CN103182350A - 一种电磁感应热发泡式微喷系统 - Google Patents

Abstract

一种电磁感应热发泡式微喷系统，属于微流体和微制造领域。采用两端开口内径为100‐300μm的微细玻璃管制成一端开有内径为10‐80μm微喷嘴的喷管；喷管的另一端与液体供应管相连，储液池由底部端面上开有小孔的容器制成，液体供应管连接储液池底部小孔与微喷嘴之间；用细铜线在喷管外侧轴向中间位置绕制感应线圈制成电磁感应线圈；采用外径100‐300μm，内径可选为20～250μm。微细钢管安装于喷管绕制感应线圈位置的内部，用作加热芯。本发明采用电磁感应加热器件进行加热，热量主要集中在加热芯上，喷管工作温度低；加热芯位于液体内，热量损失小，加热效率高；生成气泡大小可通过改变电磁感应加热电压、频率、加热时间等参数进行调节，容易控制。

Description

一种电磁感应热发泡式微喷系统

技术领域：

本发明是一种利用电磁感应涡流加热技术对微喷嘴中液体进行加热，来实现微量液滴喷射的系统，且能通过控制通入交流电压大小、频率高低，以及通电时间长短等参数来控制液滴的喷射量，可用于微量药物输送、微量流体供给、DNA合成以及喷墨喷绘，属于微流体和微制造领域。

背景技术：

目前，微流体系统中热泡式驱动使用较为广泛，其加热元件均采用加热电阻。通过加热电阻对液体加热，使液体中产生气泡，气泡随温度增加体积迅速膨胀，从而驱动液体从喷射孔喷出。

这种驱动方式所需加热电压小，内部没有可动部件，实现简单，易于集成，但是元件寿命低，加热电阻制作难度大，成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于改变传统加热方式，利用电磁感应加热元件取代加热电阻进行加热，以克服传统热发泡式驱动器件效率低，成本高，寿命低等的缺点。本发明提出一种电磁感应热发泡式微喷系统利用高频交变电流产生高频交变磁场，进而由交变磁场在加热芯中产生电涡流，由该电涡流在加热芯中产生焦耳热，使加热芯附近的微量液体汽化，液体汽化时，体积迅速膨胀近1000倍，喷管内的液体向加热芯的两端快速运动，在该膨胀力的作用下，一部分液体从喷管的喷口喷出。

一种电磁感应热发泡式微喷系统，采用两端开口微细玻璃管制成一端开有内径为10-80μm微喷嘴的喷管；喷管的另一端与液体供应管相连，储液池由底部端面上开有小孔的容器制成，液体供应管连接储液池底部小孔与微喷嘴之间；用漆包细铜线在喷管外侧轴向中间位置绕制感应线圈制成电磁感应线圈；采用微细钢管安装于喷管绕制感应线圈位置的内部，用作加热芯。

所述的微细玻璃管的内径100～300μm。

所述的微细钢管的外径为100～300μm，内径可选为20～250μm。

所述微喷系统采用高频脉冲电源，该电源采用脉冲发生器产生信号脉冲，信号脉冲经功率放大器放大后，再通过继电器将功率放大后的电流信号传给微喷系统的电磁感应线圈。

所述微喷系统由继电器控制电磁感应线圈通断状态，采用控制器控制固态继电器的通断状态，控制高频脉冲电源供给电磁感应线圈的导通时间t1和间断时间t2，进而控制电磁感应线圈的工作时间和间歇时间；

所述的高频脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电压是U；高频脉冲的频率选为20kHz～1MHz，t1设为0.01ms～1ms,t2设为0.1ms～2ms，电压U设计为3V～12V。

本发明可以获得如下有益效果和特点：1）采用电磁感应加热器件进行加热，热量主要集中在加热芯上，喷管工作温度低；2）生成气泡大小可通过改变电磁感应加热电压、频率、加热时间等参数进行调节，容易控制；3）加热芯位于液体内，热量损失小，加热效率高，加热性能好；4）加热芯在微喷嘴内，与电源无直接相连，便于密封；5）加热芯的尺寸可以做到200μm以上，可耐高温和大电流，因此加热系统工作寿命长。

附图说明：

图1：本发明的系统组成示意图

图2：本发明微喷嘴结构示意图；

图3：本发明控制电路波形示意图；

图4：本发明继电器通断状态和高频加热电压波形示意图；

图5：本发明工作过程示意图一；

图6：本发明工作过程示意图二；

图7：本发明工作过程示意图三；

图8：本发明工作过程示意图四；

图中：1、微喷嘴，2、连接软管，3、连接头，4、储液池，5、功率放大器输出接线柱一，6、功率放大器输出接线柱二，7、功率放大器8、功率放大器输入接线柱一，9、功率放大器输入接线柱二，10、脉冲发生器与功率放大器连线二，11、脉冲发生器与功率放大器连线一，12、脉冲发生器，13、脉冲发生器输出接线柱一，14、脉冲发生器输出接线柱二，15、控制器，16、控制器输出接线柱一，17、控制器输出接线柱二，18、控制器与继电器连接线一，19、控制器与继电器连接线二，20、功率放大器与继电器连接线二，21、功率放大器与继电器连接线一，22、继电器输入接线柱一，23、继电器输入接线柱二，24、继电器控制信号输入接线柱二，25、继电器控制信号输入接线柱一，26、继电器输出接线柱一，27、继电器，28、继电器输出接线柱二，29、继电器与线圈接连线二，30、继电器与线圈连接线一，31、微喷口，32、线圈，33、微细玻璃管，34、线圈引线二，35、加热芯，36、线圈引线一，37、液体，38、气泡，39、微型液滴

