國
立
交
通
大
學
機械工程學系
碩
士
論
文
國際太空站專用電腦之散熱分析與設計改良
Thermal Analysis and Design Improvement of
ACOP Computer for the International Space Station
研 究 生：邱勇潮
指導教授：洪錫源 教授
共同指導：吳阿相 博士
國際太空站專用電腦之散熱分析與設計改良
Thermal Analysis and Design Improvement of ACOP Computer
for the International Space Station
研 究 生：邱勇潮 Student：Yung-Chao Chiu
指導教授：洪錫源 Advisor：Shane Y. Hong
共同指導：吳阿相 Co-Advisor：Ar-Shiang Wu
國 立 交 通 大 學
機 械 工 程 學 系
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Department of Mechanical Engineering College of Engineering
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
In
Mechanical Engineering June 2006
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
國際太空站專用電腦之散熱分析與設計改良
學生：邱勇潮
指導教授：洪錫源
共同指導：吳阿相
國立交通大學機械工程學系（研究所）碩士班
摘 要
本研究是針對反物質磁譜儀（AMS：Alpha Magnetic Spectrometer）
之物理實驗計畫中，一台國際太空站專用電腦（ACOP：Astronaut Crew
Operations Post）進行溫度與流場之分析與改良。主要研究方向與目
標，是為了 AMS 實驗工作之順利，要使電腦更加可靠地運作，所以
依照太空站之規格，利用模擬分析之方法，改善電腦的散熱設計，提
出使其散熱更加優化之建議。
首先對 ACOP 的初始工程型進行量測，獲得不同流場條件下，各
重要位置之溫度值以及出口之流速，藉此驗證設計時之預估結果，並
討論不同流場對溫度場的影響。
本研究所採用之模擬分析軟體為 Flotherm 4.2，對目前 ACOP 初
始設計進行模擬分析，藉由初步模擬計算結果，來評估其熱設計上的
缺失，再提出具體的改良對策。從模擬結果中發現，依照改良對策所
進行，可以改善各發熱元件附近的溫度，將 ACOP 整部電腦的最高溫
度值，控制在先前設計的最高溫度之下，證明此改良設計有效地增加
了散熱能力。
在分析之後，提出了以下幾點改良之建議：(1)若將後側直立電路
主板開孔，使電路板之處改成為開放空間，讓冷卻氣流可以流入幫助
散熱，也就是增加強制對流的機制於電路板上，由模擬計算結果，可
以知道比初始設計最多降低 16 ℃。(2)將後側隔板換到另一側，讓硬
碟接觸到溫度更低的冷卻氣流，可幫助硬碟的溫度更加下降 1~2℃。
(3)電路板內部銅箔摻雜使用 2 盎司之銅膜，藉此改善電路板本身的傳
導性，由模擬計算之結果，發現原先溫度最高的電路板中央，降低了
2~39 ℃，對於熱最集中的部位有非常大的改善。
Thermal Analysis and Design Improvement of ACOP Computer for the International Space Station
Student: Yung-Chao Chiu Advisor: Shane Y. Hong Co-Advisor: Ar-Shiang Wu
Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung University
ABSTRACT
This research focuses on the analysis and improvement of the thermal design of ACOP（Astronaut Crew Operations Post）computer launched to the ISS（International Space Station）in AMS（Alpha Magnetic Spectrometer）experiment. In order to make computers operate as reliably as possible, it was proposed that a more ideal design based on specification of ISS by using simulation software to improve the thermal design of the ACOP computer.
This thesis firstly is to measure the preliminary ACOP EM（Engineering Model） and derive the temperature of each important part and the velocity of outlet air. With the testing result, the prediction of EM’s design could be verified, and it can be discussed that the influence on temperature distribution in different flow condition.
The Flotherm 4.2 simulation software is adopted to make a thermal analysis of the initial design of ACOP computer. By considering the problems of the thermal design, it was proposed that several concrete modifications based on the simulation results. The simulation proved the following modifications will lower the temperature of ACOP computer which proves that the newer design increase heat dissipation.
After analyzing ACOP computer, it have been derived the following conclusions and recommendations. The major three conclusions can be drawn from the modifications：
1. The opening on the backside circuit board: the opening provides the forced cooling air around the circiut boards. By adding the heat dissipation path, the temperature of circuit boards of ACOP computer can be lowered by 16 ℃ at most. 2. The placement of the air flow separator: arrange the separator to the other side.
The H.D.D. （Hard Disk Driver）would be cooled by the cooler air which resulted in a temperature decrease of 1~2 ℃ compared to the original design.
3. The quantity of copper doping of the circuit board: after adding the copper doping of the circuit boards to 2 oz every layer, the conductivity of the circuit boards is proved to be upgraded and also causes a temperature decrease of 2~39 ℃.
誌 謝
由衷地感謝幫我完成論文的每個人。首先是洪錫源教授，給予我研究的方向 與建議，許多的創意讓我的研究思考不受侷限，感謝他兩年來悉心指導。此外， 教授帶著我，讓我有幸一同參與這個 ACOP 太空電腦計畫。在計畫過程中，中 科院的吳阿相博士是我的共同指導，不論是實驗，還有熱流場的模擬分析，都無 私地撥空給予我指導還有經驗傳承，讓我能夠快速地進入問題的核心，導正過去 錯誤的觀念。另外還要感謝余孟泉、王興建等學長，能不厭其煩接受我的詢問， 帶著我解決模擬軟體使用上所遇到的問題，以及幫助我順利完成 ACOP EM1 的 量測實驗。此外，蔡志隆、黃志航等計畫相關的設計分析人員，還有 23 廠廠內 許多位師傅，都給予我許多的幫助還有鼓勵，讓我在工作進行中，資源不予匱乏， 並得到許多眼見的機會，這讓我看到一個大計畫由眾人分工合作，彼此協助來開 發 ACOP 電腦。這些計畫中的經驗，是如此的寶貴，我非常珍惜這一切所學。 更重要的是還要感謝我的爸媽，雖然他們因為工作而無法常在身邊，但時常 給我關心與鼓勵，這是我努力與堅持最大的動力。另外，實驗室裡的每位學長、 同學、學弟，精彩了我的生活，並且在我煩心的時候支持我，也希望每位同學都 能順利地完成自己的論文，達成自己的目標。目 錄
