冷凝装置本申请是申请日为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
本发明涉及用于与粒子计数器一起使用的冷凝装置。更特别地，本发
明涉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
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。涉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。这样的处理包括冶炼、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以及其
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。
纳米粒子已知的是产生毒性作用。例如，它们可以跨越人类的血脑屏
障并且金纳米粒子可以穿过胎盘从母体移动至胎儿。直径约20纳米的
PTFE(聚四氟乙烯)粒子的早期研究表明，原以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。此外，纳米管产生对鼠的比石
英粉尘更大的毒性反应。
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。
小粒子可以如下面表1中所示的进行分类。
表1
术语
空气动力学粒子尺寸范围
粉尘
D>10微米
粗粒子
2.5微米<D<10微米
细粒子
0.1微米<D<2.5微米
纳米粒子或超细粒子
1纳米<D<0.1微米
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。
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。同一形状的粒子可以由不
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。
因此术语“空气动力学粒子尺寸”或“空气动力学直径”被使用，以
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1g/cm3的球形粒
子的直径，其具有与所关注的粒子相同的空气(在标准温度和压力下)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1g/cm3密度的球形，其具有
与所关注的粒子相同的扩散性。
在大气中纳米粒子的研究和监控已受到仪器的短缺牵制，该仪器可以
在纳米粒子的范围中测量但它足够便宜、耐用和方便而以分布广泛为基础
被使用。
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，所以开发用于“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以形成可以被测量的尺寸的液
滴。这种仪器的一个实例被公开在WO02/029382(Ahn等人)中。公开在
WO02/029382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
异丁醇的贮存器接触，使得液体可以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丁醇
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贮
存器的端部处被引入到室中，并穿过室被吸引到冷凝器中，其中异丁醇蒸
汽到空中粒子上的冷凝发生，以形成可以使用光学粒子计数器测量的液
滴。
商业可用的CPC利用公开在WO02/029382中的原理的实例是来自美
国TSI公司,Shoreview,MN的、可用的Model3025A超细冷凝粒子计数器。
另一已知的装置是来自TSI(www.tsi.com)的手持CPC3007，并且其
操作相对于图1在下面被更加详细地描述。
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
耗以便加热工作流体，并在它们可以使用之前具有长(10至20分钟)升
温时间。这些缺点出现，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温度之前，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(例如异丁醇)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(如异丁醇)
的难闻的气味和相对高的成本。
因此，目前，仍然存在对可以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温时间并且其适合于小型化。
发明内容
本发明旨在(setout)提供一种冷凝装置，这种装置在冷凝粒子计数
器中使用时，可以克服或至少减轻与已知CPC有关的上述的一些或所有问
题。
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以便使气
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；
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
过出口可以离开蒸发室；
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
的以使可蒸发物质蒸发从而在蒸发室内形成蒸汽；
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
测器的出口。
所述装置被配置以便来自蒸发室的含蒸汽的气体可以流进冷凝器中
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以增加粒子
的尺寸，以便它们能够由单个粒子检测器来检测。
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。
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。
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以便使
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：
可蒸发物质的源；
加热工具，其引起可蒸发物质蒸发以形成蒸汽；
入口，其用于允许包含气体夹带的粒子的样气进入；
冷凝器，所述冷凝器设置有用于连接到粒子检测器的出口；
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
生以增加粒子的尺寸，使得它们能够由粒子检测器来检测；
其特征在于可蒸发物质选自邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二辛酯和
二甲亚砜。
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以便使
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；
