CN110293023A - 一种便携式压电微喷洒器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于喷洒器领域，具体涉及一种便携式压电微喷洒器。便携式压电微喷洒器由接头、上盖、下盖、密封圈、喷头、轮式阀、压电振子、伞形阀、阀座组成；所述接头、上盖、下盖依次相连；接头内部设置有入口通道；上盖与下盖之间安装有压电振子；压电振子与上盖和下盖之间均设置有密封圈；喷头由流道部分和喷洒部分组成，流道部分由多个进水通道组成，每个进水通道设置有收缩口和细长流道；喷洒部分设置有储能腔和扩散口。特色及优势：喷洒器整体结构包括接头、盖板和喷头，体积小、集成度高、便于携带，方便即插即用；使用压电陶瓷作为驱动元件，能耗低、成本低；喷头有效避免气泡进入下腔，可以稳定可靠的工作。

Description

一种便携式压电微喷洒器
技术领域
本发明属于喷洒器领域，具体涉及一种便携式压电微喷洒器。
背景技术
喷洒器作为一种常用器件已广泛应用于农林、园艺、消防、医疗等领域，如中国专利CN107711445A提出了一种草坪喷洒器，其通过设置旋转工作台提高了喷洒区域；中国专利CN207613018U提出了一种农药喷洒器，其通过潜水泵将农药自动输出，替代了传统手摇式喷洒，大大提高了工作效率。但现有喷洒器仍存在一些不足，例如：1、传统喷洒头工作时需要外加压力，在没有水压的环境下无法工作；2、喷洒器采用电机驱动，结构复杂、集成度低且功耗高。
近年来，随着压电驱动技术的快速发展，以压电陶瓷为核心的压电驱动方式正逐步得到应用，由于压电陶瓷能够进行稳定输出，具有响应速度快、能耗低、能量密度高、结构简单、无电磁干扰、易于控制等特点，因此，将压电技术用于喷洒器的驱动能有效解决上述问题从而具有较好的应用前景。
发明内容：
针对传统喷洒器存在的不足，本发明提出了一种体积小、结构简单、能耗低、集成度高、便于携带的压电微喷洒器，以下简称压电微喷洒器。
本发明采用以下技术方案：整体由接头、上盖、密封圈、下盖、喷头、轮式阀、压电振子、伞形阀、阀座组成；所述接头、上盖、下盖以及喷头从上至下依次同心连接；所述接头与上盖之间为可更换连接，接头可以更换；所述接头与外部液体管路相连，接头上部设置有倒角结构，以此满足其与外部软体管路相连时的密封性要求；所述接头内部设置有入口通道；所述上盖与下盖之间安装有压电振子；所述压电振子与上盖之间以及其与下盖之间均设置有密封圈；所述压电振子由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成，且压电陶瓷片直径小于金属基板；所述上盖在压电振子一端设置有上腔；所述入口通道与上腔之间设置有阀座；所述阀座上安装有伞形阀；需要说明的是，入口通道一端与外部液体相通、另一端通过伞形阀控制与上腔的连通与断开，伞形阀实现入口通道到上腔的流体单向流动；所述下盖在压电振子一端设置有下腔；所述下腔与喷头连通；所述压电振子中心开有中心孔，中心孔朝向下腔的一侧安装有轮式阀；所述轮式阀由环形支座、阀片、悬臂组成，轮式阀工作时，阀片在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；需要说明的是，轮式阀控制上腔与下腔的连通和断开，并实现上腔向下腔的流体单向流动。
所述喷头由流道部分和喷洒部分组成，液体压入喷头时先经过流道部分后经过喷洒部分；所述流道部分由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口和细长流道；所述细长管道的直径d范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1；所述收缩口自上至下断面直径逐渐减小，收缩口下部小口的断面直径与细长管道直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、长度为1mm；所述收缩口与细长管道同心；所述细长管道的设置不仅可以通过流阻差实现液体的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入下腔；需要说明的是，收缩口的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头具有足够的进水量；所述喷洒部分沿出流方向依次设置有储能腔、喷洒口和扩散口；所述储能腔的直径从上到下逐渐减小，储能腔的上部大口直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口；所述喷洒口中心设置有挡板；所述挡板通过螺纹与喷头主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板上下高度调节，以此控制喷洒口的断面缝隙高度；所述挡板顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述储能腔断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：V0D0＝ViDi，从中可知，储能腔和喷洒口的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定压电振子的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口截面积：Q＝A.V＝常数，式中Q为喷洒口流量(m3/s)，A为喷洒口截面积(m2)，V为喷洒口处流速(m/s)；所述喷头可以更换，其通过设置扩散口的扩角θ控制喷洒范围。
通过设置储能腔可以实现从泵腔压入流体的能量储存，同时由于压电往复式流体驱动，喷洒口处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入储能腔。当直径大于细长管道直径d1的气泡即将进入细长管道出口时，细长管道内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，R为细长管道的半径，细长管道可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中大部分进入储能腔的气泡直径在1mm以上，且小气泡在储能腔中易聚合成大气泡，所以大部分气泡将被阻止进入下腔。需要说明的是：气泡如果大量进入下腔，会极大的降低下腔内的有效压缩率，这将导致整个压电微喷洒器不能正常工作，通过细长管道的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电微喷洒器的稳定工作。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。
