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研究生:陳毅峯
研究生(外文):Yi-Feng Chen
論文名稱:田口方法優化階梯微流道散熱器之研究
論文名稱(外文):An Optimization of a Step Micro-channel Heat Sink by Using Taguchi Method
指導教授:許政行許政行引用關係
指導教授(外文):Cheng-Hsing Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
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:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:田口方法階梯微流道散熱器最佳因子設計
外文關鍵詞:Taguchi methodStep micro-channel heat sinkOptimal parameter design
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近幾年來,在電子產品追求縮小尺寸及高功率下,隨著縮小化且高效能的產品熱通量上升,所面臨的散熱問題也越加嚴苛。因此,需要快速且有效率的散熱系統,而微流道正是目前單位體積小又具有高效率的散熱技術之一。
本研究探討階梯微流道散熱器模組之熱傳效應,其中微流道之流道寬度Wc(A)、流道高度Hc(B)、階梯高度Ho(C)及流率(D)為影響微流道散熱器模組效益之控制參數。本文使用ANSYS Fluent分析軟體之計算求得統御方程式的數值解,搭配田口方法找出最佳化之設計參數組合。此一組合結果也與使用變異數分析(ANOVA)有相同的結論。 至於達到最小化熱阻之最佳因子組合則為A1B3C1D3,其熱阻值為0.119(K/W)。
我們使用精密CNC在不鏽鋼(SUS420J2)塊上銑削出微流道模型以進行熱傳實驗,實驗使用陶瓷電熱片作為熱源,並設定45W及90W為熱源發熱量,實驗流率範圍則從10至90(ml/min)。實驗結果驗證熱阻曲線與模擬趨勢一致且非常近似,在最佳因子組合之實驗熱阻值為0.131(K/W),比從模擬得到的最小熱阻高出9.16%。
In recent years, with the shrinking size and high power of electronic products, as the heat flux of the miniaturized and high-efficiency products increases, the heat dissipation problem becomes more and more severe. Therefore, there is a need for a fast and efficient cooling system, and micro-channels are one of the small and high-efficiency cooling technologies currently available.
In this study, a micro-channel heat sink model was carried out. The effects of the channel width Wc (A), the channel height Hc (B), the step height Ho (C) and the flow rate (D) were selected to investigate on the performance of the micro-channel heat sink.
The ANSYS Fluent analysis software is used to calculate the numerical solution of the governing equations. Then, the Taguchi method is applied to find out the optimal combination of the design parameters. This combination of results also has the same conclusion as that by using the variability analysis (ANOVA). The best combination of factors for minimizing thermal resistance is A1B3C1D3 with a thermal resistance of 0.119 (K/W).

Heat transfer experiments were performed on a stainless steel (SUS420J2) micro-channel model, which was fabricated by using a precision CNC milling machine. A ceramic heater with rated power, 45W and 90W, was used as the heat source, and the flow rate from 10 to 90 (ml/min) is conducted in the experiments. The experimental results indicated that the trend of the thermal resistance curve is very similar to that of simulations, and the thermal resistance of the experiment, with the optimal factor combination, is 0.131 (K/W), which is about 9.16% higher than the value obtained from simulation.
目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
符號說明 x
第一章 緒論 1
1. 1前言 1
1. 2文獻回顧 2

第二章 基礎理論 4
2. 1 統御方程式 4
2. 2 傅利葉熱傳導定律 7
2. 3 邊界條件 8

第三章 田口方法 9
3. 1 田口式實驗計畫法的流程 9
3. 2因子的種類 11
3. 3 訊號雜訊比 11
3. 4 直交表之原理 13
3. 5 變異分析 14

第四章 數值模擬 18
4. 1 軟體簡介 18
4.1.1 PTC Creo 18
4.1.2 ANSYS Fluent 19
4. 2 模擬分析流程 20
4. 3 模型簡介 22
4. 4 網格建立 26
4. 5 邊界條件 29
4. 6 收斂條件 32
4. 7 驗證流率 32
4. 8 模擬結果 38

第五章 實驗與結果討論 45
5. 1 模型介紹 45
5. 2 實驗步驟 46
5. 3 實驗結果 47
5. 4 結果與討論 51
第六章 結論與未來展望 55
6. 1 結論 55
6. 2 未來展望 56

