磁流发电与冷却的装置及方法 【技术领域】
本发明涉及一种发电与冷却的装置及方法，特别是一种利用相变化作用将废热排除并借以驱动电能产生的磁流发电与冷却的装置及方法。
背景技术
自从公元1959年集成电路(IC)发明以来，半导体技术进步可谓一日千里。公元1965年，摩尔先生大胆提出影响半导体工业甚剧的“摩尔定律”，使得半导体技术一如他所预测而突飞猛进。因此，近10年来半导体技术由公元1989年的最小线宽0.7mm及晶体管数量100K左右进步至公元2000年的0.13mm线宽及晶体管数量5M，而预计二十一世纪初可达到0.1mm线宽。晶体管数量10M以上，正式进入纳米(nm)纪元。
然而，电子产品微小化后相对伴随而来的是对元件、系统所带来的影响。因为在原有芯片功能大幅增加但芯片面积却增加不大的情况下，使得在如此有限空间中需容纳更多晶体管及产生与日俱增的热量等，即成为相关领域工程人员极大的挑战。而可预期的，未来各种芯片组的功能越见齐备、各芯片组的组成芯片越多，则运转过程中的散热问题将会是一大必须考虑的障碍！
因此无论是个人计算机或是笔记型计算机，在使用上都有散热问题的困扰，尽管计算机内部都设置有散热风扇，不过，效能还待改善，而且加了风扇的计算机，重量增加，也消耗能源。而在速度愈来越快的同时，除了价格也越来愈便宜之外，相对的也产生了相当高地废热。无论是INTEL还是AMD的CPU，做好散热工作已经是不可或缺的必备要件之一，否则轻则计算机不稳，系统当机，重则CPU烧毁！
笔记型计算机(Note Book)一向标榜方便、可携带，但也为了要符合携带方便的要求，笔记型计算机必得轻薄短小，以便其达到重量轻、体积小的境界。也就是因为这样，所以笔记型计算机的内部空间总是极其有限，一般笔记型计算机最耗电的组件应该就是CPU(中央处理器)，处理时钟越快，运作效能愈高的CPU愈耗电，尤其是新一代的Pentium 4处理器，工作时所消耗的电量比Pentium 3或低价Celeron机种更高，而产生的废热也更高。
因此，目前电子厂商尤其是笔计型计算机制造商，急于解决电子组件的散热问题。传统的电子散热方法如图1所示，是在一中央处理器(CPU)10上设置一风扇11与一散热片12来借助该散热片12的大面积散热面积来传导排除掉该中央处理器10的废热，与借助该风扇11以强迫对流(forced convection)提供冷却功效。
目前整台笔记型计算机多同时配有CPU嵌入式风扇(如前述图1所示)及系统风扇，对于具有Pentium 4中央处理器的笔记型计算机而言，此方法不仅耗电(1.6至7.7W，平均约4.5W)且易产生噪音(约39dBA)，尤其对于内部空间有限的笔记型计算机，小型风扇的散热效果并不尽理想(冷却效率：0.1W/cm2)。
由上可知，本发明有鉴于上述现有技术的缺陷，经悉心试验与研究，终于提供了一全新的散热概念，发明出本案“磁流发电与冷却的装置及方法”，可有效解决笔记型计算机的散热问题，并以中央处理器产生的废热作为冷却与发电的动力源，实现冷却与省电的双重效果。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种磁流发电与冷却的装置及方法，能够结合先进的相变化的电子冷却方式及废热驱动的发电系统，以达冷却及节能的效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种磁流发电与冷却的装置及方法，应用于具有一热能产生的电子设备中。此系统是由一管路与一线圈所组成，该管路与该电子设备连结，且具有一含多个磁性粒子的流体，而该线圈则环绕于该管路的一部份，当该热能传导至该流体而被吸收，致使部分的该流体汽化产生气泡以达成冷却功效，并驱使该流体产生流动并推动该多个磁性粒子通过该线圈，以使该多个磁性粒子于该线圈内产生一磁通量变化致使该线圈产生一导电流。
根据上述构想，该管路是为一密闭式环状管道，且依序由一汽化推进区、一涡流产生区、一磁场阵列区、一线圈感应区以及其它信道区所配置组成。
根据上述构想，该汽化推进区是为与该电子设备连结接触，当该热能传导至该流体而使部分的该流体汽化产生该气泡时，该气泡膨胀挤压该流体驱使该多个磁性粒子通过该线圈。且该汽化推进区的两端各设置有一控制阀，以控制该气泡以一固定方向前进，挤压该流体向该线圈感应区前进。
