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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭建都
研究生(外文):Chien-Th Cheng
論文名稱:筆記型電腦之散熱系統設計與分析研究
論文名稱(外文):Analysis and Design of A Cooling System on Notebook Personal Computers
指導教授:王世明王世明引用關係
指導教授(外文):Shih-Ming Wang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:筆記型電腦散熱冷卻系統
外文關鍵詞:Thermalcooling systemnotebook
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本文主要探討筆記型電腦內部流場暨散熱系統分析。藉由FLOTHERM軟體來模擬電腦內部各發熱元件,並求解因系統開孔而產生的速度場、壓力場與溫度分佈。為了確定數值模擬的正確性,同時並實驗觀察加以驗證。利用溫度擷取系統來讀取各主要發熱元件溫度,利用滑石粉來觀察系統流場趨勢,結果顯示數值模擬結果與實驗接近。
在本研究中針對散熱模組的鰭片長度的部分,當鰭片長度為15時,CPU溫度為75.9℃,VGA為98.2℃,而當鰭片長度為20時,CPU溫度為75.8℃,VGA為98.9℃,可見系統與CPU溫度不是絕對的。若底殼與主機板之間距離固定,在兩者之間沒有其他介質其底殼溫度為最佳,若需加入其他材料增加系統穩定度則以其與底殼距離為零,底殼溫度最好。在開孔問題上,在風扇正下方開孔對於CPU可以得到最佳狀況,但對於其他元件並不是最有利,對於系統最佳則是使流場流經各元件以達到系統降溫。
The present study focused on the analysis of A cooling system for <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=Personal&v=56">Personal</a> <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=Notebook&v=56">Notebook</a> <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=Computers&v=56">Computers</a>. Flotherm commercial <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=software&v=56">software</a> was used to simulate heating components inside <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=notebook&v=56">notebook</a> and to evaluate the velocity field, pressure field, and temperature profile. To ensure the accuracy of the numerical results, combining simulation with the experimental measurements were conducted to verify at the same <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=time&v=56">time</a>. Utilizing temperature fetch system to record and read temperature of heating components. To observe the flow trend of system, put talc powders were uesd, and the result reveals that numerical and experimental consequences were in coincidence.
The lengths of fins of thermal module have certain influence on CPU temperature. According to the analysis, it is noted that the system and CPU temperatures are not correlated. When the distance between bottom case and motherboard is fixed, and there are no other materials between them, it will have better cooling effect at bottom skin. If it is required to have other materials in between to enhance system stability, the material should stay as close as possible to bottom case. For openings, it will have the best status for CPU with cooling holes under cooling fan directly. For the whole <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=computer&v=56">computer</a> system, the optimum <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=design&v=56">design</a> is to yield airflow through heating components to get larger temperature drops.
目 錄

中文摘要…………………………………………………………………I
英文摘要……………………………………………………………… II
目錄………………………………………………………………… III
表目錄………………………………………………………………… V
圖目錄……………………………………………………………… VII
符號說明……………………………………………………………… X