參考文獻 57




圖目錄
圖4.1 ANSYS模擬流程圖 21
圖4.2(a) 微流道示意圖 22
圖4.2(b) 微流道側視圖 22
圖4.2(c) 微流道工程圖 23
圖4.3 微流道前視圖 24
圖4.4 微流道側視階梯圖 24
圖4.5 ANSYS Meshing四種網格圖示 27
圖4.6 網格示意圖 28
圖4.7 邊界條件示意圖 29
圖4.8求解器選擇 30
圖4.9 層流選擇頁面 31
圖4.10 ANSYS Fluent收斂圖 32
圖4.11 原始設計圖 33
圖4.12 原始流率分佈圖 33
圖4.13 原始壓力分佈圖 34
圖4.14 變更後設計圖 35
圖4.15 優化後流率分佈圖 35
圖4.16 優化後壓力分佈圖 36
圖4.17 流道內流率分佈圖 37
圖4.18 流道內壓力分佈圖 37
圖4.19 各因子S/N回應圖 40
圖4.20 模擬熱阻比較圖 44
圖5.1 不鏽鋼微流道模型 45
圖5.2 實驗設備示意圖 46
圖5.3 實驗熱阻比較圖 50
圖5.4 實驗與模擬熱阻比較圖 53
圖5.5 45W和90W熱源下流率-熱阻圖 53




表目錄
表3.1 L9(34)直交表 13
表4.1 微流道規格表 24
表4.2 水與流道材料之性質 25
表4.3 因子水準設定表 25
表4.4 模擬直交表 26
表4.5 模擬結果表 38
表4.6 模擬變異分析(ANOVA) 39
表4.7 模擬壓力表 41
表4.8 模擬溫度表 42
表4.9 模擬熱阻表 43
表5.1 實驗壓力表 48
表5.2 實驗溫度表 48
表5.3 實驗熱阻表 49
表5.4 模擬與實驗溫差表 51
表5.5 模擬與實驗熱阻表 52
【1】D. B. Tuckerman and R. F. W. Pease, “High-performance heat sinking for VLSI,” IEEE Electorn Device Letter, Vol. DL-2, pp. 126-129.(1981)

【2】P. Gunnasegaran , H. A. Mohammed , N. H. Shuaib , R. Saidur, “The effect of geometrical parameters on heat transfer characteristics of microchannels heat sink with different shapes,” Int. Communication in Heat and Mass Transfer 37, pp. 1078-1086.(2010)

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【4】K. K. Ambatipudi, and M. M. Rahman, “Analysis of conjugate heat transfer in microchannel heat sinks,” Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 37, pp. 711-731.(2000)

【5】J. Li, G. P. Peterson, and P. Cheng, "Three-dimensional analsys of heat transfer in a micro heat sink with single phase flow," Int. J. Heat Mass Trans., Vol.47, pp.4215-4231.(2004)

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【7】鄧雄山,“藉由田口法方法以優化微流道散熱器之設計參數,”中原大學機械工程學系碩士學位論文(2013)

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【10】林敬唯,“費瑪螺旋微流道熱沉設計參數之優化,”中原大學機械工程學系碩士學位論文(2017)

【11】T. C. Hung, Y. X. Huang, W. M. Yan, “Thermal performance analysis of porous-microchannel heat sinks with different configuration designs, ” Int. Journal of Heat and Mass Transfer 66, pp. 235-243.(2013)

【12】K. K. Ambatipudi, and M. M. Rahman, "Analysis of conjugate heat transfer in micro-channel heat sinks," Numer. Heat Transfer, Vol.37, pp.145-154.(2000)

【13】黃翔楷,“藉由田口方法以優化步階微流道散熱器之設計參數,”中原大學機械工程學系碩士學位論文(2014)

【14】許丞毅,“三重微流道散熱優化設計,” 中原大學機械工程學系碩士學位論文(2015)

【15】吳彥廷,“類神經網路應用於三重微流道之散熱分析,”中原大學機械工程學系碩士學位論文(2016)

【16】蘇朝墩,“品質工程”,中華民國品質學會(2006)

【17】張明毅,“田口方法簡介”,宜蘭大學生機系(2003)

【18】PTC Creo , http://www.ptc.com/en/cad/creo

【19】ANSYS, http://www.ansys.com/zh-TW

【20】MATLAB, https://www.mathworks.com/products/matlab.html
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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