一种单重态氧发生器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种单重态氧发生器，发生器腔体内布满循环运动的、具有大量空隙的填充物，填充物在腔体内循环运动，当运动经过腔体下部反应液入口和反应液出口之间的区域时，反应液浸润填充物并在其空隙表面形成液膜，液膜接着被填充物带入到腔体上部气体入口和气体出口之间的区域与进入的气体发生反应，反应后的液膜由填充物带离腔体上部回到腔体下部进行更新，而反应产生的气体则离开腔体上部从气体出口流出。发生器腔体固定在其外部的支座上。填充物由转轴带动其上的叶片来驱动，而转轴则由某种旋转机械装置通过传动连接来驱动。
【专利说明】
一种单重态氧发生器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可应用于化学氧碘激光器(以下简称COIL)的单重态氧发生器，属于高能化学激光领域。
【背景技术】
[0002]COIL由于具有短波长、高功率、便于工程放大和良好的大气传输性等优点而具有广阔的潜在应用前景，一直受到工业发达国家的极大关注。COIL是基于单重态氧(光谱符号为O2 (a1 Δ g)，以下简写为O2 (1 Λ ))与I原子间的近共振传能过程来实现的:
[0003]1(2 P.) + 0:('Δ) <-> !(2P1 ,)十 O](X)
[0004]I (2P172) +hv — I (2P3Z2) +2hv λ=1.315μηι
[0005]作为COIL的直接能源，O2 (1 Λ )则由Cl2气与碱性过氧化氢(以下简称BHP)溶液在单重态氧发生器(以下简称S0G)中反应产生:
[0006]C12+H202+2K0H — O2 (1 Λ ) f +2KC1+2H20
[0007]因此，发展高性能SOG是提高COIL性能的一个关键途径。
[0008]第一种应用在COIL中的SOG是鼓泡式S0G，通过往BHP溶液中直接鼓入Cl2气泡来产生O2 (1 Λ )，反应效率低下，反应总压通常只有几百帕左右，O2(1A)分压则更低，只能用在低能低功率的亚音速COIL中。而目前COIL的主流发展方向是高能高功率的超音速C0IL，这就对SOG提出了更高的要求。
[0009]迄今为止，技术成熟且能在超音速COIL上应用的SOG主要有以下四种类型:(I)转板式S0G。它通过旋转一组部分地浸在BHP中的圆板，在圆板的上半部分表面形成新鲜的BHP薄膜，当Cl2通过圆板之间的缝隙时就与BHP薄膜反应生成O2 (1 Λ )，其典型的工作性能据 Kendrick 等人[IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, 35 (12), pp.1759-1764]报道为:在Cl2Afe摩尔流量比为1/3和总压为6.5kPa的条件下，O2(1A)产率为约52%，O2(1A)分压约为800Pa。(2)射流式S0G。BHP通过在平板上钻出的一组喷孔形成多股连续射流来与Cl2气流进行反应。其典型的工作性能据Hurlock等人[Proceedings ofSPIE, 2002，4631，pp.101-115]报道为:在无稀释气和2.7kPa压力的条件下，O2(1A)产率为_65%，氯气利用率-90%，O2 (1 Δ )分压-1.6kPa。在非常苛刻的条件下也可获得更好的工作性能，例如，Zagidullin 等人[Quantum Electronics, 1994, 24 (2), pp.120-123]曾报道在使用纯Cl2和总压-13.3kPa时，O2(1A)产率大于60%、氯气利用率大于80%，由此可估算出O2(1A)分压高达6.4kPa。