建國技術學院機械系 專題製作報告
中央處理器散熱片冷卻分析
指導老師:蔣祥第 老師 班級：二技機械二甲 學生：林君玟 91101003 林佳慶 91101012 陳正群 91101020 劉冠宏 91101026 陳聖文 91101028 黃裕勝 91101043
指導老師簽名：
中華民國九十二年十二月 1
摘要 隨著科技的進步，在市面上的許多產品的設計都有趨向小體積化的設計，體 積小就必須面對溫度發散的問題，所以設計上會利用幾何形狀或是不同材質的應 用以及另外加裝散熱的裝置，例如筆記型電腦在其外型上的設計越來越趨於小體 積化，其體積越小當中得電子零件的安裝就會越趨於密集，所以零件溫度的降低 是一大問題，溫度過高會造成系統的不穩定及軟體運作效能的減緩，所以設計上 會採用高傳熱材質當作外殼或是設計幾何形狀加裝散熱裝置，利用風扇來使機身 產生空氣對流排出熱氣，達到降溫的效果。本研究是製作一組發熱器採用不同形 狀之外型加上風扇，配合上溫度感測器跟操作面板跟 Labview軟體的分析，利用 其分析出的溫度變化跟散熱效應來做討論跟研究 。
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目錄 頁次 摘 要...............................................................i 目 錄...............................................................ii 圖目錄..............................................................iii 表目錄..............................................................v 一、緒論............................................................1 1.1前言........................................................1 1.2計畫流程....................................................2 二、軟體簡介........................................................3 2.1Unigraphics.................................................3 2.2Labview.....................................................3 2.3Solidworks.................................................6 三、硬體簡介........................................................9 3.1操作面板....................................................9 3.2溫度感測器.................................................11 3.3熱電偶溫度感測元件.........................................15 四、實驗模組介紹...................................................19 4.1設備材料...................................................19 4.2工件材料...................................................19 五、散熱片實驗操作步驟.............................................25 5.1第一階段實驗步驟...........................................25 5.2第二階段實驗步驟...........................................25 六、熱傳分析理論...................................................26 6.1基本散熱知識...............................................26 6.2散熱方法與途徑.............................................32 七、研究與分析.....................................................36 7.1群組分類...................................................36 7.2實驗結果...................................................37 7.2.1散熱片溫度範圍比較...................................37 7.2.2散熱速率比較.........................................38 7.2.3群組個別比較.........................................40 7.3結果分析...................................................44 八、結論...........................................................46 參考文獻...........................................................67
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圖目錄 頁次 圖3-1自動調溫器工作原理...........................................11 圖3-2Thermistor工作原理與特性曲線.................................12 圖3-3電偶基本原理.................................................13 圖3-4兩線式電阻溫度計.............................................14 圖3-5三線式電阻溫度計.............................................14 圖4-1壓克力材料圖形...............................................19 圖4-2集中式壓克力材料圖形A1.......................................20 圖4-3集中式壓克力材料圖形A2.......................................20 圖4-4幅射式壓克力材料圖形B1.......................................21 圖4-5幅射式壓克力材料圖形B2.......................................21 圖4-6幅射式壓克力材料圖形B3.......................................22 圖4-7多孔式壓克力材料圖形C1.......................................22 圖4-8多孔式壓克力材料圖形C2.......................................23 圖4-9條狀式壓克力材料圖形D1.......................................23 圖4-10條狀式壓克力材料圖形D2......................................24 圖4-11條狀式壓克力材料圖形D3......................................24 圖6-1分子運動引起能量擴散與熱傳導的關係 ...........................27 圖6-2一維的熱傳導.................................................28 圖6-3熱對流中邊界層的形式.........................................29 圖6-4熱對流過程(a)強迫對流自然(b)自然對流(c)沸騰(d)凝結...........30 圖6-5輻射熱交換(a)在表面(b)表面與周圍環境.........................31 圖7-1集中式群組...................................................36 圖7-2幅射式群組...................................................36 圖7-3多孔式群組...................................................36 圖7-4條狀式群組...................................................36 圖7-5各組散熱片最高溫度範圍 .......................................37 圖7-6各群組平均最高溫度範圍 .......................................38 圖7-7各組散熱片溫度開關量測範圍 ...................................39 圖7-8各組散熱片量測範圍差異圖 .....................................39 圖7-9各組散熱片散熱速率比較 .......................................39 圖7-10集中式群組散熱速率比較 ......................................40 圖7-11幅射式群組散熱速率比較 ......................................41 圖7-12多孔式群組散熱速率比較 ......................................41 圖7-13條狀式群組散熱速率比較 ......................................42 4
圖7-14各群組散熱速率比較..........................................43 圖7-15氣流流向圖..................................................44 圖7-13氣流流場圖..................................................44 圖7-13散熱片群組圖................................................45 圖1散熱分析模組...................................................47 圖2散熱分析模組...................................................48 圖3SC2001操作面板.................................................49 圖4散熱分析模組結構圖.............................................50 圖 5LabviewThermister.vi程式擋...................................51 圖6集中式散熱片設計圖A1...........................................52 圖7集中式散熱片設計圖A2...........................................53 圖8輻射式散熱片設計圖B1...........................................54 圖9輻射式散熱片設計圖B2...........................................55 圖10輻射式散熱片設計圖B3..........................................56 圖11多孔式散熱片設計圖C1..........................................57 圖12多孔式散熱片設計圖C2..........................................58 圖13條狀式散熱片設計圖D1..........................................59 圖14條狀式散熱片設計圖D2..........................................60 圖15條狀式散熱片設計圖D3..........................................61 圖16集中式散熱片A1刀具路徑圖......................................62 圖17集中式散熱片A2刀具路徑圖......................................62 圖18輻射式散熱片B1刀具路徑圖......................................63 圖19輻射式散熱片B2刀具路徑圖......................................63 圖20輻射式散熱片B3刀具路徑圖......................................64 圖21多孔式散熱片C1刀具路徑圖......................................64 圖22多孔式散熱片C2刀具路徑圖......................................65 圖23條狀式散熱片D1刀具路徑圖......................................65 圖24條狀式散熱片D2刀具路徑圖......................................66 圖25條狀式散熱片D3刀具路徑圖......................................66