第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………………1
1.2 文獻回顧………………………………………………………2
1.3 研究動機與目的………………………………………………4
第二章 筆記型電腦的散熱設計要求…………………………………9
2.1 筆記型電腦中與溫度相關的設計需求……………………… 9
2.2 散熱模組之組成……………………………………………… 9
2.3 散熱模組設計…………………………………………………11
第三章 筆記型電腦實測與流場試驗方法………………………… 15
3.1 溫度量測與資料存取系統 …………………………………15
3.2 散熱模組實驗模型 ………………………………………… 16
3.3 加熱裝置………………………………………………………17
3.4 筆記型電腦系統………………………………………………17
3.5 筆記型電腦系統實驗 ……………………………………… 18
3.5.1 筆記型電腦系統溫度實驗……………………………… 18
3.5.2 筆記型電腦系統流場觀察……………………………… 18
3.6 實驗步驟…………………………………………………… 19
3.6.1 散熱模組實驗……………………………………………19
3.6.2 NB系統實驗…………………………………………… 19
3.6.3 NB系統流場觀察實驗………………………………… 20
3.7 量測誤差來源探討……………………………………………20
第四章 筆記型電腦散熱模擬方法………………………………… 32
4.1 模擬工具介紹……………………………………………… 32
4.2 基本理論分析…………………………………………………32
4.3 SIMPLE演算法………………………………………………35
4.4收斂條件……………………………………………………… 39
4.5 模型的建立………………………………………………… 40
4.5.1 CPU……………………………………………………… 40
4.5.2 散熱模組模型………………………………………… 40
4.5.3 系統模型…………………………………………………41
4.5.4 網格系統…………………………………………………41
第五章 結果與討論………………………………………………… 46
5.1實驗驗證結果…………………………………………………46
5.1.1發熱銅塊實驗……………………………………………46
5.1.2實際NB溫度量測……………………………………… 47
5.1.3流場觀察實驗……………………………………………47
5.2 散熱模組之討論…………………………………………… 48
5.2.1 散熱模組鰭片變化對系統之分析…………………… 48
5.2.2散熱模組底座材質對CPU之影響………………………48
5.3底殼溫度之設計分析…………………………………………48
5.3.1距離對底殼溫度之影響…………………………………49
5.3.2材料對底殼溫度之影響…………………………………49
5.3.3面積大小對底殼溫度之影響……………………………50
5.3.4鋁片厚度對底殼溫度之影響……………………………50
5.4機殼開孔的設計分析…………………………………………50
5.4.1側邊開孔對系統的影響…………………………………50
5.4.2底殼開孔對系統的影響…………………………………51
第六章 結論與建議………………………………………………… 72
6.1結論……………………………………………………………72
6.2 建議………………………………………………………… 72

表1-1 英代爾中央處理器發熱功率表……………………………… 6
表3-1 溫度量測線之材質與使用範圍………………………………30
表3-2 BFB0505HA之風壓及風量…………………………………31
表3-3 GC055015VM-A之風壓及風量………………………………31
表4-1 Prescott Processor Package……………………………………44
表4-2 筆記型電腦模擬各元件發熱表………………………………45
表5-1 模擬數值與實驗數值的差異………………………………… 73
表5-2 NB溫度量測結果…………………………………………… 73
表5-3 散熱模組鰭片對系統影響結果(一)………………………68
表5-4 散熱模組鰭片對系統影響結果(二)………………………68
表5-5 散熱模組鰭片對系統影響結果(三)………………………69
表5-6 散熱模組底座材質對系統影響結果…………………………69
表5-7 底殼與鋁片的距離對系統的影響……………………………70
表5-8 鋁片材料對底殼影響…………………………………………70
表5-9 鋁片尺寸對底殼影響結果……………………………………71
表5-10 鋁片厚度對底殼影響……………………………………71
表5-11 側邊開孔對系統的影響……………………………………72
表5-12 底殼開孔對系統影響…………………………………………72


圖1-1 英代爾中央處理器發熱功率…………………………………6
圖1-2 筆記型電腦開發設計流程圖…………………………………7
圖1-3 筆記型電腦散熱設計之模擬流程圖…………………………8
圖2-1 壓鑄件…………………………………………………………12
圖2-2 熱管熱板(heatpipe、cold plate)圖……………………12
圖2-3 熱管作動原理圖………………………………………………13
圖2-4 高密度鰭片圖…………………………………………………13
圖2-5 軸流扇…………………………………………………………14
圖2-6 Blower…………………………………………………………14
圖3-1 散熱模組組合圖………………………………………………21
圖3-2 BFB0505HA之示意圖………………………………………22
圖3-3 BFB0505HA之P-Q曲線……………………………………23
圖3-4 GC055015VM-A 之示意圖………………………………… 24
圖3-5 GC055015VM-A 之P-Q曲線……………………………… 25
圖3-6 風洞圖示………………………………………………………26
圖3-7 加熱片示意圖…………………………………………………26
圖3-8 電木圖示………………………………………………………27
圖3-9 銅塊與電木組合示意圖………………………………………27
圖3-10 電源供應器……………………………………………………28
圖3-11 NB系統配置圖………………………………………………28
圖3-12 CPU溫度擷取軟體………………………………………… 29
圖3-13 NB流場觀察實驗……………………………………………29

