一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器的製作方法

2023-09-21 10:05:10

專利名稱：一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分離器，特別是關於一種用於大氣中生物氣溶膠濃縮分離 的氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器。
背景技術：
自2001年美國郵政服務系統遭受炭疽攻擊和1995年東京地鐵系統遭受的沙林 神經毒氣攻擊以來，各國對核生化恐怖襲擊事件高度重視，已在城市敏感區域布設 了大量的生化監測檢測系統。實時監測潛在危險的空氣傳播粒子的報警系統不僅可 以用於軍隊和社會防止大規模殺傷性武器的襲擊，也可以用於平時核、生物和化學
氣溶膠的監測。氣溶膠的粒徑一般為0. 001-100微米，50微米以上的粒子由於重力 沉降作用，很難進入人的呼吸道。大於10-50微米的粒子只能進入鼻咽部，5-10微 米的粒子可進入氣管和支氣管，0.5-5微米的粒子可到達細支氣管、肺深部和肺泡， 是對人體危害最大的粒子。小於0.5微米的粒子進入人體後， 一般會隨著呼氣的作 用而排出，不易在人體內沉積。大氣中存在著各種各樣的氣溶膠粒子，成份複雜， 既有無機粒子，也有有機粒子和生物粒子，大氣中的氣溶膠粒子絕大多數是尺寸比 較小的非生物粒子，直徑一般小於l微米，生物粒子的數量很少。在生物粒子實時 監測過程中，如果將這些數量眾多的非生物粒子一同採集進來進行檢測，勢必造成 對儀器功能極大的浪費，耗費了大量的無用功，而使真正關心的生物粒子沒有檢測 到。在有限的生物粒子中，有相當一部分是自然存在的個體尺寸較大的花粉、真菌 和黴菌孢子，這些生物粒子隨著季節和氣象條件的變化，其種類、數量和濃度都會 發生很大的變化，作為活的生命體，它們具有同致病微生物相同的光學特性及相似 的生物學特徵，嚴重幹擾儀器對致病微生物的檢測，因此，必須從檢測氣流中將其 去除。病原微生物粒子雖然個體比較小， 一般為l微米左右，甚至更小，細菌的直 徑一般為微米級，病毒的直徑一般為亞微米級，但是它們在空氣傳播過程中會與其 他粒子發生碰撞、吸附、凝並，形成較大的粒子。實驗證明，空氣中可傳播的微生 物粒子的直徑一般在2微米以上，可對人體造成危害的是10微米以下的可吸入粒 子。由於氣溶膠施放方式危害面積大，傳播距離遠，作為生物戰劑或生物恐怖劑的 病原微生物一般為可通過空氣傳播和吸入感染的，具有較強存活力的強傳染性病原 體，感染劑量很小， 一般為幾百個一幾萬個顆,粒，有的甚至只有1個或幾十個就可 以造成人或動物的感染或死亡。目前的檢測儀器常因為生物粒子的濃度太低，取樣量太小，使本來應該檢測到的粒子漏檢，或者因為靈敏度較低無法識別，造成檢測 結果的錯誤。因此，進行生物氣溶膠的檢測，必須大量地採集空氣樣本，並進行高 倍濃縮和分離可能含有生物粒子的可吸入粒子，才不致造成漏檢或漏報警。
化學毒劑和放射性微粒探測器經過幾代的改進已趨成熟，實用的生物學點檢測 系統是近幾年剛剛出現的。生物學探測器面對的一個主要障礙是較低濃度的生物粒 子就會引起嚴重的傷害。氣溶膠濃縮分離技術可提高現有生物探測器可檢測的環境 樣品中的最小水平和輸出信號的可信度，以及相應的靈敏度。現有檢測系統常用的
濃縮比為100-1000倍。隨著未來生物監測系統的敏感性的提高，可能會降低所需
要的濃縮水平。然而，即使未來的檢測系統通過氣溶膠濃縮會提高檢測靈敏度，從 統計學上可接受的報警水平來看，生物戰劑檢測系統仍然需要小型、便攜，可現場 應用、高效率的氣溶膠粒子濃縮裝置。虛擬撞擊技術廣泛地應用於氣溶膠粒子的濃 縮。如圖1所示，現有最常見的虛擬撞擊結構是成對的、削去頂端的圓錐形加速噴 口和接收口，在濃縮分離器的前級一般需要多組這種成對的加速噴口和接收口，多 組成對加速噴口和接收口在空間分布上一般為圓周軸對稱排列或平面排列，這種結 構使得虛擬撞擊濃縮分離器的加工難度大，體積和重量大，不便於小型化。 發明內容
