CN108174574B - 一种导电液体主动冷却方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电液体主动冷却方法及装置，导电液体在导体表面上流过，一侧与导体接触，另一侧通过接地端与电流引线接地，利用导体自身的电磁场与导电液体中的电流相互作用，产生对导电液体的驱动力，将导体产生的热量带到低温端，起到冷却的作用。上述装置导电液体均为主动循环，无需外部驱动泵和独立电源。

Description

一种导电液体主动冷却方法及装置

技术领域

本发明涉及一种导电液体主动冷却方法及装置，属于电磁体装置的冷却和热管理技术领域。

背景技术

具有强载流的导体器件广泛应用于各个工业领域，在某些强电、强磁场领域，如大功率变压器、电磁铁、电机、强电磁轨道或线圈推进器等，这些装置或其部件在运行过程中因强大的电流密度产生大量的焦耳热，自然风冷水冷无法满足要求，电磁装置发热会破坏绝缘，降低使用寿命，同时降低整体装置的工作效率和稳定性，影响控制系统的灵敏度、可靠性和准确性，工作实效，若不主动强制冷却可能会造成高温损坏元器件，因此业界对电磁装置的主动冷却关注日益增高。传统的电磁装置主动冷却大致有四种方法，分别是水冷、氢冷、风冷和混合冷却。水冷是利用泵体将水注入附着于导线表面的空心导管，利用水的温升将热量带走。由于水的比热较大，这种方法散热还不错，但是装置需要独立的压力水驱动泵，驱动泵也需要专门的供电设备，占用空间较大。如果将冷却水直接注入导体内部，要保证水的绝缘性，把水去离子处理，成本高昂。氢冷是将氢气冷却压缩再进入冷却系统内，通过氢气的循环带走装置内产生的热量。但是氢气属于易燃易爆气体，在冷却系统中运用危险系数比较大。风冷直接用风扇向磁体装置或者装置的散热片吹风，让流动的空气将装置产生的热量带走，结构简单，但这种方法散热效率低，整个散热装置体积较大。混合冷却是在一定的策略之下将以上冷却方法结合，达到冷却效果，但显然提高了复杂度。可以看出，以上方法都有外置冷却媒质(水、氢气或空气)驱动装置(液压、气压泵或者风扇)的缺陷，驱动装置工作机都需要对外加专门的驱动电源。随着技术的发展，电磁装置的应用将会更加广泛，电磁装置的主动冷却也会成为一个越来越重要的课题。

目前相关文献报导中并没有导电液体作为冷却装置；但现有的液体冷却技术中，如： (1)一种热交换式磁流体冷却设备，申请号：201510631573.9，可以看出都是自带液体驱动泵，驱动泵会有噪音、效率以及寿命问题；(2)一种适用于电子器件的凹槽式磁流体冷却装置，申请号：201220235227.0，该装置利用了磁流体温升不同磁化率不同，存在受力的梯度变化，能够实现自驱动，但冷却液为煤油基锰铁氧体磁流体，能够实施的温度范围有限，密封要求高，一旦泄露就有失火的危险。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种方便、简单、安全的导电液体主动冷却方法及装置，本发明基于导电液体，利用载流导体产生的磁场实现了自驱动，不需要任何驱动泵，而且液体可以基于水溶液，不会起火。

本发明技术解决方案：

一种导电液体主动冷却方法，其特点在于：导电液体利用载流导体产生的磁场与导电液体内部的电流相互作用产生的驱动力自主循环流动，将导体产生热量带到低温散热端，所述低温是指环境温度，为-15～48℃，不需要外部驱动泵。

所述的导电液体一侧与导体接触，另一侧与接地端接触，导体和接地端由绝缘体隔离，导体、绝缘体和接地端功能形成对导电液体的的封闭腔，接地端通过接地引线接地。

所述导电液体通过管道与导体隔离放置的处于自然散热环境的低温散热端连接形成循环回路，将导体产生的热量源源不断地带到低温散热端散发，形成对导体的持续冷却。

在所述接地引线中串入一个可变电阻R，以调节导电液体内的电流密度，实现不同的导电液体流速和冷却效果。

本发明的一种导电液体主动冷却装置，包括：导体、接地端、绝缘体、低温散热端；导电液体一侧与导体接触，另一侧与接地端接触，导体和接地端由绝缘体隔离，导体、绝缘体和接地端功能形成对导电液体的的封闭腔，接地端通过接地引线接地，引线中串有可变电阻。封闭腔的前后两端通过导管与低温散热端连接导通，形成液体流通回路，载流导体形成的磁场与导电液体中的电流相互作用，驱动导电液体沿导体表面流动，将热量带走，并通过液体的封闭回路流到低温散热端，将热量散发掉。

