第一章 緒論
在現今社會中，電腦的地位已經越來越重要，在將來人類與電腦將因圖像影音的結合而越來越緊密。因此，目前軟體發展最密集的當推影像分析處理軟體，而影像處理軟體分析速度的快慢則決定在中央處理器（Central Processing Unit, CPU）的運算速度。目前各大晶片廠商莫不大力投入以研發，以求發展出運算結果更精準，運算速度更快的中央處理器。然而，運算速度越快的中央處理器，所衍生出的問題是伴隨而來的高熱。當系統運算執行速度越快時，中央處理器的溫度就會越高。CPU溫度升高會逐漸影響運算執行的速度，甚至可能導致運算出來的結果產生誤差。因此，如何解決改善中央處理器在高速運算所伴隨的高溫問題，已成為目前電腦業的重要課題。
要解決散熱的問題，最常見的方法就是利用熱傳導（Heat Conduction）與熱對流（Heat Convection）兩種方式，而對流方式又分為強制對流（Force Convection）與自然對流（Free Convection）兩種。目前解決中央處理器的散熱問題，主要是運用熱傳導與熱對流兩種方法。在熱傳導方面，便是在中央處理器上安裝散熱鰭片（Heat Sink）；在強制對流方面，則是運用冷卻風扇（Fan）；或是使用具有熱傳導與熱對流功能的熱管（Heat Pipe）。居於價格上的考量，通常都是採用在中央處理器上方安裝散熱鰭片並搭配冷卻風扇的方式居多。當中央處理器的熱量傳遞到散熱鰭片後，冷卻風扇就可以強制對流的方式將熱量排放掉。
而目前的冷卻風扇種類可分為兩種，分別為軸流式風扇（Axial Flow Fan）與離心式風扇（Centrifugal Fan）。軸流式風扇將氣流引導進入葉片，經由葉片旋轉之後，使氣流沿葉輪中心軸平行吹出，其特點是靜壓小、風量大。離心式風扇則是利用被驅動的圓盤式葉輪將流體吸入，經旋轉的動力把氣流順葉片向外輻射沿流道吹出，特點是靜壓比軸流式高。一般來說桌上型電腦的散熱系統風阻較小，所需風量較小，故中央處理器的散熱大部分採用小型軸流式風扇。市面上的小型軸流式風扇又可分為滾珠軸承與磁浮軸承兩種。滾珠軸承風扇的優點是轉速快，但是噪音大。磁浮軸承風扇的優點是噪音小，但是轉速較慢。在考量轉速與噪音等因素，本文最後選用磁浮軸承風扇來做實驗，期望能藉由不同的搭配參數找出擁有良好散熱性能的組合數據，以提供桌上型電腦散熱業界的參考。
目前有關風扇的研究探討以單顆風扇實驗居多，而理論方面也以探討風扇葉片為主。由於風扇內的流場分析相當困難，因流體進入葉輪必須考慮旋轉，在葉片轉動後會產生流體分離（Separation）以及迴流（Reversed Flow）等現象，因此相關文獻都以實驗為主要探討。以下為近幾年的相關研究報告與文獻，依照風扇的測試方法與分析改良兩方面逐一說明。
不論何種風扇性能測試，都必須建構一套測試平台，使測試區域的流場都能符合測試要求。目前各國常用的測試規範有下列幾種：
1. 美國空氣移控協會（Air Movement and Control Association，AMCA）210-85號測試標準規範[1]，其在量測流量上分為皮托管橫移法以及單一或多個噴嘴量測法（Single or Multiple Nozzle）等方法來量測流量。
2. 英國BS（British Standards Institution）848號標準規範[2]，此規範採用文氏管（Venturi Flowmeter）或孔口版來量測流場流量及壓力的測試方法。
3. 日本JIS B8330標準[3]，其在流量量測上使用孔口版（Orifice Plate）與皮托管橫移法（Pitot Tube Transverse）來量測流量。
4. 國際標準組織的ISO CD 5801標準規範[4]，它是獲得各國共識而共同制定的。此規範主要是以美國的AMCA 210-85[1]以及英國的BS 848號標準[2]為主要的依據。
