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一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法

阅读：906发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及超声技术领域，公开了一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，包括S1在反应容器中加入溶液与微/纳颗粒；S2调整超声针进入反应容器中溶液的深度；S3启动压电换能器，调整压电换能器的工作频率与工作电压；S4实现快速搅拌与高效雾化。与现有技术相比，本发明无需加热或添加任何化学试剂即可实现微/纳颗粒在液体中的充分溶解，并通过超声雾化效应将微/纳颗粒包裹在微液滴内释放到外界，可在加湿空气的同时起到散布特定微/纳颗粒的作用，可以应用到化工与生活中。本发明采用压电材料励振且无搅拌旋转部件，使用的装置具有成本低、可靠性好、易小型化和便携化等优点。，下面是一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，该方法是在一装置内实现的，所述装置包括反应容器（5）、压电换能器（1）、振动连接件（2）以及若干个超声针（3），所述压电换能器（1）设置于反应容器（5）正上方，所述振动连接件（2）固定于压电换能器（1）的振动辐射面上，所述若干个超声针（3）分散的固定于振动连接件（2）上且其与所述反应容器（5）中的溶液接触；该方法步骤为：
S1在反应容器（5）中分别加入溶液（4）与微/纳颗粒（6）进行混合；
S2调整超声针（3）进入反应容器（5）中溶液的深度；
S3启动压电换能器（1），调整压电换能器（1）的工作频率与工作电压；
S4实现快速搅拌与高效雾化。
2.根据权利要求1所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述S2中超声针（3）进入反应容器（5）中溶液（4）的方位角可调节，其进入溶液的深度可调节，且所述超声针（3）与反应容器（5）壁不接触。
3.根据权利要求1所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述压电换能器（1）为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子。
4.根据权利要求3所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述S3中压电换能器（1）工作频率为20kHz到400kHz连续可调，工作电压为1V到20V连续可调。
5.根据权利要求1所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述S2中的溶液（4）为水或有机溶液。
6.根据权利要求5所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述振动连接件（2）和超声针（3）由不与溶液（4）反应的惰性材料制成。
7.根据权利要求6所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述振动连接件（2）为金属薄板。
8.根据权利要求1-7任一所述的接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，其特征在于，所述超声针（3）与所述振动连接件（2）之间采用悬臂梁的形式粘接、焊接或螺纹连接，且所述多个超声针（3）与振动连接件（2）之间的夹角不同。

说明书全文

一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法

[0001]

技术领域

[0002] 本发明涉及超声技术领域，特别涉及一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法。

背景技术

[0003] 随着微纳制造及生物医学等科学领域的快速发展，如何在实验室与工业生产中以低成本、高效率、无化学添加的方式实现微/纳颗粒的快速搅拌溶解及微液滴的高效雾化已经成为现在科学研究的重要技术课题。已有的溶液搅拌方法包含机械法、磁力法、加热法、超声法等，其中超声法具有结构简单、使用方便、清洁卫生、混合均匀等优点。已有的雾化方法包含压力雾化、转盘雾化、气体雾化、超声雾化等，其中超声雾化具有结构简单易操作、雾滴小且均匀、雾量大小可控等优点。

[0004] 目前，针对液体中的微/纳颗粒的快速搅拌溶解及微液滴的高效雾化的问题已经有一些装置和方法。CN105944898B公开了一种窄缝气流振荡搅拌下水流超声高效雾化装置，该装置利用气流挡板与气流自激振荡腔配合形成气流自激振荡场，使从射流水渐缩通道出口导出的液体正对水流超声振荡腔，从而实现了液体的高效雾化。这种液体搅拌和雾化的不足之处在于：该装置结构复杂，水雾通道即喷嘴处容易堵塞，不适合用于混合有微/纳颗粒的液体的雾化。

[0005] 因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术不足之处。

发明内容

[0006] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，通过将压电换能器的振动能量转化为与之相连的超声针的高频振动，与液体相接触的超声针的直接搅拌以及由超声空化所引起的微气泡破裂射流会在液体内部产生高速的声学涡流，并使液体分子克服表面张力形成雾化微液滴云团。

