臺灣博碩士論文加值系統

本文係利用數值模擬方法，探討毛細多孔介質對於冷板在散熱效能上之影響。文中分析了冷板之三維模型，其中包含多孔介質區域的動量修正及加入毛細效應的動量源。並使用計算流體力學軟體CFX進行模擬與實驗結果作為比較。根據簡化模型初步分析的結果，冷板具有優異的溫度擴散效果，可以有效避免熱點(hot spot)現象。其內部的毛細多孔層無論在流動或是熱傳方面皆有所影響。此外在計算中加入毛細力的影響與原先的熱阻值約有3%的差距。
其次使用冷板真實模型分別就探討燒結層厚度、孔隙度、使用Darcy與Darcy-Forchheimer兩種多孔介質理論和不同毛細理論的差異以及冷板最大負載功率進行探討。分析結果顯示，孔隙度在0.65以及燒結層厚度在0.8mm時，冷板有最低的熱阻值。而且在發熱量逐漸上升其熱阻反而降低，在180W時有最低值。使用不同的多孔介質模式對冷板的熱傳行為並沒有太大的影響。但是使用不同毛細理論的結果相差了約3~5%。而使用Lago的毛細效應理論其模擬結果與實驗誤差僅2.67%較為接近。

The main object of this thesis is to discuss the effect on heat dissipate by capillary porous media inside cold plate. The three-dimension model of cold plate has been analyzed theoretically including momentum modification by porous media and momentum source due to capillary effect. Then compare with the experiment result and simulation result using computer fluid dynamic software CFX. According to the basic analysis on simplified model, cold plate has excellent ability in spreading temperature to avoid the hot spot problem. The capillary porous media inside cold plate has effects both in flow and heat transfer. Besides it is about 3% difference in thermal resistance between including capillary force and not.
In further analysis of the real model shows it has minimum thermal resistance when the porosity is 0.65 and porous thickness is 0.8mm. The thermal resistance of decrease when heating rate increase and has minimum value in 180W. The different porous model has few influence in heat transfer but 3~5% different when use different capillary model. Using Lago’s model has good agreement with the experiment result which has 2.67% error.

目 錄
中文摘要I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
符號索引 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 7
1.3.1 熱管及冷板方面 7
1.3.2 毛細多孔介質方面 8
1.3 研究動機與目的 10
1.4 論文之構成 11
第二章 基本理論 13
2.1 多孔介質理論 13
2.1.1 定義及其特性 13
2.1.2 多孔流動理論 14
2.2 毛細理論 17
2.2.1 表面張力與毛細現象 17
2.2.2 毛細效應理論 19
2.3 統御方程式 24
2.3.1 蒸氣空腔 24
2.3.2 多孔介質區域(燒結體) 25
2.3.2 外部銅殼 28
2.3.4 邊界條件 28
2.4 數值求解 28
第三章 冷板散熱實驗與數值分析 32
3.1 冷板散熱效能實驗 32
3.1.1 實驗模型 32
3.1.2 實驗設備 36
3.1.3 實驗前準備 40
3.1.4 水冷對流係數測定 40
3.1.5 實驗輸入熱功率校正 45
3.1.6 實驗步驟 46
3.2 數值模擬 50
3.2.1 模型及參數設置 50
3.2.2 分析流程 54
第四章 冷板實驗與數值分析結果 56
4.1 簡化模型模擬結果 57
4.1.1 溫度擴散效果 57
4.1.2 燒結層厚度影響 60
4.1.3 燒結層孔隙度影響 65
4.2 真實冷板模擬與實驗結果 65
4.2.1 溫度擴散效果 70
4.2.2 燒結層孔隙度影響 73
4.2.3 燒結層厚度影響 73
4.2.4 多孔理論差異比較 75
4.2.5 毛細理論差異比較 77
4.2.6 加熱功率之影響 78
第五章 結論與建議 80
5.1 結論 80
5.2 建議 81
參考文獻 82
附錄A 流體狀態方程式 87
附錄B 簡化模型分析數據 91
附錄C 真實模型分析數據 92
附錄D 實驗儀器規格 96


