CN107702575B - 磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于强化传热技术领域的一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置，包括冷却系统、发热面和传热模块，所述传热模块由受热端电磁线圈、冷却端电磁线圈、受热体、磁性相变微胶囊、传送管和传送液体组成；传送管内部充满传送液体并装有磁性相变微胶囊，胶囊内填充有磁性物质和相变材料；传热模块通过变换传送管两端的磁场，对磁性相变微胶囊在传送管中所处的位置进行改变，从而达成对传送管两端进行周期性热交换的目的。本发明克服了热量堆叠，结构设计简单紧凑，且可自由组合；不仅实现了热量高效快速的传递，而且可根据热量散出的需求调整微胶囊的运动周期，具有很好的可控性，在强化传热领域具有广阔的应用前景。

Description

磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置

技术领域

本发明属于强化换热技术领域，特别涉及一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置。

背景技术

随着科学技术的发展，工业设备所承载的热流密度逐渐增大，不及时的散热将导致设备温度过高，严重危害设备的安全运行。如在激光器、大功率变电设备和航空电子设备等领域，电子设备的启动过程中热流密度剧增，此时须将热量及时导出，否则极易导致设备的失效。在太阳能热发电领域中，导热油为主要传热工质，当导热油工作温度超过400℃时，将导致其粘度增加、裂解以及传热效率降低等问题，从而严重影响太阳能热发电的效率，因此须强化导热油的散热。在太阳能光伏发电领域，尤其在聚光条件下，太阳能电池组件的温度会明显上升，温度的升高将严重影响太阳能电池的正常工作，因此须采取强有力的散热措施，保证太阳能电池工作在一定的温度范围内。

工业设备的冷却手段主要有风冷翅片散热器、水冷、半导体制冷等。风冷翅片散热技术是最常用的散热方式，其价格低廉，安全可靠，但散热能力有限，目前主要应用在中小型电器设备上。水冷具有散热能力大，热传递速率快等优势，大多数大功率电力设备都采用水冷冷却方式。但水冷管件盘绕复杂，且易发生漏水、断水等问题。半导体制冷能满足高热流密度的需求，可将温度降到室温以下，但由于半导体材料的限制，其制冷效率普遍较低。为进一步提高上述设备的散热性能和安全性，本发明利用磁相变微胶囊往返冷热两端运动的方法和相变材料吸放热的过程，将发热元件产生的热量及时快速的传递到周围环境中，满足大功率电器高热流密度的要求，避免散热装置出现传热恶化。该方法不仅结构紧凑，且效率高，具有很好的可控性，在节约设备内部空间的同时避免了许多安全隐患的发生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有散热技术中存在的问题，提供了一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，包括冷却系统、发热面和传热模块，其特征在于，所述传热模块由受热端电磁线圈、冷却端电磁线圈、受热体、磁性相变微胶囊、传送管和传送液体组成；其中受热体外周向螺旋状缠有受热端电磁线圈；所述传送管的一端紧密安装于受热体内，另一端周向螺旋状缠有冷却端电磁线圈，传送管内部充满传送液体并装有磁性相变微胶囊，磁性相变微胶囊内填充有磁性物质和相变材料；其中受热端电磁线圈和冷却端电磁线圈通过开关组与电源相连；

所述受热体安装于发热面外，冷却系统安装于传送管的冷却端电磁线圈外；传热模块通过变换传送管两端的磁场，对磁性相变微胶囊在传送管中所处的位置进行改变，从而达成对传送管两端进行周期性热交换的目的。

优选地，受热体的构成根据发热面的情况决定，当发热面为平面时，受热体为导热性能良好的一整块固体材料，其中受热体在发热面的另一端开有数量与传送管数量相同且孔径与传送管外径相同的孔；当发热面为不平整面时，受热体为内部填有液体工质的中空容器，其中液体工质为能够及时将热量传递至传送管端面的水或导热油。

所述传送管与受热体的安装方式为插入式。

所述磁性物质为磁强较强的永磁材料，其特点为即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性；相变材料是指能够在液态和固态间转化时吸收或者放出大量潜热的低熔点物质；所述传送管两端的材料为导热金属；传送液体为同时拥有导热和润滑性能且沸点大于相变材料的液体。

