CN105307457B - 斯特林-磁热联合散热系统及电子设备 - Google Patents
斯特林-磁热联合散热系统及电子设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及斯特林‑磁热联合散热系统及电子设备，其可以提高热效率。斯特林‑磁热联合散热系统，包括热源，流体工质，活塞，气缸，所述流体工质受热膨胀并且遇冷收缩，所述活塞容置于气缸中并可沿着气缸的纵向滑动，流体工质经由活塞封闭在气缸内并能够推动活塞沿着气缸的纵向滑动，其特征在于：所述热源的热直接或者间接传递到流体工质，当所述流体工质受热膨胀时，活塞向着气缸的内部容积增大的方向运动，当所述流体工质遇冷收缩时，活塞向着气缸的内部容积减小的方向运动；所述活塞包含顺磁性材料，沿着气缸的纵向方向设置有磁场，磁场可以对顺磁性材料进行磁化。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热系统，更特别地，涉及将斯特林散热与磁热散热组合利用的散热系统。
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))。在此，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。
斯特林循环是由两个定容过程和两个定温过程组成的可逆循环(如图2 (a)和图2(b))，图2(a)的横坐标V为容积，纵坐标P为压力；图2 (b)的横坐标S为热熵，纵坐标T为温度。
在图2(a)和图2(b)中，图中的a-b为定容吸热过程，压力升高；c-d 为定容放热过程，压力减小；b-c为定温(T1)膨胀过程，从高温热源吸热； d-a为定温(T2)压缩过程，向低温热源放热。
斯特林循环的热效率为：。
式中W为输出的净功；Q1为输入的热量。根据这个公式，ηt只取决于T1和T2，T1越高、T2越低时，则ηt越高。
对于现有的斯特林循环，需要采取有效的方法来提升T1，同时降低T2，才能提高热效率，增强做功能力。
发明内容
本发明利用了磁热效应，将磁热效应所带来的吸热与散热与斯特林循环相结合，提出了一种新颖的散热模式，其大大地提高了散热效率。
根据本发明的斯特林-磁热联合散热系统，技术方案为：一种斯特林-磁热联合散热系统，包括热源，流体工质，活塞，气缸，所述流体工质受热膨胀并且遇冷收缩，所述活塞容置于气缸中并可沿着气缸的纵向滑动，流体工质经由活塞封闭在气缸内并能够推动活塞沿着气缸的纵向滑动，其中，所述热源的热直接或者间接传递到流体工质，当所述流体工质受热膨胀时，活塞向着气缸的内部容积增大的方向运动，当所述流体工质遇冷收缩时，活塞向着气缸的内部容积减小的方向运动；所述活塞包含顺磁性材料，沿着气缸的纵向方向设置有磁场，在活塞滑动通过所述磁场时，所述磁场对所述顺磁性材料进行磁化，所述顺磁性材料在被磁化的过程中放热；当活塞滑动离开所述磁场时，所述顺磁性材料被去磁，所述顺磁性材料在被去磁的过程中吸热。
热源加热使流体工质受热膨胀，活塞向着气缸内部容积增大的方向运动，当活塞经过沿着气缸纵向方向设置的磁场时，活塞中所包含的顺磁性材料被磁场磁化向流体工质释放热量，流体工质进一步受热膨胀，当活塞移动离开磁场，活塞所包括的顺磁性材料被去磁，则会从流体工质吸收热量，从而使得流体工质被降温，流体工质冷却收缩，活塞向着气缸内部容积减小的方向运动；活塞再次进入磁场作用范围，活塞所包括的顺磁材料再次被磁化，从而放热，使得流体工质受热膨胀，活塞再次向着气缸容积增大的方向运动，从而完成整个热磁循环过程。在该过程中，利用了热磁效应，提高了热效率，增强了气缸的做功能力。
优选地，所述斯特林-磁热联合散热系统还包括风扇，所述活塞的背离气缸内部的端部上设置有推杆，该推杆推动风扇转动。
活塞向着气缸容积增大方向和气缸容积减小方向的往复运动对风扇做功，使得风扇运动。
优选地，所述热源外接散热器。
为了使热源降温，在热源上外接散热器。
优选地，所述热源外接散热器，所述风扇的扇叶面对所述散热器的散热部分。
将风扇的扇叶面对着散热器的散热部分，使得活塞的推杆推动风扇转动所做的功可以直接作用到散热器，从而可以有效使得热源降温，实现良好的散热效果。
优选地，所述散热器为热管散热器，所述风扇的扇叶面对所述热管散热器的散热管。
