CN107670893B - 一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种拉瓦尔‑低频静电超声复合雾化喷头，用于农业工程领域中雾化栽培。主要包括拉瓦尔型阀芯、压电振子前盖板、压电振子、铜片电极、压电振子后盖板、变幅杆、永磁铁、转子、感应静电极环和变压器。所述压电振子前、后盖板和铜片电极以及铜片电极与压电振子和变幅杆之间采用金属胶接，变幅杆内部开有通孔，变幅杆雾化端部开有进液孔，所述转子支持架和变幅杆零振幅面通过螺栓连接。所述拉瓦尔‑低频静电超声复合雾化喷头采用拉瓦尔原理技术、压电式超声雾化技术和静电喷雾技术相结合的方式，使雾滴具有高能量、高速度，因此所述喷头可以实现高效、精确喷雾，以及提高雾化量和实现较远距离喷雾。

Description

一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头
技术领域
本发明涉及一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，属于农业工程雾化栽培领域。
背景技术
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。目前，在超声雾化技术领域，产生功率超声的方法主要有两种：一种是利用电声换能器产生超声，另一种是利用流体做动力来产生超声。这两种方法有各自的优缺点，利用电声换能器雾化喷头产生的雾滴均匀、能耗小，雾滴粒径随压电振子设计频率变化而变化，频率越高雾滴粒径越小，其缺点是雾化量小；利用流体动力式超声雾化方式，雾化量大，但雾滴粒径不均匀，如需得到精细雾滴需要高功率空压机提供高压力、超大流量的压缩气体。本发明采用拉瓦尔原理技术、压电式超声雾化技术和静电喷雾技术相结合的方式，既可以得到雾滴粒径较为稳定的雾滴，又可以实现精准、高效对靶喷雾，并且雾滴在超高速气流的推动下可以提高雾化量以及实现较远距离的喷雾。
现有超声雾化喷头有如下不足：
1.雾化量小。因为该拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头装有拉瓦尔型阀芯，在一定压力的气体输入下可以使出口处形成超高速气流，短时间内可以产生较大的雾化量。
2.雾滴直径大。因为该拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头采用了低频超声雾化原理，因此其雾化出的雾滴粒径相对较小。
3.雾滴中营养液和水分的浪费。因为该拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头采用了感应静电的荷电装置，使得从喷头出口处喷射出的雾滴感应带电，因此可以对需要进行栽培的植株实现精准、高效的喷雾，从而大大降低了雾化后的营养液和水分的浪费。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头；结合拉瓦尔原理技术、压电式超声雾化技术和静电喷雾技术的优点，可以提高喷头的雾化量，并得到较为细小的雾滴以及实现精确、高效的对靶喷雾。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：包括进气孔端盖、压电振子后盖板、阀芯顶柱、拉瓦尔型阀芯、铜片电极、绝缘套、压电振子、压电振子前盖板、变幅杆、连接螺栓、转子支持架、永磁铁、转子、转子端盖、感应静电极环、变压器，
所述变幅杆为带有指数形过渡段的阶梯形变幅杆，所述变幅杆内部开有进气通道，所述变幅杆的零振幅面外圆面上具有法兰，所述变幅杆雾化端部的侧面开有与进气通道相连通的进液孔；
