CN111610690A - 一种雾化屏幕装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雾化屏幕装置，包括雾化腔、水流接头、压力雾化喷嘴、文丘里喷嘴组件、排水装置和进气装置，所述水流接头设置在所述雾化腔的上部，所述排水装置设置在雾化腔的底部，所述进气装置和所述文丘里喷嘴组件设置在所述雾化腔的侧边，所述压力雾化喷嘴设置在所述雾化腔的内部，所述压力雾化喷嘴与水流接头连接。本发明的雾化装置结构简单，出口水雾速度高，解决了现有技术中水雾输送距离有限、成像质量不高、故障率较高、抗干扰能力弱的问题，有效提高了雾化屏的观看效果。

Description

一种雾化屏幕装置

技术领域

本发明涉及水雾屏显示领域，具体为一种雾化屏幕装置。

背景技术

雾化屏是指由水雾构成成像介质，能够直接感触到且可以穿越的投影成像系统。雾化屏如同常规屏一样可散射由投影、激光电视以及其他装置而来的光线，实现成像或示踪。

最早的雾化屏也称为雾气投影屏，2002年由芬兰坦佩雷科技大学的教授及其合作者研制。在中国，陈宇奎于2007申请的专利 ZL200610124042.1中提出一种超声波雾化屏幕装置，该装置通过超声波雾化器将水槽里的水转化为雾气，主要通过传统的风轮转动产生定向气流，带动雾气形成幕；苏州金双宇光电科技有限公司在2018 年申请的专利ZL201820061306.1中提出一种空气雾化屏投影展示机，采用无叶风道代替风扇吹动水雾形成雾屏，但该方案较为复杂，实际使用效果有限；上述两种方式的雾化屏在实际使用中存在如下不足：

具体的，使用常规风轮或风扇作为气流形成的装置有如下缺点：

1)气流用来输运水雾颗粒，可实用的输送距离最大仅为3m左右，很难进一步增加，限制了其应用范围；

2)气流无法形成厚度较薄的气流层，尤其是在远离出风口的位置，因而它输送的水雾颗粒存在于较厚的区域上，考虑到投影设备的景深，很多情况下无法获得合焦的投影质量；

3)气流设计仅在较小区域与低初速扩散而来的水雾颗粒混合，没有足够的混合空间和时间，造成雾屏具有肉眼可见的不均匀性，影响其成像质量；

4)低速气流对微风的抗干扰能力较弱。

使用沉浸在水中的超声振动片作为水雾颗粒产生的装置有如下缺点：

1)所使用的超声波设备和模块不能简单同步放大以用于较大尺度的设备，当应用于较大尺寸的设备时，零部件数量同步上升，总体可靠性和平均无故障时间下降；

2)需要用到不封闭的水槽，水槽必须对上方开口，因此不同角度使用的装置均须单独设计，例如水平使用的超声波雾化屏无法用在垂直方向；

3)所使用的超声波模块必须全部集成至上述水槽中，且该区域还有机械振动，这些对该区域的设计、组装和维修等提出了较高的要求；

4)所使用的陶瓷片对水质敏感，水质能够影响陶瓷片的寿命。这限制了其使用范围；

5)所使用的陶瓷片寿命有限，需要定期更换，在体量较大、高空作业等情况下，大规模更换有一定的工程难度，需要较高的成本和较长的时间；

6)超声振动方式的能源利用效率不高。

目前市场上商用的雾屏多以超声波雾化屏幕装置为主，综上，雾化屏气流的形成装置具有如下问题：水雾输送距离有限、成像质量不高、故障率较高、抗干扰能力弱以、核心零部件使用寿命有限及能源利用效率低等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雾化屏幕装置，旨在解决现有技术中，雾化屏成像质量不高、抗干扰能力弱及零部件使用寿命低的问题。

本发明所采用的技术方案是：提供一种雾化腔、水流接头、压力雾化喷嘴、文丘里喷嘴组件、排水装置和进气装置，所述雾化腔为圆柱体状，所述文丘里喷嘴组件包括多个临界文丘里喷嘴，每个所述临界文丘里喷嘴的进气截面、喉部截面和出口截面均为圆形，所述进气装置连接中高压气源、所述水流接头连接中高压水源，所述中高压水源的压力P_water大于所述中高压气源的压力P_gas，所述水流接头设置在所述雾化腔的上部，所述排水装置设置在雾化腔的底部，所述进气装置和所述文丘里喷嘴组件设置在所述雾化腔的侧边，所述压力雾化喷嘴设置在所述雾化腔的内部，所述压力雾化喷嘴与所述水流接连接，所述临界文丘里喷嘴喷出的水雾颗粒尺度范围为0.8μm≤R≤100μm。

