CN105891206A - 一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统 - Google Patents

Abstract

一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，它包括保温箱体、小型制冷子系统、超疏水液滴加速轨道、液滴发生子系统、小型管道风机子系统、可调样品台、温度传感器、高速相机图像采集子系统；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，超疏水液滴加速轨道安装于保温箱体中部；液滴发生子系统主体位于保温箱体外；小型管道风机子系统安装于保温箱体内；可调样品台安装于保温箱体内部，超疏水液滴加速轨道出口正对可调样品台；该温度传感器安装于保温箱体内；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外；它方便地观察过冷液滴撞击待测样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况，为防冰涂层的防冰性能表征提供了简便高效的方法。

Description

一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统

技术领域

本发明提供一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，它涉及一种过冷液滴单滴或连续撞击特定功能表面时的形态变化及结冰状况的微观动态观测技术。采用一种新型的过冷水滴制备、运动控制和高速动态微观观测的方法，搭建专用的观测系统，用以分析过冷液滴撞击特定功能表面时的形态变化，从而表征该功能表面在动态条件下的防结冰性能。本发明属于仪器仪表技术领域中的分析与测量控制技术。

背景技术

防除冰技术目前已经引起了多领域的重视，比如飞机防除冰、太阳能设备防除冰、风力发电机防除冰、电力线路防除冰等。而涂层防除冰技术作为一种新型、高效、节能的防除冰技术，已经成为当前最活跃的研究热点。通过多种方法制备的防冰涂层，需要采用结冰实验的方式来表征其防冰性能。

目前涂层防除冰性能的表征方法还相对局限于静态的水滴结冰实验，或者大型的冰风洞实验。前者虽然实验条件简单，但仅能表征防冰涂层在静态条件下的性能，并不能模拟防冰涂层需要真实面对的环境，因而表征方法置信度较低；后者虽然可以尽可能逼真的模拟结冰环境，但是大型冰风洞造价昂贵，使用成本很高，难以满足大量实验需求。因此开展此类研究，尤其是对过冷液滴撞击到功能表面时结冰机理的研究，急需一种相对简单而有效的实验系统，来制备并观测过冷水滴单发或连续撞击功能表面时的形态变化，以分析过冷液滴在表面上的结冰机理。

本发明就是以此为背景，设计并制作出来一种新型可控的过冷液滴制备及连续撞击表面的微观观测系统，实现了对过冷液滴单发或连续的撞击待测表面的微观、高速观测，为防冰涂层的防冰性能表征提供了一种简便高效的方法。

发明内容

目的：本发明的主要目的是提供一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，通过对液滴直径、液滴间隔、温度、速度等的控制，实现对过冷液滴单发或连续的撞击待测表面时的形态变化及结冰状况的微观、高速观测，为防冰涂层的防冰性能表征提供一种简便高效的方法。

技术方案：为了达到前述的目的，本发明所运用的技术手段是搭建一个低温可控的冷环境，控制液滴暴露在冷环境中的时间来制备过冷液滴，然后通过无级变速风机喷射可调气流给液滴加速，使之撞击到待测表面上，然后通过高速相机捕捉液滴撞击表面时的形态变化及结冰情况，进而分析待测表面的防冰性能。

本发明的一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，包括保温箱体、小型制冷子系统、超疏水液滴加速轨道、液滴发生子系统、小型管道风机子系统、可调样品台、温度传感器、高速相机图像采集子系统等。它们相互之间的关系是：保温箱体为系统提供封闭环境；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；超疏水液滴加速轨道安装于保温箱体中部；液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，向超疏水液滴加速轨道提供液滴；小型管道风机子系统安装于保温箱体内，出口正对液滴加速轨道；可调样品台安装于保温箱体内部，超疏水液滴加速轨道出口正对可调样品台；温度传感器安装于保温箱体内多处，包括保温箱体空间、超疏水液滴加速轨道外壁、可调样品台正面；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外；

