近年來，電子晶片在性能上不斷進步，使得電子元件的散熱裝置日趨重要，進而發展許多形式的散熱裝置，其中水冷系統也是眾多發展項目之一。因此，本文研究即為設計一個散熱效果優異的環型水冷器。
研究內容可分為三部份：（1）採用CFD套裝軟體FLUENT探討各型腔室之壓降、速度及紊流強度的分佈；（2）利用有限差分法求解熱擴散方程式探討底板厚度、熱傳導係數及熱對流係數對熱阻值的影響；（3）應用模擬結果，將環型水冷器加工成型，進行熱阻值量測。
研究結果顯示：（1）壓降的主要影響參數為水流速度，而腔室幾何結構之影響甚微；（2）熱阻值的主要影響參數為熱對流係數；（3）底板厚度與熱阻值的關係成反比；（4）表面溫度全距與平均表面溫度可作為散熱器開發過程的參考指標；（5）Type D水冷器之冷卻能力最為優異；（6）對流表面十字溝槽的設計可以降低熱阻值。

In recent years, the electronic chip is continuously developing in turning high performance. This trend urges the heat sink of electronic chip to become gradually important, and then that will develop many type of heat sink, which is water-cooling system. Therefore, the purpose of this paper is designing a high efficiency water-cooling element (WCE).
The present study mainly aims at three points to bring up: (1) The different type chamber make use of the CFD package software FLUENT to study the pressure drop, velocity field and turbulent intensity deposition. (2) The different plank thickness, thermal conductivity and convection heat transfer coefficient use finite difference method to solve heat diffusion equation, and to confer thermal resistance value. (3) Then, machined this designed WCE and then measured its thermal resistance value.
The results show: (1) The pressure drop main effect parameter is inlet velocity. (2) The thermal resistance value main effect parameter is convection heat transfer coefficient. (3) The plank thickness is inverse proportion relation with thermal resistance value. (4) The surface temperature range and mean surface temperature should become reference index in heat sink developmental process. (5) The cooling performance of Type D WCE is optimum in this paper. (6) The design is cross groove on convection surface, which should reduce thermal resistance value.

目錄
目錄……………………………………………………………... Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………... Ⅲ
表目錄………………………………………………………….... Ⅵ
摘要……………………………………………………………. Ⅶ
Abstract…………………………………………………………. Ⅷ
符號說明…………………………………………………………… Ⅸ
第一章 緒論………………………………………………………. 1
1.1 前言……………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧………………………………………………… 2
1.3 研究內容………………………………………………… 5
第二章 理論基礎……………………………………………….… 6
2.1 熱阻定義………………………………………………… 6
2.2 影響熱阻之參數………………………………………… 6
2.3 傳導熱阻之改善………………………………………… 8
2.4 對流熱阻之改善………………………………………… 9
2.5 對流表面溫度的判斷指標……………………....….. 11
2.6 紊流動能與紊流強度………………………………….. 11
2.7 腔室形狀的說明……………………………………….. 12
第三章 數值方法………………………………………………... 18
3.1 流場空間之模擬……………………………………….. 18
3.1.1 基本假設………………………………………... 18
3.1.2 統御方程式……………………………………... 18
3.1.3 壁面函數………………………………………... 19
3.1.4 邊界條件………………………………………... 20
3.1.5 計算方法………………………………………... 23
3.1.6 格點的建立與格點獨立驗證…………………... 25
3.2 固體空間之熱傳模擬………………………………….. 30
3.2.1 熱傳導方程式…………………………………... 30
3.2.2 熱阻方程式……………………………………... 32
3.2.3 邊界條件………………………………………... 32
3.2.4 計算方法………………………………………... 33
3.2.5 格點的建立與格點獨立性驗證………………... 35
3.2.6 鬆弛因子對固體熱傳計算結果之影響………... 38
第四章 實驗方法………………………………………………... 39
4.1 實驗設備與方法……………………………………….. 39
4.2 實驗不準確度之探討………………………………….. 43
第五章 結果與討論……………………………………………... 44
5.1 各種腔室的比較與探討……………………………….. 44
5.2 底板研究……………………………………………….. 54
5.2.1 底板厚度、熱對流係數及熱傳導係數對於熱阻值之影響... 54
5.2.2 底板厚度、熱對流係數及熱傳導係數對溫度分佈之影響... 58
5.2.3 對流表面溫度與熱阻值的關係………………... 64
5.3 水冷器熱阻量測與熱傳增強………………………….. 70
5.3.1 水冷器製作……………………………………... 70
5.3.2 水冷器熱阻量測結果與探討…………………... 73
5.3.3 對流表面之十字溝槽對熱阻值的影響………... 76
第六章 結論與建議……………………………………………... 79
6.1 結論…………………………………………………….. 79
6.2 建議…………………………………………………….. 80
參考文獻…………………………………………………………. 82
附錄A 離散化與壓力-速度偶合模式………………………….. 87
附錄B 物理模型化簡之合理性…………………………………… 90

