CN110038745B

CN110038745B - 液滴细分的装置和方法

Info

Publication number: CN110038745B
Application number: CN201910247522.4A
Authority: CN
Inventors: 卢俊辉; 刘旗; 镇质
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN110038745A

Abstract

本发明公开了一种液滴细分的装置和方法，属于液体处理技术领域。所述装置包括针头、气源、气阀、控制类电机、螺杆、传动机构、活塞、缸筒、支撑架和控制器；所述气阀的输入口与所述气源连通，所述气阀的输出口与所述针头的第一输入口连通，所述气阀的控制端和所述控制类电机的控制端分别与所述控制器电连接；所述控制类电机的输出轴通过传动机构与所述螺杆的第一端螺旋传动，所述螺杆的第二端与所述活塞固定连接，所述缸筒和所述传动机构设置在所述支撑架上，所述螺杆的第一端和第二端之间的部分穿过所述缸筒的第一端，所述缸筒的第二端与所述针头的第二输入口连通，所述活塞可滑动地设置在所述缸筒内。本发明可以达到用户的使用需求。

Description

液滴细分的装置和方法

技术领域

本发明涉及液体处理技术领域，特别涉及一种液滴细分的装置和方法。

背景技术

液滴是指在静止条件下可沉降，在紊流条件下能保持悬浮状态的细小液体粒子，主要粒径范围在200μm以下。

在形成液滴时，为了控制液滴体积，需要选用不同内径的针头，针头内径越小，形成的液滴体积越小。目前最细的针头内径为0.16mm，因液体表面张力的作用，只能获得直径约为2mm的液滴。为了获得更小体积的液体，现有技术将压缩空气和液体同时送入针头，压缩空气切割液体，形成体积比原来小的液滴。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术采用蠕动泵控制送入针头的液体。由于蠕动泵是利用滚轮对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体，因此蠕动泵产生的液体流量脉动性很大，导致形成的液滴体积大小不同，无法满足使用需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种液滴细分的装置和方法，能够解决现有技术液滴体积大小不同，无法满足使用需求的问题。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种液滴细分的装置，所述装置包括针头、气源、气阀、控制类电机、螺杆、传动机构、活塞、缸筒、支撑架和控制器；所述气阀的输入口与所述气源连通，所述气阀的输出口与所述针头的第一输入口连通，所述气阀的控制端和所述控制类电机的控制端分别与所述控制器电连接；所述控制类电机的输出轴通过传动机构与所述螺杆的第一端螺旋传动，所述螺杆的第二端与所述活塞固定连接，所述缸筒和所述传动机构设置在所述支撑架上，所述螺杆的第一端和第二端之间的部分穿过所述缸筒的第一端，所述缸筒的第二端与所述针头的第二输入口连通，所述活塞可滑动地设置在所述缸筒内。

可选地，所述传动机构包括主动轮和从动轮；所述主动轮、所述从动轮和所述控制类电机均设置在所述支撑架上，所述控制类电机的输出轴与所述主动轮同轴连接，所述主动轮和所述从动轮传动连接，所述从动轮与所述螺杆的第一端螺旋传动。

进一步地，所述传动机构还包括同步传动带，所述同步传动带套设在所述主动轮和所述从动轮外。

更进一步地，所述主动轮和所述从动轮均为同步带轮，所述主动轮和所述从动轮通过所述同步传动带传动。

进一步地，所述支撑架包括第一支撑板、第二支撑板和连接杆；所述第一支撑板和所述第二支撑板相对设置并通过所述连接杆固定连接，所述主动轮和所述从动轮分别设置在所述第一支撑板和所述第二支撑板之间，所述缸筒和所述控制类电机分别设置在所述第二支撑板背向所述第一支撑板的表面上。

更进一步地，所述支撑架还包括第三支撑板，所述第三支撑板与所述第二支撑板相对设置并通过所述连接杆固定连接，所述第二支撑板位于所述第三支撑板和所述第一支撑板之间，所述控制类电机固定在所述第三支撑板上，所述缸筒穿过所述第三支撑板。