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；
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以使可蒸发物质蒸发以在蒸发
室内形成蒸汽；
第一入口，其用于允许载气流进入蒸发室中以承载蒸汽直到冷凝器；
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
以穿过第二入口被引入；
所述装置被配置以便可蒸发物质到样气中的气体夹带的粒子上的冷
凝在冷凝器中发生以增加粒子的尺寸，以便它们能够由粒子检测器来检
测。
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)能够被检测，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这一点。
可蒸发物质可以是液体或可蒸发固体。在可蒸发物质在室温下为固体
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。
可以用作可蒸发物质的固体材料的实施例包括固态碳氢化合物和长
链羧酸，例如脂肪酸如硬脂酸。
然而，当前优选的是可蒸发物质是液体。
可使用的液体包括水和醇，如丙醇、异丙醇和异丁醇，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
须以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。
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℃的液体作为可蒸发物质。
所述可蒸发物质可以是具有在大气压下的沸点是至少110℃，例如至
少120℃的液体。
所述可蒸发物质可以是邻苯二甲酸二甲酯。
优选可蒸发液体的一组由邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二辛酯和二
甲亚砜组成。一种特别优选的液体是邻苯二甲酸二甲酯。通过使用更高沸
点的液体如邻苯二甲酸二甲酯，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。
在可蒸发物质是液体并且蒸发室包含液体的贮存器或链接到液体的
贮存器的情况下，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。为了防止或最小化这种发生的可能
性，蒸发室的入口和出口可以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贮存器中承载的液体的体
积。唇缘或轮缘可以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，唇缘或轮缘可以是从1至8毫米高，更优选地
2至5毫米高。
载气可以是空气或纯净的气体或气体的混合物。例如，代替空气，载
气可以是氮气。载气优选地被过滤，以便粒子和其他杂质不被承载穿过蒸
发室进入冷凝器。载气可以由不含粒子的源例如气罐来提供。可选地或另
外地，过滤器可以位于蒸发室的外部。例如，过滤器可以位于跨过其自身
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
HEPA过滤器并且这样的过滤器是众所周知的，并不需要在这里详细地描
述。
在可选的安排中，载气可以在其已进入蒸发室后被过滤。例如，在一
个实施方式中，过滤器可以由用于可蒸发物质的多孔载体组成或包括用于
可蒸发物质的多孔载体。在此实施方式中，多孔载体作为过滤器膜，其越
过蒸发室的内部延伸，将蒸发室分为上游间隔和下游间隔。穿过第一入口
进入上游间隔的载气可包含微粒杂质，其在载气经过多孔载体时被除去，
而在同一时间多孔载体上的可蒸发物质被蒸发并且蒸汽由过滤的载气带
走。因此，在多孔载体的下游侧上，没有微粒杂质存在。将要认识到的是，
所谓的“微粒杂质”表示除了用来检测和计算的那些的粒子。
多孔载体可以采取各种形式并由任意数量的不同材料制成。例如，多
孔载体可以由多孔陶瓷材料或多孔织物如玻璃布、石英纤维过滤石棉或棉
织物形成。多孔材料应当在用于使可蒸发物质蒸发的温度处稳定，并且当
可蒸发物质是液体时，多孔材料应当优选地可通过物质来弄湿。
温度传感器(例如热电偶)通常布置在蒸发室内用于检测室内部的温
度。温度传感器优选地与加热元件热接触或极接近加热元件。温度传感器
可被安排以便其由加热元件和/或多孔载体包围。温度传感器通常连接到温
度控制设备。
加热元件可以采取各种形式，但在每种情况下，加热元件被布置在蒸
发室的内部并且极接近多孔载体而不是围绕室的外部(正如是已知商业可
用的冷凝粒子计数器的情况)。将加热元件放置在蒸发室的内部的显著优
点是，它大大降低了仪器的升温时间和仪器的功耗。因此，与已知的CPC
所需的10-20分钟达到操作温度对比，包含本发明的冷凝室的CPC可以在
一分钟内升温至操作温度。
更优选地，加热元件与多孔载体直接接触。
例如，多孔载体可以围绕加热元件。
在一个实施方式中，加热元件包括杆(例如圆柱形杆)部分并且多孔
载体围绕所述杆(例如圆柱形杆)部分。例如，多孔载体可以包括配合在
加热元件的杆(例如圆柱形杆)部分上的套管。这样的构造的形成特别适
合当多孔载体由如上文限定的多孔织物形成时使用。
多孔载体(例如套管)可能具有向下悬挂的部分，其在使用中延伸进
入可蒸发物质(当是液体时)的贮存器。
加热元件的杆部分可以具有中空内部，加热器线或加热器探针以及可
选地热电偶布置在中空内部。为了确保加热器线或加热器探针与中空杆的
内表面之间的良好热接触，导热填充物可被用来使加热器线或加热器探针
和热电偶(当存在时)保持在适当的位置。导热填充物的实施例包括焊料
和其他低熔点合金，以及导热树脂如金属粒子填充的树脂(例如环氧树
脂)。
所述第二入口可被安排以便其通向所述蒸发室。
所述第二入口可具有延伸进入所述蒸发室中的喷嘴和/或所述第二入
口与连通所述冷凝器的出口孔可以成一直线。
所述第二入口与连通所述冷凝器的出口孔可以成一直线并且所述第
二入口可具有比所述出口孔的截面面积小的截面面积。
所述第二入口可被安排以便其通向所述冷凝器。
所述蒸发室的出口孔可设置有喷嘴，所述喷嘴可延伸进入所述冷凝器
中至与所述第二入口同水平的位置或在所述第二入口的下游的位置。
所述装置可被配置使得：
所述第二入口可被安排以便其通向所述蒸发室和所述冷凝器之间的
中间室；
所述中间室可由分隔壁分成上游子室和下游子室，所述壁中的中心孔
可提供这两个子室之间的连通，由此所述第二入口通向所述上游子室；
第三入口可通向所述下游子室，所述第三入口可连接到过滤气体的供
应；
喷嘴可被提供，其可从所述蒸发室的出口孔延伸进入所述冷凝器中至
所述上游子室中的一位置，所述位置与所述第二入口可以同水平或在所述
第二入口的下游；
所述下游子室可包含圆柱挡板，所述圆柱挡板可与所述喷嘴和所述分
隔壁中的所述中心孔对齐，并且所述第三喷嘴可通向围绕所述圆柱挡板的
空间。
冷却工具可被提供以辅助冷却所述冷凝器中气体、蒸汽和粒子的混合
物。
所述冷却工具可包括用于将空气流指引到所述冷凝器的外部表面上
的一个或多个风扇，例如一个风扇或两个风扇。
所述冷凝器可具有比圆筒的表面积与体积比大的表面积与体积比。
所述冷凝器可以设置有具有大致扁平的截面的区域。
