運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計

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1 運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計
Heat sink Optimization of Multi-Heat Source for Power Supply Units 學生：黃喻鴻 指導老師：徐業良教授

2 內容大綱 研究動機 文獻回顧 多點熱源散熱片之熱傳分析 熱源位置之修正係數 多點熱源散熱片之最佳化設計
設計變數之靈敏度分析與設計參數之參數分析 設計建議

3 自我介紹 Education Work Experience 虎尾科技大學(雲林工專)-動力機械科,1995/09~1997/07
清雲科技大學-機械工程學系,2001/09~2003/07 (在職) 元智大學-機械工程研究所,2004/09~2006/07 (在職) Work Experience 台達電子-機構設計工程師 (2000/02~) 主要工作-電源供應器之機構設計，主要包括結構設計、散熱設計等。

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5 研究背景 電源供應器架構說明 機殼 散熱片 風扇 功率元件

6 研究背景 CPU散熱片結構 電源供應器之散熱片結構 熱源數量 鰭片面積 擺置方向 熱源位置 電源供應器散熱片 多熱源 小
與熱源垂直貼覆於PCB上 依電路設計擺放 CPU散熱片 單熱源 大 水平貼附於熱源上方 正中央 電源供應器之散熱片結構 CPU散熱片結構 主機板 散熱片

7 研究動機 CAE CAD 3D Model Thermal Simulation Experience ERROR TRIAL

8 文獻回顧 [Shih,2004]

9 文獻回顧 熱源與散熱片熱阻之迴路圖 [Culham,2001]

10 文獻回顧 散熱片熱對流熱阻： 【鄭憶湘,民90】 [Simons,2003]

11 文獻回顧 擴散熱阻概念： 熱源大小與散熱片溫度分佈圖[Lee,1998]

12 文獻回顧 熱源位置之修正係數概念(Cf) 熱源位置與散熱片溫度變化[Lee,1998]

13 單晶體位置之修正係數 單功率晶體位置之修正係數 ：

14 多晶體位置之修正係數 TQ1 TQ2

15 多點熱源散熱片之熱傳分析

16 多點熱源散熱片最佳化設計 目標函數：TQ1之最小值。 設計變數：晶體位置、散熱片長度、高度鰭片厚度、間距。
限制條件：製程限制、幾何限制、組裝限制。

17 多點熱源散熱片最佳化設計 設計參數： 功率晶體數量 環境溫度：TAMB 流體密度： 流體的等壓比熱：Cp 流體的動力黏度：u
晶體損耗功率：PQ1,PQ2(12.5w,10w) 絕緣片之熱阻抗：Rc 晶體熱源面積：As 散熱片之熱傳導係數：K 散熱片上鰭片區域寬度:Wf 散熱片厚度：T

18 多點熱源散熱片最佳化設計 最佳化模型： min. (mm) w (mm) 98.19 97.57 50 35 19 s (mm) 14.58
21.9 1.75 1 9

19 最佳化設計點

20 設計變數靈敏度分析( he vs. l )

21 設計變數靈敏度分析( s vs. tf)

22 設計變數靈敏度分析(w)

23 設計參數分析( T )

24 設計公差分析 基準值 公差值 晶體溫度變化 基準值 比較值 晶體溫度變化

25 最佳化設計與現行設計比較 l (mm) he (mm) w (mm) T (mm) n tf (mm) s (mm) V (mm3)
TQ1(°C) 台 達 50 45 15 5 4 2 3 17250 72.6 最佳化 8 1 1.28 72.2

26 最佳化設計與現行設計比較 l (mm) he (mm) w (mm) T (mm) n tf (mm) s (mm) V (mm3)
TQ1(°C) 台 達 50 45 15 5 4 2 3 17250 70.2 最佳化 8 1 1.28 66.9

27 散熱片設計建議 風扇，晶體，絕緣片 vs. 成本。 流體流速大，鰭片深寬比大。(w / s)
散熱片厚度為3~5 mm，T>5mm →溫度收斂。 熱源位置為d1/l =0.25,d2/l=0.16，可以獲得整體溫度最佳表現。 鰭片之空間尺寸(Wf)被限制時，散熱鰭片厚度(tf)與散熱鰭片間距(s)，以及鰭片數目(n)具有等式關係： s固定時， tf ↓, n↑； tf 固定時，s → w / s。 散熱片的長度、高度及鰭片的高度決定散熱面積，在設計空間足夠時，建議優先增加鰭片高度，反之若考慮設計公差時，鰭片高度需具有較嚴之公差限制。 散熱片設計時需考慮足夠之設計裕度，以避免風扇流量之誤差而影響到設計值。(10% / 3 °C)

28 未來工作 可進一步發展為三熱源以上之多點熱源散熱片分析設計。
本文中採用修正因子概念來修正晶體擺放位置所造成之相互溫度耦合效應，當熱源擴至三點以上時，其耦合行為將更複雜，需有更多之研究與討論投入。 本論文中僅就散熱效果進行分析，於後續研究中，可納入電路佈局上之限制於最佳化數學模型中。 可利用本論文中最佳化設計方法與一般公司之設計經驗進行模擬驗証，以增加設計準則之可靠性。