所述压电振子后盖板进气端面外圆柱面开有外螺纹且内部开有通孔，压电振子前盖板具有中心沉孔，拉瓦尔型阀芯位于压电振子前盖板中心沉孔内部，所述阀芯顶柱设置于压电振子后盖板的通孔内、并由进气孔端盖压紧，所述进气孔端盖上设置有进气孔，压电振子前盖板通过金属胶粘结在变幅杆端部；压电振子、铜片电极，所述多个铜片电极与压电振子相间设置，通过金属胶粘结、且依次套在拉瓦尔型阀芯上，两端由压电振子前盖板、压电振子后盖板压紧，所述铜片电极、压电振子与拉瓦尔型阀芯之间设置绝缘套；
所述转子支持架为圆柱形结构、且圆柱面上设有法兰圆盘，所述永磁铁粘接在转子支持架内圆柱面上，所述转子一端圆柱孔套在所述转子支持架的圆柱上，所述转子另一端圆柱孔套在所述转子端盖的圆柱上并可以相对转动，所述感应静电极环置于静电极环支持架内并绝缘，静电极环支持架通过螺栓和所述转子支持架连接，所述转子支持架的通过其法兰盘及螺栓固定在所述变幅杆的法兰上；
所述转子两端分别通过导线连接在所述变压器的电压输入接线柱上，所述变压器电压输出端正极接线柱与所述感应静电极环通过导线连接，所述变压器电压输出端负极通过导线接地。
进一步地，所述进气孔端盖端面进气孔直径为15mm，其圆柱内螺纹公称直径为30mm，螺纹深12mm，阀芯顶柱长度为10mm，内通孔直径15mm。
进一步地，所述拉瓦尔型阀芯收缩端入口直径为15mm，喉口直径为2.6mm，扩张端面出口直径为6mm，长度为15mm。
进一步地，由压电振子后盖板、铜片电极、压电振子、压电振子前盖板、变幅杆组成的超声雾化喷头的主体的振动频率为50-65kHz。
进一步地，所述变幅杆大径为30mm，雾化端面直径为15mm，长度为36mm，压电振子后盖板到压电振子前盖板段的中心孔直径为20mm，总长度为25mm，所述变幅杆通孔段直径为6mm，进液孔的直径为3mm，变幅杆零振幅面外圆面连接孔直径3mm，所述绝缘套直径约为21mm。
进一步地，所述转子支持架由硬塑料做成。
进一步地，所述感应静电极环为圆柱形铜片，内径为18mm，长度为8mm，外表面进行绝缘处理，并通过金属胶粘接在感应静电极环的支持架上，所述支持架通过螺栓与所述转子支持架连接，从所述感应静电极环引出导线并与所述变压器电压输出端正极接线柱相连接。
进一步地，所述变压器为一种特殊形式的变压器，可以将弱交变电压转换成高恒定电压，所述变压器的输出电压为10kV。
在工作过程中，一定压力的气体由进气孔端盖端部的进气孔进入，经过阀芯顶柱内的圆柱形通道以及拉瓦尔型阀芯后的气体被加速至音速或超音速，在拉瓦尔型阀芯出口处形成高速气流，然后高速气流经过变幅杆内进气通道，此时，待雾化液体从变幅杆雾化端面一侧的进液孔进入，根据伯努利方程可知，高速流体内部的静压力较小，在大气压以及水泵压力的推动下，待雾化的液体被吸入变幅杆端部通道内逐步雾化并被高速气流吹散，经过雾化后的液体与高速气流混合形成高速气雾混合物，并从变幅杆雾化端面上的出口喷射出来，进一步地打在转子的叶片上，推动叶片转动。根据法拉第电磁感应定律，闭合电路部分导体在磁场中切割磁感线时，导体中会产生电流或者非闭合的电路在电极产生电动势。因此，连接在转子两端的导线会产生感应弱交变电动势，然后将所述变压器输入端与转子上引出的两极相连接构成回路，而在变压器输出端正极则会产生电动势。推动转子转动之后的较高速气雾混合物流经高压静电发生装置即感应静电极环时，感应静电极环的高压会使得气雾混合物中的细小雾滴感应带电。最终，从喷头喷出带电雾滴。
本发明所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头装有拉瓦尔型阀芯，在雾化喷头的出口处短时间内可以产生较大的雾化量。并采用了低频超声雾化原理，雾化出的雾滴粒径相对较小。另外，由于引入了感应静电的荷电装置，使得从喷头出口处喷射出的雾滴感应带电，增加雾滴在根系的粘附，从而提高营养液的使用效率。
附图说明
图1为本发明所述拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头的正视图。
