CN110962344A - 基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置 - Google Patents

基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置 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阵列式微液滴产生装置，整个装置采用单一高压电源，单一气动驱动装置，本发明既能通过气动方法实现按需喷射，又能通过EHD技术喷射粘稠液体以及获得小于喷口直径的液滴，且P2远低于P1，混合两种方法优势互补。采用并行阵列式喷头，通过每个喷口处的控制单元实现对每个喷口的独立控制，适用于并行打印同种墨水；或喷射条件类似的不同墨水。相较于传统阵列式微滴喷射装置需要多个气动驱动装置及储液腔，本发明共享一套气动驱动装置及储液腔，结构紧凑节省空间成本大大降低，整个装置成本低廉，结构紧凑节省空间，具有较广泛的适用范围。

Description

基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置
技术领域
本发明涉及基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置，通过调整每个喷口处的控制单元，可以实现独立控制任一喷嘴的阵列型微液滴产生装置。该发明可应用于打印电子学、药物开发、生物3D打印等领域。
背景技术
近年来，微滴喷射技术作为非接触式施加技术得到了越来越多的关注。其中，常规的阵列喷射方式主要有压电驱动喷射、热泡驱动喷射等。但压电驱动喷头实际操作中工作参数的设定比较复杂，而且喷射液体的黏度不能过大；热泡驱动喷头制作简单。但是喷头局部温度可达到300℃，导致喷射过程对热敏材料的影响难以评估。与此同时，更多非常规喷射技术也有了长足发展。这些非常规喷射方式包括气动驱动喷射、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：利用高速电磁阀的开关控制高压气体进入储液腔，产生气压脉冲，并通过放气通路释放。气压脉冲的幅值通常由电磁阀前端高压气体压强决定。通常情况下气压脉冲的幅值需要超过压强阈值P1。在喷嘴处被挤出的液体才能断裂形成液滴。气动驱动可以实现按需喷射，并且成本较低适合热敏材料的高精度喷射。气动微滴喷射最大的缺点在于液滴尺寸通常大于喷嘴尺寸，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，尤其是对于高黏度喷射过程，或载有微小颗粒的情况，这一困难会更加突出。
基于EHD法的液滴喷射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；高压电场通过在喷嘴(导电)和收集电极(导电)之间施加高压电压实现。实验发现：喷嘴处的液体体积通常需要超过某个临界体积V；随后，液体会在电场力的作用下，快速变形，形成锥形液面(泰勒锥)，泰勒锥末端的液体断裂，可以形成直径小于喷嘴的微液滴。由于其主要是通过电场力将液滴“拉伸”出来，因此该技术能够喷射出远小于喷嘴直径的液滴，实现高分辨率喷印，并且可以有效缓解喷嘴堵塞的问题。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。
先前研究中已有学者提出基于气动和电流体动力学混合驱动的微液滴产生装置，其工作原理是：在喷嘴和收集电极之间施加恒定的电压，产生恒定的电场。通过常规气动微滴喷射手段，对储液腔内液体施加一个气压脉冲，将一定量超过临界体积V的液体挤出喷嘴；而后，这部分液体会在电场力作用下迅速变形，形成“泰勒锥”；泰勒锥末端断裂形成微滴。使得喷嘴处液体体积超过临界体积，继而产生微滴的气压脉冲阈值记为P2。实验发现，由于电场的存在，阈值P2远低于传统气动微滴喷射气压脉冲阈值P1。
基于气动和EHD混合驱动的的液滴喷射技术，综合了两者的优点。但喷射频率受限于气动脉冲的重复频率,仅适应于低频喷射。当喷射频率变高时，喷射出的微滴个数、尺寸等均不稳定。当需要打印多种不同液体材料时，多个独立喷射装置并行会导致成本增加，难以小型化等缺点。
设计一种阵列式的喷射装置，实现并行喷射的同时确保每个喷口的独立受控十分必要。与此同时，该装置的小型化的问题也是至关重要的。喷嘴阵列可以小型化，但是电磁阀小型化比较困难，也为阵列式喷射装置的设计带来了一定难度。结合上述两种方式以及阵列式微滴喷射装置的优点，本文提出了一款基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微滴产生装置。其主要由单一气动驱动装置，单一高压电源，在阵列方向上间隔展开喷头阵列组成，每个喷头都与储液腔连通，通过调整与每个喷口相连的开关控制单元来控制阵列中每个喷头的开闭，可以实现微液滴从任意设定的喷嘴喷出液滴。
