一种液态金属高精度自动灌装装置的制作方法

1.本实用新型是关于一种液态金属灌装技术领域，特别是关于一种液态金属高精度自动灌装装置。


背景技术：

2.液态金属作为一种新型高热导率材料，其室温呈液态，具有流动性好、比重和表面张力大，价格昂贵。可以作为热界面材料使用，将该材料运用于大功率发热器件、igbt模块、服务器、高性能游戏机的cpu散热成为发展趋势，许多厂家正在积极使用液态金属作为热传导介质替代传统的硅脂。
3.由于液态金属比重和表面张力较大，且原材料价格较为昂贵。该材料的灌装、运输、使用的精细化、精确化成为必然。传统液体多采用手工灌装、手工称量，由于手工称量成本较高，不可控因素较多，传统手工灌装方式较难实现大规模批量生产，所以，专门用于液态金属高精度自动灌装装置在工业上使用成为必然。常规液体如饮料也采用自动灌装，但相比液态金属饮料价值较低，灌装精度较低。
4.由于液态金属自身表面张力较大，比重较高，使用传统针筒手工挤压灌装时，存在以下问题：
①
传统针筒配套内径为0.6～1.0mm左右的针头灌装时，液态金属会因自重滴落，但速度较慢；当人工挤压针筒推杆，则无法控制挤压力度，导致挤出液态金属的重量无法控制，二次称重误差较大，无法精确控制灌装数量；
②
传统针筒配套内径为0.6mm以下的针头灌装时，因液态金属表面张力较大，不会因为自重滴落；需要人工挤压针筒推杆，无法精确控制灌装数量，且灌装速度较慢，无法进行批量生产；
③
挤出时针筒头部有较多液态金属残留，无法控制挤压力度，易造成液态金属飞溅现象；
④
人工挤压灌装操作复杂，当批量生产时，需要大量的人力物力，增加生产成本。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于解决现有液态金属人工灌装误差大，成本较高，不可控因素较多、效率低、操作复杂的技术问题。现提供一种结构简单、精度高、可靠性好、高效方便的液态金属高精度自动灌装装置。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了一种液态金属高精度自动灌装装置，其特征在于，包括压缩气体供应装置和储液槽，所述压缩气体供应装置和储液槽通过第一管路连通，所述储液槽出口处设有盛装瓶，所述盛装瓶放置在称量装置上。
8.在一个或多个实施方式中，所述第一管路上设有第一阀门。
9.在一个或多个实施方式中，所述储液槽出口处设有第二管路，所述第二管路出口处设有盛装瓶。
10.在一个或多个实施方式中，所述第二管路设有若干支路，每一个所述支路出口处分别设有盛装瓶，每一个所述盛装瓶分别设置在相应的称量装置上。
11.在一个或多个实施方式中，每一个所述支路上分别设有第二阀门。
12.在一个或多个实施方式中，每一个所述支路出口处安装有针头，所述针头下方设有盛装瓶。
13.在一个或多个实施方式中，所述针头内径范围为0.6～1.0mm或0.14～0.25mm。
14.在一个或多个实施方式中，所述储液槽上设有通气阀。
15.在一个或多个实施方式中，所述储液槽下方设有支架。
16.在一个或多个实施方式中，所述压缩气体供应装置内装有空气、氮气、氩气中的一种。
17.一种液态金属高精度自动灌装装置的灌装方法，包括如下步骤：
18.系统启动后，系统自动关闭第一阀门、第二阀门和通气阀，启动压缩气体供应装置运行，当压缩气体供应装置出口压力达到设定值时，系统自动打开第一阀门、第二阀门，气压推动储液槽内的液态金属顺着第二管路方向，通过针头流出至盛装瓶中。系统能根据预先设定的针头规格选择如下灌装过程：
19.①
自重灌装过程：当预先在系统hmi(人机交互界面)上设定的针头的内径为0.6～1.0mm时系统自动选择自重灌装。
20.系统检测到称量装置的重量信号达到预设高限时，系统停止压缩气体供应装置的运行，关闭第一阀门并打开通气阀，液态金属自重滴落至盛装瓶内；系统检测到称量装置的重量低于设定重量(如2g)时，则控制系统关闭通气阀和第二阀门，针头内的残余液态金属滴落进盛装瓶内刚好达到设定重量(如500g)，自重灌装完成。
21.②
压力灌装过程：预先在系统hmi上设定的针头的内径为0.14～0.25mm时，液态金属不能自动滴落，系统自动选择压力灌装。