5. 我國的CNS 7778標準規範[5]，大多沿用日本JIS B8330標準[3]的規範，同時因為橫移式風量測試風管的建造成本較低，故台灣廠商幾乎採用此方法，以節省成本。
以上五種規範所測得的結果皆不相同，因此我們必須選擇與實際狀況最相近的方法進行測試。由於考慮到多重噴嘴具有可彈性調整流量的優點，在實驗中可以輕鬆調整在最佳量測點，同時箱型測試平台的建造成本也不高。因此，本研究採用美國空氣移控協會（Air Movement and Control Association，AMCA）AMCA 210-85[1]標準規範為實驗測試方法，並選擇使用箱型建構的測試平台，其外型如圖1（a）、及圖1（b）所示。
1.2.2 性能設計與分析改良方法
目前的冷卻風扇以軸流風扇為主，而軸流風扇又可分為滾珠軸承與磁浮軸承兩種。滾珠軸承風扇具有高轉速與高風量的優點，但缺點為噪音大，磁浮軸承風扇雖然噪音小，但是轉速與風量卻小於滾珠軸承風扇。而本文研究重點在於尋求如何具有高風量且低噪音的特點，因此相關文獻以探討軸流風扇與葉片為主。
根據1975年Eck[6]的著作中提到Grun利用數學方式來設計風扇葉輪，使風扇扇葉有了理論公式。隨後Stodola使用近似法，提出風扇葉片數對風扇的影響。因此，Eck更進一步定義出鼓風機與風扇外型的參數，來進行分析和計算，使估算風扇性能可以更精準。
Inoue[7]於1990年利用兩個軸流葉輪配合不同翼端間隙和失速起始變化流率，找出壓力變動的原因。
1991年Dick和Belkacemi[8]利用一維性能計算法（One Dimensional Performance Calculation Method），估算出扇形幾何形狀參數與轉速對風扇效率的影響。根據計算結果，影響最大的有：(1)葉輪入口直徑（Impeller Inlet Diameter），(2)葉輪出口寬度（Impeller Outlet Width），(3)葉輪出口直徑（Impeller Outlet Diameter）。
1994年胡[9]在渦流機壁層流研究中，利用傾斜熱線和全壓管觀察葉片間隙的流場，來探討其邊界層尾流和尖端洩漏渦流現象。1997年林和吳[10]針對葉輪的寬度以內徑加以修正，以提高風扇流量與靜壓的效率。
一般扇葉設計是利用三維葉片扭曲，故在堆疊三維葉片時，二維葉形會因為半徑不同而有所改變。因此陸續有人研究堆疊方法。1986年張[11]和1995年陳[12]等人利用曲線擬合技術（Curve Fitting），發展出「葉片參數設計法」，產生軸流渦輪葉片之三維初始外型。其利用幾何設計參數，即可產生二維翼剖面外型，再依據指定的直線或曲線沿徑向堆疊，即可快速構成三維葉片外型。1996年蘇及陳[13]和1997年林[14]等人亦採用這種方法設計葉片外型，並進行模擬實際流場，計算出數值分析結果，提供風扇性能和軸流葉形最佳化的設計參考。配合風扇性能實驗的量測，使模擬與實驗互相驗證，所完成的完整的葉片外型可提供業界參考。
1994年梁[15]利用三維流場數值分析，開發出壓縮機葉片的快速設計方法。他利用三維那維爾-史托克斯的流場分析（Fully Three Dimensional Navier-Storkes Equation Analysis），準確預測渦輪機的性能、葉片間隙效應（Tip Clearance Effect）、近表面邊界層阻塞區（End Wall Boundary Layer Blockage）、鄰近葉片的影響（Adjacent Blade Row Effects）、紊流效應（Turbulence Effect）和震波位置（Shock Position）等影響的研究。
