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系統識別號 U0002-1407200815165000
中文論文名稱 蒸汽腔體均熱片之熱性能分析
英文論文名稱 Thermal Performance Analysis of Vapor Chamber Heat Spreader
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 黃啟堯
研究生英文姓名 Chi-Yao Huang
電子信箱 695371517@s95.tku.edu.tw
學號 695371517
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-20
論文頁數 64頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-陳志臣
委員-陳增源
委員-楊龍杰
委員-王啟川
委員-康尚文
中文關鍵字 蒸汽腔體  均熱片 
英文關鍵字 Vapor chamber  Heat Spreader 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文對兩種不同毛細結構的蒸汽腔體均熱片,進行充填率及均溫性的測試與分析。T5型均熱片外觀尺寸90.83mm 87.63mm 3.9mm,使用柱狀銅粉燒結作為毛細結構;R0型均熱片的外觀尺寸為58mm 58mm 6mm,使用向中心傾斜的輻射狀溝槽作為毛細結構,溝槽寬度為0.4mm。兩款均熱片的熱性能,分別是以加熱面積31mm 31mm與13.97mm 13.97mm的CPU風扇-散熱鰭片熱阻量測設備作實驗性評價,測試時壓力負載平台均勻施以12.5kgf的壓力。
結果顯示,T5型均熱片充填35%去離子水(D.I water)時效果最好,在實際加熱功率為122瓦特情況下,系統熱阻值為0.368℃/W,比同體積的銅塊熱阻降低14.62%,均熱片上蓋各量測點最高與最低溫差為1.69℃,顯示溫度分佈均勻。R0型均熱片充填20%去離子水時效果優於其他充填率,在加熱功率73瓦特的情況下,系統熱阻值為0.778℃/W;由於依然較同體積銅塊高出0.446℃/W,經由實驗結果推測可能是溝槽寬度過大,以致毛細力不足。
英文摘要 The main purpose of present study is to investigate the effect of various wicks and filling rate on vapor chamber heat spreader thermal performance. The T5 type vapor chamber has a dimension of 90.83mm×87.63mm×3.9mm, and the sintered columns made of copper powder were used as the wick. The R0 has a dimension of 58mm×58mm×6mm, and the capillary wick design was consisted of radial rectangular grooved. Thermal performance of the vapor chambers were evaluated experimentally in a fan-heat sink CPU test apparatus with heating area of 31mm 31mm and 13.97mm 13.97mm. The clamping pressure between the vapor chamber and the heat sink was maintained at 12.5kgf during the test.
After the evaluation, the T5 type vapor chamber with 35% D.I water filling rate showed the lowest evaporator-to-ambient resistance of 0.368℃/W, corresponding to a 14.62% decrease in thermal resistance at an input power of 122Watts, as compared to the system with copper plate. The results also showed a temperature difference lower than 1.69℃ on the entire condenser section, implied that the heat were spread uniformly to the heat sink. The R0 vapor chamber with 20% D.I water filling rate has the best performance as compared to the other filling rates. At the input power of 73Watts, the thermal resistance was 0.778℃/W, and it was still higher than copper plate about 0.446℃/W. We infer that larger channel width may cause poor capillarity.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅸ
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 4
1-3 研究目的 17
第二章 設計介紹與性能測試 18
2-1 均熱片簡介 18
2-1-1均熱片介紹與作動原理 18
2-1-2 均熱片設計與考量 20
2-2 外觀及內部構造 22
2-2-1 T5型均熱片 22
2-2-2 R0型均熱片 23
2-3 粉末燒結 24
2-3-1 燒結定義 24
2-3-2 燒結的階段 25
2-4 燒結體性質 27
2-5 脫氣充填 29
2-6 測試設備 32
2-6-1 加熱平台構造與原理 33
2-7 熱電偶線校正 35
2-8 性能測試 36
2-8-1 不同充填率測試 36
2-8-2 均溫性測試 38
2-8-3 同體積銅塊測試 39
2-9 性能分析 40
第三章 測試結果 41
3-1 T5型均熱片測試 41
3-1-1 不同充填率與同體積銅塊測試 41
3-1-2 均溫性測試 46
3-1-3 T5型均熱片與文獻比較 48
3-2 R0型均熱片測試 49
3-2-1 不同充填率與同體積銅塊測試 49

第四章 總結與未來建議 53
4-1 總結 53
4-2 未來建議 54
參考文獻 55
附錄一 T5型均熱片測試實驗數據 57
附錄二 R0型均熱片測試實驗數據 62
附錄三 去離子水飽和蒸汽壓下性質表 63