22.系统检测到称量装置的重量信号达到预设高限时，系统控制压缩气体供应装置降低系统输出压力值，通过低压控制液态金属的滴落速度，直至达到目标重量，控制系统自动关闭第一阀门，切断第一管路，关闭第二阀门，停止压缩气体供应装置，完成灌装。
23.与现有技术相比，本实用新型达到的技术效果如下：
24.(1)本实用新型取代了传统的人工灌装技术，通过hmi(人机界面)设置称量瓶每瓶需要灌装的重量，选定灌装针头的内径尺寸，则系统自动识别灌装时间，称重数量等，自动切换灌装方式，可实现自动化精确灌装。
25.(2)根据不同工艺需要，可以选用不同的针头，对于0.6～1.0mm的针头，临近终点时通过液态金属自身的重力实现自动定量，针头内的残余液态金属滴落弥补误差值；对于0.6mm以下的需要外界推力作用才能使液态金属下落的针头，通过控制管路中压缩气体的压力从而控制推力，高压下加速滴落，低压下降低流量从而控制滴落精准，使得本实用新型灌装液态金属等高表面张力、高比重的液体精确度高，可靠性好。
26.(3)本实用新型结构简单，各个部件连接牢固可靠，防止漏气，且各部件拆卸简单，能循环使用，且便于维修，易于推广，此装置和工艺适合多种物理性质和液态金属相似的材料灌装。
27.(4)本实用新型采用西门子s7
‑
1200plc作为控制器，辅助采用西门子触摸屏hmi
‑
smart700ie作为数据输入输出模块。并采用称量装置对称重信号进行数据采集；压缩气体供应装置对空气压力进行实时反馈。通过对plc编程，plc对所采集的数据进行逻辑运算，对第一阀门、第二阀门和通气阀的开闭进行闭环控制。并通过plc的pid调节功能，对压缩气体供应装置的出口压力进行调节，达到控制流量，精确称量的目的。
附图说明
28.图1是根据本实用新型一实施方式的结构示意图。
29.主要附图标记说明：
[0030]1‑
压缩气体供应装置，2
‑
第一管路，3
‑
称量装置，4
‑
盛装瓶，5
‑
针头，6
‑
第一阀门，7
‑
第二阀门，8
‑
通气阀，9
‑
第二管路，10
‑
支架，11
‑
储液槽。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0032]
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0033]
如图1所示，根据本实用新型一实施方式的对本实用新型说明如下。
[0034]
一种液态金属高精度自动灌装装置，包括压缩气体供应装置1和储液槽11，所述压缩气体供应装置1内装有空气、氮气、氩气中的一种。所述压缩气体供应装置1和储液槽11通过第一管路2连通，所述第一管路2上设有第一阀门6。
[0035]
所述储液槽4出口处设有第二管路9，为了增加灌装数量，提高灌装效率，所述第二管路9设有若干支路，每一个所述支路上分别设有第二阀门7，每一个所述支路出口处安装有针头5，所述针头5下方设有盛装瓶4，每一个所述盛装瓶4分别设置在相应的称量装置3上。
[0036]
当针头5内径范围为0.6～1.0mm，液态金属会因自重滴落，系统选择自重灌装过程；当针头5内径范围为0.14～0.25mm，由于液态金属表面张力比较大，难以通过自重滴落，选择压力灌装过程，通过适当的系统压力控制滴落速度，实现定量灌装。
[0037]
为了保证储液罐11内外气压平衡，在所述储液槽11上设有通气阀8。
[0038]
为了支撑储液槽11，保证储液槽11的高度高于盛装瓶4，所述储液槽11下方设有支架10。
[0039]
所述第一管路2采用型号为pu
‑
8的pu管。所述第一阀门6为气动电磁阀，可选用亚德客4v210
‑
08
‑
dc24v产品，系统控制第一阀门6的动作做用于通断压缩气体供应装置1供应的压缩气体，进一步控制液态金属灌装的速度和精度。所述第二阀门7为电动球阀，通过系统控制第二阀门7的通断用于定量加注液态金属。
[0040]
第一管路2用于将压缩气体供应装置1提供的压缩气体输送到储液槽11内，推动储液槽11中的液态金属至盛装瓶4中进行灌装。
[0041]
第二管路9用于将储液槽11中的液态金属引流至针头5，第二管路9与储液槽11采用快速接头连接，便于管件的拆卸。第二管路9支路与第一阀门6和针头5的接头采用螺纹连
接，便于密封紧固，也便于拆卸清洗管件。
[0042]
所述压缩气体供应装置1为购买的成套设备，用于生产低压压缩气体，该装置具备远程控制，出口压力可智能调节功能。
