CN102490470A - 一种气流控制微小液滴喷射的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过气流控制微小液滴喷射的装置，其包括位于中心的用于喷射液体的毛细管，毛细管底部设置毛细管滴头，以及在毛细管滴头外围的用于喷射气流的喷口，从喷口喷出的气流作用于喷口中间毛细管滴头生成的微小液滴从而使微小液滴喷射，其中毛细管滴头外径为280μm以下。通过控制气流即可控制微小液滴，结构简单，无需复杂的喷嘴结构和繁杂的控制驱动电路，且其中毛细管喷头的外径可达到100μm以下，从而能喷射出微小液滴，此外毛细管滴头通过化学处理加工得到，处理加工过程简单不需要大型、复杂仪器设备或特殊化学试剂。

Description

一种气流控制微小液滴喷射的方法与装置

技术领域

本发明涉及生成微小液滴的微小液滴喷射装置领域，特别是涉及通过气流从而喷出微小液滴的装置。

背景技术

在喷射微小液滴的微小液滴喷射装置领域，目前公知微小液滴喷射装置是应用于喷墨打印机喷头，主要由喷头、控制驱动信号电路等构成；例如公开号CN1796117A中将静电力作用于溶液而从喷出口喷出连续的微小液滴，公开号CN1404993A中在液滴发生器外壳布置一些压电弯曲换能器，用控制信号进行高电压驱动微小液滴喷出，然而所述微小液滴喷出装置是应用于喷墨打印机喷头，结构相对复杂还需要繁杂的控制电路驱动。

在化学领域，如微量化学反应装置及电喷雾萃取电离质谱、微流控芯片与电喷雾电离质谱联用等化学领域，需要使用微小液滴，因此对于微小液滴喷射装置存在需求。

目前尚没有通过气流控制微小液滴喷射的微小液滴喷射装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过气流控制微小液滴喷射的装置，其包括位于中心的用于喷射液体的毛细管，毛细管底部设置毛细管滴头，以及在毛细管滴头外围的用于喷射气流的喷口，从喷口喷出的气流作用于喷口中间毛细管滴头生成的微小液滴从而使微小液滴喷射，通过控制气流即可控制微小液滴的大小和速度，无需复杂的喷嘴结构及繁杂的控制驱动电路。

本发明的另一目的在于提供一种通过气流控制微小液滴喷射的装置，其中毛细管滴头外径为280μm以下，其通过以下方式获得：去掉石英毛细管一端的聚酰亚胺外保护层，将去保护层的一端插入氢氟酸溶液中刻蚀，得到期望的外径大小的毛细管滴头。

根据本发明提供的通过气流控制微小液滴喷射的装置，通过控制气流即可控制微小液滴，结构简单，无需复杂的喷嘴结构和繁杂的控制驱动电路，且其中毛细管喷头的外径可达到280μm以下，从而能喷射出微小液滴，此外毛细管滴头通过化学处理加工得到，加工过程简单不需要大型、复杂仪器设备或特殊化学试剂。

附图说明

图1示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的毛细管示意图；

图2示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的小锥形管示意图；

图3示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的小锥形管与毛细管组装结构示意图；

图4示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的小锥形管与毛细管及大锥形管组装结构示意图；

图5示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的结构剖面示意图；

图6示出根据本发明所述的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式的的立体结构示意图；

附图标记说明：

1-毛细管进液口

2-毛细管内通道

3-毛细管

4-塞子

5-三通管第二端口

6-三通管

7-三通管第三端口

8-三通管第一端口

9-三通管第一端口与大锥形管底面相接处

10-大锥形管底面

11-小锥形管底面

12-小锥形管底面与大锥形管内壁相交处

13-小锥形管

14-小锥形管管壁气流过孔

15-小锥形管外管壁与大锥形管内壁之间形成空隙

16-大锥形管尖端

17-小锥形管尖端以及小锥形管尖端与毛细管相接处

18-套管

19-套管喷口处

20-毛细管滴头

21-大锥形管

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的特点和优点将随着这些说明变得更为清楚、明确。

在液滴(落滴)从毛细管管口落下时，由测表面张力滴体积法、滴重法可知，落滴的大小与管口半径及液体表面张力有关。

mg＝f·2πR·σ    (1)

式(1)中：m为落滴的质量；g为重力加速度；R为管口半径s为液体的表面张力；校正因子f是毛细管半径和液滴体积的函数。

此式表示沿管口周边作用的表面张力支持液体悬挂，表面张力与重力方向正好相反，当液滴所受重力超过表面张力无限小量时，即可全部自管口脱落。

由以上液滴表面张力测试滴重法可知，要使得从毛细管管口滴落更小体积液滴，可以施加作用于液滴上的外力F，则有

F+mg＝f·2πR·σ    (2)