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表目錄 頁次 表3-1SC2001規格表..................................................9 表3-2熱電偶溫度感測器使用限度 .....................................13 表6-1材料之熱傳導係數.............................................35 表7-1各組散熱片溫度範圍...........................................37 表7-2各組散熱片散熱速率比較 .......................................38 表7-3集中式群組散熱速率...........................................40 表7-4幅射式群組散熱速率...........................................40 表7-5多孔式群組散熱速率...........................................41 表7-6條狀式群組散熱速率...........................................42 表7-7各群組散熱速率比較...........................................43
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一、緒論 1.1前言 隨著 CPU處理的速度提升，它發散的熱量也越來越大，電子零件因為溫度上 升，電流不變、電阻增大，運行上的效能的確有差，因此保證 CPU的的散熱良好， 是讓電腦穩定的前提，散熱工作按照散熱方式可以分成主動式散熱跟被動式散熱 兩種，主動式散熱很簡單，就是經由散熱片把溫度自然發散到空氣中，因為是自 然發散熱量，所以效果不是很好，其散熱效果與散熱片大小幾何形狀成正比，目 前常用的的散熱設備是風冷散熱器，被動式散熱它的原理是利用風扇來使電腦機 殼內部產生空氣對流，使溫熱量發散出去，以達到降溫的目的，要讓 CPU的工作 溫度保持在合理的範圍內，除了降低其工作環境溫度外，就是給 CPU進行散熱處 理，另外主機外殼的幾何形狀設計也是一大重點 ，因為電腦內部是一個密閉空 間，其外型上的設計就會朝向讓其形成一個對流場的形狀設計 ，設計其外殼上氣 孔的設置，讓其有效的形成最佳對流的幾何外形。我們這次的主題是就是採用一 組模擬相同情形的結構設計設備 ，來探討其散熱跟對流場效應 。
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1.2計畫流程
利用 Solidworks設計相同面積的 幾何圖形散熱片
利用 Unigraphics繪製加工圖形
Unigraphics加工模擬
利用 CNC銑床來加工
設計模組的硬體裝配與線路配線
Labview與 SC2001操作
將幾何圖形散熱片
面板的軟硬體整合
進行分類
初次實驗模擬
第一階段 ∆T實驗
第二階段 溫降速率實驗
研究結果分析討論
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二、軟體簡介 2.1Unigraphics介紹： 傳統上，當設計師完成一個新產品的設計時，必須將此產品的設計藍圖 （Blueprints）轉至製造部門，製造工程師則根據藍圖上所表達的訊息規劃加工 的方法，並完成製造。然而由經驗顯示，設計與製造之間往往因缺乏聯繫，而存 有某種程度的隔闔。而在現代化 CAD/CAM技術中，所強調的即是加強設計與製造 間的聯繫管道，以避免因設計上之不良，導致加工的困難；並希望能縮短由設計 到加工完成的時間，以提高效率。為了達到此一目標，則需仰賴 CAD系統所提供 的資料庫，這個資料庫記載了產品設計與製造的相關訊息，此相關資訊不僅可以 節省籃圖的繪製與人工傳遞，最重要的是透過電腦的強大處理與分析能力，可以 自動產生製造上許多重要的資料 ，大幅減輕了製造工程師的負擔 。 UGII的加工模組（Manufacturing）即依據上述的觀念，承接由 UGII模型 設計（Modeling）模組所建構的 3D模型資料，直接進行加工規劃，快速產生加 工所需的資料（一般為 NC程式） ，使設計到製造所使用的資料統一化，加工完成 的工件，與原始設計模型之間，不致存有誤差，更不需再進行修改加工。 UG是目前市場上功能最極致的產品設計工具。它目前不但擁有現今 CAD/CAM 軟體功能中功能最強的 Parasolid實體建模核心技術，更提供高效能曲面建構能 力，能夠完成最複雜造形設計 。UG提供工業標準之人機介面 ，不但易學易用， 更有無限次數的 undo功能、方便好用的彈出視窗指令 、快速圖像操作說明、自 訂操作功能指令及中文化操作介面等特色，並且擁有一個強固的檔案轉換工具 ， 能轉換各種不同 CAD應用軟體的圖檔，以重覆使用舊有資料。 Unigraphics（UG）是一套複雜的產品設計製造的最佳系統 ，從概念設計到 生產產品，UG廣泛的運用在汽機車業、航太業、模具加工及設計業、醫療器材 產業等等，近年來更將觸角深及消費性市場產業中最複雜的領域 －工業設計。運 用其功能強大的複合式建模工具 ，設計者可依工作的需求選擇最適合的建模方 式；關聯性的單一資料庫，使大量零件的處理更加穩定。除此之外，組立功能、 2D出圖功能、模具加工功能及與 PDM之間的緊密結合，使得 UG在工業界成為一 套無可匹敵的高階 CAD/CAM系統。
2.2LabVIEW介紹： LabVIEW（LaboratoryVirtualEegineeringWorkbench）是由 National instrument公司，於 1986年所發展出的一種繪圖程式語言，又稱為 G •LabVIEW 。 9
在程式設計方面，則是以圖形方式編輯程式，在程式結構部分，又可稱為虛擬儀 表（VirtualInstrument）的儀器控制軟體，而 LabVIEW是可以完全整合控制的 通訊界面，例如：GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS485等，以及支援資料擷取 DAQ （DataAcquisition）與影像擷取（ImageAcquisition）的功能。 又因 LabVIEW是一個完全以 32-bit環境，編輯與執行程式的作業系統 ，因 此可以提昇程式在執行時的速度，快速獲取所需的資料、測試訊號及量測結果， 也可以建立程式獨立執行 的功能。另外在區域網路方面，LabVIEW也可以透過視 窗作業系統的驅動程式與設定功能，支援多種可與外部信號連接的方式，譬如： TCP/IP網路通訊協定、ActiveX、以及 DLLs等功能，獲取更多的資源共享附加 價值，而達到更進一步在網路監控方面的應用 。 LabVIEW提供下面數種功能，包括建立系統資料庫與資料的蒐集 、分析、顯 示、以及儲存等功能。在程式發展方面，程式編輯者可藉由一些小程式去體驗 ， 使用 LabVIEW的方便性，而 LabVIEW所使用的專有名詞，及一些圖示符號都是一 般科學家和工程師所熟悉，而不像 C、C++等程式語言，必須透過文字的語言敘 述程式動作。不過 LabVIEW也相對地保留一些傳統程式設計工具，提供編輯者善 加利用。 舉例來說，你可以在 LabVIEW程式中，任何位置加入中斷點（Breakpoint）， 做暫停程式的執行，或是設定以單步（Single-Step）執行程式的功能。使程式 在執行時，有如被賦於生命般更加靈巧 ，另一特點便是自動偵錯（Auto Debugging）功能，讓程式編輯者更容易去設計程式 。在 LabVIEW程式的真實世 界裡，可從很簡單的系統應用到複雜的程式執行，皆可利用圖控編輯方式來完成 它。 不論，LabVIEW帶給程式編輯者的方便性如何，程式最重要的部分是在人機 介面的設計，是否可以做到真正虛擬儀表功能，而且更方便地操作儀器的設定 。 這才是程式設計的最終目的 。所以說前置面板（FrontPanel）是程式系統的靈 魂中心，下面舉個虛擬儀表前置面板為例，由圖中你可以體會一下，虛擬儀表面 板與真實儀器面板之差異。然而，虛擬儀表面板的設計，考驗著程式編輯者，控 制面板的人性化與精確性的程式設計技巧 。 由於在 LabVIEW的圖示區，所提供的圖像型的程式編輯環境，不僅可省去記 憶指令的困擾，也直接縮短了學習與適應的時間。不僅可以運用自己的方法，建 立科學及工程系統的程式架構，而且 LabVIEW也提供了適當的彈性，及一個完備 的程式 Help功能，讓程式編輯者能十分的容易 ，解決一些較困難的複雜的程式 設計技巧。 目前 LabVIEW已成功地提供數以千計的程式編輯與使用者，一個嶄新而且較 快速的方法，去設計儀器控制系統與資料擷取系統。LabVIEW對於儀器控制與量 測方面，擁有相當強大的功能，可藉由 GPIB（GeneralPurposeInt erfaceBus） 監控儀器系統，也可透過區域網路的方式，直接與電腦連線，從事訊號的量測、 分析、數據儲存與資料的擷取等功能，因而可提昇了工作效率，以及數據資料的 10
精確度。 除了 GPIB控制功能之外，LabVIEW系統也提供數位與類比的轉換功能 ，如 資料擷取 DAQ（DataAcquisition）系統，可做為資料傳遞之用。乃是利用擷取 介面卡，再經由儀器的測量取得的類比訊號，便可轉換為一般電腦所能接受的數 位訊號。同樣地，也可以藉由介面轉換功能，將電腦的指令由數位化轉為類比訊 號，驅動被控制的物件，以達到監控與量測的效果 。 在程式設計與應用上，LabVIEW作業系統可提供使用者不同需求，如系統程 式設計、系統測試、儀表監控、資料擷取、以及做為示範教學…等。如此一來， 不僅縮短在系統方面的發展時間，同時也提升儀器再監控時的精準性與可靠度 。 由 VI程式所設計出的虛擬儀表 ，不論在外觀與操作方面，都與真實儀表十分地 相似；但在程式編輯方式，卻不同於一般的語言程式 。 LabVIEW在主程式系統方面，可區分為三個主要的部份分別為 ：前置面板 （FrontPanel）、程式方塊流程圖（BlockDiagram）、以及圖像和連接器 （Icon/Connector）。前置面板主要的是使用者 ，去設定輸入端的值，同時亦提 供輸出、輸入物件的選擇，從程式方塊流程圖中，便可以觀察輸出的值。然而在 前置面板部份：可以設計成為和真實儀表依樣的控制面板，在其輸入端部份稱為 控制端，而輸出端部份稱為顯示端 （Indicators）。使用者可以依不同的需求 ， 自行設計控制對應端與顯示對應端，例如：所使用的旋鈕、開關、按鍵、圖表等 皆可自行設計，以便了解與掌握控制器的功能 。 前置面板乃是人機界面溝通的主要區域，每一個前置面板皆含有程式方塊流 程圖，也就是程式的部份。簡單來說，它是一個以圖繪編輯器來編寫程式的環境， 無需繁瑣的指令語法，在程式方塊流程圖區，所組成的部份皆使用圖像來表示， 其程式的結構則是將每一個圖像透過線段連接方式，把所有的物件連結起來，讓 資料藉由連線方式達到傳輸目的 。 可從下面範例得知，在 LabVIEW世界裡，編輯程式其實是件很簡單的事，它 的優點是可以更簡化程式的功能 。簡單的說便是將 VI程式的全部或其中的一部 份，以 SubVI的方式建立成為一個子程式（Subroutine）程式方塊流程圖，其功 能有如副程式一般，在圖像與連接器部份，可以由你自行定義，最後才決定輸入 和輸出，在程式中的終端點（Terminal）有如的變數，和前置面板的控制器與連 接器一樣，如同下面 TemperatureVI程式範例，所建立的圖像和連接器。 而 LabVIEW最引以為傲的功能，是可以利用圖像方式製作出高品質的 VI程 式，並可以不斷地重覆使用它，不會受限於使用的次數與方式，有如副程式一般。 試舉一簡單的範例，設有一個華氏與攝氏溫度的基本轉換的 TemperatureVI程 式，從範例程式中去學習在編輯時，所需的物件為何？並認識所有物件的基本型 態與應用，以及了解 VI程式的架構。首先；必須知道前置面板內的物件型態 ， 如控制端與輸入（Input）及顯示端與輸出（Output）的關係，更進一步學習如 何運用它們。 在另一視窗是 LabVIEW的程式部份，因為程式產生方式是以圖像表現，所以 11
又稱為程式方塊流程圖（BlockDiagram）。在連續執行時，TemperatureVI程 式範例，可以容易的見到程式結果，當程式執行的過程，會記錄資料每一筆資料， 然後再經由圖形方式輸出波形。有時在使用（連續執行鍵）時，卻無法詳細觀察 輸出波形變化，但可以透過設定觀察的次數，或將執行時間的延長，而達到觀察 波形變化。 LabVIEW的另一項特色便是檢視資料流向的功能，此功能主要是讓程式編輯 者，便於了解程式的運作情形，以利隨時修改程式之參考。當 Vis程式在執行時， 欲顯示出資料流量與流向方式，則可以透過按下資料流向顯示鍵來加以觀察。這 時 LabVIEW系統會以較慢的執行速度，顯示出圖示物件與節點之間的資料流量 ， 再每完成一個節點的執行後，該節點便會釋放出所有的輸出直送到下一個節點 ， 以及顯示出資料流量方向 。
2.3SolidWorks簡介： SolidWorks2003合理且有效率的紀錄整個模型的建構歷史 ；亦可隨意修改 及傳達設計的涵義與歷程 。 1. 隨著可以變更尺寸、加入關聯條件與修改幾何形狀；特徵之間甚至可以 相互對調，或是導退回溯至先前狀態。所有設計資料 100﹪可以編輯修 改；零件，組合件及工程圖之間具有互動的關聯性，隨時可以更新並永 遠保持最正確的設計。 2. 完全與 Windows相同的使用環境，例如：下拉式功能表、由標點選功能、 剪下與貼上、滑鼠拖曳與置放（DragandDrop）等；讓設計工作更加 快速與容易。 3. 特有的〝特徵管理員〞FeatureManager，可以有效率的組織與管理複 雜的設計流程。 4. 提供的〝特徵調色盤〞FeaturePalette，將經常使用的標準零件與特 徵有組織的分類，並且紀錄儲存起來。更可以透過網際網路（InterNet） 下載分享全球使用者建立的標準零件與特徵 。 5. 完全免費提供的圖面瀏覽軟體 SolidWorksViewer。 6. 最新的 AutoCAD繪圖指令列切換環境（AutoCADEmulator），讓使用者 最快速的由 2D進入到完全 3D的設計方式。 (1)檔案的轉換： SolidWorks2003內建的圖檔轉換工具，讓使用者可以與其他的 CAD軟體， 無縫的轉換與傳遞。支援各種的 CAD檔案格式，包含 IGES 、DXF 、DWG 、SAT 、STL、 STEP、VDAFS、VRML與 Parasolid等。由外部檔案輸入的曲面可以自動的縫合成 12
實體，並且有快速曲面診斷的功能 ，以及非常容易移除與置換曲面等 。 完全相容 AutoCAD2D的 DWG與 DXF的圖檔，包含顏色、線條形式以及圖層。 (2)工程圖： SolidWorks2003提供製作完成工程圖所需要的工具 ，完全正確且快速的產 生所有工程圖。 1. 由 3D實體模型完全自動的產生工程圖 ；包含所有視圖、尺寸標註以及 圖面註解。 2. 工程圖與實體模型之間永遠保持關聯性 ，當修改工程圖或是實體模型 時，所有相關的視圖、零件與組合件將會立即自動的更新為最正確的尺 3. 4. 5.