(3)均匀液滴式S0G。它实际上是射流式SOG的改进型，通过外加微扰使射流分裂成一连串液滴来增加反应比表面积(单位反应体积中Cl2与BHP接触的表面积)，但与射流式SOG相比它的总体工作性能并没有显著的提高，因为液滴比射流更容易被气流夹带到后续的激光腔中，工作稳定性大为降低。(4)螺旋喷雾式S0G。该SOG的核心是喷雾器，喷雾器是一根壁上钻有多排小孔的圆管，圆管的外壁平行地固定有多组螺旋叶片，与套在它外面的圆筒内壁构成了螺旋状的反应区，圆管以一定的角速度旋转，BHP通过圆管小孔被高速甩出后形成液滴射流，并与从SOG底部进入的Cl2反应，所生成O2 (1 Λ )气流依靠离心力与液滴分离。采用这种SOG, 2001年,Vyskubenko等人[AIAA2001-3009, 32ndPlasmadynamics and Lasers Conference, Anaheim, CA, June2001]在螺旋喷雾式 SOG 上获得产率为50%，O2(1A)分压为1kPa的气流，用于超音速COIL上时喷口前的O2 (1A)分压也达到了 3kPa，他们认为这是当时在超音速喷管前所能达到的最高O2 (1A)分压。
[0010]利用离心力是近年来高效SOG发展的一个趋势。至今，已研究过的离心式SOG包括以下类型。(I)上面提到的螺旋喷雾式S0G。(2)离心鼓泡式S0G，它利用旋转圆筒产生几百倍重力加速度(以下标记为g，Ig = 9.8m/s2)的离心加速度，Cl2透过小孔与附在内壁的BHP液膜反应，生成的O2 (1 Λ )气泡在由离心加速度产生的巨大浮力作用下快速与BHP液膜分离。使用这种类型的SOG, Zagidullin等人[Applied PhysicsLetters, 2005, 86, 231102; Quantum Electronics, 2005, 35 (10), pp.907-908]在离心加速度分别为136g和400g的实验条件下获得了 770W和1264W的激光输出，并且化学效率分别达到25.6%和24.6%。(3)离心喷射式S0G，其主要特点是在反应室中放置有可旋转的气液分离器，它由一组辐射状排列的叶片所构成。通过一个特殊设计的喷嘴，BHP和Cl2被同时喷入反应室中形成气溶胶，在气溶胶从中心向外流动的过程中快速旋转的叶片就会把雾滴与 O2 (1 Δ )气流分开。Kodymovci 等人[Proceedings of SPIE, 2006, 6261, 62611S]的初步实验研究表明气液分离前氯气利用率与O2(1A)产率的乘积约为45%的情况下，O2(1A)的分压可以达到-5.3kPa。(4)杨何平等人[Japanese Journal of AppliedPhysics, 2008, 47 (7), pp.5450-5456]的离心流 SOG,它基于 2004 年 Emanuel [Proceedingsof SPIE, 2004, 5448，pp.233-241]提出的一种没有转动部件而仅依靠旋转液流的离心式SOG设想:BHP通过一个收缩的狭缝喷嘴快速喷射到一个弧形凹面上形成旋转液流，而Cl2则通过喷嘴下游的多孔烧结不锈钢进入到旋转液流中与BHP混合后反应，旋转液流产生的巨大离心力帮助O2(1A)气泡快速脱离BHP液层。初步研究结果表明，这种离心流SOG可以实现SOG出口的O2 (1 Λ )产率接近65%，O2 (1 Δ )分压达到约4.1kPa,氯气利用率在96%以上。但限于产生离心力的部件过于复杂以及气液分离效果和反应效率并非理论般理想，这类SOG还一时难以进入到主流的应用。