中文摘要...i 英文摘要... ii 誌謝... iii 目錄...iv 表目錄...vi 圖目錄... vii 一、 緒論...1 1.1 研究背景...1 1.2 研究動機...4 1.3 研究方法...4 二、 溫度場與流場之模擬分析...5 2.1 理論模式與數值演算分析方法...5 2.1.1 數值方法理論...5 2.1.2 交錯式網格系統...6 2.2 參數設定與模型建立...9 2.2.1 系統參數設定介面...9 2.2.2 建立數學分析模式和流動屬性...9 2.2.3 建立解的區間...9 2.2.4 建立幾何元件圖形... 11 2.2.5 設定與調整網格系統...17 2.3 ACOP 電腦初步散熱設計模擬結果 ...17 三、 溫度與出口風量之量測試驗...21 3.1 實驗目標...21 3.2 實驗裝置...21 3.2.1 實驗量測器材...21 3.2.2 發熱量之模擬...21 3.2.3 空氣檔板：...22 3.3 溫度與空氣流率的量測與位置...233.3.1 溫度量測之位置...23 3.3.2 出口的平均流率...28 3.4 量測試驗環境...29 3.5 實驗類型與風扇的操作...29 3.5.1 ACOP 實驗型態 ...29 3.5.2 冷卻風扇的操作...33 3.6 實驗步驟...34 3.7 實驗結果數據...34 3.8 實驗結果討論...40 3.9 實驗與模擬結果之比較...41 四、 散熱設計改良...42 4.1 散熱設計之策略...42 4.2 ACOP 電腦之工作需求 ...42 4.3 模擬分析參數變換之結果...42 4.4 ACOP 設計改良之模擬分析模式 ...45 五、 結論與建議...50 5.1 結論...50 5.2 建議...51 參考文獻...52
表 目 錄
表 2.1 框架散熱鰭片幾何尺寸與材料...13 表 2.2 測試使用之各電路板訊號、電力及地層銅箔重量及層數...14 表 2.3 各電路板、硬碟及液晶螢幕等最大消耗功率實際值與預測值...15 表 3.1 加熱器施加功率表...22 表 3.2 導管型態之實驗條件...34 表 3.3 導管型態之實驗結果數據...34 表 3.4 出口側隔板型態之實驗條件...35 表 3.5 出口側隔板型態之實驗結果數據...36 表 3.6 入口側隔板型態之實驗條件...37 表 3.7 入口側隔板型態之實驗結果數據...37 表 3.8 風扇並聯型態之實驗條件...38 表 3.9 風扇並聯型態之實驗結果數據...39 表 3.10 ACOP 工程型模擬分析與試驗量測結果比較...41 表 4.1 自然對流對 ACOP 工程型模擬結果之比較...43 表 4.2 熱輻射對 ACOP 工程型模擬結果之比較...44 表 4.3 ACOP 原工程型與第一種改良型之各點溫度模擬結果比較...46 表 4.4 ACOP 第一種改良型與第二種改良型之各點溫度模擬結果比較...48 表 4.5 ACOP 原工程型與電路板材質改良型之各點溫度模擬結果比較...49圖 目 錄
圖 1.1 ACOP 在國際太空站上之位置示意圖...2
圖 1.2 ACOP 內部構造...2
圖 1.3 美國太空艙艙體內部設備安裝示意圖...3
圖 1.4 ACOP 電腦安裝於 EXPRESS Rack 位置示意圖...3
圖 2.1 二維交錯式網格系統圖...7 圖 2.2 三維交錯式網格系統圖...8 圖 2.3 棋盤式壓力（Checkerboard pressure）示意圖...8 圖 2.4 波形分佈速度場示意圖...8 圖 2.5 硬碟與 Caddy 組裝示意圖 ...13 圖 2.6 硬碟與電路板安裝位置示意圖...13 圖 2.7 硬碟及電路板散熱設計示意圖...14 圖 2.8 PS 板加熱器位置及消耗功率示意圖 ...15 圖 2.9 HRDL board（T101 板）加熱器位置及消耗功率示意圖 ...15 圖 2.10 （工作中）硬碟加熱器位置及消耗功率示意圖...16 圖 2.11 （待機）硬碟加熱器位置及消耗功率示意圖...16 圖 2.12 液晶螢幕加熱器位置及消耗功率示意圖...16 圖 2.13 ACOP 工程型分析網格示意圖...18 圖 2.14 ACOP 中心截面空氣之預測流場分佈...18 圖 2.15 硬碟工作狀態時溫度分佈...19 圖 2.16 硬碟待機狀態時溫度分佈...19 圖 2.17 HRDL 電路板溫度分佈...20 圖 2.18 PS 電路板溫度分佈 ...20 圖 3.1 空氣隔板位置示意圖 ...23 圖 3.2 溫度量測點 T1~T3 位置圖 ...24 圖 3.3 溫度量測點 T4,T5 位置圖 ...24 圖 3.4 溫度量測點 T6 位置圖...25 圖 3.5 溫度量測點 T10~T12 位置圖 ...25 圖 3.6 溫度量測點 T10~T12 位置圖 ...26 圖 3.7 溫度量測點 T37~T40 位置圖 ...26 圖 3.8 溫度量測點 T41 位置圖...27 圖 3.9 溫度量測點 T53~T54 位置圖 ...27 圖 3.10 溫度量測點 T55 位置圖...27 圖 3.11 出口風速量測位置(1)...28 圖 3.12 出口風速量測位置(2)...28
圖 3.14 導管型態流場示意圖與其實際照片 ...30 圖 3.15 出口側隔板型態流場示意圖與其實際照片 ...31 圖 3.16 入口側隔板型態流場示意圖與其實際照片 ...32 圖 3.17 風扇並聯型態之實際照片 ...33 圖 4.1 第一種改良型之後側電路主板開孔位置示意圖...45 圖 4.2 第一種改良型改變後流場示意圖...46 圖 4.3 第一種改良型與第二種改良型隔板位置與流場示意圖...47
一、 緒論
1.1 研究背景反物質磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）物理實驗計畫，是由諾貝爾物 理獎得主丁肇中院士所主持，簡稱 AMS 計畫。其目的是利用實驗物理的方法去 搜尋宇宙中的反物質與暗物質，以探討宇宙的起源與形成，並進而驗證反星球、 反星系及反宇宙的存在。 AMS 計畫，有來自全球 16 國的專家組成研發團隊。我國參與此研究的單位 有中央研究院、中山科學研究院、國家實驗研究院太空計畫室（NSPO）、中央大 學、成功大學及交通大學。而計畫全案期程分兩期進行，第一期 AMS—01 計畫 已於 1998 年夏在美國佛羅里達州卡拉維爾角自甘迺迪太空中心（KSC）發射的 發現者號太空梭載運磁譜儀至 300 公里地球太空軌道上繞行 10 日，完成各項太 空測試及初步的數據蒐集。第二期 AMS—02 計畫於 2000 年度開始，預計將於 2008 年秋以太空梭將功能更完備的 AMS—02 磁譜儀載運升空，部署於歐、美、 加、日、俄等五國共同合作建置的國際太空站上，成為唯一太空站外的實驗室， 進行週期為 3 至 5 年的宇宙粒子偵測實驗。 由於磁譜儀進行實驗時，將得到龐大的資訊數據，需要一部專用的電腦協助 其進行，紀錄這些珍貴的實驗數據，此電腦即為 ACOP（Astronaut Crew Operations Post）。將由太空梭載到國際太空站（International Space Station：ISS），安裝於圖 1.1 的美國艙（US lab）之中，太空人能在艙中監視以及操作實驗。 ACOP 是為反物質磁譜儀所特製的電腦工作站，由於須安裝於太空艙中的 EXPRESS Rack 上，如圖 1.3、圖 1.4 所示，其尺寸大小需符合太空船所提供之空 間大小相關。 ACOP 電腦初始工程型的設計，如圖 1.2，包含：LCD 面板，可打開讓操作 人員可從電腦的前方安裝或拆卸電子設備，如硬碟，電路板等；骨架及側板，用 以支撐整部 ACOP EM 的荷重，並隔離內部與外界的空間；背板，在其上開了兩 個方型孔洞，用以安裝兩具冷卻用之風扇；風扇框架，可將風扇固定在背板上； 風扇，其尺寸大小為 92x92x25mm。在背板上安裝兩個風扇，一個裝在入口處， 將冷卻氣流送入機箱之中，另一個裝在出口處，可將機箱內的空氣抽送出去。 在 ACOP 電腦的中央，一框架固定於中央，用來承載並固定電子設備，包 括六片電路板和四具硬碟。框架藉著熱傳導，將電子設備消耗功率所產生之熱量 帶出。如圖 1.2 所示，中央上側的四個方形座槽，是硬碟的安裝處；下側則是電 路板安裝處，利用左右對稱的支撐肋，把電路板橫向安插於支撐肋之間。而最左 右兩邊的片狀結構為散熱片，氣流會通過此散熱片的溝槽，電路板元件或硬碟之 發熱量，藉由熱傳導導至框架及散熱鰭片，由此冷卻空氣帶走。
在電腦內的後側，出入口各安裝有一導管，連接風扇框架與框架本體，藉此 導管，將空氣導通於框架的散熱片內之溝槽，讓從入口進來的氣流，可以直接的 通過框架，帶走熱穴（Heat sink）所累積之熱量，而空氣不經由 ACOP 背艙之突 然擴張及壓縮而產生壓力損（Pressure loss）。 圖 1.1 ACOP 在國際太空站上之位置示意圖 圖 1.2 ACOP 內部構造 把手 框架 背板 風管 LCD 面板
AMS
US Lab
圖 1.3 美國太空艙艙體內部設備安裝示意圖
圖 1.4 ACOP 電腦安裝於 EXPRESS Rack 位置示意圖
U.S. Laboratory Module
1.2 研究動機 ACOP 電腦產生的熱，如果造成過高的溫度，會破壞電子元件，甚至破壞電 腦的功能。為了解決這問題，要利用散熱設計來降低 ACOP 電腦系統的溫度， 或是降低系統之中電子元件的工作溫度，才可以維持電腦的穩定性，延長其使用 壽命。而初期的散熱設計，散熱的能力有限，甚至有部份缺失，例如冷卻氣流不 能直接通過電子元件，而是藉由流過散熱鰭片，間接的帶走熱。 為了加強 ACOP 電腦之散熱能力，本研究針對其散熱設計進行分析，並期 望再提出新型之改良散熱設計，有效地改善 ACOP 電腦的溫度分佈，讓電腦的 工作更穩定，更因此確保 AMS 計畫的實驗成功。 1.3 研究方法 在改良其散熱設計時，期使於各種限制下，如所提供之冷卻風量、重量、使 用材料等，讓系統之工作溫度降至最低，達到系統之最大可靠度，也符合滿足系 統之需求。 ACOP 在太空中會處於無重力的環境，此環境下會失去自然對流的散熱機 制，所以若是在地球上進行熱傳實驗，結果將不足以作為完全合適的參考。所以 在實驗之外，還需要藉著模擬分析軟體，計算出 ACOP 工作時的情況。 藉計算流體力學（CFD）的原理進行模擬分析的計算，可以加速設計的時程， 因為當今電腦計算能力非常強大，所以可以在短時間內預測出電腦連續長時間之 溫度場與流場狀況，這些結果可以快速反映給設計者，給予參考及建議。 本研究為了降低 ACOP 的工作溫度，而欲進行一連串散熱分析程序。首先 第二章將介紹本研究使用之模擬軟體 FLOTHERM。再利用其模擬風扇、散熱片、 鋁框架等散熱元件及整個系統，計算出電腦中的熱流場分佈，以初步了解 ACOP 系統中溫度分佈與冷卻空氣流向。第三章將介紹 ACOP 的量測試驗，獲取 ACOP 初始工程模型（Engineering Model：EM）中各重要位置、模擬電路板（Dummy PC board）與模擬硬碟（Dummy hard disk driver）之溫度值以及出口空氣流速及流 量。第四章，將應用實驗以及分析之結果，改進模擬分析模式，考慮根本的散熱 策略，讓分析模式可以做進一步之優化設計。第五章將討論模擬分析之結果，以 期給予散熱設計改良之建議。
