CN105728254B - 一种低频静电超声雾化喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低频静电超声雾化喷头，涉及农业工程领域的静电雾化器，包括换能器后盖板、压电陶瓷、换能器前盖板、喷嘴变幅杆和紧定螺钉，所述紧定螺钉依次穿过换能器后盖板、压电陶瓷和换能器前盖板的中心圆孔，喷嘴变幅杆轴向中心设有进液通道，在偏离轴向中心的位置设有进气通道，喷嘴变幅杆的顶部加工为凹球面，凹球面上设有一个悬浮球。利用轴向偏心运动的压缩空气使悬浮球高速旋转，电极通电使得悬浮球产生电场，使经过低频超声雾化产生的雾滴再次被静电雾化，并且带上静电荷，带电雾滴从喷头喷出。该发明既突破了低频超声雾化喷头难以生成超细雾滴的瓶颈，又使雾滴带上静电，增加了其粘附性，使雾滴可以更高效地粘附在作物上。

Description

一种低频静电超声雾化喷头
技术领域
本发明是一种用于农业工程领域的低频超声静电雾化器，尤其涉及低频超声静电雾化器雾化喷头结构的设计。
背景技术
超声雾化是运用电子超高频震荡原理，在超声波发生器上通过一定频率的振荡电流，产生高频电能信号，通过换能器将其转换为超声机械振动（即超声波）；超声波通过雾化介质传播，在气液界面处形成表面张力波，由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏，从液体表面脱出形成雾滴，从而实现液体的雾化，超声雾化的雾滴直径达微米级。超声雾化器由于其雾滴尺寸细小均匀等优势在农业工程领域有着广泛的应用前景。考虑到高频超声雾化（工作频率在 1MHZ以上）工作过程中，会较大程度地改变所雾化液体的理化特性，因而其不适用于雾化栽培领域和植物保护领域。而低频超声雾化虽然较小地影响所雾化液体的理化特性，但是其产生雾滴偏大，导致其在作物上粘附性较差
大量研究表明，荷电能够降低液体表面张力及雾化阻力，且雾滴带有同性电荷，在电场力作用下会破碎成更小的雾滴，雾滴的直径分布更趋均匀。静电雾化目前已广泛应用于农药喷洒、工业喷涂、材料制备、燃油燃烧、工业除尘及脱硫、颗粒聚并及分离等许多方面，其优点是雾滴粘附特性好。但是受技术的限制，静电雾化的临界电压在几千伏到几十千伏之间，因而称作高压静电雾化，高压静电雾化存在以下缺点：高压静电雾化需要千伏以上的高压电，对操作者来说是一个极大的安全隐患；高压静电在一定程度上会伤害作物，而低压静电会促进作物的生长；高压静电喷雾结构复杂，对制造材料要求特别是绝缘性能要求高，器械成本高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种低频静电超声雾化器，在低频超声和较低静电压共同下产生超细带电雾滴，提高雾滴在作物上的粘附性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括换能器后盖板、压电陶瓷、换能器前盖板、喷嘴变幅杆和紧定螺钉，所述紧定螺钉（12）依次穿过换能器后盖板、压电陶瓷和换能器前盖板的中心圆孔，通过螺纹连接在喷嘴变幅杆后端，同时压紧压电陶瓷、换能器前盖板和换能器后盖板；所述紧定螺钉的直径小于压电陶瓷中心圆孔半径，防止两者接触发生电路短路，影响喷头的正常工作。所述换能器后盖板、压电陶瓷、换能器前盖板组成的低频静电超声雾化喷头的振子部分，所述喷嘴变幅杆的长度为超声波半波长；所述喷嘴变幅杆轴向中心设有进液通道，所述喷嘴变幅杆的后部沿径向开设有营养液入口与进液通道相连，在偏离轴向中心的位置设有进气通道，所述喷嘴变幅杆的后部沿径向开设有压缩空气入口与进气通道相连；所述喷嘴变幅杆的顶部加工为凹球面，凹球面上设有一个悬浮球，悬浮球的面曲率半径与喷嘴变幅杆顶部凹球面的面曲率半径一致，从而产生聚焦式超声悬浮系统，产生更大的声悬浮力。悬浮球的材料为金属导体，悬浮球的外表面设有一圈V形的环形槽；充电针的顶端设于V形环形槽内，充电针后端有弹簧约束，使其与悬浮球定常接触；所述充电针外有绝缘套，绝缘套通过套筒安装在支架上；所述支架通过紧定螺钉安装在喷头的喷嘴变幅杆后部的法兰盘上；法兰盘设置在喷嘴变幅杆的波节点处。采用的紧定螺钉的直径要小于压电陶瓷中心圆孔的半径，防止两者接触发生电路短路，影响喷头的正常工作。
