在 1965 年，摩爾曾經預測矽晶片的電晶體數每隔 18 個月會倍
的核心的 GPU，而 GPU 需要的電功率高達 120W 等，都可能有將熱 INTEL CELERON 中央處裡器(MHz)
w
(a) INTEL CELERON 中央處理器
0
INTEL PENTIUM Ⅲ、PENTIUM 4 中央處理器 W
(b) INTEL PENTIUM Ⅲ、PENTIUM 4 中央處理器 圖 1-1 INTEL 中央處理器發熱量成長圖[1]
(a) AMD ATHLON & Phenom II 中央處理器 圖 1-2 AMD 中央處理器發熱量 [1]
(a) Intel Pentium & Core 2 Duo & Core 2 Quad 中央處理器[1]
(b) Intel Core i3、i5、i7、i7 Extreme 中央處理器 圖 1-3 INTEL 中央處理器發熱量 [1]
(a) 鋁合金製散熱裝置
(b) 銅製散熱裝置 圖 1-4 微處理器散熱裝置
目前冷卻的方式主要有空氣自然對流冷卻、空氣強制對流冷卻、
液體間接或直接冷卻或相變化冷卻等，使得系統能快速又有效的運 作，就以賴著如何有效提高散熱的方法及技術。一般最常見的冷卻方 法以空氣強制對流冷卻，最容易得到的的流體空氣是一種不會缺少也 不需成本及動力就能擁有，而通常又利用風扇搭配散熱鰭片為機構，
以用來驅散高發熱量機構的熱量，通常風扇的作用在於驅動空氣流 體，以達到強制對流，而散熱鰭片則是以高熱傳導率，及與空氣接觸 的表面積，使散熱效果加強，因此鰭片的材質通常選用好傳導率的鋁 合金或銅，而與空氣接觸的表面積也越大越好。
目前流通於市面上的風扇種類，也如同泵浦一樣非常的繁多，不 過基本上在工業使用中，主要還是以離心、斜流與軸流以及橫流式等 三大類型來做區分，這些各式不同類型的風扇，各有其所適用的場 合，以來滿足各種不同的工作需要。因成本底廉、構造簡單、不易損 壞及驅動能源低的優點，為主要被採用的對象。
風扇的形式種類主要又可分為:
1. 軸流式(Axial Flow Type)
圖 1-5 軸流式風扇
2. 離心式(Centrifugal Type)
圖 1-6 離心式風扇圖[2]
3. 橫流式(Cross Flow Type)
圖 1-7 橫流式風扇圖[2]
4. 斜流式(Mixed Flow Type)
圖 1-8 斜流式風扇圖[3]
上述的風扇等，而其中又以軸流式、離心式風扇最為常見。以軸
有關風扇流場分析在計算或理論上，Morris、Good and Foss[4]利 用實驗方法量測汽車散熱風扇的速度分佈、壓力分佈及流量，得以知
域的熱通值。風扇吹出的冷卻氣流其流動的型態屬於三維的旋轉流
據富利葉定律得知，在相同介質中，若溫度梯度小相對的熱傳量也 TOP MOTOR，DF1208SL 風扇進行各部位點資料的掃描，而後進行 處理組合成為風扇的主體，並匯入分析軟體進行模擬，以此分析的結 果將可更接近風扇實際於散熱之應用情況。
本研究係探討風扇轉動所形成的流場，對加熱片散熱的影響，同 時為提升散熱效果，並於流場中央的高溫壁面上，增加旋轉刮片，藉 此機構旋轉產生的流動破壞高溫面上的速度及溫度邊界層，以改善風
扇中心軸所造成停滯區的熱傳率。 在數值計算方面，本文利用流體 力學計算軟體計算分析，計算過程以k−ε 紊流模式及有限體積法 (finite-volume)疊代，求解動力方程與能量方程，以求得流場及溫度 場。
圖 1-9 晶片散熱風扇下方流場拍攝圖[6]
第二章第二章
轉機構中心是與風扇中心軸相連在一起，利用風扇之動力帶動此機 構，而此機構是架於加熱片上方，距加熱片的距離則為 0.34mm，且 以等速度旋轉運動，藉由與加熱片的接觸，破壞加熱面上的速度及溫 度邊界層，以達到增加熱傳率。
入口端正視圖 出口端正視圖 (a)實際風扇照片
(b)實際風扇側視圖 (c)風扇各部示意圖
圖 2-1 實際風扇圖片[10]
圖 2-2 風扇與加熱片
(a)數值模擬模型上視圖
(b)數值模擬模型側視圖 圖 2-4 數值模擬模型
旋轉運動刮片 加熱片圓形管道 風扇
圖 2-5 裝設旋轉運動刮片之物理模式尺寸圖(單位：mm)陳[13]
(a)旋轉運動刮片上視圖(單位：mm)
(b)旋轉運動刮片側視圖(單位：mm) 圖 2-6 旋轉運動刮片尺寸圖