具体实施方式：

结合附图1-2采用微加工、粘接、焊接和电路制作技术进行设计和加工。微细玻璃管33一端经热处理和微加工工艺制成开口10-80μm的微喷口31，加热芯35由微细钢圆管经线切割加工制成，然后利用微操作台将加热芯35送至微细玻璃管33内中部位置，并采用热处理工艺进行固定，在装有加热芯35的微细玻璃管33外侧绕上螺线型铜线圈组成微喷嘴1。采用底部开有小孔的量筒制成储液池4，连接头3的一端与储液池4底部相连，连接头3的另一端和连接软管2的一端相连接，连接软管2的另一端与微喷嘴1的大口端相连。脉冲发生器12输出端接线柱一13通过电路连接线11与功率放大器7输入接线柱一8连接，脉冲发生器12输出端接线柱二14通过电路连接线10与功率放大器7输入接线柱二9连接，功率放大器7输出接线柱一5用电路连接线一21与继电器27输入接线柱22连接，功率放大器7输出接线柱二6用电路连接线二20与继电器27输入接线柱二23连接，继电器27输出接线柱一26用电路连接线一30与线圈32引线端一36连接，继电器27输出接线柱二28用电路连接线二29与线圈32引线端一34连接。控制器15输出接线柱一16用电路连接线一18与继电器27控制信号输入接线柱一25连接，控制器15输出接线柱二17用电路连接线二19与继电器27控制信号输入接线柱二24连接。

附图3：本发明控制电路波形示意图，脉冲发生器12在接通电源的情况下输出电压、频率一定的连续电压信号脉冲V1，控制器15由控制程序控制继电器27的通断，输出通断电压信号脉冲V0。

附图4：本发明继电器通断状态和高频加热电压波形示意图，电路导通加热时间是t1，电路切断停止加热的时间是t2，加热电压是U。

本发明一种电磁感应热发泡式微喷系统的工作过程如下所示：

（a）如图5所示：初始状态时，液体37充满微喷嘴1中微细玻璃管33内；

（b）如图6所示：当给线圈32通入高频电压加热信号时，感生一个交变磁场，在感应磁场作用下，加热芯35内部产生涡流，涡流加热效应使加热芯35温度迅速升高，与加热芯35接触的液体气化生成气泡38；

（c）如图7所示：随着加热时间的增加，气泡38并迅速膨胀变大，向微细玻璃管33轴向的两个方向挤压液体37，管内压力瞬时升高，微型液滴39从微喷口31喷出；

（d）如图8所示：断电停止加热后，受周围液体37的冷却，气泡38体积迅速缩小，直至消失，同时储液池4通过软管3向微细玻璃管33内补充液体37，等待下一次喷射。

由以上步骤（a）（b）（c）（d）循环进行，从而实现微喷系统的连续工作。

以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (5)

1.一种电磁感应热发泡式微喷系统，其特征在于：采用两端开口微细玻璃管制成一端开有内径为10‐80μm微喷嘴的喷管；喷管的另一端与液体供应管相连，储液池由底部端面上开有小孔的容器制成，液体供应管连接储液池底部小孔与微喷嘴之间；用漆包细铜线在喷管外侧轴向中间位置绕制感应线圈制成电磁感应线圈；采用微细钢管安装于喷管绕制感应线圈位置的内部，用作加热芯。

2.根据权利要求1所述的一种电磁感应热发泡式微喷系统，其特征在于：微细玻璃管的内孔半径100‐300μm。

3.根据权利要求1所述的一种电磁感应热发泡式微喷系统，其特征在于：所述的微细钢管的外端半径为100‐300μm，内径可选为20～250μm。

4.根据权利要求1所述的一种电磁感应热发泡式微喷系统，其特征在于：所述微喷系统采用高频脉冲电源，该电源采用脉冲发生器产生信号脉冲，信号脉冲经功率放大器放大后，再通过继电器将功率放大后的电流信号传给微喷系统的电磁感应线圈。

5.根据权利要求1所述的一种电磁感应热发泡式微喷系统，其特征在于：所述微喷系统由继电器控制电磁感应线圈通断状态，采用控制器控制固态继电器的通断状态，控制高频脉冲电源供给电磁感应线圈的导通时间t1和间断时间t2，进而控制电磁感应线圈的工作时间和间歇时间；

所述的高频脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电压是U；高频脉冲的频率选为20kHz～1MHz，t1设为0.01ms～1ms,t2设为0.1ms～2ms，电压U设计为3V～12V。

Images