一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器

1.本发明涉及空间辐射换热器领域，尤其涉及的是一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器。


背景技术：

2.随着人类对宇宙探索的不断推进，各种大功率航天器、空间中及核动力推进器都亟待发展，而越大的功率就意味着越多废热的产生，因所处宇宙环境为真空，传热主要依靠辐射换热，故需要采用空间辐射换热器。
3.空间辐射换热器利用其液滴发生器产生成千上万的微小、均匀液滴来与宇宙环境进行辐射换热，而传统的液滴发生器例如压电式、气动式和电磁式等所产生的液滴均匀性较差，液滴数量少，液滴直径的改变较为困难，且结构复杂，不便于加工和太空输运。
4.因此，现有技术中的空间辐射换热器所用传统的液滴发生器尚有待改进和发展。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，可产生大量、均匀的微小液滴，且直径可调。
6.本发明的技术方案如下：一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，包括液腔室、泵、储液室、喷嘴板、聚焦透镜和激光发射器；液腔室与储液室之间经由管道连通，喷嘴板设置在储液室的底部，泵设置在管道上，用于将液腔室中的液体加压后泵入储液室，并使液体在通过喷嘴板时产生射流液柱；激光发射器用于发出激光，且激光发射器所发出的激光方向与射流液柱的方向相垂直；聚焦透镜位于激光发射器的前端，用于将激光发射器发出的激光聚焦在射流液柱上，使射流液柱崩解形成液滴。
7.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述喷嘴板为单层孔板，其上均布有100
×
100个直径100~300微米的喷孔阵列，且所有喷孔朝向储液室的一侧均开口设置有倒角。
8.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述喷嘴板由两层以上的多层孔板叠置而成，不同层孔板之间的喷孔孔径大小不一，且相邻两层孔板之间可细微移动以产生错位。
9.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述泵到储液室之间的管道上设置有流量计和压力计，流量计用于实时显示和监测流入储液室的液体流量或流速，压力计用于显示和监测流入储液室的液体压力。
10.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述泵到储液室之间的管道上设置有和滤膜，用于对流入储液室的液体进行过滤。
11.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述激光发射器通过信号传输线与示波器相连接，用于在2000~5500hz频率范围内调节激光发射器所发射激光的频率。
12.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述激光发射器通过信号传输线与示波器相连接，用于在0.15~3.38w之间调节激光发射器所发射激光的功率。
13.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：所述泵为齿轮泵。
14.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：激光的热扰动由初始强度增长到射流液柱发生崩解所需的强度时需要的时间为t，激光照射到射流液柱上的照射点到射流液柱开始发生崩解的崩解点之间的距离为射流液柱的崩解长度lb，两者之间的关系lb=vt，v代表射流速度，射流液柱崩解后的液滴半径，其中，ro为喷嘴板喷孔的半径，f为激光发射器所发射激光的频率。
15.所述的基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，其中：相邻两液滴之间的距离，其中，v代表射流速度，f为激光发射器所发射激光的频率。
16.本发明所提供的一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，可通过激光热扰动使液体射流同时产生上万颗大量均匀、稳定的微小液滴，且液滴直径可从激光频率以及喷嘴板的喷孔大小两个方面进行控制，调控方便。
附图说明
17.在此描述的附图仅用于解释目的，而非意图以任何方式来限制本发明公开的范围；图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并非是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸；本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
18.图1是本发明基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器的结构组成示意图；图2是本发明基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器所用喷嘴板的平面结构放大示意图；图3是本发明基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器所用喷嘴板的剖面结构放大示意图；图4是本发明空间液滴发生器在不同频率的激光照射下所产生液滴间距的比对图；图5是本发明空间液滴发生器在不同功率的激光照射下所产生液滴间距的比对图。
