一种纳米磁性流体磁驱动热管

摘要

本发明公开了一种纳米磁性流体磁驱动热管，该热管在蒸发段的一侧设置有磁路，且热源和磁路相对设置，使得管路内的流体在受到热磁作用的同时还受到磁场梯度产生的磁力作用驱动以完成循环，通过永磁铁添加梯度磁场，一方面避免电磁铁的耗功，另一方面借助纳米磁性流体中磁性颗粒受温度场与磁场的共同作用产生热磁对流扰动强化对流换热，并利用纳米颗粒辅助成核的特性强化核态沸腾与冷凝过程，从而实现高热流换热能力设计的热管。

权利要求

1.一种纳米磁性流体磁驱动热管，其特征在于，包括连通的蒸发段(13)和冷凝段(15)，蒸发段(13)的输出端连通至气体管路(14)的输入端，气体管路(14)的输出端和冷凝段(15)的输入端连通，冷凝段(15)的输出端连通至液体管路(16)的输入端，液体管路(16)的输出端和蒸发段(13)的输入端连接；

蒸发段(13)的一侧设置有热源(1)，另一侧设置有磁路(2)，磁路(2)和热源(1)相对的设置在蒸发段(13)的两侧；

冷凝段(15)的一侧设置有冷源(6)；

所述蒸发段(13)、气体管路(14)、冷凝段(15)和液体管路(16)内流动有纳米磁性流体；

所述磁路(2)为永磁铁；

所述纳米磁性流体为铁基纳米磁性流体；

所述气体管路(14)上设置有第一三通阀(5)，液体管路(16)上设置有第二三通阀(10)，第一三通阀(5)和第二三通阀(10)之间设置有储液箱(7)，储液箱(7)和冷凝段(15)并联，储液箱(7)内装载有纳米磁性流体；

所述储液箱(7)上设置有冷却装置；

储液箱(7)和第二三通阀(10)之间设置有隔膜泵(8)；

纳米磁性流体内的四氧化三铁纳米颗粒的体积分数为23％；

气体管路(14)和液体管路(16)上均包裹有绝热材料。

2.根据权利要求1所述的一种纳米磁性流体磁驱动热管，其特征在于，隔膜泵(8)和第二三通阀(10)之间设置有第二流量计(9)。

3.根据权利要求1所述的一种纳米磁性流体磁驱动热管，其特征在于，所述蒸发段(13)上设置有温度计(3)；气体管路(14)上设置有第一流量计(4)。

4.根据权利要求1所述的一种纳米磁性流体磁驱动热管，其特征在于，液体管路(16)上设置有压力计(12)和第三流量计(11)。

说明书

一种纳米磁性流体磁驱动热管

【技术领域】

[0001] 本发明属于热能交换技术领域，涉及一种纳米磁性流体磁驱动热管。【背景技术】

[0002] 目前广泛应用的热管主要为虹吸热管及重力热管，也称为有芯热管和无芯热管。在虹吸热管的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发
潜热，蒸气从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力的作用下，
液体回流到蒸发段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热
段。而对于重力热管而言，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的管芯。

[0003] 虹吸热管依靠表面张力驱动流体在管束内流动，但有启动困难，毛细管易损的问题；重力热管利用重力场提供稳定的动力，却限制了热管的安装位置和方向。因此，如何提
供一种使用方便、不易损坏且不受安装位置和方向影响的热管是本领域技术人员亟需解决
的问题。与此同时，虽然将纳米磁流体用于常规热管已屡见不鲜，但大多数相关应用都着眼
于其相比普通流体更为优秀的换热能力，而利用其磁性能进行驱动的方面涉及较少。
【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纳米磁性流体磁驱动热管，本发明用于解决现有技术中的热管使用不便，易损坏且受安装位置限制的技术问题。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0006] 一种纳米磁性流体磁驱动热管，包括连通的蒸发段和冷凝段，蒸发段的输出端连通至气体管路的输入端，气体管路的输出端和冷凝段的输入端连通，冷凝段的输出端连通
至液体管路的输入端，液体管路的输出端和蒸发段的输入端连接；