本发明的原理：由电磁感应定律可知，载流导体周边空间会产生环绕于电流方向分布的磁场，又根据安培定理，通过电流的导体(能导电的液体也是导体)在磁场中会受到电磁力，受力方向遵守右手定则，因此根据以上定理和原则，只要在附着于导体表面或内部的导电液体中存在垂直于导体表面的电流分量，导电液体就会受到沿导体表面方向的电磁驱动力。这个驱动力的大小可以根据安培定律和欧姆定律分析计算。

设导体与地线之间的电压差为U[V]，导电液体的电导率σ[s/m]，导体背面磁感应强度Bz[T]，而且为z方向磁场。导电液体厚度a[m]，宽度b[m]，和导体同样长度为L [m]导电液体的速度为v[m/s]，比热为C[J/(kg·K)]，密度为ρ[kg/m³]，在电磁装置循环时间t[s]，被冷却导体的温升为ΔTm[K]。

则可计算出导电液体的电阻R1：

根据欧姆定律：

根据安培定律，导电液体受到的安培力为：

F＝Bz*I*a(N) (3)

根据牛顿定律，时间t后的速度为：

从导体表面或内部流过的导电液体的有效体积则为：

M＝1/2v*ab*t(m^3) (5)

导电液体内部存在电流，在被电磁力加速过程中自身也会产生焦耳热和温升，其温升为：

ΔTl＝I²Rlt/M*ρ*C(K) (6)

带走的热量为：

Q＝(ΔTm-ΔTl)*M*ρ*C(J) (7)

从上边的分析可知，若：

ΔTm＞ΔTl (8)

导电液体就会带走导体生成的热量，所以，在工程上只要选择符合上述公式(1)至(7)描述的密度ρ、比热C和电导率σ的导电液体，就可以控制好导电液体中的电流I，满足结论公式(8)，在冷却过程中会有较好的冷却效果，导电液体可以是某些配比的有机或者无机盐类的电解质的水、油溶液，或者汞、钠钾合金常温液态金属或合金。导电液体通过回路流到冷端(散热器端或者制冷装置)，将热量散发掉，温度降低，在流回热端(导体表面)，如此循环。

为了调节导电液体内的电流密度，实现不同的导电液体流速和冷却效果，可以在接地引线中串入一个可变电阻R。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用电磁力，驱动导电液体，带走热量达到冷却效果，较为简单安全，不需要额外驱动泵和驱动电源，且能够达到较好的冷却效果。

(2)本发明主动冷却，无需外接驱动泵，且冷却功率简单可控。

(3)本发明基于安培定律，利用电磁装置载流导体本身的磁场，对导电液体产生电磁驱动力，让导电液体在导体表面或者内部流动，将导体产生的焦耳热带到装置外部进行散热，导电液体通过封闭回路重新进入装置，这样循环即可达到冷却效果，主要用于需要散热的电磁设备的降温冷却。

附图说明

图1为本发明导电液体主动冷却截面图；

图2为本发明导电液体主动冷却原理图；

图3为本发明带有微槽的冷却模式；

图4为本发明双侧面微槽冷却模式；

图5为本发明的工程原理图；

图6带有调节电阻R的接地线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

基于本发明的原理可知，本发明导电液体主动冷却装置是嵌在导体表面或者内部，利用导线的电势和产生的磁场驱动导电液体达到冷却效果。

本发明导电液体在导体表面上流过，一侧与导体接触，另一侧通过接地端与电流引线接地，利用导体自身的电磁场与导电液体中的电流相互作用，产生对导电液体的驱动力，将导体产生的热量带走起到冷却的作用。上述装置导电液体均为主动循环，无需外部驱动泵和独立电源。

