臺灣博碩士論文加值系統

摘 要

觸控電腦系統（平板電腦）是來自於筆記型電腦和傳統桌上型電腦所衍生之產品線。該產品近似於早期的CRT（陰極射線管）屏幕，在工業產業產品中具有堅固和耐用之特性。後來，產品逐漸演進成為主機系統和液晶觸控屏幕之結合，應用於各種產業環境中，成為現在的觸控電腦系統。本研究主要在開發的新產品將會是具有內部電源之觸控電腦，使設備系統能更加便利應用於產業上的一種電腦型式。然而，觸控電腦和內部電源的結合之下，系統內電源引起的額外的熱耗能將使系統面臨極大的熱效應之挑戰。此外，在特殊醫療產業應用中常需要無風扇且無透氣孔之系統特徵，所以在散熱處理上將變得更加困難。因此，上述因素特徵需求，激起了使用CFD和研究實驗之目的，主要研究將以系統本身的對流結構方式來面對系統熱效應之挑戰。
在這項研究工作中，將選擇重新設計具有塑料外殼型式的19英寸觸控電腦，以安裝內部發熱元件，如液晶顯示器(LCD)、中央處理器(CPU)、硬碟模組（HDD）、記憶體(DRAM)和電源供應器(PSU）作為發熱源。首先，將以CFD數值套裝軟體Fluent來模擬觸控電腦系統在無風扇、非透氣孔的條件下之熱流場。然後進行重新設計觸控電腦之關鍵散熱元件(Heatsink)，並透過實際測試和模擬溫度進行比較，以驗證此數值模型的可信度。最後比較結果發現，大部分溫差範圍都在可接受的3度溫差範圍內，但PSU溫度卻有到5度偏差。此結果意味著PSU的效率被高估了；所以在之後設計變更上將導入用於PSU和HDD之間的熱界面材料（TIM），並增加內部支撐機構的接觸面積來做為散熱機制。因此在透過實測和模擬結果發現，CPU和HDD可以因此降低3.21℃和2.67℃之溫度。此外，透過CFD數值模擬發現，散熱器結構補償增加5 mm高度加上散熱座接觸面積增加14.7％，可使CPU和DRAM溫度分別降了5.94℃和2.16℃。因此實驗和CFD數值模擬證明了自然散熱方式的可行性，亦可在無風扇、無透氣孔之觸摸電腦系統進行散熱管理。

Abstract

The touch panel computer (Panel PC) is a product line originated from notebooks and desktop computers. This product is similar to the early CRT (Cathode Ray Tube) screen, which is sturdy and fabricated for working in the industrial environment. Later, it gradually evolves to become a combination of computer and LCD touch screen for the use in a variety of environments. This study intends to develop a new product of the panel PC with an internal power supply, which makes the panel PC more compact and portable in a safe manner. However, the integration of panel PC and power supply generates a severe thermal challenge due to the extra dissipation energy induced by the power supply. Moreover, the thermal management becomes even difficult with the addition of fanless, non-ventilated feature required in the special medical applications. Hence, the aforementioned factors motivate this integrated CFD and experimental effort aiming to solve this thermal challenge in a systematical and rigorous manner.
In this work, a 19-inch touch panel computer with the plastic housing is selected and redesigned to install all heat-generating parts, such as LCD unit, CPU, hard disk (HD), DRAM, electronic boards, and power supply unit (PSU). At first, the CFD codes Fluent is adopted to simulate the thermal/fluid field associated with this fanless, non-ventilated touch panel PC. Later, the test and calculated temperatures for key heating components on this redesigned panel PC are compared for validating the credibility of numerical model constructed here. As a result, most of the temperature differences are ranging within an acceptable 3-degree difference while a 5-degree deviation on PSU is observed. This implies that the efficiency of PSU is overestimated. Thereafter, the additions of thermal interface material (TIM) for PSU and HD are introduced to enhance their contact areas with the supporting mechanisms for dissipating more heat energy. Also, this new panel PC is checked via the numerical tool that 3.21℃ and 2.67℃ temperature reduction are found for CPU and HD. Furthermore, the CFD calculation shows that an extra 5-mm height on fins and 14.7% increase on contact area for heat sink module result in 5.94℃ and 2.16℃ temperature decreases on CPU and DRAM, respectively. In summary, this work successfully illustrates the feasibility of integrating CFD and experimental tools to take care of the thermal management on a fanless, non-ventilated touch panel PC.