式(2)表明在液滴表面张力(f·2πR·σ)不变情况下，如果施加一个作用于液滴上且方向与液滴表面张力相反方向的外力F，则mg减小，液滴体积V也相应变小。

如果通过气流向液体施加作用力F，即可使得微小液滴容易地从毛细管口脱落，并且，随着气流速度加快，滴落的液滴变小。因此，通过气流作用于毛细管滴头，调节气流流速，即可获得滴落的期望大小的液滴。

根据本发明的一方面，提供一种通过气流控制微小液滴喷射的装置，其包括位于中心的用于喷射液体的毛细管，毛细管底部设置毛细管滴头，以及在毛细管滴头外围的用于喷射气流的喷口，从喷口喷出的气流作用于喷口中间毛细管滴头生成的微小液滴从而使微小液滴喷射，通过控制气流即可控制微小液滴的大小和速度，无需复杂的喷嘴结构及繁杂的控制驱动电路。

为了获得均匀吹送的气流，在根据本发明的通过气流控制微小液滴喷射的装置的优选实施方式中，设置气流喷射装置，其与喷口密接，其中气流喷射装置包括进气通道，沿着气流方向在进气通道后设置的气腔内壁和气腔外壁，气腔外壁顶端与进气通道相接，在气腔内壁和气腔外壁间形成气腔，在气腔内壁上开口，气腔外壁底端与喷口相接，气流从进气通道进入，经开口后从喷口喷出。作为气源，可以使用气体发生器、注射泵等产生气体的仪器，其与进气通道连接，提供气流。

在进一步优选的实施方式中，气腔内壁底端与毛细管相接。

在进一步优选的实施方式中，气腔内壁为锥面。

在进一步优选的实施方式中，气腔内壁上均匀开口。

在根据本发明的通过气流控制微小液滴喷射的装置的最优选实施方式中，如图6所示，提供通过气流控制微小液滴喷射的装置，包括：

毛细管3：所述毛细管的一端设置为毛细管滴头20，所述毛细管另一端设置为进液口1；

小锥形管13：所述小锥形管作为气腔内壁，在其管壁中段均匀开设开口作为气流过孔14，所述毛细管穿过所述小锥形管，所述毛细管滴头20与所述小锥形管尖端17朝向一致，所述小锥形管中轴线与所述毛细管中心线重合，以及所述毛细管与所述小锥形管尖端相交处17紧密黏贴；

大锥形管21：所述大锥形管作为气腔外壁，所述小锥形管嵌入所述大锥形管，所述小锥形管外管壁与所述大锥形管内壁形成空隙(气腔)15，所述大锥形管尖端16与所述小锥形管尖端17朝向一致且平齐，所述大、小锥形管中轴线重合，所述小锥形管底面边与所述大锥形管内壁相交处12紧密黏贴；

三通管6：所述三通管的第一管口8与所述大锥形管底面10相接紧密黏贴；所述毛细管进液口一端从所述三通管的第二管口伸出；所述三通管的第三管口为进气口与气体发生器相连；

塞子4：所述毛细管进液口1从所述塞子4中心穿过且延伸出，所述塞子紧密塞住所述三通管的第二管口5；

套管18：所述套管18外套于所述大锥形管尖端16，所述毛细管滴头20从所述套管喷口19伸出，所述套管中心线与所述大锥形管中轴线重合。

更优选地，所述小锥形管尖端与所述大锥形管尖端平齐。

进一步优选地，所述小锥形管为PP(聚丙烯)材质或其它牢固易于加工材料。

进一步优选地，所述大锥形管为PP(聚丙烯)材质或其它牢固易于加工材料。

进一步优选地，所述三通管可以为玻璃或塑料、金属及其它材质，所述三通管可以为T形、Y形或其它形状。

进一步优选地，所述塞子为硅胶或橡胶材质。

进一步优选地，所述套管为硅胶或其它材质。

此外，根据上述式(1)，当滴液体从毛细管滴头自然垂直滴落时，落滴的大小与管口半径及液体表面张力有关，在液体表面张力不变时，毛细管滴头越小，则滴落的液滴体积越小。因此，为了获得更小的落滴，需要提供更细的毛细管滴头。

根据本发明的一方面，提供上述通过气流控制微小液滴喷射的装置，其中毛细管滴头外径为280μm以下，其通过以下方式获得：去掉石英毛细管一端的聚酰亚胺外保护层，将毛细管去保护层的一端插入氢氟酸溶液中刻蚀，得到期望的外径大小的毛细管滴头。

