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系統識別號 U0002-1508201112325200
中文論文名稱 多孔蒸汽腔體均溫板之均溫性模擬分析
英文論文名稱 Temperature Uniformity Analysis of Multi-Well Vapor Chamber Heat Spreader
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 許峻翔
研究生英文姓名 Chun-Hsiang Hsu
學號 698371050
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-27
論文頁數 47頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-楊錫杭
委員-林玉興
委員-陳育堂
委員-楊龍杰
委員-康尚文
中文關鍵字 多孔均溫板  蒸汽腔體  均溫性模擬分析 
英文關鍵字 multi-well heat spreader  vapor chamber  temperature uniformity analysis 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究利用計算流體力學CFD軟體在自然對流條件下針對多孔均溫板之均溫性與升溫速率進行模擬分析。多孔均溫板(長112 mm ×寬 75 mm ×高17.2 mm)包含96個直徑5mm、深度10mm孔洞結構,首先分別以雙熱源及六熱源於1200W加熱功率下針對多孔均溫板材質為鋁、銅、銀及蒸汽腔體進行分析比較。其次,以六熱源加熱方式於188、300、600及1200W加熱功率下探討其升溫速率。
結果顯示,六熱源加熱時之均溫性較雙熱源佳,另於雙熱源及六熱源加熱條件下,蒸汽腔體均溫板因具較高之熱傳導係數而有較佳之均溫性,其次為銀質均溫板、銅質均溫板,與鋁質均溫板。升溫速率則以鋁質與銀質均溫板較快,其次為銅質均溫板,蒸汽腔體均溫板則因較大之熱含量,升溫最為緩慢。均溫板將隨加熱功率之增加而提高升溫速率,但亦同時降低其均溫性。
英文摘要 In this study, temperature uniformity and heating rate of heat spreaders with multi-well are simulated and analyzed by CFD software under natural convection condition. The heat spreader (112mm in length; 75mm in width and 17.2 mm in thickness) includes 96 holes with a diameter of 5mm and a depth of 10mm. Firstly, multi-well heat spreaders made of aluminum, copper, silver, and vapor chamber are simulated and compared, when dual and six heat sources are applied at a heating power of 1200W. Secondly, with six heat sources at heating power of 188, 300, 600, and 1200W, the heating rate of heat spreaders are studied. Results shown that temperature uniformity in six heat sources mode is better than dual sources mode. Vapor chamber heat spreader has the better temperature uniformity both in six sources and dual sources mode due to a higher thermal conductivity, followed by silver, copper and aluminum heat spreader. Aluminum and silver heat spreader show the higher heating rate, followed by copper heat spreader, vapor chamber heat spreader due to a larger heat capacity, heat up the slowest. Furthermore, with the heating power increasing, the heating rate of heat spreader is increasing, but also reduces the temperature uniformity.
論文目次 目 錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目 錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明表 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 均溫板簡介(作動原理及應用) 1
1.3 研究目的 4
第二章 理論分析 5
2.1 模擬分析軟體簡介 5
2.2 物理模型 6
2.3 基本假設 8
2.4 統御方程式(Governing Equations) 8
2.4.1 質量守恆方程式( Mass Conservation Equation) 8
2.4.2 動量守衡方程式(Momentum Conservation Equation) 8
2.4.3 能量守恆方程式(Energy Conservation Equation) 9
2.4.4 浮力流與自然對流 9
2.5 邊界條件 11
第三章 數值方法 15
3.1 通用守恆方程式(Generic Conservation Equation) 15
