一种基于梯度磁场热磁调控的平板散热优化方法及散热结构

本发明涉及电子器件热管理，尤其涉及一种基于梯度磁场热磁调控的平板散热优化方法及散热结构。

背景技术：

1、随着5g通信、人工智能、高性能计算及航天电子技术的飞速发展，电子器件的功率密度持续攀升，导致其热流密度急剧增加，散热问题已成为制约系统性能、可靠性及寿命的核心瓶颈。传统的散热方案，如强制风冷(使用风扇)或液冷，虽然能提升散热能力，但普遍存在运动部件易磨损、产生振动与噪音、结构复杂、能耗较高及在特殊环境(如高原环境、太空微重力)下适应性差等固有缺陷。

2、平板(或翅片)作为一种基础且高效的扩展散热表面，被广泛应用于各类散热器中。其散热性能主要依赖于自然对流，该过程由重力场中因温度差引发的热浮升力驱动。然而，自然对流换热能力有限，且完全被动，无法根据热负载的变化进行主动调节，难以满足现代高波动性、高可靠性负载的精准热管理需求。

3、近年来，磁场辅助强化传热技术因无接触、无运动部件、可控性强等优势而备受关注。然而，现有研究多集中于利用电磁铁或超导磁体调控液态金属、磁性纳米流体等导电流体的流动与换热。对于静磁场的研究较少，且缺乏切实可行的工程应用方案。电磁线圈在实际应用中存在发热损耗、能效偏低、依赖外部电源及热稳定性不足等固有局限；超导磁体则因材料成本高昂、低温冷却系统复杂，难以在工业生产中大规模推广应用。相比之下，永磁体(如钕铁硼、铁氧体等)具有寿命长、磁性强、磁能积高、耐高温、抗退磁、耐振动以及梯度磁场高度稳定等突出特点，为磁场辅助传热的实用化提供了新的可能。

4、尽管物理学上已明确磁性介质在强梯度磁场中会受到磁体积力的作用，但如何将这一原理转化为一种结构简洁、参数明确、可工程化实施，并适用于常规电子散热场景，尤其是针对开放式平板散热结构的主动热管理方法，仍是该领域亟待探索与解决的关键课题。

5、因此，迫切需要发展一种能够克服传统散热方式缺陷、实现对平板散热性能主动、静默、高效调控的新方法与新结构。

技术实现思路

1、传统平板主要依赖自然对流散热，其换热效率受限于重力场强度，难以满足高功率密度电子器件日益增长的散热需求；风扇等主动散热方式虽能提升换热强度，但伴随噪音、振动、能耗及可靠性等问题，且无法应用于对静音和可靠性有严苛要求的场景或微重力环境；现有磁场辅助传热研究多聚焦于特定的磁性流体，其面向通用磁性介质的实用化调控方案，特别是针对开放式平板结构、兼具高效性与工程易实施性的主动热管理方法，仍亟待发展。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于梯度磁场调控的散热结构，其特征在于，包括：

4、热沉基板，形成有腔体结构，所述腔体结构具有用于容纳磁性介质的内部空间；

5、至少一个永磁体模块，布置于所述热沉基板的散热表面和/或所述腔体结构的内壁面，所述永磁体模块与所述热沉基板可相对固定或可相对移动地设置；

6、所述永磁体模块按照预设布局方式排列，形成可调控的非均匀梯度磁场，用于对热沉表面及腔体内部的热磁对流行为进行强化换热、抑制换热或定向控制换热。

7、进一步地，所述预设布局包括永磁体模块的数量、与热沉基板底部的垂直间距、与热沉基板表面的水平间距、磁极方向、磁体尺寸及剩余磁感应强度中的至少一个参数；

8、所述磁极方向包括垂直于热沉表面的轴向充磁、平行于热沉表面的切向充磁或两者组合的复合充磁方向。

9、进一步地，采用两个永磁体模块依次布置于所述热沉基板的一侧或两侧，通过调节两个永磁体模块与热沉基板底部之间的相对垂直距离以及与热沉基板表面之间的相对水平距离，并配置其磁极方向为同向或反向，以优化散热性能。

