CN110505793A - 一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置及方法，属于微通道技术领域。该装置包括换热箱体，换热箱体的换热底板上沿工质流动方向固定设置有若干排换热微柱，换热微柱形成微通道，第N排的单个换热微柱位于第N‑1排相邻两个换热微柱的中轴线上，其中N≥2；换热箱体的顶壁沿工质流动方向的中轴线上开设有滑槽，滑槽内设置有滑块，滑块的底端固定设置有永磁体且永磁体位于微通道正上方；换热箱体设置在热源上。本发明中待换热工质经过加热箱体的错综排布换热微柱时，对流换热增强。

Description

一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置及方法，属于微通道技术领域。
背景技术
微通道装置传热问题近年来已经成为热点，如CPU中的散热问题，微流芯片中流体的对流换热问题，目前的微通道装置的对流换热大多采用微柱的结构形式，以此来达到对通道装置内的换热工质进行加热或散热。但这种装置微柱与换热工质的接触面积有限，强化传热的效率不加。
发明内容
针对现有技术中微通道换热问题，本发明提供一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置及方法，本发明的结构简单，对流换热面积增大，成本较低。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置，包括换热箱体，换热箱体的换热底板6上沿工质流动方向固定设置有若干排换热微柱7，换热微柱7形成微通道，第N排的单个换热微柱7位于第N-1排相邻两个换热微柱7的中轴线上，其中N≥2；换热箱体的顶壁沿工质流动方向的中轴线上开设有滑槽9，滑槽9内设置有滑块10，滑块10的底端固定设置有永磁体8且永磁体8位于微通道正上方；换热箱体设置在热源5上。
所述换热箱体的两端端头中心分别设置有工质入口1和工质出口2，工质入口1通过工质输入管3与工质泵4连通，工质出口2外接工质排出管。
所述相邻每排相邻换热微柱7的间距为5～8μm，换热微柱7的相邻排间距为5～8μm，微柱的直径为3～5μm，微柱的高度为15～20μm。
进一步地，所述换热微柱7为金属橡胶微柱，金属橡胶微柱外壁涂覆设置有Fe3O4涂层，换热箱体的换热底板6上涂覆设置有导热硅脂层。
所述换热箱体的长度为80～100μm，宽度为30～50μm，永磁体8的宽度为10～20μm，长度为20～30μm，永磁体8的底面与换热微柱7顶面的间距为15～20μm。
所述换热微柱7自由端的磁极与永磁体8工质流动方向的磁极相同。
基于磁力的强化对流换热方法，采用基于磁力的强化对流换热的微通道装置，具体步骤如下：
(1)将永磁体滑动至换热箱体的工质入口端，将待换热工质通过泵输送至换热箱体内，待换热工质流入换热微柱形成的微通道，微通道的换热微柱在永磁体的磁力作用下倾斜，待换热工质流动受阻并混乱，使得待换热工质与换热微柱的接触面积增大以增强换热效果；
(2)随待换热工质流动，永磁体同步沿工质流动方向滑动，使得工质流动持续受阻并混乱，强化工质与换热微柱的对流热交换。
永磁体体积较小，当磁体靠近或远离时，可以通过改变磁场强度来调节纳米/微柱的倾斜角，其宽度应小于微通道装置的宽度，而永磁体的磁性足够大；永磁体滑动速度与换热工质流速大致相等；永磁体在换热工质流入时位于入口处，距离入口1-2μm；
换热微柱错列排布，提高对流换热能力；
工作原理：
当施加磁场时，由于弹性特性，磁力重新定向金属橡胶微柱的自由端，由于弹性微柱之间的间隙很小，在弯曲过程中倾向于接触相邻的微孔，并在微通道内产生随机和无组织的构型，诱导的无序和不对称导致对沿着微换热工质通道的进入流动的不同阻力，使得待换热工质倾向于找到具有较低换热工质动力学阻力的路径；使其换热工质流动被扭曲并且当换热工质通过时可以大大增强换热效率；因此，在磁力触发时将提高换热效率。在撤去磁力时，微柱返回其原始的垂直和有序位置，换热工质仅通过分子扩散；当不同工况换热工质从出口处进入微通道时，将磁体放置与微通道上方，并将磁体通过滑块在换热箱体顶壁的滑槽内滑动，当磁体位于微柱上方时，微柱由于磁力作用会发生一定角度的倾斜，换热箱体底板通过热源加热，底板与微柱之间进行对流换热，此时热量在底板与微柱之间通过热传导的方式进行传递，换热工质经过微柱与底板时，微柱与换热工质之间的接触面积增大，对流换热能力更强，换热工质获得热量更多，对换热工质加热效果更好；而随着换热工质的在微通道中移动，磁体会随着换热工质向前移动，此时之前变形的微柱在磁力撤去之后恢复原貌。如此反复，不同工质的换热工质进入微通道装置中即可获得更好的加热效果。