进一步地，还具有缓冲稳压腔，所述缓冲稳压腔安装在所述进气装置外侧，所述缓冲稳压腔内设置有进气均分栓，所述进气均分栓沿轴向设置有长条形孔，孔的长度贯穿整个进气均分栓侧面，截面积大致等于进气孔截面积；主要是保证各个文丘里喷嘴的出气量较为均匀。

进一步地，所述缓冲稳压腔截面面积计算公式为：S>Q/V，其中， S是截面积；Q是流量；V是流速，其中，V＝0.1m/s。

进一步地，所述高压雾化喷觜产生的水雾颗粒与高压气体在所述雾化腔内混合，形成均匀的气溶胶状态。

进一步地，所述喉部截面直径为0.01mm—2mm。

进一步地，所述水雾平均颗粒尺度优选为10μm。

进一步地，所述水流接头具有多个，所述水流接头沿所述雾化腔 1的长度方向间隔设置。

进一步地，所述文丘里喷嘴组件由多个孔形临界文丘里喷嘴构成，所述临界文丘里喷嘴之间的中心距a优选为3-5mm，通过多个喷嘴组成阵列来形成幕平面。

进一步地，所述临界文丘里喷嘴具有临界压力P₀，所述中高压气源的压力P_gas大于所述临界压力P₀。

本发明相比现有技术具有以下的有益技术效果：

(1)运行特性和维护性更佳，运行原理完全不同于传统的雾屏装置。

(2)装置内无需电器类设备，具有较高寿命和可靠性。

(3)气流初速较快，可达1马赫，抗干扰能力强，尤其适用于户外以及大型雾屏。

(4)文丘里喷嘴组件的接头输入高压空气、高压水蒸气和水雾液滴混合物，喷嘴的喉部负责加速气流至音速，并撕裂过大的液体颗粒；并利用文丘里喷嘴可在绝热膨胀过程生成新的液滴。这样，喷嘴可控制液体尺寸分布。文丘里喷嘴的绝热膨胀过程还能对所有液滴进行冷却以增加液滴寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明雾化屏幕装置的原理示意图；

图2是本发明雾化屏幕装置的结构示意图；

图3是本发明的雾化屏幕装置的三维结构示意图；

图4是本发明的文丘里喷嘴组件的喷孔分布示意图。

图5是本发明雾化屏幕装置的结构示意图；

图6是本发明的具有缓冲稳压腔的雾化装置示意图；

图7是本发明的缓冲稳压腔结构示意图；

图8是本发明的进气均分腔结构示意图。

附图标记说明：1.雾化腔，1-1.进气孔，2.中高压水流接头，3. 压力雾化喷嘴，4.气流水雾加速区，5.文丘里喷嘴组件，51.喷嘴面， 52.临界文丘里喷嘴，6.排水装置，6-1.排水接头，6-2.排水腔，7. 进气装置，7-1.进气接头，7-2.进气腔，8.缓冲稳压腔，8-1.稳压腔出气槽，8-2.进气均分栓。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使发明的目的、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。

本发明的雾化屏幕装置的原理如图1所示，在雾化腔1的上方设置有压力雾化喷嘴3，中高压水流接头2连接有压力雾化喷嘴3，在雾化腔1的一侧设置有中高压气流接头7，在雾化腔1的另一侧设置有临界文丘里喷嘴5，水从中高压水流接头2流入并经压力雾化喷嘴3制成水雾，通过中高压气流在气流水雾加速区4完成混合/蒸发过程，形成的水雾经由临界文丘里喷嘴5调整后排出，作为投影显示的载体，其中，一部分水会凝结在雾化腔1的内壁，直接变成副产物积水，沉积于腔体下方，并通过排水装置6排出。