所述永磁材料为铁氧体永磁或钕铁硼稀土永磁；所述低熔点物质为石蜡、硬脂酸或结晶水合盐；所述导热金属为铜或铝；所述同时拥有导热和润滑性能且沸点大于相变材料的液体为水与丙酮的混合物、水、水银或导热油。

所述冷却系统为水冷、风冷或混合冷却。

所述传送管的数量为最少两根，排列方式为顺排或叉排；当散热装置同时拥有多个发热面时，需装配相同数量的传热模块与至少一个冷却系统。

本发明还提供了一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法，其特征在于，受热体所在一端为受热端，冷却系统所在一端为冷却端；以受热端和冷却端的磁场转换为一个周期，实现传热模块两端的热传递，且在热传递的每个周期中，每组传热模块中受热端的任一传送管内部需始终留有磁性相变微胶囊受热，以确保受热端的均温性；传热模块在每个周期中所处的状态分为如下步骤：

步骤1、受热端内有磁场，冷却端中某一传送管内有磁场，另一传送管内无磁场；此时冷却端有磁场的传送管中磁性相变微胶囊由于受热端内的磁场与冷却端内的磁场相互抵消，磁性相变微胶囊停留在传送管的冷却端内，其内部的相变材料进入冷却过程；此时冷却端无磁场的传送管中磁性相变微胶囊在受热端磁力的作用下运动到受热端，其内部的相变材料吸热发生相变。

步骤2、冷却端内的所有磁场进行转换，冷却后的磁性相变微胶囊顺着其所在的传送管回到受热端；

步骤3、受热端的磁场进行转换，受热后的磁性相变微胶囊顺着其所在的传送管移动到冷却端；随后返回步骤1；磁场的转换通过改变受热端和冷却端电磁线圈中电流的通断来实现。

本发明的有益效果为：

1、该散热装置利用磁性相变微胶囊往返冷热端运动的方法和相变材料吸放热过程，将发热面热量及时快速高效的传递到周围环境；满足高热流密度散热需求；

2、该散热装置采用现有成熟技术，安全可靠，结构设计简单紧凑，占用空间小，且可自由组合，集成性好；

3、可以根据传热量的大小选择控制微胶囊的运行周期，具有很强的操控性，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置的局部剖面示意图；

图2a为本发明中实施例1的剖视示意图；

图2b为本发明中实施例2的剖视示意图；

图3为本发明中磁性相变微胶囊的结构示意图；

图4为本发明中传热模块的斜视示意图；

图5为本发明中散热装置实施例3的正视示意图；

图6为本发明设计方法中磁性相变微胶囊每个运动周期的流程图；

图7为本发明中散热装置的电路示意图。

图中标号：1-受热端电磁线圈，2-冷却端电磁线圈，3-受热体，4-磁性相变微胶囊，4a-磁性物质，4b-相变材料，5-传送管，6-传送液体，7-冷却系统，8-冷却水，9-液体工质，10-发热面，11-受热端，12-冷却端，13-传热模块，14-开关，15-电源。

具体实施方式

本发明提供了一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法及散热装置，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图2a、图3、图4和图7所示的本发明实施例1中，散热装置由一组传热模块13、发热面10和一组冷却系统7组成；其中传热模块13由一组受热端电磁线圈1、两组冷却端电磁线圈2、一块受热体3、磁性相变微胶囊4、两根传送管5和传送液体6组成；受热体3外周向螺旋状缠有一组受热端电磁线圈1；两个传送管5的一端分别紧密安装于受热体3内，另一端分别周向螺旋状缠有一组冷却端电磁线圈2，传送管5内部充满传送液体6并装有磁性相变微胶囊4；传热模块13通过变换传送管5两端的磁场，对磁性相变微胶囊4在传送管5中所处的位置进行改变，从而达成对传送管5两端进行周期性热交换的目的；受热端电磁线圈1和冷却端电磁线圈2通过开关14与电源15相连；