改善風扇外殼與翼端間隙之間的參數也是改良風扇性能的重要方法。1983年Fujita和Takata[16]對外殼形狀結構做適當的改變，結果對軸流壓縮機的失速邊緣（Stall Margin）有很大的改善。在1986年Miyake[17]利用空氣分離的方式，針對低流速的軸流風扇進行改良。因流體經過葉片翼端間隙會形成溢流的現象，而分離空氣的主要目的是為了引導葉片末端之迴流能夠順利流過轉子，並使原有入口流動分離。又1991年林[18]、1992年簡與施[19]和1995年施[20]，分別利用Eck的扇葉出口速度三角關係，與風扇葉片的基本流體動力學原理，先後設計許多的軸流風扇。
目前關於風扇的數值模擬分析方法主要有：有限元素法（Finite Element Method）、有限體積法（Finite Volume Method）、有限差分法（Finite Difference Method）和流片法（Panel Method）等，上述方法都被廣泛應用在風扇流場的數值分析上。流片法早期應用在飛機勢流（Potential Flow）的計算問題上。因為其不需格點化處理，可求解外形表面的流場分布，所以計算相當迅速為其優點。1995年孟[21]利用1991年Chen和William[22]所應用的單轉與雙反轉發動機螺旋槳的概念，而順利將其應用在風扇性能分析上。1997年張[23]也採用了1982年Mcfarland[24]的渦流片法，來探討不同葉片參數對葉片流場的影響。他發現葉片安裝角度的增加有助於提升表面的壓力，且安裝角度過大時會降低風扇的整體效能。此外，他也發現葉片數太少會產生逆流現象，葉片數太多則又會使得流到變窄，而同時阻礙了氣體流動。
1952年Wu[25]把複雜的三維流場分割成兩個相互正交的流場，運用數值方法計算出兩平面之間的流場關係。此後研究渦輪機的流場便利用接近正交的兩個平面，來建構出三維渦輪機流場之分析。在此方面的研究可分為兩種：流線曲率法（Streamline Curvature Method）[26][27]和矩陣法（Matrix Method）[28][29]。其中1976年Hirsch[30]利用有限元素法求解流面，使得求解速度更加快速。
1.2.3 噪音標準與量測
民國80年行政院環保署曾經策劃環保叢書，其中在黃[31]所著的書中曾提及噪音的定義，在我國的噪音管制法中定義：「超過噪音管制標準的聲音」。而勞工安全衛生法的定義是「超過90分貝強度而持續8小時的聲音」，美國職業安全衛生署定義「聲音大至足以傷害聽力者」，而日本噪音專家則指出「會引起生理障礙、妨害交談、聲音太大而音色不美者」，台灣師大
1995年鄭[32]等人曾經歸納噪音對人體有下列危害：聽力機構損傷、對睡眠的干擾、對人體生理的影響、心理影響等。1999年歐陽[33]提到風扇噪音的聲音位準（Sound Level）和葉輪轉速有關，而噪音的頻譜頻率也和轉速成正比，因此在提高風扇轉速的同時，也使噪音隨之增大。而風扇噪音的量測，需要配合半無響室（Semi-Anechoic Room）的環境來進行測量。
1.3 研究動機與方法
為了解決電腦中央處理器越來越高的散熱問題，必須不斷設計出效能更好的散熱元件，因為良好的散熱元件不僅可降低溫度，也同時使電腦系統較為穩定，減少系統運算的誤差，使得電腦壽命延長。而在成本考量之下，冷卻風扇所能達到的冷卻效果是最好的。在2002年張[34]曾模擬中央處理器晶片位置對電腦內部溫度場的影響。同年洪[35]與蔡[36]等提出風扇串聯組合形式的概念，經由實驗與數值模擬相互驗證後，證明串聯組合形式確實可以改善了原有單顆風扇的效能。從他們的結果可知，當雙風扇串聯距離為
本研究為延續探討其他不同串聯形式的風扇組合與改變其他參數對電腦散熱效能的影響。首先，完整探討在單一風扇在不同直徑尺寸（直徑
本文實驗首先利用AMCA 210-85[1]的箱型測試平台來量測流量與靜壓值，並使用軟體程式來計算風量與風壓，並繪製出關係曲線。其次將風扇移到半無響室量測噪音值，最後將風扇移植到桌上型電腦量測溫度，測試其實際效能，期望能找尋出最佳化的搭配方式。
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