跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(3.236.124.56) 您好!臺灣時間:2021/07/31 08:06
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:徐維廷
研究生(外文):Wei-Ting Hsu
論文名稱:LED石墨複材散熱座之熱傳性能研究
論文名稱(外文):The heat transfer performance of the graphite-composite heat sink for LEDs
指導教授:曾憲中曾憲中引用關係鄭澤明鄭澤明引用關係
指導教授(外文):Sheng-Chung TzengTzer-Ming Jeng
口試委員:劉建宏曾憲中鄭澤明
口試委員(外文):Chien-Hung LiuSheng-Chung TzengTzer-Ming Jeng
口試日期:2015-05-27
學位類別:碩士
校院名稱:建國科技大學
系所名稱:機械工程系暨製造科技研究所
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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:127
中文關鍵詞:石墨複材熱傳LED
外文關鍵詞:Graphite-compositeheat sinkheat transfer performance
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:129
  • 評分評分:
  • 下載下載:5
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本研究提出主動式LED石墨複材散熱座之新穎構型,利用煙流場觀測技術及穩態熱傳實驗法探討不同通氣孔道構型對此主動式散熱座的氣流流動與熱傳特性的影響。散熱座本體係混合特定比例之石墨粉末、鋁合金粉末與膠合劑,並利用真空加壓射出製成,材料成本與整體重量分別較傳統全鋁合金製成之散熱座大幅降低30%與34.5%,散熱座的基本構型為中空圓柱體具多個幅射排列徑向鰭片,在中空圓柱腔體內置入不同尺寸之馬達風扇(對應不同額定功率),配合石墨散熱座上不同的通氣孔道位置及方向(垂直通氣孔道、水平上排通氣孔道與水平下排通氣孔道),孔道數目(12個與24個)及孔道長度(14mm與29mm)等構型變動,達到強制對流增強冷卻的效果。實驗結果指出,各式散熱座其通氣孔道之等效總截面積(AP*)與通過之空氣總流率成正比;具馬達風扇之模式的紐塞數(Nu)約是不具馬達風扇之模式的1.75-2.1倍;其中,本研究之馬達風扇的尺寸與通氣孔道長度對整體熱傳的影響並不顯著;增加通氣孔道數量則能顯著增強整體驅動的氣流量與提升散熱座之熱傳性能;具最多通氣孔道數目的Model G (24個垂直通氣孔道×孔長29mm、24個水平上排孔與24個水平下排孔通氣孔道),在具馬達風扇模式下獲得最大的熱傳增益;採用Model G之通氣孔道設計之具環形鋁合金導熱座之石墨複材散熱座Model J,在具馬達風扇模式下擁有相似於市售Philips LED鋁合金燈座(型號MASTER LED PAR38 MV)在自然對流狀態下的熱傳能力,同時整體重量約可減少21%,且材料製作成本約僅有鋁合金材料70%;本研究之最佳通氣孔道設計應用於全鋁合金散熱座Model K在分別不具/具馬達風扇模式的狀態下所對應的紐塞數(Nu)值,與在自然對流狀態的Philips LED 燈座(型號MASTER LED PAR38 MV)相比,分別約有13%和127%的熱傳增益。
關鍵詞:LED散熱座、石墨複材、馬達風扇、通氣孔道、對流熱傳、實驗。

This work designed and manufactured an active LED graphite-composite heat sink and experimentally investigated the heat transfer characteristics of such heat sinks. The heat sink was made of graphite powders, metallic powders and latex by injection molding with the specified ratio of mixtures. By comparing with the traditional full aluminum-alloy heat sink, the cost and weight of the present heat sink are reduced remarkably. The experimental results indicate that the Nusselt number (Nu) of the heat sink with a motor fan was 1.75~2.1 times of that without any air-driving device. Besides, the size of the motor fan and the length of the flow passages influenced the total heat transfer insignificantly. However, increasing the numbers of flow passages did enhance the overall amount of the driven air flow and the heat transfer of the heat sink.
Keywords: LED heat sink; Graphite-composite materials; Motor fan; Flow passages; Convective heat transfer; Experiment.

