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系統識別號 U0002-0407201710413300
中文論文名稱 應用於機房散熱之熱管散熱器研究
英文論文名稱 The Research of Data Center Cooling Using Heat Pipes Heat Exchanger
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 李哲尹
研究生英文姓名 Che-Yin Lee
學號 800370016
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2017-06-23
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-李世鳴
委員-李世鳴
委員-林顯群
委員-陳增源
委員-楊龍杰
委員-管衍德
中文關鍵字 能源使用效率  自然冷卻  熱管  田口法  熱管散熱器 
英文關鍵字 PUE  Free Cooling  Heat pipe  Taguchi method  Heat Pipe Heat Exchanger 
學科別分類
中文摘要 大數據時代的來臨,強悍的電腦運算速度、大量的資料儲存空間及高速的網際網路需求造就大量資料中心的興起。而在全球暖化、資源短缺的21世紀,如何將資料中心的耗能降到最低,即將資料中心的能源使用效率(PUE),降到最低是現今非常重要的節能減排課題。
空調是資料中心耗能最大的來源,自然冷卻是降低空調耗能最佳的手段,本研究嘗試以熱管散熱器來達到資料中心自然冷卻的目的。本研究分成三部分,第一部分是以田口法做虹吸熱管的各種參數,包括真空度、填充率、展弦比、傾斜角做最佳化模擬。第二部分是將熱管組成熱管散熱器之參數,包括鰭片間距、鰭片厚度、熱管排列做最佳化模擬分析,第三部份是將熱管散熱器放置於資料中心內的參數,包括熱管散熱器的數量、熱管散熱器的配置做最佳化模擬分析。
最後的結果顯示本研究所採用之數值離散方法確實對於虹吸熱管物理機制及傳熱性能分析具有適用性,也與實驗值相當一致、經數值模擬後熱管散熱器性能與實驗值相當吻合及資料中心節能率實驗值也與數值模擬值非常接近,並能得到最佳熱管散熱器的配置與數量。本研究能以最佳化的熱管、熱管散熱器設計及熱管散熱器配置來實現最低的資料中心PUE及最佳的節能率。
英文摘要 Big data age, the advent of powerful computer computing speed, a lot of data storage space and high-speed Internet needs to create a large number of data center rise. In the 21st century, the global warming and resource shortages, how to minimize the energy consumption of the data center, that is, the data center PUE (Power Usage Effectiveness) to a minimum is now very important energy-saving emission reduction issues.
Air conditioning is the most power consumption of data center, Free Cooling is the best way to reduce the power consumption of air conditioning, this study attempts to heat pipe heat exchanger to achieve the purpose of Free Cooling data center. This study is divided into three parts, the first part is the Taguchi method to do various parameters of the thermosyphon, including the vacuum, filling rate, aspect ratio, incline angle to do the optimization simulation, the second part is the heat pipe heat exchanger parameters , including fin spacing, fin thickness, heat pipe arrangement to do the best simulation analysis, the third part is the heat pipe heat exchanger placed in the data center parameters, including the number of heat pipe heat exchanger, heat pipe heat exchanger configuration to do optimization simulation analysis. This study aims to achieve the lowest data center PUE (Power Usage Effectiveness) with optimized heat pipe heat exchanger arrangement and heat pipe heat exchanger design.
論文目次 目錄

目錄 VI
表目錄 VIII
符號索引 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 虹吸熱管 9
1.4 自然冷卻 ( Free Cooling) 15
1.5 風側自然冷卻法 18
1.6 文獻回顧 18
第二章 數學及物理模型 25
2.1 虹吸熱管模擬模型 25
2.2 二相流模式概述 25
2.3 基本假設和統御方程式 28
2.4 初始條件與邊界條件 31
2.5 最佳填充率 31
2.6 熱阻定義 32
2.7 田口法 32
2.8 熱管熱交換器模擬模型 36
2.9 機房模擬模型 37
第三章 數值方法 40
3.1 概述 40
3.2 有限體積法( Finite Volume Method ) 40
3.3 離散法則 41
3.4 離散項數值求解方法 43
3.5 數值模擬設定 43
3.6 數值模擬流程 44
第四章 結果與討論 47
4.1 虹吸熱管數值驗證 47
4.2 熱管熱交換器數值驗證 64
4.3 案例一電信機房實證 65
4.4 案例二電信機房模擬分析 70
第五章 結論與未來展望 74
5.1 結論 74
5.2 未來研究方向 76
參考文獻 77
論文著述目錄 80
期刊論文 80
專利 81