图2为所述拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头的A-A剖视图以及超声雾化喷头主体的轴向振动位移值。
图3为所述拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头的爆炸图。
图中：
1-进气孔，2-进气孔端盖，3-压电振子后盖板，4-阀芯顶柱，5-拉瓦尔型阀芯，6-铜片电极，7-绝缘套，8-压电振子，9-压电振子前盖板，10-变幅杆，11-连接螺栓，12-进液孔，13-转子支持架，14-永磁铁，15-转子，16-转子端盖，17-感应静电极环，18-气雾出口，19-变压器
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，由进气孔端盖2、压电振子后盖板3、阀芯顶柱4、拉瓦尔型阀芯5、铜片电极6、绝缘套7、压电振子8、压电振子前盖板9、变幅杆10、连接螺栓11、转子支持架13、永磁铁14、转子15、转子端盖16、感应静电极环17、变压器19组成。所述变幅杆10为带有指数形过渡段的阶梯形变幅杆10，内部开有进气通道，所述变幅杆10的零振幅面外圆面上具有法兰，法兰上开有数个连接孔，所述变幅杆10雾化端部一侧开有与进气通道相连通的进液孔12。
所述压电振子后盖板3进气端面外圆柱面开有外螺纹且内部开有通孔，压电振子前盖板9具有中心沉孔，拉瓦尔型阀芯5位于压电振子前盖板9中心沉孔内部，所述阀芯顶柱4设置于压电振子后盖板3的通孔内、并由进气孔端盖2压紧，所述进气孔端盖2上设置有进气孔1，压电振子前盖板9通过金属胶粘结在变幅杆10端部；压电振子8、铜片电极6，所述多个铜片电极6与压电振子8相间设置，通过金属胶粘结、且依次套在拉瓦尔型阀芯5上，两端由压电振子前盖板9、压电振子后盖板3压紧，所述铜片电极6、压电振子8与拉瓦尔型阀芯5之间设置绝缘套7，起到绝缘作用。
如图2所示，在组装时，压电振子后盖板3、压电振子8、铜片电极6、压电振子前盖板9和变幅杆10通过对心胶接组成一体。由压电振子后盖板3、铜片电极6、压电振子8、压电振子前盖板9、变幅杆10组成的超声雾化喷头的主体的振动频率为50-65kHz。
所述拉瓦尔型阀芯5置于压电振子后盖板3、压电振子8和压电振子前盖板9所对心胶接成一体的装置的中心孔内，拉瓦尔型阀芯5的大孔径端为进气孔，小孔径端为出气孔，所述拉瓦尔型阀芯5收缩端入口直径为15mm，喉口直径为2.6mm，扩张端面出口直径为6mm，长度为15mm。所述阀芯顶柱4长度为10mm，内通孔直径15mm，其与拉瓦尔型阀芯5入口端对接并装入压电振子后盖板3、压电振子8和压电振子前盖板9所对心胶接成一体的装置的中心孔内。所述进气孔端盖2通过螺纹配合与压电振子后盖板3连接，旋紧的进气孔端盖2后会将阀芯顶柱4、拉瓦尔型阀芯5顶紧以完成进气孔端盖2、阀芯顶柱4和拉瓦尔型阀芯5的轴向、径向定位。所述进气孔端盖2端面进气孔直径为15mm，其圆柱内螺纹公称直径为30mm，螺纹深12mm。
所述转子支持架13为圆柱形结构并设有法兰圆盘且开有多个连接孔，所述转子支持架13由硬塑料做成，所述永磁铁14粘接在转子支持架13内圆柱面上，所述转子15一端圆柱孔套在所述转子支持架13的圆柱上，所述转子15另一端圆柱孔套在所述转子端盖16的圆柱上并可以相对转动，所述感应静电极环17置于静电极环支持架内并绝缘，静电极环支持架通过螺栓和所述转子支持架13连接，所述转子支持架13的通过其法兰盘及螺栓固定在所述变幅杆10的法兰上。所述转子15两端分别通过导线连接在所述变压器19的电压输入接线柱上，所述变压器19电压输出端正极接线柱与所述感应静电极环17通过导线连接，所述变压器19电压输出端负极通过导线接地。