針對上述問題，本實用新型的目的是提出一種收集效率高且結構簡單的環形狹 縫式氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器。
為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案 一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分 離器，其特徵在於它包括外筒、防雨阻蟲紗網罩、 一級分離入口組件、大粒子接 收與；級分離入口組件、二級出口與三級分離入口組件、三級收集口和底座；所述 外筒的底部與所述底座密封固定，所述外筒下部一側設置有一排氣口和一連接在所 述排氣口排氣端的抽氣風機，所述外筒內周向分三級設置有三個內凸緣；所述防雨 阻蟲紗網罩包括一防雨鼓形的圓盤蓋，在所述圓盤蓋底部設置有一段直筒，在所述 直筒內設置有一內筒，所述直筒與所述內筒的周向對應開有多個通氣窗，在所述直 筒與所述內筒之間夾設有一阻蟲紗網，所述防雨阻蟲紗網罩插設在所述外筒頂部； 所述一級分離入口組件包括一密封固定在所述外筒的第一級內凸緣上的一級分離 入口板，所述一級分離入口板上設置有一氣溶膠進氣口，所述氣溶膠進氣口的上端 插入所述阻蟲紗網中；所述氣溶膠進氣口內設置有一限流柱，所述限流柱與所述氣 溶膠進氣口之間存在環形縫隙；所述大粒子接收與二級分離入口組件包括一截面呈 T字形的大粒子收集口和一與之一體的二級分離入口板，所述大粒子收集口對應設 置在所述氣溶膠進氣口的下方，所述大粒子收集口內設置有一隔板，所述限流柱的
5下端固定在所述隔板上；所述二級分離入口板密封固定在所述外筒的第二級內凸緣 上，所述二級分離入口板周向均勻設置有若干二級噴口；所述大粒子收集口與所述 二級分離入口板上設置有若干條貫通的大粒子分流導管；所述二級出口與三級分離 入口組件包括二級分離出口板和三級分離入口罐，所述二級分離出口板先通過螺栓 固定連接在所述二級分離入口板的下方，再通過所述螺栓固定連接在所述三級分離 入口罐的上端，所述二級分離出口板周向設置有若干與所述二級噴口位置對應的圓 柱形二級收集口；所述三級分離入口罐與所述外筒的第三級內凸緣之間存在一環形 狹縫，所述三級分離入口罐的底部設置有一個三級噴口，所述三級收集口位置對應 設置在所述三級噴口的下方，所述三級收集口底部貫通地固定在所述底座上。 所述氣溶膠進氣口的內圓上端和所述限流柱的外圓上端分別為圓錐形。 所述二級噴口為圓錐漏鬥形，所述三級噴口為單級圓錐噴口。 用斯託克斯數St的平方根代替粒子直徑作為一個坐標來繪製粒子的採集效 率曲線，並以所述採集效率曲線中50%採集效率點處對應的具計算所述限流柱 與所述氣溶膠進氣口之間的環形縫隙、二級噴口和三級噴口的半徑r，所述斯託克 斯數St定義為
其中C是滑移訂正係數，"是流體的粘滯係數，A是粒子直徑，Pp是粒子 密度，r是噴口半徑，^是氣流流量；收集口直徑A與噴口直徑A之比A/A在1.35 到1.4之間，其中Z 。:2r;採集管入口頂端邊緣拋光的曲率W與收集口直徑A之比 / /A在0. 18到0. 24之間；噴口出口和採集口頂端之間的空隙5"與噴口直徑之比 5/^在1.2到1.8之間。
本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型採用環
形狹縫式加速噴口使氣溶膠粒子的分布均勻，無粒子丟失，粒子的損耗少，收集效
率高。2、本實用新型採用虛擬撞擊的原理，在粒子的飛行路徑上沒有任何撞擊擋
板，所有去除的粒子全部被排出氣流排走，無粒子滯留，無粒子反彈，無再懸浮隨
氣流逃失現象，不會進入後級氣流，分離徹底。3、本實用新型採用噴孔式撞擊、 狹縫式撞擊和錐行整流罩相結合的結構設計，不僅使虛擬撞擊濃縮分離器的結構簡 單、緊湊、體積減小，而且易於加工和便於小型化。


圖1是目前圓形排列的多組成對圓錐形加速噴口 圖2是本實用新型的整體結構示意圖圖3是本實用新型的成對噴口和收集口結構示意圖 圖4是本實用新型採用單分散氣溶膠粒子的採集效率曲線示意圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
