适用于高压均质机的容腔装置

技术领域

本发明属于高压均质机技术领域，具体涉及一种适用于高压均质机的容腔装置。

背景技术

目前，高压均质机也称“高压流体纳米匀质机”，其以曲轴连杆的结构为动力，与高压模块组成柱塞泵，将样品连续输送到均质阀，由于均质阀特殊的结构，会产生三种效应：空穴效应、爆破效应、剪切效应，从而达到乳化、均质、分散的作用。

同时，随着高压均质机在石墨烯的破碎与剥离中的应用，常见有两种：T型交互容腔式高压均质机和Y型交互容腔式高压均质机。

如图1所示，T型交互容腔式高压均质机，其包括固定套1′、钢环2′、浮动块3′和弹簧4′，其中固定套1′内部形成流体通道，浮动块3′在弹簧4′的弹性抵触下将流体通道的出料端口闭合，当高压流体物料自流体通道的进料端口进入并克服弹力时，浮动块3′移动并与固定套1′之间将产生间隙，此时，流体通道和钢环2′内部通道连通，形成T型交互容腔，因此，流体物料将沿间隙径向喷出而撞击钢环2′，从而使物料破碎与剥离。虽然，T型交互容腔式高压均质机产量较大(可达到2000升/小时)，且交互容腔的制备相对容易，也是目前国内使用的主要类型，但是，其使用压力不宜太大(一般小于100MPa)，否则钢环会很快被击穿，还会产生杂质，因此，它的破碎效果受到了压力限制。

如图2所示，Y型交互容腔式高压均质机，其包括形成流体通道的本体，其中流体通道包括位于同一中线上的入料通道a′、出料通道b′、及分流通道c′，其中分流通道c′分别将入料通道a′和出料通道b′相连通，且构成Y型交互容腔，两股高压流体物料经微孔呈一定角度(这个角度可等于零)高速对撞，从而使物料破碎，因为是物料之间的互相撞击，所以它可以承受较大的压力。同时，Y型交互容腔的微孔直径非常小，一般是0.1mm，最大也就是0.4mm，所以也称它为微射流，它的产量相对比较低，目前国际上最大产量的微射流在500升/小时左右，这样一来，Y型交互容腔式高压均质机，不仅产量低，而且所采用的核心零件硬度很高，加工精度也很高，制作成本也非常高(一般情况下，同产量设备的Y型高压均质机比T型高压均质机的价格要高出好几倍)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的适用于高压均质机的容腔装置，该容腔装置能够承压较大压力、处理效果好，同时其加工要求和制作成本较低。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于高压均质机的容腔装置，其包括阀体、阀杆，阀体上设有内腔、供流体进入内腔的进料通道、供流体排出的出料通道，进料通道位于内腔的外周侧，容腔装置还包括位于内腔下方的阀芯，阀芯的朝向内腔的一端上形成有自上而下内径逐渐变小的锥形腔以及位于锥形腔下方且与锥形腔连通的流体通道，阀杆能够上下活动地设置且具有沿着上下方向延伸的主体段、自主体段的下端向下呈外径变细的受力段以及自受力段的下端向下延伸的配合段，配合段在面向锥形腔的一侧形成有锥形凸头，阀杆的受力段全部或部分地位于内腔的上方，阀杆的配合段位于内腔内，所述容腔装置具有非工作状态和工作状态，当处于非工作状态时，配合段的锥形凸头与阀芯的锥形腔的内壁紧密贴合，内腔的内壁、阀杆的配合段、阀芯三者之间形成密闭腔；当处于工作状态时，阀杆的受力段在流入内腔的流体的顶推作用下向上运动并带动配合段的锥形凸头脱离锥形腔的内壁，使得锥形腔的内壁与锥形凸头之间形成容腔间隙，流体在容腔间隙内碰撞后流入下方的流体通道中继续均质和分散，之后再经出料通道喷出。

