CN110293024A - 一种悬浮液用微型压电喷洒器 - Google Patents

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CN110293024A CN201910583667.1A CN201910583667A CN110293024A CN 110293024 A CN110293024 A CN 110293024A CN 201910583667 A CN201910583667 A CN 201910583667A CN 110293024 A CN110293024 A CN 110293024A
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钱超平
何力钧
陈松
宋君豪
黄子健
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Abstract

本发明属于喷洒器领域，具体涉及一种悬浮液用微型压电喷洒器。储液囊与底座连接，储液囊中有悬浮液；底座、上盖、壳体、中间层、端盖从上至下依次相连；上盖与壳体之间安装有第一压电振子；上盖、底座及壳体内部开设有入口通道，入口通道末端设有软体阀；壳体设置有泵腔；中间层与端盖之间安装有第二压电振子；中间层内部设置有介质腔；介质腔连通第二压电振子和软体阀；壳体、中间层与端盖内部开设有出口通道，出口通道一端连通泵腔、另一端连通喷头。特色及优势：能耗小、成本低、结构简单、易集成且便于携带；可实现悬浮液的喷洒；喷头设置有细长通道及储能腔，可防止气泡进入泵腔。

Description

一种悬浮液用微型压电喷洒器
技术领域
本发明属于喷洒器领域，具体涉及一种悬浮液用微型压电喷洒器。
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、体积大且功耗高。
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，将压电技术用于微型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。同时微型喷洒器喷洒悬浮液时，由于悬浮液中一般含有颗粒物，颗粒物的存在会影响微型阀的密闭性，所以现有微型阀结构仍需改进。
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、易集成、便于携带的悬浮液用微型压电喷洒器，以下简称压电喷洒器。
本发明提出了一种悬浮液用微型压电喷洒器，采用以下技术方案：从上到下依次包括储液囊、底座、上盖、壳体、中间层以及端盖；所述储液囊与底座相连，储液囊内装有悬浮液；所述储液囊为柔性软体膜；所述底座与上盖上部通过螺纹连接，底座可以更换；这里需要说明的是：在悬浮液全部使用完后，底座和储液囊作为整体进行更换且一次性使用，新更换的储液囊中注满悬浮液；所述上盖、壳体、中间层以及端盖从上至下依次相连；所述上盖与壳体之间安装有第一压电振子；所述底座、上盖与壳体内部设置有入口通道；所述入口通道一端与储液囊内部悬浮液连通、另一端设置有软体阀；所述软体阀为高弹性软体膜；所述壳体在第一压电振子一侧设置有泵腔，第一压电振子的变形直接作用于泵腔，以此形成泵腔的容积变化；所述软体阀控制入口通道与泵腔的通断；所述第一压电振子朝向泵腔的一侧配合设置有第一密封圈，以此实现泵腔的密封性；所述软体阀通过胶水粘合安装在中间层上；所述中间层与端盖之间安装有第二压电振子；所述中间层在第二压电振子与软体阀之间设置有介质腔；所述第二压电振子朝向介质腔的一侧设置有第二密封圈，以此保证介质腔的密封性；所述介质腔连通第二压电振子和软体阀；所述介质腔内部装有一定压力的液体介质，软体阀在具有一定压力的液体介质的作用下处于凸起状态，从而实现软体阀的常闭状态；所述介质腔在第二压电振子一侧的截面直径大于软体阀一侧；需要说明的是：介质腔通过两侧的截面直径不一致，实现第二压电振子的位移输出放大，将自身的小位移输出变为软体阀的大位移输出；所述第一压电振子、第二压电振子为圆形压电振子且都由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述金属基板的直径大于压电陶瓷片；所述壳体、中间层与端盖的内部开设有出口通道；所述出口通道一端与泵腔连通、另一端连通喷头。
所述喷头由流道部分和喷洒部分组成，悬浮液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d1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、高度为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悬浮液的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入泵腔；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蓄能腔、喷洒口和扩散口；所述蓄能腔的直径从上到下逐渐减小，蓄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，挡板的设置实现了喷洒口的断面缝隙高度可控；所述挡板上端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，即控制喷洒口的截面积；所述挡板下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述蓄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，蓄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第一压电振子、第二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。
通过设置蓄能腔可以实现从泵腔压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，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，气泡容易进入蓄能腔，蓄能腔和细长管道的设置使得气泡不直接进入泵腔。气泡在蓄能腔易聚合成大气泡，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，工作过程中进入蓄能腔的气泡直径大部分大于细长管道直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道，蓄能腔为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入泵腔。需要说明的是：气泡如果大量进入泵腔，会极大的降低泵腔内的有效压缩率，这将导致整个压电喷洒装置不能正常工作，通过细长管道的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电喷洒装置的稳定工作。
本实施例理想的工作过程可分为初始、第一、第二、第三、第四工作状态。
初始工作状态：不施加驱动电压信号，第一压电振子、第二压电振子均处于不变形状态，软体阀关闭；
第一工作状态：第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子不施加电压，第二压电振子向下振动，软体阀收缩并开启，入口通道与泵腔连通；
第二工作状态：第一压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子向上振动，泵腔容积开始增加，压力减少，储液囊内的悬浮颗粒通过入口通道进入泵腔，同时，由于喷头内设置有细长管道以及喷洒口，在液体表面张力作用下，气体很难进入，所以悬浮液回流很少；
第三工作状态：第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二压电振子向上振动、软体阀膨胀并关闭，入口通道与泵腔断开；
第四工作状态：第一压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子向下振动，泵腔体积减小，压力增大，将泵腔内的悬浮液压入喷头实现喷洒。
在交变电压信号驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态依次交替转变，即可实现液体的连续喷洒。
本发明的特色及优势在于：1、使用压电陶瓷作为驱动部件，能耗低、成本低、结构简单、体积小、控制方便、易于集成且无电磁干扰，方便即插即用；2、使用软体阀结构作为入口单向阀，在喷洒悬浮液时能提高阀的密封性进而防止阀的反向泄露，可以实现压电喷洒器在悬浮液领域的应用；3、喷头中细长管道以及蓄能腔的设置可有效的避免气泡进入泵腔，压电微喷洒器可以稳定可靠的长时间工作。