二、 溫度場與流場之模擬分析
2.1 理論模式與數值演算分析方法 為了初步了解 ACOP 的溫度場與流場狀況，於是先利用模擬軟體分析，希 望藉此先觀察熱流場的情況。而隨著電腦的計算能力不斷加強與數值方法的推陳 出新，數值分析方法已被廣泛地使用於流體力學中以及熱與質量傳遞的模擬上 ［1］。本論文的模擬分析，所選用的軟體是 FLOTHERM，原因是此軟體廣泛應 用於電子設備系統之分析，而 ACOP 電腦便是需要模擬一個完整的電腦系統， 即為一個較為巨觀的系統分析，所以 FLOTHERM 非常適合作為本論文模擬之工 具。這個小節裡，將先簡介在 FLOTHERM 中所使用的數學理論模式與數值演算 分析方法。 2.1.1 數值方法理論 在一個實際的流場裡，工作流體的流動與熱傳遞行為是相當複雜的，因此如 何有效率與準確的預測出流場型態，使其預測結果逼近實際流場的行為狀態模式 是必要的。熱傳遞行為與流體流動過程的預測方式，可透過實驗研究與理論數值 計算這兩種方式達成。實驗的測量雖然可以直接的取得重要而可靠的研究數據資 料，但在進行熱設計的工作上，系統若需要經過不斷地實驗測試與改良，這些很 容易會耗費大量的製造時間、人力和物力。至於理論數值計算，相較之下，成本 低、速度快、資料完整、具有模擬真實與理想條件的能力為其主要優點。因此對 於一個熱設計工作者而言，應適當地結合理論數值計算與實驗研究，才能使預測 過程達到最理想的水準。 所謂的數值計算方法，是將流場中熱傳遞、流體的流動與其他有關過程的規 律行為表達成微分方程的形式，接著使用許多方案推導出所要求的離散化方程， 如有限差分法（Finite difference method）、能量平衡法（Energy balance method）、 控制體積積分（Integrating the control volume）或泰勒級數展開（Taylor series expansion）等方式將微分方程予以離散化成為代數方程式（Algebraic equations）， 即為離散化方程式（Discretization equations）。根據文獻［2］，可以瞭解微分方 程式離散化的程序。之後可以使用各種適合的數值演算法對這些過程進行疊代運 算，直到所分析的各狀態性質達到收斂所要求的條件為止，即完成數值演算工作。以 FLOTHERM 而言［3］，計算的區域（Solution domain）是以有限體積法 （Finite volume）來作切割，其網格以直角座標來切割成數個小的控制體積。而 FLOTHERM 使用的數值計算方式是以 SIMPLE 法［5］（Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations）來進行疊代運算。
2.1.2 交錯式網格系統 當使用數值分析去計算評估一不可壓縮流場中的流體狀態時，最主要的困難 發生在處理流場中不可預知的壓力梯度上，由於壓力梯度構成動量方程式中源項 的一部份，對於一個已給定的壓力場，求解動量方程式沒有特別的困難，然而如 何有效地去確定一個壓力場則是非常模糊的。 數學上來說，要定義一個合理的壓力解才能滿足連續方程式。不幸的，沒有 明顯的方程式可代替這個壓力場。因此，早期有很多先進致力研究與求解這個問 題，其中以 Patankar 與 Spalding 所提出的 SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）演算法於當時為最出名的一個方法［5］。SIMPLE 演 算法為壓力解成功使連續性方程式轉變成直接演算法。而由於 SIMPLE 演算法的 收斂率（Convergence rate）較為緩慢，為了提高使用效率，一些相關的數值演算 法如 SIMPLER［6］、SIMPLEC［7］、SIMPLEST［8］、SIMPLEM［9］、PISO ［10］、PRIME［11］和 SIMPLEX［12］等則陸續出現，這些相關的數值演算法 稱為 SIMPLE 的變形（Variant）法則。需要注意的是，SIMPLE 與其相關的變形 演算法皆需要一個壓力修正方程式（Correction equation）。此外，它們都只能被 使用於交錯式網格（Staggered cell）之中（如圖 2-1 與圖 2-2），這也是為什麼 FLOTHERM 只能使用交錯式網格進行數值分析的主要原因。 交錯式網格具有三個方面的重要優點：(1)無需對有關的速度分量進行任何 內插運算，就可以計算出通過控制體積表面的質量流量。(2)兩相鄰網格點之間 的壓力差現在成了位於這兩個網格點之間的速度分量的自然驅動力，因此如圖 2-3 所示的那種棋盤式壓力場不再會被當成一個均勻的壓力場。(3)離散化的連續 方程式將含有相鄰速度分量的差，這樣就可避免如圖 2-4 所示的那種波形速度場 會滿足連續性方程式的情況，因此在交錯式網格系統中只有合理的速度場才有可 能滿足連續性方程式。 由此可知，使用交錯式網格的優點主要是能夠避免產生一個無法控制的棋盤 壓力（Checkerboard pressure）（如圖 2-3）。但是當所要分析的區域為一任意不規 則外形時，使用這些交錯式網格的數值分析方法不易在不規則的邊界上做有效的 處理。交錯式網格系統不同於一般網格系統，它將速度分量（u、v 及 w）分別 放在與其它變量不同的網格上，也就是說不一定要在同樣的網格點上計算所有的 變量。 參考文獻［4］的第六章，可瞭解交錯式網格配合 SIMPLE 方法來求解之流 程，以及 SIMPLE 法疊代之程序。
圖 2.1 二維交錯式網格系統圖 u u u u u u u u u u u u P
. .
.
v v v v v v v v v.
E N S W δy.
δx圖 2.2 三維交錯式網格系統圖 圖 2.3 棋盤式壓力（Checkerboard pressure）示意圖 圖 2.4 波形分佈速度場示意圖 10 10 10 10 10 10 10 10 10 100 100 100 100 100 100 100 100 100 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 5 5 5 5 1
2.2 參數設定與模型建立 這個小節裡將介紹使用 FLOTHERM 來進行數值模擬分析的設定流程，說明 本研究選擇的設定參數，以及設定上的考量，最後提出網格系統的設定與調整。 2.2.1 系統參數設定介面 FLOTHERM 的參數設定上，主要包括系統環境參數設定（其中包括：數學 分析模式、流體流動屬性、工作流體性質、系統環境性質、網格疏密分佈控制、 系統狀態初始值與系統求解收斂條件等設定項目）與模型參數設定（其中包括： 幾何圖形元件的選用、相關位置及尺寸、表面性質、熱傳遞與輻射方式與表面熱 交換的處理方式等設定項目）兩大部份。各項的參數設定有其個別的重要性與影 響性，需將實際流場環境條件正確的反應在系統參數設定上。 2.2.2 建立數學分析模式和流動屬性 在數學分析模式和流動屬性的設定中，包括模組化（Modeling）、紊流模式 與重力方向三項設定，其中模組化設定又包含了維度、輻射考量、解的型態與方 式等設定。在本研究中採用同時分析系統溫度、流場流速與壓力的三維穩態分 析，並且採用層流（Laminar）模型。另外在重力的設定上，雖然 ACOP 電腦未 來的使用環境是在太空中，但現階段為了與測試的結果相比較，所以還是考慮重 力的存在，亦即為考慮自然對流的影響。以下為本研究在主系統設定視窗中之數 學分析模式與流動屬性的基本設定：
Type of Solution = Flow and Heat Transfer Dimensionality = 3-Dimensional
Radiation = Radiation On Solar Radiation = Solar Off Solution Type = Steady State Turbulence = Laminar
Gravity = Normal and choose Positive Y-Direction
2.2.3 建立解的區間
1. 計算區間（Computational Domain）位置與大小範圍的設定
在設定計算區間時一般來說主要有兩種設定的方式，分別為計算區間與 幾何圖形元件的整體外型大小一致（Computational Domain Coincident with Geometry）與計算區間較大於幾何圖形元件的整體（Computational Domain Extended Beyond Geometry）等兩種方式。在此僅選擇後側部份稍大於幾何 圖形元件，由於需要得到 ACOP 電腦出入口之氣流情況，因此增加此空間 可以求得此位置之熱流場分佈。
2. 總體系統設定（Global system settings）
其中包含了大氣壓力或稱為基準面壓力（Datum Pressure）設定、外部 輻射溫度（External Radiant Temperature）設定以及總體環境溫度（Global Ambient Temperature）設定等。由於實驗是進行於一般環境下，因此採用 1 個大氣壓，以及實驗之外界溫度 30℃。 3. 環境屬性（Ambient Attribute）設定 其中包含了錶壓力（Gauge Pressure）設定、環境溫度設定、輻射溫度 設定、熱傳係數與外部速度設定等。依照實際情況，在計算區間的不同面上 有不同的環境參數設定，來符合其各表面的性質依照環境條件設定。當計算 區間的邊界面（Open Face）上並未與元件幾何圖形表面相接觸時， FLOTHERM 會應用幾何圖形元件中所設定的表面熱交換性質來計算此一邊 界面上的對流熱傳效應，因此在此邊界面上的熱傳係數設定便不需要，可忽 略之；反之若元件幾何圖形表面與計算區間的邊界面相接觸時，則需要計算 並於環境屬性設定項目中輸入該接觸介面上元件幾何圖形表面與外界的熱 傳係數值。如式(2-1)與(2-2)所示為一平板表面受自然對流的的熱傳係數計算 方法： 垂直平板（Vertical plate）： 4 1 59 . 0 Ra k h Nu= δ = (2-1) 104≤ Ra ≤ 109 水平平板（Horizontal plate），並且上表面為散熱面： 4 1 54 . 0 Ra k h Nu= δ = (2-2) 104≤ Ra ≤ 107 式中符號 h 為熱對流係數，δ 為特徵長度，而 k 則代表工作流體的熱傳 導係數
以下為模擬時在主系統設定視窗中之建立解的區間之基本設定： Global system settings：
Datum Pressure = 1.0 Atm
External Radiant Temperature = 30 ℃ Global Ambient Temperature = 30 ℃ Ambient Attribute：
