告别“小风扇”？“磁冰箱”让芯片散热效能提升 2.5 倍―― 中科院物理所团队在 PNAS 发表高效能热管理的全固态磁卡制冷器件新架构

利用高导热固体代替流体回热、以磁场驱动固态材料的磁热效应，中科院物理所团队搭建出一枚核心部件—仅数立方厘米的全固态磁卡制冷器件，同等功耗下，是专为笔记本芯片设计的微型风扇效能的 3.5 倍。

导读

算力狂飙时代，芯片正在“烧”起来。统计数据显示，55% 的芯片失效源于热失效。当前电子设备依赖的主流风冷散热方式，受限于固—气接触的先天短板，对流换热系数长期停留在 100 W·m-2·K-1 以下，已难以为继。蒸气压缩制冷虽然功率更大，但压缩机体积庞大且依赖温室气体工质，无法用于芯片级热管理。

磁卡制冷——利用固态材料在磁场加载 / 卸载时发生可逆的吸 / 放热效应——理论上可以做到零挥发、高效率、全固态。但长期以来，如何让磁卡效应真正走出液氦温区的“演示实验”、走向实用的电子热管理，始终缺少一块关键的工程拼图：回热过程的高效化与器件结构的微型化。

最近，中国科学院物理研究所 / 北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室 M03 组团队在 PNAS 上发表了题为“Full solid-state magnetic refrigeration device toward thermal management”的研究论文。该工作提出了混合式回热新原理，以高导热固体替代流体完成回热循环，设计并搭建了国际上首个面向热管理的全固态磁卡制冷器件——驱动核心的微伺服电机尺寸仅 2 cm × 2 cm × 1 cm，输入电功仅约 0.2 W，实测换热系数达到 336 W·m-2·K-1，为芯片级电子热管理开辟了一条全新的全固态路径。

Part 1

为什么风冷走不远？

过去几十年里，电子器件的散热几乎被一种方案主导——风冷。从笔记本里的微型轴流风扇到数据中心的巨型空调机组，“气体流过发热表面带走热量”这一过程，本质上依托的是固—气界面的对流换热。

但气体的热物理性质决定了这条路的“天花板”很低：空气的对流换热系数通常低于 100 W·m-2·K-1。这意味着，即便你把风扇转速拉到极限，单位面积、单位温差下能传递的热量依然十分有限。随着 5G/6G 推进、芯片集成度持续攀升、功率密度指数级增长，热流密度已经逼近甚至突破传统风冷的舒适区——55% 的芯片失效最终可追溯到热失效。

另一条技术路线——传统的蒸气压缩制冷（家用空调和冰箱的技术），靠压缩机驱动制冷剂相变循环，换热能力强得多，但它的问题在于“太重太大太复杂”：压缩机体积庞大，管路系统充满挥发性工质（很多还是温室气体），天然不适合芯片级、点对点的局部热管理。

有没有一种制冷方式，既能像压缩机一样高效，又能具备固态器件的紧凑、洁净、可微型化？

磁卡制冷由此走入视野。

Part 2

磁卡效应：不是“用磁铁降温”，

而是“靠磁场操控熵”

磁卡效应指的是某些磁性材料在外加磁场加载时，其内部磁矩趋于有序排列——磁熵降低，多余的热量被释放出来（放热）；而当磁场卸载时，磁矩重新变得无序——磁熵升高，材料从周围环境“吞入”热量（吸热），从而实现制冷。

其核心优势在于三点：

1. 全固态——工质是固体（典型如金属钆 Gd），没有气体，也没有挥发性液体工质；

2. 可逆循环——磁场反复加载 / 卸载就能驱动连续的吸热—放热循环，理论上效率高、噪音低；

3. 材料熵变大——在特定相变点附近（如 Gd 的居里温度 ~20°C 附近），磁熵变可出现峰值，这正是“室温磁制冷”的材料学基础。

但把磁卡效应从“一块材料在磁场下升降温几度”变成一台能持续搬运热量的功能性器件，中间的工程鸿沟远比大多数人想象得深。其中最大的瓶颈之一就是——回热热量怎么在固态体系里“流转”起来？

在传统磁制冷样机中，往往需要用流体（如水、油或液态制冷剂）在磁热材料和热交换器之间来回穿梭，把冷端的吸热量“搬运”到热端排出。这套流体系统有几个老问题：流体泵送本身耗能、密封复杂、工作频率受限、微型化困难——尤其当你想把器件做进芯片周边尺度时，流体回路几乎是不可承受的复杂度。

Part 3

突破之道：

放弃流体，以固体接触完成回热

这就是中科院物理所团队这项工作的核心意义所在——混合式回热新原理 + 高导热固体替代液体回热，把整个回热循环从“流体输运”范式切换到“固体接触传热”范式。

3.1 器件架构： 制冷层 / 回热层两片式叠层 + 往复运动

由多片磁卡材料片组成的“制冷层”和多片高导热材料片组成的“回热层”，两层在受控的往复运动中通过层间固—固接触热传导，建立起稳定的温度梯度，从而将热量从冷端“阶梯式”推送到热端。

