CN117516996B - 一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及检测*** - Google Patents

一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及检测*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及亚微米颗粒物气溶胶分离及检测领域，具体公开了一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及检测***；分离装置包括虚拟冲击器，包括用于对吸入的气体进行加速的加速器：所述加速器与虚拟冲击器之间设有一引流器；所述引流器包括壳体III及设于壳体III的连通流道和泄压流道，所述连通流道及泄压流道的气体流入端均与加速器的气体流出端相连通，所述连通流道的气体流出端与虚拟冲击器的气体流入端相连通，所述泄压流道的体流出端与外界相连通。检测***包括气体泵送器、虚拟冲击器、盖革计数器、加速器及引流器。本发明有利于平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，实现在大流量工况下对亚微米颗粒物的有效分离。

Description

一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及检测***
技术领域
本发明涉及亚微米颗粒物气溶胶分离及检测领域，尤其涉及一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及检测***。
背景技术
天然放射性气溶胶一般为0.5μm及以下的亚微米颗粒物，人体摄入一定浓度的颗粒物将在体内积累强烈的辐射性，可使人体各个器官发生不同程度的损伤，导致发生功能紊乱、衰竭甚至死亡，还可诱发白血病，引发癌症，可能导致基因突变及影响生育能力。
亚微米颗粒物气溶的分离是虚拟冲击器的应用之一，基于惯性式原理实现微粒物的分离与富集，能显著提高气体中待测微粒物的浓度，是实现高精度核辐射颗粒物检测的重要前提；现有的虚拟冲击器的结构及原理例如可见本发明创造的申请人/发明人所公开的专利CN113171655B(名称：一种采集与检测一体化的气溶胶分离器；公开日期：2021.07.27)。
目前，投入实际应用的虚拟冲击器多应用于低浓度气溶胶的快速采样，其切割粒径多为微米量级，针对亚微米量级粒子的虚拟冲击器的研究相对较少；而常见的天然放射性气溶胶粒子一般粒径为小于0.5μm的放射性粒子，可直接经由呼吸道进入人体而产生危害；另外，粒径越小，粒子的分子运动越明显，轨迹方程越复杂。也即是说，在具有特定测量距离的情况下(即受限于环境，虚拟冲击器与测量点之间具有距离，如边境上测试、在室内测试室外、固定点的测试等)，现有的虚拟冲击器在工作流量和切割粒径两者间具有矛盾，在较小工作流量工况下具有测量距离近的缺点，而若采用较大流量的工况，则无法实现亚微米颗粒物的精准分离。
如何平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，是亚微米颗粒物气溶胶分离及检测领域亟待解决的技术问题。
发明内容
解决的技术问题：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置及应用该分离装置的检测***，以平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，实现在大流量工况下对亚微米颗粒物的有效分离。
技术方案：
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，包括虚拟冲击器；该装置还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器；所述加速器与虚拟冲击器之间设有一引流器；
所述引流器包括壳体III及设于壳体III的连通流道和泄压流道，所述连通流道及泄压流道的气体流入端均与加速器的气体流出端相连通，所述连通流道的气体流出端与虚拟冲击器的气体流入端相连通，所述泄压流道的气体流出端与外界相连通。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述虚拟冲击器包括壳体I及设于壳体I的上喷嘴和下喷嘴，所述上喷嘴与下喷嘴之间留有通气间隙，使得上喷嘴与下喷嘴之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴的底部设有大粒径粒子排出口，所述壳体I的侧壁设有若干小粒径粒子排出口。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述加速器包括一蜗壳结构的壳体II及导流管，所述壳体II内设有旋流管道且壳体II底部中心设有与旋流管道的末端连通的出口II，所述导流管的一端连接于出口II、另一端连接于壳体III。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述壳体II的蜗壳结构壁面遵循渐开线方程，方程如下：
x＝(5t1+5)cos(2πt1)
y＝(5t2+5)sin(2πt2)
