CN112916288A - 一种压电式单分散连续液滴发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体力学领域，并具体公开了一种压电式单分散连续液滴发生器，其包括储液罐、喷头、压电陶瓷、加电环和偏转电场，其中：所述储液罐用于为所述喷头供液；所述压电陶瓷设置在所述喷头上方，该压电陶瓷用于对喷头内液体进行扰动，使喷头产生均匀的单分散液滴；所述加电环设置在所述喷头下方，该加电环用于使从喷头流出的部分液滴带电；所述偏转电场设置在所述加电环下方，该偏转电场用于使带电液滴发生偏转。本发明通过压电陶瓷对液体施加外部扰动，使液体射流的规律分裂，形成均匀的单分散液滴流，同时配合设置加电环和偏转电场，可使液滴部分带电并产生偏转，从而降低液滴在液滴串中的数量密度，进而实现对液滴间距的调节。

Description

一种压电式单分散连续液滴发生器
技术领域
本发明属于流体力学领域，更具体地，涉及一种压电式单分散连续液滴发生器。
背景技术
微流体技术在液滴的制备上具有可控性强、制备出的液滴尺寸均一等巨大优势，因而成为制备液滴的重要方法，微流体技术制备液滴主要依赖于液滴发生器实现。单分散液滴在食品、制药、化妆品和其他化学工业中有着广泛的应用。
单分散液滴发生器的工作原理是基于Plateau-Rayleigh不稳定性，液体射流喷射出小孔之后，会由于Plateau-Rayleigh不稳定性断裂为液滴，但这样的液滴流是不均匀的，也难以对液滴间距进行调节，故亟需一种可形成稳定、均匀单分散液滴流的液滴发生器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压电式单分散连续液滴发生器，其目的在于，通过压电陶瓷对液体施加外部扰动，使液体射流的规律分裂，形成均匀的单分散液滴流，同时配合设置加电环和偏转电场，可使液滴部分带电并产生偏转，从而降低液滴在液滴串中的数量密度，进而实现对液滴间距的调节。
为实现上述目的，本发明提出了一种压电式单分散连续液滴发生器，包括储液罐、喷头、压电陶瓷、加电环和偏转电场，其中：
所述储液罐用于为所述喷头供液；所述压电陶瓷设置在所述喷头上方，该压电陶瓷用于对喷头内液体进行扰动，使喷头产生均匀的单分散液滴；所述加电环设置在所述喷头下方，该加电环用于使从喷头流出的部分液滴带电；所述偏转电场设置在所述加电环下方，该偏转电场用于使带电液滴发生偏转。
作为进一步优选的，所述喷头下端出液处针孔的直径为0.025mm～1mm。
作为进一步优选的，还包括第一方波发生器和第二方波发生器，所述第一方波发生器用于为所述压电陶瓷提供电信号，所述第二方波发生器用于为所述加电环提供电信号。
作为进一步优选的，所述第一方波发生器产生方波的频率为3kHz～120kHz。
作为进一步优选的，所述第一方波发生器的输出电压不小于5V，所述第二方波发生器的输出电压不小于300V。
作为进一步优选的，所述喷头产生液滴的初始速度为6m/s～20m/s。
作为进一步优选的，还包括压缩空气源，该压缩空气源用于为储液罐提供压力，且压缩空气源与储液罐连通处安装有压力调节器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过压电陶瓷对液体施加外部扰动，使液体射流的规律分裂，形成均匀的单分散液滴流，同时配合设置加电环和偏转电场，可使液滴部分带电并产生偏转，从而降低液滴在液滴串中的数量密度，进而实现对液滴间距的调节。
2.由于针孔直径决定液体射流的初始直径，并影响液滴直径，本发明中针孔直径为0.025mm～1mm，一方面液滴直径的最小值受到液体雾化和液体内杂质的限制，液柱初始直径越小，液体雾化越容易发生，同时出口针孔也越容易被堵塞，0.025mm是比较实用的最小值；另一方面针孔直径的最大值由最大可能液滴直径限制，水滴表面张力与液滴自身重力平衡时的直径为2.5mm左右，为了避免重力对液滴形状产生影响，液滴直径必须明显小于此直径，由于本发明的液滴直径大约为液柱初始直径的两倍，实用的真空最大直径为1mm。
3.本发明设置第一方波发生器方波的频率为3kHz～120kHz，一方面，扰动波长高于初始液柱周长，液柱才会均匀分离成单分散液滴，因此设置方波的频率最大值为120kHz；另一方面，在实际使用中，由于环境的扰动，如液柱周围气流、储液罐入口压力波动等，方波的频率最小值为3kHz，在此值之下，环境扰动的影响超过了方波信号，会使得液柱不规则断裂，形成直径不统一的液滴串。
4.本发明液滴的初始速度为6m/s～20m/s，这是由于为保证液柱稳定，不受空气压力波动的影响，液柱初始流速不能太低；同时为了避免发生液体雾化，即液柱流速过高时，液柱在空气阻力的作用下分散成小液滴，流速也不能过高。
附图说明
图1为本发明实施例压电式单分散连续液滴发生器结构示意图；
图2为本发明实施例未加偏转电场时的液滴效果图；
图3为本发明实施例不同液滴初始速度下频率与液滴直径示意图；
