CN112892898B - 一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴及其系统，圆柱体结构的喷嘴主体，喷嘴主体内部沿轴向设有注液腔，注液腔的底部通过亲水附着面与发射尖锥相连,所述喷嘴主体连接高压发生器；由于尖锥角电荷密度集中，因此每个发射尖锥可产生射流，通过改变导流曲面倾斜角度，液体将沿着不同方向喷出雾化，故改变发射尖锥的数量和导流曲面的倾斜角度，即可实现射流数量的改变和喷射方向的调整；此外，喷嘴末端添加了亲水附着面并将喷嘴主体倒置运行，抑制了大流量雾化过程中液面的轴向扰动，使大液锥更容易收缩扁平形成液膜，在实现对稳定多股射流精确控制的同时大幅增加了雾化流量，拓展了静电雾化在多领域的应用效能。

Description

一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴及其系统

技术领域

本发明属于静电雾化领域，特别涉及一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴及其系统。

背景技术

静电雾化通常是指将工质流体通过毛细管送入气体介质后，在静电场的作用下荷电液滴在毛细管出口处破碎成细小的液滴的现象。根据施加电压、液体流量、电极结构以及流体物性的不同，荷电雾化可产生不同的演变模式，如滴状模式，脉动模式、锥射流模式、多股射流模式。由于锥射流模式下雾化过程相对稳定且产生的液滴单分散性良好，所以通常在锥射流模式下获得微米或纳米量级液滴。近些年来静电雾化由于独特的应用价值被广泛的应用在诸多场合，如静电沉积、质谱分析、食品和药物加工、喷雾冷却、燃料喷雾燃烧等方面。

由于雾化液滴的粒径与供给流量成正相关，所以在锥射流模式下无法大幅提高雾化流量以提高生产效率，所以相关的学者逐渐将目光放在多股射流模式。多股射流模式可以看作是喷嘴出口处多个单锥射流组合雾化以提高雾化流量，传统一般采用平口毛细管喷嘴在较高的荷电电压下达到此模式，但平口喷嘴下多股射流的单股射流会发生剧烈的摆动，不断的发生空间位置上的转移，难以保持稳定，影响雾化液滴的单分散性，同时雾化电压过高容易发生电晕放电，长时间的稳定运行得不到保证。因此，上述提高雾化流量方法的局限性使得静电雾化技术难以获得多领域大规模的推广应用。

专利CN207013185U公开了一种制备涂层用液体静电喷涂喷嘴结构及静电喷涂装置，该发明只是简单的在传统平口喷嘴的基础上提出一种带延伸体尖端的喷嘴来发射多股射流。此发明无法调节射流的喷射角度，雾化区域单一，最重要是在大流量和大管径雾化过程中未采取相关的优化措施，极易出现弯液面波动影响多股射流稳定性的现象，只能在小流量下单一喷射角度雾化，极大的降低了静电雾化的实际应用效能。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出了一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴及其系统，该喷嘴采用基于电场强化的发射尖锥结构，在保持宽稳定电压区间的基础上，产生可控射流数量和喷射角度的稳定多股射流，大大增加雾化流量同时获得单分散性良好、射流区域可调的微细液滴。

本发明所采用的技术方案如下：一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，包括喷嘴主体，喷嘴主体为圆柱体结构，圆柱体结构内部沿轴向设有圆柱形的注液腔；在喷嘴主体出口侧的环形端面上阵列布置若干个相同的发射尖锥，在安装发射尖锥的注液腔出口处设置亲水附着面。

进一步，发射尖锥为四棱锥体，发射尖锥由尖锥外壁面、导流曲面和两个三角侧壁面构成，导流曲面的底边与喷嘴主体的环形端面的内边沿连接；尖锥外壁面的底边与喷嘴主体的环形端面的外边沿连接；两个三角侧壁面的侧边分别连接导流曲面的侧边与尖锥外壁面的侧边，相邻两个发射尖锥的三角侧壁面的底边相连接；由尖锥外壁面、导流曲面和两个三角侧壁面的顶端构成尖锥角。

