CN103301970A - 液体注入式微点雾喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体注入式微点雾喷射装置。它包括精确液体输入装置、气体输入装置、输液导管、输液导管及喷嘴，输液导管将由气体输入装置输送的气体作为驱动介质接入，输液导管存在收缩段；精确液体输入装置提供连续、脉冲或者间断的液体供应；输液导管将由精确液体输入装置所输送的受控液体从输液导管收缩段或其上游的输液导管侧壁或者输液导管中心位置注入；输液导管在收缩段下游端部连接等截面管段；喷嘴处于输液导管等截面管段的端部。本发明应用于粉末冶金、喷墨、喷涂、喷胶、焊接、快速成形等液体射流喷射工艺。本发明应用微管道内的微射流流动的失稳机制，利用液滴形成的周期性和可控性的特点使高频率、高精度的点喷、雾喷效果得以保障。

Description

液体注入式微点雾喷射装置

技术领域

本发明涉及一种液体注入式微点雾喷射装置。它能够产生高频率、高精度和可控的液点喷射和雾化喷射效果。可以广泛应用于粉末冶金、喷墨、喷涂、复合材料制备、生物医药、半导体薄膜制备、快速原型制造、喷胶、焊接和燃烧等多种液体射流喷射工艺。本发明的工作获得了国家自然科学基金(CNSF11172163)的部分资助。 

背景技术

本发明源于对喷射雾化冶金技术及半导体封装行业中胶液分配技术的研究；是授权专利《气泡注入式微点、雾双喷装置》（专利号ZL 2009 1 0048328.Ⅹ）的对偶专利形式。 

喷射雾化冶金技术是近二三十年来新兴的冶金工艺，发展非常快，已成为机电制造加工工业的重要支柱和非常有前途的产业。粉末冶金材料因节能、节材、规模化生产成本低、无需机械加工等优势,备受金属产品制造工业青睐，由其派生出来的金属注射成形(metal injection molding，MIM)、热喷涂(thermal spraying，TS)、金属快速成形(metal rapid prototyping，MRP)、表面贴装(surface mount technology，SMT)等技术更是得到蓬勃的发展。 

与传统喷射雾化生产大规模不同尺寸分布的金属液滴和颗粒不同，半导体封装胶液分配技术更多强调的是对生成液滴和颗粒的尺度、频率、精度的可控和可操作性。 

半导体封装胶液分配技术伴随微电子技术崛起经过了几十年的发展，先后出现了各类技术，包括大量式布胶（mass dispensing）、接触式点胶（contact dispensing）、非接触式点胶或称喷胶（non-contact dispensing/dispensing jet）等。目前，接触式点胶是最为常用的胶液分配技术，而非接触式点胶（喷胶）具有精度高、速度快等特点，被认为是半导体封装行业未来的胶液分配技术。 

国际上，美国Asymtek公司(现归属Nordson公司)在非接触式胶液分配技术（US 2006/0157517）研究和应用方面走在了前列，并占领绝大部分市场。至今已经推出了DJ-2100、DJ-2200、DJ-9000以及DJ-9500系列喷射点胶头。其中DJ9500是2008年最新产品，喷嘴直径在0.05mm至1mm之间，最小喷射区间最小可至175μm；最小喷射线宽为250μm；最小喷射点直径为200μm；喷射精度为1 nanoliter；喷射流线宽可达50μm。国内非接触式胶液分配系统还处于比较低的起步阶段，差距较大。 

针对以上的两个领域的问题，我们提出并实现了《气泡注入式微点、雾双喷装置》并于2011年获得了授权（专利号ZL 2009 1 0048328.Ⅹ）。我们的装置很容易实现雾喷效果，也获得了非常高速、高频、高精度的点喷效果，点喷的一致性、无拖尾、无卫星液点、无回缩流动、点内无气泡的诸多优点都很好的实现，远超出了预期设计的结果。 

但同时我们也在喷射的实现过程中遇到了问题，比如对连续的液点《气泡注入式微点、雾双喷装置》性能非常优越，但在单点或者孤点的液点喷射由于重力、液体粘性、控制精度等因素很难把握，即要提高装置运行的起止特性有一定的难度；同时装置的清理困难，因为装置的大部分管道都会接触液体（传统的装置都是如此），因此在喷射易凝固的液体时会造成堵塞。 