具体的，如图2-3所示，包括雾化腔1、中高压水流接头2、压力雾化喷嘴3、文丘里喷嘴组件5和排水装置6，雾化腔1为柱体状，文丘里喷嘴组件5包括多个临界文丘里喷嘴52，多个临界文丘里喷嘴52设置在文丘里喷嘴组件5的喷嘴面51上，在每个临界文丘里喷嘴52的进气截面、喉部截面和出口截面均为圆形，雾化装置具有进气装置7、中高压水流接头2和压力雾化喷嘴3，进气装置8连接中高压气源、中高压水流接头2连接中高压水源，中高压水源的压力 P_water大于中高压气源的压力P_gas，中高压水流接头2设置在雾化腔1 的上部，排水装置6设置在雾化腔1的底部，排水装置6包括排水腔6-2，在排水腔6-2的底部设置有排水接头6-1；

如图5所示，进气装置7和文丘里喷嘴组件5设置在雾化腔1的侧边，压力雾化喷嘴3设置在雾化腔1的内部，压力雾化喷嘴3与中高压水流接头2连接；其中，雾化腔1的侧边沿轴向设置有多个进气孔1-1，进气装置7包括进气腔7-2和进气接头7-1，安装时，进气腔7-2与雾化腔1的进气孔1-1对接。

其中，临界文丘里喷嘴52喷出的水雾颗粒尺度范围为0.8μm≤ R≤100μm。其中，雾化腔1为圆柱体状，制造工艺简单，气体混合效果好。需要注意的是，在水流或气流的供应管路中，由于减压稳压阀一类装置可能带来额外的故障点，应当不用或少用，如要使用，也尽量靠近气源水源处。

选择临界文丘里喷嘴是因为其喷出的液滴相比于其他类型的喷口，如直筒型喷口等，在尺寸分布、速度分布和空间分布都更加均匀，因此非常适合形成雾化屏幕。临界文丘里喷嘴52可将混合气雾加速至音速，较小的喉部尺寸显著提高边界层气流分离和湍流以产生较大的局部剪切力，以撕碎较大液滴。进一步，还利用临界文丘里喷嘴在绝热膨胀阶段的制冷效果产生水雾液滴，并增加水雾液滴的存活时间。

临界文丘里喷嘴52的进气截面、喉部截面和出口截面均为圆形。其中喉部截面直径为最关键尺寸，其他尺寸可由喉部尺寸导出。喉部截面直径主要取决于所需液滴颗粒的尺寸。液滴尺寸与所需应用场景部分相关：当输运距离较小，即屏幕较小时液滴应较小；当输运距离较远，即屏幕较大时液滴应较大，本发明中喉部截面直径取值在0.01mm-2mm。

另外，为保证民用设施施工、运转和维护的成本和可靠性，供气供水装置设计最高采用中压管道，即1.6<P≤10MPa，气路和水路不能有数量级大小的压降。

而为保证临界文丘里喷嘴52具有较为显著的致冷效应，其背压至少在5MP以上。

如图6-8所示，而为保证各个临界文丘里喷嘴52的出气量较为均匀，混合腔内沿长轴方向气压波动应小于20％，优选应小于5％，为此，还设置有缓冲稳压腔8，缓冲稳压腔8的侧边设置有稳压腔出气槽8-1，缓冲稳压腔8通过稳压腔出气槽8-1安装在进气装置7外侧，缓冲稳压腔8内设置有进气均分栓8-2，进气均分栓8-2的一端与气源连接，在进气均分栓8-2沿轴向上设置有长条形孔，孔的长度贯穿整个进气均分栓侧面，截面积与进气管道大体相同，使得气体沿长轴较为均匀的进入缓冲稳压腔8，再进一步缓冲稳压后通过沿长轴排布的多管道进入进气装置7，而后进入雾化腔1，主要是保证送至各个文丘里喷嘴的背压较为一致，从而出气量较为均匀。优选的，缓冲稳压腔8可直接设置在雾化腔1的外侧，即不通过进气装置7直接与雾化腔1相连。

缓冲稳压腔8的截面面积计算公式为：S>Q/V，其中，S是截面积；Q是流量；V是流速，具体可采用0.1m/s。

如图4所示，文丘里喷嘴组件5由多个孔形临界文丘里喷嘴52 构成，文丘里喷嘴组件5喷出的气体大体为中心对称气柱，需要多个喷嘴52组成阵列来形成幕平面，在X方向，当选用直径较小的文丘里喷嘴时，其流量也同步较小，可在垂直于幕布的方向叠加多层喷嘴52以提高流量，在Y方向。考虑其中心对称的特性，喷嘴52排布推荐优先采用三角密堆结构，也可采用矩形阵列的排布方式，其中，喷嘴52之间的中心距a值优选为3-5mm，与喉部截面直径部分相关。临界文丘里喷嘴52之间的中心距a优选为3-5mm。

