CN108580074A - 一种可调节雾化单液滴粒径的发生方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开静电雾化领域中的一种可调节雾化单液滴粒径的发生方法与装置，储液箱通过导管连接且连通金属毛细管，导管上装有流量控制阀门和流量计，装置支架包括上下平行的两块方形板，金属毛细管从装置支架上方通过上方形板上的通孔伸入到雾化区域；金属毛细管上段外部紧密套有毛细管支架，毛细管支架通过导线与高压静电发生器连接；在雾化区域内部的金属毛细管的正下方设有升降台，升降台的上表面正中间处水平置放一个金属圆铜板，金属圆铜板与高压静电发生器通过导线连接；运用静电力降低液表面张力的作用特性，将液滴破碎成细小液滴，通过调节电压、流量、极间距大小以及金属毛细管规格控制雾化液滴粒径分布，产生等粒径雾化单液滴。

Description

一种可调节雾化单液滴粒径的发生方法与装置

技术领域

本发明涉及静电雾化领域，具体是一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置与方法，产生等粒径的雾化单液滴。

背景技术

通过改变施加在金属毛细管上电压的大小来获得不同粒径的雾化液滴的过程称为静电雾化。不同粒径的雾化液滴被应用在不同工程领域，主要有喷墨打印、燃油喷射、聚并除尘以及空间推进器等方面。在不同的应用中，雾化液滴粒径大小将直接影响最终的使用效果。

中国专利号为201410236750.9的文献中公开了一种液滴发生器及其工作方法，将液体在液滴悬挂滴头处形成液滴，利用内运动杆控制液滴的形成，用外运动杆将液滴甩出，最终达到液滴形成的目的；该液滴发生器在工作时会出现变频调速器与可控蠕动泵失灵、长时间弹簧回弹失效等情形，并且液滴粒径不可控，结构复杂，维修困难。中国专利号200580031119.4的文献中公开了一种液滴发生器，其主要由电压晶体产生的调制能量转化为喷嘴的振动，从而产生液滴；该液滴发生器内部的设计复杂，由于通过弹簧装置产生周期往复运动，长时间弹簧回弹能力会降低，并且液滴发生器内部流道较为狭窄，在液体流动的过程中容易产生堵塞，不利于液滴的生成，而且产生的液滴粒径不可控。中国专利号为201621173301.5的文献中公开了一种液滴发生器和微流体控制***，其内相流体管道上设有第一收缩口，中间相流体管道上设有第二收缩口，液体在管道中流动，由于不同流相管道中的液体相互作用，在管道出口处会产生液滴；其缺点主要有：液滴粒径不可控，管道数量较多，维修较为复杂，并且不同流相管道的流速、规格等要求较高，加工较为复杂，在液滴发生过程中流相管道容易产生堵塞现象。

发明内容

本发明的目的是为了获得尺度可控的单雾化液滴，提供一种可调节雾化单液滴粒径的发生方法与装置。

本发明一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置采用的技术方案如下：具有装满雾化液体的储液箱，储液箱通过导管连接且连通金属毛细管，导管上装有流量控制阀门和流量计，装置支架包括上下平行的两块方形板，两块方形板之间是雾化区域，金属毛细管从装置支架上方通过上方形板上的通孔伸入到雾化区域；金属毛细管上段外部紧密套有毛细管支架，毛细管支架通过导线与高压静电发生器连接；在雾化区域内部的金属毛细管的正下方设有升降台，升降台的上表面正中间处水平置放一个金属圆铜板，金属圆铜板与高压静电发生器通过导线连接。

进一步地，金属毛细管的内径在0.10mm-0.55mm之间，金属圆铜板的外径大于或等于150mm，金属圆铜板上表面与金属毛细管下端之间的极间距在20mm-80mm之间。

所述的发生装置的粒径调节方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、调节流量控制阀门，使雾化液体流量为恒定流量，打开高压静电发生器，在雾化区域内产生单雾滴；

B、改变高压静电发生器的静电电压，得到不同的电场强度，获得不同粒径的雾化单液滴；

C、调节升降台的上下高度，改变金属毛细管与金属铜板之间的距离，得到不同的电场强度，获得不同粒径的雾化单液滴；

D、改变金属毛细管的内径，获得不同雾化粒径的单液滴。

本发明采用上述技术方案后具有如下优点：

1. 本发明是一种通过静电将液体破碎成等粒径细小液滴的装置，运用静电力降低液表面张力的作用特性，将液滴破碎成细小液滴，通过调节电压、流量、极间距大小以及金属毛细管规格等控制雾化液滴粒径分布，最终获得滴状雾化模式，产生等粒径雾化单液滴。