因此这里留给我们提出的问题是，如何在保持《气泡注入式微点、雾双喷装置》各种优越性的前提下，解决点胶的起止问题，即提高装置快速启动和关断能力，同时减小清理所带来的困难。 

本发明就是从这些事实出发，设计了《液体注入式微点雾喷射装置》。利用流体动界面问题在微观上的表象出发，考虑流体、气体和导管、喷嘴材料之间三相作用的接触问题、气体在流体中的运动特性，以气体做为驱动介质，液体为工作介质，使液体射流的失稳机制取代《气泡注入式微点、雾双喷装置》中气体射流的失稳机制，实现对液体射流的点、雾喷射效果的有效控制。 

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种液体注入式微点雾喷射装置，可以获得高频率、高精度和可控的点喷、雾喷效果，同时对装置的起止问题和装置清洁问题都给与有效的解决。 

为达到上述目的，本发明的构思是： 

本发明的液体注入式微点雾喷射装置，具有精确液体输入装置。

精确液体输入装置提供了稳定的液体来源，保障工作介质的存在，精确液体输入装置的流速、流量可调控，能够产生连续或者脉冲或者间断不规则的液体输入。 

本发明的液体注入式微点雾喷射装置，具有气体输送装置。 

气体输送装置提供了稳定的气体来源，通过气体导管向液体中输入气体，气体的压力可调控，气体为驱动介质，同时起到清洁管道和喷嘴的作用。 

本发明的液体注入式微点雾喷射装置，具有输气导管。 

输气导管将由精确液体输入装置提供的液体和气体输送装置提供的气体向下游输送。输气导管分为导入段、收缩段和等截面管段，由近疏液体材料制成。由气体输送装置提供的气体从输气导管输入，由精确液体提供的液体在输气导管收缩段或其附近上游的中心或壁面接入。液体射流和气体在输气导管收缩段及等截面管段衔接处附近相遇，液体射流失稳，并受到气体挤压，当液体体积足够大会破碎为液滴，将气体阻塞。当气体流量足够大时，会产生液体的雾化效果；但在点喷时，液体射流会将气体切断，形成段塞流动形式。当连续液体输入时，这种过程随液体和气体的不断输入而不断重复；但当单点和孤点喷射时，由精确液体输入装置输入定量的液体，由气体驱动从喷嘴喷出，在喷射间隔，气体起到清洁管道的作用。在连续点胶状态，在输气导管收缩段及等截面管段内形成气泡、液塞相间隔的流型。通过调节气体、液体的流速和流量比等，以及控制液体射流的流量输入，可以控制液滴的尺寸大小从而实现喷射频率和喷射点大小。输气导管的等截面管段可以较短，这时对液点喷射时的方位上的精度会偏低。 

本发明的液体注入式微点雾喷射装置，具有外置喷嘴和内置喷嘴。 

内置喷嘴内径向下游收缩后等直径伸展，并按材料不同分为两种类型，一种是由近疏液体材料制成的微点喷喷嘴，另一种是为了获得更好雾化效果的由近亲液体材料制成的微雾喷喷嘴，喷嘴内径为毫米以下量级，内置喷嘴与输气导管在输气导管末端连接。 

外置喷嘴由近疏液体材料制成（对容易产生凝固液体可选）或者近亲液体材料（不存在凝固问题液体可选）或者中性材料制成，喷口向外扩张呈一定角度。对存在凝固问题的液体，采用近疏液体材料制成外置喷嘴可以维持设备在未工作状态时对管内液滴的支持，使管内液塞不会自然下落，而且避免液体在喷嘴表面的附着。 

内置喷嘴和外置喷嘴的收敛-扩张的几何构型可以为压缩气体的运动提供达到超声速的条件。在一般情况下，即不要求采用一段气体来雾化一段液塞的精确雾化以及一般的超音速雾化工况下，本装置具有的内置喷嘴和外置喷嘴均为可选项，因其特殊的功能设计要求而需要比较严格参数控制。它们的形式可以多样化，也可以采用涂层的方式实现。 

  