3.2 有限體積法 15
3.3 SIMPLE演算法 18
3.4 鬆弛因子(Under-Relaxation Factor) 19
3.5 網格化設置 19
3.6 殘值 20
3.7 網格測試 21
3.8 收斂度測試 23
第四章 結果與討論 25
4.1 鋁質均溫板六熱源升溫過程 25
4.2 鋁質均溫板雙熱源升溫過程 29
4.3 均溫板之比熱與熱傳導係數 34
第五章 結論與未來建議 41
參考文獻 42
附錄 43

圖目錄
圖1-1 均溫板之作動原理示意圖[3] 2
圖1-2 各流體之對流熱傳係數圖[4] 2
圖1-3 一般鋁鰭片與搭配均溫板的鰭片之溫度分佈圖[5] 3
圖1-4 聚合酶鏈鎖反應機台使用均溫板示意圖[7] 3
圖2-1 Icepak求解流程圖[9] 5
圖2-2 整體物理模型示意圖 6
圖2-3 求解區域示意圖 6
圖2-4 均溫板之幾何模型示意圖 7
圖2-5 散熱鰭片幾何模型示意圖 7
圖2-6 邊界面長度設定示意圖 11
圖2-7 邊界面條件設定示意圖 12
圖2-8 模型細部設定示意圖 13
圖3-1 控制體積格點示意圖 15
圖3-2 SIMPLE演算法求解程序示意圖[12] 18
圖3-3 多孔均溫板與鰭片之集合(Assembly)示意圖 19
圖3-4 單獨劃分網格(Non-conformal Meshing)示意圖 20
圖3-5 多孔均溫板之溫度擷取點示意圖 21
圖3-6 多熱源均溫機台之穩態溫度分佈X-Y平面圖 21
圖3-7 各網格數之量測點溫度分佈圖 22
圖3-8 網格數204203多孔均溫板之穩態溫度分佈圖 23
圖3-9 各收斂度之量測點溫度分佈圖 24
圖3-10 輻射考慮與否之溫度擷取點溫度分佈圖 24
圖4-1 六熱源188W之殘值收斂曲線圖 25
圖4-2 模擬熱源溫度及孔洞底部溫度示意圖 26
圖4-3 孔洞底部與熱源之模擬升溫曲線圖 26
圖4-4 孔洞底部與熱源之實驗升溫曲線圖 27
圖4-5 均溫板於90℃之孔洞底部溫度分佈圖 27
圖4-6 測試機台於90℃之溫度分佈圖 28
圖4-7 Y-Z平面之溫度分佈圖 28
圖4-8 X-Y平面之溫度分佈圖 28
圖4-9 鋁質均溫板熱源之模擬與實驗升溫曲線圖 29
圖4-10 雙熱源加熱平台示意圖 30
圖4-11 雙熱源288W之殘值收斂曲線圖 30
圖4-12 孔洞底部與熱源之模擬升溫曲線圖 31
圖4-13 鋁質均溫板孔洞底部與熱源之實驗升溫曲線圖 31
圖4-14 測試機台於90℃之溫度分佈圖 32
圖4-15 Y-Z平面溫度分佈圖 32
圖4-16 X-Y平面溫度分佈圖 32
圖4-17 鋁質均溫板孔洞底部溫度分佈圖 33
圖4-18 鋁質均溫板熱源之模擬與實驗升溫曲線圖 33
圖4-19 鋁質均溫板於不同瓦數之熱源平均溫度升溫曲線圖 35
圖4-20 蒸汽腔體均溫板於不同瓦數之熱源平均溫度升溫曲線圖 36
圖4-21 鋁質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 1.58℃) 37
圖4-22 銅質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 1.09℃) 37
圖4-23 銀質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 0.94℃) 37
圖4-24 蒸汽腔體均溫板於1200W之溫度分佈圖( 0.81℃) 38
圖4-25 鋁質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 3.12℃) 38
圖4-26 銅質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 2.00℃) 39
圖4-27 銀質均溫板於1200W之溫度分佈圖( 1.76℃) 39
圖4-28 蒸汽腔體均溫板於1200W之溫度分佈圖( 1.42℃) 39
圖4-29 固定加熱功率1200W之六熱源與雙熱源均溫性分析 40
圖4-30 不同加熱功率下六熱源各材質均溫性與升溫速率比較 40

表目錄
表1-1 熱管等效熱傳係數測試表 4
表2-1 各元件之名稱、尺寸及選用材料表 13
表2-2 基本設定表 13
表2-3 各材料之材料性質表 14
表3-1 網格劃分之數據表 23
表4-1 無孔洞均溫板之升溫時間與其熱擴散係數倒數關係表 34
表4-2 均溫板之材料性質表 35
表 附1-1 六熱源鋁製均溫板於188W之誤差分析表 43
表 附1-2 雙熱源鋁製均溫板於288W之誤差分析表 43
表 附2-1 蒸汽腔體均溫板比熱與熱傳導性質試誤表 44
表 附2-2 雙熱源蒸汽腔體均溫板之誤差分析表 45
表 附3-1 六熱源蒸汽腔體均溫板於 188W之誤差分析表 47
參考文獻 [1] 紀崇仁,「晶圓快速熱處理模擬」,國立成功大學,機械工程學系碩士學位論文,2002。
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[7] LightCyclerR 480,https://www.roche-applied-science.com
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[9] Icepak 4.1 User’s Guide, August 2003.
[10] 熱管及熱板設定篇,http://icepak.cadmen.com.
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[12] V. Ambatipudi, “SIMPLE Solver for Driven Cavity Flow Problem”, Department of Mechanical Engineering Purdue University West Lafayette, Indiana 47906.
[13] 黃建民,「計算流體力學碩士班講義」,國立勤益科技大學教授。
[14] Icepak網格劃分影片教學,米克仿真網。
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