更进一步地，所述连接杆为螺杆，所述连接杆依次与所述第一支撑板、所述第二支撑板和所述第三支撑板螺纹连接。

可选地，所述针头包括：

第一双孔针头，用于灌入所述缸筒内的液体并输出；

第二双孔针头，用于在所述第一双孔针头输出液体的过程中，输入所述气源内的气体并输出，将液体细分为液滴；

其中，所述第二双孔针头套设在所述第一双孔针头的外部，且所述第一双孔针头和第二双孔针头呈同轴结构进行分布。

另一方面，本发明实施例提供了一种液滴细分的方法，所述方法包括：

接收第一控制信号，控制类电机在所述第一控制信号的作用下转动，通过传动机构推动螺杆及活塞作直线运动，使缸筒内的液体被挤入针头；

在液体被挤入针头的过程中，接收第二控制信号，气阀在所述第二控制信号的作用下打开，使气源内的气体注入所述针头内将液体细分为液滴。

可选地，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为脉冲信号。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

控制类电机通过传动机构推动螺杆及活塞作直线运动，将缸筒内的液体挤入针头，由于控制类电机比蠕动泵对液体的挤压更稳定，因此注入针头的液体流量脉动更小，同时向针头中注入空气将液体细分为液滴，形成的液滴体积大小一致性较好，可以达到用户的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种液滴细分的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第一支撑板的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第二支撑板的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第三支撑板的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种液滴细分的方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的第一控制信号和第二控制信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种液滴细分的装置。图1为本发明实施例提供的一种液滴细分的装置的结构示意图。参见图1，该装置包括针头10、气源21、气阀22、控制类电机31、螺杆32、活塞33、缸筒34、支撑架35、传动机构36和控制器40。气阀22的输入口与气源21连通，气阀22的输出口与针头10的第一输入口连通，气阀22的控制端和控制类电机31的控制端分别与控制器40电连接。控制类电机31的输出轴通过传动机构36与螺杆32的第一端螺旋传动，螺杆32的第二端与活塞33固定连接，缸筒34和传动机构36设置在支撑架35上，螺杆32的第一端和第二端之间的部分穿过缸筒34的第一端，缸筒34的第二端与针头10的第二输入口连通，活塞33可滑动地设置在缸筒34内。

下面先结合图1简单介绍一下本发明实施例提供的细分液滴的装置的工作原理。

控制器40向电连接的控制类电机31发送第一控制信号，控制类电机31在第一控制信号的作用下转动，通过传动机构36推动螺旋传动的螺杆32作直线运动，使得活塞33在缸筒34滑动，将缸筒34内的液体挤入针头10。

同时控制器40向电连接的气阀22发送第二控制信号，气阀22在第二控制信号的作用下打开，气源21内的气体通过气阀22注入针头10内将液体细分为液滴。

本发明实施例控制类电机通过传动机构推动螺杆及活塞作直线运动，将缸筒内的液体挤入针头，由于控制类电机比蠕动泵对液体的挤压更稳定，因此注入针头的液体流量脉动更小，同时向针头中注入空气将液体细分为液滴，形成的液滴体积大小一致性较好，可以达到用户的使用需求。而且控制类电机和气阀采用同一个控制器控制，控制精确，启停迅速，结构简单，成本较低，易于推广。

示例性地，螺杆32的长度可以为150mm，螺杆32的直径可以为8mm，螺杆32的螺距可以为2mm；缸筒34的内径可以为20mm，缸筒34的长度可以为150mm；缸筒的螺杆的参数相互配合，可以很好满足液滴形成的要求。

可选地，传动机构36可以包括主动轮361和从动轮362。主动轮361、从动轮362和控制类电机31均设置在支撑架35上，控制类电机31的输出轴与主动轮361同轴连接，主动轮361和从动轮362传动连接，从动轮362与螺杆32的第一端螺旋传动。通过设置主动轮和从动轮实现控制类电机和螺杆的传动连接，可以避免控制类电机与螺杆一起作直线运动。

