本发明涉及一种虚拟冲击器，尤其涉及一种附加压流式多级亚微米粒子采集器。
背景技术：
在大气和工业环境监测中，要确定颗粒物的来源、评价颗粒物对人类和环境的危害或潜在危害以前，就先需要了解气溶胶颗粒物成分、粒子浓度和粒径分布，因此我们需要事先对气溶胶进行采样、分级和检测分析，从而能够对环境中存在的有害颗粒进行预警。这一项要求的重要性，同样体现在处理应急事件时(如1995年东京地铁投毒事件、2001年美国anthrax袭击事件、2017年叙利亚生化战争和地震与火山爆发等自然灾害发生时)，为保证一线救援人员能够及时了解当前形势，做出准确判断，十分有必要掌握某种技术手段对环境威胁进行采集并分析处理。对粒子的采样和分级，在气溶胶技术领域中使用的重要仪器是惯性冲击器(也称采集器)，它是基于惯性原理设计的；为了解决惯性冲击器的原理缺陷导致的粒子损失、分离特性较差等问题，虚拟冲击原理被提出，根据虚拟冲击原理设计的冲击器则称为虚拟冲击器。
虚拟冲击器原理可总结为：利用采样流量中不同粒径粒子的惯性力不同，在经过切割点(流量分流处)时，惯性大的粗颗粒将维持原运动方向进入次流，细颗粒粒子由于惯性小，运动方向被改变进入主流。利用该原理可以实现根据粒径大小的不同来分离采集空气中的粒子的功能。然而，现有的虚拟冲击器对于粒子损失的控制不佳，主要表现为壁面损失大，导致采集效率较低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种附加压流式多级亚微米粒子采集器，可避免采样空气与采集器本体内壁的直接接触，从而降低壁面损失，提高采集效率，同时能够提高采集粒子粒径的精度，达到对亚微米粒子进行高效分离。
本发明的附加压流式多级亚微米粒子采集器，包括采集器本体及从上往下依次设于采集器本体内部的一级进气腔、一级分离腔、一级采集腔及二级采集室；
所述一级进气腔设有用于供采样空气进入的一级进气通道及分别设于一级进气通道左右两侧的一级压流通道i和一级压流通道ⅱ，所述一级进气通道的出气口下方设有第一横流道，所述第一横流道的左右两端分别与一级压流通道i及一级压流通道ⅱ相连通；
所述一级分离腔设有一级加速通道及位于一级加速通道右侧的一级压流通道ⅲ，所述一级加速通道与第一横流道相连通且其进气口设在一级进气通道的出气口的正下方，所述一级压流通道ⅲ的上端与第一横流道的右端相连通且设在一级压流通道ⅱ的正下方，所述一级加速通道的出气口下方设有第二横流道，所述第二横流道的右端与一级压流通道ⅲ相连通；
所述一级采集腔设有一级次流通道及位于一级次流通道左侧的一级主流通道，所述采集器本体上对应一级次流通道的末端设有一级采集口；所述第二横流道的左端与一级主流通道相连通；环绕所述一级次流通道外侧形成二级进气通道，所述二级进气通道出气口下方设有第三横流道；
所述二级采集室设有二级加速通道及分别位于二级加速通道左右两侧的二级压流通道i和二级压流通道ⅱ，所述二级加速通道与第三横流道相连通且其进气口设在二级进气通道的出气口的正下方，所述第三横流道的左右两端分别与二级压流通道ⅰ及二级压流通道ⅱ相连通；所述二级加速通道的出气口正下方还设有二级次流通道，所述二级加速通道与二级次流通道之间设有第四横流道，所述第四横流道的左端与二级主流道相连通、右端与二级压流通道ⅱ相连通。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述采集器本体包括从上往下依次连接的第一箱体、第二箱体、第三箱体及第四箱体，所述一级进气腔设于第一箱体，所述一级分离腔设于第二箱体，所述一级采集腔设于第三箱体，所述二级采集室设于第四箱体。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第一箱体、第二箱体、第三箱体及第四箱体通过螺栓固定连接或者一体成型设置。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第一箱体上对称安装有第一挡板i和第一挡板ⅱ，所述第一挡板i与第一挡板ⅱ之间形成一级进气通道，所述第一挡板i和第一挡板ⅱ的纵截面均呈“l”形且其横部均朝向内侧向下倾斜，使得所述一级进气通道呈漏斗状；所述第一挡板ⅰ与第一箱体的左侧壁之间形成一级压流通道i，所述第一挡板ⅱ与第一箱体的右侧壁之间形成一级压流通道ⅱ。