一种控制液体射流破碎的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及液体射流技术领域，特别涉及一种控制液体射流破碎的装置。本发明专利技术装置在腔体中集成有两套脉冲激光聚焦加热系统，不同的脉冲激光聚焦加热系统之间相互独立，来对液体射流上沿流向的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。多套的脉冲激光器组在腔体顶部呈现内外层的周向分布形式，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流沿流向不同位置的脉冲聚焦加热，这样的结构设计极大地节省了空间，提高了集成化程度，并为灵活调节脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的脉冲聚焦加热点的位置提供了条件。

【技术实现步骤摘要】
一种控制液体射流破碎的装置
本专利技术涉及液体射流
，特别涉及一种控制液体射流破碎的装置。
技术介绍
液体射流通常是不稳定的并且会破碎成液滴。针对于液体射流此种破碎现象的定量研究可追溯到19世纪，并直接促使Rayleigh开创了线性稳定性分析这一重要工具。长期以来的理论分析、数值模拟以及实验观测表明：射流破碎是由射流表面的初始扰动波的发展所导致的。由于初始扰动包含广泛的频率(或波数)，最终的破碎是这些扰动频率之间相互竞争的结果，除非极小的射流雷诺数(一个用来表征射流强弱的无量纲参数，定义为射流速度与射流直径的乘积除以流体粘性系数)，否则射流都会破碎成粒径大小不同并且间隔距离不同的液滴。简单来说，液体射流破碎成粒径大小不同且间隔距离不同的液滴是一种自然现象，且液体射流自然破碎出的液滴的粒径大小与间隔距离不可控，液体射流破碎长度也随时间不断波动，整个系统处于一个混乱的状态。上述的液体射流自然破碎现象对不同的领域有着各种不同的影响。例如：针对于湿法纺丝领域，相关技术人员就希望液体射流不要过早地破碎成液滴，从而可以保持更长的射流破碎长度。同时，在湿法纺丝领域，能够对液体射流破碎长度进行定量化控制有着十分重要的意义。需要额外强调的是，在本专利技术中，均用“液体射流破碎长度”一词来表述液体射流从“喷口”到“第一次发生破碎的位置”之间的距离，用“液体射流破碎时间”一词来表述液体射流从“喷口喷出”到“第一次发生破碎”之间的时间。相反，射流的喷涂及清洗、燃油喷雾、喷墨打印(及3D打印)、医药制造、云动力学研究等领域虽然在一定程度上利用了液体射流破碎后所产生的液滴，但是这些不同的应用领域对液体射流破碎后产生出液滴的形式又有着许多不同的需求，进而出现了许多技术上的瓶颈。具体来说，在射流的喷涂及清洗领域中，一个最典型的例子是针对半导体晶圆的清洗，研究表明，粒径相同且间隔距离相同的液滴串对半导体晶圆的冲击式清洗相较于粒径、间隔不同的液滴串的清洗效果会更好；燃油喷雾领域也十分希望可以将液体喷雾中粒径分布广泛的燃油液滴改进成为粒径相同、间隔均匀且粒径大小可精准控制的燃油液滴，进而提升燃油的燃烧效率；对于喷墨打印(及3D打印)领域，将墨液滴的尺寸均匀化并可控化可以很大程度上提升印刷(及造型)的质量；对于医药制造领域而言，相关技术人员则希望可以精确控制所产出药品颗粒的尺寸；对于云动力学研究而言，相关研究人员则需要满足一定粒径分布(比如高斯分布、泊松分布等)的液滴群作为实验研究对象。单纯依靠液体射流的自然破碎现象显然是无法满足上述各领域的不同技术需求的。综上可知，不同的
对液体射流的破碎现象有着各种不同的技术需求，能够专利技术出一种满足上述各项不同技术需求的装置有着十分重要的意义。申请号为201910640820.X的公开文件公开了一种射流破碎的控制方法及装置。该公开文件指出可以根据射流破碎的目标频率确定脉冲激光的加热频率，然后通过将脉冲激光投射到液体射流上的方式，使得液体射流按照目标频率发生破碎。但该公开文件并没有具体公开的实施方案、装置以及原理等，不能具体实施。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种控制液体射流破碎的装置，通过多套脉冲激光组对液体射流上的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。本专利技术提出的控制液体射流破碎的装置，包括腔体腔体内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体外部的测量系统；所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组、上层反射镜、上层反射镜安装架、第一转动控制器、上层反射镜丝杆、上层凸透镜、上层凸透镜安装架、第二转动控制器、上层凸透镜丝杆；外层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体的顶部，上层反射镜安装在上层反射镜安装架中；上层反射镜安装架与上层反射镜丝杆联动，上层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第一转动控制器联动；上层凸透镜安装在上层凸透镜安装架上，上层凸透镜安装架与上层凸透镜丝杆联动，上层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第二转动控制器联动；由外层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经上层反射镜反射到上层凸透镜，上层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的上部；所述的安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架处在安装有上层反射镜的上层反射镜安装架的内侧，上层凸透镜安装架与上层反射镜安装架处在同一水平面；所述的第一转动控制器通过上层反射镜丝杆控制安装有上层反射镜的上层反射镜安装架上下运动，所述的第二转动控制器通过上层凸透镜丝杆控制安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架上下运动；所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组、下层反射镜、下层反射镜安装架、第三转动控制器、下层反射镜丝杆、下层凸透镜、下层凸透镜安装架、第四转动控制器、下层凸透镜丝杆；内层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体顶部、外层脉冲激光器组的内圈，下层反射镜安装在下层反射镜安装架中；下层反射镜安装架与下层反射镜丝杆联动，下层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第三转动控制器联动；下层凸透镜安装在下层凸透镜安装架上，下层凸透镜安装架与下层凸透镜丝杆联动，下层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第四转动控制器联动；由内层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经下层反射镜反射到下层凸透镜，下层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的下部；所述的测量系统由高速相机与红外相机组成，所述的高速相机通过腔体上的高速相机拍摄窗口对液体射流及破碎情况进行实时的高速拍摄，得到液体射流喷出时的直径大小、液体射流的破碎长度、液体射流所破碎成液滴的粒径大小及分布形式、液体射流的破碎频率，所述的红外相机通过腔体上的红外相机拍摄窗口对液体射流的温度进行实时测量，进而得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化。