所述冷凝器可具有大体上矩形的截面。
所述冷却工具可采用处于与所述冷凝器的外部表面接触的冷却元件
的形式。
所述冷却工具可包括热电冷却设备或由热电冷却设备组成。
所述冷凝器可设置有用于从所述冷凝器的内壁除去冷凝物质的工具。
用于除去冷凝物质的所述工具可包括沿其长度的部分的全部延伸的
一个或多个引流管，所述引流管可由液态冷凝物能够通过的可渗透壁或膜
与所述冷凝器的内部隔开，所述引流管可具有可连接到泵的一个或多个出
口以从所述管提取液态冷凝物。
所述管可通过借助于一个或多个纵向延伸的可渗透壁或膜在其长度
的至少部分上分割所述冷凝器的内部来形成。
所述可渗透壁或膜可设置有将冷凝物从所述冷凝器的内部吸入所述
引流管的毛细管。
所述壁或膜可由(a)具有毛细管尺寸<0.1毫米的陶瓷或不锈钢过滤
材料；或(b)多孔材料形成。
所述装置可包含用于改变所述多孔载体的温度和/或所述冷凝器或其
部分的温度的工具，以便控制所关注的粒子的可检测尺寸下限，并且因此
以获得纳米粒子尺寸分布。
所述蒸发室的所述入口和出口每个可设置有唇缘或轮缘，当可蒸发物
质是液体时，所述唇缘或轮缘可用作对所述可蒸发物质的泄漏的屏障。
所述唇缘或轮缘可由延伸进入所述蒸发室的入口管或出口管的端部
限定或提供。
所述唇缘或轮缘可为1-8毫米高，更优选地为2-5毫米高。
包括上述类型的加热元件的蒸发设备被认为是新的并且代表本发明
的另外的方面。因此，在另一方面中，提供用于在冷凝粒子计数器中使用
的蒸发器设备，所述蒸发器设备包括：
加热元件，其包括用于安装在冷凝粒子计数器中的蒸发室的壁中的装
配部分，以及杆部分；杆部分被安排以向内延伸进入使用中的蒸发室中；
以及
多孔载体，其围绕杆部分并与杆部分接触，多孔载体承载或能够承载
可蒸发物质；
以及可选地保持工具，其用于保持多孔载体在杆部分上的适当的位
置。
加热元件的杆部分和多孔载体可如上限定。
所述杆部分可以是圆柱形的。
所述多孔载体可包括配合在所述杆部分上的套管。
所述多孔套管可以由多孔织物形成。
所述多孔载体可具有在使用中延伸进入液态可蒸发物质的贮存器中
的向下悬挂部分。
所述加热元件的所述杆部分可具有中空内部，加热器线或加热器探针
以及可选地热电偶布置在所述中空内部内。
导热填充物可用于使所述加热器线或加热器探针和当存在时的所述
热电偶保持在所述中空内部内的适当的位置。
所述导热填充物可选自包括焊料和其他低熔点合金以及导热树脂，导
热树脂如金属粒子填充的树脂，例如环氧树脂。
保持工具可以包括配合在多孔载体上以使其保持在适当的位置的夹
子或穿孔套管或由其组成。
所述加热元件和多孔载体，或所述加热工具，是如在上述所限定的。
蒸发室可以改变截面形状并且可以有例如圆形或矩形截面。
本发明的装置可设置有第二入口，包含要计数的气体夹带的粒子的样
气流穿过第二入口引入。第二入口可以被布置以便其通向蒸发室，或通向
蒸发室和冷凝器之间的中间室，或通向冷凝器。
在一个实施方式中，第二入口被安排以便其通向蒸发室。第二入口可
具有延伸进入蒸发室中的喷嘴。当第二入口位于蒸发室内时，优选地与连
通冷凝器的出口孔成一直线，例如以便入口的纵轴与冷凝器的纵轴对齐。
第二入口优选地具有比出口孔的截面面积小的截面面积；例如第二入口当
是圆形时具有比出口孔的直径(当是圆形时)小的直径。在此实施方式中，
不希望受到任何理论的约束，相信的是，样气流或射流当其离开蒸发室时
由载气和蒸汽的同心层围绕，当两个同心层沿冷凝器移动时，它们的混合
产生。
在另一实施方式中，第二入口被安排以便其通向冷凝器。优选地，蒸
发室的出口孔设置有延伸进入冷凝器中至与第二入口同水平的位置或在
第二入口的下游的位置的喷嘴。关于这种安排，不希望受到任何理论的约
束，相信的是，来自蒸发室的载气和蒸汽的流在其进入冷凝器时由样气的
同心层围绕，当两个同心层沿冷凝器移动时，它们的混合产生。
在第二入口通向冷凝器的情况下，样气可以在其进入冷凝器之前用蒸
汽部分地或完全地饱和。在此实施方式中，第二入口可连接到辅助的蒸发
室。
在另外的实施方式中，所述装置被配置使得：
第二入口被安排使得其通向蒸发室和冷凝器之间的中间室；
中间室由分隔壁分成上游子室和下游子室，壁中的中心孔提供子室之
间的连通，由此第二入口通向上游子室；
第三入口通向下游子室，第三入口可连接到过滤气体的供应；
喷嘴被提供，其从蒸发室的出口孔延伸进入冷凝器中至上游子室中的
一位置，该位置与第二入口同水平或在第二入口的下游；
下游子室包含圆柱挡板，圆柱挡板与所述喷嘴和分隔壁中的中心孔对
齐，并且第三喷嘴通向围绕圆柱挡板的空间。
关于上述安排，不希望受到任何理论的约束，相信的是，来自蒸发室
的载气和蒸汽的流在其离开喷嘴进入上游中间子室时由样气的同心层围
绕。由于载气/蒸汽和样气的两个同心层经过分隔壁中的中心孔进入下游中
间室，所以它们由穿过第三入口进入的过滤的载气的另外的同心层围绕。
因此，暂时形成有由载气和蒸汽的中央核心、包含气体夹带的粒子的样气
的中间层和过滤的载气的外层组成的三层流。气体的三层流然后穿过圆柱
挡板的内部离开中间室，并进入冷凝器中，在冷凝器中三个层的混合发生。
在上述实施方式的每个中，在加热的载气、样气、气体夹带的粒子和
蒸汽的混合物沿冷凝器经过时，冷却导致冷凝器内的气体用可蒸发物质的
蒸汽变得过饱和，结果是其冷凝到粒子的表面上。当可蒸发物质是液体时，
在粒子上或周围形成液滴，而当可蒸发物质正常在室温下是固态时，冷却
导致包含或具有粒子的珠的形成。这样，粒子的尺寸有效地从尺寸低至3
纳米增加到尺寸可达到并超过1微米。通过增加粒子的尺寸，使得它们通
过光学粒子检测器如光学粒子计数器可检测。
冷凝器通常由高导热的材料形成，并被制作足够长以确保载气、样气、
蒸汽和要检测的粒子的混合物冷却到足以允许可蒸发物质冷凝到粒子上，
以使粒子增长到可检测的尺寸(例如1微米或更大)。冷凝器可以因此采
取由诸如铝或不锈钢的金属材料形成的管的形式。冷凝器的壁和装置的其
他部分的厚度可以与实际的一样的薄，但是当存在在升高或降低的压力
(例如在10巴)下使用装置的意图时，壁应该足够厚以经得起这种压力。
为了辅助冷却冷凝器中气体、蒸汽和粒子的混合物，可以提供冷却工
具。
在一个实施方式中，冷却工具包括一个或多个风扇，每个用于指引空
气流到冷凝器的外部表面上。在一个实施方式中，存在一个风扇。在另一
实施方式中，存在两个风扇。
风扇可以是或可以不是空气温度控制系统的一部分。温度控制系统使
冷却冷凝器表面的空气能够保持在预置温度，预置温度不受围绕冷凝室的
空气温度的影响。
可选地，冷却元件可被定位与冷凝器的外部表面接触。冷却工具可以
例如是热电冷却设备(例如，珀尔帖(Peltier)冷却设备)。
为了促进改进的冷却，冷凝器的截面可以以提高圆周与截面面积的比
的方式来形成。
冷凝器优选地具有比圆筒的表面积与体积的比大的表面积与体积的
比。通过增加表面积与体积的比，冷凝器可以被制作来更有效地导致更快
速的冷却并且从而使冷凝器的尺寸能够减少。
冷凝器可被限定为具有长度(对应于冷凝器的入口和出口之间的距离
的尺寸)、宽度(正交于长度的尺寸)和高度(正交于长度和高度的尺寸)。
在圆形截面的管形冷凝器的情况下，宽度和高度都是相同的，并且都对应
于管的直径。在正方形截面的矩形冷凝器的情况下，宽度和高度也相同。
然而，在此申请中，其中冷凝器的宽度和高度不相同，引用的“高度”表
示两个尺寸中较小的。
冷凝器的表面积与体积的比可以用多种方式增加。例如，冷凝器的至
少一部分可能具有扁平的截面的部分或可能截面中具有细长的椭圆形或