6.
寸。 強大的細部詳圖與剖面視圖的功 能，以及支援工程圖彩色列印、圖層管 理與常見的 2D作圖功能，大幅減化工程圖的製作。 可自動插入經常使用的標準符號 ，或是使用者自訂的符號、註解與範 本。 自動建立新的視圖，不同圖頁間可以任意剪貼與複製視圖；尺寸與符號 可由詳細的控制設定工具，變換各種規範；還可自動產生工程圖表與自 訂的材料清單。 支援世界各國標準規範，諸如：ANSI 、BS 、DIN 、ISO 、JIS與 GOST等。
(3)組合件： SolidWorks2003能讓直接參考其他零件來產生新的零件 ，並且保持零件相 互間的關聯性；無論是由上而下（top-down）或是由下到上（bottom-up）的設 計方式，SolidWorks2003提供最大生產效率。 1. 組合件可以動態模擬出機構之間的運動 。 2. 完全真實的模擬出實體的運動狀態，組合件運動過程中如遇到碰撞與干 涉便會自動停止，並顯示告知相互發生碰撞干涉的零件與表面 。 3. 只需要特徵管理員中，選擇欲加入次組合件的零件，即可由原來的組合 件中，再另外分出新的次組合件 。 4. 智慧型的自動配合功能（SmartMates），完全自動的參考並完整定義組 合零件間的相互關聯性。 5. 獨步全球的輕量抑制功能（lightweight） ，讓大型組合件間的管理與運 作，永遠保持最佳化的效能。 6. 完整的組合件與所屬的次組合之間，只需單一的連結資料庫，即可隨時 紀錄與更新各種的變化以及組合件規劃 。
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(4)零件： SolidWorks2003提供所有製作實體模型所需要的功能 ，甚至比目前所期望 的更多，也更完整。 1. 擁有最容易使用的伸長擠出與旋轉塑型功能，以及超強的製作薄殼與導 圓角能力。 2. 即時的動態更新所編輯的特徵或草圖 。 3. 利用新的 3D草圖環境，可以非常容易作出 3D路徑曲線；配合強大的掃 出與層疊拉伸的功能，即可塑造出各種複雜曲面造型 ，或是 3D管路的 製作。 4. 利用可預視的光源，可以隨意控制影像的品質 。 5. 製作實體時可以在曲面或外型線上，點選並任意的拖曳變形，得到預期 的形狀。 (5)整合應用： SolidWorks2003所建立 3D實體體模型，是整個設計生產流程的核心 ，它 可以接收及輸出完整的檔案資料，提供給上、下游作業原始檔案，例如快速原型 製作、有限元素應力分析、機構模擬、CNC加工曲面，或仿真產品影像製作。
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三、硬體簡介 3.1操作面板： 本次使用感測實驗硬體採用巨克富科技有限公司開發之 SC2001-V1.0的操 作面板，利用其模組上的數據擷取功能加上外接式的溫度感測元件，搭配LABVIEW 軟體，將感測結果測量出來。以下為SC2001-1教學模組的簡介: 表3-1SC2001規格表 名稱
數量
SC2001-1
1
50pin排線
1
~115cm長
手動 Pulse產生器（MPG）
1
600Pulse/rev
Loadcell
1
50磅、SType、2mV/V
Thermocouple
1
Ktype
RTD
1
3線式 Pt100
Thermister（內建於 SC2001-1）
1
8~10kΩ，負溫度係數（NTC）
位移感測器
1
Inductivetype，0~6mm-0~5V
音叉
1
~440Hz
使用說明書
1
Ver1.0
範例磁片
1
整理箱
1
規格
電 路 板 測 試 . llb ， AI Example.llb， AO Example.llb， DIO.llb， Counter.ll b， 應 用 範 列.llb L*W*H=400*300*200mm
使用說明: 1.AD卡 50pin排線接座(搭配 NationalInstrument68F-50MAdapter與 PCI-6023EorPCI-6024EDAQ卡 )。 2.AC110電源接座，此電源提供所有類比訊號，包括 AD590(CH0)、熱敏電阻 (CH1) 、光敏電阻(CH2) 、波型(CH3) 、Microphone(CH4)及 10Ma電流源使用， 如未使用上述 Channel，可不接此 AC110電力輸入。 3.AC110電源開關。 4.類比電源指示燈，當 AC110電力輸入一旦 AC110電源開關 ON時，此燈亮表示 類比電源狀況良好。 5.3X3溫度矩陣(Thermister)，其對應接點 JT11(CH8)、JT12(CH9)、 JT13(CH10)、JT21(CH11)、JT22(CH12)、JT23(CH13)、JT31(CH14)、 15
JT32(CH15)、JT33(CH7)。 6.10mA電流源，使用時請依板上標註，Iout為 10Ma電流源輸出端，GND為電 流源地端，使用上請注意此 GND接點與 AD卡之地端是相連通。 7.DAQ卡 CH5 、CH6輸入端，使用時請依板上標註，AIGND為 DAQ卡之地端(修正 為 AISENSE)，ACH6連接至 DAQ卡 CH6，ACH5連接至 DAQ卡 CH5。(應用這兩 個 Channel時 DAQ卡模式要設成 NRSE模式) 8.5V電壓源，使用時請依板上標註，5V為 5V電壓源輸出端，GND為電壓源地 端。 9.調整波形(CH3)之頻率旋鈕，順時針旋轉時，頻率增加，反之則頻率減少。 10.波形選擇 JUMPER，CH3之波形選擇，在此提供三角波、正弦波與方波，使用 時請依板上標註，TRIANGLE為三角波、SIN為正弦波、SQUARE為方波。 11.光敏電阻(CH2)。 12.熱敏電阻(CH1)。 13.AD590(CH0)。 14.Microphone(CH4) 15.為 DAQ卡數位輸出，DAQ卡 DIO4~7對應至 Jdo0~Jdo3，其輸出接點，依序為 NC為常閉接點、NO為常開接點。 16.DI外接電源，使用時請依板上標註，Vex+為外接電源+端，GNDEX為外接電源 地端。 17.為 DAQ卡數位輸入，DAQ卡 DIO0~3對應至 DI0~DI3。 18.為 DAQ卡 Counter輸入，使用時請依板上標註，GND為 DAQ卡地端，B連接至 DAQ卡 Counter1，A連接至 DAQ卡 Counter0，8V為 8V電壓源輸出端。 19.DAQ卡之外接輸出點，使用時請依板上標註，GND為 DAQ卡之地端，PFIO/TRIGI 連接至 DAQ卡 PFIO/TRIG。 20.DAQ卡之外接輸出點，接點定義如同板上標註。 21.8V電壓源，在 110V電源 ON時才有電壓。 註 1：DAQ卡需設定為 RSEmode，在應用範例中，若使用到 ACH5或 ACH6 時，程式會自動切換至 NSREmode。
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3.2溫度感測器： 在精密機械設計的概念上，相當注重系統整體的精確性與穩定性，因此對於 系統操作環境的要求也相對提高，這些考慮的因素依照系統設計的不同而有不同 的考慮，其中溫度類型的因素最常引起系統的誤差，因此在一般的設計上都會將 溫度資料設為其中一項參數，以補正的方式將誤差消弭，使系統更趨於穩定。除 了機密機械需要運用到溫度資料，其實在人類日常生活中也常常運用到，例如空 調系統、冰箱、消防器材等，這些商品化的產品除了可以利用電腦系統擷取溫度 資料外（其實只有在實驗室的應用中使用 ），絕大部份是利用溫度開關或是簡單 的溫度控制器(PIDcontroller)達到控制的目的，因此在以下的介紹中將一一介 紹溫度開關、溫度感測器、資料擷取傳輸系統、以及PID控制器的原理與運用。 溫度感測元件大致可分為以下幾種 一、自動調溫器(thermostat) 自動調溫器如圖3-1所示，主要工作原理是利用雙金屬複合簧片受熱而產生 變形量不一，造成簧片整體朝膨脹量較少的一端彎曲變形 ，達到定溫跳脫的功 用，與一般工業配電常使用之積熱電驛（thermalrelay，或稱overloadrelay） 是同樣的原理；但是自動調溫器為模組化元件，跳脫溫度於製程中已決定，無法 如積熱電驛可以利用調整簧片預力的方式 ，達到於線上及時調整跳脫溫度的功 能。
圖3-1自動調溫器工作原理 自動調溫器最常運用於家電用品之過熱保護裝置 ，例如吹風機、電鍋、以及 一些需要超載使用的電器，例如冰箱壓縮機的馬達。為保護防止長時間超載運轉 而使得馬達過熱燒毀 ，會在馬達線圈中埋設自動 調溫器，當馬達線圈溫度過高 時，自動調溫器做動切斷電源達到保護的功能 。 二、Thermistor Thermistor主要工作原理是利用物質受熱產生電阻變化 ，進而造成物質兩 端電壓改變 （如圖3-2所示）。一般使用正溫度係數 (positive temperature coefficient,PTC)的溫度感測器，亦即當溫度上昇電阻隨之上昇 （非線性）， 如圖七 右側所示之特性曲線，可以發現thermistor之電阻值RPTC變化與溫度 17
υPTC之關係，其中υNET代表thermistor之額定反應溫度，一般υNET誤差 範圍在絕對溫表5K之間，同時在低於零下20ºC時也保證RPTC大於250 。此外 還有負溫度係數(negat ivetemperaturecoef ficient,NTC)之溫度感測器可供 不同需求應用。
