基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统及散热方法

1.本发明属于磁流体散热技术领域，尤其涉及一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统及散热方法。


背景技术：

2.目前，随着电子产品性能朝着性能强大化、体积轻薄化、小型化发展，其集成度和组装密度也在不断提高，从而导致功耗和发热量急剧增加，散热技术是电子产品中要考虑的重要因素。利用纳米流体强化传热是一种效果较好的方法，具有较好的实用性。铁磁流体是一种特殊类型的纳米流体，与传统的冷却工质(如油或水)相比，带有磁性纳米颗粒的铁磁流体由于自身流动特性、温度特性和热磁对流特性为其在强化传热中的应用奠定了基础。
3.对于传统的磁流体散热，其原理主要是热磁对流。磁流体受外磁场作用，其体内温度具有不均匀性，不同位置的磁化强度差异可能导致宏观的压力梯度而驱动流体运动，这就是热磁对流现象。但普通磁流体的磁化强度随温度变化很小，其热磁对流很弱。因此利用热磁对流进行散热，需选用温度敏感型磁流体，该类磁流体具有较低的居里温度，较小的温度变化就可使磁流体的磁化强度发生显著变化，热磁对流现象也就十分明显。但这也随之而来一个问题，温度敏感型磁流体的工作温度较低，磁流体的工作范围在居里点附近。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的散热装置或散热系统成本高，对流散热方式磁流体居里点较低，使用温度较低，应用范围相对较窄。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：
6.传统的散热装置或散热系统成本高，热磁对流散热方式磁流体居里点较低，使用温度较低，应用范围相对较窄。
7.解决以上问题及缺陷的意义为：
8.本方案散热系统结构简单，成本低，有利于大规模推广；
9.本方案所使用磁流体居里点较高，使用温度上限高，应用范围大。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统及散热方法。
11.本发明是这样实现的，一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统，设置有：
12.磁流体；
13.所述磁流体下方设置有铜基板；所述铜基板下方铺设有多根磁铁；
14.所述多根磁铁之间设置有陶瓷加热片；所述陶瓷加热片用于提供热源。
15.进一步，所述磁流体为fe3o4油基磁流体。
16.进一步，所述铜基板为纯铜材质。
17.进一步，所述磁铁为钕铁硼永磁铁；所述磁铁为长条形。
18.进一步，所述多根磁铁形成磁流体通道。
19.进一步，所述多根磁铁为2根或2根以上。
20.进一步，所述陶瓷加热片为氧化铝陶瓷加热片；所述陶瓷加热片可与所述铜基板胶接。
21.进一步，所述铜基板与所述磁铁之间预留一定间隙。
22.进一步，所述陶瓷加热片与所述磁铁之间预留一定间隙。
23.进一步，所述陶瓷加热片可为其他热源。
24.本发明的另一目的在于提供一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热方法包括：由铺设在铜基板下的钕铁硼永磁铁形成磁流体通道，由陶瓷加热片提供热源，在热磁对流和马兰戈尼效应的共同作用下，磁流体由于表面张力梯度和退磁作用从热源部分流出，并在磁体积力作用下从低温区域重新循环回来，形成自循环的散热系统。
25.具体包括：陶瓷加热片通电其温度升高，热量通过铜片从加热片传递到磁流体上，磁流体受到加热温度升高，磁流体表面张力降低，远离陶瓷加热片区域温度低，表面张力大，高温区域的磁流体会被拉到低温区；并且由于温度升高，高温区的磁流体受到热退磁的作用，高温区的磁流体也会被拉到低温区；同时，由于温度的升高，造成非平衡磁化，温度较高部分磁化强度较低，温度较低部分磁化强度较高，会受到开尔文体力(一种磁体力)，kelvin体力引导铁磁流体向温度较高的部分流动。在这三者的共同作用下，在磁流体表面形成了一个从高温区流动至低温区，在磁流体液面下方又从低温区返回至高温区的循环，形成一个磁流体运动的自循环并带走热量。
26.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
27.本发明结构简单且易于操作，设备制造难度低；油基磁流体和钕铁硼磁铁成本低廉，易于获取。本发明仅仅需要磁铁形成磁流体通道，陶瓷加热片提供热源就可使磁流体流动，从而带走热量。
28.本发明适用范围广，本发明选用的fe3o4油基磁流体，其居里温度很高(857k)，使用温度范围较大，可最大范围的适用于不同情景，应用前景广阔。本发明磁流体体积，磁铁数量易于调节，易于通过调节磁铁数量增加磁流体散热通道，增强散热效果，本发明的灵活性非常高，可操纵性好。
29.本发明中只要有一个热源作用在磁流体上，磁流体存在温度差，磁流体就可源源不断运动，进而推动液滴运动，无需任何外部驱动装置，装置稳定性高，可靠性好。
30.本发明散热效率高，与传统的热磁对流散热相比，马兰戈尼散热效果更好。本发明不需要任何外部推动装置(如气泵、机械泵)，具有结构简单，散热效率高，无噪音，可靠性高，稳定性好，成本低廉等特点，其应用领域和应用前景都十分广阔。
31.本发明结构非常简单，无需任何外部装置推动磁流体流动，仅需钕铁硼磁铁形成输运通道，只要存在温度梯度差，马兰戈尼对流和热磁对流便会产生，进而磁流体流动带走热量。
32.本发明通过调节磁铁的形状、大小以及磁流体的量，即可对应不同的散热情形。当热量比较多时，可布置更长、更宽、更多的磁铁，加入更多的磁流体形成磁流体通道，就可达到更好的散热效果。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统结构示意图。(a)正视图；(b)俯视图。
34.图2是本发明实施例提供的加热片在3种不同散热介质下、加热功率2.56w、冷却30s的温度对比示意图。
35.图3是本发明实施例提供的加热片在3种不同散热介质下、加热功率2.56w、控温30s的温度对比示意图。
36.图4是本发明实施例提供的加热片在3种不同散热介质下、加热功率1w、温度稳定后的温度对比示意图。
37.图5是本发明实施例提供的磁流体在铜管中的散热结构示意图。
38.图中：1、磁流体；2、铜基板；3、磁铁；4、陶瓷加热片：5、铜管。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
40.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
41.如图1所示，本发明实施例提供的所述基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统设置有：
42.磁流体1；
43.磁流体1下方设置有铜基板2；铜基板2下方铺设有多根磁铁3；多根磁铁3之间设置有陶瓷加热片4；陶瓷加热片4用于提供热源。
44.本发明实施例提供的磁流体1为fe3o4油基磁流体。
45.本发明实施例提供的铜基板2为纯铜材质。
46.本发明实施例提供的磁铁3为钕铁硼永磁铁；磁铁3为长条形。
47.本发明实施例提供的多根磁铁形成磁流体通道。
48.本发明实施例提供的多根磁铁为2根或2根以上。
49.本发明实施例提供的陶瓷加热片4为氧化铝陶瓷加热片；陶瓷加热片4可与铜基板2胶接。
50.本发明实施例提供的铜基板2与磁铁3之间预留一定间隙。
51.本发明实施例提供的陶瓷加热片4与磁铁3之间预留一定间隙。
52.本发明实施例提供的陶瓷加热片4可为其他热源。