矩形，截面即在截面中高度大体上小于冷凝器的宽度的。在一个优选的实
施方式中，冷凝器大体上是矩形截面，其中高度不到宽度的一半。
在另一实施方式中，冷凝器可包括环形或部分环形的冷凝器体。环形
冷凝器体可由两个同心圆筒形成，含热的蒸汽的气体被指引穿过内部圆筒
和外部圆筒之间的环形空间，并且冷却空气被指引穿过内部圆筒的内部，
而且围绕或紧靠在外部圆筒的外表面。
为了使粒子尺寸能够被精确测量，重要的是要确保冷凝器中每个粒子
的停留时间大体上相同。这意味着流速与穿过冷凝器的粒子的流动路径理
想地应尽可能一致。
在非圆柱形冷凝器(例如矩形冷凝器)连接到成直线的圆柱形入口和
出口的情况下，存在入口和出口之间的非均匀流动的可能性，特别是在冷
凝器的宽度(如本文限定的)比入口和出口的直径大的情况。为了克服这
个潜在的问题，冷凝器(例如大体上是矩形的冷凝器)可设置有一对流量
分配器管，其关于冷凝器的长度(流动的方向)大体上成直角对准。流量
分配器管连接到冷凝器的入口和出口，并且每个越过冷凝器的宽度延伸，
并设置有通向冷凝器的内部的细长槽或孔阵列。
因此，在本发明的另一方面，提供用于与如本文限定的本发明的装置
一起使用的冷凝器，所述冷凝器包括：
冷凝器体，其具有入口、出口和具有内部长度、内部宽度和内部高度
的中空内部；
入口流量分配器管，其连接到冷凝器体的入口并且延伸过冷凝器体的
内部宽度；以及
出口流量分配器管，其连接到冷凝器体的出口并且延伸过冷凝器体的
内部宽度；
其中，冷凝器体的内部高度低于入口流量分配器管和出口流量分配器
管的每个相应的内部高度；
入口流量分配器管和出口流量分配器管的每个设置在其壁中，带有连
通冷凝器体的中空内部的一个或多个槽或孔，以便提供从入口流量分配器
管穿过冷凝器的中空内部并进入出口流量分配器管的流动路径。
入口流量分配器管在使用中被连接或用其他方式流体连通蒸发室的
出口，而出口流量分配器管被连接或用其他方式流体连通粒子检测器。
流量分配器管的构造，以及槽或孔的定位如此以提供穿过冷凝器体到
粒子检测器的气体的大体上均匀的流动。
流量分配器管可以是例如圆形截面、椭圆形截面或多边形(规则的或
不规则的)截面。在一个实施方式中，流量分配器管是圆形截面。
每个流量分配器管的内部截面面积优选地大于冷凝器体的内部截面
面积(内部宽度×内部高度)。作为一个实施例，如果流量分配器的截面是
内部直径Dt的圆形并且冷凝器的内部高度是Hc和内部宽度是Wc，那么
πDt2>Hc*Wc。πDt2/(Hc*Wc)的比率通常应大于1.1或优选地大于2或更加
优选地比率应大于3。
如上面所指出的，流量分配器102和104的内部与矩形冷凝器的内部
之间的流体连通可以通过提供带有通向冷凝器体的中空内部的细长窄槽
或孔阵列(优选地线性)的流量分配器管的壁来实现。在流量分配器管与
冷凝器体的内部之间的优选地流体连通借助于每个流量分配器管的壁中
的窄槽来提供。通过形成窄的槽，流量分配器管的内部直径可以被减少，
因为冷凝器中流动的均匀性由冷凝器的内部高度(Hc)与槽的宽度(Ws)
的比决定。在本文中，槽的宽度表示与冷凝器的内部高度在相同方向上的
尺寸(与槽的“长度”对比，其中引用的“长度”，尺寸是与冷凝器的内
部宽度在相同方向上的尺寸)。通常，Hc/Wc的比率应大于1.1或优选地大
于2或更加优选地比率应大于3。
在另一实施方式中，流量分配器管的壁包含沿矩形冷凝器103的入口
和出口均匀分布的孔来代替槽。孔的数量Nh应大于1或优选地大于4或
更加优选地大于10。孔的直径Dh应足够小并可以由表达式：πDt2>Nh*πDh2
来计算。πDt2/(Nh*πDh2)的比率应大于1.1或优选地大于2或更加优选地比
率应大于3。
流量分配器管可以由各种材料的任一种制成。例如，它们可以由不锈
钢管、PTFE、铝或任何合适的金属、玻璃、陶瓷或塑料材料制成。冷凝器
体优选地由导热材料如金属制成，金属例如钢如不锈钢。
关于冷凝器的一个潜在问题，尤其是当它们具有小的内部截面面积或
宽度(例如小于2毫米)时，是冷凝器的壁上的冷凝可以导致堵塞。为了
克服这个问题，可提供用于从冷凝器的内壁除去冷凝的物质的工具。例如，
冷凝器可具有沿其长度的全部或部分延伸的一个或多个引流管，引流管通
过半渗透壁或膜与冷凝器的内部隔开，液态冷凝物可以经过半渗透壁或
膜，引流管具有可连接到泵以从管引出液态冷凝物的一个或多个出口。半
渗透膜不断地由工作流体来填充并且因此气体流动不能穿透它们。借助于
这样的安排，当可蒸发物质在冷凝器的内壁上冷凝，而不是在冷凝器中堆
积和堵塞冷凝器时，其被引出穿过半渗透壁进入引流管并远离冷凝器内
部。一旦被引出，冷凝物可以被送到用于后续处理的废物贮存间隔或再循
环回蒸发室。
管可以通过借助于一个或多个纵向延伸的半渗透壁或膜在其长度的
至少部分上分割冷凝器的内部来形成。半渗透壁或膜可设置有将冷凝物从
冷凝器的内部吸入引流管的毛细管。例如，壁或膜可以由具有毛细管尺寸
<0.5毫米(例如1-10微米)的陶瓷或不锈钢过滤材料形成。
本发明的冷凝装置被设计以连接到粒子检测器，通常粒子检测器能够
单个粒子检测和/或单个粒子计数。
更典型地，本发明的冷凝装置被设计以形成冷凝粒子计数器的一部
分，并且为了此目的，可以连接到粒子计数器，粒子计数器可以是例如来
自英国NaneumLimitedofCanterbury的可用的Naneum‘SAC1’粒子计数
器。
因此，在另一方面中，本发明提供包括如本文限定的本发明的冷凝装
置的冷凝粒子计数器。
在另一方面中，本发明提供使用包括如本文限定的本发明的冷凝装置
的冷凝粒子计数器对纳米粒子检测和计数的方法。
在另一方面中，本发明提供一种冷凝装置，其大体上如参考附图2-20
所描述的。
在另一方面中，本发明提供一种冷凝粒子计数器，其包括如在上文中
限定的装置、冷凝器或蒸发器设备。
在另一方面中，本发明提供一种组件，其包括如在上文中限定的连接
到粒子检测器的装置。
所述粒子检测器能够进行单个粒子检测。
所述粒子检测器可以是粒子计数器。
在另一方面中，本发明提供一种使用冷凝粒子计数器对纳米粒子进行
检测和计数的方法，所述冷凝粒子计数器包括如在上文中限定的装置。
在另一方面中，本发明提供一种组件，其包括顺序连接或并联连接的、
根据上文的多个冷凝装置。
多个冷凝室可顺序连接或并联连接，并且每个冷凝装置可被配置以便
在纳米粒子的不同的下检测尺寸的情况下工作。
在另一方面中，本发明提供一种借助于通过改变根据上文的装置中的
所述多孔载体的温度来变化下检测尺寸以获得纳米粒子尺寸分布的方法。
从下面描述的和图2-12示出的具体实施方式，本发明的另外的方面和
特征将是明显的。
附图说明
图1是已知类型的冷凝装置的示意侧视图。
图2是根据本发明的第一实施方式的冷凝装置的示意图。
图3是根据本发明的第二实施方式的冷凝装置的示意图。
图4是根据本发明的第三实施方式的冷凝装置的示意图。
图5是根据本发明的第四实施方式的冷凝装置的示意图。
图6是设置有工作流体除去工具的矩形截面冷凝器/出口的示意侧面
剖视图，其可以用图2-5的实施方式的任一种的冷凝器/出口替代。
图7是设置有工作流体除去工具的可选矩形截面冷凝器/出口的示意
侧面剖视图，其可以用图2-5的实施方式的任一种的冷凝器/出口替代。
图8是根据本发明的第五实施方式的冷凝装置的示意图。
图9示出由与MetOneTM激光光学粒子计数器耦合的图2的冷凝室(黑
色正方形)和来自TSI的手持3007CPC(白色菱形)测量的气溶胶粒子数