所述的保温箱体为长方体，为自行设计加工，包括透明箱体门、保温壁面和合页。它们的具体要求及相互关系是：该透明箱体门位于保温箱体正面，由透明有机玻璃板制成，与侧壁用三只合页连接，作为箱体门和观察窗，以取放样件和观察实验现象；该透明箱体门内壁排布极细电阻丝加热以防止正面板结霜起雾影响观察。该保温壁面由保温性良好的双层聚氨酯保温板制成，并内衬隔热层，除正面外，其余各面均为保温壁面；该合页即为常用合页；

所述的小型制冷子系统，采用现有产品，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷；它们的具体要求及相互关系是：该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只24伏小风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路；该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，可适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高；

所述的超疏水液滴加速轨道，为自行设计加工，包括内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层的玻璃圆管和加热膜；它们的具体要求及相互关系是：该玻璃圆管直径8毫米，内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层，减小轨道对液滴的阻力，并使液滴保持球形。该玻璃圆管中部顶侧有一个直径2毫米的小孔，可使液滴发生子系统中的针头插入玻璃圆管，滴加液滴；此超疏水液滴加速轨道不作为制冷段，因此为防止液滴在玻璃圆管内结冰，需要对玻璃圆管进行微量加热，采用该加热膜贴附于玻璃圆管外表面；该加热膜为聚酰亚胺加热膜，电阻18欧；同时，超疏水液滴加速轨道还设计有多种方案，包括：底部带有圆角的V型槽、半圆管、平面，均可实现液滴加速功能；

所述的液滴发生子系统，包括注射泵、注射器、注射针头和导管；它们的具体要求及相互关系是：该注射泵采用现有产品，可以连续提供液滴，注射速度为0.1毫升每小时～1800毫升每小时可调；该注射器为医用50毫升注射器；该注射针头为自行设计，可定制不同口径，可以得到体积5～20微升可调的液滴，通过该注射泵定速率进给，可以实现液滴的连续滴注，从而实现液滴连续撞击表面；该导管为橡胶软管，内径2毫米，外径4毫米；另外，对于只需要单液滴撞击实验的情况，还可以采用精密移液枪作为液滴发生器，控制液滴体积较为方便；

所述的小型管道风机子系统，包括小型管道风机、旋钮变速控制器和挡板；它们的具体要求及相互关系是：该小型管道风机采用现有产品，外径100毫米，自带旋钮变速控制器，转速为每分钟800～5100转无极可调；然后在气流出口处加装自行设计的收缩口，以压缩气流，进一步提高风速，通入超疏水液滴加速轨道中，使通入玻璃圆管的风速可以实现0～20米每秒无级可调，可以给液滴施加相应的撞击速度，以观测不同撞击速度下待测表面的防结冰性能；而且这种小风机可以实现冷气循环，可以保证封闭环境温度的稳定性；该旋钮变速控制器为小型管道风机自带配件；

为保证液滴发生子系统产生的液滴可以稳定的在超疏水液滴加速轨道上形成并达到所需体积，加速气流应当以脉冲式输送至超疏水液滴加速轨道，因此在风机出口与轨道入口处加装一个自行设计的挡板；该挡板采用行程35毫米的推拉式电磁铁驱动，在液滴形成阶段推出挡板遮挡气流，保证液滴稳定形成，并在液滴形成后拉回挡板，使气流通入轨道，加速液滴；

另外，该小型管道风机子系统还可用空气压缩机代替，空气压缩机产生压缩气体，利用电磁阀控制气流的开闭及流量，从而控制加速气流的速度及实现脉冲式供给。这种方案不需要采用挡板，而且需要在箱体上设置排气口；

所述的可调样品台，为自行设计加工，包括样品台、弹簧压板、横向支架、纵向支架和固定旋钮；它们的具体要求及相互关系是：该样品台为不锈钢立式方形平台，尺寸为宽200毫米×高200毫米，最大可装载150毫米×150毫米的样件，该样品台安装四支弹簧压板，采用该弹簧压板固定样品；为适应不同制冷距离需要，以及水滴因重力原因下降，该样品台具备水平及垂直两个方向的位置可调功能，因此采用该横向支架和纵向支架来调整样品台的水平和垂直方向的位置，并通过拧紧该固定旋钮来固定位置；