相应地，从动轮362内设螺孔的直径可以为8mm，动轮362内设螺孔的螺距可以为2mm，以与螺杆匹配。

示例性地，主动轮361内设通孔的直径可以为5mm，以与控制类电机31的输出轴匹配。控制类电机31的输出轴的长度可以为30mm，可以很好满足驱动要求。

在本实施例中的一种实现方式中，控制类电机31可以为步进电机。通过向步进电机发送频率较高的脉冲信号，步进电机停止转动的间隙可以忽略不计，注入针头的液体流量基本保持稳定，最终形成体积大小一致的液滴。由于步进电机价格便宜，因此整体的实现成本较低。

示例性地，步进电机的步进角度可以为0.9°，注入针头的液体流量可以保持稳定。

在本实施例的另一种实现方式中，控制类电机31可以为伺服电机，伺服电机采用闭环控制，注入针头的液体流量可以保持稳定，形成的液滴体积一致性较好。

进一步地，该传动机构36还可以包括同步传动带363，同步传动带363套设在主动轮361和从动轮362外。通过同步传动带实现主动轮和从动轮的传动连接，对主动轮和从动轮的设置位置要求较低，可以方便配合控制类电机和缸筒的设置。而且同步传动带可以准确传递旋转角度，减小冲击和噪声。

示例性地，同步传动带363的长度可以为180mm，传递准确性高。

更进一步地，主动轮361和从动轮362均为同步带轮，主动轮361和从动轮362通过同步传动带363传动，与同步传动带有效配合。

在实际应用中，主动轮361和从动轮362均可以为齿轮，主动轮361和从动轮362啮合，不需要额外设置同步传动带。

进一步地，支撑架35可以包括第一支撑板351、第二支撑板352和连接杆353。第一支撑板351和第二支撑板352相对设置并通过连接杆353固定连接，主动轮361和从动轮362分别设置在第一支撑板351和第二支撑板352之间，缸筒34和控制类电机31分别设置在第二支撑板352背向第一支撑板351的表面上。利用第一支撑板和第二支撑板对主动轮和从动轮进行限位，使螺杆将旋转运动转化为直线运动。

更进一步地，支撑架35还可以包括第三支撑板354，第三支撑板354与第二支撑板352相对设置并通过连接杆353固定连接，第二支撑板352位于第三支撑板354和第一支撑板351之间，控制类电机31固定在第三支撑板354上，缸筒34穿过第三支撑板354。通过设置第三支撑板支撑控制类电机，有利于缸筒的竖直设置。

更进一步地，连接杆353可以为螺杆，连接杆353依次与第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354螺纹连接。通过螺纹连接可以直接将第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板连接在一起。

图2为本发明实施例提供的第一支撑板的结构示意图，图3为本发明实施例提供的第二支撑板的结构示意图，图4为本发明实施例提供的第三支撑板的结构示意图。参见图2、图3和图4，在实际应用中，第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354中开设的是没有螺纹的第一通孔100，连接杆353依次穿过第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354上的第一通孔100，连接杆353从每个第一通孔100中伸出的两端均配有进行固定的螺母，从而实现连接杆353与第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354之间的螺纹连接。

另外，如图2、图3和图4所示，第二支撑板352上还设有供控制类电机31的输出轴穿过的第二通孔200，第一支撑板351和第二支撑板352上还设有供螺杆32穿过的第三通孔300，第三支撑板354上还设有供缸筒34穿过的第四通孔400。

可选地，第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354均可以为亚克力板，实现成本低。

示例性地，第一支撑板351、第二支撑板352和第三支撑板354均可以为150mm的长度、40mm的宽度、5mm的厚度的平板；连接杆353的直径可以为3mm，连接杆353的长度可以为70mm；第一支撑板351、第二支撑板352、第三支撑板354和连接杆353的参数相互配合，以满足缸筒等的设置要求。

