二、实验方法 - ctuedutw.DOCVIP

機械活塞式合成噴流裝置的設計製作與運用於散熱之性能測試鄭澤明梁世林 科技大學 工程系 tsc@ctu.edu.tw 摘要 本設計一機械活塞式合成噴流裝置，利用馬達帶動凸輪與連桿機構，連桿的另一端連接圓形活塞，活塞則緊配於圓柱形密閉腔體之中，密閉腔體的固定端面鑽有一圓孔，隨著馬達轉動，活塞將於腔體作往復運動，週期性的變化中空腔體的體積，使得中空腔體內週期性的形成正壓與負壓狀態，進而能在密閉腔體的固定端面的圓孔完成噴氣與吸氣的交替發生的循環氣流。本利用電腦繪圖完成所有零件的繪製，並利用車床洗削出所有鋁合金零件，最後完成組裝與動態整合測試，證明確實能有效產生吹出與吸入腔體的淨氣流量為零的合成噴流裝置。本規劃實驗探討此機械式合成噴流裝置對置於下方之加熱平板的衝擊冷卻特性，在目前的參數變動範圍(Gr=1.97-4.93×105、Re=1200-2000、相對衝擊距離C/d=3-11.5)下，Nu會隨著C/d增大而上升，C/d增大而上升 合成噴流裝置、衝擊冷卻、熱傳、實驗。 近年來有許多的人在研究合成噴流，用在3C產品，合成噴流裝置(Synthetic Jet Device)具有質量輕、低耗能、作動靈敏與構造簡單等優點，應用於航空載具與電子裝置散熱等主動式氣流控制範疇之潛力無窮，不同於葉片風扇，它是藉震動彈性薄片或氣缸-活塞往復運動形成位移量來產生噴氣，運作時從週遭吸入和噴出的空氣質量約略相同，故又稱為零質量氣流(Zero-Net-Mass-Flow)，但流場仍維持正向動量，目前已見於應用在增強散熱上。整體而言，合成噴流的研究在近幾年相當的蓬勃，分別有以數值模擬與實驗量測的方法探討噴口形狀、單噴口/多噴口、壓電薄膜之振盪頻率與振幅、單動式/複動式致動裝置等對噴流流場特徵的影響，也討論在純粹衝擊冷卻及橫向流交互作用下對熱傳增益的影響，基本上對於合成噴流可有效增強熱傳均持正面肯定 很多合成噴流裝置都是將揚聲器或壓電片合成噴流，設計製造一組機械式合成噴流裝置，以往復運動之活塞汽缸機構達到驅動合成噴流的效果。 二、實驗方法 2.1機械式合成噴流裝置設計 圖1 機械式合成噴流裝置之運作示意圖 (a) 活塞尚未置入氣缸內 (b) 組合完成品之前視與側視 圖 圖實驗設備圖 .2熱傳測試方法 圖為實驗設備圖，拿一個壓克力罩將整個測試段與外界隔開，電源供應器供應給馬達的電壓()及電流(I)馬達的轉速風速(Vj)，噴與加熱平板的距離，在每一個定的風速值下，量測，電源供應器電，一條汽缸腔體，一條壓克力罩內的環境溫度，資料擷取器MX100)，再由電腦即時記錄，。 本實驗將變動相對衝擊(c/d，c是衝擊距離、d是噴嘴直徑3mm)、合成噴流出口處之平均雷諾數(Re)及加熱面與間之葛拉秀夫數(Gr)等參數，ReGr 與 Nu分別如下： (2) (3) 其中Vj為噴口處氣流平均噴出速度、d為噴口直徑、g為重力加速度、(為空氣體積熱膨脹係數、Tw為加熱面平均溫度、T0為環境溫度，Tr為T0與Tj (合成噴流裝置腔體內溫度，亦即噴流於噴孔處之溫度)的harmonic平均值，D為加熱平板的直徑、(為空氣黏滯係數、(為空氣密度、kf為空氣之熱傳導係數、Qt為輸入加熱片之總電功率、QLoss為熱損失。而熱損失(QLoss) 可利用水平加熱平板之自然對流熱傳實驗估算，在此實驗狀態時，DC電源供應器所輸入加熱片的總電功率(Qt)可分成二部份散逸：(1)經由加熱平板對流面之自然對流熱量(Qplate)及(2)經由加熱片背面電木座傳導之熱損失(QLoss)。 其中V為輸入加熱面之電壓、I為輸入之電流、A為加熱面積、T0為環境溫度、hplate是水平加熱平板之自然對流熱傳係數hplate-u是冷空氣於水平加熱平板之上的自然對流熱傳係數，本文引用Ellison []所提出之經驗公式： (5) 透過在自然對流下之熱損實驗，輸入加熱片不同之總發熱量(Qt)，會導致不同之壁溫與環境溫度差ΔT，經由方程式()與()可以分別導出對應之損失熱傳遞係數(hLoss)，代入方程式()即可求出紐塞數(Nu)，藉此即可分析在混合對流條件下，強制對流與自然對流兩者之間的抵消效應與增強效應對於合成噴流之熱傳特性的影響。 實驗的不確定性是依據Moffat []對單一試驗的不確定性方法進行分析，本實驗之平均雷諾數(Rej)、葛拉秀夫數(Gr)與紐塞數(Nu)分別為±2.87、±3.04與±6.25。 本提出機械活塞式合成噴流裝置，利用直流馬達驅動凸輪連桿機構，同時將金屬活塞配置於具3mm噴氣口之環形金屬腔體內部，藉由改變馬達的轉速(Ω)使活塞在腔體內部產生不同的位移頻率，進而形成相對應的噴口速度