УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ДВИЖУЩИХСЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ
DEVICE TO GENERATE SERIES OF MOVING FLUID DROPS

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей, а именно к дозаторам с внешним управлением для повторяющегося отмеривания и испускания заданных объемов жидкостей и может быть использовано при проведении научных исследований в области гидродинамики, химии, биологии, медицины, теплофизики и др.
Известно устройство для формирования одноразмерных капель жидкости или пузырьков газа [RU 123516 U1, МПК G01F 11/00 (2006.01), опубл. 27.12.2012], содержащее резервуар с жидкостью или газом и присоединенный к нему недеформируемый капилляр, внутри которого размещен жесткий, не касающийся стенок капилляра, заостренный сердечник, конец которого смещен относительно торца капилляра. Конец жесткого сердечника может быть смещен наружу на расстояние, превышающее внутренний диаметр капилляра или внутрь капилляра на расстояние, не превышающее внутренний диаметр капилляра.
Известно устройство для образования капель однообразных размеров [SU 1682 А1, МПК6 B01J 2/02, опубл. 30.09.1926], в котором через каждую пару соседних выпускных отверстий в дне сосуда пропущены концы согнутой дугой проволоки меньшего диаметра, чем диаметр отверстий, служащей для удерживания капельной жидкости и образования на концах проволоки капель заданной (контролируемой) величины.
Указанные устройства не позволяют сгенерировать одинаковые по размерам последовательные капли жидкости с контролируемым расстоянием между ними, так как расстояние между каплями в них зависит только от частоты генерации капель. С увеличением частоты генерации расстояние между движущимися каплями уменьшается. При этом существенно меняется их размер.
Известен прибор для получения одиночных капель жидкости [SU 84581 А1, МПК6 G01N 11/04, опубл. 01.01.1950], выбранный в качестве прототипа, выполненный в виде горизонтально расположенной трубки с непрерывно поступающей в нее жидкостью и возвратно-поступательного перемещающегося вдоль этой оси трубки стержня, при своем движении периодически приходящего в соприкосновение с мениском жидкости в трубке и при отрыве от мениска выбрасывающего наружу одиночную каплю.
Траектория полета одиночной капли, сгенерированной этим устройством, имеет вид параболы, так как капля отрывается от мениска стержнем в горизонтальном направлении, что впоследствии под действием силы тяжести приводит к ее перемещению по дуге параболы. Таким образом, даже установка друг над другом на фиксированном расстоянии нескольких таких устройств делает неосуществимой задачу генерации последовательно движущихся капель из-за сложностей прогнозирования траектории их перемещения, которая зависит от диаметров стержня и трубки, а также свойств жидкости и ее количества в трубке. Для варьирования размеров капель необходимо менять диаметры трубки и стержня.
Задачей изобретения является генерация последовательно движущихся капель жидкости с фиксированным расстоянием между ними и с известной траекторией их перемещения.
Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости, также как в прототипе, содержит возвратно-поступательно перемещающийся стержень.
Согласно изобретению устройство содержит остов в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой уголков. Внутри остова размещен каркас в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой реек, с установленными на них направляющими роликами. Внутри каркаса вертикально закреплен прямоугольный короб с открытыми верхним и нижним торцами. На противоположных сторонах короба вдоль оси перемещения каркаса идентично выполнены n сквозных отверстий, расположенных вертикально в ряд, для размещения в них полых игл, концы которых прижаты держателем, закрепленным внутри каркаса на соответствующей стороне короба. Напротив наконечников игл на каркасе закреплена первая пластина. Внутри остова, с внешней стороны каркаса, напротив первой пластины расположена вторая пластина с установленными на ней направляющими роликами. Одна сторона второй пластины снабжена ручкой. На другой стороне второй пластины закреплен стержень с возможность возвратно-поступательного движения в отверстии третьей пластины, вертикально закрепленной внутри остова, причем утолщение на конце стержня направлено в сторону первой пластины. Между второй и третьей пластинами закреплены пружины.
Остов, каркас, короб, первая, вторая и третья пластины, стержень выполнены из металла.