图4为本发明实施例第一方波发生器和第二方波发生器电信号不同相位差时液滴分布情况示意图，其中，(a)～(j)分别是相位差为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％时的液滴分布情况示意图；
图5为本发明实施例第一方波发生器和第二方波发生器电信号示意图；
图6为图5电信号情况下的液滴分布情况示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-压缩空气源，2-压力调节器，3-储液罐，4-压电陶瓷，5-针孔，6-喷头，7-加电环，8-偏转电场，9-第一方波发生器，10-第二方波发生器，11-高压电源。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种压电式单分散连续液滴发生器，如图1所示，包括储液罐3、喷头6、压电陶瓷4、加电环7和偏转电场8，其中：
所述储液罐3用于为所述喷头6供液，具体的，通过压缩空气源1为储液罐3提供压力，且压缩空气源1与储液罐3连通处安装有压力调节器2，通过该压力调节器2对储液罐3压力进行调节，储液罐3压力决定了液体流量，也会影响液滴速度。
所述压电陶瓷4设置在所述喷头6上方，该压电陶瓷4用于对喷头6内液体施加外部扰动，使喷头6产生均匀的单分散液滴；具体的，通过第一方波发生器9为所述压电陶瓷4提供电信号，每一个方波信号对应产生一个液滴，如图2所示，是在未加后续偏转电场的情况下产生的液滴效果；通过调节储水罐压力，液滴实现不同的初始速度，对于一定的流速，可通过调节外部扰动的频率实现调节液滴直径的功能，如图3所示。
进一步的，所述喷头6下端出液处针孔5可决定液体射流的初始直径，并影响液滴直径，该针孔5的直径为0.025mm～1mm；所述第一方波发生器9的输出电压不小于5V，且第一方波发生器9产生方波的频率为3kHz～120kHz，以使液柱才会均匀分离成单分散液滴，且液滴串的直径统一；所述喷头6产生液滴的初始速度为6m/s～20m/s，液滴直径在60到260微米之间，液滴频率在120kHz以下任意调节。
所述加电环7和偏转电场8配合用于使液滴静电偏转，可以降低液滴在液滴串中的数量密度，用以获得更大的液滴间距；所述加电环7设置在所述喷头6下方，该加电环7用于使从喷头6流出的部分液滴带电，通过第二方波发生器10用于为所述加电环7提供电信号；所述偏转电场8设置在所述加电环7下方，该偏转电场8由高压电源11产生，其为恒定电场，带电荷液滴在向下运动过程中被静电场偏转，不带电荷液滴的运动轨迹则不受电场影响；此外，第一方波发生器9和第二方波发生器10电信号同步，使得液滴有规律带电。
具体的，喷头6下方的加电环7带正电时，在电场作用下，初始液柱带负电；在液滴分离之前，液体整体电中和，也就是说储液罐3内液体带正电；当液滴分离时，由于电场不均匀，且在液柱处得到强化，使液滴带负电荷，储液罐3与电路接地相连，使得正电荷流向接地端。同时，加电环7由第二方波发生器10的方波信号控制，电压越高，带电量越大，同时电压越高，对电子器件要求也越高，300V是能产生明显带电效果的最低实用电压，故第二方波发生器10的输出电压不小于300V。
本发明的压电式单分散连续液滴发生器具有廉价和便捷的几何设计。TSI的压电陶瓷使用25V激励信号，对方波发生器要求更高，而且其压电陶瓷也更贵；而基于本发生器原理并无这些特殊要求，本发明采用了更廉价的设计。TSI的喷头也只有固定的形状，而本发明采用3D打印制备喷头，可以任意改变其几何外形，适用具体安装需求。
为使本发明压电式单分散连续液滴发生器的工作方式更加清楚，以下通过具体实施例进行进一步说明。
采用第一方波发生器9输出电压5V，第二方波发生器10输出电压300V，高压电源11输出电压5kV。使5V液滴发生信号和300V带电信号同步，才能使得液滴有规律带电，如图4所示，为5V电信号和300V电信号两者之间的相位差对于液滴带电的影响。由于液滴总是在5V电信号的0相位从初始液柱分离，300V电信号也应与此相位配合。通过调整300V电信号的高电平与低电平的时间，可以获得不同密度的液滴串。比如，使加电环有3个5V电信号周期带电，1个5V电信号周期不带电，如图5所示，可使1/4的液滴不带电，沿初始速度方向下落，另外3/4的液滴带电，向左偏转，进而使得液滴密度降至原液滴串的1/4，液滴偏转情况如图6所示，右侧一个液滴不带电，左侧两个液滴带电向左偏转。
本领域的技术人员容易理解，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 (7)

1.一种压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，包括储液罐(3)、喷头(6)、压电陶瓷(4)、加电环(7)和偏转电场(8)，其中：
所述储液罐(3)用于为所述喷头(6)供液；所述压电陶瓷(4)设置在所述喷头(6)上方，该压电陶瓷(4)用于对喷头(6)内液体进行扰动，使喷头(6)产生均匀的单分散液滴；所述加电环(7)设置在所述喷头(6)下方，该加电环(7)用于使从喷头(6)流出的部分液滴带电；所述偏转电场(8)设置在所述加电环(7)下方，该偏转电场(8)用于使带电液滴发生偏转。