圖目錄
圖1-1 ：傳統式熱管 2
圖1-2 ：結合熱管之散熱器 3
圖1-3 ：應用於筆記型電腦內部之熱管散熱模組 3
圖1-4 ：熱點現象 4
圖1-5 ：冷板組裝示意圖 5
圖1-6 ：冷板構造及工作原理 5
圖1-7 ：冷板毛細構造工作原理 6
圖1-8 ：遠端散熱示意圖 6
圖1-9 ：直接散熱示意圖 7
圖1-10 ：研究流程圖 12
圖2-1 ：代表性元素體積示意圖 14
圖2-2 ：毛細現象形成之凹凸液面 18
圖2-3 ：毛細曲面 19
圖2-4 ：有限體積元素 29
圖3-1 ：有肋冷板尺寸圖 33
圖3-2 ：無肋冷板尺寸圖 33
圖3-3 ：實驗冷板上銅殼 34
圖3-4 ：實驗冷板下銅殼 34
圖3-5 ：冷板內部構造 35
圖3-6 ：冷板內之燒結圓柱 35
圖3-7 ：實驗用冷板 36
圖3-8 ：冷板散熱實驗示意圖 36
圖3-9 ：實驗組裝配置圖 37
圖3-10：溫度擷取監測程式 39
圖3-11 ：實驗溫度擷取位置 39
圖3-12 ：自然對流實驗結果等效功率曲線 42
圖3-13 ：實際功率曲線與對應等效功率 43
圖3-14 ：強制對流實驗後修正等效功率曲線 45
圖3-15 ：銅板校正實驗溫度曲線 46
圖3-16 ：實驗進行情況 47
圖3-17 ：實驗加熱平台 48
圖3-18 ：以黑體噴漆處理之實驗冷板 48
圖3-19 ：以黑體噴漆處理之實驗銅板 49
圖3-20 ：熱影像擷取程式 49
圖3-21 ：自然對流熱影像實驗情形 50
圖3-22 ：有肋冷板模型(底部) 51
圖3-23 ：有肋冷板模型(頂部) 51
圖3-24 ：有肋冷板模型 52
圖3-25(a) ：冷板模型內部燒結層 52
圖3-25(b) ：冷板燒結層側視圖 52
圖3-26 ：有肋冷板模型網格 53
圖3-27 ：無肋冷板模型網格 53
圖3-28 ：冷板簡化模型圖 54
圖4-1 ：簡化模型最大熱阻取點圖 56
圖4-2 ：簡化模型最大熱阻取點圖 56
圖4-3 ：冷板溫度場(頂部) 58
圖4-4 ：冷板溫度場(底部) 58
圖4-5 ：冷板流場圖(汽相) 59
圖4-6 ：冷板流場圖(液相) 59
圖4-7(a) ：多孔層液相流場圖 60
圖4-7(b) ：多孔層汽相流場圖 60
圖4-8 ：溫度分布比較取點 61
圖4-9 ：不同發熱量下銅板上表面溫度分佈 61
圖4-10 ：不同發熱量下鋁板上表面溫度分佈 62
圖4-11 ：不同發熱量下冷板下表面溫度分佈 62
圖4-12 ：不同發熱量下銅板下表面溫度分佈 63
圖4-13 ：不同發熱量下鋁板下表面溫度分佈 63
圖4-14 ：不同發熱量下冷板下表面溫度分佈 64
圖4-15 ：簡化模型燒結層厚度變化下之最大熱阻 64
圖4-16 ：簡化模型孔隙度變化之最大熱阻 65
圖4-17 ：有肋冷板汽相流場 66
圖4-18 ：有肋冷板汽相流場(上視圖) 66
圖4-19 ：有肋冷板液相流場(一) 67
圖4-20 ：有肋冷板液相流場(二) 67
圖4-21 ：有肋冷板溫度場 68
圖4-22 ：無肋冷板內部流場 68
圖4-23 ：無肋冷板溫度場 69
圖4-24 ：無肋及有肋冷板溫度曲線 69
圖4-25 ：銅板自然對流下第30秒之熱影像 70
圖4-26 ：鋁板自然對流下第30秒之熱影像 71
圖4-27 ：冷板自然對流下第30秒之熱影像 71
圖4-28 ：冷板實驗與模擬溫度曲線 73
圖4-29 ：冷板燒結層孔隙度變化下之等效熱阻 74
圖4-30 ：燒結層厚度對冷板等效熱阻之影響 74
圖4-31 ：Darcy模式與D-F模式之比較(孔隙度變化) 75
圖4-32 ：Darcy模式與D-F模式之比較(燒結厚度變化) 76
圖4-33 ：兩種多孔模式下之壓力場 76
圖4-34 ：不同毛細理論之比較(孔隙度變化) 77
圖4-35 ：不同毛細理論之比較(燒結厚度變化) 78
圖4-36 ：冷板改變加熱功率之等效熱阻 79
圖D-1 ：熱電偶線 96
圖D-2 ：MINCO電熱片 97
圖D-3 ：實驗用電熱片 98
圖D-4 ：實驗底座 98
圖D-5 ：加熱裝置 99
圖D-6 ：絕熱墊 99
圖D-7 ：導熱膏 100
圖D-8 ：水箱 100
圖D-9 ：直流電源供應器 101
圖D-10 ：USB資料擷取模組 102
圖D-11 ：水冷幫浦 103
圖D-12 ：幫浦用12V電源供應器 104
圖D-13 ：流量調節器 104
圖D-14 ：紅外線熱像儀 105
圖D-15 ：黑體噴漆 105

表目錄
表1-1 ：Intel P4處理器之散熱規範 2
表2-1 ：常用毛細結構之滲透度 15
表3-1 ：銅板在不同發熱量對不同對流係數下之模擬結果 41
表3-2 ：自然對流實驗及對應等效功率 42
表3-3 ：使用水冷之強制對流係數校正 44
表3-4 ：強制對流實驗及對應等效功率 44
表3-5 ：銅板校正數據 46
表4-1 ：自然對流下散熱實驗數據 70
表4-2 ：強制冷卻條件下冷板散熱實驗數據 72
表4-3 ：冷板實驗與模擬結果 72
表B-1 ：燒結層厚度變化之最大熱阻 91
表B-2 ：燒結層孔隙度變化之最大熱阻 91
表C-1 ：冷板燒結層孔隙度變化下之最大熱阻 92
表C-2 ：燒結層厚度對冷板最大熱阻之影響 93
表C-3 ：Darcy模式與D-F模式之比較(孔隙度變化) 93
表C-4 ：Darcy模式與D-F模式之比較(燒結厚度變化) 94
表C-5 ：不同毛細理論之比較(孔隙度變化) 94
表C-6 ：不同毛細理論之比較(燒結厚度變化) 95
表C-7 ：冷板改變加熱功率之最大熱阻 95
表D-1 ：熱電偶線規格 96
表D-2 ：MINCO電熱片規格 97
表D-3 ：電源供應器規格 101
表D-4 ：資料擷取模組規格 102
表D-5 ：水冷幫浦規格 103
表D-6 ：紅外線熱像儀規格 106

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