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研究生:周煒迪
研究生(外文):Wei-Ti Chou
論文名稱:高發熱量顯示晶片個人電腦散熱分析與數值模擬
論文名稱(外文):Heat Transfer Analysis and Numerical Simulation of Personal Computers with High-power Display Cards
指導教授:田華忠田華忠引用關係
指導教授(外文):Hwa-Chong Tien
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:機械與機電工程學系
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:個人電腦顯示卡電子散熱
外文關鍵詞:personal computersdisplay cardselectronic cooling
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摘要

隨著半導體技術的成熟,使得電子產品能推陳出新,讓消費者能享受科技帶來的舒適與便利,個人電腦便是其中最為重要的產品之ㄧ,由於高效能電腦的普遍,使多媒體娛樂軟硬體表現更豐富,但在晶片計算過程中,仍然會有部分的能量會轉換為熱能,若不能有效且及時將晶片產生的熱帶開,晶片將會因為高溫過熱,導致當機毀損。
本文以數值模擬為主實驗量測為輔,對個人電腦內高功率顯示卡做散熱的分析,研究結果如下:

(1) 當顯示卡晶片消耗功率在30W以內,可以僅靠散熱片作散熱,但散熱片的面積和鰭片數必須隨著功率增加,確保散熱效果。需注意因面積增加造成散熱片重量增加,且須將散熱片固定確實。

(2) 當顯示卡晶片超過30W,只用散熱片已略顯不足,必需搭配風扇,以此搭配在40W以內時都還能有不錯的散熱效果。當顯示晶片超過50W以上時,風扇和散熱片的組合,散熱能力已不足需求。

(3) 顯示晶片從50W開始到消耗功率100W,本處探討晶片使用熱管的散熱能力,其中若單純只使用熱管散熱,效果不會比較好,雖然熱管熱傳速度快,但冷凝端若無法快速散熱,那麼會導致熱管散熱效能變差;如果機殼散熱不好則會使熱管冷凝端周圍的溫度變高,同樣導致散熱不良。改善的方法,是加大冷凝端的散熱面積、使用風扇使冷凝端的熱能快速散至周圍,如此才能充分發揮熱管的能力。

(4) 當使用高功率的電腦,其機殼的散熱設計或選擇,也相當重要,機殼散熱不良,就算機殼內部的散熱器好,機殼卻無法補進冷空氣且排出廢熱,那麼依然會造成電腦過熱。
Abstract