圖4-1 中央處理器發熱組成圖………………………………………42
圖4-2 散熱模組模擬結構圖…………………………………………42
圖4-3 筆記型電腦模擬元件配置圖(一)……………………………43
圖4-4 筆記型電腦模擬元件配置圖(二)……………………………43
圖4-5 筆記型電腦模擬元件配置圖(三)……………………………44
圖5-1 流場試驗主機圖………………………………………………52
圖5-2 流場觀察右側開孔……………………………………………52
圖5-3 流場觀察出風口………………………………………………53
圖5-4 流場觀察散熱模組……………………………………………53
圖5-5 流場觀察主機板上流場………………………………………54
圖5-6 流場觀察主機板下流場………………………………………54
圖5-7 光碟機下方流場………………………………………………55
圖5-8 中央處理器下方流場…………………………………………55
圖5-9 數值模擬主機板下方流場……………………………………56
圖5-10 Thermal Module Base Material: Aluminum…………… 56
圖5-11 Thermal Module Base Material: Copper…………………57
圖5-12 Thermal Module Base Material: Vapor Chamber………57
圖5-13 The gap between Bottom case and Al_plate
is 0 mm…………………………………………………58
圖5-14 The gap between Bottom case and Al_plate
is 0.5 mm……………………………………………………58
圖5-15 The gap between Bottom case and Al_plate
is 1.0 mm……………………………………………………59
圖5-16 No Aluminum plate…………………………………………59
圖5-17 MATERIAL:COPPER K=395…………………………… 60
圖5-18 MATERIAL:STEEL K=184……………………………… 60
圖5-19 MATERIAL:STEEL K=63…………………………………61
圖5-20 DIMENSION: 72*85*0.5…………………………………… 61
圖5-21 DIMENSION: 72*133*0.5………………………………62
圖5-22 THCIKNESS: 0.3mm………………………………………62
圖5-23 THCIKNESS: 0.5mm……………………………………… 63
圖5-24 RIGHT SIDE INLET VENT OPEN RATE 0%………………63
圖5-25 RIGHT SIDE INLET VENT OPEN RATE 10%……………64
圖5-26 RIGHT SIDE INLET VENT OPEN RATE 20%……………64
圖5-27 底殼開孔封閉……………………………………………… 65
圖5-28 底殼開孔率為30%………………………………………… 65
參考文獻
[1] http://support.intel.com/design/Pentium4/documentation.htm#des

[2] Morrison,A.T., “Optimization of Heat Sink Fin Geomertries for Heat Sink in Natural Convection”, Inter Society Conference on Thermal Phenomena, 1992.

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[4] Kobayashi, T., Ogushi, T., Sumi, N., and Fujii, M., ”Thermal Design Ultra-Slim Notebook Computer,” Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic System, The Sixth Intersociety Conference,pp. 15-21,1998

[5] Kim, S. Y., Sung, H. J., and Hyun, J. M.,”Mixed Convection from Multiple-Layered Boards with Cross-Streamwise Periodic Boundary Conditions”, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.35, NO.11,pp.2941-2952,1992

[6] Asoko, Y., and Faghri, M., “Three Dimensional Heat transfer and Fluid Flow Analysis of Square Blocks Encountered in Electronic Equipment”, Numerical Heat Transfer, Vol.13, pp.481-498, 1988.

[7] Neelakantan, S. and Addison,S.,”The Effect of a Table on the Thermal Performance of an Electronic System”, Fourteenth IEEE SEMI-THERM Symposium, pp.16-23, 1998

[8] Rujano,J.R., “Development of Thermal Management Solution for a Buggerized Pentuim Based Notebook Computer” IEEE International Society Conference on Thermal Phenomena,, pp.8-14, 1998.

[9] H.Xie, M.Aghazadeh, W.Lui and K.Haley, “Thermal Solution to Pentium Processors in TCP in Notebooks and Sub-Notebooks”, IEEE Transactions on Components, Packageing and Manufacturing Technology, Part A, Vol.19, Nol,pps54-65,March,1996.

[10] 依日光,熱管技術理論實務,復興出版社,2000

[11] Suhas V. Patankar, 1980 “Numerical Heat transfer and Fluid Flow”, Hemisphere Publishing Corporation.

[12] INTEL “Mobile Prescott Processor Thermal Model User Guide”
電子全文 電子全文(本篇電子全文限研究生所屬學校校內系統及IP範圍內開放)
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