第五章 結果與討論
本文以PHOENICS 軟件包作數值分析，物理模式是以噴流對裝置散熱鰭片之熱電子組件作冷卻。幾何尺寸之設定是噴嘴出口直徑(d)為6mm﹔噴嘴出口與散熱鰭片頂端間距(ha)，和噴嘴出口直徑比為10﹔散熱鰭片之柱型鰭片高度(hs)為30~50mm﹔散熱鰭片之柱型鰭片寬度(w)為4~6mm﹔噴嘴流速是以雷諾述表示，其范圍5000~30000，熱電子組件尺寸為30mm×30mm，其熱產生量為30W，當工作流體以噴流方式流經電子組件時，采用三維k ?ε 紊流模式仿真計算，計算結果包括熱電子組件溫度、系統熱阻值與流道中壓力分布。
5-1、文獻與本文比較
為了印證使用PHOENICS 軟件包之精確度與準確性，本文參考Maveety and Jung【4】文獻，以相同之條件模型仿真比較。Maveetyand Jung【4】使用Flotherm CFD 軟件包，模擬以空氣噴射沖擊一個在芯片上加裝散熱鰭片之系統，噴嘴直徑為6.4mm，噴嘴到散熱鰭片頂端對噴嘴直徑的比值為10，散熱鰭片底部為50.8mm×50.8mm×12mm，其鰭片為7×7 數組式柱型鰭片，高度跟寬度的變化分別為9mm、15mm、21mm 與4.08mm、5.08mm、6.08mm，雷諾數范圍在7800~19700，芯片的尺寸為12mm×12mm×3mm ，其熱功率為30W，采用k ?ε 紊流模式仿真計算，比較不同雷諾數下之熱阻值和鰭片高度
與寬度對熱傳效果的影響。
圖5-1 中，為Maveety and Jung【4】文獻與PHOENICS CFD 在w=5.08mm、hs=15mm 時，雷諾數(Re)對熱阻值之比較圖，圖5-2、圖5-3 為文獻與PHOENICS CFD 在Re=15700 時，當hs與w分別為15mm與5.08mm 情況下，w/L 與hs/L 對熱阻變化之比較，其結果與Maveetyand Jung【4】文獻的分析結果有相同的趨勢與近似值。由以上可說明本研究所建立之數值模型，仿真運算之結果有相當的準確性。
5-2、不同數組式鰭片之比較
圖5-4 為散熱鰭片之柱型鰭片高度固定為30mm與柱型鰭片總體積一樣時，分別在5×5、7×7、9×9 三種數組之柱型鰭片排列，在雷諾數5000 增加至30000 時，熱阻值之比較﹔由于數組數的增加，柱型鰭片與柱型鰭片間距跟著縮短，每個柱型鰭片的寬度也相對減少，提高了散熱鰭片的熱傳導效率與流體在散熱鰭片流道中的流動速率，因此由圖可以看出9×9 數組的鰭片有比較好的散熱效果。圖5-5 為散熱鰭片之柱型鰭片寬度固定為4mm 與柱型鰭片總體積一樣時，在三種數組下，雷諾數對熱阻值之比較;數組數的增加，柱型鰭片與柱型鰭片間距跟著縮短，也使柱型鰭片的高度減少，在噴嘴出口與散熱鰭片頂端間距相同的條件下，由于工作流體在5×5 數組的模型中流道變
長，流體沖擊鰭片底部變得比較困難，因此散熱效果比較差，7×7 陣33
列與9×9 數組雖沒有明顯的差異，但7×7 數組所需的空間尺寸要比9×9 數組大。由以上兩個結果，本文在鰭片設計上，是使用9×9 數組。
5-3、溫度場與壓力場之分析
5-3-1 噴嘴速度對系統的影響
為了探討雷諾數(Re)對在電子組件加裝散熱鰭片的熱傳性能之影響。首先在散熱鰭片的柱型鰭片高度與寬度定值的條件下，其值分別是高度(hs)為30mm、40mm、50mm 與寬度(w)為4mm、5mm、6mm，雷諾數(Re)值為5000~30000 作仿真運算，計算得電子組件散熱后的溫度，見圖5-6 至圖5-11。由圖表的曲線可以很明顯的看出，雷諾數(Re)越大，電子組件的平均溫度越低，顯示空氣噴射沖擊速度越高對于散熱鰭片冷卻有比較好的效果。隨著雷諾數(Re)增加，雷諾數(Re)在5000~25000 有比較明顯的降溫效果，雷諾數(Re)約在25000 開始降溫效果較不顯著，表示溫度曲線有趨于平緩的趨勢，因此雷諾數(Re)對不同的散熱鰭片的散熱效果都有其雷諾數(Re)之極限值存在。
5-3-2 散熱鰭片的影響