如图2和图3所示，在组装时，先将变幅杆10固定，依次将压电振子后盖板3、铜片电极6、压电振子8、压电振子前盖板9和变幅杆10对心胶接在一起，嵌入绝缘套7，依次将拉瓦尔阀芯5、阀芯顶柱4装入压电振子后盖板3、压电振子8和压电振子前盖板9所对心胶接成一体的装的中心孔内并将进气孔端盖2与压电振子后盖板3通过螺纹连接。进一步，将转子支持架13套在变幅杆10的雾化端面上，将转子15套在转子支持架13的圆柱上并引出导线，再将转子端盖16的圆柱插入转子15的另一端圆柱孔内并在转子15的此端引出导线。进一步，将感应静电极环17和感应静电极环17支持架胶接好之后通过三组螺栓和转子支持架13连接起来。进一步，通过连接螺栓11将变幅杆10和已经连接好了的之两个支持架连接在一起。再进一步，将从转子15两端引出的导线分别连接在变压器19的电压输入端，然后通过导线将变压器19的输出端正极接线柱与感应静电极环17相连接，再通过导线将变压器19的输出端负极接线柱接地，最终完成本发明所述拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头的装配。
低频超声雾化装置的主体长度为71mm，超声雾化换能器及聚能器部分长度为68mm，转子支持架13长度为20mm；所述变幅杆10为一种带有指数形过渡段的阶梯形超声雾化喷头聚能器，材料为硬铝7075，变幅杆10的长度为36mm，从铜片电极6的正电极到变幅杆10雾化端面的垂直距离为51mm，即为50-65kHz频率段的某一频率所对应的波长的3/4。
高压气体由空压机供给，进气管道与进气孔端盖2上的进气孔1连接；待雾化液体由液压泵泵至进液孔12；该装置的超声雾化喷头部分由驱动电源驱动，铜片电极6的第一、三片接电源负极，第二片铜片电极接电源正极，驱动频率为50-65kHz。
工作过程：一定压力的气体由进气孔端盖2端部的进气孔1进入，经过阀芯顶柱4内的圆柱形通道以及拉瓦尔型阀芯5后的气体被加速至音速或超音速，在拉瓦尔型阀芯5出口处形成高速气流，然后高速气流经过变幅杆10内通孔，此时，待雾化液体从变幅杆10雾化端面一侧的进液孔12进入，根据伯努利方程可知，高速流体内部的静压力较小，在大气压以及水泵压力的推动下，待雾化的液体被吸入变幅杆10端部通道内逐步雾化并被高速气流吹散，经过雾化后的液体与高速气流混合形成高速气雾混合物，并从变幅杆10雾化端面上的出口喷射出来，进一步地打在转子15的叶片上，推动叶片转动。根据法拉第电磁感应定律，闭合电路部分导体在磁场中切割磁感线时，导体中会产生电流或者非闭合的电路在电极产生电动势。因此，连接在转子15两端的导线会产生感应弱交变电动势，然后将所述特殊形式的变压器19电压输入端与转子15上引出的两极相连接构成回路，而在变压器19输出端正极则会产生左右的恒定电动势。推动转子15转动之后的较高速气雾混合物流经高压静电发生装置即感应静电极环17时，感应静电极环17的高压会使得气雾混合物中的细小雾滴感应出具有高电动势的电荷。最终，从喷头气雾出口18喷出的气雾混合物中的雾滴具有高电动势电荷、较为细小和速度较高的特点。因此本发明采用拉瓦尔原理技术、压电式超声雾化技术和静电喷雾技术相结合的方式，既可以得到雾滴粒径较为稳定的雾滴，又可以实现精准、高效对靶喷雾，并且雾滴在超高速气流的推动下可以提高雾化量以及实现较远距离的喷雾。
本发明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 (8)

1.一种拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：包括进气孔端盖(2)、压电振子后盖板(3)、阀芯顶柱(4)、拉瓦尔型阀芯(5)、铜片电极(6)、绝缘套(7)、压电振子(8)、压电振子前盖板(9)、变幅杆(10)、连接螺栓(11)、转子支持架(13)、永磁铁(14)、转子(15)、转子端盖(16)、感应静电极环(17)、变压器(19)，