可选地，针头10可以包括：

第一双孔针头11，用于灌入缸筒11内的液体并输出；

第二双孔针头12，用于在第一双孔针头11输出液体的过程中，间隔输入气源21内的气体并输出，将液体细分为液滴；

其中，第二双孔针头12套设在第一双孔针头11外，且第一双孔针头11和第二双孔针头12呈同轴结构进行分布。

注入空气的第二双孔针头套设在形成液滴的第一双孔针头外，有利于液滴的均匀细分。

可选地，气阀22可以为两位三通电磁阀，以满足控制需要。

可选地，控制器40可以包括8051单片机和电机驱动器，控制精度高。

例如，单片机每秒向步进电机发送5个脉冲信号，步进电机进行4细分，则步进电机每秒旋转的角度为0.9*5/4＝1.125°，活塞直线运动的距离为1.125°/360°*2＝0.00625mm，缸筒注入针头的液体体积为3.14*(20/2)²*0.00625＝1.9625mm³。如果单片机向气阀22发送的脉冲信号频率为1Hz，则空气分割液体形成的液滴体积为1.9625mm³，液滴的直径约为0.8mm；如果单片机向气阀22发送的脉冲信号频率为5Hz，则空气分割液体形成的液滴体积为1.9625mm³/5＝0.3925mm³，液滴的直径约为0.5mm。

本发明实施例提供了一种液滴细分的方法，适用于图1所示的液滴细分的装置。图5为本发明实施例提供的一种液滴细分的方法的流程图。参见图5，该方法包括：

步骤201：接收第一控制信号，控制类电机在第一控制信号的作用下转动，通过传动机构推动螺杆及活塞作直线运动，使缸筒内的液体被挤入针头。

步骤202：在液体被挤入针头的过程中，接收第二控制信号，气阀在第二控制信号的作用下打开，使气源内的气体注入针头内将液体细分为液滴。

可选地，第一控制信号和第二控制信号均可以为脉冲信号。第一控制信号采用脉冲信号，可以采用步进电机将缸筒内的液体匀速挤入针头；第二控制信号采用脉冲信号，可以对液滴进行细分，通过控制第二控制信号的频率，可以对液滴细分的大小进行控制。

进一步地，第二控制信号可以源自第一控制信号。图6为本发明实施例提供的第一控制信号和第二控制信号的示意图。参见图6，示例性地，第二控制信号可以由第一控制信号进行分频得到，第一控制信号和第二控制信号高低水平的边沿保持一致，有利于液体的形成和细分之间进行良好的配合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种液滴细分的装置，其特征在于，所述装置包括针头（10）、气源（21）、气阀（22）、控制类电机（31）、螺杆（32）、活塞（33）、传动机构（36）、缸筒（34）、支撑架（35）和控制器（40）；所述气阀（22）的输入口与所述气源（21）连通，所述气阀（22）的输出口与所述针头（10）的第一输入口连通，所述气阀（22）的控制端和所述控制类电机（31）的控制端分别与所述控制器（40）电连接；所述控制类电机（31）的输出轴通过所述传动机构（36）与所述螺杆（32）的第一端螺旋传动，所述螺杆（32）的第二端与所述活塞（33）固定连接，所述缸筒（34）和所述传动机构（36）设置在所述支撑架（35）上，所述螺杆（32）的第一端和第二端之间的部分穿过所述缸筒（34）的第一端，所述缸筒（34）的第二端与所述针头（10）的第二输入口连通，所述活塞（33）可滑动地设置在所述缸筒（34）内；

所述传动机构（36）包括主动轮（361）和从动轮（362）；所述主动轮（361）、所述从动轮（362）和所述控制类电机（31）均设置在所述支撑架（35）上，所述控制类电机（31）的输出轴与所述主动轮（361）同轴连接，所述主动轮（361）和所述从动轮（362）传动连接，所述从动轮（362）与所述螺杆（32）的第一端螺旋传动；

