CN105307456A - 一种热磁冷却系统及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热磁冷却系统及包括该热磁冷却系统的电子设备。一种热磁冷却系统，包括热源，液冷装置，热源散发的热量传递到液冷装置，流体在液冷装置中循环流动以进行散热，所述流体是能够被磁化和去磁的磁流体，在液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。

Description

一种热磁冷却系统及电子设备
技术领域
本发明涉及一种热磁冷却系统，更具体地涉及使用热和磁结合使用来进行冷却的系统。
背景技术
磁热效应是指制冷工质在等温磁化时向外界放出热量(如图1(b))，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象(如图1(c))。这里的制冷工质是指固态的磁性材料。物质由原子构成，原子由电子和原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。顺磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，会向外放出热量；而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，会从外界吸收热量。如果把去磁吸热过程和磁化放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，就可以使磁性材料不断从一端吸热而在另一端放热，达到制冷的目的。
发明内容
本发明利用了上述磁热效应，将磁热效应与普通的散热相结合，以达到更高的散热效率。
本发明提供一种热磁冷却系统，其技术方案为：一种热磁冷却系统，包括热源，液冷装置，热源散发的热量传递到液冷装置，流体在液冷装置中循环流动以进行散热，其中：所述流体是能够被磁化和去磁的磁流体，在液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
本发明的上述技术方案涉及单循环液冷系统，在传统的单循环液冷系统上设置外磁场，并且将传统单循环液冷系统中的流体替换为磁流体。当热源与液冷装置交换热量后，热源散发的热量传递到液冷装置中的磁流体中，磁流体在液冷装置中循环流动，当磁流体流动经过外磁场时，外磁场对磁流体进行磁化，磁化时，磁流体向外放热，经由液冷装置的散热部件，在本发明中为散热片，磁流体放出的热排到系统外部，磁流体温度降低；当磁流体流动离开外磁场时，磁流体进行去磁，此时磁流体从外部吸热，磁流体周围的温度降低，从而磁流体的温度也得以进一步降低，因此，在传统的单循环液冷系统外部设置外加磁场可以使得磁流体达到更大的温度降低，提高了散热效率。
优选地，所述热源和液冷装置之间设置有界面材料层，界面材料层用于减少热源和液冷装置之间的热阻。
界面材料层用于减少液冷装置和热源之间的缝隙，减少热源和液冷装置之间的接触热阻，通常采用导热硅脂或者由高导热材料制成，例如由铜和银制成的导热垫/层。
优选地，所述液冷装置设置有用于泵送流体在液冷装置中循环流动的泵。
磁流体在液冷装置中的循环流动可以凭借磁流体自身的热对流，但是，为了达到在液冷装置中更好的磁流体热循环，还可以在液冷装置中设置用于泵送流体在液冷装置中循环流动的泵。
本发明还提供了一种热磁冷却系统，其技术方案为：一种热磁冷却系统，包括热源，第一液冷装置，第二液冷装置，热源散发的热量传递到第一液冷装置，第一液冷装置和第二液冷装置构成双循环液冷系统，第一液冷装置将一部分热量传递到第二液冷装置，第一流体在第一液冷装置中循环流动以散发热量，第二流体在第二液冷装置中循环流动以散发热量，第一流体和第二流体彼此独立，其中：所述第一流体和/或所述第二流体是能够被磁化和去磁的磁流体，在第一液冷装置和/或第二液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
本发明的上述技术方案涉及双循环液冷系统，在传统的双循环液冷系统上设置外磁场，并且将传统双循环液冷系统中的流体的至少其中一种流体替换为磁流体，并在该磁流体外设置外加磁场以对该磁流体进行磁化。当热源与液冷装置交换热量后，热源散发的热量传递到第一液冷装置中，第二液冷装置与第二液冷装置嵌套布置，第一液冷装置的部分热量传递到第二液冷装置，在第一液冷装置和/或第二液冷装置中设置有磁流体，即，可以仅在第一液冷装置中布置磁流体；仅在第二液冷装置中布置磁流体；或者在第一液冷装置和第二液冷该装置中均布置磁流体；对应以上三种磁流体的布置方式，外加磁场的布置方式为：仅在第一液冷装置外侧布置外加磁场；仅在第二液冷装置外侧布置外加磁场；在第一液冷装置和第二液冷装置外侧均布置外加磁场。
