CN109752232B - 气固分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气固分离装置，其包括浓缩容器、进样机构以及导流机构，其中浓缩容器设有气压腔和抽气柱，进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，限流孔的孔径小于分流孔的孔径，分流孔的尺寸在靠近气压腔的一端逐渐增大；导流机构具有导流通道。通过设置能够相互配合的限流孔、分流孔、导流通道以及抽气柱，当将上述气固分离装置与分析设备的真空进样接口连接时，在采用常规真空负载的条件下，从分流孔流出的大部分气体被抽走，颗粒物和少部分气体则进入导流通道后再飞入分析设备的真空腔内，整体上能够增大气溶胶进样流量，实现了对气溶胶的浓缩，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器设备领域，特别是涉及一种气固分离装置。
背景技术
气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。气溶胶具有复杂的理化性质，对气候、环境以及人类健康都有很重要的影响。因此深入了解气溶胶的理化性质、来源特性等对于利用气溶胶造福人类具有重要的意义。然而，对于气溶胶的分析一直是科学研究的热点和难点，其中分析设备是研究气溶胶的关键。
很多分析仪器在进行气溶胶分析时需要在真空环境下进行，并需要将气溶胶粒子从大气压引入到真空环境中，随后对引入真空内部的气溶胶进行一系列处理过程，包括粒子聚焦、收集、电离、解吸等过程。因此，就需要采用一定的技术手段将气溶胶引入真空环境中，并将气体与颗粒物分离。
常规仪器是采用薄壁圆孔片直接进样，并用一个真空泵提供真空环境将气体与气溶胶分离，这是一种常用颗粒物真空进样的方法。但是，由于一般的真空分析设备都要求设备内部达到一定的真空度数值，也就是由于真空负载的限制，进样孔(也可以叫“临界孔”)的尺寸无法很大。特别在质谱分析环境下，薄壁圆孔片的进样孔的尺寸很小，一般进样流量限制在100mL/min左右。因此单位时间内的气溶胶的进样量有限。在浓度较低的环境下，往往单位时间内的进样量过低，将不利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。
发明内容
基于此，有必要提供一种在不影响真空分析设备的真空负载情况下能够增大气溶胶进样流量的气固分离装置。
一种气固分离装置，包括：
浓缩容器，所述浓缩容器具有气压腔，所述浓缩容器上设有与所述气压腔相连通的抽气柱，所述抽气柱用于连接抽气装置；
进样机构，所述进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，所述限流孔的孔径小于所述分流孔的孔径，所述进样机构设于所述浓缩容器上，且所述分流孔与所述气压腔相连通，所述分流孔的尺寸在靠近所述气压腔的一端逐渐增大；以及
导流机构，所述导流机构具有导流通道，所述导流机构设于所述浓缩容器上，所述导流机构的进样端伸入所述气压腔内并伸入至所述分流孔内的气流出口所在端，且所述导流机构的进样端与所述分流孔的孔壁之间具有抽气间隙，且所述导流通道、所述分流孔和所述限流孔同轴；
所述导流机构和/或所述浓缩容器用于连接真空进样接口。
在其中一个实施例中，所述进样机构包括分流器、进样器和限流片；
所述分流器具有安装槽和位于所述安装槽底部的所述分流孔，所述安装槽伸入所述气压腔内且所述安装槽的侧壁与所述气压腔的内壁相抵接；
所述进样器具有所述进气通道，所述进样器安装在所述安装槽内并与所述安装槽的内侧壁相抵接；
所述限流片设有所述限流孔，所述限流片设于所述安装槽内并位于所述分流器和进样器之间使所述限流孔分别与所述进样通道和所述分流孔相连通。
在其中一个实施例中，所述限流孔的孔径不小于0.2mm。
在其中一个实施例中，所述分流器设有朝向所述安装槽外部的凸缘，所述凸缘与所述浓缩容器的器壁相抵接。
