CN114345234B - 一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法，涉及液体微粒化及液滴制造技术领域，包括电磁铁、固定块、永磁铁、盖板、壳体、液体管和毛细管，盖板固定于壳体的上部，固定块固定于盖板的上部，电磁铁固定于固定块的上部，固定块中设置有竖向空腔，竖向空腔贯穿固定块的底面，竖向空腔侧面的顶部和底部均设置有若干个径向贯通孔，永磁铁滑动安装于竖向空腔中；液体管设置于壳体的侧壁上且与壳体的内部连通，毛细管由壳体底面的中部伸至壳体的顶部，盖板的下表面设置有环形槽，盖板的下表面的中部为球形凹面，球形凹面与毛细管的顶端之间存在空隙。该液滴发生器及其工作方法，结构简单，便于调节产生液滴的尺寸、速度、温度以及频率。

Description

一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法

技术领域

本发明涉及液体微粒化及液滴制造技术领域，特别是涉及一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法。

背景技术

液滴广泛存在于各种工业应用中，如增材制造、生物3D打印、喷墨打印、燃油雾化以及高端芯片的光刻机中。能够可靠产生所需速度和大小液滴的液滴发生器，将有助于各个相关领域的研究和发展。现有的液滴发生器的工作方式，大多基于气体冲击、压电陶瓷作用、热发泡技术以及机械挤压作用产生液滴，以上液滴发生器存在结构复杂，以及液滴的大小及速度不便于调节的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法，结构简单，便于调节产生液滴的尺寸、速度、温度以及频率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于水锤效应的液滴发生器，包括电磁铁、固定块、永磁铁、盖板、壳体、液体管和毛细管，所述壳体为上端敞口结构，所述盖板固定于所述壳体的上部，所述固定块固定于所述盖板的上部，所述电磁铁固定于所述固定块的上部，所述固定块中设置有竖向空腔，所述竖向空腔贯穿所述固定块的底面，所述竖向空腔侧面的顶部和底部均设置有若干个径向贯通孔，各所述径向贯通孔的一端与所述竖向空腔连通，各所述径向贯通孔的另一端贯穿所述固定块的侧壁，所述永磁铁滑动安装于所述竖向空腔中；所述液体管设置于所述壳体的侧壁上且与所述壳体的内部连通，所述毛细管由所述壳体底面的中部伸至所述壳体的顶部，所述盖板的下表面设置有环形槽，所述盖板的下表面的中部为球形凹面，所述球形凹面与所述毛细管的顶端之间存在空隙。

优选地，所述毛细管的中心轴线与所述球形凹面的中心位置相对应。

优选地，所述固定块的顶面中部设置有凹槽，所述电磁铁固定于所述凹槽中。

优选地，所述电磁铁和所述永磁铁均为圆柱状结构，所述竖向空腔为圆柱空腔，所述竖向空腔的直径大于所述永磁铁的直径。

优选地，所述电磁铁的直径为20mm，所述永磁铁的直径为5mm且高度为10mm。

优选地，所述毛细管的内径为1～5mm。

优选地，所述液体管为圆管。

本发明还提供一种基于水锤效应的液滴发生器的工作方法，包括以下步骤：

步骤一、通过所述液体管将液体输入至所述壳体中，使得液体填满所述毛细管的上部空间，并完全润湿所述球形凹面，并在所述环形槽中留存空气；

步骤二、调整所述毛细管中的气液交界面，使得所述毛细管中的气液交界面靠近所述球形凹面；

步骤三、通过信号发生器以及功率放大器对所述电磁铁提供脉冲电压电流，使得所述电磁铁产生瞬态磁场，作用于所述永磁铁，所述永磁铁受磁场力冲击所述盖板，所述盖板的所述球形凹面使冲击能量集中于所述毛细管中的气液交界面，迫使液体在所述气液交界面产生单个液滴，并沿所述毛细管飞出。

优选地，在步骤二中，通过所述液体管抽出所述壳体中的液体使得毛细管中的气液交界面上升，使得所述毛细管中的气液交界面靠近所述球形凹面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法，包括电磁铁、固定块、永磁铁、盖板、壳体、液体管和毛细管，使用简单的结构，通过简单可重复性高的简单机械运动和合理的结构设计，利用能量聚集效应，在气液交界面聚集冲击能量，使得液体破碎进而产生液滴，且产生液滴的机理简单，可重复性高。通过调节毛细管中的气液交界面与盖板的球形凹面之间的距离，能够改变产生的液滴的速度；通过改变毛细管尺寸能够改变产生液滴的大小；通过改变电磁铁的供给电压电流频率和幅值，能够改变冲击力的频率和大小，从而改变液滴的产生频率和产生的液滴的速度；通过改变壳体内的液体温度能够改变产生液滴的初始温度，可见，产生的液滴尺寸、速度、温度以及频率都可以通过相关设置和设计进行调节，可以满足诸多研究领域的相关研究需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明提供的基于水锤效应的液滴发生器的剖视图；

