一种压电激励喷注器的制作方法

1.本发明涉及液滴生成装置技术领域，尤其涉及一种压电激励喷注器。


背景技术：

2.用于液滴生成的喷射器是液滴辐射器、空间增材制造设备的核心部件，根据空间环境的特殊性和工程应用需求，喷射器需要在大流量条件下大量生成粒径均匀、速度一致的液滴。液滴尺寸不均匀、喷射速度不一致等问题会造成设备性能下降，对空间安全带来潜在风险。
3.压电激励喷注器形成均匀液滴的前提条件是喷射器内的压电激励扰动占主导地位，射流表面波按照外加激励的作用发展并破碎形成有序液滴。现有技术中的压电激励喷注器的流量较小，液体流动雷诺数不高，流场较稳定，压电激励扰动处于主导地位。但是，当压电激励喷注器流量较大时，喷注器内的流动冲击较强，局部雷诺数较高，使得流场无序脉动量较大，此时，会湮没激励扰动，导致形成的液滴尺寸不均匀、喷射速度不一致。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种压电激励喷注器，用于在液体流量较大时，提升液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种压电激励喷注器，该压电激励喷注器包括端盖组件、壳体、整流件、压电陶瓷、激励板和喷注面板，其中，壳体具有相对设置的第一端和第二端，壳体具有自第一端至第二端贯通的第一腔体。壳体上开设有进液口，端盖组件盖设于第一端。整流件包括相互连接的隔离部和连接部，连接部连接于壳体，使第一腔体分隔成上腔体和下腔体。连接部上开设有多个整流孔，上腔体通过整流孔与下腔体连通。隔离部位于上腔体内，隔离部具有贯通的第二腔体，进液口与上腔体连通。压电陶瓷位于第二腔体内，压电陶瓷具有相对设置的第三端和第四端，第三端设置于端盖组件。激励板设置于第四端，激励板包括密封部和按压部，密封部的外壁与隔离部的内壁相配合且滑动连接。按压部位于下腔体内，按压部为倒锥台结构，下腔体具有与倒锥台结构相拟合的内壁。喷注面板设置于壳体的第二端，喷注面板上开设有多个喷注孔。
6.采用上述技术方案时，本发明提供的压电激励喷注器包括端盖组件、壳体、整流件、压电陶瓷、激励板和喷注面板，壳体具有自第一端至第二端贯通的第一腔体，整流件的连接部的设置使得第一腔体分隔成上腔体和下腔体，上腔体和下腔体通过连接部上开设的整流孔连通，进液口与上腔体连通。从进液口输送的液体输送至上腔体后，喷注在隔离部的外壁上，液体能够沿着隔离部的周向分布在上腔体内，之后液体通过连接部上开设的整流孔进入下腔体内。整流件的设置能够提升第一腔体内的液体流场分布的均匀性，减小进液口处液体射流的影响。压电陶瓷具有相对设置的第三端和第四端，激励板设置于第四端，激励板在压电陶瓷的作用下，能够向靠近和远离喷注面板的方向运动。当激励板向靠近喷注面板的方向运动时，在激励板、下腔体内壁以及喷注面板的挤压作用下，迫使液体从喷注面
板上的喷注孔内挤出。当激励板向远离喷注面板的方向运动时，被挤出的液体形成液滴。而按压部位于下腔体内，且按压部为倒锥台结构，下腔体具有与倒锥台结构相拟合的内壁，也就是说，下腔体具有渐进收缩的结构，能够减小液体流场的涡结构和流动不稳定性，减小液体在喷注器内的无序脉动，使得液体流场保持平顺，在液体流量较大时，提升液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。
附图说明
7.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例提供的压电激励喷注器的示意图；图2为使用本发明实施例提供的压电激励喷注器生成的液滴效果图；图3为使用现有技术提供的压电激励喷注器生成的液滴效果图。
8.附图标记：1—端盖组件，11—盖板，12—固定支架，21—上壳体，22—下壳体，23—第一腔体，231—上腔体，232—下腔体，24—进液口，3—整流件，31—隔离部，311—第二腔体，32—连接部，321—整流孔，33—连接杆，4—压电陶瓷，5—激励板，51—密封部，52—按压部，6—喷注面板，61—喷注孔，7—第一密封圈，8—测压孔，9—第二密封圈。