圖目錄

圖1-1 原油月比較趨勢圖(美金/桶) 1
圖1-2 資料中心所面臨挑戰 2
圖1-3 資料中心的硬體設備耗電量 4
圖1-4 目前機房常用的散熱方式 5
圖1-5 企業機房PUE值一覽 7
圖1–6 傳統熱管 8
圖1–7 平板熱管 8
圖1–8環路熱管 8
圖1–9 熱柱 9
圖1–10 虹吸熱管示意圖 13
圖1–11 單管式虹吸熱管示意圖 14
圖1–12 迴路式虹吸熱管示意圖 15
圖1-13直接式水側自然冷卻流程示意圖 16
圖1-14間接式水側自然冷卻流程示意圖 17
圖1-15熱管熱交換器 17
圖1–16 虹吸熱管蒸發端長度比示意圖 19
圖1–17 虹吸熱管蒸發冷凝時程圖 20
圖1–18 虹吸熱管溫度分布圖 21
圖1–19 虹吸熱管路堤計算模型圖 22
圖1–20 虹吸熱管溫度分布圖 23
圖2–1 台隆節能3kW熱交換器 36
圖2–2 案例一電信機房 37
圖2–3 案例二電信機房 38
圖2–4 ASHRAE 機房設備入口溫、濕度規範 39
圖3–1 有限體積法二維控制體積示意圖 41
圖3–2 SIMPLE算則流程圖 45
圖3–3 數值模擬流程圖 46
圖4–1 M. Karthikeyan實驗模型 52
圖4–2 近邊加密網格示意圖 52
圖4–3 液汽相變化示意圖 53
圖4–4 30秒虹吸熱管底部蒸發現象 53
圖4–5 30秒虹吸熱管頂部蒸汽 54
圖4–6 30秒虹吸熱管壁面冷凝現象 54
圖4–7 30秒虹吸熱管底部液體 55
圖4–8 60秒虹吸熱管頂部蒸汽 55
圖4–9 60秒虹吸熱管底部液體 56
圖4–10 實驗與模擬比較圖 56
圖4–11 網格數31,360網格分佈 57
圖4–12 網格數62,720網格分佈 57
圖4–13 網格數87,220網格分佈 58
圖4–14 不同網格數壁面溫度比較圖 58
圖4–15 不同真空度比較圖 59
圖4–16 不同填充率比較圖 59
圖4–17 不同展弦比比較圖 60
圖4–18 不同傾斜角比較圖 60
圖4–19 因子回應圖 61
圖4–20 合肥通用機電產品檢測院熱交換器測試報告 64
圖4–21全年實測節能率 66
圖4–22 聯動模式下設備入口溫度分布圖 68
圖4–23 6部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 71
圖4–24 8部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 71
圖4–25 10部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 72
圖4–26 熱交換器冷卻能力比與空調取代率及節能率圖 72

表目錄

表1 1 去離子水與奈米流體熱通量比較表 22
表2 1 模型尺寸 25
表2 2 L9(34)直交表 33
表3 1 變量參數表 42
表4 1 模擬數據 61
表4 2 不同傾角模擬數據 62
表4 3 L9(34)直交表模擬結果 63
表4 4 變異數分析表 63
表4 5 因子各水準的平均值 63
表4 6 熱管熱交換器各參數模擬結果 65
表4 7 全年實測結果 67
表4 8 模擬值與實測值比較結果 70
表4 9 裝置6、8、10部熱交換器模擬結果 73

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