CN105499048B - 一种气助式低频静电超声雾化喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超声雾化领域的一种气助式低频静电超声雾化喷头，包括液流罩、连接装置、变幅杆、金属薄膜、压电陶瓷、铜片电极、充电电极环、导液管和导气管；压电陶瓷在电流激励下发生高频机械震动，经过变幅杆放大声波振幅，液流从导液管进入与变幅杆顶端的超声雾化区接触，将液体雾化成细小的雾滴；低压成形气流从导气管进入，将雾滴吹出，雾滴碰撞金属薄膜，形成二次雾化；通过控制气流的速度可以改变喷头的喷雾角；高压静电发生器产生高压供给充电电极环，使雾滴通过充电区域时带上电荷，使得雾滴进一步细化；本发明使雾滴分布更加集中，提高雾滴吸附的性能，延长喷雾距离，可调节喷雾角度，可实现精密高效的超声雾化效果，具有更强的实用性。

Description

一种气助式低频静电超声雾化喷头
技术领域
本发明属于工业或农业工程的超声雾化器领域，具体涉及一种气助式低频静电超声雾化喷头。
背景技术
自80年代以来，静电喷雾发展迅速，其原理是利用静电作用控制雾滴运动来改善喷雾特性的一种方法，该技术已经广泛应用于静电喷涂、薄膜制备、喷射成形、静电捕集、农药喷洒等领域，根据不同的用途，人们设计了不同的静电雾化喷头。其中，气动式静电喷头具有寿命时间长，维护费用低、喷雾效果好、可靠性高的特点，同时也是较早使用的静电雾化喷头。
超声雾化是利用超声波定向压强，使液体表面隆起，在隆起的液面周围发生空化作用，使液体雾化成小分子的雾滴。与其它雾化手段相比，超声雾化具有雾滴细小、大小分布均匀、高度圆整性、雾化量相对较大和液体输送压力低等优点，因此，超声雾化被广泛地应用在雾化栽培、农业加湿、药剂雾化治疗以及半导体刻蚀等方面。超声雾化器主要有高频(工作频率大于1MHz)和低频(工作频率20～80kHz)之分。超声雾化器具有雾化量大且稳定、可靠性高、对液体粘度没有要求以及不破坏工作介质化学结构等优点，在农业喷雾领域(如雾化栽培、叶面施肥)以及工业喷涂等领域具有广泛的应用前景。
在实际的应用当中，有时需要控制雾滴的分布范围和对喷滴颗粒的吸附能力有一定要求，而原有的自然发散式的超声雾化喷头无法达到相应的条件。当引入成形气流和静电感应充电后，超声雾化喷头的功能得到增强，使用范围与原来相比也大大增加。为了解决原有超声雾化喷头雾滴分布不集中、喷雾距离较短、喷雾角不可调节、雾滴吸附性能差的问题，本发明设计了一种可控的并能够精确聚焦进行喷雾的气助式超声雾化喷头。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种使超声雾化喷头雾滴分布更加集中，提高雾滴吸附的性能，延长喷雾距离，可调节喷雾角度，并且可控的、能够精确聚焦进行喷雾的气助式低频静电超声雾化喷头。
本发明的技术方案是：一种气助式低频静电超声雾化喷头，包括充电电极环、液流罩、连接装置、变幅杆和超声振子；
所述液流罩为空心圆柱，所述液流罩上端设有通孔A，下端设有开口；所述通孔A上固定设有充电电极环；所述液流罩的侧边设有导流管，所述导流管的出口位于所述液流罩的内侧；
所述连接装置为空心圆柱，所述连接装置的上端和下端分别设有通孔B和通孔C；所述通孔A、通孔B和通孔C位于同一竖直线上；所述液流罩的下端开口与所述连接装置的上端螺纹连接；所述液流罩与所述连接装置之间形成腔体；
所述变幅杆的顶端依次穿过所述通孔B和通孔C进入腔体，所述连接装置的下端与所述变幅杆中部螺纹连接；所述变幅杆内设有导气管，所述导气管的出口位于所述变幅杆的前端中部；