目 錄

頁次
中文摘要 Ⅰ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅶ
符號說明 Ⅹ
第一章 緒論 01
1-1 研究背景 01
1-2 文獻回顧 03
1-2-1 石墨材料之熱傳文獻 03
1-2-2 鰭片散熱座之自然對流熱傳文獻 04
1-2-3 鰭片散熱座之強制對流熱傳文獻 06
1-3 研究目標 10
1-4 研究架構 12
第二章 研究方法 16
2-1石墨複材散熱座之製作流程 13
2-2流場觀測與風速量測實驗設備與流程 18
2-2-1 煙霧產生系統 18
2-2-2 氣流驅動系統 18
2-2-3 風速量測系統 19
2-2-4 流場可視化系統 19
2-2-5 影像擷取系統 19
2-2-6 實驗測試段 ?? 19
2-3熱傳實驗設備與流程 20
2-3-1 熱源供應系統 20
2-3-2 氣流驅動系統 21
2-3-3 實驗測試塊 21
2-3-4 紅外線熱影像擷取系統 23
2-3-5 資料擷取系統 23
2-4數據整理 24
2-5不確定性分析 27
2-6實驗測試例 34
第三章 具通氣孔道設計之石墨複材散熱座風速測量與煙流場觀 58
3-1煙流場觀測 60
3-2具垂直通氣孔道之石墨複材散熱座風速測量 64
3-3具垂直與水平通氣孔道之石墨複材散熱座風速測量 71
3-4總流量與通氣孔道截面積權重之關係 80
第四章 具通氣孔道設計之石墨複材散熱座之熱傳實驗量測 84
4-1 紅外線熱影像觀測 85
4-2 具垂直通氣孔道之石墨複材散熱座熱傳實驗分析 98
4-3 具垂直與水平通氣孔道之石墨複材散熱座熱傳實驗分析...... 103
4-4具通氣孔道與鋁合金導熱座之石墨複材散熱座熱傳實驗結果.... 109
第五章 結論與未來展望 120
5-1 重要結論 120
5-2 未來展望 123
參考文獻 124

表 目 錄
頁次
表1-2-1石墨熱傳相關文獻 13
表1-2-2 散熱座自然對流相關文獻 14
表1-2-3散熱座強制對流相關文獻 15
表2-1馬達風扇之規格 35
表2-2 煙流場實驗測試段 36
表2-3散熱座構型與相關參數一覽 37
表2-4 熱傳實驗測試例一覽 38