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第二箱体上安装有第二挡板ⅰ及第二挡板ⅱ，所述第二挡板ⅰ与第二箱体的左侧壁密封连接，所述第二挡板ⅰ与第二挡板ⅱ之间形成竖直的一级加速通道，所述第二挡板ⅱ与第二箱体的右侧壁之间形成一级压流通道ⅲ。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第三箱体上对称设置有第三挡板ⅰ和第三挡板ⅱ，所述第三挡板ⅰ固定于第三箱体的左侧壁，所述第三挡板ⅱ固定于第三箱体的右侧壁；所述第三挡板ⅰ与第三挡板ⅱ之间形成二级进气通道，所述第三挡板ⅰ和第三挡板ⅱ的纵截面均呈“l”形且其横部均朝向内侧向下倾斜，使得所述二级进气通道呈漏斗状。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第三箱体上还安装有一纵截面呈“u”形的一级采集板，所述一级采集板的内腔形成一级次流通道；所述一级采集板的左侧壁沿水平方向朝外延伸并与第三挡板ⅰ之间形成一级主流通道；所述一级采集板的右侧壁沿水平方向朝外延伸并与第三挡板ⅱ密封连接。
通过对上述技术方案的进一步改进，所述第四箱体上安装有第四挡板i及第四挡板ⅱ，所述第四挡板i的下方设有分离隔块i，所述第四挡板ⅱ的下方设有分离隔块ⅱ；所述第四挡板i与第四箱体的左侧壁之间形成二级压流通道i，所述第四挡板ⅱ与第四箱体的右侧壁之间及分离隔块ⅱ与第四箱体的右侧壁之间形成二级压流通道ⅱ，所述第四挡板i与第四挡板ⅱ之间及形成竖直的二级加速通道，所述分离隔块i与分离隔块ⅱ之间形成二级次流通道，所述分离隔块i与第四挡板i之间形成二级主流道。
通过上述公开内容可知，本发明的附加压流式多级亚微米粒子采集器，可避免采样空气与采集器本体内壁的直接接触，从而有效降低壁面损失，提高了采集效率，同时能够提高采集粒子粒径的精度，达到对亚微米粒子进行高效分离。
具体而言：
在一级进气腔中，一级进气通道呈漏斗状，含有粗、细颗粒的混合采样空气通过一级进气通道加速进入系统；一级进气通道的左侧有一级压流通道i，一级压流通道i中的压流在末端与采样空气进行汇合；而一级进气通道右侧的一级压流通道ⅱ为一个具有双出口的通道，其中位于上部的出口与一级压流通道i保持水平，起到挤压采样空气流的作用，位于下部的出口则位于切割点处形成侧流，利用侧流的冲击力与颗粒的惯性力的作用，改变采样空气中细颗粒流动方向，从而分离采集空气中不同粒径的粒子。
在一级分离腔中，进口空气受到侧流的侧向冲击力的作用，细颗粒(<2.5μm)的部分空气将转向进入一级主流通道，另外部分粗颗粒(2.5μm～10μm)惯性力的影响将继续沿着原方向在一级次流通道垂直下行；对采样空气的第一次分离在第一级分离腔中完成，采样空气将会被初步分离成粗颗粒与细颗粒。
在一级采集腔中，一级主流通道部分气体将进入第二级采集器；一级次流通道部分气体将通过第三箱体的一级采集口被采集，排出系统。
一级采集腔的部分及二级采集室形成了二级冲击系统，能够将一级主流通道部分气体再次进行分离，进一步分离出亚微米粒子(<1μm)，并继续利用压流来保证其高效率分离与采集。
本发明的结构设计实现了附加附加压流式多级亚微米粒子采集器的多级化，且结构简单，压流能够对采集空气流量起到很好地保护作用，避免与结构面壁直接接触，分离效率高；两级结构串联能够对采样空气多级分离，第二级在第一级的基础上能够高效的分离采集到亚微米粒子，分离特性好；此外，为了提高采集流量，对环境空气的采集分析更加及时，本冲击器还可以并联使用，以提高分离采集流量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明使用时的内部气体流动示意图；
图3为本发明的采集器本体的立体结构图；
图4为本发明的第一箱体的立体结构图；
图5为本发明的第一箱体的剖视图；
图6为本发明的第二箱体的立体结构图；
图7为本发明的第二箱体的剖视图；
图8为本发明的第三箱体的立体结构图；
图9为本发明的第三挡板i和第三挡板ⅱ的组合图；
