CN110064451B - 流体驱动机构及流体驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体驱动机构，用于微液滴生成系统，包括变容积组件和动力组件。变容积组件包括注射筒及推杆，推杆与注射筒的内壁滑动配合，注射筒内能够储存驱动液体，注射筒具有进出液口，进出液口用于连通储存有第一液体的吐液枪头的入口端，动力组件与推杆传动连接。在微液滴的生成过程中，动力组件驱动推杆挤压储存在注射筒内驱动液体，驱动液体挤压储存在吐液枪头内的第一液体，进而将第一液体从吐液枪头的出口端排出。本发明还涉及一种采用上述流体驱动机构的流体驱动方法。本发明提供的流体驱动机构及流体驱动方法，利用驱动液体的不可压缩性保证了吐液枪头的出口端在高频率振动时仍能按照设定的流速将第一液体从吐液枪头的出口端排出。
Description
技术领域
本发明涉及微量液体的量取、分配技术领域，特别是涉及一种流体驱动机构及流体驱动方法。
背景技术
目前在医学临床检验、纳米材料制备、食品及环境检测、生化分析等应用领域都有着对微量液体精确操作的广泛需求。微量液体操作的核心技术之一是把微升量级的液体进一步分割为纳升甚至皮升体积的微反应体系。微反应体系生成的一个主要技术分支是乳化微液滴生成。
近些年来，在文献中报道了多种微液滴生成技术，如膜乳化法、喷雾乳化法、微流控芯片法、吐液枪头注射/喷射法等。其中，吐液枪头注射/喷射法作为最新的微液滴生成技术，在微液滴的生成方面及耗材成本控制方面均具有良好的应用前景。生成微液滴的过程中，吐液枪头的出口端处于运动状态，排出液体的流速不稳定、不可控。所生成的微液滴体积大小呈现随机性。
发明内容
基于此，有必要针对吐液枪头在运动时因排出液体的流速不稳定、不可控导致的微液滴体积大小呈现出随机性的问题，提供一种能够保证吐液枪头按照设定流速排出液体的流体驱动机构及流体驱动方法。
一种流体驱动机构，用于微液滴生成系统，包括：
变容积组件，包括注射筒及推杆，所述推杆与所述注射筒的内壁滑动配合，所述注射筒内能够储存驱动液体，所述注射筒具有进出液口，所述进出液口用于连通储存有第一液体的吐液枪头的入口端；
动力组件，与所述推杆传动连接，用于驱动所述推杆沿所述注射筒的延伸方向滑动；
在微液滴的生成过程中，所述动力组件驱动所述推杆挤压储存在所述注射筒内的驱动液体，驱动液体挤压储存在吐液枪头内的第一液体，进而将第一液体从吐液枪头的出口端排出。
一种流体驱动方法，采用上述方案任一项所述的流体驱动机构，所述流体驱动方法包括：所述动力组件驱动所述推杆挤压储存在所述注射筒内的所述驱动液体，所述驱动液体挤压储存在所述吐液枪头内的所述第一液体，所述第一液体从所述吐液枪头的出口端排出。
一种流体驱动方法，采用上述方案所述的流体驱动机构，所述流体驱动方法包括：
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述储液罐连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将所述储液罐内的所述驱动液体吸入所述注射筒内；
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以排出所述注射筒内以及所述吐液枪头内的气体；
所述吐液枪头的出口端进入所述第一液体中，并维持所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将所述第一液体吸进所述吐液枪头内；
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将储存在所述吐液枪头内的所述第一液体以均匀的流速排出所述吐液枪头的出口端。
上述流体驱动机构及流体驱动方法，利用驱动液体的不可压缩性保证了吐液枪头的出口端在高频率振动时仍能按照设定的流速将第一液体从吐液枪头的出口端排出。本发明提供的流体驱动机构能够精确控制所生成微液滴体积大小。
附图说明
图1为本发明提供的数字PCR检测仪的整体结构示意图；
图2为本发明提供的数字PCR检测仪的微液滴生成装置；
图3为本发明一实施例提供的吐液枪头的出口端运动时液滴的受力示意图；
图4为本发明一实施例提供的吐液枪头的出口端的速度变化示意图；
图5为本发明一实施例提供的吐液枪头的出口端运动时微液滴生成过程示意图；
图6为本发明一实施例提供的吐液枪头的出口端结构示意图；
图7为本发明另一实施例提供的吐液枪头的出口端结构示意图；
图8为本发明一实施例提供的吐液枪头结构示意图；
图9为本发明另一实施例提供的吐液枪头结构示意图；
图10为本发明一实施例提供的斜切结构吐液枪头生成微液滴的过程示意图；
图11为本发明另一实施例提供的斜切结构吐液枪头生成微液滴的过程示意图；
图12为本发明一实施例提供的弯折结构吐液枪头生成微液滴的过程示意图；
图13为本发明另一实施例提供的弯折结构吐液枪头生成微液滴的过程示意图；
图14为本发明一实施例提供的流体控制机构与吐液枪头连接示意图；
图15为本发明一实施例提供的流体控制机构结构示意图；
图16为本发明一实施例提供的吐液枪头在驱动液体驱动下生成微液滴过程示意图；
图17为本发明另一实施例提供的流体控制机构结构示意图。
其中：
1-数字PCR检测仪；10-微液滴生成装置；20-温控装置；30-荧光信号检测装置；40-定量分析装置；50-控制器；110-吐液枪头；111-入口端；112-出口端；113-针梗；114-针栓；115-储液槽；116-卡槽；190-第一液体；195-液滴；199-微液滴；120-流体驱动机构；121-变容积组件；1211-注射筒；1212-推杆；1213-进出液口；1214-驱动液体；122-动力组件；1221-驱动电机；1222-丝杆；1223-滑块；123-细管；124-三通换向阀；125-储液罐；130-运动控制机构；170-第一控制器；60-微液滴容器；699-第二液体；f1-浮力；f2-粘滞阻力；f3-最大附着力；G-重力。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。实施例附图中各种不同对象按便于列举说明的比例绘制，而非按实际组件的比例绘制。
数字PCR(Digital PCR，dPCR)是一种核酸分子绝对定量技术。相较于qPCR，数字PCR可让你能够直接数出DNA分子的个数，是对起始样品的绝对定量。定量PCR是依靠标准曲线或参照基因来测定核酸量，而数字PCR则让你能够直接数出DNA分子的个数，是对起始样品的绝对定量。
目前，数字PCR包括液滴式PCR检测方法和芯片式检测方法。芯片式检测方法中单个芯片上的有效反应腔数量一般只有数千个，远少于液滴式。所以，芯片式数字PCR的动态范围相对于液滴式较窄。液滴式PCR检测方法将样本分散成油包水的反应单元，之后对每个反应单元进行实时或终点荧光分析。但是，目前的数字PCR仪器存在有效反应单元数量少，耗材成本高、动态范围较窄，工作效率低以及集成化程度不高的问题。
基于此，有必要针对目前数字PCR仪器的问题，提供一种数字PCR检测仪。
请参见图1，本发明提供一种数字PCR检测仪1，所述数字PCR检测仪1包括：微液滴生成装置10、温控装置20、荧光信号检测装置30、定量分析装置40以及控制器50。所述微液滴生成装置10用以将核酸扩增反应液微滴化，形成多个微液滴。所述温控装置20与所述微液滴生成装置10通过轨道连接，用以将所述多个微液滴转移至所述温控装置20，进行温度循环，实现核酸扩增。所述荧光信号检测装置30与所述温控装置20相对设置，用以对核酸扩增后的所述多个微液滴进行拍照检测。所述定量分析装置40与所述荧光信号检测装置30通过数据线连接，用以实现所述多个微液滴荧光信息的传输，进行定量分析。所述控制器50分别与所述微液滴生成装置10、所述温控装置20、荧光信号检测装置30以及定量分析装置40连接，用以控制所述微液滴生成装置10、所述温控装置20、荧光信号检测装置30以及定量分析装置40。
所述数字PCR检测仪1可以将所述微液滴生成装置10、所述温控装置20、所述荧光信号检测装置30以及所述定量分析装置40集成化，从而使得操作人员可以实现自动化操作。所述数字PCR检测仪1具有较高的工作效率。
所述数字PCR检测仪1在工作时，所述微液滴生成装置10可以将所述待测核酸扩增反应液进行微滴化，从而形成多个微液滴。所述温控装置20可以对所述多个微液滴进行核酸扩增。所述荧光信号检测装置30实时拍测所述多个微液滴的荧光变化图片。通过所述多个微液滴的荧光变化图片，可以获取所述多个微液滴的荧光变化曲线。根据所述荧光变化曲线，可以获取所述多个微液滴的Ct值，并通过Ct值与起始拷贝数的关系对初始DNA的浓度进行定量分析。其中，Ct值是指每个微液滴的荧光信号达到设定的阈值时所经历的循环数。