圖目錄
圖1-1 Intel與AMD PC CPU速度與熱能趨勢圖……………...…………. 2
圖1-2 熱源產生………………………………………….……...……...…... 3
圖1-3 一般常見散熱方式………………………….....……………………. 3
圖1-4 Gaugler提出的熱管與應用….………………….....…………...…… 4
圖1-5 Khrustalev團隊製作的軸向平板式熱管……………………………. 6
圖1-6 平板式微熱管橫截面………………………………………………... 7
圖1-7 Wang等人製作的平板式微熱管…….……………………………… 7
圖1-8 Kalahasti等利用四分之一對稱模型作數值分析…………………... 8
圖1-9 三層銅板結構的微熱管均熱片……………………………………... 9
圖1-10 金屬微熱管均熱片完成圖…………………………………………... 9
圖1-11 Jie Wei等人製作之均熱片實驗結果……………………………….. 10
圖1-12 蒸汽腔體與鋁板比較結果…………………………………………... 10
圖1-13 0o、45o、90o三種不同角度擺設……………………………………… 11
圖1-14 90o擺設不同加熱瓦數時內部沸騰狀況……………………………. 11
圖1-15 蒸汽腔體構造及外型…………………………………………...…… 12
圖1-16 風洞試驗平台………………………………………………………... 12
圖1-17 利用不同風速與加熱瓦數所產生的效果…………………………... 12
圖1-18 蒸汽腔體內部構造圖………………………………………………... 13
圖1-19 交叉支撐結構均熱片立體示意圖…………………………………... 14
圖1-20 Romuald等人製作的均熱片示意圖………………………………... 15
圖2-1 熱源分佈不同區域示意圖…………………………………………... 17
圖2-2 均熱片之結構與作動示意圖………………………………………... 17
圖2-3 熱管內常見的毛細結構……………………………………………... 19
圖2-4 T5型均熱片腔體尺寸及外觀示意圖……..………………………… 20
圖2-5 T5型均熱片腔體內結構介紹……..………………………..………. 21
圖2-6 R0型均熱片腔體尺寸及外觀示意圖………………………………. 21
圖2-7 R0型均熱片腔體內結構介紹………………………………………. 22
圖2-8 燒結模型(a)初始結合(b)頸部的生成(c)與(d)孔隙逐漸球化……… 24
圖2-9 測量孔隙率使用的試片...…………………………………………... 25
圖2-10 真空幫浦……………………………………………………………... 29
圖2-11 真空計……………………………………………………..……...….. 29
圖2-12 充填管路示意圖……………………………………………………... 29
圖2-13 實驗架構示意圖…………………………………………………….. 30
圖2-14 T5型均熱片使用之加熱器構造……….…………………………… 32
圖2-15 R0型均熱片使用之加熱器構造…………………..………………... 33
圖2-16 環境溫度量測位置…………………………………………………... 35
圖2-17 上蓋熱電偶線位置…………………………………………………... 36
圖2-18 SPARTAN-L溫度擷取器……. …………………………………….. 36
圖2-19 本研究所使用之線切割系統……………………………………….. 37
圖3-1 T5型均熱片充填10%去離子水測試結果…………………………. 40
圖3-2 T5型均熱片充填20%去離子水測試結果…………………………. 40
圖3-3 T5型均熱片充填30%去離子水測試結果…………………………. 41
圖3-4 T5型均熱片充填35%去離子水測試結果…………………………. 41
圖3-5 T5型均熱片充填40%去離子水測試結果…………………………. 42
圖3-6 T5型均熱片充填50%去離子水測試結果…………………………. 42
圖3-7 T5同體積銅塊測試結果……………………………………………. 43
圖3-8 T5型均熱片不同充填率與銅塊比較………………………………. 43
圖3-9 150W時不同充填率與銅塊比較之系統熱阻(Rsystem)降低百分比… 44
圖3-10 充填35%去離子水時不同瓦數下各量測點溫度………………….. 45
圖3-11 充填35%去離子水均熱片上蓋Tc,u與Tavg,s溫度差………………… 45
圖3-12 不同加熱瓦數充填35%去離子水均熱片熱阻Rv.c………………… 46
圖3-13 R0型均熱片充填15%去離子水測試結果………………………… 48
圖3-14 R0型均熱片充填20%去離子水測試結果………………………… 48
圖3-15 R0型均熱片充填25%去離子水測試結果…………………………. 49
圖3-16 R0同體積銅塊測試結果……………………………….…………… 49
圖3-17 R0型均熱片不同充填率與銅塊比較………………………………. 50



表目錄
表1-1 Intel Xeon系列處理器……………………………………………….. 5
表1-2 常見的五種筆記型電腦散熱方式及其效果…………………………. 13
表1-3 文獻回顧整理..………………………………………………………... 16
表2-1 常用工作流體之作動範圍……………………………………………. 21
表2-2 T5型均熱片燒結體性質……………………………………………… 29
表3-1 T5型均熱片與Koito文獻熱阻比較………………………………… 48
表3-2 T5型均熱片與Koito文獻均溫性比較……………………………… 49



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