一种新型振动网孔式雾化器的设计

喷雾是将流体通过喷嘴喷射进入气体介质中，使之裂分成大量微小液滴的过程。雾化技术对雾化液滴的尺度等理化参数起决定性的作用。目前，发收稿 日期 ：2012-10-08基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(BK2011295)《机 械与电子 2013(2)展 出了新型的微孔板雾化器，它是利用压 电驱动的方式，使流体通过孔径为 3～10/，m的微孔板而形成喷雾。根据微孔板的振动形态，可分为静态网孔雾化器和振动网孔雾化器口]。振动网孔式雾化器采用的是薄压电陶瓷片直接与微孔板相粘连组成压电陶瓷雾化片的形式，雾化效果好，功率小，但不适合长时间工作，使用寿命短。

新型振动网孑L式雾化器的驱动单元采用夹心式压电换能器l2]。新型振动网孔式雾化器充分利用了夹心式超声换能器 的前端聚能和放大振 幅的特点，把它与微孔板结合起来形成微喷 ，是-种新 型的微喷结构。这种微喷雾化器使用寿命长，能持续长时间工作，所形成的雾滴平均粒径孝粒度分布窄，正常工作过程中对药液的温度影响小，特别适合低粘度流体的微米级雾化，在高端医疗装备领域有巨大的应用价值 。

1 工作原理新型雾化器的结构如图 1所示。其中金属后盖连接螺栓电极片金属后盖板压电陶瓷片金属前盖板金属孔板帽O型密封圈微孔板图 1 新型振动网孔式雾化器的结构· 3- 种新型振板、压电陶瓷片、金属前盖板和连接螺栓组成雾化器的换能部分♂构中金属后盖板的采用重金属材料，如 45钢、铜等；金属前盖板常采用轻金属，如铝合金、镁铝合金和钛合金等，这种结构能保证换能器产生的能量高效地单向辐射♂构中压电陶瓷片采用轴向极化的方式，且相邻两压电陶瓷片的极化方式相反，这种方式充分运用了圆环振子在纵向即厚度振动模式中机械耦合系数比较高的特点，因此得到了较高的声电转换效率 。

当给换能部分的压电陶瓷施加-定频率的正弦激励后，压电陶瓷片将会沿其极化方向即厚度方向振动，换能器产生的这种能量会单向辐射到雾化器前端，位于雾化器前端的微孔板受胁迫也将做高频的轴向振动，之后落在孔板上的待喷液体随着孔板的轴向振动通过喷孔喷出，即实现了液体的雾化。

雾化器中位于前端的微孔板采用薄的金属材料制成，孔板中央布有分布均匀的微米级凶，孑L型为喇叭形 ，液体从大孔端进，从小孑L端出∽径 的变化范围为 3～10 tam，其 中微孔的孔径指凶端孔径。

微孔板在高频的振动过程中，每-个向上的运动过程中都会将外界的气体送入液体腔中，液体腔中存在的气体不但会影响溶液与微孔板的接触，还会降低换能器的聚能作用。因此，可以采用如图 2所示的结构，此时液体会从-个管路进，从另进-个管路出，形成-个回路。从回路返回的液体会带走溶液腔中存在的气泡，从而使微喷连续顺利地进行。

进料口图 2 新型振动 l网孔式雾化器 的工作 流程雾化器的喷雾质量-般与雾滴直径尺寸、粒径分散度和流速有关。雾滴的直径是雾化质量的重要参数，而雾粒直径与众多因素有关，根据雾滴形成过程，可得液滴直径为：· 4 。

- · ( )为液滴从微孔喷出时的初速度；D为网孔孔径；f为压电换能器的频率； 为-个参量，与液体的密度 、粘度和表面张力有关[3]。-般来说 ，微孔板的振幅越大，孔径越大，网孔分布越多，雾化效率越高；微孔板孔径越小，换能器的驱动频率越大，即微孔板振动频率越大，雾滴直径越校雾化器在其谐振点时能够最有效地工作，此时微孔板的振幅最大。