图10为本发明的第三箱体的剖视图；
图11为发明的第四箱体的立体结构图；
图12为本发明的三箱体于第四箱体的连接示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图12所示：本实施例的附加压流式多级亚微米粒子采集器，包括采集器本体及从上往下依次设于采集器本体内部的一级进气腔101、一级分离腔201、一级采集腔301及二级采集室401。所述采集器本体包括从上往下依次连接的第一箱体1、第二箱体2、第三箱体3及第四箱体4，所述一级进气腔101设于第一箱体1，所述一级分离腔201设于第二箱体2，所述一级采集腔301设于第三箱体3，所述二级采集室401设于第四箱体4。第一箱体1、第二箱体2、第三箱体3及第四箱体4可通过可拆卸连接的方式连接形成采集器本体，这样便于安装及拆卸；例如，第一箱体1的底面与第二箱体2的顶面之间、第二箱体2的底面与第三箱体3的顶面之间、第三箱体3的底面与第四箱体4的顶面之间均可设置类似法兰盘的结构，通过固定螺栓进行固定连接，当然在连接时还应当考虑各连接处的密封性，防止漏气。当然，采集器本体也可以是一体式结构，这样便于加工，也提高了密封性，此时第一箱体1、第二箱体2、第三箱体3及第四箱体4一体成型设置，例如通过铸造成型。
所述一级进气腔101设有用于供采样空气进入的一级进气通道102及分别设于一级进气通道102左右两侧的一级压流通道i103和一级压流通道ⅱ104，所述一级进气通道102的出气口下方设有第一横流道105，所述第一横流道105的左右两端分别与一级压流通道i103及一级压流通道ⅱ104相连通；“左”“右”均以图1所示方向为准；一级压流通道i103和一级压流通道ⅱ104均为竖直通道结构，第一横流道105则为水平流道结构；一级压流通道i103、第一横流道105及一级压流通道ⅱ104相连形成类似“u”形的结构，将一级进气通道102包裹在其中。一级进气腔101由第一箱体1形成，优选地，所述第一箱体1上对称安装有第一挡板i11和第一挡板ⅱ12，所述第一挡板i11与第一挡板ⅱ12之间形成一级进气通道102，所述第一挡板i11和第一挡板ⅱ12的纵截面均呈“l”形且其横部均朝向内侧向下倾斜，使得所述一级进气通道102呈漏斗状；所述第一挡板i11与第一箱体1的左侧壁之间形成一级压流通道i103，所述第一挡板ⅱ12与第一箱体1的右侧壁之间形成一级压流通道ⅱ104；第一挡板i11和第一挡板ⅱ12可通过设在第一箱体1口部的凹槽进行定位安装。
所述一级分离腔201设有一级加速通道202及位于一级加速通道202右侧的一级压流通道ⅲ203，所述一级加速通道202与第一横流道105相连通且其进气口设在一级进气通道102的出气口的正下方，所述一级压流通道ⅲ203的上端与第一横流道105的右端相连通且设在一级压流通道ⅱ104的正下方，所述一级加速通道202的出气口下方设有第二横流道204，所述第二横流道204的右端与一级压流通道ⅲ203相连通；一级压流通道ⅲ203为竖直通道结构，第二横流道204为水平流道结构。一级分离腔201由第二箱体2形成，优选地，所述第二箱体2上安装有第二挡板i21及第二挡板ⅱ22，所述第二挡板i21与第二箱体2的左侧壁密封连接，所述第二挡板i21与第二挡板ⅱ22之间形成竖直的一级加速通道202，所述第二挡板ⅱ22与第二箱体2的右侧壁之间形成一级压流通道ⅲ203；第二挡板i21、第二挡板ⅱ22可通过设于第二箱体2口部的凹槽进行定位安装。
所述一级采集腔301设有一级次流通道302及位于一级次流通道302左侧的一级主流通道303，所述采集器本体上对应一级次流通道302的末端设有一级采集口304；所述第二横流道204的左端与一级主流通道303相连通；环绕所述一级次流通道302外侧形成二级进气通道305，所述二级进气通道305出气口下方设有第三横流道306；一级主流通道303可为二级进气通道305的一部分。一级采集腔301由第三箱体3形成，优选地，所述第三箱体3上对称设置有第三挡板i31和第三挡板ⅱ32，所述第三挡板i31固定于第三箱体3的左侧壁，所述第三挡板ⅱ32固定于第三箱体3的右侧壁；所述第三挡板i31与第三挡板ⅱ32之间形成二级进气通道305，所述第三挡板i31和第三挡板ⅱ32的纵截面均呈“l”形且其横部均朝向内侧向下倾斜，使得所述二级进气通道305呈漏斗状；二级进气通道305将一级次流通道302包裹于其中；第三挡板i31与第三挡板ⅱ32可通过设于第三箱体3口部3b的凹槽3a进行定位安装；所述第三箱体3上还安装有一纵截面呈“u”形的一级采集板33，所述一级采集板33的内腔形成一级次流通道302；所述一级采集板33的左侧壁沿水平方向朝外延伸并与第三挡板i31之间形成一级主流通道303；所述一级采集板33的右侧壁沿水平方向朝外延伸并与第三挡板ⅱ32密封连接。
