陳希立臺灣大學：機械工程學研究所王榮昌Wang, Jung-ChangJung-ChangWang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61384本文主要是針對兩相熱傳元件應用於電子散熱模組的性能作探討。利用性能實驗配合熱阻分析模式的方法，建立嵌入式熱管熱沉散熱模組的理論模式，並以此開發一套視窗軟體EHPHSC V1.0程式，使散熱模組業界對於設計分析此類散熱模組的熱性能有一套合適的軟體工具可應用。程式計算所得的理論值與實驗值誤差在12％以內，且運算時間迅速，已達業界使用的要求。結果顯示，嵌入式熱管熱沉散熱模組的總熱阻值會受到熱管性能影響，兩根嵌入式熱管熱沉散熱模組在加熱功率為140W時，具有最低總熱阻值為0.27℃/W，四根嵌入式熱管熱沉散熱模組在加熱功率為40~240W時，總熱阻值皆為0.24℃/W，不會有太大的變動。理論上，若使用具有熱阻值接近於零的U型熱管替代本文中的U型熱管，則熱管所帶走的熱量比例會最大，兩根及四根嵌入式熱管熱沉散熱模組分別為46％及63％。 對於分析兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組的熱性能，本文主要是藉由量測冷凝器外管壁的五個溫度點分佈，探討散熱模組整個系統內部工作流體，因為位於左右兩側蒸發段與冷凝段內部蒸氣壓力及截面積的不同，造成左右兩側水位高度的差異。本文以池核沸騰及薄膜冷凝理論為基礎，推導出兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組內部水位高度差的計算式。結果顯示，冷凝器外管壁溫度分佈，在一位於接近冷凝器出口的驟降溫度點之後，皆已經等於周圍環境的溫度，研判工作流體已經滲入到冷凝器內部，表示本文所使用的冷凝器管長，在不改變任何條件下，可以從14.28cm減少尺寸到10.14cm。This paper investigates mainly two-phase heat transfer devices applied to electronic cooling modules. By using experimentation with a thermal resistance analysis model, we construct a theoretical model for embedded heat pipe heat sink coolers. To this end we developed a Windows-based application called EHPHSC v1.0, giving the industry a suitable tool for analyzing the thermal performance of this type of cooler. The theoretical values computed by the program fall within a 12% error of the experimental values, meeting industry requirements for use. The results show that the total thermal resistance value of the embedded heat pipe heat sink cooler is affected by the function of the embedded heat pipes. When a heat sink cooler with two embedded heat pipes is at a heating power of 140W, the total thermal resistance is at its minimum of 0.27°C/W. When a heat sink cooler with four embedded heat pipes is at a heating power of between 40W and 240W, the total thermal resistance is 0.24°C /W, which is not much of a change. If we replace the heat pipes used in this study with an ideal U-shaped heat pipe, then the heat capacity ratios of the two-pipe and four-pipe heat sink coolers are 46% and 63%, respectively. Regarding the thermal performance of a two-phase closed loop thermosyphon cooling module, this paper looks at the working fluid within the entire cooling system mainly by measuring the temperature distribution in the walls of the condenser pipes. The differences in vapor pressure and cross sectional area between the evaporation end and condensation end result in a great difference in fluid level. According to the nucleate pool boiling theory and film condensation theory, we derive a method for calculating the internal fluid level differences between two-phase closed loop thermosyphon cooling modules. The results show that the temperature at the exit of the condenser is equal to the ambient temperature; the working fluid will permeate into the condenser. In this study we find conclude that the length of the condenser may be reduced from 14.28cm to 10.14cm without losing effectiveness.誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目 錄 IV 圖目錄 VI 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 3 1-3研究動機與目的 11 1-4研究方法 12 第二章 嵌入式熱管熱沉散熱模組介紹 14 2-1熱管基本原理 14 2-2嵌入式熱管熱沉散熱模組 16 2-3分析模式的建立 17 2-3.1實驗分析方法 17 2-3.2數值分析方法 26 2-3.3理論分析方法 28 第三章 兩相熱虹吸管散熱模組介紹 48 3-1兩相熱虹吸管基本原理 48 3-2兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組 49 3-3分析模式的建立 50 3-3.1實驗分析方法 50 3-3.2理論分析方法 56 第四章 結果與討論 72 4-1嵌入式熱管熱沉散熱模組結果與討論 72 4-1.1兩根嵌入式熱管熱沉散熱模組 72 4-1.2四根嵌入式熱管熱沉散熱模組 75 4-2兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組結果與討論 80 4-2.1實驗熱阻值 80 4-2.2系統水位變化 83 第五章 結論與建議 114 5-1結論 114 5-2建議 115 5-3本研究達成之目標 116 參考文獻 117 國內外著作發表 123 作者簡歷 125 圖目錄 圖1-1嵌入式熱管熱沉散熱模組產品圖 13 圖1-2兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組示意圖 13 圖2-1熱管構造示意圖 36 圖2-2熱管五種操作極限之示意圖 36 圖2-3嵌入式熱管熱沉散熱模組示意圖 37 圖2-4嵌入式熱管熱沉散熱模組 (a)傳熱路徑圖(b)鰭片溫度分佈圖 38 圖2-5嵌入式熱管熱沉散熱模組熱阻網路分析模式圖 39 圖2-6嵌入式熱管熱沉散熱模組實驗架設圖 39 圖2-7嵌入式熱管熱沉散熱模組重疊原理示意圖 40 圖2-8模擬發熱源示意圖 40 圖2-9數位式電源供應器 41 圖2-10數據紀錄器 41 圖2-11固定夾具示意圖 42 圖2-12 CFD模擬分析流程圖 42 圖2-13 EHPHSC V1.0程式撰寫流程圖 43 圖2-14 EHPHSC V1.0程式首頁圖 44 圖2-15 EHPHSC V1.0輸入參數1之圖 45 圖2-16 EHPHSC V1.0輸入參數2之圖 45 圖2-17 EHPHSC V1.0輸入參數3之圖 46 圖2-18 EHPHSC V1.0輸入參數4之圖 46 圖2-19 EHPHSC V1.0輸出結果之圖 47 圖3-1兩相封閉熱虹吸管示意圖 63 圖3-2兩相封閉迴路式熱虹吸管示意圖 63 圖3-3兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組熱阻網路圖 64 圖3-4兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組實驗架設圖 65 圖3-5冷凝器外管壁上相對溫度量測點位置 66 圖3-6模擬發熱源之實體圖 66 圖3-7風扇及風道裝置圖 67 圖3-8垂直平板上之冷凝薄膜分析圖 67 圖3-9蒸氣壓力與水位高度關係示意圖 68 圖3-10連接管路損失壓降計算方式示意圖 69 圖3-11冷凝器損失壓降計算方式示意圖 69 圖3-12程式撰寫流程圖 70 圖3-13 VBA運算介面 71 圖4-1兩根嵌入式熱管熱沉散熱模組分路熱量說明圖 90 圖4-2底板熱阻 及底板對流熱阻 對分路熱傳量 關係圖 91 圖4-3底板至熱管熱阻 及熱管對流熱阻 對分路熱傳量 關係圖 92 圖4-4熱管熱阻 對分路熱傳量 關係圖 93 圖4-5總熱阻 及介面熱阻 對總加熱功率 關係圖 94 圖4-6四根嵌入式熱管熱沉散熱模組分路熱量說明圖 95 圖4-7底板熱阻 及底板對流熱阻 對分路加熱功率 關係圖 96 圖4-8底板至內側熱管熱阻 、內側熱管熱阻 及內側熱管對流熱阻 對分路加熱功率 關係圖 97 圖4-9底板至外側熱管熱阻 、外側熱管熱阻 及外側熱管對流熱阻 對分路加熱功率 關係圖 98 圖4-10總熱阻 及接觸熱阻 對總加熱功率 關係圖 99 圖4-11垂直型式0.18mm燒結板冷凝熱阻 100 圖4-12垂直型式0.27mm燒結板冷凝熱阻 100 圖4-13垂直型式0.36mm燒結板冷凝熱阻 101 圖4-14垂直型式0.18mm燒結板對流熱阻 101 圖4-15垂直型式0.27mm燒結板對流熱阻 102 圖4-16垂直型式0.36mm燒結板對流熱阻 102 圖4-17功率60W下水平型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 103 圖4-18功率80W下水平型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 104 圖4-19功率100W 下水平型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 105 圖4-20功率120W 下水平型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 106 圖4-21功率140W 下水平型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 107 圖4-22功率60W 下垂直型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 108 圖4-23功率80W 下垂直型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 109 圖4-24功率100W 下垂直型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 110 圖4-25功率120W 下垂直型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 111 圖4-26功率140W 下垂直型式0.36mm燒結板冷凝管壁溫度分佈 112 圖4-27蒸氣腔體垂直型式內部水位高度差之理論值 113 表目錄 表2-1 工作流體性質表 35 表2-2 誤差傳遞之基本函數關係表 35 表4-1兩根熱管熱沉散熱模組各加熱功率下分路熱傳量之比例 86 表4-2兩根熱管熱沉散熱模組各分路熱傳量比例下之熱阻值 87 表4-3四根熱管熱沉散熱模組各加熱功率下分路熱傳量之比例 88 表4-4四根熱管熱沉散熱模組各分路熱傳量比例下之熱阻值 891922186 bytesapplication/pdfen-USU型熱管兩相熱傳嵌入式熱管熱沉散熱模組熱阻兩相封閉迴路式熱虹吸管散熱模組U-Shaped Heat PipeTwo-Phase Heat TransferEmbedded Heat Pipe Heat Sink CoolerThermal ResistanceTwo-Phase Closed Loop Thermosyphon Cooling Modulethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61384/1/ntu-96-D91522013-1.pdf