一种低功耗的微型喷洒器及使用该喷洒器的芯片冷却装置的制作方法

本发明属于微型喷洒器领域，具体涉及一种低功耗的微型喷洒器及使用该喷洒器的芯片冷却装置。

背景技术：

喷洒器作为一种常用器件已广泛应用于农林、园艺、消防、医疗等领域，如中国专利cn107711445a提出了一种草坪喷洒器，其通过设置旋转工作台提高了喷洒区域；中国专利cn207613018u提出了一种农药喷洒器，其通过潜水泵将农药自动输出，替代了传统手摇式喷洒，大大提高了工作效率。但现有喷洒器仍存在一些不足，例如：1、传统喷洒头工作时需要外加压力，在没有水压的环境下无法工作；2、喷洒器采用电机驱动，结构复杂、体积大、集成度低且功耗高。

近年来，随着压电驱动技术的快速发展，以压电陶瓷为核心的压电驱动方式正逐步得到应用，由于压电陶瓷能够进行稳定输出，具有响应速度快、能耗低、能量密度高、结构简单、无电磁干扰、易于控制等特点，因此，将压电技术用于喷洒器的驱动能有效解决上述问题从而具有较好的应用前景。同时，随着芯片的集成度和性能不断提高，芯片冷却在电子产品设计开发中占有重要的地位，人们对芯片冷却装置也提出了更高的要求。

技术实现要素：

针对现有喷洒器存在的不足，本发明提出了一种体积小、结构简单、集成度高、重量轻且无电磁干扰的低功耗的微型喷洒器及使用该喷洒器的芯片冷却装置。

本发明采用的技术方案是：芯片冷却装置整体由微型喷洒器、散热箱、外壳、导热块、芯片、水箱以及水箱盖构成；所述散热箱与外壳连接，散热箱的主体穿过外壳，伸入电子设备内部；所述散热箱内部设置有内腔；所述内腔底部表面设置有凸起结构，凸起结构的设置可以增加散热面积；所述散热箱的底部设置有环形水路，通过环形水路将热量充分导入到喷洒的水中；所述散热箱左侧设置有水箱，水箱内装有蒸馏水；所述水箱顶部设置有水箱盖；所述水箱底部设置有入口通道；所述入口通道一端与水箱内部蒸馏水连通、另一端与环形水路的入口端连通；所述散热箱右侧设置有出口通道；所述出口通道一端与环形水路的出口端连通、另一端与微型喷洒器的入口连通；所述微型喷洒器安装在散热箱顶部，微型喷洒器朝向内腔喷洒；所述散热箱顶部没置有散热孔；所述散热孔连通内腔和外部空气；所述散热箱下表面通过导热胶与导热块连接；所述导热块通过导热胶与芯片连接，以此实现芯片的热量传导到散热箱底部。

微型喷洒器整体由上盖、第一压电振子、第二压电振子、密封圈、第一入口单向阀、第二入口单向阀、下盖以及喷头构成；所述上盖和下盖从上至下依次相连；所述上盖与下盖的之间安装有第一压电振子和第二压电振子；所述下盖在第一压电振子一侧设置有第一泵腔，第一压电振子的变形直接作用于第一泵腔，以此获得第一泵腔的容积变化；所述下盖在第二压电振子一侧设置有第二泵腔，第二压电振子的变形直接作用于第二泵腔，以此获得第二泵腔的容积变化；所述第一压电振子、第二压电振子均配置安装有密封圈，密封圈的配置可以保证第一泵腔、第二泵腔的密封性；所述上盖与下盖内部设置有第一通道；所述第一通道一端与出口通道连通、另一端分为两分支，一分支设置有第一入口单向阀、另一分支设置有第二入口单向阀；所述第一入口单向阀为常闭式单向被动阀，实现第一通道到第一泵腔的流体单向流动；所述第二入口单向阀为常闭式单向被动阀，实现第一通道到第二泵腔的流体单向流动；所述下盖内部设置有第二通道；所述第二通道一端与喷头连通、另一端分为两分支，分别与第一泵腔和第二泵腔连通；所述第二通道与第一泵腔、第二泵腔连通处均位于第一泵腔、第二泵腔的中心处；所述第一压电振子、第二压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成，且压电陶瓷片的直径小于金属基板。

