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系統識別號 U0002-2208201313371000
中文論文名稱 多孔均溫板升降溫循環之模擬分析
英文論文名稱 Simulation of Heating and Cooling Cycle in Multi-Well 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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 張宇勝
研究生英文姓名 Yu-Sheng Chang
學號 600370299
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-11
論文頁數 45頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-蔡孟昌
委員-王建評
中文關鍵字 PCR循環  蒸汽腔體  均溫性  升降溫速率 
英文關鍵字 PCR  Vapor Chamber  Temperature Uniformity  Heating and Cooling Rate 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 在生物科技上進行基因複製時,有一反應方法稱聚合酶連鎖反應,其複製溫床為一多孔均溫板,本文利用CFD數值模擬軟體在自然對流條件下,針對不同材質的多孔均溫板從常溫25℃升溫至95℃,接著降至55℃再升溫至72℃完成單一循環,從中進行均溫性及升、降溫速率之分析。
均溫板層結構分為上板及下板,上板厚度13.2mm包含173個直徑5mm、深度10mm的孔洞,下板為一矩形厚度為4mm,並在下方均溫分佈六片致冷晶片作為熱源,給予3.5A的電流。並利用七個觀測點來探討多孔均溫板之平面、三維均溫性及升降溫速率;而多孔均溫板材質選用銀質、銅質、鋁質以及蒸汽腔體來進行模擬分析,其蒸氣腔體內機制複雜,在模擬中以巨觀形式給定相關參數。
結果顯示,蒸汽腔體多孔均溫板能在最短時間裡完成循環,為四種材質裡最快。因蒸汽腔體有較大的熱擴散係數,所以溫差較小,其次為銀質多孔均溫板、銅質多孔均溫板,最後則是鋁質多孔均溫板。而在各階段的升降溫速率當中,主要以加熱至95℃為比較,蒸汽腔體比其他材質都能較快達到。而多孔均溫板從高溫降至低溫時,材料需要將熱量傳到空氣中,使得降溫的速率都不及升溫的快。
總結來說,多孔均溫板採用蒸汽腔體能使整個循環過程更快速地達到均溫,以符合效率及期待。
英文摘要 In this study, Polymerase Chain Reaction (PCR) heating and cooling cycle of multi-well vapor chamber (VC) heat spreader are simulated and analyzed by CFD software at natural convection condition. PCR cycle consists denaturing at 95 °C, annealing at 55 °C and extension at 72 °C. Thermoelectric coolers (TEC) are used as heating and cooling elements. Applying six TEC units on heat spreader, temperature uniformity, heating and cooling rate are studied.
Model size of the heat spreader is 112×75×17.2mm, and its structure is consisted of upper plate and lower plate. The upper plate is 13.2mm thick, and has 173 holes with a diameter of 5mm and a depth of 10mm for each. The lower plate is rectangular with a thickness of 4mm. The heat spreaders are made of four main materials: silver, copper, aluminum and vapor chamber. Temperature uniformity is assessed by comparing maximum temperature differences of heat spreaders.
The simulation results showed that the vapor chamber has better temperature uniformity than other materials because it has higher heat capacity, faster heating rate and higher coefficient of heat conduction. An asymmetric single source heating mode is also developed in the paper.
論文目次 誌謝 Ⅰ
中文摘要 VI
英文摘要 VI
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 X
符號說明表 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的 6
1.4 章節提要 7
第二章 理論分析 8
2.1 均溫板簡介 8
2.1.1腔體材料 9
2.1.2工作流體 9
2.1.3毛細結構 10
2.2 熱電效應 11
2.2.1 席貝克效應(Seebeck effect) 11
2.2.2 帕爾帖效應(Peltier effect) 12
2.2.3 湯姆遜效應(Thomson effect) 12
2.3 致冷晶片原理 13
2.4 模擬分析軟體介紹 14
2.4.1 基本假設 16
2.4.2 統御方程式 16
2.4.3 SIMPLE演算法 17
2.4.4 紊流方程式 19
第三章 模擬設置及方法 20
3.1 物理模型 20
3.1.1 蒸汽腔體參數 21
3.1.2 致冷晶片模組設置 22
3.2 邊界參數設定 23
3.3 觀測點設置 25
3.4 網格設定 25
第四章 結果與探討 28
4.1 非對稱性加熱模擬評估 28
4.1.1 模型建立 28
4.1.2 模擬及實驗比對 29
4.2 25℃-95℃-55℃-72℃溫度循環 32
4.3 均溫性 33
4.4 升降溫速率 40
第五章 研究總結 42
5-1 結論 42
5-2未來展望 43
參考文獻 44

