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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:朱韻丞
研究生(外文):Jhu, Yuncheng
論文名稱:馬達控制器之液冷式散熱模組的熱流場分析
論文名稱(外文):Thermal Flow Field Analysis Of Liquid-Cooled Modules For A Motor Controller
指導教授:陳建霖陳建霖引用關係
指導教授(外文):Chen, Jiannlin
口試委員:林國偉朱力民陳建霖
口試委員(外文):Lin, KuoweiJhu, LiminChen, Jiannlin
口試日期:2012-07-20
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:機械與自動化工程學系
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:絕緣柵雙極電晶體數值模擬散熱效益熱阻值
外文關鍵詞:IGBTNumerical SimulationHeat DissipationThermal Resistance
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本研究係探討用於馬達控制器之液冷式散熱模組的熱流場分析。本研究的實驗是以電阻式加熱棒模擬馬達控制器之主要發熱源-絕緣柵雙極電晶體(IGBT);並以液冷式散熱系統作為其散熱裝置,在不同功率的熱源175W、350W、525W、700W、875W、1050W與不同流量3 L/min 至8 L/min 之條件下,比較U型流道與S型流道的散熱性能與物理特性。本研究並以數值模擬技術來進行散熱最佳化流道的分析與設計。經本研究結果顯示U型流道因出口位置跟進口位置在同一側,流道路徑較短,整體溫度較高;而S型流道因出口位置與進口位置為不同側,流道路徑變長,整體散熱較佳。本研究比較實驗與數值模擬結果的誤差值後發現,U型流道與S型流道兩者的相對誤差值皆在10 %以內,故所求得之數值模擬結果應相當可靠。本研究的結論是 S型流道的熱阻值皆小於U型流道,故S型流道之散熱效益為最佳。
This study aims to explore the thermal flow field of liquid-cooled modules for a motor controller. We simulate the main heat source, the Insulate Gate Bipolar Transistors (IGBT), of the motor controller by using the resistance-type heaters in our experiment. Besides, a liquid-cooled system was adopted as the thermal-dissipated equipment. We compared the U-type flow channel and S-type flow channel by the experiment, in which the different watts of heat source for 175W, 350W, 525W, 700W, 875W, 1050W and various flow rates from 3 L/min to 8 L/min were conducted to explore heat dissipated performance and their physical characteristics. Other than that, we applied the numerical simulation technique to analyze and design the better flow channel for heat-dissipation performance. The results reveal that the S-type channel, in which flow inlet and outlet are in the different side, has better heat dissipation performance than the U-type one, in which flow inlet and outlet are in the same side. Apparently, longer flow distance of S-type channel performs better heat dissipation. Moreover, the present result is reliable as the relative deviations between numerical simulation and experiment are less than 10% for both types. In conclusions, the thermal resistance of S-type channel is less than that of the U-type one. Therefore, the thermal efficiency of S-type channel is better than that of U-type one.