圖 目 錄
頁次
圖2-1測試段基本構型示意與3D列印技術製作之成品…….…… 39
圖2-2散熱座製作流程………………………………………….…… 40
圖2-3風速量測與煙流場實驗設備..…………………………...…… 41
圖2-4測試段流場特性之觀測位置示意……………………….…… 42
圖2-5熱傳實驗設備............................………………………….…… 43
圖2-6測試段分解................................………………………….…… 44
圖2-7 Group 1 測試段剖面尺寸.………………………….….......… 45
圖2-8Model A測試段構型與尺寸…..………………………….…… 46
圖2-9Model B測試段構型與尺寸....………………………….…… 47
圖2-10Model C測試段構型與尺寸….……………………….……... 48
圖2-11Model D測試段構型與尺寸….……………………….……... 49
圖2-12Model E測試段構型與尺寸….……………………….……... 50
圖2-13 Group 2 測試段剖面尺寸.………………………….…......… 51
圖2-14Model F測試段構型與尺寸….……………………….……... 52
圖2-15Model G測試段構型與尺寸….……………………….……... 53
圖2-16Model H測試段構型與尺寸….……………………….……... 54
圖2-17Model I測試段構型與尺寸….……………………….…….... 55
圖2-18Model J測試段構型與尺寸….……………………….…….... 56
圖2-19Model K測試段構型與尺寸 57
圖3-1 Model A 流場觀測結果 61
圖3-2 Model F 流場觀測結果 62
圖3-3 Model G 流場觀測結果 63
圖3-4 具垂直通氣孔道散熱座之氣流流動示意 66
圖3-5 Model B 空氣流道開口處風速測量 67
圖3-6 Model C 空氣流道開口處風速測量 68
圖3-7 Model D 空氣流道開口處風速測量 69
圖3-8 Model E 空氣流道開口處風速測量 70
圖3-9 具垂直、水平上排孔與下排孔通氣孔道之散熱座 74
圖3-10 Model F 空氣流道開口處風速測量 75
圖3-11 Model G 空氣流道開口處風速測量 76
圖3-12 Model H 空氣流道開口處風速測量 77
圖3-13 Model I 空氣流道開口處風速測量 78
圖3-14 Model J 空氣流道開口處風速測量 79
圖3-15 各散熱座空氣流道平均流量 82
圖3-16 各散熱座相對應之總孔截面積與空氣流量關係 83
圖4-1 Model A 紅外線熱影像 87
圖4-2 Model B 紅外線熱影像 88
圖4-3 Model C 紅外線熱影像 89
圖4-4 Model D 紅外線熱影像 90
圖4-5 Model E 紅外線熱影像 91
圖4-6 Model F 紅外線熱影像 92
圖4-7 Model G 紅外線熱影像 93
圖4-8 Model H 紅外線熱影像 94
圖4-9 Model I 紅外線熱影像 95
圖4-10 Model J 紅外線熱影像 96
圖4-11 Model K 紅外線熱影像 97
圖4-12 Model B 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 99
圖4-13 Model C 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 100
圖4-14 Model D 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 101
圖4-15 Model E 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 102
圖4-16 Model F 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 105
圖4-17 Model G 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 106
圖4-18 Model H 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 107
圖4-19 Model I 葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 108
圖4-20 Philips LED 燈具散熱座照片 113
圖4-21 Model J葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 114
圖4-22 Model K葛拉秀夫數(Gr)對紐塞數(Nu)之關係 115
圖4-23 Group 1 Re*對紐塞數影響關係 116
圖4-24 Group 2 熱傳機制示意 117
圖4-25 Group 2 Re*對紐塞數影響關係 118


符 號 說 明
A 通氣孔道單孔截面積;[m2]
Aheat 加熱面積;[m2]
Ap* 通氣孔道之等效總截面積;[m2]
d 通氣孔道直徑;[m]
D 散熱座加熱面直徑;[m]
g 重力加速度;[m/s2]
Gr 葛拉秀夫數;方程式(2-3)
H 散熱座高度;[m]
I 輸入電流;[A]
k 熱傳導係數;[W/m/K]
L 通氣孔道長度 [m]
n 通氣孔數目
Nu 紐塞數;方程式(2-4)
Qflow 散熱座之通過的氣流總流率 [m3/s]
Qplate 平板自然對流熱量;[W]
QLoss 熱損失;[W]
Re 雷諾數;方程式(2-2)
T 溫度;[℃]
V 輸入電壓;[V]
V 單孔空氣流速;[m/s]
W 散熱座重量 [kg]





希臘字母
β 體積膨脹係數;[1/K]

空氣密度;[kg/m3]
μ 空氣黏滯係數;[N-s/m2]

下標符號
0 壓克力槽內環境
1 垂直通氣孔道
2 水平下排通氣孔道
3 水平上排通氣孔道
ave 平均
g1 Group 1 具垂直通氣孔道設計之各式散熱座
g2 Group 2 具垂直與水平通氣孔道設計之各式散熱座
w 加熱壁面

上標符號
* 等效

[1] LED thermal management act has solutions for LED cooling applications (http://www.1-act.com/led-thermal-management/).
[2] C.H. Stoessel, J.C. Withers, C. Pan, D. Wallace, R.O. Loutfy, Improved hollow cathode magnetron deposition for producing high thermal conductivity graphite-copper composite, Surface and Coatings Technology 76-77 (1995) 640-644.
[3] Y. Zhong, Q. Guo, L. Li, X. Wang, J. Song, K. Xiao, F. Huang, Heat transfer improvement of Wood’s alloy using compressed expanded natural graphite for thermal energy storage, Solar Energy Materials & Solar Cells 100 (2012) 263-267.
[4] Y.-X. Fu, Z.-X. He, D.-C. Mo, S.-S. Lu, Thermal conductivity enhancement of epoxy adhesive using grapheme sheets as additives, International Journal of Thermal Sciences 86 (2014) 276-283.
[5] S.-C. Tzeng, T.-M. Jeng, S.-C. Yang, T.-F. Mao, C.-T. Yeh, Heat Transfer Characteristics of the Graphite Pin-Fin Heat Sink, Applied Mathematics & Information Sciences 6 (2012) Number 8S 1-10.
[6] P.-C. Chen, " Experimental study of heat transfer characteristics of the composite-graphite heat sink for LED lamps," Department of Mechanical Engineering, Chienkuo Technology University, Master’s thesis, R.O.C, 2013.
[7] I. Solums, Numerical investigation of heat transfer and fluid flow behaviors of a block type graphite foam heat inserted in a rectangular channel, Applied Thermal Engineering (2014) 1-11.

