CN111569750B - 一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，包括基座内装有恒温加热系统，恒温加热系统包括恒温加热装置，且该恒温加热装置接地；电场调控装置包括基座内的上极板，上极板固定在电动导轨上，上极板连接负高压静电发生器，进而在上极板与恒温加热装置之间形成可控的电场；液滴生成器包括多液滴混合式的针头，且针头从液滴微混合蒸发腔的顶端伸入，针头的顶端通过管道连接注射泵；本发明所设计的调控装置可以实现多组分液滴在无接触方式下的微混合蒸发过程及蒸发时间调控。

Description

一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置

技术领域

本发明涉及多组分液体微混合和液滴蒸发技术领域，具体涉及一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置。

背景技术

液滴的蒸发现象广泛存在于自然界和人类生活的各个方面。比较常见的如DNA芯片制造、喷墨打印、微流控、微电子冷却等技术领域得到了广泛的应用。然而，目前所用液体基液的混合主要依赖于实验人员的手动操作，这种形式既费时又费力，且实验人员的手动操作混合还会引入很大的不确定性。因此，如何采用简便的方式实现液体间的快速、自动、精确地混合具有非常重要的实践应用价值。与此同时，针对电场诱导液滴微混合后电场中液滴的蒸发特征的研究有着非常重要的意义。

现有的液滴蒸发装置中，都是采用实验之前已经配置好样本基液，实验过程大都通过控制壁面温度，壁面亲疏水性和液滴属性等相关因素去研究固着液滴的蒸发过程，且装置的自动化程度较低。当液滴滴落到衬底上后，液滴的蒸发过程将不在受外界因素干扰，直至完全蒸干。然而如果想通过无接触方法来人为控制液滴的蒸发过程及蒸发时间，将无法通过现有装置完成。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出了一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，用于实现多组分液滴在无接触方式下的微混合蒸发过程及蒸发时间调控。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，包括电场调控装置、液滴生成器、恒温加热系统和基座；

在基座内装有恒温加热系统，所述恒温加热系统包括恒温加热装置，且该恒温加热装置接地；

所述电场调控装置包括基座内的上极板，所述上极板固定在电动导轨上，所述上极板连接负高压静电发生器，进而在上极板与恒温加热装置之间形成可控的电场；

所述液滴生成器包括多液滴混合式的针头，且针头从液滴微混合蒸发腔的顶端伸入，针头的顶端通过管道连接注射泵；

进一步，所述恒温加热装置安装在二维平移台上，所述二维平移台安装在基座底部，通过二维平移台调节恒温加热装置的位置；

进一步，所述恒温加热装置上表面装有衬底，所述衬底与恒温加热装置之间涂抹一层金硅脂；

进一步，衬底为石英玻璃经表面处理后得到的疏水或超疏水表面；

进一步，所述上极板采用平板电极，平板电极的下表面与恒温加热装置上表面之间的距离为1-3cm；

进一步，所述上极板采用针尖电极，所述针尖电极的直径为0.2-0.5mm；所述针尖电极的尖端与恒温加热装置上表面之间的距离为0.5-2.5cm，或者将针尖电极的尖端插入液滴的内部；

进一步，所述针头是同轴嵌套针头，是由内管和外管同轴嵌套形成，内管和外管均采用不锈钢材质，且针头外管通道横截面与内管通道横截面之比为1：2；

进一步，所述针头是并行双管针头，是由两根尺寸相同的针管并列设置，且两根针管轴线之间的距离不大于所选尺寸针管生成单液滴的最大直径尺寸的0.7倍。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控的装置，相比传统的液滴蒸发装置，本发明能通过电场调节装置控制固着壁面上液滴的形状及运动状态，诱发液滴产生微震动或扰动行为。同时电场能改变流体内部流场，进而加速两种聚并流体的混合，另外电场能够提升液体传热传质能力，因此可以通过电场调节固-液接触面和加强传热能力控制液滴的蒸发过程与蒸发时间，实现液滴蒸发的无接触式调控过程。