所述喷头在未工作时，中悬浮球因为重力和充电针的压紧作用，紧贴在喷嘴辐射端面。当喷嘴工作时，在压电陶瓷驱动下，振子的前、后盖板产生超声振动，并与喷嘴变幅杆产生共振，在半圆形端部产生聚焦式辐射声场，悬浮球在声辐射力作用下，克服重力和充电针的压紧力，向上悬浮，从而在悬浮球和端面形成间隙。同时，悬浮球在偏心气动力作用下，发生加速旋转。为了保证小球产生声悬浮，喷嘴前部被设计为凹球面，从而产生聚焦式超声悬浮系统，产生更大的声悬浮力。
在喷头的偏心轴向位置开有进气通道，进气通道直径约为1-2mm，喷头工作时进气通道中通入流速为50-100m/s的压缩空气，悬浮球在偏心气动力作用下，发生高速旋转，使悬浮球不沾上液滴，并且高速与雾滴碰撞，使雾滴再次雾化。
所述悬浮球的外表面的环形槽深度为1-2mm。所述绝缘套的直径大于弹簧直径0.2-0.4mm，小于套筒内径0.05-0.1mm，弹簧抵住绝缘套，限制充电针在套筒中往复运动。
喷嘴变幅杆和换能器后盖板为绝缘陶瓷材料，保证悬浮球（8）产生的静电场不影响压电陶瓷的正常工作。
所使用的悬浮球和充电针由铜制成。充电针表面套有绝缘套，防止与之接触的弹簧及套筒带电。绝缘套的直径大于弹簧直径0.2-0.4mm，小于套筒内径0.05-0.1mm，保证充电针与悬浮球之间定常接触。套筒的上表面通过焊接固定在支架上，同时，在支架和套筒接触的中心位置开有一个小孔，使得带电的导线能够深入到套筒中，直接连接在充电针上，从而使充电针带上电荷。
在所述支架和套筒开设一个小孔，使带电的导线穿过小孔深入到套筒中，直接连接在充电针上，使充电针带上电荷。所述支架为矩形框，支架与喷嘴变幅杆通过螺栓连接，螺母和喷嘴变幅杆之间加有垫片。支架和喷嘴变幅杆通过螺栓连接，结构简单，方便安装和维修过程中的拆卸。同时，螺母和喷嘴变幅杆之间加有垫片，防止螺母在喷头工作过程中松脱。
由喷嘴变幅杆、压电陶瓷、换能器前盖板、换能器后盖板以及紧定螺钉组成的喷头主体的超声振动频率在25-30kHz。
喷头驱动电路由扼流圈电感LRFL、开关管S、并联电容C、串联谐振电感L1、串联谐振电容C1、阻抗匹配电容CP组成。
喷头驱动电路结构简单，是一个单端电路，主要由六个部分组成，分别为：扼流圈电感LRFL、开关管S、等效并联电容C（开关管输入电容、分布电容和外接电容的总和）、串联谐振电感L1、串联谐振电容C1、阻抗匹配电容CP。其工作原理如下：工作频率为f（喷头的串联谐振工作频率）的方波信号控制开关管S开通与关断，此时，开关管S漏极输出脉冲电压，经过选频网络C-C1-L1-Cp，抑制在喷头两端的开关频率f的谐波信号，选出基频信号。这样，在喷头两端上可获得与方波信号同频的正弦交流信号。另外，选频网络可以变换与调整负载阻抗。简单地说，当开关管S按激励方波信号周期工作时，就能把来自电源的直流能量转变为交流能量，选频网络只能让基频电流流过，从而激励喷头工作。
对超声雾化驱动电路在各个阶段的工作过程进行简单分析：
首先，扼流圈电感LRFL足够大，只允许直流信号通过，对交流信号呈现很大的阻抗，抑制交流信号通过，使得开关开通或关断时电源电流都不会发生剧烈的变化。因此，可以认为输入电流为一直流量。
其次，基频谐振回路品质因素足够高，流过超声喷头的电流可视为正弦波。
最后，忽略开关管S导通阻抗，且开关管S瞬间完成开通与关闭，即开关管S上升或下降的时间为零。
与同类雾化器相比，本发明具有以下技术效果：
1.通过低频超声雾化效应、静电雾化效应、离心效应使液体进行多次雾化，产生带静电的超细雾滴，增加雾滴在作物上的粘附性。悬浮球在声场辐射力作用下实现悬浮，并且在偏心气动力作用下产生高速旋转，使带电雾滴在离心力作用下高速飞出，使悬浮球不粘液滴。液体在喷嘴变幅杆一次雾化后，在静电场作用下二次雾化，再与悬浮球高速碰撞实现三次雾化。液体在喷嘴变幅杆一次雾化后，其粒径小于60微米，使静电二次雾化所需的电压大幅降低，实现低压静电雾化。三次雾化后的液滴在离心力和气动力复合作用下，高速喷出。
