CN103464330A - 压电陶瓷超声雾化片 - Google Patents

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陈道根
张建辉
曹炳鑫
黄�俊
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Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷超声雾化片，主要包括有至少一片金属膜片和至少一片压电陶瓷环片。金属膜片上中心设有一含有密集雾化孔的区域，压电陶瓷环片设有通孔；所述的密集雾化孔区域面积小于等于所述的压电陶瓷环片通孔覆盖的面积；所述的金属膜片与所述的压电陶瓷环片通过粘结剂粘结在一起；所述的金属膜片上密集雾化孔区域中的雾化孔可以是锥形孔，也可以是圆弧母线锥状孔。本发明提出了一种具有特殊雾化孔孔径设计的压电陶瓷超声雾化片，在雾化孔的分布区域中内外层孔径大小是不一致的，雾化孔孔径由内而外是不断增加的。采用这种设计可以有效避免因雾化片工作中存在变形不均造成的雾化颗粒大小不一、雾化效果不理想的缺点。

Description

压电陶瓷超声雾化片
技术领域
本发明涉及一种将液体进行雾化的装置，尤其涉及一种采用压电陶瓷换能器进行超声雾化的雾化片。
技术背景
生活中，人为地将液体打散细化成微小颗粒状的过程，称之为“雾化”。实现雾化的装置有很多，比如，广泛使用的压缩型雾化器，以及现阶段快速发展的压电式雾化装置。作为一种容积式雾化装置是压缩型雾化工程需要人力或电机带动来实现容积的交替变化，因此结构上较为复杂且不易小型化。
近些年，随着压电材料以及理论的不断发展和成熟，各种结构的压电式雾化装置不断被提出。与压缩型雾化装置不同，压电式雾化装置不需要外力的驱动，所以结构上更为简单，易于小型化和微型化的实现。但需要注意的是，现阶段使用的压电式雾化器在雾化过程中存在着雾化颗粒大小不均、雾化效果不佳的问题。
发明内容
本发明目的在于提出了一种雾化孔孔径大小分布不一致的压电陶瓷雾化片，用以解决现阶段雾化片工作中存在的雾化颗粒大小不均，雾化效果不理想的问题。
第一种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括第一金属膜片和第一压电陶瓷环片；所述的第一金属膜片和所述的第一压电陶瓷环片通过粘结剂粘结在一起；所述的第一压电陶瓷环片上设有第一通孔；所述的第一金属膜片上设有第一密集雾化孔区域，第一密集雾化孔区域位置和第一通孔位置对应，且第一密集雾化孔区域的面积小于等于第一通孔的面积；所述第一密集雾化孔区域的雾化孔朝向第一通孔一侧为第一开口，雾化孔背向第一通孔一侧为第二开口；第一开口直径小于第二开口直径；上述雾化口的直径由第一密集雾化孔区域中心向外侧不断增大。
第二种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括有第二金属膜片和第二压电陶瓷环片及第三压电陶瓷环片；所述的第二压电陶瓷环片和第三压电陶瓷环片位于所述的第二金属膜片的两侧；所述的第二金属膜片和所述的第二压电陶瓷环片、第三压电陶瓷环片通过粘结剂粘结在一起；所述的第二压电陶瓷环片上设有第二通孔，所述的第三压电陶瓷环片上设有第三通孔，所述的第二金属膜片上设有第二密集雾化孔区域，第二密集雾化孔区域位置和第二通孔、第三通孔位置对应，且第二密集雾化孔区域的面积小于等于第二通孔、第三通孔的面积；所述第二密集雾化孔区域的雾化孔朝向第二压电陶瓷环片一侧或第三压电陶瓷环片一侧的开口为雾化口，上述雾化口的直径由第二密集雾化孔区域中心向外侧不断增大。
第三种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括有第三金属膜片、第四金属膜片和第四压电陶瓷环片、第五压电陶瓷环片、第六压电陶瓷环片；所述的第四压电陶瓷环片、第三金属膜片、第五压电陶瓷环片、第四金属膜片和第六压电陶瓷环片依次粘结在一起，所述的第三金属膜片上设有第三密集雾化孔区域；所述的第四金属膜片上设有第四密集雾化孔区域；所述的第四压电陶瓷环片上设有第四通孔；所述的第五压电陶瓷环片上设有第五通孔；所述的第六压电陶瓷环片上设有第六通孔；所述的第三雾化孔区域、第四密集雾化孔区域和所述的第四通孔通孔、第五通孔、第六通孔之间的位置对应并对齐；所述的第四通孔、第五通孔、第六通孔的面积大于等于所述的第三雾化孔区域、第四雾化孔区域的面积；所述的第三金属膜片上的雾化孔的雾化口的朝向和第四金属膜片上的雾化孔的雾化口的朝向相同；上述第三金属膜片上的雾化口的直径由第三密集雾化孔区域中心向外侧不断增大，第四金属膜片上的雾化口的直径由第四密集雾化孔区域中心向外侧不断增大。
