Investigation and Analysis of the Loop Type Thermosyphon Vapor Chamber

隨著科技的日新月異，電子產品不斷朝向高性能、高能量、高處理速度進展，晶片組因密度過高而產生散熱的問題與管理，乃成為設計或研發產品時重要的一個環節。本硏究主要在分析新一代電子冷卻散熱模組－－迴路式熱虹吸蒸氣腔體（Loop Type Thermosyphon Vapor Chamber, LTSVC）的性能表現。迴路式熱虹吸蒸氣腔體系統包括蒸發器、升流管段、冷凝器與降流管段。迴路式熱虹吸蒸氣腔體主要是利用系統蒸發器內部工作流體，在操作時吸收熱量產生蒸發或沸騰的相變化，所產生的蒸氣經由聯結管路帶至冷凝器凝結，並將熱迅速由冷凝器散逸至外界。由於過程之中，沸騰與凝結的熱傳遞係數很高，所以該系統可在很小的溫度梯度之下，散逸大量的熱。研究中，首先建立系統的熱阻模型，藉由性能實驗分析加熱必v、填充量與沸騰表面型式對系統散熱性能的影響。系統所選用的工作流體為水，研究發現，系統總熱阻、蒸發器熱阻以及冷凝器熱阻皆隨加熱必v增大而減小，顯示該系統在高加熱必v有比較好的散熱性能表現。填充量主要影響冷凝器熱阻，對於系統而言，將存在有一最佳填充量，而不同的強化沸騰表面型式則影響沸騰的熱傳遞係數。研究中除了分析迴路式熱虹吸蒸氣腔體的性能實驗結果與現象，並針對系統的實驗結果，以Rohsenow與Nusselt的沸騰與凝結之經驗公式加以分析，提出符合本系統的半經驗公式，以利未來對於系統進一步的分析與改善。As science and technology progress, electronic products are highly powered and have higher performance and high processing speed. The thermal dissipation managements and problems of the chipset caused by high density of transistors, become an important segment of products design or research. This thesis analyses the performance of the new electronics cooling heat dissipation module – loop type thermosyphon vapor chamber (LTSVC). A LTSVC has an evaporator, a riser, a condenser, and a downcomer. When the LTSVC operates, it utilizes the phase change of working fluid in the evaporator to bring heat to the condenser via the riser. The heat is then released to environment rapidly, and vapor is condensed back into liquid. The heat transfer coefficients of boiling and condensation are so high that the system can dissipation lots of heat via low temperature gradient. The thermal resistance module is established in this research, and the influences of the heating power, the filling volume, and the type of the boiling surfaces are analysed in virtue of performance experiments. The working fluid is water. The results indicate that the system’s total resistance, evaporator resistance, and condenser resistance are decrease as the heating power increase. Thus shows that the system performs well when the heating power is high. The filling volume influences the condenser resistance. Therefore there should be a best filling volume of the system. The different boiling surfaces influence the heat transfer coefficient of the boiling. Besides the analyses of the experiment and performances, another goal is to find suitable half experience correlations for the system by using of the experiment results and according to Rohsenow’s experience correlation and Nuseelt’s module.摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 表目錄 VI 圖目錄 VII 符號說明 X 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 7 第二章 基本理論 8 2.1 沸騰基本理論 8 2.1.1 成核理論與氣泡成長 8 2.1.2 沸騰曲線圖 12 2.1.3 池核沸騰 14 2.2 經驗公式 16 2.2.1 沸騰熱傳－－Rohsenow經驗公式 16 2.2.2 凝結熱傳－－Nusselt分析方式 20 2.3 電子冷卻設備之系統原理介紹 23 2.3.1 熱管 23 2.3.2 熱虹吸管 28 2.3.3 蒸氣腔體 32 2.3.4 關於本研究之實驗系統 34 第三章 研究方法 35 3.1 實驗系統說明 35 3.1.1 實驗系統 35 3.1.2 系統之運作原理 40 3.1.3 實驗設備 41 3.1.4 實驗參數 46 3.1.5 實驗流程 50 3.2 分析模式 51 3.2.1 熱阻基本概念 51 3.2.2 熱阻模型 53 3.2.3 界面熱阻 55 3.2.4 蒸發器熱阻 56 3.2.5 冷凝器熱阻 58 3.2.6 對流熱阻 59 3.3 實驗誤差分析 62 第四章 結果與討論 65 4.1 加熱必v對系統性能的影響 65 4.1.1 實驗結果描述 65 4.1.2 結果討論 73 4.2 填充量對系統性能的影響 77 4.2.1 實驗結果描述 77 4.2.2 結果討論 84 4.3 沸騰表面之型式對系統性能的影響 87 4.3.1 實驗結果描述 87 4.3.2 結果討論 91 4.4 半經驗公式之推導 92 4.4.1 沸騰熱傳之半經驗公式 93 4.4.2 凝結熱傳之半經驗公式 100 4.5 振盪現象 106 4.6 熱虹吸蒸氣腔體與迴路式熱虹吸蒸氣腔體之比較 111 4.6.1 實驗結果描述 114 4.6.2 結果討論 123 第五章 結論與建議 125 5.1 結論 125 5.2 建議 127 參考文獻 13