进一步地，进气装置7连接中高压气源，中高压水流接头2连接中高压水源，装置只需输入中高压的水流和中高压的气流即可实现水的雾化，其中，中高压水源的压力P_water要大于中高压气源的压力P_gas。

上述的压力雾化喷嘴3是一种纯由进出口压力差驱动的被动器件，无需电器类设备，具有较高寿命和可靠性。此处压力雾化喷嘴加载驱动压力近似理解为ΔP＝P_water-P_gas。

对于雾化腔1的尺寸设计，由于压力雾化喷嘴3产生的水雾颗粒需要与高压气体混合，如果水雾颗粒触碰到腔室壁，这一部分水雾颗粒将成为副产物的水，因此，要避免水雾凝结成水，要提高气雾混合效率，因此，该压力雾化喷嘴3应追求颗粒小，初速低，这样能够降低雾化腔室的尺寸。

如图1、2，高压雾化喷觜3产生的水雾颗粒与高压气体在雾化腔1内混合，形成均匀的气溶胶状态，压力雾化喷嘴3产生的水雾颗粒具有分布较为离散的初速和方向，需要以气流输运以便形成所需的初速和方向分布，因此，水雾颗粒生成后会在一处腔室中与压力为P_gas的中高压慢速气流完成混合/蒸发过程。压力雾化喷嘴3产生的水雾颗粒尺度也存在一定的分布区间，最大和最小的颗粒尺寸差常在数倍到数十倍之间。其中尺度较大的颗粒，主要过程为物理分散与混合过程，形成尽可能均匀的气溶胶状态。

而尺度较小的颗粒在输运过程中会存在较为明显的蒸发过程，类似空气加湿。部分水雾颗粒也可能与腔体壁碰撞，或者相互碰撞迅速增大，直接变成副产物积水，沉积于腔体下方，并经排水装置6排出；为确保凝结水不会累积到文丘里喷嘴组件5的接头高度，需要在腔体最低点给予排水出口，考虑到腔体内部本身带有较高压力，水会自然沿出口管道排出。采用限流手段控制排出总量，以恰好能有少量气体排出为宜，避免大量混合气体由于从排水出口排出而浪费。

具体地，由于雾化屏的最终作用是承接投影成像，因此可从成像科学角度给最终水雾颗粒尺寸定下范围：

水雾颗粒下限：从需要较为均匀散射光线来看，水雾颗粒严禁产生瑞利散射，但可以产生丁达尔散射和漫反射。瑞丽散射条件R<λ /10；丁达尔散射的最佳条件是R≈λ，最好略小于λ；漫反射条件则是较大为佳。因此可以近似认为，水雾颗粒直径满足R≥λ。选取可见光最大波长，则水雾颗粒下限约为0.8μm；

水雾颗粒上限：由于雾屏的重要应用是人可以从中穿过，可见雾屏具有近距使用的需求，因此上限为人眼近距分辨极限，约为100μ m。

在同样的外部条件下，水雾颗粒较小，则其在气流中的加速性能较好，同时在同样的散射效率下可以使用更少的水；水雾颗粒较大，则其蒸发时间更长，具有更长的寿命，更能保障雾屏具有均匀稳定的散射效率。

综上，临界文丘里喷嘴喷出的水雾颗粒尺度范围为0.8μm≤R≤ 100μm，优选水雾颗粒平均尺度为10μm。

进一步地，具有多个中高压水流接头2，中高压水流接头2沿雾化腔1的长度方向间隔设置。

进一步地，文丘里喷嘴组件5作为终端输出方式，文丘里喷嘴组件5纯由进出口压力差驱动的被动器件，无需电器类设备，具有较高寿命和可靠性。文丘里喷嘴组件5为线形喷嘴或多个孔形喷嘴构成。