所述温控装置20对所述多个微液滴进行核酸扩增反应，并通过所述荧光信号检测装置30采集核酸扩增反应后的所述多个微液滴的产物信号，如荧光、紫外吸收、浊度等信号。利用所述多个扩增与非扩增微液滴在组成上的差异，对获得目标序列扩增的液滴数量进行分析，最终实现对核酸分子的定量分析。通过实时监测所述多个微液滴的荧光变化图片，检测结果具有直接性，可以解决所述多个微液滴中的假阳性和假阴性的问题。
所述数字PCR检测仪1将所述微液滴生成装置10、所述温控装置20、所述荧光信号检测装置30以及所述定量分析装置40集成化，使得所述操作人员可以实现自动化操作，不进提高了工作效率，还具有反应快速、重复性好、灵敏度高、特异性强和结果清晰的优点。
目前医学临床检验、纳米材料制备、食品及环境检测、生化分析等应用领域都对微量液体精确操作具有广泛需求。微量液体操作的核心技术之一是把微升量级的液体进一步分割为纳升甚至皮升体积的液滴，作为微反应体系。微反应体系生成的一个主要技术分支是乳化微液滴生成。
近些年来，在文献中报道了多种微液滴生成技术，如膜乳化法、喷雾乳化法、微流控芯片法和吐液枪头注射/喷射法。然而，通过吐液枪头生成乳化微液滴的方法在实际应用中都各存在一定的缺点。有的方法利用微量液体在气液相界面变换时的界面能和流体剪切力，克服液体在吐液枪头出口的表面张力和附着力，使流出吐液枪头管口的液滴能顺利地脱离吐液枪头，并在不相溶液体中形成大小可控的液滴。但是这种方法需要吐液枪头在液面上下切割运动，还需要对吐液枪头相对于液面的起始和终点位置进行高精度的定位，在工程实现上难度很大。上述方法在吐液枪头反复快速进出液相的过程中，液相的表面易形成不稳定的驻波，限制了微液滴的生成速率。还有的方法通过吐液枪头在液体里的圆周或者螺旋匀速运动产生的剪切力切断注入的不相溶液体而形成液滴。但是，这种方法由于吐液枪头产生液滴的大小受到各种系统因素变化的影响较大(比如液体的粘稠度、环境的温度、运动速度、运动轨迹等)，从而产生误差。并且，这一误差会随着产生液滴的数量增多而积累，因而大批量液滴生成的体积大小均一性的控制难度很大。
基于此，有必要针对在生成微液滴的过程中存在的微液滴生成速率较慢、生成微液滴体积大小均一性难以控制的问题，提供一种微液滴快速生成且体积大小均一性高的微液滴生成方法及装置。
请参见图2，在一个实施例中，所述微液滴生成装置10包括吐液枪头110、流体驱动机构120、运动控制机构130以及第一控制器170。所述吐液枪头110具有出口端及入口端，并用于储存第一液体。微液滴生成装置10可以与微液滴容器配合使用。所述微液滴容器中储存有第二液体，所述吐液枪头110的出口端插入所述第二液体的液面下。
所述第一液体与所述第二液体之间互不相溶或具有界面反应。第一液体和第二液体可以为任意不互溶的两种液体，在本发明的一个实施例中，所述第一液体为水溶液，所述第二液体为与水不互溶的油性液体，如矿物油(包括正十四烷等)、植物油、硅油和全氟烷烃油等，生成的液滴为水溶液液滴。或者，所述第一液体为矿物油，如十四烷和正己烷等有机相，所述第二液体为与矿物油不互溶的全氟烷烃油。所述第一液体和第二液体可以为不互溶的双水相，在本发明的另一个实施例中，所述第一液体为水溶液，所述第二液体为与水不互溶的水性液体，如第一液体为右旋糖酐溶液，第二液体为聚乙二醇(PEG)水溶液，生成的液滴为右旋糖酐溶液液滴。
所述第一液体和第二液体也可以为具有界面反应的两种液体，在本发明的一个实施例中，所述第一液体为海藻酸纳水溶液，所述第二液体为氧化钙水溶液，如质量浓度为1％的氧化钙水溶液，两者存在界面反应，生成的液滴为海藻酸钙凝胶微球。本申请还可以通过更换吐液枪头或吐液枪头内流出第一液体的组分，顺次在开口容器中形成多个不同组分和体积的液滴，既可以用于实现大批量的微体积高通量筛选，也可以实现多步骤的超微量生化反应和检测，具有广阔的应用前景。
所述流体驱动机构120与所述吐液枪头110的入口端连接，用于将储存在所述吐液枪头110内部的所述第一液体从所述吐液枪头110的出口端排出。所述运动控制机构130用于控制所述吐液枪头110的出口端与所述第二液体之间产生设定轨迹或设定速度或设定加速度的相对运动，以使排出所述吐液枪头110的出口端的第一液体克服表面张力及所述吐液枪头110对其的附着力形成微液滴。所述第一控制器170分别与所述流体驱动机构120以及所述运动控制机构130连接，用以控制所述流体驱动机构120以及所述运动控制机构130协调工作。
有文献报道了微液滴生成技术，如膜乳化法、喷雾乳化法、微流控芯片法、吐液枪头注射/喷射法等。其中，吐液枪头注射/喷射法作为最新的微液滴生成技术，在微液滴的生成方面及耗材成本控制方面均具有良好的应用前景。一般的吐液枪头注射/喷射法需要吐液枪头在液面上下切割运动以生成微液滴。但这种方法会在液面形成不稳定的驻波，微液滴的生成过程不稳定。
基于此，有必要针对一般的吐液枪头注射/喷射法存在的微液滴生成过程不稳定的问题，提供一种微液滴生成过程稳定的微液滴生成方法。
如图3所示，在本发明一实施例中，在运动控制机构130的带动下，吐液枪头110的出口端112可以在第二液体液面下做包含瞬时加速的运动，加速度大小为a1。第一液体从吐液枪头110的出口端112排出后形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195。液滴195在吐液枪头110的出口端112瞬时加速的瞬间脱离吐液枪头110的出口端112形成微液滴。微液滴在脱离吐液枪头110的出口端112之前的所受到的作用力分别为重力G、第二液体的浮力f1、第二液体的粘滞阻力f2以及吐液枪头110的出口端112与液滴195之间的最大附着力f3。微液滴在脱离吐液枪头110的出口端112之前的质量为m、加速度大小为a2。根据牛顿第二运动定律，得出
吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3与吐液枪头110的表面自由能、液滴195的表面张力以及吐液枪头110的几何尺寸有关。吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动时，吐液枪头110的出口端112对液滴195附着力的方向与加速度的方向相同。将附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195简化为球状。由斯托克斯(Stokes)公式可知，液滴195在第二液体中运动时所受到的粘滞阻力f2＝6πηrv，其中η为第二液体的粘滞系数，r为液滴195的半径，v为液滴195的运动速度。在吐液枪头110的出口端112做瞬时加速之前液滴195的速度为零，因此液滴195在吐液枪头110的出口端112瞬时加速的瞬间在第二液体中受到的粘滞阻力f2为零或极小。在微液滴生成的过程中，一般液滴195的直径范围在皮升至微升的数量级，且液滴195的重力G和第二液体的浮力f1方向相反，因此液滴195的重力G与第二液体的浮力f1的矢量和约为零。由于粘滞阻力f2为零或极小，以及重力G与浮力f1的矢量和约为零，所以由牛顿第二运动定律可知，吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动时，液滴195在第二液体中能达到的最大加速度为a2≈f3/m，其中m为液滴195的质量。当液滴195的加速度a2小于吐液枪头110的出口端112的加速度a1时，液滴195从吐液枪头110的出口端112掉落形成微液滴。因此，液滴195脱离吐液枪头110的出口端112(即生成一个微液滴)的条件近似为：a2≈(f3/m)＜a1。
运动控制机构130能够精确控制吐液枪头110的出口端112瞬时加速度的大小。因此，通过控制吐液枪头110的出口端112每次瞬时加速度的值均较大，吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动能够有效的生成液滴195。
基于此，本发明还提供一种微液滴生成方法，包括以下步骤：
S201，提供具有出口端112的吐液枪头110，吐液枪头110内储存有第一液体；提供储存有第二液体的微液滴容器，微液滴容器具有开口，其中第一液体与第二液体为任意互不相溶的两种液体或具有界面反应的两种液体；
S202，吐液枪头110的出口端112由微液滴容器的开口插入第二液体的液面下；