喷头驱动电路结构简单，工作效率高，电路的寄生参数被有效的吸收利用，开关管的结间电容被谐振回路的并联电容吸收利用，可以有效的减少寄生参数对电路性能的影响。工作过程中发热小，能够长时间驱动喷头进行工作，同时具有高度的可靠性，能够减少使 用过程中的维护成本，提高生产效率。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1静电超声雾化喷头结构示意图。
图2静电超声雾化喷头侧面剖视图。
图3静电超声雾化喷头三维爆炸图。
图4喷头的工作过程示意图。
图5悬浮球受力分析图。
图6雾滴的雾化过程示意图。
图7静电超声雾化喷头底部结构三维示意图。
图8静电超声雾化喷头底部连接示意图。
图9 喷头支架连接示意图。
图10 支架及充电针结构示意图。
图11 喷头驱动电路图。
图12 喷头驱动电路简化模型图。
图13 喷头驱动电路各阶段工作状态原理波形图。
图中，1-套筒；2-充电针；3-喷嘴变幅杆；4-进液通道；5-后盖板；6-压电陶瓷；7-进气通道；8-悬浮球；9-绝缘套；10-弹簧；11-支架；12-紧定螺钉;13-螺栓；14-垫片；15-螺母16-营养液；17-压缩空气；18-前盖板。
LRFL-扼流圈电感；S-开关管；C-等效并联电容（开关管输入电容、分布电容和外接电容的总和）；L1-串联谐振电感；C1-串联谐振电容；CP-阻抗匹配电容；Vgs-开关管S的驱动信号；Vs-开关管S两端的电压波形；is-流过开关管S的电流；ic-流过并联电容C的电流；i-流过喷头的电流。
具体实施方式
如图1和图2所示，喷头包括产生超声振动的喷嘴变幅杆、前盖板、后盖板以及压电陶瓷。其中，前盖板、压电陶瓷、后盖板组成喷头的振子部分。喷嘴变幅杆长度为半波长，喷头轴向中心有进液通道，在偏离轴向中心一定位置处，有进气通道。喷头顶部加工为凹半球形，其上有一个悬浮球，悬浮球的材料为金属导体，直径为15mm，悬浮球的外表面有一V形的环形槽，深度约为1-2mm，充电针顶部安装在V形环形槽内。充电针顶部有弹簧约束，保证其能和悬浮球定常接触。充电针外有绝缘套，通过套筒安装在支架上。支架安装在喷头的波节点处。
喷头的工作过程如图4所示。图4中悬浮球因为重力和充电针的压紧作用，紧贴在喷嘴辐射端面。当喷嘴工作时，在压电陶瓷驱动下，喷嘴变幅杆形成共振，产生超声振动，在半圆形端部产生聚焦式辐射声场，悬浮球在声辐射力作用下，克服重力和充电针的压紧力，向上悬浮，从而在悬浮球和端面形成间隙。在喷头的偏心轴向位置（偏心距离为）开有进气通道，进气通道直径约为1mm，喷头工作时进气通道中通入流速为50-100m/s的压缩空气，悬浮球在偏心气动力作用下，发生高速旋转，使悬浮球不沾上液滴，并且高速与雾滴碰撞，使雾滴再次雾化。悬浮球的受力分析如图5。
雾滴的雾化过程如图6所示。其雾化过程分四个阶段：（1）液体在超声雾化端面形成液体薄膜。如图6（a）所示。
（2）液体在半球形雾化端面的超声作用下第一次雾化。如图6（b）所示。超声波在液体中产生的空化效应导致微激波的产生从而产生雾化现象。高频振动的气流所具有的剧烈紊流脉动将液体薄膜拉成细丝，破碎成液滴而在气动力作用下进一步雾化成细雾。
（3）液体在带电悬浮球产生的电场作用下实现二次雾化。如图6（c）所示。高压静电减小了液体的表面张力和粘滞阻力,使液体容易破碎成更为细小的液滴,使雾滴尺寸分布更均匀。雾滴荷电后,带电雾滴在高压静电场的作用下容易发生二次雾化,进一步减小雾滴粒径;同时带电雾滴在电荷之间斥力作用下,弥散程度加大,且能在目标物感应出与本身电荷极性相反的电荷,从而在极化力、引力等作用下更容易被目标物所捕获。
（4）液体在气动力和悬浮球高速旋转离心作用下喷出。如图6（d）所示。
