流体喷射用撞针、喷嘴及流体喷射装置

技术领域

本发明涉及一种流体喷射用撞针、喷嘴及流体喷射装置，尤其涉及一种针对高粘度流体的锤头撞针。

背景技术

流体微量喷射装置是一种以受控的方式对流体进行精确分配的装置，它是微电子封装行业的关键技术之一，流体在驱动源的作用下产生压力梯度，在内外压差的作用下加速从喷嘴喷出，形成流体束，最终落在基板上形成流体点。

超精微加工技术的不断发展，精密元器件的体积越来越小，同时对这些精密元器件的微装配与连接封装技术要求也越来越高，微量喷射技术是目前微装配的主要方法之一，因此微量喷射技术对半导体，微电子封装等领域的发展起着关键的作用。喷射品质主要按照流体点的体积稳定性，是否可以顺利从喷嘴喷射出来来评判，影响喷射品质的因素很多，主要有流体粘度、控制温度、供料压力、流道形状、阀杆行程、动力源参数等。已公开的现有技术如下：

授权公告号为CN102615018B的专利提供了一种微量流体定量分配装置，采用压电晶片作为驱动源，驱动撞针做0.3～0.5mm的微量往复运动，喷射阀的关键流道由撞针头和喷嘴之间的分配腔，撞针和腔体之间充满流体，当撞针撞击喷嘴底座时，截断流动的胶液，同时在喷嘴中形成巨大的压力，将胶液喷射出来形成胶滴。说明书图6和图7分别为撞针向下和向上运动时，分配腔中流体的流动示意图，撞针向下运动时，一部分流体向下流动，一部分流体向上流动，喷嘴中的流体吸收撞针的动量，快速喷射形成液滴。

授权公告号为CN106480433B的专利提供了一种流体喷射装置，对流道部分做了超疏水涂层处理，可选的将阀杆由上向下设计为尺寸缩小的阶梯状圆柱体，将入口圆锥面的锥度做了设计为100～130°，通过降低流体沿着流动方向粘滞阻力的方法，使得中高粘度流体更容易喷射。

授权公告号为CN207357480U的专利提供了一种分体式液滴分配装置，图10和图12分别为撞针的两种工作状态，通过压电陶瓷叠堆驱动撞针上下往复运动，在撞针与喷头之间产生瞬间高压，将流体从喷嘴喷出，为了利于喷射粘度较高的流体，设备包含有预加热装置。

现有技术中的流道，只考虑了流体从喷嘴向外喷出的流动，没有考虑阀体内部的流体流动对阀性能的影响，用于喷射微量高粘度流体时，尤其是当粘度大于100000mPa·s的微量流体时，流体束的出口动能不够，流体不容易被剪断，喷射比较困难，单次喷射量不容易控制。现有技术采用给流体加温、给流道部分做超疏水涂层等方式，使流体更容易从喷嘴喷出，但是结构复杂，耐用性差。因此，需要设计一款，结构简单、寿命较长的喷射装置，用于喷射微量高粘度流体。

发明内容

针对现有技术中流体喷射装置存在的喷射动能不足(尤其是针对高粘度流体)、单次喷射量不容易控制等问题，本发明对流体喷射装置的撞针头和喷嘴结构进行了优化设计，有利于高粘度流体的微量喷射。

本发明的第一个方面提供一种撞针结构，所述撞针为锤头撞针，所述锤头撞针回转半径沿回转轴改变，在撞针头部一侧回转半径较大，在撞针杆部一侧回转半径较小，所述半径较大的一侧称为撞针头部，半径较小的一侧称为撞针杆部。优选头部半径是杆部半径的1.5-2.0倍。

本发明的第二个方面提供一种撞针头部，所述撞针头部由推动流体喷射的截面和引导流体向相反方向排出的圆柱面构成，所述推动流体喷射的截面为椭圆形或者类似于椭圆形的截面，所述截面的水平方向的半轴长度大于竖直方向的半轴长度。