浓度(N)的比较图。
图10是根据本发明的第六实施方式的冷凝装置的示意图。
图11是根据本发明的第七实施方式的冷凝装置的示意图。
图12是根据本发明的第八实施方式的冷凝装置和粒子计数器组件的
示意图，其中组件具有使工作流体再循环的能力。
图13是具有到冷凝器的入口中和在冷凝器的出口中的流量分配器的
矩形冷凝器的示意图。
图14是具有到冷凝器的入口中和在冷凝器的出口中的流量分配器的
矩形冷凝器的截面视图(垂直平面)。
图15是具有到冷凝器的入口中和在冷凝器的出口中的流量分配器的
矩形冷凝器的截面视图(水平平面)。
图16是具有包含到冷凝器的入口中的槽的流量分配器和具有在冷凝
器的出口中的槽的另一流量分配器的矩形冷凝器的截面视图(垂直平面)。
图17是根据本发明的另一实施方式穿过蒸发室的剖面图。
图18是从另一角度示出图17的蒸发室的示意剖视图，但是其中加热
元件被省略并且工作流体贮存器在适当的位置。
图19是示出图18中描绘的装置的平面图的示意剖视图。
图20是用在图17-19的实施方式中的加热元件和多孔载体的更详细的
剖视图。
具体实施方式
通过参考下面非限制性实施例中所描述的具体实施方式，现将更详细
地说明本发明。
图1是可以与粒子计数器结合使用的已知类型的冷凝装置的示意侧视
图。一个这样的已知冷凝装置是在来自TSI(www.tsi.com)的手持CPC
30007中发现的装置。该装置包括蒸发室1a，其具有浸泡在挥发性工作流
体中、以释热元件2a形式的多孔载体。室1a具有圆柱形的形状和大于释
热元件2a的外径的内径。蒸发室1a设置有入口4a和出口5a，以及加热
元件3a，加热元件3a环绕室的外壁。室的温度由传感器6a测量并由使用
连接到室的外壁上的加热元件的接口8a的控制单元7a控制。冷凝器9a被
放置于室1a与出口5a之间。
包含小的气体夹带的粒子(例如空中粒子)的空气流借助于泵(未示
出)经由入口4a被吸入室1a中。随着其通过蒸发室，空气流被加热并饱
和，带有通过工作流体的蒸发形成的蒸汽。蒸汽饱和的空气流然后进入冷
凝器，其中空气的冷却以及工作流体到空中粒子上的冷凝发生。因此，粒
子通过冷凝增长到约1微米的可容易探测的尺寸。扩大的粒子穿出出口5a，
并且被指引至光学粒子计数器，其中粒子被计数。
在图1中所示的冷凝装置可以用于检测并计数尺寸范围从10纳米至
600纳米的粒子。然而，该装置存在许多的缺点。
一个主要的缺点是，工作流体必须定期且经常地更换。
另外的缺点是，该装置非常缓慢地升温到工作状态。在上述TSICPC
3007的情况下，该装置在其可以使用之前有600秒的升温时间。
另一缺点是，该装置的布局不容易适合于小型化。缩小装置的尺寸将
使使用更小的工作流体释热元件成为必需，其将因此需要更频繁地被重新
填充。因此，小型化将导致时间段的减少，在该时间段期间装置能够使用
而无需重新填充。
另外的缺点是，上述TSICPC3007仪器不能用在加压的环境中，并且
根据其产品规格，仪器将只在水平保持时操作。
图1中所示的CPC中释热元件中的工作流体的相对快速损耗影响冷凝
单元的性能，因为其导致室内部的空气中的工作流体的蒸汽的较低浓度。
当蒸汽的浓度较低时，蒸汽往往优先在相对大的粒子上冷凝，并且因此较
小的粒子不会被检测并计数。例如，由于工作流体的损耗，检测下限(lower
detectionlimit)可能增加多达10纳米至15或20纳米。因为非常难以监控
实践中的损耗的程度或损耗比率，所以存在许多小的粒子将不被检测并计
数的可能性。
本发明的冷凝装置克服或至少缓解用已知CPC的上述指出的问题。
根据本发明的第一实施方式的冷凝装置在图2中示出。该装置包括：
－蒸发室2，其带有一个入口1(“第一入口”)，用于干净的气态媒质，
例如其中所有有关的气溶胶粒子已被除去的干净空气。
－另一入口8(“第二入口”)，包含所关注的纳米粒子的样气(例如空
气)流穿过入口8可以被吸入蒸发室中。入口8被定位在离第一入口一距
离处，例如入口8被定位在室的顶部而第一入口1被定位在室的底部。
－加热元件3，其与温度传感器4充分接近地热接触，该元件通过可
由工作流体弄湿的多孔载体6覆盖。多孔载体6浸泡有低度均衡蒸汽压的
工作流体，例如半挥发性有机化合物如邻苯二甲酸二甲酯。
－温度控制设备5，其保持多孔载体6的表面温度在维持足够高的工
作流体的蒸汽密度的形成的水平上；
－冷凝器/出口7，其由高导热性材料制成并且足够长，以让工作流体
的液滴形成在所关注的纳米粒子上并增长至使其能够借助于单个粒子计
数检测并计数的尺寸。冷凝器/出口7被定位在靠近第二入口8或第二入口
8的对面，以提供通过第一和第二入口进入室的载气和样气流的有效混合。
冷凝器/出口7被定位与第二入口成一直线。
－温度冷却设备10，其保持冷凝器/出口7的表面温度在维持工作流
体液滴的形成和增长的水平上。冷却设备10放置在使冷凝器/出口7的有
效冷却能够维持的位置。
在使用中，干净的载气(例如空气)流通过入口1进入蒸发室2中，
该干净的载气流已通过过滤器被过滤(未示出)并且其包含不可检测的气
溶胶粒子(或包含可略去量的可检测的气溶胶粒子)。在蒸发室中，加热
元件3被定位以与温度传感器4良好地热接触，并且足以蒸发工作流体并
生成维持工作流体冷凝在所关注的粒子上所必要的条件的预定温度，由连
接到温度传感器的温度控制设备5控制。工作流体被包含在采用覆盖物6
的形式的多孔载体中，覆盖物6放置在加热元件3上。在圆柱形加热元件
的情况下，覆盖物将绕其表面包裹并浸泡有工作流体。因此，经由入口1
引进的干净的空气流使用工作流体的蒸汽饱和并移向冷凝器/出口7。包含
所关注的纳米粒子的气体(例如空气)样品穿过第二入口8引入到室中。
在入口8和进入冷凝器7的开口之间的区域中，由于热饱和蒸汽和含有所
关注的纳米粒子的样气的未加热流的混合，工作流体蒸汽的过饱和出现。
因此，在这个区域中，工作流体在所关注的粒子上的非均质成核开始出现。
当蒸汽和含有纳米粒子的样气的混合物进入冷凝器7时，由于气体和蒸汽
通过冷凝器/出口的壁冷却，额外的过饱和发生。过剩的热量借助于冷却系
统10从冷凝器/出口7的表面除去。在图2中示出由鼓风机产生的冷空气
流9。在冷凝器/出口中，工作流体的液滴在纳米粒子上增长直到例如l微
米的可检测的尺寸。这些液滴可以例如使用连接到室的出口11的光学粒子
计数器(未示出)来计数。因此，所关注的每一纳米粒子被单独地检测。
如图2中示出的装置的实施例，10毫米内径(ID)的小型圆柱形冷凝
室由PTFE构造，带有由4毫米外径(OD)的不锈钢管制作的入口1和8
和由8毫米OD的不锈钢管制作的冷凝器/出口7。K型热电偶用作温度传
感器4。使用的加热器3是由用邻苯二甲酸二甲酯浸泡的多孔SiO2层覆盖
的NiCr加热器。粒子使用MetOne激光粒子计数器(HachULTRA分析)
来计数。
温度由数码管温度控制器5控制。据发现，从而构建的冷凝装置能够
使纳米粒子扩大到1至2微米的直径。冷凝装置在至少2个月的时段内使
用而不需重新填充。
本发明的另一实施方式如图3所示。图3的装置类似于图2的装置，
除了工作流体的贮存器12被提供以延长时间段，在该时间段之上该装置
可以操作而不需重新填充。当装置不在水平位置时，为了防止来自贮存器
12的流体逸出并且防止其干扰冷凝过程，入口1和8以及冷凝器/出口7
被安排以便其向内部地延伸到冷凝室2中。这些延伸防止工作流体穿过入
口1和8以及出口7逸出。已经示出工作至少12个月而不需重新填充的