所述喷头由流道部分和喷洒部分组成，液体压入喷头时先经过流道部分后经过喷洒部分；所述流道部分由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口和细长流道；所述细长管道的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度l范围为5d1至10d1；所述收缩口自上至下断面直径逐渐减小，收缩口下部小口的断面直径与细长管道直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、高度为1mm；所述收缩口与细长管道同心；所述细长管道的设置不仅可以通过流阻差实现液体的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入第一泵腔、第二泵腔；需要说明的是，收缩口的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头具有足够的进水量：所述喷洒部分沿出流方向依次设置有储能腔、喷洒口和扩散口；所述储能腔的直径从上到下逐渐减小，储能腔的上部大口断面直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口；所述喷洒口中心设置有挡板，挡板的设置实现了喷洒口的断面缝隙高度可控；所述挡板上端通过螺纹与喷头主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板上下高度调节，以此控制喷洒口的断面缝隙高度，即控制喷洒口的截面积；所述挡板下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述储能腔断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：v0d0＝vidi，从中可知，储能腔和喷洒口的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定第一压电振子、第二压电振子的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口截面积：q＝a.v＝常数，式中q为喷洒口流量(m³/s)，a为喷洒口截面积(m²)，v为喷洒口处流速(m/s)；所述喷头可以更换，其通过设置扩散口的扩角θ控制喷洒范围。

通过设置储能腔可以实现从第一泵腔、第二泵腔压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，由于压电往复式流体驱动，喷洒口处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入储能腔，储能腔和细长管道的设置使得气泡不直接进入泵腔。气泡在储能腔易聚合成大气泡，当直径大于细长管道直径d1的气泡即将进入细长管道61出口时，细长管道内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，r为细长管道的半径，细长管道可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中进入储能腔的气泡直径大部分大于细长管道直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道，储能腔为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入第一泵腔、第二泵腔。需要说明的是：气泡如果大量进入第一泵腔、第二泵腔，会极大的降低第一泵腔、第二泵腔内的有效压缩率，这将导致整个微型喷洒器不能正常工作，通过细长管道的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证微型喷洒器的稳定工作。

本实施例微型喷洒器理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。

第一工作状态：对第一压电振子和第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子和第二压电振子向上振动，第一泵腔和第二泵腔的容积增大，压力减小，第一入口单向阀和第二入口单向阀在压力差作用下开启，外部液体进入第一泵腔和第二泵腔；与此同时，喷头内有极少量的液体回流到第一泵腔、第二泵腔，这里需要说明的是：由于喷头设置有细长流道以及喷洒口，使得液体回流量很少，首先储能腔的液体进入细长流道存在收缩流产生的阻力，其次喷洒口的截面缝隙小，液体往回流动时，存在气液两相界面(即出现液体表面张力，且液体表面张力可以承受的载荷较大)，在液体表面张力作用下，液体回流阻力大(气体很难进入)。

第二工作状态：对第一压电振子和第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子和第二压电振子向下振动，第一泵腔和第二泵腔的容积减小，压力增大，第一入口单向阀和第二入口单向阀在压力差作用下关闭，第一泵腔、第二泵腔的水被压入喷头实现液体喷洒。

在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，即可实现液体的连续喷洒。

使用该喷洒器的芯片冷却装置，其通过微型喷洒器将已经吸收热量的蒸馏水喷洒到散热箱的导热表面，导热表面通过凸起结构增加导热面积，进而增加蒸发并带走热量，这种方式主要参照了人体皮肤出汗进行温度调节的机制。由于水的比热容大，能吸收更多的热能，所以通过这种蒸发散热方式，其可以获得较好的散热效果且更易集成，同时采用压电振子进行驱动，功耗低、成本小。

本发明的特色及优势在于：1、微型喷洒器中压电陶瓷既是驱动元件又是工作元件，能耗低、成本小且无电磁干扰，；2、微型喷洒器整体结构由上盖、下盖、压电振子、喷头等组成，结构简单、体积小、重量轻且易集成；3、使用该喷洒器的芯片冷却装置采用仿生方式(人体皮肤出汗散热)进行散热，易集成，成本小且具有较好的散热效果。

附图说明：

图1是本发明较佳实施例中芯片冷却装置的示意性剖面图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中a-a剖面图；