10、进一步地，当两个所述永磁体模块的磁极方向配置为同向或反向时，形成耦合梯度磁场以优化散热表面的整体均温性能以及定向强化目标区域的散热性能。

11、进一步地，所述热沉基板与所述腔体结构构成整体构型，包括一体成型结构、多层叠合结构、分体组装结构或嵌入式复合结构；所述腔体结构为开放式腔体或具有流体进出口的流通腔体。

12、进一步地，还包括设置于热沉基板或腔体结构上的翅片结构、微通道结构、多孔介质层或相变材料层，用于协同增强或调控散热性能。

13、一种基于梯度磁场热磁调控的平板散热优化方法，用于使用上述散热结构，包括以下步骤：

14、(1)提供热沉基板，所述热沉基板形成有腔体结构，所述腔体结构具有用于容纳磁性介质的内部空间；

15、(2)在所述热沉基板的散热表面和/或所述腔体结构的内壁面布置至少一个永磁体模块，所述永磁体模块与所述热沉基板可相对固定或可相对移动地设置，构建非均匀梯度磁场；

16、(3)通过调节所述永磁体模块的数量、与热沉基板底部的垂直间距、与热沉基板表面的水平间距、磁极方向、磁体尺寸及剩余磁感应强度中的至少一个参数，改变作用于热沉基板周围磁性介质的磁体积力分布及其与热浮升力的耦合关系；

17、(4)基于步骤(3)的调节，使所述梯度磁场与温度场协同作用，定向优化热沉基板表面的温度场与流场，实现对平均温度、最高温度及整体换热强度的主动控制。

18、进一步地，所述主动控制包括：

19、通过构建沿流体流动方向增强或减弱的磁场梯度，产生指向主流方向的磁化力或与主流方向相反的磁阻力，实现强化换热以消除热点或抑制换热以形成热阻屏障；

20、或通过构建垂直于主流方向的横向磁场梯度，产生垂直于流动方向的横向力，引导流体沿预设路径偏转输运，实现定向控制换热；

21、或通过构建周期性或交替变化的磁场分布，诱发流体产生振荡或涡旋流动，增强流体混合与热交换效率；

22、或通过上述方式的组合控制，实现热沉表面及腔体内部温度场的均匀化或特定温度分布。

23、进一步地，所述方法在功率半导体器件、led照明设备、5g通信基站设备、数据中心服务器、新能源汽车电机控制器或航天器电子设备的高热流密度热管理中的应用；其中，在微重力环境下，所述非均匀梯度磁场尤其适用于替代重力成为驱动对流散热的主导机制。

24、通过本发明提出的一种基于梯度磁场热磁调控的平板散热优化方法及散热结构能够带来如下有益效果：

25、1、主动精准调控：利用静态永磁体构建的梯度磁场，通过调节模型与磁学参数(数量、间距、磁极方向、强度)，即可实现对开放式平板散热性能的主动、定向、量化调控，突破了自然对流被动散热的局限。

26、2、静默高效可靠：整个调控过程无需运动部件、不消耗电能(永磁体自身不耗能)、无噪音与振动，系统结构简洁，运行可靠，寿命长，特别适用于对静音和可靠性要求极高的场合。

27、3、效果显著且可参数化调控：通过优化永磁体的配置参数，可获得明确且可预测的散热性能提升，从而为工程设计与应用提供清晰的参数化指导。

28、4、环境适应性广：本发明原理不依赖于重力。在微重力空间环境中，该梯度磁场可有效替代重力驱动气体对流，为解决航天器电子设备在轨散热这一关键难题提供了全新的技术途径，实现了地面与空间散热技术的高度统一。

29、5、工程实用性强：所提出的方法逻辑清晰，散热结构易于加工制造与集成，可快速应用于通信、计算、交通、航天等多个高附加值领域的高热流密度电子器件散热，具有广阔的产业化前景。