喷头的下端连接结构如图7和图8所示，采用紧定螺钉穿过换能器后盖板和压电陶瓷，通过螺纹连接在喷嘴变幅杆末端，同时固定压电陶瓷和前、后盖板。采用的紧定螺钉的直径要小于压电陶瓷中心圆孔的半径，防止两者接触发生电路短路，影响喷头的正常工作。
如图8和图9所示，喷头的支架和喷嘴变幅杆通过螺栓连接，结构简单，方便安装和维修过程中的拆卸装拆方便，可以增加预紧力防止松动，不会引起连接处材料成分相变。同时，螺母和喷嘴变幅杆之间加有垫片，防止螺母在喷头工作过程中松脱，同时增大承力面积防螺丝螺栓损坏。
如图10所示，充电针表面套有绝缘套，防止与之接触的弹簧及套筒带电。绝缘套的直径大于弹簧直径，小于套筒内径，使得弹簧能够在抵住绝缘套，使得充电针在套筒中往复运动。套筒的上表面通过焊接固定在支架上，同时，在支架和套筒接触的中心位置开有一个小孔，使得带电的导线能够深入到套筒中，直接连接在充电针上，从而使充电针带上电荷，达到静电雾化的作用。
喷头的驱动电路如图11所示，喷头驱动电路结构简单，是一个单端电路，主要由六个部分组成，分别为：扼流圈电感LRFL、开关管S、等效并联电容C（开关管输入电容、分布电容和外接电容的总和）、串联谐振电感L1、串联谐振电容C1、阻抗匹配电容CP。其工作原理如下：工作频率为f（喷头的串联谐振工作频率）的方波信号控制开关管S开通与关断，此时，开关管S漏极输出脉冲电压，经过选频网络C-C1-L1-Cp，抑制在喷头两端的开关频率f的谐波信号，选出基频信号。这样，在喷头两端上可获得与方波信号同频的正弦交流信号。另外，选频网络可以变换与调整负载阻抗。简单地说，当开关管S按激励方波信号周期工作时，就能把来自电源的直流能量转变为交流能量，选频网络只能让基频电流流过，从而激励喷头工作。
对超声雾化驱动电路在各个阶段的工作过程进行简单分析：
首先，扼流圈电感LRFL足够大，只允许直流信号通过，对交流信号呈现很大的阻抗，抑制交流信号通过，使得开关开通或关断时电源电流都不会发生剧烈的变化。因此，可以认为输入电流为一直流量。
其次，基频谐振回路品质因素足够高，流过超声喷头的电流可视为正弦波。
最后，忽略开关管S导通阻抗，且开关管S瞬间完成开通与关闭，即开关管S上升或下降的时间为零。
如图12和图13所示，根据驱动电路简化模型，具体分析喷头驱动电路各阶段工作状态原理波形。其中，Vgs为开关管S的驱动信号，Vs为开关管S两端的电压波形，is为流过开关管S的电流，ic为流过并联电容C的电流，i为流过喷头的电流。
阶段（t0≤t≤t1）：
t0时刻前，开关管S导通，直流电压VDC对扼流圈电感LRFL充电储能，开关管S旁的并联电容C被短路，开关管S、谐振电感L1、谐振电容C1与喷头构成一条串联谐振回路。t0时刻，开关管S断开，由于电感电流不能突变，原先流过开关管S的电流is瞬间转向，转给开关管S旁的并联电容C，并联电容C两端的电压由零开始逐渐上升。此时，并联电容C、谐振电感L1、谐振电容C1与喷头构成一条串联谐振回路。原先储存在扼流圈电感LRFL的能量转移到谐振回路中。随着iC电流逐渐减小，当减小为零时，Vs达到最高值；当iC由零变为负值时，并联电容C开始放电；当并联电容C放电完成，流过扼流圈电感的电流il与谐振回路中的电流i相等，开关管S立即导通，进入下一阶段。此时，开关管S于零电流与零电压切换导通，切换导通损耗几乎为零。
阶段（t1≤t≤t2）：
t2时刻，开关管S导通，并联电容C被短路，根据基尔霍夫电流定律，扼流圈电感LRFL电流被分为两条一条流过开关管S，一条流过喷头。随着谐振电流i的逐渐减小，流过开关管S的电流iS不断增大。谐振回路由串联谐振电容C1，串联谐振电感L1和喷头组成。谐振电容C1与谐振电感L1所储存的能量相互交换，一个达到最大值，另一个正好为零。当谐振电容C1达到谐振峰值时，谐振电流i下降为零。此后，谐振电容C1向谐振电感L1放电，谐振电流i换向。以此类推，电路进入下一高频周期的工作模式。
此低频静电超声雾化喷头的驱动电路具有如下优点：
1、电路的寄生参数被有效的吸收利用，开关管的结间电容被谐振回路的并联电容吸收利用，可以有效的减少寄生参数对电路性能的影响。