发明内容
本发明利用P2远低于P1的特点，提出了由单一气动控制装置，单一高压电源组成的基于气动和EHD法混合驱动的阵列式微液滴产生装置。首先，产生一个驱动压强脉冲。脉冲幅值为Pmax。通过气动控制装置的调节功能，使得Pmax大于P2,但是小于P1。在这种条件下，就可以通过在喷嘴与收集电极之间，选择性地施加电压，实现对每个喷嘴的独立控制。具体而言，如果一个喷嘴与收集电极之间不施加电压，则微滴无法产生；如果一个喷嘴与收集电极之间不施加电压，则微滴可以产生。需要强调的是：在没有气压脉冲驱动时：无论喷嘴与收集极板间是否施加电压，微滴都无法产生。
具体的阵列式微滴产生装置如如图1所示。其中，单一的气动控制装置由一个连通的储液腔1、进出气管道2、单一高速电磁阀3、调压阀4和气压传感器5组成。其中进出气管道2和气压传感器5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。喷嘴阵列6置于微滴产生装置底部，与储液腔1联通。喷嘴阵列6每个喷嘴通过控制系统(开关)与高压电源的输出连接。收集电极7置于喷嘴阵列6的下方，与高压电源8的地线相连接。拍摄模块包括相机9和照明系统10，安装在喷嘴阵列6两侧。调节相机使得喷嘴、喷嘴处的液面、以及刚刚喷出的微液滴在相机视野内,用于检测微滴喷射状态。
系统由高压气源供气，调压阀4用于控制高速电磁阀前端的气压，并实现对储液腔内气压脉冲幅值Pmax的调控，确保P2<Pmax<P1条件满足，将一定量超过临界体积V的液体挤出喷嘴。喷嘴阵列6的各个阵列式喷嘴间隔排开并安装在储液腔1的底部，每个喷嘴与一个开关控制单元相连，收集电极7放置在喷嘴的下方并保持合适距离(约10-20mm)。开关控制单元和收集电极7接高压稳压电源8的输出和接地端。图2给出了一种可行的针对一个喷嘴的电压控制单元，它由一对互补开关组成。每一对开关由一个输入信号控制，不能同时导通，可以实现互补导通。当S1导通，S2关断时，喷嘴接高电压。当S1关断，S2导通时，喷嘴接零电压。而后，每个接高电压的喷嘴，其尖端挤出的液体会在电场力作用下迅速变形，形成“泰勒锥”，泰勒锥末端断裂形成微滴；而接零电压的喷嘴，则不会有液滴喷出。
在上述工作场景下，阵列喷嘴6与同一储液腔体联通，以更高的并行效率产生同种墨水的微滴。指出该装置也可适用于另外一种工作场景。如图3所示，内部分立的储液腔1，分别装有类似喷射条件(类似P1和P2取值)的不同种墨水。保证分立储液腔在上方联通，从而可以共享同一个气动控制单元产生的气压脉冲。每个喷嘴可以喷射不同墨水的微滴，并行打印多种不同液体材料，拓展了该装置的应用场景。
拍摄装置9和光源10用于监测微液滴的产生过程，并辅助系统的调节与控制。如果高速电磁阀3和调压阀4的工作参数、以及高压电压参数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检测到的气压波形，合理调节高速电磁阀3、调压阀4，以及高压电源8的输出。
本发明致力于提出一种阵列式气动EHD混合驱动微液滴产生装置，整个装置采用单一高压电源，单一气动驱动装置。传统主流的微液滴产生装置(如气动式、EHD式等)中，气动式最大的缺点在于液滴尺寸通常大于喷嘴尺寸；EHD式最大的缺点在于不能实现按需喷射。本发明既能通过气动方法实现按需喷射，又能通过EHD技术喷射粘稠液体以及获得小于喷口直径的液滴，且P2远低于P1，混合两种方法优势互补。采用并行阵列式喷头，通过每个喷口处的控制单元实现对每个喷口的独立控制，适用于并行打印同种墨水；或喷射条件类似(具体体现在类似的P1和P2)的不同墨水。相较于传统阵列式微滴喷射装置需要多个气动驱动装置及储液腔，本发明共享一套气动驱动装置及储液腔，结构紧凑节省空间成本大大降低，整个装置成本低廉，结构紧凑节省空间，具有较广泛的适用范围。
附图说明
图1基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置(相同墨水)。
图2喷口处控制单元示意图。
图3基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置(不同墨水)。
具体实施方式
开启系统电源，调节高压电源到合适电压，调节调压阀到合适气压,确保P2<Pmax<P1条件满足。根据需求设置高速电磁阀的工作频率和初始开启时间。利用电磁阀和调压阀控制气体压强脉冲的强度和宽度。按需控制每个喷口处的控制单元的开闭(开始实验前，每个开关应处于断开状态)，对所需喷嘴施加电压，并对储液腔施加阈值气压，实现微液滴从设定的喷嘴喷出液滴，其余喷嘴未产生液滴。利用拍摄系统观测整个系统工作状态是否稳定。不稳定则对调压阀和高压电源进行相应的调整，实验完成后后关闭电磁阀以及高压电源，液面恢复初始状态。