本专利技术提出的控制液体射流破碎的装置，其优点是：本专利技术提出的控制液体射流破碎的装置，整体呈现出高度的集成化，在腔体中集成有两套脉冲激光聚焦加热系统，不同的脉冲激光聚焦加热系统之间相互独立，来对液体射流上沿流向的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。多套的脉冲激光器组在腔体顶部呈现内外层的周向分布形式，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流沿流向不同位置的脉冲聚焦加热，这样的结构设计极大地节省了空间，提高了集成化程度，并为灵活调节脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的脉冲聚焦加热点的位置提供了条件。另外，每套脉冲激光聚焦加热系统都包含有沿圆周均布安装在腔体顶部的多个脉冲激光器，且它们之间完全同步，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流被加热点的沿周向分布的脉冲加热，从而保证更加充分的脉冲加热效果。另外，每套脉冲激光聚焦加热系统的反射镜及其安装架和凸透镜及其安装架均配备有独立的转动控制器与丝杆，用来分别独立地控制它们的上下运动，这样不仅可以保证更加良好的聚焦效果，还可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制液体射流破碎的装置，包括腔体、腔体内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体外部的测量系统；/n所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组、上层反射镜、上层反射镜安装架、第一转动控制器、上层反射镜丝杆、上层凸透镜、上层凸透镜安装架、第二转动控制器、上层凸透镜丝杆；外层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体的顶部，上层反射镜安装在上层反射镜安装架中；上层反射镜安装架与上层反射镜丝杆联动，上层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第一转动控制器联动；上层凸透镜安装在上层凸透镜安装架上，上层凸透镜安装架与上层凸透镜丝杆联动，上层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第二转动控制器联动；由外层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经上层反射镜反射到上层凸透镜，上层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的上部；所述的安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架处在安装有上层反射镜的上层反射镜安装架的内侧，上层凸透镜安装架与上层反射镜安装架处在同一水平面；所述的第一转动控制器通过上层反射镜丝杆控制安装有上层反射镜的上层反射镜安装架上下运动，所述的第二转动控制器通过上层凸透镜丝杆控制安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架上下运动；/n所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组、下层反射镜、下层反射镜安装架、第三转动控制器、下层反射镜丝杆、下层凸透镜、下层凸透镜安装架、第四转动控制器、下层凸透镜丝杆；内层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体顶部、外层脉冲激光器组的内圈，下层反射镜安装在下层反射镜安装架中；下层反射镜安装架与下层反射镜丝杆联动，下层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第三转动控制器联动；下层凸透镜安装在下层凸透镜安装架上，下层凸透镜安装架与下层凸透镜丝杆联动，下层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第四转动控制器联动；由内层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经下层反射镜反射到下层凸透镜，下层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的下部；/n所述的测量系统由高速相机与红外相机组成，所述的高速相机通过腔体上的高速相机拍摄窗口对液体射流及破碎情况进行实时的高速拍摄，得到液体射流喷出时的直径大小、液体射流的破碎长度、液体射流所破碎成液滴的粒径大小及分布形式、液体射流的破碎频率，所述的红外相机通过腔体上的红外相机拍摄窗口对液体射流的温度进行实时测量，进而得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种控制液体射流破碎的装置，包括腔体、腔体内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体外部的测量系统；
所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组、上层反射镜、上层反射镜安装架、第一转动控制器、上层反射镜丝杆、上层凸透镜、上层凸透镜安装架、第二转动控制器、上层凸透镜丝杆；外层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体的顶部，上层反射镜安装在上层反射镜安装架中；上层反射镜安装架与上层反射镜丝杆联动，上层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第一转动控制器联动；上层凸透镜安装在上层凸透镜安装架上，上层凸透镜安装架与上层凸透镜丝杆联动，上层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第二转动控制器联动；由外层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经上层反射镜反射到上层凸透镜，上层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的上部；所述的安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架处在安装有上层反射镜的上层反射镜安装架的内侧，上层凸透镜安装架与上层反射镜安装架处在同一水平面；所述的第一转动控制器通过上层反射镜丝杆控制安装有上层反射镜的上层反射镜安装架上下运动，所述的第二转动控制器通过上层凸透镜丝杆控制安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架上下运动；
所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组、下层反射镜、下层反射镜安装架、第三转动控制器、下层反射镜丝杆、下层凸透镜、下层凸透镜安装架、第四转动控制器、下...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵羽，徐海涛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11