冷凝装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年5月8日，申请号为200980126900. 8,发明名称为"冷 凝装置"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及用于与粒子计数器一起使用的冷凝装置。更特别地，本发明设及可增 加气体夹带的纳米粒子的有效尺寸使得其可由光学粒子计数器检测的冷凝装置。
【背景技术】
[0003] 目前存在关于被无意地排放到空气中的纳米粒子的健康影响的极大关注。例如， 在英国近年来，在呼吸系统疾病和过敏性上500%的增加与通过柴油发动机和其他燃烧处 理所排放的粒子部分相关。虽然主要的焦点是在柴油机排放上，但是注意力正转向其他 潜在的来源如使用化石燃料的发电、焚化、核能发电和飞机排放。设及排放烟雾的处理的 所有重工业具有纳米粒子排放的潜在问题。运样的处理包括冶炼、烧制、玻璃制造、焊接 (welding),锡焊（melting)、核能发电和焚化。在消费品公司之中也存在关注，洗衣粉中使 用的酶、粉末涂料和一次性尿布中使用的纤维W及其他产品能够导致问题。此外，USEPA正 变得越来越关注于汽油发动机排放。
[0004] 纳米粒子已知的是产生毒性作用。例如，它们可W跨越人类的血脑屏障并且金纳 米粒子可W穿过胎盘从母体移动至胎儿。直径约20纳米的PTFE(聚四氣乙締）粒子的早 期研究表明，原W为是惰性不溶解的材料的空中浓度低于50μg/m3可能对鼠是致命的。此 夕F，纳米管产生对鼠的比石英粉尘更大的毒性反应。
[000引除了从健康的角度关注，在微电子、制药、医疗、激光和光纤光学行业中的成千上 万的洁净室中维持标准方面，空中纳米粒子的消除或控制是重要的。
[0006] 小粒子可W如下面表1中所示的进行分类。
[0007]表 1
[0008]
[0009] 术语"纳米粒子"被用来指具有空气动力学粒子尺寸范围在1纳米至0. 1微米（100 纳米）的粒子。
[0010] 对于球形粒子，空气动力学粒子尺寸是粒子的直径。空气中的实际粒子往往有复 杂的形状。对于非球形粒子，术语"直径"是不严格适用的。例如，薄片或纤维在不同方向 具有不同的尺度。同一形状的粒子可W由不同的化学物质组成并具有不同的密度。形状和 密度的不同在限定粒子尺寸时会引起相当大的混淆。
[0011] 因此术语"空气动力学粒子尺寸"或"空气动力学直径"被使用，W便提供用于描 述真实的具有任意形状和密度的非球形粒子的单个参数。如本文中所使用的，术语"空气 动力学直径"是具有密度为lg/cm3的球形粒子的直径，其具有与所关注的粒子相同的空气 (在标准溫度和压力下）中的惯性特性（终端沉降速度）。惯性采样仪器如级联冲击器，其 使空气动力学直径能够被确定。术语"空气动力学直径"对于包括任何形状和密度的群和 集合体的所有粒子是方便的。然而，它不是真正的几何尺寸，原因在于非球形粒子通常具有 比球形粒子低的终端沉降速度。另一个方便的等效直径为扩散直径或热力学直径，其被限 定为lg/cm3密度的球形，其具有与所关注的粒子相同的扩散性。
[0012] 在大气中纳米粒子的研究和监控已受到仪器的短缺牵制，该仪器可W在纳米粒子 的范围中测量但它足够便宜、耐用和方便而W分布广泛为基础被使用。