在其中一个实施例中，所述进样器具有台阶结构，所述进样器安装在所述分流器的所述安装槽内，且所述进样器的台阶与所述分流器的所述凸缘相齐平。
在其中一个实施例中，所述气固分离装置还包括固定板，所述固定板套设在所述进样器上，所述固定板通过紧固件与所述分流器和所述浓缩容器连接。
在其中一个实施例中，所述抽气柱的抽气口靠近所述分流孔的气流出口所在端；和/或
所述抽气柱有多个，多个所述抽气柱设在所述浓缩容器的侧壁上，多个所述抽气柱沿所述分流孔的轴线呈对称设置。
在其中一个实施例中，所述浓缩容器具有出样口，所述浓缩容器的出样口所在端设有内台阶，所述导流机构的出样端部抵接在所述浓缩容器的内台阶上。
在其中一个实施例中，所述导流机构为分离锥。
在其中一个实施例中，所述分离锥的外轮廓呈流线型。
上述气固分离装置包括浓缩容器、进样机构以及导流机构，其中浓缩容器上设有与气压腔相连通的抽气柱，进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，限流孔的孔径小于分流孔的孔径以使气溶胶样品中的颗粒物集中，分流孔的尺寸在靠近气压腔的一端逐渐增大以使部分气流被顺利抽走且不影响颗粒的流向；导流机构设于浓缩容器上，导流机构具有导流通道以满足不影响真空分析设备的真空负载要求，并使进入导流通道的气溶胶由湍流状态变为层流状态，便于后续聚焦。通过设置能够相互配合的限流孔、分流孔、导流通道以及抽气柱，当将上述气固分离装置与分析设备的真空进样接口连接时，在采用常规真空负载的条件下，在气压差的推动下，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，从分流孔流出的大部分气体将被抽走，颗粒物和少部分气体则进入导流通道后再飞入分析设备的真空腔内，整体上能够增大气溶胶进样流量，实现了对气溶胶的浓缩，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。
进一步地，上述气固分离装置的进样机构中设有便于更换的限流片，通过限流片的孔径调整以及与抽气流量相配合，能够使气溶胶的进样流量增加，但依然能够保证后续进入分析设备的气体进样量保持不变，并增加了颗粒物浓度，提高检测结构的测试准确性。
进一步地，上述气固分离装置的导流机构优选为分离锥，分离锥的外轮廓呈流线型，有利于在抽气流的过程中减小气流对颗粒物的干扰，能够实现对气溶胶的束聚焦效果。
附图说明
图1为一实施方式的气固分离装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请结合图1，一实施方式的气固分离装置10，包括浓缩容器100、进样机构200以及导流机构300。
浓缩容器100具有气压腔101，浓缩容器100上设有与气压腔101相连通的抽气柱110。抽气柱110用于连接抽气装置，以将从进样机构200的进样通道、限流孔、分流孔流入气压腔101的气体抽走，以实现对气溶胶的颗粒物的浓缩。
具体地，浓缩容器100整体上呈中空的柱体结构，即浓缩容器100具有气压腔101和与气压腔101相连通的进样口和出样口。
优选地，抽气柱110的抽气口靠近分流孔的气流出口所在端，以及时地将从分流孔流出的大部分气体抽走。优选地，抽气柱110的一端与浓缩容器100通过锥螺纹连接，提高密封性，并便于拆卸，抽气柱110的另一端通过抽气管路与机械抽气泵等抽气装置连接。同时，抽气管路上可设置流量调节阀，以调控气压腔101内的真空度，以满足对后续分析仪器的真空***的操作压力不产生影响的要求。
进一步地，抽气柱110有两个，两个抽气柱100相对设在浓缩容器100的侧壁上，以防止气流流向及流量不均对进入导流通道内的气溶胶的颗粒物的流向的影响。
在其他实施方式中，抽气柱110可以有多个，例如三个、四个、六个等，多个抽气柱110设在浓缩容器100的侧壁上，且多个抽气柱110沿分流孔的轴线呈对称设置，以均匀地实现将从分流孔流出的气流抽走，但尽量减少抽走的气流中夹带固体颗粒物。
进一步地，浓缩容器100具有出样口，浓缩容器100的出样口所在端设有内台阶和连接部。导流机构300的出样端部抵接在浓缩容器100的内台阶上，以提高对气压腔101的密封性，同时使整体的装置结构更紧凑。浓缩容器100的连接部用于连接真空进样接口。
在本实施方式中，进样机构200上依次设有连通的进样通道、限流孔和分流孔，限流孔的孔径小于分流孔的孔径以使气溶胶样品中的颗粒物集中。进样机构200设于浓缩容器100上，且分流孔与气压腔101相连通，分流孔的尺寸在靠近气压腔101的一端逐渐增大，优选呈弧形扩大状，能够与抽气装置配合实现对颗粒物的聚焦和对气体的分流，使部分气流被顺利抽走且不影响颗粒的流向。进样机构200设于浓缩容器100的进样口所在端并在该端密封进样口。
在本实施方式中，进样机构200包括分流器210、进样器220和限流片230。进样机构200设于浓缩容器100的进样口所在端并在该端密封进样口。
分流器210具有安装槽和位于安装槽底部的分流孔，安装槽伸入气压腔101内且安装槽的侧壁与气压腔101的内壁相抵接。分流器210设有朝向安装槽外部的凸缘，凸缘与浓缩容器100的器壁相抵接，以便于通过螺钉等紧固件进一步密封整个***。
进样器220具有进气通道，进样器220安装在安装槽内并与安装槽的内侧壁相抵接。优选地，进样器220具有台阶结构，进样器220安装在分流器210的安装槽内，且进样器220的台阶与分流器210的凸缘相齐平，以使整个装置结构紧凑，并便于对进样器220和分流器210进行密封及固定。
限流片230设有限流孔，限流片230设于分流器210的安装槽内并位于分流器210和进样器220之间，且限流孔分别与进样通道和分流孔相连通。
优选地，限流片230上的限流孔的孔径小于进样通道的内径和分流孔的孔径。进一步地，限流片230上的限流孔的孔径不小于0.2mm，更优选地，限流孔的孔径为0.2～0.5mm，例如可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.45mm，以进一步满足对后续分析仪器的真空***的操作压力不产生影响的要求情况下，能够增加进样流量，并达到将低浓度气溶胶浓缩的效果。
进一步地，进样机构200还包括固定板240。固定板240套设在进样器220上，固定板240通过螺钉等紧固件与分流器210和浓缩容器100的器壁连接，通过可拆卸地方式组装进样机构200，便于更换不同限流孔孔径的限流片230。例如，采用限流孔孔径大于0.2mm时，能够显著提高大于3μm颗粒物的气溶胶的进样效率，有利于大颗粒物的检测和研究，并同时有利于实现对低浓度下气溶胶的进样浓缩。
又如，传统上的气溶胶的进样流量为100mL/min，而采用本实施方式的气固分离装置10与分析设备的真空进样接口连接时，且限流孔孔径大于0.2mm时，气溶胶可以以500mL/min的流量经过限流片230，在压力差的推动下达到或接近音速，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，大部分气体被抽气装置抽气，抽速可设置为400mL/min，而剩余气体则以100mL/min的流量与颗粒物一起高速通过导流通道并飞入分析设备的真空腔内，实现了对气溶胶的进样浓缩。
在本实施方式中，导流机构300具有导流通道，优选地，导流通道的径向尺寸逐渐增大，用于将分流孔中未被抽气的样品导流进入真空进样接口中，并使进入导流通道内的气溶胶由湍流状态变为层流状态，便于后续的聚焦集束。导流机构300设于浓缩容器100上，且导流机构300的进样端伸入气压腔101内并伸入至分流孔内的气流出口所在端，导流机构300的进样端与分流孔的孔壁之间具有抽气间隙，且导流通道、限流孔、分流孔和进样通道同轴，以充分利用颗粒物的惯性，保证颗粒物进入导流通道内。
导流机构300优选为分离锥。进一步地，分离锥的外轮廓呈流线型，有利于在抽气流的过程中减小气流对颗粒物的干扰，能够实现对气溶胶的束聚焦效果。