[0011]SOG性能体现在工作稳定性和反应效率两方面。总体来看，现有的SOG性能上还难尽如人意，与目前高能高功率COIL的发展需求还相去甚远。技术成熟的SOG具有很好的稳定性，但反应效率还有待提闻；近些年研发的S0G,具有很闻的潜在反应效率,但技术不成熟，稳定性也较差。因此，发展同时具有高工作稳定性和高反应效率的高性能SOG对COIL的未来发展具有重要意义。
【发明内容】
[0012]本发明提供一种可应用于COIL的SOG。
[0013]一种可应用于COIL的S0G，其具有密闭的圆筒状发生器腔体，沿腔体的中心轴线处设有转轴，转轴的两端可转动地连接在腔体的两个底面腔壁上，于转轴上设有叶片，于腔体内布满填充物。腔体的中心轴线沿水平方向设置。
[0014]为便于反应物和产物的进出，腔体上部的侧面或底面腔壁上设有气体入口和气体出口，下部的侧面或底面腔壁上设有反应液入口和反应液出口。
[0015]为支撑固定S0G，腔体外部设有支座，腔体固定在支座上。
[0016]为使填充物能在腔体内循环运动，叶片为平板状并沿转轴的轴向固定于转轴上，转轴由某种旋转机械装置通过传动连接来驱动，转轴沿其轴线转动，带动叶片旋转，驱使填充物在腔体内循环运动。
[0017]为不影响反应物在填充物内部的穿透，叶片上开设有二个以上的通孔。
[0018]为使SOG具有尽可能大的反应比表面积，填充物由颗粒状、丝带状、棒状和/或块状等形状的填料，如滚珠、不锈钢丝带、圆棒、拉西环、隔板环、十字环、鲍尔环、贝尔鞍(弧鞍)、英特洛克斯鞍(矩鞍)等布满在腔体内而形成，填充物内部有很多空隙。
[0019]本发明的关键在于发生器腔体布满循环运动的、具有大量空隙的填充物，在工作时腔体下部反应液入口和反应液出口之间的区域存有反应液，填充物在腔体内循环运动，当其运动经过腔体下部时，反应液浸润填充物并在其空隙表面形成液膜，液膜接着被填充物带入到腔体上部气体入口和气体出口之间的区域与进入的气体发生反应，反应后的液膜由填充物带离腔体上部回到腔体下部进行更新，而反应产生的气体则离开腔体上部从气体出口流出。
[0020]取决于实际的工作情况和需求，腔体上部的气体入口和气体出口相互之间以及下部的反应液入口和反应液出口相互之间可进行切换，相应地，气体流动方向和反应液流动方向与填充物运动方向可变换为相逆或相同，图1仅出示了 I种情形，即填充物运动方向与气体和反应液的运动方向都相逆。
[0021]本发明的原理:已有的实验和理论分析均表明，高性能SOG的关键是在保持工作稳定性的基础上尽量增加气液反应比表面积以提高反应效率。为增强工作稳定性，本发明用填充物的空隙表面粘附一层反应液膜，所粘附的液膜不容易被气流所吹散，并通过填充物在反应腔体内的循环运动而不断更新；而气液反应比表面积的增加可通过提高填充物的空隙率来实现。
[0022]本发明的优点为:1.工作稳定性高，反应液膜附着在填充物上，不易被气流吹走，可在高强度气体流量条件下工作。
[0023]2.反应效率高，填充物内部的空隙可形成很大的气液反应比表面积，因而可在高强度气体流量条件下仍具有很高的反应效率。
[0024]3.持续工作时间长，填充物在反应器腔体内循环运动，不断地更新反应液膜，使气液反应持续地进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明，但这些实施例并不限制本发明。
[0026]图1是本发明的结构示意图之一(垂直于转轴7的剖面图)。
[0027]图2是本发明的结构示意图之二 (沿转轴7并垂直于支座9的剖面图)。
【具体实施方式】
[0028]实施例1:
[0029]请参阅图1所示。SOG由腔体1、填充物2、气体入口 3、气体出口 4、反应液入口 5、反应液出口 6、转轴7、叶片8和支座9组成。