Выполнение противоположных сторон короба с n сквозными отверстиями, расположенными вертикально в ряд, позволяет разместить в этих отверстиях необходимое количество полых игл на фиксированном расстоянии друг от друга.
Предложенное устройство позволяет резко переместить в горизонтальном направлении короб с иглами, на остриях которых размещены капли жидкости требуемого размера. Капли жидкости, оторвавшись от игл, остаются на месте, после чего продолжают свое движение под действием гравитационных сил в строго вертикальном направлении сверху вниз, на фиксированном расстоянии друг от друга.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства для генерации одиночных последовательно движущихся капель жидкости с фиксированным расстоянием между ними.
Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости содержит металлический остов 1 в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой уголков. Внутри остова размещен каркас 2 в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой металлических реек с установленными на них направляющими роликами. Внутри каркаса 2 вертикально закреплен прямоугольный металлический короб 3 с открытыми верхним и нижним торцами. На противоположных сторонах короба 3 вдоль оси перемещения каркаса 2 идентично выполнены n сквозных отверстий, расположенных вертикально в ряд, для размещения в них полых игл 4. Концы игл 4 прижаты держателем 5, закрепленным внутри каркаса 2 на соответствующей стороне короба 3. Напротив острий игл 4 на каркасе 2 закреплена первая металлическая пластина 6. Внутри остова 1, с внешней стороны каркаса 2, напротив пластины 6 расположена вторая металлическая пластина 7 с установленными на ней направляющими роликами. В центре второй пластины 7 закреплен металлический стержень 8 с возможностью возвратно-поступательного движения в отверстии третьей металлической пластины 9, вертикально закрепленной внутри остова 1. Утолщение на конце металлического стержня 8 направлено в сторону первой пластины 6. Диаметр утолщения в два раза большее диаметра металлического стержня 8. Между второй 7 и третьей 9 пластинами закреплены четыре пружины. С внешней стороны вторая пластина 7 снабжена ручкой 11.
Генерацию последовательно движущихся капель жидкости (фиг. 1) производят следующим образом.
В сквозных отверстиях металлического короба 3 размещают необходимое количество игл на нужном расстоянии. Капли воды подвешивают на полые иглы 4 (фиг. 2), например, с помощью электронного одноканального дозатора «Finnpipette Novus». Каркас 2 с установленными на нем направляющими роликами отводят в сторону стержня 8 до совмещения первой пластины 6 с утолщением стержня 8. Вторую пластину 7 с установленными на ней направляющими роликами за ручку 11 вместе с закрепленным на ней стержнем 8 механически отдаляют от каркаса 2 так, что расстояние между пластиной 6 и ближним к ней концом стержня 8 становится равным 15-20 мм (расстояние обусловлено свойствами пружин 10). При резком отпускании ручки 11 происходит сжатие пружин 10 и последующее столкновение утолщения стержня 8 с первой пластиной 6 и, как следствие, горизонтальное смещение каркаса 2 с закрепленным на нем коробом 3 с иглами 4. В результате капли воды отрываются от игл 4 и продолжают свое движение строго сверху вниз под действием гравитационных сил на фиксированном расстоянии в соответствии с их размещением на остриях игл 4 (фиг. 2).
d
d
-5
Для оценки точности в соблюдении расстояний между сгенерированными последовательно движущимися каплями была проведена серия пробных экспериментов. Для подвешивания капель воды использовали электронный одноканальный дозатор «Finnpipette Novus» (минимальный и максимальный забираемые объемы - 5 мкл и 50 мкл, шаг варьирования - 0,1 мкл) с использованием наконечника. Непосредственно перед размещением каждой капли на иглах 4 проводили замер массы генерируемых капель воды M микровесами «ViBRA НТ 84RCE» (дискретность - 10 г). Проводили контрольный расчет объема капли V по формуле
d
w
d
V=ρ/M,
w
где ρ - плотность жидкости.
Испытания устройства показали, что при погрешности объемов генерируемых капель в 0,02 мкл отклонение по горизонтали и вертикали между центрами масс перемещающихся последовательно в вертикальном направлении капель не превышает 0,1 мм.