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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱耀逵
研究生(外文):Yao-Kuei Ciou
論文名稱:微處理器之散熱鰭片冷卻效能分析與研究
論文名稱(外文):A study of cooling efficiency from the fin of the CPU heat sink
指導教授:翁豊在
指導教授(外文):Feng-Tasi Weng
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:機械與機電工程研究所
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:COMSOL有限元素鰭片
外文關鍵詞:COMSOLfinite elementsfin
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由於中央處理器(Central Processing Unit CPU)在高速運算時會產生大熱量,為避免熱量累積導致溫度過高而損壞CPU,通常在CPU會配置散熱裝置,並加裝風扇用空氣強制對流方式進而增加熱對流以達到散熱效果。而熱管搭配鰭片的方法為現今常用之散熱裝置。而鰭片之設計與配置方式在整體散熱效能上更是有極大的影響。
本研究是探討散熱鰭片之散熱效能,以合理假設下利用有限元素分析軟體COMSOL Multiphysics模擬求解流體力學(CFD),並分析散熱器鰭片之熱傳特性、固流體溫度分布與鰭片之溫度分佈,並加以評估進而改良鰭片形狀,再以改良前後之鰭片做比較,探討各別鰭片之散熱效能表現,以設計出鰭片較佳散熱形狀。
Owing to the central processing unit (CPU) Will produce great heat in high-speed computation, damaged CPU caused by heat accumulation and increased high temperature easily happened. Usually CPU will dispose a heat dissipation device, installs the fan additional forces the convection way then increases the convection and reaches the heat dissipation result by the air. A heat dissipation device was configured on a CPU to distribute from increasing hot with a fan, and is utilized commonly nowadays. There is apparent influence even more on whole heat dissipation efficiency in the design and disposition way of the fin.
The purpose of this research is to study the performance of heat sink fin based on the reasonable assumption. A software of finite element named COMSOL Multiphysics is used to solve computation fluid dynamics (CFD). Heat transformation properties of heat sink fin is analyzed. Temperature profile between solid and fluid is defined. Temperature gradation is figured by different meshing technique. And then by improving various kinds of fin slices and comparing. Optimization of the radiator can be obtained base on the performance of radiator analyze.
目 錄
中文摘要…………………………………………………………………i
Abstract…………………………………………………………………ii
誌謝……………………………………………………………………iii
目錄………………………………………………………………………iv
表目錄…………………………………………………………………vii
圖目錄…………………………………………………………………ix
第一章 緒論……………………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………………1
1-2 研究目的…………………………………………………………3
1-3 研究背景…………………………………………………………4
1-4 文獻回顧…………………………………………………………5
1-5 本文結構…………………………………………………………8
第二章 基礎理論與原理分析…………………………………………9
2-1 熱傳遞理論………………………………………………………9