本发明第三个方面提供一种带有的“凹槽/凸棱结构”的撞针结构。

所述凹槽或凸棱为矩形、三角形、圆弧形截面的一种或几种的组合。所述凹槽或凸棱结构为回转凹槽或回转凸棱。所述“凹槽/凸棱结构”优选的设计为截面为矩形、三角形、圆弧形或其他截面的回转沟槽或回转凸棱，即沟槽或者凸棱沿着回转轴，轴对称分布。也可按照“凹槽/凸棱结构”的作用原理设计成凹坑/凸点形式、通孔、盲孔形式，或者几种形式的组合结构。

优选地，所述“凹槽/凸棱结构”的深度为所述锤头撞针头部最大直径的3％到10％，特别优选的为3％到5％。所述凹槽/凸棱的宽度为所述凹槽/凸棱深度的1到4倍，优选的数值为2到3倍。优选范围内，综合效果最好，如果宽度太宽，深度太浅二次流效果不明显，反之则强度受影响，而且缝隙不容易清理。

优选地，所述凹槽/凸棱的总数量大于等于2，特别优选的凹槽/凸棱总数量大于等于3。

为了避免高粘度流体沉积、硬化后影响喷射性能和方便撞针的清洁保养，优选的在所述凹槽/凸棱结构增加特氟龙或者其他不沾材料涂层。

本发明的第四个方面，提供一种带有“凹槽/凸棱结构”的锤头撞针结构。

所述“凹槽/凸棱结构”可以布置在所述锤头撞针的撞针头部、撞针杆部或者都布置，优选地，布置在撞针头部，特别优选的，在撞针头部布置矩形凹槽/凸棱，在撞针杆部布置凹坑/凸点。

本发明的第五个方面提供一种喷嘴结构，即将流道的喷嘴部分由现有技术中的直圆管喷嘴结构优化为喷嘴的直径向出口方向变小。本发明所述喷嘴为直径向出口方向渐变的结构，喷嘴上游部分直径较大，喷嘴下游部分直径较小。本发明所述喷嘴也可以为直径渐变的圆管也可以为直径渐变的锥管。

进一步地，喷嘴直径渐变结构可以为2级台阶，优选的首级台阶和次级台阶之间用倒角过渡，用于降低局部流体阻力，特别优选的，首级台阶和次级台阶之间用圆角过渡，圆角过渡局部流体阻力最小。

优选的，所述圆角半径应等于0.2mm到0.5mm之间，特别优选的圆角半径应等于0.2mm到0.3mm之间。优选范围内流体阻力最小，喷射更顺畅，不容易堵塞。

进一步地，喷嘴部分渐变结构也可以为3级以上的台阶。

本发明的第六个方面提供一种流体喷射用锥形喷腔，锥形截面锥角的设计方法，所述锥角用α表示，60°<α<95°喷射阀喷射高粘度流体时各项性能比较均衡，优选地，60°<α<90°，更优选地，80°<α<90°

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)锤头撞针的锤头部分的回转半径相对增大，下部回转直径较大，可以布置更大尺寸的撞针头部圆弧，增大了和流体的作用面积，增加了“有效流体”压力梯度，提高流体喷射动能，利于高粘度流体的喷射。“锤头”结构增加流体喷射动能，使喷出的流体更容易被剪断，因此可以将喷嘴直径做的更小，而不用担心喷嘴直径过小导致阻力增加，引起的喷射困难的问题，相比于传统技术，可以喷射的单个流体点直径更小。

(2)撞针头部椭圆形截面有益的效果是提高喷射流道内压力梯度，增加喷射流体的动能。

(3)“凹槽/凸棱结构”通过“二次流动”效应，增加了“有效流体”的动能，结构紧凑，提升喷射动能效果显著。工作时，流体剪切速度变化率增大，对于剪切稀化流体，相当于降低了高粘度流体的局部粘度，有利于高粘度流体的喷射。

(4)带有“凹槽/凸棱结构”的“锤头”撞针表面积相对于简单的圆柱头撞针表面积更大，方便布置更多的“凹槽/凸棱结构”，针对同一种喷射阀，在不改变撞针尾部结构的前提下只需要改变“锤头”部分，即可改变喷射性能，提高了喷射阀的零件通用性。工作时，锤头上的凹槽/凸棱结构会搅动流体，降低非牛顿流体得粘度，提高高粘度流体的喷射性能。

