CN108543605A - 自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级led荧光粉的方法 - Google Patents

自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级led荧光粉的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级LED荧光粉的方法。本发明通过分布式高速射流阵列构建空间大尺度湍流涡来解聚、悬浮荧光粉颗粒，同时根据荧光粉颗粒气流跟随性结合分级轮附近的流动调制对其进行精密分级、收集，最终实现对荧光粉颗粒的多级筛选。本发明适用性较强，结构实现和流动控制方便，可以实现荧光颗粒粉粒径无损解聚和精密分级，荧光粉中心粒径在3‑30um范围可控，且离散度小，荧光粉发光效率高。

Description

自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级LED荧光粉的方法
技术领域
本发明属于气溶胶技术、颗粒技术及材料技术领域，涉及一种利用自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法。
背景技术
微米及纳米颗粒团聚是自然界的普遍现象并在工程实际应用中广泛存在，颗粒团聚即可以被利用，如纳米材料制备、超声团聚除尘等等，也可能成为工程应用需要解决的问题，如纳米气溶胶药物弥散、荧光粉的解聚等。近来，随着绿色能源技术的发展，LED技术以其在能耗、光源亮度方面的巨大优势逐渐替代了传统灯源。而LED灯的性能很大程度上取决于荧光粉的微观表面形貌完好程度、粒径分布和解聚弥散的情况，荧光粉颗粒表面形貌越完整、解聚越充分、分级越精密粒径分布越集中，则LED灯的性能越好。因此，可以说LED灯的生产制造过程中，如何充分解聚并精密分级荧光粉，同时最大限度保护荧光粉颗粒表面微观形貌是LED的核心技术，对所制造LED整体性能和节能水平至关重要。
现有的粉体材料解聚与分级技术，如湿法球磨、高压气流粉碎等，主要采用物料相互碰撞进行粉碎，以此来降低磨损，提高解聚效率，而针对分级则有分级轮、离心式旋风分离器等，这些技术装备早在粉体颗粒材料的大规模工程制备中广泛应用。尽管如此，现有技术主要利用粉体物料的相互碰撞进行解聚，显然这个不符合保护荧光粉颗粒表面微观形貌的要求，同时，这些现有设备基本是不锈钢等金属材料制成，表面没有针对荧光粉的需要进行处理，在解聚与分级中不可避免导致对荧光粉颗粒表面的污染；其次，目前的单一依靠分级轮进行的粉体分级技术相对荧光粉的精密分级要求还是比较粗糙的，即分级轮所得的荧光粉粒径分布往往离散度过大，会导致LED灯能效的降低；最后，由于分级轮的分离效率高，成本低等特点，很适合荧光粉分级时采用，但前提是需要对分级轮的表面进行处理，而像分级轮这样复杂的表面几何结构，又是材料涂层制备中的难点。
针对上述问题，本发明提出一种利用自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，设计了新型无球磨气流精密分级技术和立体空间分布式湍流涡系结构发生装置，解决了传统湿法球磨以及高压气流粉碎对荧光粉颗粒表面的破坏和污染问题，实现荧光粉粒径分布的精确调控。
发明内容
本发明的目的是针对传统湿法球磨及高压气流粉碎等荧光粉解聚和分级技术易于破坏和污染荧光粉颗粒表面的不足，提供了一种利用自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉颗粒的方法。该方法通过分布式高速射流阵列构建空间大尺度湍流涡来解聚、悬浮荧光粉颗粒，同时根据荧光粉颗粒气流跟随性结合分级轮附近的流动调制对其进行精密分级、收集，最终实现对荧光粉颗粒的多级筛选。