[0007] 蒸发段的一侧设置有热源，另一侧设置有磁路，磁路和热源相对的设置在蒸发段的两侧；

[0008] 冷凝段的一侧设置有冷源；

[0009] 所述蒸发段、气体管路、冷凝段和液体管路内流动有纳米磁性流体。

[0010] 本发明的进一步改进在于：

[0011] 优选的，所述磁路为永磁铁。

[0012] 优选的，所述气体管路上设置有第一三通阀，液体管路上设置有第二三通阀，第一三通阀和第二三通阀之间设置有储液箱，储液箱和冷凝段并联，储液箱内装载有纳米磁性
流体。

[0013] 优选的，所述储液箱上设置有冷却装置。

[0014] 优选的，储液箱和第二三通阀之间设置有隔膜泵。

[0015] 优选的，隔膜泵和第二三通阀之间设置有第二流量计。

[0016] 优选的，所述蒸发段上设置有温度计；气体管路上设置有第一流量计。

[0017] 优选的，液体管路上设置有压力计和第三流量计。

[0018] 优选的，所述纳米磁性流体为铁基纳米磁性流体，纳米磁性流体内的四氧化三铁纳米颗粒的体积分数为23％。

[0019] 优选的，气体管路和液体管路上均包裹有绝热材料。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明公开了一种纳米磁性流体磁驱动热管，该热管在蒸发段的一侧设置有磁路，且热源和磁路相对设置，使得管路内的流体在受到热磁作用的同时还受到磁场梯度产
生的磁力作用驱动以完成循环，通过永磁铁添加梯度磁场，一方面避免电磁铁的耗功，另一
方面借助纳米磁性流体中磁性颗粒受温度场与磁场的共同作用，产生热磁对流扰动强化对
流换热，并利用纳米颗粒辅助成核的特性强化核态沸腾与冷凝过程，从而实现高热流换热
能力设计的热管。该热管系统在加热热管的蒸发段，管芯内的纳米磁性流体因热磁对流强
化换热，同时液体受热蒸发，带走热量，该热量同时包含了工作液体的传热显热和蒸发潜
热。而纳米磁性流体本身就是一种胶体，通过其扰动可以实现强化对流换热的能力，进而增
强对热源的散热。纳米磁性流体中的胶粒本身就可以作为蒸发时的气化核心，进而可以激
发纳米磁性流体的蒸发潜热，进而提升蒸发器的冷却效能。因此本发明一是能够克服虹吸
热管启动困难与重力热管受位置限制的局限，在无重力的航空航天领域，以及承担一定加
速度的动力机械的设备中起到更为有效的散热作用；二是在对流换热等方面，磁流体在发
生相变时具有更高的换热能力，更优秀的热流密度负载能力，并通过实验证明纳米磁流体
在换热时内部具有更均匀的温度场；三是本发明的工质流动是借助于磁路，通过外加磁场
来促进纳米磁流体工质的流动，因而降低了对驱动设备(比如水隔膜泵等)的需求，大大减
少了能耗与成本。

[0022] 进一步的，本发明通过永磁铁产生磁力，通过在蒸发段的一侧设置永磁铁，使得在此蒸发段处产生带有梯度的磁感应强度分布，结合纳米磁性流体的热磁对流特性，可以模
拟重力热管中重力的作用，实现磁驱动。

[0023] 进一步的，本发明中在冷凝段处并联有储液箱，储液箱内装载有纳米磁性流体，储液箱自身配备有冷却装置，使得储液箱内的纳米磁性流体不断被冷却，当整个管路内的冷
却效果不够时，通过两个三通阀可实现整个管路冷却来源由冷凝段转换为储液箱，增加整
个热管的冷却能力。