根据本发明的进一步实施方案，受力段的外径自上而下逐渐变细且呈锥台形；容腔装置的工作状态包括起始工作状态和平衡工作状态，当处于起始工作状态时，随着持续向所述内腔内通入流体，所述容腔间隙逐渐变大；当处于平衡工作状态时，持续向所述内腔内通入流体，所述容腔间隙保持恒定。

在根据本发明的一些实施方式中，当处于平衡工作状态时，所述锥形腔的内壁与锥形凸头之间的间隙大小为20-200um，优选为50～100um。

根据本发明的进一步优选实施方案，当容腔装置处于工作状态时，在锥形凸头的周向上，锥形腔的内壁与锥形凸头之间的间隙大小相同，配合段的锥形凸头、阀芯的锥形腔二者的中心线重合且穿过容腔间隙的中心，流体在容腔间隙的中心处碰撞。在等间隙、及锥形容腔间隙的中心处碰撞下，流体产生的空穴效应、爆破效应、剪切效应，从而能够达到最佳的乳化、均质、分散的效果。

进一步地，本发明锥形腔所形成的锥角β没有特别限制，具体可以例如是80°～180°。进一步从提高流体颗粒的乳化、均质、分散等处理效果和减小阀杆和阀芯冲击磨损的角度而言，锥形腔所形成的锥角β优选为85°～150°，具体地，锥形腔所形成的锥角β可以是88°～92°(直角)、95°～105°或110°～150°。在对含石墨烯的浆料的处理实验中，已证实锥形腔所形成的锥角为88°～110°时，相比其他角度而言，具有更好的处理效果。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，阀体上还设有第一安装腔，第一安装腔位于内腔上方，阀杆的主体段和受力段能够上下活动地设置在第一安装腔内，受力段与第一安装腔之间形成有流体腔，流体腔与内腔的上部连通。这样一来，高压气流先充满整个密闭腔，然后向上顶起阀杆，减少高压流体直接对阀杆的配合段冲击力。

根据本发明的一些优选方案，阀杆的主体段、配合段分别为圆柱形，受力段为圆台形，三者中心线重合且沿着竖直方向延伸，内腔为圆柱形。这样一来，阀杆能够沿着自身中心线方向运动，而且在圆柱形内腔所形成环流下，避免流体直接冲击阀杆。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，阀体上还设有第二安装腔，第二安装腔位于内腔的下方，阀芯安装在第二安装腔内。这样一来，便于阀芯的组装或更换。进一步地，阀体还可包括安装在第二安装腔内且抵触在阀芯下方的底塞，底塞上形成有出料通道。通过底塞的设置，提高阀芯和阀体安装后的稳定性，而且也便于阀芯拆装。在一些具体实施方式中，底塞通过螺纹配合的方式与第二安装腔可拆卸连接。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，内腔为无底空腔，阀芯的顶部与内腔的周侧壁紧密相抵，当容腔装置处于非工作状态时，阀芯的顶部、配合段的外周、内腔的内壁之间围成密闭腔。该种结构设置明显有利于降低阀体在内腔处的加工要求。进一步地，为了增加阀芯与内腔之间的密封性，可采用上部外轮廓呈自上而下外径逐渐变大的圆台状的阀芯，同时在第二安装腔上形成与阀芯上部的外表面紧密配合的锥形面。具体地，锥形面的锥角γ可以为例如50°～120°。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，流体通道包括自锥形腔的底部竖直向下延伸的圆柱形直流孔道、自直流孔道的底部向下且孔径逐渐变大的锥形扩流孔道，其中锥形扩流孔道与出料通道的一端连通。通过有机组合直流孔道和锥形扩流孔道，可在进一步改善流体颗粒的均质、分散的效果的同时，提高单位时间内的处理量。

通过孔径、高度、及锥度等中的一者或多者进行优化设计，可进一步优化装置的处理效果。在本发明的一些具体和优选的实施方式中，锥形扩流孔道形成的锥角θ为50°～120°；直流孔道的孔径D为1～5mm；设锥形腔、直流孔道、锥形扩流孔道的高度分别为H1、H2、H3，则三者满足入下关系：H2＞H1+H3或者H1＜H3＜H2。。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，进料通道包括位于内腔周侧壁上的进料孔和与进料孔连接的进料接头，进料孔的中心线与阀杆的中心线之间形成大于0°小于等于90°的夹角。通过导入气流的流向与阀杆延伸保持相交，有助于降低流体进入内腔后对于阀杆的冲击，减少阀杆磨损。