具体实施方式
9.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
10.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
11.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
12.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
13.用于地外空间的液滴发生器要求喷注器在真空环境中大量生成粒径均匀、速度一致的大液滴。应理解的是，压电激励喷注器形成均匀液滴的前提条件是喷射器内的压电激励扰动占主导地位，射流表面波按照外加激励的作用发展并破碎形成有序液滴。现有技术中的压电激励喷注器的流量较小，液体流动雷诺数不高，流场较稳定，压电激励扰动处于主导地位，不需要额外考虑流场稳定措施。空间用压电激励喷注器要求的喷射流量较大，喷射器内的流动冲击较强，局部雷诺数较高，流场无序脉动量较大，现有技术中的压电激励喷注器会导致压电激励扰动被流场无序扰动所湮没，射流不能按照外加激励破碎形成有序液滴，导致形成的液滴尺寸不均匀、喷射速度不一致，对空间飞行器安全存在潜在威胁。
14.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，如图1所示，本发明实施例提供一种压电激励喷注器，该压电激励喷注器包括端盖组件1、壳体、整流件3、压电陶瓷4、激励板5和喷注面板6，其中，壳体具有相对设置的第一端和第二端，壳体具有自第一端至第二端贯通的第一腔体23。壳体上开设有进液口24，端盖组件1盖设于第一端。整流件3包括相互连接的隔离部31和连接部32，连接部32连接于壳体，使第一腔体23分隔成上腔体231和下腔体232。连接部32上开设有多个整流孔321，上腔体231通过整流孔321与下腔体232连通。隔离部31位于上腔体231内，隔离部31具有贯通的第二腔体311，进液口24与上腔体231连通。压电陶瓷4位于第二腔体311内，压电陶瓷4具有相对设置的第三端和第四端，第三端设置于端盖组件1。激励板5设置于第四端，激励板5包括密封部51和按压部52，密封部51的外壁与隔离部31的内壁相配合且滑动连接。按压部52位于下腔体232内，按压部52为倒锥台结构，下腔体232具有与倒锥台结构相拟合的内壁。喷注面板6设置于壳体的第二端，喷注面板6上开设有多个喷注孔61。
15.采用上述技术方案的情况下，本发明实施例提供的压电激励喷注器包括端盖组件1、壳体、整流件3、压电陶瓷4、激励板5和喷注面板6，壳体具有自第一端至第二端贯通的第一腔体23，整流件3的连接部32的设置使得第一腔体23分隔成上腔体231和下腔体232，上腔体231和下腔体232通过连接部32上开设的整流孔321连通，进液口24与上腔体231连通。从进液口24输送的液体输送至上腔体231后，喷注在隔离部31的外壁上，液体能够沿着隔离部31的周向分布在上腔体231内，之后液体通过连接部32上开设的整流孔321进入下腔体232内。整流件3的设置能够提升第一腔体23内的液体流场分布的均匀性，减小进液口24处后续液体射流的影响，减弱液体射流的冲击，降低液体流速。压电陶瓷4具有相对设置的第三端和第四端，激励板5设置于第四端，激励板5在压电陶瓷4的作用下，能够向靠近和远离喷注面板6的方向运动。当激励板5向靠近喷注面板6的方向运动时，在激励板5、下腔体232内壁以及喷注面板6的挤压作用下，迫使液体从喷注面板6上的喷注孔61内挤出。当激励板5向远离喷注面板6的方向运动时，被挤出的液体形成液滴。而按压部52位于下腔体232内，且按压部52为倒锥台结构，下腔体232具有与倒锥台结构相拟合的内壁，也就是说，下腔体232具有渐进收缩的结构，能够减小液体流场的涡结构和流动不稳定性，减小液体在喷注器内的无序脉动，使得液体流场保持平顺，在液体流量较大时，提升液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。
