CN110926244A - 一种磁流体换热装置 - Google Patents

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余鹏
牛小东
李德才
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Abstract

本发明公开了一种磁流体换热装置，其包括两条换热管路，所述两条换热管路的同侧一端与冷却管路连通，所述两条换热管路的同侧另一端与换热芯片连通，所述两条换热管路中至少有一条换热管路设置有用于储存磁流体的磁流体储存器，所述换热芯片上设置有热源以及用于产生磁场的磁铁，所述冷却管路上设置有冷却结构。本发明提供的磁流体换热装置具有结构简单，设计紧凑，各组成部分相对独立的优点，方便维护和检修；所述磁流体换热装置具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计；所述磁流体换热装置对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境，且换热效率高。

Description

一种磁流体换热装置
技术领域
本发明涉及换热装置领域，尤其涉及一种磁流体换热装置。
背景技术
常规的高效换热设备包括：板式换热器、管壳式换热器，上述换热器一般为液液换热设备。
然而，现有的液液换热设备大都存在体积大、加工制造工艺复杂、维修困难，换热效率低等缺陷。因此，开发一种加工制造简单、体积小、易维修、换热效率高的换热装置，对易发热芯片或发热量较大设备的降温工艺发展具有积极的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流体换热装置，旨在解决现有换热设备体积大、结构复杂、维修困难以及换热效率低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种磁流体换热装置，其中，包括两条换热管路，所述两条换热管路的同侧一端与冷却管路连通，所述两条换热管路的同侧另一端与换热芯片连通，所述两条换热管路中至少有一条换热管路设置有用于储存磁流体的磁流体储存器，所述换热芯片上设置有热源以及用于产生磁场的磁铁，所述冷却管路上设置有冷却结构。
所述的磁流体换热装置，其中，所述两条换热管路中至少有一条换热管路设置有微泵。
所述的磁流体换热装置，其中，所述两条换热管路上均设置有所述磁流体储存器。
所述的磁流体换热装置，其中，所述磁流体包括基载液以及分散在所述基载液中的纳米四氧化三铁颗粒。
所述的磁流体换热装置，其中，所述磁流体还包括分散在所述基载液中的高导热率颗粒。
所述的磁流体换热装置，其中，所述高导热率颗粒为银颗粒、金刚石颗粒、铝颗粒、石墨颗粒和石墨烯颗粒中的一种或多种。
所述的磁流体换热装置，其中，所述基载液为去离子水、煤油、机油、磷酸盐溶液和氟醚油中的一种或多种。
所述的磁流体换热装置，其中，所述冷却管路包括若干个依次连通的呈S型排列的冷却子管路，所述冷却子管路上均设置有所述冷却结构。
所述的磁流体换热装置，其中，所述冷却子管路的上下两端均设置有所述冷却结构。
所述的磁流体换热装置，其中，所述冷却结构包括与所述冷却子管路直接接触的能量传导块，以及设置在所述能量传导块表面的散热翅片。
所述的磁流体换热装置，其中，所述冷却结构还包括设置在所述能量传导块和所述散热翅片之间的半导体冷却芯片。
所述的磁流体换热装置，其中，所述磁流体储存器包括用于储存磁流体的容纳腔，设置在所述容纳腔内的过滤网，设置在所述容纳腔顶端的密封盖，以及设置在所述容纳腔左右两端的磁流体入口和磁流体出口。
所述的磁流体换热装置，其中，所述换热芯片内部设置有呈S型排列的微纳米内流通道。
所述的磁流体换热装置，其中，所述换热芯片的下表面设置有热源，所述换热芯片的上表面设置有芯片夹具，所述热源和所述芯片夹具通过螺钉固定。
有益效果：相对于现有的换热设备，本发明提供的磁流体换热装置具有结构简单，设计紧凑，各组成部分相对独立的优点，方便维护和检修；所述磁流体换热装置具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计；所述磁流体换热装置对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境，且换热效率高。
附图说明
图1为本发明磁流体换热装置第一实施例的结构示意图。
图2为本发明磁流体换热装置第二实施例的结构示意图。
图3为本发明磁流体换热装置第三实施例的结构示意图。
图4为本发明磁流体换热装置第四实施例的结构示意图。
图5为本发明冷却结构的爆炸结构示意图。
图6为本发明磁流体换热装置第五实施例的结构示意图。
图7为本发明磁流体储存器的剖面结构示意图。
图8为本发明换热芯片的四分之一剖面结构示意图。
