УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ

Полезная модель относится к технологиям и устройствам получения наночастиц, а именно, к конструкции устройств, применяемых для улавливания и сбора наночастиц различных материалов.
Известен способ получения нанопорошков и устройство для его реализации [Патент РФ №2353573]. Устройство для получения нанопорошка содержит импульсную электронную пушку, систему проводки и фокусировки электронного пучка, камеру испарения, мишень и систему сбора порошка в виде охлаждаемого вращающегося диска со скребком. Вращаемый полый медный диск установлен перпендикулярно паро-плазменной струе. Экран за пределами диска переходит в трубу, на конце которой находится бункер для сбора порошка. Недостатком устройства является малое время взаимодействия поверхности диска и наночастиц в потоке газа, что приводит к низкой эффективности процесса улавливания наночастиц.
Известен способ получения высокочистых нанопорошков и устройство для его осуществления [Патент РФ №2382734]. Устройство содержит реактор для размещения и нагрева в нем заготовки из испаряемого материала, газовый трубопровод, энергетический источник излучения, расширительную камеру с охлаждаемым змеевиком, соединенную с реактором и снабженную коническим пылеуловителем с выходом, соединенным со сборником готового продукта, и выходным элементом для отвода газов. В нижней части пылеуловителя расположен сборник продукта, в верхней части - труба с вентилятором, работающим на вытяжку. При попадании в конический пылеуловитель происходит разделение пылегазовой смеси: газ вытягивается в трубу вентилятором, а нанопорошок оседает в сборнике продукта. К недостаткам устройства следует отнести трудность очистки водоохлаждаемой трубы от осевших на ее поверхность наночастиц.
Кроме того, отсутствует модульная структура пылеуловителя, что снижает возможности управления параметрами осаждаемых наночастиц.
Известно устройство для улавливания нанопорошка, выбранное за прототип [Заявка на изобретение РФ №2008120478], содержащее цилиндрическую возвратно-поточную вихревую камеру, входной и выходной патрубки и сборник частиц. Соотношение внутреннего диаметра (D) возвратно-поточной вихревой камеры и диаметра (d) патрубка для выхода газа составляет D:d≥3. К недостаткам устройства следует отнести отсутствие охлаждения камеры устройства, снижающее эффективность улавливания нанопорошка и надежность работы устройства. Кроме того, в устройстве отсутствует модульная структура, что снижает возможности управления его параметрами и параметрами осаждаемых наночастиц.
Задачей является повышение надежности работы устройства, повышение эффективности улавливания, получение осажденных наночастиц различного фракционного состава.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для улавливания наночастиц, которое имеет модульную структуру и может содержать N модулей, где N=2,3…. Каждый модуль содержит цилиндрическую камеру с крышкой, входной и выходной патрубки и сборник частиц. Камера состоит из двух коаксиальных труб, в зазор между которыми подают воду для охлаждения. Патрубки выполнены из цилиндрических труб, оси которых перпендикулярны оси камеры. Входной патрубок расположен у верхнего торца камеры, а выходной патрубок - на расстоянии ≥1/3 длины камеры от ее нижнего торца. В верхнем торце камеры установлена съемная крышка, предназначенная для получения возможности сбора наночастиц и очистки стенок камеры. Сборник наночастиц закреплен на нижнем торце камеры. В зависимости от конкретной задачи к выходу первого модуля можно подключить сколь угодно идентичных модулей.
Камера каждого модуля является водоохлаждаемой, что защищает ее от перегрева, тем самым, повышая надежность работы устройства.
Также за счет наличия съемной крышки, установленной на каждой камере, существует возможность сбора наночастиц со стенок камер, что предотвращает зарастание камер устройства осевшим на стенки нанопорошком и тем самым повышает надежность работы устройства.
Модульная структура устройства позволяет увеличить время взаимодействия охлаждаемой поверхности камер и наночастиц, тем самым повышая эффективность улавливания. Также модульная структура позволяет получать наночастицы разных размеров. Достигается это следующим образом: в разных модулях устройства устанавливают различные расходы охлаждающей воды. Это приводит к возникновению разной температуры на внутренних поверхностях камер в различных модулях, что приводит к разным скоростям охлаждения парогазовой смеси, от которых, как известно, зависит диаметр получаемых нанопорошков.
Оси входного и выходного патрубков перпендикулярны оси камеры модуля, поэтому траекторию движения парогазовой смеси по камере и патрубкам приближенно можно представить ломаной линией, причем углы между прямыми отрезками ломаной линии являются прямыми. При этом выходной патрубок расположен на расстоянии ≥1/3 длины камеры от ее нижнего торца. Это приводит к образованию рециркуляционного течения в нижней части камеры модуля, дополнительно способствующего осаждению наночастиц на стенки камеры. При уменьшении расстояния от выходного патрубка до нижнего торца камеры (менее 1/3 длины камеры) уменьшается зона рециркуляционного течения и снижается эффективность осаждения наночастиц.
Устройство для улавливания наночастиц состоит как минимум из 2-х модулей, причем каждый модуль содержит цилиндрическую камеру, образованную коаксиальными трубами 1 и 2, входной патрубок 3, выходной патрубок 4, сборник 5 и крышка 6 (Фиг.1).
Устройство для улавливания наночастиц применено в плазменной установке для получения нанопорошка диоксида титана. Устройство состоит из трех модулей. Длина водоохлаждаемой камеры модуля 600 мм, труба 1 имеет внешний диаметр 104 мм, внутренний диаметр 100 мм, труба 2 имеет внешний диаметр 129 мм, внутренний диаметр 125 мм. В зазор между трубами подают воду для охлаждения камер. Патрубки имеют внешний диаметр 65 мм, внутренний диаметр 59 мм. Ось входного патрубка расположена на расстоянии 80 мм от верхнего торца камеры, ось выходного патрубка расположена на расстоянии 200 мм от нижнего торца камеры. Смесь плазмообразующего газа (аргон и кислород), испаренного диоксида титана и образованных наночастиц диоксида титана поступает в устройство через входной патрубок первого модуля, проходит через водоохлаждаемую камеру первого модуля, через выходной патрубок первого модуля попадает во входной патрубок второго модуля, проходит через водоохлаждаемую камеру второго модуля, через выходной патрубок второго модуля попадает во входной патрубок третьего модуля, проходит через водоохлаждаемую камеру третьего модуля, и далее через выходной патрубок третьего модуля. Остаточный газ выводится через вытяжную трубу плазменной установки, снабженную вытяжной вентиляцией. Температура на внутренней поверхности камеры первого модуля поддерживалась 50ºС, второго - 30ºС, третьего - 20ºС. Это достигается за счет водоохлаждения камер модулей. Проходя через водоохлаждаемые камеры модулей устройства, парогазовая смесь охлаждается, и содержащиеся в ней наночастицы оседают на стенки камер модулей. После окончания работы верхние крышки камер модулей снимаются, и с помощью специальных скребков полученные наночастицы титана счищаются со стенок камер, попадая в сборники.
Аналогично было использовано устройство для улавливания наночастиц, в котором при сохранении всех выше перечисленных конструктивных элементах ось выходного патрубка расположена на расстоянии 300 мм от нижнего торца камеры. Процесс улавливания наночастиц проходил с аналогичным результатом.
Заявляемая конструкция устройства для улавливания наночастиц обеспечивает повышение надежности работы и эффективности улавливания, позволяет получать осаждаемые наночастицы разных фракций.