16.应理解的是，由于压电陶瓷4自身的特性，压电陶瓷4在通电时能够膨胀，在断电时能够收缩。如此，通电状态下的压电陶瓷4相对于断电状态下的压电陶瓷4长度能够伸长，而激励板5设置于压电陶瓷4的第四端，压电陶瓷4在通电状态和断电状态的切换下做伸缩运
动，从而带动激励板5向靠近和远离喷注面板6的方向运动。具体地，压电陶瓷4的激励频率为1khz~10khz，具体以实际情况为准。激励板5向靠近和远离喷注面板6的方向连续往复运动，如此可连续生成液滴。激励板5向靠近和远离喷注面板6的方向完成一次往复运动，能够生成一次液滴。一次生成的液滴的数量与喷注面板6上设置的喷注孔61的数量相同。所形成的液滴的直径和喷注孔61的直径相关。喷注面板6上设置的喷注孔61的数量可以为4~23个，示例性的，喷注孔61的数量可以为4个、8个、10个、12个、16个、20个、23个等，此处不作具体限定。多个喷注孔61在喷注面板6上均匀分布，以利于提升液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。喷注孔61的直径为1mm~2mm，示例性地，喷注孔61的直径可以为1 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm等，此处不作具体限定，具体以实际情况为准。实际情况下，从喷注孔61喷出的液体流量为0.02 kg/s ~1 kg/s，从喷注孔61喷出的液体的喷射速度为5 m/s ~30 m/s。
17.在一种示例中，如图1所示，端盖组件1包括盖板11和固定支架12，固定支架12具有贯通的第三腔体，壳体的第一端通过螺钉固定安装在盖板11上，盖板11通过螺钉固定安装在固定支架12上。压电陶瓷4的第三端穿过第三腔体后通过螺钉与固定支架12固定连接。压电陶瓷4的外壁通过第二密封圈9与第三腔体的内壁密封连接。
18.作为一种可选方式，如图1所示，整流件3的隔离部31可以为圆柱形筒状结构，连接部32可以为环形板状结构，隔离部31的靠近端盖组件1的外壁与壳体的内壁密封连接。隔离部31具有贯通的第二腔体311，第二腔体311的结构可以为圆柱形。激励板5的密封部51可以为与第二腔体311相配合的圆柱形结构，密封部51的外壁与隔离部31的内壁相配合且滑动连接，使得压电陶瓷4被密封于第二腔体311内，避免压电陶瓷4直接与液体接触和冲击，造成压电陶瓷4的损坏。按压部52为倒锥台结构，下腔体232具有与倒锥台结构相拟合的内壁，下腔体232的靠近上腔体231的一端为锥台结构，按压部52与下腔体232的内壁之间形成“v”形渐进收缩通道，按压部52的外壁与下腔体232的锥台结构的内壁配合使下腔体232横截面的面积逐渐减小，以减小液体流动冲击造成的无序扰动，促进液体流场保持平顺，避免了突缩突扩产生的不稳定。下腔体232的远离上腔体231的一端为圆柱形结构。另外，按压部52设置为锥形结构，相较于圆柱形结构，能够增大激励板5对流体的挤压面积（圆柱形结构的激励板5的挤压面积等于圆柱形的横截面的面积）。
19.具体操作时，整流件3还包括连接杆33，连接杆33的一端与按压部52连接，连接杆33的另一端螺纹连接于压电陶瓷4的第四端。连接杆33的四周为环形减重槽，以减轻整流件3的重力，降低压电陶瓷4的载荷。
20.在一种可能的实现方式中，第一腔体23的轴线、压电陶瓷4的轴线以及整流件3的轴线共线。如此，使得液体流场在上腔体231和下腔体232内的分布较为均匀，有利于提升生成的液滴的均匀性。
21.作为一种可选方式，多个整流孔321沿整流件3的周向均布，且沿整流件3的径向方向，设置有多排整流孔321。此时，液体流场在下腔体232内的分布较为均匀，有利于提升生成的液滴的均匀性。整流孔321的数量可以为8个~36个，示例性地，整流孔321的数量可以为10个、16个、20个、24个、30个、34个或36个，此处不作具体限定。
22.在一些实施例中，整流孔321的轴线自上腔体231至下腔体232的方向向外倾斜设置。如图1所示，此时，从上腔体231进入下腔体232内的液体射流能够撞击下腔体232的内