第一工作状态：对压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，压电振子向下振动，上腔体积增大压力减小，伞形阀开启，上腔与入口通道连通使得入口通道的水进入上腔，同时，下腔体积减小压力增大以及压电振子向下振动的动能作用，轮式阀关闭，下腔的水被压入喷头实现液体喷洒；
第二工作状态：对压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，压电振子向上振动，上腔体积减小压力增大，伞形阀关闭，下腔体积增大压力减小，在压差和压电振子向上振动产生动能的共同作用下，轮式阀开启，上腔的水被挤压进入下腔，与此同时，喷头内有极少量的液体回流到下腔，这里需要说明的是：由于喷头设置有细长流道以及喷洒口，使得液体回流量很少，首先储能腔的液体进入细长流道存在收缩流产生的阻力，其次喷洒口的截面缝隙小，液体往回流动时，存在气液两相界面(即出现液体表面张力，且液体表面张力可以承受的载荷较大)，在液体表面张力作用下，液体回流阻力大(气体很难进入)。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，即可实现液体的连续喷洒。
本发明的特色及优势在于：1、压电微喷洒器整体结构包括接头、盖板和喷头，体积小、集成度高、便于携带，方便即插即用；2、使用压电振子作为驱动部件，能耗低、成本低，且压电振子既是驱动元件又是工作元件，工作时不需要外加液体压力，能在无水压环境下使用；3、喷头的设置有效的避免了气泡进入下腔，压电微喷洒器可以稳定可靠的长时间工作；4、通过更换不同的喷头可改变压电微喷洒器的喷洒范围，操作简单，应用范围广。
附图说明：
图1是本发明一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中喷头的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中喷头进入气泡后的示意图；
图6是图4的俯视图；
图7是本发明一个较佳实施例中压电振子与轮式阀安装完毕的示意图。
图例：1-接头、10-入口通道、2-上盖、20-上腔、3-密封圈、4-下盖、40-下腔、5-喷头、50-收缩口、51-细长流道、52-储能腔、53-喷洒口、54-扩散口、55-挡板、6-轮式阀、61-环形支座、62-阀片、63-悬臂；7-压电振子、71-金属基板、72-压电陶瓷片、8-伞形阀、9-阀座。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，本发明提出一种便携式压电微喷洒器，整体由接头1、上盖2、密封圈3、下盖4、喷头5、轮式阀6、压电振子7、伞形阀8、阀座9组成；所述接头1、上盖2、下盖4以及喷头5从上至下依次同心连接；所述接头1与上盖2之间为可更换连接，接头1可以更换；所述接头1与外部液体管路相连，接头1上部设置有倒角结构，以此满足其与外部软体管路相连时的密封性要求；所述接头1内部设置有入口通道10；所述上盖2与下盖4之间安装有压电振子7；所述压电振子7与上盖2之间以及其与下盖4之间均设置有密封圈3，以保证腔体的密封性；所述压电振子7由金属基板71和压电陶瓷片72同心粘接而成，且压电陶瓷片72直径小于金属基板71；所述上盖2在压电振子7一端设置有上腔20；所述入口通道10与上腔20之间设置有阀座9；所述阀座9上安装有伞形阀8；需要说明的是，入口通道10一端与外部液体相通、另一端通过伞形阀8控制与上腔20的连通与断开，伞形阀8实现入口通道10到上腔20的流体单向流动；所述下盖4在压电振子7一端设置有下腔40；所述下腔40与喷头5连通，连通处位于下腔40的中心；所述压电振子7中心开有中心孔，中心孔朝向下腔40的一侧安装有轮式阀6；所述轮式阀6由环形支座61、阀片62、悬臂63组成，轮式阀6工作时，阀片62在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；需要说明的是，轮式阀6控制上腔20与下腔40的连通和断开，并实现上腔20向下腔40的流体单向流动。
如图4所示，所述喷头5由流道部分I和喷洒部分II组成，液体压入喷头5时先经过流道部分I后经过喷洒部分II；所述流道部分I由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口50和细长流道51；所述细长管道51的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1；所述收缩口50自上至下断面直径逐渐减小，收缩口50下部小口的断面直径与细长管道51直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、高度为1mm；所述收缩口50与细长管道51同心；所述细长管道51的设置不仅可以通过流阻差实现液体的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入下腔40；需要说明的是，收缩口50的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头具有足够的进水量；所述喷洒部分II沿出流方向依次设置有储能腔52、喷洒口53和扩散口54；所述储能腔52的直径从上到下逐渐减小，储能腔52的上部大口直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口53；所述喷洒口53中心设置有挡板55；所述挡板55上端通过螺纹与喷头5主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板55上下高度调节，以此控制喷洒口53的断面缝隙高度；所述挡板55顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述储能腔52断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口53形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：V0D0＝ViDi，从中可知，储能腔52和喷洒口53的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定压电振子的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口53参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口53截面积：Q＝A.V＝常数，式中Q为喷洒口53流量(m3/s)，A为喷洒口53截面积(m2)，V为喷洒口53处流速(m/s)；所述喷头5可以更换，其通过设置扩散口54的扩角θ控制喷洒范围。
