一种高频、高速的微米级液滴产生装置

摘要

本发明公开了一种液滴产生装置，用于将静止的液体物料转化为液滴后以一定的速度射出，该装置包括用于存储液体物料(8)的储液箱(9)，该储液箱(9)的底端与至少一个进料导管(10)相连通，液滴产生装置包括一个腔体，腔体的中心位置设置一个转轮(11)，其中心轴平行于水平面；进料导管(10)从腔体上部穿透到达转轮(11)所在的空间，以便储液箱(9)内的液体物料(8)通过进料导管(10)能够滴落到转轮(11)的侧面，从而该转轮(11)为流入的液体物料加速后从该转轮(11)侧面的一个切向将液体物料以液滴形式甩出。本发明能够产生出射频率与直径均稳定可调、且具有一定初速度的微米级液滴。

权利要求

1.一种液滴产生装置，用于将静止的液体物料转化为液滴后以一定的速度射出，该液滴产生装置包括用于存储液体物料(8)的储液箱(9)，该储液箱(9)的底端与至少一个进料导管(10)相连通，其特征在于：该液滴产生装置还包括一个腔体，该腔体的中心位置设置有一个转轮(11)，该转轮(11)呈圆柱形且可以绕其中心轴进行转动，该中心轴平行于水平面；

所述进料导管(10)从所述腔体上部穿透到达所述转轮(11)所在的空间，以便所述储液箱(9)内的液体物料(8)通过所述进料导管(10)能够滴落到所述转轮(11)的侧面，从而该转轮(11)为流入的液体物料加速后从该转轮(11)侧面的一个切向将所述液体物料以液滴形式甩出。

2.如权利要求1所述的液滴产生装置，其特征在于：所述进料导管(10)的延长线与所述转轮(11)的中心轴不相交。

3.如权利要求2所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述腔体由一个内壳体(12)和一个外壳体(13)组成，所述内壳体(12)由外壳体(13)包围，并且二者具有一定的间距；并且所述转轮(11)由所述内壳体(12)包围，且该转轮(11)与该内壳体(12)之间也具有一定的间距；

所述进料导管(10)从所述腔体上部依次穿透过所述外壳体(13)和内壳体(12)到达所述转轮(11)所在的空间。

4.如权利要求3所述的液滴产生装置，其特征在于：

在所述腔体的内壳体(12)与外壳体(13)之间设置有连接该内壳体(12)的内部与该外壳体(13)外部的出料导管(17)，其数量与所述进料导管(10)相同，并且该出料导管(17)的延伸方向与被所述转轮(11)甩出的液滴的前进方向一致，以致由所述转轮(11)甩出的液滴能够通过该出料导管(17)出射到所述腔体的外部。

5.如权利要求4所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述出料导管(17)的外侧安装有压电陶瓷(16)，该出料导管(17)的内径可通过压电陶瓷(16)进行调节。

6.如权利要求3所述的液滴产生装置，其特征在于：

从所述内壳体(12)与所述外壳体(13)的外部之间设有漏管(18)，以便所述内壳体(12)中的多余的液体物料通过该漏管(18)流至所述外壳体(13)的外部。

7.如权利要求1至6中任一项所述的液滴产生装置，其特征在于：所述转轮的侧面开有凹槽，所述凹槽的数量与所述进料导管相同，且每个凹槽与每个进料导管(10)对准。

8.如权利要求7所述的液滴产生装置，其特征在于：所述凹槽为矩形凹槽、V形凹槽、U形凹槽或梯形凹槽。

说明书

一种高频、高速的微米级液滴产生装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高出射频率、高初速度、尺寸稳定的微米级液滴产生装置，属于仪器、仪表领域。

背景技术

[0002] 随着科技水平的提高，越来越多的领域需要提供微米级直径、尺寸稳定、出射频率较高且具有一定初速度的液滴产生装置，比如软X射线、极紫外发光、喷墨打印等。该类需求刺激相关研究不断涌现。

[0003] 比如公开号为US4723262B1、发明名称为“APPARATUS FOR PRODUCTION SOFT X-RAYS USING A HIGH ENERGY LASER BEAM”的美国专利，利用液体压差将储液箱内的液体通过导管压出，形成液滴流。该装置结构简单，但是无法有效控制液滴直径、液滴出射频率及出射速度。

[0004] 在控制液滴直径方面，公开号为US2007257970A1、发明名称为“DROPLETS GENERATOR”的美国专利公开说明书中首先通过导管对液体进行限流，再通过压电晶体振动使液体分离成各个小液滴，最后通过喷嘴出射。虽然液滴直径能够通过压电晶体的振动频率有效控制，但该方法生成的液滴出射初速度较低，无法应用于对液滴初速度有一定要求的装置。

[0005] 在改进初速度方面，公开号为CN102210997A、名称为“单颗粒高速液滴发生装置”的中国专利公开说明书提出了图1所示的液滴发生装置。如图1所示，储液箱1用于储存形成液滴的液体物料2，其下部与一个导管7连通，储液箱1中的液体物料2受重力作用流入导管7中，导管7的外圈安装有压电陶瓷3，通过在压电陶瓷3上施加矩形波信号改变其内径，使导管7周期性地处于导通和截至状态，从而有效地控制液滴出射频率。在液滴出口安装带电环4，使液滴带电，通过加速电场5和偏转电场6改变液滴的出射速度及出射方向。该专利申请公开说明书公开的方案能够达到控制液滴出射频率及初速度的目的，但是无法有效控制液滴直径，并且所产生的液滴上带有电荷，不利于后续应用。

[0006] 同时，现有的微米级液滴产生装置大都生成的是仅在一条线上连续的液滴链，无法实现一个平面上的空间液滴分布，限制了液滴产生装置的应用范围。

发明内容

[0007] （一）要解决的技术问题

[0008] 本发明旨在提供一种简单可靠的高频、高速、微米级液滴产生装置，以解决现有的液滴产生装置中液滴出射频率较低、初速度控制不易、出射液滴直径不稳定、装置结构复杂等问题。

[0009] （二）技术方案

[0010] 本发明提出一种液滴产生装置，用于将静止的液体物料转化为液滴后以一定的速度射出，该装置包括用于存储液体物料的储液箱，该储液箱的底端与至少一个进料导管相连通，该液滴产生装置还包括一个腔体，该腔体的中心位置设置有一个转轮，该转轮呈圆柱形且可以绕其中心轴进行转动，该中心轴平行于水平面；所述进料导管从所述腔体上部穿透到达所述转轮所在的空间，以便所述储液箱内的液体物料通过所述进料导管能够滴落到所述转轮的侧面，从而该转轮为流入的液体物料加速后从该转轮侧面的一个切向将所述液体物料以液滴形式甩出。

[0011] 根据本发明的具体实施方式，所述进料导管的延长线与所述转轮的中心轴不相交。

[0012] 根据本发明的具体实施方式，所述腔体由一个内壳体和一个外壳体组成，所述内壳体由外壳体包围，并且二者具有一定的间距；并且所述转轮由所述内壳体包围，且该转轮与该内壳体之间也具有一定的间距；所述进料导管从所述腔体上部依次穿透过所述外壳体和内壳体到达所述转轮所在的空间。

[0013] 根据本发明的具体实施方式，在所述腔体的内壳体与外壳体之间设置有连接该内壳体的内部与该外壳体外部的出料导管，其数量与所述出进料导管相同，并且该出料导管的延伸方向与被所述转轮甩出的液滴的前进方向一致，以致由所述转轮甩出的液滴能够通过该出料导管出射到所述腔体的外部。

[0014] 根据本发明的具体实施方式，所述出料导管的外侧安装有压电陶瓷，该出料导管的内径可通过压电陶瓷进行调节。

[0015] 根据本发明的具体实施方式，从所述内壳体与所述外壳体的外部之间设有漏管，以便所述内壳体中的多余的液体物料通过该漏管流至所述外壳体的外部。

[0016] 根据本发明的具体实施方式，所述转轮的侧面开有凹槽，所述凹槽的数量与所述进料导管相同，且每个凹槽与每个进料导管对准。

[0017] 根据本发明的具体实施方式，所述凹槽为矩形凹槽、V形凹槽、U形凹槽或梯形凹槽。

[0018] （三）有益效果

[0019] 本发明能够产生出射频率与直径均稳定可调、且具有一定初速度的微米级液滴。同时，本发明可通过简易改装，能产生具有一定空间分布的液滴阵列。

附图说明

[0020] 图1是现有技术中一种液滴产生装置的结构示意图；

[0021] 图2是本发明的液滴产生装置的一个实施例的结构示意图；

[0022] 图3是本发明的液端产生装置的一个实施例的腔体内部放大图；

[0023] 图4A至图4C本发明的转轮的多种实施方式示意图；

[0024] 图5是本发明的能够产生液滴阵列的转轮的结构示意图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0026] 本发明旨在提供简单可靠的高出射频率、高初速度、尺寸稳定的微米级液滴产生装置。

