CN104621082B - 一种驻波谐振压电喷雾设备及其压电喷雾方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻波谐振压电喷雾设备及其压电喷雾方法，其设备包括驱动电源、复合型压电振子、容器、入口单向阀、出口单向阀、旋流喷嘴、旋流阀芯、出口单向阀基座，容器内形成有驻波谐振腔，驻波谐振腔贯通容器的一端面，并采用复合型压电振子密封，复合型压电振子的电极面通过引线与驱动电源相连；容器的另一端面设有流体出口，流体出口处装有出口单向阀；容器的外侧壁上设有流体入口，流体入口处装有入口单向阀；旋流喷嘴与容器可拆卸连接；旋流阀芯和出口单向阀基座放入旋流喷嘴内；旋流阀芯上开有多条螺旋型的旋流通槽；旋流喷嘴内形成有旋流室。本发明解决了传统雾化装置结构较复杂、体积较大、造价较高的问题。

Description

一种驻波谐振压电喷雾设备及其压电喷雾方法

技术领域

本发明涉及植保机械的技术领域，尤其是指一种驻波谐振压电喷雾设备及其压电喷雾方法，适用于与农作物及果树等病虫害防治有关的植保机械行业。

背景技术

现阶段适用于植保机械的雾化方式主要有两种，即压力雾化和离心式雾化。压力雾化是直接通过外力驱动或机械运动，使液体内部产生高压并经由一定形状的微喷孔喷出而破裂雾化于周围的空气中。压力雾化是一种粗犷式的喷雾，难以满足超低量喷雾和生物最佳粒径的要求。离心式雾化是利用一个高速旋转的部件产生离心力，使液体成雾状喷洒出，其优点在于产生的雾滴粒谱比压力雾化窄，雾滴直径通常为10～50μm，可满足超低量喷雾和生物最佳粒径的要求。但装置中高速旋转部件的转速高达7000～14000转/分，加工精度要求高，且需要良好的动态平衡性能，此外高速旋转部件也容易产生磨损。

近年来，随着现代精细农业的发展，研制农药用量少，雾滴直径小、吸附能力强、环境污染少且结构简单的喷雾设备，已成为农药使用技术的一个发展方向。其中，利用压电材料产生的高频超声振动，使液体在气相中分散并形成微细雾滴的压电雾化技术更适合现代精细农业领域。其工作原理是利用压电材料的高频振动，使液体形成波状液体薄膜并破碎形成细小的雾状液滴。但这种结构的喷雾装置往往还需要配置空气泵，以产生高压气流来喷洒雾滴，因此需要额外的能量消耗且体积较大，此外也不利于使雾滴形成较为精确统一的体积尺寸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种驻波谐振压电喷雾设备及其压电喷雾方法，以解决传统雾化装置结构较复杂、体积较大、造价较高的问题，从而达到提高能量效率、减小体积、节约投资的效果。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其驻波谐振压电喷雾设备，包括有驱动电源、复合型压电振子、容器、入口单向阀、出口单向阀、旋流喷嘴、旋流阀芯、出口单向阀基座，其中，所述容器内形成有用于储存液体的驻波谐振腔，该驻波谐振腔贯通容器的一端面，并采用复合型压电振子密封，该复合型压电振子的一端面与容器粘合在一起，其另一端面，即电极面通过引线与驱动电源相连，驱动电源产生的交变电场通过引线加载在复合型压电振子的电极面上，激励复合型压电振子产生周期性的横向弯曲振动，而利用复合型压电振子的周期性横向弯曲振动，将使得驻波谐振腔内的流体产生驻波谐振；所述容器的另一端面开设有连通驻波谐振腔的流体出口，且在该流体出口处安装有出口单向阀；所述容器的外侧壁上开设有连通驻波谐振腔的流体入口，且在该流体入口处安装有入口单向阀；所述旋流喷嘴与容器开有流体出口的一端部可拆卸连接；所述旋流阀芯和出口单向阀基座按先后顺序依次放入旋流喷嘴内，且该旋流阀芯和出口单向阀基座之间保持间距；所述出口单向阀装于出口单向阀基座上，驻波谐振腔内的流体能经出口单向阀流至旋流阀芯处；所述旋流阀芯上开有多条螺旋型的供流体进入的旋流通槽；所述旋流喷嘴内形成有旋流室，该旋流室连通旋流通槽和喷嘴出口，位于它们两者之间。

