臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要是在探討超薄水冷式散熱器運用於筆記型電CPU之設計。這冷卻系統設計的原理是將水柱直接衝擊在CPU（熱源）處以達到高性能冷卻之效果。水流穿過放射狀的鰭片，在熱傳遞時，水和熱源之間的溫度差幾乎保持一定。利用STAR-CD 3D軟體分析相關參數對系統散熱的影響。根據分析，可得超薄水冷式散熱系統的最佳化設計。本文中除了數值模擬外，並作實驗印證數值分析之正確性。發現模擬和實驗結果非常一致。目前市面上關於散熱方面的元件，如熱管－散熱座－散熱風扇組件解熱量有限而熱傳遞量將近30 W，且其風扇噪音較大。而本文所分析的水冷式散熱器其尺寸約為直徑40mm和厚度少於10mm。當CPU溫度保持在60℃以下，水冷式散熱器其熱傳遞量在60W以上。而且，用一台小的幫浦替換嘈雜的風扇，噪音將被大大減少。

In this paper, an ultra-thin water-cooling radiator for cooling the CPU of a notebook is designed. This principle of the cooling system design is to impinge water jet directly on the CPU (heat source) for high performance cooling. The water flows radially through the fins. In proceeding of heat transfer, the temperature difference between the water and the heat source is kept even. The STAR-CD 3D software is used to analyze the influence of parameters on the heat transfer of the system. Based on the analysis, one can get the optimum design of cooling radiator. Beside the numerical simulation, an experiment is made to verify the numerical results. It is found that the numerical and experimental results are very
consistent. The heat transfer of the commercial cooling equipment such as the heat pipe- sink-fan unit used in the notebook is almost 30 W. Moreover, the fan is associated with a noise. The size of the proposed water-cooling radiator is about less than 40 mm in diameter and less than 10 mm in thickness. The heat transfer of the water-cooling radiator is more than 60W while maintaining the CPU temperature at less than 60℃. Moreover, replacing the noisy fan by a small pump, the noise will be greatly decreased.