在优选实施方式中，毛细管滴头外径为100μm以下。

在优选实施方式中，通过灼烧去除毛细管一端的聚酰亚胺外保护层。

在优选实施方式中，将毛细管去保护层的一端插入20％的氢氟酸溶液中刻蚀。

根据本发明提供的通过气流控制微小液滴喷射的装置具有以下优点：

(1)、所用材料为实验室常用材料，易于获得，成本极低；

(2)、加工技术简单，无需大型、复杂仪器设备或特殊化学试剂；

(3)、装置组装过程方便，可批量生产；

(4)、采用不同尺寸的毛细管滴头得到微小液滴的大小范围较广；

(5)、不需要复杂的喷头结构及繁杂的控制电路驱动；

(6)、适用于喷射水溶液和大部分有机溶液，尤其适合低表面张力的液体。

实施例

以下通过范例性实例进一步说明。

所用材料：

T形玻璃三通导管：50mm(宽)×70mm(长)×8mm(管外径)；

硅胶管：2mm×4mm

注射橡胶塞

石英毛细管：25um(内径)×300um(外径)

502瞬间强力胶

移液器吸头1：6×50mm；

移液器吸头2：8×70mm

实施例1

(1)石英毛细管滴头制作

如图1、5，取一段30cm长石英毛细管(内径25um×外径300um)，一端取1cm置于酒精灯上灼烧至外保护层(聚酰亚胺)完全变黑，将变黑后的外保护层去掉，去掉外保护层一端插入氢氟酸溶液中刻蚀，在显微镜下测量毛细管滴头20外径，直至毛细管滴头20达到40um时取出，刻蚀时间10h，最后将毛细管滴头20用大量水冲洗。

(2)小锥形管制作

如图2，取小移液器吸头1(6×50mm)，将5mL一次性注射器针头置于酒精灯上灼烧至通红，同时将烧至通红的针头在移液器吸头管壁中段位置环绕一周打6个通孔14，每个孔大小一样孔位间距相等。

(3)大锥形管制作

如图4、5，取大移液器吸头2(8×70mm)，在吸头尖端处取1cm裁掉，得到尖端16孔直径为3mm。

(4)套管制作

如图5，从硅胶管(2×4mm)上裁剪1.2cm作为套管18。

(5)选取三通管、塞子

如图5，选取规格适合塞住三通玻璃管管口的注射橡胶塞4，选取一个T形三通玻璃管6(50mm×70mm×8mm)。

(6)装置组装

将毛细管置于小移液器吸头中，毛细管滴头20与小移液器吸头尖端朝向一致，在小移液器吸头尖端17用502瞬间强力胶紧密黏接毛细管(如图3、5)；待胶干后，将小移液器吸头13嵌入大移液器吸头21，小移液器吸头尖端17与大移液器吸头尖端平齐16，把小移液器吸头底面外侧与大移液器吸头内壁相交处12用502瞬间强力胶紧密黏(如图4、5)；待胶干后，将硅胶管18外套于大移液器吸头尖端16，再将三通玻璃管第一管口8与大移液器吸头底面10相接，用502瞬间强力胶紧密黏贴或用橡胶管紧密连接；最后毛细管进液口1穿过注射橡胶塞4并紧密塞住三通玻璃管第二管口5。

实施例2

(1)石英毛细管滴头制作

取一段30cm长石英毛细管(内径25um×外径300um)，一端取1cm置于酒精灯上灼烧至外保护层(聚酰亚胺)完全变黑，将变黑后的外保护层去掉，作为毛细管滴头，在显微镜下测量毛细管滴头外径为280um。

(2)小锥形管制作

如图2，取小移液器吸头1(6×50mm)，将5mL一次性注射器针头置于酒精灯上灼烧至通红，同时将烧至通红的针头在移液器吸头管壁中段位置环绕一周打6个通孔14，每个孔大小一样孔位间距相等。

(3)大锥形管制作

如图4、5，取大移液器吸头2(8×70mm)，在吸头尖端处取1cm裁掉，得到尖端16孔直径为3mm。

(4)套管制作

如图5，从硅胶管(2×4mm)上裁剪1.2cm作为套管18。

(5)选取三通管、塞子

如图5，选取规格适合塞住三通玻璃管管口的注射橡胶塞4，选取一个T形三通玻璃管6(50mm×70mm×8mm)。

(6)装置组装

将毛细管置于小移液器吸头中，毛细管滴头20与小移液器吸头尖端朝向一致，在小移液器吸头尖端17用502瞬间强力胶紧密黏接毛细管(如图3、5)；待胶干后，将小移液器吸头13嵌入大移液器吸头21，小移液器吸头尖端17与大移液器吸头尖端平齐16，把小移液器吸头底面外侧与大移液器吸头内壁相交处12用502瞬间强力胶紧密黏(如图4、5)；待胶干后，将硅胶管18外套于大移液器吸头尖端16，再将三通玻璃管第一管口8与大移液器吸头底面10相接，用502瞬间强力胶紧密黏贴或用橡胶管紧密连接；最后毛细管进液口1穿过注射橡胶塞4并紧密塞住三通玻璃管第二管口5。

