CN116728961A - 液体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在以高速喷射液体的情况下，缩短自我液滴化距离的液体喷射装置。该液体喷射装置(1)具备：喷嘴(27)，其喷射液体(3)；液体输送管(7)，其将液体(3)输送至喷嘴(27)为止；振动生成部(40)，其生成振动，振动生成部(40)与液体(3)、喷嘴(27)以及液体输送管(7)中的至少任意一个相接，在将振动生成部(40)没有生成振动的状态下从喷嘴(27)喷射的液体(3)成为多个液滴(3b)而飞翔并在单位时间内通过规定的位置的液滴(3b)的个数设为自我液滴化频率时，振动生成部(40)所生成的振动的频率大于自我液滴化频率。

Description

液体喷射装置
技术领域
本发明涉及一种液体喷射装置。
背景技术
一直以来，使用有针对对象物体喷出液体的各种各样的液体喷射装置。在这样的液体喷射装置之中，具有在以连续状态喷射的液体成为液滴的被液滴化的状态下使该液滴与对象物体碰撞的液体喷射装置。例如，在专利文献1中，记载了如下内容，即，通过使气体混入到高压加压了的液体中并使该液体从喷嘴喷射，从而在被液滴化了的状态下使该液滴与对象物体碰撞。
但是，在像专利文献1中所记载那样的使被液滴化了的液滴与对象物体碰撞的结构的以往的液体喷射装置中，在以高速来喷射液体的情况下，液滴化距离会变长。由于当液滴化距离变长时，必须加长从喷射部起到对象物体为止的间隔，因此必须较宽广地确保作业空间等，从而使作业性降低。
专利文献1：日本特开平8-257997号公报
发明内容
用于解决上述课题的本发明的一种液体喷射装置，其特征在于，具备：喷嘴，其喷射液体；液体输送管，其将所述液体输送至所述喷嘴为止；振动生成部，其生成振动，所述振动生成部与所述液体、所述喷嘴以及所述液体输送管中的至少任意一个相接，在将所述振动生成部没有生成振动的状态下从所述喷嘴喷射的所述液体成为多个液滴而飞翔并在单位时间内通过规定的位置的所述液滴的个数设为自我液滴化频率时，所述振动生成部所生成的振动的频率大于所述自我液滴化频率。
附图说明
图1为表示实施例1的液体喷射装置的概要图。
图2为表示实施例1的液体喷射装置的喷射部的剖面图。
图3为表示在不赋予流量脉动的情况下的来自喷嘴的流体的喷射状态的照片。
图4为表示在10V的峰峰值(peak to peak)、252kHz的振动频率下赋予了流量脉动的情况下的来自喷嘴的流体的喷射状态的照片。
图5为表示在10V的峰峰值、130kHz的振动频率下赋予流量脉动并且来自喷嘴的流体进行了液滴化的状态的照片。
图6为表示在10V的峰峰值、134kHz的振动频率下赋予流量脉动并且来自喷嘴的流体没有发生液滴化的状态的照片。
图7为表示在10V的峰峰值下改变了振动频率时的液滴化距离的曲线图。
图8为表示在20V的峰峰值下改变了振动频率时的液滴化距离的曲线图。
图9为在流量3ml/min、20V峰峰值的振幅下进行了液滴化的情况、和在流量4ml/min、20V峰峰值的振幅下进行了液滴化的情况中，使用自我液滴化频率和自我液滴化距离进行标准化而得到的曲线图。
具体实施方式
首先，对于本发明进行概略性地说明。
用于解决上述课题的本发明的第一方式的液体喷射装置，其特征在于，具备：喷嘴，其喷射液体；液体输送管，其将所述液体输送至所述喷嘴为止；振动生成部，其生成振动，所述振动生成部与所述液体、所述喷嘴以及所述液体输送管中的至少任意一个相接，在将所述振动生成部没有生成振动的状态下从所述喷嘴喷射的所述液体成为多个液滴而飞翔并在单位时间内通过规定的位置的所述液滴的个数设为自我液滴化频率时，所述振动生成部所生成的振动的频率大于所述自我液滴化频率。
根据本方式，振动生成部所生成的振动的频率大于自我液滴化频率。本发明的发明人们深入研究的结果为，知晓了如下情况，即，通过使振动生成部所生成的振动的频率大于自我液滴化频率，从而能够缩短液滴化距离。因此，即使在以高速来喷射液体的情况下，也能够缩短自我液滴化距离。