S203，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下做包含瞬时加速的运动，同时第一液体由吐液枪头110的出口端112排出，排出吐液枪头110的出口端112的第一液体形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195，液滴195在吐液枪头110的出口端112的瞬时加速运动过程中脱离吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下形成微液滴。
上述微液滴生成方法中，由于所述吐液枪头110的出口端112瞬时加速时加速度数值较大，附着在所述吐液枪头110的出口端112的液滴195与所述吐液枪头110的出口端112之间的附着力不足以带动液滴195与所述吐液枪头110的出口端112同步加速，从而使得附着在所述吐液枪头110的出口端112的液滴195脱离所述吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下形成微液滴。本发明所提供的微液滴生成方法，所述吐液枪头110的出口端112在第二液体的液面下做瞬时加速运动时产生微液滴，减小了所述吐液枪头110的出口端112运动时对第二液体造成的扰动，保证了微液滴生成过程的稳定性。
可选的，在步骤S203中，第一液体由吐液枪头110的出口端112排出的方式可以为连续排出或非连续排出。具体的排出方式，可根据实际工况进行相应的设计。在本实施例中，在步骤S203中，第一液体由吐液枪头110的出口端112连续排出，以充分利用吐液枪头110的出口端112的每一次瞬时加速生成微液滴。在一个实施例中，在步骤S203中，第一液体由吐液枪头110的出口端112以恒定的流速排出，意即在相等的时间间隔内，排出吐液枪头110的出口端112的第一液体体积总是相等的。第一液体由吐液枪头110的出口端112以恒定的流速排出，有利于通过控制吐液枪头110的出口端112的运动实现微液滴生成的控制。
在本发明一实施例中，步骤S203中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下做包含瞬时加速的周期运动。吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下做周期运动，意即吐液枪头110的出口端112的位移、速度及加速度均呈现出周期性的变化。吐液枪头110的出口端112做包含瞬时加速运动的周期运动，配合第一液体由吐液枪头110的出口端112以恒定的流速排出，实现了微液滴的等时间间隔生成。或者第一液体排出吐液枪头110的出口端112的流速是变化的，但在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内，第一液体排出吐液枪头110的出口端112的体积保持相同。以此保证每次吐液枪头110的出口端112瞬时加速前液滴195的体积是相同的，以生成体积大小一致的微液滴。
在不更换吐液枪头110及第一液体的情况下，吐液枪头110的表面自由能、吐液枪头110的几何尺寸及液滴195的表面张力作为影响吐液枪头110的出口端112与液滴195之间最大附着力f3的两个因素是确定的。因此，在不更换吐液枪头110及第一液体的情况下，吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3是固定的。在流体驱动机构120的带动下，第一液体能够实现以均匀的流速连续排出吐液枪头110的出口端112。运动控制机构130能够精确控制吐液枪头110的出口端112做瞬时加速度a1运动的时刻及瞬时加速度a1的大小。流体驱动机构120与运动控制机构130相互配合能够容易的实现当液滴195的体积达到固定值的瞬间，驱动吐液枪头110的出口端112产生加速度为a1的瞬时加速度，以生成体积大小一致的微液滴。如果流体驱动机构120控制第一液体均匀、连续的排出吐液枪头110的出口端112，只需运动控制机构130驱动吐液枪头110的出口端112产生等时间间隔的瞬时加速运动，即可生成体积大小一致的微液滴。
当使用多个吐液枪头110同时或者顺次生成微液滴时，吐液枪头110的表面自由能及吐液枪头110的几何尺寸作为影响吐液枪头110的出口端112与液滴195之间最大附着力f3的两个因素是变化的。但批量加工能够控制吐液枪头110的表面自由能及吐液枪头110的几何尺寸在一定的区间内变化。液滴195的表面张力作为影响吐液枪头110的出口端112与液滴195之间最大附着力f3的另一个因素也只是在很小的范围内变化。因此，吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3只在很小的区间内波动。流体驱动机构120能够驱动第一液体以均匀的流速连续排出吐液枪头110的出口端112。运动控制机构130能够精确控制吐液枪头110的出口端112做瞬时加速度a1运动的时刻及瞬时加速度a1的大小。流体驱动机构120与运动控制机构130相互配合能够容易的实现当液滴195的体积达到固定值的瞬间，驱动吐液枪头110的出口端112产生加速度为a1的瞬时加速度，以生成体积大小一致的微液滴。如果流体驱动机构120控制第一液体均匀、连续的排出吐液枪头110的出口端112，只需运动控制机构130驱动吐液枪头110的出口端112产生等时间间隔的瞬时加速运动，即可生成体积大小一致的微液滴。
流体驱动机构120在将第一液体匀速排出吐液枪头110的出口端112的同时，配合运动控制机构130在液滴195的体积达到设定值的瞬间做加速度值较大的瞬时加速运动。本发明提供的微液滴生成方法不仅保证了使用同一根吐液枪头110生成体积大小均一的液滴195，同时能够保证多根吐液枪头110同时或者顺次生成的微液滴体积大小的均一性。本实施例提供的微液滴生成方法在保证微液滴体积大小均一性的同时，可通过多根吐液枪头110同时生成微液滴提高微液滴的生成效率。
进一步的，在运动控制机构130的控制下，吐液枪头110的出口端112在一个周期性运动内包括多次瞬时加速运动，多次瞬时加速运动的加速度大小相同，且多次瞬时加速运动的时刻均分吐液枪头110的出口端112的一个运动周期。吐液枪头110的出口端112在一个周期性运动内包括多次瞬时加速运动有助于在吐液枪头110的出口端112在一个运动周期内生成多个微液滴。可选的，步骤S203中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下的运动轨迹包括直线段、圆弧段、多边形等多种轨迹中的一种或多种的组合。作为一个可实现的方式，当吐液枪头110的出口端112在一个周期性运动内包括两次瞬时加速运动时，吐液枪头110的运动轨迹为直线或者圆弧。当吐液枪头110的出口端112在一个周期性运动内包括两次以上的瞬时加速运动时，吐液枪头110的出口端112在第二液体内做轨迹为正多边形，包括正三角形、正方形、正五边形、正六边形等。
作为一种可实现的方式，在步骤S203中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下的周期运动过程中，吐液枪头110的出口端112的速度大小呈矩形波变化。吐液枪头110的出口端112的速度大小呈矩形波变化，加速阶段结束以后即进入匀速阶段，有利于运动控制机构130实现对吐液枪头110的出口端112的运动状态的精确控制。可选的，表示吐液枪头110的出口端112运动速度大小变化的矩形波的高位时间和低位时间可以是相等的也可以是相异的。进一步，在步骤S203中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下的周期运动过程中，吐液枪头110的出口端112的速度大小呈方波变化。表示吐液枪头110的出口端112运动速度大小变化的矩形波的高位时间和低位时间是相等的。表示吐液枪头110的出口端112运动速度大小变化的矩形波处于低位时，吐液枪头110的出口端112的速度为零或具有相对于高位时反方向的速度。如图4所示，更进一步的，所述吐液枪头110的出口端112周期运动的前半周期与后半周期内，所述吐液枪头110的出口端112的速度大小相同，方向相反。在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内包含两次方向相反的瞬时加速运动。
在本实施例中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下的运动轨迹是直线段，吐液枪头110的出口端112从直线段的一个端点做瞬时加速运动，从直线段的另一个端点做反方向的瞬时加速运动。两次瞬时加速运动的的加速度大小均为a1。在其他的实施例中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下的运动轨迹是圆弧段或者多边形。进一步，步骤S203中，吐液枪头110的出口端112在第二液体液面下周期运动的频率介于0.1赫兹至200赫兹之间，在工程上容易实现。