如圖2所示，本實用新型包括外筒1、防雨阻蟲紗網罩2、 一級分離入口組件3、 大粒子接收與二級分離入口組件4、 二級出口與三級分離入口組件5、三級收集口 6 和底座7。外筒1的底部與底座7密封固定，其下部一側設置有一去除粒子排氣口 8和一連接在排氣口 8排氣端的抽氣風機9，外筒1內周向分三級設置有三個內凸 緣11、 12、 13。
防雨阻蟲紗網罩2包括一防雨鼓形的圓盤蓋21，在圓盤蓋21底部設置有一段 直筒22，在直筒22內設置有一內筒23，直筒與內筒23的周向對應開有多個通氣 窗，在直筒22與內筒23之間夾設有一阻蟲紗網24。防雨阻蟲紗網罩2插設在外筒 l頂部，採樣氣流可以通過直筒22與內筒23之間的阻蟲紗網24從各通氣窗中，被 抽氣風機9吸入，阻蟲紗網24可以防止昆蟲以及草葉、飛絮等物質被吸入到濃縮 分離器而堵塞氣路。
一級分離入口組件3包括一密封固定在外筒1的第一級內凸緣11上的一級分 離入口板31， 一級分離入口板31上設置有一氣溶膠進氣口 32，氣溶膠進氣口 32 的上端插入阻蟲紗網24中。在氣溶膠進氣口 32內設置有一限流柱33，限流柱33 與氣溶膠進氣口 32之間存在環形縫隙。氣溶膠進氣口 32的內圓上端和限流柱33 的外圓上端分別為圓錐形，這種錐形結構可以降低頂端平面上粒子的沉積，還可對 進氣氣流在進入氣溶膠進氣口 32與限流柱33之間的環形縫隙前進行整形。
大粒子接收與二級分離入口組件4包括一截面呈T字形的大粒子收集口 41和 與之一體的二級分離入口板42，大粒子收集口 41對應設置在氣溶膠進氣口 32的下 方，大粒子收集口 41內設置有一隔板43，限流柱33的下端固定在隔板43上。二 級分離入口板42密封固定在外筒的內凸緣12上，二級分離入口板42周向均勻設 置有若干漏鬥形的二級噴口 44。在隔板43上部的大粒子收集口 41與二級噴口 44 外側的二級分離入口板42上設置有兩條(僅以此為例，並不限於此)貫通的大粒 子分流導管45。
二級出口與三級分離入口組件5包括二級分離出口板51和三級分離入口罐52， 二級分離出口板51先通過螺栓固定連接在二級分離入口板42的下方，再通過該螺 栓固定連接在三級分離入口罐52的上端，二級分離出口板51周向設置有與二級噴 口 44位置對應的圓柱形二級收集口 53。三級分離入口罐52與內凸緣13之間存在一環形狹縫，三級分離入口罐52的底部設置有一個三級噴口 54。三級收集口6位 置對應設置在三級噴口 54的下方，三級收集口 6底部貫通地固定在底座7上。
上述實施例中， 一些相對設置的部件，特別是各級氣流噴口和收集口等的 參數設計對採集效率有較大的影響，因此需要根據一些相應技術的已知計算方 法對本實用新型中各個部件的參數進行選擇設計
如圖3所示，設計本實用新型時首先要計算粒子在流場中的運動軌跡，斯 託克斯數St是一個重要參數，斯託克斯數定義為粒子的停止距離與噴口半徑的 比值(這包括氣溶膠進氣口 32與限流柱33之間的環形縫隙、二級噴口44和三 級噴口 54的半徑等)
(1)
其中t是弛閾時間
(2)
18//
上述各式中，C是滑移訂正係數，K是噴口氣流的平均流速(m/s)， u是 流體的粘滯係數(kg/ (m's))，幾是粒子直徑(m)， Pp是粒子密度(kg/m3)， r是噴口半徑。若用"。表示噴口直徑，則r="。/2 (m)，通過噴口的氣流流量。 與噴口氣流的平均流速K滿足如下關係
G = Vr2=)Vr(,2 (3)
結合上面各表達式，斯託克斯數可以用噴口半徑r和氣流流量^ 表示為
&=啤 (4)
多數情況下，用斯託克斯數的平方根(即A)作為特徵參量研究虛擬撞擊 器的採集效率。根據式(4)，在撞擊器噴口半徑r和氣流流量^確定的情況下，
A和粒子的直徑A有直接對應關係，因此常以v 代替粒子直徑作為一個坐標
來繪製大粒子的採集效率曲線(如圖4所示)。
採集效率曲線中50%採集效率點處7^對應於虛擬撞擊器的切割直徑，根據
S,5。的定義，可以計算50%切割點的切割直徑/4滿足
Z)5。 =[5.7D。3/C2。]% (5)