中文摘要…………………………………………………………… i
英文摘要……………………………………………………………iii
誌謝………………………………………………………………… v
目錄…………………………………………………………………vii
表目錄……………………………………………………………… ix
圖目錄……………………………………………………………… x
符號說明……………………………………………………………xii
第一章 緒論……………………………………………………… 1
1.1 前言………………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧…………………………………………………… 2
1.2.1 實驗方面的文獻回顧…………………………………… 2
1.2.2 散熱鰭片之研究………………………………………… 3
1.3 研究動機及目的…………………………………………… 5
第二章 水冷式散熱座設計之特色及優勢……………………… 7
2.1 水冷式散熱座設計之特色………………………………… 7
2.2 水冷式散熱座之優勢……………………………………… 8
　2.3 散熱座製造方式…………………………………………… 11
第三章 實驗設備及結果………………………………………… 13
3.1 實驗儀器…………………………………………………… 13
3.2 實驗量測的程序…………………………………………… 17
3.3 散熱座效能………………………………………………… 18
3.4 實驗結果…………………………………………………… 20
第四章 流場數值分析與實驗結果……………………………… 25
4.1 建立網格…………………………………………………… 25
4.2 數值條件設定……………………………………………… 29
4.2.1 邊界條件………………………………………………… 29
4.2.2 設定物理參數…………………………………………… 30
4.2.3 物件規格………………………………………………… 31
4.3 數值穩定性………………………………………………… 37
4.4 流場分析與實驗比較……………………………………… 38
4.4.1 理論與實驗比較………………………………………… 38
4.4.2 流場分析………………………………………………… 39
第五章 散熱座性能之最佳化計………………………………… 44
5.1 散熱座特性曲線…………………………………………… 44
5.2 散熱座內部之最佳化參數探討…………………………… 46
5.2.1 散熱座數目的影響……………………………………… 46
5.2.2 散熱座之鰭片高度的影響……………………………… 49
5.2.3 中心軸距的影響………………………………………… 52
5.2.4 薄殼凸圓盤之半徑的影響……………………………… 55
5.3 散熱座內部之最佳化參數………………………………… 58
第六章 結論……………………………………………………… 62
參考文獻…………………………………………………………… 63
表3-1 40W的狀態下……………………………………………… 20
表3-2 60W的狀態下……………………………………………… 21
表3-3 80W的狀態下……………………………………………… 22
表3-4 100W的狀態下…………………………………………… 23
表4-1 水冷式散熱器內部設計之幾何參數表……………………32
表5-1 60W之數值模擬，以相同流速0.848 L/min求解熱阻值…… ………………………………………………………………………46
表5-2 60W之數值模擬，以相同流速0.848 L/min以及散熱座數目
N＝30求解熱阻值…………………………………………………49
表5-3 60W之數值模擬，以相同流速0.848 L/min、散熱座數目
N＝30以及散熱座鰭片高度H＝3.1mm求解熱阻值…………………52
表5-4 60W之數值模擬，以相同流速0.848 L/min、散熱座數目
N＝30、熱座鰭片高度H＝3.1mm以及中心軸與散熱座之距離
R2＝3.5mm求解熱阻值………………………………………………55
圖2-1 水冷式散熱座設計之特色……………………………………7
圖2-2 氣冷式鰭片散熱系統…………………………………………8
圖2-3 水冷式散熱系統………………………………………………9
圖2-4 水冷式散熱系統原理…………………………………………10
圖2-5 熱管式散熱系統………………………………………………11
圖3-1 資料擷取系統…………………………………………………13
圖3-2 電源供應器……………………………………………………14
圖3-3 模擬CPU的實驗模型…………………………………………15
圖3-4 熱流衝擊加熱器………………………………………………16
圖3-5 熱流衝擊加熱器………………………………………………16
圖3-6 散熱座……………………………………………………… 17
圖3-7 本實驗機台……………………………………………………18
圖3-8 整體熱阻抗……………………………………………………19
圖3-9 40W的狀態下…………………………………………………21
圖3-10 60W的狀態下…………………………………………………22
圖3-11 80W的狀態下…………………………………………………23
圖3-12 100W的狀態下………………………………………………24
圖4-1 水冷式散熱器整體網格視圖…………………………………26
圖4-2a 水冷式散熱器之流場網格…………………………………27
圖4-2b 水冷式散熱器之流場網格…………………………………27
圖4-3a 水冷式散熱器之實體網格…………………………………28
圖4-3b 水冷式散熱器之實體網格…………………………………28
圖4-4 邊界條件設定………………………………………………30
圖4-5 散熱座之爆炸圖 (一)……………………………………33
圖4-6 散熱座之幾何尺寸（一）…………………………………34
圖4-7 散熱座之幾何尺寸（二）…………………………………34
圖4-8 散熱座之幾何尺寸（三）…………………………………35
圖4-9 散熱座之幾何尺寸（四）…………………………………36
圖4-10 數值分析疊代收斂圖………………………………………37
圖4-11 在40W下實驗和STAR CD之曲線……………………………38
圖4-12a 散熱座與鰭片之間流場速度圖…………………………40
圖4-12b 散熱座與鰭片之間流場速度圖…………………………41
圖4-13a 散熱座與鰭片之間流場溫度圖…………………………41
圖4-13b 散熱座與鰭片之間流場溫度圖…………………………42
圖4-14a 散熱座與鰭片之間實體溫度圖…………………………42
圖4-14b 散熱座與鰭片之間實體溫度圖…………………………43
圖5-1 調整散熱座數目N之性能曲線圖……………………………47
圖5-2 散熱座數目N = 30速度分佈圖……………………………47
圖5-3 散熱座數目N = 30流體溫度分佈圖………………………48
圖5-4 散熱座數目N = 30實體溫度分佈圖………………………48
圖5-5 調整鰭片高度H之性能曲線圖………………………………50
圖5-6 鰭片高度H = 3.1速度分佈圖………………………………50
圖5-7 鰭片高度H = 3.1流體溫度分佈圖…………………………51
圖5-8 鰭片高度H = 3.1實體溫度分佈圖…………………………51
圖5-9 調整中心軸距半徑之性能曲線圖…………………………53
圖5-10 中心軸距之半徑R2 = 3.5速度分佈圖……………………53
圖5-11 中心軸與散熱座之距離R2= 3.5流體分佈圖……………54
圖5-12 中心軸與散熱座之距離R2= 3.5實體分佈圖……………54
圖5-13 調整薄殼凸圓盤半徑之性能曲線圖 ……………………56
圖5-14 薄殼凸圓盤之半徑Rdisk= 8速度分佈圖…………………56
圖5-15 薄殼凸圓盤之半徑Rdisk= 8流體分佈圖…………………57
圖5-16 薄殼凸圓盤之半徑Rdisk= 8實體分佈圖…………………57
圖5-17 散熱座內部最佳化之性能曲線圖…………………………58
圖5-18 散熱座內部最佳化之速度分佈圖…………………………59
圖5-19 散熱座內部最佳化之流體分佈圖…………………………59
圖5-20 散熱座內部最佳化之流體分佈圖…………………………60
圖5-21 散熱座內部最佳化之實體分佈圖…………………………60
圖5-22 散熱座內部最佳化之實體分佈圖…………………………61

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