进一步，亲水附着面为亲水多孔介质结构，注液腔内的待雾化液体能够经过亲水附着面流向发射尖锥。

进一步，通过调节导流曲面与亲水附着面之间的倾斜夹角θ改变射流的喷射角度；进一步，通过调节发射尖锥的个数进而调控射流的数量；

进一步，喷嘴主体外径是内径的2倍以上。

进一步，喷嘴主体和发射尖锥均采用导体材料。

一种应用可控射流数量和喷射角度的静电雾化系统，包括喷嘴主体，喷嘴主体的注液腔通过输液管连接注射泵，由注射泵向喷嘴主体内泵入待雾化液体；喷嘴主体与高压发生器相连，使得喷嘴主体带电，由于尖锥角处电荷密度集中，因此在每个发射尖锥上产生射流。

进一步，高压发生器的高压输出端通过导线与喷嘴主体连接，高压发生器的接地端通过导线连接地极。

进一步，在喷嘴主体的正上方设有收集电极，收集电极与喷嘴主体之间高度为10-80mm，收集电极由导体制成。

本发明的有益效果：

1、本发明为一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，由于在喷嘴主体的喷射端加工有多个发射尖锥，发射尖锥的尖端结构有利于局部电荷密度的增加，进而容易形成多股射流。同时通过改变导流曲面与亲水附着面的倾斜夹角θ的大小，使液体沿着不同方向雾化喷出，所以通过改变发射尖锥的数量和导流曲面的倾斜夹角θ，即可进行射流数量调整和喷射方向改变，最终实现雾化区域的精确控制。

2、如图10所示的传统平底毛细管喷嘴在静电雾化的过程中，喷嘴口流出的液体会倒吸贴附在毛细管外壁，受到重力落下后落入弯液面中，导致某个股射流的流量突变，受力失衡，破坏了雾化的稳定，而本申请可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴在实际运行中，喷嘴倒置设计使待雾化液体溢出并贴附在管壁外侧的液滴受重力沿着喷嘴外壁缓慢滑落，有效抑制了液滴突然落入弯液面造成的液面波动和射流的不稳定性。

3、如图10传统平底毛细管喷嘴在管径和流量提升后，静电雾化过程中弯液面受到重力和电场力的相互牵拉难以收缩扁平，极易出现弯液面的轴向及径向扰动，导致射流位置转移和射流间隙喷射，而本申请可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，一方面底部添加了亲水附着面，在不阻碍雾化液体通过的同时，提升了喷嘴末端对弯液面的吸附能力，另一方面喷嘴倒置设计使得弯液面处液体的重力变为收缩扁平的动力，抑制了液面的轴向扰动，使大液锥更容易收缩扁平形成液膜，增强了多股射流的稳定性。

4、本申请可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴可在多股射流模式下稳定运行，相对于锥射流成倍增加了毛细管供给流量，无需阵列集成毛细管喷嘴，大幅降低加工成本；在稳定多股射流下每股射流产生液滴尺寸小于相同流量下锥射流尺寸数倍，减小了雾化液滴的粒径，提升了雾化质量。

附图说明

图1是本发明静电雾化喷嘴的结构示意图；

图2为本发明静电雾化喷嘴的俯视图；

图3为本发明的喷嘴具有6个倾斜夹角105°发射尖锥的局部放大图；

图4为本发明的喷嘴具有12个倾斜夹角105°发射尖锥的局部放大图；

图5为本发明的喷嘴具有6个倾斜夹角150°发射尖锥的局部放大图；

图6为本发明的静电雾化系统；

图7为本发明的喷嘴具有6个倾斜夹角105°发射尖锥的静电雾化过程示意图；

图8为本发明的喷嘴具有6个倾斜夹角150°发射尖锥的静电雾化过程示意图；

图9为本发明的喷嘴具有6个倾斜夹角150°发射尖锥的静电雾化过程实物图；

图10为传统平底喷嘴雾化过程中的液面波动示意图；

图中，1、注液腔，2、喷嘴主体，3、发射尖锥，4、亲水附着面，5、尖锥外壁面，6、尖锥角，7、导流曲面，8、射流，9、微量注射泵，10、注射器，11、三维升降台，12、高压发生器，13、导线，14、地极，15、收集电极，16、输液管；