圖3-2Thermistor工作原理與特性曲線 溫度感測元件的種類也相當多，最簡單的元件就是熱敏電阻，另外在工業實 務應用上還有白金電阻溫度計 (PTRTD) ，鉻鋁合金熱電偶(CAK) ，鐵、銅、鎳合金 熱電偶(ICJ) ，白金熱電偶(PRR) ，以及熱阻器(TH) ；這些元件的原理都是利用溫 度的變化改變材料的電阻，再以電壓方式輸出，其中熱敏電阻、電阻溫度計、以 及熱阻器都是正溫度感測元件間接將溫度的變化轉換成電阻的變化，而熱電偶型 式的元件則是利用兩組不同材質的電阻溫度計，以差動的方式求取兩組電阻溫度 計間的電壓差。 三、熱電偶(thermalcouple) 熱電偶溫度感測元件由於是以差動電壓表示溫度，因此在兩組資料進行差動 運算時，已將外部雜訊干擾消除，因此穩定性比一般熱敏電阻、電阻溫度計、以 及熱阻器來的好，也因此廣為工業界使用。熱電偶的基本原理係由兩種不同金 屬 線焊接或絞合在一起，以構成一環路（如圖3-3），不同金屬在環路上造成兩個 接合點，其中一個接點稱為量測接點或熱接點 ，另一接點稱為參考接點或冷接 點，此兩接點置於不同溫度中會因溫度差而造成環路電壓 （稱作由Seeback效 應），電壓值與兩接點的溫度差成正比 ，同時滿足以下關係式：
2
1
Q A QB d
（1）
其中Q為金屬的熱傳導係數。
18
圖3-3電偶基本原理 在實際上，金屬的熱傳導係數QA ，QB與溫度幾乎無關，因此式(1)可以簡化 成如式(2)的趨近線性的關係式，這也是一般較常使用的關係式 。
2 1
（2）
熱電偶溫度計通常又可分成包覆熱電偶與裸露熱電偶兩種，所謂包覆熱電偶 是指熱電偶外部有包覆一層金屬護套，從外觀上看似電湯匙，兩者的差異在於使 用場合的不同，包覆型一般用在量測流體溫度，裸露型則多用在量測氣體溫度 。 此外不同種類的熱電偶，所能感測的溫度範圍、及輸出訊號也不同，同時熱電偶 溫度感測器的最高使用溫度也隨不同材質與元件線徑而變 ，歸納如表3-1所示。 表3-2熱電偶溫度感測器使用限度 檢出器材質代號 白金熱電偶 (PRR)
鉻鋁合金熱電偶 (CAK)
鐵、銅、鎳合金熱電偶 (ICJ)
元件線徑(㎜) 正常使用限度(℃)超熱使用限度(℃) 0.5
1400
1600
0.65
650
850
1.0
750
950
1.6
850
1050
2.3
900
1100
3.2
1000
1200
0.65
400
500
1.0
450
550
1.6
500
650
2.3
550
750
3.2
600
800
19
四、電阻溫度計(resistancetemperaturedetectors,RTD) 如同之前所述，電阻溫度計的工作原理是利用物質受熱而產生的電阻變化 量，因此利用電橋電路將訊號放大輸出，是一般電阻溫度計最明顯的特徵。電阻 溫度計有分成兩線式與三線式，如圖3-4所示為兩線式電阻溫度計，其中L1 、L2為 溫度計導線之阻值，在兩線式電阻溫度計中直接將導線阻值加入至 RTD(RT)之阻 值變化中，因此R1、R2、R3的安排需視實際接線狀況做調整 。
圖3-4兩線式電阻溫度計 如圖3-5之三線式電阻溫度計，當電橋平衡時代表著V0=Vout ，亦即沒有電 流流過L3，此時若環境溫度改變使得 RT改變，造成電橋不平衡，因此可以在 Vout 端量得電壓值。使用三線式電阻溫度計的好處 ，在於倘若導線材質均勻且 長度相等則L1=L2，因此可以消除因導線阻值變化所造成的誤差 。
圖3-5三線式電阻溫度計 電阻溫度計(RTD)的優點在於精確性較一般熱電偶佳 ，就整體而言電阻溫度 計的精確度可以達到0.01K，同時配合上印刷電路板、光罩等晶圓產品的製程， 20
可以在相當大批量的生產下仍然保持一定水準的良率 。 不論是哪一種溫度感測器，在架設安裝時都應注意安裝的位置是否適當，針 對不同種類的溫度感測器於安裝時需注意下列幾點 ： 1.熱阻器溫度感測元件使用於高溼度環境中時，絕對不可採用接合器將元件與導 線連結，以防止漏電。 2.白金溫度感測元件由於元件端部有 60mm長度之白金，因此若因量測需要彎曲 感測器，應離端點70mm以上。 3.包覆型熱電偶溫度元件由於係取護管全長溫度之平均值，因此插入深度需達護 管直徑之10倍至20倍。 4.裸露型熱電偶溫度元件安裝時應裝在導線與塑膠護套接合處，同時亦需注意溫 度是否會造成塑膠護套熔化 。 5.量測液體溫度時，溫度感測元件需與流體流向相反 ，才能獲得正確之量測數 據，因此安裝時需考慮是否穩固 ，不受液體之擾動而晃動。 6.導線均應該盡量遠離電源及負載線路，同時導線不得纏繞糾結，以防止溫度感 測元件受到雜訊之干擾。 7.電阻溫度計在連接時應特別注意電器迴路的阻值，同時也需注意環境溫度的變 化，以防止造成誤差。
3.3熱電偶溫度感測元件： 本次是試驗所採用的是熱電偶溫度感測元件，工業上以熱電耦做為溫度計使 用，可以獲得較高的溫度量測範圍，也是同樣測量類型儀表中，價格較低廉的一 種。一般它是被使用在攝氏數百度到一千多度之間 ，適合於中高溫測量。 席貝克效應又名微熱電效應，為席貝克博士在 1822 年所發現的。其現象為 當兩種不同性質的金屬連接在一起時，而形成一個閉迴路。使其兩個端點產生一 溫度差，則在迴路裏會有電流通過 。而溫度較高的接點被稱微熱接點 （hot junction），也就是熱電耦的輸出端，而其輸出的信號為一直流模式 。 熱電效應主要是因不同種類的金屬其所擁有的自由電子數不同。當不同種類 的金屬連接在一起時，會造成接觸面的自由電子移動 ，而在兩金屬間產生電位 差。而此電位差受接觸面積和接觸不同的溫度差，即金屬的種類所決定。當兩接 觸端點溫差一樣時（同溫時），使端點所產生的熱起電勢 ，因此迴路中沒有任何 電流。相反的，若兩端溫度不一致，導致熱起電勢而產生一電流，由高電動勢往 低電動勢流動。 由於熱電耦是由兩種不同材料的金屬或何金接何在一起，同時它所產生的電 壓為直流電壓，因此它必存在正、負極性，使用時必須加以注意。 熱電偶是一種換能器，它將熱能轉化為電能，用所產生的熱電動勢測量溫度。 該電動勢實際上是由接觸電動勢 （Peltier電動勢）與溫差電動勢（Thomson電 21
動勢）所組成。 1、接觸電動勢（Peltier電動勢） 不同導體內部的電子密度是不同的，當兩種電子密度不同的導體 A與 B相互 接觸時，就會發生自由電子擴散現象，自由電子從電子密度高的導體流向密度低 的導體。電子擴散的速率與自由電子的密度及所處的密度成正比 。假如導體 A 與 B的電子密度分別為 NA、N B並且 N A> NB，則在單位時間內，由導體 A擴散到導 體 B的電子數比從 B擴散到 A的電子數多，導體 A因失去電子而帶正電，導體 B 因獲得電子而帶負電，因此，在 A和 B間形成了電位差。一但電位差建立起來之 後，將阻止電子繼續由 A向 B擴散。在某一溫度下，經過一定的時間，電子擴散 能力與上述電場阻力平衡，即在 A與 B接觸處的自由電子擴散達到了動態平衡 ， 那麼，在其接觸處形成的電動勢，稱為 peltier電動勢或接觸電動電動勢，用符 號ΠAB（T）表示。由電子擴散理論ΠAB（T）可用下是表示： ΠAB（T）＝KT/ClnNA/NB -23 式中，K－波耳曼常數，等於 1.38*10 焦耳/ ℃ -10 e－電荷單位，等於 4.802*10 庫倫；N A ，NB－分別為在溫度為 T時，導體 A與 B 的電子密度；T－接觸處的溫度，K。 熱電偶回路的 Peltier電動勢只與導體的性質和兩接點的溫度有關。溫差越 大，接觸電動勢越大，兩種導體電子密度比值越大 ，接觸電動勢也越大。 如果 A，B兩種導體材質相同，即 NA＝N B，則ΠAB（T ）－ΠAB（T 0）＝0 。 如果 A ，B的材質不同，但兩端溫度相同，即 T＝T0，則ΠAB（T）－Π AB（T0）＝0。 2、溫差電動勢（Thomson電動勢） 由於導體兩端溫度不同，而產生的電動勢稱溫差電動 勢。由於溫度梯度的存 在，改變了電子的能量分布，高溫（T）端電子將向低溫（T0）端擴散、致使高 溫端因失電子而帶正電，低溫端恰好相反，因獲電子而帶負電。因而，在同一導 體兩端也產生電位差，並阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最後達到一個平衡狀 態，此時所建立的電位差稱溫差電動勢等於相應的接觸電動勢與溫差電動勢的代 數和。 EAB（T，T0）＝ΠAB（T）－ΠAB（T0）－∫TT0（σA－σB）dT 在熱電偶閉合回路的總熱電動勢中 ，接觸電動勢比溫差電動勢大得多 ，因 此，接觸電動勢的極性決定了熱電偶的極性。熱電偶的兩條金屬導線 中，電子密 度較大的導線為正極線，電子密度較小的導線為負極線 。 熱電偶之基本定律 1、均質導體定律 由一種均質導體（或半導體）組成的閉合回路，不論導體（或半導體）的結 面和長度如何以及各處的溫度分布如何 ，都不能產生熱電動勢。 在均質導體 A組成的閉合回路，由於㏑（NA，T/NA，T）＝0 ，所以該回路中美個結面 上的 Peltier效應都等於零。但是，導體 A是處於溫度梯度的溫場中 （T＞T0） 所以 Thomson電動勢在相鄰的截面上仍然存在 ，其電勢為σAdT，但是由於回路 22
的上半部和下半部的 Tho-mson電動勢大小相等，方向相反，於是整個回路總的 Thomson電動勢等於零，即
0
A
B d 0