制冷层采用经典的室温磁卡材料——金属钆（Gd）片，尺寸为 3 m×5 mm×1 mm 量级，总质量仅约 0.2g；回热层用的是高导热固体金属片（如铜等高导热材料），利用其高热导率在片间快速均温和传递热量；运动机构方面，团队用 3D 打印制作轮齿传动结构，用线切割加工制冷 / 回热片的精确尺寸，并通过 Arduino编程控制两个实测总功率为 0.2 W、尺寸为 2 cm × 2 cm × 1 cm 的微伺服电机，驱动制冷层和回热层实现约0.35 Hz 的往复相对运动。

整个器件的核心运动部件尺寸仅为数立方厘米，是一台真正意义上的芯片级制冷原型。

3.2 混合式回热： 温度梯度同时立在两种片上

传统回热思路里，热量主要依靠流动流体传递。而这里所谓的混合式回热，关键在于：稳定的温度梯度同时建立在磁热材料片和高导热回热材料片上——回热层的高热导固体在片间 / 层间充当了高效的“热短路桥梁”，使制冷层各片之间的回热温差可被快速拉平，再在下一个半周期里被用于推动下一步热传递。

基于这一原理，热量通过固体接触高效传递，使器件得以在紧凑的机械往复运动中稳定运行——工作频率不再受流体的黏滞 / 泵送动力学制约，整个循环可以更紧凑的方式运转。

3.3 磁场怎么加？―― AMR 式循环的固态实现

从原理上讲，该器件的工作循环沿用了磁制冷领域经典的主动磁回热（AMR）思想：在磁场加载时，Gd片放热，热量经接触传给回热层，推向热端排出；磁场卸载时，Gd 片吸热，从冷端（即待冷却的电子表面）抽取热量。不同之处在于，这里的“回热器”不再是多孔床 + 流体穿梭，而是固体片堆叠 + 机械往复接触—每一步热交换都通过固—固接触传导完成，从而使整个器件成为真正意义上的全固态架构（无蒸发 / 冷凝、无流体工质循环）。

Part 4

硬数据：

336 vs 94.7，它意味着什么

衡量一个热管理方案“好不好用”，最核心的指标之一就是换热系数 h（W·m-2·K-1）——单位面积、单位温差下能传递多少热量。该团队开展了一次极为直观的对比实验：

表 1 磁卡制冷器件与市售微型风扇性能对比

对比项

换热系数 h

输入电功率

尺寸

全固态磁卡制冷器件（本工作）

336 W·m⁻²·K⁻¹

~0.2 W

核心运动部件数cm³

市售微型风扇（AD0205LB-K50，笔记本芯片散热用）

94.7 W·m⁻²·K⁻¹

~0.2 W

2.5×2.5×0.6 cm³

同等功耗（≈ 0.2 W）下，磁卡器件的换热系数是专为笔记本芯片散热设计的微型风扇的 3.5 倍。这项指标超过了此前 Nature 和 Science 报道的所有全固态卡制冷器件。

论文作者特别指出：由于 Gd 等材料本身就具有较高的本征热导率（~10 W·m-2·K-1），该器件只需较少的级联级数即可实现较大的有效换热系数和结构简单的紧凑形态，这对微型化至关重要。

Part 5

应用展望：

它能取代电脑风扇吗？

目前不能，但方向值得认真对待。

这篇论文的描述非常清晰：它展示的是一个实验室演示原型，作者也明确指出其存在“intrinsic experimental imperfections”。从原型到产品，中间还隔着磁场系统（永磁体 / 电磁铁的布置与重量优化）、长期循环可靠性、成本与规模化制造以及对不同芯片封装热 footprint 的适配等大量工程问题。

但应用潜力明确：

1. 高功率密度电子器件的局部热管理——不是替代整台电脑的散热系统，而是在功率芯片、射频功放、局部热点处提供点对点的主动固态制冷，通过固—固接触直接将局部热量“泵”到远端散热片；

2. 对静音 / 零挥发 / 密闭环境要求苛刻的场景——磁卡制冷无压缩机、无挥发性工质，天然契合航天、军工、洁净室环境对“零挥发工质”和“低振动”的约束；

3. 为全固态卡制冷（磁卡 / 弹卡 / 压卡 / 电卡）器件化提供一条可复用的方法论——混合式回热 + 固体接触换热的架构思路并不绑定 Gd 一种材料，未来若结合室温附近更大熵变的新一代磁热 / 卡热材料，性能天花板还能进一步抬高。

Part 6

结语

从钆片在磁场下升降几度，到跑出 336 W·m-2·K-1换热系数的全固态微型制冷器，中间的距离叫工程。

这项工作的意义，不在于“替代风扇”，而在于首次用一套干净的固态架构，将磁卡制冷性能推至与实用热管理直接可比的量级，并明确锚定“芯片热管理”为下一站靶心。对磁卡制冷领域，这是从物理演示走向工程的一步；对算力时代，每一条让芯片“多喘一口气”的新路径都值得关注。

科研团队信息

该工作由中科院物理所 / 北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室 M03 组完成：第一作者林源（博士生），通讯 / 指导为胡凤霞研究员、王晶副研究员、沈保根院士，合作者包括 Victorino Franco 教授（西班牙塞维利亚大学）及 Jia Yan Law、Yunzhong Chen、Jirong Sun、Tongyun Zhao 等。

获科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项及综合极端条件实验装置（SECUF）支持。SECUF（北京怀柔科学城）为本工作的磁热材料表征与极端条件物性测试提供了关键平台。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 张耀

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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