附图说明：
图1是本发明一个较佳实施例中初始工作状态的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的结构剖面图；
图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的结构剖面图；
图4是本发明一个较佳实施例中第三工作状态的结构剖面图；
图5是本发明一个较佳实施例中第四工作状态的结构剖面图；
图6是本发明一个较佳实施例中喷头的结构示意图；
图7是本发明一个较佳实施例中喷头进入气泡后的示意图；
图8是图6的俯视图；
图标：1-底座；11-储液囊；2-上盖；3-壳体；31-入口通道；32-泵腔；33-出口通道；4-中间层；5-端盖；61-第一压电振子；62-第二压电振子；6a-压电陶瓷片；6b-金属基板；71-第一密封圈；72-第二密封圈；8-喷头；80-收缩口；81-细长流道；82-蓄能腔；83-喷洒口；84-扩散口；85-挡板；I-流道部分；II-喷洒部分；9-介质腔；10-软体阀。
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、图7和图8，本发明的实施例从上到下依次包括储液囊11、底座1、上盖2、壳体3、中间层4以及端盖5；所述储液囊11与底座1相连，储液囊11内装有悬浮液；所述储液囊11为柔性软体膜；所述底座1与上盖2上部通过螺纹连接，底座1可以更换；这里需要说明的是：在悬浮液全部使用完后，底座1和储液囊11作为整体进行更换且一次性使用，新更换的储液囊11中注满悬浮液；所述上盖2、壳体3、中间层4以及端盖5从上至下依次相连；所述上盖2与壳体3之间安装有第一压电振子61；所述底座1、上盖2与壳体3内部设置有入口通道31；所述入口通道31一端与储液囊11内部悬浮液连通、另一端设置有软体阀10；所述软体阀10为高弹性软体膜；所述壳体3在第一压电振子61一侧设置有泵腔32，第一压电振子61的变形直接作用于泵腔32，以此形成泵腔32的容积变化；所述软体阀10控制入口通道31与泵腔32的通断；所述第一压电振子61朝向泵腔32的一侧配合设置有第一密封圈71，以此实现泵腔32的密封性；所述软体阀10通过胶水粘合安装在中间层4上；所述中间层4与端盖5之间安装有第二压电振子62；所述中间层4在第二压电振子62与软体阀10之间设置有介质腔9；所述第二压电振子62朝向介质腔9的一侧设置有第二密封圈72，以此保证介质腔9的密封性；所述介质腔9连通第二压电振子62和软体阀10；所述介质腔9内部装有一定压力的液体介质，软体阀10在具有一定压力的液体介质的作用下处于凸起状态，从而实现软体阀10的常闭状态；所述介质腔9在第二压电振子62一侧的截面直径大于软体阀10一侧；需要说明的是：介质腔9通过两侧的截面直径不一致，实现第二压电振子62的位移输出放大，将自身的小位移输出变为软体阀10的大位移输出；所述第一压电振子61、第二压电振子62为圆形压电振子且都由金属基板6b和压电陶瓷片6a同心粘接而成；所述金属基板6b的直径大于压电陶瓷片6a；所述壳体3、中间层4与端盖5的内部开设有出口通道33；所述出口通道33一端与泵腔32连通、另一端连通喷头8；所述出口通道33与泵腔32连通处位于泵腔32的中心。
如图6所示，所述喷头8由流道部分I和喷洒部分II组成，悬浮液压入喷头8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80和细长流道81；所述细长管道81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80自上至下断面直径逐渐减小，收缩口80下部小口的断面直径与细长管道81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80与细长管道81同心；所述细长管道81的设置不仅可以通过流阻差实现悬浮液的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入泵腔32；需要说明的是，收缩口80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蓄能腔82、喷洒口83和扩散口84；所述蓄能腔82的直径从上到下逐渐减小，蓄能腔82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83；所述喷洒口83中心设置有挡板85，挡板85的设置实现了喷洒口83的断面缝隙高度可控；所述挡板85上端通过螺纹与喷头8主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板85上下高度调节，以此控制喷洒口83的断面缝隙高度，即控制喷洒口83的截面积；所述挡板85下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述蓄能腔82断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口83形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：V0D0＝ViDi，从中可知，蓄能腔82和喷洒口83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第一压电振子61、第二压电振子62的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口83参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口83截面积：Q＝A.V＝常数，式中Q为喷洒口83流量(m3/s)，A为喷洒口83截面积(m2)，V为喷洒口83处流速(m/s)；所述喷头8可以更换，其通过设置扩散口84的扩角θ控制喷洒范围。
通过设置蓄能腔82可以实现从泵腔32压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，由于压电往复式流体驱动，喷洒口83处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入蓄能腔82，蓄能腔82和细长管道81的设置使得气泡不直接进入泵腔，如图7所示。气泡在蓄能腔82易聚合成大气泡，当直径大于细长管道81直径d1的气泡即将进入细长管道81出口时，细长管道81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81的半径，细长管道81可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中进入蓄能腔82的气泡直径大部分大于细长管道81直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道81，蓄能腔82为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入泵腔32。需要说明的是：气泡如果大量进入泵腔32，会极大的降低泵腔32内的有效压缩率，这将导致整个压电喷洒装置不能正常工作，通过细长管道81的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证压电喷洒装置的稳定工作。
本实施例理想的工作过程可分为初始、第一、第二、第三、第四工作状态。
初始工作状态：不施加驱动电压信号，第一压电振子61、第二压电振子62均处于不变形状态，软体阀10关闭，如图1所示；
第一工作状态：第二压电振子62施加与压电陶瓷片6a极化方向相反的电压，第一压电振子61不施加电压，第二压电振子62向下振动，软体阀10收缩并开启，入口通道31与泵腔32连通，如图2所示；
第二工作状态：第一压电振子61施加与压电陶瓷片6a极化方向相反的电压，第一压电振子61向上振动，泵腔32容积开始增加，压力减少，储液囊11内的悬浮颗粒通过入口通道31进入泵腔32，同时，由于喷头8内设置有细长管道81以及喷洒口83，在液体表面张力作用下，气体很难进入，所以悬浮液回流很少，如图3所示；
第三工作状态：第二压电振子62施加与压电陶瓷片6a极化方向相同的电压，第二压电振子62向上振动、软体阀10膨胀并关闭，入口通道31与泵腔32断开，如图4所示；
第四工作状态：第一压电振子61施加与压电陶瓷片6a极化方向相同的电压，第一压电振子61向下振动，泵腔32体积减小，压力增大，将泵腔32内的悬浮液压入喷头8实现喷洒，如图5所示。
在交变电压信号驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态依次交替转变，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)

