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CN100374212C - 雾化液体介质的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于雾化液体介质的装置，该装置包括一个超声气体雾化喷嘴(11)，该喷嘴具有从高压腔体(17)开始的气体流道，该流道是直的并带有多个共鸣穴(31)。

Description

雾化液体介质的方法和装置
技术领域
本发明涉及雾化液体介质的方法和装置，也涉及聚合物粉末的生产。
背景技术
聚合物粉末是经过研磨经过挤压的聚合物颗粒制成的，通常是在冷冻条件下进行的。粉末的大小分布和形状是很难控制的，同时此工艺的成本很高，还要消耗大量的能源。此外，碾压设备会弄脏产品，产品还会受到周围环境污染。
美国专利5 228 620和较早的出版物介绍了雾化液体介质的方法和装置，其应用于，例如，把熔化的金属雾化成小液滴，小液滴凝固成极其微小的球形或者近似球形颗粒，用这种方法生产金属粉末。经雾化的粉末最重要的特征是它们的形状、大小、和尺寸分布。粉末的大小和形状影响他们的工程性质，即流动性、填充性、压制性等，而尺寸分布则表明对于特殊应用来说有用材料的利用率。所以要求控制雾化过程中产生的微小颗粒的平均大小、形状和粉末尺寸分布。
在本发明之前，此领域中的几个技术问题经过努力得到了解决。其一，是在两个超声波发生器之间产生持续的超声波，把熔化的材料分解成细小的液滴(欧洲专利号0308600)。另一个是超声气体雾化装置，在该装置中，气道和共鸣穴(resonance cavity)(Hartman振动管)一起，在气体中产生高频脉动。雾化器利用高频脉动气压和超声气流的结合，可改善熔化的材料的雾化率，导致细小液滴尺寸的很窄的变宽(美国专利号2,997,245)。但是，由雾化喷嘴喷出的气体量无疑是一个最重要的设计参数，在最初引起设计失败的诸多因素中，较为重要的因素就是需要较高的工作气体压力(6.5MPa～12MPa)(美国专利号5228620)。据Unal技术论文(#1)“超声气体雾化喷嘴的摩擦损失”，Powder Metallurgy Vol.33，No3，327-333页(1990)介绍，气道内意想不到的摩擦损失占总压力的36％，总压力是指高压腔体内和喷嘴出口之间的压力。
发明内容
本发明提供了雾化液体介质的方法和装置，其解决了现有技术中至少一些难题。
一方面，本发明包括雾化液体介质的装置，该装置包括一个超声气体雾化喷嘴，该喷嘴具有从高压腔体到喷嘴出口的气体流道，该流道是直的并带有共鸣穴，所述共鸣穴与所述高压腔体以及所述喷嘴出口分隔设置。
这些共鸣穴可以沿着气道被分别隔开，并且对于在气流方向上被汇聚这一点来说，其倾斜于气体流道。
如此，这些共鸣穴将迫使气流产生超声叠加，其频率大约是20～60KHz。
气体流道可以包括一个环状汇聚形喷嘴，并且共鸣穴包括多个位于环状喷嘴内壁上的圆柱形腔穴。这些腔穴直径大约是喷嘴平均直径的1/12～1/8，沿着环形喷嘴的周围间隔分布有大约10～60个共鸣穴。
但是，气体流道也可以包括一个多喷口布置，腔穴的直径大约是这些腔穴开口进去的这段喷口通道直径的1/10～1/3。每一个喷口大约有2～8个腔穴，大约有4～20个喷口呈放射性铺开分布在液流的周围。各个喷口可与液流方向按一个以上的夹角来布置，以形成多级雾化。
共鸣穴可与流体经过喷嘴的方向的夹角大约是10°～60°。
本发明还公开了雾化液体介质的方法，该方法包括用高速气流去冲击液体介质流，该气流带有由气流中的共鸣产生的叠加超声频率。
超声频率可在20～60KHz范围内，且高速气流的速度可为超音速(supersonic)。
使用的喷嘴可以是任何形式的，包括自由喷出型和限制型，单个环形型和多喷口型。还可以是微型的，包括吸入式(inhaler)和喷雾器喷嘴。