圖目錄
圖1-1 環型水冷器示意圖…………………………………….. 5
圖2-1 水冷器散熱示意圖…………………………………….. 7
圖2-2 水冷器一維熱流與其電路類比……………………….. 7
圖2-3 Type S腔室設計之圖形………………………………. 13
圖2-4 Type A腔室設計之圖形………………………………. 14
圖2-5 Type B腔室設計之圖形………………………………. 15
圖2-6 Type C腔室設計之圖形………………………………. 16
圖2-7 Type D腔室設計之圖形………………………………. 17
圖3-1 Type S邊界條件設定示意圖…………………………. 20
圖3-2 Type A邊界條件設定示意圖…………………………. 21
圖3-3 Type B邊界條件設定示意圖.………………………… 21
圖3-4 Type C邊界條件設定示意圖…………………………. 22
圖3-5 Type D邊界條件設定示意圖…………………………… 22
圖3-6 數值計算流程圖………………………………………. 24
圖3-7 格點與速度變化對壓力降之影響……………………. 25
圖3-8 Type S腔室格點圖……………………………………. 27
圖3-9 Type A腔室格點圖……………………………………. 27
圖3-10 Type B腔室格點圖……………………………………. 28
圖3-11 Type C腔室格點圖……………………………………. 28
圖3-12 Type D腔室格點圖……………………………………… 29
圖3-13 各腔室等數值線的視圖位置(例:Type S腔室)………. 29
圖3-14 二維熱傳導數值分析之說明圖………………………. 30
圖3-15 對流邊界之數值分析說明圖…………………………. 31
圖3-16 (a)物理模型 (b)邊界設定示意圖…………………… 33
圖3-17 固體熱傳計算流程圖…………………………………. 34
圖3-18 格點與熱對流係數變化對誤差值之影響(k=320W/m-K) 35
圖3-19 各厚度的格點示意圖…………………………………. 37
圖3-20 鬆弛因子與疊代次數之關係…………………………. 38
圖4-1 空冷型散熱器測試設備圖……………………………. 40
圖4-2 環型水冷器測試設備圖………………………………. 41
圖4-3 空冷散熱器 量測位置示意圖…………………………. 41
圖4-4 量測位置示意圖………………………………………. 42
圖4-5 晶片模擬發熱設備圖…………………………………. 42
圖5-1 腔室與速度變化對於壓降的影響.…………………… 44
圖5-2 Type S徑線圖(V=1m/s)………………………………… 45
圖5-3 Type A徑線圖(V=1m/s)……………………………... 46
圖5-4 Type B徑線圖(V=1m/s)……………………………... 46
圖5-5 Type C徑線圖(V=1m/s)……………………………... 47
圖5-6 Type D徑線圖(V=1m/s)……………………………... 47
圖5-7 Type S速度分佈等值圖(V=1m/s)……………………… 48
圖5-8 Type A速度分佈等值圖(V=1m/s)…………………... 49
圖5-9 Type B速度分佈等值圖(V=1m/s)…………………... 49
圖5-10 Type C速度分佈等值圖(V=1m/s)…………………... 50
圖5-11 Type D速度分佈等值圖(V=1m/s)…………………... 50
圖5-12 Type S紊流強度分佈等值圖(V=1m/s).……………… 51
圖5-13 Type A紊流強度分佈等值圖(V=1m/s)……………... 52
圖5-14 Type B紊流強度分佈等值圖(V=1m/s)……………... 52
圖5-15 Type C紊流強度分佈等值圖(V=1m/s)……………... 53
圖5-16 Type D紊流強度分佈等值圖(V=1m/s)……………... 53
圖5-17 熱通量改變對於熱阻值的影響(t=2mm,h=50W/m2K ).. 55
圖5-18 流體溫度改變對於熱阻值的影響(k=40W/mK,h=50W/m2K)... 55
圖5-19 與底板厚度的改變對於熱阻值的影響(k=160W/mK). 56