[0024] 进一步的，储液箱的管路上设置有隔膜泵，能够增加从储液箱进入整个热管系统的纳米磁性流体流量，进而增强整个热管的对流换热能力。

[0025] 进一步的，每一个相对应的管路上设置有流量计、温度计和压力计等测量监控组件，能够实时监控参数。

[0026] 进一步的，限定纳米磁性流体中的四氧化三铁颗粒的体积分数，保证纳米磁性流体具有足够的磁性。

[0027] 进一步的，除了需要换热的管路外，其余管路上包裹有绝热材料，防止热量的损失。
【附图说明】

[0028] 图1是热管系统的基本构成示意图；

[0029] 图2是热管系统的仿真模拟图；

[0030] 其中，(a)图为元件布置图；(b)图为磁力分布图。

[0031] 1‑热源；2‑磁路；3‑温度计；4‑第一流量计；5‑第一三通阀；6‑冷源；7‑储液箱；8‑隔膜泵；9‑第二流量计；10‑第二三通阀；11‑第三流量计；12‑压力计；13‑蒸发段；14‑气体管
路；15‑冷凝段；16‑液体管路。
【具体实施方式】

[0032] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0033] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”
仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限
定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连
接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本
领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0034] 参见图1，本发明公开了一种纳米磁性流体磁驱动热管，该热管包括热源1、磁路2、温度计3、第一流量计4、第一三通阀5、冷源6、储液箱7、隔膜泵8、第二流量计9、第二三通阀
10、第三流量计11、压力计12、蒸发段13、气体管路14、冷凝段15和液体管路16。

[0035] 所有的管路包括依次连通的蒸发段13、气体管路14、冷凝段15和液体管路16，该连通的管路使得纳米磁性流体能够在其内部循环流动，蒸发段13的管路两侧分别设置有热源
1和磁路2，冷源6附近的主管路为冷凝段；所有管路的管体采用的是良好的导热塑料管材，
为保证纳米磁性流体在蒸发段受到充分加热，应使永磁铁尽量与热源1接近，但出于永磁铁
高温消磁可能，将其布置于热源1的对面，即热源1和磁路2在蒸发段13的管路两侧相对设
置。剩余的气体管路14和液体管路16上包裹绝热材料，所述磁路2的设计为提供磁驱动的永
磁铁，磁路2和蒸发段13之间的距离只需保证磁路不会消磁即可。

[0036] 蒸发段13的出口管路上连接有第一三通阀5，在蒸发段13上设置有第一温度计3，实际的温度控制范围根据实际应用而定，本实施例中第一温度计3的目标控制范围为0～
200℃，用于测量蒸发段13上的温度，当第一温度计3的温度显示＞150℃时，则通过第一三
通阀5和第二三通阀10的转换，将整个系统的冷却管路由冷凝段15和冷源6更换为储液箱7；
在蒸发段13和第一三通阀5的气体管路14上设置有第一流量计4，用于测量出口流量，若其
质量流量与第三流量计11偏差较远时，可判断管内发生失效阻塞。第一三通阀5和第二三通
阀10之间的管路为冷凝段15，所述冷凝段15外部设置有冷源6，冷源6为冷凝段15提供冷气
的来源，冷凝段15和储液箱7并联，储液箱7的进口和第一三通阀5连接，储液箱7的出口和第
二三通阀10连接，其中储液箱7和第二三通阀10之间设置有隔膜泵8和第二流量计9，第二流
量计9用于测量储液箱7输出的纳米磁性流体的流量，而第三流量计11用于测量蒸发段13的
进口流量，采取无外加动力源的热磁对流时，即以冷凝段15为冷却管路时，第三流量计11用
于记录热磁对流质量流量大小；当采取以隔膜泵8提供外加动力源的强制对流时，即以储液
箱7为冷却来源时，第二流量计9的流量大小应与热源1的热流密度相适应。第二三通阀10和
蒸发段13之间的液体管路16上设置有第三流量计11和压力计12，主要功能为测量隔膜泵8
5 6
输出液体流量是否满足要求，本实施例中压力计12的目标范围应在2×10～2×10 Pa(绝对
压力)，尤其是管内需要通过真空度控制工质沸点时，须保证其压力计示数满足该以温度为
沸点的饱和蒸气压要求；该流量计仅在有强制对流要求时使用，其流量应与热源1的热流密
2
度对应，工况参数为，200W/cm壁面热流密度对应12.5g/s质量流量。