[0043]
针头5可选择内径为0.6～1.0mm、0.16mm、0.14mm等多种型号，针头5内径的大小用于控制液态金属滴落速度，系统自动选择灌装流程，控制灌装精度。
[0044]
所述针头5正下方设有盛装瓶4，盛装瓶4的大小可根据实际生产能力进行选择，本说明选用500g的容量盛装。
[0045]
称量装置3选用高精度电子秤，为购买的成套设备，该产品需达到客户所需精度和最大称量能力，称量装置3具备称重数据实时传输功能。
[0046]
储液槽11用于盛装需要灌装的液态金属，储液槽11内部与外部空气隔离，上部安装第一管路2和通气阀8。
[0047]
本实用新型根据灌装工艺设计控制系统如下：
[0048]
电气组件包括
①
cpu
‑
s7
‑
1214plc、
②
hmi
‑
smart700ie、
③
电气控制柜。
[0049]
①
cpu
‑
s7
‑
1214plc负责采集称重装置3的称重数据、第一阀门6、第二阀门7的通断信号，压缩气体供应装置1的运行信号、出口压力信号等然后进行逻辑运算。采用pid调节功能。实施输出信号对第一阀门6、第二阀门7、通气阀8和压缩气体供应装置1进行控制。
[0050]
②
hmi
‑
smart700ie用于显示气体压力，阀门开闭信号、压缩气体供应装置3的运行信号、出口压力信号。操作人员可通过hmi设置灌装重量、针头5内径、盛装瓶4空瓶重量等，设置参数用于系统运算。
[0051]
③
电气控制柜用于转化输入输出信号控制不同的设备
[0052]
本实用新型的实施工艺过程如下：
[0053]
实施工艺：根据工艺要求在hmi设定空盛装瓶4重量(如设定值为10g)，设定需要灌装的液态金属重量(如设定值为500g)、设定针头5的内径、设定压缩气体压力(如设定值0.25mpa)，plc需根据此数据进行逻辑运算，并进行系统控制。
[0054]
自重灌装过程：当选择针头5内径为0.6～1.0mm时，启动设备，系统自动关闭第一阀门6、第二阀门7和通气阀8，系统自动启动压缩气体供应装置1，当出口气体压力达到0.25mpa时，系统自动打开第一阀门6和第二阀门7，气压推动储液槽11内的液态金属，液态金属受压缩气体挤压顺第二管路9通过针头7流出至盛装瓶4中。称量装置3称重量达到450g时，控制系统检测到称量装置3的重量信号达到高限时，则控制系统关闭压缩气体供应装置1的运行，关闭第一阀门6，并打开通气阀8确保外界与储液槽11气压平衡，液态金属自重滴落灌装。称量装置5称重量达到498g时，控制系统检测到称量装置3的重量低于设定重量2g时，则控制系统关闭通气阀8和第二阀门7，针头5内的残余液态金属滴落进盛装瓶内刚好达到需要灌装的重量的500g，自重灌装完成各时间参数需通过工艺要求现场测定，通过hmi设置进入系统进行逻辑运算，上述数据为论证该装置和工艺性能现场测试时使用的数据。
[0055]
压力灌装过程：当选择针头5内径为0.14～0.25mm(如0.16mm)时，启动设备，系统自动关闭第一阀门6、第二阀门7和通气阀8，系统自动启动压缩气体供应装置1，当出口气体压力达到0.25mpa时，系统自动打开第一阀门6和第二阀门7，气压推动储液槽11内的液态金属，液态金属受压缩气体挤压顺第二管路9通过针头5流出至盛装瓶4中。称量装置3称重量达到400g时，控制系统调节压缩气体供应装置1的出口压力减小至0.1mpa进行灌装。称量装
置3称重量达到500g时，控制系统关闭第一阀门6、第二阀门7和压缩气体供应装置1的运行，液态金属停止滴落，灌装完成。各时间参数需通过工艺要求现场测定，通过hmi设置进入系统进行逻辑运算，上述数据为论证该装置和工艺性能现场测试时使用的数据。
[0056]
自动循环灌装：当系统检测到称量装置3测量数据为空瓶重量时，则系统认定为需进行下一次灌装。
[0057]
在灌装前需检查连接部位的密封情况，确保系统处于热备用状态，再启动系统进行灌装。上述灌装过程均需要按工艺流程对plc编程实现，其中各支路的灌装过程可分别进行，互不干扰，各盛装瓶装满后进入下一个循环。根据此工艺流程可扩大系统灌装规模，实现高精度规模化生产。
[0058]
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。