因此，無論熱源在什麼位置，導體的長度以及其結面的幾何尺寸如何，回路 都不會有熱電動勢輸出。 均質導體定律告訴我們，如果熱電偶的兩熱電即是由兩種均質導體組成，那 麼熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。當 用均質的熱電偶在不同的溫度梯度場裡測溫時，假定這時熱電偶測量端溫度都在 1000℃，參考端溫度都是 20℃，那麼這時熱電偶所產生的熱電動勢值都是相等 的。如果熱電偶的熱電極為非均質導體，那麼它們在不同的溫場裡將產生不同的 熱電動勢值，這時，我們如果僅根據熱電動勢的大小（如檢定證書值）來判斷熱 電偶測量端溫度的高低，就會帶來誤差，所以，熱電極材料的均勻性是衡量熱電 偶品質的主要指標之一。 2、中間導體定律 用熱電偶測溫時，在測量回路中必須引入顯示儀表和連接導線等，而這些導 線與熱電極材料往往是不同的。於是就提出這樣一個問題，當其他金屬材料引入 熱電偶回路後，對溫度測量有沒有影響？這個問題，就由中間導體定律來回答 。 在熱電偶回路中，只要中間導體兩端溫度相同，那麼接入中間導體後，對熱電偶 回路的總熱電動勢沒有影響 。 利用熱電偶測溫時，顯示儀表和連接導線可以看做中 間導體，根據中間導體定 律，只要顯示儀表和連接導線兩端溫度相同，那麼它們對熱電偶產生的熱電動勢 就沒有影響。 3、中間溫度定律 熱電偶回路兩接點溫度 T 、T 0的熱電動勢等於熱電偶在溫度為 T和 T i時的熱 電動勢與熱電偶在溫度為 Ti和 T 0時的熱電動勢的代數和，其中 T i為介於 T和 T 0 之間的一個中間溫度。回路總熱電動勢： EAB（T，T i，T 0）＝E AB（T ，Ti）＋E AB（T i，T 0） 在實際測溫回路中，中間溫度定律式應用補償導線的理論基礎 。 4、參考電極定律 參考電極定律指出：如果將熱電極 C （一般為純鉑絲）做為參考電極（也稱 標準電極），並之參考電極與各種熱電極配對時的熱電勢 ，那麼在相同接點溫度 （T，T0）下，任意兩熱電極 A、B配對熱電勢可按下式求得 ： EAB（T，T0）＝EAC（T，T0）－EBC（T，T0） 由此可知，以之兩導體分別與參考極組成的熱電偶，就可以根據參考電極定 律計算出新組合的熱電偶的電動勢 。 補償導線 補償導線分為兩種，一種是延伸（exten-sion）型，它的材質與熱電偶材質 23
相同；一種是補償（compensation）型，它的材質與熱電偶的材質不同 ，如表 1 所示。使用補償型補償導線時，應注意補償導線與熱電偶連接 處的兩端溫度保持 相等，否則會產生測量誤差。 使用補償導線的主要目的在降低溫度量測系統中溫度感測器 （熱電偶）的成本， 其原理為補償導線基本上也是一種熱電偶，而且其熱電動勢與所其補償之熱電動 勢在低溫段（0~200℃）非常相近，但其價格遠低於一般熱電偶 。對同一類型熱 電偶而言，其最高使用溫度與其線徑之熱電偶，因此便可降低成本且保持相同之 精度，此即延伸型補償導線之原理。若補償導線要拉很長，則延伸型補償導線可 能就不太適合，因為它的線徑，單位長度的電阻大，所以回路電阻較大，且其價 格較補償導線高，因此當補償導線要拉很長且不要 求高精度時，建議採用補償型 補償導線。它基本上也是一種熱電偶，但其使用價格較低之線材，其熱電動勢與 所其補償之熱電偶之熱電動勢在低溫段 （0~200℃）非常相近，因此便可大幅降 低成本，但也稍微降低溫度量測精度 ，此即補償型補償導線之原理 。 補償導線不能消除參考端溫度不為 0℃的影響。因此，還應該將補償導線與 儀錶連接處的溫度修正到 0℃（冷接點補償）。使用補償導線時，復籍與復籍相 連接，且補償導線之形式必須正確 ，否則會產生很大的測量誤差 。 冷接點補償 所有熱電偶之參考表都是以 0℃為參考端（referencejunction）溫度，而 在大多數應用熱電偶之場合，參考端溫度大多在室溫附近，且會隨室溫變化，所 以必須補償參考端溫度對 0℃之熱電動勢，否則會產生量測誤差。圖 7所示為冷 接點補償示意圖，一般做法為再溫度計或溫控氣之熱電偶輸入端附近裝置一枚溫 度感測器，再利用補償電路將溫度感測器所測得之冷接點（參考端）溫度轉換成 電動勢，此電動勢係與熱電偶之熱電動勢相串聯 ，這樣便完成冷接點補償。 熱電偶之熱電動勢必須加上參考端溫度對 0℃之熱電動勢，此熱電動勢之和，才 能表示熱電偶量測端（熱端）之溫度。
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四、實驗模組介紹 4.1設備材料 1.PHILIPS清光燈泡 (120V、100WATT)×1 2.12公分系統擾流風扇 (尺寸 120×120×25㎜，電流電壓 12V(DC) 、0.27A ，風扇 轉速 3000rpm，風量 61CFM)×1 3.SC2001-1教學模組 ×1。 4.Thermocouple(Ktype)×1。 5.電源控制開關 ×1。 6.壓克力側邊面板(170×100×10㎜)×16。 壓克力上下面板(170×120×10㎜)×2。 壓克力前方面板(120×120×10㎜)×1。 壓克力固定橫條(120×20×10)×1。 7.木板底座(400×260×15㎜)×1。
4.2工件材料 工件材料︰壓克力板 尺寸︰長×寬×高 -170×100×10單位㎜
圖4-1壓克力材料圖形 加工方法︰利用 Unigraphics模具加工軟體，來繪製出加工圖，然後三軸銑削加 工機，事先利用軟體的模擬來模擬加工，利用電腦強大的運算處理能 力，先在軟體上實行加工，可以修改加工錯誤，更不需再進行修改加 工，修改成功後再三軸銑削加工機加工出成品 。 25
群組 A：集中式
圖4-2集中式壓克力材料圖形A1
圖 4-3集中式壓克力材料圖形 A2
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群組 B：幅射式
圖 4-4幅射式壓克力材料圖形 B1
圖 4-5幅射式壓克力材料圖形 B2
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圖 4-6幅射式壓克力材料圖形 B3
群組 C：多孔式
圖 4-7多孔式壓克力材料圖形 C1
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圖 4-8多孔式壓克力材料圖形 C2
群組 D：條狀式
圖 4-9條狀式壓克力材料圖形 D1
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圖 4-10條狀式壓克力材料圖形 D2
圖 4-11條狀式壓克力材料圖形 D3
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五、散熱片實驗操作步驟 本次實驗使用 Labview和 SC2001操作面板的軟硬體整合，再配合實驗模組， 來實驗個群組幾何形狀之結果，利用利用實驗數據來進行各群組的差異性分析 。
5.1第一階段實驗步驟： 1.將要進行實驗的幾何形狀散熱片裝置至實驗模組 。 2.將熱電偶溫度感測器的接線接上 。 3.在電腦上開啟 Labview軟體，開啟 Thermister.vi檔進行實驗。 4.讓程式執行一段時間，觀察是否正確。 5.紀錄實驗室溫，紀錄 Labview軟體上的溫度當作最低溫度。 6.將熱源燈的開關啟動，進行加熱動作。 7.加熱至一段時間，溫度進行至最高溫，Labview軟體上的圖形趨於平穩時 ， 記錄其溫度，作為最高溫度。 8.關閉熱源燈，啟動散熱風扇降低溫度，降至最低溫度。 9.重複步驟 5-8，再做兩次。 10.更換下一組幾何形狀散熱片，重複步驟 5-9。 11.繼續做實驗，直至完成全部幾何形狀散熱片 。
第二階段實驗步驟： 1.將要進行實驗的幾何形狀散熱片裝置至實驗模組 。 2.將熱電偶溫度感測器的接線接上 。 3.啟動溫度設定開關。 4.在電腦上開啟 Labview軟體，開啟 Thermister.vi檔進行實驗。 5.讓程式執行一段時間，觀察是否正確。 6.紀錄實驗室溫，紀錄 Labview軟體上的溫度當作最低溫度 。 7.將熱源燈的開關啟動，進行加熱動作。 8.加熱一段時間，溫度達到溫度設定開關的溫度 ，風扇會自動啟動。 9.風扇啟動，開始進行計時動作。 10.溫度降至最低溫，溫度設定開關關閉風扇，停止計時。 11.將時間數據紀錄在紀錄表上 。 12.重複步驟 7-11，再做兩次。 13.更換下一組幾何形狀散熱片，重複步驟 7-12。 14.繼續做實驗，直至完成全部幾何形狀散熱片 。
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六、熱傳分析理論 6.1 基本散熱知識： 散熱主要的目的就是要提高系統的可靠度 ，設計時必須顧及系統的使用環 境，使用條件、系統所允許的操作溫度等。電子元件散熱的設計工作是結合產品 設計師、熱傳導分析師及工程師等工作人員密切配合來完成的。例如一項新產品 的開發，首先由可靠工程師訂定使用環境的需求條件，產品設計師考慮環境限制 來設計產品，熱傳導分析師進行產品的散熱分析，最後由可靠工程師來進行驗證 工作，確保產品的散熱設計符合要求 。 電子元件的操作溫度對與系統的可靠度影響很大，當操作溫度超過容許範圍 時，其物理性質將會改變，使得系統功能失常，產生錯誤的作動或使功能終止 。 當溫度越升越高時，系統的故障率有急遽升高的傾向。因此想像讓系統有較高的 可靠度，就要維持較低的操作溫度，即是透過散熱設計來使溫度降低，也因此孕 育出各式各樣的散熱裝置 。 電子元件需要電功率來驅動作功，因為元件並非具有百分之百的效率，所以 將會有許多功率被浪費而轉換成熱能使得溫度上升。當結構上提供很好的散熱途 徑，也就是說有良好的散熱設計或是裝置時，便能夠將熱能散至外界，使得溫度 上升較少而維持系統的穩定 。散熱的途徑則包括了熱傳導 、熱對流及熱輻射： (1)熱傳導： 提到熱傳導這個名詞，我們就要想到原子與分子運動的觀念，因為這是此種 熱傳方式的主要過程。熱傳導可視為由於粒子間相互作用，較活潑的粒子將能量 傳給較不活潑的粒子。熱傳導的物理機構以氣體即熱力學的觀念來解釋最容易 。 考慮一氣體具溫度梯度且無巨大的運動，此氣體充滿在兩個不同溫度的平面間 ， 如圖一所示，我們將任一點的溫度與該點附近氣體分子的能量聯想在一起 ，此能 量與氣體分子的混亂直線運動 ，乃至於內部旋轉即振動均有關 。