为实现上述发明目的，本发明是在分级机内腔的下部设多个非径向空间均匀分布的湍流涡发生喷嘴，湍流涡发生喷嘴与内腔圆柱壁面的接触面中心同在一个水平面内，喷嘴流向中心线和比分级机内腔圆柱壁面S1直径更小且与之同心的圆柱面S2相切，湍流涡发生喷嘴出口垂直方向分量向上；而在分级轮附近区域设有与下部喷嘴切向方向水平分量相反的流动调制喷嘴，流动调制喷嘴也是非径向沿内腔中心线空间均匀分布；湍流涡发生喷嘴与流动调制喷嘴各由一根环形汇管相连，汇管上设有压缩气体总进口，通过该进口与压缩气源相连；分级轮位于分级机内腔上部，与单级分级机出口相连，在分级机内腔上部另设有给料口，底部设有荧光粉颗粒收集器；分级机内腔壁面、分级轮表面都利用微弧氧化技术生成陶瓷涂层，防止荧光粉被金属离子污染，提高荧光粉发光效率。
根据给料速率和荧光粉颗粒原始粒径的不同，为湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴分别提供相应压力的压缩气体；在喷嘴的入口压力达到预设值并平衡后再进行荧光粉颗粒给料；内腔下部的湍流涡发生喷嘴在较大压力P1压缩气体的驱动下，在同心圆柱面周向多个位置沿其切向产生高强度的射流，从而在内腔形成在水平投影上为沿水平面的单向“顺时针”或“逆时针”运动、而在垂直方向上湍流涡整体向上运动的大尺度空间湍流涡，一方面利用自由剪切湍流阵列涡水平面上的旋转可根据不同粒径颗粒惯性和跟随性的差异，将荧光粉颗粒进行流体剪切解聚和初步分级，另一方面则可以利用湍流涡的整体向上运动，使给料进口投放的自由落体的荧光粉颗粒获得气流向上的曳力，从而克服重力悬浮。合理地调整湍流涡向上运动的强度就可以让预分选大小的荧光粉颗粒克服曳力继续自由落体进入收集器而完成这一级的颗粒分选。流动调制喷嘴在较小压力P2（P2<P1）的驱动下，产生水平投影上与湍流涡相反、垂直方向上整体向下或者速度为0的气体运动，流动调制产生的反向湍流涡可以相当程度上中和下部正向湍流涡的周向和垂直运动，使得分级轮入口的流动速度更小，流场更为稳定均匀，避免过于强烈的湍流脉动导致大粒径颗粒也进入分级轮而被分选、进入下一级分级机，为分级轮对荧光粉颗粒进行可靠的精密分级创造条件。内腔下部周向上的多个湍流涡发生喷嘴和内腔上部周向上的多个流动调制喷嘴各有一根环形汇管串联，保证同一类型喷嘴的入口具有相同的压力。
可以通过调整湍流涡发生喷嘴出口直径和入口压力P1、流动调制喷嘴出口直径和入口压力P2、湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴周向分布数量、湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴的空间角度来适应不同给料速率下，不同材料、不同粒径和密度荧光粉颗粒的精密分级。
所述的颗粒为各种荧光粉材料的颗粒。
所述的湍流涡发生喷嘴出口直径D1为2mm-20mm，通过下部环形汇管提供的入口压力P1为0.1~1MPa。
所述的流动调制喷嘴出口直径D2为0.2D1-1.2D1，入口压力P2为0.1P1-0.6P1。
所述的湍流涡发生喷嘴沿内腔下部周向均匀分布2-20个。
所述的流动调制喷嘴沿内腔上部周向均匀分布2-20个。
所述分级机内腔圆柱壁面S1的直径为DS1，圆柱面S2与S1同心且与湍流涡发生喷嘴流向中心线相切，S2的直径为0.6 DS1-0.9 DS1。
所述湍流涡发生喷嘴中心线与水平面的夹角为锐角。
所述流动调制喷嘴中心线与水平面的夹角为锐角。
所述的压缩气体可以为空气、氮气等任意单组分或多组分气体。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、针对传统湿法球磨以及高压气流粉碎对荧光粉颗粒表面的破坏和污染问题，利用向上大尺度湍流涡对荧光粉颗粒进行纯气体动力剪切来无损解聚和悬浮，可以最大限度地保护荧光粉颗粒表面不受破坏。
2、利用自由剪切湍流阵列涡发生喷嘴口径、周向分布数量及入口压力的控制可以利用自由剪切湍流阵列涡的离心运动对惯性差别大的不同粒径进行初步分级，同时可以由此初步设定分选的荧光粉颗粒粒径范围。
3、利用流动调制喷嘴口径、周向分布数量及入口压力的控制可以有效中和分级轮附近的湍流涡，以此均匀和稳定分级轮入口区域的气流，减小紊乱湍流导致的对大粒径颗粒的误筛选，充分发挥分级轮的作用，提高分级机的颗粒分选精度。
4、本方法适用性较强，结构实现和流动控制方便，可以实现荧光颗粒粉粒径无损解聚和精密分级，荧光粉中心粒径在3-30um范围可控，且离散度小（小于0.7），荧光粉发光效率高。
附图说明