所述超声振子包括前盖板、压电陶瓷一、压电陶瓷二、后盖板、螺杆、绝缘套、铜片电极一、铜片电极二和铜片电极三；所述螺杆的尾部依次穿过所述后盖板、铜片电极一、压电陶瓷一、铜片电极二、压电陶瓷二、铜片电极三和前盖板上的通孔与所述变幅杆的底端螺纹连接；所述绝缘套套在所述螺杆上、且贯穿所述铜片电极一、压电陶瓷一、铜片电极二、压电陶瓷二和铜片电极三的通孔。
上述方案中，还包括金属薄膜，所述金属薄膜呈圆环形、且安装在所述变幅杆的顶端；所述金属薄膜上开有至少四条呈对称分布的缺口，将金属薄膜分成至少四瓣，所述金属薄膜各瓣可与所述变幅杆的顶端成夹角对称打开。
进一步的，所述金属薄膜的厚度为0.2～0.5mm；所述金属薄膜各瓣可与所述变幅杆顶端成15°～30°角打开。
上述方案中，所述连接装置的上端还设有隔板和溢流口，下端设有液体出口；
所述隔板呈环状、且与所述变幅杆的前端呈同心环绕式设置；所述导流管的出口端位于所述隔板与变幅杆前端之间的圆环内；所述溢流口位于所述隔板与液流罩之间的圆环内。
上述方案中，还包括垫片，所述垫片套在所述螺杆上、且位于所述螺杆的头部与所述后盖板之间。
上述方案中，所述变幅杆上端与所述连接装置的连接处设有O型橡胶密封圈。
上述方案中，所述液流罩下端与所述连接装置上端的连接处设有矩形密封圈。
上述方案中，所述前盖板和后盖板均为绝缘陶瓷材料制成。
上述方案中，所述变幅杆为硬铝材料制成。
上述方案中，所述变幅杆通过接地线与地面连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过引用成形气流，使雾滴分布集中，雾化均匀；且通过改变气流速度的大小，可调节喷雾的锥角，具有更广阔的应用场景，通用性得到加强；喷头出口因为有气流作用，不易发生堵塞；由于气流的作用，使得雾滴高度聚焦，喷雾距离远，与传统非气助式超声雾化喷头相比，可增加50％～100％的喷雾距离。
2、本发明中喷头前端设置有感应充电电极环，给雾滴充电，增加雾滴的吸附效果。
3、本发明中所述变幅杆的顶端还设有轻质、易变形的圆环形金属薄膜，使得雾滴冲击其表面发生二次雾化，达到细化喷雾雾滴的作用。
4、本发明中压电陶瓷的极化方向与超声振子的厚度方向一致，这种结构的优点在于既利用了超声振子的纵向效应，又得到了较低的共振频率。
5、本发明中采用垫片是为了防止换能器在长时间工作后螺纹连接发生松脱，增强其可靠性。
6、本发明中前盖板和后盖板均为绝缘陶瓷材料，保证充电电极环产生的感应电场不影响压电陶瓷的正常工作。
7、本发明中为防止充电电极环的感应电场在变幅杆中产生感应电流，须将变幅杆接地保持零电位。
综上，本发明中的气助式低频静电超声雾化喷头相对于现有技术中的雾化喷头，采用气助式、二次超声雾化技术及静电细化原理，可实现精密高效的超声雾化效果，同时得到极小粒径的雾滴，节约水或其它液体的使用，喷雾效果大大超过其它雾化方法，具有更强的实用性。
附图说明
图1是本发明一实施例的三维示意图。
图2是本发明一实施例的剖面示意图。
图3是本发明一实施例的俯视图。
图4是本发明一实施例的金属薄膜结构示意图。
图5是本发明一实施例的气助式低频静电超声雾化喷头工作时顶端结构放大剖视图。
图中，1、充电电极环；2、液流罩；3、金属薄膜；4、O型橡胶密封圈；5、连接装置；6、变幅杆；7、前盖板；8、压电陶瓷一；9、后盖板；10、螺杆；11、垫片；12、绝缘套；13、铜片电极一；14、矩形密封圈；15、通孔A；16、通孔B；17、通孔C；18、压电陶瓷二；19、铜片电极二；20、铜片电极三；21、导流管；22、导气管；23、隔板；24、溢流口；25、液体出口；26、接地线；27、腔体；28、雾化端面；29、缺口。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1和图2所示为本发明所述气助式低频静电超声雾化喷头的一种实施方式，所述气助式低频静电超声雾化喷头包括充电电极环1、液流罩2、连接装置5、变幅杆6和超声振子。