[0037] 主管路13中充装的是铁基纳米磁性流体，该铁基纳米磁性流体中四氧化三铁颗粒的体积分数为23％，热源1为需要散热的设备，通过蒸发段13壁面向蒸发段导热，热源1能够
为CPU、高性能芯片等电子设备，注意为保证电子设备自身工作性能不受散热装置电磁场影
响，应对热源1进行绝磁处理；冷源6可以根据不同的散热要求选择相应的冷源，如热流量较
低可采用冷端自然对流散热，随着热流量增大，冷源6可采用风扇强制对流散热、浸没式冷
却、半导体热电致冷等制冷器件。

[0038] 储液箱7放置有纳米磁性流体，当整个系统的散热要求较高时，可通过连接隔膜泵8强制对流，增加质量流量，增大流速，避免热源1加热气相，充分利用相变换热，提高壁面努
塞尔数，从而增加散热量，满足散热要求。储液箱7同时作为纳米磁性流体的储液装置，用于
磁流体蒸发后的液体补充。

[0039] 通过流量计、温度计3和压力计等测量监控仪表，可通过其示数实现对装置工作条件的控制。

[0040] 因热源1的差异和纳米磁性流体差异，在进行实际使用之前，要进行散热能力的测试。

[0041] 测试时必须将蒸发段14同储液箱7连接，通过隔膜泵8将液体隔膜泵入蒸发段14完成设备的启动运行，这样可以测试蒸发段的工作情况并可以对磁场进行微调，进而达到装
置最佳工作状态。

[0042] 该热管整体水平放置，热管平面与重力方向基本垂直即可，因此该热管不受重力的影响。

[0043] 参见图2，为本实施中计算机模拟的磁路2放置在蒸发段13旁时，蒸发段13内部的磁感强度分布情况，从图中可以看出，从磁路2到热源1的方向，磁力逐渐增小。

[0044] 本发明的工作过程：

[0045] 蒸发段内的纳米磁性流体因受磁路2形成的磁场的影响，在受到热源1的加热后，热流量初步传入流体内，流体温度升高，但最高温度还未达到沸点，在流体内形成温度场，
使纳米磁性流体因温度不同而磁化强度分布不均，从而发生热磁对流现象，流体工质发生
宏观流动，但质量流量较小，注意此时管内流动换热过程未达到稳定；流体温度到纳米磁性
流体基液沸点时，开始发生相变气化，形成蒸气，因蒸气磁化强度远小于纳米磁性流体，由
于磁力作用被磁场排开，产生剧烈的热磁对流现象，气体经第一流量计4向冷凝段15移动，
此时质量流量相对于未发生相变时提高，当管内流动稳定时，质量流量不再发生变化；蒸气
经过第一三通阀5到达冷凝段15后，蒸气在冷凝段15预冷液化，然后经过蒸气的推动以及纳
米磁性流体吸引流回蒸发段13入口，如此形成循环；或者是通过与纳米磁性流体结合以及
来流蒸气的压迫回流至蒸发器入口，实现循环。

[0046] 本发明的纳米磁性流体磁驱动热管的物理变化过程包含了驱动、传热、对流、相变等复杂的物理过程。基本运行是以传统热管为基础的，包括热源、冷源、磁路、管路、蒸发器、
冷凝器、隔膜泵、三通阀和温度计、流量计、压力计等测量监控组件。

[0047] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。