2 压电耦合的分析方法压 电陶瓷的研究方法主要有解析法 和有 限元法。在此，采用有限元软件 ANSYS对压电陶瓷的耦合效应进行模拟分析。利用 ANSYS结构动力学分析中的模态分析、谐响应分析和瞬态分析方法，分析雾化器的主要尺寸对微孔板振动的影响 ]。

a.模态分析。采用 Block Lanczos法(缺省)求解，即采用 1组特征向量来实现 Lanczos迭代计算，其内部采用稀疏矩阵直接求解器，运算精度高。指定频率分析范围为 lO～60 kHz，提人阶振动模态，从中得到需要的纵向振动模态及其对应的谐振频率。

b.谐响应分析。谐响应采用 FULL法，选用稀疏矩阵(SPARSE)求解器进行求解。在后处理中微孔板提取位移响应值，可得到微孔板最大位移响应和频率的关系图。根据不同尺寸的雾化器，在其谐响应条件下会使微孔板产生不同最大位移响应，可优化设计雾化器主要尺寸。

c.瞬态分析。除了用谐响应方法对雾化器主要尺寸进行优化设计，还能利用瞬态分析法进行求解。

根据模态分析和谐响应分析求得的谐振频率，对压电陶瓷施加相应的正弦激励：幅值为 20 V，2个周期，4O个载荷步。求解后，提取微孔板上不同半径处的最大位移随时间的变化规律图，得出的结果也能为优化设计作参考[5]。

3 雾化器结构设计及有限元分析夹心式压电陶瓷换能器能够将压电陶瓷的振幅放大，并将超声波的能量聚集在换能器前端较小的面积上，产生聚能的作用。初步建立模型，模型的谐振频率在 30 kHz。大端直径为 40 mm，小端直径为22 mm，中心通孔的直径为 8 mm。其中，金属后盖《机械与 电子 》2O13(2)- 种新型振动网孔式板采用 45钢，前盖板采用弹性模量相对小的钛合金 。雾化器材料尺寸如表 1所示 。

表 1 新型振动网孔式雾化器 的各部 分材料和参数为了方便有限元软件建模仿真，可以将图 1的结构简化，结构简图如图3a所示。在 ANSYS中完成建模，赋予各种材料的属性。压电体选用 SOL-ID5单元，金属前后盖板、网孔板采用 SOLID45单元。SOLID5单元有 8个节点，每个节点有 6个 自由度，具有大变形能力。由于模型具有对称性，可采用 1/4的建模方式，压电陶瓷单元采用体扫略的方式划分网格，其他单元采用 自由网格的方式划分网格。在 ANSYS中的模型如图 3b所示∮着对模型施加对称的边界条件，最后就能够进行结构的动力学分析。

- l/ W ：)(>(×××X ××) 0， W 1 ～I后盖板压电陶瓷片前盖板孔板帽微孔板(a)何化模 型 (b)1/4模 型结构图 3 新型振动网孔式雾化器的建模仿真改变雾化器的主要尺寸进行结构动力学分析，利用通用后处理器(POST1)观察雾化器的振动形态，用时间-历程处理器 (POST26)得 出模 型中指定点的分析结果与时间频率等函数关系。模态分析得出模型第-阶模态为纵向振动模态，即为需要的振动模态。此时，模型的谐振频率在 30 kHz左右。

3.1 换能器前后盖板厚度尺寸对结构振动的影响由模态分析得到厚度尺寸发生变化时，换能器《机械与电子)2013(2)做纵向振动的谐振频率，在所得频率值附近取 2O个分析子步数，对压电陶瓷施加幅值为2O V的正弦激励 ，根据谐响应方法 ，可得微孑L板中心位置的位移响应和频率的关系图。为了分析雾化器前后盖板的厚度尺寸对整个结构的影响，先初步设计后盖板的厚度 L -20 mm，只改变前盖板 L。的尺寸，前盖板厚度的变化范围为 6～2O mm。图 4a为微孔板中心最大位移和模型的谐振频率，随前盖板厚度变化而变化 的关系图。由图 4a可知 ，后盖板为 12 mm时 ，雾化片中心有最大位移，且在此范围内模型的谐振频率随前盖板厚度增加而单调减杏着取前盖板厚度 12 mm，然后改变后盖板 的厚度得到图 4b的结果。从而可知，模型的频率随后盖板厚度的增大而减小 ，当后盖板厚度为 12 mm和 20 mm时 ，可得到微孔板的最大位移 〖虑 到厚度为 12 mm 时的位移响应略大于厚度为 2O mm的最大位移响应，且后盖板为 12 mm时模型的谐振频率为 30.365 kHz，比20 mm时的谐振频率 28.064 kHz更接近初始设计频率 30 kHz。故润盖板的厚度为 12 mm。