图1、2所示，分别为发明实施中的用导电液体冷却导体的装置结构横截面示意图，其中1为导体，5为接地引线，接共地端或电源负极，2为导电液体。当导体1通电时，如图2中原理图所示，根据电磁感应定律，在导体周边产生平行于纸面方向环绕分布的磁场B，由于导体1和接地端4之间存在电势差，导电液体2内部就会产生水平方向的电流I，根据安培定律，导电液体2就会受到垂直于纸面的电磁力F，驱动导电液体2沿导体1表面运动，将导体1产生的热量带走，导电液体2随回路流到低温端冷却，然后再循环进入，达到冷却导体1的效果。为了在导电液体2内形成良好的电流回路，接地端4和导体1之间由绝缘体3进行电隔离，同时与导体1和接地端4对导电液体2形成封闭腔。由于导电液体1在运行过程中自身也产生焦耳热，其电导率σ、密度ρ和热容c需要根据前述公式(7)，满足公式(8)。

图3和图4为另外两种结构模式，其目的是为了增加导体1和导电液体2之间的接触面积，增强导体1与导电液体2之间的热传导效率，在导体1表面加工有微槽8，微槽8的尺寸根据被冷却导体表面的尺寸大小来定，一般约为导体部件表面尺寸小一个数量级，如导体尺寸大小为几个厘米，则微槽8的宽和深就大约为几个毫米。

图3为导电液体冷却结构横截面示意图，导体1、接地端4、两个绝缘体3共同围成一个封闭的腔，导电液体2可以在这个腔里前后流动，5为接地引线，与设备的电接地连接。其中的微槽8是为了增加导体1和导电液体2之间的接触面积，提高热传导效率，让导电液体2尽可能快和多地从导体1带走热量。

图4是另外一种增加导体1和导电液体2之间的接触面积的方式，这种方式同时也有利于导体的结构支撑。

图4为另一种导电液体冷却的结构示意图，导体1在上下两端都分布有导电液体2，及相应的接地端4和接地引线5，且都有微槽8，围成两个液体腔，其目的也是为了增加导电液体2和导体1之间的接触面积，提高热传导效率，另外，这种结构设计可以把导体1的背面(图中导体1右侧面)节省出来，用来安装支撑结构。

图5为导电液体2的工程原理示意图，左侧为导体1和导电液体2、接地端4和接地引线5等构成的冷却端(绝缘体3未绘出)，与低温散热端6通过管道7连接并形成回路，左侧导体1产生的热量由导电液体2通过管道7携带到低温散热端6散发掉，导电液体2温度下降再流会左边导体1，如此循环，起到冷却的效果。

图6则显示了在接地引线5中串入可变电阻R，可变电阻R的大小根据得到导电液体2的单位时间流量确定。用以调节导电液体2中水平电流分量的大小I，即改变导电液体的驱动力F，根据需求调节冷却效果。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种导电液体主动冷却方法，其特征在于：导电液体利用载流导体产生的磁场与导电液体内部的电流相互作用产生的驱动力自主循环流动，将导体产生热量带到低温散热端，不需要外部驱动泵。

2.根据权利要求1所述的导电液体主动冷却方法，其特征在于：所述的导电液体一侧与导体接触，另一侧与接地端接触，导体和接地端由绝缘体隔离，导体、绝缘体和接地端共同形成对导电液体的封闭腔，接地端通过接地引线接地。

3.根据权利要求1所述的导电液体主动冷却方法，其特征在于：所述导电液体通过管道与低温散热端连接形成回路，低温散热端与导体隔离放置，处于自然散热环境，导电液体将导体产生的热量带到低温散热端散发，形成对导体的持续冷却。

4.根据权利要求2所述的导电液体主动冷却方法，其特征在于：在所述接地引线中串入一个可变电阻R，以调节导电液体内的电流密度，实现不同的导电液体流速和冷却效果。

5.一种导电液体主动冷却装置，其特征在于：包括导体、接地端、绝缘体、低温散热端；导电液体一侧与导体接触，另一侧与接地端接触，导体和接地端由绝缘体隔离，导体、绝缘体和接地端共同形成对导电液体的封闭腔，接地端通过接地引线接地，引线中串有可变电阻；封闭腔的前后两端通过导管与低温散热端连接导通，形成液体流通回路，载流导体形成的磁场与导电液体中的电流相互作用，驱动导电液体沿导体表面流动，将热量带走，并通过液体的流通回路流到低温散热端，将热量散发掉。