Abstract
在本論文研究中，針對四種熱移除模組應用於電子冷卻上之流阻與熱傳特性作一系列理論與實驗的探討。這四種熱移除模組包含：(一)在風扇噴流衝擊下之散熱座模組(二)在風扇噴流衝擊下之散熱座結合熱電致冷器模組(三)在水冷卻下之冷板模組(四)在水冷卻下之冷板結合熱電致冷器模組。在風扇噴流衝擊下之散熱座或散熱座結合熱電致冷器模組的熱流性能之相關影響參數分別如下：穩態葛雷雪夫數(GrH)、風扇與散熱座之間隙與散熱座底部特徵長度之比值(s/Lb)、風扇噴流雷諾數(Rein)與熱電致冷器輸入電流(I)，這些參數的探討範圍是GrH=3.94x1010~ 1.54x1011，s/Lb=0~0.38，Rein=4060~7152 與 I=2~10A。在水冷卻下之冷板或冷板結合熱電致冷器模組的熱流性能之相關影響參數分別如下：穩態葛雷雪夫數(GrH)、冷板雷諾數(Recp)與熱電致冷器輸入電流(I)，這些參數的探討範圍是GrH =2606~5538，Recp=256~3205 與 I=2~10A。在研究中亦針對上述之參數在四種熱移除模組之流阻與熱傳特性上的影響作有系統地探討。 在風扇噴流衝擊冷卻部分，空氣衝擊入散熱座的流量會隨著風扇與散熱座的間隙增加而遞減，而由間隙四周流失的流量則會隨著間隙增加而遞增。在水冷卻之冷板模組研究中，本文針對其總壓降、等效摩擦因子(fe)與熱傳效能因子(j)提出了相關之新的經驗公式；在本研究中之j/fe比值則維持在0.078。局部等效熱傳係數在風扇噴流衝擊冷卻下之散熱座或散熱座結合熱電致冷器模組是呈現均勻分佈；而在水冷卻下之冷板或冷板結合熱電致冷器模組局部等效熱傳係數則是在垂直流體流動方向呈現均勻分佈，而在流體流動方向呈現遞減趨勢。在研究中亦發現在局部等效紐塞數、局部外界熱導與局部總熱導也有相同的分佈趨勢。局部和平均等效熱傳係數在風扇噴流衝擊冷卻下之散熱座或散熱座結合熱電致冷器模組會隨著風扇流速增加或是風散與散熱座的間隙減少而增加，但是與對流熱通量無關；而在水冷卻下之冷板或冷板結合熱電致冷器模組局部和平均等效熱傳係數則會隨著流體質量流率增加而增加，但是與對流熱通量無關。在研究中亦發現局部和平均等效紐塞數以及局部和平均外界熱導變化也是有相同的趨勢。對於散熱座與冷板模組之平均總熱阻是受平均外界熱阻所主導；然而對散熱座結合熱電致冷器模組與冷板結合熱電致冷器模組而言，外界平均熱阻、模組總散熱量與熱電致冷器輸入電流都是影響其平均總熱阻之重要參數。相較於散熱座模組之散熱性能，散熱座結合熱電致冷器模組最多可降低平均總熱阻達67%，而其模組最大散熱量可達29瓦；而冷板結合熱電致冷器模組相較於冷板模組，其散熱性能最多可降低平均總熱阻達76%，而模組最大散熱量則達72瓦。另外，本研究亦針對此四種散熱模組之平均等效熱傳係數、平均等效紐塞數、平均外界熱阻與平均總熱阻分別提出了新的實驗經驗公式以及新的反應曲面公式。 本研究中進一步地建立一個結合熱網路理論模型及經驗公式的半經驗方法來評估在下列三種散熱型態下散熱模組中加入熱電致冷器之熱傳性能增益效果：(一)已知模組總散熱量與最大晶片溫升之最大可應用之外界熱阻，(二)已知最大晶片溫升與外界熱阻之最大模組總散熱量，及(三)已知模組總散熱量與外界熱阻之最大晶片溫降。更值得一提的乃是在研究中針對此三種散熱型態分別提出了經驗公式來界定使用熱電致冷器而能有效提升模組熱傳效能之設計範圍。最後，本研究更成功地建立了一套有效且系統化之多設計目標與多限制條件下的最佳化方法(RSM-SQP)，來針對此四種散熱模組做一系列的散熱最佳化設計探討。