(a)前盖板厚度与雾化器谐振频率及微孔板最大位移的关系(b)后盖板厚度与雾化器谐振频率及微孔板最大位移的关系图 4 新型振动网孔式雾化器的上下盖板厚度对结构振动的影响· 5 ·- 种新型振动网孔式雾化器的设3.2 雾化器外径对结构振动的影响与设计前后盖板 的方法相 同，在研究换能器外径的影响时 ，取外径 17.5 mm，20 mm，22.5 mm，25mm，27.5 mm的5组变化值，观察微孔板的最大位移和模型的谐振频率变化。得出的结果如图 5所示，可知虽然外径的增大会使微孔板最大位移有微小的增加，模型的谐振频率降低，但两者的变化范围均不大。外径为 17.5 mm，最大位移为 1.800 84×10 m，模型谐振频率为 30.667 kHz；外径为 27.5mm，最大位移为 2.276 11×10 m，模型谐振频率为 29.880 kHz〖虑压电陶瓷-般工艺特点，取外径 为 25 mm。

图 5 雾化器外径与雾化器谐振频率及微孔板最大位移的关系3.3 子L板帽前端直径对结构振动影响考虑雾化器前端的直径大小对整个结构的振动也产牛影响，对孔板帽前端直径的分析采用瞬态分析方法，在对压电陶瓷上下表面耦合后，施加幅值为20 V的 2个周期的正弦信号，其中信号的频率为模态分析法求得 的谐振频率 。半径 的变化取 5 mm，7mi3.，9 mm，l1 mm 4组 ，观察微孔板 中心点的位移随时问的响应如图 6a所示 。由结果可知 ，微孔板模型的节点位移曲线都近似为正弦，而且前端直径越小时网孔板的振幅越大 J。其 中，当半 径大小从 7mm变化到 5 mm时微孔板响应更明显，幅值变化也更大。南于雾化器通孔的半径为 4 mlTl，分别在半径为 0 mm，2 mm 和 4 mm处沿半径方 向取 3个点 ，观察沿半径方 向微孔板 的振动。如图 6b所示 ，微孔板中心处有最大的轴向位移，并且位移响应点离中心越近响应越大。

3.4 孔板帽形状对结构振动的影响孑L板帽的形状除了圆锥型之外还有圆柱型、阶梯型和指数型等。在确定雾化器前后盖板和压电陶· t/ms(a)不同前端直径尺寸下微孔板中心节点的应变-时间曲线U 1.6 3. 4. b 4 8f/10 s(b)前端直径为10 Inrn时节点沿半径方向变化时的应变-时间曲线图6 瞬态分析法得到的节点应变-时间曲线瓷的尺寸后，改变孔板帽形状，用相同的方法分析换能器的振动响应与孔板 帽形状的关系♂果显示 ：孔板帽厚度不变时 ，微孔板的最 大位移 即位移放大倍数与孔板帽的形状关系不大，而与孔板帽前端的直径大小有关，前端直径越小，放大倍数越大，微孔板的最大振幅也越大。

4 结束语提出了-种新 型的振动式 网孔雾化器结构，通过有限元软件分析，可知雾化器换能部分的结构尺寸影响雾化器的性能。相 比于换 能器外径尺寸 ，换能器前后盖板的厚度尺寸对整个模型的谐振频率和前端放大倍数影响较大，通过优化设计能获得换能器的最佳性能。此外，模型中换能器的前端放大倍数受孔板帽形状的影响较小，而与孔板帽两端的直径有关，直径比越大，振速比越大。