如图4及图5所示，在本发明一个具体的实施例中，流体驱动机构120控制第一液体以恒定的流速排出吐液枪头110的出口端112。运动控制机构130控制吐液枪头110的输出端做运动轨迹为直线、速度呈方波变化的周期运动。当吐液枪头110的出口端112的速度方向发生改变时，吐液枪头110的出口端112的瞬时加速度达到最大值。附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195也在吐液枪头110的出口端112的瞬时加速度达到最大值时脱离吐液枪头110的出口端112而形成微液滴199。由于第一液体是以恒定流速排出吐液枪头110的出口端112，当液滴195从吐液枪头110的出口端112脱落时，新的液滴195进入生成状态。当吐液枪头110的出口端112再次反向加速时，新生成的液滴195也从吐液枪头110的出口端112掉落形成新的微液滴199。
本实施例中，吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内可生成两个微液滴199，且方波在工程上较易实现。在其他的实施例中，吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内生成一个微液滴199。可选的，在实施例中吐液枪头110的出口端112在第二液体699中沿任意方向做轨迹为直线的方波运动，包括：在与吐液枪头110的延伸方向垂直的平面内做轨迹为直线的方波运动、在与吐液枪头110的延伸方向成任意角度的平面内做轨迹为直线的方波运动、沿吐液枪头110的延伸方向做轨迹为直线的方波运动等。在本发明的其他实施例中，吐液枪头110的出口端112的运动轨迹为圆弧段或多边形时，吐液枪头110的出口端112在第二液体699中沿任意方向做轨迹为直线的方波运动，包括：在与吐液枪头110的延伸方向垂直的平面内做轨迹为直线的方波运动、在与吐液枪头110的延伸方向成任意角度的平面内做轨迹为直线的方波运动、沿吐液枪头110的延伸方向做轨迹为直线的方波运动等。
传统的吐液枪头一般呈直管状。上述直管状的吐液枪头沿自身的延伸方向靠近出口端的一端快速运动时，会打破已经生成的微液滴。为了保持生成的微液滴的完整性，须要降低吐液枪头的振动频率，从而导致微液滴的生成速率降低。
本发明一实施例，提供一种用于生成微液滴199的吐液枪头110，其包括具有中空腔体的针梗113及设置于针梗113一端的出口端112。吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角小于等于90°。在吐液枪头110沿管道主体的延伸方向振动时，微液滴199从吐液枪头110的出口端112掉落后在第二液体699粘滞力及吐液枪头110的出口端112端面的挤压作用下远离出口端112的运动轨迹，避免了微液滴199被出口端112打破，保持了已生成微液滴199的完整性，同时允许吐液枪头110沿管道主体的延伸方向快速振动以快速生成微液滴199。
如图6所示，作为一种可实现的方式，吐液枪头110呈直管状，吐液枪头110的出口端112为斜切结构。将吐液枪头110的出口端112进行斜切，兼顾所生成微液滴199的完整性及微液滴199的生成效率的同时，具有结构简单、易于实现、制造成本低、批量加工精度高的特点。进一步，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角介于15°-75°之间，可根据实际工况设计吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角。吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角不宜过大或过小，以免影响微液滴199的生成或打破微液滴199。更进一步的，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角介于30°-60°之间。具体的，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角为45°。45°角不仅能够保证微液滴199的顺利生成，还能够有效的将已生成的微液滴199挤离开出口端112的运动轨迹，避免吐液枪头110的出口端112打破已生成的微液滴199。
如图7所示，作为另一种可实现的方式，针梗113靠近吐液枪头110的出口端112的部分包括弯折结构。将吐液枪头110的出口端112进行弯折，兼顾所生成微液滴199的完整性及微液滴199的生成效率的同时，具有结构简单、易于实现、制造成本低、批量加工精度高的特点。进一步，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角介于15°-75°之间，可根据实际工况设计吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角。吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角不宜过大或过小，以免影响微液滴199的生成或打破微液滴199。更进一步的，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角介于30°-60°之间。具体的，吐液枪头110的出口端112端面的法线与针梗113的延伸方向之间的夹角为45°。45°角不仅能够保证微液滴199的顺利生成，还能够有效的将已生成的微液滴199挤离开出口端112的运动轨迹，避免吐液枪头110的出口端112打破已生成的微液滴199。
可选的，针梗113靠近吐液枪头110的出口端112的弯折结构具有折线段、圆弧段、光滑曲线段、直线段等中的一种或者组合。如图7所示，在本实施例中。针梗113靠近吐液枪头110的出口端112的部分具有过渡圆弧段，具体是圆弧段与直线段的组合。在加工过程中将直管状的吐液枪头110进行设定角度的圆弧弯折即可，加工方便。
如图8及图9所示，本发明一实施例提供的吐液枪头110还包括针栓114，针栓114具有沿针栓114的延伸方向贯通针栓114的储液槽115。储液槽115的一端与针梗113远离吐液枪头110的出口端112的一端连通，针栓114远离针梗113的一端是吐液枪头110的入口端111。针栓114与针梗113之间固定连接。用于生成微液滴199的第一液体可以提前储存在针栓114内，能够实现连续、批量的生成微液滴199。进一步，针栓114远离针梗113的一端内表面开设有卡槽116。卡槽116能够实现与流体驱动机构120的可拆卸连接。便于吐液枪头110的更换。
本发明还一种微液滴199生成装置，用于在第二液体699液面下生成微液滴199。微液滴199生成装置包括流体驱动机构120、运动控制机构130及上述方案任一项所述的吐液枪头110。吐液枪头110的内部储存有第一液体，吐液枪头110具有出口端112及入口端111。流体驱动机构120与吐液枪头110的入口端111连接，用于将储存在吐液枪头110内部的第一液体从吐液枪头110的出口端112排出。运动控制机构130用于控制吐液枪头110的出口端112在第二液体699的液面下产生设定轨迹或设定速度或设定加速度的运动，以使排出吐液枪头110的出口端112的第一液体克服表面张力及附着力在第二液体699内形成微液滴199。
本发明提供的吐液枪头110在第二液体699液面下运动的过程中生成微液滴199。作为一种可实现的方式，吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做速度大小呈方波变化的运动，加速度大小为a1。第一液体从吐液枪头110的出口端112排出后形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195。液滴195在吐液枪头110的出口端112瞬时加速的瞬间脱离吐液枪头110的出口端112形成微液滴199。如图3所示，微液滴199在脱离吐液枪头110的出口端112之前的所受到的作用力分别为重力G、第二液体699的浮力f1、第二液体699的粘滞阻力f2以及吐液枪头110的出口端112与液滴195之间的最大附着力f3。微液滴199在脱离吐液枪头110的出口端112之前的质量为m、加速度大小为a2。根据牛顿第二运动定律，易得出
吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3与吐液枪头110的表面自由能、液滴195的表面张力以及吐液枪头110的几何尺寸有关。吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动时，吐液枪头110的出口端112对液滴195附着力的方向与加速度的方向相同。将附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195简化为球状。由斯托克斯(Stokes)公式可知，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2＝6πηrv，其中η为第二液体699的粘滞系数，r为液滴195的半径，v为液滴195的运动速度。在吐液枪头110的出口端112做瞬时加速之前液滴195的速度为零，因此液滴195在吐液枪头110的出口端112瞬时加速的瞬间在第二液体699中受到的粘滞阻力f2为零或极小。在微液滴199生成的过程中，一般液滴195的直径范围在皮升至微升的数量级，且液滴195的重力G和第二液体699的浮力f1方向相反，因此液滴195的重力G与第二液体699的浮力f1的矢量和约为零。即存在由牛顿第二运动定律可知，吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动时，液滴195在第二液体699中能达到的最大加速度为a2≈f3/m，其中m为液滴195的质量。液滴195脱离吐液枪头110的出口端112(即生成一个微液滴199)的条件近似为：a2≈(f3/m)＜a1。
在运动控制机构130的带动下，能够精确控制吐液枪头110的出口端112瞬时加速度的大小。只要控制吐液枪头110的出口端112每次瞬时加速度的值均较大，吐液枪头110的出口端112做瞬时加速运动能够有效的生成液滴195。可选的，在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内，形成一个或两个或多个微液滴199。
如图10所示，在本发明一实施例中，吐液枪头110的出口端112端面的法线与管道主体的延伸方向之间的夹角为45°，吐液枪头110的出口端112呈斜切结构。第二液体699的液面朝上，吐液枪头110竖直布置。吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做轨迹为竖直线段、速度大小呈方波变化的运动。在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内生成一个微液滴199。吐液枪头110内储存有第一液体。流体驱动机构120控制吐液枪头110在吐液枪头110的每个运动周期内从出口端112排出等体积的第一液体。当附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195到达设定体积大小时，吐液枪头110的出口端112由上极限位置以大小为a1的加速度向下瞬时加速，同时附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195脱离吐液枪头110的出口端112形成微液滴199。在第二液体699粘滞力及吐液枪头110的出口端112端面的挤压作用下，微液滴199远离出口端112的运动轨迹而靠近吐液枪头110的侧壁。吐液枪头110的出口端112继续向下运动，与此同时第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195。当吐液枪头110的出口端112运动至下极限位置时，吐液枪头110的出口端112由下极限位置向上运动。在吐液枪头110的出口端112由下极限位置向上运动的过程中第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积增大。当吐液枪头110的出口端112运动至上极限位置时，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积大小与上一次脱落的微液滴199的体积大小相等。吐液枪头110的出口端112再次由上极限位置以大小为a1的加速度向下瞬时加速形成新的微液滴199，如此循环。
如图11所示，在本发明一实施例中，吐液枪头110的出口端112端面的法线与管道主体的延伸方向之间的夹角为45°，吐液枪头110的出口端112呈斜切结构。第二液体699的液面朝上，吐液枪头110竖直布置。吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做轨迹为竖直线段、速度大小呈方波变化的运动。在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内生成两个微液滴199。吐液枪头110内储存有第一液体。流体驱动机构120控制第一液体以均匀流速从出口端112排出。当附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195到达设定体积大小时，吐液枪头110的出口端112由上极限位置以大小为a1的加速度向下瞬时加速，同时附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195脱离吐液枪头110的出口端112形成微液滴199。在第二液体699粘滞力及吐液枪头110的出口端112端面的挤压作用下，微液滴199远离出口端112的运动轨迹而靠近吐液枪头110的侧壁。吐液枪头110的出口端112继续向下运动。与此同时第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积增大。
当吐液枪头110的出口端112运动至下极限位置时，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积大小与上一次脱落的微液滴199的体积大小相等。吐液枪头110的出口端112由下极限位置以大小为a1的加速度向上瞬时加速，附着在出口端112的液滴195脱离出口端112形成新的微液滴199。吐液枪头110的出口端112处于下极限位置时生成的微液滴199在出口端112的附着力的作用下只向上运动一小段距离，便开始在第二液体699中逐渐降落。在吐液枪头110的出口端112由下极限位置向上运动的过程中第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积增大。当吐液枪头110的出口端112运动至上极限位置时，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积大小与上一次脱落的微液滴199的体积大小相等。吐液枪头110的出口端112再次由上极限位置以大小为a1的加速度向下瞬时加速形成新的微液滴199，如此循环。当吐液枪头110的出口端112再次由上极限位置向下运动时，若在出口端112正下方的轨迹范围内仍然存在微液滴199，则由附着在出口端112的液滴195撞击已生成的微液滴199，已生成的微液滴199沿出口端112端面的法线运动以远离出口端112的运动轨迹。
本发明提供的吐液枪头110在第二液体699液面下运动的过程中生成微液滴199。作为另一种可实现的方式，吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做位移呈正弦变化的运动。第一液体从吐液枪头110的出口端112排出后形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195。液滴195在吐液枪头110的出口端112运动速度达到一定大小时脱离吐液枪头110的出口端112形成微液滴199。如图6所示，微液滴199在脱离吐液枪头110的出口端112之前的所受到的作用力分别为重力G、第二液体699的浮力f1、第二液体699的粘滞阻力f2以及吐液枪头110的出口端112与液滴195之间的最大附着力f3。微液滴199在脱离吐液枪头110的出口端112之前的质量为m、速度为v、加速度为a2。液滴195在第二液体699的运动过程中受粘滞力f2、重力G、浮力f1及附着力f3的共同作用，即液滴195脱离吐液枪头110的出口端112(即生成一个微液滴199)的条件为/>
吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3与吐液枪头110的表面自由能、液滴195的表面张力以及吐液枪头110的几何尺寸有关。将附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195简化为球状。由斯托克斯(Stokes)公式可知，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2＝6πηrv，其中η为第二液体699的粘滞系数，r为液滴195的半径，v为液滴195的运动速度。在微液滴199生成的过程中，一般液滴195的直径范围在皮升至微升的数量级，而第二液体699的粘滞系数一般比较大。故，一般有且因此，吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做变速周期运动过程中，液滴195脱离吐液枪头110的出口端112(即生成一个微液滴199)的条件近似为/>可选的，在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内，形成一个或两个或多个微液滴199。
如图12所示，在本发明一实施例中，吐液枪头110的出口端112端面的法线与管道主体的延伸方向之间的夹角为45°，针梗113靠近吐液枪头110的出口端112的部分是弯折结构。第二液体699的液面朝上，吐液枪头110竖直布置。吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做轨迹为竖直线段、位移呈正弦变化的运动。在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内生成一个微液滴199。吐液枪头110内储存有第一液体。流体驱动机构120控制吐液枪头110在吐液枪头110的每个运动周期内从出口端112排出等体积的第一液体。在吐液枪头110的出口端112做位移呈正弦变化的直线运动的加速下降阶段生成第一个微液滴199。在生成第二个微液滴199的初始阶段，虽然吐液枪头110的出口端112存在向下减速阶段，但由于附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195半径r增加较快，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2并没有立刻下降反而呈现出小范围的增加。此后，液滴195半径r缓慢增加，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2主要随吐液枪头110的出口端112的运动速度变化而变化。吐液枪头110的出口端112下降至极限位置后开始上升，与此同时，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195的体积不断增大。
当控制第一液体以均匀流速排出吐液枪头110的出口端112时，吐液枪头110的出口端112在生成上一个微液滴199后的一个运动周期的时刻又生成与上一个微液滴199等体积的新的液滴195，且此时吐液枪头110的出口端112的运动速度也与一个运动周期之前相同。与上一个微液滴199等体积的新的液滴195从吐液枪头110的出口端112脱落，如此循环。第一液体的匀速排出及吐液枪头110的出口端112做位移呈正弦变化的摆动运动共同保证了生成微液滴199的体积大小均一性。当吐液枪头110的出口端112再次由上极限位置向下运动时，若在出口端112正下方的轨迹范围内仍然存在微液滴199，则由附着在出口端112的液滴195撞击已生成的微液滴199，已生成的微液滴199沿出口端112端面的法线运动以远离出口端112的运动轨迹。
如图13所示，在本发明一实施例中，吐液枪头110的出口端112端面的法线与管道主体的延伸方向之间的夹角为45°，针梗113靠近吐液枪头110的出口端112的部分是弯折结构。第二液体699的液面朝上，吐液枪头110竖直布置。吐液枪头110的出口端112在第二液体699液面下做轨迹为竖直线段、位移呈正弦变化的运动。在吐液枪头110的出口端112的一个运动周期内生成两个微液滴199。吐液枪头110内储存有第一液体。流体驱动机构120控制第一液体以均匀流速从出口端112排出。随着附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195半径r不断增大，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2也不断增大。当吐液枪头110的出口端112处于向下加速阶段时，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2大于吐液枪头110的出口端112与液滴195之间附着力的最大值f3，液滴195从吐液枪头110的出口端112脱落形成微液滴199。在第二液体699粘滞力及吐液枪头110的出口端112端面的挤压作用下，微液滴199远离出口端112的运动轨迹而靠近吐液枪头110的侧壁。
吐液枪头110的出口端112继续向下运动，吐液枪头110的出口端112下降至极限位置后开始上升。与此同时第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积增大。在生成第二个微液滴199的初始阶段，当吐液枪头110的出口端112的运动速度有所减小，但由于附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195半径r增加较快，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2并没有立刻下降反而呈现出小范围的增加。此后，液滴195半径r缓慢增加，液滴195在第二液体699中运动时所受到的粘滞阻力f2主要随吐液枪头110的出口端112的运动速度变化而变化。
半个周期的时间间隔后，吐液枪头110的出口端112处于向上加速阶段。附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积大小与上一次脱落的微液滴199的体积大小相等，同时吐液枪头110的出口端112的速度大小也与半个周期前相同，附着在出口端112的液滴195脱离出口端112形成新的微液滴199。吐液枪头110的出口端112处于向上加速阶段时生成的微液滴199在出口端112的附着力的作用下只向上运动一小段距离，便开始在第二液体699中逐渐降落。与此同时第一液体仍然排出吐液枪头110的出口端112形成附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195，附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积增大。半个周期的时间间隔后，吐液枪头110的出口端112处于向下加速阶段。附着在吐液枪头110的出口端112的液滴195体积大小与上一次脱落的微液滴199的体积大小相等，同时吐液枪头110的出口端112的速度大小也与半个周期前相同，附着在出口端112的液滴195脱离出口端112形成新的微液滴199，如此循环。控制第一液体以均匀流速排出吐液枪头110的出口端112。吐液枪头110的出口端112在做轨迹为竖直线段、位移呈正弦变化的运动的后半周期加速阶段生成第二个微液滴199后，进入稳定生成微液滴199的阶段。第一液体的匀速排出及吐液枪头110的出口端112做位移呈正弦变化的摆动运动共同保证了生成微液滴199的体积大小均一性。当吐液枪头110的出口端112再次由上极限位置向下运动时，若在出口端112正下方的轨迹范围内仍然存在微液滴199，则由附着在出口端112的液滴195撞击已生成的微液滴199，已生成的微液滴199沿出口端112端面的法线运动以远离出口端112的运动轨迹。
在微液滴199的生成过程中，第一液体以设定的流速排出吐液枪头110的出口端112。吐液枪头110的出口端112做包含瞬时加速的周期运动时，不仅能够有效的生成微液滴199，且便于对所生成微液滴199的大小进行控制。吐液枪头110的出口端112做位移呈正弦变化的周期运动时，不能能够有效的生成微液滴199，且所生成微液滴199具有良好的体积大小均一性。在上述两种生成微液滴199的过程中，第一液体在流体驱动机构120的驱动下以设定的流速排出吐液枪头110的出口端112。