[0027] 图2是本发明的液滴产生装置的一个实施例的结构示意图。如图2所示，该装置包括一个储液箱9和一个腔体，腔体的中心位置设置有一个转轮11，该转轮11呈圆柱形且可以绕其中心轴进行转动，该中心轴平行于水平面，该腔体由一个内壳体12和一个外壳体13组成，内壳体12由外壳体13包围，并且二者具有一定的间距；所述转轮11由所述内壳体12包围，并且，转轮11与内壳体12之间也具有一定的间距。

[0028] 储液箱9位于腔体的上方，用于存储液体物料8。储液箱9的底端与一个进料导管10相连通，并且该进料导管10从腔体上部依次穿透过外壳体13和内壳体12到达转轮11所在的空间，这样，储液箱9内的液体物料8通过该进料导管10能够滴落到该转轮11的侧面（圆柱形的侧边）。

[0029] 图3显示了该实施例的腔体内部的部分元件的放大图。如图3所示，所述转轮11的转轴与一个电机的转动输出轴23咬合，该电机23能进行高速转动，由此，该高速电机23能为转轮11提供高速转动的动力。

[0030] 所述进料导管10的出液口位于转轮11的偏心位置，所谓偏心位置是指所述进料导管10的延长线与转轮11的中心轴不相交，如图2所示。液体物料8通过进料导管10流入转轮11的边缘，这样，该转轮11为流入的液体物料加速后从该转轮11侧面的一个切向将所述液体物料以液滴形式甩出，甩出的液滴如图2所示。当液体物体8持续地流入转轮时，甩出的液滴成为以一定间隔出射的液滴19～23。

[0031] 在所述腔体的内壳体12与外壳体13之间设置有一个连接内壳体12的内部与外壳体13外部的出料导管17，并且该出料导管的延伸方向与被转轮12甩出的液滴的前进方向一致。这样，由转轮11甩出的液滴能够通过该出料导管17出射到腔体的外部。

[0032] 控制转轮11的转速，能够使液滴在所需的转轮切向方向甩出后进入出料导管，出料导管17能够对甩出的液滴进行直径选择，仅使直径小于导管内径的液滴出射。如此，出射到腔体外部的液滴19～23是具有所需直径大小的液滴。

[0033] 根据本发明的优选实施方式，所述出料导管17的外侧安装有压电陶瓷16，这样，该出料导管17的内径可通过压电陶瓷16进行调节。当出料导管17的内径过大时，改变压电陶瓷16的输入电压使其向内收缩，导管受力发生弹性形变内径减小；当出料导管17的内径过小时，减小压电陶瓷16的输入电压，导管受压减少，弹性形变恢复，内径增大。

[0034] 根据本发明的另一优选实施方式，从所述腔体的内壳体12与腔体外壳体13的外部之间设有一个漏管18，由此，内壳体中的多余的液体物料可通过该漏漏管18流入位于外壳体的外部的一个回收箱14内。如图2所示，该多余的液体物体15可以重新进行回收利用。

[0035] 进料导管10将液体物料输入高速转轮11内，液体物料通过高速转轮11加速，加速过程中液体受材料粘滞力及表面张力作用形成液滴，其直径与材料性质及转轮转速有关。当液滴所受离心力大于液体在转轮表面所受摩擦力后，在转轮切向方向受离心力作用产生液滴19～23。该液滴直径由高速转轮的转速决定，转速越高产生的液滴直径越小，并且当转轮转速恒定时液滴直径恒定。例如直径约为200mm的高速转轮11转速达到8000转/分时，产生的小液滴直径约为40μm。高速转轮转速稳定时，其液滴产生频率稳定。

