CN110193994A - 基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法 - Google Patents

基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法，实现该方法的装置由高压气源供气，调压阀用于控制高速电磁阀前端的气压，由单片机控制高速电磁阀开启时间。高压气体进入储液腔后产生亥姆霍兹振荡，经过几个周期衰减后平稳。工业相机和LED灯用于监测微液滴的产生过程，并辅助系统的调节。参考气压传感器检测到的气压波形，合理调节高速电磁阀和调压阀。通过调节高速电磁阀和调压阀控制气压波形，就可以调节被挤出喷嘴的微量液体的体积和形状，从而调控微液滴大小。相比于高压脉冲电源微液滴产生装置，本发明成本大大降低。

Description

基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法
技术领域
本发明涉及依托气动和电流体动力学混合驱动的微液滴产生装置，通过调整装置中的电磁阀的开启时间、气压大小和电压高低，实现按需产生微液滴并调节其尺寸的控制技术，主要应用于施加微量液体样品、可应用于打印电子学、药物开发、生物医学材料打印等领域。
背景技术
随着常规喷墨打印技术，包括压电驱动喷射、热泡驱动喷射，拓展到其他引用领域，更多非常规喷墨打印技术也有了长足发展。这些非常规喷射方式主要包括气动驱动喷射、电流体动力学(EHD)喷射等。它们在包括生物医学打印等领域得到广泛应用。其中基于气动驱动的微液滴产生装置的工作原理为：使用高速电磁阀控制高压气体进入储液腔冲击液体，在喷嘴处被挤出的少量液体与喷嘴内液体断裂形成微液滴。气动驱动可以精确稳定控制喷射频率，并可以实现按需喷射，并且成本较低。其缺点在于液滴最小尺寸总大于喷嘴尺寸，相关实验表明微液滴直径通常大于喷嘴内径的二倍。在需要更小微液滴时，通常只能通过减小喷嘴直径，但是缩小喷嘴直径需要系统提供的气压脉冲幅值大幅增加，且喷嘴更加容易堵塞。此外基于气动驱动的微液滴产生装置不适用于喷射粘度较大的液体；通常需要远超于普通气源的超高气压，或者根本不能喷出。基于EHD法的微液滴产生装置由注射泵和高压电场同时驱动。注射泵对装置连续均匀供液，在喷嘴处挤出液体，在喷嘴外保持一定体积的液体；高压电场通过在喷嘴(导电)和引出电极(导电)之间施加高压电压实现。液体在电场下受力变形，形成锥形液面(泰勒锥)，泰勒锥末端的液体断裂，形成微液滴，如图1所示。微液滴直径可以远小于喷嘴直径。采用EHD技术可以喷射更加粘稠液体。但是，EHD微液滴喷射技术也需面对诸多困难。由于液体产生受到持续存在的电场力和供液系统流速的双重影响，液滴的产生频率虽然受电压控制但是难以保持稳定，而且无法实现按需喷射。使用高压脉冲电源可以在一定程度上克服上述喷射频率不稳定的问题，但是按需喷射仍然难以实现。与此同时高压脉冲电源的价格远高于高压恒压电源，大大增加了系统成本。
本发明提出了一种混合气动和EHD法的微液滴产生方法，利用两种方法的互补从而同时兼具两者的优点，在不缩小喷嘴直径的情况下实现了更小液滴的按需稳定喷射，并可以喷射更加粘稠的液体。
发明内容
本发明中依托的微液滴产生装置基于气动和EHD法混合驱动。如图2所示，基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，该装置由储液腔1、进出气管道2、高速电磁阀3、调压阀4、加液孔5、气压传感器6、喷嘴7、电极8、引出电极9、高压稳压电源10、工业相机11和LED灯12组成。进出气管道2、加液孔5和气压传感器6安装在储液腔1上，高速电磁阀3和调压阀4接在进出气管道2的进气一侧。喷嘴7安装在储液腔1的底部，电极8夹装在喷嘴7上。引出电极9放置在喷嘴7的下方并保持一段距离。电极8和引出电极9接高压稳压电源10的输出和接地端。工业相机11和LED灯12安装在喷嘴7的两侧。