[0013] 用于测量纳米粒子的一些仪器是已知的，其利用激光光学来检测和测量粒子。然 而，因为光学测量不能容易地被用来检测纳米粒子尺寸范围中的粒子，所W开发用于"增 长"粒子使它们更大并因此可检测的技术，并且此技术形成冷凝粒子计数器的基础。冷凝粒 子计数器（CPC)通过使空中粒子的样品穿过包含蒸发的液体的室，并且然后穿过冷凝器而 工作，在冷凝器中蒸发的液体被冷凝到空中粒子上W形成可W被测量的尺寸的液滴。运种 仪器的一个实例被公开在W0 02/029382 (Ahn等人）中。公开在W0 02/029382中的CPC包 括圆柱形蒸发室，其沿着诸如非纺织织物的材料形成的多孔吸收载体排列。在室的一端，多 孔吸收载体与挥发性液体如异下醇的胆存器接触，使得液体可W沿载体行进并浸泡载体， 其是通过毛细作用。该蒸发室的外表面由加热元件围绕，加热元件加热室引起异下醇从载 体蒸发，从而创建填充蒸汽的室。怀疑含有空中粒子的空气样品在胆存器的端部处被引入 到室中，并穿过室被吸引到冷凝器中，其中异下醇蒸汽到空中粒子上的冷凝发生，W形成可 W使用光学粒子计数器测量的液滴。
[0014] 商业可用的CPC利用公开在W0 02/029382中的原理的实例是来自美国TSI公 司，化oreview, MN的、可用的Model 3025A超细冷凝粒子计数器。
[0015] 另一已知的装置是来自TSI (WWW. tsi. com)的手持CPC 3007,并且其操作相对于 图1在下面被更加详细地描述。
[0016] 现有的冷凝粒子计数器存在许多的缺点。例如，它们倾向于需要高功耗W便加热 工作流体，并在它们可W使用之前具有长（10至20分钟）升溫时间。运些缺点出现，至少 部分是因为蒸发室借助于外部加热元件加热并因此在仪器达到操作溫度之前，围绕室的整 个外壳必须被加热。此外，对于已知的CPC，工作流体（例如异下醇）存在相对高的消耗， 结果是通常在每次使用之前必须频繁地装满工作流体。即使在TSIUS3007手持冷凝粒子 计数器的情况中，具有工作流体的工作流体释热元件（cartridge)必须定期更换。已知的 CPC的另外的缺点是，使用的工作流体（如异下醇）的难闻的气味和相对高的成本。
[0017] 因此，目前，仍然存在对可W长期使用而无需装满工作流体的冷凝粒子计数器的 需要，其具有大大减少的升溫时间并且其适合于小型化。
【发明内容】
[0018] 本发明旨在（setout)提供一种冷凝装置，运种装置在冷凝粒子计数器中使用时， 可W克服或至少减轻与已知CPC有关的上述的一些或所有问题。
[0019] 在第一方面中，本发明提供用于增加气体夹带的粒子的尺寸W便使气体夹带的粒 子由粒子检测器可检测的装置，所述装置包括蒸发室和冷凝器；
[0020] 蒸发室具有用于允许气体进入蒸发室的入口和出口，含蒸汽的气体穿过出口可W 离开蒸发室；
[0021] 蒸发室具有布置在其中的加热元件和多孔载体，加热元件与多孔载体直接接触， 其中，多孔载体在其上承载可蒸发物质并且加热元件是可加热的W使可蒸发物质蒸发从而 在蒸发室内形成蒸汽；
[0022] 冷凝器与蒸发室的出口流体连通，并且冷凝器具有用于连接到粒子检测器的出 P。
[0023] 所述装置被配置W便来自蒸发室的含蒸汽的气体可W流进冷凝器中并且可蒸发 物质到气体夹带的粒子上的冷凝在冷凝器中发生W增加粒子的尺寸，W便它们能够由单个 粒子检测器来检测。
[0024] 在一个实施方式中，蒸发室具有至少两个入口，其中一个用来允许包含气体夹带 的粒子的样气进入蒸发室中，并且其中另一个可连接到大体上不含粒子的载气的源。
[00巧]在另一实施方式中，冷凝器具有至少两个入口，一个入口与蒸发室流体连通并且 另一个入口用来允许包含气体夹带的粒子的样气进入冷凝器中。
[00%] 在本发明的第二方面中，提供用于增加气体夹带的粒子的尺寸W便使气体夹带的 粒子由粒子检测器可检测的装置，所述装置包括：
[0027] 可蒸发物质的源；
[0028] 加热工具，其引起可蒸发物质蒸发W形成蒸汽；
[0029] 入口，其用于允许包含气体夹带的粒子的样气进入；
[0030] 冷凝器，所述冷凝器设置有用于连接到粒子检测器的出口；
[0031] 所述装置被配置使得蒸汽到气体夹带的粒子上的冷凝在冷凝器中发生W增加粒 子的尺寸，使得它们能够由粒子检测器来检测；