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圖 6-1分子運動引起能量擴散與熱傳導的關係 較高的溫度對應較大分子能量，當鄰近分子間發生常態碰撞，活潑分子會將 能量傳遞給較不活潑的分子。在有溫度梯度存在的情況下，熱傳導方式必定是能 量由溫度高往溫度低的地方傳遞，此種傳遞方式可由圖 6-1中很明顯地看出，在 X0處有一假想平面，分子藉混亂運動穿越此假想面，然而，由上平面下來的分子 具較大溫度，因此，在正 x方向，必有一淨傳遞能，我們稱此混亂運動造成的淨 傳遞能為能量擴散。 液體的情況大致一樣，雖然分子間空間較小且分子間的交互作用更強烈即頻 繁；固體的情況也是類似，其熱傳導可歸諸格子振動振動所造成的原子運動 ，以 現代觀點而言，能量傳遞係由原子運動導致 格子波動所造成，在一非導體內，能 量傳遞只靠格子波動完成，而在導體內，自由電子的直線運動也會導致能量傳遞。 關於熱傳導的例子很多，金屬湯匙突然放入熱咖啡，握炳將因湯匙本身的熱 傳導而覺得暖和。冬天時，暖房內的暖氣會明顯散失到大氣中，這些能量散失的 途徑主要經由牆壁的熱傳導 。 利用熱流率方程式可以量化熱傳遞過程，此方程式可用來計算每單位時間的 ′ 熱傳量，對於熱傳導而言，熱流率方程式稱為傅立葉定律（Forier L aw） 。圖 6-2 為具溫度分佈 T（x）的一維平面壁，熱流率方程式可示為 qx〞＝-kdT/dx
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圖 6-2一維的熱傳導 熱流通量 q（W/m）表示在 x方向，每單位垂直熱傳方式的面積的熱傳率 ， 〞 x
2
且與 x方向的溫度梯度 dT/dx成正比，比例常數 k為一輸送性質稱為導熱性 （W/m.K）且為平面壁材料的特徵值 ，負號表示熱必須由高溫傳至低溫 ，在穩定 情況下，溫度分佈為 dT/dx＝T2－T 1/ L 則熱流通量 〞
qx＝-kT2－T 1/ L 或 〞
qx＝kT－T/Lk△T/L 值得注意的是此方程式係代表熱流通量，即每單位面積的熱傳率，而面積為 〞 A的平面壁，其熱傳導的熱流率 qx（W）為熱流通量與面積的乘積，即 qx＝q x . A (2)熱對流： 對流熱傳遞包括兩個機構，除了藉分子混亂運動（擴散）外，還有流體的整 體或巨觀的運動，及在任意瞬間，大量的分子同時移動。在溫度梯度存在的情況 下，這種運動就會造成能量傳遞，因此總熱傳係由分子的混亂運動及流體的整體 運動的疊加效果所造成的。我們用“對流”（convection）代表累加的能量輸送， “移流”（advection）代表流體整體運動導致的輸送 。 我們對於流體流經一界面，而此兩者具不同溫度，所引起的熱對流特別感興 趣。考慮流體流經一加熱的界面，如圖 6-3所示，流體與界面間相互作用的結果 形成一範圍，導致流體之速度由靠近界面為零變化至自由流的有限值 u∞。此流 體範圍稱為水力或速度邊界層。再者，如果此界面與流體有不同溫度，流體將會 34
有一範圍，溫度由 y＝0時之 Ts變化至較遠處之 T∞，此範圍稱為熱力邊界層，其 厚度也許比速度邊界層小或大或相同 ，端視速度的變化。
圖 6-3熱對流中邊界層的形式 在邊界層內，分子混亂運動及流體的整體運動造成對流熱傳遞，靠近界面處 速度較小，能量傳遞主要靠分子的混亂運動 （擴散），事實上，在流體及界面的 接觸面（y＝0），流體速度為零，擴散則為能量傳遞的唯一方式 ，沿著 x方向邊 界層逐漸成長，流體整體運動的能量傳地方事漸顯重要，事實上，傳導致邊界層 得熱量將隨流體流至下游，最後傳遞至邊界層外的流體。邊界層的現象對於熱對 流的研究非常重要。因此流體力學的概念在熱對流的分析中將扮演一非常重要的 角色。 熱對流可依流體流動的形式分成兩類，當流體流動係由外力所造成的，如風 扇、泵、風，我們稱為強迫對流。舉例說明，利用風扇造成強迫對流冷卻印刷電 路板上發熱的零件圖 6-4 （a） ，另一方面，自然對流的流體流動則由於流體本身 溫度變化形成密度差所造成。例如一靜止空氣中的垂直線路板，發熱的零件引起 自然對流圖 6-4 （b） 。與零件接觸的空氣溫度漸增而密度漸減 ，以至於比空氣還 輕，浮力導致一垂直運動，熱空氣上升而冷空氣則流進來取代 。
35
圖 6-4熱對流過程(a)強迫對流自然(b)自然對流(c)沸騰(d)凝結 圖 6-4（a）代表強迫對流而圖 6-4（b）代表純自然對流，但是強迫對流與 自然對流的混合必定也存在。例如，假設圖 6-4四（a）中流體的速度很小且/ 或浮力很大，則可能導致二次流（secondaryflow）的產生，此浮力導出流 （buoyancy-inducedflow）將垂直於強迫流且對於零件的熱對流有很大的影 響，在圖 6-4（b）中，如果使用一風扇對著電路板吹 ，則會產生混合熱對流， 若往上吹，則會加強浮力流，若往下吹，則會阻力浮力流。 我們已經將熱對流描述為分子混亂運動及流體整體運動的綜合效果所造成 的能量傳遞。基本上，被傳遞的能量細流體內的顯能 （或內能），然而，再對流 過程中亦牽涉到潛熱的交換，此潛熱通常與流體液態與氣態間的相變化有關。本 書中提到兩個例子及沸騰及凝結 ，例如盤底的沸水所產生的汽泡圖 6-4（c）或 在冷水管外表面水汽凝結圖 6-4（d）引起流體運動形成熱對流 。 若不論熱對流的過程，適當的對流熱流率方程式可表示為 q〝〞＝h（Ts-T∞） 其中 q〝〞為對流熱流通量（W/m2），與界面及流體間的溫度差（Ts-T∞）成正 比。此式稱為牛頓冷卻定律，其中比例常數 h（W/m2.K）稱為對流熱傳係數。其 與邊界層的狀況有關而受到諸如表面形狀、流體運動狀況與流體熱力學及輸送性 質種類因素影響。 (3)熱輻射： 熱輻射係有限溫度的物體放射出能量，雖然我們主要針對固體表面的輻射 ， 36
但液體及氣體仍會有輻射熱產生。若不考慮物體的形狀，則熱輻射可視為物體組 成原子或分子的電子結構發生變化。熱輻射係靠電磁波（或光子）傳遞能量。在 傳導或對流的機構中，能量傳遞需經由介質媒介輻射卻不需要，事實上熱輻射在 真空區域的效率較高。
圖 6-5輻射熱交換(a)在表面(b)表面與周圍環境 考慮如圖 6-5（a）表面的熱輻射過程，由表面放射出的輻射熱係起源於具 熱能的物體表面，而每單位面積的熱釋放率稱為表面放射功率 E ，此放射功率有 一上限值，可由史蒂芬-波茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）表示。 4
Eb＝σTs 其中 Ts為表面的絕對溫度，σ為史蒂芬-波茲曼定律（σ＝5.67×10-8W/m2.K4）， 這種表面稱為理想輻射體或黑體 （black-body）。 實際表面所放射的能量小於同溫度的黑體 ，其放射可表示為 4
E＝εσTs
其中ε是表面的放射性質，稱為放射率，其值介於 0與 1之間，0≦ε≦1 ，與表 面材料，加工情況有很大的關係，由此值可以知道，表面相對於黑體的放射效率。 輻射熱也可以由周圍入射進來，此種輻射熱係來自於一些特殊的熱源，如太 陽或從其他的表面反射進來。若不論熱源的形式，我們將入射在每一單位面積上 的輻射熱表示為入輻射熱 G（irradiation）如圖 6-5（a）。 部份或全部的入射熱會被表面所吸收，因此內部的熱能將會增加，單位表面 積所吸收的輻射熱可由表面的輻射性質 （移動吸收率α）計算而得，即 Gabs＝αG 其中 0≦α≦1，如果α≦1且表面為非透明的，則部份的入射熱將會被反射回 37
去。假設表面為半透明的，則部份的入射熱將會穿透此表面。然而，吸收或放射 輻射熱可分別增加或降低物體的熱能，但反射或穿透表面的輻射熱對於物體內部 的能卻毫無影響，請注意，α值與入射熱及本身表面的狀況有很大的關係。例如， 一表面對於太陽能與對於鍋爐爐壁放射熱的吸收率並不相同 。 有一常見的特殊例子，溫度 Ts的小表面與完全包圍此表面的等溫大表面間 的輻射熱交換，例如，此周圍環境（surroundings）可為房間或熔爐牆壁，其溫 度 Tsur與封閉表面的溫度 Ts不同（即 T s≠T sur） ，對於這種情況，入射熱相當於一 4 溫度為 Tsur的黑體的放射熱 G＝σTsur，假設表面為一灰表面（graysurface）， α＝ε，則表面的淨輻射熱傳可表示為 ，（單位面積） q〝rad＝a/A＝εEb（Ts）＝αG＝εσ（T4s－T4sur）〞 此式代表放射熱與吸收熱的差 。 若將淨輻射熱交換寫程式的形式 ，則在應用上將更方便， q〝rad＝h rA （T s－T sur） 其中，輻射熱傳係數 hr可表示為： 2
2
hr＝εσ（Ts＋Tsur）（Ts＋Tsur） 現在我們將熱輻射的表示式寫成類似於熱對流的，如此情況下，我們已將輻射熱 傳率方程式線性化，使得熱傳率正比於溫度差而非 4階溫度的差，注意，hr與溫 度有很大的關係，但在對流中 h與溫度的關係卻非常微小 。 圖五的表面也可以同時有熱對流至鄰接的氣體 ，如圖 6-5 （b） ，由表面傳遞之總 熱傳率為： 4 4 q＝qconv＋q rad＝h A（T s－T ∞ ）＋εA σ（T s－T sur）
6.2 散熱方法與途徑： 散熱的方法與途徑，不外乎下列幾種：輻射與自然對流、強制冷氣、強制液 冷、相的變化、冷凍系統等。以下將簡單介紹其特性： (1)輻射與自然對流：
38