图1 为湍流解聚及精密分级荧光粉装置的整体示意图；
图2 为湍流解聚及精密分级荧光粉装置的剖面示意图；
图3 为图2剖面A-A示意图；
图4 为图2剖面B-B示意图；
图5 为利用自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的原理示意图；
图6 为未加流动调制喷嘴的内腔流线分布；
图7 为带有流动调制喷嘴的内腔流线分布；
图8 为未加流动调制喷嘴的出口横截面速度矢量场；
图9 为带有流动调制喷嘴的出口横截面速度矢量场。
1 分级机壳体，2 流动调制喷嘴汇管入口，3 荧光粉颗粒进料口，4 湍流涡发生喷嘴汇管进口，5 颗粒收集器，6湍流涡发生喷嘴汇管，7 流动调制喷嘴汇管，8 分级机出口，9湍流涡发生喷嘴，10 流动调制喷嘴，11 电机，12 分级轮，13 分级机内腔壁面S1，14同心圆柱面S2。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图所示，本发明的整体实施方案为：在分级机内腔的下部设有多个非径向空间均匀分布的湍流涡发生喷嘴9，湍流涡发生喷嘴9与内腔圆柱壁面S1 13的接触面中心同在一个水平面内，喷嘴流向中心线和比分级机内腔圆柱壁面13直径更小且与之同心的圆柱面S2 14相切，湍流涡发生喷嘴9出口垂直方向分量向上。根据给料速率和荧光粉颗粒原始粒径的不同，通过分级机壳体1周向上的湍流涡发生喷嘴汇管6为湍流涡发生喷嘴9提供相应压力的压缩气体，压缩气体由湍流涡发生喷嘴汇管进口4进入汇管；在喷嘴的入口压力达到预设值并平衡后再进行荧光粉颗粒给料；内腔下部的湍流涡发生喷嘴在较大压力P1压缩气体的驱动下，在同心圆柱面14周向多个位置沿其切向产生高强度的射流，从而在内腔形成在（由上往下投影）水平投影上为沿水平面的单向 “逆时针”运动（如图5所示）、而在垂直方向上湍流涡整体向上运动的大尺度空间湍流涡，一方面利用自由剪切湍流阵列涡水平面上的旋转可根据不同粒径颗粒惯性和跟随性的差异（如在湍流涡的作用下不同质量颗粒受到的离心力不同），将荧光粉颗粒进行流体剪切解聚和初步分级，另一方面则可以利用自由剪切湍流阵列涡的整体向上运动，使荧光粉颗粒进料口3投放的自由落体的荧光粉颗粒获得气流向上的曳力，从而克服重力悬浮。合理地调整湍流涡向上运动的强度就可以让预分选大小的荧光粉颗粒重力大于曳力而继续自由落体进入收集器5而完成这一级的颗粒分选。
在分级轮12附近区域设有与下部喷嘴切向方向水平分量相反的流动调制喷嘴10，流动调制喷嘴10也是非径向沿内腔中心线空间均匀分布，如图4所示；流动调制喷嘴由一根环形汇管7相连，汇管上设有压缩气体总进口2，通过该进口与压缩气源相连。流动调制喷嘴10在较小压力P2（P2<P1）的驱动下，产生水平投影上与湍流涡相反（顺时针，如图5所示）、垂直方向上整体向下或者速度为0的气体运动，流动调制产生的反向湍流涡可以相当程度上中和下部正向湍流涡的周向和垂直运动，使得分级轮12入口的流动速度更小，流场更为稳定均匀，避免过于强烈的湍流脉动导致大粒径颗粒也进入分级轮而被分选、进入下一级分级机，为分级轮12对荧光粉颗粒进行可靠的精密分级创造条件。图6-图9给出了分级机内腔在不同流动调制条件下整体流场的数值模拟结果，由图6与图7的对比可知，未配置流动调制喷嘴时，分级机内腔直至出口附近的横截面，仍然会存在很强的湍流涡结构，这对分级轮的正常工作是不利的，图8和图9在出口横截面上的速度矢量分布更加清楚地表明，配置流动调制喷嘴后，分级轮附近的流动得到有效的调制，流速更小，流场更加均匀，为充分发挥分级轮的作用奠定了坚实的基础。
分级轮12位于分级机内腔上部，与单级分级机出口8相连，分级轮12由电机11驱动，在分级机内腔上部另设有荧光粉颗粒进料口3，底部设有荧光粉颗粒收集器5；分级机内腔壁面13、分级轮12表面都利用微弧氧化技术喷涂有特殊陶瓷涂层，以减小颗粒-壁面碰撞和颗粒沉积吸附，从而保护荧光粉颗粒表面不被污染。
可以通过调整湍流涡发生喷嘴9出口直径和入口压力P1、流动调制喷嘴10出口直径和入口压力P2、湍流涡发生喷嘴9和流动调制喷嘴10周向分布数量、湍流涡发生喷嘴9和流动调制喷嘴10的空间角度来适应不同给料速率下，不同材料、不同粒径和密度荧光粉颗粒的精密分级。
