CN112588463A - 一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴及其系统，正多边体结构的喷嘴主体，喷嘴主体的一端为喷射端，另一端为注液端；喷射端的端面为附着面，喷射端处相邻喷嘴外壁面之间的棱角是喷嘴尖端；在喷射端的每一个喷嘴外壁面上均沿轴向设有液体明渠，液体明渠的底端延伸至附着面，每个液体明渠的顶端都设有出液口；由注液端向喷嘴主体内部沿轴向设有注液腔；注液腔的底部通过出液口与喷嘴主体外部相连通；所述喷嘴主体连接高压发生器；由于喷嘴尖端电荷密度集中，因此在每个喷嘴尖端产生射流；因此可以增加雾化流量同时可获得单分散性良好、射流区域广的雾化液滴。
Description
技术领域
本发明属于静电雾化领域，特别涉及一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴及其系统。
背景技术
静电雾化技术是一种利用高压电场的静电作用实现液体破碎雾化的方法。具体的原理为带电液体从喷嘴口出流出时，静电剪切应力作用于液体表面，克服液体自身的表面张力和粘滞力，从而促使液体表面不稳定性的增长，使初始液滴变形并破裂出更细小的子液滴。由于静电雾化以较低能耗优势可获得大量粒径细小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴，使其在超低量农药喷洒、微纳米薄膜制备、微型燃烧、微喷雾冷却、药物封装、微动力推进及生物质谱等领域显示了巨大应用价值。目前存在的静电雾化喷嘴，大都运行在锥射流模式下，此模式下喷嘴只能发射一股射流，液滴的大小受到供给流量的严格限制，雾化流量无法进一步提高，难以满足静电雾化多领域实际应用的需求。
当前提高静电雾化流量的方法主要有两种：通过阵列集成单毛细管喷嘴或采用静电雾化的多股射流模式实现流量的成倍增加。前者通过将喷嘴按照线性或者阵列式排列，通过叠加喷嘴数量来提高雾化流量的方法，但这要求较高的激光蚀刻方法和加工成本同时运行过程中相邻喷雾之间相互干扰，会影响整体喷雾的沉积均匀性；多股射流模式可以看作是喷嘴出口处多个单锥射流组合雾化以提高雾化流量，此模式可以在较高的荷电电压下获得。但多股射流模式下单股射流会发生剧烈的摆动难以保持稳定，影响雾化液滴的单分散性，同时雾化电压过高容易发生电晕放电，设备长时期的稳定运行得不到保证。因此，上述提高雾化流量方法的局限性使得静电雾化技术难以获得多领域大规模的推广应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴及其系统，该喷嘴利用电场增强结构产生稳定多股射流，在保持宽稳定电压区间的基础上，大大增加雾化流量同时可获得单分散性良好、射流区域广的雾化液滴。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，包括喷嘴主体，喷嘴主体为正多边体结构，喷嘴主体的一端为喷射端，另一端为注液端；喷射端的端面为附着面，喷射端处相邻喷嘴外壁面之间的棱角是喷嘴尖端；在喷射端的每一个喷嘴外壁面上均沿轴向设有液体明渠，液体明渠的底端延伸至附着面，每个液体明渠的顶端都设有出液口；由注液端向喷嘴主体内部沿轴向设有注液腔；注液腔的底部通过出液口与喷嘴主体外部相连通；所述喷嘴主体连接高压发生器。
进一步，液体明渠沿着喷嘴外壁面轴向的中位线设置。
进一步，液体明渠的横截面形状设计为弧形槽或正多边形槽。
进一步，出液口的横截面形状是圆形或者多边形。
进一步，液体明渠的长度
L0为喷嘴主体的长度。
进一步，所述喷嘴主体采用金属材料或者合金材料。
一种应用电场增强结构的静电雾化系统，包括喷嘴主体，喷嘴主体的注液端通过输液管连接微量注射泵，由微量注射泵向喷嘴主体内泵入待雾化液体；喷嘴主体与高压发生器相连，使得喷嘴主体带电，由于喷嘴尖端电荷密度集中，因此在每个喷嘴尖端产生射流。
进一步，高压发生器的输出端通过导线与喷嘴主体连接，高压发生器的接地端通过导线连接地极。
进一步，在喷嘴主体的正下方设有收集电极，收集电极与喷嘴主体之间高度可为10-80mm，收集电极由金属材料或者合金的导体制成。
本发明的有益效果：