2、本发明在恒定流量下，通过控制高压静电发生器的电压，改变空间电场强度，最终改变作用在液滴上电场力，在不同电场力的作用下，可以得到不同粒径的雾化液滴；

2. 本发明通过调节升降台的高度，改变金属毛细管与金属圆铜板之间的距离，得到不同的电场强度，最终改变雾化液滴的粒径分布。

3. 本发明通过对流量与电压的控制可实现对液滴粒径的精确控制。

4. 本发明通过改变金属毛细管口规格或改变液滴初始粒径可得不同粒径的雾化单液滴。

5. 本发明通过控制静电Bond数B _E可以实现静电雾化模式的控制，使静电雾化模式控制在滴状模式下，获得雾化单液滴。

附图说明

图1为本发明一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置的结构示意图；

图1中：1.储液箱；2.流量控制阀门；3.流量计；4.导管；5.毛细管支架；6.金属毛细管；7.高压静电发生器；8.升降台；9.金属圆铜板；10.装置支架；11.金属罩；

图2为极间距L=30.0mm，d _i=0.3mm，无水乙醇在不同流量下随着电压的变化雾化单液滴粒径分布图；

图3为极间距L=30.0mm，d _i=0.3mm，去离子水在不同流量下随着电压的变化雾化单液滴粒径分布图；

图4 为q _V =0.10ml/min，d _i=0.3mm，L=30.0mm不同电压下无水乙醇雾化单液滴粒径标准方差图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置具有储液箱1，储液箱1中装满了雾化液体。储液箱1通过导管4连接且连通金属毛细管6，在导管4上安装流量控制阀门2和流量计3。在金属毛细管6的上段外部紧密固定套有毛细管支架5，毛细管支架5通过强性胶水固定在装置支架10上，从而使金属毛细管6固定不动。毛细管支架5通过导线与高压静电发生器7连接。装置支架10由上下平行的两块方形板和连接在两块方形板之间的四个垂直的实体圆柱组成，两块方形板的四角处均用垂直的实体圆柱连接。在两块方形板之间留有足够的上下距离，该部分区域就是雾化区域。在装置支架10的上方形板正中间开有通孔，金属毛细管6从装置支架10上方通过上方形板上的通孔伸入到雾化区域。金属毛细管6与上方形板相垂直。在装置支架10的上方形板下表面固定连接一个金属罩11，金属罩11通过强性胶水固定在装置支架10上，金属罩11能隔绝上层电场（导线等）对雾化区域内电场的影响。高压静电发生器7位于装置支架10的外部。

在雾化区域内部，在金属毛细管6的正下方设有升降台8，升降台8的底部放置在装置支架10的下方形板的正中间处，在升降台8的上表面正中间处水平置放一个金属圆铜板9，金属圆铜板9与高压静电发生器7通过导线连接，并且与大地连接，保证其为零电位。金属圆铜板9的中心轴与金属毛细管6的中心轴共线，位于金属毛细管6的正下方。

金属毛细管6的内径d _i 范围在0.10mm-0.55mm之间。金属罩11为圆筒形，其外径d大于或等于150mm。金属圆铜板9是圆盘状，其外径D大于或等于150mm。金属圆铜板9的上表面与金属毛细管6的下端之间的垂直距离是极间距L，通过调节升降台8的高度，可调节极间距L的范围在20mm-80mm之间，从而改变雾化空间电场E ₀的大小。

高压静电发生器7的电压必须小于V ₀，或者保证静电Bond数B _E小于B _EC，必须保证毛细管静电雾化模式为滴状模式；B _E是一种表征静电场强度大小的无量纲参数，B _EC是恰好不产生滴状模式时静电Bond数值的临界值。

为了保证静电雾化模式为滴状模式，通过调节高压静电发生器7的电压V ₀、极间距L以及毛细管外径d _O来实现。静电Bond数是区分雾化模式的参数，滴状模式对应的最大静电Bond数B _E为B _EC，约为0.20。在调节参数的过程中保证B _E小于0.20：

，且 ，

其中，表示对数计算公式，ε ₀ 为真空介电常数，L为金属毛细管与极板之间的距离，E施加在金属毛细管6上的电压所产生的场强，V为施加电压，γ为液体表面张力，d _O为金属毛细管外径。

当高压静电发生器工作时，在金属毛细管与金属圆铜板之间的空间会形成电场。液体通过导管经过流量控制阀门、流量计进入毛细管。液体的流量通过流量控制阀门来调节，毛细管的流量大小控制在0.01ml/min-0.30ml/min之间的某个恒定流量。在恒定的流量下，在电场力的作用下，液滴的下落频率会随着电压的升高有所增加，液滴的粒径将会减小，最终实现雾化单液滴粒径可调。

发生装置工作时，调节流量控制阀门2，使储液箱1中的雾化液体流量控制在0.01ml/min-0.30ml/min之间的恒定流量，液体通过导管4进入到金属毛细管6中，在金属毛细管6下端口处破碎产生雾化液滴。打开高压静电发生器7，调节高压静电发生器7的电压，在金属毛细管6与金属圆铜板9之间的雾化区域内会产生空间电场，产生单雾滴。由于液体的流量恒定，在电场力的作用下，液滴下落分离的频率会有提升，此时雾化单液滴的粒径也会减小，最终实现对雾化液滴粒径可调的目的。因此，调节流量控制阀门2以调节毛细管6的流量，可以获得不同下落频率和不同粒径的液滴。

