一種大流量氣溶膠採樣裝置的製作方法

2023-09-10 14:42:20 2

專利名稱：一種大流量氣溶膠採樣裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大流量氣溶膠採樣裝置，特別是關於一種可用於大氣中 生物氣溶膠濃縮分離的組合式虛擬撞擊大流量氣溶膠採樣裝置。
背景技術：
隨著經濟全球化進程日益加速，在世界範圍內新發傳染病屢屢出現，公共衛 生突發事件時有發生，生物恐怖威脅愈顯突出，生物安全已成為嚴重影響人類生 活、國家安全和經濟發展的重要問題。傳染性病毒、生物恐怖武器等微生物都是 以氣溶膠粒子狀態存在於大氣中，實時監測大氣中傳播粒子的潛在危險勢在必行。
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。因此，有效地採集大氣中2 10微米的生物 粒子是準確測量有害微生物濃度的技術關鍵之一。
由於空氣中的微生物粒子濃度很低，加之生物氣溶膠檢測方法靈敏度的限制， 目前，國內環境監測領域對可吸入粒子的採集多採用大流量採樣裝置。這種採樣 裝置存在如下不足1、為了防止降水、昆蟲以及草葉、飛絮等物質被吸入到大流
量氣溶膠採樣器而堵塞氣路，需要設計專門的防雨罩和阻蟲網，進氣防雨阻蟲網 罩與大粒子分離器及濃縮分離器互為獨立結構，體積和重量較大，不便安裝使用。
2、大粒子切割器多為旋風分離器或固體撞擊板，都存在粒子反彈現象。3、濃縮 分離器的加速噴口的內腔一般為圓柱形和圓錐形的結合體，對氣流流線的整形能 力較差，存在較大的壁損耗。4、旋風分離器不能有效去除小於2微米的生物粒子。 發明內容
針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種結構簡單，體積小、可用於大 氣中生物氣溶膠濃縮分離的組合式虛擬撞擊大流量氣溶膠採樣裝置。
為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案 一種大流量氣溶膠採樣裝 置，其特徵在於它主要包括 一大粒子切割器、 一濃縮分離器和一採樣器；所述 大粒子切割器包括 一圓柱形內筒，所述內筒的頂部設置有一與其連為一體的防 雨阻蟲頂蓋；所述內筒內設置一頂部固定在所述頂蓋上，底部封閉的阻蟲網罩，所 述內筒外面設置一外筒，所述外筒的底部向中心縮為一錐形底面，所述頂蓋的外 沿向下傾斜低於所述外筒，所述外筒與所述頂蓋之間具有一圈氣流進口；所述內 筒最下部與所述外筒之間相對靠近，形成一圈逐漸收縮的氣流噴嘴；所述阻蟲網罩內穿設有一下端固定在所述外筒錐形底面的氣流輸出管；所述氣溶膠濃縮分離 器包括 一外殼，所述外殼的頂部和中部分別設置一支撐板，所述兩支撐板上分 別設置一上噴嘴和一下噴嘴，所述上噴嘴頂部連接所述氣流輸出管，所述上噴嘴 底部與所述下噴嘴之間留有通氣間隙，形成小粒子分離的第一級加速噴嘴。所述 下噴嘴周圍的支撐板上設置有一圈第一級小粒子排氣口，所述外殼底板一側設置 有一小粒子總排氣口，所述總排氣口處設置有一風機；所述採樣器設置在所述外 殼底板下方，所述採樣器的樣品氣流口設置在底板上，正對著所述下噴嘴的底部， 且與所述下噴嘴的之間留有通氣間隙，所述下噴嘴與所述樣品氣流口之間形成小 粒子分離的第二級加速噴嘴。
所述上、下噴嘴的下部內壁設置成收縮的流線形。
所述採樣器為液體採樣器、固體採樣器和氣溶膠粒子分析儀器之一。
本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型通過頂 蓋與外筒之間氣流進口阻止質量較大的非氣溶膠類雜物吸入的大粒子切割器，通 過內、外筒之間環形狹縫切割大於10微米的顆粒，通過上、下噴嘴之間的間隙對 小於2微米的粒子進行第一級分離，通過下噴嘴與採樣器的氣流口之間的間隙對 小於2微米的粒子進行第二級分離，沒有任何撞擊擋板，分離徹底，使進入採樣 器的粒子符合直徑大於2微米，小於10微米的採集要求。2、本實用新型將外筒 底部設置成錐形，使其與阻蟲網罩底部之間形成了一個緩衝空間和大粒子收集槽， 因此可以有效地防止從氣流中分離出來的大粒子反彈進入下一級氣流中。3、本實 用新型由於將大粒子切割器的進氣阻蟲網罩和防雨頂蓋與內筒連成一體，減小了 結構體積和重量，有利於儀器的小型化，同時本實用新型所有噴嘴內壁全部採用 流線型設計，有利於氣流的整形，可減少氣溶膠粒子的壁損耗。4、本實用新型由 於採用大粒子切割器、濃縮分離器和採樣器組合式結構，三個部件既可以單獨使 用，也可以組合使用，既可以自身組合構成一個大流量氣溶膠採樣器，也可以輸 出樣品氣流供粒子分析儀器檢測。本實用新型結構簡單，體積小，安裝和清理都 非常方便，可以廣泛用於大氣中生物氣溶膠的濃縮分離和實時監測過程中。