更进一步地，所述的通孔为圆形，或矩形，或椭圆形，或其他形状。
更进一步地，所述金属膜片上分布的密集雾化孔的形状可以锥形的，也可以是圆弧母线锥状孔（孔形状的外围母线是弧线而不是直线）。
更进一步地，所述的雾化孔的雾化开口的变化不一定是严格线性的。孔径增加过程可以视金属膜片的弯曲变形情况进行确定。
本发明提出的内外不等径压电陶瓷超声雾化片是在考虑了雾化片中金属膜片变形不均的情况，通过利用弯曲变形不均的作用效果提出来的。在不同的变形作用下，雾化孔结构参数发生改变，通过利用这个改变设计出不同孔径的雾化孔实现了雾化颗粒的均匀化，提高雾化效果。
有益效果
通过利用雾化片中金属膜片弯曲变形分布不均，充分利用金属膜片弯曲不均的作用效果，设计出一种内外不等径雾化孔压电陶瓷超声雾化片。与现阶段使用的压电陶瓷超声雾化片工作情况相比，本发明在工作中可以很好的实现雾化颗粒的大小均匀，雾化效果理想。
说明书附图
图1现阶段使用的压电陶瓷超声雾化片结构示意图
图2压电陶瓷超声雾化片运动效果图（向下弯曲）
图3压电陶瓷超声雾化片运动效果图（向上弯曲）
图4雾化片向下弯曲时雾化孔受力情况示意图
图5雾化片向上弯曲时雾化孔受力情况示意图
图6锥形雾化孔的结构示意图
图7圆弧母线锥状雾化孔的结构示意图
图8雾化片向上弯曲时锥形雾化孔最终变形示意图
图9雾化片向下弯曲时锥形雾化孔最终变形示意图
图10现阶段使用的雾化片内层雾化孔实现雾化时雾化孔的变形情况示意图
图11现阶段使用的雾化片中间层雾化孔实现雾化时雾化孔的变形情况示意图
图12现阶段使用的雾化片外层雾化孔实现雾化时雾化孔的变形情况示意图
图13本发明提出的压电陶瓷超声雾化片各区域分布示意图
图14本发明提出的第一类型压电陶瓷超声雾化片结构示意图（采用一片金属膜片和一片压电陶瓷环片）
图15采用圆弧母线锥状雾化孔的本发明第一种类型压电陶瓷超声雾化片结构示意图
图16本发明提出的第二种类型压电陶瓷超声雾化片结构示意图（采用一片金属膜片和两片压电陶瓷环片）
图17本发明提出的第三种类型压电陶瓷超声雾化片结构示意图（采用两片金属膜片和三片压电陶瓷环片）
图18本发明在给出的实施例中内层雾化孔实现雾化时的变形情况示意图
图19本发明在给出的实施例中中间层雾化孔实现雾化时的变形情况示意图
图20本发明在给出的实施例中外层雾化孔实现雾化时的变形情况示意图
图中标号名称：1、第一金属膜片；2、第一压电陶瓷环片；3、第一密集雾化孔区域；4、第一通孔；5、第一开口；6、第二开口；001、中性层上端材料；002、中性层下端材料；100、第二金属膜片；200、第二压电陶瓷环片；201、第三压电陶瓷环片；3’、第二密集雾化孔区域；4’、第二通孔；4”、第三通孔；101、第三金属膜片；102、第四金属膜片；202、第四压电陶瓷环片；203、第五压电陶瓷环片；204、第六压电陶瓷环片；33’、第三密集雾化孔区域；33”、第四密集雾化孔区域；44、第四通孔；45、第五通孔；46、第六通孔；11、本发明在实施例中的内层雾化孔；22、本发明在实施例中的中间层雾化孔；33、本发明在实施例中的外层雾化孔。
具体实施方式
通过对压电式雾化器核心部件—压电陶瓷超声雾化片（如图1所示）的作动研究，我们发现雾化片在运动过程中金属膜片存在着弯曲变形不均的现象。金属膜片上雾化孔分布区域存在着中心区域内变形量大，雾化孔区域边缘部分变形较小，变形量由中心向外不断减小的特点，具体变形情况如图2、3所示。
根据弹性力学中板壳弯曲变形的相关知识可知，当金属膜片做弯曲运动时，在金属膜片厚度方向上存在一个中性层O-O（物理上不存在），中性层上方与下方的受力情况是不一致的（箭头表示受力方向）。金属膜片向下弯曲时，中性层上端材料001受压，下端材料002受拉，作用效果如图4所示；反之，当金属膜片向上弯曲时，中性层上端材料001受拉，下端材料002受压，作用效果如图5所示。