摘要I
Abstract II
誌謝III
總目錄IV
圖目錄VII
表目錄X
符號說明XI
第一章 緒論1
1.1 前言1
1.2 研究動機與目的1
1.3 文獻回顧2
1.3.1 實驗方面之文獻回顧2
1.3.2 數值分析之文獻回顧5
1.4 本文架構6
第二章 實驗方法7
2.1 液冷散熱系統7
2.2 液冷散熱模組8
2.2.1 散熱底座8
2.2.2 散熱鰭片10
2.2.3 導熱軟墊(Thermal Pad)10
2.2.4 馬達泵浦11
2.2.5 水11
2.2.6 軟管12
2.2.7 冷卻液13
2.3 實驗儀器13
2.3.1 無紙式溫度記錄器(Thermal Data Logger)13
2.3.2 T型熱電偶14
2.3.3 PT-100型熱電阻15
2.3.4 電源供應器15
2.3.5 加熱棒16
2.3.6 加熱塊16
2.3.7 流量計17
2.3.8 壓力計17
2.3.9 數位盤面儀錶18
2.4 實驗規劃與流程19
第三章 數值模擬與分析20
3.1 CFD技術20
3.2 統御方程式21
3.3 紊流模式22
3.4 熱傳理論24
3.5 熱阻定義24
3.6 離散法則25
3.7 收斂條件28
3.8 數值模擬求解流程29
第四章 結果與討論31
4.1 實驗結果31
4.2 模擬分析結果35
4.2.1 網格建立與測試35
4.2.2 邊界條件36
4.2.3 U型流道與S型流道之熱阻值探討38
4.2.4 U型流道與S型流道之散熱效益分析41
4.2.5 U型與S型流道之速度場分析48
4.3 U型流道與S型流道之熱阻值比較55
4.4 實驗與數值模擬分析驗證59
第五章 結論與未來工作62
5.1 結論62
5.2 未來展望63
參考文獻64
圖目錄
圖1-1 TCM模組2
圖1-2 小型可移動液冷散熱示意圖3
圖1-3 散熱鰭片4
圖1-4 液冷散熱模組5
圖2-1 散熱底座示意圖7
圖2-2 液冷散熱系統8
圖2-3 進、出口在同一側之散熱底座(U型流道)9
圖2-4 進、出口在不同側之散熱底座(S型流道)9
圖2-5 散熱鰭片10
圖2-6 導熱軟墊10
圖2-7 馬達泵浦11
圖2-8 水箱12
圖2-9 軟管12
圖2-10 整體實驗系統示意圖13
圖2-11 無紙式溫度記錄器14
圖2-12 T型熱電偶14
圖2-13 PT-100型熱電阻15
圖2-14 電源供應器15
圖2-15 加熱棒16
圖2-16 加熱塊17
圖2-17 流量計17
圖2-18 壓力計18
圖2-19 數位盤面儀錶18
圖3-1 三維控制體積示意圖28
圖3-2 程式架構求解流程圖30
圖4-1 實驗監控點示意圖31
圖4-2 U型流道在不同功率熱源情況下的實驗結果熱阻值變化33
圖4-3 S型流道在不同功率熱源情況下的實驗結果熱阻值變化33
圖4-4 U型流道與S型流道之實驗結果壓損圖34
圖4-5 網格示意圖35
圖4-6 網格測試比較圖(熱源瓦數1050W、流量8 L/min)36
圖4-7 邊界條件示意圖36
圖4-8 散熱模組底部透視圖37
圖4-9 數值模擬分析監控點示意圖37
圖4-10 U型流道在不同功率熱源情況下的數值模擬分析熱阻值變化39
圖4-11 S型流道在不同功率熱源情況下的數值模擬分析熱阻值變化40
圖4-12 U型流道與S型流道之數值模擬分析壓損圖41
圖4-13 U型流道,流量3 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)42
圖4-14 U型流道,流量4 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)43
圖4-15 U型流道,流量5 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)43
圖4-16 U型流道,流量6 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)44
圖4-17 U型流道,流量7 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)44
圖4-18 U型流道,流量8 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)45
圖4-19 S型流道,流量3 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)45
圖4-20 S型流道,流量4 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)46
圖4-21 S型流道,流量5 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)46
圖4-22 S型流道,流量6 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)47
圖4-23 S型流道,流量7 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)47
圖4-24 S型流道,流量8 L/min之數值模擬分析溫度分佈圖(℃)48
圖4-25 U型流道,流量3 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)49
圖4-26 U型流道,流量4 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)49
圖4-27 U型流道,流量5 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)50
圖4-28 U型流道,流量6 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)50
圖4-29 U型流道,流量7 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)51
圖4-30 U型流道,流量8 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)51