這兩者是並行發生的，為最簡單的設計，無須輔助裝備，最多是加裝散熱片。 (2)強制氣冷： 散熱能力是風扇提供的風量而定，應用上分為抽風式與送風式，視使用條件 需求而定。輔助以熱交換器的使用可顯著提高強制對流的效率，但是必須注意熱 交換器內散熱鰭片所造成的壓力降大小 。 在強制氣冷中，主要的需求條件，就是系統冷卻所需要的風量與系統流路 中，所產生的壓力降損失。在選用風扇時，必須要滿足這兩個條件。 (3)強制液冷： 在強制對流散熱中所產生的噪音、電磁干擾等問題，可以利用此種方法輕易 解決，只要把干擾性裝備安置在遠處即可 。 對於非常高功率的組件和裝備是必須用強制液冷才能克服散熱的問題。主要 的缺點是必須小心設計以防洩露 ，還有冷卻液的選用則必須是散熱需求而定 。 (4)相的變化： 對於一些短期性任務，利用相變化散熱的設計，是很方便且經濟的方式，其 分為液體蒸發及固體溶解兩類 ： 1. 液體蒸發：具有相當於強制液冷的散熱能力，可用來冷卻高功率密度元 件，或對電子元件維持一個恆溫槽，電子元件之冷卻，可浸入或經由熱 交換器。常用之蒸發亦為液態氮。此法簡單無須借助幫浦，但只能限制 在短期內使用。 2. 固體溶解：當材質自電子元件吸收熱使溶解，此種材質的熔點需在元件 操作溫度附近。此法的好處是無須能源，還有元件操作溫度能維持在一 相當小的溫度範圍內，其缺點為笨重且佔空間。 (5)冷凍系統： 當元件所需的操作溫度低於環境溫度或散熱片溫度時，此時就需要使用到冷 凍系統來把組件溫度冷卻下來 ，在電子裝備常用到的冷卻系統有下列三種 ： 1. 空氣循環冷凍：主要用於飛機上。 2. 蒸氣循環冷凍：主要用於地面或船艦上。 3. 熱電冷凍：由於此種裝置輕巧，常用在有空間重量限制的航空太空應用 上。
39
多孔性材料之導熱度 多孔性材料的導熱度相當低 ，故常被視作絕緣體，一般的範圍再 0.025至 1.2W/m℃之間，由於包含固體及空隙部分 （細孔），屬於非均質材料。此種材料 的熱傳導是熱流經由固體及孔內氣體的傳遞，換言之，包含固體部分的熱傳導 ； 氣體部分的熱傳導及熱對流，以及空隙部分的熱輻射。利用細孔內氣體的低導熱 度，亦及增加細孔所佔的面積，可得較佳的絕緣材料。但若考慮材料的強度，則 必須增大固體部分，如此一來，絕緣效果勢必降低。再者若只單方面的加大細孔 部分，則熱對流效應也將降低絕緣效果。由於熱傳遞機構包括傳導、對流、輻射 三大部份，所以多孔性材料的導熱度隨溫度升高而增大 。 散熱片 在實際的應用上，散熱片可以是變截面積，同時也可能是附在圓表面上。在 這兩種情況中，面積須視為一個變數。如此一來，支配微分方程式將變得相當難 解。對於這些較為複雜的情況 ，我們僅將結果列出。 由於安裝散熱片的目地在於增加熱傳遞的有效面積，但是散熱片的本身也具 有熱阻，所以加裝熱片並不保證能增加熱傳遞率。為此吾人必須對有散熱片及無 散熱片的傳遞性質作一分析比較。欲表示散熱片傳遞已知熱量的效率，可先定義 一個新的參數，稱為散熱片效率（finefficiency）如下： 散熱片效率＝ηf
ηf＝散熱片的實際熱傳量 /假設整個散熱片面積均為基部溫度時的熱傳量 散熱片的材料具有高導熱度；如鋁合金或銅（基於經濟及重量的因素，一般較喜 歡使用鋁合金），則有較高的性能。同時散熱片性能亦隨周界長增加而增高 。此 外，流體的對流係數亦影響散熱片效益 。
40
表 6-1材料之熱傳導係數 材
料
名
稱
熱傳導係數 KKcal/mh℃
PU硬質泡棉
0.022
保麗龍
0.032
玻璃棉(另)石棉亦同
0.035
PE泡棉
0.038
空氣層 4CM中央置鋁箔
0.043
雙層玻璃中間夾空氣層六公分
0.09
甘蔗板
0.11
木材(石膏板)
0.12
合板(木絲水泥板)
0.13
泡沬水泥
0.15
砂
0.29
土壁
0.5
石灰壁
0.6
紅磚
0.53
瀝青
0.53
玻璃
0.68
石棉水泥板
0.8
瓦
0.83
磁磚
1.1
混凝土
1.2
大理石
2.4
花崗石
3.0
鐵板
30
鋁板
180
銅板
320
41
七、研究與分析 7.1群組分類 我們設計 10片的幾何形狀散熱片，設計條件我們用相同的孔面積來當作一 個主要的相同條件，利用 SolidWorks的計算面積功能來設計相同面積幾何形 狀，然後利用相關的幾何形狀來設定分類，藉由群組技術來分類成 4組群組，分 別是集中式、幅射式、多孔式、條狀式，分類條件如下圖所示。
圖 7-1集中式群組
圖 7-2幅射式群組
圖 7-3多孔式群組
圖 7-4條狀式群組 42
7.2實驗結果 7.2.1散熱片溫度範圍比較 ※ (Tmax)avg、(Tmin)avg：三次實驗取平均值 ※ (ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※ [(Tmax)群組]avg＝(Tmax)avg÷各群組數目 註:T溫度單位為(℃)。 表 7-1各組散熱片溫度範圍 (Tmax)avg (Tmin)avg (ΔT)avg (Tmax)avg排序 A1
68.6
33.3
35.3
8
A2
70
34.7
35.3
8
B1
74.7
34.7
40
1
B2
68.7
33
35.7
7
B3
71.3
33.7
37.7
3
C1
69.7
32.7
37
4
C2
57.3
32.3
36.7
2
D1
70
34
36
6
D2
70.7
33.7
37
4
D3
69.3
31
38.3
2
[(Tmax)群組]avg 69.3
71.16
63.5
70.0
℃
( Tma x)a vg 80
74. 7
75 70
68. 6
70
68. 7
71. 3
7 70 70. 69. 3
69. 7
65 57. 3
60 55 50
A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 D3 圖 7-5各組散熱片最高溫度範圍 43
（℃）
[ ( Tmax) 群 組 ] avg 71. 16
72 70 68
70
69. 3
66 64
63. 5
62 60 58 A
B
C
D
圖 7-6各群組平均最高溫度範圍 7.2.2散熱速率比較 ※(Tmax)avg、(Tmin)avg、(Time)avg：三次實驗取平均值 ※(ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※散熱速率（℃/Sec）＝(ΔT)avg÷所花費時間 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-2各組散熱片散熱速率比較 (Tmax)avg (Tmax)avg (ΔT)avg (Time)avg 散熱速率 散熱排名 A1
62.3
41.7
20.6
105
0.1962
5
A2
61
40
21
100.3
0.2094
4
B1
57.7
37
20.7
111.7
0.1853
8
B2
58.7
37.7
21
87.3
0.2405
1
B2
59.3
38.9
20.4
92
0.2217
3
C1
56.7
38
18.7
101.7
0.1839
9
C2
57.3
38.3
19
137.3
0.1384
6
D1
58
38.7
19.3
103
0.1874
7
D2
56
38
18
102.7
0.1753
10
D3
55.7
37.7
18
76
0.2368
2
44
（℃）
溫 度 開 關 量 測 範 圍 65 60 55 50 45 40 35 30
( Tmax)avg ( Tmi n)avg
A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 D3
圖 7-7各組散熱片溫度開關量測範圍
（℃）
量測範圍差異性 22 21 20 19
( Δ T) avg
18 17 16 A1 A2 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 D3
圖 7-8各組散熱片量測範圍差異圖 散 熱 速 率 比 較 D3
0. 2368 0. 1753
D2 D1
0. 1874 0. 1384
C2 C1
0. 1839 0. 2217
B3 B2
0. 2405 0. 1853
B1 A2
0. 2094 0. 1962
A1 0. 1
0. 15
0. 2
圖 7-9各組散熱片散熱速率比較 45
0. 25 （ ℃ / Sec）
7.2.3群組個別比較 1. 集中式(A)： ※(Tmax)avg、(Tmin)avg、(Time)avg：三次實驗取平均值 ※(ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※散熱速率（℃/Sec）＝(ΔT)avg÷所花費時間 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-3集中式群組散熱速率 (Tmax)avg (Tmin)avg (ΔT)avg (Time)avg 散熱速率 散熱排名 A1
62.3
41.7
20.6
105
0.1962
2
A2
61
40
21
100.3
0.2094
1
集中式散熱率
A2
0. 2094
A1
0. 1962
0. 185
0. 19
0. 195
0. 2
0. 205
0. 21
0. 215
（℃/ Sec）
圖 7-10集中式群組散熱速率比較 2.幅射式(B)： ※(Tmax)avg、(Tmin)avg、(Time)avg：三次實驗取平均值 ※(ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※散熱速率（℃/Sec）＝(ΔT)avg÷所花費時間 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-4幅射式群組散熱速率 (Tmax)avg (Tmin)avg (ΔT)avg(Time)avg散熱速率 散熱排名 B1
57.7
37
20.7
111.7
0.1853
3
B2
58.7
37.7
21
87.3
0.2405
1
B2
59.3
38.9
20.4
92
0.2217