这些喷嘴与本发明一起可以用于雾化各种液体，包括熔化的金属、聚合物熔融物、基于溶剂的溶液和其他形式的液体。液体可以通过在锅或挤压机中熔化或在溶液中溶解来形成，并且可以输送到模具来形成液流。
尤其是本发明还包括用于产生聚合物粉末的方法，该方法包括熔化挤压聚合物材料和用高速气流冲击熔化的压出物。
单个液流自由流出模具时，可以用气流去冲击它。液流可以包括层或丝状，在后一种状态中，丝可呈片状(sheet)或从一排喷丝头(spinnerrette)中出来的带状(ribbon)。层状或片状-或带状的液流的两面都可由气流来冲击。
气流速度可以达到马赫数2。
模具可以包括加热器装置，以保证液体是均匀的加热，并且保证在受冲击区域中仍然是熔化的。
可以使用空气、氮气和氩气作为雾化气体，雾化气体可以由气体加热器加热以雾化某种液体。采用本发明，在气体雾化中使用诸如氮气、氩气等特殊气体的成本是能够降低的。采用本发明的方法和装置不仅气体使用量少，而且在传统的冷冻工艺中，上述气体提供的最大工作压力对本发明也是适宜的(大约17bar)，避免了传统的超声气体雾化所使用的高压冷冻泵和高压存储容器。当然，使用气体，对于雾化聚合物或者其他物质均不应产生反作用或与其发生反应。
本发明还公开了产生聚合物粉末的装置，该装置包括一个挤压聚合物的模具和喷嘴装置，该喷嘴将高速气流冲击到从模具中出来的挤压物上。
模具可以包括一用来挤压一层膜或一排喷丝头的切口，该喷丝头用于挤压一片状或一带状熔液丝。
喷嘴装置可以包括在模具的两侧的一长槽形喷嘴，该喷嘴被引导向挤压物。喷嘴喷出的气流以一角度冲击挤压液流，以便在挤压物的流动方向上具有一个速度分量。喷嘴装置可以形成V形气流，其夹角在30°～90°之间。
模具可以包括加热器装置，以保证挤压物均匀地加热并保证挤压物在被冲击区域仍保持熔化状态。
本发明还包括由在此所揭示的方法和装置生产的粉末，尤其是聚合物粉末。这种粉末的特征在于包括球形或近似球形的颗粒。
附图说明
下面将参考附图来说明根据本发明的用于雾化液体介质的方法和装置，其中：
图1是传统的流道剖面图；
图2是依照本发明修改过的流道剖面图；
图3是图2中没有示出的细节部分；
图4与图2类似的另一种气流布置的剖面图；
图5是同一产品采用现有技术的方法与采用本发明方法生产的颗粒尺寸分布比较图；
图6是带气流喷嘴的熔化模具剖面图；
图7是第一实施例的图6的A向视图；
图8是与图7类似的第二实施例的视图；以及
图9是采用本发明方法生产的典型聚合物粉末颗粒分布图。
具体实施方式
图1描述了根据美国专利2997245发明的传统气体雾化喷嘴11。流道12包括第一和第二分支14，15两个气道构成，它们相交成直角，带共鸣穴16。流体在两个分支14、15之间突然改变方向，引起能量重大损失，限制了喷嘴的效率。
图2描述了根据本发明改进的设计，其中，流道12具有一个单个的从高压腔17到喷嘴出口18的直线分支。消除了图1的直角分支气道的布置，从而消除了因为气流的重定向而产生的能量的损失，因而提高了布置的效率。
图2没有描述在气流中产生高频超声波的替换结构，而在图3中进行了描述，此处示出了多个开口进气道12的共鸣穴31。
图3示出了圆形部分喷嘴流道12中的相对的共鸣穴31。共鸣穴31包括直径为d的圆柱形孔，直径“d”是流道12的直径“D”的1/10～1/3。共鸣穴31可以是其他形状，但是通常是容易加工的圆形截面的腔。
在汇聚环状喷嘴中，其共鸣穴最好像图3那样多，但是围着圆形喷嘴的周边且沿着流道的纵向分别隔开。
对于圆形喷嘴，共鸣穴的孔的直径是喷嘴平均直径的1/12～1/8。
多喷口喷嘴的每一个喷口通常布置有2～8个共鸣穴；圆形喷嘴通常有10～60个共鸣穴。
共鸣穴的几何形状、分布和数量将决定超声波叠加的强度和频率。在氮气流中，典型的频率是20～60KHz，压力为1.4～1.7MPa，马赫数达到2。
图4是适用于本发明的，根据美国专利号3252783和美国专利号5228620的一限制型喷嘴，其可以是圆形喷嘴，也可以是多喷口喷嘴。