2.如权利要求1所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，所述喷头(6)下端出液处针孔(5)的直径为0.025mm～1mm。
3.如权利要求1所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，还包括第一方波发生器(9)和第二方波发生器(10)，所述第一方波发生器(9)用于为所述压电陶瓷(4)提供电信号，所述第二方波发生器(10)用于为所述加电环(7)提供电信号。
4.如权利要求3所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，所述第一方波发生器(9)产生方波的频率为3kHz～120kHz。
5.如权利要求3所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，所述第一方波发生器(9)的输出电压不小于5V，所述第二方波发生器(10)的输出电压不小于300V。
6.如权利要求1所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，所述喷头(6)产生液滴的初始速度为6m/s～20m/s。
7.如权利要求1-6任一项所述的压电式单分散连续液滴发生器，其特征在于，还包括压缩空气源(1)，该压缩空气源(1)用于为储液罐(3)提供压力，且压缩空气源(1)与储液罐(3)连通处安装有压力调节器(2)。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113499927A (zh) * 2021-06-24 2021-10-15 浙江大学 一种粒径可调的液滴发生系统
CN114749219A (zh) * 2022-03-30 2022-07-15 北京航空航天大学 集成压电式均匀液滴发生器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102210997A (zh) * 2010-04-08 2011-10-12 内蒙古科技大学 单颗粒高速液滴发生装置
WO2016087752A1 (fr) * 2014-12-05 2016-06-09 Areco Finances Et Technologie - Arfitec Dispositif de pulvérisation compact
CN107962770A (zh) * 2017-12-18 2018-04-27 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于库尔特原理的生物3d打印系统
CN110587884A (zh) * 2019-09-30 2019-12-20 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 调整机构、打印头模组及喷墨打印装置
CN111437897A (zh) * 2020-05-21 2020-07-24 浙江大学 一种双流式单分散液滴流发生方法与装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102210997A (zh) * 2010-04-08 2011-10-12 内蒙古科技大学 单颗粒高速液滴发生装置
WO2016087752A1 (fr) * 2014-12-05 2016-06-09 Areco Finances Et Technologie - Arfitec Dispositif de pulvérisation compact
CN107962770A (zh) * 2017-12-18 2018-04-27 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于库尔特原理的生物3d打印系统
CN110587884A (zh) * 2019-09-30 2019-12-20 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 调整机构、打印头模组及喷墨打印装置
CN111437897A (zh) * 2020-05-21 2020-07-24 浙江大学 一种双流式单分散液滴流发生方法与装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113499927A (zh) * 2021-06-24 2021-10-15 浙江大学 一种粒径可调的液滴发生系统
CN114749219A (zh) * 2022-03-30 2022-07-15 北京航空航天大学 集成压电式均匀液滴发生器

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