所述传动机构（36）还包括同步传动带（363），所述同步传动带（363）套设在所述主动轮（361）和所述从动轮（362）外；

所述支撑架（35）包括第一支撑板（351）、第二支撑板（352）和连接杆（353）；所述第一支撑板（351）和所述第二支撑板（352）相对设置并通过所述连接杆（353）固定连接，所述主动轮（361）和所述从动轮（362）分别设置在所述第一支撑板（351）和所述第二支撑板（352）之间，所述缸筒（34）和所述控制类电机（31）分别设置在所述第二支撑板（352）背向所述第一支撑板（351）的表面上；

所述支撑架（35）还包括第三支撑板（354），所述第三支撑板（354）与所述第二支撑板（352）相对设置并通过所述连接杆（353）固定连接，所述第二支撑板（352）位于所述第三支撑板（354）和所述第一支撑板（351）之间，所述控制类电机（31）固定在所述第三支撑板（354）上，所述缸筒（34）穿过所述第三支撑板（354）；

所述连接杆（353）为螺杆，所述第一支撑板（351）、所述第二支撑板（352）和所述第三支撑板（354）具有第一通孔（100），所述连接杆（353）依次穿过所述第一支撑板（351）、所述第二支撑板（352）和所述第三支撑板（354）的所述第一通孔（100），所述连接杆（353）依次与所述第一支撑板（351）、所述第二支撑板（352）和所述第三支撑板（354）螺纹连接；

所述第二支撑板（352）上设有供所述控制类电机（31）的输出轴穿过的第二通孔（200），所述第一支撑板（351）和所述第二支撑板（352）上设有供所述螺杆（32）穿过的第三通孔（300），所述第三支撑板（354）上设有供所述缸筒（34）穿过的第四通孔（400）；

所述控制类电机（31）在第一控制信号的作用下转动，通过所述传动机构（36）推动所述螺杆（32）及所述活塞（33）作直线运动，使所述缸筒（34）内的液体被挤入所述针头（10），在所述液体被挤入所述针头（10）的过程中，接收第二控制信号，所述气阀（22）在所述第二控制信号的作用下打开，使所述气源（21）内的气体注入所述针头（10）内将所述液体细分为液滴，所述第二控制信号由所述第一控制信号分频得到，所述第一控制信号和所述第二控制信号高低水平的边沿保持一致；

所述第一控制信号和所述第二控制信号为脉冲信号，所述第一控制信号的频率为5Hz，所述第二控制信号的频率为1Hz或5Hz。

2.根据权利要求1所述的液滴细分的装置，其特征在于，所述主动轮（361）和所述从动轮（362）均为同步带轮，所述主动轮（361）和所述从动轮（362）通过所述同步传动带（363）传动。

3.根据权利要求1或2所述的液滴细分的装置，其特征在于，所述针头（10）包括：

第一双孔针头（11），用于灌入所述缸筒（34）内的液体并输出；

第二双孔针头（12），用于在所述第一双孔针头（11）输出液体的过程中，输入所述气源（21）内的气体并输出，将液体细分为液滴；

其中，所述第二双孔针头（12）套设在所述第一双孔针头（11）外，且所述第一双孔针头（11）和第二双孔针头（12）呈同轴结构进行分布。

4.一种液滴细分的方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至3任一项所述的滴液细分的装置，所述方法包括：

接收第一控制信号，所述第一控制信号为脉冲信号，所述第一控制信号的频率为5Hz，控制类电机在所述第一控制信号的作用下转动，通过传动机构推动螺杆及活塞作直线运动，使缸筒内的液体被挤入针头；

在液体被挤入针头的过程中，接收第二控制信号，所述第二控制信号为脉冲信号，所述第二控制信号的频率为1Hz或5Hz，所述第二控制信号由所述第一控制信号分频得到，所述第一控制信号和所述第二控制信号高低水平的边沿保持一致，气阀在所述第二控制信号的作用下打开，使气源内的气体注入所述针头内将液体细分为液滴。