所述的温度传感器：本发明配备了多个温度传感器，采用现有的T型热电偶，测温范围为零下200至零上350摄氏度，热响应时间3秒，实时监测保温箱体内部、超疏水液滴加速轨道、样品台上待测表面的温度；

所述的高速相机图像采集子系统，采用现有产品，包括Olympus高速相机和冷光源；它们的具体要求及相互关系是：该Olympus高速相机每秒传输帧数最高可达2000帧，用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况，该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照。

优点：本发明为一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，实现了对过冷液滴单发或连续的撞击待测表面的微观、高速观测，可以方便地观察过冷液滴撞击待测样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况，为防冰涂层的防冰性能表征提供了一种简便高效的方法。

下面结合附图和实验图，对本发明作详细说明。

附图说明

图1：系统整体布局图。

图2：保温箱体结构图。

图3：小型制冷子系统结构图。

图4A：超疏水液滴加速轨道结构图。

图4B：加速轨道多种截面设计示意图。

图5A：连续液滴发生子系统。

图5B：单液滴发生子系统。

图6-1：小型管道风机子系统结构图。

图6-2：小型管道风机子系统挡板正面结构图。

图7-1：样品台及观测系统结构示意图。

图7-2：样品台正面结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，结构见图1，包括保温箱体、小型制冷子系统、超疏水液滴加速轨道、液滴发生子系统、小型管道风机子系统、可调样品台、温度传感器、高速相机图像采集子系统等。它们相互之间的关系是：保温箱体为系统提供封闭环境；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；超疏水液滴加速轨道安装于保温箱体中部；液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，向超疏水液滴加速轨道提供液滴；小型管道风机子系统安装于保温箱体内，出口正对液滴加速轨道；可调样品台安装于保温箱体内部，超疏水液滴加速轨道出口正对可调样品台；温度传感器安装于保温箱体内多处，包括保温箱体空间、超疏水液滴加速轨道外壁、可调样品台正面；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外。

所述的保温箱体为长方体，为自行设计加工，结构见图2，包括透明箱体门、保温壁面和合页；它们的具体要求及相互关系是：该透明箱体门位于保温箱体正面，由透明有机玻璃板制成，与侧壁用三只合页连接，作为箱体门和观察窗，以取放样件和观察实验现象；该透明箱体门内壁排布极细电阻丝加热以防止正面板结霜起雾影响观察；该保温壁面由保温性良好的双层聚氨酯保温板制成，并内衬隔热层，除正面外，其余各面均为保温壁面；该合页即为常用合页；

所述的小型制冷子系统，采用现有产品，结构见图3，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷；它们的具体要求及相互关系是：该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路；该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，可适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高。

所述的超疏水液滴加速轨道，为自行设计加工，结构见图4A，包括内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层的玻璃圆管和加热膜；它们的具体要求及相互关系是：该玻璃圆管直径8毫米，内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层，减小轨道对液滴的阻力，并使液滴保持球形；该玻璃圆管中部顶侧有一个直径2毫米的小孔，可使液滴发生子系统中的针头插入玻璃圆管，滴加液滴；此超疏水液滴加速轨道不作为制冷段，因此为防止液滴在玻璃圆管内结冰，需要对玻璃圆管进行微量加热，采用该加热膜贴附于玻璃圆管外表面；该加热膜为聚酰亚胺加热膜，电阻18欧；同时，超疏水液滴加速轨道还设计有多种方案，见图4B，包括底部带有圆角的V型槽、半圆管、平面，均可实现液滴加速功能；