所述液流罩2为空心圆柱，所述液流罩2上端设有通孔A15，下端设有开口；所述连接装置5为空心圆柱，所述连接装置5的上端和下端分别设有通孔B16和通孔C17；所述通孔A15、通孔B16和通孔C17位于同一竖直线上。所述液流罩2的上端通孔上固定设有充电电极环1；所述液流罩2的下端开口与所述连接装置5的上端螺纹连接，所述液流罩2与所述连接装置5之间形成腔体27；所述液流罩2下端与所述连接装置5上端的连接处设有矩形密封圈14，保证了连接部位的密封性。
所述变幅杆6的顶端依次穿过所述通孔B16和通孔C17进入腔体27，所述连接装置5的下端与所述变幅杆6中部螺纹连接，保证了连接的可靠性。所述变幅杆6上端与所述连接装置5的连接处设有O型橡胶密封圈4，用于填补连接缝隙，防止液体从所述连接装置5和变幅杆6的缝隙间渗漏。
所述超声振子采用朗之万结构，包括前盖板7、压电陶瓷一8、压电陶瓷二18、后盖板9、螺杆10、垫片11、绝缘套12、铜片电极一13、铜片电极二19和铜片电极三20；所述螺杆10的尾部依次穿过所述垫片11、后盖板9、铜片电极一13、压电陶瓷一8、铜片电极二19、压电陶瓷二18、铜片电极三20和前盖板7上的中心通孔与所述变幅杆6的底端螺纹连接，同时将所述垫片11、后盖板9、铜片电极一13、压电陶瓷一8、铜片电极二19、压电陶瓷二18、铜片电极三20和前盖板7压紧。所述螺杆10的直径小于所述铜片电极一13、压电陶瓷一8、铜片电极二19、压电陶瓷二18和铜片电极三20的通孔半径，为防止两者接触发生电路短路，影响喷头的正常工作，所述绝缘套12套在所述螺杆10上、且贯穿所述铜片电极一13、压电陶瓷一8、铜片电极二19、压电陶瓷二18和铜片电极三20的中心通孔。采用所述垫片11是为了防止超声振子在长时间工作后螺纹连接发生松脱，增强其连接的可靠性。
在本发明中，压电陶瓷的极化方向与超声振子的厚度方向一致。这种结构的优点在于既利用了超声振子的纵向效应，又得到了较低的共振频率。另一方面，由于压电陶瓷本身的特点，即抗张强度差，在大功率工作状态下容易发生破裂，通过采用所述垫片11以及预紧力螺杆10给压电陶瓷施加预紧力，使压电陶瓷在强烈的振动时始终处于压缩状态，从而避免压电陶瓷的破裂。压电陶瓷选择机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较高的材料，此处选择PZT-4或PZT-8。所述前盖板7和后盖板9均为绝缘陶瓷材料制成，保证所述充电电极环1产生的感应电场不影响压电陶瓷的正常工作。所述变幅杆6为硬铝材料制成，为防止所述充电电极环1的感应电场在所述变幅杆6中产生感应电流，所述变幅杆6须通过接地线26与地面连接保持零电位。
所述变幅杆6内设有导气管22，所述导气管22的出口位于所述变幅杆6的前端中部。
所述压电陶瓷一8和压电陶瓷二18在电流激励下产生高频震动，产生超声波；超声波经过所述变幅杆6放大声波振幅；液流从所述液流罩2侧边的导流管21进入所述连接装置5的顶端与变幅杆6顶端的雾化区接触，将液体雾化成细小的雾滴。低压成形气流从所述导气管22进入、且从所述变幅杆6上端喷出，将雾滴吹出，使得雾滴高度聚焦。气流在出口处以50-150m/s的速度喷出，并在出口周围形成一定的真空度，使得液体被吸到雾化端面28产生超声雾化；通过改变气道中的气流速度，可以改变喷头的喷雾角，控制雾滴的分布，从而精确地将雾滴送达到所要求的位置，增加了喷头的应用前景，通用性得到加强；喷头出口因为有气流作用，不易发生堵塞。