圖l是本實用新型結構框圖
圖2是本實用新型大粒子切割器示意圖
圖3是本實用新型濃縮分離器和氣溶膠採樣器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。
4如圖1所示，本實用新型主要包括大粒子切割器1，濃縮分離器2和採樣器3。 如圖2所示，本實用新型大粒子切割器1包括 一上、下通透的圓柱形內筒 11，在內筒11的頂部設置有一與其連成一體的防雨頂蓋12，在內筒ll內設置一 頂部固定在頂蓋12上，底部封閉的阻蟲網罩13。在內筒11外部設置一外筒14， 外筒14的底部向中心縮為一錐形底面，外筒14的頂部低於內筒11的頂部一段距 離，頂蓋12的直徑尺寸大於外筒14的直徑尺寸，且頂蓋12的外緣向下傾斜低於 外筒14，在外筒14與頂蓋12之間形成一圈氣流進口 15，可有效防止質量較大的 非氣溶膠類雜物吸入氣流進口 15。在內筒11最下部與外筒14之間相對設置有擴 口和一圈環形凸起16，使內筒11與外筒14之間形成一圈逐漸收縮的環形狹縫17。 在網罩13內穿設有一氣流輸出管18，氣流輸出管18的下端從外筒14底部穿出連 接濃縮分離器2。
如圖3所示，本實用新型濃縮分離器2包括 一外殼21，在外殼21的頂部和 中部分別設置一支撐板22、 23，在兩支撐板22、 23上分別設置一上噴嘴24和一 下噴嘴25。上噴嘴24頂部可以直接連接大粒子切割器1的的氣流輸出管18，也 可以通過軟管連接氣流輸出管18。上噴嘴24的出口與下噴嘴25之間留有通氣間 隙26，上噴嘴24與下噴嘴25之間形成了小粒子分離的第一級加速噴嘴。在支撐 板23的下噴嘴25周圍設置有一圈第一級小粒子排氣口 27。在外殼21的底板一側 設置有一小粒子總排氣口 28，在小粒子總排氣口 28的底部設置一風機29向外排 氣。
本實用新型的採樣器3可以採用已有技術的各種產品，採樣器3設置在濃縮 分離器2外殼21的下方，採樣器3的樣品氣流口 31設置在外殼21的底板上，正 對著下噴嘴25的底部，但與其之間留有通氣間隙32，下噴嘴25與樣品氣流口 31 之間形成了小粒子分離的第二級加速噴嘴。
本實用新型在釆樣操作時，將濃縮分離器2和採樣器3設置在室內，而將大 粒子切割器1設置在室外，並將大粒子切管器1的氣流輸出管18通過軟管與濃縮 分離器2的噴嘴24的頂部連接(僅以此為例)。
如圖1所示，採樣開始時，在風機29的吸力作用下，大氣環境中的氣溶膠粒 子不能直接進入內筒11，只能沿著外筒14與頂蓋12之間的一圈氣流進口 15進入 內筒11與外筒14之間，並從內筒11底部與外筒14之間形成的一圈逐漸收縮的 環形狹縫17進入內筒11。進入內筒11小於IO微米小粒子氣流可以隨氣流改變方 向，向上通過阻蟲網罩13進入氣流輸出管18，然後進入濃縮分離器2;而氣流中 大於10微米的粒子在慣性的作用下，不能隨氣流向上的運動改變方向，只能撞擊
5在大粒子切割器1外筒14的錐形底面。錐形底面與阻蟲網罩之間形成了一個緩衝 的大粒子收集槽，可以防止從氣流中分離出來的大粒子反彈進入下一級氣流中。 本實用新型的大粒子切割器可以單獨使用，也可以與濃縮分離器和採樣器組合使 用。
如圖3所示，本實用新型的氣溶膠濃縮分離器採用2級虛擬撞擊結構，由於 兩噴嘴24、 25之間留有通氣間隙26，大部分低於2微米的小粒子在此處進行第一 級分離，被分離的低於2微米的小粒子通過設置在支撐板23上的第一級小粒子排 氣口 27流向小粒子總排氣口 28。而剩餘的低於2微米的小粒子會在從噴嘴25流 入採樣器3的樣品氣流口 31時，從噴嘴25與樣品氣流口 31之間的通氣間隙32 排除，使進入採樣器3樣品氣流口 31的粒子符合直徑大於2微米，小於10微米 的採集要求。本實用新型為了減少氣溶膠粒子的壁損耗，將兩噴嘴24、 25的內壁 都設計成流線形，有利於氣流的整形和減少粒子的損失。本實用新型的採樣器3 可以是液體採樣器，也可以是固體採樣器，還可以直接引入到氣溶膠粒子分析儀 器進行檢測分析。
