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研究生:許旭宏
研究生(外文):Hsu-Hung Hsu
論文名稱:以實驗設計法探討壓電風扇於矩形管內之散熱效能
論文名稱(外文):A Study on Heat Dissipation of Piezoelectric Fans in a Rectangular Duct by Using Design of Experiments
指導教授:趙隆山
指導教授(外文):Long-Sun Chao
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系專班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:實驗設計法反應曲面法中央合成設計迴歸分析壓電風扇
外文關鍵詞:RSM (Response Surface methodology)CCD (Central Composite Design)Piezoelectric fanRegressionDOE (Design of Experiment method)
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本研究以實驗設計法探討壓電風扇裝置於矩形管內,利用壓電效應驅使葉片擺動造成矩形管內產生對流作用,迫使電子元件達到散熱降溫之目的。實驗設計法規劃為兩個階段,第一階段以全因子實驗,採用操作頻率、鋁箔厚度、矩形盒寬、濾網開口率等4個輸入因子進行評估,探討品質因子與反應變數之間的因果關係及交互作用對於系統是否具有顯著的影響,並藉由統計理論之變異數分析篩選出影響系統的關鍵因子。第二階段再利用高階反應曲面法(Response Surface Methodology, RSM)之中央合成設計(Central Composite Design, CCD)擴充實驗組數,以二階多項式迴歸分析推導出反應曲面數學模型,並找出最佳化的參數組合。經由實驗結果可知操作頻率設定為62Hz,矩形盒寬為27.3mm及濾網開口率100%時,將獲得最低溫度值為36.99oC及最大風速2.35m/s。最後再進行預測值與驗證實驗之數據比較,確立數學模型之準確性,提供壓電風扇裝置對於電子產品散熱性能選用適格的設計參數。
In this thesis, the design of experimental method is used to evaluate the thermal performance of a piezoelectric fan that is set up in a rectangular duct. Driven by the piezoelectricity effect, the fan blade oscillates, which results in convective cooling over electric components. There were two stages of the statistical experimental design. In the first stage, four quality factors are considered, which are operating frequency, the thickness of aluminum layer, the width of rectangular duct, and the aperture ratio of the filter. The analysis of variance (ANOVA) method is used to explore the interactive relationship between the quality factors and response variable for this system. In the second stage, the central composite design (CCD) of the response surface methodology (RSM) is utilized as the design method of quality problem and then the experimental construction model can be obtained from the second-order regression formula. The operating conditions with the frequency of 62Hz, the width of rectangular duct of 27.3mm and the filter aperture ratio of 100% obtain the best performance, which has the lowest temperature of 36.99oC and the largest wind speed of 2.35m/s. Finally, the comparison between the predicted and experimental values was made to verify whether the constructive model could provide the suitable design parameters of the thermal performance of a piezoelectric fan for the heat dissipation of electric components.
摘 要 ………………………………………………………… I
Abstract ………………………………………………………… II
誌 謝 ………………………………………………………… III
目 錄 ………………………………………………………… IV
表 目 錄 ………………………………………………………… VIII
圖 目 錄 ………………………………………………………… X
符號說明 ………………………………………………………… XV


第一章 緒論……………………………………………………… 1
1-1 前言 ………………………………………………………… 1
1-2 文獻回顧 …………………………………………………… 2
1-3 研究目的 …………………………………………………… 6
1-4 論文架構 …………………………………………………… 7

第二章 壓電材料原理特性……………………………………… 9
2-1 壓電特性簡介…………………………………………………9
2-2 壓電效應………………………………………………………9
2-3 焦電效應………………………………………………………10
2-4 壓電材料介紹…………………………………………………11
2-5 壓電參數………………………………………………………12
2-6 壓電方程式……………………………………………………14

第三章 實驗設計法 ………………………………………………16
3-1 實驗設計法原理………………………………………………16
3-2 統計理論模式…………………………………………………18
3-2-1 變異數分析 ………………………………………………18
3-2-2 迴歸分析 …………………………………………………21
3-2-3 殘差分析 …………………………………………………23
3-2-4 缺適性檢定 ………………………………………………24
3-3 反應曲面法……………………………………………………25
3-3-1 中央合成設計 ……………………………………………27
3-4 願望函數………………………………………………………28

第四章 數值模擬 …………………………………………………30
4-1 幾何模型………………………………………………………30
4-2 基本假設………………………………………………………30
4-3 統御方程式……………………………………………………31
4-4 邊界條件設定…………………………………………………32
4-5 壓電風扇操作參數設定………………………………………32

第五章 實驗設備與方法 …………………………………………33
5-1 實驗方法………………………………………………………33
5-2 實驗設備………………………………………………………33
5-3 實驗過程………………………………………………………34
5-3-1 壓電風扇系統性能測試 …………………………………35
5-3-2 實驗設計法參數設定 ……………………………………36
5-3-3 流場可視化實驗 …………………………………………38

第六章 結果與討論 ………………………………………………40
6-1 壓電風扇系統性能實驗討論…………………………………40
6-2 實驗設計法數據分析與討論…………………………………41
6-2-1 實驗數據整理與歸納 ……………………………………41
6-2-2 全因子實驗數據統計分析 ………………………………43
6-2-3 反應曲面法數據分析 ……………………………………48
6-2-4 最佳組合條件預測 ………………………………………51
6-2-5 確認實驗 …………………………………………………51
6-3 流場可視化實驗結果討論……………………………………52

第七章 結論 ………………………………………………………54
參考文獻……………………………………………………………57
圖表附件……………………………………………………………61
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