Due to fast development of semi-conductors technology, new electronic products appear much more quickly than ever. As a result, the consumers enjoy the comfort and convenience by using these new inventions. Personal computers (PC’s) are one of the most prominent electronic products. As the high-performance PC’s are getting more popular, the software for the multi-media entertainment becomes more powerful. However, the CPU’s and the display chips generate significant amount of heat when they perform the computations. It is crucial to take the waste heat away from the computers; otherwise, these chips will break down due to overheating.
This work conducts numerical analysis and some experiments for partial verification to study heat transfer inside personal computers with high-performance display cards. The results obtained from the present study are summarized as follows.
(1) When the display card consumes power less than 30 W, heat can be dissipated by just using fans. However, as the generated power increases, the number and the area of fins need to be increased to insure proper working temperature for the chips. Care should be taken on the weight of the fins when increasing the total area of the fins.
(2) When the VGA cards dissipate more than 30 W, fins should be used together with fans. Such combination can handle power around 40 W. The cooling ability cannot meet the demand when the VGA cards generate more than 50 W.
(3) Use of heat pipes is discussed in this work for the VGA power between 50 W and 100 W. It was found that heat pipes should be used along with fins, fans, and an increase in the heat transfer area on the condensing section of the heat pipes.
(4) Proper design of PC chasses is also quite important when employing high-performance display cards. The coolers will not work effectively unless the PC chases are able to induce ample amount of cool air and purge the heated air away from the PC’s.
目錄
頁次
中文摘要................................................ i
Abstract............................................. iii
目錄.................................................... v
表目錄............................................... viii
圖目錄.................................................. x
符號目錄................................................ xiii
第一章 緒論................................................ 1
1-1前言................................................ 1
1-2研究動機............................................ 2
1-3顯示卡發展.......................................... 2
1-3-1顯示卡的介面.................................. 3
1-4文獻回顧............................................ 5
第二章 理論基礎與數值方法.................................. 7
2-1理論基礎............................................ 7
2-2統御方程式.......................................... 7
2-2-1交錯式網格..................................... 8
2-2-2離散法......................................... 8
2-2-3壓力與速度修正................................ 10
2-3熱管原理........................................... 11
第三章 實驗設備與方法..................................... 14
3-1實驗設備........................................... 14
3-1-1實驗模型...................................... 14
3-1-2溫度擷取系統.................................. 14
3-1-3熱電偶........................................ 14
3-2實驗方法與步驟..................................... 15
3-3實驗設備與量測示意圖............................... 16
第四章 數值模擬參數與模型建構............................. 19
4-1參數設定........................................... 19
4-2設定各項系統參數................................... 20
4-2-1總體系統設定.................................. 20
4-2-2環境屬性設定.................................. 20
4-2-3模式設定...................................... 21
4-2-4模型參數設定.................................. 21
4-2-5元件功率設定.................................. 22
4-3網格劃分........................................... 23
第五章 結果與討論......................................... 26
5-1模擬與實驗驗證..................................... 26
5-2模組分析........................................... 28
5-2-1散熱片比較.................................... 28
5-2-2 風扇的影響................................... 32
5-2-3熱管的效益.................................... 33
5-2-4機殼散熱設計.................................. 39
5-2-5 整體改良..................................... 40
第六章 結論............................................... 55
參考文獻.................................................. 57
誌謝...................................................... 59
表目錄
頁次
表1-1 AGP傳輸速度.......................................... 4
表1-2 PCI-E傳輸速度....................................... 5
表4-1 硬體消耗功率表..................................... 23
表5-1 網格數與與模擬結果比較表........................... 26
表5-2 實驗與模擬值誤差比較表............................. 27
表5-3 散熱片規格代號表................................... 28
表5-4 晶片功率15W,底板面積對顯示卡晶片溫度與鰭片熱阻之影響
,鰭片數為15×14.................................... 29
表5-5 晶片功率15W,散熱鰭片數對晶片溫度及鰭片熱阻之影響,
底板面積100mm×41.45mm........................... 30
表5-6 溫度300K 金屬材料熱傳導係.......................... 31
表5-7 功率大小對晶片溫度的影響........................... 31
表5-8 功率大小與散熱片對晶片溫度響....................... 31
表5-9 晶片30W時,風扇風量對晶片溫度及熱阻的影響.......... 33
表5-10風量25cfm,散熱片底板面積:41.5mm×41.45mm、
鰭片15×14片....................................... 33
表5-11 晶片功率30W,熱管管徑大小對晶片溫度的影響......... 35
表5-12 熱管數目對晶片溫度影響............................ 35
表5-13 功率與熱管管俓對晶片溫度影響...................... 36
表5-14 50W時,熱管管數對晶片溫度影響..................... 37
表5-15 晶片功率50W時,熱管撘配風扇風量20cfm對晶片溫度
的影響............................................. 38
表5-16 功率大小與使用6mm 熱管×3對晶片溫度的影響,風扇風量
20cfm.............................................. 38
表5-17 功率大小與使用6mm 熱管×4對晶片溫度的影響,風扇風量
20cfm............................................. 39
表5-18 晶片功率100W,機殼側邊開孔對顯示晶片溫度的影響..... 40
表5-19 機殼側邊開孔風扇對電腦主機內部散熱的影響風扇風量
20cfm............................................. 40
表5-20整體改良代號與顯示晶片溫度......................... 40