上述实施方式的气固分离装置10通过设置能够相互配合的限流孔、分流孔、导流通道以及抽气柱，当将气固分离装置10与分析设备的真空进样接口连接时，在采用常规真空负载的条件下，在气压差的推动下，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，从分流孔流出的大部分气体将被抽气装置抽走，颗粒物和少部分气体则进入导流通道后再飞入分析设备的真空腔内，整体上能够增大气溶胶进样流量，实现了对气溶胶的浓缩，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。同时，通过限流片230的孔径调整以及与抽气装置的抽气流量相配合，能够使气溶胶的进样流量增加，但不影响分析设备的真空负载的情况下依然能够保证后续分析设备的气体进样量保持不变，并增加了颗粒物浓度，提高检测结构的测试准确性。
在本实施方式中，导流机构300和浓缩容器100用于连接真空进样接口。
采用气固分离装置10作为气溶胶进样技术，可广泛应用于气溶胶分析仪器，例如单颗粒气溶胶质谱仪等，也可以应用到微机电制造、3D打印等新兴领域。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种气固分离装置，其特征在于，包括：
浓缩容器，所述浓缩容器具有气压腔，所述浓缩容器上设有与所述气压腔相连通的抽气柱，所述抽气柱用于连接抽气装置；
进样机构，所述进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，所述限流孔的孔径小于所述进样通道的内径和所述分流孔的孔径，所述进样机构设于所述浓缩容器上，且所述分流孔与所述气压腔相连通，所述分流孔的尺寸在靠近所述气压腔的一端逐渐增大；所述限流孔的孔径不小于0.2mm；以及
导流机构，所述导流机构具有导流通道，所述导流机构设于所述浓缩容器上，所述导流机构的进样端伸入所述气压腔内并伸入至所述分流孔内的气流出口所在端，且所述导流机构的进样端与所述分流孔的孔壁之间具有抽气间隙，且所述导流通道、所述分流孔和所述限流孔同轴；
所述导流机构和/或所述浓缩容器用于连接真空进样接口；
所述抽气柱有多个，多个所述抽气柱设在所述浓缩容器的侧壁上，多个所述抽气柱沿所述分流孔的轴线呈对称设置。
2.根据权利要求1所述的气固分离装置，其特征在于，所述进样机构包括分流器、进样器和限流片；
所述分流器具有安装槽和位于所述安装槽底部的所述分流孔，所述安装槽伸入所述气压腔内且所述安装槽的侧壁与所述气压腔的内壁相抵接；
所述进样器具有所述进样通道，所述进样器安装在所述安装槽内并与所述安装槽的内侧壁相抵接；
所述限流片设有所述限流孔，所述限流片设于所述安装槽内并位于所述分流器和进样器之间使所述限流孔分别与所述进样通道和所述分流孔相连通。
3.根据权利要求2所述的气固分离装置，其特征在于，所述分流器设有朝向所述安装槽外部的凸缘，所述凸缘与所述浓缩容器的器壁相抵接。
4.根据权利要求3所述的气固分离装置，其特征在于，所述进样器具有台阶结构，所述进样器安装在所述分流器的所述安装槽内，且所述进样器的台阶与所述分流器的所述凸缘相齐平。
5.根据权利要求4所述的气固分离装置，其特征在于，还包括固定板，所述固定板套设在所述进样器上，所述固定板通过紧固件与所述分流器和所述浓缩容器连接。
6.根据权利要求1或3或4或5所述的气固分离装置，其特征在于，所述抽气柱的抽气口靠近所述分流孔的气流出口所在端。
7.根据权利要求1至5任一项所述的气固分离装置，其特征在于，所述浓缩容器具有出样口，所述浓缩容器的出样口所在端设有内台阶，所述导流机构的出样端部抵接在所述浓缩容器的内台阶上。
8.根据权利要求1至5任一项所述的气固分离装置，其特征在于，所述导流机构为分离锥。
9.根据权利要求8所述的气固分离装置，其特征在于，所述分离锥的外轮廓呈流线型。
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