本发明涉及一种改进的用于等离子体涂层设备的雾化器，以及一种改进的将用于等离子体涂层方法的液体雾化的方法。因此，本发明涉及雾化器领域且涉及等离子体涂层方法和设备领域。
背景技术：
1、等离子体涂层/涂覆是一种使用前体在基材上沉积涂层的技术。在此，前体会被激发以更具反应性，使得更容易在基材上形成高质量的涂层。可以经由等离子体加工直接或间接获得对前体的激发。
2、在直接等离子体涂层加工中，对包括前体的流体进行等离子化处理，例如让流体流经成组电极，通过施加高电压将等离子体(击穿)注入流体中。在这种直接加工中，前体可以直接被激发。激发后的前体可以与基材相互作用，从而将涂层形成到基材上。
3、在间接等离子体涂层加工中，对加工流体、优选时加工气体进行等离子化处理，例如让加工流体在成组电极之间流动，这些电极可以通过施加高电压将等离子体注入加工流体中。然后，等离子化的加工气体离开等离子体区域，即离开等离子体被活跃引发的区域，例如是成组电极之间的区域。然后，包括前体的流体与等离子体余辉中的等离子化的加工气体混合。然后，由于与等离子化的加工气体的二次相互作用，前体在该混合物内被激发，使前体更具活性，以允许在暴露于混合物和所述混合物中被激发的前体的基材上形成涂层。
4、等离子体涂层加工可在大气工艺或真空压力下进行。本发明特别地适用于大气压下的等离子体涂层加工。在大气压等离子体涂层加工中，基材在基本上大气压下受到包括所述激发的前体的混合物的作用。这样具有的特别优点在于，不需要真空技术，而且例如，通过将基材移动穿过混合物和/或通过使混合物在基材上流过，可以连续地处理基材。这与真空压力等离子体涂层加工相反，在该情况下在基材暴露于混合物的位置处确保低压始终是个麻烦事。此外，大气压等离子体涂层加工还具有的优点在于，其更易于将多种不同类型的前体输送到等离子体区域和/或等离子体余辉区。
5、本发明优选地属于间接大气压等离子体涂层加工领域。此外，本发明优选地还属于低温等离子体涂层加工领域，其中等离子体的温度和包括激发后的前体的混合物的温度通常低于200℃，且优选地在室温左右。这已经对输送前体的方法提出了严格的限制：如果前体被蒸发以便于与等离子化的加工气体轻易混合，那么混合物可具有高的温度，这取决于多种因素，比如前体的蒸发温度以及加工气体和蒸发的前体的流率。对于许多前体、特别是对于大质量前体来说，蒸发温度可能非常高，使得混合物的温度也很高。在这种情况下，基材实际上可能会受到高温的影响，例如某些聚合物基材可能会熔化，可能会发生温度梯度所导致的变形，涂层在冷却后可能无法粘附在基材上，等等。为了解决这个问题，可以将前体以气溶胶的形式输送至加工气体。
6、在本发明的上下文中，气溶胶是气体中细小液滴的悬浮物。气溶胶表现为流体。液滴的直径可以不同，但通常约为1微米或更小。在气流中使液体液体悬浮的过程也称为雾化。
7、本发明涉及一种改进的用于将用于大气压低温等离子体涂层加工的液体前体雾化的雾化器，还涉及一种改进的将用于上述等离子体涂层加工的液体前体雾化的方法。
8、例如，tsi有限公司生产的3076型气溶胶发生器是一种示例性的已知雾化器。这种雾化器允许使用气溶胶气流生成气溶胶，利用文丘里效应可以将来自贮存器的液体前体的液滴悬浮到气溶胶气流中。然而，发明人已经发现，这样的雾化器可能不允许很好地控制液滴大小、气溶胶中的液滴浓度和/或气溶胶中的前体浓度，以进一步用于等离子体涂层设备或等离子体涂层加工。更具体地说，最有效地生成气溶胶的流率、压力梯度、温度等条件可能与用于另外的等离子体涂层设备或方法中使用的气溶胶所需的条件不兼容。