根据本发明的一些优选方案，进料通道有1个、2个、3个或更多个，多个进料通道沿着内腔的周向间隔分布。适当数量的进料通道，有助于加大装置单位时间内的处理量，而不会影响处理效果。当进料通道是多个时，优选它们是沿着内腔的轴向均匀分布的。例如，在进料通道是2个的情况下，二者的进料孔在内腔壁上的位置优选对称设置。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，容腔装置还包括弹性抵触在阀杆上端部、用于使阀杆倾向于向下运动的调压组件，调压组件能够被设定提供不同大小的抵触力，当未向内腔中通入流体或流体提供的顶推力不足以克服调压组件施加于阀杆的抵触力时，容腔装置处于非工作状态；当内腔中流体施加于阀杆的顶推力超过调压组件施加于阀杆的抵触力时，容腔装置进入工作状态。通过调压组件的设置，可以赋予容腔装置多种工作压力，以及能够调整平衡工作状态下间隙的大小，如此，可以针对不同材料、不同的处理需求，来进行灵活调节。具体地，通入内腔的流体对阀杆有一个向上顶的顶推力F2，该顶推力F2＝aπ(D1

根据本发明的一些优选方案，调压组件包括安装在阀体上的调节座、自调节座内穿出并弹性抵触在阀杆上端部的顶杆、与调节座配合并驱使顶杆沿着阀杆长度方向运动的调节件，调节件包括套设在顶杆外周的压缩弹簧、与调节座配合的调节螺母，其中压缩弹簧两端部分别抵触在调节螺母和顶杆上。通过弹簧的弹力将阀杆保持弹性抵触在阀芯上，而且弹力可以根据实际需要进行调节。

根据本发明的一些优选方案，顶杆和阀杆的中心线重合设置；和/或，在顶杆靠近阀杆的端部形成阀帽，压缩弹簧的两端部分别抵触在调节螺母和阀帽之间。该结构下，弹簧的组装和弹力的调节较为方便。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

现有容腔装置的结构不能同时满足高压、减少磨损以及降低加工要求、降成本等要求，而本发明通过对容腔装置的结构进行整体设计巧妙地解决了现有结构的各种不足。采取该装置，流体通入容腔装置后，先在内腔内汇聚均化后再向上作用于阀杆的受力段使阀杆顶起，在阀杆顶起后，流体在流体通道的上方，在间隙的中心碰撞分散后，再进入流体通道并在流体通道内进一步均质化，与现有的结构相比，一方面，流体对于阀杆整体的冲击磨损显著减少，特别是流体对于包括配合段及其锥形凸头、阀芯等在内的核心部件均没有正面冲击，满足高压工作条件要求同时降低核心部件要求，而由于核心部件要求降低，就可以显著降低材料成本、加工成本和使用成本，同时还可以根据实际需要制作多种规格，实现更高产能；另一方面，流体中的材料颗粒经过汇聚均化、间隙处碰撞以及流体通道内均化，乳化、均质、分散、破碎等处理效果更加优异。