[0036] 以上描述了本发明的一个实施例的基本结构。在上述基本结构的基础上，为了满足不同的需求，可以对上述基本结构进行更多的改进设计。下面就示例性的说明几种改进的例子，以便于本领域技术人员更加容易理解和实施本发是。

[0037] 图4A～图4C显示了本发明的液滴产生装置中的转轮的几个实施方式的结构示意图。其中显示的是沿转轮11的中心轴的的纵向剖面。根据本发明，所述转轮的侧面可以是平滑的，也可以开有凹槽，凹槽与所述进料导管10对准。如图4所示，图4A显示了矩形凹槽的情况，图4B显示了V形凹槽的情况，图4C显示了没有槽的情况。以上三种方式均为本发明的示意性实施方式，只要保证液滴能够均匀地从转轮边缘出射，可以对转轮11作各种变化，例如U形凹槽、梯形凹槽等。因此上述实施方式并不用于限制本发明。

[0038] 通过改变转轮边缘进料导管和出料导管的数量，还可以产生具有一定空间分布的液滴阵列。沿转轮11的轴向方向增加转轮的轴长至所需液滴阵列的宽度，同时沿高速转轮轴向方向增加多路进料导管和出料导管，进料导管和出料导管的数目相同。若转轮为图4A或图4B中所示的带凹槽结构，则凹槽的数量与进料导管、出料导管的数量也相同，每个凹槽与每个进料导管10对准，并可根据所需液滴阵列宽度及密度设计凹槽数量和进料、出料导管数量；若转轮为图4C中所示的无凹槽结构，则进料导管和出料口导管设计为沿转轮轴向的线性结构即可。

[0039] 图5显示了本发明的液滴产生装置中的转轮的另一实施方式的结构。如图5所示，如图5所示为产生液滴阵列的转轮结构，液体物料8通过进料导管组24进入高速转轮的多个凹槽内，同单个液滴产生的过程相同，每个凹槽内产生单个的液滴，由于所有凹槽内的液滴受力情况相同，因此所有凹槽内的液滴同时出射，经过出料导管的筛选后，即产生相同直径相同初速度的液滴行。在一个具体实例中，本发明的装置每秒钟能够以稳定频率产生40,000～100,000个或更多具有相同特性微小液滴链，在出料导管后即可得到具有一定空间分布的微小液滴阵列。

[0040] 本发明有广泛的应用范围，如软X射线、极紫外发光、喷墨打印等。在软X射线及极紫外发光中，该装置可以提供光源激发所需的液态金属靶，在喷墨打印中可以提供墨水滴。本发明也可通过调节出料口压电陶瓷输入电压，对液滴链实现周期性分段输出。

[0041] 本发明利用转轮装置，有效控制液滴出射频率，产生具有一定初速度且直径稳定控制在微米级的液滴。同时可以根据需要改进装置，产生在一个平面内具有一定空间分布的稳定液滴阵列。

[0042] 本发明首先通过离心原理产生液滴，液体通过进料导管进入高速转轮的凹槽内。液体在高速转轮上被加速，加速过程中受材料粘滞力及表面张力作用形成液滴，其直径与材料性质及转轮转速有关。当液滴所受离心力大于液体在转轮表面所受摩擦力后，将沿转轮切向方向出射，并且当转轮转速恒定时液滴直径恒定。液滴产生过程中，通过控制转轮转速控制液滴出射频率，当转速稳定时可得到稳定频率且一定初速度的液滴链。相对于现有技术，本发明具有如下优点：

[0043] 1）本发明是基于转轮的液滴产生装置，通过转化的加速作用，能产生出射频率与初速度均较高、且稳定可控的液滴；

[0044] 2）本发明同时采用了内径可控的出料导管，实现了液滴微米级尺寸的稳定可控；

[0045] 3）本发明能够方便地进行各种改装，可实现液滴阵列的空间分布。

[0046] 4）本发明具有结构简单可靠、输出稳定、运转维修费用低等优点。

[0047] 5）本发明的内外双层壳体结构在压电陶瓷调节导管内径的过程中使导管内径得到均匀调整。同时，当物料液体温度过高或过低时可以在内外壳之间加入保温材料提高装置的安全性能。

[0048] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。