所述的液滴发生子系统，结构见图5A，包括注射泵、注射器、注射针头和导管；它们的具体要求及相互关系是：该注射泵采用现有产品，可以连续提供液滴，注射速度为0.1毫升每小时～1800毫升每小时可调；该注射器为医用50毫升l注射器；该注射针头为自行设计，可定制不同口径，可以得到体积5～20微升可调的液滴，通过该注射泵定速率进给，可以实现液滴的连续滴注，从而实现液滴连续撞击表面；该导管为橡胶软管，内径2毫米，外径4毫米；另外，对于只需要单液滴撞击实验的情况，还可以采用精密移液枪作为液滴发生器，结构见图5B，控制液滴体积较为方便；

所述的小型管道风机子系统，结构见图6-1，包括小型管道风机、旋钮变速控制器和挡板；它们的具体要求及相互关系是：该小型管道风机采用现有产品，外径100毫米，自带旋钮变速控制器，转速为每分钟800～5100转无极可调，然后在气流出口处加装自行设计的收缩口，以压缩气流，进一步提高风速，通入超疏水液滴加速轨道中，使通入玻璃圆管的风速可以实现0～20米每秒无级可调，可以给液滴施加相应的撞击速度，以观测不同撞击速度下待测表面的防结冰性能；而且这种小风机可以实现冷气循环，可以保证封闭环境温度的稳定性；该旋钮变速控制器为小型管道风机自带配件；

为保证液滴发生子系统产生的液滴可以稳定的在超疏水液滴加速轨道上形成并达到所需体积，加速气流应当以脉冲式输送至超疏水液滴加速轨道，因此在风机出口与轨道入口处加装一个自行设计的挡板；该挡板采用行程35毫米的推拉式电磁铁驱动，其正面结构见图6-2，在液滴形成阶段推出挡板遮挡气流，保证液滴稳定形成，并在液滴形成后拉回挡板，使气流通入轨道，加速液滴；

另外，该小型管道风机子系统还可用空气压缩机代替，空气压缩机产生压缩气体，利用电磁阀控制气流的开闭及流量，从而控制加速气流的速度及实现脉冲式供给；这种方案不需要采用挡板，而且需要在箱体上设置排气口；

所述的可调样品台，为自行设计加工，见侧视图7-1和正视图7-2，包括样品台、弹簧压板、横向支架、纵向支架和固定旋钮；它们的具体要求及相互关系是：该样品台为不锈钢立式方形平台，尺寸为宽200毫米×高200毫米，最大可装载150毫米×150毫米的样件，该样品台安装四支弹簧压板，采用该弹簧压板固定样品；为适应不同制冷距离需要，以及水滴因重力原因下降，该样品台具备水平及垂直两个方向的位置可调功能，因此采用该横向支架和纵向支架来调整样品台的水平和垂直方向的位置，并通过拧紧该固定旋钮来固定位置；

所述的温度传感器：本发明配备了多个温度传感器，采用现有的T型热电偶，测温范围为零下200至零上350摄氏度，热响应时间3秒，实时监测保温箱体内部、超疏水液滴加速轨道、样品台上待测表面的温度；

所述的高速相机图像采集子系统，采用现有产品，包括Olympus高速相机和冷光源；它们的具体要求及相互关系是：该Olympus高速相机每秒传输帧数最高可达2000帧，用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况；该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照；

小型制冷子系统为保温箱体内的封闭环境制冷，得到一个低温可控的冷环境，控制液滴暴露在冷环境中的时间来制备过冷液滴，然后通过小型管道风机子系统中的无级变速风机喷射可调气流，给超疏水液滴加速轨道中的液滴加速，使之撞击到待测表面上，然后通过高速相机捕捉液滴撞击表面时的形态变化及结冰情况，进而分析待测表面的防冰性能。

Claims (3)

1.一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，其特征在于：它包括保温箱体、小型制冷子系统、超疏水液滴加速轨道、液滴发生子系统、小型管道风机子系统、可调样品台、温度传感器、高速相机图像采集子系统；该保温箱体为系统提供封闭环境；该小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；该超疏水液滴加速轨道安装于保温箱体中部；该液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，向超疏水液滴加速轨道提供液滴；该小型管道风机子系统安装于保温箱体内，出口正对液滴加速轨道；可调样品台安装于保温箱体内部，超疏水液滴加速轨道出口正对可调样品台；该温度传感器安装于保温箱体内；该高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外；