[8] D. Jang, S.-J. Park, S.-J. Yook, K.-S. Lee, The orientation effect for cylindrical heat sinks with application to LED light bulbs, International Journal of Heat and Mass Transfer 71 (2014) 496-502.
[9] Q. Shen, D. Sun, Y. Xu, T. Jin, X. Zhao, Orientation effects on natural convection heat dissipation of rectangular fin heat sinks mounted on LEDs, International Journal of Heat and Mass Transfer 75 (2014) 462-469.
[10] D. Jang, D.-R. Kim, K.-S. Lee, Correlation of cross-cut cylindrical heat sink to improve the orientation effect of LED light bulbs, International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015) 821-826.
[11] J. Stafford, V. Egan, Configurations for single-scale cylinder pairs in natural convection, International Journal of Thermal Sciences 84 (2014) 62-74.
[12] M. Ahmadi, G. Mostafavi, M. Bahrami, Natural convection from rectangular interrupted fins, International Journal of Thermal Sciences 82 (2014) 62-71.
[13] R. Charles, C.-C. Wang, A novel heat dissipation fin design applicable for natural convection augmentation, International Communications in Heat and Mass Transfer 59 (2014) 24-29.
[14] T.-M. Jeng, S.-C. Tzeng, W.-T. Hsu, C.-H. Chang, Y.-X. Huang, Design and manufacture of a novel LED table lamp with flower decoration, Smart Science 2 (2014) 126-131.
[15] T.-M. Jeng, S.-C. Tzeng, C.-H. Liu, D.-J. Lin, B.-J. Yang, Design and manufacture of an energy-saving LED lantern with paper-cut figure projection function, Smart Science 2 (2014) 13-19.

[16] X. Wu, W. Zhang, Q. Gou, Z. Luo, Y. Lu, Numerical simulation of heat transfer and fluid flow characteristics of composite fin, International Journal of Heat and Mass Transfer 75 (2014) 414-424.
[17] C.-H. Huang, Y.-H. Chen, An impingement heat sink module design problem in determining simultaneously the optimal non-uniform fin widths and heights, International Journal of Heat and Mass Transfer 73 (2014) 627-633.
[18] Y.-T. Yang, H.-S. Peng, Numerical study of pin-fin heat sink with un-uniform fin height designs, International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 4788-4796.
[19] D.-K. Kim, Thermal optimization of branched-fin heat sinks subject to a parallel flow, International Journal of Heat and Mass Transfer 77 (2014) 278-287.
[20] T.-M. Jeng, S.-C. Tzeng, Heat transfer measurement of the cylindrical heat sink with sintered-metal-bead-layers fins and a built-in motor fan, International Communications in Heat and Mass Transfer 59 (2014) 136-142.
[21] C.-H. Huang, Y.-C. Liu, H. Ay, The design of optimum perforation diameters for pin fin array for heat transfer enhancement, International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015) 752-765.
[22] T.-M. Jeng, Combined convection and radiation heat transfer of the radially finned heat sink with a built-in motor fan and multiple vertical passages, International Journal of Heat and Mass Transfer 80 (2015) 411-423.
[23] G.N. Ellison, Thermal Computations for Electronic Equipment, Van Nostrand Reinhold Company, New York, pp. 29-45, 1984.
[24] R.J. Moffat, Contributions to the theory of single-sample uncertainty analysis, ASME J. Fluids Engineering 104 (1982) 250-258.

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top