通过设置储能腔52可以实现从下腔40压入流体的能量储存，同时由于压电往复式流体驱动，喷洒口53处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入储能腔52，如图5所示。当直径大于细长管道51直径d1的气泡即将进入细长管道51出口时，细长管道51内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，R为细长管道51的半径，细长管道51可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中大部分进入储能腔52的气泡直径在1mm以上，且小气泡在储能腔52中易聚合成大气泡，所以大部分气泡将被阻止进入下腔40。需要说明的是：气泡如果大量进入下腔40，会极大的降低下腔40内的有效压缩率，这将导致整个压电微喷洒器不能正常工作，通过细长管道51的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电微喷洒器的稳定工作。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。
第一工作状态：如图2所示，对压电振子7施加与压电陶瓷片72极化方向相反的电压，压电振子7向下振动，上腔20体积增大压力减小，伞形阀8开启，上腔20与入口通道10连通使得入口通道10的水进入上腔20，同时，下腔40体积减小压力增大以及压电振子7向下振动的动能作用，轮式阀6关闭，下腔40的水被压入喷头5实现液体喷洒；
第二工作状态：如图3所示，对压电振子7施加与压电陶瓷片72极化方向相同的电压，压电振子7向上振动，上腔20体积减小压力增大，伞形阀8关闭，下腔40体积增大压力减小，在压差和压电振子7向上振动产生动能的共同作用下，轮式阀6开启，上腔20的水被挤压进入下腔40，与此同时，喷头5内有极少量的液体回流到下腔40，这里需要说明的是：由于喷头5设置有细长流道51以及喷洒口53，使得液体回流量很少，参照图5，首先储能腔52的液体进入细长流道51存在收缩流产生的阻力，其次喷洒口53的截面缝隙小，液体往回流动时，存在气液两相界面(即出现液体表面张力，且液体表面张力可以承受的载荷较大)，在液体表面张力作用下，液体回流阻力大(气体很难进入)。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，即可实现液体的连续喷洒。
以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式压电微喷洒器，整体由接头、上盖、密封圈、下盖、喷头、第一单向阀、压电振子、第二单向阀、阀座组成，其特征在于：所述接头、上盖、下盖以及喷头从上至下依次同心连接；所述接头与外部液体管路相连；所述接头内部设置有入口通道；所述上盖与下盖之间安装有压电振子；所述压电振子与上盖之间以及其与下盖之间均设置有密封圈；所述上盖在压电振子一端设置有上腔；所述入口通道与上腔之间设置有阀座；所述阀座上安装有第一单向阀；所述下盖在压电振子一端设置有下腔；所述下腔与喷头连通；所述压电振子中心开有中心孔，中心孔朝向下腔的一侧安装有第二单向阀；所述喷头沿液体出流方向依次设置有流道部分和喷洒部分；所述流道部分由4～8组进水通道均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口和细长流道；所述收缩口自上至下断面直径逐渐减小；所述收缩口与细长管道同心；所述喷洒部分沿出流方向依次设置有储能腔、喷洒口和扩散口；所述储能腔的截面直径从上到下逐渐减小；所述喷洒口中心设置有挡板；所述挡板上端通过螺纹与喷头主体相连；所述扩散口通过改变扩角θ控制喷洒范围。
2.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述接头上部设置有倒角结构。
3.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述接头可以更换。
4.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述压电振子由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成，且压电陶瓷片直径小于金属基板。
5.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述细长管道的截面直径d范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1。
6.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：收缩口下部小口的断面直径与细长管道直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1。
7.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述储能腔的上部大口截面直径范围为10至15mm，其下部小口截面直径收缩至喷洒口。
8.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述挡板下方顶部中心设置有内六角沉孔。
9.根据权利1所述的一种便携式压电微喷洒器，其特征在于：所述喷头可以更换。
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