高压稳压电源10的目的是产生喷嘴7与引出电极8之间的电场，高压稳压电源10输出是正压或负压。调节工业相机11使得喷嘴7、喷嘴7处的液面、以及刚刚喷出的微液滴在工业相机11视野内。工业相机11拍摄的图像是逆光剪影效果，如图4所示。气压传感器6能够检测储液腔1内气压随时间变化。
储液腔1与高压气源连通，高压气源向储液腔1内进行供气，调压阀4用于控制高速电磁阀3前端的气压，由单片机控制高速电磁阀3开启(导通)时间。高压气体进入储液腔1后产生亥姆霍兹振荡，经过几个周期衰减后平稳，如图3所示。亥姆霍兹振荡的第一个正压周期起主要作用，少量液体从喷嘴7挤出。在没有加电压的情况下，由于表面张力的作用，挤出的少量液体会在喷嘴7处形成半月形，如图4的(b)所示。随后，在负压周期内，并在表面张力作用下，液体会重新返回到储液腔内。如果开启高压稳压电源10，气动挤出的少量液体表面会积累电荷，并在电场力作用下迅速变形，形成泰勒锥，与喷嘴7内的液体脱离滴落，产生一个微液滴。这样的按需喷射只需控制高速电磁阀短暂开启即可，克服了传统的EHD微液滴喷射无法实现按需喷射的困难。如图4的(c)所示，可以看到其明显小于如图4的(d)所示的纯气动喷射液滴。这一差别体现的正是电场(由高压电压产生)的效应。如果高速电磁阀3关闭，气动系统不工作，液体始终存在于喷嘴内部，电场力不足以吸出液体，因而不会有产生任何微液滴。
工业相机11和LED灯12用于监测微液滴的产生过程，并辅助系统的调节。如果高速电磁阀3和调压阀4的工作参数、以及高压电压设置不合适可能会发生微液滴无法产生，或者产生卫星滴的情况。此时需要参考气压传感器6检测到的气压波形，合理调节高速电磁阀3和调压阀4。通过调节高速电磁阀3和调压阀4控制气压波形，就可以调节被挤出喷嘴的微量液体的体积和形状，从而调控微液滴大小。
本发明致力于提出一种微液滴产生装置，既能通过气动方法实现按需喷射，又能使用EHD技术中施加高压的方法减小液滴尺寸、喷射粘稠液体，混合两种方法优势互补，改进了两种方法。相比于高压脉冲电源微液滴产生装置，本发明成本大大降低。
附图说明
图1为单纯基于EHD原理的微液滴产生的示意图
图2为气动和EHD混合的微液滴产生装置示意图。
图3为高速电磁阀单次短暂开启储液腔内检测到的气压随时间变化。
图4为实验中微液滴尺寸实测图，图(a)为喷嘴实测图，图(b)为本装置不加高压，气动系统挤出的部分液体，但不足以产生微液滴的情况，图(c)为本装置施加高压稳压，气动挤出液体，在电场作用下正常工作产生的微液滴，图(d)为不加高压，纯气动喷射产生的最小微液滴。
具体实施方式
该装置由储液腔1、进出气管道2、高速电磁阀3、调压阀4、加液孔5、气压传感器6、喷嘴7、电极8、引出电极9、高压稳压电源10、工业相机11和LED灯12组成。其中储液腔1用来储存液体，高速电磁阀3用来控制高压气体的开启与关断，调压阀4调节进气压强，气压传感器6监测储液腔1内的压强。高压稳压电源10给EHD系统提供高压。LED灯12给工业相机11提供光源。加液孔5用来向储液腔1内注入液体。
具体的产生微液滴并调节尺寸的实施步骤如下：
S1：利用加液孔5添加喷射液体，开启系统电源。调节高压电源10到工作电压，调节调压阀4到工作气压。根据需求设置高速电磁阀3的工作频率和初始开启时间。
S2：使高速电磁阀3开始工作，观察工业相机11传回的图像，等待装置稳定。如果装置不稳定，调节调压阀4和高压电源10。
S3：根据工业相机11传回的图像，调节高速电磁阀3的开启时间，使液滴达到所需大小。

Claims (9)