实施例3

用本发明装置实现微小液滴喷射步骤如下：

(1)、如图5、6，将实施例1中组装完成的装置固定于铁架台支架上，喷口19、毛细管滴头20垂直向下。

(2)、选取一次性注射器(1mL)、微型注射泵控制器(保定格兰TJ-1A)、排气泵(海利ACO-9602)；一次性注射器装上200ppm罗丹明溶液并置于注射泵上。

(3)、如图5、6，毛细管进液口1与微型注射泵控制器上的一次性注射器针头相连；三通玻璃管第三管口7与气体发生器(排气泵出气口)紧密相连。

(4)、设置排气泵、微型注射泵控制器参数，依次开启排气泵、微型注射泵控制器。

当注射泵推动注射器上的罗丹明溶液，由于液体表面张力毛细管滴头产生液滴，此时毛细管滴头液滴受喷口气流的作用力，滴头上的液滴到一定大小时滴落(喷射)；在溶液注射速度不变时调整排气泵排气量大小，则喷射的微小液滴相应的大小变化，排气量越大喷射的微小液滴体积越小、间隔时间越短，反之相反；在排气泵排气量速度不变时调整溶液注射速度则喷射出的微小液滴大小不变但间隔时间相应变化，溶液注射速度越快喷射出的微小液滴间隔时间越小，反之相反。

以上通过范例性具体实例对本发明进行了详细说明，不过这些实例并不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明的技术方案及其实施方式进行多种改进、替换或修饰，这些均应落入本发明的保护范围内。

文中提及的所有文献，在此全文引入作为参考。

Claims (10)

1.一种通过气流控制微小液滴喷射的装置，其包括位于中心的用于喷射液体的毛细管以及在毛细管滴头外围的用于喷射气流的喷口，在毛细管底部设置毛细管滴头，从喷口喷出的气流作用于毛细管滴头从而使液体从毛细管滴头形成微小液滴并且从毛细管滴头微小喷射。

2.根据权利要求1所述的装置，其中毛细管滴头外径为280μm以下，其通过以下方式获得：去掉石英毛细管一端的聚酰亚胺外保护层，将去保护层的一端插入氢氟酸溶液中刻蚀，得到外径为期望大小的毛细管滴头。

3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括气流喷射装置，所述气流喷射装置包括进气通道，沿着气流方向在进气通道后设置的气腔内壁和气腔外壁，气腔外壁顶端与进气通道相接，在气腔内壁和气腔外壁间形成气腔，在气腔内壁上开口，气腔外壁底端与喷口相接，气流从进气通道进入，经开口后从喷口喷出。

4.根据权利要求3所述的装置，其中气腔内壁底端处与毛细管相接。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，气腔内壁为锥面。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，在气腔内壁上均匀开口。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的装置，其中，毛细管滴头外径为100μm以下。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的装置，其中，通过灼烧去除毛细管一端的聚酰亚胺外保护层，将毛细管去保护层的一端插入20％的氢氟酸溶液中刻蚀。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，包括：

毛细管：所述毛细管的一端设置为毛细管滴头，所述毛细管另一端设置为进液口；

小锥形管：所述小锥形管作为气腔内壁，在其管壁中段均匀开设开口作为气流过孔，所述毛细管穿过所述小锥形管，所述毛细管滴头与所述小锥形管尖端朝向一致，所述小锥形管中轴线与所述毛细管中心线重合，以及所述毛细管与所述小锥形管尖端相交处紧密黏贴；

大锥形管：所述大锥形管作为气腔外壁，所述小锥形管嵌入所述大锥形管，所述小锥形管外管壁与所述大锥形管内壁形成空隙(气腔)，所述大锥形管尖端与所述小锥形管尖端朝向一致且平齐，所述大、小锥形管中轴线重合，所述小锥形管底面边与所述大锥形管内壁相交处紧密黏贴；

三通管：所述三通管的第一管口与所述大锥形管底面相接紧密黏贴；所述毛细管进液口一端从所述三通管的第二管口伸出；所述三通管的第三管口为进气口与气体发生器相连；

塞子：所述毛细管进液口从所述塞子中心穿过且延伸出，所述塞子紧密塞住所述三通管的第二管口；

套管：所述套管外套于所述大锥形管尖端，所述毛细管滴头从所述套管喷口伸出，所述套管中心线与所述大锥形管中轴线重合。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述小锥形管尖端与所述大锥形管尖端平齐。

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