附图说明

图1为背景技术中T型交互容腔式高压均质机的结构剖视示意图；

图2为背景技术中Y型交互容腔式高压均质机的结构剖视示意图；

图3为本发明中容腔装置的结构剖视示意图(非工作状态)；

图4为图3中阀杆的剖视放大示意图；

图5为图3中阀芯的结构放大示意图；

图6为本发明中容腔装置的结构剖视示意图(工作状态-箭头所示为流体流动的方向)；

图7为图6中容腔间隙处的结构放大示意图(箭头所示为流体流动的方向)；

其中：A、容腔装置；1、阀体；10、内腔；11、进料通道；110、进料孔；111、进料接头；12、出料通道；13、第一安装腔；14、第二安装腔；15、底塞；2、阀杆；20、主体段；21、受力段；22、配合段；220、锥形凸头；3、阀芯；30、锥形腔；31、流体通道；310、直流孔道；310、锥形扩流孔道；s、流体腔；5、调节组件；50、调节座；51、顶杆；52、调节件；520、压缩弹簧；521、调节螺母；53、阀帽；X、容腔间隙；6、密封圈导套；7、密封圈；8、密封圈压环；1′、固定套；2′、钢环；3′、浮动块；4′、弹簧；a′、入料通道；b′、出料通道；c′、分流通道。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图3至图7所示，本实施例提供一种特别适于但不限于高压均质机的容腔装置A。该容腔装置A主要包括阀体1、阀杆2、阀芯3以及调压组件5，其中阀体1上设有内腔10、供流体进入内腔10的进料通道11、供流体排出的出料通道12、第一安装腔13、第二安装腔14以及底塞15。

进一步地，内腔10呈圆柱形，且为上下设置的无底空腔。进料通道11有两个，各进料通道11包括位于内腔10周侧壁上的进料孔110和与进料孔110连接的进料接头111，其中进料孔110的中心线与阀杆2的中心线之间大体是垂直的，两个进料孔110在内腔10壁上的位置正对着彼此。

阀杆2具有主体段20、自主体段20的下端向下逐渐变细的受力段21以及自受力段21的下端向下延伸的配合段22，配合段22的底部形成有锥形凸头220。配合段22、受力段21的高度之比约为2.4:1。阀杆2的主体段20、配合段22分别为圆柱形，受力段21为圆台形，三者中心线重合且沿着竖直方向延伸。阀杆2主要安装在第一安装腔13中。具体地，第一安装腔13是竖直延伸、两端开放的腔体，阀杆2的主体段20和配合段22沿其轴向插设于第一安装腔13内，而阀杆2的配合段22则自上而下插入内腔10中。主体段20的外周壁与第一安装腔13之间密封配合且二者之间能够相对滑动(本例中，第一安装腔13和主体段20之间通过密封圈7、密封圈导套6连接，密封圈7、密封圈导套6用密封圈压环8压紧)，而受力段21由于相比主体段20收窄，因而与第一安装腔13的内壁之间具有一定的空隙，该空隙处构成了一流体腔s，且该流体腔s与下方的内腔10的顶部连通。

阀芯3位于内腔10的下方。阀芯3的上端形成有自上而下内径逐渐变小的锥形腔30以及位于锥形腔30下方且与锥形腔30连通的流体通道31。阀芯3的未形成锥形腔30的顶部为平面，紧抵在内腔10的周侧壁的下端。流体通道31包括自锥形腔30的底部竖直向下延伸的圆柱形直流孔道310、自直流孔道310的底部向下且孔径逐渐变大的锥形扩流孔道311。

阀芯3安装在第二安装腔14内。具体地，阀芯3上部外轮廓呈自上而下外径逐渐变大的圆台状，第二安装腔14具有与阀芯3上部的外表面紧密配合的锥形面(锥角γ为约60°或其它角度)，这样可以实现阀芯3与第二安装腔14紧密相抵。阀体1包括在阀芯3的下方设置的底塞15，底塞15通过螺纹可拆卸地安装在第二安装腔14中，用于将阀芯3下部固定，底塞15沿其高度方向的中部形成有中心通孔，即为出料通道12。

调压组件5弹性抵触在阀杆2的主体段20的上端部、用于向阀杆2施加向下的抵触力，从而使其倾向于向下运动。调压组件5被设定能够提供不同大小的抵触力。具体地，调压组件5包括安装在阀体1上的调节座50、自调节座50内穿出并弹性抵触在阀杆2上端部的顶杆51、与调节座50配合并驱使顶杆51沿着阀杆2长度方向运动的调节件52。调节件52包括套设在顶杆51外周的压缩弹簧520、与调节座50配合的调节螺母521，其中顶杆51和阀杆2的中心线重合设置，且在顶杆51靠近阀杆2的端部形成阀帽53，压缩弹簧520的两端部分别抵触在调节螺母521和阀帽53之间。