1、本发明为一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，由于喷嘴主体外部为正多边体结构，因此喷射端的底部会有多个棱角，在工作时每个棱角处都形成喷嘴尖端，故尖端结构有利于局部电荷密度的增加，更容易产生多股射流；同时改变喷嘴尖端的位置和数量可引导喷射方向改变与射流数量调整，进而实现雾化区域的精确控制和雾化电压的降低。
2、传统平底毛细管喷嘴在静电雾化的过程中，喷嘴口流出的液体会倒吸贴附在毛细管外壁，受到重力落下后落入弯液面中，导致某个股射流的流量突变，受力失衡，破坏了雾化的稳定，而本申请电场增强结构的静电雾化喷嘴在运行中，待雾化液体是沿着液体明渠有序流动，不会产生流速和流量的突变，有效抑制了喷嘴末端的液面波动和射流的不稳定性。
3、如图8传统平底毛细管喷嘴在管径和流量提升后，静电雾化过程中极易出现弯液面的轴向及径向扰动，导致射流位置转移和射流间隙喷射，而本申请电场增强结构的静电雾化喷嘴的底部封闭形成末端附着面，提升了喷嘴末端对液体的吸附能力，抑制了液面的轴向扰动，使大液锥更容易收缩扁平形成液膜，增强了多股射流的稳定性。
4、传统平底毛细管在荷电多股射流模式下，所有射流会从毛细管针头外端边缘处射出，但毛细管喷嘴管壁薄，小液体锥附着面积小，抵御液面波动和外部扰动的能力弱，造成稳定电压区间很小。而本申请电场增强结构的静电雾化喷嘴下，小液锥可以贴附在末端平面上，贴附面积大幅提高，每股射流的粘附力增加，射流转移得到抑制，稳定电压区间显著提升。
5、本申请电场增强结构的静电雾化喷嘴可在多股射流模式下稳定运行，成倍增加了毛细管供给流量，无需阵列集成毛细管喷嘴，降低加工难度和成本；在稳定多股射流下每股射流产生液滴尺寸小于相同流量下锥射流尺寸数倍，大幅减小雾化液滴的粒径，进而提高雾化质量；射流雾化区域大，角度广。
附图说明
图1是本发明静电雾化喷嘴的结构示意图；
图2为本发明静电雾化喷嘴的俯视图；
图3为本发明的出液口的局部放大图；
图4为本发明的液体明渠的局部放大图；
图5为本发明静电雾化喷嘴仰视图；
图6为本发明的静电雾化系统；
图7为本发明的静电雾化过程示意图；
图8为传统平底喷嘴雾化过程中的液面波动示意图；
图中，1、喷嘴尖端，2、液体明渠，3、出液口，4、喷嘴外壁面，5，喷嘴主体，6、注液口，7、射流，8、注液腔，9、微量注射泵，10、注射器，11、三维升降台，12、高压发生器，13、导线，14、地极，15、收集电极，16、输液管，17、附着面；
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1-4所示，一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，包括喷嘴主体5，喷嘴主体5为正多边体结构，即喷嘴主体5的外壁面是由多个相同的喷嘴外壁面4构成，喷嘴主体5的一端为喷射端，另一端为注液端。在本实施例中，喷嘴主体5的材质是金属材料或者合金的导体，如紫铜，不锈钢。
喷嘴主体5喷射端的端面为附着面17，且喷射端的相邻喷嘴外壁面4之间的棱角是喷嘴尖端1；在喷射端的每一个喷嘴外壁面4上均沿轴向设有液体明渠2，液体明渠2的底端延伸到附着面17，每个液体明渠2的顶端都设有出液口3，出液口3的横截面形状可以是圆形或者多边形；更具体地，液体明渠2是沿着喷嘴外壁面4轴向的中位线设置的，液体明渠2的横截面形状可以设计为沿径向内设计的半圆槽或正多边形槽,如图5所示的液体明渠2为三角形槽；同时液体明渠2的长度
L0为喷嘴主体5的长度；
喷嘴主体5注液端的端面为注液口6，由注液口6向喷嘴主体5内部沿轴向设有注液腔8；注液腔8可以是与喷嘴主体5相似的正多边形腔体也可以是圆柱形腔体；且注液腔8与喷嘴主体5同轴设置。注液腔8的底部通过出液口3与喷嘴主体5外部相连通；喷嘴主体5连接高压发生器12，因此喷嘴主体5的喷嘴尖端1处的电荷密度较为集中，故在喷嘴尖端1处会形成射流7。
如图6所示的一种应用电场增强结构的静电雾化系统，包括喷嘴主体5，喷嘴主体5的注液端通过输液管16连接微量注射泵9，由微量注射泵9向喷嘴主体5内泵入待雾化液体；喷嘴主体5与高压发生器12相连，使得喷嘴主体5带电，待雾化液体在喷嘴主体5喷射端的棱角产生射流7；高压发生器12的输出端通过导线13与喷嘴主体5连接，接地端通过导线连接地极14；在本实施例中，采用注射器10和微量注射泵9配合；喷嘴主体5安装在三维升降台11上，在喷嘴主体5正下方处10-80mm处设有收集电极15，收集电极15可由金属材料或者合金的导体制成，如紫铜，不锈钢，收集电极15通过导线13连接地极14。
