陳希立臺灣大學:機械工程學研究所黃翔聖Huang, Hsiang-ShengHsiang-ShengHuang2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-0406200915093800http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187256本文主要目的是開發出新型的自然對流增強散熱模組應用於高功率LED燈之研究，分別提出平板型與燈罩型蒸氣腔體散熱模組以及熱電散熱模組。由實驗的結果可知，平板型蒸氣腔體模組於加熱功率為30W以及熱源面積為225mm2時，相較於銅板與鋁板模組之擴散熱阻可分別降低26%與36%；其熱源表面溫度則可分別降低4.8oC與6.8oC。另外，燈罩型蒸氣腔體模組於LED輸入功率為15W時，其擴散熱阻比值相較於銅板與鋁板模組可分別降低27%與32%；其總熱阻比值可分別降低8%與12%；熱源表面溫度可分別降低4.1oC與5.7oC。本研究所提出的蒸氣腔體散熱模組於自然對流下，其熱傳能力依然優越且能有效解決擴散熱阻的問題與降低LED晶片溫度。另外，蒸氣腔體之燈罩型結構的設計可搭配實際照明燈具的造型，這有助於在LED散熱技術領域上提供前瞻的發展技術與改進方向。文亦提出將熱電冷卻器整合於傳統鰭片熱沈應用於高功率LED燈之散熱，並以理論與實驗分析建立一適用於此熱電模組之熱性能理論分析模式，以及定義一熱性能指標用以來評估其熱電散熱模組的性能表現。研究結果顯示其最佳操作電流為0.5A，並且在其有效操作範圍內，熱電冷卻器確實能有效降低熱源溫度。最後，本研究建構出一模擬預測軟體程式，不僅可預測平板型蒸氣腔體模組以及熱電散熱模組之熱傳性能，亦可用來進行系統最佳化分析。本研究將模擬預測的結果與實驗值進行比較，其蒸氣腔體模組之最大誤差為±6%；熱電散熱模組之平均誤差為±15.8%。此外，本研究亦針對這兩種散熱模組進行最佳化分析，並以分析結果來設計最佳化鰭片熱沈，以提昇散熱模組之整體性能。原本的熱電散熱模組相較於傳統散熱模組(未搭配熱電冷卻器)最大可降低其熱源表面溫度4oC；當熱沈進行最佳化設計後，其最佳熱電散熱模組之有效加熱功率極限值可從16W提昇至41W，且相較於搭配最佳化熱沈之傳統散熱模組最大可降低熱源表面溫度9.3oC。This article provides the novel thermal modules to solve the heat dissipation of the high-power light-emitting diodes (LEDs) in natural convection. The study can be divided into two parts. In the first part, the flat-plate-type and the lamp-type vapor chamber modules are applied to the high-power LEDs. The experimental results show that the spreading resistance and the heater temperature of the flat-plate-type vapor chamber at 30 W are lower than those of the copper plate by 26 % and 4.8 oC, respectively, and are lower than those of the aluminum plate by 36 % and 6.8 oC, respectively. ompared with the copper and the aluminum plates, the lamp-type vapor chamber at 15 W is reduced about 8 % and 12 % for the ratio of total thermal resistance, respectively. Besides, it is also about 4.1 oC and 5.7 oC lower for the central wall temperature of the lighting side, respectively. This study proves that the vapor chamber can effectively lower the spreading resistance and diminish the hotspot effect. When compared with the solid metal spreaders, the vapor chamber provides a better choice as a heat spreader for LED cooling with high-power consumption.n the second part, the present study proposes the thermoelectric air-cooling module, which integrates a thermoelectric cooler (TEC) and a flat-plate fin heat sink, for high-power LEDs cooling. The influences of the heating power and the thermoelectric cooler''s current on the thermal performance of the thermoelectric module are experimentally and theoretically determined. The experimental results indicate that when heating power increases from 5 W to 15 W, the optimal electric current is 0.5 A. This study verifies the effective operating region where the cooling performance of the