所述旋流阀芯和出口单向阀基座之间安装有压紧弹簧。

所述旋流通槽的螺旋角α在45°～75°之间。

所述旋流室呈圆锥状，其锥角θ在30°～60°之间。

所述复合型压电振子由圆形压电片与金属薄圆板利用环氧树脂胶结而成。

所述旋流通槽的槽口形状为半圆形

所述入口单向阀为伞形阀。

所述旋流喷嘴与容器螺纹连接。

本发明所述的驻波谐振压电喷雾设备的压电喷雾方法，如下：

首先，利用驱动电源使复合型压电振子产生横向弯曲振动，使得外界液体通过入口单向阀吸入驻波谐振腔内；然后随着复合型压电振子的周期性往复振动，使得驻波谐振腔内的流体产生纵波振荡，当流体纵波在驻波谐振腔内形成稳定振荡后，入射波与反射波在腔内将形成一个驻波场；根据流体的波传播理论，当驻波谐振腔的长度为驻波半波长的整数倍时，腔内流体将产生驻波谐振，从而使腔内流体的压强得到增强；最后，当驻波谐振腔内的流体通过出口单向阀进入旋流喷嘴后，通过旋流阀芯的旋流通槽，流体被旋转加速并流入旋流室，旋转的液体被离心力甩向旋流室壁并形成一个空心锥，最终液体以不断变薄的液膜形式从喷嘴出口离开，并破碎成雾化液滴。

当复合型压电振子向外振动时，驻波谐振腔的体积增大，腔内压强减小，外界液体将通过入口单向阀流入腔体内，此时出口单向阀处于关闭状态；

当复合型压电振子向内振动时，驻波谐振腔的体积减小，腔内压强增大，此时出口单向阀打开，入口单向阀关闭，腔内流体将通过出口单向阀流入旋流喷嘴；

随着复合型压电振子的往复振动，将使得腔内流体产生纵波振荡，当流体纵波在腔内形成稳定振荡后，入射波与反射波在驻波谐振腔内形成一个驻波场，根据流体的波传播理论，当驻波谐振腔的长度L为驻波半波长的整数倍时，腔内流体将产生驻波谐振，从而使腔内液体的驻波压强得到增强；

根据波传播理论，当振动频率较高时，若腔体内的流体产生驻波谐振，将使得腔内流体压强产生较大增强，压强变化的表达式为

δP＝ρcu (1)

式中，ρ为流体密度，c为流体波速，u为流体沿波传播方向的流速；

又有波速c的表达式为

$c=\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

式中，B为流体的体积模量，要产生驻波谐振，需满足腔体长度L与波长λ的关系式为

$L=k\frac{\mathrm{\λ}}{4}---\left(3\right)$

k＝1,2,…

上式中，波长λ的表达式为

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}---\left(4\right)$

式中，f为驻波的频率，由上式(1)-(4)可知，腔内流体的驻波谐振频率为

$f=\frac{c}{4L}=\frac{1}{4L}\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

由于驻波谐振腔内的流体振荡是由复合型压电振子的振动引起，因此复合型压电振子的振动频率应与公式(5)中驻波谐振频率相同，结合上述公式即可求得驻波谐振腔的长度L。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明采用驻波谐振腔结构，基于液体在复合型压电振子的激励下产生驻波谐振的工作原理，较大地增强腔内流体的压强，从而显著地提高能量转换效率。