2-2 熱阻定義…………………………………………………………10
2-3 散熱鰭片…………………………………………………………11
2-3-1 散熱鰭片的性能………………………………………………11
2-3-2 總表面積效率…………………………………………………14
第三章 分析模擬與參數設定…………………………………………18
3-1 COMSOL Multiphysics介紹……………………………………18
3-1-1 初始模組與模型繪製…………………………………………18
3-1-2 工作設定………………………………………………………20
3-1-3 網格設定………………………………………………………21
3-1-4 求解器設定……………………………………………………22
3-1-5 後處理積分設定………………………………………………24
3-2 模擬條件與對象…………………………………………………26
3-2-1 模擬假定條件…………………………………………………26
3-2-2 分析模擬對象…………………………………………………27
3-2 模擬參數設計……………………………………………………30
第四章 模擬成果及討論………………………………………………32
4-1 傳統平板式鰭片之無流場模擬分析……………………………32
4-2 傳統平板式鰭片之有流場模擬分析……………………………40
4-3 鋸齒浪板式鰭片之模擬分析……………………………………54
4-4 綜合分析探討……………………………………………………68
第五章 結論與展望……………………………………………………69
5-1 結論………………………………………………………………69
5-1 展望………………………………………………………………70
參考文獻…………………………………………………………………71
附表………………………………………………………………………73
附表1……………………………………………………………………73
附表2……………………………………………………………………74
附表3……………………………………………………………………77
Extended Abstract……………………………………………………80
簡歷………………………………………………………………………83

表 目 錄
表2-1 典型熱對流之大致對流係數分佈………………………………12
表2-2 具均勻截面積之散熱鰭片的溫度分佈及熱損失………………14
表3-1 散熱鰭片規格表…………………………………………………29
表3-2 銅之材料特性表…………………………………………………29
表3-3 工作流體之相關參數表…………………………………………29
表3-4 模擬參數表………………………………………………………31
附表1-1 平板式鰭片無流體成果表……………………………………73
附表2-1 平板式鰭片之1片有流體成果表……………………………74
附表2-2 平板式鰭片之3片有流體成果表……………………………74
附表2-3 平板式鰭片之5片有流體成果表……………………………75
附表2-4 平板式鰭片之10片有流體成果表……………………………75
附表2-5 平板式鰭片之15片有流體成果表……………………………76
附表2-6 平板式鰭片之20片有流體成果表……………………………76
附表3-1 浪板式鰭片之1片成果表……………………………………77
附表3-2 浪板式鰭片之3片成果表……………………………………77
附表3-3 浪板式鰭片之5片成果表……………………………………78
附表3-4 浪板式鰭片之10片成果表……………………………………78
附表3-5 浪板式鰭片之15片成果表……………………………………79
附表3-6 浪板式鰭片之20片成果表……………………………………79

圖 目 錄
圖1-1 氣冷式散熱器……………………………………………………3
圖1-2 水冷式散熱器……………………………………………………3
圖1-3 各種CPU之單位發熱量比較………………………………………5
圖2-1 散熱鰭片型式……………………………………………………15
圖2-2各種不同型式之散熱鰭片截面積示意圖………………………16
圖2-3 散熱鰭片排與熱迴路……………………………………………17
圖2-4 平板狀鰭片與傳統針狀鰭片之比較示意圖……………………17
圖3-1 COMSOL Multiphysics之模型導覽……………………………19
圖3-2 COMSOL Multiphysics之繪圖介面……………………………19
圖3-3 COMSOL Multiphysics之材料資料庫…………………………20
圖3-4 COMSOL Multiphysics之設定視窗……………………………20
圖3-5 COMSOL Multiphysics之網格設定視窗………………………21
圖3-6 實際網格範例……………………………………………………21
圖3-7 COMSOL Multiphysics之求解器設定視窗……………………22
圖3-8 COMSOL Multiphysics之求解對象設定………………………23
圖3-9 COMSOL Multiphysics之繪圖設定……………………………23
圖3-10 後處理之統御域積分…………………………………………24
圖3-11 後處理之邊界積分……………………………………………24
圖3-12 模擬流程圖……………………………………………………25
圖3-13 CPU熱管式散熱器………………………………………………27