本例中，通过调压组件5的设置，可以赋予容腔装置多种工作压力，以及能够调整平衡工作状态下间隙的大小，如此，可以针对不同材料、不同的处理需求，来进行灵活调节。具体地，通入内腔的流体对阀杆有一个向上顶的顶推力F2，该顶推力F2＝aπ(D1

如图3所示，主体段20、受力段21、配合段22、锥形凸头220、锥形腔30、流体通道31四者的中心线重合且均沿竖直方向延伸。当未向内腔10中通入流体时，在调压组件5对阀杆2施加的抵触力作用下，配合段22的锥形凸头220与阀芯3的锥形腔30的内壁紧密贴合，内腔10的内壁、阀杆2的配合段22、阀芯3三者之间形成密闭腔，此时，容腔装置A处于非工作状态。

如图6所示，当自进料通道11向内腔10中通入流体时，流体先在密闭腔中汇聚，至进入流体腔S后，向上顶推阀杆2的受力段21，当受力段21受到的顶推力大于调压组件5对阀杆2的抵触力时，阀杆2开始整体向上移动，这样，其配合段22的锥形凸头220就会脱离锥形腔30的内壁形成容腔间隙X。该间隙X在锥形凸头220的周向上的大小都是相同的，且一开始随着流体的持续通入，间隙逐渐变大，此时为起始工作状态，直至由于间隙变大流体从间隙处喷出导致内腔中流体压力下降而与调压组件5的抵触力相等时，此时间隙会随着流体的持续通入而保持恒定，此时进入平衡工作状态。

进一步地，锥形腔30所形成的锥角β、锥形凸头220所形成的锥角β是相同的，该锥角β对于容腔装置的处理效果会产生影响，通常设置为直角或钝角。具体地，锥角β可以是大约90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°等，其中，锥角β为90°左右、100°左右时，对于物料颗粒的破碎、分散等效果明显优异于其他角度。

在一个具体的实例中，直流孔道310的孔径D为约3mm，锥形扩流孔道311形成的锥角θ为约60°，锥形腔30、直流孔道310、锥形扩流孔道311的高度H1、H2、H3分别是H1＝0.67mm，H2＝6.33mm，H3＝4.5mm。

以上描述了根据本发明的容腔装置的典型结构。相应地，本发明的高压均质机改进点在于容腔装置的结构，不涉及其余部分的改进，因此，可参照现有技术来实施其他部分，在此不再另外进行赘述。

此外，本实施例通过上述容腔装置的使用，使其能够有效地对难分散材料进行分散、破碎或剥离。

具体的，难分散材料例如是常见的不易分散的各种纳米材料以及一些不管是不是纳米尺寸，但都难以均质化或细碎化的材料，典型的如石墨烯。在一些具体实施方式中，通过高压泵将含有难分散材料的流体以压力150～400MPa连续通入容腔装置进行处理，含有所述难分散材料的流体中，难分散材料的固含量没有特别限制，一般可以为2-15％，同时，可以在一次处理完成后，再次将物料通入到容腔装置进行处理，以获得理想的处理效果(具体的处理次数没有限制，一般是2次或3次)，处理量约为500～3000升/小时，因此，在本申请所涉及的石墨烯的分散、破碎或剥离具体实施中，其最终的结果与传统的T型交互容腔式高压均质机和Y型交互容腔式高压均质机相比，所承受压力明显增强，而且流体对于阀杆整体的冲击磨损显著减少，特别是流体对于包括配合段及其锥形凸头、阀芯等在内的核心部件均没有正面冲击，满足高压工作条件要求同时降低核心部件要求，而由于核心部件要求降低，就可以显著降低材料成本、加工成本和使用成本，同时，流体中的材料颗粒经过汇聚均化、间隙处碰撞以及流体通道内均化，乳化、均质、分散、破碎等处理效果更加优异，此外，通过调压组件的设置，可以赋予容腔装置多种工作压力，以及能够调整平衡工作状态下间隙的大小，如此，可以针对不同材料、不同的处理需求来进行灵活调节。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。