壁，使得射流产生的涡结构快速耗散，尽快在下腔体232内形成均匀流场，提升生成的液滴的均匀性。
23.具体地，整流孔321的轴线与连接部32所在平面之间的夹角为30
°‑
60
°
。示例性地，整流孔321的轴线与连接部32所在平面之间的夹角可以为30
°
、35
°
、40
°
、45
°
、50
°
、60
°
等。实际情况下，整流孔321的轴线的延伸方向能够与整流件3的轴线相交，此时，整流孔321的轴线与整流件3的轴线之间的夹角为30
°‑
60
°
，使得多个整流孔321均向整流件3的轴线的方向倾斜设置。
24.作为一种可选示例，整流孔321的直径为1.8mm-2mm，示例性地，整流孔321的直径可以为1.8mm、1.9mm、1.96mm、2mm等。
25.在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的壳体包括上壳体21和下壳体22，上壳体21具有上腔体231，下壳体22具有下腔体232，连接部32的边缘密封设置于上壳体21与下壳体22之间，如图1所示。如此，便于整流件3安装在壳体内，同时便于实现连接部32与壳体之间的密封，避免液体从连接部32的边缘进入下腔体232，扰乱液体流场。具体实施时，连接部32的边缘与上壳体21之间以及连接部32的边缘与下壳体22之间均设置有密封圈。
26.作为一种可选方式，密封部51的外壁开设有周向设置的凹槽，凹槽内设置有第一密封圈7，用于使密封部51与隔离部31密封连接，如此，避免液体从密封部51与隔离部31之间流入第二腔体311内，造成压电陶瓷4的损坏，缩短压电激励喷注器的使用寿命。密封部51的外壁开设有周向设置的凹槽，凹槽内设置有第一密封圈7，凹槽的设置能够提升第一密封圈7设置于密封部51与隔离部31之间的牢固性，提升密封部51与隔离部31的密封性，加强对于压电陶瓷4的保护作用。需要说明的是，在本发明提供的实施例中，密封圈可以均为o型密封圈。
27.具体实施时，壳体的外壁上还开设有与上腔体231连通的测压孔8，测压孔8用于安装压力传感器。压力传感器用于测量上腔体231内的液体的压力，避免液体压力过大或过小影响液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。
28.经过研究实验，采用本发明实施例提供的压电激励喷注器所形成的液滴效果图如图2所示，从图2中可以看出，液滴尺寸大小均匀一致，且液滴的连续性较高。而，现有技术中的压电激励喷注器所形成的液滴效果图如图3所示，从图3中可以看出，液滴尺寸大小不均匀，且液滴分布杂乱无章。
29.在一种示例中，为满足从喷注孔61喷出的液体流量为1kg/s的喷射需求，沿整流件3的径向方向，连接部32上设计2圈倾斜设置的整流孔321，整流孔321的轴线与连接部32所在平面之间的夹角设置为45
°
，整流孔321的直径为2mm，整流孔321的数量为36个，一圈可以设置18个整流孔321。喷注面板6上设计16个直径2mm的喷注孔61，从喷注孔61喷出的液体的喷射速度为20m/s，作用在压电陶瓷4上的激励频率设置为2khz，此时，压电激励喷注器可以生成直径约为3.9mm且均匀分布的液滴。
30.在另一种示例中，沿整流件3的径向方向，连接部32上设计2圈倾斜设置的整流孔321，整流孔321的轴线与连接部32所在平面之间的夹角设置为60
°
，整流孔321的直径为2mm，整流孔321的数量为总共为18个，一圈可以设置9个整流孔321，从喷注孔61喷出的液体的喷射速度为20m/s，喷注面板6上设计14个直径1.5mm的喷注孔61，作用在压电陶瓷4上的激励频率为2.6khz，此时，可以在喷射器下游形成约3mm且均匀分布的液滴。
31.综合上述可知，本发明利用“v”形收缩整流结构减小流体流动过程中的无序脉动，利用封装压电陶瓷4实现有序扰动，改善大流量、毫米级液滴生成效果。采用本发明实施例提供的压电激励喷注器可以克服常规压电激励喷注器在多喷注孔61、大流量条件下大液滴生成和液滴尺寸一致性控制方面的不足，改善均匀液滴生成效果。