2、电路工作效率高，由以上分析，流过开关管S的电流iS与开关管并联电容C两端的电压Vs,不同时出现，这样在任一时刻，iS与VS的乘积均为零，即开关管S的损耗几乎为零，理想效率为100%，实际效率高达90%以上。
本所述实施例为本发明的优选的实施方式，但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 (9)

1.一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于：包括换能器后盖板(5)、压电陶瓷(6)、换能器前盖板(18)、喷嘴变幅杆(3)和紧定螺钉(12)，所述紧定螺钉(12)依次穿过换能器后盖板(5)、压电陶瓷(6)和换能器前盖板(18)的中心圆孔，通过螺纹连接在喷嘴变幅杆(3)后端，同时压紧压电陶瓷(6)、换能器前盖板(18)和换能器后盖板(5)；所述紧定螺钉(12)的直径小于压电陶瓷(6)中心圆孔半径，所述换能器后盖板(5)、压电陶瓷(6)、换能器前盖板(18)组成低频静电超声雾化喷头的振子部分，所述喷嘴变幅杆(3)的长度为超声波半波长；所述喷嘴变幅杆(3)轴向中心设有进液通道(4)，所述喷嘴变幅杆(3)的后部沿径向开设有营养液(16)入口与进液通道(4)相连，在偏离轴向中心的位置设有进气通道(7)，所述喷嘴变幅杆(3)的后部沿径向开设有压缩空气(17)入口与进气通道(7)相连；所述喷嘴变幅杆(3)的顶部加工为凹球面，凹球面上设有一个悬浮球(8)，悬浮球(8)的面曲率半径与喷嘴变幅杆(3)顶部凹球面的面曲率半径一致，悬浮球(8)的材料为金属导体，悬浮球(8)的外表面设有一圈V形的环形槽；充电针(2)的顶端设于V形环形槽内，充电针(2)后端有弹簧(10)约束，使其与悬浮球定常接触；所述充电针(2)外有绝缘套(9)，绝缘套(9)通过套筒(1)安装在支架上；所述支架(11)通过紧定螺钉(12)安装在喷头的喷嘴变幅杆(3)后部的法兰盘上。
2.根据权利要求1所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述悬浮球(8)的外表面的环形槽深度为1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述悬浮球(8)和充电针(2)由导体材料铜制成。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述绝缘套(9)的直径大于弹簧直径0.2-0.4mm，小于套筒内径0.05-0.1mm，弹簧(10)抵住绝缘套(9)，限制充电针在套筒中往复运动。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，在所述支架(11)和套筒(1)开设一个小孔，使带电的导线穿过小孔深入到套筒(1)中，直接连接在充电针(2)上，使充电针(2)带上电荷。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述支架(11)为矩形框，支架(11)与喷嘴变幅杆(3)通过螺栓(13)连接，螺母(15)和喷嘴变幅杆(3)之间加有垫片(14)。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述喷嘴变幅杆(3)和换能器后盖板(5)为绝缘陶瓷材料。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，所述换能器后盖板(5)、压电陶瓷(6)、换能器前盖板(18)、喷嘴变幅杆(3)组成的低频静电超声雾化喷头主体的超声振动频率为25-30kHz。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种低频静电超声雾化喷头，其特征在于，悬浮球(8)的直径为15mm±2mm。
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