图3中所描绘的类型的冷凝装置。
这种实施方式的作用方式与用于上面图2的实施方式的相同。
本发明的另外的实施方式在图4中示出。在此实施方式中，其在构造
上类似于图2的装置，冷却元件13被提供，其与冷凝器/出口热接触。可
以是例如热电冷却元件的冷却元件13连接到冷凝器/出口的表面。冷却元
件13使热量能够以比可能带有风扇更加有效的方式从冷凝器/出口除去。
冷却元件13的增强的冷却效果增加冷凝器内蒸汽的过饱和并使工作流体
的液滴能够更为迅速地增长。冷却元件13的操作可以被控制以便冷凝器/
出口7的表面温度比周围温度低，并且因此该装置可以在包括炎热环境的
周围温度的范围之上有效地使用。这种实施方式的性能不受周围温度的变
化的影响。
冷凝器/出口7的形状能够影响其性能。在图5中所示的实施方式中，
冷凝器/出口7具有矩形的截面，由标记为14的元件示出。在此实施方式
中，截面14指的是冷凝器/出口7的中间区域。对于中间区域的任一侧，
冷凝器可以是任何的截面形状，例如圆形。矩形截面形状呈现更大的表面
积，来自风扇10的冷却空气流9可以被指引至其上，从而提高冷凝器/出
口7的冷却效率，而这又有助于冷凝器/出口7中蒸汽的过饱和并提高液滴
增长的效率。虽然冷凝器/出口7被示出为具有平边矩形截面的中间区域，
但是矩形的短边可以是圆的而不是平的，以便截面是细长的椭圆形状，而
不是规则的矩形。细长的椭圆的截面可以通过压平制作冷凝器/出口7的管
的一部分的简单办法来创建。
第二入口8也可以具有矩形或细长的椭圆的截面的形状。在实践中，
矩形的高度与宽度的比率可以从1到100。
在图2-5中示出的实施方式的每个中，第二入口8被定位与冷凝器/出
口成一直线，并且入口8的内部截面面积小于冷凝器/出口7的内部截面面
积。
不希望受到任何理论的约束，相信的是，这种布置导致包含气溶胶粒
子的样气(例如空气)流被注入到蒸汽和载气的流的中心，以便进入冷凝
器/出口7出口的混合物由包含通过载气和蒸汽的鞘围绕的纳米粒子的样
气的核心流组成。在气体和蒸汽沿冷凝器/出口7移动时，同心层之间的混
合发生。
冷凝室2的主体的截面形状也可为矩形，同样地加热元件3的截面形
状也可是矩形。加热元件3通常被定位并且被定向，以便优化进入第一入
口1的载气流用工作流体蒸汽饱和的效率。
如果图5所示的矩形截面冷凝器的宽度小(例如小于2毫米)，那么
存在冷凝的工作流体将积累在冷凝器的内表面上从而阻塞冷凝器的风险。
为了防止这种情况发生，可以提供用于从冷凝器除去冷凝的工作流体的工
具。这样做的一个方法是借助于毛细作用和压力差的结合从冷凝器的内表
面除去冷凝的流体。用于实现这点的安排在图6中示出。
图6是冷凝器的截面图。冷凝器的内部设置有两个实心多孔膜15，其
可由工作流体弄湿并用来将冷凝器内部分割成中心通道和一对细长的流
体收集室16。在使用时，在含有纳米粒子和不断增长的液滴的气体和蒸汽
流沿膜15之间的中心通道通过时，工作流体蒸汽到膜表面上的冷凝发生。
因此形成的多余液体立即通过膜15吸收并通过毛细作用和由泵(未示出)
维持的负压力的结合进入收集室16中。液体穿过出口17从室16除去，
并且然后可以被指引至废物收集室(未示出)或者在装置具有如图3中所
示的工作流体贮存器12的情况下回收到贮存器。
对于控制工作流体容器16中的液体的温度以稳定冷凝器的温度是有
利的。这可以使用如图4中所示的外部冷却元件(例如热电冷却元件)来
完成或可以通过穿过如图7中所示的热交换器循环液体来实现。
图7是设置有流体收集室16的冷凝器的部分的截面的示意图(冷凝
器的其余部分未示出)，流体收集室16连接到工作流体循环和温度控制电
路。
室16各有额外的出口18并且两个出口由一段管连接。入口/出口17
经由数段管连接到泵19和温度控制器20。入口/出口17和18、连接管、
泵19和温度控制器20一起形成电路，在其周围工作流体可以被泵送。围
绕电路流动并穿过流体收集室16的工作流体可以由温度控制器20保持在
恒定的预定温度处，并且这样可以控制冷凝器的内表面温度。
该电路设置有阀(未示出)，其使工作流体的一部分能够借助于附加
的泵(未示出)或其他流体运输工具沿管21被指引至蒸发室2的主体中
的工作流体的贮存器12。
图7中所示的管连接仅是说明性的，并且要认识到，该连接可以被不
同地安排，以使液体能够更均匀地冷却冷凝器。例如，在可选的安排中，
工作流体可以从控制器20被指引至入口17并从出口18移动至泵19。
此外，应当认识到，左边和右边的流体收集室16可以被保持在不同
的温度。这会在冷凝器中生成工作流体的蒸汽的多余过饱和，并且使液滴
的增长比率和液滴尺寸能够根据需要增大或减小。在这种情况下，每个室
都有其自身的温度控制循环。容器中液体的温度可以借助于尝试和错误实
验性地被发现，或根据成核理论来计算。
使两个流体收集室16保持在不同的温度具有另一重要优势。当冷凝
器中的过饱和足够高时，不同尺寸的纳米粒子可以在沿其穿过冷凝器的行
进的不同位置中形成液滴，并且因此在不同尺寸的纳米粒子上形成的液滴
将增长至各种尺寸。例如，50纳米的粒子将产生0.5微米的液滴，而100
纳米的粒子将生成1微米的液滴。这使得纳米粒子的尺寸能够由液滴的尺
寸得到，设施其可以形成特性化气溶胶尺寸分布的方法的基础。
还应当认识到，冷凝器的内表面温度可以是非均匀的，例如，其可以
随冷凝器的长度线性降低。这会沿冷凝器的长度逐渐增加工作流体蒸汽的
过饱和，并且因此提高装置的使不同尺寸的纳米粒子增长到不同尺寸的液
滴的能力。较大的纳米粒子倾向于较早地(在冷凝器的开始)形成液滴，
而需要更大的过饱和的较小的粒子倾向于只在冷凝器的端部较迟地形成
液滴，并因此较小的粒子具有较少的时间来增长，并因此与较大的纳米粒
子相比较其增长到较小的液滴尺寸。这使得在冷凝室中形成的液滴的尺寸
和纳米粒子的尺寸之间建立一对一的关系成为可能。这种关系可以被用于
通过分析液滴的尺寸来评估纳米粒子的尺寸。
在本发明的装置中的过饱和可通过壁的温度、装置的部件部分的尺寸
和穿过装置的载气和样气流的流速来控制。这些参数的变化使得技术人员
能够选择过饱和的条件。在过饱和与能够形成液滴的纳米粒子的最小尺寸
之间存在众所周知的联系。因此，通过改变这些参数(例如加热元件3的
温度)的一个或几个来改变冷凝装置的检测下限是可能的。这在确定纳米
粒子的尺寸分布和各种尺寸范围中纳米粒子的比例时是有力工具。它还使
能带有预定检测下限，例如100纳米、30纳米、10纳米或3纳米，或具
有可变的检测下限的冷凝装置的发展。这提供用于制定气溶胶粒子的尺寸
的平台，以便获得纳米粒子尺寸分布。
还应当认识到的是，设立以给予不同的过饱和的条件的本发明的多个
冷凝装置可以彼此顺序或并联连接。顺序安排使不同尺寸的纳米粒子能够
增长为不同尺寸的液滴。如果第一冷凝室设置比第二低的过饱和，那么较
大的粒子在第一室中形成液滴，但较小的粒子仅在第二室中形成液滴，而
先前形成的液滴进一步增长并在尺寸上明显地变得更大。对于第二和第三
室同样如此。因此，多个室使多个液滴尺寸能够形成。这允许纳米粒子的
尺寸分布通过分析液滴的尺寸分布来重新得到，例如通过利用光学粒子计
数器。
在冷凝室并行安排的情况下，所关注的纳米粒子流被分成几个并行
流，并且所述流被指引至不同的室。室应被设置为不同的过饱和值，以便
具有不同的尺寸检测下限。这使得通过分析在这些室中增长的液滴的数量
重新得到纳米粒子数的尺寸分布成为可能。
还将认识到的是，改变冷凝装置的温度和其他参数并因此改变过饱和