图2为图1中A处的局部放大图。

附图标记说明：100、基于水锤效应的液滴发生器；1、电磁铁；2、固定块；3、永磁铁；4、盖板；5、环形槽；6、液体管；7、壳体；8、毛细管；9、球形凹面；10、气液交界面；11、竖向空腔；12、径向贯通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法，结构简单，便于调节产生液滴的尺寸、速度、温度以及频率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于水锤效应的液滴发生器100，包括电磁铁1、固定块2、永磁铁3、盖板4、壳体7、液体管6和毛细管8，壳体7为上端敞口结构，盖板4固定于壳体7的上部，固定块2固定于盖板4的上部，电磁铁1固定于固定块2的上部，固定块2中设置有竖向空腔11，竖向空腔11贯穿固定块2的底面，竖向空腔11的底部与盖板4相接触，竖向空腔11不贯穿固定块2的顶面，即竖向空腔11的顶部与固定块2的顶面间隔一定的距离；竖向空腔11侧面的顶部和底部均设置有若干个径向贯通孔12，各径向贯通孔12的一端与竖向空腔11连通，各径向贯通孔12的另一端贯穿固定块2的侧壁，本实施例中径向贯通孔12的轴向方向与竖向空腔11的轴向方向相垂直，且本实施例中竖向空腔11侧面的顶部和底部均设置有两个径向贯通孔12；永磁铁3滑动安装于竖向空腔11中，永磁铁3被困在盖板4以及固定块2围成的竖向空腔11中，永磁铁3用于撞击盖板4，通过设置径向贯通孔12使得永磁铁3在竖向空腔11中往复运动时避免受到气体的阻力，进而使得永磁铁3运动地更加顺畅；液体管6设置于壳体7的侧壁上且与壳体7的内部连通，液体管6作为液体进口或液体出口，壳体7用于容纳液体，毛细管8由壳体7底面的中部伸至壳体7的顶部，具体地，在工作过程中液体管6和毛细管8均固定于壳体7上。盖板4的下表面设置有环形槽5，盖板4的下表面的中部为球形凹面9，环形槽5位于球形凹面9的周边，球形凹面9与毛细管8的顶端之间存在空隙，通过设置球形凹面9能够聚集冲击能量作用于气液交界面10，毛细管8作为液滴产生后飞出通道。该液滴发生器的主要原理为水锤效应，也就是当外界对液体容器产生冲击，通过装置结构的合理设计可将冲击能量聚集于液体容器中出口的气液交界面10，引发液面不稳定，使得气液交界面10的液体破碎，产生液滴。

于本具体实施例中，毛细管8的中心轴线与球形凹面9的中心位置相对应。

具体地，固定块2的顶面中部设置有凹槽，电磁铁1固定于凹槽中，进而使得电磁铁1安装得更加稳定。

具体地，电磁铁1和永磁铁3均为圆柱状结构，竖向空腔11为圆柱空腔，竖向空腔11的直径大于永磁铁3的直径。

于本具体实施例中，电磁铁1的直径为20mm，永磁铁3的直径为5mm且高度为10mm，永磁铁3受电磁铁1产生磁场作用后的运动距离为5mm。

于本具体实施例中，毛细管8的内径为1～5mm。

于本具体实施例中，液体管6为圆管。

本实施例中产生液滴的大小为100μm至1mm之间，液滴初始速度为1m/s至20m/s，液滴产生频率可以从1Hz连续变化到100Hz，所使用的液体可以从最常见的水、乙醇到任何一种不含表面活性剂的液体。

本实施例还提供一种基于水锤效应的液滴发生器100的工作方法，包括以下步骤：

步骤一、通过液体管6将液体输入至壳体7中，填充壳体7与盖板4之间的腔体中的绝大部分空间，使得液体填满毛细管8的上部空间，毛细管8的下部空间为空气，并完全润湿球形凹面9，即液体完全润湿盖板4的球形凹面9以及毛细管8靠近球形凹面9的部分，并在环形槽5中留存空气，即环形槽5为空气腔；