金属膜片弯曲变形的不一致以及上下端材料（001和002）受力方向的不一致，直接对金属膜片中雾化孔的工作状态造成影响并最终决定了雾化效果。为了更好的说明，我们结合图6、7、8、9进行阐述。如图6所示，雾化孔结构呈锥形、锥孔小径端直径为d1，锥孔大径端直径为d2。中性层为O-O，中性层上方的雾化孔腔体体积为V1，下方体积为V2。当金属膜片向下弯曲时，中性层上端材料001受压，下端材料002受拉，雾化孔小径端直径因压力作用缩小变为d1"，大径端直径因拉力作用扩大变为d2"，中性层上方腔体体积变为V1"，下方腔体体积变为V2"，如图9所示；反之，当金属膜片向上弯曲时，中性层上端材料001受拉，下端材料002受压，雾化孔小径端直径受拉力作用扩大变为d1'，大径端直径因压力作用缩小为d'2，中性层上方腔体体积变为V1'，下方腔体体积变为V2'，如图8所示。对于从雾化孔小径一侧雾化（锥角θ满足34°＜θ＜90°）的雾化片来说，通过积分计算有V1"＜V1'、V2"＞V2'、V1"+V2"＞V1'+V2'。由V1"+V2"＞V1'+V2'可知，雾化片向下弯曲运动时，雾化孔的体积V1"+V2"相对于雾化片向上弯曲时的体积V1'+V2'是增大的，所以当金属膜片由向上弯曲转为向下弯曲方向运动时，雾化孔体积增大，雾化孔从外部吸入液体，为吸程；当金属膜片由向下弯曲转为向上弯曲方向运动时，雾化孔体积减小，雾化孔内液体被排出，在雾化片的第一开口有雾滴产生，为排程。综上分析可知，最终雾化的雾化颗粒大小是由第一开口在排程阶段的孔径d1'决定的。对于采用圆弧母线锥状雾化孔（图7）的雾化片，其作用效果与原理也是一样的，在这不再赘述。
通过上述分析可知，现阶段使用的雾化片（图1）孔径是完全一致的，所以在金属膜片内外变形剧烈程度不一致的条件下，雾化孔区域中内外层的雾化孔在排程阶段的第一开口孔径d1'是不一致的（图10～12所示），进而造成雾化颗粒大小不一，雾化效果不佳。
下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：本实施例是以本发明提出的第一种类型压电陶瓷雾化片（只包括一片第一金属膜片和一片第一压电陶瓷环片组成）结构下进行实施的且采用的雾化孔为锥形孔。下面给出了详细的问题分析和实施分析，但必须指出的是本发明的保护范围不限于本实施例。
图13和图14给出了本实施例中本发明的各区域分布示意图和剖视图。如图13，14所示，本发明结构中主要包括有：第一金属膜片1、第一压电陶瓷环片2。第一金属膜片1上有第一密集雾化孔区域3，第一密集雾化孔区域3由中心向外有不同结构参数的雾化孔，分别编号为雾化孔11、雾化孔22、雾化孔33，采用的雾化孔是锥形的，所有的雾化孔都设有第一开口5和第二开口6，第一压电陶瓷环片2上设有第一通孔4，第一金属膜片1上第一密集雾化孔区域3的面积小于等于第一通孔4所覆盖的面积。第一金属膜片1和第一压电陶瓷环片2通过粘结剂粘结在一起。
在交流电作用下第一压电陶瓷环片2因逆压电效应作用将产生沿径向的振动，进而带着第一金属膜片1做向上或者向下弯曲的运动，运动效果可以参照图2和图3。从图中我们可以看出，第一金属膜片1弯曲变形量由中心向外不断减小，中间部分弯曲变形最为剧烈。
本发明提出的雾化片中内层雾化孔11的第一开口5直径为d11，中间层雾化孔22的第一开口5直径为d22，外层雾化孔33的第一开口直径为d33，且满足d11≤d22≤d33。由于在工作排程中因第一密集雾化孔区域3中的变形的剧烈程度由中心向外是不断减小，所以d11扩张最为剧烈变为d1'1，d22次之，扩张为d'22，d33扩张最少变为d3'3，最终实现有d1'1≈d'22≈d3'3，这样从第一开口5喷出的雾化颗粒大小均匀，雾化效果更为理想。

Claims (12)

1. 一种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括第一金属膜片（1）和第一压电陶瓷环片（2）；所述的第一金属膜片（1）和所述的第一压电陶瓷环片（2）通过粘结剂粘结在一起；所述的第一压电陶瓷环片（2）上设有第一通孔（4）；所述的第一金属膜片（1）上设有第一密集雾化孔区域（3），第一密集雾化孔区域（3）位置和第一通孔（4）位置对应，且第一密集雾化孔区域（3）的面积小于等于第一通孔（4）的面积；所述第一密集雾化孔区域（3）的雾化孔朝向第一通孔（4）一侧为第一开口（5），雾化孔背向第一通孔（4）一侧为第二开口（6）；第一开口（5）直径小于第二开口（6）直径；上述雾化口的直径由第一密集雾化孔区域（3）中心向外侧不断增大。
