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超聲波霧化是液體霧化中一種十分常見的霧化方式，其被廣泛應(yīng)用于加濕、霧化消毒、香薰、美容、噴涂、噴霧干燥等等各種噴霧領(lǐng)域中。為了方便大家更快的了解超聲波霧化技術(shù)，在本文中我們將從超聲波霧化的基本原理、種類以及特點(diǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

利用超聲波將液體霧化的技術(shù)或方式均可以被稱為“超聲波霧化”，具體的實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)有很多很多種，而我們這里主要討論的以及我們通常說的“超聲波霧化”是指基于壓電陶瓷換能器的超聲波霧化。而基于壓電陶瓷換能器的超聲波霧化也有很多種，目前行業(yè)上主流使用的超聲波霧化方式可以被大致分為三類：?jiǎn)尉瑝弘娞沾墒?、微孔網(wǎng)片式、朗之萬換能器式。下面我們就具體介紹一下這三類超聲波霧化方式的原理及特點(diǎn)。

圖1：?jiǎn)尉瑝弘娞沾墒匠暡F化換能器

單晶片壓電陶瓷式

首先，單晶片的壓電陶瓷換能器組成的超聲波霧化器可以說是最為常見也是最早的超聲波霧化方式，又被俗稱為超聲波霧化片（如圖1所示）。該種技術(shù)是通過壓電陶瓷換能器（霧化片）在液體中振動(dòng)發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波傳遞到液體與空氣的交界面時(shí)，由于不同介質(zhì)聲阻抗的巨大差異，超聲波能量會(huì)在交界面處快速聚集并將液體最終撕裂成微小的液滴而形成霧化。這種單晶片壓電陶瓷式超聲霧化技術(shù)最早的行業(yè)應(yīng)用可追溯到上世紀(jì)60到70年代，是用于醫(yī)用霧化吸入也就是霧化藥物吸入行業(yè)的。隨后日本等國將此技術(shù)又開始用于對(duì)環(huán)境的加濕，從而開始了超聲波霧化的廣泛使用。東方金榮Siansonic于上世紀(jì)90年代發(fā)明了基于鎳電極壓電陶瓷的超聲波霧化換能器，防腐性和耐久性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的銀電極，于是讓單晶片壓電陶瓷的超聲霧化有了更廣闊的用武之地，之后基于此技術(shù)的各種超聲波霧化器、加濕器也如雨后春筍般被不斷開發(fā)創(chuàng)造出來。該種超聲霧化方式的優(yōu)點(diǎn)是霧化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，僅有壓電陶瓷圓片作為霧化換能器，且超聲頻率較高，一般為1-3MHz，霧化顆粒小，液滴粒徑一般在3-5微米之間。而通過提高壓電陶瓷的諧振頻率以及特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步縮小霧化顆粒的粒徑，目前東方金榮已實(shí)現(xiàn)平均霧化顆粒僅為0.5微米的亞微米級(jí)的氣溶膠霧化，圖2展示了基于單晶片壓電陶瓷式超聲波霧化的東方金榮NX系列亞微米氣溶膠發(fā)生器的霧化顆粒分布。

圖2：東方金榮亞微米級(jí)超聲波霧化粒徑分布圖

憑借極小的霧化顆粒這一優(yōu)勢(shì)，單晶片壓電陶瓷式超聲波霧化被用于噴霧熱解法超細(xì)粉體制備的先進(jìn)材料制造領(lǐng)域。噴霧熱解是將一般為鹽溶液的前驅(qū)體液體霧化成微小液滴，然后送入高溫爐中進(jìn)行熱分解反應(yīng)，反應(yīng)后金屬鹽溶液液滴會(huì)干燥裂解成金屬氧化物顆粒，從而實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉體顆粒的制備。圖3為我司用于中試級(jí)亞微米級(jí)金屬氧化物超細(xì)粉體制備的Siansonic超聲波噴霧熱解系統(tǒng)。 