Claims (7)

1.基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置，其特征在于：该产生装置由单一气动控制装置和单一高压电源组成；
单一的气动控制装置由一个连通的储液腔(1)、进出气管道(2)、单一高速电磁阀(3)、调压阀(4)和气压传感器(5)组成；进出气管道(2)和气压传感器(5)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；喷嘴阵列(6)置于微滴产生装置底部，与储液腔(1)联通；喷嘴阵列(6)每个喷嘴通过控制系统与高压电源的输出连接；收集电极(7)置于喷嘴阵列(6)的下方，与单一高压电源(8)的地线相连接；拍摄模块包括相机(9)和照明系统(10)，安装在喷嘴阵列(6)两侧；调节相机使得喷嘴、喷嘴处的液面、以及喷出的微液滴在相机视野内，用于检测微滴喷射状态。
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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：系统由高压气源供气，调压阀(4)用于控制高速电磁阀前端的气压，并实现对储液腔内气压脉冲幅值Pmax的调控，确保P2<Pmax<P1条件满足，将一定量超过临界体积V的液体挤出喷嘴；喷嘴阵列(6)的各个阵列式喷嘴间隔排开并安装在储液腔(1)的底部，每个喷嘴与一个开关控制单元相连，收集电极(7)放置在喷嘴的下方并保持0-20mm距离；开关控制单元和收集电极(7)接高压稳压电源(8)的输出和接地端。
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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：针对一个喷嘴的电压控制单元，由一对互补开关组成；每一对互补开关由一个输入信号控制，不能同时导通，实现互补导通；当S1导通，S2关断时，喷嘴接高电压；当S1关断，S2导通时，喷嘴接零电压；而后，每个接高电压的喷嘴，其尖端挤出的液体会在电场力作用下迅速变形，形成“泰勒锥”，泰勒锥末端断裂形成微滴；而接零电压的喷嘴，则不会有液滴喷出。
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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：阵列喷嘴(6)与同一储液腔体联通。
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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：内部分立的储液腔(1)，分别装有类似喷射条件的不同种墨水。
6.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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：拍摄装置(9)和光源(10)用于监测微液滴的产生过程，并辅助系统的调节与控制。
7.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阵列式微液滴产生装置，其特征在于：利用P2远低于P1的特点，首先，产生一个驱动压强脉冲；脉冲幅值为Pmax；通过气动控制装置的调节功能，使得Pmax大于P2,但是小于P1；通过在喷嘴与收集电极之间，选择性地施加电压，实现对每个喷嘴的独立控制；如果一个喷嘴与收集电极之间不施加电压，则微滴无法产生；如果一个喷嘴与收集电极之间不施加电压，则微滴产生；在没有气压脉冲驱动时：无论喷嘴与收集极板间是否施加电压，微滴都无法产生。
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