根据上述构想；该涡流产生区(vortex generator)用以使该多个磁性粒子产生旋转，以提高该多个磁性粒子通过该线圈时的速度。而该涡流产生区内部具有多个个表面凹槽(cavity)以使流经的流体产生涡流，致使该多个磁性粒子产生旋转。
根据上述构想，该磁场阵列区是于此段信道外配置一磁场阵列，用以使旋转的该多个磁性粒子消除彼此的相位角差而产生同步旋转，进而使该多个磁性粒子进入该线圈感应区时使该磁通量增加，该磁场阵列是为一永久磁场，借由该永久磁场对该多个磁性粒子的磁方向定位而防止该多个磁粒子间磁场的相互抵销。
根据上述构想，该其它信道区更可架设一散热装置套置于此段信道外，用以提升排除该热能的功效。该散热装置是具为一水平间隔的鳍状结构。该线圈是环绕于该管路的该线圈感应区的此段管道外。该线圈是为一微米级的铜线圈。
根据上述构想，该流体本质上是为混合该多个磁性粒子、低沸点液体与水组成的混合溶液。该低沸点液体是为一非电解化学冷却液，例如为选自FC-87、PF-5052、FC-72其中的任一或其任意组合的氟化液溶液，而该磁性粒子是为一磁化的纳米铁离子。
根据上述构想，所产生的导电流是为一高频交流电，因此更可透过外加一整流设备将其转换成一直流电流。若该电子设备是为设置于一笔记型计算机的中央处理器(CPU)或其中的任一芯片(chip)，而可使转换后的直流电流而回充至该笔记型计算机的锂电池中。该电子设备以可是为任一微机电设备。
本发明还提供了一种一种磁流发电方法，该方法是利用一电子设备所产生的一热能，透过一流体将该热能吸收以使部分流体产生一相变化作用以推动含有多个磁性粒子的流体通过一线圈，致使该含有磁性粒子的流体产生磁通量变化而产生一导电流。
本发明的有益效果是，利用高效率的吸热系统将CPU的废热导入特殊的工作流体，使得流体因吸热而达沸点产生气泡，因气泡膨胀挤压进而驱动该流体所搀入的纳米磁粒子高速旋转通过微线圈而产生电能，此方式不仅使得废热得以排除以增加系统的工作效率，且此废热能源可再利用以产生电能。此外，采用此相变化散热方式可大幅提高散热效率，且无须消耗额外能源，不会产生任何噪音。
本案的功效与目的，可借由下列实施例与图标说明，以便有更深入的了解。
【附图说明】
图1是现有的计算机中央处理器的散热组合；
图2是本发明的较佳实施例的一种磁流发电与冷却的装置的基本布局示意图；
图3是本发明较佳实施例的一种磁流发电与冷却的装置其中的发电系统设计架构图；
图4是本发明较佳实施例的一种磁流发电与冷却的装置的整体具体架构示意图；
图5A是图4的立体示意图；
图5B是图5A局部放大剖面示意图。
【具体实施方式】
以下针对本发明较佳实施例的磁流发电与冷却的装置进行描述，但实际的配置并不必须完全符合所描述的系统设计，本技术领域的普通技术人员能在不脱离本发明的实际精神及范围的情况下，做出种种变化及修改。
如图2所示，是本发明较佳实施例的磁流发电与冷却的装置的基本布局示意图。本发明本质上是由一管路20与一线圈30所组成，该管路20与一产生废热的电子设备(以下以中央处理器CPU为例)40连结接触，而该线圈30则环绕于该管路20的一部份。其中该管路20是一密闭式环状管道，其内部含有一低沸点流体(图中未示出)，该流体内又具有多个磁性粒子(图中未示出)。而当该热能传导至该流体而被该流体所吸收，致使部分流体汽化产生气泡201，因此即可实现该热能移除与冷却的效果，同时该气泡201并驱使该流体产生流动并推动该多个磁性粒子通过该线圈30，以便该多个磁性粒子在该线圈30内产生一磁通量变化致使该线圈30产生一导电流。
以细部拆分来分别叙述，该管道20本质上是依序由一汽化推进区21、一涡流产生区22、一磁场阵列区23、一线圈感应区24以及其它信道区所配置组成。
该汽化推进区21是与该中央处理器40连结接触的部分，在此区域内，该中央处理器40的热能会传导至该流体而使部分流体汽化产生气泡201，气泡201膨胀则会挤压该流体驱使该多个磁性粒子前进通过该线圈30。且该汽化推进区21的两端各设置有一控制阀211，以控制该气泡201以一固定方向前进，挤压该流体向该线圈感应区24前进。