所述二级采集室401设有二级加速通道402及分别位于二级加速通道402左右两侧的二级压流通道i403和二级压流通道ⅱ404，所述二级加速通道402与第三横流道306相连通且其进气口设在二级进气通道305的出气口的正下方，所述第三横流道306的左右两端分别与二级压流通道i403及二级压流通道ⅱ404相连通；所述二级加速通道402的出气口正下方还设有二级次流通道405，所述二级加速通道402与二级次流通道405之间设有第四横流道406，所述第四横流道406的左端与二级主流道407相连通、右端与二级压流通道ⅱ404相连通；二级压流通道i403和二级压流通道ⅱ404为竖直通道，第三横流道306、第四横流道406为水平通道；二级采集室401由第四箱体4形成，优选地，所述第四箱体4上安装有第四挡板i41及第四挡板ⅱ42，所述第四挡板i41的下方设有分离隔块i43，所述第四挡板ⅱ42的下方设有分离隔块ⅱ44；所述第四挡板i41与第四箱体4的左侧壁之间形成二级压流通道i403，所述第四挡板ⅱ42与第四箱体4的右侧壁之间及分离隔块ⅱ44与第四箱体4的右侧壁之间形成二级压流通道ⅱ404，所述第四挡板i41与第四挡板ⅱ42之间及形成竖直的二级加速通道402，所述分离隔块i43与分离隔块ⅱ44之间形成二级次流通道405，所述分离隔块i43与第四挡板i41之间形成二级主流道407；第四挡板i41及第四挡板ⅱ42可通过第四箱体4口部的凹槽进行定位安装；分离隔块i43、分离隔块ⅱ44可通过螺栓紧固件固定于第四箱体4，或者安装在底箱上。
采用本实施例的附加压流式多级亚微米粒子采集器，可避免采样空气与采集器本体内壁的直接接触，从而有效降低壁面损失，提高了采集效率，同时能够提高采集粒子粒径的精度，达到对亚微米粒子进行高效分离。
具体而言：
在一级进气腔101中，一级进气通道102呈漏斗状，含有粗、细颗粒的混合采样空气通过一级进气通道102加速进入系统(图2中箭头即为气体流向)；一级进气通道102的左侧有一级压流通道i103，一级压流通道i103中的压流在末端与采样空气进行汇合；而一级进气通道102右侧的一级压流通道ⅱ104为一个具有双出口的通道，其中位于上部的出口与一级压流通道i103保持水平，起到挤压采样空气流的作用，位于下部的出口则位于切割点处形成侧流，利用侧流的冲击力与颗粒的惯性力的作用，改变采样空气中细颗粒流动方向，从而分离采集空气中不同粒径的粒子。
在一级分离腔201中，进口空气受到侧流的侧向冲击力的作用，细颗粒(<2.5μm)的部分空气将转向进入一级主流通道303，另外部分粗颗粒(2.5μm～10μm)惯性力的影响将继续沿着原方向在一级次流通道302垂直下行；对采样空气的第一次分离在第一级分离腔201中完成，采样空气将会被初步分离成粗颗粒与细颗粒。
在一级采集腔301中，一级主流通道303部分气体将进入第二级采集器；一级次流通道302部分气体将通过第三箱体3的一级采集口被采集，排出系统。
一级采集腔301的部分及二级采集室401形成了二级冲击系统，能够将一级主流通道303部分气体再次进行分离，进一步分离出亚微米粒子(<1μm)，并继续利用压流来保证其高效率分离与采集。
本冲击器的结构设计实现了虚拟冲击器的多级化，且结构简单，两级结构串联能够对采样空气多级分离，第二级在第一级的基础上能够高效的分离采集到亚微米粒子，分离特性好；此外，为了提高采集流量，对环境空气的采集分析更加及时，本冲击器还可以并联使用，以提高分离采集流量。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。