53.下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
54.实施例1：
55.一种基于马兰戈尼效应的磁流体自循环散热系统，包括以下内容：al2o3陶瓷加热片、铜基板、磁流体、钕铁硼永磁铁。
56.1.磁流体散热通道：由2根50*5*3mm的长条形钕铁硼磁铁提供磁场，用移液枪取2次200μl磁流体，在磁场的约束下，磁流体形成2根长为52mm、宽度为9mm、厚度为2.8mm(包含
磁流体鼓包)的磁流体通道，呈一字形分布，两根磁铁间的间距12mm。
57.2.热源：由氧化铝陶瓷加热片提供热源，加热片尺寸10*10*2mm，将加热片置于两根磁铁(或三根磁铁)之间，加热片需与磁铁预留一定间隙。加热片由源表提供电源，可以准确输出功率。
58.3.磁流体的运动是热磁对流和马兰戈尼效应的共同作用，陶瓷片产生热量，磁流体由于表面张力梯度和退磁作用从陶瓷片旁边流出，并在磁体积力作用下从低温区域重新循环回来。在本发明中，加热陶瓷片附近区域的磁流体被加热，温度升高，表面张力低，远离加热端的磁流体温度低，表面张力大，磁流体由热端向冷端快速流动。对于热磁对流,其主要机理是当磁流体受到外部磁场和热梯度时，由于温差诱导的非平衡磁化，温度较高部分磁化强度较低，温度较低部分磁化强度较高，会受到开尔文体力(一种磁体力)，kelvin体力引导铁磁流体向温度较高的部分流动。由于热磁对流使得低温处的磁流体向高温处流动，对于界面下磁流体回流来说热磁对流是一个促进，界面下的热磁对流和马兰戈尼回流共同构成了磁流体的回流，最终形成了一个往复的循环。
59.4.本发明结构非常简单，仅需陶瓷加热片提供热源，钕铁硼磁铁形成输运通道，只要存在温度梯度差，马兰戈尼对流和热磁对流便会产生，进而磁流体流动带走热量。
60.在本发明中，磁流体或由3根50*5*3mm的长条形钕铁硼磁铁提供磁场，用移液枪取3次共600μl磁流体，在磁场的约束下，磁流体形成3根长为52mm、宽度为9mm、厚度为2.8mm(包含磁流体鼓包)的磁流体通道，呈品字形分布。
61.在本发明中，磁流体或由4根50*5*3mm的长条形钕铁硼磁铁提供磁场，用移液枪取4次共800μl磁流体，在磁场的约束下，磁流体形成4根长为52mm、宽度为9mm、厚度为2.8mm(包含磁流体鼓包)的磁流体通道，呈十字形分布。
62.在本发明中，所述铁磁流体为ferrotec公司所购买的普通市售油基铁磁流体(educational ferrofluid efh1)。油基磁流体的表面张力的温度系数达到0.31
×
10-3
nm-1
k-1
，是纯水的两倍以上。高的光吸收和较大的表面张力温度系数会产生可观的表面张力梯度，并推动表面液体向外流动。在温度升高期间，铁磁流体的粘度迅速降低，从而使马兰戈尼对流更加强烈。表面张力温度系数高，光吸收强，热扩散系数低和粘度低等综合因素使得马兰戈尼系数上升到6.1
×
104，与熔融金属和nano3晶体的marangoni系数一样大。
63.在本发明中，使用铜基板将磁铁和磁流体隔开，避免磁流体直接吸附到磁铁上。铜基板起间隔的作用，同时纯铜的导热系数高，可以有效的将热量导走。
64.在本发明中，陶瓷加热片应与磁铁间隔开，避免磁铁受热退磁。
65.在步骤1中，纯铜基板应与磁铁间隔开，避免热量通过铜基板传递到磁铁，磁铁受热退磁。
66.在本发明中，热源可为各式各样的热源，只要存在温度梯度差，磁流体就会运动带走热量。
67.实施例2：
68.取两根50*5*3mm的长条形钕铁硼磁铁，磁铁位于铜基板下方，但与铜基板留有一定间隙，用3m公司耐热双面胶将加热片粘在铜基板上，加热片和磁铁间也需留有一定间距。利用移液枪取两次300μl磁流体，将磁流体滴到磁铁上方的铜基板上，在长条形磁铁的约束下，磁流体被磁化并吸附到铜基板上形成长条状的磁流体。