1.一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：从上到下依次包括储液囊、底座、上盖、壳体、中间层以及端盖；所述储液囊与底座相连，储液囊内装有悬浮液；所述储液囊为柔性软体膜；所述底座与上盖上部通过螺纹连接，底座可以更换；所述上盖、壳体、中间层以及端盖从上至下依次相连；所述上盖与壳体之间安装有第一压电振子；所述底座、上盖与壳体内部设置有入口通道；所述入口通道一端与储液囊内部悬浮液连通、另一端设置有软体阀；所述软体阀为高弹性软体膜；所述壳体在第一压电振子一侧设置有泵腔，第一压电振子的变形直接作用于泵腔；所述软体阀控制入口通道与泵腔的通断；所述第一压电振子朝向泵腔的一侧配合设置有第一密封圈；所述软体阀外围与中间层连接；所述中间层与端盖之间安装有第二压电振子；所述中间层在第二压电振子与软体阀之间设置有介质腔；所述第二压电振子朝向介质腔的一侧配合设置有第二密封圈；所述介质腔连通第二压电振子和软体阀；所述介质腔内部装有一定压力的液体介质，软体阀在具有一定压力的液体介质的作用下处于凸起且关闭状态；所述壳体、中间层与端盖的内部开设有出口通道；所述出口通道一端与泵腔连通、另一端连通喷头；所述喷头沿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蓄能腔、喷洒口和扩散口；所述蓄能腔的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；所述扩散口通过设置扩角θ控制喷洒范围。
2.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述底座和储液囊作为整体进行更换且一次性使用。
3.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述介质腔在第二压电振子一侧的截面直径大于软体阀一侧。
4.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述第一压电振子、第二压电振子为圆形压电振子且都由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述金属基板的直径大于压电陶瓷片。
5.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述细长管道的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度L范围为5d1至10d1。
6.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述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所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述蓄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所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述挡板下端顶部中心设置有内六角沉孔。
9.根据权利1所述一种悬浮液用微型压电喷洒器，其特征在于：所述出口通道与泵腔连通处位于泵腔的中心。
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