2、与已有的高频压电喷雾装置相比，本发明使用的复合型压电振子的横向弯曲振动频率较低，这相应地降低了能量消耗。

3、本发明使用了旋流喷嘴结构，利用旋转液体自身的离心力使液体破碎成雾化液滴，不需要使用高速旋转部件及外置空气泵，也无需在喷嘴处蚀刻出微喷孔，大大简化了设备结构，而且降低了造价。

附图说明

图1为本发明所述驻波谐振压电喷雾设备的装配剖视图。

图2为本发明所述驻波谐振压电喷雾设备的分解图。

图3为复合型压电振子的剖视图。

图4为旋流喷嘴的结构示意图。

图5为标有旋流室锥角θ的旋流喷嘴剖视图。

图6为旋流阀芯的结构示意图。

图7为标有螺旋角α的旋流通槽示意图。

图8a为复合型压电振子做横向弯曲振动的振型图之一。

图8b为复合型压电振子做横向弯曲振动的振型图之二。

图9a为流体在驻波谐振腔内形成驻波谐振的原理图之一。

图9b为流体在驻波谐振腔内形成驻波谐振的原理图之二。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图7所示，本实施例所述的驻波谐振压电喷雾设备，包括有驱动电源1、复合型压电振子2、容器3、入口单向阀4、出口单向阀5、旋流喷嘴6、旋流阀芯7、出口单向阀基座8，其中，所述容器3内形成有用于储存液体的驻波谐振腔301，该驻波谐振腔301贯通容器3的一端面，并采用复合型压电振子2密封，所述复合型压电振子2是由圆形压电片201与金属薄圆板202利用环氧树脂胶结而成，该复合型压电振子2的一端面与容器3粘合在一起，其另一端面，即电极面通过两条引线11与驱动电源1相连，驱动电源1产生的交变电场通过引线11加载在复合型压电振子2的电极面上，激励复合型压电振子2产生周期性的横向弯曲振动，如图8a和图8b所示，而利用复合型压电振子2的周期性横向弯曲振动，将使得驻波谐振腔301内的流体产生驻波谐振。所述容器3的另一端面中心处开设有连通驻波谐振腔301的一流体出口，且在该流体出口处插装有出口单向阀5。所述容器3的外侧壁上开设有连通驻波谐振腔301的一流体入口，该流体入口靠近容器3的流体出口，且在该流体入口处安装有入口单向阀4，而在本实施例中，所述入口单向阀4具体为伞形阀。所述旋流喷嘴6与容器3开有流体出口的一端部螺纹连接，所述旋流阀芯7和出口单向阀基座8按先后顺序依次放入该旋流喷嘴6内，且该旋流阀芯7和出口单向阀基座8之间保持间距，该旋流阀芯7和出口单向阀基座8之间还安装有压紧弹簧10，该压紧弹簧10的一端与旋流阀芯7相抵触，其另一端与单向阀基座8相抵触。所述出口单向阀5放置于出口单向阀基座8的相应安装位处，其出口贯通该单向阀基座8，使得驻波谐振腔301内的流体能经出口单向阀5流至旋流阀芯7处。所述旋流阀芯7上开有八条螺旋型的供流体进入的旋流通槽701，所述旋流通槽701的螺旋角α在45°～75°之间，其槽口形状为半圆形。所述旋流喷嘴6内形成有圆锥状的旋流室9，其锥角θ在30°～60°之间，该旋流室9连通旋流通槽701和喷嘴出口601，并位于它们两者之间。

以下为本实施例上述驻波谐振压电喷雾设备的压电喷雾方法，其具体情况如下：

首先，利用驱动电源1使复合型压电振子2产生横向弯曲振动，当复合型压电振子2向外振动时，驻波谐振腔301的体积增大，腔内压强减小，外界液体将通过入口单向阀4流入腔体内，此时出口单向阀5处于关闭状态。

当复合型压电振子2向内振动时，驻波谐振腔301的体积减小，腔内压强增大，此时出口单向阀5打开，入口单向阀4关闭，腔内流体将通过出口单向阀5流入旋流喷嘴6。

随着复合型压电振子2的往复振动，将使得腔内流体产生纵波振荡，当流体纵波在腔内形成稳定振荡后，入射波与反射波将在驻波谐振腔301内形成一个驻波场，根据流体的波传播理论，当驻波谐振腔301的长度L为驻波半波长的整数倍时，腔内流体将产生驻波谐振，从而使腔内液体的驻波压强得到显著增强，如图9a和图9b所示。

根据波传播理论，当振动频率较高时，若腔体内的流体产生驻波谐振，将使得腔内流体压强产生较大增强，压强变化的表达式为

δP＝ρcu (1)

式中，ρ为流体密度，c为流体波速，u为流体沿波传播方向的流速；

又有波速c的表达式为

$c=\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

式中，B为流体的体积模量，要产生驻波谐振，需满足腔体长度L与波长λ的关系式为

$L=k\frac{\mathrm{\λ}}{4}---\left(3\right)$

k＝1,2,…

上式中，波长λ的表达式为

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}---\left(4\right)$

式中，f为驻波的频率，由上式(1)-(4)可知，腔内流体的驻波谐振频率为

$f=\frac{c}{4L}=\frac{1}{4L}\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

由于驻波谐振腔301内的流体振荡是由复合型压电振子2的振动引起，因此复合型压电振子的振动频率应与公式(5)中驻波谐振频率相同，结合上述公式即可求得驻波谐振腔的长度L(通过准确计算驻波谐振腔的长度L，使得谐振腔内的流体产生驻波谐振，从而无需借助其它外部设备，即可显著提高腔内流体的压强)。

当驻波谐振腔301内的流体通过出口单向阀5进入旋流喷嘴6后，通过旋流阀芯7的旋流通槽701，流体被旋转加速并流入旋流室9，旋转的液体被离心力甩向旋流室壁并形成一个空心锥，最终液体以不断变薄的液膜形式从喷嘴出口601离开，并破碎成雾化液滴。

综上所述，在采用以上方案后，本发明与现有的压力雾化、离心式雾化及压电雾化等技术相比，由于利用了腔内流体振荡产生的驻波谐振，使流体压强得到显著增强，因此对于能量的利用效率更高。此外，由于采用了旋流喷嘴结构，利用旋转液体自身的离心力使液体破碎成雾化液滴，不再需要高速旋转部件及额外的空气泵喷洒液滴，而且喷嘴出口也无需蚀刻出微喷孔，因此整个设备具有结构简单、造价低廉且免维护的优势，极大地提高了生产效率，降低成本，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：包括有驱动电源(1)、复合型压电振子(2)、容器(3)、入口单向阀(4)、出口单向阀(5)、旋流喷嘴(6)、旋流阀芯(7)、出口单向阀基座(8)，其中，所述容器(3)内形成有用于储存液体的驻波谐振腔(301)，该驻波谐振腔(301)贯通容器(3)的一端面，并采用复合型压电振子(2)密封，该复合型压电振子(2)的一端面与容器(3)粘合在一起，其另一端面，即电极面通过引线(11)与驱动电源(1)相连，驱动电源(1)产生的交变电场通过引线(11)加载在复合型压电振子(2)的电极面上，激励复合型压电振子(2)产生周期性的横向弯曲振动，而利用复合型压电振子(2)的周期性横向弯曲振动，将使得驻波谐振腔(301)内的流体产生驻波谐振；所述容器(3)的另一端面开设有连通驻波谐振腔(301)的流体出口，且在该流体出口处安装有出口单向阀(5)；所述容器(3)的外侧壁上开设有连通驻波谐振腔(301)的流体入口，且在该流体入口处安装有入口单向阀(4)；所述旋流喷嘴(6)与容器(3)开有流体出口的一端部可拆卸连接；所述旋流阀芯(7)和出口单向阀基座(8)按先后顺序依次放入旋流喷嘴(6)内，且该旋流阀芯(7)和出口单向阀基座(8)之间保持间距；所述出口单向阀(5)装于出口单向阀基座(8)上，驻波谐振腔(301)内的流体能经出口单向阀(5)流至旋流阀芯(7)处；所述旋流阀芯(7)上开有多条螺旋型的供流体进入的旋流通槽(701)；所述旋流喷嘴(6)内形成有旋流室(9)，该旋流室(9)连通旋流通槽(701)和喷嘴出口(601)，位于它们两者之间。