磁性相变微胶囊4里填充磁性物质4a和相变材料4b，磁性物质4a为如铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁等磁强较强且质量轻的永磁材料，其特点为即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性，相变材料4b是指能够在液态和固态间转化时吸收或者放出大量潜热的低熔点物质，如石蜡、硬脂酸、结晶水合盐等；所述传送管5两端的材料为导热金属，如铜、铝等；传送液体6是同时拥有导热和润滑性能，且沸点大于相变材料4b的液体，传送液体6为水与丙酮的混合物、水、水银或导热油。

发热面10为一平面，受热体3为如铜、铝和石墨烯等导热性能良好整块的固体，受热体3装于发热面10外，受热体3在发热面10的另一端开有数量与传送管5数量相同且孔径与传送管5外径相同的孔；传送管5插入式安装于受热体3中，受热体3和传送管5之间紧密配合，导热良好；冷却系统7为水冷散热装置，冷却系统7安装于传送管5的冷却端电磁线圈2外，且冷却系统7内填有流动的冷却水8。

如图2b、图3、图4和图7所示的本发明实施例2中，散热装置由一组传热模块13、发热面10和一组冷却系统7组成；散热装置由一组传热模块13、发热面10和一组冷却系统7组成；其中传热模块13由一组受热端电磁线圈1、两组冷却端电磁线圈2、一块受热体3、磁性相变微胶囊4、两根传送管5和传送液体6组成；受热体3外周向螺旋状缠有一组受热端电磁线圈1；两个传送管5的一端分别紧密安装于受热体3内，另一端分别周向螺旋状缠有一组冷却端电磁线圈2，受热端电磁线圈1和冷却端电磁线圈2通过开关14与电源15相连；传送管5内部充满传送液体6并装有磁性相变微胶囊4；传热模块13通过变换传送管5两端的磁场，对磁性相变微胶囊4在传送管5中所处的位置进行改变，从而达成对传送管5两端进行周期性热交换的目的；

磁性相变微胶囊4里填充磁性物质4a和相变材料4b，磁性物质4a为如铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁等磁强较强且质量轻的永磁材料，其特点为即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性，相变材料4b是指能够在液态和固态间转化时吸收或者放出大量潜热的低熔点物质，如石蜡、硬脂酸、结晶水合盐等；所述传送管5两端的材料为导热金属，如铜、铝等；传送液体6是同时拥有导热和润滑性能，且沸点大于相变材料4b的液体，传送液体6为水与丙酮的混合物、水、水银或导热油。

发热面10为波浪状的不平整面，受热体3安装于发热面10外，受热体3为一中空容器，且其内部填充有如水或导热油等动传热性能较好且能够及时的将热量传递给磁性相变微胶囊4的液体工质9；冷却系统7为风冷散热装置，且安装于传送管5的冷却端电磁线圈2外。

如图3、图4、图5和图7所示的本发明实施例3中，散热装置由三组传热模块13、三个发热面10和一组冷却系统7组成；其中每组传热模块13都由一组受热端电磁线圈1、两组冷却端电磁线圈2、一块受热体3、磁性相变微胶囊4、两根传送管5和传送液体6组成；受热体3外周向螺旋状缠有一组受热端电磁线圈1；两个传送管5的一端分别紧密安装于受热体3内，另一端分别周向螺旋状缠有一组冷却端电磁线圈2，传送管5内部充满传送液体6并装有磁性相变微胶囊4；传热模块13通过变换传送管5两端的磁场，对磁性相变微胶囊4在传送管5中所处的位置进行改变，从而达成对传送管5两端进行周期性热交换的目的；受热端电磁线圈1和冷却端电磁线圈2通过开关14与电源15相连；

磁性相变微胶囊4里填充磁性物质4a和相变材料4b，磁性物质4a为如铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁等磁强较强且质量轻的永磁材料，其特点为即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性，相变材料4b是指能够在液态和固态间转化时吸收或者放出大量潜热的低熔点物质，如石蜡、硬脂酸、结晶水合盐等；所述传送管5两端的材料为导热金属，如铜、铝等；传送液体6是同时拥有导热和润滑性能，且沸点大于相变材料4b的液体，传送液体6为水与丙酮的混合物、水、水银或导热油。

