一种气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置

摘要

本发明公开了一种气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，它包括压缩气体流动控制腔和纳米粒子振动式定量给料装置，其中纳米粒子振动式定量给料装置安装在压缩气体流动控制腔内部。向压缩气体流动控制腔内通入压缩气体，纳米粒子振动式定量给料装置供给的纳米粒子会被流过的气流带走，并与压缩气体均匀混合，形成气体-纳米粒子两相均匀流体。压缩气体流动控制腔可使通入的压缩气体均匀扩散和收缩，不发生回流，以保证供给的纳米粒子全部被压缩气流带走。纳米粒子振动式定量给料装置可定量控制纳米粒子的给料速率，改变纳米粒子在气固两相流中的含量，从而可形成各种不同纳米粒子浓度的气固两相流。

说明书

技术领域

本发明属于气固两相流体生成装置技术领域，涉及一种气体-纳米粒子两 相均匀流体生成装置。

背景技术

近年来，气固两相流体有一些特殊的性质正在慢慢被人们发觉，如将纳 米粒子作为润滑材料添加剂加入到气体润滑轴承中可形成气体—纳米粒子两 相流体润滑膜（简称纳米粒子气膜）。纳米粒子在高速气流的带动下获得动能， 发生相互碰撞，相互碰撞运动使纳米粒子气膜的刚度高于气体薄膜，从而可 具有更高的承载能力，以改善气体润滑轴承的刚度，扩大气体轴承的应用范 围。

为了更好的利用纳米粒子气膜，来设计具有更广泛应用的新型气体轴承， 就需要对纳米粒子气膜的性能和润滑原理进行研究。在研究纳米粒子气膜的 性能时，首先需要一种气固两相流体生成装置，将压缩气体和纳米粒子混合， 连续产生气体—纳米粒子两相均匀流体，通入到气体轴承中。

但经过查资料，并未找到可将压缩气体与纳米粒子相混合生成气体-纳米 粒子两相均匀流体的生成装置。目前，气固两相流体生成装置中较典型的为 气溶胶发生器，一般采用高速气流喷射法，具体实施方式为：固体颗粒经过 送料装置被输送到扩散头，在扩散头处，通过喷嘴的作用，气流将被加速大 于100m/s的高速度，高速气流为粉末的充分分散提供必要的湍流和剪切力， 团聚的颗粒最终被分散输出。可参考此方法生成气体—纳米粒子两相均匀流 体。然而由于纳米粒子很轻且吸附性较强，不能采用一般的方法（如漏斗落 料）进行送料。同时，压缩气体的压强高于大气压强，为了保证送料装置中 纳米粒子的受力平衡，需将送料装置至于压力环境中。另外，在纳米粒子气 膜中，纳米粒子的浓度不同，对气体轴承承载能力的影响可能不同。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置， 该装置能够将压缩气体与纳米粒子混合，连续供应含有纳米粒子的气固两相 流，并且可以定量控制气固两相流中纳米粒子的浓度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，其特征在于，包括压缩气体 流动控制腔，在其腔体内设有纳米粒子振动式定量给料装置；压缩气体在压 缩气体流动控制腔内经过先扩散再收缩的过程，纳米粒子振动式定量给料装 置供给的纳米粒子被流过的气流带走，形成气体-纳米粒子两相均匀流体流 出；

压缩气体流动控制腔包括密封连接的承压锥筒和承压圆筒，承压锥筒的 顶端设有上供气管，承压圆筒的底端设有下供气管；

纳米粒子振动式定量给料装置包括料筒，料筒的进口端设有锥形料筒盖， 出口端设有落料筛网；料筒固定环通过均匀分布的若干个弹簧机构与料筒相 连接；激振机构与料筒固定连接，激振机构采用偏心块旋转产生振动带动料 筒振动；

承压锥筒和承压圆筒的连接处设有环形台阶，料筒通过料筒固定环与环 形台阶配合连接安装在压缩气体流动控制腔内（具体是通过料筒固定环的圆 环部分与承压圆筒的环形台阶配合连接安装在压缩气体流动控制腔内）。

