[[alternative]]Experimental study thermal performance of vapor chamber heat spreader

碩士[[abstract]]蒸汽腔體均溫板（VCHS）為二相變化傳熱之平板式熱管，具有高熱通量與將溫度分佈至平面之能力，且已被大量使用於CPU、伺服器與高功率LED之散熱。 本文以非對稱性加熱與冷卻，針對銅質均溫板與蒸汽腔體均溫板進行均溫性、升溫速率與熱擴散係數等熱性能研究。致冷晶片(TEC)以電功率60W於均溫板左下角落進行加熱，由室溫加熱至95oC時切換為冷卻模式，配合強制對流降溫至15oC，分別使用七條熱電偶與紅外線熱影像儀進行均溫性與升溫速率量測。另以Angstrom’s Method計算銅質均溫板及蒸汽腔體均溫板熱擴散係數。 均溫板之均溫性以非對稱性加熱之平均溫度與溫差曲線進行詳細的比較。其結果顯示銅質均溫板及蒸汽腔體均溫板之熱擴散係數分別為1.17cm2/s及3.675cm2/s，且蒸汽腔體均溫板具有高均溫性是利用二相流進行熱傳導，故升降溫速率與均溫性皆優於銅質均溫板。二相流方式傳熱使蒸汽腔體均溫板具有良好的均溫性，配合快速升降溫之特性將具有更多應用，如聚合酶鏈反應（PCR）。[[abstract]]The vapor chamber heat spreader (VCHS) is a capillary driven planar heat pipe design with a small aspect ratio, can sustain high heat flux and even the temperature distribution on a flat plate surface. Experimental investigations are performed on copper and vapor chamber heat spreaders to study their temperature uniformity, heating rate and thermal diffusivity based on a transient asymmetric heating and cooling test (TAHCT). A thermoelectric cooler (TEC) is applied to left corner of the spreaders. Spreader transient temperatures are measured by seven thermocouples and an IR-camera respectively when TEC is heating from 25oC with a power of 60W, switching to cooling mode at 95oC, and turning off at 15oC under forced convection. The Angstrom’s Method is used to measure the thermal diffusivity of heat spreaders in this study. Temperature uniformity is evaluated by average temperature and temperature difference during heating and cooling periods. A detail description in temperature uniformity is obtained. Vapor chamber heat spreader has the better temperature uniformity and heating rate. The utilization of the two-phase fluid phenomena to spread the heat is a key factor of good temperature uniformity. The thermal diffusivity of copper heat spreader and VCHS are 1.17cm2/s and 3.67cm2/s respectively. Another potential applications for the VCHS are seen in areas where good temperature uniformity are required with high heating rate such as Real-time Polymerase Chain Reaction (PCR).[[tableofcontents]]誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 IX 符號說明 X 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 實驗目的 7 第二章 理論簡介 8 2.1 平板式熱管之原理與簡介 8 2.1.1 腔體材料 9 2.1.2 工作流體 9 2.1.3 毛細結構 10 2.2 理論分析 13 2.2.1 熱傳原理 13 2.2.2 接觸熱阻 14 2.2.3 擴散熱阻對傳導機制之影響 15 2.2.4 扣具壓力與接觸熱阻關係 16 2.3 熱擴散係數量測理論 16 第三章實驗設備架設與步驟 19 3.1 實驗設備架設 19 3.2 實驗步驟 23 3.2.1 非對稱性加熱實驗步驟 23 3.2.2 熱擴散係數量測實驗實驗步驟 23 第四章實驗結果與討論 26 4.1 溫度量測結果 26 4.2 均溫性分析 28 4.3 熱擴散係數量測結果 34 第五章總結與未來展望 41 5.1總結 41 5.2未來展望 42 參考文獻 43 圖 1 Gaugler 提出的熱管與應用 3 圖 2 溫板的構造與作動原理圖 4 圖 3 蒸汽腔體構造及外型 4 圖 4 風洞試驗平台 5 圖 5 Thermacore, Inc.平板式熱管 5 圖 6 蒸汽腔體均溫板示意圖 9 圖 7 熱管內常見的毛細結構 12 圖 8 接觸表面間物理情形與溫度分佈圖 14 圖 9 正弦波加熱待測物一端示意圖 17 圖 10 溫度振幅相位差示意圖 17 圖 11 銅質均溫板 19 圖 12 蒸汽腔體均溫板 20 圖 13 實驗架設示意圖 21 圖 14 溫度擷取點與致冷晶片位置示意圖 21 圖 15 紅外線熱影像儀觀察實驗示意圖 22 圖 16 塗佈黑體漆之銅質均溫板 22 圖 17 塗佈黑體漆之蒸汽腔體均溫板 23 圖 18 熱擴散係數量測點示意圖 24 圖 19 銅質均溫板熱擴散係數量測觀測點 24 圖 20 蒸汽腔體熱擴散係數量測觀測點 25 圖 21 銅質均溫板非對稱性加熱溫度曲線圖 27 圖 22 蒸汽腔體均溫板非對稱性加熱溫度曲線圖 27 圖 23 紅外線觀測銅質均溫板升溫曲線 28 圖 24 紅外線觀測蒸汽腔體均溫板升溫曲線 28 圖 25 銅質均溫板升降溫平均溫度與溫差曲線 30 圖 26 蒸汽腔體均溫板升降溫平均溫度與溫差曲線 30 圖 27 紅外線觀測銅質均溫板升降溫平均溫度與溫差曲線 31 圖 28 紅外線觀測蒸汽腔體均溫板升降溫平均溫度與溫差曲線 31 圖 29 熱源溫度為95oC時銅質與蒸汽腔體均溫板溫度雷達圖 32 圖 30 銅質均溫板熱源溫度為95oC時紅外線熱影像等溫線圖 33 圖 31 蒸汽腔體均溫板熱源溫度為95oC時紅外線熱影像等溫線圖 33 圖 32 銅質均溫板熱源溫度為95oC時溫度分佈百分比 34 圖 33蒸汽腔體均溫板熱源溫度為95oC時溫度分佈百分比 34 圖 34 銅質均溫板週期波加熱之溫度曲線 35 圖 35 蒸汽腔體均溫板週期波加熱之溫度曲線 35 表 1 代表性的流體作動範圍之適合材料 11 表 2 銅質均溫板距離2公分熱擴散係數試算表 36 表 3 銅質均溫板距離3公分熱擴散係數試算表 37 表 4 銅質均溫板距離4公分熱擴散係數試算表 38 表 5 蒸汽腔體均溫板距離2公分熱擴散係數試算表 39 表 6 蒸汽腔體均溫板距離3公分熱擴散係數試算表 39 表 7 蒸汽腔體均溫板距離4公分熱擴散係數試算表 40[[note]]學號: 600370125, 學年度: 10