在特殊布置中，具有一个熔化炉，装有30kg316不锈钢，由感应熔化并加热温度达1600℃。8个自由流出式气体喷出口布置成限定顶点角度45°。喷嘴供有压力为1.4MPa的氮气。为用于比较，分别选用带有或者不带有共鸣穴的喷嘴。在带有共鸣穴的喷嘴中，每个流道里均匀布置有6个共鸣穴，其直径都是1mm，与流道的方向成15°夹角。
雾化液滴凝固后收集起来按大小分类，其结果如图5所示。根据本发明，由带共鸣穴喷嘴产生的颗粒中约40％重量的颗粒直径小于38μm，与之相比较，由不带共鸣穴喷嘴产生的则只有15％。可见，由于共鸣穴产生的超声波叠加，极大地增强了喷嘴的雾化能力。
图6～图8描述雾化液流(如聚合物液流)的装置，包括模具111，熔液112通过模具111呈层状(图7)，或者片状或丝带状(图8)送出。气流喷嘴装置113将高速气流(马赫数1或更高)冲击到熔液112两边。
模具111如图所示，有一个电加热器114，保证熔液112被均匀地加热和熔化。此处喷嘴装置113冲击熔液112。
喷嘴装置113包括多个喷口113a，其从两边通向熔液112，并成一定的角度以便从每个喷口喷出的气流在液流112的方向上具有一个速度分量，液流本身是溶液从模具自由落下而形成的。喷口113a是高压腔体装置113b的出口，并被定向，以至形成一V型气流，其夹角为30°～90°。
挤压器布置成将熔液输送到模具111，使熔液112的截面等于模具出口的截面。气流的速度至少要超过音速(supersonic)，尽可能的达到马赫数2，以得到最佳雾化。粉末产品的颗粒尺寸特别由熔液112的截面控制，
在典型的布置中，用挤压机来将PE基的聚合物熔化到温度为150℃。布置八个气流喷口以限定45°的顶角，喷嘴供给压力为0.4Mpa的压缩空气，压缩空气由气体加热器加热到150℃。在带共鸣穴的喷嘴中，每个气道均匀布置有六个共鸣穴，其直径为1mm，与气道方向成15°夹角。
图9表示由上述配置设备生产的雾化聚合物粉末的颗粒分布图。粉末是由球形或近似球形的微小颗粒构成的。其大小尺寸和分布取决于模具出孔的面积和熔液的黏度。上述工艺过程是在避免产品污染的条件下进行的。

Claims (12)

1.用于雾化液体介质的装置，包括一个超声气体雾化喷嘴，该喷嘴具有一个从高压腔体到喷嘴出口的气体流道，该流道是直的且带有多个共鸣穴，所述共鸣穴与所述高压腔体以及所述喷嘴出口分隔设置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述共鸣穴是沿所述气体流道在所述高压腔体与所述喷嘴出口之间分隔布置的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述共鸣穴倾斜于气体流道，从而所述共鸣穴在气流方向上汇聚于所述气体流道。
4.根据权利要求3所述的装置，其中共鸣穴将超声波频率施加到气流上。
5.根据权利要求4所述的装置，其中该超声波频率为20～60KHz。
6.根据权利要求1所述的装置，其中气体流道包括一个环状汇聚喷嘴，该喷嘴具有两个内壁，并且共鸣穴包括圆柱形腔穴，其形成于环形喷嘴的所述两个内壁。
7.根据权利要求6所述的装置，其中该腔穴的直径是喷嘴平均直径的1/12～1/8。
8.根据权利要求7所述的装置，具有10～60个腔穴。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，气体流道包括一个多喷口布置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述共鸣穴的直径是所述喷口直径的1/10～1/3。
11.根据权利要求10所述的装置，每一个喷口具有2～8个共鸣穴。
12.根据权利要求1或6所述的装置，其中所述共鸣穴与所述气流通道成10°～60°夹角。
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