在磁流体上布置外加磁场使得散热效率提高的原理与单循环液冷系统相同，即当磁流体流动经过外磁场时，外磁场对磁流体进行磁化，磁化时，磁流体向外放热，经由第一液冷装置和/或第二液冷装置的散热部件，在本发明中为散热片，磁流体放出的热排到系统外部，磁流体温度降低；当磁流体流动离开外磁场时，磁流体进行去磁，此时磁流体从外部吸热，磁流体周围的温度降低，从而磁流体的温度也得以进一步降低，因此，使得磁流体达到更大的温度降低，提高了散热效率。
优选地，所述热源和第一液冷装置之间设置有界面材料层，界面材料层用于减少热源和第一液冷装置之间的热阻。
优选地，所述第一流体不是磁流体，所述第二流体是磁流体，仅在第二液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
优选地，所述磁流体是期望温度范围内的巨磁热效应的磁流体工质。
优选地，所述外加磁场采用高磁通密度的永磁体。
优选地，所述界面材料层为导热硅脂。
优选地，所述磁流体是铁磁性微细粉末在水、油类、酯类或醚类液体中进行稳定分散的一种液体。
优选地，所述铁磁性微细粉末是Fe3O4纳米颗粒、铁磁性稀土金属纳米颗粒、含GdSiGeZn合金纳米颗粒或含稀土化合物纳米磁性颗粒。
优选地，所述第一液冷装置和所述第二液冷装置采用高导热系数的材料制成。
优选地，所述第一液冷装置设置有用于泵送第一流体在第一液冷装置中循环流动的第一泵和/或所述第二液冷装置设置有用于泵送第二流体在第二液冷装置中循环流动的第二泵。
第一流体在第一液冷装置中的循环流动以及第二流体在第二装置中的循环流动可以凭借磁流体自身的热对流，但是，为了达到在第一液冷装置和第二液冷装置中，第一流体和第二流体更好的循环流动，还可以在第一液冷装置和第二液冷装置中设置用于泵送第一流体和第二流体在第一液冷装置和第二液冷装置中循环流动的泵。
本发明还提供一种电子设备，包括上述的热磁冷却系统。
优选地，所述电子设备中的发热元件作为热磁冷却系统中的热源。
采用上述的热磁冷却系统以及包括该热磁冷却系统的电子设备，利用磁热效应，可以提高散热效率。
附图说明
本发明的其它优点和特征将从接下来的仅以非限制性示例的目的给出的并表示在附图中的本发明的特定实施例的说明变得更加清楚明显，在附图中：
图1(a)，(b)，(c)分别示出了顺磁材料在无外加磁场，有外加磁场，以及离开外加磁场的情况下，顺磁材料初始状态，被磁化后的状态至去磁的状态；
图2示出了无外加磁场以及不使用磁流体的单循环液冷系统；
图3示出了无外加磁场以及不使用磁流体的双循环液冷系统；
图4示出了磁流体在从磁化到去磁过程中，其温度与热熵的关系，横坐标S表示热熵，纵坐标T表示温度；
图5示出了根据本发明的热磁冷却系统，其为单循环液冷系统；
图6示出了根据本发明的热磁冷却系统，其为双循环冷却系统。
附图标记说明
1.散热片
2.流体
3.界面材料层
4.热源
5.第一泵
6.第二泵
7.内循环
8.外循环
9.热交换器
10.外加磁场
11.第一流体
12.第二流体
13.磁流体
具体实施方式
无外加磁场以及不使用磁流体的液冷系统，通常是利用流体在热端吸收热量并在冷端释放热量来完成热量传递。
例如，对于单循环液冷系统(如图2所示)，换热能力：Q＝q×C1×(t2-t1)。其中q为循环流量，C为比热，t2为热流体温度，t1为冷流体温度；
例如，对于双循环液冷系统(如图3所示)，换热能力：Q＝q×C1×(t2-t1)＝q'×C2×(t'2-t'1)。其中q和q'为内外循环流量，C1和C2为内外循环流体比热容，t2和t′2为内外循环热流体温度，t1和t′1为内外循环冷流体温度。
下面结合图4至图6对本发明的热磁冷却系统进行详细地说明。
图4示出了磁流体在从磁化到去磁过程中，其温度与热熵的关系，横坐标S表示热熵，纵坐标T表示温度。在磁化过程中，磁流体向外放热，温度下降，在去磁过程中，磁流体从外部吸热，温度上升。
在本发明中所使用的磁流体可以是铁磁性微细粉末如Fe3O4纳米颗粒、铁磁性稀土金属、合金(如GdSiGeZn等的合金)及含稀土化合物的纳米磁性颗粒等，在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种液体。