三组传热模块13内的受热体3各自装于相对应的发热面10外；冷却系统7为水冷散热装置，三组传热模块13的冷却端电磁线圈2外统一安装有一组冷却系统7，且冷却系统7内填有流动的冷却水8；本实施例的布置方法可以将三个不同发热面10所对应的传送管5集中冷却，以减少冷却系统7的占用空间。

如图1、图6和图7所示本发明的设计方法，受热体3所在一端为受热端11，冷却系统7所在一端为冷却端12；

在某一时刻，受热端11内有磁场，冷却端12有的传送管5内有磁场，有的传送管5内无磁场；此时冷却端12有磁场的传送管5中磁性相变微胶囊4由于受热端11内的磁场与冷却端12内的磁场相互抵消，磁性相变微胶囊4停留在传送管5的冷却端12内，其内部的相变材料4b进入冷却过程；此时冷却端12无磁场传送管5内的磁性相变微胶囊4在受热端11磁力的作用下运动到受热端11，其内部的相变材料4b吸热发生相变；

之后的某一时刻，冷却端12内的所有磁场进行转换，冷却后的磁性相变微胶囊4顺着其所在的传送管5回到受热端11；

随后的某一时刻，受热端11的磁场进行转换，受热后的磁性相变微胶囊4顺着其所在的传送管5移动到冷却端12；

最后再次转换受热端11的磁场，如上所述的磁场转换为一个周期，周期循环实现传热模块13中受热端11和冷却端12间的热传递；

以上设计方法可以保证在热传递的每个周期中，每组传热模块13中受热端11的传送管5内部需始终留有磁性相变微胶囊4受热，以确保受热端11的均温性；

传热模块13内磁场的转换通过改变受热端电磁线圈1和冷却端电磁线圈2中电流的通断来实现，由开关14控制且由电源15为该控制电路供电，当控制受热端电磁线圈1或者冷却端电磁线圈2的开关闭合时，受热端电磁线圈1或者冷却端电磁线圈2中有电流的电磁线圈有磁性；当开关断开时，之前有磁性电磁线圈的磁场转换为无磁性；

为了使本设计方法更为清晰，在此阐述在每个传热周期中每组传热模块13里某一传送管5内磁性相变微胶囊4的运动传热步骤为：

步骤201、当受热端11有磁场而冷却端12无磁场时，磁性相变微胶囊4内部凝固的相变材料4b在受热端11处吸热发生相变。

步骤202、待相变材料4b充分吸热相变后，受热端11内的磁场消失；同时冷却端12产生磁场，此时磁性相变微胶囊4在内部磁性物质4a的磁力作用下运动至冷却端12。

步骤203、冷却端12对磁性相变微胶囊4进行冷却，使胶囊里的相变材料4b再次凝固，随后受热端11再次产生磁场；在受热端11产生磁场后，受热端11和冷却端12间的磁场相互抵消，磁性相变微胶囊4的位置不产生变化。

步骤204、冷却端12的磁场消失，冷却后的磁性相变微胶囊4在内部磁性物质4a磁力作用下又返回至受热端11，返回步骤1。

如此周期循环运动，实现了热量的快速传递；同时可根据散热装置散热量的大小，控制磁性微胶囊的运动周期，实现对传递热量的控制。

Claims (7)

1.一种磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，包括冷却系统(7)、发热面(10)和传热模块(13)，其特征在于，所述传热模块(13)由受热端电磁线圈(1)、冷却端电磁线圈(2)、受热体(3)、磁性相变微胶囊(4)、传送管(5)和传送液体(6)组成；其中受热体(3)外周向螺旋状缠有受热端电磁线圈(1)；所述传送管(5)的一端紧密安装于受热体(3)内，另一端周向螺旋状缠有冷却端电磁线圈(2)，传送管(5)内部充满传送液体(6)并装有磁性相变微胶囊(4)，磁性相变微胶囊(4)内填充有磁性物质(4a)和相变材料(4b)；其中受热端电磁线圈(1)和冷却端电磁线圈(2)通过开关(14)与电源(15)相连；传送液体(6)为同时拥有导热和润滑性能且沸点大于相变材料(4b)的液体；