Gauge Pressure =0.0 Atm Temperature = 30 ℃
Radiant Temperature = 30 ℃ Heat transfer coefficient = 1 W/m°K External Velocity = 0.0 m/s 2.2.4 建立幾何元件圖形 FLOTHERM 提供了一些原始的幾何模型，分別有立方體、三角塊、平板、 風扇、散熱片、PCB 板、圓柱、外殼及熱源等幾何圖形元件。在這個設定範圍 裡，依不同的元件而有不同的參數設定，做以下幾個設定： 1. 材料屬性（Material Attribute）設定： 其中包含了熱傳導係數、密度與比熱等設定，另外還可以針對此材料 額外設定其表面處理情況。 2. 表面屬性（Surface Attribute）設定： 其中包含了表面粗糙度、放射率（Emissivity）、表面與流體之間熱阻、 表面與固體之間熱阻與面積因子（Area Factor）等設定。 3. 熱屬性（Thermal Attribute）設定： 設定幾何圖形元件的熱源模式（其中包含了固定溫度、固定熱通量、 傳導元件與電熱等模式）。 4. 輻射屬性（Radiation Attribute）設定： 設定幾何圖形元件表面的輻射模式（其中包含單一表面輻射與分割表 面輻射模式等）、最小輻射面積設定與分割表面公差（Sub-divide Surface Tolerance）等。 5. 表面熱交換（Surface Exchange）設定： 設定元件表面熱對流係數（可自行設定或交由程式自行運算）與元件 表面參考溫度（可自行設定或交由程式自行運算）。
在 ACOP 電腦中的元件中，後側有兩個大小為 92x92x25 mm 之風扇，調節 提供此兩風扇之電壓，使其輪流運轉工作，控制供給 ACOP 之風量為 12 cfm。 ACOP 的後艙室有一隔板，可以分離進、出口之空氣，使進入之空氣，必須 先通過框架，才能繞回到出口處離開。而框架的兩側，長出散熱鰭片，並封住其 端縫，而硬碟的後方也沒有阻擋，所以進口進入之空氣，通過框架時會流過散熱 鰭片之間，以及硬碟之周遭。也因此可以帶走由五片電路板及四顆硬碟工作時所 傳導至框架的散熱片之消耗功率，或是空氣直接帶走硬碟上的熱。 框架上的散熱鰭片，為了讓冷卻氣流有效進入鰭片間的通道，因此以端板將 此散熱鰭片封住，使其成為散熱鰭片通道。基於加工製造和散熱能力之考量，其 鰭片厚度為 1.5 mm，鰭片間流道寬度為 2.5 mm。依 ACOP 之高度，兩側之鰭片 數分別均為 52 個，共 104 個鰭片，其靠近硬碟處高度為 40.3 mm，計有 19 片鰭 片；靠近電路板處高度為 44.8 mm，計有 33 片鰭片，此散熱片之材質為 6061 鋁 合金。詳如表 2.1。 ACOP 初始設計如圖 2.6，規劃框架上端的部份安裝四個硬碟，硬碟分成上、 下兩組，一般情況下，只有一組硬碟工作，另外一組則處於待機的狀態。而最嚴 苛狀況下，是兩組硬碟，即四個硬碟同時工作。分析時，是考慮上方之硬碟於最 大消耗功率，而下方之硬碟處於待機，預測其工作溫度。因導熱及安裝硬碟之考 量，設計“Caddy”以固裝硬碟，如圖 2.5 所示。於是藉由 Caddy 上端面與框架接 觸固裝面，將熱量導至框架和散熱鰭片上。並且同時利用入口之冷空氣導入硬碟 控制板與框架間之縫隙流道，其縫隙高度約為 12 mm，將板上部份發熱量由流經 流道之冷空氣攜走。 框架下端，總計安裝六塊電路板，由上往下分別為 Spare 板、Sata+Ethernet 板、HRDL 板、USB+Video 板、SBC 板及 PS 板，如圖 2.6 所示。 各電路板件之雙邊以長、寬、高分別為 12 cm、5 mm、2 mm 之鋁合金墊片， 以螺絲固裝於電路板邊側，利用 Card-Locker 固裝在框架內表面的電路板支撐肋 上，詳如圖 2.7。藉由熱傳導之機制，將一般元件之發熱量利用板件內各層兩盎 司銅箔（如表 2.2 所列）導至框架和散熱鰭片上，再藉由流經鰭片流道內之冷空 氣，將熱量攜至外界。 在接觸熱阻的設定上，主要介面如：電路板與墊片，熱阻值為 0.2 W/cm2 ℃； 墊片與支撐肋，為 0.1 W/cm2 ℃；硬碟與 Caddy，0.2 W/cm2 ℃；Caddy 與框架 0.1 W/cm2 ℃。 ACOP 熱負荷是來自於電路板上的元件、硬碟與液晶螢幕等，其預測值是如 表上的「給定功率」所示。而實驗測試時，片狀電阻式加熱器因為要施加一定的 電壓，所以其各別所消耗之功率，則如表上的「實際功率」，為了讓此模擬與實 驗的狀態一致，所以模擬上採用實驗所施加之實際功率值。 電路板上加熱片的安裝位置，如圖 2.8 與圖 2.9，是電路板之中央，藉此加 熱片之消耗功率，來代表實際電路板所有元件消耗功率之總和。而每塊電路板所 消耗之功率大小不同，其各別的消耗功率值就如表 2.3 所示。其中發熱量最多的
是 PS 電路板，此電路板是位在所有電路板的最下層，消耗 14.634W 之功率。 硬碟加熱片的安裝位置就如圖 2.10 與圖 2.11 所示，依照實驗，是黏貼於硬 碟的表面，而其消耗功率也是參考硬碟功率的預測值來進行模擬。工作中的硬碟 會消耗約 11.55W 的功率，而待機的硬碟則只消耗約 0.72W 的功率。 另外 LCD 也是發熱源，所以在前方面板也安裝上加熱器，位置如圖 2.12， 總發熱量為 5.56W。 表 2.1 框架散熱鰭片幾何尺寸與材料 Number of fins at each
side of the chassis Height Thickness Length
Distance between
two adjacent fins Material 19 near HDD 40.3 mm
33 near boards 44.8 mm 1.5 mm 162 mm 2.5 mm A6061
圖 2.5 硬碟與 Caddy 組裝示意圖 圖 2.6 硬碟與電路板安裝位置示意圖 HDD#1 HDD#2 HDD#3 HDD#4 ACOP-SBC ACOP-T102 ACOP-PS ACOP-T104 ACOP-T103 ACOP-T101
圖 2.7 硬碟及電路板散熱設計示意圖
表 2.2 測試使用之各電路板訊號、電力及地層銅箔重量及層數 Layer Merged board
(ACOP-T101&T103)
HRDL board (ACOP-T102)
Spare board
(ACOP-T104) SBC board PS board
1 Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) 2 Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(2oz) Plane(2oz) 3 Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) Plane(2oz) Plane(2oz) 4 Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(1oz) Signal(2oz) Signal(2oz) 5 Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(2oz) Plane(2oz) 6 Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) Plane(2oz) Plane(2oz) 7 Plane(1oz) Plane(1oz) Plane(1oz) Signal(2oz) Signal(2oz) 8 Signal(1oz) Signal(1oz) Signal(1oz) Plane(2oz) Plane(2oz)
9 Plane(2oz) Plane(2oz) 10 Signal(1oz) Signal(1oz) HDD Merge board HRDL board Spare board SBC board PS board Spacer Retainer Fin Fin channel 放大圖
表 2.3 各電路板、硬碟及液晶螢幕等最大消耗功率實際值與預測值 名稱 實際功率 （總值） （W） 給定功率 （W） Merged board 3.26 3.30 HRDL board 5.77 5.02 Spare board 5.77 4.59 SBC board 9.93 9.90 PS board 14.63 14.91 硬碟(工作中)*2 11.55 12.54 硬碟(待機中)*2 0.72 0.72 液晶螢幕 5.56 6.60 總功率(W) 69.46 70.84 圖 2.8 PS 板加熱器位置及消耗功率示意圖 圖 2.9 HRDL board（T101 板）加熱器位置及消耗功率示意圖 (5.77W) (8.87W) (5.77W) 電路板 支撐肋 加熱器
圖 2.10 （工作中）硬碟加熱器位置及消耗功率示意圖 圖 2.11 （待機）硬碟加熱器位置及消耗功率示意圖 圖 2.12 液晶螢幕加熱器位置及消耗功率示意圖 (7.61W) (0.72W) (3.94W) (5.56W)
ACOP 主機外殼
2.2.5 設定與調整網格系統
FLOTHERM 是結構網格分割（Structured Mesh）的代表，它將要分析的模 型細細地切割成方型，如立方塊或長方塊的網格（Cell）。在每個基本物體的幾 何圖形邊界上，程式會先自動將其邊界預設為基本的格線，接著再考慮每個格點 在溫度及速度上的變化情形，增減若干格線就完成了基本網格的建立。在軟體的 使用手冊上建議，溫度或速度梯度分佈較為劇烈的區域，網格應予以細分以避免 較大誤差的產生；另外，相鄰網格不可突然地變大或縮小，應以漸進的方式予以 遞增或遞減，以免發生跳躍式的網格誤差。因此建立恰當的網格，能反應出真實 的物理現象，還能讓計算時收斂的情況較好。 網格的產生，除了上述之物體幾何邊界上所自動預設的基本網格線之外，還 可從幾何圖形元件本身的網格參數設定與整體系統網格參數設定等兩種方式，來 增減系統的網格數與網格的分佈密度。 2.3 ACOP 電腦初步散熱設計模擬結果 此熱流場分析，以 Flotherm code 4.2 執行計算分析工作，主要流經散熱鰭片 流道之流場雷諾數（Re）約為 195，因此，大部分之流場均為層流，故以層流模 式分析此冷卻散熱之流場。ACOP 工程型各電路板、硬碟、散熱鰭片流道、外殼 和流場等切割成約 73 萬個網格（grid），如圖 2.13 所示。 ACOP 出、入口均裝有一冷卻風扇，但只單獨使用其一工作，此分析情況中， 是僅開啟出口之風扇，且此風扇抽出 12 cfm 之冷卻空氣。圖 2.14 所示為 ACOP 中心截面之分析流場向量圖。 圖 2.15 所示為硬碟工作時之工作溫度預估情形，最高溫度可達 45.9℃，遠 低於商用規格件之工作溫度 70℃。圖 2.16 所示為硬碟待機時之工作溫度預估情 形，最高溫度可達約 38.5℃，溫度狀態比硬碟工作狀態要低約 7℃。 圖 2.17 所示為 HRDL 電路板板件工作預估值。因為使用 1 盎司銅箔之電路 板，故工作最高溫度達到 103.5℃。圖 2.18 所示為 PS 電路板工作預估值。因為 使用銅箔 2 盎司之電路板，故即使有比 HRDL 板更高之消耗功率，但工作最高 溫度只達到 77.6℃。