[0030]一种可应用于COIL的S0G，其具有密闭的圆筒状发生器腔体，沿腔体的中心轴线处设有转轴，转轴的两端可转动地连接在腔体的两个底面腔壁上，于转轴上设有叶片，于腔体内布满填充物。
[0031]腔体的中心轴线沿水平方向设置，腔体上部的侧面腔壁上设有气体入口和气体出口，下部的侧面腔壁上设有反应液入口和反应液出口。
[0032]为支撑固定S0G，腔体外部设有支座，腔体固定在支座上。
[0033]为使填充物能在腔体内循环运动，叶片为平板状并沿转轴的轴向固定于转轴上，转轴由某种旋转机械装置通过传动连接来驱动，转轴沿其轴线转动，带动叶片旋转，驱使填充物在腔体内循环运动。
[0034]在腔体I下部反应液入口 5和反应液出口 6之间的区域存有BHP溶液，BHP溶液由质量分数为50%的过氧化氢水溶液与质量分数为50%的氢氧化钾水溶液按体积比1:1混合配制而成。Cl2气从气体入口 3流入腔体I上部与填充物2带上来的BHP液膜反应，反应所产生的O2 (1 Λ )气流从气体出口 4流出。填充物2由直径3mm的圆球组成。转轴7与叶片8固定相连，转轴7的直径为10mm，叶片8的厚度为2mm。转轴7以角速度ω带动叶片8旋转，驱使填充物2在腔体I内循环运动。填充物2运动方向与气体流动方向和反应液运动方向都相逆。腔体I的内直径为100mm，沿转轴7方向的长度为20mm，ω = 3.14rad/s,气体入口 3处的Cl2流量为10mmol/s，在气体出口 4处获得总压大于4.0kPaXl2利用率大于85%、O2 (1 Δ )分压大于1.7kPa、O2 (1 Δ )产率大于50%的O2 (1 Δ )气流。
[0035]实施例2:
[0036]请参阅图2所示。图2在图1的基础上改进，两者基本结构相同，差别在于气体入口 3和气体出口 4的从图1的腔体I圆柱侧面位置挪到图2的腔体I圆柱底面位置，因此，气体流动方向与填充物2运动方向垂直。气体入口 3处的Cl2流量为8mmol/s，在气体出口4处获得总压大于3.3kPa、Cl2利用率大于80%、02 (1 Λ )分压大于1.3kPa、02 (1 Λ )产率大于50% 的 O2 (1A)气流。
[0037]实施例3:
[0038]请参阅图1所示。本实施例与实施例1基本相同，差别在于:填充物2是由布满在腔体I内的厚度36微米宽度1.5毫米的不锈刚丝带缠绕而成，比表面积大于lOcnT1。气体入口 3处的Cl2流量为10mmol/s，在气体出口 4处获得总压大于4.0kPaXl2利用率大于85%、O2 (1 Δ )分压大于1.7kPa、O2 (1 Δ )产率大于50%的O2 (1 Δ )气流。
[0039]实施例4:
[0040]请参阅图2所示。本实施例与实施例2基本相同，差别在于:填充物2是由布满在腔体I内的厚度36微米宽度1.5毫米的不锈刚丝带缠绕而成，比表面积大于lOcnT1。气体入口 3处的Cl2流量为8mmol/s，在气体出口 4出获得总压大于3.3kPa、Cl2利用率大于80%、O2 (1 Δ )分压大于1.3kPa、O2 (1 Δ )产率大于50%的O2 (1 Δ )气流。
[0041]实施例5:
[0042]请参阅图1所示。本实施例与实施例1基本相同，差别在于:填充物2由布满在腔体I内的尺度最小为3mm最大为5mm的圆棒、拉西环、隔板环、十字环、鲍尔环、贝尔鞍(弧鞍)和英特洛克斯鞍(矩鞍)组合而成，比表面积大于lOcnT1。气体入口 3处的Cl2流量为10mmol/s，在气体出口 4处获得总压大于4.0kPa、Cl2利用率大于85%、O2 (1 Λ )分压大于1.7kPa、O2 (1 Δ )产率大于 50% 的 O2 (1 Δ )气流。