(5)喷嘴上游部分直径较大，可以降低流体的流动阻力，喷嘴下游部分直径较小，用于形成较小的流体束，有益控制流体单点直径，有益的效果在于既可以喷射出较小的流体束实现精密喷射，又不至于流动阻力过大，导致喷射困难。

(6)本发明所述喷嘴与装置是流体喷射装置中相互独立的结构，同时实施撞针头结构的优化和喷嘴结构的优化，可以达到更好的高粘度流体喷射效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明实例一撞针抬起时的受压流体体积计算原理图

图1a是本发明实例二撞针抬起时的受压流体体积计算原理图

图1b是本发明实例二撞针抬起时的受压流体体积计算原理图

图2是本发明实例一撞针落下时的受压流体体积计算原理图

图2a是本发明实例二撞针落下时的受压流体体积计算原理图

图2b是本发明实例二撞针落下时的受压流体体积计算原理图

图3是本发明实例一有效流体体积变化量和撞针半径关系图

图4是本发明实例一有效流体体积变化量和撞针行程关系图

图5a是本发明实例一和实例二的流道剖面压力云图对比

图5b是本发明实例一和实例二的流道剖面流线图对比

图6a是本发明实例的撞针头部(普通撞针)的流道剖面结构示意图

图6b是本发明实例的撞针头部(锤头撞针)的流道剖面结构示意图

图7a是本发明实例三的凹槽结构局部细节示意图

图7b是本发明实例三的凸棱结构局部细节示意图

图8a是本发明实例三的凹槽结构流体局部速度矢量图

图8b是本发明实例三的凹槽结构流体局部剪切速度变化率云图

图9是本发明实例四的喷嘴流道剖面结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和流道几何参数设计原理详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

实施例1：“锤头”撞针

如图6b所示，本实施例提供一种“锤头”撞针结构，所述“锤头”撞针回转半径沿回转轴改变，像锤子的头一样，在撞击流体的一侧(即图6b的撞针头部分)回转半径较大，而在另一侧(即图6b的撞针杆部分)，回转半径较小，头部半径是杆部半径的1.5-2.0倍之间。所述尺寸较大的一侧称之为“锤头”部分，本发明所述“锤头”撞针结构如图6b与普通撞针头的对比如图6a所示。设计原理如下：

图1、图2是撞针头部为球体的喷射阀流道“有效流体”计算原理图，喷射时，撞针竖直向下运动，图1为撞针撞击前、图2为撞针撞击后。喷射装置的撞针撞击前的状态如图1所示，图中撞针和锥形锥面(以下简称“锥面”)之间充满流体，撞针撞击后的状态如图2所示，撞击过程中，流体流动状态如图5b所示，撞针撞击流体时，流体在压力梯度的作用下相对撞针发生流动，一部分流体沿着撞针运动方向，从喷嘴喷出，称之为于“有效流体”，另一部分流体经过撞针排挤后沿着撞针运动相反的方向回流，称之为“无效流体”。下面结合图1，对“有效流体”体积变化过程做描述。

图1示出了撞针头部为球体的喷射阀流道过回转轴的截面图，撞针头部截面为半径为R的圆弧，两锥形壁面锥角为α(0°<α<180°，图1为α＝90°的特殊情况)，o点为撞针头部圆弧圆心，a点为锥形壁面交点(喷嘴位于a点处)，b点为回转轴与撞针头截线的交点，过o点做壁面的垂线，垂足为p，垂线op与撞针头截线交点为q，过q点做竖直线交壁面于c，过q点做水平线交回转轴于d，则直线qc长度即为撞针行程s，直线bd长度即为针头球冠高度H。以下以图1所示的圆形撞针头截面为例，推导得到关系公式：

“有效流体”体积为四边形bqpa绕回转轴oa的回转体积，三边形bdq绕回转轴oa的回转体积称之为“针头球冠”，pqc三点围成的图形称之为“小三角形”。撞针向下运动时，“针头球冠”体积不变，“小三角形”面积缩小，撞针行程s逐渐缩小，到达极限位置时(图2)，p、q、c三点重合，小三角形面积等于0。