其中A。單位為ym，"。是噴口直徑，單位mm， C是滑移訂正係數，ft是總流量， 單位L/min。從採集效率曲線中50%採集效率點處7^對應的虛擬撞擊器的切割 直徑，可以得到A。的值，又因C和ft都是已知，將Z4代入式(5)，就可以求出"。的大小。
如圖3所示，除此之外，下列參數在設計本實用新型時也很重要。
副氣流流量"、主氣流流量仏，"=& - G。副流比G/G對撞擊器的切割 直徑是一個敏感的影響因子，該值不能太大，否則小粒子的汙染比較大，也不能太 小，此時粒子損耗比較大，在實際設計時，要根據實驗結果來調整。當副流比0/ft
大約是9%時，無論是固體粒子還是液體粒子，無量綱參數V^等於0.86，此時切 割點的壁損耗最大(但<5%)。
收集口直徑A (這包括大粒子收集口 41、 二級收集口 53和三級收集口 6的直 徑)， 一旦總流量G和副氣流流量G確定，切割點實質上由噴口直徑A決定，粒子 在切割點的損失很大程度依賴於A/A，如果這個值非常接近或小於l，則很容易在 收集口頂部發生撞擊損失，隨著該值的增大，切割點附近的粒子損失會減小，但當 該值增大到1.5或大於1.5時，對很大範圍粒徑的粒子而言，粒子在噴口的後向撞 擊損失和收集口內的損失都將增大，適宜的值在1. 35到1. 4之間。
收集口入口頂端邊緣拋光的曲率採集效率依賴於粒子軌跡和撞擊面之間所
形成的角度，收集口內部邊緣應該有一定的曲率，可以使流線更平滑，進而減少粒
子損失，v /A在0. 18到0.24之間時，粒子損失最小。
噴口出口和收集口頂端之間的空隙5"， 5/及大致在1. 2到1. 8之間。 同軸誤差5，是噴口和收集口不同軸造成的誤差，同軸誤差^應該儘量小，一
定範圍內，當同軸誤差^每增加0.005cm，粒子損失增加1%，隨著^的增大，粒子
損失會進一步增加。
本實用新型的原理是採樣氣流從氣溶膠進氣口32處經阻蟲紗網24被抽氣風機 9吸入，氣溶膠粒子通過限流柱33和氣溶膠進氣口32之間的環狀狹縫被加速，大量 的氣流流出氣溶膠進氣口32下端邊緣時被迫改變方向，向外向下流動。小的粒子由 於慣性較小隨著主氣流改變方向流向二級噴口44，大於12ixm的粒子慣性較大，難 以隨主氣流改變方向，沿著自己的慣性方向進入大粒子收集口41，通過大粒子分流 導管45與後面分離出的〈2 w m的粒子匯合後被抽氣風機9排出。除去大於12 w m粒子 的氣流在抽氣風機9的作用下向下流動進入二級噴口44和二級收集口53。為了減少 粒子的損失和對氣流進行整形，後面各級的氣流噴口處全部設計為漏鬥形，下面的 豎直段為加速段，需要說明的是，由於三級分離入口罐52中的氣流較小，三級噴口 54設計為一單級圓錐噴口。氣溶膠經後面兩級後將〈2ura的粒子分離出來，與第一 級分離出來的〉12um的粒子一起被抽氣風機9排出。同時，也為了使最終分離出來 的粒子便於後面儀器的在線檢測或用小流量採樣器收集。如圖4所示，為採用單分散氣溶膠粒子對本實用新型的採集效率曲線。標定氣 溶膠濃縮分離器時分別發生了直徑為1.05、 1.94、 3.76、 8.19、 10. 56和11. 97 y m 的粒子，將標定結果擬合得到的採集效率曲線方程為y二 -2. 1768x2 + 28. 48x + 2. 1653，由此可以求出虛擬撞擊濃縮分離器50%的切割直徑A。分別為1. 978904 u m 和11. 10452 ixm，與設計2 12 u m粒子分離直徑基本吻合。
權利要求1、一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於它包括外筒、防雨阻蟲紗網罩、一級分離入口組件、大粒子接收與二級分離入口組件、二級出口與三級分離入口組件、三級收集口和底座；所述外筒的底部與所述底座密封固定，所述外筒下部一側設置有一排氣口和一連接在所述排氣口排氣端的抽氣風機，所述外筒內周向分三級設置有三個內凸緣；所述防雨阻蟲紗網罩包括一防雨鼓形的圓盤蓋，在所述圓盤蓋底部設置有一段直筒，在所述直筒內設置有一內筒，所述直筒與所述內筒的周向對應開有多個通氣窗，在所述直筒與所述內筒之間夾設有一阻蟲紗網，所述防雨阻蟲紗網罩插設在