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，以下结合附图及实施例，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于解释本发明，并不用于限定本发明。

一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴如图1-2所示，包括喷嘴主体2和发射尖锥3。喷嘴主体2为圆柱体结构，且在喷嘴主体2内部沿中轴线开设有圆柱状的注液腔1，注液腔1贯穿整个喷嘴主体2；喷嘴主体2的外径是内径的2倍以上。在喷嘴主体2出口侧的环形端面上阵列布置若干个相同的发射尖锥3。在安装发射尖锥3端的注液腔1出口侧设置亲水附着面4。亲水附着面4为亲水多孔介质结构，注液腔1内的待雾化液体能够经过亲水附着面4流向发射尖锥3。亲水附着面4可以采用亲水纤维或者亲水薄膜。喷嘴主体2和发射尖锥3采用导体材料，具体如紫铜或不锈钢。

发射尖锥3的个数可以根据所设计的射流数量进行设置，例如设置6～12个。通过改变发射尖锥3的个数进而调控射流8的数量。

发射尖锥3如图3-5所示，发射尖锥3为四棱锥体，发射尖锥3由尖锥外壁面5、导流曲面7和两个三角侧壁面构成，导流曲面7的底边与喷嘴主体2的环形端面的内圈边沿连接；尖锥外壁面5的底边与喷嘴主体2的环形端面的外圈边沿连接；两个三角侧壁面的侧边分别连接导流曲面7的侧边与尖锥外壁面5的侧边，相邻两个发射尖锥3的三角侧壁面的底端相连接；由尖锥外壁面5、导流曲面7和两个三角侧壁面的顶端构成尖锥角6。所有导流曲面7的底边与亲水附着面4相接触。

导流曲面7与亲水附着面4之间的倾斜夹角θ取值为90-180°；通过调节倾斜夹角θ进而改变射流8的喷射角度，如图7和8所示。

如图6所示的静电雾化系统包括喷嘴主体2，喷嘴主体2的注液腔1的入口端通过输液管16连接微量注射泵9，由微量注射泵9向喷嘴主体2内泵入待雾化液体；喷嘴主体2与高压发生器12相连，高压发生器12的接地端通过导线连接地极14；使得喷嘴主体2带电，由于尖锥角6电荷密度集中，因此在每个发射尖锥3处产生射流。在喷嘴主体2的正上方设有收集电极15，收集电极15与喷嘴主体2之间的高度可为10-80mm，收集电极15由金属材料或者合金的导体制成。

以下结合静电雾化系统的工作过程作进一步说明：

将待雾化液体如乙醇作为雾化工质，将乙醇装入注射器10，通过控制三维升降台11使喷嘴主体2位于收集电极15正下方15mm处，调节微量注射泵9流量到20mL/h。待雾化液体就会经输液管16进入注液腔1的内部，待雾化液体经亲水附着面4溢出后不断在亲水附着面4的上表面积聚形成弯液面。

开启负高压发生器12并逐渐增加电压，弯液面会发射处一股射流形成锥射流模式，继续加大电压到11.1kV，大液体锥会逐渐收缩扁平，雾化工质从亲水附着面4流出后沿着导流曲面7抵达尖锥角6，在电荷密度较为集中的尖锥角6产生射流8，形成稳定六股射流，如图7所示。由于稳定多股模式中液面不发生波动，射流8绝对稳定，故可持续大量获得粒径细小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴。