所述的承压锥筒的形状为圆锥形，其上下两端分别设有第一补强圈和第 二补强圈；承压圆筒由圆柱形和与之相连接的圆锥形收缩段组成；

承压锥筒与承压圆筒的连接面分别设有用于密封连接的法兰结构，环形 台阶设置在承压圆筒的法兰结构处。

所述的上供气管通过上供气接头与承压锥筒相连接，下供气管通过下供 气接头与承压圆筒相连接；

承压锥筒和承压圆筒通过多个紧固螺栓和固定螺母连接，其连接面之间 用第一密封圈和第二密封圈进行密封，第一密封圈的直径大于第二密封圈的 直径。

所述的上供气管插入上供气接头内，上供气接头与承压锥筒通过螺纹连 接；下供气管插入下供气接头内，下供气接头与承压圆筒通过螺纹连接；压 缩气体从上供气管流入，流过腔体，从下供气管流出。

所述的料筒的上部为锥形筒，下部由两个直径不同的圆筒组成；锥形料 筒盖与料筒的连接处设在料筒的上部锥形筒约三分之一高处，锥形料筒盖通 过环形台阶与料筒配合连接；落料筛网的网面呈锥形；

当料筒内的纳米粒子从落料筛网落下后，被流过的气流带走，并在承压 圆筒底端与气体混合均匀，形成的气体-纳米粒子两相均匀流体沿着下供气管 流出。

所述的激振机构通过相互配合的内凹圆弧面与料筒的圆柱面的粘结而与 料筒固定连接；

激振机构包括底座，底座上设有电机，电机上设有连接轴，偏心块安装 在连接轴上并通过固定螺钉固定连接；电机的轴向与料筒的轴向呈45°夹 角；

落料筛网通过网箍固定在料筒的出口端上，网面通过用螺钉和螺母固定 在网箍上。

所述的底座的一面为内凹圆弧面，另一面为带有两个对称凸台的与电机 连接的平面，每个凸台上设有螺纹孔，内凹圆弧面的轴线与两个凸台的对称 线呈45°夹角；

电机上设有伸出的电线连接头，与电压可调的电源相连接；电机通过固 定钣金件安装在底座上，用电机固定螺钉紧固。

所述的料筒固定环上设有均匀分布的内凸台，内凸台上设有通孔，通孔 内攻有螺纹；料筒上设有与内凸台相对应的外凸台，外凸台上设有连接通孔；

弹簧机构包括拉簧，拉簧的两头分别连接在六角头螺钉和半圆头螺钉上； 弹簧固定螺母将拉簧压紧在六角头螺钉的头部，六角头螺钉与内凸台螺纹连 接；半圆头螺钉穿过外凸台的连接通孔，用紧固螺母进行紧固；六角头螺钉 可在内凸台的螺纹孔内上下调节。

所述的承压锥筒、料筒的上部、锥形料筒盖及落料筛网均采用锥角小于 30°的小锥角结构。

所述的承压锥筒的锥角为18°，料筒上部的锥角24°；观察料筒位于承 压圆筒的正中，激振机构中的偏心块与承压圆筒的筒壁之间的间隙大于5 mm；落料筛网的尖端与承压圆筒的底端的间隙大于25mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

（1）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，可将压缩气 体与纳米粒子混合，连续供应气体-纳米粒子两相均匀流体。向压缩气体流动 控制腔内通入压缩气体，纳米粒子振动式定量给料装置供给的纳米粒子会被 流过的气流带走，并与压缩气体均匀混合，形成气体-纳米粒子两相均匀流体， 沿供气管路连续供应到气体轴承中。

连续供应气体—纳米粒子两相均匀流体，定量控制纳米粒子的给料速率， 改变纳米粒子在气固两相流中的含量，对于研究纳米粒子气膜对气体轴承承 载能力的改进作用及纳米粒子气膜中纳米粒子的浓度对气体轴承性能的影响 具有重要意义。

（2）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，可以定量控 制气固两相流中纳米粒子的浓度。纳米粒子振动式定量给料装置中的激振机 构是采用偏心块旋转产生振动。给连接偏心块的电机提供不同的电压，电机 的转速会相应改变。经过标定，在其他条件不变的条件下，改变外加电源的 电压值，电机的转速会随之改变，引起激振机构的振动频率发生相应变化， 最终导致从筛网落下的纳米粒子量发生改变。因此，通过改变外加电源的电 压，即可定量控制纳米粒子的给料速率，改变纳米粒子在气固两相流中的含 量，从而可形成各种不同纳米粒子浓度的气固两相流。