附图说明

图1是本发明一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控的装置的示意图；

图2是本发明一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控的装置中针尖电极示意图；

图3中图3a、3b分别是本发明两种针头结构示意图；

图4是本发明一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控的装置中平板电场下液滴的拉伸变形；

图5是本发明一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控的装置中针-板电场下液滴的扰动变形；

图中，1、计算机，2、第一电磁继电器，3、第二电磁继电器，4、微流量注射泵，5、导管，6、针头，7、液滴，8、基座，9、散光板，10、冷光源，11、电动导轨，12、恒温加热装置，13、负高压静电发生器，14、接地，15、高速相机，16、导线，17、上极板，18、衬底，19、金硅脂，20、二维平移台，21、针尖电极，H1，H2为液滴高度；S1，S2为固-液接触面积。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，包括电场调控装置、液滴生成器、恒温加热系统和基座8。

所述基座8内部是液滴微混合蒸发腔；在液滴微混合蒸发腔内装有恒温加热系统。所述恒温加热系统包括二维平移台20，所述二维平移台20安装在基座8底部，二维平移台20通过导线连接控制系统，可以实现二维平移台20在基座8底部沿水平方向运动的控制；在二维平移台20的上部装载恒温加热装置12且该恒温加热装置12接地，在恒温加热装置12上表面装有衬底18，所述衬底18与恒温加热装置12之间涂抹一层金硅脂19，通过金硅脂19可降低空气热阻，提升传热效率。在本实施例中，衬底18为石英玻璃经表面处理后得到的疏水或超疏水表面；恒温加热装置12通过导线连接控制系统，通过控制系统对恒温加热装置12的工作进行调控。

电场调控装置包括负高压静电发生器13、上极板17、电磁继电器2和电动导轨11；所述上极板17固定在电动导轨11上，上极板17分为两种形式，一种为平板电极，距下极板1-3cm；另一种为直径为0.2-0.5mm针尖电极21，距下极板0.5-2.5cm，电极材料优选红铜。针尖电极有两种放置方式，一种置于液滴上方，另一种插入液滴的内部。(如图2所示)，电动导轨11水平安装在液滴微混合蒸发腔内，电动导轨11带动上极板17沿水平方向移动；电动导轨11的两端与液滴微混合蒸发腔竖直壁面上的电导轨或者电推杆相连，进而实现电动导轨11带动上极板17沿竖直方向移动。其中，上极板17通过导线连接负高压静电发生器13，电动导轨11通过导线连接控制系统；所述控制系统为计算机1，电动导轨11的传动系统与计算机1之间设有第一电磁继电器2，通过计算机1和第一电磁继电器2控制电动导轨11的工作启停。

液滴生成器由微流量注射泵4、导管5和针头6组成，其中，针头6从液滴微混合蒸发腔的顶端伸入，针头6的顶端通过管道连接注射泵4，注射泵4通过导线依次连接第二电磁继电器3和计算机1，通过第二电磁继电器3和计算机1对液滴生成器的工作启停进行控制。

为了让本液滴微混合蒸发调控装置能够产生大小均匀的多组分液滴7，本发明还设计了两种针头6形式，如图3a所示的是同轴嵌套针头是由内管和外管同轴嵌套形成，且内管和外管均采用不锈钢材质，内管的针管尺寸根据实验需要按针头GB规格取，针头外管通道横截面与内管通道横截面之比为1：2；如图3b所示的是并行双管针头，是由两根尺寸相同的针管并列设置，每根针管的尺寸根据实验需要按针头GB规格选取，且两根针管轴线之间的距离不大于所选尺寸针管生成单液滴的最大直径尺寸的0.7倍；两种形式的针头都是分别通过管道连接注射泵4，由注射泵4向针管中注入两种互溶性液体。