如图3所示，所述连接装置5的上端还设有隔板23和溢流口24，所述连接装置5的下端设有液体出口25。所述隔板23呈环状、且与所述变幅杆6的前端呈同心环绕式设置；所述液流罩2的侧边设有导流管21，所述导流管21的出口端位于所述隔板23与变幅杆6前端之间的圆环内、且延伸至所述所述变幅杆6前端的雾化端面28；所述导流管21有两根，直径为4mm、且呈对称分布；所述溢流口24位于所述隔板23与液流罩2之间的圆环内，多余的液体可从溢流口24流出并从所述液体出口25排出。
如图4所示，所述变幅杆6的顶端还设有轻质、易变形的圆环形金属薄膜3。所述金属薄膜3的厚度为0.2～0.5mm；优选的，所述金属薄膜3的厚度为0.2mm。为了使圆环形的金属薄膜更容易打开，在所述金属薄膜3上开有至少四条呈对称分布的缺口29，将金属薄膜3分成至少四瓣，优选的，所述金属薄膜3上开有六条呈对称分布的缺口29，将金属薄膜3分成六瓣，使得很小的声悬浮力也能使薄膜发生变形。喷头工作时受到声悬浮作用力，所述金属薄膜3各瓣可与所述变幅杆6的顶端成15°～30°夹角对称打开，使得雾滴冲击其表面发生二次雾化，达到细化喷雾雾滴的作用。优选的，所述金属薄膜3各瓣可与所述变幅杆6顶端成30°角打开。
所述液流罩2的上端通孔，即喷头出口处设置有所述充电电极环1，高压静电发生器产生高压供给充电电极环1，通过感应充电的方式给雾滴充电，在雾滴形成区附近，利用电极与雾滴之间的电场给雾滴充电，当对雾滴施加静电时，电荷会在雾滴表面累积。对于任一给定液体，都存在一个最大的表面电荷密度，以至于液体表面向外展开的电力恰好和表面张力的约束力平衡。理论上，规定雾滴电荷极限值由下式计算：
式中，qmax—雾滴电荷极限；
ε0—真空介电常数；
σ—液体表面张力；
r—雾滴半径。
如果雾滴荷电超过这个极限值，会由于液体受力的不平衡而使雾滴破裂，由该式可知，对于任一给定液体，若σ不变，则喷头所得雾滴直径越小，雾滴电荷极限值越小，只要加上一个相对较小的电压，就可使雾滴荷电量超过极限值，使雾滴克服表面张力而破裂，从而使大粒径的雾滴分裂成小粒径雾滴，使得雾滴进一步细化。
本发明所述喷头雾化及充电过程如图5所示，喷头工作时，变幅杆6顶端发生高频振动，其与空气接触处即为雾化端面28；液流被所述导流管21导入腔体27中，当液面高度达到变幅杆6的端面高度时，液体进入雾化端面28上，经过高频振动，破碎分裂成细小雾滴；多余的液体则通过隔板23进入到溢流口24中，并最终通过连接装置5下部的液体出口25排出喷头；从雾化端面28形成的雾滴在气流的带动下冲向金属薄膜3，发生二次雾化，雾滴破碎成更小粒径；在雾化区域的上方出口处即、通孔A15设置有充电电极环1，通过感应充电的方式给雾滴充电，感应充电电压为1200～2400V。在雾滴形成区上方，利用电极与雾滴之间的电场使雾滴充电，同时强电场具有使雾滴进一步细化的功能。
本实施例中的气助式低频静电超声雾化喷头，在实际的加工生产中，为了方便，超声雾化换能器内前盖板7部分与超声变幅杆6可以设计为一个整体，从而精简喷头结构。端面的充电电极环可以采用焊接，粘结等方式与超声变幅杆6进行连接。
本发明同时可以适应多种使用条件，可不通气流进行纯超声雾化，或停止使用感应充电功能，使用更显得灵活方便。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，包括充电电极环(1)、液流罩(2)、连接装置(5)、变幅杆(6)和超声振子；
所述液流罩(2)为空心圆柱，所述液流罩(2)上端设有通孔A(15)，下端设有开口；所述通孔A(15)上固定设有充电电极环(1)；所述液流罩(2)的侧边设有导流管(21)，所述导流管(21)的出口位于所述液流罩(2)的内侧；