目 錄

摘要 ……………………………………………………………….…..Ⅰ
Abstract ………………………………………………………………..Ⅲ
致謝 ……………………………………………………………………Ⅴ
目錄 …………………………………………………………………. Ⅵ
圖索引 ……………………………………………………………….. XI
表索引 ……………………………………………………………. XVIII
符號索引 …………………………………………………………..... XX
第一章 緒論 ………………………………………………………….. 1
1.1 前言 …………………………………………………………. 1
1.2 觸控電腦發展背景 …………………………………………. 4
1.2.1 工業電腦特性和個人電腦之差異 …………………... 4
1.2.2 工業電腦產品分類型式 …………………….……….. 7
1.2.3 觸控式電腦介紹與應用 ……………………………. 11
1.3 觸控電腦散熱元件簡介 ………………………………….. 16
1.3.1 主動式散熱元件 ………………………………….…… 16
1.3.2 被動式散熱元件 ………………………………….…… 19
1.4 文獻回顧 ………………………………….…………….… 22
1.5 研究動機與方法……………………………………….…… 25
1.5.1 研究方法 ……………………………………….……… 25
1.5.2 研究動機和規劃 ………………………………………. 29
1.5.3 研究與設計流程圖 ……………………….…………… 31
第二章 物理模式與理論分析
2.1 系統熱傳遞原理與熱阻 …………………………………… 32
2.1.1 熱傳遞原理 ………………………………………...… 32
2.1.2 接觸熱阻………………………………………….…… 39
2.1.3 晶片處理器熱阻結構 ………………………………... 40
2.2 自然對流的散熱設計…………………………………..…… 42
2.2.1 流體流動的判定型式 …………………………..…… 43
2.2.2 散熱座之設計 ……………………………………..…. 45
2.3 觸控電腦熱源系統效應 …………………………….…….. 49
第三章 數值方法 ……………………………………..……………. 56
3.1 統御方程式 ……………………………………..……….…. 57
3.2 數值計算理論 …………………………………….………... 62
3.2.1 離散化方式 ……………………………………..……. 62
3.2.2 壓力與速度耦合處理 ……………………………..…. 65
3.2.3 數值求解流程……………………………………..…... 67
3.3 數值邊界條件設定……………………………………….…. 70
3.4 觸控電腦實體結構設計……………………………….……. 79
3.5 數值模型建構與網格獨立性 …………………………...…. 85
3.5.1 數值模型建構 ………………………………..………. 86
3.5.2 數值模行之網格規劃 ……………………………..…. 91
3.5.3 網格獨立性測試………………………………………. 94
第四章 實驗設備與規劃 ……………………………………..……. 96
4.1 實驗環境與設備 ………………….…………………..……. 96
4.1.1 紅外線熱顯像儀 ………………………………..……. 97
4.1.2 熱介面材料之功能特性 ……………………..………. 98
4.1.3 恆溫環境量測系統 …………………………………. 103
4.2 實驗步驟與過程 ………………………………………...... 109
4.2.1 紅外線熱顯像量測 – PCB模組 ……………...……. 109
4.2.2 原始系統實機量測 ..……………………………..…. 111
4.2.3 數值模擬系統量測 ………………..………………. 116
4.3 原始模型散熱設計之結果與討論 ……………………….. 120
第五章 原始模型之改良設計與分析……………………..………. 122
5.1 測試回饋與修正 ………………………..…………...……. 123
5.1.1 設計修正之熱傳導………………………..…………. 123
5.1.2 修正之數值模擬………………………..……....……. 126
5.1.3 原始設計與修正模擬結果之比較………………..…. 130
5.2 模型修正之實測驗證與模擬之比較 ………………….…. 131
5.3 模擬改善之最佳設計方案………………………..….…..…. 134
5.3.1 散熱座設計變更之數值模擬 …..………………..…. 134
5.3.2 後殼設計變更之數值模擬 .….…..….………...……. 139
第六章 結論與建議 ………………………..…………...……….. 143
6.1 結論 ………………………..…………...…………..……. 143
6.2 建議 ………………………..………………………...……. 146
參考文獻 ………………………..…………...…………………….... 149
作者簡介 .………………………..…………...…….……………….. 151

參考文獻

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