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系統識別號 U0002-1108200911152500
中文論文名稱 迴路式虹吸熱管模擬與性能測試之研究
英文論文名稱 A Study of Simulation and Thermal Performance on Loop Thermosyphon
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 林誌咸
研究生英文姓名 Chih-Hsien Lin
學號 696370435
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-21
論文頁數 94頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-楊秉純
委員-楊錫杭
委員-楊龍杰
委員-陳增源
中文關鍵字 迴路式虹吸熱管  熱傳風洞  增強沸騰結構 
英文關鍵字 Loop Thermosyphon  Wind Tunnel  Enhanced Boiling Structure 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究之迴路式虹吸熱管包含蒸發端、冷凝端,且其蒸發室內徑及高度皆為25mm。冷凝區管路的設計,使用七個平滑垂直館的方式,其外部尺寸為90mmx19mmx106mm,並經由Icepak熱流分析軟體,模擬出鳍片整體體積為76mmx60mmx67mm,鳍片間隙為8mm之散熱鰭片,並與此迴路式虹吸熱管進行組裝。本實驗採用三種增強沸騰結構,分別為無燒結結構、厚度1mm與4mm的燒結結構。工作流體為去離子水,於熱傳風洞尺寸大小為1040mmx200mmx200mm測試機台上,於不同風速(5.05m/s、3.09m/s、1.79m/s)、充塡量及增強沸騰結構進行測試比較。另外再以不同真空度,來探討對此迴路式虹吸熱管的性能影響。從實驗結果顯示,風洞風速、充塡量、增強沸騰結構及真空度對整體散熱性能有直接影響。
英文摘要 Experimental investigations were performed on a loop thermosyphon, consisting of a condensation section and an evaporation section. The evaporator chamber used in this study has an inside diameter of 25mm and height of 25mm. Three evaporators, without wick structure and with 1mm and 4mm thickness wick structures were examined in the test. The condenser is composed of 7 vertical smooth copper tubes with the dimensions of 90mmx19mmx106mm, According to the simulation result by Icepak, the volume of the plate fin heat sink is 76mmx60mmx67mm and the fin gap is 8mm, which are fabricated with loop thermosyphon. The experiments were conducted under the condition of 5.05m/s, 3.09m/s, and 1.79m/s wind velocity at surrounding temperature of 27°C, for heating powers from 20 to 80W, working fluid fill ratios of 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%. The experiments used water as the working fluid. When the system reached the steady state, the temperature was recorded in order to evaluate the performance of the thermosyphon. Effect of wind velocity, fluid fill ratio evaporator type and vacuum pressure were studies. Finally the results show that the wick structure can enhance the heat transfer effects directly.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