所述受热体(3)安装于发热面(10)外，冷却系统(7)安装于传送管(5)的冷却端电磁线圈(2)外；传热模块(13)通过变换传送管(5)两端的磁场，对磁性相变微胶囊(4)在传送管(5)中所处的位置进行改变，从而达成对传送管(5)两端进行周期性热交换的目的；在热传递的每个周期中，每组传热模块(13)中受热端(11)的传送管(5)内部需始终留有磁性相变微胶囊(4)受热，以确保受热端(11)的均温性；

所述传送管(5)的数量为最少两根，排列方式为顺排或叉排；当散热装置同时拥有多个发热面(10)时，需装配相同数量的传热模块(13)与至少一个冷却系统(7)；

所述磁性物质(4a)为磁强较强的永磁材料，其特点为即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性；所述永磁材料为铁氧体永磁或钕铁硼稀土永磁。

2.根据权利要求1所述的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，其特征在于，受热体(3)的构成根据发热面(10)的情况决定，当发热面(10)为平面时，受热体(3)为导热性能良好的一整块固体材料，其中受热体(3)在发热面(10)的另一端开有数量与传送管(5)数量相同且孔径与传送管(5)外径相同的孔；当发热面(10)为不平整面时，受热体(3)为内部填有液体工质(9)的中空容器，其中液体工质(9)为能够及时将热量传递至传送管(5)端面的水或导热油。

3.根据权利要求2所述的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，其特征在于，传送管(5)与受热体(3)的安装方式为插入式。

4.根据权利要求1所述的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，其特征在于，所述相变材料(4b)是指能够在液态和固态间转化时吸收或者放出大量潜热的低熔点物质；所述传送管(5)两端的材料为导热金属。

5.根据权利要求4所述的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，其特征在于，所述低熔点物质为石蜡、硬脂酸或结晶水合盐；所述导热金属为铜或铝；同时拥有导热和润滑性能且沸点大于相变材料(4b)的液体为水与丙酮的混合物、水、水银或导热油。

6.根据权利要求1所述的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置，其特征在于，所述冷却系统(7)为水冷、风冷或混合冷却。

7.一种权利要求1所述磁性相变微胶囊往返冷热端运动式散热装置的磁性相变微胶囊往返冷热端运动式设计方法，其特征在于，受热体(3)所在一端为受热端(11)，冷却系统(7)所在一端为冷却端(12)；以受热端(11)和冷却端(12)的磁场转换为一个周期，实现传热模块(13)两端的热传递，且在热传递的每个周期中，每组传热模块(13)中受热端(11)的任一传送管(5)内部需始终留有磁性相变微胶囊(4)受热，以确保受热端(11)的均温性；磁场的转换通过改变受热端电磁线圈(1)和冷却端电磁线圈(2)中电流的通断来实现；传热模块(13)在每个周期中所处的状态分为如下步骤：

步骤1、受热端(11)内有磁场，冷却端(12)中某一传送管(5)内有磁场，另一传送管(5)内无磁场；此时冷却端(12)有磁场的传送管(5)中磁性相变微胶囊(4)由于受热端(11)内的磁场与冷却端(12)内的磁场相互抵消，磁性相变微胶囊(4)停留在传送管(5)的冷却端(12)内，其内部的相变材料(4b)进入冷却过程；此时冷却端(12)无磁场的传送管(5)中磁性相变微胶囊(4)在受热端(11)磁力的作用下运动到受热端(11)，其内部的相变材料(4b)吸热发生相变；

步骤2、冷却端(12)内的所有磁场进行转换，冷却后的磁性相变微胶囊(4)顺着其所在的传送管(5)回到受热端(11)；

步骤3、受热端(11)的磁场进行转换，受热后的磁性相变微胶囊(4)顺着其所在的传送管(5)移动到冷却端(12)；随后返回步骤1。