圖 2-7 旋轉刮片與加熱片間 0.34mm 間隙尺寸圖 0.34mm
2.2.葉片模型之建立葉片模型之建立葉片模型之建立葉片模型之建立
Geomagic . Studio 及繪圖軟體 Pro/Engineer 將各部位掃描的風扇，進 行組合成與實際風扇葉片的厚度、長度、攻角、後傾角等等相似的扇
葉。以下介紹逆向工程相關資訊。
TOP MOTOR，DF1208SL 風扇進行掃描，圖 2-15 為其真實的風扇示
圖 2-10 至 2-13 係點資料處理之不同階段圖形。2-14 為組合完 成後之單一風扇葉片圖。2-16,由逆向工程所建立的風扇模型,圖 2-17 為將掃瞄結果匯入 Pro/E 軟體後完成的 3D 風扇模型圖。
如圖 2-18(a)中為逆向工程技術建構的風扇圖形與實際風扇間幾 何圖形的上視比較圖，圖 2-18 (b) 逆向工程技術建構的風扇圖形與實 際風扇間幾何圖形的下視比較圖，圖 2-19 逆向工程技術建構的風扇 圖形與實際風扇間幾何圖形的側視比較圖。
圖 2-8 非接觸式量測探頭之雷射掃瞄機
圖 2-9 逆向工程設備雷射掃瞄機
圖 2-10 藉由軟體處理特徵點資料切除多餘的部份
圖 2-11 面與面以風扇葉片特徵之點對點對齊
圖 2-12 面與面對齊重疊圖
圖 2-13 將重疊修補的面進行貼合計算
(a)風扇上視圖
(a)風扇上視圖
(b)風扇下視圖
(c) 風扇側視圖
圖 2-16 逆向建立的風扇模型
(a)風扇 3D 正視圖 (b)風扇 3D 背視圖 圖 2-17 以逆向建立的 3D 風扇模型圖
實際風扇模型上視 逆向建構的風扇上視 圖 4-18 (a) 風扇葉片上視比較圖
實際風扇模型上視 逆向建構的風扇上視 圖 4-18 (b) 風扇葉片下視比較圖
實際風扇模型側視 逆向建構的風扇側視 圖 2-19 (c) 風扇葉片下視比較圖
圖 2-19 數值計算之風扇葉片形狀與實際葉片形狀比較圖
第三章第三章
ui 為流體和座標系統的相對速度，p 為全壓值，ρ為密度
紊流動能方程式( k，turbulence energy ):
( j eff )
紊流能量消耗方程式
局部紐塞數(Nusselt Number)定義為：
3.2 邊界條件邊界條件邊界條件邊界條件
T: 壁面溫度 T∞:環境溫度 Tw:高溫面溫度 Tin:入口溫度 Tout:出口溫度
3. 葉片與旋轉軸：
ω =1800、2400、3000 rpm k 與ε則採用 near-wall 來處理 用 SIMPLE Algorithm 求解，旋轉運動則使用 MRF(Multiple-Reference Frame)多參考體的方式,將定子區與轉子區劃分為不同區域，並以指
∑ ∫ ∫
對流項的處理，以 Upwind Differencing Scheme 為例（如圖 3-2）
計算收斂條件以每一次疊代後所有控制容積內的殘值改變率小 餘給定值作為收斂條件。[12]
) (
)
(B B 給定值
Cφk =
∑
PnφPn − PoφPo 〈 (3-11) 本文數值計算解收斂條件所給的值為 0001，並且以加熱片以及 出口處設置數值監控來判斷是否此數值分析已達到平衡，數值計算流 程如圖 3-3 所示。圖 3-1 相鄰網格中心點示意圖[12]
圖 3-2 對流通量示意圖[12]
圖 3-3 數值計算流程圖
3.3 網格網格網格網格
算出的紐塞數分佈圖如圖 3-6、圖 3-7、圖 3-8 所示曲線的分佈相當一 致，因此在計算所需時間以及數值準確性的考量下，本文採用格點數 為 2281866。
圖 3-4 數值計算風扇網格設計圖
圖 3-5 旋轉運動刮片與加熱片間 0.34mm 的網格劃分圖
Nu (Nuseelt Number)
1433142 2281866 4397160
圖 3-6 旋轉運動刮片為 1800rpm
時不同位置加熱片之紐塞數之網格測試圖
2400rpm
Nu (Nuseelt Number)
1433142
Nu (Nusselt Number)
1433142 2281866 4397160
圖 3-8 旋轉運動刮片為 3000rpm
第四章第四章
此研究以比較加熱片在不同位置之對流係數與紐塞數值，其中定
圖 4-1 風扇各截面示意圖
c
圖 4-2 加熱片位置示意圖 加熱片 B
加熱片 A 加熱片 C 加熱片 D 加熱片 E