圖4-31 S型流道,流量3 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)52
圖4-32 S型流道,流量4 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)52
圖4-33 S型流道,流量5 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)53
圖4-34 S型流道,流量6 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)53
圖4-35 S型流道,流量7 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)54
圖4-36 S型流道,流量8 L/min之數值模擬分析速度分佈圖(m/s)54
圖4-37 不同功率熱源、流量3 L/min之實驗數據熱阻值比較圖55
圖4-38 不同功率熱源、流量4 L/min之實驗數據熱阻值比較圖55
圖4-39 不同功率熱源、流量5 L/min之實驗數據熱阻值比較圖56
圖4-40 不同功率熱源、流量6 L/min之實驗數據熱阻值比較圖56
圖4-41 不同功率熱源、流量7 L/min之實驗數據熱阻值比較圖56
圖4-42 不同功率熱源、流量8 L/min之實驗數據熱阻值比較圖57
圖4-43 不同功率熱源、流量3 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖57
圖4-44 不同功率熱源、流量4 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖57
圖4-45 不同功率熱源、流量5 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖58
圖4-46 不同功率熱源、流量6 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖58
圖4-47 不同功率熱源、流量7 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖58
圖4-48 不同功率熱源、流量8 L/min之數值模擬分析熱阻值比較圖59
圖4-49 U型流道,實驗與數值模擬分析之流量與熱阻值比較圖60
圖4-50 S型流道,實驗與數值模擬分析之流量與熱阻值比較圖60
表目錄
表4-1 U型流道,不同功率熱源與流量之熱阻實驗值(℃/W)32
表4-2 S型流道,不同功率熱源與流量之熱阻實驗值(℃/W)32
表4-3 U型流道,不同流量、進口與出口之壓損實驗值34
表4-4 S型流道,不同流量、進口與出口之壓損實驗值34
表4-5 U型流道,不同功率熱源與流量之熱阻數值模擬分析值(℃/W)38
表4-6 S型流道,不同功率熱源與流量之熱阻數值模擬分析值(℃/W)39
表4-7 U型流道,不同流量、進口與出口之壓損數值模擬分析值40
表4-8 S型流道,不同流量、進口與出口之壓損數值模擬分析值40
表4-9 U型流道,實驗數據與數值模擬分析之誤差值61
表4-10 S型流道,實驗數據與數值模擬分析之誤差值61
中文部份
[1]朱紅鈞, 林元華, 謝龍漢, Fluent 12流體分析及工程仿真, 2011.
[2]宋志傑,“ 水冷式散熱座冷卻效益之研究,” 大同大學機械工程研究所, 2010.
[3]吳家豪,“ 鍍槽內之熱流場數值模擬與參數分析,” 義守大學機械與自動化工程學系碩士班, 2010.
[4]郭恆伸,“ 水冷式散熱器之有限元素分析,” 國立中山大學機械與機電工程研究所, 2009.
[5]陳駿傑,“ IGBT 的微流道散熱分析與最佳化設計,” 國立交通大學機械工程系研究所, 2011.
[6]陳賢仁,“ 散熱鰭片使用於自然對流、強制氣冷與水冷之散熱效能比較,” 國立成功大學工程科學系研究所,2006.
[7]黃明熙,“ 電動代步車用驅動技術簡介,” 電動車輛產業資訊專刊,工研院機械所, 2005.
[8]趙谷峰,“ 液冷散熱模組散熱效益之研究,” 國立成功大學工程科學系碩士班, 2004.
[9]劉憲鋒,“ 超薄水冷式散熱器之分析及實驗,” 崑山科技大學機械工程系研究所, 2006.
[10]劉君愷,“ 車用IBGT功率模組封裝技術,” 工業材料雜誌297期,工研院電光所, 2011.
[11]鄭昱韋,“ 晶片用環型水冷器之研究,” 國立中山大學機械與機電工程研究所, 2003.
[12]SolidWorks 2006 原廠教育訓練手冊, 知城數位科技股份有限公司, 2006.
英文部份
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[9]L. Tien-Yu,“ Design optimization of an integrated liquid-cooled IGBT power module using CFD technique,”Components and Packaging Technologies, IEEE Transactions on, 23, 2000, 55-60.
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[11]Meshing Documentation, ANSYS.Inc, 2009.
[12]R. D. Dickinson, S. Novotny, M. Vogel and J. Dunn,“ A system design approach to liquid-cooled microprocessors,”Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 2002. ITHERM 2002. The Eighth Intersociety Conference on, 2002, 413-420.
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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