（3）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，压缩气体流 动控制腔可使通入的压缩气体均匀扩散和收缩，不发生回流，以保证供给的 纳米粒子全部被压缩气流带走。在本装置中，承压锥筒、料筒、锥形料筒盖 及落料筛网均采用小锥角结构，这种结构可使高速气流在腔体内稳定通过， 不发生回流，从而实现纳米粒子振动式定量给料装置供给的纳米粒子全部被 流过的气流带走，有助于精确控制气固两相流中纳米粒子的浓度。

（4）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，外加电压一 定时，激振机构产生的振动效果较好，落粉量相对较大。激振机构中电机的 轴线与料筒的轴线呈45°夹角，当偏心块旋转时，引起料筒沿两个方向振动， 这种振动方式可实现在外加电压一定时，纳米粒子的落粉量相对较大，从而 可以节约电力，减小能耗。同时，落料筛网的锥形设计也扩大了落料面积， 有助于增大落粉量。

（5）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，料筒结构的 巧妙设计，可在满足各项要求的前提下，实现料筒容积的最大化。料筒的设 计满足了两项要求：首先，料筒的筒口不能太小，否则向料筒内加纳米粒子 时会产生不便；其次，料筒下部圆筒的直径不能太大，否则在圆筒壁面上粘 接激振机构后，激振机构与承压圆筒壁面之间的间隙较小，料筒在振动时， 偏心块会碰到承压圆筒的筒壁，产生危险。

在本装置中，料筒锥形盖与料筒的配合面（即筒口的位置）在料筒的上 部锥形筒约三分之一处；料筒的下部设计成直径不同的圆筒，激振机构粘接 在小直径圆筒上。这种结构设计可在避免以上两个问题的基础上，最大限度 的开发料筒的容积用来盛装更多的纳米粒子。

（6）本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，料筒与料筒 固定环之间用弹簧机构连接，可以避免料筒产生的振动传递给外部的承压圆 筒，承压圆筒不能发生振动，否则有可能会发生爆破产生危险；在弹簧机构 中，可通过旋转六角头螺钉，使其在料筒固定环的内凸台螺纹孔内上下移动， 从而改变弹簧机构的相对长度，弥补三个弹簧机构长度不同的缺陷，达到调 平料筒的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为压缩气体流动控制腔的结构示意图；

图3为纳米粒子振动式定量给料装置的的结构示意图；

图4为激振机构的结构示意图；

图5为弹簧机构的连接示意图。

其中，1为上供气管，2为上供气接头，3为承压锥筒，4为锥形料筒盖， 5为紧固螺栓，6为密封圈，7为料筒固定环，8为固定螺母，9为弹簧机构， 10为料筒，11为承压圆筒，12为激振机构，13为落料筛网，14为下供气接 头，15为下供气管；

301为第一补强圈，302为第二补强圈；

401为筒盖环形台阶；601为第一密封圈，602为第二密封圈；701为圆 环部分，702为内凸台；

901为弹簧固定螺母，902为六角头螺钉，903为拉簧，904为半圆头螺 钉，905为紧固螺母；

1001为料筒的圆柱面，1002为外凸台；1101为环形台阶；

1201为内凹圆弧面，1202为电线连接头，1203为电机固定螺钉，1204 为底座，1205为固定螺钉，1206为偏心块，1207为连接轴，1208为固定钣 金件，1209为电机；

1301为网箍，1302为网面，1304为螺钉，1305为螺母。

具体实施方式

本发明提供的气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，它包括压缩气体流 动控制腔和纳米粒子振动式定量给料装置，其中纳米粒子振动式定量给料装 置安装在压缩气体流动控制腔内部。向压缩气体流动控制腔内通入压缩气体， 纳米粒子振动式定量给料装置供给的纳米粒子会被流过的气流带走，并与压 缩气体均匀混合，形成气体-纳米粒子两相均匀流体。压缩气体流动控制腔可 使通入的压缩气体均匀扩散和收缩，不发生回流，以保证供给的纳米粒子全 部被压缩气流带走。纳米粒子振动式定量给料装置可定量控制纳米粒子的给 料速率，改变纳米粒子在气固两相流中的含量，从而可形成各种不同纳米粒 子浓度的气固两相流。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明， 所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、图2、图3，一种气体-纳米粒子两相均匀流体生成装置，包 括压缩气体流动控制腔，在其腔体内设有纳米粒子振动式定量给料装置；压 缩气体在压缩气体流动控制腔内经过先扩散再收缩的过程，纳米粒子振动式 定量给料装置供给的纳米粒子被流过的气流带走，形成气体-纳米粒子两相均 匀流体流出；