式中，t1代表产生渐开线的基圆大小；t2代表渐开线包围中心点的次数，也就是圈数。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述导流管为渐缩的直管结构，沿所述壳体II至壳体III方向所述导流管的内径逐渐缩小。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述壳体III为圆管结构，所述壳体III内同轴固定有一连通管，所述连通管内部为连通流道且与上喷嘴对接。
另一方面，本发明还提供了一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其应用了上述分离装置，包括气体泵送器、虚拟冲击器及盖革计数器，所述盖革计数器与虚拟冲击器的粒子排出口连接；该***还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器；所述加速器的气体流入端与气体泵送器连接；所述加速器与虚拟冲击器之间设有一引流器；
所述引流器包括壳体III及设于壳体III的连通流道和泄压流道，所述连通流道及泄压流道的气体流入端均与加速器的气体流出端相连通，所述连通流道的气体流出端与虚拟冲击器的气体流入端相连通，所述泄压流道的气体流出端与外界相连通。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述虚拟冲击器包括壳体I及设于壳体I的上喷嘴和下喷嘴，所述上喷嘴与下喷嘴之间留有通气间隙，使得上喷嘴与下喷嘴之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴的底部设有大粒径粒子排出口，所述壳体I的侧壁设有若干小粒径粒子排出口。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述加速器包括一蜗壳结构的壳体II及导流管，所述壳体II内设有旋流管道且壳体II底部中心设有与旋流管道的末端连通的出口II，所述导流管的一端连接于出口II、另一端连接于壳体III。
作为对本发明技术方案的进一步改进，所述壳体III为圆管结构，所述壳体III内同轴固定有一连通管，所述连通管内部为连通流道且与上喷嘴对接。
技术效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，当虚拟冲击器与测量点之间具有距离时，加速器可对吸入的气体进行加速，从而形成大流量工况，以吸入特定距离的亚微米颗粒物气溶胶，在通过引流器进入虚拟冲击器时，引流器除了引流外还具有泄压的效果，使得流入虚拟冲击器的亚微米颗粒物气溶胶具有适合分离的流速，避免分离失效；因此，本发明的分离装置可以平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，实现在大流量工况下对亚微米颗粒物的有效分离。
同时，本发明提供的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其应用了上述分离装置，因此也同样具备上述有益技术效果。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明分离装置的立体图；
图2为本发明分离装置的立体透视图；
图3为本发明分离装置的纵向剖视图；
图4为图3中A处放大图；
图5为本发明测量***中引流器的横向剖视图；
图6为本发明测量***的立体图；
图7为本发明测量***的立体透视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
如图1至图5所示：本实施例提供了一种分离装置，其适用于大流量工况下亚微米颗粒物气溶胶的分离，因此即为一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置；该装置包括虚拟冲击器1，虚拟冲击器1的结构、原理可与现有技术相同，在此不再赘述。
本实施例提供的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，其主要改进就在于：该装置还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器2；所述加速器2与虚拟冲击器1之间设有一引流器3；所述引流器3包括壳体III31及设于壳体III31的连通流道32和泄压流道33，所述连通流道32及泄压流道33的气体流入端均与加速器2的气体流出端相连通，所述连通流道32的气体流出端与虚拟冲击器1的气体流入端相连通，所述泄压流道33的气体流出端与外界相连通。
当虚拟冲击器1与测量点之间具有距离时，加速器2可对吸入的气体进行加速，从而形成大流量工况，以吸入特定距离的亚微米颗粒物气溶胶，在通过引流器3进入虚拟冲击器1时，引流器3除了引流外还具有泄压的效果，使得流入虚拟冲击器1的亚微米颗粒物气溶胶具有适合分离的流速，避免分离失效；因此，本分离装置可以平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，实现在大流量工况下对亚微米颗粒物的有效分离。