1.基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，其特征在于：该装置由储液腔(1)、进出气管道(2)、高速电磁阀(3)、调压阀(4)、加液孔(5)、气压传感器(6)、喷嘴(7)、电极(8)、引出电极(9)、高压稳压电源(10)、工业相机(11)和LED灯(12)组成；进出气管道(2)、加液孔(5)和气压传感器(6)安装在储液腔(1)上，高速电磁阀(3)和调压阀(4)接在进出气管道(2)的进气一侧；喷嘴(7)安装在储液腔(1)的底部，电极(8)夹装在喷嘴(7)上；引出电极(9)放置在喷嘴(7)的下方并保持一段距离；电极(8)和引出电极(9)接高压稳压电源(10)的输出和接地端；工业相机(11)和LED灯(12)安装在喷嘴(7)的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，其特征在于：高压稳压电源(10)的目的是产生喷嘴(7)与引出电极(8)之间的电场，高压稳压电源(10)输出是正压或负压。
3.根据权利要求1所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，其特征在于：调节工业相机(11)使得喷嘴(7)、喷嘴(7)处的液面、以及刚刚喷出的微液滴在工业相机(11)视野内。
4.根据权利要求1所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，其特征在于：工业相机(11)拍摄的图像是逆光剪影效果。
5.根据权利要求1所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生装置，其特征在于：气压传感器(6)能够检测储液腔(1)内气压随时间变化。
6.利用权利要求1所述装置进行的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法，其特征在于：
储液腔(1)与高压气源连通，高压气源向储液腔(1)内进行供气，调压阀(4)用于控制高速电磁阀(3)前端的气压，由单片机控制高速电磁阀(3)开启时间；高压气体进入储液腔(1)后产生亥姆霍兹振荡，经过几个周期衰减后平稳；亥姆霍兹振荡的第一个正压周期起主要作用，少量液体从喷嘴(7)挤出；在没有加电压的情况下，由于表面张力的作用，挤出的少量液体会在喷嘴(7)处形成半月形；随后，在负压周期内，并在表面张力作用下，液体会重新返回到储液腔内；如果开启高压稳压电源(10)，气动挤出的少量液体表面会积累电荷，并在电场力作用下迅速变形，形成泰勒锥，与喷嘴(7)内的液体脱离滴落，产生一个微液滴；这样的按需喷射只需控制高速电磁阀短暂开启即可；如果高速电磁阀(3)关闭，高压气源不工作，液体始终存在于喷嘴内部，电场力不足以吸出液体，因而不会有产生任何微液滴。
7.根据权利要求6所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法，其特征在于：
工业相机(11)和LED灯(12)用于监测微液滴的产生过程，并辅助系统的调节；如果高速电磁阀(3)和调压阀(4)的工作参数、以及高压电压设置不合适可能会发生微液滴无法产生，或者产生卫星滴的情况；此时需要参考气压传感器(6)检测到的气压波形，合理调节高速电磁阀(3)和调压阀(4)；通过调节高速电磁阀(3)和调压阀(4)控制气压波形，就可以调节被挤出喷嘴的微量液体的体积和形状，从而调控微液滴大小。
8.根据权利要求6所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法，其特征在于：
储液腔(1)用来储存液体，高速电磁阀(3)用来控制高压气体的开启与关断，调压阀(4)调节进气压强，气压传感器(6)监测储液腔(1)内的压强；高压稳压电源(10)给EHD系统提供高压；LED灯(12)给工业相机(11)提供光源；加液孔(5)用来向储液腔(1)内注入液体。
9.根据权利要求6所述的基于气动和电流体动力学混合驱动的按需微液滴产生方法，其特征在于：
具体的产生微液滴并调节尺寸的实施步骤如下，
S1：利用加液孔(5)添加喷射液体，开启系统电源；调节高压电源10到工作电压，调节调压阀(4)到工作气压；根据需求设置高速电磁阀(3)的工作频率和初始开启时间；
S2：使高速电磁阀(3)开始工作，观察工业相机(11)传回的图像，等待装置稳定；如果装置不稳定，调节调压阀(4)和高压电源10；
S3：根据工业相机(11)传回的图像，调节高速电磁阀(3)的开启时间，使液滴达到所需大小。
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