所述连接装置(5)为空心圆柱，所述连接装置(5)的上端和下端分别设有通孔B(16)和通孔C(17)；所述通孔A(15)、通孔B(16)和通孔C(17)位于同一竖直线上；所述液流罩(2)的下端开口与所述连接装置(5)的上端螺纹连接；所述液流罩(2)与所述连接装置(5)之间形成腔体(27)；
所述变幅杆(6)的顶端依次穿过所述通孔B(16)和通孔C(17)进入腔体(27)，所述连接装置(5)的下端与所述变幅杆(6)中部螺纹连接；所述变幅杆(6)内设有导气管(22)，所述导气管(22)的出口位于所述变幅杆(6)的前端中部；
所述超声振子包括前盖板(7)、压电陶瓷一(8)、压电陶瓷二(18)、后盖板(9)、螺杆(10)、绝缘套(12)、铜片电极一(13)、铜片电极二(19)和铜片电极三(20)；所述螺杆(10)的尾部依次穿过所述后盖板(9)、铜片电极一(13)、压电陶瓷一(8)、铜片电极二(19)、压电陶瓷二(18)、铜片电极三(20)和前盖板(7)上的通孔与所述变幅杆(6)的底端螺纹连接；所述绝缘套(12)套在所述螺杆(10)上、且贯穿所述铜片电极一(13)、压电陶瓷一(8)、铜片电极二(19)、压电陶瓷二(18)和铜片电极三(20)的通孔。
2.根据权利要求1所述气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，还包括金属薄膜(3)，所述金属薄膜(3)呈圆环形、且安装在所述变幅杆(6)的顶端；所述金属薄膜(3)上开有至少四条呈对称分布的缺口(29)，将金属薄膜(3)分成至少四瓣，所述金属薄膜(3)各瓣可与所述变幅杆(6)的顶端成夹角对称打开。
3.根据权利要求2所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述金属薄膜(3)的厚度为0.2～0.5mm；所述金属薄膜(3)各瓣可与所述变幅杆(6)顶端成15°～30°角打开。
4.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述连接装置(5)的上端还设有隔板(23)和溢流口(24)，下端设有液体出口(25)；
所述隔板(23)呈环状、且与所述变幅杆(6)的前端呈同心环绕式设置；所述导流管(21)的出口端位于所述隔板(23)与变幅杆(6)前端之间的圆环内；所述溢流口(24)位于所述隔板(23)与液流罩(2)之间的圆环内。
5.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，还包括垫片(11)，所述垫片(11)套在所述螺杆(10)上、且位于所述螺杆(10)的头部与所述后盖板(9)之间。
6.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述变幅杆(6)上端与所述连接装置(5)的连接处设有O型橡胶密封圈(4)。
7.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述液流罩(2)下端与所述连接装置(5)上端的连接处设有矩形密封圈(14)。
8.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述前盖板(7)和后盖板(9)均为绝缘陶瓷材料制成。
9.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述变幅杆(6)为硬铝材料制成。
10.根据权利要求1所述的气助式低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述变幅杆(6)通过接地线(26)与地面连接。
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