具体的，气溶胶态的高湿高压空气经过文丘里喷嘴组件时发生如下变化：

a：混合气在喷嘴喉部被加速到当地音速，即1马赫；气流流量自然稳定；气流速度分布和方向分布沿喷嘴轴向高度集中稳定；

b:混合气通过文丘里喷嘴组件5的喉部后立刻沿喷射面方向绝热膨胀，混合气体温度迅速降低；同时混合气沿轴向方向速度损失较小，喷嘴出口气压约为进口压力的80％～95％。

c:最大的水雾颗粒在喉部之前被进一步撕碎，水雾颗粒的尺寸分布被压窄；

d:喉部之后随着温度下降，混合气逐步变为冰、水、气混合物；同时水的饱和蒸汽压随温度的降低而降低，析出的水分以既有的水雾 /冰颗粒为核心凝结；

e:低温的水雾/冰颗粒更加能够抵抗蒸发过程，同时初速较高，因而能够随着高速气流输运到较远的距离。

另外，文丘里喷嘴组件5的设计可以完全确定最终气流初速和形态，并且是最终水雾颗粒尺寸的最重要因素。文丘里喷嘴组件5具有临界压力P₀，其中，中高压气源的压力P_gas须大于临界压力P₀。

具体的，还需确定最终气流初速，最终气流初速主要取决于目标输送距离，因为对暂不考虑蒸发的微纳颗粒来讲，气流的输送距离基本等于颗粒的输送距离。最终气流初速的选择也与多种条件相关，例如水雾颗粒寿命以及是否使用辅助塑型气流等。

本发明的雾化屏运行原理完全不同于传统的雾屏装置，运行特性和维护性更佳；装置内无需电器类设备，具有较高寿命和可靠性高的特点，同时出口气流抗干扰能力强，尤其适用于户外以及大型雾屏。解决了现有技术中水雾输送距离有限、成像质量不高、故障率较高、抗干扰能力弱的问题，有效提高了雾化屏的观看效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种雾化屏幕装置，其特征在于，包括雾化腔(1)、水流接头(2)、压力雾化喷嘴(3)、文丘里喷嘴组件(5)、排水装置(6)和进气装置(7)，所述雾化腔(1)为柱体状，所述文丘里喷嘴组件(5)包括多个临界文丘里喷嘴(52)，每个所述临界文丘里喷嘴(52)的进气截面、喉部截面和出口截面均为圆形，所述进气装置(7)连接中高压气源、所述水流接头(2)连接中高压水源，所述中高压水源的压力P_water大于所述中高压气源的压力P_gas，所述水流接头(2)设置在所述雾化腔(1)的外侧，所述排水装置(6)设置在雾化腔(1)的底部，所述进气装置(7)和所述文丘里喷嘴组件(5)设置在所述雾化腔(1)的侧边，所述压力雾化喷嘴(3)设置在所述雾化腔(1)的内部，所述压力雾化喷嘴(3)与所述水流接头(2)连接，所述临界文丘里喷嘴(52)喷出的水雾颗粒尺度范围为0.8μm≤R≤100μm。

2.根据权利要求1所述的雾化屏幕装置，其特征在于，还具有缓冲稳压腔(8)，所述缓冲稳压腔(8)安装在所述进气装置(7)外侧，所述缓冲稳压腔(8)内设置有进气均分栓(8-2)，所述进气均分栓(8-2)沿轴向设置有长条形孔。

3.根据权利要求2所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述缓冲稳压腔截面面积计算公式为：S>Q/V，其中，S是截面积；Q是流量；V是流速，其中V＝0.1m/s。

4.根据权利要求1所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述压力雾化喷嘴(3)产生的水雾颗粒与高压气体在所述雾化腔(1)内混合，形成均匀的气溶胶状态。

5.根据权利要求2所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述喉部截面直径为0.01mm-2mm。

6.根据权利要求1所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述水雾平均颗粒尺度优选为10μm。

7.根据权利要求2-4之一所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述水流接头(2)具有多个，所述水流接头(2)沿所述雾化腔(1)的长度方向间隔设置。

8.根据权利要求2-4之一所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述文丘里喷嘴组件(5)由多个孔形临界文丘里喷嘴(52)构成，当采用三角密堆排布时，所述临界文丘里喷嘴(52)之间的中心距a优选为3-5mm。

9.根据权利要求8所述的雾化屏幕装置，其特征在于，所述临界文丘里喷嘴(52)具有临界压力P₀，所述中高压气源的压力P_gas大于所述临界压力P₀。

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