本实施例中，所述虚拟冲击器1包括壳体I11及设于壳体I11的上喷嘴12和下喷嘴13，所述上喷嘴12与下喷嘴13之间留有通气间隙，使得上喷嘴12与下喷嘴13之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴13的底部设有大粒径粒子排出口14，所述壳体I的侧壁设有若干小粒径粒子排出口15。
壳体I11可呈圆盒结构；上喷嘴12和下喷嘴13均沿壳体I11的轴向设置，上喷嘴12可固定在壳体I11顶部，下喷嘴13则可设于壳体I11内部；上喷嘴12与下喷嘴13相对设置；下喷嘴13可呈上小下大的锥台型；下喷嘴13穿出壳体I11的底部；当亚微米颗粒物气溶胶流经通气间隙时，在惯性力的作业下，较大粒径(如0.1-0.5μm)的粒子沿原气流方向流至大粒径粒子排出口14，较小粒径(如小于0.1μm)的粒子则发生偏转并流至小粒径粒子排出口15；小粒径粒子排出口15的数量例如可为四个，其沿壳体I11的周向均匀分布。
本实施例中，所述加速器2包括一蜗壳结构的壳体II21及导流管22，所述壳体II21内设有旋流管道23且壳体II21底部中心设有与旋流管道23的末端连通的出口II21a，所述导流管22的一端连接于出口II21a、另一端连接于壳体III31。
蜗壳结构的壳体II21所形成的旋流管道23(螺旋状)可有效对进入的气体进行加速；所述壳体II21的蜗壳结构壁面遵循渐开线方程，方程如下：
x＝(5t1+5)cos(2πt1)
y＝(5t2+5)sin(2πt2)
式中，t1代表产生渐开线的基圆大小；t2代表渐开线包围中心点的次数，也就是圈数。
加速器2的最大速度放大倍数随着内壁渐开线圈数的增大而增大；作为优选，t1＝0，t2＝3；此时，加速性能及制造成本可得到较优平衡。
本实施例中，所述导流管22为渐缩的直管结构，沿所述壳体II21至壳体III31方向所述导流管22的内径逐渐缩小。导流管22的横截面呈圆形，其长度可根据需要而定；经过导流管22的导流后，加速器2出口流场损失较小，能为加速器2提供较为稳定的流场。
本实施例中，所述壳体III31为圆管结构，所述壳体III31内同轴固定有一连通管，所述连通管内部为连通流道32且与上喷嘴12对接；壳体III31的长度、宽度可根据需要而定；作为示例，壳体III31的高度可为4mm、外径可为21mm，连通管34的高度可为2.5mm、外径可为4mm；连通管34的外壁与壳体III31的内壁之间可设置支撑板35，以支撑连通管34。壳体III31内部除了连通管34外的位置均可设置为泄压流道33。根据需要，还可以将壳体III31与壳体II21一体成型。
实施例二：
本实施例提供了一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其应用了实施例一中的分离装置；该检测***包括气体泵送器4、虚拟冲击器1及盖革计数器5，所述盖革计数器5与虚拟冲击器1的粒子排出口连接。气体泵送器4例如可为气泵或者风机等部件；虚拟冲击器1及盖革计数器5的结构、原理可与现有技术相同，在此不再赘述。盖革计数器5连接电子设备，再经过模数A/D转换输入到电子设备，就可以查看检测结果。
本实施例提供的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其主要改进就在于：该***还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器2；所述加速器2的气体流入端与气体泵送器4连接；所述加速器2与虚拟冲击器1之间设有一引流器3；所述引流器3包括壳体III31及设于壳体III31的连通流道32和泄压流道33，所述连通流道32及泄压流道33的气体流入端均与加速器2的气体流出端相连通，所述连通流道32的气体流出端与虚拟冲击器1的气体流入端相连通，所述泄压流道33的气体流出端与外界相连通。
当虚拟冲击器1与测量点之间具有距离时，加速器2可对吸入的气体进行加速，从而形成大流量工况，以吸入特定距离的亚微米颗粒物气溶胶，在通过引流器3进入虚拟冲击器1时，引流器3除了引流外还具有泄压的效果，使得流入虚拟冲击器1的亚微米颗粒物气溶胶具有适合分离的流速，避免分离失效；因此，本分离装置可以平衡工作流量和切割粒径两者间的矛盾，实现在大流量工况下对亚微米颗粒物的有效分离。
本实施例中，所述虚拟冲击器1包括壳体I11及设于壳体I11的上喷嘴12和下喷嘴13，所述上喷嘴12与下喷嘴13之间留有通气间隙，使得上喷嘴12与下喷嘴13之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴13的底部设有大粒径粒子排出口14，所述壳体I11的侧壁设有若干小粒径粒子排出口15。
壳体I11可呈圆盒结构；上喷嘴12和下喷嘴13均沿壳体I11的轴向设置，上喷嘴12可固定在壳体I11顶部，下喷嘴13则可设于壳体I11内部；上喷嘴12与下喷嘴13相对设置；下喷嘴13可呈上小下大的锥台型；当亚微米颗粒物气溶胶流经通气间隙时，在惯性力的作业下，较大粒径(如0.1-0.5μm)的粒子沿原气流方向流至大粒径粒子排出口14，较小粒径(如小于0.1μm)的粒子则发生偏转并流至小粒径粒子排出口15；小粒径粒子排出口15的数量例如可为四个，其沿壳体I11的周向均匀分布；小粒径粒子排出口15与对应盖革计数器5相连接。
本实施例中，所述加速器2包括一蜗壳结构的壳体II21及导流管22，所述壳体II21内设有旋流管道23且壳体II21底部中心设有与旋流管道23的末端连通的出口II21a，所述导流管22的一端连接于出口II21a、另一端连接于壳体III31。