2
46
幅 射 式 散 熱 率 B3
0. 2217
B2
0. 2405
B1
0. 1853
0. 15
0. 17
0. 19
0. 21
0. 23
0. 25
（ ℃ / Sec）
圖 7-11幅射式群組散熱速率比較 3.多孔式(C)： ※(Tmax)avg、(Tmin)avg、(Time)avg：三次實驗取平均值 ※(ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※散熱速率（℃/Sec）＝(ΔT)avg÷所花費時間 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-5多孔式群組散熱速率 (Tmax)avg (Tmin)avg (ΔT)avg (Time)avg 散熱速率 散熱排名 C1
56.7
38
18.7
101.7
0.1839
1
C2
57.3
38.3
19
137.3
0.1384
2
多 孔 式 散 熱 率
C2
0. 1384
0. 1839
C1
0
0. 05
0. 1
0. 15
0. 2
（ ℃ / Sec）
圖 7-12多孔式群組散熱速率比較
47
4.條狀式(D)： ※(Tmax)avg、(Tmin)avg、(Time)avg：三次實驗取平均值 ※(ΔT)avg＝(Tmax)avg－(Tmin)avg ※散熱速率（℃/Sec）＝(ΔT)avg÷所花費時間 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-6條狀式群組散熱速率 (Tmax)avg (Tmin)avg (ΔT)avg (Time)avg 散熱速率 散熱排名 D1
58
38.7
19.3
103
0.1874
3
D2
56
38
18
102.7
0.1753
2
D3
55.7
37.7
18
76
0.2368
1
條狀式散熱率 D3
0. 2368
D2
0. 1753
D1
0. 1874 0
0. 05
0. 1
0. 15
0. 2
0. 25
（℃/ Sec） 圖 7-13條狀式群組散熱速率比較
48
7.2.4個別群組比較 ※(Time)avg＝各群組中(Time)avg總和÷各群組數目 ※(ΔT)avg＝各群組中(ΔT)avg相加÷各群組數目 ※散熱速率（℃/Sec）＝各群組中散熱速率相加÷各群組數目 註:T溫度單位為(℃)，散熱速率單位為(℃/Sec)。 表 7-7各群組散熱速率比較 (ΔT)avg (Time)avg 散熱速率 散熱排名 A
20.8
102.3
0.2028
3
B
20.7
97
0.2158
1
C
18.85
119.5
0.1612
4
D
18.43
93.9
0.2061
2
各 群 組 散 熱 率 0. 2061
D 0. 1612
C B
0. 2158
A
0. 2028 0. 1
0. 15
0. 2
0. 25 （ ℃ / Sec）
圖 7-14各群組散熱速率比較
49
7.3結果分析 在溫降動作中風扇傳動氣流由左邊 A點進入發熱源模型裡面，氣體都會幾何 散熱片模型內形成流場 ，由實驗結果中溫降速率最快者就屬條 狀式群組中的 D3 溫降速率最快，如果是整體群組溫降速率的話，平均起來就屬幅射式群組最佳 ， 整體的 3個散熱板溫降速率相當快速 。
圖 7-15氣流流向圖 綜合實驗的結果，還有熱傳方面專長老師的意見協助，大致上可以推論出為 何幾個幾何形狀散熱片的溫降速率為何會比較佳 ，氣流在會在圖 7-15B點附近 形成渦流的流場效應所以，設計形狀採用在四方邊有挖孔的設計都會有較佳的溫 降速率。B1 、B2 、B3 、C 1 、C2 、D1 、D2 、D3都在四方邊角附近都有挖空的設計 ， 但是溫降速率方面就屬 B2、B3、D3為最佳的前三名，原因可能是 B1、C1、C2、 D1 、D2在四邊挖空部分的面積不如 B2 、B3 、D3的大，所以氣流無法在四邊角有 效形成流通散熱，所以相對的無法提升溫降速率，所以設計上要注重中心的集中 挖孔面積還要注重四方邊角的挖空設計 ，流場簡圖如下圖 7-16所示。
圖 7-16氣流流場圖
50
圖 7-17散熱片群組圖 而且就整體而言，如上圖 7-17，A1、A2主要設計都在中心部份挖孔設計 ， 但是沒有顧及到四邊孔的挖空 ，所以不會有最佳溫降速率 ，B1、B2、B3設計了 中心與四邊孔的擴散式挖空設計，但是因為 B1的中心挖空面積部份不如 B2 、B3 大，所以只有 B2 、B3會得到最佳溫降速率，C1 、C2設計了許多孔的設計但因為 每個孔的面積都不大所以無法提升其溫降速率 ，D1、D2、D3在四邊角都有挖空 設計，D1 、D2因為其挖空面積比較小所以溫降速率不比 D3佳，D3因為整體挖空 面積集中又在四邊角有挖空設計 ，所以會有最佳溫降速率。
51
八、結論 我們的實驗方法是設定相同挖空面積的幾何形狀散熱片，再將散熱片依照近 似的幾何形狀來分組，共分為集中式群組、幅射式群組、多孔式群組和條狀式群 組，再分別加熱至其定溫後，自動啟動風扇來記錄其散熱率的比較，由實驗結果 可以知道幅射式群組在其四周角落皆有挖孔槽，可將風扇引進來的風適時排出 ， 減少在實驗模組內風的亂流，了解實驗模組內風的流場，可提供我們設計幾何形 狀時所需要的方向，利用實驗的結果去分析、探討有效散熱的因素。 製作此專題的目的是想將此原理應用到電腦工業上，將可減低電腦主機內部 的熱能，以電腦機殼為例，在電腦機殼上部適當位置開洞裝上風扇將風引進機殼 內，設計一條風流動的動線，使其經過 CPU順便帶走 CPU的熱量，而風的出口設 為主機殼的底部，裝上風扇將風抽出。規劃出一條單純的動線，減低機殼內部風 的亂流，可更有效率的將熱給帶出機殼。 目前市面上各種散熱系統中，以散熱器搭配風扇對電子元件作強制對流冷卻 之裝置，仍然是最被廣為使用的散熱模組，原因之一是以空氣作為散熱介質具有 易取得、穩定、安全及經濟等優點。此種散熱模組使用之散熱器通常是以鋁、銅 等材料加工製成，由於性能尚符合需求，且售價不高，故用量相當大，其中以電 腦用量最大，由於桌上型電腦與筆記型電腦之 CPU的發熱量都相當高，使得散熱 模組面臨相當大的負荷，欲提高散熱性能，除改善風扇葉片效率及散熱器之幾何 外觀或尺寸外，尋找較佳熱傳性能之散熱器材料也是一種解決方法 。 之後的研究方向可以採用不同發熱源、不同效率的風扇、不同材質的散熱 片、設計更多幾何形狀，而且也可搭配CAE軟體使用流場分析的方法 ，製作一個 流場分析模組，將等速的熱空熱排入模型中，分析熱空氣在散熱板上所產生之渦 流遲滯現象及散熱板上的熱分析情形 ，藉此比較出最好的散熱板孔槽方式及材 質，利用更多方向來進行更進一步的深入研究 、探討。
52
圖 1散熱分析模組
53
圖 2散熱分析模組
54
圖 3SC2001操作面板
55
圖 4散熱分析模組結構圖
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圖 5LabviewThermister.vi程式擋
57
圖 6集中式散熱片設計圖 A1
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圖 7集中式散熱片設計圖 A2
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圖 8輻射式散熱片設計圖 B1
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圖 9輻射式散熱片設計圖 B2
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圖 10輻射式散熱片設計圖 B3
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圖 11多孔式散熱片設計圖 C1
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圖 12多孔式散熱片設計圖 C2
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圖 13條狀式散熱片設計圖 D1
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圖 14條狀式散熱片設計圖 D2
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圖 15條狀式散熱片設計圖 D3
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圖 16集中式散熱片 A1刀具路徑圖
圖 17集中式散熱片 A2刀具路徑圖
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圖 18輻射式散熱片 B1刀具路徑圖
圖 19輻射式散熱片 B2刀具路徑圖
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圖 20輻射式散熱片 B3刀具路徑圖
圖 21多孔式散熱片 C1刀具路徑圖
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圖 22多孔式散熱片 C2刀具路徑圖
圖 23條狀式散熱片 D1刀具路徑圖
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圖 24條狀式散熱片 D2刀具路徑圖
圖 25條狀式散熱片 D3刀具路徑圖
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