圖 2.13 ACOP 工程型分析網格示意圖
圖 2.15 硬碟工作狀態時溫度分佈
圖 2.17 HRDL 電路板溫度分佈
三、 溫度與出口風量之量測試驗
3.1 實驗目標 ACOP 電腦熱流場的模擬分析，經軟體的計算之後，仍需要實際的量測數據 來驗證，如此模擬的結果才有意義，並且能再利用此結果繼續接下去的設計改良 之工作。進行 ACOP 電腦的實驗，量測出的結果也可以幫助校正一些模擬時之 設定，某些假設之數值如介面熱阻，並無法正確的設定，但透過實驗的結果，比 較後可以幫助驗證假設是否正確。 3.2 實驗裝置 3.2.1 實驗量測器材 1. 電阻式片狀加熱器： 由於 ACOP EM1 上，未有完整的電子元件，為了能在設備完成之前先 行瞭解熱場與流場的情況，所以先以片狀加熱器來模擬真實之發熱量。因此 將加熱器黏貼在硬碟、電路板上，模擬這些電子元件之發熱量。 2. 隔熱毯： 其材質為玻璃纖維。貼於 ACOP EM1 外表面，可以降低熱從外殼的散 失，可符合僅藉由冷卻風扇所提供之空氣將熱帶出 ACOP 外之情形。 3. 熱電偶（Thermocouple）： 此實驗採用 Omega 公司的 K 型（K type）之熱電偶。 4. 流速計（Flow meter）： 採用熱線式（Hot-wire）的流速計。 5. 膠帶： 黏貼熱電偶於欲量測點之上，並且使用其將線纏繞在一起，可以避免線 材阻礙流場。 3.2.2 發熱量之模擬 1. 因為執行溫度量測試驗時，係以五件模擬電路板來模擬實際板件，初始以 一盎司銅膜之 Ground plane and Power plane 之模擬電路板，由試驗結果顯 示其模擬工作溫度過高，因此於最後一次試驗以現存兩片之二盎司銅膜之 Ground plane and Power plane 之模擬電路板取代 SBC and PS boards。因模 擬電路板上並沒有電子發熱元件，所以藉著在電路板靠近中央處安裝黏貼模擬板件發熱量之電阻式片狀加熱器，來模擬電路板的發熱。 2. 硬碟也藉著貼上片狀加熱器來模擬發熱，而因為硬碟之中，有兩個代表工 作狀態之硬碟，另外兩個硬碟則處於待機狀態，待機狀態之硬碟的發熱量 會遠比工作狀態之硬碟的發熱量要少。所以四個硬碟中，使用兩種發熱功 率值，分別代表工作與待機之硬碟狀態。 3. 使用了五種不同電阻值的片狀加熱器，分別為 3 片 34.6 ohm，4 片 88.4 ohm，3 片 103 ohm，4 片 136 ohm，2 片 199 ohm 之加熱器。施加 28V、 12V、5V 等電壓值在加熱器上來模擬電子裝置所消耗之功率。 4. 各電子設備所安裝之加熱器，數量以及選用的電阻值整理如表 3.1 所示。 3.2.3 空氣檔板： 如圖 3.1，此檔板可以取代初始設計的導管裝置。於入口通道處，讓小部份 氣流經散熱鰭片熱穴，讓大部份空氣通過硬碟與座槽間之空隙。而下方的電路 板，因為背板的阻擋，所以氣流將無法通過電路板間之通道。將導管換成檔板的 原因，是希望利用強制對流直接冷卻硬碟之電路板，可以直接降低硬碟之電路板 溫度，提升硬碟的可靠度。 表 3.1 加熱器施加功率表 名稱 數 量 加熱器之電 阻值（ohm） 施加電壓 （volt） 每片加熱器 之功率（W） 實際功率 （總值）（W） 給定功率 （W） Merged board 2 88.4 12 1.629 3.258 3.3 HRDL board 1 136 28 5.765 5.765 5.02 Spare board 1 136 28 5.765 5.765 4.59 1 88.4 28 8.869 SBC board 1 136 12 1.059 9.928 9.9 1 88.4 28 8.869 PS board 1 136 28 5.765 14.633 14.91 1 103 28 7.612 硬碟(工作中)*2 1 199 28 3.940 11.551 12.54 硬碟(待機中)*2 1 34.6 5 0.723 0.723 0.72 1 34.6 12 4.162 液晶螢幕 1 103 12 1.398 5.560 6.6 總功率(W) 69.456 70.84
圖 3.1 空氣隔板位置示意圖 3.3 溫度與空氣流率的量測與位置 3.3.1 溫度量測之位置 使用熱電偶量測共 55 個位置的溫度，在不同型式的 ACOP 冷卻風扇工作方 式及內部流場分佈配置下，進行量測實驗。 溫度量測點 T1~T6 皆位在框架上，量測散熱鰭片的溫度，位置如圖 3.2~3.4。 T7~T12 由上而下安裝在較熱一側（Hot side）之支撐肋上，圖 3.5 為其中的 T10~T12；另外的 T13~T18 則由上到下安裝在較冷一側（Cold side）之支撐肋上， 是為了量測電路板與框架剛接觸之處的溫度。 溫度量測點 T19~T33 是，安裝在電路板之上，各片電路板皆安裝三個位置， 分別是電路板的中央以及兩側，如圖 3.6 所示，量測電路板本身之溫度。 硬碟上的熱電偶黏貼位置，是量測點 T37~T47，而第一個硬碟（HDD1）的 貼法，如圖 3.7 與 3.8。而其他三顆硬碟是將電路板面上的四個熱電偶減少為一 個，另外一個則仍貼於側面，而各硬碟使用的熱電偶如下︰HDD2：T42~T43； HDD3：T46~T47； HDD4：T44~T45。 溫度量測點 T55 是量測箱內前側空氣溫度，安裝在框架與前面板之間，量測 箱內前側的空氣溫度，如圖 3.10。T56 是進口處，安裝在入口冷卻風扇之外側， 量測空氣被吸入 ACOP 電腦之前的溫度。T57 是出口處，安裝在出口冷卻風扇之 外側，量測空氣被吹出 ACOP 電腦之後的溫度。T58 是環境溫度，安置在 ACOP 電腦機箱之外，量測外界空氣溫度。 空氣檔板
圖 3.2 溫度量測點 T1~T3 位置圖 圖 3.3 溫度量測點 T4,T5 位置圖 T1 T2 T5 T4 T3
圖 3.4 溫度量測點 T6 位置圖
圖 3.5 溫度量測點 T10~T12 位置圖
T10 T11
圖 3.6 溫度量測點 T10~T12 位置圖
圖 3.7 溫度量測點 T37~T40 位置圖 T19
T20
圖 3.8 溫度量測點 T41 位置圖 圖 3.9 溫度量測點 T53~T54 位置圖 圖 3.10 溫度量測點 T55 位置圖 T54 T53 T55
3.3.2 出口的平均流率 是由出口截面所量測到的 48 個位置之流速，取平均而得。這些位置之分佈 如以下兩個圖所顯示（圖上的 x 表量測之處）。 如圖 3.11 的量測位置所示，由左至右每隔 1cm 處，量一次流速值，如此共 可量得 24 個點；而如圖 3.12 的量測位置所示，由上而下每隔 1cm 處，量一次流 速值，如此又可量得 24 個點。 量測截面位在一個 2 公尺長的正方形（92x92mm）截面之導管尾端，導管的 頭端連接著出口風扇。此導管會有助於讓從風扇流出的氣流能均勻地混合，使截 面上各點流速可以趨近一致。 圖 3.11 出口風速量測位置(1) 圖 3.12 出口風速量測位置(2) 92 mm 92 mm 23 mm 23 mm 23 mm 92 mm 92 mm 23 mm 23 mm 23 mm × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × 流速量測點
3.4 量測試驗環境 1. 預設外界溫度維持在 30±1℃的範圍下進行實驗，但在實驗進行之中，空 調系統難以持續且精確地控制整個房間之溫度，於是室溫會呈上下波動。 而從入口吸入的空氣，會很快的影響到 ACOP 內部溫度，尤其是在流場 的氣流所流經之處，溫度特別容易受吸入空氣的溫度所影響。所以室溫的 波動會造成內部溫度的波動，在操作實驗之時，會盡可能避免這種情況的 發生。 2. 要使 ACOP 工作溫度達到穩態，需要相當長的一段時間，而過程中的溫 度資料都必須加以紀錄，為了避免記錄的資料量過大，所以每 30 秒紀錄 一次。 3. 判斷穩態的預設條件是，各個位置的溫度變化不超過 0.2℃/hr。但由實驗 過程中發現，如此的溫度範圍會使工作的時間過長，而在 0.5℃/hr 的變異 範圍下，溫度的改變程度已可接受。為了能增加實驗的效率，所以在實驗 中，改採用 0.5℃/hr 的條件。 3.5 實驗類型與風扇的操作 3.5.1 ACOP 實驗型態 ACOP 實驗流場配置可以分為四型，首先第一種是利用導管來引導冷卻氣流 的導管型態，接著第二與第三種為安裝氣流隔板之類型，分安裝在靠近出口側以 及入口側之型態，最後第四種是風扇並聯之型態。使用此些不同型態，是希望藉 由這些可以初步了解導管與氣流隔板對散熱能力的影響，另外也希望觀察並聯式 風扇所得到的實驗結果。分類的關係如圖 3.13。而其流場示意圖與照片如圖 3.14~ 圖 3.17 所示。 圖 3.13 流場型態分類
ACOP 流場型態
出口側安 裝檔板 入口側安 裝檔板 風扇導管採用串聯式風扇
出口側安 裝檔板採用並聯式風扇
圖 3.14 導管型態流場示意圖與其實際照片
圖 3.17 風扇並聯型態之實際照片 3.5.2 冷卻風扇的操作 入口冷卻風扇與出口冷卻風扇都可藉著改變其輸入電壓，改變其轉速。由於 規格上的要求，平均風速必須在 15±3 cfm 的流率範圍內，所以必須改變輸入電 壓，然後測出口流速是否在範圍內，或者是否在要求的數值之後，再開始實驗。 冷卻風扇對 ACOP 的散熱影響很大，所以需要了解在風扇失效之時，ACOP 電腦系統內部的溫度分佈情形。於是，將冷卻風扇的工作狀況分為以下幾種來進 行實驗： (1) 風扇串聯配置： a. 入口風扇與出口風扇同時運轉。 b. 僅讓入口風扇運轉，出口風扇靜止。 c. 僅讓出口風扇運轉，入口風扇靜止。 d. 入口風扇與出口風扇都靜止。 (2) 風扇並聯配置： a. 兩風扇同時運轉。 b. 僅讓單一風扇運轉。 c. 兩風扇都靜止不轉動。 但其中(2)c.之情況，與(1)d.的熱分佈情況會非常接近，因為兩者都缺少了冷 卻風扇產生的強制對流，ACOP 電腦只利用輻射、傳導與自然對流來散熱，而兩 者的幾何尺寸幾乎相同，所以熱的分佈情形會接近一致。於是為了減少實驗的時 間，不採行(2)c.這個風扇狀況。 減少 ACOP 電腦的流場風阻，可以增加氣流的流速。考慮這個原因，所以 嘗試將僅單一風扇運轉的狀況中，把另一個靜止的風扇摘除，觀察所增加的流 速。而流速的增加，就代表了把靜止風扇所產生之風阻排除所得的效應。