圖3：基于超聲霧化技術(shù)的亞微米級(jí)氣溶膠發(fā)生器在噴霧熱解系統(tǒng)中的應(yīng)用

但是，單晶片壓電陶瓷式超聲霧化技術(shù)的缺點(diǎn)是必須額外的結(jié)構(gòu)來組成完整的霧化裝置，該結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，因?yàn)閱尉瑝弘娞沾蓳Q能器（超聲波霧化片）必須浸入在液體中，并且要有一定的液位高度和成霧高度（超聲波能量會(huì)將液體激起一個(gè)水柱噴泉，水柱的高度即為成霧高度）才可以實(shí)現(xiàn)霧化，故此霧化方向通常受到限制，不能自上而下的噴霧，同時(shí)霧化液體需要累積到一定量才可以霧化。另一個(gè)主要缺點(diǎn)是超聲波能量的轉(zhuǎn)化效率低，從而造成霧化效率和霧化能力不高，通常300ml/h的霧化量需要消耗20W以上的電功率，超聲波的振蕩能力有限，能夠霧化的液體最大粘度僅為1.2cps。因此只能霧化與水相近的液體，應(yīng)用范圍被大大限制，所以最主要的應(yīng)用還是局限于加濕、霧化吸入、霧化造景等領(lǐng)域。

圖4：超聲霧化用微孔網(wǎng)片的顯微鏡照片

微孔網(wǎng)片式

第二種超聲波霧化方式是通過環(huán)形壓電陶瓷與一個(gè)微孔網(wǎng)片貼合而形成的超聲霧化裝置，該項(xiàng)技術(shù)在本世紀(jì)初期從壓電噴墨打印上改良而引入到超聲霧化領(lǐng)域。其是利用壓電陶瓷的徑向伸縮振動(dòng)帶動(dòng)微孔網(wǎng)片（一般為不銹鋼、鈦合金等金屬薄片）的軸向振動(dòng)，然后微孔網(wǎng)片將其一側(cè)的液體吸收并穿過微孔噴射出去，由于微孔很多孔徑很小（一般在5-10微米），被微孔網(wǎng)篩出去的微小液滴也就形成了液霧。圖4為一種微孔網(wǎng)片式霧化換能器的微孔片顯微鏡照片。此種霧化方式實(shí)際上是一種噴閥而并不是傳統(tǒng)意義上的振動(dòng)撕裂產(chǎn)生的霧化，所以該種霧化方式與其他超聲霧化方式不同，其霧化粒徑與超聲頻率無關(guān)，僅與微孔的孔徑有關(guān)，霧化粒徑基本與孔徑接近。該種霧化方式主要是為了解決上述第一種單晶片壓電陶瓷霧化的能量轉(zhuǎn)化效率低這一缺點(diǎn)而發(fā)明的，相比于單晶片壓電陶瓷霧化，微孔網(wǎng)片式霧化的最大優(yōu)點(diǎn)是霧化效率高，僅需要3-5V 的電壓激勵(lì)以及1-2W的電功率即可產(chǎn)生良好的霧化效果。并且，利用該技術(shù)制作的霧化裝置噴霧方向上可以更加自由，不需要累積一定量的液體才可以霧化。但是，該霧化方式也有諸多缺點(diǎn)，比如雖然霧化效率高，但是由于實(shí)際是靠金屬薄片振動(dòng)，其最大振動(dòng)力要遠(yuǎn)小于壓電陶瓷，故此它能夠提供的霧化量和霧化能力很低，最大霧化量通常不足10ml/h，能夠霧化的液體最大粘度也僅為1-2cps。因此也只能霧化與水相近的少量液體。另外，由于微孔太小，霧化液體中的溶質(zhì)或雜質(zhì)很容易造成微孔堵塞而使霧化裝置無法霧化。當(dāng)自上而下噴霧時(shí)，如果霧化液體過多會(huì)積壓在微孔網(wǎng)片上，也會(huì)造成無法振動(dòng)霧化的情況。所以該種超聲波霧化方式的應(yīng)用比較有限，僅適合于對(duì)質(zhì)量要求不太高的便攜式微量霧化的一些消費(fèi)類領(lǐng)域，比如小型的香薰器、家用手持霧化吸入器、美容補(bǔ)水儀等等。 