图5示出了根据本发明的热磁冷却系统，其为单循环液冷系统。
如图5所示的热磁冷却系统，包括热源4，液冷装置，热源4散发的热量传递到液冷装置，能够被磁化和去磁的磁流体13在液冷装置中循环流动以进行散热，在液冷装置上设置有外加磁场10以对磁流体进行磁化。
在图5所示的实施例中，该外加磁场设置在液冷装置的上部。该液冷装置的主要散热部分为散热片1，该外加磁场设置在该散热片1外部。除了实施例中所示出的方式，该外加磁场也可以设置在液冷装置的其它液冷循环部分，但是，在图5中的实施例所设置的位置是本发明的最佳实施位置，设置在散热片外部能够达到最优的散热效果。
本发明的上述技术方案涉及单循环液冷系统，在传统的单循环液冷系统上设置外磁场，并且将传统单循环液冷系统中的流体替换为磁流体。当热源与液冷装置交换热量后，热源散发的热量传递到液冷装置中的磁流体中，磁流体在液冷装置中循环流动，当磁流体流动经过外磁场时，外磁场对磁流体进行磁化，磁化时，磁流体向外放热，经由液冷装置的散热部件，在本发明中为散热片，磁流体放出的热排到系统外部，磁流体温度降低；当磁流体流动离开外磁场时，磁流体进行去磁，此时磁流体从外部吸热，磁流体周围的温度降低，从而磁流体的温度也得以进一步降低，因此，在传统的单循环液冷系统外部设置外加磁场可以使得磁流体达到更大的温度降低，提高了散热效率。
在所述热源和液冷装置之间设置有界面材料层，界面材料层用于减少液冷装置和热源之间的缝隙，减少热源和液冷装置之间的接触热阻。界面材料层通常采用导热硅脂或者由高导热材料制成，例如由铜和银制成的导热垫/层。
磁流体在液冷装置中的循环流动可以凭借磁流体自身的热对流，但是，为了达到在液冷装置中更好的磁流体热循环，还可以在液冷装置中设置用于泵送流体在液冷装置中循环流动的泵(未示出)。
图6示出了本发明的热磁冷却系统，其为双循环冷却系统。
如图6所示的热磁冷却系统，包括热源4，第一液冷装置，第二液冷装置。图6中的黑色部分所表示的液冷装置为第一液冷装置，白色部分所表示的液冷装置为第二液冷装置。热源4散发的热量传递到第一液冷装置，第二液冷装置嵌套在第一液冷装置中，作为第一液冷装置的补充，第一液冷装置和第二液冷装置构成双循环液冷系统。第一液冷装置将一部分热量传递到第二液冷装置，第一流体11在第一液冷装置中循环流动以散发热量，第二流体12在第二液冷装置中循环流动以散发热量，第一流体11和第二流体12彼此独立，所述第一流体11和/或所述第二流体12是能够被磁化和去磁的磁流体，在第一液冷装置和/或第二液冷装置的一部分上设置有外加磁场12以对磁流体进行磁化。
在本实施例中，第一流体11不是磁流体，第二流体12是磁流体。在第二液冷装置上设置有散热片1，外加磁场10设置在散热片外侧。散热片和外加磁场的优选设置方式和原理与单循环的热磁冷却系统类似，在此不再详细叙述。
在该实施例中，不在第一液冷装置中使用磁流体，也不在第一液冷装置外侧设置外加磁场，可以避免磁流体以及外加磁场对于热源的影响，在热源为晶体元件等易于受到磁场影响的散热元件的情况下，这种布置方式可以防止或者减轻磁场对晶体元件的不利影响。
除了本实施例中所描述的仅在第二液冷装置中布置磁流体的布置方式，还可以仅在第一液冷装置中布置磁流体；或者在第一液冷装置和第二液冷该装置中均布置磁流体；对应以上两种磁流体的布置方式，外加磁场的布置方式为：仅在第一液冷装置外侧布置外加磁场；在第一液冷装置和第二液冷装置外侧均布置外加磁场。
在磁流体上布置外加磁场使得散热效率提高的原理与单循环液冷系统系统相同，即当磁流体流动经过外磁场时，外磁场对磁流体进行磁化，磁化时，磁流体向外放热，经由第一液冷装置和/或第二液冷装置的散热部件，在本发明中为散热片，磁流体放出的热排到系统外部，磁流体温度降低；当磁流体流动离开外磁场时，磁流体进行去磁，此时磁流体从外部吸热，磁流体周围的温度降低，从而磁流体的温度也得以进一步降低，因此，使得磁流体达到更大的温度降低，提高了散热效率。
为了提高第一流体11在第一液冷装置中的热循环，以及为了提高第二流体12在第二液冷装置中的热循环，所述第一液冷装置设置有用于泵送第一流体11在第一液冷装置中循环流动的第一泵5，所述第二液冷装置设置有用于泵送第二流体12在第二液冷装置中循环流动的第二泵6。
在本发明中，所述磁流体13，12是期望温度范围内的巨磁热效应的磁流体工质。
在本发明中，所述外加磁场10采用高磁通密度的永磁体。
在本发明中，所述磁流体2，12是铁磁性微细粉末在水、油类、酯类或醚类液体中进行稳定分散的一种液体。