图9本发明芯片夹具、换热芯片与热源的爆炸结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种磁流体换热装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种磁流体换热装置较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括两条换热管路10，所述两条换热管路10的同侧一端与冷却管路20连通，所述两条换热管路10的同侧另一端与换热芯片30连通，所述两条换热管路10的其中一条换热管路上均设置有用于储存磁流体的磁流体储存器40，所述换热芯片30上设置有热源50以及用于产生磁场的磁铁11，所述冷却管路20上设置有冷却结构60。
本实施例以磁流体作为换热过程中的热量交换介质，所述磁流体在所述磁铁11的磁场作用下产生热磁流动效应，使得磁流体流经所述换热芯片30和冷却管路20并往复循环，所述磁流体在流经所述换热芯片30时吸收所述热源50产生的热量变成高温磁流体，所述高温磁流体在流经所述冷却管路时，设置在所述冷却管路上的冷却结构可对所述高温磁流体进行冷却降温，从而实现对流换热。
本实施例提供的磁流体换热装置具有结构简单，设计紧凑，各组成部分相对独立的优点，方便维护和检修；所述磁流体换热装置具有良好互换性特点，可以实现模块化、系列化和快速设计；所述磁流体换热装置对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境，且换热效率高。
在一些实施方式中，还提供一种磁流体换热装置，如图2所示，其包括两条换热管路10，所述两条换热管路10的同侧一端与冷却管路20连通，所述两条换热管路10的同侧另一端与换热芯片30连通，所述两条换热管路10上均设置有用于储存磁流体的磁流体储存器40，所述换热芯片30上设置有热源50以及用于产生磁场的磁铁11，所述冷却管路20上设置有冷却结构60。
本实施例通过在所述两条换热管路10上均设置所述磁流体储存器40，可进一步避免磁流体在流动过程中受阻碍，促进所述磁流体的快速流动，从而提升所述磁流体换热装置的换热效率。
在一些实施方式中，还提供一种磁流体换热装置，如图3所示，其包括两条换热管路10，所述两条换热管路的同侧一端与冷却管路20连通，所述两条换热管路10的同侧另一端与换热芯片30连通，所述两条换热管路10上均设置有用于储存磁流体的磁流体储存器40，所述两条换热管路10中的一条换热管路上还设置有微泵12，所述换热芯片30上设置有热源50以及用于产生磁场的磁铁11，所述冷却管路20上设置有冷却结构60。
本实施例在一条换热管路上设置有微泵12，所述微泵12可作为所述磁流体换热装置中磁流体的流动动力源，当所述磁流体在磁铁产生的磁场作用下流动较缓慢时，则需要启动所述微泵强制所述磁流体发生运动，以提升对流换热效率。
在一些实施方式中，还提供一种磁流体换热装置，如图4所示，其包括两条换热管路10，所述两条换热管路10的同侧一端与冷却管路20连通，所述两条换热管路10的同侧另一端与换热芯片30连通，所述两条换热管路10的其中一条换热管路上设置有用于储存磁流体的磁流体储存器40，另一条换热管路上设置有微泵12，所述换热芯片30上设置有热源50以及用于产生磁场的磁铁11，所述冷却管路20上设置有冷却结构60。
本实施例同样在一条换热管路上设置有微泵12，所述微泵12同样可作为所述磁流体换热装置中磁流体的流动动力源，当所述磁流体在磁铁产生的磁场作用下流动较缓慢时，则需要启动所述微泵强制所述磁流体发生运动，以提升对流换热效率。
在一些实施方式中，所述微泵为微型蠕动泵、微型柱塞泵、微型压力泵或微型齿轮泵中的一种，但不限于此。在本实施例中，可根据换热需求设计选择合适的微泵。
在一些实施方式中，所述磁流体包括基载液以及分散在所述基载液中的纳米四氧化三铁颗粒。本实施例中，所述纳米四氧化三体颗粒可采用固相反应法或化学共沉淀法制备得到，为获得纯净的纳米四氧化三铁颗粒，优选采用化学共沉淀法，所述纳米四氧化三铁颗粒为具有磁性的黑色晶体，故又称为磁性氧化铁。
在一些实施方式中，所述磁流体还包括分散在基载液中的高导热率颗粒，所述高导热率颗粒在磁场作用下可通过磁自组装在流道内形成类似于翅片的链状结构，所述形成链状结构的高导热率颗粒分散在磁流体中可有效提升磁流体的导热效率。在本实施例中，通过调节磁场的强度大小，可以调节由所述高导热率颗粒通过磁自组装形成的所述链状结构的长度，在一定范围内，所述链状结构越长，其提升磁流体的导热效率越高。
在一些实施方式中，可根据散热需求将纳米四氧化三铁颗粒分散在基载液中，得到不同体积分数的纳米四氧化三铁溶液。作为举例，所述基载液为去离子水、煤油、机油、磷酸盐溶液和氟醚油中的一种或多种，但不限于此，在选用时需要综合考虑实验流体的粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，所述磁流体的固体特性越明显，传热效率会越高，但是其转动阻力越明显，因此需根据实际需求来设计不同的磁流体。
在一些实施方式中，为提升换热效率，所述冷却管路包括若干个依次连通的呈S型排列的冷却子管路，所述若干个冷却子管路上均设置有所述冷却结构。作为举例，如图1所示，所述冷却管路20可包括3个依次连通的呈S型排列的冷却子管路21，所述3个冷却子管路21上均设置有冷却结构60。本实施例中，所述磁流体在吸收热源的热量后会依次流经所述冷却子管路，通过设置多个所述冷却子管路21以及将所述冷却子管路设置为S型可有效增加磁流体的换热面积，从而有效提升所述磁流体换热装置的换热效率。
在一些实施方式中，如图1和图5所示，所述冷却结构60包括与所述冷却子管路21直接接触的能量传导块61，以及设置在所述能量传导块表面的散热翅片62。在本实施例中，所述能量传导块61相当于导热块，当吸收了热源热量的高温磁流体流经所述冷却子管路21时，所述能量传导块61可将所述高温磁流体的热量传导至所述散热翅片62，使所述高温磁流体的温度逐渐下降，以实现对流换热。
在一些实施方式中，单独依靠所述散热翅片62来对所述高温磁流体进行降温时，其对流换热效率较低。基于此，如图5所示，还可在所述能量传导块61和所述散热翅片62之间设置半导体冷却芯片63，所述半导体冷却芯片63连接有芯片电源64。本实施例中，所述半导体冷却芯片63接通芯片电源64后，可迅速制冷，此时所述能量传导块61相当于导冷块，当吸收了热源热量的高温磁流体流经所述冷却子管路21时，所述能量传导块61可将所述半导体冷却芯片63产生的冷气迅速传导至所述高温磁流体内，使所述高温磁流体的温度迅速下降，以实现高效率的对流换热。在本实施例中，所述能量传导块61还可以有效避免所述半导体冷却芯片63直接接触冷却子管路21，从而避免所述冷却子管路21内部的磁流体发生凝固，从而阻碍或阻塞所述冷却子管路21中磁流体的流动。
在一些实施方式中，如图6所示，为提升磁流体换热装置的对流换热效率，在所述冷却子管路21的上下两端均设置所述冷却结构60，可使所述磁流体换热装置的换热效率加倍。
在一些实施方式中，如图7所示，所述磁流体储存器40包括用于储存磁流体的容纳腔41，设置在所述容纳腔41内的过滤网42，设置在所述容纳腔41顶端的密封盖43，以及设置在所述容纳腔41左右两端的磁流体入口44和磁流体出口45。在本实施例中，所述过滤网42主要用于过滤磁流体在流动过程中形成的微纳米聚集颗粒、流道内沉积灰尘，从而有效避免磁流体在流动过程中受阻碍。
在一些具体的实施方式中，如图7所示，所述过滤网42包括呈矩阵排列的若干个过滤片421，所述过滤片421上设置有多个过滤孔422。所述过滤孔422的大小可根据需求设定。
在一些具体的实施方式中，所述密封盖43底部设置有环形凹槽431，所述环形凹槽431上设置有相应的环形永磁铁块，所述环形永磁铁块的宽度小于所述环形凹槽431的宽度，所述密封盖可有效用于防止容纳腔内部磁流体的泄露，也可防止外部的灰尘颗粒进入到所述磁流体储存器的容纳腔41中，其主要利用了磁流体在磁场作用下的磁粘性增大的特性。本实施例中，所述环形永磁铁块材料包括钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁等，所述环形永磁铁块的磁场强度大于0.1特斯拉，在该磁场强度条件下，所述位于所述容纳腔41内部的部分磁流体可吸入到所述环形永磁铁块与所述环形凹槽431的缝隙中，从而防止外部灰尘颗粒进入到所述容纳腔41内，并且位于所述缝隙中的磁流体在环形永磁铁块的磁场作用下粘性增大，从而可防止发生磁流体的泄露。
在一些实施方式中，所述容纳腔41底部还设置有废液出口46。所述磁流体储存器在使用过程中，所述废液出口46是密封的；当所述磁流体储存器使用结束后，可打开所述废液出口将容纳腔41内部的磁流体排出或更换，或对所述容纳腔41进行清洗。
在一些实施方式中，如图8所示，所述换热芯片30内部设置有呈S型排列的微纳米内流通道31。本实施例中，通过在所述换热芯片30内设置呈S型排列的微纳米内流通道31可增大磁流体的对流换热面积，从而有效提升所述磁流体换热装置的换热效率。
在一些实施方式中，如图1和图8所示，所述换热芯片30上还设置有与所述微纳米内流通道31连通的换热芯片磁流体入口32和换热芯片磁流体出口33，所述换热芯片30通过所述换热芯片磁流体入口32和换热芯片磁流体出口33与所述两条换热管路10的同侧另一端连通。所述换热芯片30与所述两条换热管路10的连接端还设置有管路接头70，所述管路接头70可防止磁流体在所述换热芯片30与所述两条换热管路10的连接端发生泄露。
在一些实施方式中，如图1和图9所示，所述换热芯片30的下表面设置有热源50，所述换热芯片30的上表面设置有芯片夹具80，所述热源50和所述芯片夹具80通过螺钉固定。本实施例中，所述换热芯片30的上表面还设置有凸起定位块34，所述芯片夹具80上设置有与所述凸起定位块34适配的安装定位槽81，所述芯片夹具80的四个角落均设置有第一螺纹孔82，所述热源50的底部设置有支撑底座51，所述支撑底座51的四个角落均设置有与所述第一螺纹孔位置对应的第二螺纹孔52。在本实施例中，将所述换热芯片30的凸起定位块24安装在所述芯片夹具80的安装定位槽81上，将设置在所述支撑底座51上的热源设置在所述换热芯片30下面，使所述支撑底座51上的第二螺纹孔52与所述芯片夹具80上的第一螺纹孔82对齐，通过螺钉穿过所述第一螺纹孔82和所述第二螺纹孔52，使得所述热源50、换热芯片30以及芯片夹具80固定在一起。
在一些实施方式中，所述芯片夹具80的两侧设置有若干个U型卡槽83，所述磁铁11上设置有与所述U型卡槽83适配的卡扣12。本实施例中，设置在所述芯片夹具80上的U型卡槽83主要用于安装磁铁，所述磁铁用于产生热磁流动所需要的磁场。本实施例中，所述磁铁可以是永磁铁，也可以是电磁铁；当使用永磁铁是可以节省电能消耗，通过增加永磁铁的数量可以对磁场强度进行相应的调控；当使用电磁铁时，则可通过控制电流大小对电磁铁产生的磁场强度进行调控。
综上所述，本发明以磁流体作为换热过程中的热量交换介质，所述磁流体在所述磁铁的磁场作用下产生热磁流动效应，使得磁流体流经所述换热芯片和冷却管路并往复循环，所述磁流体在流经所述换热芯片时吸收所述热源产生的热量变成高温磁流体，所述高温磁流体在流经所述冷却管路时，设置在所述冷却管路上的冷却结构可对所述高温磁流体进行冷却降温，从而实现高效对流换热。本发明提供的磁流体换热装置具有结构简单，设计紧凑，各组成部分相对独立的优点，方便维护和检修；所述磁流体换热装置具有良好互换性特点，可以实现模块化、系列化和快速设计；所述磁流体换热装置对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境，且换热效率高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种磁流体换热装置，其特征在于，包括两条换热管路，所述两条换热管路的同侧一端与冷却管路连通，所述两条换热管路的同侧另一端与换热芯片连通，所述两条换热管路中至少有一条换热管路设置有用于储存磁流体的磁流体储存器，所述换热芯片上设置有热源以及用于产生磁场的磁铁，所述冷却管路上设置有冷却结构。
2.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述两条换热管路中至少有一条换热管路设置有微泵。
3.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述两条换热管路上均设置有所述磁流体储存器。
4.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述磁流体包括基载液以及分散在所述基载液中的纳米四氧化三铁颗粒。
5.根据权利要求4所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述磁流体还包括分散在所述基载液中的高导热率颗粒。
6.根据权利要求5所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述高导热率颗粒为银颗粒、金刚石颗粒、铝颗粒、石墨颗粒和石墨烯颗粒中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述基载液为去离子水、煤油、机油、磷酸盐溶液和氟醚油中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述冷却管路包括若干个依次连通的呈S型排列的冷却子管路，所述冷却子管路上均设置有所述冷却结构。
9.根据权利要求8所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述冷却子管路的上下两端均设置有所述冷却结构。
10.根据权利要求8-9任一所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述冷却结构包括与所述冷却子管路直接接触的能量传导块，以及设置在所述能量传导块表面的散热翅片。
11.根据权利要求10所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述冷却结构还包括设置在所述能量传导块和所述散热翅片之间的半导体冷却芯片。
12.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述磁流体储存器包括用于储存磁流体的容纳腔，设置在所述容纳腔内的过滤网，设置在所述容纳腔顶端的密封盖，以及设置在所述容纳腔左右两端的磁流体入口和磁流体出口。
13.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述换热芯片内部设置有呈S型排列的微纳米内流通道。
14.根据权利要求1所述的磁流体换热装置，其特征在于，所述换热芯片的下表面设置有热源，所述换热芯片的上表面设置有芯片夹具，所述热源和所述芯片夹具通过螺钉固定。
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