图4是图1中微型喷洒器的剖面放大视图；

图5是图4中微型喷洒器的第一工作状态剖面示意图；

图6是图4中微型喷洒器的第二工作状态剖面示意图；

图7是图4中喷头的剖面放大视图；

图8是图7中喷头进入气泡后的示意图；

图9是图7的俯视图：

图例：1-上盖；11-第一通道；21-第一压电振子；22-第二压电振子；3-密封圈；41-第一入口单向阀；42-第二入口单向阀；5-下盖；51-第一泵腔；52-第二泵腔；53-第二通道；6-喷头；60-收缩口；61-细长管道；62-储能腔；63-喷洒口；64-扩散口；65-挡板；i-流道部分；ii-喷洒部分；100-微型喷洒器；110-散热箱；111-出口通道；112-凸起结构；113-环形通道；113a-入口端；113b-出口端；114-内腔；115-散热孔；120-外壳；140-导热胶；150-导热块；160-芯片；170-水箱；171-入口通道；180-水箱盖。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9，本发明提出一种低功耗的微型喷洒器及使用该喷洒器的芯片冷却装置，芯片冷却装置整体由微型喷洒器100、散热箱110、外壳120、导热块150、芯片160、水箱170以及水箱盖180构成；所述散热箱110与外壳120连接，散热箱110的主体穿过外壳120，伸入电子设备内部；所述散热箱110内部设置有内腔114；所述内腔114底部表面设置有凸起结构112，凸起结构112的设置可以增加散热面积；所述散热箱110的底部设置有环形水路113，通过环形水路113将热量充分导入到喷洒的水中；所述散热箱110左侧设置有水箱170，水箱170内装有蒸馏水；所述水箱170顶部设置有水箱盖180；所述水箱170内蒸馏水液面低于微型喷洒器100的喷洒位置；所述水箱170底部设置有入口通道171；所述入口通道171一端与水箱170内部蒸馏水连通、另一端与环形水路113的入口端113a连通；所述散热箱110右侧设置有出口通道111；所述出口通道111一端与环形水路113的出口端113b连通、另一端与微型喷洒器100的入口连通；所述微型喷洒器100安装在散热箱110顶部，微型喷洒器100朝向内腔114喷洒；所述散热箱顶部设置有散热孔115；所述散热孔115连通内腔114和外部空气；所述散热箱110下表面通过导热胶140与导热块150一端连接；所述导热块150另一端通过导热胶140与芯片160连接，以此实现芯片160的热量传导到散热箱110。

微型喷洒器100整体由上盖1、第一压电振子21、第二压电振子22、密封圈3、第一入口单向阀41、第二入口单向阀42、下盖5以及喷头6构成；所述上盖1和下盖5从上至下依次相连；所述上盖1与下盖5的之间安装有第一压电振子31和第二压电振子32；所述下盖5在第一压电振子21一侧设置有第一泵腔51，第一压电振子21的变形直接作用于第一泵腔51，以此获得第一泵腔51的容积变化；所述下盖5在第二压电振子22一侧设置有第二泵腔52，第二压电振子22的变形直接作用于第二泵腔52，以此获得第二泵腔52的容积变化；所述第一压电振子21、第二压电振子22均配置安装有密封圈3，密封圈3的配置可以保证第一泵腔51、第二泵腔52的密封性；所述上盖1与下盖5内部设置有第一通道11；所述第一通道11一端与出口通道111连通、另一端分为两分支，一分支设置有第一入口单向阀41、另一分支设置有第二入口单向阀42；所述第一入口单向阀41为常闭式单向被动阀，实现第一通道11到第一泵腔51的流体单向流动；所述第二入口单向阀42为常闭式单向被动阀，实现第一通道11到第二泵腔52的流体单向流动；所述下盖5内部设置有第二通道53；所述第二通道53一端与喷头6连通、另一端分为两分支，分别与第一泵腔51和第二泵腔52连通；所述第二通道53与第一泵腔51、第二泵腔52连通处均位于第一泵腔51、第二泵腔52的中心处；所述第一压电振子21、第二压电振子22均由金属基板2b和压电陶瓷片2a同心粘接而成，且压电陶瓷片2a的直径小于金属基板2b。