9、此外，在一些等离子体涂层加工中，人们倾向于使用包括两种或更多种不同物质的前体。在这种情况下，可能很难控制气溶胶中不同物质的绝对和/或相对丰度。例如，如果贮存器中的液体前体包括两种浓度相等的物质(即第一种物质的质量浓度为50％，且第二种物质的质量浓度为50％)，因为不同物质的雾化程度可能不同，因此这相同的浓度可能无法在气溶胶中保留。此外，由于不同物质的最佳雾化参数差异很大，雾化效率可能会显著降低。
10、为此，本发明人开发了一种改进的雾化器和一种改进的雾化方法，用于为间接大气压低温等离子体涂层加工生成包括前体的气溶胶。改进的雾化器允许很好地控制包括前体的气溶胶流，并允许在必须调整前体气溶胶流的参数时、例如出于测试目的或为了等离子体涂层加工可能所需要的快速改变包括前体的气溶胶时，可以很容易地调整包括前体的气溶胶流。
11、本发明的雾化器和雾化方法还允许更好地控制所得到的气溶胶流中前体的量，特别是控制液滴的大小、液滴的浓度和/或所得到的气溶胶流中前体的浓度。本发明也允许轻松扩展气溶胶流中前体和/或前体液滴的总量。此外，本发明也允许生成包括前体的气溶胶，其中前体包括两种或更多种的物质。
技术实现思路
1、本发明涉及一种气溶胶生成装置，用于为等离子体涂层加工生成包括前体的气溶胶流，该气溶胶生成装置包括气溶胶液滴分离器和成组雾化隔室，
2、其中气溶胶液滴分离器包括喷嘴出口、前体回收出口和在它们之间的气溶胶通道，
3、并且其中每个雾化隔室包括：
4、－流体流通道，流体流通道包括优选地连接至雾化气源的雾化器气流入口以及流体连接至气溶胶通道的雾化器气流出口；
5、－前体通道，前体通道包括前体通道入口和前体通道出口，前体通道出口流体连接至流体流通道，用于将前体液滴引入到流体流通道中的气流中；
6、－前体贮存器，前体贮存器用于液体前体，优选地包含液体前体，前体贮存器与前体通道入口流体连接；
7、－液滴引入器件，液滴引入器件位于前体通道出口处或附近，用于将液体前体液滴从前体贮存器、经由前体通道引入到流体流通道中的气流中；
8、－稀释流通道，该稀释流通道与流体流通道分离，稀释流通道包括优选地连接至稀释气源的稀释流入口以及流体连接至气溶胶通道的稀释流出口，
9、其中，对于每个雾化隔室，稀释流出口位于雾化器气流出口与气溶胶液滴分离器的喷嘴出口之间。
10、优选地，稀释流通道平行于流体流通道地定向。同样优选地，气溶胶通道基本上垂直于流体流通道和/或稀释流通道定向。
11、稀释流通道允许以精确且稳定的方式控制气溶胶中液滴的量和/或大小，而与如何将前体引入流体流通道无关。对于许多应用，稀释流出口相对地靠近雾化器气流出口，以便更好地控制液滴的量和大小。因此，在优选实施例中，稀释流出口位于距离雾化器气流出口10厘米或更小的出口间间距内，比如10厘米、9厘米、8厘米、7厘米、6厘米、5厘米、4厘米、3厘米、2厘米、1厘米或两者之间或各值以下的任何值。液滴量和/或大小的控制可通过流体动力学过程来实现。在此，可以对稀释流进行控制，以便对气溶胶通道内的压力、压力梯度和/或流量进行流体动力学调节，并相应地调节在气溶胶通道中流动的气溶胶中的液滴大小和/或量。如此，可以获得更多的参数选择自由度，这些参数对于在流体流通道中的气流中高效雾化前体非常重要，且比如是雾化器气体流量、雾化气体压力、雾化气体温度、前体贮存器压力、前体贮存器温度等。稀释流因此产生气溶胶流，该气溶胶流可经由附接至气溶胶液滴分离器的喷嘴出口的喷嘴引导至等离子体涂层设备。未在该气溶胶流中被占据的液滴可经由前体循环出口从气溶胶通道移除。这种移除是通过稀释流实现的，且优选地可以通过重力作用实现，即在这种情况下，前体回收出口的位置低于喷嘴出口，使得未在气溶胶流中被占据的液滴可以沿着气溶胶通道的壁向下流动到可以回收它们的地方。
