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原子級霧化技術:超音速噴嘴簡介

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科技產業資訊室 - 汪曉陽 發表於 2004年11月4日
技術概要

 可執行低速、軟性、精確控制的噴灑披覆,不過度噴灑,節省材料。

噴灑速度溫和低速,約每秒3-5 英吋,可減少結構體在作業時承受的動能。
  • 因為溫和低速,在塗佈時霧珠飛濺減少,可省材料與減低環境污染。
  • 具有輔助氣流裝置,使噴灑斷面積可任意控制在0.070英吋到2英呎間。


具超低流量的供應能力

因為不是靠壓力製造霧氣,所以噴嘴配置有流量供應系統,可控制流量供應的範圍由每秒數微升(千分之一升)到每小時6加侖。流體的供應可由齒輪式泵浦、注射式泵浦、蓄壓槽、蠕動式泵浦、重力等方式提供。


不同尺寸霧滴的供應能力

產出霧滴之大小位於狹窄範圍,中等霧滴大小約在18-68微米間,由噴嘴尺寸與操作頻率來決定。例如,40微米的中型噴嘴,製造的霧滴99.9%在5-200微米之間。

原子級的超音速霧化能力

當液膜在平滑面上承受一垂直震動,液膜因吸收震動能量,將於水平方向上形成漣漪波,漣漪波成格狀駐波形式,如下圖。持續加強振幅達到一個臨界值,上下起伏的漣漪波波峰將因破壞而造成極微小的液珠從破碎的漣漪波上跳脫出來,產生原子級的霧化液滴。

超音波噴嘴

超音速噴嘴以圓盤型陶瓷壓電器將高頻電訊轉換成同一頻率的機械式振動能,再利用這產生高頻率漣漪波進行作業。噴嘴的結構設計使噴嘴管沿線均承受壓電晶體所傳來的垂直振動,噴嘴頭就是原子級液滴因超音波而產生霧化的表面,噴嘴的長度等於振波一半的倍數,頻率越高的振動噴嘴之尺寸越小,製造的霧滴也越小,所需供應液體的流量也越低。噴嘴使用鈦金屬材質係因為它有良好的振動傳播品質、高強度、抗蝕性能也佳。


因為液體供應管係包含在噴嘴中央,液體受振動而具有波浪狀運動能,要產生原子級霧化液滴需要小心的控制輸入的振動頻率,太低則無法產生原子級的霧化液滴,太高則會產生氣穴現象,抖出巨大的水滴,所以輸入的能量需要非常精確的控制在一個很小的區間,才能製造出優良的霧氣,一般製造霧氣所需的功率均低於15瓦。
理論上,液體霧化成原子級液滴的量僅受限於液體的供應量,因此在流量速率的控制,原則上並沒有限制,但實際上最高與最低流量之設計基礎上控制在約5:1的範圍。

噴霧成型

因為超音速噴嘴的流體噴出速率低且柔和,適合許多不同的應用,像是:噴塗液態藥劑到血液試管的內壁、噴塗芳香劑於纖維、提供霧狀化學劑進入反應室、以及進行奈米顆粒噴塗的應用等。

但像在寬廣的基材上塗佈薄膜,或塗怖有嚴謹要求標準的特定式樣,就必須針對噴霧的特定式樣,進行噴霧成型。

這個以單一噴嘴噴出多種樣式水霧的設計,是將噴嘴裝在一台特別設計的空氣成型機內,以低速氣流來控制所噴出霧氣的形狀,但始終維持楔形式樣,並使霧氣朝著要求的方向推進。這種設備,如圖,可執行均勻的噴塗,其噴塗寬度可高達20英吋。

噴嘴係裝設在一塊約4英吋寬的乙縮醛塑膠塊上,此一塑膠塊有兩大功能,一是固定噴嘴,二是提供兩股可控制的氣流,用來雕塑外噴霧氣的形狀,使霧氣勻稱的向外移動開展,氣流的速度亦可以用來決定霧氣形狀的最後寬度,速度越高形成的霧氣形狀越寬。

氣流方向在噴嘴處與霧氣流向並不是垂直的,它以一定的角度使整個霧氣形狀有一個往前的動能,將霧氣導入一個「氣流導引式霧氣造型器」中。造型器使霧氣形成一個速度穩定的面形氣流,且與霧氣的衝擊面垂直,將霧氣均勻的噴向被塗佈的基材。這種方法,可以執行寬度在2-20英吋間的均勻薄膜噴塗,而且噴塗沒有方向性的限制,無論向上、向下、或水平噴塗,都能有同樣好的結果。

這種技術亦常用來噴塗狹窄的線型樣式,或其他具有明確邊緣的形狀;所用之氣流造型器,如右圖,將引入之空氣成型噴出,使環繞在噴霧氣流的四周,以獲得明確的邊緣形狀。造型器所用的輔助空氣,會提高超音速霧化器所提供噴霧的速度。不過,其與壓力水霧相比仍然是非常的溫和。

(本篇來源 : Ultrasonic Liquid Atomization, Theory and Application by Harvey L. Berger, )


 
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