69.打开源表，将输出功率调至1w，此时陶瓷加热片通电其温度升高，热量通过铜片从加热片传递到磁流体上，磁流体受到加热温度升高，磁流体表面张力降低，远离陶瓷加热片区域温度低，表面张力大，高温区域的磁流体会被拉到低温区；并且由于温度升高，高温区的磁流体受到热退磁的作用，高温区的磁流体也会被拉到低温区；同时，由于温度的升高，造成非平衡磁化，温度较高部分磁化强度较低，温度较低部分磁化强度较高，会受到开尔文体力(一种磁体力)，kelvin体力引导铁磁流体向温度较高的部分流动。在这三者的共同作用下，在磁流体表面形成了一个从高温区流动至低温区，在磁流体液面下方又从低温区返回至高温区的循环，形成一个磁流体运动的自循环并带走热量。
70.图1为散热器示意图(3根磁流体通道)，采用加热陶瓷片作为热源，铁磁流体在磁棒上方的铜板上形成三条长条。当加热陶瓷开启时，由于马朗戈尼对流和热磁对流，散热器形成三个循环，将热量输送到冷侧。图2为100℃散热30s时加热片的温度。采用空气自然冷却、煤油(铁磁流体的溶剂)铜片散热和铁磁流体铜片散热。与空气和煤油作用下铜片的降温幅度分别为23.1℃和40.7℃相比，铁磁流体在铜片上的降温幅度分别为47.7℃，比空气和煤油作用下铜片的降温幅度分别提高了约106％和17.2％。图3为三种不同散热介质控温30s的温度示意图。陶瓷片温度从达到60℃开始计时，采用空气自然冷却、煤油(铁磁流体的溶剂)铜片散热和铁磁流体铜片散热。与空气和煤油作用下铜片的控温幅度相比，铁磁流体在铜片上的控温效果最好，比空气和煤油作用下铜片的控温幅度分别提高了约160％和30％。
71.如图4所示，这种特性对长期工作装置的温度控制也很有效。为了演示接近实际情况的性能，将400μl铁磁流体封装在cu管中(图5)，用1w的热源进行测试。经过短时间的升温后，铁磁流体很快就能将温度稳定在54.3℃，而煤油和空气中的cu则需要较长时间才能将温度维持在58.6℃和117℃。在传统的铁磁流体散热装置中，要求装置工作范围附近的居里温度较低，这限制了铁磁流体的选择和冷却性能。基于marangoni效应和热磁对流的fe3o4铁磁流体散热体由于居里温度较高，可以工作在宽温度范围内。此外，铁磁流体部分填充的管道减少了冷却剂用量，为循环提供了额外的驱动力(表面张力梯度)，从而提高了温度控制性能。
72.本发明的工作原理如下：
73.本发明由铺设在铜基板下的钕铁硼永磁铁形成磁流体通道，由陶瓷加热片提供热源，在热磁对流和马兰戈尼效应的共同作用下，磁流体由于表面张力梯度和退磁作用从热源部分流出，并在磁体积力作用下从低温区域重新循环回来，形成了一个自循环的散热系统。
74.下面结合具体实验对本发明的积极效果作进一步描述。
75.图2到图4磁流体散热的性能表征。在这3种不同的情形下，磁流体散热的效果都是最佳的。
76.图2为100℃散热30s时加热片的温度。采用空气自然冷却、煤油(铁磁流体的溶剂)铜片散热和铁磁流体铜片散热。与空气和煤油作用下铜片的降温幅度分别为23.1℃和40.7℃相比，铁磁流体在铜片上的降温幅度分别为47.7℃，比空气和煤油作用下铜片的降温幅度分别提高了约106％和17.2％。
77.图3为三种不同散热介质控温30s的温度示意图。陶瓷片温度从达到60℃开始计
时，采用空气自然冷却、煤油(铁磁流体的溶剂)铜片散热和铁磁流体铜片散热。与空气和煤油作用下铜片的控温幅度相比，铁磁流体在铜片上的控温效果最好，比空气和煤油作用下铜片的控温幅度分别提高了约160％和30％。
78.图4为3种不同介质在长期工作装置中的控温能力比较。将400μl铁磁流体封装在铜管中(图5)，用1w的热源进行测试。经过短时间的升温后，铁磁流体很快就能将温度稳定在54.3℃，而煤油和空气中的cu则需要较长时间才能将温度维持在58.6℃和117℃。
79.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。