将风扇扇叶面对着散热器的散热管可以起到良好的降温效果。
优选地，所述活塞面向气缸内部的端面设置有多个换热孔。
在活塞面向气缸内部的端面设置换热孔可以使得流体工质与活塞充分地交换热量。
优选地，所述活塞完全由顺磁性材料制成。
活塞完全由顺磁性材料制成使得活塞可以更好地进行磁化放热与去磁吸热的过程，即有更多的顺磁性材料可以进行磁化放热与去磁吸热的过程。
优选地，所述热源的热间接传递到流体工质，所述热源和流体工质之间设置有基板。
优选地，在所述基板和热源之间还设置有界面材料层。
在热源与流体工质之间设置基板可以将流体工质封闭在气缸中，在基板和热源之间设置界面材料层可以减少基板与热源之间的接触热阻，有利于热源与基板之间的充分传热。
优选地，所述推杆和风扇之间设置有传动机构，所述传动机构将推杆的直线往复运动转化为旋转运动，从而使得风扇的扇叶旋转。
优选地，所述磁场设置在所述气缸的其中一部分的外侧或者所述气缸的其中一部分上。
磁场可以设置在气缸的外侧，也可以选择气缸本身的材料来使得气缸自己对顺磁性材料产生附加磁场。
本发明还提供一种电子设备，包括多个热源，还包括上述的斯特林-磁热联合散热系统，所述斯特林-磁热联合散热系统对所述多个热源中的至少一个进行散热。
本发明还提供一种磁热联合散热系统，包括热源，所述磁热联合散热系统中的热循环模式为：卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环，在所述卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环所采用的热循环装置中使用顺磁性材料，在该磁热联合散热系统中还包括磁场，磁场对所述顺磁性材料进行磁化和去磁，所述顺磁性材料在被磁化的过程中放热，所述顺磁性材料在被去磁的过程中吸热，所述顺磁性材料被所述磁场的磁化和去磁的过程与所述卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环的热循环过程相结合。
将磁热效应应用于所述卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环的热循环会提高热效率。
使用上述的斯特林-磁热联合散热系统可以更好地对电子设备中的电气元件进行散热，实现更好的散热效率。
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)，图1(b)，图1(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(a)和图2(b)分别是斯特林循环的压力-容积图以及温度-热熵图；
图3是根据本发明的斯特林-磁热联合散热系统的示意图；
图4是根据本发明的斯特林-磁热联合散热系统的活塞的示意图；
图5是磁热效应循环曲线，其中T表示温度，S表示热熵；
图6(a)和图6(b)分别是斯特林-磁热联合循环的压力-容积图以及温度-热熵图。
附图标记说明
1 热源
2 界面材料层
3 基板
4 流体工质
5 磁场
6 磁矩
7 活塞
8 气缸
9 传动机构
10 风扇
11 散热器
12 换热孔
13 推杆
具体实施方式
下面结合图3至图6(b)详细说明本发明的斯特林-磁热联合散热系统及包括该斯特林-磁热联合散热系统的电子设备。
图3示出了根据本发明的斯特林-磁热联合散热系统的一种具体实施方式。斯特林-磁热联合散热系统，包括热源1，流体工质4，活塞7，气缸8，所述流体工质4能够受热膨胀并且遇冷收缩，所述活塞7容置于气缸8中并可沿着气缸的纵向滑动，在图3示出的实施例中，活塞沿着气缸8上下运动，流体工质4经由活塞7和基板3封闭在气缸8内，流体工质的膨胀和收缩推动活塞沿着气缸上行或者下行，所述热源的热通过基板传递到流体工质，当所述流体工质受热膨胀时，活塞向着气缸的内部容积增大的方向运动，即向上运动，当所述流体工质遇冷收缩时，活塞向着气缸的内部容积减小的方向运动，即向下运动；所述活塞包含顺磁性材料，或者活塞可以整个由顺磁性材料制成，在沿着气缸的纵向方向上设置有磁场5，在活塞7滑动通过所述磁场5时，所述磁场5对所述顺磁性材料进行磁化，所述顺磁性材料在被磁化的过程中放热；当活塞7滑动离开所述磁场5时，所述顺磁性材料被去磁，所述顺磁性材料在被去磁的过程中吸热。