压缩气体流动控制腔包括密封连接的承压锥筒3和承压圆筒11，承压锥 筒3的顶端设有上供气管1，承压圆筒11的低端设有下供气管15；

纳米粒子振动式定量给料装置包括料筒10，料筒10的进口端设有锥形 料筒盖4，出口端设有落料筛网13；料筒固定环7通过均匀分布的若干个弹 簧机构9与料筒10相连接；激振机构12与料筒10固定连接，激振机构12 采用偏心块旋转产生振动带动料筒10振动；

承压锥筒3和承压圆筒11的连接处设有环形台阶1101，料筒10通过料 筒固定环7与环形台阶1101配合连接安装在压缩气体流动控制腔内。

具体的，压缩气体流动控制腔包含承压锥筒3和承压圆筒11；纳米粒子 振动式定量给料装置通过料筒固定环7的圆环部分701与承压圆筒11的环形 台阶1101配合连接安装在压缩气体流动控制腔内。

所述的承压锥筒3的形状为锥筒，其上下两端分别设有第一补强圈301 和第二补强圈302（补强圈是在压力容器开孔部位补强由于开孔造成的应力 集中问题，从而可提高容器刚度和临界压力）；承压圆筒11由圆柱形和与之 相连接的圆锥形收缩段组成；圆锥形收缩段是气流与纳米粒子混合的部分。

承压锥筒3与承压圆筒11的连接面分别设有用于密封连接的法兰结构， 环形台阶1101设置在承压圆筒11的法兰结构处。承压锥筒3和承压圆筒11 通过六个紧固螺栓5和固定螺母8连接，其连接面之间用第一密封圈601和 第二密封圈602进行密封，第一密封圈601的直径大于第二密封圈602的直 径。

进一步的，上供气管1插入上供气接头2内，上供气接头2与承压锥筒 3通过螺纹连接；下供气管15插入下供气接头14内，下供气接头14与承压 圆筒11通过螺纹连接；压缩气体从上供气管1流入，流过腔体，从下供气管 15流出。

具体的，纳米粒子振动式定量给料装置包括锥形料筒盖4、料筒固定环7、 弹簧机构9、料筒10、激振机构12、落料筛网13，锥形料筒盖4通过筒盖环 形台阶401与料筒10配合连接；料筒固定环7通过均匀分布的三个弹簧机构 9与料筒10连接；激振机构12通过圆形配合面1201与料筒的圆柱面1001 配合，两配合面的材料均为有机玻璃，连接方式为用四氯甲烷粘接；落料筛 网13通过网箍1301固定在料筒10上，用螺钉1304和螺母1305对网箍进行 紧固。

料筒10的上部为锥形筒，下部由两个直径不同的圆筒组成；锥形料筒盖 4与料筒10的连接处设在料筒10的上部锥形筒约三分之一高处，锥形料筒 盖4通过筒盖环形台阶401与料筒10配合连接；落料筛网13的网面呈锥形。

落料筛网13通过网箍1301固定在料筒10的出口端上，网面1302通过 用螺钉1304和螺母1305固定在网箍1301上。

此处，给料筒10加锥形料筒盖4的目的有两个：一是为了防止在气流通 过时，将料筒10内的纳米粒子带走；另一方面，加一个锥形的盖子，可减小 对气流的扰动。

当料筒10内的纳米粒子从落料筛网13落下后，被流过的气流带走，并 在承压圆筒11底端与气体混合均匀，形成的气体-纳米粒子两相均匀流体沿 着下供气管15流出。

压缩气体流动控制腔的壁厚可承受0.5MPa的压缩气体。压缩气体在压 缩气体流动控制腔内要经过先扩散再收缩的过程，如果腔体的结构设置不当， 则高速气流在通过时会由于管径突变而产生回流，这会导致从料筒10中落下 的部分纳米粒子被回流气体带着在压缩气体流动控制腔内回旋且越积越多， 从而落下的纳米粒子不能全部进入混合气流内，对精确控制气固两相流中纳 米粒子的含量造成困难。

