Novel Vapor Chamber Heat Spreader for Thermal Management of High Power Light Emitting Diodes

摘要

在节能照明领域中，人们普遍认为大功率发光二极管(HPLEDs)是一种能够替代传统白炽灯与荧光灯的最佳选择。出于其更高的发光效率、更长的使用寿命、更稳定的使用性和更优良的光源，HPLED在全球能源消费中发挥了重要的作用。因此为了保证HPLED的运行效率和稳定性，使用良好散热性能的平板热管得到大家的广泛认可。VaporChamber(VC)是一种结构紧凑、导热性能好、温度分布稳定的特殊平板热管。因此，本文设计并制造了两种VC，分别命名为Ⅰ型和Ⅱ型。以水、丙酮和乙醇作为实验工质，铜作为加热装置和加工原料，分别对两种VC进行了热力学性能测试。
　　 基于Cotter理论，我们分析了高性能新设计热管的基本公式和传热极限的影响因素。由于泡沫金属铜作为毛细芯有着很高的孔隙率，因而减轻了整体重量，并降低了在VC中两相流动的阻力。我们在实验中对工质、充液比和角度对VC性能的影响进行了研究，加热时通过铜块模拟高密度大功率LED。在Ⅰ型热管的三种工质传热实验研究中，水的效果最好，VC的热阻随着热负荷的增加而减小。水平放置，充液比为30％，最高的加热功率可达170W，相当于216W/cm2的热流密度，最小热阻为0.09K/W.Ⅱ型VC是我们新发明的一种并联分支型VC。无论何种工质，在定额输入热量时，冷凝端温度分布趋于一致，表现出较了优异的均温特性。对于4种不同的充液比，当热负荷增加时，VC的热阻也是降低的。充液比较大时，加热量越大VC散热效果越好，而加热量越小则角度的影响权重逐渐增大。充液比较小时，放置角度对VC热性能的影响可以忽略。总而言之，热负荷增加时，放置角度与VC性能相对独立。泡沫金属铜芯插入支路后对VC的传热性能有很大的影响。加热功率为160W时，充液比30％热阻为0.06℃/W，40％为0.07℃/W，20％为0.1℃/W，15％为0.07℃/W。我们新型的VC易于装配，成本低廉，原料易得，与文献相比其散热结果更好。

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Abstract

摘要

Contents

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1．1 Vapor chamber heat spreader

1．2 Research background and purpose

1．3 Vapor chamber as cooling devices research overview

1．4 Paper structure and research content

1．5 Conclusion

CHAPTER 2 COTTER THEORY OF HEAT PIPE AND HEAT TRANSPORT LIMITING FACTORS

2．1 Description and presentation of Cotter theory

2．2 Heat transport limiting factors

2．2．1 Sonic limit

2．2．2 Flooding limit

2．2．3 Entrainment limit

2．2．4 Capillary limit

2．2．5 Boiling limit

2．3 Conclusion

CHAPTER 3 COPPER FOAM WICK STRUCTURE ANALYSE AND HEAT TRANSFER TEST PERFORMANCE ON TYPE IVAPOR CHAMBER

3．1 Copper foam wick structure analyze

3．2 Type Ⅰ VC heat transfer test performances

3．2．1 Copper foam base vapor chamber

3．2．2 Experimental setup

3．2．3 Data reduction and uncertainty

3．2．4 Results and discussions

3．3 Conclusion

CHAPTER 4 HEAT TRANSFER TEST PERFORMANCES ON AN INNOVATIVE TYPE Ⅱ VAPOR CHAMBER

4．1 Innovative multi-artery vapor chamber

4．2 Modeling analysis

4．2．1 Capillary limit

4．2．2 Boiling limit

4.3 Experimental set up

4．4 Rsults and discussions

4．4．1 Condenser block temperature distributions

4．4．2 Thermal resistance analyzes

4．5 Conclusion

CHAPTER 5 CONCLUSION

REFERENCES

PAPERS PUBLISHED DURING THE MASTER’S DEGREE

ACKNOWLEDGEMENTS：