圖5-20 與底板厚度改變對於熱阻值的影響(h=100W/m2K)... 56
圖5-21 及 改變對於熱阻值的影響(t= 6mm)……………….. 57
圖5-22 及 改變對於熱阻值的影響(t= 10mm)……………… 57
圖5-23 底板厚度改變對溫度分佈的影響(h=50W/m2K, k=80W/mK, q= 240W/m)……………………………………………………….. 59
圖5-24 底板厚度改變對溫度分佈的影響(h=50W/m2K, k=160W/mK, q= 240W/m)……………………………………………………….. 60
圖5-25 底板厚度改變對溫度分佈的影響(h=50W/m2K, k=320W/mK, q= 240W/m)……………………………………….. 61
圖5-26 底板厚度改變對溫度分佈的影響(h=100W/m2K, k=320W/mK, q= 240W/m)………………………………………... 62
圖5-27 底板厚度改變對溫度分佈的影響(h=200W/m2K, k=320W/mK, q= 240W/m)………………………………………. 63
圖5-28 熱阻值的變化對平均表面溫度的影響………………. 65
圖5-29 熱阻值變化對表面溫度全距的影響…………………. 65
圖5-30 改變對表面溫度全距的影響(h=50W/m2K, t=6mm).. 66
圖5-31 改變對表面溫度全距的影響(k=160W/mK, t=6mm)…. 66
圖5-32 改變對平均表面溫度的影響(k=160W/mK, t=6mm)…. 67
圖5-33 改變對平均表面溫度的影響(h=50W/m2K, t=6mm)…. 67
圖5-34 底板厚度改變對表面溫度全距的影響(k=160W/mK, h=50W/m2K, q= 120W/m)………………………………………. 69
圖5-35 底板厚度改變對平均表面溫度的影響(k=160W/mK, h=50W/m2K, q= 120W/m)………………………………………... 69
圖5-36 Type S水冷器…………………………………………. 71
圖5-37 Type A水冷器…………………………………………. 71
圖5-38 Type B水冷器…………………………………………. 71
圖5-39 Type C水冷器…………………………………………. 72
圖5-40 Type D水冷器…………………………………………… 72
圖5-41 空冷型散熱器…………………………………………. 72
圖5-42 水冷器熱阻值量測結果………………………………. 74
圖5-43 水冷器有無O型環之差異……………………………… 75
圖5-44 Type A及Type C與其PLUS之比較圖………………... 77
圖5-45 Type A與其PLUS熱阻值量測結果……………………. 78
圖5-46 Type C與其PLUS熱阻值量測結果……………………. 78
圖B-1 數值取樣位置示意圖…………………………………… 90
圖B-2 格點示意圖……………………………………………… 91
圖B-3 壓力分佈比較圖………………………………………… 91


表目錄
表3-1 各方程式解算所採用的鬆弛因子……………………. 23
表3-2 Type S 進行格點獨立性所採用之格點間隔尺寸…… 25
表3-3 CFD分析之物理模型格點建立細部說明………………. 26
表3-4 各物理模型之誤差量(V=0.25m/s)……………………. 26
表3-5 厚度0.002m進行格點獨立性所採用之格點………... 35
表3-6 熱傳分析之格點建立細部說明………………………. 36
表3-7 各厚度物理模型之誤差量(h=100W/m2K，k=320W/m-K) 36
表3-8 鬆弛因子對於計算結果之影響(q= 120W/m)………… 38
表4-1 各參數之誤差量………………………………………. 43
表5-1 材料基本性質表………………………………………. 70
表5-2 各型水冷器與空冷型散熱器熱阻值之比較…………. 74
表5-3 各型水冷器的對流面積之比較………………………. 75

參考文獻

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