根据上述发明构思，本发明采用下述方案：

一种液体注入式微点雾喷射装置，包括精确液体输入装置、气体输送装置、输气导管、喷嘴、及输液导管，其特征在于所述输气导管由人口导管、收缩段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段及其上游中心或管壁接入所述输液导管；所述喷嘴由一个内置喷嘴外部套着一个外置喷嘴构成，所述内置喷嘴套在所述输气导管等截面管段的端部；所述输气导管的进口收缩段接通所述气体输送装置，所述输液导管接通所述精确液体输入装置。所述精确液体输入装置和气体输送装置分别提供可控高精度的液体和气体供应，气体直接进入输气导管，液体经由输液导管进入输气导管收缩段附近；所述输气导管在下游与内置喷嘴相联连接；输气导管内的气液流动经由内置喷嘴和外置喷嘴后喷向目标基底，实现喷射过程。

上述输气导管分为三段：人口导管、收缩段、以及下游管段(等截面管)，收缩段收缩角度不大于45度的锐角，输气导管的等截面管段、输液导管和内置喷嘴的管段内径在毫米及以下量级。输气导管的下游管段可以比较短。 

上述内置喷嘴和外置喷嘴材料共同构成收缩-扩张的喷嘴结构，其目的是实现一段气体雾化一段液体的精确点雾化模式以及超音速雾化，在一般的喷点和雾化中，可以不予安装。 

上述液体注入式微点雾喷射装置可以通过调节入口气体和液体流量、气体压力、液体得输入量、以及输气导管的材质等来控制液滴的生成，从而实现出液的液点大小和出液频率的精确控制。 

上述液体注入式微点雾喷射装置通过气液两相流在微管道内不同的流型实现点、雾的喷射效果。在一段气体雾化一段液体的精确单点雾化方式中，利用内置喷嘴和外置喷嘴的加速效果，可以实现对液体单点的精确雾化，在恰当条件下，气体或气液混合流动可以被收敛-扩张结构加速到超音速，实现对液点的超音速雾化效果，获得的液点尺寸更小，精度更高。 

上述精确液体输入装置是可调控液体流速及流量，为下游的流动提供精确的液体供应，液体的供应可以是连续的、脉冲式或者间断不连续的，液体由输液导管接入输气导管；所述气体输送装置是具有可调控气体压力或者流量的稳定气源装置。 

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 

采用本发明和《气泡注入式微点、雾双喷装置》一样，从流动界面问题在微观上的表象出发，利用流体、气体和导管、喷嘴材料之间三相作用的接触问题、液体在受限微管道中的流动稳定性以及流型产生的各因素及特点，采用区别于传统方式的新方法来产生液点，大大简化了点喷、雾喷实现的途径，也大大提高了产生液点、雾点的品质，以及大大提高了生产效率。

采用本发明的装置实现点喷、雾喷的切换非常简单，只需喷射的流动参数，极大的简化了设备的研制、制造和维护成本。 

采用本发明通过流动的固有性质来实现对流动的控制，具有稳定可靠的特点。流动的稳定性使液滴脱落的可控和周期性得以保障。 

与发明《气泡注入式微点、雾双喷装置》相比，本发明更有优越的起止特性以及易于清理的特性。 

采用本发明可以较少受到喷射液体材料的限制，它适用于各种用途，粉末冶金、喷墨、喷涂、复合材料制备、生物医药、半导体薄膜制备、快速原型制造、喷胶、焊接和燃烧等等。 

由此，采用本发明可获得高频率、高精度和高可控的点喷、雾喷效果，应用范围非常广泛，具有重要市场价值。 

附图说明

图 1 为液体侧向注入式微点雾喷射装置结构示意图。 

图2为液体中心注入式微点雾喷射装置结构示意图； 

图 3为中心液体注入式管道模拟图。 

图 4液体注入式微点雾喷射装置照片图(a)和点喷实验照片图(b)。 

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下： 

实施例一：

参见图1和图2，本液体注入式微点雾喷射装置包括精确液体输入装置7、气体输送装置6、输气导管1、喷嘴及输液导管5，其特征在于所述输气导管1由进口收缩段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段的中心或壁面接入所述输液导管5；所述喷嘴由一个内置喷嘴4外部套着一个外置喷嘴2构成，所述内置喷嘴4套在所述输气导管1等截面管段的端部；所述输气导管1的进口收缩段接通所述气体输送装置6，所述输液导管5接通所述精确液体输入装置7。

  

实施例二：

本实施例和实施例一基本相同，特别之处在是：

所述外置喷嘴2和内置喷嘴4之间以可拆除式结构连接或者内置喷嘴4用相应涂料层替代；或者将输气导管1的等截面管段下游部分全部去除。

所述输气导管1的等截面管段、输液导管5和内置喷嘴4的管道内径尺寸均为毫米及以下量级；液体由输液导管5从输气导管1收缩段中心或者壁面接入，在收缩段及其下游形成阻塞式流动。气体做为工作介质，具有驱动液体射流破碎及运动的作用，同时用以清理管道。 