2. 根据权利要求1压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述第一通孔（4）为圆形，或矩形，或椭圆形。
3. 根据权利要求1压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化孔为锥形孔，或圆弧母线锥状孔。
4. 根据权利要求1压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化口直径变化是非线性的。
5. 一种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括有第二金属膜片（100）和第二压电陶瓷环片（200）及第三压电陶瓷环片（201）；所述的第二压电陶瓷环片（200）和第三压电陶瓷环片（201）位于所述的第二金属膜片（100）的两侧；所述的第二金属膜片（100）和所述的第二压电陶瓷环片（200）、第三压电陶瓷环片（201）通过粘结剂粘结在一起；所述的第二压电陶瓷环片（200）上设有第二通孔（4’），所述的第三压电陶瓷环片（201）上设有第三通孔（4”），所述的第二金属膜片（100）上设有第二密集雾化孔区域（3’），第二密集雾化孔区域（3’）位置和第二通孔（4’）、第三通孔（4”）位置对应，且第二密集雾化孔区域（3’）的面积小于等于第二通孔（4’）、第三通孔（4”）的面积；所述第二密集雾化孔区域（3’）的雾化孔朝向第二压电陶瓷环片（200）一侧或第三压电陶瓷环片（201）一侧的开口为雾化口，上述雾化口的直径由第二密集雾化孔区域（3’）中心向外侧不断增大。
6. 根据权利要求5压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述第二通孔（4’）或第三通孔（4’’）为圆形，或矩形，或椭圆形。
7. 根据权利要求5压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化孔为锥形孔，或圆弧母线锥状孔。
8. 根据权利要求5压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化口直径变化是非线性的。
9. 一种压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：包括有第三金属膜片（101）、第四金属膜片（102）和第四压电陶瓷环片（202）、第五压电陶瓷环片（203）、第六压电陶瓷环片（204）；所述的第四压电陶瓷环片（202）、第三金属膜片（101）、第五压电陶瓷环片（203）、第四金属膜片（102）和第六压电陶瓷环片（204）依次粘结在一起，所述的第三金属膜片（101）上设有第三密集雾化孔区域（33’）；所述的第四金属膜片（102）上设有第四密集雾化孔区域（33”）；所述的第四压电陶瓷环片（202）上设有第四通孔（44）；所述的第五压电陶瓷环片（203）上设有第五通孔（45）；所述的第六压电陶瓷环片（204）上设有第六通孔（46）；所述的第三雾化孔区域（33’）、第四密集雾化孔区域（33”）和所述的第四通孔通孔（44）、第五通孔（45）、第六通孔（46）之间的位置对应并对齐；所述的第四通孔（44）、第五通孔（45）、第六通孔（46）的面积大于等于所述的第三雾化孔区域（33’）、第四雾化孔区域（33”）的面积；所述的第三金属膜片（101）上的雾化孔的雾化口的朝向和第四金属膜片（102）上的雾化孔的雾化口的朝向相同；上述第三金属膜片（101）上的雾化口的直径由第三密集雾化孔区域（33’）中心向外侧不断减小，第四金属膜片（102）上的雾化口的直径由第四密集雾化孔区域（33”） 中心向外侧不断增大。
10. 根据权利要求9压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述第四通孔通孔（44）或第五通孔（45）或第六通孔（46）为圆形，或矩形，或椭圆形。
11. 根据权利要求9压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化孔为锥形孔，或圆弧母线锥状孔。
12. 根据权利要求9压电陶瓷超声雾化片，其特征在于：所述雾化口直径变化是非线性的。
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