撞击前“有效流体”体积(记做V

对于球形撞针头，在球冠中心o点建立直角坐标系，水平轴为x轴，竖直轴为y轴，计算得到针头球冠的体积公式。

公式1：

特殊的，当图1中壁面锥角α＝90°时，可以推导出：

公式2：

同理计算其余部分的体积，整理得到，撞击前“有效流体”体积V有效流体和撞针行程s(或撞针头圆弧半径R)的代数关系式为：

公式3：V

公式3′：V

特殊的，当壁面锥角α＝90°时

撞击前后“有效流体”体积化量ΔV有效流体的计算公式为：

公式4：ΔV

公式4'：ΔV

a

特殊的，当壁面锥角α＝90°时

a

对公式4两边关于α求导得到：

公式5：

其中公式2为公式1的特殊形式，公式3和公式3’是相同公式的不同表述形式，其中公式4和公式4’是相同公式的不同表述形式。

按照公式4，以撞针半径R为自变量得到图3所示的函数曲线，图中虚线+空心圆的曲线为撞针行程s＝0.1mm，实线+实心圆的曲线为撞针行程s＝0.2mm。

按照公式4’，以撞针行程s为自变量得到图4所示的函数曲线，图中虚线+空心圆的曲线为撞针半径R＝2mm，实线+实心圆的曲线为撞针半径R＝3mm。从图4两条曲线的变化趋势看出，有效流体体积变化和撞针行程大小正相关，即撞针行程(或撞针抬起的高度)越大，有效流体体积变化越大喷射越容易。对比两条曲线坐标点的不同可以看出，有效流体体积变化和撞针半径R正相关，即撞针半径越大，有效流体体积变化越大喷射越容易。

其中图3和图4仅分别做出了两条不同参数的曲线，同理可以按照上述公式做出不同参数的一族曲线。

按照公式4，对照图3所示的曲线，得到“有效流体”体积变化量ΔV有效流体随着撞针半径R单调增加，即在相同的空间内增大撞针半径可以提高阀体的喷射能力，按照此原理对图6a所示的常规撞针结构，增大撞针头的半径，得到图6b所示的“锤头”撞针结构。

由公式5容易得到，当α＝0°时，ΔV有效流体取最大值，ΔV有效流体随着α单调递增，当α＝90°时，ΔV有效流体的变化率最大，为了使喷射阀喷射高粘度流体时各项性能比较均衡，将α设计为90°附近的较小值，优选的取60°<α<90°，特别优选的取80°<α<90°。

所述“锤头”撞针结构，提高了喷嘴中流体的压力梯度，增加流体的出口速度，用于喷射高粘度流体时效果更好。

实施例2：椭圆形锤头撞针

图1a、图2a、图1b、图2b是撞针头部为椭球体的喷射阀流道“有效流体”计算原理图。如图1a和图2a所示，椭圆截面横向半轴长度大于纵向半轴长度；如图1b和图2b所示，椭圆截面横向半轴长度小于纵向半轴长度。由于图1(撞针头部为球体)可以认为是图1a(撞针头部为椭球体)的特殊形式，设计原理和上述球形截面相同，差别在于增加了半轴参数，具体设计过程如下：

图1a示出了撞针头部为椭球体的喷射阀流道过回转轴的截面图，撞针头部截面为椭圆，o点为椭圆中心，以o点为原点，建立图示直角坐标系，壁面锥角为α，右侧的锥形壁面线斜率为k，将右侧锥形壁面线平行移动，和椭圆相切，切点为q点，q点坐标为q(x0，y0)，过q点做锥形壁面的垂线段qp，垂足为p。