结合本基于电场增强结构的静电雾化喷嘴和图6所示的静电雾化系统的工作过程作进一步说明：
本事实例中，喷嘴主体5为正六边体，故喷嘴主体5有6个喷嘴外壁面4，每个喷嘴外壁面4上设有液体明渠2；将待雾化液体如乙醇作为雾化工质，将乙醇装入注射器10，通过控制三维升降台11使喷嘴主体5位于收集电极15正上方15mm处，调节微量注射泵9流量到30mL/h。待雾化液体就会经输液管16由注液口6进入喷嘴主体5，随后待雾化液体从喷嘴外壁面4的6个出液口3流出，并沿着液体明渠2输配到附着面17后积聚受重力落下，呈现出滴状模式。
开启负高压发生器12并逐渐增加电压，液滴滴落速度随之加快，接着转换到锥射流模式，继续加大电压到12.21kV，大液体锥会逐渐收缩扁平，在电荷密度较为集中的喷嘴尖端1产生射流7，形成稳定六股射流，如图7所示。由于稳定多股模式中液面不发生波动，射流7绝对稳定，故可持续大量获得粒径细小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴。
整个过程，雾化液体沿着液体明渠2有序流动，不产生流速和流量的突变；附着面17有效抑制了液面上下跳动增强液体表面吸附力，大液锥更容易收缩扁平形成液膜，削减了液面波动和射流不稳定性；同时小液锥可以贴附在附着面17上，贴附面积大幅提高增加了每股射流的粘附力抑制了射流转移，从而保证了静电雾化在稳定多股射流模式下运行。
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 (9)
1.一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，包括喷嘴主体(5)，喷嘴主体(5)为正多边体结构，喷嘴主体(5)的一端为喷射端，另一端为注液端；喷射端的端面为附着面(17)，喷射端处相邻喷嘴外壁面(4)之间的棱角是喷嘴尖端(1)；在喷射端的每一个喷嘴外壁面(4)上均沿轴向设有液体明渠(2)，液体明渠(2)的底端延伸至附着面(17)，每个液体明渠(2)的顶端都设有出液口(3)；由注液端向喷嘴主体(5)内部沿轴向设有注液腔(8)；注液腔(8)的底部通过出液口(3)与喷嘴主体(5)外部相连通；所述喷嘴主体(5)连接高压发生器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，液体明渠(2)沿着喷嘴外壁面(4)轴向的中位线设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，液体明渠(2)的横截面形状设计为弧形槽或正多边形槽。
4.根据权利要求1所述的一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，液体明渠(2)的长度
L0为喷嘴主体(5)的长度。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，出液口(3)的横截面形状是圆形或者多边形。
6.根据权利要求5所述的一种基于电场增强结构的静电雾化喷嘴，其特征在于，所述喷嘴主体(5)采用金属材料或者合金材料。
7.一种装有如权利要求6所述基于电场增强结构的静电雾化喷嘴的静电雾化系统，其特征在于，包括喷嘴主体(5)，喷嘴主体(5)的注液端通过输液管(16)连接微量注射泵(9)，由微量注射泵(9)向喷嘴主体(5)内泵入待雾化液体；喷嘴主体(5)与高压发生器(12)相连，使得喷嘴主体(5)带电，由于喷嘴尖端(1)电荷密度集中，因此在每个喷嘴尖端(1)产生射流(7)。
8.根据权利要求7所述的一种应用电场增强结构的静电雾化系统，其特征在于，高压发生器(12)的输出端通过导线(13)与喷嘴主体(5)连接，高压发生器(12)的接地端通过导线(13)连接地极(14)。
9.根据权利要求7所述的一种应用电场增强结构的静电雾化系统，其特征在于，在喷嘴主体(5)的正下方设有收集电极(15)，收集电极(15)与喷嘴主体(5)之间高度可为10-80mm，收集电极(15)由金属材料或者合金的导体制成。
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2020
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