超声雾化器理论设计

超声雾化器设计及实验研究3.1 引言超声雾化器的主要作用是将供液装置提供的雾化液雾化，以满足各种不同的应用。

常见的雾化方式有喷嘴机械雾化和压电超声雾化两种。

传统的机械式雾化方法分为压力喷射式雾化和转杯高速旋转雾化。

压力喷射式雾化是雾化液在雾化器压力作用下具备一定动能，在高速旋转中喷出喷孔，在离心力、喷孔反作用力等力作用下，克服雾化液的表面张力和粘性力，碎裂成雾粒；转杯高速旋转雾化是雾化液以细流经管道进入安装在空心轴上的雾化转杯内，在高速旋转雾化杯的离心力作用下，紧贴在雾化杯壁面，形成的液膜随着转杯高速旋转，并不断向杯口移动直至甩出裂解成细小的成曲线运动的雾粒。

压电超声雾化有低频大功率超声雾化和高频微细雾化。

解释超声雾化机理的理论主要有表面张力波理论和微激波理论。

高频超声微细雾化在空气雾化加湿、超声雾化美容、药剂雾化吸入治疗等领域应用广泛。

低频大功率超声雾化主要应用在生物与农业工程中、设施农业植物盆栽培养方面，应用范围仍在不断扩展。

低频大功率超声雾化不仅具有汽雾分布均匀，汽雾粒径小，雾化液速度低等高频超声雾化器的优点，而且雾化量较大，雾粒初速度高等机械压力喷嘴的优点，比较适合精密超精密磨削的冷却应用。

低频超声雾化器的动力由夹心式大功率压电超声换能器提供，其设计基于声波在弹性介质中的一维传播理论及相关设计理论并结合有限元分析，确定超声雾化器的结构参数。

根据纳米汽雾聚焦超声冷却系统的要求，超声雾化器采用了二次雾化技术，以进一步细化雾粒。

超声雾化器的雾化性能试验主要包括最大汽雾流量，汽雾粒径等。

汽雾的雾粒粒径之间是不同的，一般用雾粒的平均粒径来表示，设想一个液滴尺寸完全均匀一致的喷雾场以代替实际不均匀的喷雾场，这个假想的均匀喷雾场的液滴直径称为平均直径[55]。

几种不同的平均粒径表示方法应用领域如表3-1所示。

表3-1 平均粒径表示方法应用领域平均粒径类型长度表面积体积索特粒径公式maxminmaxmin10DDDDDdNDdN=⎰⎰maxminmaxmin1/2220DDDDD dNDdN⎛⎫⎪= ⎪⎪⎝⎭⎰⎰maxminmaxmin1/3330DDDDD dNDdN⎛⎫⎪= ⎪⎪⎝⎭⎰⎰maxminmaxmin3322DDDDD dNDD dN=⎰⎰用途比较表面控制流体流动质量运输，燃烧反应超声雾化器的设计，及对设计的超声雾化器的阻抗特性、振动特性、雾化性能（粒径、最大流量等）等雾化器性能的实验研究，得到谐振频率、输入功率及其它相关参数对雾化性能的影响，为纳米汽雾聚焦超声冷却系统的研制奠定基础。

3.2 超声雾化器设计由于本课题所需雾化器的雾粒粒径较小，根据式（1-11）知，超声雾化器的谐振频率需要较高。

以20℃水为例，表面张力系数T=7.28×10-2N/m，水密度ρ=1.0×103kg/m3，相应的超声振动频率（F）与对应的索特粒径（D）关系如表3-2所示。

超声雾化器的雾化能量主要由换能器的纵向振动提供，为了得到换能器较好的纵振模态，换能器的径向尺寸要小于换能器材料纵波波长的1/4，因此，换能器的频率越高，其径向尺寸就越小，同时意味着换能器的最大功率容量的减小，换能器的输出能量减小，致使雾化器的雾化量降低。