圖3-14 CPU熱管式散熱器之鰭片………………………………………27
圖3-15 平板型鰭片……………………………………………………28
圖3-16 浪板型鰭片……………………………………………………28
圖4-1 平板式鰭片於無流場之模型……………………………………32
圖4-2 平板式鰭片1片無流場成果圖…………………………………33
圖4-3 平板式鰭片1片無流場等溫圖…………………………………33
圖4-4 平板式鰭片3片無流場成果圖…………………………………34
圖4-5 平板式鰭片3片無流場等溫圖…………………………………34
圖4-6 平板式鰭片5片無流場結果圖…………………………………35
圖4-7 平板式鰭片5片無流場等溫圖…………………………………35
圖4-8 平板式鰭片10片無流場結果圖…………………………………36
圖4-9 平板式鰭片10片無流場等溫圖…………………………………36
圖4-10 平板式鰭片15片無流場結果圖………………………………37
圖4-11 平板式鰭片15片無流場等溫圖………………………………37
圖4-12 平板式鰭片20片無流場結果圖………………………………38
圖4-13 平板式鰭片20片無流場等溫圖………………………………38
圖4-14 平板式鰭片無流場之數量與溫度關係圖……………………39
圖4-15 平板式鰭片之工作流體流向分佈圖…………………………40
圖4-16 平板式鰭片1片有流場成果圖…………………………………41
圖4-17 平板式鰭片1片有流場等溫圖…………………………………41
圖4-18 平板式鰭片3片有流場成果圖…………………………………42
圖4-19 平板式鰭片3片有流場等溫圖…………………………………42
圖4-20 平板式鰭片有流場之1片與3片溫度關係圖…………………43
圖4-21 平板式鰭片有流場之3片溫差與降幅關係圖…………………43
圖4-22 平板式鰭片5片有流場成果圖…………………………………44
圖4-23 平板式鰭片5片有流場等溫圖…………………………………44
圖4-24 平板式鰭片有流場之5片溫度關係圖…………………………45
圖4-25 平板式鰭片有流場之3片溫差與降幅關係圖…………………45
圖4-26 平板式鰭片10片有流場成果圖………………………………46
圖4-27 平板式鰭片10片有流場等溫圖………………………………46
圖4-28 平板式鰭片有流場之10片溫度關係圖………………………47
圖4-29 平板式鰭片有流場之10片溫差與降幅關係圖………………47
圖4-30 平板式鰭片15片有流場成果圖………………………………48
圖4-31 平板式鰭片15片有流場等溫圖………………………………48
圖4-32 平板式鰭片有流場之15片溫度關係圖………………………49
圖4-33 平板式鰭片有流場之15片溫差與降幅關係圖………………49
圖4-34 平板式鰭片20片有流場成果圖………………………………50
圖4-35 平板式鰭片20片有流場等溫圖………………………………50
圖4-36 平板式鰭片有流場之20片溫度關係圖………………………51
圖4-37 平板式鰭片有流場之20片溫差與降幅關係圖………………51
圖4-38 平板式鰭片有流場之各鰭片平均溫度關係圖………………52
圖4-39 平板式鰭片有流場之各鰭片溫差關係圖……………………53
圖4-40 鋸齒浪板式鰭片之模型………………………………………54
圖4-41 浪板式鰭片1片成果圖…………………………………………55
圖4-42 浪板式鰭片1片等溫圖…………………………………………55
圖4-43 浪板式鰭片3片成果圖…………………………………………56
圖4-44 浪板式鰭片3片等溫圖…………………………………………56
圖4-45 浪板式鰭片之1片與3片溫度關係圖…………………………57
圖4-46 浪板式鰭片之3片溫差與降幅關係圖…………………………57
圖4-47 浪板式鰭片5片成果圖…………………………………………58
圖4-48 浪板式鰭片5片等溫圖…………………………………………58
圖4-49 浪板式鰭片之5片溫度關係圖…………………………………59
圖4-50 浪板式鰭片之5片溫差與降幅關係圖…………………………59
圖4-51 浪板式鰭片10片成果圖………………………………………60
圖4-52 浪板式鰭片10片等溫圖………………………………………60
圖4-53 浪板式鰭片之10片溫度關係圖………………………………61
圖4-54 浪板式鰭片之10片溫差與降幅關係圖………………………61
圖4-55 浪板式鰭片15片成果圖………………………………………62
圖4-56 浪板式鰭片15片等溫圖………………………………………62
圖4-57 浪板式鰭片之15片溫度關係圖………………………………63
圖4-58 浪板式鰭片之15片溫差與降幅關係圖………………………63
圖4-59 浪板式鰭片20片成果圖………………………………………64
圖4-60 浪板式鰭片20片等溫圖………………………………………64
圖4-61 浪板式鰭片之20片溫度關係圖………………………………65
圖4-62 浪板式鰭片之20片溫差與降幅關係圖………………………65
圖4-63 浪板式鰭片之各鰭片平均溫度關係圖………………………66
圖4-64 浪板式鰭片之各鰭片溫差關係圖……………………………67
圖4-65 各鰭片數量溫度綜合比較圖…………………………………68
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