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 16
第二章 理論簡介 17
2-1虹吸熱管簡介 17
2-1-1 虹吸熱管型式 18
2-1-2 虹吸迴路式熱管之優點 20
2-2散熱鰭片熱傳導原理簡介 20
2-3沸騰理論介紹 21
2-3-1沸騰的基本模式 21
2-3-2成核理論 22
2-3-3池核沸騰表面粗糙度的影響 25
第三章 散熱模組之設計與模擬分析 26
3-1迴路式虹吸熱管結構 26
3-2 模擬分析軟體Fluent Icepak 28
3-2-1引言 28
3-2-2熱傳分析軟體的特點 29
3-2-3影響熱傳分析精度的因素 29
3-2-4分析方法與流程 29
3-3數值模型 31
3-4模擬結果 33
3-4-1間隙1mm散熱模擬分析 33
3-4-2間隙2mm散熱模組分析 35
第四章 實驗方法與性能測試 43
4-1測試項目 44
4-2實驗流程 46
4-2-1 設備架設 47
4-2-2 脫氣充填 48
4-2-3 性能測試 51
4-2-4加熱底板清潔 51
4-2-5 內部管路清潔 52
4-2-6 加熱平台熱電偶線溫度校正 52
4-2-7 加熱平台構造與原理 53
第五章 實驗結果與討論 55
5-1 無燒結結構-充填量比較 56
5-1-1 風速-5.05 m/s 56
5-1-2 風速-3.09 m/s 57
5-1-3 風速-1.79 m/s 58
5-2 厚度1mm銅粉燒結結構-充填量比較 59
5-2-1 風速-5.05 m/s 59
5-2-2 風速-3.09 m/s 60
5-2-3 風速-1.79 m/s 61
5-3 厚度4mm銅粉燒結結構-充填量比較 62
5-3-1 風速-5.05 m/s 62
5-3-2 風速-3.09 m/s 63
5-3-3 風速-1.79 m/s 64
5-4 真空度的影響 65
5-5 分析與探討 66
5-5-1 風速的影響 66
5-5-2 充填量的影響 71
5-5-3 增強沸騰結構的影響 75
第六章 總結與建議 77
6-1 總結 77
6-2 未來建議 79
參考文獻 80
APPENDIX A 83
APPENDIX B 94

圖目錄
圖1-1 一般常見之散熱方式 2
圖1-2 增強沸騰結構示意圖 3
圖1-3 柵形結構 4
圖1-4 安裝於電腦作性能測試 4
圖1-5 U形管迴路式虹吸熱管性能測試 5
圖1-6 水平傳輸之迴路式虹吸熱管性能測試 5
圖1-7 實驗架設示意圖 6
圖1-8 對流係數與熱通量關係6
圖1-9 強制對流與自然對流性能比較 6
圖1-10 冷凝區結構示意圖 7
圖1-11 不同形式沸騰結構之熱阻比較圖 7
圖1-12 3M單管式虹吸熱管結構圖 8
圖1-13 熱阻與輸入功率關係 9
圖1-14 厚度1mm燒結結構-甲醇 充填量對於性能的影響 10
圖1-15 微溝槽增強沸騰結構 11
圖1-16 不同散熱方式之性能 11
圖1-17 虹吸熱管散熱裝置 12
圖1-18 進口風速與熱源溫度關係圖 12
圖1-19 銀奈米流體於整體效能提升比較平板結構 13
圖1-20 銀奈米流體於整體效能提升比較銅粉燒結結構 13
圖2-1 虹吸熱管作動示意圖 17
圖2-2 單管虹吸熱管 18
圖2-3 迴路式平行熱虹吸熱管 19
圖2-4 迴路式虹吸熱管 19
圖2-5 基本沸騰模式 22
圖2-6 過熱表面成核過程 23
圖2-7 池沸騰區域加熱面的蒸氣結構 24
圖2-8 各種不同增強沸騰表面 25
圖3-1 迴路式虹吸熱管爆炸圖 27
圖3-2 迴路式虹吸熱管組合圖 27
圖3-3 模擬分析流程圖 30
圖3-4 整體散熱模組物理模型 32
圖3-5 間隙1mm散熱模擬分析模型圖 33
圖3-6 間隙1mm散熱模擬分析溫度分佈圖 34
圖3-7 間隙1mm散熱模擬分析流場分佈圖 34
圖3-8 間隙2mm散熱模擬分析溫度分佈圖 35
圖3-9 間隙2mm散熱模擬分析流場分佈圖 36
圖3-10 間隙3mm散熱模擬分析流場分佈圖 37
圖3-11 間隙4mm散熱模擬分析流場分佈圖 37
圖3-12 間隙5mm散熱模擬分析流場分佈圖 38
圖3-13 間隙6mm散熱模擬分析流場分佈圖 38
圖3-14 間隙7mm散熱模擬分析流場分佈圖 39
圖3-15 間隙8mm散熱模擬分析流場分佈圖 39