2.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述旋流阀芯(7)和出口单向阀基座(8)之间安装有压紧弹簧(10)。

3.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述旋流通槽(701)的螺旋角α在45°～75°之间。

4.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述旋流室(9)呈圆锥状，其锥角θ在30°～60°之间。

5.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述复合型压电振子(2)由圆形压电片(201)与金属薄圆板(202)利用环氧树脂胶结而成。

6.根据权利要求1或3所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述旋流通槽(701)的槽口形状为半圆形。

7.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述入口单向阀(4)为伞形阀。

8.根据权利要求1所述的一种驻波谐振压电喷雾设备，其特征在于：所述旋流喷嘴(6)与容器(3)螺纹连接。

9.一种权利要求1所述驻波谐振压电喷雾设备的压电喷雾方法，其特征在于：首先，利用驱动电源使复合型压电振子产生横向弯曲振动，使得外界液体通过入口单向阀吸入驻波谐振腔内；然后随着复合型压电振子的周期性往复振动，使得驻波谐振腔内的流体产生纵波振荡，当流体纵波在驻波谐振腔内形成稳定振荡后，入射波与反射波在腔内将形成一个驻波场；根据流体的波传播理论，当驻波谐振腔的长度为驻波半波长的整数倍时，腔内流体将产生驻波谐振，从而使腔内流体的压强得到增强；最后，当驻波谐振腔内的流体通过出口单向阀进入旋流喷嘴后，通过旋流阀芯的旋流通槽，流体被旋转加速并流入旋流室，旋转的液体被离心力甩向旋流室壁并形成一个空心锥，最终液体以不断变薄的液膜形式从喷嘴出口离开，并破碎成雾化液滴。

10.根据权利要求9所述的一种驻波谐振压电喷雾设备的压电喷雾方法，其特征在于：

当复合型压电振子向外振动时，驻波谐振腔的体积增大，腔内压强减小，外界液体将通过入口单向阀流入腔体内，此时出口单向阀处于关闭状态；

当复合型压电振子向内振动时，驻波谐振腔的体积减小，腔内压强增大，此时出口单向阀打开，入口单向阀关闭，腔内流体将通过出口单向阀流入旋流喷嘴；

随着复合型压电振子的往复振动，将使得腔内流体产生纵波振荡，当流体纵波在腔内形成稳定振荡后，入射波与反射波在驻波谐振腔内形成一个驻波场，根据流体的波传播理论，当驻波谐振腔的长度L为驻波半波长的整数倍时，腔内流体将产生驻波谐振，从而使腔内液体的驻波压强得到增强；

根据波传播理论，当振动频率较高时，若腔体内的流体产生驻波谐振，将使得腔内流体压强产生较大增强，压强变化的表达式为

δP＝ρcu (1)

式中，ρ为流体密度，c为流体波速，u为流体沿波传播方向的流速；

又有波速c的表达式为

$c=\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

式中，B为流体的体积模量，要产生驻波谐振，需满足腔体长度L与波长λ的关系式为

$L=k\frac{\mathrm{\λ}}{4}---\left(3\right)$

k＝1,2,…

上式中，波长λ的表达式为

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}---\left(4\right)$

式中，f为驻波的频率，由上式(1)-(4)可知，腔内流体的驻波谐振频率为

$f=\frac{c}{4L}=\frac{1}{4L}\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

由于驻波谐振腔内的流体振荡是由复合型压电振子的振动引起，因此复合型压电振子的振动频率应与公式(5)中驻波谐振频率相同，结合上述公式即可求得驻波谐振腔的腔体长度L。