在圖2-1(b)中，本文為了簡化以方便作討論，把9×9 數組式柱型鰭片如圖以鰭片中心向外分成4 個流道，從散熱鰭片底部到柱型鰭片頂端沿著ｚ軸方向之流道中的壓力值代回3-9 式，算出各流道z 軸方向之壓力分布情形，由于流道1 中的Cp 值，有比較明顯的變化差異，
所以圖表在比較流道中壓力分布情形時，是以流道１中之Cp 值作比較討論。圖5-12 至圖5-20 表示柱型鰭片高度(hs)與雷諾數固定的情況下，不同柱型鰭片寬度(w)，在流道1 中的Cp 值之比較圖，可以看出柱型鰭片寬度較大，有比較高的Cp 值，顯示柱型鰭片寬度增加使得柱型鰭片間距縮短，提高了流道中工作流體的流動速率，也因為柱型鰭片寬度(w)的增加，增加了散熱鰭片的散熱總表面積之影響，因此，由圖5-21 至圖5-23 中，可以知道柱型鰭片寬度值的變大有助于降低熱阻值，能增加散熱鰭片的散熱效果。
圖5-24 至圖5-32 為柱型鰭片寬度(w)與雷諾數固定的情況下，不同柱型鰭片高度(hs)，在流道1 中的Cp 值之比較圖，可以看出柱型鰭片高度較大，有比較低的Cp 值，顯示柱型鰭片高度增加，使得工作流體較不容易到達散熱鰭片底部，降低了流道中工作流體的流動速率。但圖5-33 至5-35 顯示散熱效果因柱型鰭片高度增加而越來越好，表示柱型鰭片高度的增加，造成散熱鰭片散熱表面積變大之影響效果比較大，雖然流體流速變慢降低冷卻效果，但卻沒有比較顯著的影響。由以上結果可以知道散熱鰭片之柱型鰭片寬度與高度分別在6mm 與50mm 時，散熱鰭片鰭片的散熱效果最好，柱型鰭片寬度與高度分別在4mm 與30mm 時，散熱鰭片鰭片的散熱效果較差﹔在雷諾數(Re)為5000 時，使用寬度與高度分別在6mm 與50mm 之柱型鰭35
片，電子組件的平均溫度為69.46℃，使用寬度與高度分別在4 與3mm之鰭片，電子組件的平均溫度為34.14℃，兩者相差了35.32℃，在雷諾數(Re)為30000 時，也有10.74℃的差距。
圖5-36 至圖5-41 為相同雷諾數(Re)下，柱型鰭片寬度與高度對熱阻之影響，由圖表曲線趨于平緩看出柱型鰭片寬度與高度增加，有助于增進沖擊冷卻的效果，但幾何尺寸大小在應用上有一定的限制。
第六章 結論與建議
6-1、結論
本文主要是使用PHOENICS 軟件包，針對柱型鰭片的寬度與高度之幾何尺寸，在不同雷諾數下，仿真運算系統之熱傳現象。經由第五章之整理與討論作簡短扼要之描述：
(1) 雷諾數(Re)越大冷卻效果越好，但隨著雷諾數的增加，冷卻的效能有趨于減緩的現象，顯示不同散熱鰭片幾何尺寸，有其噴射沖擊方式的最佳雷諾數(Re)值。
(2) 散熱鰭片之柱型鰭片寬度增加，使得散熱表面積變大，也增加了流道的Cp 值，提高了其內部的工作流體的流動速率，因此柱型鰭片寬度越高散熱效果越好。
(3) 散熱鰭片之柱型鰭片高度增加，雖然減小了流道的Cp 值，降低了其內部的工作流體的流動速率，但由于柱型鰭片高度增加，增加散熱表面積之影響較大，使得冷卻效果隨高度增加變好。
(4) 雖然本文所設計的柱型鰭片幾何尺寸，在PHOENICS 軟件包的模擬運算下，柱型鰭片寬度與高度的增加有助于散熱鰭片的冷卻效果，但寬度與高度尺寸大小有其最佳值存在。
6-2、建議
(1) 噴射入口在本文設定為圓形噴口，給其初始速度，可將其改變幾
何形狀、尺寸、噴射角度，工作流體也可以換成其它散熱效果較佳的流體模擬，以求得最佳的散熱效果。
(2) 本文流場是做穩態之模擬，可以改為瞬時來做比較分析。
(3) 熱點是本為主要模擬因子，其幾何尺寸、發熱量、位置、數目，都是可做改變的變因，以針對不同的電子配件系統狀況。
(4) 本文散熱鰭片9×9 數組式柱型鰭片，可以改變不同數組形式、鰭片變換幾何形狀與尺寸，求得最佳的散熱效果，以試驗出不同數組的最好之幾何形狀與尺寸。
(5) 對于柱型鰭片寬度與高度改變幾何尺寸大小，在不同的雷諾數(Re)下，接續研究其最佳幾何尺寸。
(6) 本文主要探討柱型鰭片幾何尺寸對熱阻值的影響，而重力場、熱輻射等條件，是可深入研究的課題。
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