由上述氣溶膠粒子的分離採集過程可以看出，氣溶膠粒子在氣流流場中的行 為主要受兩個參數的控制， 一個為斯託克斯數(StJ， 一個為雷諾數(Re)，本 實用新型計算虛擬撞擊大流量氣溶膠採樣裝置各個噴嘴的尺寸主要依據這兩 個參數，各個噴嘴能夠分離的粒子尺寸稱為切割點(Stk5。)，斯託克斯數Stk可 由下式計算(這包括內、外筒之間的環形狹縫17，上噴嘴24的噴口和下噴嘴 25的噴口半徑等)
—ccp々0 ^汰=18aiLc
上式中，A是粒子直徑(cm), Pp是粒子密度(kg/m3)， Cc是滑移訂正系 數，U。是噴口氣流的平均流速(m/s)，厶是噴嘴尺寸，圓形噴嘴為半徑，狹縫 式噴嘴為半寬(m)， u是流體的粘滯係數(kg/m*s)。
雷諾數(Re)的計算公式如下
Ke =-
上式中，P,為空氣密度(kg/m3)，除了厶是圓形噴嘴的直徑或狹縫式噴 嘴的寬度外，其餘參數同上。
在虛擬撞擊大流量氣溶膠採樣裝置中氣流的流動和粒子的分離與收集的動力來自風機29，風機29的選擇非常重要，影響風機性能的主要參數是風機 29的壓頭，風機壓頭的選擇主要取決於各個加速噴嘴的壓降(AP):
2
上式中，《為壓力係數，對於有限的流量範圍來說，《基本上是恆定的。
在忽略風機的無效功率和流路中的壓力損失時，理想的風機的功率(Pwr) 應該是
上式中，^L為主氣流(cm/sec)， J ^為加速噴嘴入口與主氣流(細粒子) 出口之間的壓差(Pa)， l為分氣流(粗粒子)的流量(cm/sec)， /1屍 為加 速噴嘴入口與分氣流出口之間的壓差(cra/sec)。
權利要求1、一種大流量氣溶膠採樣裝置，其特徵在於它主要包括一大粒子切割器、一濃縮分離器和一採樣器；所述大粒子切割器包括一圓柱形內筒，所述內筒的頂部設置有一與其連為一體的防雨阻蟲頂蓋；所述內筒內設置一頂部固定在所述頂蓋上，底部封閉的阻蟲網罩，所述內筒外面設置一外筒，所述外筒的底部向中心縮為一錐形底面，所述頂蓋的外沿向下傾斜低於所述外筒，所述外筒與所述頂蓋之間具有一圈氣流進口；所述內筒最下部與所述外筒之間相對靠近，形成一圈逐漸收縮的氣流噴嘴；所述阻蟲網罩內穿設有一下端固定在所述外筒錐形底面的氣流輸出管；所述氣溶膠濃縮分離器包括一外殼，所述外殼的頂部和中部分別設置一支撐板，所述兩支撐板上分別設置一上噴嘴和一下噴嘴，所述上噴嘴頂部連接所述氣流輸出管，所述上噴嘴底部與所述下噴嘴之間留有通氣間隙，形成小粒子分離的第一級加速噴嘴。所述下噴嘴周圍的支撐板上設置有一圈第一級小粒子排氣口，所述外殼底板一側設置有一小粒子總排氣口，所述總排氣口處設置有一風機；所述採樣器設置在所述外殼底板下方，所述採樣器的樣品氣流口設置在底板上，正對著所述下噴嘴的底部，且與所述下噴嘴的之間留有通氣間隙，所述下噴嘴與所述樣品氣流口之間形成小粒子分離的第二級加速噴嘴。
2、 如權利要求1所述的一種大流量氣溶膠採樣裝置，其特徵在於所述上、 下噴嘴的下部內壁設置成收縮的流線形。
3、 如權利要求1或2所述的一種大流量氣溶膠採樣裝置，其特徵在於所述 採樣器為液體採樣器、固體採樣器和氣溶膠粒子分析儀器之一。
專利摘要本實用新型涉及一種大流量氣溶膠採樣裝置，其特徵在於它主要包括一大粒子切割器、一濃縮分離器和一採樣器；所述大粒子切割器包括內筒、外筒、頂蓋阻蟲網罩和氣流輸出管，所述外筒與所述頂蓋之間具有一圈氣流進口；所述內筒與所述外筒之間形成一氣流噴嘴；所述氣流輸出管設置在阻蟲網罩內固定在所述外筒錐形底面的；所述氣溶膠濃縮分離器包括一外殼，分別設置的上、下噴嘴，所述上噴嘴底部與所述下噴嘴之間留有通氣間隙，形成小粒子分離的第一級噴嘴。所述下噴嘴與所述採樣器的氣流進口之間留有通氣間隙，所形成小粒子分離的第二級噴嘴。本實用新型結構簡單，體積小、可用於大氣中生物氣溶膠濃縮分離和實時監測。
文檔編號G01N1/22GK201255705SQ20082010944
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:北京滙豐隆生物科技發展有限公司;中國人民解放軍軍事醫學科學院微生物流行病研究所