为了实现对基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置内部蒸发过程的可视化，本发明还设计了可视化数据采集装置，具体包括高速相机15、冷光源10和散光板9，其中，高速相机15和冷光源10相对设置在基座8两侧，且在冷光源10前部放置散光板9，使光线更加均匀，提升拍摄效果；所述高速相机15连接计算机1，通过高速相机15对基座8内液滴的蒸发情况进行采集。

本液滴微混合蒸发调控装置的工作原理：装置工作运行时，首先打开高速相机15、计算机1和冷光源10，调节高速相机15的位置及相机相关参数，使液滴7图片拍摄效果达到最佳。其次，打开恒温加热台12调节到实验指定温度，放置实验用衬底18表面，并在恒温加热台12与衬底18之间涂抹一层金硅脂19，可降低空气热阻，提升传热效率。通过计算机1控制电动导轨11，调节上极板17上下运动，使上极板17与下极板间间距到实验所需控制位置，然后打开液滴生成器，2种流体在针头出口处聚并为大液滴7，滴落在衬底18上，通过计算机1控制第二电磁继电器3，停止微流量注射泵4的工作，然后调节二维平移台20，使液滴7位于高速相机15镜头视野中间位置(如果已在中间位置，此步骤可不执行)。紧接着调节上极板17左右运动到下极板正上方，然后通过负高压静电发生器13调节压到指定值，利用电场使液滴产生内部流场实现两种流体的微混合过程，同时可视化数据采集系统采集液滴7从滴落到蒸发完成整个过程的图像，通过调节电场大小可以改变液滴的形态及振动和扰动的频率。

图4所示为本发明使用平板电场时的实验结果图，通过调节平板电极电压值，固着壁面上的液滴在电场力的作用下被提升至一定高度，同时三相接触线向内收缩(箭头表示下一时刻液滴边界相对于上一时刻液滴边界的变化方向)。

图5所示为本发明使用针-板电场时的实验结果图，通过调节针-板电极间电压值，固着壁面上的液滴在电场力及离子风共同作用下会出现空间上到扰动现象，且随着电压的增大，扰动频率逐渐加快。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，其特征在于，包括电场调控装置、液滴生成器、恒温加热系统和基座（8）；在基座（8）内装有恒温加热系统，所述恒温加热系统包括恒温加热装置（12），且该恒温加热装置（12）接地；所述电场调控装置包括基座（8）内的上极板（17），所述上极板（17）固定在电动导轨（11）上，所述上极板（17）连接负高压静电发生器（13），进而在上极板（17）与恒温加热装置（12）之间形成可控的电场；所述液滴生成器包括多液滴混合式的针头（6），且针头（6）从液滴微混合蒸发腔的顶端伸入，针头（6）的顶端通过管道连接注射泵（4）；所述恒温加热装置（12）上表面装有衬底（18），所述衬底（18）与恒温加热装置（12）之间涂抹一层金硅脂（19）；衬底（18）为石英玻璃经表面处理后得到的疏水表面；所述上极板（17）采用针尖电极，所述针尖电极的直径为0.2-0.5mm；所述针尖电极的尖端与恒温加热装置（12）上表面之间的距离为0.5-2.5cm，或者将针尖电极的尖端插入液滴的内部；所述针头（6）是同轴嵌套针头，是由内管和外管同轴嵌套形成，内管和外管均采用不锈钢材质，且针头外管通道横截面与内管通道横截面之比为1：2；或者所述针头（6）采用并行双管针头，是由两根尺寸相同的针管并列设置，且两根针管轴线之间的距离不大于所选尺寸针管生成单液滴的最大直径尺寸的0.7倍。

2.根据权利要求1所述的一种基于电场诱导的液滴微混合蒸发调控装置，其特征在于，所述恒温加热装置（12）安装在二维平移台（20）上，所述二维平移台（20）安装在基座（8）底部，通过二维平移台（20）调节恒温加热装置（12）的位置。

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