3.6 實驗步驟 1. 開啟所有加熱片。每一實驗都使用相同的功率值。 2. 開啟進出口之風扇。(此項依各種 case 要求，使用不同的輸入電壓) 3. 開啟溫度量測器，每 30 秒紀錄一次溫度。 4. 紀錄出口的平均空氣流率。 5. 待所紀錄的溫度變化小於 0.5℃/hr，實驗結束。 3.7 實驗結果數據 1. 導管型態： 表 3.2 導管型態之實驗條件 執行之實驗 風扇輸入電壓 入口風扇 (volt) 出口風扇 (volt) Case1：僅開啟入口風扇，電壓 10 volt 10 0 Case2：僅開啟出口風扇，電壓 10 volt 0 10 Case3：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt 10 10 Case4：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm 0 9.4 Case5：僅開啟出口風扇，電壓 12 volt 0 12 Case6：僅開啟出口風扇，電壓 8.7 volt， 並且未安裝入口風扇 0 8.7 Case7：僅開啟出口風扇，電壓 10 volt， 並且未安裝風扇濾網 0 10 Case8：僅開啟出口風扇，電壓 9.4 volt， 並且在 ACOP EM1 外額外貼上錫箔紙 0 9.4 表 3.3 導管型態之實驗結果數據 實驗
項目 Case1 Case2 Case3 Case4 Case5 Case6 Case7 Case8
平均出口流 速(cfm) 12.2 13.56 23.65 12.15 16.26 14.55 15.83 11.79 T1 38.7 38.9 36.0 39.2 37.7 38.9 37.9 40.0 T2 38.4 38.7 35.6 39.0 37.4 38.6 37.7 39.7 T3 37.2 37.4 34.8 37.6 36.3 37.4 36.4 38.2 T4 37.8 38.1 35.1 38.4 36.9 38.0 37.1 39.1 T5 35.6 35.8 33.6 36.0 34.8 36.0 34.9 36.5 T6 34.4 34.6 32.6 34.9 33.7 34.8 33.8 35.2 T7 38.6 38.9 35.8 39.2 37.7 38.9 37.9 40.0 T8 38.8 39.2 35.9 39.5 37.9 39.1 38.1 40.2 T9 38.8 39.2 36.0 39.5 38.0 39.1 38.2 40.2 溫度 (°C) T10 38.9 39.2 36.1 39.6 38.1 39.2 38.2 40.2
T11 38.6 39.0 36.0 39.3 37.8 38.9 37.9 39.9 T12 38.2 38.5 35.7 38.8 37.4 38.5 37.5 39.4 T13 34.9 35.0 33.0 35.2 34.0 35.2 34.1 35.7 T14 35.5 35.6 33.5 35.8 34.6 35.7 34.7 36.3 T15 36.4 36.3 34.3 36.3 35.3 36.5 35.5 36.8 T16 35.2 35.2 33.3 35.4 34.3 35.4 34.4 35.8 T17 34.9 35.0 33.1 35.2 34.1 35.2 34.2 35.6 T18 34.8 35.0 33.1 35.2 34.2 35.3 34.2 35.6 T19 43.1 42.9 41.2 42.9 42.1 43.3 42.3 43.4 T20 87.3 86.5 84.1 86.0 85.7 87.2 86.7 86.5 T21 48.0 48.5 45.5 48.5 47.3 48.5 47.6 49.1 T22 53.0 53.8 50.4 53.8 52.6 53.6 52.9 54.3 T23 106.7 102.9 100.6 101.3 102.1 105.5 104.1 102.5 T24 44.0 43.2 42.0 42.9 42.4 44.1 42.9 43.4 T25 47.3 48.3 44.8 48.7 47.1 48.2 47.4 49.3 T26 106.9 104.0 99.9 100.9 101.1 103.9 102.9 102.0 T27 43.3 42.5 40.9 42.1 41.5 43.1 42.0 42.6 T28 42.2 41.5 39.8 41.1 40.4 41.9 40.8 41.6 T29 100.9 98.6 94.2 96.0 95.4 97.3 96.7 96.9 T30 43.6 44.4 40.7 44.8 43.0 44.2 43.3 45.5 T31 45.6 46.5 42.5 46.8 44.9 46.2 45.2 47.4 T32 70.8 70.1 66.2 69.1 68.4 70.0 69.3 69.6 T33 42.1 41.5 39.8 41.2 40.6 42.0 40.9 41.7 T37 40.5 40.8 38.1 40.9 39.4 40.9 39.7 41.7 T38 41.5 41.7 39.0 41.9 40.4 41.8 40.7 42.7 T39 42.3 42.7 39.9 42.8 41.4 42.7 41.6 43.6 T40 42.0 42.3 39.5 42.5 41.0 42.3 41.2 43.3 T41 39.1 39.6 36.9 39.8 38.3 39.7 38.6 40.5 T42 43.9 44.4 41.1 44.6 42.9 44.3 43.4 45.5 T43 42.9 43.4 40.0 43.6 41.9 43.3 42.3 44.5 T44 39.2 39.7 36.3 40.0 38.3 39.7 38.7 40.9 T45 39.3 39.7 36.3 39.9 38.2 39.6 38.6 40.8 T46 38.7 38.6 36.0 38.8 37.2 38.7 37.6 39.5 T47 38.1 38.2 35.5 38.3 36.9 38.3 37.1 39.0 T53 37.3 37.3 35.9 37.5 36.9 37.6 36.7 37.8 T54 36.3 36.2 34.9 36.4 35.8 36.4 35.6 36.7 T55 35.6 35.9 33.4 36.2 34.8 36.0 35.0 36.7 T56 30.2 30.7 30.0 30.8 30.2 31.2 30.3 30.6 T57 38.0 38.4 35.3 38.6 37.5 38.2 37.1 39.0 溫度 (°C) T58 30.4 31.7 30.5 30.8 30.3 31.4 31.0 30.6 2. 出口側隔板型態： 表 3.4 出口側隔板型態之實驗條件 執行之實驗 風扇輸入電壓 入口風扇 (volt) 出口風扇 (volt) Case1：僅開啟入口風扇，電壓 10 volt 10 0 Case2：僅開啟出口風扇，電壓 10 volt 0 10 Case3：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt 10 10 Case4：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm 0 8.2 Case5：兩個風扇都關閉 0 0
Case6：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm （改進電路板前方封口，使完全封閉） 0 8.1 Case7：僅開啟出口風扇，電壓 12 volt （改進電路板前方封口，使完全封閉） 0 12 Case8：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt （改進電路板前方封口，使完全封閉） 10 10 表 3.5 出口側隔板型態之實驗結果數據 實驗
項目 Case1 Case2 Case3 Case4 Case5 Case6 Case7 Case8
平均出口流 速(cfm) 13.55 14.7 24.51 12.05 * 11.9 17.54 24.87 T1 37.4 37.4 35.4 40.0 56.6 39.6 37.5 34.2 T2 37.6 37.5 35.6 39.9 55.5 39.3 37.3 34.1 T3 37.0 36.8 35.3 39.0 51.5 38.4 36.7 33.7 T4 37.3 37.1 35.3 39.5 54.6 39.0 37.0 33.9 T5 36.1 35.6 34.0 38.4 55.0 38.8 36.6 33.3 T6 35.3 34.8 33.4 37.6 55.3 37.7 35.5 32.4 T7 37.9 37.8 35.9 40.3 55.7 39.7 37.6 34.3 T8 38.2 38.0 36.1 40.6 55.9 40.0 37.9 34.7 T9 38.5 38.4 36.5 40.8 55.7 40.1 38.0 34.8 T10 38.8 38.6 36.8 41.1 55.3 40.2 38.1 34.9 T11 38.7 38.5 36.8 40.8 54.7 39.9 38.0 34.8 T12 38.3 38.1 36.5 40.3 54.0 39.4 37.5 34.4 T13 35.7 35.2 33.5 37.9 55.3 38.4 36.1 32.8 T14 36.1 35.6 33.8 38.4 55.5 38.9 36.6 33.4 T15 36.7 36.1 34.1 39.0 55.9 40.0 37.8 34.5 T16 36.0 35.5 33.7 38.2 54.6 39.0 36.8 33.5 T17 35.9 35.3 33.7 38.1 53.9 38.8 36.6 33.3 T18 35.9 35.4 33.8 38.1 53.4 38.6 36.5 33.3 T19 43.1 42.4 40.2 45.2 60.7 46.6 44.5 41.4 T20 86.1 84.8 80.7 87.6 101.5 90.4 88.5 85.4 T21 48.3 47.8 45.8 