19.图中各标号汇总：液腔室1、泵2、流量计3、压力计4、滤膜5、储液室6、喷嘴板7、喷孔7a、聚焦透镜8、激光发射器9、管道11、信号传输线12。
具体实施方式
20.以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
21.如图1所示，本发明提供的一种基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器，包括液腔室1、泵2、储液室6、喷嘴板7、聚焦透镜8和激光发射器9；其中，液腔室1与储液室6之间经由管道11连通，喷嘴板7设置在储液室6的底部，泵2设置在管道11上，用于将液腔室1中的液
体加压后泵入储液室6，并使液体在通过喷嘴板7时产生射流液柱；激光发射器9用于发出激光，且激光发射器9所发出的激光方向与射流液柱的方向相垂直；聚焦透镜8位于激光发射器9的前端，用于将激光发射器9发出的激光聚焦在射流液柱上，使射流液柱崩解形成液滴。
22.当激光发射器9发射的激光通过聚焦透镜8聚焦照射在射流液柱上时，会在射流液柱内部产生微小的热扰动，这种热扰动会随着时间而增强，根据瑞利原理，射流液柱在表面张力的作用下是不稳定的，其很容易发生崩解；经测试，当外加扰动的激光波长大于射流液柱的润湿周长并持续一定时间时，射流液柱就会崩解形成液滴。
23.在本发明基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器的具体实施方式中，结合图2和图3所示，所用喷嘴板7为单层孔板时，其上均布有100
×
100个直径100~300微米的喷孔7a阵列，且所有喷孔7a朝向储液室6的一侧开口均设置有倒角，以利于更多的流体进入喷孔7a。
24.进一步地，当喷嘴板7由两层、三层或多层孔板叠置而成时，不同层孔板之间的喷孔7a孔径大小不一，且相邻两层孔板之间可细微移动以产生错位，由此可通过调整相邻孔板间的位置来实现喷嘴板7喷孔7a孔径大小的细微调节。
25.进一步地，泵2到储液室6之间的管道11上依次设置有流量计3、压力计4和滤膜5，流量计3用于实时显示和监测流入储液室6的液体流量或流速，压力计4用于显示和监测流入储液室6的液体压力，滤膜5用于对流入储液室6的液体进行过滤，防止喷孔7a堵塞。
26.进一步地，激光发射器9通过信号传输线12与示波器10相连接，用于在2000~5500hz频率范围内调节激光发射器9所发射激光的频率和功率。
27.具体的，激光发射器9的功率在0.15~3.38w之间，所发射激光的波长为532nm；聚焦透镜8的焦距优选可将激光发射器9所发射的激光焦点聚焦至20微米左右。
28.较好的是，泵2为齿轮泵，体积小，且在上下游大压差的情况下可压出流体。
29.在本发明基于激光调制液滴直径的空间液滴发生器的具体实施方式中，具体的，假设激光的热扰动由初始强度增长到射流液柱发生崩解所需的强度时需要的时间为t，激光照射到射流液柱上的照射点到射流液柱开始发生崩解的崩解点之间的距离为射流液柱的崩解长度lb，两者之间的关系lb=vt，v代表射流速度，假设射流液柱崩解后的液滴半径为rd，根据质量守恒定律，，其中，ro为喷嘴板7喷孔7a的半径，f为激光发射器9所发射激光的频率；当改变喷孔7a的半径和/或激光频率时，可相应改变液滴半径为rd；假设相邻两液滴之间的距离为d，，当调节激光频率f时，液滴间距d也会随之改变。
30.实施例一、采用齿轮泵的泵2将管道11内的流体压力加压至0.4~0.8mpa之间，并将管道11内的流体速度保持在1~10m/s之间，可通过管道11上的流量计3和压力计4进行实时监测，管道11内的流体经滤膜5过滤之后流入储液室6，经过喷嘴板7上100
×
100个孔径100~300微米的喷孔7a阵列变成射流液柱阵列喷出，激光发射器9发射出波长532nm且能量在0.1~3.3w之间的矩形面激光源，经聚焦透镜8聚焦为20微米后，照射在射流液柱阵列上，随着内部的热扰动增长，最终破裂成大小均匀、稳定的液滴，使射流液柱阵列破裂成微小液滴阵列；当喷嘴板7采用多层孔板时，可通过调整多层孔板之间的相对位置，进而改变喷嘴板7喷孔7a孔径的大小，以达到改变液滴大小的目的；当喷嘴板7采用单层孔板时，可通过示波器
10调整激光发射器9所发出激光的频率，也可以达到改变液滴大小的目的；通过合理调节激光频率、功率以及喷嘴板7喷孔7a孔径，就能够连续产生均匀稳定的液滴阵列。
31.实施例二、喷嘴板7单个喷孔7a流量1.37ml/min，射流液柱直径115.6微米，射流液柱速度2.18m/s，激光功率3.38 w，激光波长λ=532nm，通过示波器10在2000hz到5500hz之间调整激光发射器9所发出激光的频率，如图4所示，可以通过肉眼观察到都能产生均匀稳定的液滴，且频率越大，液滴间距越小，液滴直径也越小，但是液滴分裂点到喷嘴的距离并没有明显变化。
32.实施例三、喷嘴板7单个喷孔7a流量1.37ml/min，射流液柱直径115.6微米，射流液柱速度2.18m/s，激光频率4500hz，激光波长λ=532nm，通过示波器10在0.15w到3.38w之间调整激光发射器9所发出激光的功率，如图5所示，可以通过肉眼观察到也都能产生均匀、稳定的液滴，且随着激光功率的增大，液滴分裂点到喷嘴的距离也越来越小，但是液滴间距和液滴直径均没有明显变化。
33.本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域普通技术人员公知的现有技术。
34.应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。