控制方法，该方法包括以下步骤：(1)带有大气颗粒物的样气进入颗粒物样气通道后分为两路，一路沿颗粒物样气通道继续流动，另一路经鞘气通道过滤后形成洁净的鞘气后再次进入大气颗粒物样气通道，鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气共同进入饱和水蒸气通道。(2)可调速水泵以恒定流量将去离子水储存装置中的去离子水输送到饱和水蒸气通道的微孔内衬管内，使去离子水在微孔内衬管和不锈钢管套之间流动，从而使微孔内衬管的内壁湿润，形成水蒸气饱和环境。(3)半导体制冷器和柔性加热器将饱和水蒸气通道分为两级，中间用绝热块连接，半导体制冷器工作在制冷模式，柔性加热器工作在加热模式，形成温度梯度。鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气形成的混合气流进入半导体制冷器控制的第一级饱和水蒸气通道，且混合气流的流动方向和去离子水的流动方向相反。不锈钢管套与微孔内衬管之间的水蒸气通过微孔内衬管上的通孔向混合气流扩散，形成水蒸气饱和的混合气流，同时使混合气流的温度降低，再进入柔性加热器控制的第二级饱和水蒸气通道，热量和水蒸气同时由微孔内衬管壁向混合气流中心扩散，使得混合气流温度逐渐升高；由于水蒸气扩散速率高于热扩散速率，因此，在第二级饱和水蒸气通道内，混合气流中任意一点处的水蒸气分压大于该点温度下的水蒸气饱和分压，使得混合气流中的大气颗粒物始终处于水蒸气过饱和环境，促进了颗粒物的过饱和增长。(4)采用以下两种方式中的任意一种对颗粒物过饱和增长后的粒径大小进行控制：保持样气和鞘气流量的比例恒定，鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气进入饱和水蒸气通道，鞘气将带有大气颗粒物的样气约束在饱和水蒸气通道的中心位置，通过控制半导体制冷器和柔性加热器的工作温度，调节两级饱和水蒸气通道的外壁温度差，改变饱和水蒸气通道中心的水蒸气过饱和度，对颗粒物过饱和增长后的粒径大小进行控制；或者，保持两级饱和水蒸气通道的外壁温度差恒定，使得饱和水蒸气通道内水蒸气过饱和度分布恒定，改变混合气流中鞘气和样气的气流比例，使带有大气颗粒物的样气通过不同的过饱和度区域，改变颗粒物过饱和增长条件，对颗粒物过饱和增长后的平均粒径大小进行控制。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术所述的纳米级颗粒物过饱和增长装置是基于水蒸气凝结原理，将洁净的鞘气包裹的大气颗粒物的样气通过饱和水蒸气通道，利用半导体制冷器和柔性加热器控制两级饱和水蒸气通道的温度，产生温度梯度，利用水蒸气扩散速率高于气体传热速率的特性使颗粒物周围的水蒸气过饱和，使得水蒸气凝结在颗粒物表面，促进颗粒物粒径增长。(2)本专利技术采用膨体聚四氟乙烯材质的微孔管作为防水透气膜，具有耐高温、抗腐蚀、表面张力小等特点，有效促进了水蒸气透过微孔渗透到颗粒物气流中。(3)本专利技术使用去离子水作为饱和蒸气工作液，替代了传统技术使用的正丁醇等低毒类有机溶液，提高了使用安全性。(4)本专利技术所述的控制方法，通过控制样气和鞘气的流量比例，或控制两级饱和水蒸气通道的温度差，调节水蒸气过饱和度，实现对过饱和增长后的颗粒物粒径大小的动态控制。(5)本专利技术所述的过饱和度控制方法可以有效提高颗粒物过饱和增长效率，适用于控制粒径范围在1nm～100nm之间的颗粒物过饱和增长，颗粒物过饱和增长后的粒径范围为0.1μm～10μm。附图说明图1是纳米级颗粒物过饱和增长装置的结构示意图；图2是气流比例控制装置的结构示意图。其中：1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，其特征在于：包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置；所述颗粒物样气通道包括样气管道以及分别安装在样气管道上的样气流量计与样气真空泵；所述鞘气通道包括鞘气管道以及分别安装在鞘气管道上的过滤器、鞘气流量计与鞘气真空泵；所述饱和水蒸气通道包括从内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管；所述去离子水通道包括去离子水储存装置以及与去离子水储存装置相连的可调速水泵；所述气流比例控制装置包括压差测量系统、信号放大电路和真空泵驱动电路；所述压差测量系统包括开设在鞘气管道上的限流小孔以及用于测量限流小孔两端的压差的压差式传感器；所述温度梯度控制装置包括依次包裹在不锈钢套管外壁上的半导体制冷器与柔性加热器、分别设置在柔性加热器与不锈钢套管之间以及半导体制冷器与不锈钢套管之间的两个温度传感器、与温度传感器相连的数据采集系统、以及与半导体制冷器和柔性加热器相连的电流控制电路。

【技术特征摘要】
1.一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，其特征在于：包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置；所述颗粒物样气通道包括样气管道以及分别安装在样气管道上的样气流量计与样气真空泵；所述鞘气通道包括鞘气管道以及分别安装在鞘气管道上的过滤器、鞘气流量计与鞘气真空泵；所述饱和水蒸气通道包括从内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管；所述去离子水通道包括去离子水储存装置以及与去离子水储存装置相连的可调速水泵；所述气流比例控制装置包括压差测量系统、信号放大电路和真空泵驱动电路；所述压差测量系统包括开设在鞘气管道上的限流小孔以及用于测量限流小孔两端的压差的压差式传感器；所述温度梯度控制装置包括依次包裹在不锈钢套管外壁上的半导体制冷器与柔性加热器、分别设置在柔性加热器与不锈钢套管之间以及半导体制冷器与不锈钢套管之间的两个温度传感器、与温度传感器相连的数据采集系统、以及与半导体制冷器和柔性加热器相连的电流控制电路。2.根据权利要求1所述的一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，其特征在于：所述半导体制冷器和柔性加热器之间设有绝热块。3.根据权利要求1所述的一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，其特征在于：所述不锈钢套管的内径不小于12mm，且不锈钢套管采用316L不锈钢材质。4.根据权利要求1所述的一种纳米级颗粒物过饱和增长装置，其特征在于：所述微孔内衬管的内径不小于9mm；所述微孔内衬管采用e-PTFE膨体聚四氟乙烯材料；所述微孔内衬管的管壁上开设有若干通孔，且通孔的孔隙尺寸小于0.5μm，孔隙率大于80%。5.根据权利要求1~4任意一项所述的纳米级颗粒物过饱和增长装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：（1）带有大气颗粒物的样气进入颗粒物样气通道后分为两路，一路沿颗粒物样气通道继续流动，另一路经鞘气通道过滤后形成洁净的鞘气后再次进入大气颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张礁石，刘建国，桂华侨，余同柱，杨义新，杜朋，王文誉，赵欣，王杰，程寅，陆亦怀，刘文清，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34