如图7所示，所述喷头6由流道部分i和喷洒部分ii组成，液体压入喷头6时先经过流道部分i后经过喷洒部分ii；所述流道部分i由4组进水通道沿圆周均匀排布组成，每个进水通道沿出流方向依次设置有收缩口60和细长流道61；所述细长管道61的直径d1范围为0.4至0.8mm，长度l范围为5d1至10d1；所述收缩口60自上至下断面直径逐渐减小，收缩口60下部小口的断面直径与细长管道61直径相同、上部大口的断面直径范围为2d1至3d1、高度为1mm；所述收缩口60与细长管道61同心；所述细长管道61的设置不仅可以通过流阻差实现液体的单向流动，同时也可以防止大部分气泡进入第一泵腔51、第二泵腔52；需要说明的是，收缩口60的设置有利于液体引入，多个进水通道可保证喷头6具有足够的进水量；所述喷洒部分ii沿出流方向依次设置有储能腔62、喷洒口63和扩散口64；所述储能腔62的直径从上到下逐渐减小，储能腔62的上部大口断面直径范围为10至15mm，其下部小口直径收缩至喷洒口63；所述喷洒口63中心设置有挡板65，挡板65的设置实现了喷洒口63的断面缝隙高度可控；所述挡板65上端通过螺纹与喷头6主体相连，且通过旋转螺纹实现挡板65上下高度调节，以此控制喷洒口63的断面缝隙高度，即控制喷洒口63的截面积；所述挡板65下端顶部中心设置有内六角沉孔，用于自身的旋转调节；所述储能腔62断面直径逐渐减少，液体发生收缩流动，并在喷洒口63形成高速流体射出，由连续性方程可以得出：v0d0＝vidi，从中可知，储能腔62和喷洒口63的作用是将高压力低速的液体转化为低压力高速的液体射流，根据类比或实验方法确定第一压电振子21、第二压电振子22的驱动电压和频率，可按照估算法对喷洒口63参数进行计算，由流量连续性方程和能量守恒方程来确定喷洒口63截面积：q＝a.v＝常数，式中q为喷洒口63流量(m³/s)，a为喷洒口63截面积(m²)，v为喷洒口63处流速(m/s)；所述喷头6可以更换，其通过设置扩散口64的扩角θ控制喷洒范围。

通过设置储能腔62可以实现从第一泵腔51、第二泵腔52压入流体的能量储存，同时为气泡提供一个缓冲地带，由于压电往复式流体驱动，喷洒口63处存在一定的液体回流，所以在长时间的喷洒过程中，气泡容易进入储能腔62，储能腔62和细长管道61的设置使得气泡不直接进入泵腔，如图8所示。气泡在储能腔62易聚合成大气泡，当直径大于细长管道61直径d1的气泡即将进入细长管道61出口时，细长管道61内液体在表面张力作用下可承受的载荷为式中γ为液体表面张力，α为润湿角，r为细长管道61的半径，细长管道61可以阻止气泡的进入。从实验观察发现，工作过程中进入储能腔62的气泡直径大部分大于细长管道61直径，且小气泡易聚合成大气泡，无法通过细长管道61，储能腔为气泡提供了缓冲地带，所以大部分气泡将被阻止进入第一泵腔51、第二泵腔52。需要说明的是：气泡如果大量进入第一泵腔51、第二泵腔52，会极大的降低第一泵腔51、第二泵腔52内的有效压缩率，这将导致整个微型喷洒器100不能正常工作，通过细长管道61的设置，阻止了大部分气泡的进入，这样可以保证微型喷洒器100的稳定工作。

本实施例微型喷洒器100理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。

第一工作状态：如图5所示，对第一压电振子21和第二压电振子22施加与压电陶瓷片2a极化方向相同的电压，第一压电振子21和第二压电振子22向上振动，第一泵腔51和第二泵腔52的容积增大，压力减小，第一入口单向阀41和第二入口单向阀42在压力差作用下开启，外部液体进入第一泵腔61和第二泵腔62；与此同时，喷头6内有极少量的液体回流到第一泵腔51、第二泵腔52，这里需要说明的是：由于喷头6设置有细长流道61以及喷洒口63，使得液体回流量很少，首先储能腔62的液体进入细长流道61存在收缩流产生的阻力，其次喷洒口63的截面缝隙小，液体往回流动时，存在气液两相界面(即出现液体表面张力，且液体表面张力可以承受的载荷较大)，在液体表面张力作用下，液体回流阻力大(气体很难进入)。

第二工作状态：如图6所示，对第一压电振子21和第二压电振子22施加与压电陶瓷片2a极化方向相反的电压，第一压电振子21和第二压电振子22向下振动，第一泵腔51和第二泵腔52的容积减小，压力增大，第一入口单向阀41和第二入口单向阀42在压力差作用下关闭，第一泵腔51、第二泵腔52的水被压入喷头6实现液体喷洒。

在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，即可实现液体的连续喷洒。

以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。