conventional module can be effectively enhanced by integrating it with the thermoelectric cooler.n addition, this study develops a novel analytical model of thermal analogy network to predict the thermal capabilities of the flat-plate-type vapor chamber and the thermoelectric modules. The model''s prediction result agrees well with the experimental data. Because the geometric dimensions of the heat sink influence the thermal performance of the thermoelectric module, the presented study does a series of optimum analysis for each geometry parameter. Based on the results of the optimum analysis, the maximal effective heating power increases from 16 W to 41 W. Compared with the conventional module (without TEC), the heater temperatue can be reduced about 9.3 oC in this study.摘 要 IBSTRACT II 錄 IV目錄 IX目錄 XIV號說明 XV一章 緒論 1-1 前言 1-2 文獻回顧 3-3 研究動機與目的 9-4 研究方法 11二章 蒸氣腔體應用於高功率LED燈之研究 16-1 前言 16-2 蒸氣腔體之運作原理 17-3 熱阻基本理論 20-4 平板型蒸氣腔體散熱模組之研究方法 22-5 平板型蒸氣腔體散熱模組之熱阻分析模式 23-6 平板型蒸氣腔體散熱模組之性能實驗 24-6.1 實驗系統 24-6.2 實驗設備 25-6.3 實驗參數 29-6.4 實驗流程與步驟 30-7 平板型蒸氣腔體散熱模組之結果與討論 31-7.1 熱源面積對平板型蒸氣腔體散熱模組性能的影響 31-7.2 不同材質之熱擴散板性能表現 33-7.3 不同材質之平板型散熱模組性能表現 36-8 燈罩型蒸氣腔體散熱模組之研究方法 36-9 燈罩型蒸氣腔體散熱模組之熱阻分析模式 37-10 燈罩型蒸氣腔體散熱模組之性能實驗 38-10.1 實驗系統 39-10.2 實驗設備 39-10.3 實驗參數 40-10.4 實驗流程與步驟 42-11 燈罩型蒸氣腔體散熱模組之結果與討論 42-11.1 不同照射角度對系統性能的影響 42-11.2 不同材質之燈罩型散熱模組的性能比較 44-11.3 不同材質之燈罩型散熱模組的表面溫度分佈比較 46三章 熱電冷卻器應用於高功率LED燈之研究 67-1 前言 67-2 熱電效應原理 67-2.1 焦耳效應 68-2.2 席貝克效應 68-2.3 皮爾特效應 69-2.4 湯姆森效應 69-2.5 熱電效應之熱力學分析 70-3 熱電冷卻器原理 71-3.1 熱電冷卻器之熱力學分析 72-3.2 熱電冷卻器之性能分析 75-4 熱電冷卻器之性能參數實驗 76-4.1 實驗系統 77-4.2 實驗設備 77-4.3 實驗參數 79-4.4 實驗流程與步驟 79-4.5 結果與討論 80-5 熱損失量測實驗 81-5.1 實驗系統與設備 81-5.2 實驗流程與步驟 82-5.3 結果與討論 83-6 傳統LED散熱模組之性能實驗 83-6.1 實驗系統 84-6.2 熱阻分析模式 84-6.3 實驗設備 85-6.4 實驗參數 86-6.5 實驗流程與步驟 86-6.6 結果與討論 86-7 熱電LED散熱模組之性能實驗 87-7.1 實驗系統 87-7.2 熱性能理論分析模式 88-7.3 實驗參數 89-7.4 實驗流程與步驟 90-7.5 結果與討論 91四章 散熱模組最佳化分析 106-1 前言 106-2 平板型蒸氣腔體散熱模組之熱阻理論分析模式 106-2.1 界面熱阻 107-2.2 擴散熱阻 108-2.3 蒸氣腔體熱阻 108-2.4 熱沈對流輻射熱阻 111-3 平板型蒸氣腔體散熱模組之熱性能分析 117-4 平板型蒸氣腔體散熱模組之性能預測結果與討論 118-5 平板型蒸氣腔體散熱模組之最佳化分析 118-5.1 熱沈基板長度之最佳化分析 119-5.2 熱沈基板寬度之最佳化分析 120-5.3 蒸氣腔體厚度之最佳化分析 120-5.4 鰭片高度之最佳化分析 122-5.5 鰭片間距之最佳化分析 122-6 熱電LED散熱模組之熱性能理論分析模式 123-6.1 界面熱阻 125-6.2 熱電冷卻器冷端擴散熱阻 125-6.3 熱電冷卻器之熱性能指標 127-6.4 緊縮熱阻與熱沈擴散熱阻 128-6.5 熱沈基板熱阻與鰭片對流輻射熱阻 129-7 熱電LED散熱模組之熱性能分析 130-8 熱電LED散熱模組之性能預測結果與討論 131-9 熱電LED散熱模組之最佳化分析 132-9.1 熱沈基板長度之最佳化分析 133-9.2 熱沈基板寬度之最佳化分析 134-9.3 熱沈基板厚度之最佳化分析 135-9.4 鰭片高度之最佳化分析 136-9.5 鰭片間距之最佳化分析 137-10 最佳化熱電散熱模組之性能分析 138五章 結論與建議 166-1 結論 167-2 建議 169考文獻 171錄A 量測誤差分析 1782445715 bytesapplication/pdfen-US平板型燈罩型蒸氣腔體熱電冷卻器有效加熱功率極限值Flat-plate-typeLamp-typeVapor chamberThermoelectric coolerMaximal effective heating powerthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187256/1/ntu-98-F93522102-1.pdf