步骤二、调整毛细管8中的气液交界面10，使得毛细管8中的气液交界面10靠近球形凹面9；

步骤三、通过信号发生器以及功率放大器对电磁铁1提供脉冲电压电流，使得电磁铁1产生瞬态磁场，作用于永磁铁3，永磁铁3受磁场力冲击盖板4，盖板4的球形凹面9使冲击能量集中于毛细管8中的气液交界面10，迫使液体在气液交界面10产生单个液滴，并沿毛细管8飞出。

在步骤二中，通过液体管6抽出壳体7中的液体使得毛细管8中的气液交界面10上升，使得毛细管8中的气液交界面10靠近球形凹面9。具体地，可通过注射器连接于液体管6上向外部抽取液体，使得壳体7中的液体减少，进而实现毛细管8中的气液交界面10上升以更加靠近球形凹面9。

本实施例中使用简单的结构，通过简单可重复性高的简单机械运动和合理的结构设计，利用能量聚集效应，在气液交界面10聚集冲击能量，使得液体破碎进而产生液滴，且产生液滴的机理简单，可重复性高。通过调节毛细管8中的气液交界面10与盖板4的球形凹面9之间的距离，能够改变产生的液滴的速度，具体地，毛细管8中的气液交界面10与盖板4的球形凹面9之间的距离越小，产生的液滴的速度越大。通过改变毛细管8尺寸能够改变产生液滴的大小，具体地，毛细管8的内径越小，产生液滴的尺寸越小；毛细管8的内径越大，产生液滴的尺寸越大。通过改变电磁铁1的供给电压电流频率和幅值，能够改变冲击力的频率和大小，从而改变液滴的产生频率和产生的液滴的速度，具体地，电磁铁1的供给电压电流频率越大，冲击力的频率越大，液滴的产生频率越大；电磁铁1的供给电压电流幅值越大，冲击力越大，产生的液滴的速度越大。通过改变壳体7内的液体温度能够改变产生液滴的初始温度。可见，产生的液滴尺寸、速度、温度以及频率都可以通过相关设置和设计进行调节，可以满足诸多研究领域的相关研究需求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，包括电磁铁、固定块、永磁铁、盖板、壳体、液体管和毛细管，所述壳体为上端敞口结构，所述盖板固定于所述壳体的上部，所述固定块固定于所述盖板的上部，所述电磁铁固定于所述固定块的上部，所述固定块中设置有竖向空腔，所述竖向空腔贯穿所述固定块的底面，所述竖向空腔侧面的顶部和底部均设置有若干个径向贯通孔，各所述径向贯通孔的一端与所述竖向空腔连通，各所述径向贯通孔的另一端贯穿所述固定块的侧壁，所述永磁铁滑动安装于所述竖向空腔中；所述液体管设置于所述壳体的侧壁上且与所述壳体的内部连通，所述毛细管由所述壳体底面的中部伸至所述壳体的顶部，所述盖板的下表面设置有环形槽，所述盖板的下表面的中部为球形凹面，所述球形凹面与所述毛细管的顶端之间存在空隙。

2.根据权利要求1所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述毛细管的中心轴线与所述球形凹面的中心位置相对应。

3.根据权利要求1所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述固定块的顶面中部设置有凹槽，所述电磁铁固定于所述凹槽中。

4.根据权利要求1所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述电磁铁和所述永磁铁均为圆柱状结构，所述竖向空腔为圆柱空腔，所述竖向空腔的直径大于所述永磁铁的直径。

5.根据权利要求4所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述电磁铁的直径为20mm，所述永磁铁的直径为5mm且高度为10mm。

6.根据权利要求1所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述毛细管的内径为1～5mm。

7.根据权利要求1所述的基于水锤效应的液滴发生器，其特征在于，所述液体管为圆管。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的基于水锤效应的液滴发生器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过所述液体管将液体输入至所述壳体中，使得液体填满所述毛细管的上部空间，并完全润湿所述球形凹面，并在所述环形槽中留存空气；

步骤二、调整所述毛细管中的气液交界面，使得所述毛细管中的气液交界面靠近所述球形凹面；

步骤三、通过信号发生器以及功率放大器对所述电磁铁提供脉冲电压电流，使得所述电磁铁产生瞬态磁场，作用于所述永磁铁，所述永磁铁受磁场力冲击所述盖板，所述盖板的所述球形凹面使冲击能量集中于所述毛细管中的气液交界面，迫使液体在所述气液交界面产生单个液滴，并沿所述毛细管飞出。

9.根据权利要求8所述的基于水锤效应的液滴发生器的工作方法，其特征在于，在步骤二中，通过所述液体管抽出所述壳体中的液体使得毛细管中的气液交界面上升，使得所述毛细管中的气液交界面靠近所述球形凹面。

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