本发明方法通过上述关键环节的紧密配合，利用自由剪切湍流阵列发生湍流涡和流动调制，实现荧光粉颗粒的无损解聚及精密分级。

Claims (10)

1.自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：在分级机内腔下部设置一组湍流涡发生喷嘴，多个非径向空间均匀分布的湍流涡发生喷嘴与内腔圆柱壁面的接触面中心同在一个水平面内，且湍流涡发生喷嘴出口的垂直分量向上；设有某一虚拟圆柱面S2，且所述的虚拟圆柱面S2与分级机内腔圆柱壁面S1同轴设置，直径小于分级机内腔圆柱壁面S1的直径；则所述湍流涡发生喷嘴的流向中心线和虚拟圆柱面S2相切；
在分级机内腔上部靠近分级轮附近区域设置一组流动调制喷嘴，多个非径向空间均匀分布的流动调制喷嘴与湍流涡发生喷嘴的切向方向水平分量方向相反；流动调制喷嘴的流向中心线处在同一水平面内或者流动调制喷嘴出口方向的垂直分量向下；
所述多个湍流涡发生喷嘴由一根环形汇管相连通，所述的多个由另一根环形汇管相连通；在往分级机内投放荧光粉颗粒之前，向湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴的环形汇管不间断地充入压强分别为P1和P2的压缩气体，压力为P1的压缩气体经湍流涡发生喷嘴，在内腔下部周向多个位置沿其切向产生射流，从而形成在水平投影上为沿水平面的单向“顺时针”或“逆时针”运动，而在垂直方向形成向上运动的大尺度湍流涡；湍流涡水平面上的旋转利用了不同粒径荧光粉颗粒惯性和跟随性的差异，从而对荧光粉颗粒进行了剪切解聚和初步分级；湍流涡的向上运动，使自由落体的荧光粉颗粒获得向上气流曳力的作用而悬浮；压力P2的压缩气体经流动调制喷嘴产生水平投影上与下部湍流涡方向相反、垂直方向向下的湍流涡，用来中和下部湍流涡的周向和垂直运动。
2.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：通过调整湍流涡发生喷嘴出口直径和入口压力P1、流动调制喷嘴出口直径和入口压力P2、湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴周向分布数量、湍流涡发生喷嘴和流动调制喷嘴的空间角度来适应不同给料速率下，不同材料、粒径和密度荧光粉颗粒的精密分级。
3.根据权利要求2所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：设分级机内腔圆柱壁面S1的直径为DS1，则所述的虚拟圆柱面S2的直径为0.6 DS1-0.9 DS1，湍流涡发生喷嘴出口直径D1为2mm-20mm，流动调制喷嘴出口直径D2为0.2D1-1.2D1，压强P1为0.1~1MPa，压强P2为0.1P1~0.6P1。
4.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述的湍流涡发生喷嘴有2-10个。
5.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述的流动调制喷嘴有2-20个。
6.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述湍流涡发生喷嘴中心线与水平面的夹角为锐角。
7.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述流动调制喷嘴中心线与水平面的夹角为锐角。
8.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述的压缩气体为空气或纯氮气。
9.根据权利要求1所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述的分级机内腔壁面和分级轮表面带有陶瓷涂层，该陶瓷涂层利用微弧氧化技术生成。
10.根据权利要求9所述的自由剪切湍流阵列无损解聚及精密分级荧光粉的方法，其特征在于：所述的陶瓷种类为氧化铝、氧化镁、氧化锆或氧化钛，厚度0.1μm-20μm。
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