所述外筒頂部；所述一級分離入口組件包括一密封固定在所述外筒的第一級內凸緣上的一級分離入口板，所述一級分離入口板上設置有一氣溶膠進氣口，所述氣溶膠進氣口的上端插入所述阻蟲紗網中；所述氣溶膠進氣口內設置有一限流柱，所述限流柱與所述氣溶膠進氣口之間存在環形縫隙；所述大粒子接收與二級分離入口組件包括一截面呈T字形的大粒子收集口和一與之一體的二級分離入口板，所述大粒子收集口對應設置在所述氣溶膠進氣口的下方，所述大粒子收集口內設置有一隔板，所述限流柱的下端固定在所述隔板上；所述二級分離入口板密封固定在所述外筒的第二級內凸緣上，所述二級分離入口板周向均勻設置有若干二級噴口；所述大粒子收集口與所述二級分離入口板上設置有若干條貫通的大粒子分流導管；所述二級出口與三級分離入口組件包括二級分離出口板和三級分離入口罐，所述二級分離出口板先通過螺栓固定連接在所述二級分離入口板的下方，再通過所述螺栓固定連接在所述三級分離入口罐的上端，所述二級分離出口板周向設置有若干與所述二級噴口位置對應的圓柱形二級收集口；所述三級分離入口罐與所述外筒的第三級內凸緣之間存在一環形狹縫，所述三級分離入口罐的底部設置有一個三級噴口，所述三級收集口位置對應設置在所述三級噴口的下方，所述三級收集口底部貫通地固定在所述底座上。
2、 如權利要求1所述的一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於所述 氣溶膠進氣口的內圓上端和所述限流柱的外圓上端分別為圓錐形。
3、 如權利要求1所述的一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於所述 二級噴口為圓錐漏鬥形，所述三級噴口為單級圓錐噴口。
4、 如權利要求2所述的一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於所述 二級噴口為圓錐漏鬥形，所述三級噴口為單級圓錐噴口。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於用斯託克斯數St的平方根代替粒子直徑作為一個坐標來繪製粒子的採集效率曲線，並以所述採集效率曲線中50%採集效率點處對應的7^計算所述限 流柱與所述氣溶膠進氣口之間的環形縫隙、二級噴口和三級噴口的半徑r，所述斯託克斯數St定義為其中C是滑移訂正係數，w是流體的粘滯係數，A是粒子直徑，P,是粒子 密度，r是噴口半徑，。是氣流流量；收集口直徑A與噴口直徑A之比A/A在1. 35到1. 4之間，其中A=2r;採集管入口頂端邊緣拋光的曲率y 與收集口直徑A之比W/A在0. 18到0. 24 之間；噴口出口和採集口頂端之間的空隙S與噴口直徑^之比6/"。在1.2到1.8之間。
專利摘要本實用新型涉及一種氣溶膠虛擬撞擊濃縮分離器，其特徵在於它包括外筒，所述外筒下部一側設置有一排氣口和一連接在所述排氣口排氣端的抽氣風機，所述外筒內自上而下設置有三級分離入口組件，所述一級組件包括一氣溶膠進氣口，其前端設置有一防雨阻蟲紗網罩，其內部設置有一限流柱，且二者之間存在環形縫隙；所述二級組件包括大粒子收集口和二級分離入口板，所述大粒子收集口對應設置在所述氣溶膠進氣口的下方，所述二級分離入口板周向均勻開有若干二級噴口；所述三級組件包括一罐體，其連接在所述二級分離入口板的下方，所述罐體的底部開有三級噴口，所述三級噴口的下方設置有三級收集口。本實用新型利用氣溶膠粒子的飛行慣性，採用虛擬撞擊原理，將可能含有微生物的2μm-12μm可吸入粒子從大的氣流中分離並濃縮至較小的氣流中。
文檔編號B01D45/08GK201253522SQ20082010944
公開日2009年6月10日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者強 劉, 毅 劉, 孫振海, 娜 李, 李勁松, 潔 王, 趙建軍, 鹿建春 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院微生物流行病研究所;北京滙豐隆生物科技發展有限公司