在本装置中，承压锥筒3、料筒10、锥形料筒盖4及落料筛网13均采用 小锥角结构（一般小于30°的小锥角结构），这种结构可使高速气流在腔体 内稳定通过，不发生回流，从而实现纳米粒子振动式定量给料装置供给的纳 米粒子全部被流过的气流带走，有助于精确控制气固两相流中纳米粒子的含 量。

参照图4，激振机构12包含底座1204、电机1209、固定钣金件1208、 电机固定螺钉1203、偏心块1206、偏心块固定螺钉1205组成；底座1204 分为两个面，一面为内凹圆弧面1201，与料筒的圆柱面1001配合，另一面 为带有两个对称凸台的平面，与电机1209配合，每个凸台上含有两个螺纹孔， 内凹圆弧面的轴线与两个凸台的对称线呈45°夹角；

电机1209的底部伸出一根轴1207，偏心块1206安装在轴1207上，偏 心块1206与轴1207为过渡配合，周向用偏心块固定螺钉1205固定位置；电 机1209上带有伸出的电线连接头1202；电机1209通过固定钣金件1208安 装在底座1204上，用电机固定螺钉1203紧固；

将激振机构12粘接在料筒10上，激振机构12中电机1209的轴向与料 筒10的轴向呈45°夹角，当偏心块1206旋转时，引起料筒10沿两个方向 振动，这种振动方式可实现在外加电压一定时，纳米粒子的落粉量相对较大。

参照图5，料筒固定环7上设有均匀分布的内凸台702，内凸台702上设 有通孔，通孔内攻有螺纹；料筒10上设有与内凸台相对应的外凸台1002， 外凸台1002上设有连接通孔；

弹簧机构9包含弹簧固定螺母901，六角头螺钉902，拉簧903，半圆头 螺钉904，紧固螺母905组成；拉簧903的两头分别连接在六角头螺钉902 和半圆头螺钉904上；弹簧固定螺母901将拉簧903压紧在六角头螺钉902 的头部，六角头螺钉902与内凸台702的连接方式为螺纹连接；半圆头螺钉 904穿过外凸台1002的通孔，用紧固螺母905进行紧固；六角头螺钉902可 在内凸台702的螺纹孔内上下调节，从而改变各弹簧机构9的相对长度，弥 补三个弹簧机构9长度不同的缺陷，达到料筒10与料筒固定环7同轴线的目 的。

利用上述装置进行气体-纳米粒子两相均匀流体生成的使用方法如下：

（1）先向料筒10内加满纳米粒子，盖上锥形料筒盖4。

（2）通过调整三个弹簧机构9的长度，使料筒10垂直向下。将调整好 的料筒10装入承压圆筒11内，观察料筒10是否在承压圆筒11的正中，同 时注意激振机构12中的偏心块1206与承压圆筒11的筒壁之间需调整到一定 间隙（＞5mm）。另外，弹簧机构9的长度要适中，若弹簧机构9太长，落 料筛网13尖端与承压圆筒11圆锥形收缩部分的距离会太近，一般要求大于 25mm，从而导致从落料筛网13落下的纳米粒子不能与高速气流充分混合， 也会出现在料筒振动过程中落料筛网13与收缩部分筒壁相碰的现象。

（3）将连通电机的电线用从承压圆筒11的法兰处引出，放上两个O型 密封圈，两个密封圈要放置均匀，然后扣上承压锥筒3，用6个紧固螺栓5 和螺母8进行固定。注意螺栓的预紧程度要较大，因为压缩气体流动控制腔 内的气体压强高于外部大气压强，因此，要保证腔内足够的密封性。

（4）承压锥筒3朝上，承压圆筒11朝下，将其装置放置在与之相适应 的架子上。

（5）打开空气压缩机，设定气体的压强和流量，然后将压缩气体从上供 气管1处通入，流过腔体，气流从下供气管15流出。

（6）待气流稳定后，设定激振机构12中电机1209的外加电压，给电机 1209开始供电。电机1209带动偏心块1206开始转动，偏心块1206由于质 量不对称带动料筒10一起振动。此时，料筒10内的纳米粒子会由于重力作 用而从落料筛网13落下，被流过的气流带走，并在腔体的收缩段与气体混合 均匀，形成的气体—纳米粒子两相均匀流体沿着下供气管15流出。