在微通道装置没有受磁力影响时，装置中的冷却液流动是顺序流动，而加入磁力后，微柱倾斜，流动受到阻力，换热工质流动混乱，磁场作用下，无序的换热工质比在无磁场作用下有序的换热工质对流换热效果好；同时，微柱的变形受换热工质流量的影响，流量越大，微柱的变形也越大，此时，换热工质的对流换热面积也越大。
本发明的有益效果：
(1)本发明微型通道装置中微柱采用错布排列，换热工质经过错排倾斜的微柱时，对流换热增强；
(2)相比于之前的微通道装置中微柱的结构，微柱由于其不可变形，换热面积小，对流换热能力较弱，改进后的微柱具有金属特性以及耐高温性，在不同温度的工质流入微型通道装置中时，高温的工质也不会使微柱及底板产生变形，而同时金属橡胶有较高的耐腐蚀性，其在有腐蚀性的工质流入时也不会对其产生破坏；
(3)本发明的装置可用于低温工质的加热，撤掉热源后可用于高温工质的散热，永磁体运动可通过计算机来精确控制，磁体在滑槽的运动速度精确控制，换热工质流入微通道后，换热工质与微柱和底板的对流换热能力更强；
(4)本发明的装置微通道的工质入口为双通道或多通道时，两种或多种不同工况的换热工质流入微通道后，在磁力的作用下，可以促进两种或多种换热工质的混合，同时利用热源可以对混合后的两种或多种换热工质进行加热。
附图说明
图1为基于磁力的强化对流换热的微通道装置结构示意图；
图2为工质换热示意图；
图3为工质换热俯视图；
图4为工质换热主视图；
图5为滑槽与滑块配合示意图；
图中：1-工质入口，2-工质出口，3-工质输入管，4-工质泵，5-热源，6-换热底板，7-换热微柱，8-永磁体，9-滑槽。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1和5所示，一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置，包括换热箱体，换热箱体的换热底板6上沿工质流动方向固定设置有若干排换热微柱7，换热微柱7形成微通道，第N排的单个换热微柱7位于第N-1排相邻两个换热微柱7的中轴线上，其中N≥2；换热箱体的顶壁沿工质流动方向的中轴线上开设有滑槽9，滑槽9内设置有滑块10，滑块10的底端固定设置有永磁体8且永磁体8位于微通道正上方；换热箱体设置在热源5上；
换热箱体的两端端头中心分别设置有工质入口1和工质出口2，工质入口1通过工质输入管3与工质泵4连通，工质出口2外接工质排出管；
相邻每排相邻换热微柱7的间距为5～8μm，换热微柱7的相邻排间距为5～8μm，微柱的直径为3～5μm，微柱的高度为15～20μm；
换热微柱7为金属橡胶微柱，金属橡胶微柱外壁涂覆设置有Fe3O4涂层，换热箱体的换热底板6上涂覆设置有导热硅脂层；
换热箱体的长度为80～100μm，宽度为30～50μm，永磁体8的宽度为10～20μm，长度为20～30μm，永磁体8的底面与换热微柱7顶面的间距为15～20μm；
换热微柱7自由端的磁极与永磁体8工质流动方向的磁极相同；
换热微柱7为圆柱形结构。
实施例2：本实施例基于磁力的强化对流换热的微通道装置与实施例1基本一致，不同之处在于：相邻每排相邻换热微柱7的间距为5μm，换热微柱7的相邻排间距为5μm，微柱的直径3μm，微柱的高度为15μm；
换热微柱7为金属橡胶微柱，金属橡胶微柱外壁涂覆设置有Fe3O4涂层，换热箱体的换热底板6上涂覆设置有导热硅脂层；
换热箱体的长度为100μm，宽度为50μm，永磁体8的宽度为15μm，长度为20μm，永磁体8的底面与换热微柱7顶面的间距为20μm；
换热微柱7为三棱柱结构。
实施例3：如图1～5所示，基于磁力的强化对流换热方法，采用基于磁力的强化对流换热的微通道装置，具体步骤如下：