所述变幅杆(10)为带有指数形过渡段的阶梯形变幅杆(10)，所述变幅杆(10)内部开有进气通道，所述变幅杆(10)的零振幅面外圆面上具有法兰，所述变幅杆(10)雾化端部的侧面开有与进气通道相连通的进液孔(12)；
所述压电振子后盖板(3)进气端面外圆柱面开有外螺纹且内部开有通孔，压电振子前盖板(9)具有中心沉孔，拉瓦尔型阀芯(5)位于压电振子前盖板(9)中心沉孔内部，所述阀芯顶柱(4)设置于压电振子后盖板(3)的通孔内、并由进气孔端盖(2)压紧，所述进气孔端盖(2)上设置有进气孔(1)，压电振子前盖板(9)通过金属胶粘结在变幅杆(10)端部；压电振子(8)、铜片电极(6)，多个所述铜片电极(6)与压电振子(8)相间设置，通过金属胶粘结、且依次套在拉瓦尔型阀芯(5)上，两端由压电振子前盖板(9)、压电振子后盖板(3)压紧，所述铜片电极(6)、压电振子(8)与拉瓦尔型阀芯(5)之间设置绝缘套(7)；
所述转子支持架(13)为圆柱形结构、且圆柱面上设有法兰圆盘，所述永磁铁(14)粘接在转子支持架(13)内圆柱面上，所述转子(15)一端圆柱孔套在所述转子支持架(13)的圆柱上，所述转子(15)另一端圆柱孔套在所述转子端盖(16)的圆柱上并可以相对转动，所述感应静电极环(17)置于静电极环支持架内并绝缘，静电极环支持架通过螺栓和所述转子支持架(13)连接，所述转子支持架(13)的通过其法兰盘及螺栓固定在所述变幅杆(10)的法兰上；
所述转子(15)两端分别通过导线连接在所述变压器(19)的电压输入接线柱上，所述变压器(19)电压输出端正极接线柱与所述感应静电极环(17)通过导线连接，所述变压器(19)电压输出端负极通过导线接地。
2.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述进气孔端盖(2)端面进气孔直径为15mm，其圆柱内螺纹公称直径为30mm，螺纹深12mm，阀芯顶柱(4)长度为10mm，内通孔直径15mm。
3.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述拉瓦尔型阀芯(5)收缩端入口直径为15mm，喉口直径为2.6mm，扩张端面出口直径为6mm，长度为15mm。
4.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：由压电振子后盖板(3)、铜片电极(6)、压电振子(8)、压电振子前盖板(9)、变幅杆(10)组成的超声雾化喷头的主体的振动频率为50-65kHz。
5.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述变幅杆(10)大径为30mm，雾化端面直径为15mm，长度为36mm，压电振子后盖板(3)到压电振子前盖板(9)段的中心孔直径为20mm，总长度为25mm，所述变幅杆(10)通孔段直径为6mm，进液孔(12)的直径为3mm，变幅杆(10)零振幅面外圆面连接孔直径3mm，所述绝缘套(7)直径为21mm。
6.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述转子支持架(13)由硬塑料做成。
7.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述感应静电极环(17)为圆柱形铜片，内径为18mm，长度为8mm，外表面进行绝缘处理，并通过金属胶粘接在感应静电极环(17)的支持架上，所述支持架通过螺栓与所述转子支持架(13)连接，从所述感应静电极环(17)引出导线并与所述变压器(19)电压输出端正极接线柱相连接。
8.根据权利要求1所述的拉瓦尔-低频静电超声复合雾化喷头，其特征在于：所述变压器(19)的输出电压为10kV。
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