圖3-16 間隙9mm散熱模擬分析流場分佈圖 40
圖3-17 間隙10mm散熱模擬分析流場分佈圖 40
圖3-18 鰭片間隙與熱源溫度曲線圖 42
圖4-1 散熱鰭片實體圖 43
圖4-2 鰭片與迴路式虹吸熱管組裝示意圖 43
圖4-3 平板結構加熱底板 44
圖4-4 4mm銅粉燒結底板 45
圖4-5 1mm銅粉燒結底板 45
圖4-6 實驗流程圖 46
圖4-7 測試設備示意圖 47
圖4-8 LW9015熱傳風洞 48
圖4-9 真空幫浦 50
圖4-10 真空計 50
圖4-11 充填管路連接方式 50
圖4-12 加熱平台示意圖 53
圖5-1 無燒結結構-風速5.05m/s 充填量對性能的影響 56
圖5-2 無燒結結構-風速3.09m/s 充填量對性能的影響 57
圖5-3 無燒結結構-風速1.79m/s 充填量對性能的影響 58
圖5-4 厚度1mm燒結結構-風速5.05m/s 充填量對性能的影響 59
圖5-5 厚度1mm燒結結構-風速3.09m/s 充填量對性能的影響 60
圖5-6 厚度1mm燒結結構-風速1.79m/s 充填量對性能的影響 61
圖5-7 厚度4mm燒結結構-風速5.05m/s 充填量對性能的影響 62
圖5-8 厚度4mm燒結結構-風速3.09m/s 充填量對性能的影響 63
圖5-9 厚度4mm燒結結構-風速1.79m/s 充填量對性能的影響 64
圖5-10 厚度1mm燒結結構-風速5.05m/s 真空度對性能的影響 65
圖5-11 無燒結結構-充填量40% 風速對性能之影響 66
圖5-12 無燒結結構-充填量40% 風速性能提升圖 67
圖5-13 厚度1mm燒結結構-充填量30% 風速對性能之影響 68
圖5-14 厚度1mm燒結結構-充填量30% 風速性能提升圖 68
圖5-15 厚度4mm燒結結構-充填量30% 風速對性能之影響 69
圖5-16 厚度4mm燒結結構-充填量30% 風速性能提升圖 70
圖5-17 氣泡生成靜力平衡圖 72
圖5-18 增強沸騰結構對於臨界熱通量之影響 73
圖5-19 去離子水於銅粉燒結結構之沸騰關係圖 74
圖5-20 去離子水於平板結構之沸騰關係圖 74
圖5-21 風速為5.05m/s 增強沸騰結構對性能的影響 75
圖5-22 銅-不繡鋼網層數對熱傳導係數的影響 76
圖5-23 銅網層對於沸騰熱傳的影響76

表目錄
表1-1 風流量為200CFM之性能比較 3
表1-2 測試條件及結果 9
表1-3 增強沸騰結構參數表 14
表1-4 增強沸騰結構文獻整理 15
表3-1 模擬參數表 32
表3-2 鰭片間隙1mm散熱模擬分析結果一覽 35
表3-3 鰭片間隙2mm散熱模擬分析結果一覽 36
表3-4 鰭片間隙1~10mm散熱模擬分析結果一覽 41
表5-1 實驗操作參數 55
表5-2 去離子水於各真空度下飽和溫度比較表 65
表5-3 風速5.05 m/s-各組最佳充填量最佳表面溫度 71
表5-4 表面結構與成核半徑對照表 73
表5-5 風速為5.05m/s 增強沸騰結構有效降低表面溫度比較 75

參考文獻 參考文獻
[1] R. C. Chu, R.E. Simons, and G.M. Chrysler, “Experimental Investigation of an Enhanced Thermosyphon Heat Loop for Cooling of a High Performance Electronics Module”, 14th IEEE SEMI-THERM Symposium, pp.1-9, 1999.
[2] M. H. Beitelmal and C. D. Patel,” Two-Phase Loop: Compact Thermosyphon”, Internet Systems and Storage Laboratory HP Laboratories Palo Alto, 2002
[3] D. Khrustalev,” Loop Thermosyphons for Cooling of Electronics”, 18th IEEE SEMI-THERM Symposium, pp.145-150, 2002.
[4] R. Khodabandeh,” Thermal Performance of a Closed Advanced Two-Phase Thermosyphon Loop for Cooling of Radio Base Stations at Different Operating Conditions”, Applied Thermal Engineering, Vol.24, pp.2643-2655, 2004.