热源加热使流体工质受热膨胀，活塞向着上方运动，当活塞经过沿着气缸纵向方向设置的磁场时，活塞中所包含的顺磁性材料被磁场磁化向流体工质释放热量，流体工质进一步受热膨胀，活塞继续向上运动，当活塞向上移动离开磁场作用后，活塞所包括的顺磁性材料被去磁，则会从流体工质吸收热量，从而使得流体工质被降温，流体工质冷却收缩，活塞向下运动；活塞再次进入磁场作用范围，活塞所包括的顺磁材料再次被磁化，从而放热，使得流体工质受热膨胀，活塞再次向上运动，从而完成整个热磁循环过程。在该过程中，利用了热磁效应，提高了热效率，增强了气缸的做功能力。
在活塞往复运动的过程中，热源不断得到降温，此外，除了顺磁性材料被磁化放热会使得流体工质受热膨胀，热源持续散发的热量也会使得流体工质受热膨胀。
如图3所示，所述斯特林-磁热联合散热系统还包括风扇10，所述活塞的上端部设置有推杆13，该推杆13经由传动机构9推动风扇转动，传动机构9将推杆13的直线往复运动转化为旋转运动。所述热源1外接散热器11，所述风扇10的扇叶面对所述散热器11的散热部分。
活塞向着气缸容积增大方向和气缸容积减小方向的往复运动对风扇做功，使得风扇运动。将风扇的扇叶面对着散热器的散热部分，使得活塞的推杆推动风扇转动所做的功可以直接作用到散热器，从而可以有效使得热源降温，实现良好的散热效果。
在本实施例中，所述散热器为热管散热器，所述风扇的扇叶面对所述热管散热器的散热管。将风扇扇叶面对着散热器的散热管可以起到良好的降温效果。需要指出的是，散热器可以为本领域技术人员所熟知的任何适合在此使用的散热器。
图4示出了根据本发明的斯特林-磁热联合散热系统的活塞的优选实施例。在所述活塞7面向气缸内部的端面设置有多个换热孔12。在活塞面向气缸内部的端面设置换热孔可以使得流体工质与活塞充分地交换热量。
在本实施例中，在所述基板3和热源1之间还设置有界面材料层2。
在热源与流体工质之间设置基板可以将流体工质封闭在气缸中，在基板和热源之间设置界面材料层可以减少基板与热源之间的接触热阻，有利于热源与基板之间的充分传热。
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。
需要指出的是，基板和界面材料层对于本发明而言都不是必需的，也可以通过热源的顶表面和活塞直接将流体工质密封在气缸中，但是其封装性能和散热效果劣于使用了基板进行封装以及使用了界面材料层进行充分传热的斯特林-磁热联合散热系统。
还需要指出的是，在本实施例中，磁场5是设置在所述气缸8的外侧，但是，也可以选择气缸本身的材料来使得气缸自己对顺磁性材料产生附加磁场。
图5示出了磁热效应循环曲线，其中T表示温度，S表示热熵。a-b为定磁升温，b-c为等温去磁，c-d为定磁降温，d-a为等温磁化。
图6(a)和图6(b)分别是斯特林-磁热联合循环的压力-容积图以及温度-热熵图，其中P表示压力，V表示容积，T表示温度，S表示热熵。abcda 为斯特林循环曲线，a’b’c’d’a’为斯特林-磁热联合循环曲线。因为从a到b，流体工质吸收了热源的热量，内部压力增加，而从a’到b’，流体不仅吸收热源的热量，同时还吸收顺磁材料磁化释放的热量，因此内部压力会更大；从 c到d，流体温度下降，体积开始收缩，而从c’到d’，流体温度下降的同时，顺磁材料由于去磁作用，会进一步吸收流体工质的热量使其温度更低。所以， T1'高于T1，T2'低于T2，斯特林-磁热联合循环效率高于斯特林循环效率。这意味着，从热源吸收同样的热量，斯特林-磁热联合循环做功更多，转化的机械能更多，从而产生的风量更大，对热源冷却的效果更好。
本发明还提供一种电子设备，包括多个电气元件，发热的电气元件作为热源，上述的斯特林-磁热联合散热系统对电气元件所构成的热源进行散热。
使用上述的斯特林-磁热联合散热系统可以更好地对电子设备中的电气元件进行散热，实现更好的散热效率。
除利用磁热效应提高斯特林循环效率以外，本发明保护实施例的范围还包括但不限于任何可利用此技术的循环模式，如：卡诺循环、布雷顿循环、埃里克森循环等，以及任何可利用此技术的领域，如：制冷，内燃机等领域。
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 (13)
