CN112153880B - 一种双面换热微细通道液冷散热器 - Google Patents

一种双面换热微细通道液冷散热器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双面换热微细通道液冷散热器，包括若干个液冷散热模块；包括两个冷却液通道和磁流体通道；磁流体通道设有两段，分别安装有磁极相反的磁铁以及电极方向相反的电极组件；两个冷却液通道分别对应磁流体通道的两段，每段均与一冷却液通道连通。本发明提供的散热器，利用两个冷却液通道同时对热源进行冷却，实现双面换热。该散热器还利用电磁场驱动磁流体使其在磁流体通道循环流动，从而起到带动与其侧面连通的冷却液运行，使原有的冷却液与壁面的液‑固接触方式转变为冷却液与磁流体的液‑液接触方式，极大降低了接触面的摩擦阻力系数，同时也利用磁流体的运动使冷却液接触面从原先的无滑移壁面转变为滑移壁面，起到低阻散热的效果。

Description

一种双面换热微细通道液冷散热器
技术领域
本发明涉及电子器件高效散热领域，尤其涉及一种双面换热微细通道液冷散热器。
背景技术
随着微机电系统技术的发展，电子器件集成化和高频化程度不断提高，特征尺寸不断减小，单位容积的发热量不断增大，设备紧凑化的设计又使得散热更加困难，因此迫切需要解决高效散热技术难题。传统的风冷和大尺寸管道液体对流换热技术很难将大量热量及时带走，造成电子器件温度升高，大大降低其实用性和可靠性。因此，微小空间高热通量的散热技术已经成为制约信息、电子、航空航天以及国防军事技术的关键因素之一。
传统的散热器都是单面接触热源进行散热，而随着电子器件集成化和紧凑度的不断提升，多个高功率密度和高散热量的电子器件距离可能非常近，甚至可能会出现背对背的情况，两者间距空间也会很狭窄，而要在有限空间内同时实现多个背对背电子器件的散热，就需要散热器进行双面换热，同时也需要采用更高效的散热技术。微细通道液冷散热技术是一种高效换热方式，与传统的风冷和大尺寸管道液体对流换热相比，微细通道因通道尺寸微小，在相同体积下具有很大的传热面积，换热效率和换热系数较其它换热结构具有显著的提升。然而，由于双面换热微细通道液冷散热器通道尺寸很小，导致其流动阻力很大，流动压损也较大，一般需要高功率循环泵来驱动流体流动，而高功率循环泵的使用，不仅额外造成了能量的损耗，而且还会引起较大的运行噪声。
因此，亟需研究一种双面换热微细通道液冷散热器，用于同时对热源散热，保证散热器换热效果的前提下，提高冷却液的流动速度，有效降低冷却液的流动摩擦阻力，强化其换热性能。
发明内容
本发明实施例提供一种双面换热微细通道液冷散热器，用以同时对热源散热，提高微通道中冷却液的流动速度，并降低冷却液的流动阻力，以解决目前微通道散热存在的问题。
本发明实施例提供一种双面换热微细通道液冷散热器，包括：
若干个液冷散热模块；每个所述液冷散热模块均包括：两个冷却液通道和首尾连通的磁流体通道；
所述磁流体通道内填充有磁流体；所述磁流体通道设有两段，两段分别安装有磁极相反的磁铁以及电极方向相反的电极组件；所述冷却液通道内填充有冷却液，两个所述冷却液通道分别对应所述磁流体通道的两段，每段所述磁流体通道均与一所述冷却液通道连通。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述磁流体通道设有的两段分别为：第一磁流体通道和第二磁流体通道；
所述第一磁流体通道和所述第二磁流体通道相互连接且首尾相互连通；
两个冷却液通道分别为第一冷却液通道和第二冷却液通道，第一冷却液通道的一侧与所述第一磁流体通道连通，第二冷却液通道的一侧与所述第二磁流体通道连通。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述电极组件包括：第一电极组件和第二电极组件；
所述第一电极组件和所述第二电极组件对应电极的方向相反；
所述第一磁流体通道的两侧安装有所述第一电极组件，所述第二磁流体通道的两侧安装有所述第二电极组件。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述第一电极组件和所述第二电极组件均包括：相对设置的电极阴极和电极阳极；
所述第一电极组件的电极阴极安装在所述第一磁流体通道的第一侧，所述第一电极组件的电极阳极安装在所述第一磁流体通道的第二侧；所述第二电极组件的电极阳极安装在所述第二磁流体通道的第一侧，所述第二电极组件的电极阴极安装在所述第二磁流体通道的第二侧。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述第一电极组件的电极阴极与所述第二电极组件的电极阳极之间，以及所述第二电极组件的电极阴极与所述第一电极组件的电极阳极之间均设有绝缘层。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述S极磁铁包括：第一安装面和第一作用面；所述N极磁铁包括：第二安装面和第二作用面；
所述第一安装面与所述第一磁流体通道的内壁面连接；所述第二安装面与所述第二磁流体通道的内壁面连接，所述第一作用面和所述第二作用面均设置有用于装载所述磁流体的条形凹槽，且所述第一作用面的条形凹槽与所述第二作用面的条形凹槽相互连通，所述第一冷却液通道的一侧与所述第一作用面的条形凹槽连通，所述第二冷却液通道的一侧与所述第二作用面的条形凹槽连通。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述双面换热微细通道液冷散热器还包括：壳体；各所述液冷散热模块中的各部件均安装在所述壳体内。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述磁流体和所述冷却液为互不相溶的两种介质，所述磁流体为导电介质，所述冷却液为非导电介质。
根据本发明一个实施例的双面换热微细通道液冷散热器，所述磁流体与所述冷却液接触面处的流动方向相同。
本发明提供的双面换热微细通道液冷散热器，在单个液冷散热模块中设置两个冷却液通道，利用两个冷却液通道同时对两个热源进行冷却，实现对热源散热。同时，该双面换热微细通道液冷散热器利用电磁场驱动磁流体使磁流体在磁流体通道循环流动，从而起到带动与其侧面连通的冷却液运行，使原有的两个冷却液通道中的冷却液与壁面的液-固接触方式均转变为冷却液与磁流体的液-液接触方式，极大程度降低了接触面的摩擦阻力系数，同时也利用磁流体的运动使冷却液接触面从原先的无滑移壁面转变为滑移壁面，进一步降低了流动阻力，从而起到低阻散热的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的双面换热微细通道液冷散热器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的液冷散热模块的正视图；
图3是本发明实施例提供的液冷散热模块的右视图；
图4是本发明实施例提供的液冷散热模块的左视图；
图5是本发明实施例提供的液冷散热模块的俯视图；
图6是图2中液冷散热模块A-A位置处的剖视图；
图7是图2中液冷散热模块B-B位置处的剖视图；
图8是图5中液冷散热模块C-C位置处的剖视图；
图中，1、液冷散热模块；2、壳体；11、冷却液通道；111、第一冷却液通道；112、第二冷却液通道；12、磁流体通道；121、第一磁流体通道；122、第二磁流体通道；13、磁铁；131、S极磁铁；132、N极磁铁；14、电极组件；141、第一电极组件；142、第二电极组件；15、绝缘层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明实施例提供的双面换热微细通道液冷散热器，该双面换热微细通道液冷散热器包括：若干个液冷散热模块1。
为了方便说明，将选取图1中虚线框住的区域进行详细说明，该虚线区域为双面换热微细通道液冷散热器的单个液冷散热模块1，每个双面换热微细通道液冷散热器包括一个或多个液冷散热模块1。
如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，每个液冷散热模块1均包括：两个冷却液通道11和首尾连通的磁流体通道12。
磁流体通道12内填充有磁流体，磁流体通道12设有两段，两段磁流体通道12分别安装有磁极相反的磁铁13以及电极方向相反的电极组件14。磁流体通道12内的磁流体在电磁场的作用下实现自行流动，流动速度可通过电流大小来控制。冷却液通道11内填充有冷却液，两个冷却液通道11分别对应磁流体通道12的两段，每段磁流体通道12均与一冷却液通道11连通。冷却液可通过外部循环泵驱动进入冷却液通道，并在冷却液通道11内向前流动，同时吸收外部热量，实现对热源的冷却。冷却液通道11为直通道，通道截面可以是方形、矩形或半圆形。
其中，磁流体和冷却液为互不相溶的两种介质。磁流体为导电介质，磁流体由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成。可采用Fe3O4、Fe2O3、Ni、Co等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂防止团聚。冷却液可采非导电介质，例如纯水。磁流体在磁场作用下完全填充在磁流体通道12中，受磁性影响磁流体只在磁流体通道12内流动。
电极组件14将与外部电源连通，由于磁流体为导电体，当接通电源后，在电极组件14的电极阳极和阴极间将会形成电流，电流方向从阳极指向阴极，与磁场方向垂直，此时磁流体将受到洛伦兹力而发生运动，运动方向可根据左手定则判断。
双面换热微细通道液冷散热器正常工作时，双面换热微细通道液冷散热器与两侧热源紧密贴合，从2处热源吸取热量，并将其传导给两个冷却液通道11中流动的冷却液，最终通过冷却液将热量带走。
在电极组件14未接通电源时，由于没有电流的存在，无法产生洛伦兹力，所以磁流体将会在磁场的作用下吸附于磁铁13表面，并填充在磁流体通道12内保持静止。当冷却液流过冷却液通道11时，其表面将与磁流体接触，从而实现液-液界面接触，导致其表面的摩擦阻力大幅下降。
在双面换热微细通道液冷散热器进行正常散热工作的同时，可以使散热器内部的电极组件14接通外部电源，使导电的磁流体产生电流，电流方向视电极的布置位置而定，两段磁流体在洛伦兹力的作用下沿磁流体通道12内循环流动。可以通过调节磁场和电流的大小来控制洛伦兹力的大小，从而调节磁流体的流动速度。也可以通过调整电流方向，控制磁流体的流动方向。由于冷却液与磁流体之间存在一定的粘性，所以当磁流体在洛伦兹力作用下发生运动时，将附带与其接触面接触的冷却液发生同向运动，使磁铁13上下方的磁流体的流动方向分别与两个冷却液通道11中的冷却液流动方向保持一致，磁流体将起正向滑移壁面的作用，相当于给冷却液提供了额外向前的动力，加速冷却液流动，同时使冷却液上表面的摩擦阻力进一步降低，最终实现双面换热微细通道液冷散热器的低阻流动特性。
本发明实施例提供的双面换热微细通道液冷散热器，在单个液冷散热模块中设置两个冷却液通道，利用两个冷却液通道同时对两个热源进行冷却，实现双面换热。同时，该双面换热微细通道液冷散热器利用电磁场驱动磁流体使磁流体在磁流体通道循环流动，从而起到带动与其侧面连通的冷却液运行，使原有的两个冷却液通道中的冷却液与壁面的液-固接触方式均转变为冷却液与磁流体的液-液接触方式，极大程度降低了接触面的摩擦阻力系数，同时也利用磁流体的运动使冷却液接触面从原先的无滑移壁面转变为滑移壁面，进一步降低了流动阻力，从而起到低阻散热的效果。
在本发明实施例提供的双面换热微细通道液冷散热器中，如图6、图7和图8所示，磁流体通道12设有的两段分别为：第一磁流体通道121和第二磁流体通道122。第一磁流体通道121和第二磁流体通道122相互连接且首尾相互连通。
第一磁流体通道121连接在第二磁流体通道122的顶部。两个冷却液通道11分别为第一冷却液通道111和第二冷却液通道112，第一冷却液通道111的一侧与第一磁流体通道121连通，第二冷却液通道112的一侧与第二磁流体通道122连通。本实施例中，第一冷却液通道111位于第一磁流体通道121的顶部，第二冷却液通道112位于第二磁流体通道122的底部。
其中，磁铁包括：N极磁铁132和S极磁铁131。第一磁流体通道121内安装有沿磁流体的流动方向设置的S极磁铁131，第二磁流体通道122内安装有沿磁流体的流动方向设置的N极磁铁132。本实施例将第一磁流体通道121安装在第二磁流体通道122的上方，S极磁铁131位于N极磁铁132的上方，N极磁铁132位于靠近冷却液通道11的一侧。
双面换热微细通道液冷散热器还包括：壳体2；各液冷散热模块1中的各部件均安装在壳体2内。当双面换热微细通道液冷散热器正常工作时，其壳体2底部与底部均与热源紧密贴合，从热源吸取热量，并将其传导到第一冷却液通道111和第二冷却液通道112的冷却液中，最终通过冷却液将热量带走。
如果需要改变磁流体的流动方向，也可在第一磁流体通道121内安装S极磁铁131，而在第二磁流体通道122内安装N极磁铁132，通过改变磁场方向，调节磁流体所受洛伦兹力的方向。
对应第一磁流体通道121和第二磁流体通道122，电极组件14包括：第一电极组件141和第二电极组件142。第一电极组件141和第二电极组件142对应电极的方向相反。第一磁流体通道121的两侧安装有第一电极组件141，第二磁流体通道122的两侧安装有第二电极组件142。
其中，第一电极组件141和第二电极组件142均包括：相对设置的电极阴极和电极阳极。第一电极组件141的电极阴极安装在第一磁流体通道的第一侧，第一电极组件141的电极阳极安装在第一磁流体通道的第二侧。第二电极组件142的电极阳极安装在第二磁流体通道的第一侧，第二电极组件142的电极阴极安装在第二磁流体通道的第二侧。即在本实施例中，第一电极组件141和第二电极组件142中的两层电极以N极磁铁132和S极磁铁131的交界面为边界。第一电极组件141的电极阴极和电极阳极分别布置在S极磁铁131的两侧。第二电极组件142的电极阴极和电极阳极分别布置在N极磁铁132的两侧。第一电极组件141的电极阴极和电极阳极与第二电极组件142的电极阴极和电极阳极反向布置。如果第一电极组件141的电极阳极在左侧，则第二电极组件142的电极阳极就在右侧。
要使第二磁流体通道122内的磁流体流动方向与第二冷却液通道112中的冷却液流动方向相同，则第二电极组件142的电极阳极应该布置在左侧，电极阴极在右侧，使下部区域电流方向为从左往右。由于磁流体要在磁流体通道12内进行循环流动，第一磁流体通道121内磁流体的流动方向需要与第二磁流体通道122内磁流体的流动方向相反，所以第一电极组件142的电极阳极设置在右侧，电极阴极则设置在左侧，使上部区域电流方向为从右往左。
如果需要改变磁流体的流动方向，也可改变第一电极组件141和第二电极组件142的电极阴极和电极阳极，通过改变电流方向，调节磁流体所受洛伦兹力的方向。仅需要保证第一电极组件141和第二电极组件142对应电极的方向相反即可。
为保证双面换热微细通道液冷散热器的稳定运行，第一电极组件141的电极阴极与第二电极组件142的电极阳极之间，以及第二电极组件142的电极阴极与第一电极组件141的电极阳极之间均设有绝缘层15。绝缘层15采用绝缘材料填充，用于对电极进行绝缘处理。同时，壳体2和各个电极间也设有绝缘层15，用于保证散热器的安全运行。
为防止磁流体从磁流体通道12进入冷却液通道11，S极磁铁131包括：第一安装面和第一作用面。N极磁铁132包括：第二安装面和第二作用面。第一安装面与第一磁流体通道121的内壁面连接，以使S极磁铁131固定在第一磁流体通道121中。第二安装面与第二磁流体通道122的内壁面连接，以使N极磁铁132固定在第二磁流体通道122中。第一作用面和第二作用面均设置有用于装载磁流体的条形凹槽，且第一作用面的条形凹槽与第二作用面的条形凹槽相互连通，从而在电极组件14通电后，磁流体可在条形凹槽内流动。根据磁流体的流动情况，也可对应调整凹槽的形状，以适应不同的工况。第一冷却液通道111的一侧与第一作用面的条形凹槽连通，第二冷却液通道112的一侧与第二作用面的条形凹槽连通。
双面换热微细通道液冷散热器正常工作时，壳体2上下表面均与热源紧密贴合，同时从上下方的2处热源吸取热量，并将热量分别传导到散热器内第一冷却液通道111和第二冷却液通道112内的冷却液中，最终通过冷却液将热量带走。
在电极组件14未接通电源时，由于没有电流的存在，无法产生洛伦兹力，所以磁流体将会在磁场的作用下吸附于磁铁13表面，并填充在磁流体通道12内保持静止。当冷却液流过冷却液通道11时，第一冷却液通道111和第二冷却液通道112内的冷却液将与磁流体接触，从而实现液-液界面接触，导致冷却液与磁流体接触面的摩擦阻力大幅下降。
在微细通道散热器进行正常散热工作的同时，可以使散热器内部的电极组件14接通外部电源，使电极阳极与电极阴极之间通过导电的磁流体产生电流，电流方向视电极阴极和电极阳极的布置位置而定，方向为从电极阳极流向电极阴极。由于N极磁铁132在下，S极磁铁131在上，磁铁外部的磁感线从N极磁铁132出发，并回到S极磁铁131，所以处于磁铁上下位置的磁流体通道12内的磁流体均受到向下的磁感线作用，因此根据左上定则，磁流体所受的洛伦兹力方向与电流和磁场方向均垂直，该方向正好与磁流体通道12一致，而要使磁流体在洛伦兹力的作用下在磁流体通道12内循环流动，则需要第一电极组件141和第二电极组件142的位置采用相反布置。
可以通过调节磁场和电流的大小来控制洛伦兹力的大小，从而调节磁流体的流动速度。通过调整电极阳极和电极阴极的位置，可以控制磁流体的流动方向，使磁铁13上下方的磁流体的流动方向分别与两个冷却液通道11中的冷却液流动方向保持一致，此时冷却液与磁流体的接触面就变成了具有一定速度的滑移壁面，从而进一步降低了冷却液上表面的摩擦阻力，最终实现双面换热微细通道液冷散热器的低阻流动特性。
由于接触面的磁流体流动方向与冷却液的流动方向相同，因此冷却液的上表面属于滑移壁面条件，起到加速冷却液流动以及进一步降低冷却液上表面摩擦阻力的作用，使双面换热微细通道液冷散热器具有比常规微细通道散热器更低的流动阻力。同时，因为磁流体在冷却液上方空间，不影响冷却液对其下方的热源进行冷却，因此对双面换热微细通道液冷散热器的散热性能影响不大。
综上所述，本发明实施例提供的双面换热微细通道液冷散热器，在单个液冷散热模块中设置两个冷却液通道，利用两个冷却液通道同时对两个热源进行冷却，实现双面换热。同时，该双面换热微细通道液冷散热器利用电磁场驱动磁流体使磁流体在磁流体通道循环流动，从而起到带动与其侧面连通的冷却液运行，使原有的两个冷却液通道中的冷却液与壁面的液-固接触方式均转变为冷却液与磁流体的液-液接触方式，极大程度降低了接触面的摩擦阻力系数，同时也利用磁流体的运动使冷却液接触面从原先的无滑移壁面转变为滑移壁面，进一步降低了流动阻力，从而起到低阻散热的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，包括：
若干个液冷散热模块；每个所述液冷散热模块均包括：两个冷却液通道和首尾连通的磁流体通道；
所述磁流体通道内填充有磁流体；所述磁流体通道设有两段，两段分别安装有磁极相反的磁铁以及电极方向相反的电极组件；所述冷却液通道内填充有冷却液，两个所述冷却液通道分别对应所述磁流体通道的两段，每段所述磁流体通道均与一所述冷却液通道连通；所述磁流体与所述冷却液接触面处的流动方向相同。
2.根据权利要求1所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述磁流体通道设有的两段分别为：第一磁流体通道和第二磁流体通道；
所述第一磁流体通道和所述第二磁流体通道相互连接且首尾相互连通；两个冷却液通道分别为第一冷却液通道和第二冷却液通道，第一冷却液通道的一侧与所述第一磁流体通道连通，第二冷却液通道的一侧与所述第二磁流体通道连通。
3.根据权利要求2所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述磁铁包括：N极磁铁和S极磁铁；
所述第一磁流体通道内安装有沿所述磁流体的流动方向设置的S极磁铁，所述第二磁流体通道内安装有沿所述磁流体的流动方向设置的N极磁铁。
4.根据权利要求3所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述电极组件包括：第一电极组件和第二电极组件；
所述第一电极组件和所述第二电极组件对应电极的方向相反；
所述第一磁流体通道的两侧安装有所述第一电极组件，所述第二磁流体通道的两侧安装有所述第二电极组件。
5.根据权利要求4所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述第一电极组件和所述第二电极组件均包括：相对设置的电极阴极和电极阳极；
所述第一电极组件的电极阴极安装在所述第一磁流体通道的第一侧，所述第一电极组件的电极阳极安装在所述第一磁流体通道的第二侧；所述第二电极组件的电极阳极安装在所述第二磁流体通道的第一侧，所述第二电极组件的电极阴极安装在所述第二磁流体通道的第二侧。
6.据权利要求5所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述第一电极组件的电极阴极与所述第二电极组件的电极阳极之间，以及所述第二电极组件的电极阴极与所述第一电极组件的电极阳极之间均设有绝缘层。
7.根据权利要求3所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述S极磁铁包括：第一安装面和第一作用面；所述N极磁铁包括：第二安装面和第二作用面；
所述第一安装面与所述第一磁流体通道的内壁面连接；所述第二安装面与所述第二磁流体通道的内壁面连接，所述第一作用面和所述第二作用面均设置有用于装载所述磁流体的条形凹槽，且所述第一作用面的条形凹槽与所述第二作用面的条形凹槽相互连通，所述第一冷却液通道的一侧与所述第一作用面的条形凹槽连通，所述第二冷却液通道的一侧与所述第二作用面的条形凹槽连通。
8.根据权利要求1所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述双面换热微细通道液冷散热器还包括：壳体；各所述液冷散热模块中的各部件均安装在所述壳体内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的双面换热微细通道液冷散热器，其特征在于，所述磁流体和所述冷却液为互不相溶的两种介质，所述磁流体为导电介质，所述冷却液为非导电介质。
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