在本发明中，所述液冷装置，所述第一液冷装置和所述第二液冷装置均采用高导热系数的材料制成。
本发明还提供一种电子设备，包括上述的热磁冷却系统。
通常所述电子设备中的发热元件，例如半导体元件，晶体管元件作为热磁冷却系统中的热源，该热磁冷却系统紧邻发热元件的发热表面布置。
采用上述的热磁冷却系统以及包括该热磁冷却系统的电子设备，利用磁热效应，可以提高散热效率。
以上对本发明进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上的改变不应认为偏离了本发明保护的范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (15)

1.一种热磁冷却系统，包括热源，液冷装置，热源散发的热量传递到液冷装置，流体在液冷装置中循环流动以进行散热，其特征在于：所述流体是能够被磁化和去磁的磁流体，在液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
2.根据权利要求1所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述热源和液冷装置之间设置有界面材料层，界面材料层用于减少热源和液冷装置之间的热阻。
3.根据权利要求1所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述液冷装置设置有用于泵送流体在液冷装置中循环流动的泵。
4.一种热磁冷却系统，包括热源，第一液冷装置，第二液冷装置，热源散发的热量传递到第一液冷装置，第一液冷装置和第二液冷装置构成双循环液冷系统，第一液冷装置将一部分热量传递到第二液冷装置，第一流体在第一液冷装置中循环流动以散发热量，第二流体在第二液冷装置中循环流动以散发热量，第一流体和第二流体彼此独立，其特征在于：所述第一流体和/或所述第二流体是能够被磁化和去磁的磁流体，在第一液冷装置和/或第二液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
5.根据权利要求4所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述热源和第一液冷装置之间设置有界面材料层，界面材料层用于减少热源和第一液冷装置之间的热阻。
6.根据权利要求5所述的磁冷却系统，其特征在于：所述第一流体不是磁流体，所述第二流体是磁流体，仅在第二液冷装置的一部分上设置有外加磁场以对磁流体进行磁化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述磁流体是期望温度范围内的巨磁热效应的磁流体工质。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述外加磁场采用高磁通密度的永磁体。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述界面材料层为导热硅脂。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述磁流体是铁磁性微细粉末在水、油类、酯类或醚类液体中进行稳定分散的一种液体。
11.根据权利要求10所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述铁磁性微细粉末是Fe3O4纳米颗粒、铁磁性稀土金属纳米颗粒、含GdSiGeZn合金纳米颗粒或含稀土化合物纳米磁性颗粒。
12.根据权利要求4至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述第一液冷装置和所述第二液冷装置采用高导热系数的材料制成。
13.根据权利要求4至6中任一项所述的热磁冷却系统，其特征在于：所述第一液冷装置设置有用于泵送第一流体在第一液冷装置中循环流动的第一泵和/或所述第二液冷装置设置有用于泵送第二流体在第二液冷装置中循环流动的第二泵。
14.一种电子设备，其特征在于：包括权利要求1至13中任一项所述的热磁冷却系统。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其特征在于：所述电子设备中的发热元件作为热磁冷却系统中的热源。
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