CN112408332B - 一种产气药柱、产气药柱的制备方法及固体氧气发生器 - Google Patents
一种产气药柱、产气药柱的制备方法及固体氧气发生器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明总体地涉及气体发生剂技术领域,提供了一种产气药柱,所述产气药柱(1)为柱状,一端为点火端,另一端为排气端,从点火端至排气端的柱状轴向被分成至少两段,每段的装药孔隙率不同且从点火端向排气端的段间装药孔隙率依次降低;当所述产气药柱(1)包括两段时,靠近点火端的一段药柱(11)的装药孔隙率在35‑65%之间,靠近排气端的二段药柱(12)的装药孔隙率在5‑35%之间。本发明的产气药柱适用于燃烧速度较慢的产气原料,能保证整个药柱稳定燃烧。
Description
技术领域
本发明总体地涉及气体发生剂技术领域,具体地涉及一种产气药柱、产气药柱的制备方法及固体氧气发生器。
背景技术
固体氧气发生器作为一种氧气提供装置已在多个领域中投入应用,一个典型的固体氧气发生器主要由壳体、固体氧气药柱、点火组件以及过滤组件组成。
固体氧气发生器通过燃烧其内部固体氧气药柱产生氧气,固体氧气药柱通常由可以受热分解产生氧气的化学组分组成,这些化学组分通常为固体粉末,通过一定的工艺将其制成具有一定力学强度的柱状固体,药柱通常为柱形,横截面通常为圆形或者方形。药柱往往具有一定锥度或者使用变锥形。
点火组件通常由点火器及点火药组成,点火药与氧气药柱直接接触,通常放置于药柱一端。过滤组件包含过滤棉、过滤药剂等,对制得氧气进行物理以及化学过滤。工作时,由点火组件提供一定初始热量,固体氧气药柱靠近点火组件一端在达到药柱内组分的分解温度后燃烧,药柱燃烧产生的氧气通过过滤组件排出。
药柱开始燃烧后会放出热量,从而引发后续药柱的燃烧。实际工作时往往存在一个问题,在药柱开始燃烧时药柱分解产生的热量不多,导致后续分解速度下降甚至药柱停止燃烧。通常的解决办法是在一个药柱内采用多种产气组分,一层层叠加成药柱,在靠近点火组件一端采用分解放热较大的组分,以提高初始燃烧时释放热量,而在后段采用分解放热较小的组分。这个方案可能导致的后果是提高了发生器的整体工作温度,影响发生器的可用性。药柱分解速度下降的另一个原因是产生的热量往往只能对药柱的表面进行加热,而无法加热到药柱内部,因此专利US8142726中采用了具有一定孔隙而非密实的药柱,使工作时热量可以通过整个药柱,对整体药柱进行加热。但其所需孔隙率较大,药柱密度只有现有工艺一半,在相同产氧量的情况下需要体积更大的药柱,这对整个产品体积控制造成了影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可稳定燃烧的产气药柱,所述产气药柱通过将其燃烧方向的药柱原料装填设计成不同的孔隙率,且从点火端向排气端依次降低,点火端的孔隙率高,以保证初始燃烧的热量能快速传递到待燃烧的整个药柱段,排气端的孔隙率低,节约产气原料所占体积。
本发明的技术方案是,一种产气药柱,所述产气药柱为柱状,一端为点火端,另一端为排气端,从点火端至排气端的柱状轴向被分成至少两段,每段的装药孔隙率不同且从点火端向排气端的段间装药孔隙率依次降低。
进一步的,当所述产气药柱包括两段时,靠近点火端的一段药柱的装药孔隙率在35-65%之间,靠近排气端的二段药柱的装药孔隙率在5-35%之间,且同一产气药柱上靠近点火端的一段药柱的装药孔隙率大于靠近排气端的二段药柱的装药孔隙率。
进一步的,上述产气药柱不同段之间的连接方式为平面接触或者凹凸面接触。
进一步的,本发明的产气药柱的装药原料包括:产氧剂、金属粉末、催化剂和粘合剂;所述产氧剂包括碱金属氯酸盐或碱金属高氯酸盐;所述碱金属氯酸盐或碱金属高氯酸盐包括氯酸钠、氯酸钾、氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钾、高氯酸锂中的一种或多种;所述金属粉末包括铁粉、硅粉、钛粉中的一种或多种;所述催化剂包括金属氧化物和/或金属氢氧化物;所述粘合剂为无机粘合剂,所述无机粘合剂包括硅酸钠和/或硅酸钾。