圖目錄
頁次
圖1-1 ISA介面插槽(a)與介面卡(b)............................ 3
圖1-2 PCI介面卡........................................... 4
圖1-3 (a)圖AGP(上)、PCI(下)介面卡插槽,(b)圖 AGP介面卡... 4
圖1-4 (a)為PCI-E插槽,(b)為PCI-E介面卡.................... 5
圖2-1 二維交錯式網格示意圖............................... 13
圖2-2 熱管工作原理示意圖................................. 13
圖3-1 實驗模型主機....................................... 16
圖3-2 YOKOGAWA生產之MX100擷取系統.................. 16
圖3-3 溫度擷取電腦系統................................... 17
圖3-4 Nvidia Geforce Fx5200................................ 17
圖3-5 熱電偶示意圖....................................... 18
圖3-6 連接擷取溫度數據................................... 18
圖4-1 Flotherm主視窗及繪圖視窗............................ 24
圖4-2 Flomotion全機模擬示意圖............................. 24
圖4-3 原模型散熱片示意圖................................. 25
圖4-4 Flotherm 網格劃分示意圖............................. 25
圖5-1 原始模型溫度分布圖,z=13cm.......................... 43
圖5-2 原始模型速度分布圖,z=13cm.......................... 43
圖5-3 (a)軸流式風扇,(b)離心式風扇......................... 44
圖5-4 顯示晶片30W溫度分布圖,z=13cm..................... 44
圖5-5 顯示晶片30W速度分布圖,z=13cm..................... 45
圖5-6 顯示晶片30W溫度分布圖,y=16cm,熱管4mm×1......... 45
圖5-7 顯示晶片30W溫度分布圖,x=13cm,熱管4mm×1......... 46
圖5-8 顯示晶片30W速度分布圖,z=13cm,熱管4mm×1.......... 46
圖5-9 顯示晶片30W速度分布圖,y=16cm,熱管4mm×1.......... 47
圖5-10 顯示晶片30W溫度分布圖 ,y=16cm,熱管4mm×2........ 47
圖5-11 顯示晶片30W溫度分布圖,y=16cm,熱管4mm×3..........48
圖5-12 機殼開孔位置示意圖................................ 48
圖5-13 H溫度分布圖,z=13cm.............................. 49
圖5-14 H速度分布圖,z=13cm.............................. 49
圖5-15 H溫度分布圖 ,y=16cm............................. 50
圖5-16 H速度分布圖 ,y=16cm............................. 50
圖5-17 J溫度分布,z=13cm................................. 51
圖5-18 J速度分布,z=13cm................................. 51
圖5-19 J溫度分布,y=16cm................................... 52
圖5-20 J速度分布,y=16cm................................... 52
圖5-21 L溫度分布,z=13cm.................................. 53
圖5-22 L速度分布,z=13cm................................. 53
圖5-23 L溫度分布,y=16cm.................................. 54
圖5-24 L速度分布,y=16cm.................................. 54












符號目錄

a 離散方程式係數
b 殘餘質量源
d 格點距離
t 時間
A 控制體積之面積
P 壓力
S 源項
T 溫度
x,y,z 直角座標方向
u,v,w 直角座標x,y,z方向之速度分量

控制容積在x,y,z方向的寬度

在x,y,z相鄰格點間的距離

物理量(速度、壓力和溫度等)

流體密度

擴散係數

下標
Nb 附近的格點
e,w,s,n,t,b p與相鄰網格點E,W,S,N,T,B間控制容積面
W 與p之負x方向相鄰的格點
E 與p之正x方向相鄰的格點
S 與p之負y方向相鄰的格點
N 與p之正y方向相鄰的格點
B 與p之負z方向相鄰的格點



T 與p之正z方向相鄰的格點

主要變數分量

上標
、 修正值
* 猜測職
0 前一時間值

其他

為取A,B間較大的一值
參考文獻
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