蜗壳结构的壳体II21所形成的旋流管道23(螺旋状)可有效对进入的气体进行加速；气体泵送器4可安装在壳体II21的进气口处；所述壳体II21的蜗壳结构壁面遵循渐开线方程，方程如下：
x＝(5t1+5)cos(2πt1)
y＝(5t2+5)sin(2πt2)
式中，t1代表的产生渐开线的基圆大小；t2代表渐开线包围中心点的次数，也就是圈数。
加速器2的最大速度放大倍数随着内壁渐开线圈数的增大而增大；作为优选，t1＝0，t2＝3；此时，加速性能及制造成本可得到较优平衡。
本实施例中，所述导流管22为渐缩的直管结构，沿所述壳体II21至壳体III31方向所述导流管22的内径逐渐缩小。导流管22的横截面呈圆形，其长度可根据需要而定；经过导流管22的导流后，加速器2出口流场损失较小，能为加速器2提供较为稳定的流场。
本实施例中，所述壳体III31为圆管结构，所述壳体III31内同轴固定有一连通管34，所述连通管34内部为连通流道32且与上喷嘴12对接；壳体III31的长度、宽度可根据需要而定；作为示例，壳体III31的高度可为4mm、外径可为21mm，连通管34的高度可为2.5mm、外径可为4mm；连通管34的外壁与壳体III31的内壁之间可设置支撑板，以支撑连通管34。壳体III31内部除了连通管34外的位置均可设置为泄压流道33。根据需要，还可以将壳体III31与壳体II21一体成型。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，包括虚拟冲击器，其特征在于：
该装置还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器；所述加速器与虚拟冲击器之间设有一引流器；
所述引流器包括壳体III及设于壳体III的连通流道和泄压流道，所述连通流道及泄压流道的气体流入端均与加速器的气体流出端相连通，所述连通流道的气体流出端与虚拟冲击器的气体流入端相连通，所述泄压流道的气体流出端与外界相连通；
所述加速器包括一蜗壳结构的壳体II及导流管，所述壳体II内设有旋流管道且壳体II底部中心设有与旋流管道的末端连通的出口II，所述导流管的一端连接于出口II、另一端连接于壳体III；
所述壳体II的蜗壳结构壁面遵循渐开线方程，方程如下：
；
式中，t1代表产生渐开线的基圆大小；t2代表渐开线包围中心点的次数，也就是圈数；
所述导流管为渐缩的直管结构，沿所述壳体II至壳体III方向所述导流管的内径逐渐缩小。
2.根据权利要求1所述的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，其特征在于：
所述虚拟冲击器包括壳体I及设于壳体I的上喷嘴和下喷嘴，所述上喷嘴与下喷嘴之间留有通气间隙，使得上喷嘴与下喷嘴之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴的底部设有大粒径粒子排出口，所述壳体I的侧壁设有若干小粒径粒子排出口。
3.根据权利要求1所述的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的分离装置，其特征在于：
所述壳体III为圆管结构，所述壳体III内同轴固定有一连通管，所述连通管内部为连通流道且与上喷嘴对接。
4.一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，包括气体泵送器、虚拟冲击器及盖革计数器，所述盖革计数器与虚拟冲击器的粒子排出口连接；其特征在于：
该***还包括用于对吸入的气体进行加速的加速器；所述加速器的气体流入端与气体泵送器连接；所述加速器与虚拟冲击器之间设有一引流器；
所述引流器包括壳体III及设于壳体III的连通流道和泄压流道，所述连通流道及泄压流道的气体流入端均与加速器的气体流出端相连通，所述连通流道的气体流出端与虚拟冲击器的气体流入端相连通，所述泄压流道的气体流出端与外界相连通；
所述加速器包括一蜗壳结构的壳体II及导流管，所述壳体II内设有旋流管道且壳体II底部中心设有与旋流管道的末端连通的出口II，所述导流管的一端连接于出口II、另一端连接于壳体III；
所述壳体II的蜗壳结构壁面遵循渐开线方程，方程如下：
；
式中，t1代表产生渐开线的基圆大小；t2代表渐开线包围中心点的次数，也就是圈数；
所述导流管为渐缩的直管结构，沿所述壳体II至壳体III方向所述导流管的内径逐渐缩小。
5.根据权利要求4所述的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其特征在于：
所述虚拟冲击器包括壳体I及设于壳体I的上喷嘴和下喷嘴，所述上喷嘴与下喷嘴之间留有通气间隙，使得上喷嘴与下喷嘴之间形成了对粒子进行分离的加速喷嘴结构；所述下喷嘴的底部设有大粒径粒子排出口，所述壳体I的侧壁设有若干小粒径粒子排出口。
6.根据权利要求4所述的一种大流量亚微米颗粒物气溶胶的检测***，其特征在于：
所述壳体III为圆管结构，所述壳体III内同轴固定有一连通管，所述连通管内部为连通流道且与上喷嘴对接。
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