产氧剂主要用于产生氧气;金属粉末主要用于提高反应热量,促进燃烧;催化剂主要用于降低产氧剂分解所需温度;粘合剂主要用于对配方进行造粒,为减少在生成氧气中的杂质气体,尽可能选用无机粘合剂。
本发明同时提供了上述产气药柱的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、原材料造粒:
将产气药柱原料充分混合后,根据产气药柱在高度方向被分成的段数,使用筛网或者造粒机对原料进行造粒,获得跟产气药柱段数数值对应的几类不同粒径范围颗粒;比如,将产气药柱在高度方向分成孔隙率不同的两段,那么就在造粒过程中将颗粒按粒径范围设计并摇混成两类不同的粒径范围,因为造粒的尺寸与孔隙率相关,设计的孔隙率越大,所需造粒的尺寸也越大;其中原料的混合可以使用多向混合机,也可以使用其他用于粉末混合的设备;
S2、分段成型:
S21、先将粒径范围最小的一类颗粒装填于与产气药柱外形尺寸匹配的模具底部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S22、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S23、再将粒径范围值大于步骤S21中所用颗粒的第二类颗粒装填于步骤S22固化后的产气药柱段上部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S24、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S25、重复步骤S23至S24的操作,将各类原料颗粒按照颗粒度范围从小到大的顺序依次装填、压制、固化;
S26、得到所述产气药柱。
为了保证设计的不同药柱段具有不同的孔隙率,本发明采取分段装填、固化的方式,先装填孔隙率小的产气药柱段,其所需的压力大,固化后不会在较高孔隙率药柱段装填时被压力进一步压缩。
进一步的,上述步骤S1的原料造粒之前,还包括将产氧剂、金属粉末以及催化剂进行过筛;然后将过筛后的产氧剂、金属粉末以及催化剂混合均匀,形成混合粉末;再将粘合剂与水混合形成液体状,最后将混好的粘合剂倒入混合好的混合粉末中的步骤。
进一步的,上述步骤S21和S23中,装填高度的计算方法为:
1)所需孔隙率∈ρ为每段产气药柱内孔隙占所在产气药柱段的体积比,计算公式(1)为:
其中ρch为产气药柱段实际密度,ρc为产气药柱段理论最大密度;
所述产气药柱段理论最大密度是假设此状态下产气药柱段孔隙率为零,通过产气药柱原料计算获得;
根据期望的孔隙率值,并利用公式(1)获得产气药柱段实际密度ρch;
2)根据模具内径尺寸获得其截面积A,即药柱段的截面积,结合称取的原料颗粒质量M,根据公式(2)计算装填高度h:
本发明上述步骤S1中,原材料造粒尺寸在150μm~1000μm之间。每段造粒尺寸不同。各产气药柱段的粒径范围在此范围内细分。
本发明还提供了了一种固体氧气发生器,它包括本发明提供的产气药柱,还包括壳体、点火组件和过滤组件;所述壳体用于封装产气药柱,点火组件设置在靠近产气药柱点火端的壳体上;过滤组件设置在靠近产气药柱点火端的壳体上。
进一步的,上述点火组件包括点火器和点火药,所述点火器设置在壳体的端口上,点火药与壳体内的产气药柱临接设置;所述过滤组件包括过滤棉和/或过滤药和出气口,所述出气口设置在壳体的端口上,所述滤棉和/或过滤药临接壳体内的产气药柱设置。
本发明的产气药柱通过将产气药柱在高度方向分成多段,形成多段式药柱连接,同时控制每段孔隙率的方法来促进产气药柱工作时的稳定燃烧,产气药柱采用氯酸盐作为主要产氧药剂。由此产气药柱作为主要组件的固体氧气发生器能保证点火后稳定燃烧。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中,本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解,其中:
图1为本发明实施例的固体氧气发生器及其产气药柱的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种固体氧气发生器,其结构如图1所示,它包括产气药柱1、壳体2、点火组件3和过滤组件4;所述壳体用于封装产气药柱1,点火组件3设置在靠近产气药柱1点火端的壳体2上;过滤组件4设置在靠近产气药柱1点火端的壳体2上;其中点火组件3包括点火器31和点火药32,所述点火器31设置在壳体2的端口上,点火药32与壳体2内的产气药柱临接设置;过滤组件4包括过滤棉和/或过滤药41和出气口42,所述出气口42设置在壳体2的端口上,所述滤棉和/或过滤药41临接壳体2内的产气药柱设置。
本实施例固体氧气发生器中的产气药柱1为柱状,一端为点火端,另一端为排气端,从点火端至排气端的柱状轴向被分成两段,靠近点火端的一段药柱11的装药孔隙率为45%,靠近排气端的二段药柱12的装药孔隙率为15%;一段药柱11与二段药柱12之间的连接方式为凹凸面接触。
优选设计产气药柱1的装药原料包括:一段药柱11:总量65g,其中氯酸钠87%,铁粉5%,四氧化三钴5%,硅酸钠3%;二段药柱12:总量250g,氯酸钠87%,铁粉5%,四氧化三钴5%,硅酸钠3%。
实施例2
实施例1中产气药柱的制备方法,包括以下步骤:
S1、原材料造粒:
将产气药柱原料充分混合后,根据产气药柱在高度方向被分成的段数,使用筛网或者造粒机对原料进行造粒,获得跟产气药柱段数数值对应的几类不同粒径范围颗粒;
S2、分段成型:
S21、先将粒径范围最小的一类颗粒装填于与产气药柱外形尺寸匹配的模具底部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S22、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S23、先粒径范围值大于步骤S21中所用颗粒的第二类颗粒装填于步骤S22固化后的产气药柱段上部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S24、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S25、重复步骤S23至S24的操作,将各类原料颗粒按照颗粒度范围从小到大的顺序依次装填、压制、固化;
S26、得到所述产气药柱。
上述步骤S1的原料造粒之前,还包括将产氧剂、金属粉末以及催化剂进行过筛;然后将过筛后的产氧剂、金属粉末以及催化剂混合均匀,形成混合粉末;再将粘合剂与水混合形成液体状,最后将混好的粘合剂倒入混合好的混合粉末中的步骤。
其中装填高度的计算方法为:
1)所需孔隙率∈ρ为每段产气药柱内孔隙占整个产气药柱段的体积比,计算公式1为:
其中ρch为产气药柱段实际密度,ρc为产气药柱段理论最大密度;
所述产气药柱段理论最大密度是假设此状态下产气药柱段孔隙率为零,通过产气药柱原料计算获得;
根据此公式1获得产气药柱段实际密度ρch;
二段药柱12的孔隙率为15%,按照理论最大密度ρc=2.8g/cm3计算,实际密度ρch=2.38g/cm3。按250g计算二段药柱12的体积为105cm3。
2)模具内径为4.5cm,获得其截面积A=15.9cm2,即药柱段的截面积,结合称取的原料颗粒质量M=250g,根据公式2计算装填高度h2=6.6cm:
优选的,上述步骤S1中,原材料造粒尺寸在150μm~1000μm之间。更优选的,一段药柱11按照250μm规格进行制粒,二段药柱12可以不进行制粒操作。
同上述计算方法类似,一段药柱11的孔隙率为45%,按照理论最大密度ρc=2.8g/cm3计算,实际密度ρch=1.54g/cm3。按65g计算一段药柱11的体积为42cm3,根据公式2计算一段药柱11的装填高度其h1=2.6cm