以及在给定测量周期期间的检测下限是可能的。这使得累积的粒子尺寸分
布能够被获得。
根据本发明的另外的实施方式的装置示意性地示出在图8中。在此实
施方式中，该装置包括蒸发室(饱和室)2，其包含由受控电源5供电的
加热元件3。加热元件3与多孔材料6紧密接触，多孔材料6浸泡有工作
流体例如半挥发性化合物，其附着于连接到电源5的温度传感器4。蒸发
室具有入口1和延伸进入通向冷凝器7的喷嘴22的出口。冷凝器设置有
入口8，包含所关注的纳米粒子的气体样品可以穿过入口8被引入到冷凝
器中。喷嘴22延伸进入冷凝器中，以便它打开进入入口8下游的冷凝器
中。冷凝器7配备有出口11和冷却元件13。
图8的实施方式工作如下。干净的空气(载气)流借助于流生成设备
例如泵(未示出)经由入口1被指引进入饱和室2中。在该室中，加热元
件3加热工作流体中浸泡的多孔材料6以产生蒸汽。包含蒸汽的空气流通
过喷嘴22被指引至冷凝器，其中空气流被冷却，紧接着与通过入口8进
入的包含纳米粒子的未加热的样气流混合。喷嘴22被设计以使热的蒸汽
饱和的空气流传递进入包含纳米粒子的样气流的中心，以便热的蒸汽饱和
的流由较冷的样气鞘包围。组合的气体流由控制冷凝室7的壁的温度的冷
却元件13冷却。在冷凝器中，由于热的蒸汽饱和的空气与较冷的样气混
合且通过冷凝器7的壁冷却，工作流体的过饱和发生。因此导致工作流体
蒸汽冷凝到空中纳米粒子上并形成约1微米的液滴。这些液滴经由出口11
被指引至光学粒子计数器并被单独地计数。
为了减少粒子损失，喷嘴22和冷凝器7都具有圆柱形对称性，并且
喷嘴22以这样的方式沿着冷凝器7的轴定位，这样的方式为喷嘴的端部
向下游延伸超过第二入口8。这使得较冷的样气流能够围绕包含蒸汽的载
气流来形成。
本发明的冷凝装置的优点是，其提供可靠的数据，并且可以被小型化
以制定比已知的冷凝计数器的那些小得多的尺寸。
在本发明的实施方式的每个中的优选工作流体是半挥发性邻苯二甲
酸二甲酯。使用半挥发性化合物的主要优点是，其导致工作流体的低得多
的消耗。已经发现本发明的装置可工作超过10个月而不需重新填充。
流速的选择、饱和室的温度和所关注的空中粒子被引入室中的方式，
通常将根据粒子的性质及其浓度作出。冷凝器出口11的流出总量经常是在
范围从0.1到41/min。干净的载气流动占总流量的10-90％。对于邻苯二
甲酸二甲酯，饱和室的温度通常是在范围从80-150℃。
为了减少加热元件的功率消耗，可以使用薄膜加热器，其连接到可通
过工作流体弄湿的多孔媒质。多孔媒质的一部分的优点是，其是足够长的
以与室2的底部处的工作流体接触。
蒸发室2和冷凝室7可由多种材料包括任何金属、玻璃或陶瓷或(对
蒸发室而言)塑料如PTFE来制造，但是优选的使用对空气或其他载气中
的氧化是惰性的或稳定的且不与工作流体发生化学反应的材料或表面处
理。耐热玻璃(pyrexglass)、石英、陶瓷和不锈钢被用于室及其元件的各
种变更。
也将认识到，包含所关注的粒子的样气流可以通过入口1引入，并且
干净的空气经由入口8引入。对于温度稳定的粒子如金属粒子，这是优选
的。然而，由有机化合物形成的气溶胶粒子可能会受到由加热元件产生的
高温的影响并应当因此经由入口8引入。
根据本发明的另一实施方式的装置在图10中示出。在此实施方式中，
其中蒸发室具有与图8的实施方式类似的布局，混合室(中间室)25被定
位在饱和室2和冷凝器7之间。混合室由具有中心孔口的分隔物24分成
下游子室和上游子室。喷嘴22延伸进入上游子室，并且与喷嘴22对齐的
圆柱挡板在上游方向从下游子室的端部延伸。这些元件可以由与装置的其
余部分相同的材料来制造。混合室25和分隔物24可以具有圆柱形对称，
或者其可以在截面上是矩形的。此实施方式使能够实现最低的1纳米的纳
米粒子的下检测尺寸。第三入口23被提供并且其打开进入圆柱挡板周围
的环形空间。
在此实施方式中，所关注的气溶胶样品被指引进入入口8，并且干净
的空气流通过入口23引入。混合室使所关注的气溶胶样品流能够夹在包
含工作流体蒸汽的载气的中央核心流和由来自入口23的干净空气形成的
外层之间。使用这种类型的装置，发现当夹心中的气体层是是圆柱对称的
时，获得最佳结果。
延长装置的工作寿命而无需频繁地重新填充工作流体是有利的。可以
借助于两个冷凝单元与从液滴收集并重复利用工作流体的工具的组合来
实现重新填充之间的操作寿命显著比较长，其中液滴已经经过粒子检测器
并且其包含空中粒子。这样的组件可以包括两个冷凝单元和用三通阀的气
溶胶流动操作以重导向流动的系统。与这样的组件一起使用的冷凝装置与
上述其他具体实施方式略有不同，并且合适的冷凝装置的实施例在图11
中示出。在图11的实施方式中，入口1接收气体(例如空气)，其中是包
含从粒子计数器回收的空中粒子的悬浮微液滴。为了防止回收的空中粒子
继续通至冷凝器并因此污染包含所关注的粒子的样气，多孔媒质26被定
位横穿蒸发室中的蒸发室空气流。多孔媒质被选择以便能够执行两种功
能。首先，它必须可由工作流体弄湿，以便在加热时它可以用作蒸汽源，
以及其次，它必须能够作为过滤器来收集含有微粒的微液滴，从而避免污
染多孔媒质的下游区域中的蒸汽。正如上面描述的其他实施方式中，加热
元件3定位在靠近多孔媒质的表面以蒸发沉积的工作流体。然而，加热元
件3和多孔媒质26之间的热接触在此实施方式中不重要，原因在于由穿
过入口1进入室的气体所提供的热效应。
从以上应该理解，多孔媒质26应以用蒸发室的壁形成气密这样的方
式来定位，以便穿过入口1所接收的所有气体被过滤并且所有空中粒子都
被捕捉。在多孔载体上收集的工作流体的液滴可以被重新蒸发并作为蒸汽
被释放进入多孔载体的下游侧上的蒸发室。
包括上述类型的两个冷凝装置的组件消耗很少的工作流体或没有消
耗工作流体，并且因此并不需要被重新填充。这样的组件在图12中示出。
图12中所示的组件包括每个对应于图11中所示的装置的两个装置27
和28以及光学粒子计数器29。三个三通阀30、31和32和两个开/关阀33
和34指引流体的流动以许可工作流体的再循环。
图12中所示的组件的功能如下：
包含所关注的纳米粒子的空气流经由公共入口35由三通阀30的适当
调整吸入一个冷凝装置(例如装置28)中。当阀34关闭时，在装置中的
纳米粒子上形成的微液滴借助于三通阀31被指向光学粒子计数器29。经
过计算之后，微液滴通过三通阀32被指引至其他装置27。在装置27中，
微液滴被收集到多孔媒质上并且被过滤的干净的空气通过打开阀33穿过
出口35被释放到大气中。因为没有电压施加到加热元件，所以装置27中
的蒸发室仍然是冷的，并因此储存在多孔媒质上收集的工作流体。
在适当的时间段之后，加热装置27，调整阀的位置，并且允许装置
28冷却，以便其能够收集工作流体的液滴。先前闲置的设备27然后处在
工作模式中，并且先前由多孔媒质捕获的工作流体被加热并蒸发以形成然
后与上述气体样品流混合的蒸汽。在经过冷凝器和粒子计数器后，含粒子
和蒸汽的空气流被指引至装置28，其中空气被过滤并且工作流体按照上述
被收集用于装置27。然后重复这个循环。
室之间的切换所需的时间可以通过试验和错误凭经验地确定。正常
地，只需要在数百个小时的操作后切换阀。因此，系统需要相对少的能量
来操作并且能量可以很容易地实现。
如果有必要，附加的专用气体过滤器可以连接到出口35和36，以在
通过多孔载体过滤后阻止气体流中残留的工作流体蒸汽。然而，通过使用
诸如邻苯二甲酸二甲酯的半挥发性工作流体，对于大部分应用没有必要使
用附加的过滤器，因为半挥发性化合物的蒸气压非常低。