圖5：朗之萬換能器式超聲波霧化噴頭

朗之萬換能器式

第三種超聲波霧化方式是一種利用朗之萬式超聲波換能器的霧化方式，該項(xiàng)技術(shù)最早是在上世紀(jì)90年代前后在美國提出，在傳統(tǒng)的朗之萬式超聲換能器上開通液體通道，液體被輸送到在換能器變幅桿最大振幅點(diǎn)的前端時(shí)被超聲振動(dòng)撕裂而霧化。該項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是解決了上述兩種超聲波霧化方式霧化能力低的問題，其通過朗之萬換能器及變幅桿使超聲波換能器的振蕩幅度大大提高，從而提高了可霧化液體的最大粘度，可以達(dá)到30-50cps，也就是上述兩種超聲波霧化能力的30-50倍，1W的電功率霧化量可以達(dá)到驚人的1200ml/h。同時(shí)，此技術(shù)的霧化裝置可以實(shí)現(xiàn)任意方向的噴霧，不需要累積一定液量就可以實(shí)現(xiàn)良好霧化，達(dá)到液體“送達(dá)即霧化“的效果。故此，可以通過使用額外的計(jì)量泵供給液體來實(shí)現(xiàn)精確的即時(shí)霧化量，霧化量可以達(dá)到納升每秒級(jí)的超高控制精度。再配合各種氣體流道的設(shè)計(jì)，可以將霧化的液滴進(jìn)行均勻定向的分布，基于該種技術(shù)的超聲波霧化裝置又被成為超聲波噴頭或超聲波噴嘴。美國的Sono-Tek、USI和我們東方金榮Siansonic公司先后掌握了此項(xiàng)超聲霧化技術(shù)，憑借該超聲霧化技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以將各種溶液、溶膠、懸浮液等超聲霧化后沉積在基材表面形成均勻的薄膜涂層，從而將超聲霧化技術(shù)從加濕、霧化吸入等傳統(tǒng)領(lǐng)域帶入到全新而廣闊的薄膜涂層等先進(jìn)材料領(lǐng)域。圖5展示了東方金榮朗之萬式超聲波噴頭霧化時(shí)的狀態(tài)?；谠摲N超聲霧化技術(shù)的薄膜涂層制備工藝被成為“超聲波噴涂”，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、新能源、微電子半導(dǎo)體、玻璃制造、納米材料等各種制造領(lǐng)域。同時(shí)，該技術(shù)也同樣可以應(yīng)用于噴霧熱解、噴霧干燥等超細(xì)粉體制備的先進(jìn)材料制造領(lǐng)域。當(dāng)然，朗之萬式換能器的超聲波霧化技術(shù)也同樣存在自己的技術(shù)缺點(diǎn)，其最大缺點(diǎn)是霧化粒徑比較大，這是由于朗之萬變幅桿式超聲波換能器的頻率不能很高，通常只能在20-200kHz之間，所以能夠達(dá)到的最小霧化顆粒也要在10微米以上，對(duì)于要求霧化粒徑很小的領(lǐng)域，該種霧化方式則不法適應(yīng)。

表1 超聲波霧化方式對(duì)比表

綜上所述，目前主流的三種超聲波霧化技術(shù)有其各自的優(yōu)勢(shì)及缺陷，其技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。我們東方金榮超聲電器有限公司（Siansonic）在超聲波霧化領(lǐng)域已積累了近40年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不僅擁有上述三種超聲波霧化方式的全部技術(shù)及相應(yīng)產(chǎn)品，同時(shí)還在不斷嘗試和探索全新的超聲波霧化方式，例如基于聲表面波的超聲波霧化、高強(qiáng)度聚焦超聲霧化、非接觸聲場(chǎng)霧化等前沿的超聲波霧化技術(shù)，旨在為各種行業(yè)領(lǐng)域提供更先進(jìn)更匹配的霧化解決方案，用超聲波技術(shù)助力未來。