由于考虑到两段药柱接触面并非平面,在实际压制过程中高度应按照凹凸面的形状进行修正,实际二段药柱12的装填高度最高点应为7cm,完成二段药柱12的压制后,一段药柱11的压制高度按照总高6.6+2.6=9.2cm进行压制。
本实施例制得的固氧药柱燃烧稳定且体积设计需求小。与原有技术下单一孔隙率45%的药柱相比,药柱高度可以从原有的12.9cm降低到9.2cm,可以有效降低整体发生器的体积。
以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种产气药柱,所述产气药柱(1)为柱状,一端为点火端,另一端为排气端,其特征在于,从点火端至排气端的柱状轴向被分成至少两段,每段的装药孔隙率不同且从点火端向排气端的段间装药孔隙率依次降低;
当所述产气药柱(1)包括两段时,靠近点火端的一段药柱(11)的装药孔隙率在35-65%之间,靠近排气端的二段药柱(12)的装药孔隙率在5-35%之间,且同一产气药柱上靠近点火端的一段药柱(11)的装药孔隙率大于靠近排气端的二段药柱(12)的装药孔隙率;
所述产气药柱(1)不同药柱段之间的连接方式为平面接触或者凹凸面接触;
所述产气药柱(1)的装药原料包括:产氧剂、金属粉末、催化剂和粘合剂;
所述产氧剂包括碱金属氯酸盐或碱金属高氯酸盐;所述碱金属氯酸盐或碱金属高氯酸盐包括氯酸钠、氯酸钾、氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钾、高氯酸锂中的一种或多种;
所述金属粉末包括铁粉、硅粉、钛粉中的一种或多种;
所述催化剂包括金属氧化物和/或金属氢氧化物;
所述粘合剂为无机粘合剂,所述无机粘合剂包括硅酸钠和/或硅酸钾;
其制备方法,包括以下步骤:
S1、原材料造粒:
将产气药柱原料充分混合后,根据产气药柱在高度方向被分成的段数,使用筛网或者造粒机对原料进行造粒,获得跟产气药柱段数数值对应的几类不同粒径范围颗粒;
S2、分段成型:
S21、先将粒径范围最小的一类颗粒装填于与产气药柱外形尺寸匹配的模具底部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S22、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S23、再将粒径范围值大于步骤S21中所用颗粒的第二类颗粒装填于步骤S22固化后的产气药柱段上部,根据所述所需孔隙率计算出所需密度,然后计算装填高度,再将原料颗粒压制到计算的装填高度;
S24、在80℃温度下烘干24h,进行固化;
S25、重复步骤S23至S24的操作,将各类原料颗粒按照颗粒度范围从小到大的顺序依次装填、压制、固化;
S26、得到所述产气药柱;
所述步骤S21和S23中,装填高度的计算方法为:
1)所需孔隙率∈ρ为每段产气药柱内孔隙占所在产气药柱段的体积比,计算公式(1)为:
其中ρch为产气药柱段实际密度,ρc为产气药柱段理论最大密度;
所述产气药柱段理论最大密度是假设此状态下产气药柱段孔隙率为零,通过产气药柱原料计算获得;
根据期望的孔隙率,利用公式(1)获得产气药柱段实际密度ρch;
2)根据模具内径尺寸获得其截面积A,即药柱段的截面积,结合称取的原料颗粒质量M,根据公式(2)计算装填高度h:
2.如权利要求1所述的产气药柱,其特征在于,
所述步骤S1的原料造粒之前,还包括将产氧剂、金属粉末以及催化剂进行过筛;然后将过筛后的产氧剂、金属粉末以及催化剂混合均匀,形成混合粉末;再将粘合剂与水混合形成液体状,最后将混好的粘合剂倒入混合好的混合粉末中的步骤。
3.如权利要求1所述的产气药柱,其特征在于,所述步骤S1中,原材料造粒尺寸在150μm~1000μm之间。
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