[0007] 技术方案：本发明提供了一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法，该方法是在一装置内实现的，所述装置包括反应容器、压电换能器、振动连接件以及若干个超声针，所述压电换能器设置于反应容器正上方，所述振动连接件固定于压电换能器的振动辐射面上，所述若干个超声针分散的固定于振动连接件上且其与所述反应容器中的液体接触；该方法步骤为：S1在反应容器中加入溶液与微/纳颗粒；
S2调整超声针进入反应容器中溶液的深度；
S3启动压电换能器，调整压电换能器的工作频率与工作电压；
S4实现快速搅拌与高效雾化。

[0008] 进一步地，所述S2中超声针进入反应容器中溶液的方位角可调节，其进入溶液的深度可调节，且所述超声针与反应容器壁不接触。

[0009] 进一步地，所述S3中压电换能器工作频率为20kHz到400kHz连续可调，工作电压为1V到20V连续可调。

[0010] 进一步地，所述压电换能器为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子。

[0011] 进一步地，所述S2中的溶液为水或有机溶液。

[0012] 进一步地，所述振动连接件和超声针由不与溶液反应的惰性材料制成，进一步地，所述振动连接件为金属薄板。

[0013] 进一步地，所述超声针与所述振动连接件之间采用悬臂梁的形式粘接、焊接或螺纹连接，且所述多个超声针与振动连接件之间的夹角不同。

[0014] 有益效果：1.本发明通过将压电换能器的振动能量转化为与之相连的悬臂梁式超声针的高频振
动，与液体相接触的超声针的直接搅拌以及由超声空化所引起的微气泡破裂射流会在液体内部产生高速的声学涡流，并使液体分子克服表面张力形成雾化微液滴云团。

[0015] 2.本发明无需加热或添加任何化学试剂即可实现微/纳颗粒在液体中的充分溶解，并通过超声雾化效应将微/纳颗粒包裹在微液滴内释放到外界，可在加湿空气的同时起到散布特定微/纳颗粒的作用。

[0016] 3.本发明采用压电材料励振且无搅拌旋转部件，本发明使用的装置具有成本低、可靠性好、易小型化和便携化等优点。附图说明

[0017] 图1为本发明接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法使用的装置结构示意图；图2为本发明输入频率、输入电压恒定的情况，超声针插入水中的深度与液面下降的速度（雾化率）关系曲线示意图；
图3为本发明输入频率、超声针插入溶液深度一定时，输入电压与液面下降速度（雾化率）关系曲线示意图；
图4为本发明插入超声针插入溶液深度与输入电压恒定时，液面下降速度（雾化率）与输入频率关系曲线示意图。

[0018] 其中，1-压电换能器、2-振动连接件、3-超声针、4-溶液、5-反应容器、6-微/纳颗粒、7-声学涡流、8-雾化微液滴。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

[0020] 在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0021] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0022] 请参照图1所示，本发明一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法在接触式超声针快速搅拌及高效雾化装置中完成，用于实验室、生活室内或工业生产中实现微/纳颗粒快速溶解与高效雾化，接触式超声针快速搅拌及高效雾化装置包括有压电换能器1、振动连接件2、若干个超声针3、溶液4、反应容器5、微/纳颗粒6等，压电换能器1设置于反应容器5正上方，振动连接件2固定于压电换能器1的振动辐射面上，若干个超声针3分散的固定于振动连接件2上且其与反应容器5中的溶液接触。