若想实现射流数量的控制只需要选用具有不同数量发射尖锥3的喷嘴，选用如图4所示的具有12个倾斜夹角105°发射尖锥3的喷嘴，采用上述操作过程相同的步骤，增加电压到12.4kV时即可获得如图7所示的稳定12股射流。

若要得到不同喷射角度的射流8只需要选用具有不同倾斜夹角θ的喷嘴，选用如图5所示的具有6个倾斜夹角150°发射尖锥3的喷嘴，采用实施例1相同的操作步骤，增加电压到11.8kV时即可获得更大喷射角度的稳定6股射流8，如图8和图9所示。

整个过程，由于喷嘴底部添加了亲水附着面4，在不阻碍雾化液体通过的同时，提升了喷嘴末端对弯液面的吸附能力，喷嘴倒置摆放一方面使溢出贴附在管壁外侧的液滴受重力沿着喷嘴外壁缓慢滑落，有效抑制了液滴突然落入弯液面造成的液面波动和射流的不稳定性，另一方面使得弯液面的重力变为收缩扁平的动力，抑制了液面的轴向扰动，使大液锥更容易收缩扁平形成液膜，增强了多股射流的稳定性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，其特征在于，包括喷嘴主体（2），喷嘴主体（2）为圆柱体结构，圆柱体结构内部沿轴向设有圆柱形的注液腔（1）；在喷嘴主体（2）出口侧的环形端面上阵列布置若干个相同的发射尖锥（3），在安装发射尖锥（3）的注液腔（1）出口处设置亲水附着面（4）；

发射尖锥（3）为四棱锥体，发射尖锥（3）由尖锥外壁面（5）、导流曲面（7）和两个三角侧壁面构成，导流曲面（7）的底边与喷嘴主体（2）的环形端面的内边沿连接；尖锥外壁面（5）的底边与喷嘴主体（2）的环形端面的外边沿连接；两个三角侧壁面的侧边分别连接导流曲面（7）的侧边与尖锥外壁面（5）的侧边；相邻两个发射尖锥（3）的三角侧壁面的底边相连接；由尖锥外壁面（5）、导流曲面（7）和两个三角侧壁面的顶端构成尖锥角（6）；通过调节导流曲面（7）与亲水附着面（4）之间的倾斜夹角θ 改变射流（8）的喷射角度。

2.根据权利要求1所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，其特征在于，亲水附着面（4）为亲水多孔介质结构，注液腔（1）内的待雾化液体自亲水附着面（4）流向发射尖锥（3）。

3.根据权利要求1所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，其特征在于，通过调节发射尖锥（3）的个数进而调控射流（8）的数量。

4.根据权利要求1所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，其特征在于，喷嘴主体（2）的外径是内径的2倍以上。

5.根据权利要求1所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴，其特征在于，喷嘴主体（2）和发射尖锥（3）均采用导体材料。

6.一种应用如权利要求1所述可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴的静电雾化系统，其特征在于，包括喷嘴主体（2），喷嘴主体（2）的注液腔（1）通过输液管（16）连接注射泵，由注射泵向喷嘴主体（2）内泵入待雾化液体；喷嘴主体（2）与高压发生器（12）相连，使得喷嘴主体（2）带电，由于尖锥角（6）处电荷密度集中，因此在每个发射尖锥（3）上产生射流（8）。

7.根据权利要求6所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴的静电雾化系统，其特征在于，高压发生器（12）的高压输出端通过导线与喷嘴主体（2）连接，高压发生器（12）的接地端通过导线连接地极（14）。

8.根据权利要求6所述的一种可控射流数量和喷射角度的静电雾化喷嘴的静电雾化系统，其特征在于，在喷嘴主体（2）的正上方设有收集电极（15），收集电极（15）与喷嘴主体（2）之间高度为10-80mm，收集电极（15）由导体制成。

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