1.一种斯特林-磁热联合散热系统，包括热源，流体工质，活塞，气缸，所述流体工质受热膨胀并且遇冷收缩，所述活塞容置于气缸中并可沿着气缸的纵向滑动，流体工质经由活塞封闭在气缸内并能够推动活塞沿着气缸的纵向滑动，其特征在于：所述热源的热直接或者间接传递到流体工质，当所述流体工质受热膨胀时，活塞向着气缸的内部容积增大的方向运动，当所述流体工质遇冷收缩时，活塞向着气缸的内部容积减小的方向运动；所述活塞包含顺磁性材料，沿着气缸的纵向方向设置有磁场，在活塞滑动通过所述磁场时，所述磁场对所述顺磁性材料进行磁化，所述顺磁性材料在被磁化的过程中放热，所述流体工质进一步受热膨胀，促使所述活塞继续运动；当活塞滑动离开所述磁场时，所述顺磁性材料被去磁，所述顺磁性材料在被去磁的过程中吸热。
2.根据权利要求1所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述斯特林-磁热联合散热系统还包括风扇，所述活塞的背离气缸内部的端部上设置有推杆，该推杆推动风扇转动。
3.根据权利要求1所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述热源外接散热器。
4.根据权利要求2所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述热源外接散热器，所述风扇的扇叶面对所述散热器的散热部分。
5.根据权利要求4所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述散热器为热管散热器，所述风扇的扇叶面对所述热管散热器的散热管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述活塞面向气缸内部的端面设置有多个换热孔。
7.根据权利要求6所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述活塞完全由顺磁性材料制成。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述热源的热间接传递到流体工质，所述热源和流体工质之间设置有界面材料层基板。
9.根据权利要求8所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：在所述基板和热源之间还设置有界面材料层。
10.根据权利要求2所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述推杆和风扇之间设置有传动机构，所述传动机构将推杆的直线往复运动转化为旋转运动，从而使得风扇的扇叶旋转。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的斯特林-磁热联合散热系统，其特征在于：所述磁场设置在所述气缸的其中一部分的外侧或者所述气缸的其中一部分上。
12.一种电子设备，包括多个热源，其特征在于：包括权利要求1至11中任一项所述的斯特林-磁热联合散热系统，所述斯特林-磁热联合散热系统对所述多个热源中的至少一个进行散热。
13.一种磁热联合散热系统，包括热源，流体工质，活塞，气缸，所述流体工质受热膨胀并且遇冷收缩，所述活塞容置于气缸中并可沿着气缸的纵向滑动，流体工质经由活塞封闭在气缸内并能够推动活塞沿着气缸的纵向滑动，所述热源的热直接或者间接传递到流体工质，当所述流体工质受热膨胀时，活塞向着气缸的内部容积增大的方向运动，当所述流体工质遇冷收缩时，活塞向着气缸的内部容积减小的方向运动；所述磁热联合散热系统中的热循环模式为：卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环，在所述卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环所采用的热循环装置中使用由顺磁性材料制成的所述活塞，在该磁热联合散热系统中还包括磁场，磁场对所述活塞的顺磁性材料进行磁化和去磁，所述顺磁性材料在被磁化的过程中放热，所述流体工质进一步受热膨胀，促使所述活塞继续运动，所述顺磁性材料在被去磁的过程中吸热，所述顺磁性材料被所述磁场的磁化和去磁的过程与所述卡诺循环、布雷顿循环或埃里克森循环的热循环过程相结合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |