用于超细粒子的先进的层流水凝结工艺制造技术

本工艺涉及通过层流形式的水凝结将具有几纳米至几百纳米数量级直径的空中漂浮的颗粒增大为具有若干微米数量级直径的微滴。本工艺提出几种先进的设计，包括使用双级冷凝器。其具有测量在空气或其他气体中悬浮的粒子的数量浓度，收集这些粒子以及聚焦这些粒子的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超细粒子的先进的层流水凝结工艺相关申请的交叉引用本申请要求2010年8月27日提交的标题为“用于尘埃粒子上不依赖于浓度的水凝结的动力学限制生长小室”的美国临时专利申请第61/402,348号的权益并且通过引用并入本文。
本工艺涉及测量尘埃粒子的数量浓度、空气传播时的聚焦粒子以及通过水凝结的生长收集尘埃粒子。特别地，其涉及直径在几纳米至几毫米大小范围内的粒子。
技术介绍
大多数尘埃粒子难以直接检测因为它们具有小于可见光波长的直径。凝结生长常常被用于将这些粒子增大至可以被光学检测的大小，由此提供容易地检测尘埃粒子数目浓度的方法。凝结增大同样被用于使得能够为了化学或暴露分析而空气动力学聚焦或收集粒子。具有几纳米至几百纳米直径的超细粒子不容易通过凝结增大。在几乎所有的实例中，这些超细粒子必须在它们开始通过凝结生长之前必须处于蒸汽过度饱和的环境中。蒸汽过度饱和意味着平面上浓度比蒸汽平衡浓度高。需要这一增加数量的蒸汽来克服与其曲率和表面张力有关的粒子表面能。Hering和Stolzenburg介绍了一种方法在层流中产生水蒸汽的过度饱和(美国专利6,712,881，Hering,SV；Stolzenburg,MR，“AmethodforparticlesizeamplificationbywaterCondensationinalaminar,thermallydiffusiveflow”，AerosolScienceandTechnology39:428-436,2005)。早前，层流凝结方法已经使用慢扩散物质例如丁醇作为凝结液体。Hering和Stolzenburg的方法明确说明了水蒸汽的高分子扩散系数并且使用单级的温暖的湿壁凝结器在层流中通过水凝结获得生长。用于通过水凝结产生小粒子生长的第二种层流方法是Hering和Lewis描述的“扩散混合”方法(美国专利7,736,421)。这一方法围绕着具有分层形式的较温暖的饱和鞘流的气溶胶流。一旦汇合，热量和水蒸汽通过扩散在两个流之间交换。水蒸汽以稍微高于其被围绕的流加温的速度扩散至较冷的气溶胶流中，在气溶胶流中产生水蒸汽过度饱和的区域。
技术实现思路
公开了用于层流水凝结系统的工艺的多个实施方案。在一个方面中，使用较窄的流尺寸将示例的粒子数量浓度对系统性能的影响最小化。在第二方面中，提出降低出口流的温度和水蒸汽含量的二级凝结器。这一第二方面可与第一方面的较窄流尺寸组合应用。在第三方面，提出用于需要更均匀然而有限的微滴生长的特殊应用的不同类型的二级凝结器设计，例如当微滴被用作蒸汽相中材料的吸收体时。在第四方面，提出允许检测柴油机废气粒子物质所需要的用于低过度饱和时粒子活化和生长的更长的滞留时间的设计。这些实施方案中的每一个已经通过所开发用于描述层流凝结系统的多个建模工具鉴定。这些实施方案可应用于包括管形和平行板结构的各种几何形状。附图说明图1a和1b说明现有技术中的层流凝结方法。图2a说明根据本专利技术工艺的凝结器的第一个实施方案。图2b说明根据本专利技术工艺的凝结器的第二个实施方案。图2c说明根据本专利技术工艺的凝结器的第三个实施方案。图2d说明根据本专利技术工艺的凝结器的第四个实施方案。图3a是图2a的凝结器设计的温度概况的曲线图。