32.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
33.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种压电激励喷注器，其特征在于，包括：端盖组件；壳体，具有相对设置的第一端和第二端；所述壳体具有自所述第一端至所述第二端贯通的第一腔体；所述壳体上开设有进液口；所述端盖组件盖设于所述第一端；整流件，包括相互连接的隔离部和连接部；所述连接部连接于所述壳体，使所述第一腔体分隔成上腔体和下腔体；所述连接部上开设有多个整流孔，所述上腔体通过所述整流孔与所述下腔体连通；所述隔离部位于所述上腔体内；所述隔离部具有贯通的第二腔体；所述进液口与所述上腔体连通；压电陶瓷，位于所述第二腔体内；所述压电陶瓷具有相对设置的第三端和第四端；所述第三端设置于所述端盖组件；激励板，设置于所述第四端；所述激励板包括密封部和按压部，所述密封部的外壁与所述隔离部的内壁相配合且滑动连接；所述按压部位于所述下腔体内；所述按压部为倒锥台结构，所述下腔体具有与所述倒锥台结构相拟合的内壁；喷注面板，设置于所述壳体的第二端，所述喷注面板上开设有多个喷注孔。2.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述第一腔体的轴线、所述压电陶瓷的轴线以及所述整流件的轴线共线。3.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，多个所述整流孔沿所述整流件的周向均布。4.根据权利要求3所述的压电激励喷注器，其特征在于，沿所述整流件的径向方向，设置有多排所述整流孔。5.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述整流孔的轴线自所述上腔体至所述下腔体的方向向外倾斜设置。6.根据权利要求5所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述整流孔的轴线与所述连接部所在平面之间的夹角为30
°‑
60
°
。7.根据权利要求1至6任一项所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述整流孔的直径为1.5mm-2.5mm。8.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体具有所述上腔体，所述下壳体具有所述下腔体；所述连接部的边缘密封设置于所述上壳体与所述下壳体之间。9.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述密封部的外壁开设有周向设置的凹槽，所述凹槽内设置有第一密封圈，用于使所述密封部与所述隔离部密封连接。10.根据权利要求1所述的压电激励喷注器，其特征在于，所述壳体的外壁上开设有与所述上腔体连通的测压孔，所述测压孔用于安装压力传感器。

技术总结
本发明公开一种压电激励喷注器，涉及液滴生成装置技术领域，用于在液体流量较大时，提升液滴尺寸的均匀性和液滴喷射速度的一致性。压电激励喷注器包括端盖组件、壳体、整流件、压电陶瓷、激励板和喷注面板，壳体具有相对设置的第一端和第二端，壳体具有自第一端至第二端贯通的第一腔体。整流件包括相互连接的隔离部和连接部，连接部使第一腔体分隔成上腔体和下腔体，连接部上开设有多个整流孔。压电陶瓷位于第二腔体内，压电陶瓷具有相对设置的第三端和第四端。激励板包括密封部和按压部，密封部的外壁与隔离部的内壁相配合且滑动连接。按压部为倒锥台结构，下腔体具有与倒锥台结构相拟合的内壁，喷注面板上开设有多个喷注孔。喷注面板上开设有多个喷注孔。喷注面板上开设有多个喷注孔。


技术研发人员：李光熙 陈鹏飞 夏益志 洪流 杜蒙蒙 冯建畅
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/10/6