表3-2 超声频率F与对应索特直径D超声频率F（KHz）20 50 100 1000 10000索特粒径D（μm）56.4 30.6 19.3 4.2 0.89精密磨削区热源每秒钟的发热量在一般磨削用量下都在4187J以下，水的比热容和汽化热都很高，在室温条件下1mL水变成100℃以上的水蒸气至少能带走2512J的热量；据此推测，每秒时间有1.8mL的冷却水进入磨削区，绝大部分热量将被带走，实现磨削区的有效冷却。

考虑到水变成汽雾后的表面积大大增加，气化速度快，单位时间内吸热多，降温快，每秒有1mL的水雾进入磨削区即可实现冷却。

超声雾化器的设计需要同时考虑雾化量和汽雾粒径两方面的要求，但由于雾化量和汽雾粒径之间的关系，二者很难同时兼顾。

本课题作为一个探索性的设计，需要对雾化器的输入功率、雾粒分布，雾化量、粒径等之间的关系做初步研究，超声雾化器的谐振频率选取55KHz，对应的雾粒索特直径为28.7µm。

超声本课题所设计超声雾化器主要由换能器和变幅杆两部分组成，其结构如图3-1所示。

超声雾化器雾化量与雾化面的振幅密切相关，在输入功率一定的情况下，前后盖板的材料、变幅杆的形状等对换能器的前后振速比有很大的影响。

在功率超声领域，夹心式压电陶瓷换能器的压电晶片主要是实现大功率及高效率的能量转换[56]，因此，应选择机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较高的陶瓷材料，一般选用发射型大功率材料，如PZT-4、PZT-8等。

为了获得较大的前后振速比，换能器前盖板的材料一般选用铝合金、铝镁合金和钛合金等，后盖板基本上选用一些重金属，如45号钢、40Cr铜等[57]，同时这样选择还能使能量最小限度地从换能器后表面辐射，从而提高换能器的前向辐射效率，增大声场的声辐射压力，提高声场对雾化器生成的雾粒的声作用。

本课题实验所设计换能器的前盖板材料选用硬铝12，后盖板材料选用40Cr钢。

1.后盖板2.PZT-8陶瓷片3.法兰4.前盖板5.变幅杆6.雾化面7.反射头图3-1 超声雾化器结构图变幅杆主要起振幅放大和聚能的作用[58]，常见形状有指数型、圆锥型、悬链线型和阶梯型四种。

为实现变幅杆和换能器之间的匹配，变幅杆的材料也选用硬铝12，换能器的各部分材料如表3-3所示。

根据雾化的需要，压力波振幅最少应放大6～8倍，喷嘴出口端振动的振幅最起码应有几个微米[59]。

因此，变幅杆需要较高的放大系数Mp，同时由于雾化器负载变化小，又无静压力，对输入阻抗特性要求不高，因此，雾化器的变幅杆选用阶梯型变幅杆较合适。

表3-3 超声雾化器各部分材料后盖板压电陶瓷片前盖板变幅杆40Cr PZT-8 硬铝12 硬铝12超声雾化器是由半波长换能器和半波长变幅杆组成的全波长夹心式纵振振子，共2个节面，一个节面在法兰处；为了减小进水孔对雾化器的影响，另一个节面在进水孔中心处。

超声雾化器各部分通过高强度螺栓等连接一个有机弹性体。

在设计时，为了减小径向振动的影响，换能器的横向尺寸要比声波在换能器材料中的波长小的多，纵振振子的设计就可以按一维理论进行设计，降低设计难度，因此，我们假定所设计的雾化器满足以下条件：1，雾化器各部分截面内应变分布均匀；2，在雾化器内，声波波前面保持平面传播，且无能量损耗。

3.2.1 半波长超声雾化器换能器设计换能器的设计频率为55KHz，依据表3-3各部分的材料参数如表3-4所示，表3-4换能器各部分材料参数λk 前盖板 硬铝12 2700 520014.04 94.5 0.66 后盖板 40Cr 7865 5100 40.11 92.7 0.67 前盖板长度：3423.6l mm λ==。