所述精确液体输入装置7能够提供连续或者脉冲或者间断不规则的液体输入，其精度控制在微升及以下量级，以提供高频多点或者单点的喷射效果。 

所述的精确液体输入装置7和气体输送装置6分别能够调节液体或者气体输入压力或输入流量或输入流速或管道材质，以形成微管道中两相流不同的流型，来实现点喷方式、雾喷方式之间切换。 

  

实施例三：

参见图1，本液体注入式微点雾喷射装置由精确液体输入装置7、气体输送装置6、输气导管1、外置喷嘴2、内置喷嘴4及输液导管5组成。精确液体输入装置7和气体输送装置6分别提供稳定的粘性液体和气体供应，气体直接进入输气导管1，液体经由输液导管5进入输气导管1；输气导管1在下游与内置喷嘴4相联连接；内置喷嘴4外部套有外置喷嘴2，输气导管1内的被气泡分隔的液塞经由内置喷嘴4和外置喷嘴2后喷向目标基底3，实现喷射过程。

参见图2，中心液体注入式管道模拟图，尺寸如标注所述。介质为空气和水，而水射流注入空气射流。其它参数为空气注入速度0.5m/s，水流入口速度1m/s，表面张力为73.5dyn/cm，管道接触角90度。计算获得的液塞周期时间为3.6e-4s，频率接近3kHz。而第一点的产生费时4.16e-4s，约为10%的偏差，是非常好的起始精度。 

参见图1和图3，给出了液体注入式微点雾喷射装置的原理机和连续点喷实验图，可以看出本装置的实现非常直观、简约，而点喷效果非常好。在实验图中，没有卫星液点，液滴一致性非常优越，射速也非常高。 

参见图1和表1，我们看到注入式点、雾喷射相对传统的液点方法采用了新的原理，其射速高、液点多、应用材料多、雾化效果好；而液体注入式点、雾喷射除了点速（频率）以及在线胶模式下略低于和不如气体注入式外，在其它方面不亚于气体注入式，而在起止问题和清洁问题上，远优于气体注入式，是一个非常优越的点、雾喷射方案和装置。 

表 1气体注入式、液体注入式与传统点胶工艺的比较。

Claims (5)

1.一种液体注入式微点雾喷射方法和装置，包括精确液体输入装置（7）、气体输送装置（6）、输气导管（1）、喷嘴及输液导管（5），其特征在于所述输气导管（1）由进口收缩段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段的中心或壁面接入所述输液导管（5）；所述喷嘴由一个内置喷嘴（4）外部套着一个外置喷嘴（2）构成，所述内置喷嘴（4）套在所述输气导管（1）等截面管段的端部；所述输气导管（1）的进口收缩段接通所述气体输送装置（6），所述输液导管（5）接通所述精确液体输入装置（7）。

2.根据权利要求1所述的液体注入式微点雾喷射方法和装置，其特征在于所述外置喷嘴（2）和内置喷嘴（4）之间以可拆除式结构连接或者内置喷嘴（4）用相应涂料层替代；或者将输气导管（1）的等截面管段下游部分全部去除。

3.根据权利要求1所述的液体注入式微点雾喷射方法和装置，其特征在于所述输气导管（1）的等截面管段、输液导管（5）和内置喷嘴（4）的管道内径尺寸均为毫米及以下量级；液体由输液导管（5）从输气导管（1）收缩段中心或者壁面接入，在收缩段及其下游形成阻塞式流动。气体做为工作介质，具有驱动液体射流破碎及运动的作用，同时用以清理管道。

4.根据权利要求1所述的液体注入式微点雾喷射方法和装置，其特征在于所述精确液体输入装置（7）能够提供连续或者脉冲或者间断不规则的液体输入，其精度控制在微升及以下量级，以提供高频多点或者单点的喷射效果。

5.根据权利要求1所述的液体注入式微点雾喷射方法和装置，其特征在于所述的精确液体输入装置（7）和气体输送装置（6）分别能够调节液体或者气体输入压力或输入流量或输入流速或管道材质，以形成微管道中两相流不同的流型，来实现点喷方式、雾喷方式之间切换。

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