[0032] 其特征在于可蒸发物质选自邻苯二甲酸二甲醋、邻苯二甲酸二辛醋和二甲亚讽。
[0033] 在另外的方面中，本发明提供用于增加气体夹带的粒子的尺寸W便使气体夹带的 粒子由粒子检测器可检测的装置，所述装置包括： 阳〇34] 蒸发室；
[0035] 冷凝器，其与蒸发室流体连通并具有用于连接到粒子检测器的出口；
[0036] 加热元件和多孔载体，其每一个被布置在蒸发室内，多孔载体在其上承载可蒸发 物质并且加热元件是可加热的W使可蒸发物质蒸发W在蒸发室内形成蒸汽；
[0037] 第一入口，其用于允许载气流进入蒸发室中W承载蒸汽直到冷凝器；
[0038] 第二入口，其在多孔载体的下游并且包含气体夹带的粒子的样气流可W穿过第二 入口被引入；
[0039] 所述装置被配置W便可蒸发物质到样气中的气体夹带的粒子上的冷凝在冷凝器 中发生W增加粒子的尺寸，W便它们能够由粒子检测器来检测。
[0040] 如上所描述的，在本申请的介绍部分中，许多粒子计数器，特别是基于粒子检测的 光学方法的那些，不能够有效地检测和计算具有小于约300纳米的粒子直径的粒子。本发 明的冷凝装置使更小尺寸的粒子（例如空气动力学粒子直径下降到不到3纳米）能够被检 巧。，并且通过使可蒸发冷凝物质冷凝到粒子上使粒子增长实现运一点。
[0041] 可蒸发物质可W是液体或可蒸发固体。在可蒸发物质在室溫下为固体情况下，优 选地一个是首先融化来形成液体并然后从液态形成蒸汽，而不是从固态升华的物质。
[0042]可W用作可蒸发物质的固体材料的实施例包括固态碳氨化合物和长链簇酸，例如 脂肪酸如硬脂酸。
[0043] 然而，当前优选的是可蒸发物质是液体。
[0044]可使用的液体包括水和醇，如丙醇、异丙醇和异下醇，或更高沸点的有机液体。如 上面介绍中所讨论的，已知的冷凝粒子计数器的缺点之一是用作可蒸发物质的液体在相对 短的时间段内被消耗，并且因此新鲜液体必须W频繁的时间间隔来添加。关于一些已知的 冷凝粒子计数器，有必要在每次使用装置时添加更多的液体。
[0045]为了克服与已知的冷凝粒子计数器相关联的缺点，优选使用具有在大气压处的沸 点是至少110°c的液体作为可蒸发物质。
[0046] 所述可蒸发物质可W是具有在大气压下的沸点是至少110°C，例如至少120°C的 液体。
[0047] 所述可蒸发物质可W是邻苯二甲酸二甲醋。
[0048] 优选可蒸发液体的一组由邻苯二甲酸二甲醋、邻苯二甲酸二辛醋和二甲亚讽组 成。一种特别优选的液体是邻苯二甲酸二甲醋。通过使用更高沸点的液体如邻苯二甲酸二 甲醋，液体的消耗率大大降低，并因此液体不需要如此频繁地被装满。
[0049] 在可蒸发物质是液体并且蒸发室包含液体的胆存器或链接到液体的胆存器的情 况下，存在倾斜装置（例如当在运输中时）能够导致液体泄漏到蒸发室的任何入口或出口 的可能性。为了防止或最小化运种发生的可能性，蒸发室的入口和出口可W设置有作为对 于液体的屏障的唇缘或轮缘。将要认识到的是，唇缘或轮缘的高度将取决于胆存器中承载 的液体的体积。唇缘或轮缘可W通过延伸进入蒸发室的入口管或出口管的端部来限定或提 供。通过举例的方式，唇缘或轮缘可W是从1至8毫米高，更优选地2至5毫米高。
[0050] 载气可W是空气或纯净的气体或气体的混合物。例如，代替空气，载气可W是氮 气。载气优选地被过滤，W便粒子和其他杂质不被承载穿过蒸发室进入冷凝器。载气可W 由不含粒子的源例如气罐来提供。可选地或另外地，过滤器可W位于蒸发室的外部。例如， 过滤器可W位于跨过其自身的第一入口，或者过滤器可位于第一入口的上游，因此，在任一 种情况下，进入蒸发室的载气没有杂质，且尤其是微粒杂质。过滤器的实施例包括肥PA过 滤器并且运样的过滤器是众所周知的，并不需要在运里详细地描述。
[0051] 在可选的安排中，载气可W在其已进入蒸发室后被过滤。例