(1)将永磁体滑动至换热箱体的工质入口端，将待换热工质通过泵输送至换热箱体内，待换热工质流入换热微柱形成的微通道，微通道的换热微柱在永磁体的磁力作用下倾斜，待换热工质流动受阻并混乱，使得待换热工质与换热微柱的接触面积增大以增强换热效果；
(2)随待换热工质流动，永磁体同步沿工质流动方向滑动，使得工质流动持续受阻并混乱，强化工质与换热微柱的对流热交换；
当施加磁场时，由于弹性特性，磁力重新定向金属橡胶微柱的自由端，由于弹性微柱之间的间隙很小，在弯曲过程中倾向于接触相邻的微孔，并在微通道内产生随机和无组织的构型，诱导的无序和不对称导致对沿着微换热工质通道的进入流动的不同阻力，使得待换热工质倾向于找到具有较低换热工质动力学阻力的路径；使其换热工质流动被扭曲并且当换热工质通过时可以大大增强换热效率；因此，在磁力触发时将提高换热效率。在撤去磁力时，微柱返回其原始的垂直和有序位置，换热工质仅通过分子扩散；当不同工况换热工质从出口处进入微通道时，将磁体放置与微通道上方，并将磁体通过滑块在换热箱体顶壁的滑槽内滑动，当磁体位于微柱上方时，微柱由于磁力作用会发生一定角度的倾斜，换热箱体底板通过热源加热，底板与微柱之间进行对流换热，此时热量在底板与微柱之间通过热传导的方式进行传递，换热工质经过微柱与底板时，微柱与换热工质之间的接触面积增大，对流换热能力更强，换热工质获得热量更多，对换热工质加热效果更好；而随着换热工质的在微通道中移动，磁体会随着换热工质向前移动，此时之前变形的微柱在磁力撤去之后恢复原貌。如此反复，不同工质的换热工质进入微通道装置中即可获得更好的加热效果。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：包括换热箱体，换热箱体的换热底板(6)上沿工质流动方向固定设置有若干排换热微柱(7)，换热微柱(7)形成微通道，第N排的单个换热微柱(7)位于第N-1排相邻两个换热微柱(7)的中轴线上，其中N≥2；换热箱体的顶壁沿工质流动方向的中轴线上开设有滑槽(9)，滑槽(9)内设置有滑块(10)，滑块(10)的底端固定设置有永磁体(8)且永磁体(8)位于微通道正上方。
2.根据权利要求1所述基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：换热箱体设置在热源(5)上；换热箱体的两端端头中心分别设置有工质入口(1)和工质出口(2)，工质入口(1)通过工质输入管(3)与工质泵(4)连通，工质出口(2)外接工质排出管。
3.根据权利要求1所述基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：相邻每排相邻换热微柱(7)的间距为5～8μm，换热微柱(7)的相邻排间距为5～8μm，微柱的直径为3～5μm，微柱的高度为15～20μm。
4.根据权利要求3所述基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：换热微柱(7)为金属橡胶微柱，金属橡胶微柱外壁涂覆设置有Fe3O4涂层，换热箱体的换热底板(6)上涂覆设置有导热硅脂层。
5.根据权利要求1所述基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：换热箱体的长度为80～100μm，宽度为30～50μm，永磁体(8)的宽度为10～20μm，长度为20～30μm，永磁体(8)的底面与换热微柱(7)顶面的间距为15～20μm。
6.根据权利要求1所述基于磁力的强化对流换热的微通道装置，其特征在于：换热微柱(7)自由端的磁极与永磁体(8)工质流动方向的磁极相同。
7.基于磁力的强化对流换热方法，其特征在于，采用基于磁力的强化对流换热的微通道装置，具体步骤如下：
(1)将永磁体滑动至换热箱体的工质入口端，将待换热工质通过泵输送至换热箱体内，待换热工质流入换热微柱形成的微通道，微通道的换热微柱在永磁体的磁力作用下倾斜，待换热工质流动受阻并混乱，使得待换热工质与换热微柱的接触面积增大以增强换热效果；
(2)随待换热工质流动，永磁体同步沿工质流动方向滑动，使得工质流动持续受阻并混乱，强化工质与换热微柱的对流热交换。
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