定义椭圆的水平方向半轴长度为a，竖直方向半轴长度为b，则所述椭圆的函数关系可以在直角坐标系下表述为：

公式6：

应用隐函数的求导法则，对所述椭圆方程两边求导并化简，可以将锥形壁面的斜率公式表述为：

公式7：

联立公式6和公式7，求解得到，q点坐标q(x0,y0)可以表述为：

特殊的，当锥角α＝90°时，斜率k＝1，q点坐标q(x0,y0)可以表述为：

针头椭球冠的回转体积为：

公式8：

将q点坐标q(x0,y0)带入公式8得到：

公式9：

特殊的，当a＝b时，公式9和公式2等价，即

关于“有效流体”体积变化量ΔV有效流体可以按照本发明实施例的计算原理，整理成公式4所示的格式，其中变量为s、a、b，本处不再赘述。按照实施例1的“有效流体”体积变化量ΔV的计算方法，容易得到，当a和b的比值越大时，ΔV越大，即采用水平方向半轴较长的椭圆形截面撞针时ΔV更大，喷射流道内压力梯度也更大，喷射的流体动能更大。

图5a为采用流场仿真计算软件得到的撞针喷射流道剖面压力云图对比，除撞针头截面不同外，其余几何参数均相同，所述云图左中右依次为圆形截面撞针、水平方向半轴较长的椭圆形截面撞针、竖直方向半轴较长的椭圆形截面撞针。从压力云图的对比可以看到，其他参数相同时，采用水平方向半轴较长的椭圆形截面撞针，喷射流道内压力梯度最大，因此喷射的流体动能最大。

图5b为采用流场仿真计算软件得到的撞针喷射流道剖面流线图对比，“有效流体”沿着喷嘴向下流动，“无效流体”向上流动。

本实施例为关于“有效流体”体积计算方法的一种典型实施例的具体描述，实际使用中对于任意确定函数曲线的撞针头，均可按照所述实施例的计算原理进行计算。即本发明撞针头也可以不是椭圆形而是任意曲线，只要按照本发明的原理，将界面形状设计成类似于椭圆形的结构，其中椭圆形沿水平方向的半轴长度比椭圆形沿竖直方向的半轴长度要长。

实施例3：带有“凹槽/凸棱结构”的锤头撞针

图7a、图7b为本实施例撞针头局部示意图，所示了几种典型撞针头结构，撞针头上设计有凹槽/凸棱、凹坑/凸点、圆孔或者以上几种结构的一种或几种组合结构。

本发明所述“凹槽/凸棱结构”工作原理在于：撞针向下运动时，大部分“无效流体”沿着撞针运动相反的方向流动，成为“主要流动”，由于“凹槽/凸棱结构”附近的流体被撞针带动流动，成为“二次流动”，由于“二次流动”和“主要流动”方向相反，排挤“主要流动”流道，降低了主要流动的过流面积，从而间接的增加了“有效流体”的动能。高粘度流体一般为具有剪切稀化效应的高分子流体，当喷射此类流体时，所述“凹槽/凸棱结构”增加了流体局部剪切率，从而降低流体表观粘度，增加流体流动性，增加了喷嘴处流体束的出口动能，有利于流体喷射，效果更佳。

图8a示出了，在撞针下落的某一时刻“无效流体”的流动趋势，图中的速度矢量线为流场仿真计算软件计算结果撞针头“凹槽/凸棱结构”附近局部流体的“二次流动”，从局部放大图上看到在“凹槽/凸棱结构”两侧出现明显的“二次流动”，降低了“主要流动”的流道宽度。

图8b示出了，增加“凹槽/凸棱结构”结构前后，凹槽附近流体局部剪切速度变化率云图变化对比关系，左图为增加凹槽前，右图为增加凹槽后，具体的，增加了“凹槽/凸棱结构”后，流体剪切速度变化率增大，对于剪切稀化流体，相当于降低了高粘度流体的局部粘度，有利于流体喷射。

实施例4：直径渐变的圆管喷嘴

如图9所示，本实施例提供一种喷嘴优化结构，即将流道的喷嘴部分由现有技术中的直圆管喷嘴结构优化为直径渐变的圆管喷嘴。喷嘴上游部分直径较大，喷嘴下游部分直径较小。喷嘴部分按照局部流体损失最小的原理设计，让流道变化均匀过渡。

优选地，喷嘴直径渐变结构为2级台阶，首级台阶和次级台阶之间优选的用倒角过渡，用于降低局部流体阻力，特别优选的首级台阶和次级台阶之间用圆角过渡。

优选的所述圆角半径应等于0.2到0.5之间，特别优选的圆角半径应等于0.2到0.3之间。