12、液滴引入器件优选地包括文丘里管，该文丘里管在前体通道出口位置处位于流体流通道中。由于文丘里效应，这允许在雾化器气流中引入前体液滴。例如，流体流通道可以包括横截面，该横截面在前体通道出口附近和/或出口处、即前体通道与流体流通道流体连接的位置处变窄。
13、在实施例中，成组雾化隔室包括一个隔室。然而，本发明的特别优点在于，雾化隔室可以很容易地进行并联。事实上，在实施例中，成组雾化隔室包括多于一个雾化隔室，比如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个雾化隔室。多个雾化隔室可以彼此相邻地布置，从而形成成排雾化隔室。在此，成组雾化隔室中的每个雾化隔室的雾化气流出口都流体连接至同一个气溶胶通道。这就允许将来自多个雾化隔室的气溶胶共同引导至等离子体涂层设备。
14、雾化隔室的并联有两个重要优点。首先，它允许增加可递送至等离子体涂层设备的气溶胶总流量。并且其次，在使用多种前体的情况下，它允许将来自多个雾化隔室的气流组合起来，也就是说，如果等离子体涂层设备要被提供有不同前体的混合物，那么并联连接至气溶胶通道的多个雾化隔室允许持续供应包括不同前体的组合物的气溶胶。此外，由于雾化部件具有分离的流体流通道，因此可以选择和/或调节流体流通道的参数，比如是通过流体流通道的等离子体气体的流量，甚至是通道的尺寸，以便在该雾化组件内高效地雾化特定的前体。因此，在优选实施例中，每个雾化部件均包括用于控制雾化参数的雾化器控制系统。雾化参数可以包括以下的任一个或任何组合：
15、－通过流体流通道的等离子体气体的流量；
16、－流体流通道中的等离子体气体的温度；
17、－贮存器和/或前体通道中的前体的温度；
18、－前体贮存器和/或前体通道中的压力。
19、这就允许分别控制每个雾化隔室中的雾化过程的参数，并因此针对每个雾化隔室分别和/或根据等离子体涂层设备所需的前体需求优化雾化过程。
20、本发明的再另一个优点在于，即使在高生产速度下，也能获得更均匀的涂层。由于雾化器的并联，带有大横截面的喷嘴可以具有包括前体的气溶胶流的高流量。这样，在对气溶胶流等离子体化处理之前，高气溶胶流可以具有足够的时间在喷嘴内变得均质。雾化过程和输送到等离子体涂层设备的过程分离，也为选择喷嘴的横截面提供了很大的自由度，这再次有助于为高度不同类型的基材和/或涂层特性设计喷嘴。
21、此外，通过使用具有不同宽度和/或不同高度的横截面的喷嘴，可以获得气溶胶流中前体和/或液滴的密度变化，从而允许在基材表面上涂覆不同的成分和/或厚度。在雾化两种或更多种前体的情况下，这种变化可能包括前体浓度的变化和/或不同前体相对丰度的变化。
22、同样，本发明涉及一种气溶胶生成方法，用于为等离子体涂层加工生成包括前体的气溶胶流，该方法包括以下步骤：
23、－提供在流体流通道中的雾化器气流；
24、－在所述雾化器气流中引入来自前体贮存器的前体的液滴，从而在流体流通道中形成包括前体的气溶胶流；
25、－引导所述气溶胶流经由流体流通道出口至气溶胶通道；
26、－引导稀释流经由稀释流出口到所述气溶胶通道中，从而对气溶胶流中液滴的大小和/或量进行流体动力学调节，并导致前体残留物与气溶胶流分离；
27、－引导气溶胶通道中的气溶胶流至喷嘴出口，并引导前体残留物至前体回收出口。
28、优选地，还能经由附接至喷嘴出口的喷嘴，将包括前体的气溶胶流引导至等离子体涂层设备。
29、本发明还涉及一种等离子体涂层系统，该系统包括根据本发明的气溶胶生成装置和等离子体涂层设备，其中气溶胶生成装置的气溶胶通道通过连接在气溶胶通道的喷嘴出口与等离子体涂层设备的喷嘴入口之间的喷嘴流体而连接至等离子体涂层设备的前体输入部。因此，本发明还涉及一种使用根据上文所讨论的方法对基材进行等离子体涂覆的方法，该方法包括另外的步骤：将气溶胶流从气溶胶通道引导至等离子体涂层设备，并使用等离子体涂层设备用所述气溶胶流对基材进行等离子体涂覆。