如图14及图15所示，本发明提供一种流体驱动机构120，用于微液滴生成系统中，包括变容积组件121及动力组件122。变容积组件121包括注射筒1211及推杆1212。推杆1212与注射筒1211的内壁滑动配合，注射筒1211内能够储存驱动液体1214。注射筒1211具有进出液口1213，进出液口1213用于连通储存有第一液体190的吐液枪头110的入口端111。动力组件122与推杆1212传动连接，用于驱动推杆1212沿注射筒1211的延伸方向滑动。在微液滴199的生成过程中，动力组件122驱动推杆1212挤压储存在注射筒1211内驱动液体1214，驱动液体1214挤压储存在吐液枪头110内的第一液体190，进而将第一液体190从吐液枪头110的出口端112排出。本发明提供的流体驱动机构120，利用液体(驱动液体1214)的不可压缩性保证了吐液枪头110的出口端112在高频率振动时仍能按照设定的流速将第一液体190从吐液枪头110的出口端112排出。本发明提供的流体驱动机构120能够精确控制所生成微液滴199体积大小。本发明所提供的流体驱动机构120并不限于上述实施方式，比如，还可以采用蠕动泵、压力驱动泵、气压驱动泵或电渗驱动泵等。
作为一种可实现的方式，注射筒1211的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111之间通过细管123连通。注射筒1211内及细管123内储存有驱动液体1214。动力组件122与变容积组件121的推杆1212传动连接，动力组件122用于推动变容积组件121的推杆1212在注射筒1211内滑动。微液滴199的生成过程中，动力组件122推动变容积组件121的推杆1212，推杆1212挤压储存在注射筒1211及细管123内的驱动液体1214，驱动液体1214挤压储存在吐液枪头110内的第一液体190，进而将第一液体190从吐液枪头110的出口端112排出。使用细管123将注射筒1211的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111连接，一方面细管123的内径较小，便于通过控制推杆1212的行程实现对排出液体体积的精确控制；另一方面，使用细管123能够灵活布置注射筒1211和吐液枪头110之间的位置及距离，便于在注射筒1211和吐液枪头110之间布置其他的必要设备。
在本发明一实施例中，动力组件122推动推杆1212在注射筒1211内匀速滑动，意即驱动液体1214在推杆1212的推动下以均匀的流速从变容积组件121的进出液口1213排出，通过细管123以均匀的流速进入吐液枪头110。储存在吐液枪头110内的第一液体190在驱动液体1214的推动下，以均匀的流速排出吐液枪头110的出口端112。通过使用驱动液体1214做传动介质以及控制推杆1212以均匀的流速排出驱动液体1214，本实施例提供的流体驱动机构120不仅能在吐液枪头110处于静止状态时以均匀的流速将第一液体190由吐液枪头110的出口端112排出。即使吐液枪头110处于快速振动状态下，本实施例提供的流体驱动机构120仍能保证第一液体190从吐液枪头110的出口端112以均匀的流速排出。本实施例提供的流体驱动机构120大大提高了所生成微液滴199的体积大小均一性。
动力组件122的作用是带动推杆1212在注射筒1211内沿远离进出液口1213的方向或者靠近进出液口1213的方向滑动。可选的，动力组件122可以是气缸、液压缸等直接输出直线运动的组件，也可以是将圆周运动转化为直线运动的组件，如电机与同步带轮的组合、电机与丝杆1222及滑块1223的组合等。本发明并不限制动力组件122的具体结构。如图15所示，在本发明一实施例中，动力组件122包括驱动电机1221、丝杆1222及滑块1223。驱动电机1221的输出轴与丝杆1222的一端传动连接，滑块1223具有内螺纹，滑块1223与丝杆1222表面的外螺纹配合连接。滑块1223的外缘与推杆1212远离注射筒1211的一端固定连接。滑块1223与丝杆1222配合将驱动电机1221输出的旋转运动转化为滑块1223沿丝杆1222轴向的直线运动，从而带动变容积组件121的推杆1212在注射筒1211内滑动。进一步，本实施例中使用的驱动电机1221为伺服电机。伺服电机具有精确反馈及控制输出角位移的特点。
如图16所示，在本发明一实施例中，流体驱动机构120还包括三通换向阀124和储液罐125。三通换向阀124具有第一接口、第二接口及第三接口。吐液枪头110的入口端111、变容积组件121的进出液口1213以及储液罐125分别与三通换向阀124的第一接口、第二接口及第三接口连通。三通换向阀124至少可以控制流体驱动机构120实现以下两种模式：一、使变容积组件121的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111相连通，在动力组件122的带动下，变容积组件121向吐液枪头110提供液体驱动力，用于将吐液枪头110内的第一液体190从吐液枪头110的出口端112排出，或者将第一液体190从吐液枪头110的出口端112抽吸进入吐液枪头110内。二、使变容积组件121的进出液口1213与储液罐125相连通，在动力组件122的带动下，变容积组件121将储液罐125中的驱动液体1214抽吸进入变容积组件121的注射筒1211内，或者是将变容积组件121内的驱动液推入储液罐125内。
如图16所示，本发明一实施例还提供一种流体驱动方法，采用上述流体驱动机构，包括以下步骤：(1)三通换向阀124使变容积组件121的进出液口1213与储液罐125连通。在动力组件122的带动下，推杆1212在注射筒1211内向远离进出液口1213的一端滑动改变注射筒1211的容积，以将储液罐125内的驱动液体1214吸入注射筒1211内。(2)三通换向阀124使变容积组件121的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111连通。在动力组件122的带动下，推杆1212在注射筒1211内向靠近进出液口1213的一端滑动改变注射筒1211的容积，以排出注射筒1211内、细管123内以及吐液枪头110内的气体。(3)将吐液枪头110的出口端112进入第一液体190中，并维持三通换向阀124使变容积组件121的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111连通。在动力组件122的带动下，推杆1212在注射筒1211内向远离进出液口1213的一端滑动改变注射筒1211的容积，以将第一液体190吸进吐液枪头110内。(4)维持三通换向阀124使变容积组件121的进出液口1213与吐液枪头110的入口端111连通。在动力组件122的带动下，推杆1212在注射筒1211内向靠近进出液口1213的一端匀速滑动改变注射筒1211的容积，以将储存在吐液枪头110内的第一液体190以均匀的流速排出吐液枪头110的出口端112。
为了便于在上述第二步骤中顺利的将注射筒1211内的气体排出，如图15所示，安装时注射筒1211的进出液口1213朝上，推杆1212沿竖直方向在注射筒1211内滑动。
为了提高微液滴199的生成效率，作为一种可实现的方式，吐液枪头110的数量是多个，多个吐液枪头110并排间隔设置或者以其他的形式排布。每个吐液枪头110均通过单独的细管123与三通换向阀124的第一接口连通。变容积组件121的数量是一个，变容积组件121的进出液口1213与三通换向阀124的第二接口连通。三通换向阀124的第三接口与储液罐125连通。在动力组件122的驱动下，推杆1212在注射筒1211内沿靠近进出液口1213的方向匀速滑动，同时将驱动液体1214挤压至多个吐液枪头110内。由于多个细管123之间是并联关系，每个细管123内的驱动液体1214的流量相同，保证了多个吐液枪头110内的第一液体190以相同、恒定的流速排出吐液枪头110的出口端112。进而保证了所生成微液滴199的体积大小均一性。
为了提高微液滴199的生成效率，作为另一种可实现的方式，吐液枪头110及变容积组件121的数量均是多个。多个吐液枪头110并排间隔设置或者以其他的形式排布。每个吐液枪头110均通过单独的细管123与三通换向阀124的第一接口连通。每个变容积组件121的进出液口1213也通过单独的细管123与三通换向阀124的第二接口连通。三通换向阀124的第三接口与储液罐125连通。多个变容积组件121并排间隔设置或者以其他的形式排布。多个变容积组件121的推杆1212远离注射筒1211的一端相对固定，由动力组件122同步推动。在动力组件122的驱动下，多个推杆1212在各自的注射筒1211内沿靠近进出液口1213的方向匀速滑动，同时将驱动液体1214挤压至多个吐液枪头110内。由于多个细管123之间是并联关系，每个细管123内的驱动液体1214的流量相同，保证了多个吐液枪头110内的第一液体190以相同、恒定的流速排出吐液枪头110的出口端112。进而保证了所生成微液滴199的体积大小均一性。