本发明的第二方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第一方式中，所述振动生成部所生成的振动的频率为，所述自我液滴化频率的1.5倍以下。
根据本方式，振动生成部所生成的振动的频率为，自我液滴化频率的1.5倍以下。如果使振动生成部所生成的振动的频率过大，则存在有不能适当地进行液滴化的情况，但是通过将振动生成部所生成的振动的频率设为自我液滴化频率的1.5倍以下，从而能够抑制没有适当地进行液滴化的情况。
本发明的第三方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第一或者第第二方式中，所述振动生成部生成的振动的频率为90kHz以上。
根据本方式，振动生成部所生成的振动的频率为90kHz以上。通过将振动生成部所生成的振动的频率设为90kHz以上，从而能够特别合适地缩短液滴化距离。
本发明的第四方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第一至第三方式中的任意一个方式中，所述振动生成部生成在所述液体的输送方向上使所述液体进行脉动的振动。
根据本方式，振动生成部生成在液体的输送方向上使液体进行脉动的振动。通过在液体的输送方向上使液体进行脉动，从而能够特别合适地缩短液滴化距离。
本发明的第五方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第四方式中，所述振动生成部使所述液体输送管在所述液体的输送方向上进行振动。
根据本方式，振动生成部使液体输送管在液体的输送方向上进行振动。通过使液体输送管在液体的输送方向上进行振动，从而能够以合适的方式而在液体的输送方向上使液体进行脉动。
本发明的第六方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第四方式中，所述振动生成部使所述液体输送管在与所述液体的输送方向正交的方向上进行振动。
根据本方式，振动生成部使液体输送管在液体的输送方向上进行振动。因此，能够简单地形成使液体输送管在液体的输送方向上进行振动的结构。
本发明的第七方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第一至第六方式中的任意一个方式中，所述振动生成部包括压电元件。
根据本方式，振动生成部包括压电元件。因此，能够形成通过压电元件而可生成较高的振动的频率的振动生成部。
本发明的第八方式的液体喷射装置的特征在于，在所述第一至第六方式中的任意一个方式中，所述振动生成部包括静电致动器。
根据本方式，振动生成部包括静电致动器。因此，能够通过静电致动器而生成较高的振动的频率。
以下，参照说明书附图来对本发明所涉及的实施方式进行说明。首先，参照图1来对本发明的一个实施例所涉及的液体喷射装置1的概要进行说明。图1中示出的液体喷射装置1具备：头部2；对所喷射的液体3进行贮留的罐8；由连接头部2和罐8的管以及头部2内的液体3的流道构成的液体输送管7；输液泵6；具有向头部2的驱动信号线51和向输液泵6的控制信号线52的控制装置5。
用户通过使用这样的结构的液体喷射装置1，对把持部21进行把持，使液体3从头部2中喷射，并使液体3与所期望的对象物体进行碰撞，从而实施各种作业。所谓各种作业，虽然例如可例举出牙科治疗，但是在牙科治疗之外，还可以例举出针对于对象物体而进行清洗、去毛刺、剥离、削刨、切除、切开、破碎等。本实施例的液体喷射装置1为，在使从被设置于头部2中的喷嘴27向方向b以连续状态喷射的液体3a成为液滴3b的被液滴化了的状态下，使该液滴3b与对象物体碰撞的液体喷射装置。
接下来，参照图2来对液体喷射装置1的主要部分即头部2进行详细地说明。如图2中所表示的那样，头部2具有在把持部21内构成液体输送管7的导入流道23、和流入流道开口部24。从罐8向方向a流入到头部2中的液体3通过导入流道23以及流入流道开口部24，从而被导至流体室25中，并且如图1中所表示的那样从喷嘴27中以高速的连续流动状态的液体3a的形式而向方向b被喷射。
流体室25通过中间部件33、和由被紧贴在中间部件33上的金属薄膜构成的隔膜41从而被密封。在隔膜41的与流体室25相反的面上，通过用于取得与隔膜41的导通的导电性粘合剂而固定有由在两面上被形成有电极的PZT构成的直径17.7mm、厚度1mm的单板压电元件42。虽然驱动信号线51由两根构成，但是其中一根经由被设置在限制部34上的一个孔部31而以与该隔膜41导通的状态被固定，另一根经由被设置在限制部34上的另一个孔部31而以与PZT制造的单板压电元件42的电极直接导通的状态而被固定。以上述方式被构成的、本实施例的单板压电元件42构成了对在头部2内的液体输送管7中流动的液体3生成振动的振动生成部40，并且由于结实且价格低廉，而且能够小型化，因此适合用于获得高频率下的厚度方向位移。
以此方式，优选为，振动生成部40包括单板压电元件42等压电元件。这是因为，通过这样的压电元件，从而能够形成可生成较高的振动的频率的振动生成部。其中，作为特别优选的压电元件，例如除了本实施例这样的PZT制造的压电元件之外，还可例举出BaTiO3制造或PbTiO3制造等的陶瓷制造的压电元件。
另一方面，振动生成部40也可以为包括用电极夹着介电质的静电致动器的结构。这是因为，即使设为振动生成部40包括静电致动器的结构，也能够通过该静电致动器而生成较高的振动的频率。此外，尤其是，通过利用树脂等柔软的材料来形成介电质，从而能够增加设计自由度。
接下来，对本实施例的液体喷射装置1的具体性动作进行说明。例如，首先，经由图1中所示出的来自控制装置5的控制信号线52，从而向输液泵6发送泵驱动信号。由此，输液泵6通过构成液体输送管7的管从而从罐8中抽吸液体3，并经由该管而以高压将液体3向头部2输送。液体3通过向图2的方向a流动，从而穿过流入流道开口部24而流入至流体室25中。
本实施例的液体喷射装置1能够通过使振动生成部40进行驱动而向头部2内的液体3给予振动从而实施液滴促进化，并且也能够通过不使振动生成部40进行驱动而不向头部2内的液体3给予振动从而不实施液滴促进化。在本实施例的液体喷射装置1中，在不实施液滴促进化的情况下，从喷嘴27中出来的液体3会像图1的液体3a的那样，作为连续流动的形式而被喷射，不久后会被该液体3本身所具有的表面张力所分割，从而像由图1的液滴3b所表现的那样以液滴的形式而飞翔。以后，将在不实施液滴促进化的情况下被液体3本身所持有的表面张力所分割从而生成液滴3b的情况称为“自我液滴化”。
对于在液体3与对象物体发生了碰撞时该对象物体从该液体3承受到的力即冲击压力而言，在连续流动状态的液体3a的时候，在将液体3的喷射速度设为V、将工作流体密度设为ρ时，成为1/2×ρ×V2的滞点压力(stagnation pressure)。另一方面，对于将液体3液滴化为液滴3b的情况下的冲击压力而言，在将该液体3中的声速设为C时，成为可用ρ×C×V来表示的冲击压力。例如由于水中的声速为约1500m/s，因此在液体3的喷射速度为100m/s的情况下，液滴化了的状态下给予对象物体的力相对于连续流动状态而成为30倍。也就是说，通过使液体3进行液滴化并使其与对象物体进行碰撞，从而在同一流量下与不使液体3进行液滴化的情况相比较时，能够极其有效地实施对象物体中的破碎或切除等作业。
在此，图3为，表示从喷嘴直径42μm的喷嘴中喷射4ml/min的水的情况下的不给予脉动的情况下的液体3的状态的照片。图3的左端对应于从喷嘴27分离19mm的位置处，照片的上部的刻度线对应于1mm间隔，刻度线的上部的数字对应于距喷嘴27的距离。如从图3可知的那样，在从喷嘴27分离26mm的位置处，通过表面张力从而使连续性的水流被分割，并成为液滴状态。在本实施例中，该26mm对应于自我液滴化距离。
例如，当想要通过在口腔内使液滴3b与对象碰撞从而实施牙科治疗的情况下，从与喷嘴27分离开26mm以上的位置处向作为对象物体的患部喷射液体3是较困难的。另外，在此时液滴3b在一秒间产生的个数为24万7千个，从而设为将自我液滴化频率称为247kHz。也就是说，将在振动生成部40没有生成振动的状态下从喷嘴27喷射的液体3成为多个液滴并飞翔且在单位时间内通过规定的位置的液滴3b的个数设为自我液滴化频率。
在本发明中，通过流体室25、隔膜41、作为驱动元件的单板压电元件42，从而形成作为脉动生成部的振动生成部40。在通过输液泵6而有液体3被压送并且从喷嘴27中喷射了液体3的状态下，当有交流电压通过驱动信号线51而施加在单板压电元件42上时，单板压电元件42将以施加电压的频率从而进行厚度方向振动。单板压电元件42的振动经由隔膜41而被传递到流体室25的液体3上，并且流体室25的液体3的振动被传递至从喷嘴27喷射的液体3上，从而促进了液滴化。
图4为，通过接近作为自我液滴化频率的247kHz的、与自我液滴化频率相比而稍高的252kHz的流量脉动从而促进了液滴化的情况。另外，伴随着将252kHz的流量脉动给予液体3，从而以在偏移5V下成为峰峰值10V的方式而向单板压电元件42施加电压。在此，图4的左端对应于从喷嘴27分离8mm的位置，照片的上部的刻度线对应于1mm间隔，刻度线的上部的数字对应于距喷嘴27的距离。如将图4的照片、和不给予脉动的情况下的图3的照片进行比较而明确的那样，在自我液滴化距离的约一半的、距喷嘴27为13mm左右的距离处进行液滴化，并且液滴形状、液滴间隔一致。也就是说，由于从喷嘴27的附近开始进行液滴化，因此即使在需要短距离下的治疗的在口腔内或狭窄处的作业中也能够使用。此外，由于液滴形状和液滴间隔是固定的，因此冲击压力固定从而不易受到前方液滴喷落的水膜等的影响，从而能够实施有效的破碎或切开。
像上述那样，在本实施例的液体喷射装置1中，振动生成部40与液体3相接。并且，振动生成部40所生成的振动的频率大于自我液滴化频率。如将图3和图4进行比较而明白的那样，可知晓如下内容，即，通过使振动生成部40所生成的振动的频率大于自我液滴化频率，从而能够缩短液滴化距离。因此，本实施例的液体喷射装置1即使在以高速来喷射液体3的情况下，也能够缩短液滴化距离。另外，虽然本实施例的振动生成部40与液体3相接，但是振动生成部40只要与液体3、喷嘴27以及液体输送管7之中的至少任意一个相接即可。
像上述那样，虽然不给予流量脉动的情况下的自我液滴化频率为约247kHz，但是通过流量脉动而能够促进液滴化。此外，由于通过对流量脉动中的频率进行变更，从而也可变更液滴3b的液滴直径，因此能够进行符合对象物体的破碎、切除、清洗状态的条件等的液滴直径的变更。
在此，为了决定特别合适的频率，从而对将偏移5V下峰峰值10V、以及偏移10V下峰峰值20V的正弦波给予到单板压电元件42上的情况进行了研究。该电压下的静态特性下的单板压电元件42的位移量仅为，10V下0.005nm、20V下0.01nm。另外，关于该频率，在从通过流量脉动而开始促进液滴化的89kHz起至不产生液滴化的促进的374kHz的范围内，直到100kHz为止以1kHz步进，在其以上以2kHz步进而进行了研究。
液滴化的定义设为，在产生连续流动的分割之后，液滴3b成为大致球形的情况。这是因为，即使产生液滴3b的分割，也具有产生了卫星液滴的情况等，从而存在没能产生有效的液滴化的频率。因此，在图5以及图6中，表示产生了有效的液滴化的情况和没能产生有效的液滴化的情况的具体例。图5为，在10V的峰峰值下采用130kHz的振动频率的情况的一个示例，且为产生了有效的球体的液滴化的情况的一个示例的照片。另一方面，图6为，在10V的峰峰值下采用134kHz的振动频率的情况的一个示例，且为产生卫星液滴并且液滴3b没有成为优选的球体的情况的一个示例的照片。
在此，图7为，表示在流量4ml/min下产生了有效的液滴化的情况和没能产生有效的液滴化的情况的、向单板压电元件42施加的施加电压为10V峰峰值下的试验结果。此外，图8为，表示在流量4ml/min下产生了有效的液滴化的情况和没能产生有效的液滴化的情况的、向单板压电元件42施加的施加电压为20V峰峰值下的试验结果。在图7以及图8中，均为横轴表示给予单板压电元件42的正弦波的频率即脉动频率，纵轴表示液滴化距离。另外，在图7以及图8中，在液滴化距离0mm处所显示的频率表示例如像图6中所示出的那样液滴3b没有作为球体而进行液滴化的情况等的、没能合适地进行液滴化的情况。
如由图7所示出的那样，首先，在图7的10V峰峰值的情况下，从自我液滴化频率247kHz的稍靠下的242kHz起能够进行稳定的液滴化，并且直至334kHz为止都能够进行稳定的液滴化。稳定的液滴化可以以如下情况来表示，即，从242kHz起至334kHz为止，液滴化距离为26mm以下且不成为0mm。此外，也可以说是，即使从338kHz起至366kHz为止，由于液滴化距离为26mm以下且不成为0mm，因而也能够实现稳定的液滴化。另一方面，如由图8所示出的那样，在相对于图7的10V峰峰值而增加了振幅的图8的20V峰峰值下，从228kHz起至374kHz为止，能够实现稳定的液滴化。
在此，稳定的液滴化的开始在图8的20V峰峰值中，为作为自我液滴化频率的247kHz的约0.9倍即228kHz。此外，在图7的10V峰峰值中，为作为自我液滴化频率的247kHz的约1倍即242kHz。优选的频率的上限在图8的20V峰峰值中，为374kHz/228kHz，也就是自我液滴化频率的约1.6倍。此外，在图7的10V峰峰值中，对于优选的频率的上限而言，在考虑不能实现单点液滴化的部分即336kHz，则为334kHz/242kHz，也就是自我液滴化频率的约1.3倍，如果不考虑该部分，则为366kHz/242kHz，也就是自我液滴化频率的约1.5倍。
根据上述结果，优选为，振动生成部40所生成的振动的频率为，自我液滴化频率的1.5倍以下。虽然当使振动生成部40所生成的振动的频率过大时存在有不能适当地进行液滴化的情况，但是通过将振动生成部40所生成的振动的频率设为自我液滴化频率的1.5倍以下，从而能够抑制变得没有适当地进行自我液滴化的情况。
另外，在本发明的发明人们添加了各种各样的条件而进行深入研究的结果为，知晓了如下情况，即，优选为，振动生成部40所生成的振动的频率为90kHz以上。通过将振动生成部所生成的振动的频率设为90kHz以上，从而能够特别适当地缩短液滴化距离。
此外，根据图8的20V峰峰值等的结果，优选为，振动生成部40所生成的振动的频率为370kHz以下。通过将振动生成部所生成的振动的频率设为370kHz以下，从而能够特别适当地缩短液滴化距离。
图9为，在流量3ml/min、20V峰峰值的振幅下进行了液滴化的情况、和流量4ml/min、20V峰峰值的振幅下进行了液滴化的情况中，使用自我液滴化频率和自我液滴化距离进行了标准化的曲线图。在此，所谓标准化的含义是指，表现出由振动生成部40产生的振动频率、也就是脉动频率的优选的范围的情况，具体而言，是指图9的液滴化距离/自我液滴化距离成为非0且1.0以下的脉动频率/自我液滴化频率的区域的意思。另外，在流量3ml/min下，自我液滴化频率为180kHz，自我液滴化距离为17mm。另一方面，在流量4ml/min下，根据上述的结果，自我液滴化频率为247kHz，自我液滴化距离为26mm。
如由图9所示出的那样，可知如下情况，即，即使自我液滴化频率发生变化，通过将流量脉动的频率设为超过自我液滴化频率的范围、也就是脉动频率/自我液滴化频率超过1的范围，从而也会稳定。图9中的流量脉动的频率稳定的区域为，液滴化距离/自我液滴化距离不为0且成为1.0以下的区域。此外，正如上述那样，优选的上限的频率(振动生成部40所生成的振动的频率)为，自我液滴化频率的1.5倍以下，更优选为1.3倍以下。
在此，在图2中所示出的本实施例的振动生成部40能够生成在液体3的输送方向即方向a上使液体3进行脉动的振动。通过在液体3的输送方向上使液体3进行脉动，从而能够特别合适地缩短液滴化距离。
详细而言，振动生成部40通过单板压电元件42，从而使液体输送管7在与液体3的输送方向即方向a正交的方向上进行振动。通过将振动生成部40设为这样的结构，从而能够简单地形成使液体输送管7在液体3的输送方向上进行振动的结构。
但是，并不限定于这样的结构。例如，也可以设为如下结构，即，通过改变液体输送管7的形状以及单板压电元件42相对于液体输送管7的配置等，从而振动生成部40使液体输送管7在液体3的输送方向上进行振动。即使使液体输送管7在液体3的输送方向上进行振动，也能够与本实施例的振动生成部40同样地以合适的方式而在液体3的输送方向上使液体3进行脉动。
本发明并不限于上述的实施例，在不脱离其主旨的范围内能够通过各种各样的结构来实现。对于记载于发明内容一栏中的与各个方式中的技术性特征相对应的实施例中的技术性特征而言，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者，为了实现上述的效果的一部分或者全部，能够适当地实施替换或组合。此外，只要该技术性特征在本说明书中没有被作为必需的内容而进行说明，则能够适当删除。
符号说明
1…液体喷射装置；2…头部；3…液体；3a…连续流动状态的液体；3b…液滴；5…控制装置；6…输液泵；7…液体输送管；8…罐；21…把持部；23…导入流道；24…流入流道开口部；25…流体室；27…喷嘴；31…孔部；33…中间部件；34…限制部；40…振动生成部；41…隔膜；42…单板压电元件；51…驱动信号线；52…控制信号线。

Claims (8)

1.一种液体喷射装置，其特征在于，具备：
喷嘴，其喷射液体；
液体输送管，其将所述液体输送至所述喷嘴为止；
振动生成部，其生成振动，
所述振动生成部与所述液体、所述喷嘴以及所述液体输送管中的至少任意一个相接，
在将所述振动生成部没有生成振动的状态下从所述喷嘴喷射的所述液体成为多个液滴而飞翔并在单位时间内通过规定的位置的所述液滴的个数设为自我液滴化频率时，
所述振动生成部所生成的振动的频率大于所述自我液滴化频率。
2.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部所生成的振动的频率为所述自我液滴化频率的1.5倍以下。
3.如权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部所生成的振动的频率为90kHz以上。
4.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部生成在所述液体的输送方向上使所述液体进行脉动的振动。
5.如权利要求4所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部使所述液体输送管在所述液体的输送方向上进行振动。
6.如权利要求4所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部使所述液体输送管在与所述液体的输送方向正交的方向上进行振动。
7.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部包括压电元件。
8.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，
所述振动生成部包括静电致动器。
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