[0043]实施例6:
[0044]请参阅图2所示。本实施例与实施例2基本相同，差别在于:填充物2由布满在腔体I内的尺度最小为3mm最大为5mm的圆棒、拉西环、隔板环、十字环、鲍尔环、贝尔鞍(弧鞍)和英特洛克斯鞍(矩鞍)组合而成，比表面积大于lOcnT1。气体入口 3处的Cl2流量为Smmol/s，在气体出口 4处获得总压大于3.3kPa、Cl2利用率大于80%、O2(1A)分压大于1.3kPa、O2 (1 Δ )产率大于50%的O2 (1 Λ )气流。
【权利要求】
1.一种单重态氧发生器，其特征在于:具有密闭的圆筒状发生器腔体(1)，沿腔体(I)的中心轴线处设有转轴(7)，转轴(7)的两端可转动地连接在腔体(I)的两个底面腔壁上，于转轴(7 )上设有叶片(8 )，于腔体(I)内布满填充物(2 )。
2.按照权利要求1所述单重态氧发生器，其特征在于:腔体(I)的中心轴线沿水平方向设置，于所述腔体(I)上部的侧面或底面腔壁上设有气体入口(3)和气体出口(4)，下部的侧面或底面腔壁上设有反应液入口(5)和反应液出口(6);腔体(I)外部设有支座(9)，腔体Cl)固定在支座(9)上。
3.按照权利要求1所述单重态氧发生器，其特征在于:所述叶片(8)为平板状，沿转轴(7)的轴向固定于转轴(7)上。
4.按照权利要求1或3所述单重态氧发生器，其特征在于:所述叶片(8)上开设有二个以上的通孔。
5.按照权利要求1所述单重态氧发生器，其特征在于:转轴(7)由某种旋转机械装置与其通过传动连接来驱动，转轴(7 )沿其轴线转动，带动叶片(8 )旋转，驱使填充物(2 )在腔体(O内循环运动。
6.按照权利要求1所述单重态氧发生器，其特征在于:填充物(2)由颗粒状、丝带状、棒状或块状等形状的填料中的一种或二种以上布满在腔体(I)内而形成，填充物(2)内部存在有空隙。
7.按照权利要求1所述单重态氧发生器，其特征在于:腔体(I)的中心轴线沿水平方向设置；发生器腔体(I)布满循环运动的、具有大量空隙的填充物(2)，在工作时腔体(I)下部反应液入口( 5 )和反应液出口( 6 )之间的区域存有反应液，填充物(2 )在腔体(I)内循环运动，当其运动经过腔体(I)下部时，反应液浸润填充物(2)并在其空隙表面形成液膜，液膜接着被填充物(2)带入到腔体(I)上部气体入口(3)和气体出口(4)之间的区域与进入的气体发生反应，反应后的液膜由填充物(2 )带离腔体(I)上部回到腔体(I)下部进行更新，而反应产生的气体则离开腔体(I)上部从气体出口(4)流出。
8.按照权利要求2或7所述单重态氧发生器，其特征在于:腔体(I)上部的气体入口(3)和气体出口(4)相互之间以及下部的反应液入口(5)和反应液出口(6)相互之间可根据实际工作情况和需求进行切换，相应地，气体流动方向和反应液流动方向与填充物(2 )运动方向可变换为相逆或相同。
9.按照权利要求6所述单重态氧发生器，其特征在于:所述填料为滚珠、不锈钢丝带、圆棒、拉西环、隔板环、十字环、鲍尔环、贝尔鞍(弧鞍)、英特洛克斯鞍(矩鞍)等中的一种或二种以上。
10.按照权利要求5所述单重态氧发生器，其特征在于:所述某种旋转机械装置为电机或内燃机。
【文档编号】C01B13/02GK104242031SQ201310229794
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月8日 优先权日:2013年6月8日
【发明者】田 文明, 邓列征, 石文波, 崔荣荣, 杨何平, 沙国河, 张存浩 申请人:中国科学院大连化学物理研究所