所述的保温箱体为长方体，包括透明箱体门、保温壁面和合页；该透明箱体门位于保温箱体正面，由透明有机玻璃板制成，与侧壁用三只合页连接，作为箱体门和观察窗，以取放样件和观察实验现象；该透明箱体门内壁排布极细电阻丝加热以防止正面板结霜起雾影响观察；该保温壁面由保温性良好的双层聚氨酯保温板制成，并内衬隔热层，除正面外，其余各面均为保温壁面；该合页即为常用合页；

所述的小型制冷子系统，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷；该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只24伏小风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路；该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，能适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高；

所述的超疏水液滴加速轨道，包括内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层的玻璃圆管和加热膜；该玻璃圆管直径8毫米，内壁涂覆自制耐磨超疏水涂层，减小轨道对液滴的阻力，并使液滴保持球形；该玻璃圆管中部顶侧有一个直径2毫米的小孔，使液滴发生子系统中的针头插入玻璃圆管，滴加液滴；此超疏水液滴加速轨道不作为制冷段，因此为防止液滴在玻璃圆管内结冰，需要对玻璃圆管进行微量加热，采用该加热膜贴附于玻璃圆管外表面；该加热膜为聚酰亚胺加热膜，电阻18欧；

所述的液滴发生子系统，包括注射泵、注射器、注射针头和导管；该注射泵能连续提供液滴，注射速度可调；该注射器为医用注射器；该注射针头定制不同口径，能得到可调的液滴，通过该注射泵定速率进给，能实现液滴的连续滴注，从而实现液滴连续撞击表面；该导管为橡胶软管；另外，对于只需要单液滴撞击实验的情况，还能采用精密移液枪作为液滴发生器，控制液滴体积方便；

所述的小型管道风机子系统，包括小型管道风机、旋钮变速控制器和挡板；该小型管道风机自带旋钮变速控制器，然后在气流出口处加装收缩口，以压缩气流，进一步提高风速，通入超疏水液滴加速轨道中，使通入玻璃圆管的风速实现无级可调，能给液滴施加相应的撞击速度，以观测不同撞击速度下待测表面的防结冰性能；而且这种小风机能实现冷气循环，保证封闭环境温度的稳定性；该旋钮变速控制器为小型管道风机自带配件；

为保证液滴发生子系统产生的液滴能稳定的在超疏水液滴加速轨道上形成并达到所需体积，加速气流以脉冲式输送至超疏水液滴加速轨道，在风机出口与轨道入口处加装一个挡板；该挡板采用推拉式电磁铁驱动，在液滴形成阶段推出挡板遮挡气流，保证液滴稳定形成，并在液滴形成后拉回挡板，使气流通入轨道，加速液滴；

所述的可调样品台，包括样品台、弹簧压板、横向支架、纵向支架和固定旋钮；该样品台为不锈钢立式方形平台，安装四支弹簧压板，采用该弹簧压板固定样品；为适应不同制冷距离需要，以及水滴因重力原因下降，该样品台具备水平及垂直两个方向的位置可调功能，因此采用该横向支架和纵向支架来调整样品台的水平和垂直方向的位置，并通过拧紧该固定旋钮来固定位置；

所述的温度传感器：本发明配备了复数个温度传感器，实时监测保温箱体内部、超疏水液滴加速轨道、样品台上待测表面的温度；

所述的高速相机图像采集子系统，包括Olympus高速相机和冷光源；该Olympus高速相机用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况，该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照。

2.根据权利要求1所述的一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，其特征在于：所述的超疏水液滴加速轨道还能设计成底部带有圆角的V型槽、半圆管和平面中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种可控的过冷液滴连续撞击微观观测系统，其特征在于：所述的小型管道风机子系统用空气压缩机代替，空气压缩机产生压缩气体，利用电磁阀控制气流的开闭及流量，从而控制加速气流的速度及实现脉冲式供给；这种方案不需要采用挡板，而且需要在箱体上设置排气口。