由于纵向换能器的径向尺寸一般应小于相应材料的声波波长的1/4，故压电陶瓷片PZT-8的直径选取为Φ20mm ，相应陶瓷片的内径为Φ10mm ，厚度为4mm 。

由式3-10和表3-3中的材料参数计算的后盖板长度1l 为9mm 。

压电陶瓷材料的抗胀强度低，其数值约为5×107N/m 2。

而其抗压强度较高，大概为其抗张强度的10倍左右，约50×107N/m 2。

故大功率下易损坏，一般采用加预应力的办法。

对预应力的要求既增加了预应力同时又不影响陶瓷片的振动。

实验表明：预应力的大小有一个合适的范围，其大小应调节到大于换能器工作过程中所遇到的最大伸张应力。

据此选择合适的高强度螺栓，以满足将换能器各部分压紧为一个弹性有机体的要求。

3.2.2 半波长超声雾化器阶梯变幅杆设计所设计的变幅杆的节面位于大截面前端面，求得粗圆柱段长度44l λ=，依据表3-3中的数据，计算得44l λ==23.6mm 。

同理，细圆柱段长度5423.6l mm λ==。

变幅杆粗圆柱段直径4D =20mm ，细圆柱段直径5D =8 mm ，阶梯变幅杆的有关参数如下：面积系数为：45N D R ==2.5 （3-19） 放大系数为：2 6.25p M N ==（3-20）阶梯型变幅杆实际谐振频率比理论计算的谐振频率低，原因主要是由粗细连接截面处由于截面突变而产生的应力集中导致。

实际设计时，为了降低变幅杆粗细截面处的应力集中，提高实际谐振频率，使变幅杆的实际谐振频率和理论谐振频率相接近，一般粗圆柱段和细圆柱段采用圆弧过渡。

使变幅杆的实际谐振频率和理论谐振频率相一致的过渡圆弧称为最佳过渡圆弧。

根据文献[58]，最佳过渡圆弧直径R 的计算公式为： 4/0.447D l α==（3-21）其中，/2l λ=由文献[58]查得0.447α=时，5R D =0.65，故最佳过渡圆弧为：50.65 5.2R D mm ==,圆弧过渡阶梯型变幅杆结构如图3-4所示。

图3-4 圆弧过渡阶梯型变幅杆3.2.3 超声雾化器结构设计超声雾化器的结构尺寸已经基本确定，还需要确定高强度连接螺栓，法兰，进水孔，前端雾化圆盘等几部分。

换能器的连接螺栓应具有较高的强度，通过预应力估算选择螺栓材料和尺寸参数。

已知5max 510E V m =⨯，机械品质因素40m Q =，杨氏模量102610Y N m =⨯，纵向压电常数1033310d m V =⨯，拉力极限为2200N cm ，则最大拉力值为： max 33mP d YEQ =（3-22） 计算可知至少需施加23600N cm 的预应力才能保证压电陶瓷片不被拉坏；考虑压电陶瓷片的拉力极限，至少需施加23400N cm 的力才能使压电陶瓷始终处于受压状态下。

陶瓷片的横截面积为：()()()2222S D d π=- （3-23）故压电陶瓷晶片不被拉坏的最小预应力为：min min F P S = （3-24）预应力螺栓的横截面积为：F /b S σ=螺栓（3-25）将相关参数代入上述各式，计算得到预应力螺栓的最小直径为6.8mm 。

由于换能器所选用压电陶瓷片的内径为10mm ，螺栓和陶瓷片内孔之间还有绝缘套，因此，螺栓的直径为8mm 。

雾化器法兰的作用主要有两个，一是为了固定法兰位置与其他部件进行连接的纽带；二是防止前部水雾回流，容易引起压电陶瓷堆处电极短路，起保护电路的作用。

因此，法兰的位置应设置在陶瓷堆前端的节面处。

法兰具有一定的厚度，会对雾化器的谐振频率有一定的影响，为了减小法兰对雾化器谐振频率的影响，其厚度越薄越好。

对法兰来说，换能器相当于一个激励源，使法兰做弯曲振动，当换能器的激振频率等于法兰盘的固有谐振频率时，法兰的弯曲振动较大，因此，法兰的固有谐振频率应远离雾化器的谐振频率。