[5] S.Gima, T.Nagata, X.Zhang, and M. Fujii,”Experimental Study on CPU Cooling System of Closed-Loop Two-Phase Thermosyphon”, Heat Transfer—Asian Research, Vol.34, pp.147-159, 2005.
[6] P.E. Tuma and H.R. Mortazavi,”Indirect Thermosyphons for Cooling Elecyronic Devices”, Electronics Cooling, Volume12, Number 1, pp.26-32, 2006.
[7] 謝志昇,”迴路式虹吸熱管之增強沸騰結構”,淡江大學機械與機電工程學系 碩士論文, 2006
[8] X.Hu and D.Tang,” Experimental Investigation on Flow and Thermal Characteristics of a Microphase-Change Cooling System with a Microgroove Evaporator”, International Journal of Thermal Sciences, Volume46, Number 1, pp.1163-1171, 2007
[9] 孫志堅,王立新,王岩,昊存真,岑可法, ”重力型熱管散熱器傳熱特性的實驗研究”,浙江大學學報,Volume41, Number 8, 2007.
[10] 陳建佑,”奈米流體應用於迴路式虹吸熱管之效益”,淡江大學機械與機電工程學系 碩士論文, 2008
[11] 陳冠廷,”熱虹吸冷卻之蒸發器增強沸騰結構研究”,國立雲林科技大學機械工程學系 碩士論文, 2008
[12] http://www.stormfax.com/beaufort.htm
[13] A. Pal, Y.K. Joshi, M.H. Beitelmal, C.D. Patel and T. M. Wenger, “Components and Packaging Technologies”, IEEE Transactions on Packaging and Manufacturing Technology, Part A: Packaging Technologies, Vol.25, No.4, 2002
[14] N. Khan, D.Pinjala and K.C.Toh,” Pool Boiling Heat transfer Enhancement by Surface Modification I Micro Structures for Electronics Cooling: A Review”, IEEE Electronics Packaging Technology Conference, 2004
[15] Harper, D.R. and W.B.Brown, “Mathematical Equation for Heat Conduction in the Fins of Air Cooled Engineers”, N.A.C.A. Report, pp.158, 1922
[16] M. Jacob, “Heat Transfer”, John Wiley, New York, 1949.
[17] Gardner,K.Aa.“Efficiency of Extended Surfaces”, Trans. ASME, J.Heat Transfer, C, Vol. 67, pp. 621-631, 1945.
[18] Carier and Anderson “Resistance to Heat Flow Through Finned Tubing”, ASHRAE Trans., Vol.50, 1944.
[19] 潘欽,“沸騰熱傳與雙相流”,國立編譯館主編,俊傑書局印行,2001
[20] F. Kreith,and M.S. Bohn, “Principle of Heat Transfer”, Brooks Cole, USA, 2001
[21] 張志新,“放射撞鰭片散熱器之數值模擬與參數探討”,國立台灣科技大學機械工程系碩士學位論文,(2003)。
[22] 管衍德,“桌上型電腦散熱器之性能評估與設計”,第二十屆機械工程研討會論文集,民國九十二年十二月。
[23] 管衍德,“放射狀顯示卡散熱模組之熱傳分析”,第十屆全國計算流體力學學術研討會,民國九十二年八月。
[24] J.P.O'Connor,S.M.You, and D.C. Price, ”A Dielectric Surface Coating Technique to Enhance Boiling HeatTransfer from High Power Microelectronics”, IEEE Transactions On Components, Packaging, and Manufacturing Technology-Part A, Vol.18, No.3,1995.
[25] A.AboEl-Nasr, S.M.El-Haggar, ”Effective Thermal Conductivity of Heat Pipe”,Heat and Mass Transfer, Vol.32, pp.97-101, 1996
[26] R.Kempers, D.Ewing, C.Y.Ching, “Effect of number of mesh layers and fluid loading on the performance of screen mesh wicked heat pipes”, Applied Thermal Engineering, Vol.26, pp.589-595, 2006.

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