4.1.1 風扇的流場結構風扇的流場結構風扇的流場結構 風扇的流場結構
看到速度最大值，也因此速度的最大值會在正負壓差較大處的情況下 產生。
(a) a-a 截面
(b) b-b 截面
(c) c-c 截面
圖 4-4 風扇轉速 1800rpm 時不同截面之壓力分佈圖
(a) a-a 截面
(b) b-b 截面
(c) c-c 截面
圖 4-5 風扇轉速 1800rpm 時不同截面之速度分佈圖
4.1.2 風扇與加熱片間流場與速度場分析風扇與加熱片間流場與速度場分析風扇與加熱片間流場與速度場分析 風扇與加熱片間流場與速度場分析
至風扇中心軸下方處，，相對的，在此區的加熱片熱傳性能較好而在 風扇葉片外緣下方的左右兩平板流道，因此區的流場分佈均勻、速度 很大，所以在此區的溫度相對較低。
風扇轉速分別為時 2400rpm、3000rpm 時沿 d-d 剖面（Y 軸）的 之流場與溫度場分佈、如圖 4-9、4-11、4-12、4-14，，其中圖 4-9 (a)、
(b)、(c)又分別為速度向量圖而(b)、(c)為圖(a)的局部放大圖，圖 4-10、
(a)
(b)
(c)
圖 4-6 風扇轉速為 1800rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、
(c)左側放大之速度向量分佈圖
圖 4-7 風扇轉速為 1800rpm 之速度大小分佈圖(d-d 剖面)
圖 4-8 風扇轉速為 1800rpm 之溫度分佈圖(d-d 剖面)
(a)
(b)
(c)
圖 4-9 風扇轉速為 2400rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、
(c)左側放大之速度向量分佈圖
圖 4-10 風扇轉速為 2400rpm 之速度大小分佈圖(d-d 剖面)
圖 4-11 風扇轉速為 2400rpm 之溫度分佈圖(d-d 剖面)
(a)
(b)
圖 4-12 風扇轉速為 3000rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、
(c)左側放大之速度向量分佈圖
(a)
(b)
圖 4-13 風扇(3000rpm)之(a)速度大小(b)溫度分佈圖(d-d 剖面) 4.1.3 不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較 不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較
風扇下方不同位置五片加熱片的熱傳性能中，包含熱傳量、熱對 流係數 h、紐塞數 Nu 及熱阻值 R，其中表 4-1、4-2 與 4-3 分別為風 扇轉速為 1800rpm、2400rpm、3000rpm 時之結果，如 4.1.2 節所述，
風扇葉片最外緣處的所產生的流場速度最大，因此在風扇最外緣處向 下推動的流場速度相對也快，而接近風扇葉片中心位置的流速將逐漸 降低，因此相對於中心軸下方的加熱片而言,最外圍的加熱片的熱會 迅速被帶離，而中心軸下方因為停滯區的流速相當小的影響，使得此 處的熱傳效能最差，由表 4-1、4-2、4-3 顯示，因為加熱片的排列方 式，是將加熱片 C 置於風扇中心軸的正下方，而加熱片 B、D 間距加 熱片 C 一個等距 8mm 而左右對稱，在間距相同距離下放置加熱片
A、E 並左右對稱，因此觀察其中的數值時，可發現加熱片 A、E 與 加熱片 B、D 之數值，大約相當接近，其中有些許的差異性，可能因 為其中的流場有些許的紊流與小渦流所致。
位於風扇葉片下緣下方的五片加熱片的其中分佈於最外側 A、E 兩加熱片，其紐塞數值，相對於風扇中心軸下方的加熱片 C，大約 2 倍，而位於 C 加熱片兩側之間的加熱片 B、D，其紐塞數值大約為 0.5 倍，且圖 4-9 為三種不同風扇轉速 1800rpm、2400rpm、3000rpm 時，
位於風扇葉片下緣下方的五片加熱片的其中分佈於最外側 A、E 兩加熱片，其紐塞數值，相對於風扇中心軸下方的加熱片 C，大約 2 倍，而位於 C 加熱片兩側之間的加熱片 B、D，其紐塞數值大約為 0.5 倍，且圖 4-9 為三種不同風扇轉速 1800rpm、2400rpm、3000rpm 時，