50.0 62.9 49.7 47.8 44.7 T22 53.1 52.6 49.7 55.2 67.3 53.5 51.6 48.4 T23 98.8 96.5 87.6 101.6 118.4 110.4 108.4 105.0 T24 42.4 41.4 38.6 44.6 61.9 48.4 46.3 43.1 T25 47.6 47.2 43.9 49.9 63.0 48.9 47.0 43.7 T26 97.3 96.1 84.9 102.3 120.7 110.5 108.4 105.0 T27 41.1 40.3 37.2 43.7 61.4 47.4 45.2 41.9 T28 40.4 39.7 36.5 43.2 60.6 45.9 43.6 40.3 T29 91.4 91.4 80.0 96.9 115.7 104.9 102.8 99.4 T30 43.2 42.9 40.0 45.7 60.0 45.3 43.4 40.2 T31 44.0 43.6 40.6 46.5 62.0 47.0 45.1 41.9 T32 65.4 65.3 58.6 69.4 85.5 74.0 71.8 68.2 T33 41.3 40.6 37.2 43.8 60.7 45.2 42.9 39.5 T37 37.7 37.3 35.8 40.5 59.8 40.2 38.0 34.4 T38 39.3 39.0 37.3 42.0 60.9 41.9 39.6 36.0 T39 40.0 40.0 38.0 43.0 61.6 42.8 40.6 36.8 T40 39.6 39.7 37.7 42.5 61.1 42.4 40.2 36.4 溫度 (°C) T41 38.5 38.1 36.3 41.0 58.9 41.0 38.8 35.4
T42 40.5 40.9 38.4 43.5 62.0 42.9 40.7 36.9 T43 41.0 41.2 38.8 43.7 61.2 42.5 40.4 36.8 T44 36.2 36.2 34.3 38.7 57.5 38.6 36.6 33.1 T45 37.1 37.0 35.0 39.6 57.4 39.5 37.3 33.9 T46 34.7 34.4 33.2 36.8 57.2 36.8 35.0 32.1 T47 36.4 35.9 34.4 38.5 57.4 38.3 36.2 33.3 T53 38.7 37.9 35.5 T54 37.5 36.7 34.3 T55 35.6 35.2 34.1 37.8 49.1 38.5 36.4 33.2 T56 30.1 30.5 30.9 31.6 32.0 31.0 30.9 29.2 T57 36.9 37.0 35.3 39.0 38.4 38.6 37.1 33.6 溫度 (°C) T58 30.5 30.1 30.9 31.3 31.4 31.2 31.2 29.4 3. 入口側隔板型態： 表 3.6 入口側隔板型態之實驗條件 執行之實驗 風扇輸入電壓 入口風扇 (volt) 出口風扇 (volt) Case1：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm 0 7.5 Case2：僅開啟出口風扇，流速 15 cfm 0 9.5 Case3：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt 10 10 Case4：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm （改進電路板前方封口，使完全封閉） 0 8.4 Case5：僅開啟出口風扇，流速 12 cfm，並 且改使用 2 盎司銅模之 dummy 電路 板 （改進電路板前方封口，使完全封閉） 0 8.4 表 3.7 入口側隔板型態之實驗結果數據 實驗
項目 Case1 Case2 Case3 Case4 Case5
平均出口流 速(cfm) 11.86 15.02 26.12 12.22 12.22 T1 40.3 38.6 35.3 40.0 39.9 T2 40.0 38.4 35.0 39.9 39.8 T3 38.6 37.2 34.4 38.6 38.4 T4 39.3 37.7 34.5 39.2 39.2 T5 36.6 35.1 32.4 36.0 35.9 T6 35.4 34.0 31.6 34.7 34.7 T7 40.2 38.5 35.2 40.2 40.2 T8 40.3 38.6 35.3 40.4 40.4 T9 40.3 38.7 35.4 40.6 40.6 T10 40.4 38.7 35.5 40.6 41.1 T11 40.2 38.6 35.4 40.4 40.7 T12 39.9 38.3 35.1 39.8 39.7 T13 35.8 34.4 31.8 35.1 35.1 溫度 (°C) T14 36.5 34.9 32.2 35.9 35.8
T15 37.1 35.6 32.7 36.9 36.5 T16 36.0 34.6 32.1 35.6 35.9 T17 35.8 34.4 31.9 35.4 35.7 T18 35.7 34.4 32.0 35.4 * T19 43.8 42.3 39.3 44.0 43.5 T20 85.1 83.3 80.4 89.8 70.6 T21 48.4 46.8 43.8 49.9 46.9 T22 52.4 50.9 48.3 53.8 49.7 T23 97.8 96.7 93.8 110.2 70.5 T24 44.3 42.8 39.2 45.7 43.9 T25 47.2 45.6 42.9 49.2 46.4 T26 95.4 91.7 88.8 110.0 96.5 T27 42.8 41.2 37.8 44.6 41.3 T28 42.1 40.2 36.6 43.2 41.1 T29 92.8 88.0 84.1 104.2 95.8 T30 44.1 42.3 39.4 45.5 44.7 T31 45.7 43.8 40.6 46.8 46.0 T32 68.7 65.7 59.3 72.9 69.6 T33 42.5 40.6 37.0 42.8 41.5 T37 41.0 39.2 36.0 40.3 40.0 T38 41.9 40.1 36.9 41.2 40.9 T39 42.5 40.7 37.5 41.9 41.6 T40 42.2 40.4 37.3 41.6 41.3 T41 40.0 38.3 35.4 39.3 39.1 T42 44.4 42.6 39.0 43.6 43.5 T43 43.8 42.0 38.5 42.5 42.4 T44 39.2 37.6 34.4 39.0 38.8 T45 39.9 38.2 34.9 39.6 39.5 T46 40.8 38.7 35.1 38.1 37.5 T47 39.1 37.4 34.2 38.1 37.4 T53 37.4 36.7 35.0 37.3 37.2 T54 36.3 35.6 34.0 36.2 35.9 T55 35.7 34.5 32.2 35.3 35.3 T56 29.9 29.8 29.4 29.7 29.7 T57 38.2 37.1 34.5 38.0 37.5 溫度 (°C) T58 30.3 30.5 30.1 30.1 29.9 4. 風扇並聯型態： 表 3.8 風扇並聯型態之實驗條件 執行之實驗 風扇輸入電壓 上側風扇 (volt) 下側風扇 (volt) Case1：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt 10 10 Case2：僅開啟下側之風扇，電壓 12 volt 0 12 Case3：兩個風扇同時開啟，電壓 10 volt （改進電路板前方封口，使完全封閉） 10 10 Case4：僅開啟下側之風扇，電壓 12 volt （改進電路板前方封口，使完全封閉） 0 12
表 3.9 風扇並聯型態之實驗結果數據 實驗
項目 Case1 Case2 Case3 Case4
平均出口流 速(cfm) 18.96 10.67 18.91 11.15 T1 33.3 39.2 37.4 39.7 T2 33.4 39.1 37.2 39.4 T3 32.9 38.2 36.7 38.6 T4 33.0 38.6 36.9 39.0 T5 31.2 37.0 36.1 38.4 T6 30.2 35.9 34.9 37.2 T7 33.6 39.4 37.4 39.7 T8 33.9 39.7 37.7 40.0 T9 34.2 39.9 37.8 40.0 T10 34.5 40.1 37.9 40.1 T11 34.4 39.9 37.7 39.8 T12 33.9 39.4 37.3 39.4 T13 30.5 36.4 35.4 37.9 T14 30.9 36.8 36.1 38.6 T15 31.2 37.3 37.2 39.7 T16 30.7 36.6 36.2 38.6 T17 30.7 36.5 36.0 38.5 T18 30.9 36.6 36.1 38.4 T19 37.4 43.4 44.2 46.5 T20 76.9 84.2 88.5 90.5 T21 42.8 48.6 47.5 49.6 T22 47.5 53.8 51.2 53.4 T23 84.6 95.6 108.3 110.4 T24 35.6 42.3 45.9 48.2 T25 42.1 48.6 46.6 48.8 T26 80.0 93.6 108.1 110.5 T27 34.0 41.1 44.7 47.1 T28 33.6 40.6 43.1 45.6 T29 76.4 90.5 102.4 104.7 T30 37.9 44.3 43.2 45.3 T31 39.0 45.4 44.9 46.9 T32 56.1 66.9 71.4 73.8 T33 34.1 41.5 42.3 44.8 T37 33.3 39.0 37.6 40.0 T38 34.7 40.6 39.2 41.7 T39 35.8 41.6 40.2 42.6 T40 35.4 41.2 39.8 42.2 T41 33.8 39.7 38.4 40.7 T42 36.4 42.3 40.4 42.8 T43 36.6 42.5 40.2 42.5 T44 32.5 38.0 36.5 38.6 T45 33.1 38.8 37.2 39.4 T46 30.1 35.3 34.3 36.1 T47 31.4 37.0 35.6 37.8 T53 33.7 37.3 37.7 38.5 T54 32.5 36.2 36.5 37.3 溫度 (°C) T55 31.2 36.3 35.7 37.5