为了提高微液滴199的生成效率，作为第三种可实现的方式，如图17所示，吐液枪头110、变容积组件121及三通换向阀124的数量相同且均是多个。每个吐液枪头110的入口端111通过单独的细管123分别与一个三通换向阀124的第一接口连通。每个变容积组件121的进出液口1213通过单独的细管123分别与一个三通换向阀124的第二接口连通。每个三通换向阀124的第三接口分别与储液罐125连通。可选的，储液罐125可以是一个或者多个。每个吐液枪头110内的第一液体190可以相同也可以不同。多个变容积组件121并排间隔设置或者以其他的形式排布。多个变容积组件121的推杆1212远离注射筒1211的一端相对固定，由动力组件122同步推动。在动力组件122的驱动下，多个推杆1212在各自的注射筒1211内沿靠近进出液口1213的方向匀速滑动。能够同时生成多种不同种类的微液滴199。
为了提高微液滴199的生成效率，作为第四种可实现的方式，吐液枪头110、变容积组件121及三通换向阀124的数量相同且均是多个。每个吐液枪头110的入口端111通过单独的细管123分别与一个三通换向阀124的第一接口连通。每个变容积组件121的进出液口1213通过单独的细管123分别与一个三通换向阀124的第二接口连通。每个三通换向阀124的第三接口分别与储液罐125连通。可选的，储液罐125可以是一个或者多个。每个吐液枪头110内的第一液体190可以相同也可以不同。多个变容积组件121并排间隔设置或者以其他的形式排布。每个变容积组件121分别对应单独的动力组件122。在动力组件122的驱动下，多个推杆1212在各自的注射筒1211内沿靠近进出液口1213的方向匀速滑动。不仅能够同时生成多种不同种类的微液滴199，在保证每个吐液枪头110所生成微液滴199的体积大小均一的提前下，还能够分别控制每种液滴195的体积大小。便于对多个吐液枪头110的微液滴199生成状态进行独立控制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (25)
1.一种流体驱动机构，用于微液滴生成系统，其特征在于，包括：
变容积组件，包括注射筒及推杆，所述推杆与所述注射筒的内壁滑动配合，所述注射筒内能够储存驱动液体，所述注射筒具有进出液口，所述进出液口用于连通储存有第一液体的吐液枪头的入口端；
动力组件，与所述推杆传动连接，用于驱动所述推杆沿所述注射筒的延伸方向滑动；
在微液滴的生成过程中，所述动力组件驱动所述推杆挤压储存在所述注射筒内的驱动液体，驱动液体挤压储存在吐液枪头内的第一液体，进而在吐液枪头的出口端在第二液体液面下以设定加速度运动时，将第一液体从吐液枪头的出口端排出并使其在吐液枪头的出口端进行加速运动时脱离吐液枪头的出口端形成微液滴。
2.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述注射筒的所述进出液口与吐液枪头的入口端之间通过细管连通。
3.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述动力组件能够驱动所述推杆在所述注射筒内匀速滑动。
4.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，还包括：
储液罐，用于储存驱动液体；
三通换向阀，具有第一接口、第二接口及第三接口，吐液枪头的入口端、所述进出液口及所述储液罐分别与所述第一接口、所述第二接口及所述第三接口连通。
5.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述动力组件包括驱动电机、丝杆及滑块，所述驱动电机的输出轴与所述丝杆传动连接，所述丝杆与所述滑块螺纹连接，所述滑块与所述推杆固定连接。
6.根据权利要求5所述的流体驱动机构，其特征在于，所述驱动电机为伺服电机。
7.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述变容积组件的数量为多个，多个所述变容积组件的所述推杆均与所述动力组件传动连接。
8.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述变容积组件及所述动力组件均为多个且数量相同，多个所述变容积组件并排间隔设置，每个所述变容积组件由单独的所述动力组件驱动。
9.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下进行周期运动。
10.根据权利要求9所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下进行周期运动的过程中，所述吐液枪头的出口端的加速度大小呈矩形波变化。
11.根据权利要求10所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下进行周期运动的过程中，所述吐液枪头的出口端的加速度大小呈方波变化。
12.根据权利要求9所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端进行周期运动的前半周期内与后半周期内，所述吐液枪头的出口端的速度大小相同，方向相反。
13.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在液滴的体积达到设定值的瞬间被加速。
14.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端做加速运动之前，吐液枪头的出口端的速度为零。
15.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端的速度方向发生改变时，所述吐液枪头的出口端的加速度达到最大值。
16.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生速度、加速度或运动轨迹呈周期性变化的运动。
17.根据权利要求9所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端进行在前半周期内与后半周期内的加速度大小相等的运动。
18.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端产生运动方向与所述吐液枪头的延伸方向垂直或平行或呈任意角度的运动。
19.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生的运动轨迹包括直线段、圆弧段、多边形或其他轨迹中的一种或多种的组合。
20.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生加速度向上的加速运动。
21.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生加速度向下的加速运动。
22.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生摆动运动。
23.根据权利要求1所述的流体驱动机构，其特征在于，所述吐液枪头的出口端在第二液体的液面下产生频率介于0.1赫兹至200赫兹之间的周期运动。
24.一种流体驱动方法，其特征在于，采用权利要求1-23任一项所述的流体驱动机构，所述流体驱动方法包括：所述动力组件驱动所述推杆挤压储存在所述注射筒内的所述驱动液体，所述驱动液体挤压储存在所述吐液枪头内的所述第一液体，所述第一液体从所述吐液枪头的出口端排出。
25.一种流体驱动方法，其特征在于，采用权利要求4所述的流体驱动机构，所述流体驱动方法包括：
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述储液罐连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将所述储液罐内的所述驱动液体吸入所述注射筒内；
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以排出所述注射筒内以及所述吐液枪头内的气体；
所述吐液枪头的出口端进入所述第一液体中，并维持所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将所述第一液体吸进所述吐液枪头内；
所述三通换向阀使所述变容积组件的所述进出液口与所述吐液枪头的入口端连通，在所述动力组件的带动下，所述推杆在所述注射筒内滑动改变所述注射筒的容积，以将储存在所述吐液枪头内的所述第一液体以均匀的流速排出所述吐液枪头的出口端。
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