该涡流产生区(vortex generator)22内部具有多个表面凹槽(cavity)，221以使流经的流体产生涡流，进而使该多个磁性粒子产生高速旋转，以提高该多个磁性粒子通过该线圈30时的速度。至于，该磁场阵列区23是在此段信道外配置一磁场阵列31，用以使旋转的该多个磁性粒子消除彼此的相位角差而产生同步旋转，进而使该多个磁性粒子进入该线圈感应区24时使该磁通量增加。其中该磁场阵列31较佳地可为一永久磁场，借助该永久磁场31对该多个磁性粒子的磁方向定位而防止该多个磁粒子间磁场的相互抵消。
该线圈感应区24则是该管道20有环绕该线圈30的区段。而该其它信道区还可架设一散热装置25套置于此段信道外，用以提升排除该热能的功效。该散热装置25较佳可为一水平间隔的鳍状(Fins)散热结构。
该流体本质上是为混合该多个磁性粒子、低沸点液体与水组成的混合溶液。该低沸点液体是一非电解化学冷却液，例如为选自FC-87、PF-5052、FC-72其中的任一或其任意组合的氟化液溶液，其汽化温度分别为56.6℃、32.0℃、50.0℃，相较于纯水100℃，可降低沸点许多，增加汽化的频率及气泡数量，以增加热传导量，以达快速散热的效果。而该磁性粒子是一磁化的纳米铁离子。因此，该线圈30是一微米级的铜线圈以便于高速旋转的磁化纳米铁离子易于产生磁通量变化。
如图3所示，是本案磁流发电与冷却的装置其中的发电系统设计架构图。与图2类似，此发电原理是以该汽化推进区21的流体吸收中央处理器产生的热能而产生气泡201，驱动磁性粒子前进，而通过该涡流产生区22所设置的凹槽(Cavity)221使磁性粒子进入，由于粒子周围速度不同而产生旋转，并进入该磁场阵列区23，而在该磁场阵列区23中由该永久磁场31对该磁性粒子的磁方向定位，以防止相互粒子间磁场互相抵消，进而在该线圈感应区24中提升磁通量产生最大导电流。而整体系统发电后的剩余废热则由散热装置25排出，其最终产生的导电流A是一高频交流电，因此还可通过外加一整流设备32将其转换成一直流电流。因此若该电子设备40是设置于一笔记型计算机的中央处理器(CPU)或其中的任一芯片(chip)，将可使转换后的直流电流回充至该笔记型计算机的锂电池42中。
如图4所示，是本发明磁流发电与冷却的装置的整体具体架构示意图，至于图5a是图4的立体示意图，而图5b是对于图5a中的汽化推进区21、涡流产生区22与磁阵列31作局部剖面放大的示意图。此与图2及图3不同的是，是将该中央处理器40上下或左右连结接触本发明的磁流发电与冷却的装置，如此可使该中央处理器40所产生的废热得以更有效利用与排除。
而本发明实际的实施结果则是以Pentium 4的笔记型计算机为例子，一般Pentium 4的笔记型计算机的中央处理器所产生的热能约为35W(Watt，瓦特)，其表面温度约为70至85℃，通过实际测量与数值仿真运算来估算所产生的热能。当中央处理器所产生的废热由本案所提供的低沸点流体吸热产生相变而产生汽化气泡而冷却，其流体的液体经吸热而产生沸腾汽化的过程，其可由Rohsenow’s nucleate pool boiling relation来计算：
Cl·ΔTxhfg·Prs=Csf[q/Aμl·hfggcg(ρl-ρv)]0.33]]>
而发电效率＝发电量/热能，η＝P/Q
因此由相变化冷却加上废热磁流发电，冷却热能约为36W，发电效率估算约10.7％，发电能量约为3.5W，因此预估整体系统共可节省约为17.86％的电能，尤其在笔记型计算机的锂电池仅可供1.5～2.5小时，若可节省能源势必可增加使用时间或节省电池所占体积。
综上所述，本案确实可提供一种磁流发电与冷却的装置及方法，其无须使用传统耗电风扇或是外加机制及其它能量来实现冷却散热，而是结合先进的相变化的电子冷却方式及利用废热为动力源驱动的发电系统，以达到冷却及节能的效果。此外，采用此相变化散热方式可大幅提高散热效率，且无须消耗额外能源，不会产生任何噪音。本发明的原理是采用搀入磁化纳米铁离子的低沸点流体，当该流体因吸热产生相变化而驱动该流体流动，而可驱动该磁性粒子通过微线圈而产生电能，因此可进一步应用本发明于任一具有热能产生的芯片组或微机电设备中或是利用热能发电的辅助发电设备。