T56 27.0 29.5 30.9 30.5 T57 33.0 37.4 36.8 38.3 溫度 (°C) T58 27.3 30.2 31.2 30.6 3.8 實驗結果討論 在四種類型的實驗中，量測其出口空氣流率可知道，為了達到 12 cfm，入口 側隔板型態所使用的電壓最小，而風扇並聯型態所使用的電壓最大，所以根據電 壓大小，可以推知這四種類型的實驗，內部的風阻最小是入口側隔板型態，而最 大是風扇並聯型態。 在風扇並聯型態這實驗中，出口的氣流流率是四種型態中最小的，也就是此 型的風阻最大。其原因主要是風扇不位在開口上，而是在內部，另外孔的大小只 有 92x92 mm，兩個並列的風扇所吹出的氣流，只有一半可以直接從孔流入，另 一半會被擋住，而發生迴流。這些風阻都大過其他三種配置方式。 比較使用導管與隔板這兩種類型的流場，使用導管之型態只允許氣流直接流 過散熱片；而隔板型態，則讓氣流在流過散熱片之外，還可以直接通過硬碟。從 實驗的結果來看，也可以看出讓氣流通過硬碟的話，硬碟整體的溫度會降低，故 冷卻氣流對電子元件直接通過的強制對流，可以有效的幫助散熱。 在電路板的區域，五塊板子由下到上，各片上所加的加熱片會產生的熱為 14.6W、9.9W、5.8W、5.8W、3.3W。但是從溫度的量測結果可以看到，最下面 這塊 PS 板的溫度會比中間三片要低。推測是因為板下有較大的空間給予散熱， 可以利用此空間的空氣做自然對流，再由空氣把熱傳導至底殼上。 計算進出口風扇所帶出的熱量，可求出風扇所產生的強制對流，平均帶出約 55W 的功率，所以可以知道約有 14~15W 的功率經由其他傳熱途徑散失到外界。 亦即有 14~15W 的功率會因為輻射、和外殼受外界自然對流而散失。 在同樣類型的實驗中，僅開啟出口風扇與僅開啟入口風扇的這兩種例子相 比，會發現相同輸入電壓下，僅開出口風扇所得氣流流量會較大。亦即單獨用出 口風扇將風抽出，會比單用入口風扇將風吹入的流量要大。 在僅一出口風扇轉動的例子中，嘗試將入口風扇取下，再利用單獨一個出口 風扇進行實驗，可以獲得較高的空氣流率。因為入口風扇若不轉動，其本身會造 成流場的風阻，拿掉此風扇進行實驗，可以讓出口風扇在同樣的輸入電壓下，產 生更大的空氣流量。濾網本身也是一個風阻，在將它取下重新做實驗之後，可以 得到更大的空氣流量。甚至在實驗中可以發現，濾網與風扇之間的距離，也影響 著空氣流量：濾網離風扇若較遠，則會有較小的流率。推測濾網若離風扇的距離 越遠，會有越大的風阻產生。 當把兩風扇都關掉之時，若從室溫開始加熱，且加熱片不停加熱，觀測其溫 度可發現，兩小時後，硬碟最高溫會達到 56.3℃，三小時，則達到 59.8℃，四小 時，則達到 61.9℃。
3.9 實驗與模擬結果之比較 選擇與模擬相同條件下之型態，比較其結果，如表 3.10，可以看出其最大差 異不超過 4℃，且整體的趨勢接近。若討論為何仍有部份差異，原因可能是模擬 之情況較為理想化，所設定之數據都是一致的，但真實情況下，任何物件的特性 不會處處相同。另外有些數據是假設一數值來計算，此真實數值無法準確知道， 故現在藉由實驗的結果，評估當初的假設應是合理的，例如介面熱阻，藉結果可 知，實驗與模擬各量測點之間的差值非常接近，因此中間的介面熱阻設定差異並 不大，故整體來說，介面熱阻的假設值是可接受的。 表 3.10 此型態經過 FLOTHERM 計算 1500 次疊代之後的結果，此時的計算 餘值已經滿足於 FLOTHERM 說明手冊中［13］的建議，故採納此計算結果。而 與實驗比較之下，相同位置溫度差距在 4℃以內，若看成百分比，誤差約在 6% 以內。 表 3.10 ACOP 工程型模擬分析與試驗量測結果比較 目標 量 測 點 數 值 解 (℃) 實 驗 值 (℃) 目標 量 測 點 數 值 解 (℃) 實 驗 值 (℃) 目標 量 測 點 數 值 解 (℃) 實 驗 值 (℃) T1 37.9 39.9 T19 46.0 43.5 T37 40.4 40.0 T2 38.6 39.8 T20 74.6 70.6 T38 41.7 40.9 T3 36.6 38.4 PS board T21 50.0 46.9 T39 42.2 41.6 T4 38.4 39.2 T22 50.1 49.7 T40 41.7 41.3 T5 35.2 35.9 T23 68.7 70.5 硬碟#1 T41 40.5 39.1 框架 (Chassis) T6 34.3 34.7 SBC board T24 44.3 43.9 T42 42.0 43.5 T7 38.9 40.2 T25 46.5 46.4 硬碟#2 T43 42.1 42.4 T8 38.9 40.4 T26 96.0 96.5 T44 37.6 38.8 T9 39.1 40.6 Spare board T27 43.0 41.3 硬碟#3 T45 37.7 39.5 T10 39.3 41.1 T28 43.4 41.1 T46 36.5 37.5 T11 39.3 40.7 T29 98.8 95.8 硬碟#4 T47 36.3 37.4 近出口端 之支撐肋 (Hot side retainer） T12 38.8 39.7 HDRL board T30 46.7 44.7 T53 36.2 37.2 T13 34.4 35.1 T31 44.5 46.0 面板 (LCD) T54 35.5 35.9 T14 34.9 35.8 T32 70.6 69.6 T15 34.8 36.5 Merge board T33 41.5 41.5 內部前側 空氣 T55 34.6 35.3 T16 34.8 35.9 入口空氣 T56 30 29.7 T17 34.9 35.7 出口空氣 T57 37.7 37.5 近入口端 之支撐肋 (Cold side retainer) T18 34.7 x 外界空氣 T58 30 29.9
四、 散熱設計改良
4.1 設計改良之策略 整部電腦消耗最多功率之處是電路板與硬碟，透過模擬分析與實驗量測的結 果發現，電路板的溫度在熱源附近偏高，但電路板的區域在初始的設計中，是封 閉之空間，無冷卻氣流通過，完全靠熱傳導將熱傳出。而硬碟的部份，若用氣流 隔板取代導管的話，冷卻氣流可以通過其中，其散熱機制就受到熱傳導加上強制 對流影響。 在企圖改良這些設計之前，先提出幾個主要之改進策略： 1、 直接增加散熱機制於熱源之上，讓熱源的熱有更多的方式傳出。 2、 縮短散熱的途徑，讓熱源的熱可以更早抵達電腦的外殼或外部。 3、 使用導熱更快的材料，使熱的傳導速度更快，更快傳出電腦。 運用改進策略來進行改良時，期望僅藉由些微的改變來達成散熱，因為這樣 對原設計的改變幅度小，但又可以得到更好的溫度分佈情況。另外這些改變必須 是可行而可接受的，才不至於成為難以實現的改良設計。 4.2 ACOP 電腦之工作需求 太空艙系統環境溫度需求是根據 NASA 的太空艙應用文件資料得知［14］。 各電路板件中，除了 HRDL 電路板最高溫要求在 70℃外，其他板最高溫是 85℃， 而液晶顯示器的溫度要求則是 60℃，硬碟是 70℃。 前方面板平均的溫度需求是 37℃，最高溫限制在 49℃。而排出的氣流溫度 限制則是 49℃。 ACOP 初始的設計實驗結果，雖然電路板的溫度在熱源處超過 100℃，但實 驗的情況是將所有的熱源集中於電路板中央，真實的電路板，電子元件會分佈在 其上，所以熱源會分散，溫度會低於本實驗結果。而目前分析就選擇以此熱量最 集中的情況來模擬，若改良後能滿足工作之規格，那未來真實電路板運用同散熱 設計，也一定能滿足規格。 4.3 模擬分析參數變換之結果 1. 無自然對流的影響： 由於外太空的環境是無重力的，故不會發生自然對流，於是嘗試將模擬分析 中環境條件的自然對流設定予以關閉，而其他設定不改變，觀察其結果的影響。結果參見表 4.1。 可看出對電路板的部份有較大的影響，因無氣流通過，主要的傳熱機制是藉 熱傳導、熱輻射以及自然對流，移除掉自然對流的設定，使得電路板的散熱能力 降低。無自然對流，整體溫度有升高的趨勢，但溫度影響程度不高，變化都在 0.4℃範圍以內。 表 4.1 自然對流對 ACOP 工程型模擬結果之比較 目標 量 測 點 有 自 然 對 流 (℃) 無 自 然 對 流 (℃) 目標 量 測 點 有 自 然 對 流 (℃) 無自 然對 流 (℃) 目標 量 測 點 有 自 然 對 流 (℃) 無 自 然 對 流 (℃) T1 37.9 38.1 T19 46.0 47.5 T37 40.4 40.5 T2 38.6 38.7 T20 74.6 78.9 T38 41.7 41.8 T3 36.6 36.9 PS board T21 50.0 51.8 T39 42.2 42.3 T4 38.4 38.6 T22 50.1 51.2 T40 41.7 41.8 T5 35.2 35.2 T23 68.7 71.3 硬碟#1 T41 40.5 40.6 框架 (Chassis) T6 34.3 34.3 SBC board T24 44.3 45.2 T42 42.0 42.2 T7 38.9 39.1 T25 46.5 47.6 硬碟#2 T43 42.1 42.2 T8 38.9 39.1 T26 96.0 103.4 T44 37.6 37.7 T9 39.1 39.4 Spare board T27 43.0 43.7 硬碟#3 T45 37.7 37.8 T10 39.3 39.6 T28 43.4 43.4 T46 36.5 36.6 T11 39.3 39.7 T29 98.8 103.7 硬碟#4 T47 36.3 36.3 近出口 端之支 撐肋 (Hot side retainer） T12 38.8 39.2 HDRL board T30 46.7 47.1 T53 36.2 36.4 T13 34.4 34.4 T31 44.5 43.9 面板 (LCD) T54 35.5 35.8 T14 34.9 34.9 T32 70.6 69.0 T15 34.8 34.9 Merge board T33 41.5 40.5 內部前側 空氣 T55 34.6 34.7 T16 34.8 35.0 入口空氣 T56 30 30 T17 34.9 35.1 出口空氣 T57 37.7 37.5 近入口 端之支 撐肋 (Cold side retainer) T18 34.7 35.0 外界空氣 T58 30 30