通过改变高压静电发生器7的静电电压V ₀，可以得到不同的电场强度E ₀。在不同的电场强度E ₀的作用下，可以获得不同粒径的雾化单液滴；同时可以获得不同下落频率的雾化单液滴。在调节静电电压V ₀的过程中，保证静电Bond数B _E小于0.20，以保证雾化模式维持在滴状模式。

调节升降台8的上下高度，改变金属毛细管6与金属铜板9之间的距离，得到不同的电场强度E ₀；获得不同大小的液滴；同时可以获得不同下落频率的液滴。

改变金属毛细管6的规格，即改变金属毛细管6的内径以改变液滴发生的初始粒径，获得不同雾化粒径的单液滴，实现对雾化液滴粒径可控的目的。

参见图2，是本发明发生装置的极间距L=30.0mm，金属毛细管6的内径d _i=0.3mm，储液箱1中装的是无水乙醇，调节流量控制阀门2，使无水乙醇在不同流量下随着电压的变化雾化单液滴粒径的分布图图。在给定条件下，无水乙醇的流量大小分别为q _V=0.03ml/min、q _V=0.07ml/min、q _V=0.10ml/min、q _V=0.30ml/min，获得不同电压下无水乙醇雾化单液滴的粒径分布。

参见图3，是本发明发生装置的极间距L=30.0mm，金属毛细管6的内径d _i=0.3mm，储液箱1中装的是去离子水，去离子水在不同流量下随着电压的变化雾化单液滴粒径的分布图。在给定条件下，去离子水流量大小分别为q _V=0.03ml/min、q _V=0.05ml/min、q _V=0.07ml/min、q _V=0.10ml/min，获得不同电压下去离子水雾化单液滴的粒径分布。

参见图4， 是本发明发生装置的储液箱1中装的是无水乙醇，无水乙醇流量q _V=0.10ml/min，金属毛细管6的内径d _i=0.3mm，极间距L=30.0mm，在不同电压下无水乙醇液滴粒径标准方差图。选取30个周期内雾化单液滴的粒径进行计算，由图4中曲线可得到雾化单液滴的粒径偏离程度较小，满足要求。其中标准方差求解公式为：

， x ₁....x _n为相同流量与电压下第1次到n次获得的雾化单液滴粒径，n为选取雾化单液滴粒径的次数，σ为雾化单液滴标准方差值。

Claims (6)

1.一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置，具有装满雾化液体的储液箱（1），储液箱（1）通过导管（4）连接且连通金属毛细管（6），导管（4）上装有流量控制阀门（2）和流量计（3），其特征是：装置支架（10）包括上下平行的两块方形板，两块方形板之间是雾化区域，金属毛细管（6）从装置支架（10）上方通过上方形板上的通孔伸入到雾化区域；金属毛细管（6）上段外部紧密套有毛细管支架（5），毛细管支架（5）通过导线与高压静电发生器（7）连接；在雾化区域内部的金属毛细管（6）的正下方设有升降台（8），升降台（8）的上表面正中间处水平置放一个金属圆铜板（9），金属圆铜板（9）与高压静电发生器（7）通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置，其特征是：金属毛细管（6）的内径在0.10mm-0.55mm之间，金属圆铜板（9）的外径大于或等于150mm，金属圆铜板（9）上表面与金属毛细管（6）下端之间的极间距在20mm-80mm之间。

3.根据权利要求2所述的一种可调节雾化单液滴粒径的发生装置，其特征是：金属毛细管（6）与装置支架（10）的上方形板相垂直，在装置支架（10）的上方形板下表面固定连接一个金属罩（11），金属罩（11）的外径大于或等于150mm。

4.一种如权利要求1所述的发生装置的雾化单液滴粒径调节方法，其特征是包括以下步骤：

A、调节流量控制阀门（2），使雾化液体流量为恒定流量，打开高压静电发生器（7），在雾化区域内产生单雾滴；

B、改变高压静电发生器（7）的静电电压，得到不同的电场强度，获得不同粒径的雾化单液滴；

C、调节升降台（8）的上下高度，改变金属毛细管（6）与金属铜板（9）之间的距离，得到不同的电场强度，获得不同粒径的雾化单液滴；

D、改变金属毛细管（6）的内径，获得不同雾化粒径的单液滴。

5.根据权利要求4所述的雾化单液滴粒径调节方法，其特征是：步骤B中，在静电电压过程中，保证静电Bond数小于0.20。

6.根据权利要求4所述的雾化单液滴粒径调节方法，其特征是：步骤A中，雾化液体流量大小控制在0.01ml/min-0.30ml/min之间。