图3b是图2b的凝结器设计的温度概况的曲线图。图3c是图2c的凝结器设计的温度概况的曲线图。图3d是图2d的凝结器设计的温度概况的曲线图。图4a-4c显示不同粒子浓度和凝结器直径的圆柱体单级凝结器中饱和概况如何不同。图5a，5b显示两个不同凝结器直径的单级凝结器的计算的出口微滴大小。图6显示具有两个不同凝结器直径的两个单级凝结器以及活化粒子的不同数量浓度的开尔文当量直径，其与活化直径有关。图7a、7b显示对于不同尺寸的分别为圆柱体和平行板几何形状的单级凝结器微滴直径随流向的发展。图8a、8b显示两级的启动器-平衡器凝结器结构的不同结构的中线饱和比和微滴生长。图9a-9c显示将使用启动器-平衡器凝结器结构获得的饱和比、温度和水蒸汽含量与用单级凝结器获得的相比较。图10将使用启动器-平衡器凝结器结构获得的出口微滴尺寸与用单级凝结器获得的相比较。图11将使用启动器-平衡器凝结器结构获得的开尔文当量直径与用单级凝结器获得的相比较。图12a-12c显示在整个粒子浓度和管径范围将使用启动器-平衡器凝结器结构获得的微滴大小与用单级凝结器获得的相比较。图13在整个粒子浓度范围和两个管径将使用启动器-平衡器凝结器结构获得的开尔文当量直径与用单级凝结器获得的相比较。图14a、14b显示用于扩散混合方法的启动器-平衡器结构的开尔文当量和露点的概况。图15a和15b显示用于平行板结构的启动器-平衡器结构的开尔文当量和露点的概况。图16a和16b显示作为启动器长度除以体积流速的函数获得的最大饱和比的相关性。图17显示启动器-蒸发器结构的饱和比。图18显示微滴随启动器-蒸发器结构中的四个流动轨道的发展图19显示获得自启动器-斜坡结构的开尔文当量直径。图20a和20b显示具有两个启动器部分(每个之后是平衡器部分)的四级凝结器的开尔文当量概况和露点。图21a和21b显示对于图20的四级凝结器微滴大小随中线和中点流动轨道的发展。具体实施方式层流水凝结工艺被用于将水凝结在悬浮于空气或其他气体介质中的超细粒子上并且通过凝结使其生长以形成直径几微米的微滴。这一大小的微滴之后可使用各种技术来分析。美国专利6,712,881中描述的层流水凝结系统在本文中称作“差别扩散”。通常，其由预调节器以及之后的凝结器组成，如图1a中所说明的这两者都具有湿的圆柱形壁。这些可由管制得，气流以基本上分层的方式通过所述管。可选择地，所述壁可以是平行板。在任一种几何形状中，壁的温度都受到控制以使凝结器的壁比预调节器的壁更温暖。根据已知的教导，电热设备可被用于调节预调节器的壁温并且加热器被用于调节凝结器的壁温。可选择地，可使用用作热量泵的电热设备冷却预调节器并加热凝结器。将较冷的层流从较冷的预调节器流至温暖的湿壁凝结器时，水蒸汽和热量两者都从所述壁扩散至所述流中。由于其较高的扩散率，水输送更迅速，产生具有沿中线的其最大值的蒸汽过度饱和的区域。美国专利6,712,881的差别扩散方法最初商业使用的实施方案使用长度230mm的单管，内径9.5mm，1L/min的空气流速(Hering,SV；Stolzenburg,MR；Quant,FR；OberreitDR.,Keady,PB.,Alaminar-flow,water-basedcondensationparticlecounter(WCPC),AerosolScienceandTechnology,39:659-672,2005)。整个管与湿的通管丝成一线。前半部维持约20℃的温度并起预调节器的作用。后半部被加热到60℃的温度并起凝结器的作用。美国专利7,736,421描述的层流水凝结方法本文称作“扩散混合”。如图1b所示，这一方法可与预调节器以及之后的凝结器一起来使用，其中流出预调节器的样品空气气流在其进入凝结器之前被温暖的饱和或部分过度饱和的空气的鞘围绕。