[0023] 本发明一种接触式超声针快速搅拌及高效雾化方法步骤包括：步骤1：在反应容器5中分别加入溶液4与微/纳颗粒6进行混合。

[0024] 步骤2：调整超声针3进入反应容器5中溶液的深度。

[0025] 步骤3：启动压电换能器1，调整压电换能器1的工作频率与工作电压。

[0026] 步骤4：实现快速搅拌与高效雾化。

[0027] 压电换能器1用于超声励振，振动连接件2将压电换能器1的振动传递超声针3上，超声针3与盛放在反应容器5中的溶液4相接触，微/纳颗粒6分散在溶液4内部或者悬浮在溶液与空气的交界面上，微/纳颗粒6为可溶于或不溶于溶液的无机物或有机体，反应容器5不与溶液4和微/纳颗粒6反应。

[0028] 本发明中振动连接件2固定在压电换能器1的振动辐射面上，压电换能器1可以为不同工作频率点的压电片或兰杰文振子，实验中可选用环形压电片，其中环形压电片内外直径分别为10mm和20mm，厚度为3mm，本实施方式中的振动连接件2选用铝质薄板，但是不限于铝质薄板，可以为其他金属薄板。边长为40mm的铝质正方形薄板式振动连接件2的厚度设为1mm，粘接在环形压电片的振动辐射面一侧。环形压电片的工作频率点为超声级别，在实验中从20kHz到400kHz连续可调，环形压电片的工作电压从1V到20V连续可调。超声针3可以为多种横截面和轴线形状的不同长度和不同材料的杆件，振动连接件2和超声针3由不与溶液4反应的惰性材料制成，超声针3通过粘接、焊接或螺纹等方式固定在振动连接件2的不同位置，且若干个超声针3与振动连接件2之间的排布角度不同，超声针3相对于溶液4的方位角可调，且超声针3伸入溶液4的深度可调，但超声针3不与反应容器5壁相接触，本实施方式中，使用XYZ三维移动平台来支撑压电换能器1与振动连接件2，可以通过XYZ三维移动平台改变振动连接件2的空间倾角从而调整声针3相对于溶液4的方位角；可以通过XYZ三维移动平台改变振动连接件2的高度从而调节超声针3伸入溶液4的深度。

[0029] 本实施方式中选用最小直径为50μm、总长度为40mm的有机玻璃拉伸管作为超声针3，超声针3以悬臂梁的形式粘接在环形压电片的铝质振动连接件2上，且所述多个超声针3与振动连接件2之间的夹角不同。当压电换能器1在不同频率点工作时，可以带动振动连接件2和超声针3产生不同模态的振动，并通过悬臂梁形式的超声针3在针尖附近将振动幅值放大。超声针3与溶液4相接触，在本实施方式中溶液4选择去离子水，若干个不同的有机玻璃拉伸管插入去离子水中的深度控制在1mm到5mm之间。由于有机玻璃拉伸管做高频振动和超声场的非线性效应，在去离子水中会产生声学涡流7和空化气泡，参见附图1，并在溶液和空气的交界面附近产生云团状的雾化微液滴8。

[0030] 本实施方式中还可用平均半径为5μm的酵母菌颗粒作为涡流场的示踪粒子，当环形压电片工作的输入频率点为80kHz、输入电压为15V时，可以通过酵母菌示踪粒子观察到高速涡流场，并在超声针-溶液-空气三者交界面附近观察到大量雾化微液滴产生。从而该装置可以实现溶液的快速搅拌及高效雾化。

[0031] 参见附图2、3、4，为溶液4液面下降速率与超声针3插入水中的深度、压电换能器1的输入电压和输入频率之间的关系，由图2可以看出，输入频率输入电压恒定的情况下，超声针3插入水中的深度越深，液面下降的速度越慢，即雾化率越低。由图3可以看出，输入频率、插入深度一定时，输入电压越高，液面下降速度越快，即雾化率越高。由图4可以看出，插入深度与输入电压恒定时，液面下降速度随输入频率大致上呈下降趋势，即输入频率越大，雾化率大体上越小。由此，可以通过减小超声针3插入水中的深度、增加压电换能器1的输入电压和设置压电换能器1的输入频率为压电换能器1的共振点来增大该装置的超声雾化量，实现雾化速率的可控调节。

[0032] 上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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