在上述实施方式的每个中，冷凝室可配备工作流体传感器，例如填充
玻璃毛细管或露点型传感器(图中未示出)。放置在例如室内的传感器使
工作流体的损耗能够被监控。
图13-16示出用于在本发明的装置中使用的冷凝器的另外的类型。在
此实施方式中，冷凝器具有矩形截面。
通过使用矩形截面的冷凝器，冷凝室的尺寸可以大大减少。然而，使
用一些矩形冷凝器布局，特别是其中冷凝器的入口和出口是圆形截面的
管，有潜在的问题是，在冷凝器中可能存在流速的非均匀性。这可能导致
一些粒子在冷凝器中要花费比其他粒子更多的时间，意味着在冷凝器中存
在粒子的不均匀增长。这反过来可能会导致粒子的数量和尺寸的测量的不
准确。图13-16示出矩形冷凝器，其提供穿过冷凝器的含蒸汽的气体的大
体上均匀的流速。在此实施方式中，提供一对流量分配器，一个连接到矩
形冷凝器的任一侧。流量分配器之一与蒸发室流体连通(例如连接)，而
另一流量分配器与粒子检测器流体连通(例如连接)。
因此，如图13中所示，矩形冷凝器103配备第一流量分配器102和
第二流量分配器104，这两个都与冷凝器流体连通。用工作流体饱和的热
气体(例如空气)经由入口101进入第一流量分配器102。流量分配器101
被设计用于向冷凝器102供应均匀的流动。因此，流量分配器102的入口
101端部的对面被闭塞，见图15。在冷凝器103的出口处，第二流量分配
器被连接以减少冷凝器103的出口处流动的非均匀性。气体流动穿过出口
105离开第二流量分配器。
图14显示第一流量分配器101、矩形冷凝器103和第二流量分配器
104的相对位置。
图15示意性地显示冷凝器103、流量分配器102和流量分配器104内
部的流动气流的线路。在此实施方式中，沿轨迹106、107和108移动的
气块具有大体上相同的速度，并因此在矩形冷凝器103中具有大体上相同
的停留时间，并因此具有形成的大体上相同尺寸的液滴。
停留时间的一致性通过设计流量分配器来实现，使得流量分配器的截
面的内部面积比冷凝器的截面的内部面积充分地大。作为实施例，如果流
量分配器的截面是内部直径Dt的圆形并且冷凝器的内部高度是Hc并且内
部宽度是Wc，那么πDt2>Hc*Wc。πDt2/(Hc*Wc)的比率应大于1.1或优选
地大于2或更加优选地比率应大于3。
流量分配器102和104的内部与矩形冷凝器的内部之间的流体连通可
以通过提供具有通向冷凝器的细长窄槽或孔线性阵列的流量分配器的壁
来实现。在流量分配器102和104与冷凝器103之间提供窄槽是有利的。
在图16中，垂直截面视图示意性地显示槽109和110。在这种情况下，流
量分配器的内部直径可以被减少，由于冷凝器中流动的均匀性通过包含槽
的宽度Ws但非冷凝器的高度Hc的表达式：Hc>Ws来决定。Hc/Wc的比
率应大于1.1或优选地大于2或更加优选地比率应大于3。
在另一实施方式中，流量分配器包含沿矩形冷凝器103的入口和出口
而不是沿两个槽均匀分布的孔。孔的数量Nh应大于1或优选地大于4或
更加优选地大于10。孔的直径Dh应足够小并可以由表达式：πDt2>Nh*πDh2
来计算。πDt2/(Nh*πDh2)的比率应大于1.1或优选地大于2或更加优选地比
率应大于3。
在图13-16所示的冷凝器安排的一个实施方式中，流量分配器102和
104由7毫米ID的不锈钢管制造并且长度是40毫米。冷凝器103由不锈
钢板制造，尺寸为：Wc＝20毫米、Hc＝1.4毫米和Lc＝30毫米。然而，
应该认识到，其他材料可以用于制造流量分配器，例如PTFE、铝或任何
合适的金属、玻璃、陶瓷或塑料材料。
还将认识到的是，分配器的截面形状可以是矩形、三角形、椭圆形、
多边形或任何简单几何形状的组合。
图17-19示出蒸发室和相关的工作流体贮存器。
图17中所示的蒸发室包括由PTFE形成的体200，其围住室内部216。
室具有一对入口220(未示出在图17中，但见图18)，并具有用于连接到
冷凝器(未示出)的工具202。
加热元件安装在PTFE体200的一侧中。加热元件具有可移动地固定
在PTFE体的壁中的装配部分206，以及延伸进入室内部216的杆部分210。
夹持器204使装配部分206保持在适当的位置并且O环提供装配部分206
和室体的壁之间的密封。另一O环提供装配部分206和杆210之间的密封。
杆部分212具有中空内部，其中布置有金属电热丝222和热电偶224
(见图20)。电热丝222和热电偶224借助于热填充(222)固定在适当的
位置，热填充可以是例如焊料或金属填充的环氧树脂。
电热丝和热电偶被连接到控制器(未示出)。
在加热元件下方，蒸发室的体具有井214/218，其用于容纳工作液体
如邻苯二甲酸二甲酯。井214/218经由管218(见图18)连接到工作流体
的贮存器216。
如图20中所示，杆部分由多孔材料的套管226围绕，在此实施方式
中，多孔材料是多孔织物如石英纤维过滤器或玻璃纤维过滤器或聚合物或
金属过滤器。多孔织物的套管具有尾部部分228，其延伸进入井并作为油
绳以把工作流体从井吸引上来。套管借助于夹子230保持在杆部分上的适
当的位置，夹子230设置有孔，通过该孔工作液体可以蒸发，以及在其下
侧的开口，以容纳套管的尾部部分。油绳由油绳夹持器231围绕，油绳夹
持器231由惰性材料例如不锈钢制成。
在此实施方式中，加热元件直接与多孔载体接触，从而减少所需的热
输入和所花费的时间以使工作流体蒸发以在室内形成饱和蒸汽。
实施例
根据本发明的装置的几个实施例已经装配和测试，并且这些在下面被
描述。
实施例1
如在图8中所示构造的一个实施例中，蒸发室(饱和室)2由不锈钢
管(12毫米ID)制作并有30毫米的长度。3毫米ID的不锈钢管被用于入
口、喷嘴与出口。冷却元件由定位于距冷凝室的表面15毫米处的5VDC
微型风扇构建。冷凝器室由6毫米ID、长60毫米的不锈钢管来制造，并
且加热元件由覆盖有石英纤维材料的NiCr加热元件来制造，石英纤维材
料足够长以定位在靠近于饱和室的不锈钢圆筒的底部。约0.5毫升的邻苯
二甲酸二甲酯注入室2中作为工作流体。在纳米粒子上形成的微液滴用
MetOne激光光学粒子计数器来计数。该装置对比SMPS(TSI)、便携式
SAC尺寸谱仪(Naneum)和手持式仪器3007CPC(TSI，型号3007)来
测试。铬氧化物和大气气溶胶的纳米粒子被用于测试。在测试中，发现本
发明的装置使纳米粒子能够在直径上被扩大至1.2微米，并且检测范围的
下限估计为4纳米。
实施例2
在使用耦合到MetOne激光光学粒子计数器的如图2中所示的装置测
量的气溶胶粒子数浓度(N)和使用来自TSI的手持3007CPC测量的气溶
胶粒子数浓度(N)之间进行比较。穿过入口1进入饱和室的干净的空气
流量设置在0.3l/min并且穿过入口8的样气流量设置为0.5l/min。铬氧化
物和大气气溶胶的纳米粒子被用于比较测试。
结果在图9中示出，其中本发明的装置的数据点显示为黑色正方形而
关于TSI3007CPC仪器的数据点显示为白色菱形。在图9中，D是平均直
径(纳米)，其通过使用参考方法校准来获得。
发现本发明的装置使纳米粒子能够被扩大至直径为1.2微米。本发明
的装置的检测下限估计为3纳米。从图9清楚的是，本发明的装置的检测
下限比CPC3007(TSI)的检测下限低。
等效物
将容易是显然的是，对上面所描述的本发明的具体实施方式进行许多
修改和变更，而不偏离本发明的根本原则。所有这些修改和变更意指由本
申请来包含。