凝结器的壁是湿的并且被加热以符合鞘流的露点。当两个流以分层方式汇合，水蒸汽和热量从鞘流扩散至较冷的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.27 US 61/402,348;2011.08.25 US 13/218,3931.一种在空气流中产生水蒸汽过饱和的方法，其包括：以层流将空气流引入湿壁冷凝器中，所述空气流在所述冷凝器入口处具有入口温度T1，所述冷凝器具有出口；控制具有一定长度并靠近所述入口的所述冷凝器的第一部分到高于T1至少5℃的第一温度T2；控制所述第一部分和所述出口之间的所述冷凝器的第二部分处于低于T2的第二温度T3；所述第二部分具有比所述第一部分的长度更长的第二长度；其中所述冷凝器的所述第一部分和所述第二部分限定了一个体积并且所述空气流以层流的方式流过冷凝器，其中将空气流引入所述冷凝器产生所述体积中的体积空气流速，所述体积具有圆柱体几何形状或平行板几何形状，其中每个板具有宽度和板间间隔；其中对于圆柱体几何形状所述第一部分的长度与所述体积空气流速的比小于0.3s/cm2，和对于平行板几何形状所述第一部分的长度除以所述体积空气流速的量乘以所述宽度除以所述间隔的量小于0.3s/cm2。2.如权利要求1所述的方法，其中所述体积由所述冷凝器的内部限定，所述内部具有在第一部分和第二部分之间恒定的横截面。3.如权利要求1所述的方法，其中所述冷凝器的所述第一部分和所述第二部分形成具有小于4mm的内部直径的圆柱体几何形状。4.如权利要求1所述的方法，其中所述冷凝器的所述第一部分和所述第二部分形成包括提供所述温度的第一和第二平行板的平行板几何形状，所述平行板间隔为5mm或更小。5.如权利要求1所述的方法，其还包括将空气流引入所述冷凝器之前的预调节器，所述预调节器提供与预先选择的T1值相等的温度的空气流，其中T1可比室温温度更低或更高。6.如权利要求5所述的方法，其中所述预调节器将所述空气流的相对湿度升高至所述温度T1时的90％或更高的值。7.如权利要求1所述的方法，其还包括步骤：将所述冷凝器的第三部分控制至高于T3的温度T4，和将所述冷凝器的第四部分控制至低于T4的温度T5，其中连续部分之间的温度差的绝对值至少为5℃。8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括步骤：使所述空气流经过所述冷凝器的多个连续温度受控部分，所述连续温度受控部分具有可选择的比T3更高或更低的温度，其中连续温度受控部分之间的温度差的绝对值至少为5℃并且较冷的部分比之前温暖的部分更长。9.如权利要求1所述的方法，其中所述第二部分具有一定长度并且控制第二部分包括控制所述温度T3为沿所述长度大致恒定。10.如权利要求1所述的方法，其中所述第二部分具有一定长度并且控制第二部分包括控制所述温度为沿所述长度逐渐从T2至T3。11.如权利要求1所述的方法，其中所述引入步骤包括将温度T1的空气流周围环绕高于T1的温度T4的饱和空气流，所述空气流和所述饱和空气流以分层方式在第一部分汇合。12.一种用于在空气流中产生水蒸汽过饱和的方法，其包括以层流将空气流引入冷凝器中，所述空气流在所述冷凝器入口处具有入口温度T1，所述冷凝器具有出口，所述冷凝器具有第一湿壁部分和第二干壁部分；控制具有一定长度并靠近所述入口的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏珊·V·赫林，格雷戈里·S·刘易斯，史蒂文·R·斯皮尔曼，
申请(专利权)人：艾拉索尔戴纳米克斯有限公司，
类型：
国别省市：