圖1-1 PCR反應過程圖[3] 2
圖1-2 聚合酶鏈鎖反應機台使用均溫板示意圖[4] 3
圖1-3 蒸汽腔體溫度梯度圖[5] 3
圖1-4 蒸汽腔體之數值模型[7] 4
圖1-5 蒸汽腔體之溫度梯度分佈圖[8] 5
圖1-6 腔體內部分析之網格[9] 5
圖1-7 含致冷晶片之均溫板模組[3] (a)均溫板模組原型(b)簡化之模型 6
圖1-8 六熱源及雙熱源比較[13] 6
圖1-9 熱擴散係數測量方法[15] 6
圖2-1 Thermacore蒸汽腔體均溫板[17] 9
圖2-2 蒸汽腔體均溫板作動原理圖[9] 9
圖2-3 席貝克效應示意圖 11
圖2-4 帕爾帖效應示意圖 12
圖2-5 致冷晶片結構 14
圖2-6 致冷晶片作動圖 14
圖2-7 Icepak模擬分析的步驟圖 15
圖2-8 SIMPLE演算法求解程序示意圖[18] 18
圖2-9 鬆弛因子參數設定圖 18
圖3-1 均溫板模組示意圖(a)物理模型組合圖(b)物理模型爆炸圖 20
圖3-2 六熱源位置配置圖 21
圖3-3 致冷晶片半導體部份之參數設定 23
圖3-4 致冷晶片相關參數設置 23
圖3-5 邊界區域開放示意圖 (a)X-Z面(b)X-Y面 24
圖3-6 溫度觀測點配置圖 25
圖3-7 網格參數設定圖 26
圖3-8 組合件網格參數設定圖 27
圖3-9 使用Mesh assemblies separately之差異 (a)有使用(b)無使用 27
圖4-1 非對稱性加熱模組圖 29
圖4-2 觀測點及加熱源位置 29
圖4-3 銅板非對稱性加熱溫度曲線圖 (a)模擬結果(b)實驗結果 30
圖4-4 蒸汽腔體均溫板非對稱性加熱溫度曲線圖 (a)模擬結果(b)實驗結果 31
圖4-5完整PCR循環 32
圖4-6銀質、銅質、鋁質、蒸汽腔體多孔均溫板溫度循環 33
圖4-7 平面溫差觀測面 34
圖4-8 各材質於溫度觀測點之溫差比較 34
圖4-9 銀質多孔均溫板之三維溫度分佈 (a)95℃(b)55℃(c)72℃ 36
圖4-10 銅質多孔均溫板之三維溫度分佈 (a)95℃(b)55℃(c)72℃ 37
圖4-11 鋁質多孔均溫板之三維溫度分佈 (a)95℃(b)55℃(c)72℃ 38
圖4-12 蒸汽腔體多孔均溫板之三維溫度分佈 (a)95℃(b)55℃(c)72℃ 39
圖4-13 各材質於各溫度區間之速率比較 41

表3-1 各元件尺寸與選用材料表 21
表3-2 各材料之材質性質 21
表4-1 各材質達指定溫度之時間及平面及三維溫差表 40
表4-2 各材質之升、降溫速率值 41


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[20] Icepak 4.1 User’s Guide, 2003.
[21] Y. S. Chang, et. al “Temperature Uniformity and Heating Rate Simulation of Vapor Chamber Heat Spreader”, 11th International Heat Pipe Symposium, pp. 54-58, 2013.
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