30、等离子体涂层设备以及使用包括前体的气溶胶的等离子体涂层加工在本领域中是已知的，例如来自本技术名下的专利文件wo2021123414a1、ep3881941a1、wo2019243631a1、wo2020099434a1和/或wo2019038378a1。
1.一种气溶胶生成装置，用于为等离子体涂层加工生成包括前体的气溶胶流，所述气溶胶生成装置包括气溶胶液滴分离器和成组雾化隔室，
2.根据权利要求1所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述稀释流通道基本上平行于所述流体流通道定向。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述气溶胶通道基本上垂直于所述流体流通道和/或所述稀释流通道定向。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述稀释流出口位于距离所述雾化器气流出口10厘米或更小的出口间距内，所述出口间距比如是10厘米、9厘米、8厘米、7厘米、6厘米、5厘米、4厘米、3厘米、2厘米、1厘米或其中两者之间或这些值以下的任何值。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述雾化器气流入口连接至雾化气源，其中，所述稀释流入口连接至稀释气源，并且/或者其中，所述前体贮存器包含液体前体。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述液滴引入器件包括文丘里管，所述文丘里管在所述前体通道出口位置处位于所述流体流通道中。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述成组雾化隔室包括多于一个雾化隔室，其中所述成组雾化隔室中的每个所述雾化隔室的雾化器气流出口流体连接至所述气溶胶通道。
8.根据权利要求7所述的气溶胶生成装置，其特征在于，多个所述雾化隔室彼此相邻地布置，从而形成成排雾化隔室。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，每个雾化部件包括用于控制雾化参数的雾化器控制系统，所述雾化参数包括以下的任一个或任何内容：
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述气溶胶通道被分隔，并且/或者其中，两个或更多个雾化隔室的前体贮存器是流体连接的。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述气溶胶通道包括导流风扇，所述导流风扇用于辅助所述气溶胶通道中的流动并且/或者用于帮助选择所述气溶胶中的液滴大小和/或液滴量。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置，其特征在于，所述气溶胶生成装置包括附接至所述喷嘴出口的喷嘴。
13.一种等离子体涂层系统，所述等离子体涂层系统包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的气溶胶生成装置以及等离子体涂层设备，其中，所述气溶胶生成装置的所述气溶胶通道流体连接至所述等离子体涂层设备的前体输入部。
14.一种气溶胶生成方法，用于为等离子体涂层加工生成包括前体的气溶胶流，所述方法包括以下步骤：
15.根据权利要求14所述的气溶胶生成方法，其特征在于，经由喷嘴，将所述包括前体的气溶胶流引导至等离子体涂层设备。
