Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu chế tạo và khảo sát tính chất mao dẫn của vật liệu đồng xốp thiêu kết ứng dụng làm ống tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRỊNH MINH HỒN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRỊNH MINH HOÀN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT ỨNG DỤNG LÀM ỐNG TẢN NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đoàn Đình Phương PGS.TS Nguyễn Phú Hùng Hà Nội – 2022 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn PGS.TS Đồn Đình Phương PGS.TS Nguyễn Phú Hùng tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Bộ phận đào tạo Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học Công nghệ giúp đỡ suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn cán khoa học Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đồng hành, động viên giúp đỡ tơi q trình thực luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè người thân, đặc biệt vợ động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập hoàn thành luận án ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Trịnh Minh Hồn iii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Lời cam đoan .ii Mục lục iii Danh mục hình vẽ, đồ thị vi Danh mục bảng xi Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt xii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT 1.1 Ống nhiệt: Lịch sử hình thành phát triển 1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ống nhiệt 1.2.1 Ống nhiệt trọng trường 1.2.2 Ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn 1.2.2.1 Vỏ ống nhiệt 1.2.2.2 Vật liệu có cấu trúc mao dẫn 10 1.2.2.3 Chất lỏng làm việc bên ống nhiệt 13 1.2.3 Tính tốn thiết kế chế tạo ống nhiệt 16 1.2.3.1 Chế tạo vật liệu xốp thiêu kết 16 1.2.3.2 Tính tốn, xác định vỏ ống 19 1.2.3.3 Xác định chất lỏng làm việc ống 20 1.3 Một số vấn đề mao dẫn 22 1.3.1 Hiện tượng mao dẫn 22 1.3.2 Các phương pháp đo khả mao dẫn 24 1.3.2.1 Các phương pháp xác định áp suất mao dẫn lớn 24 1.3.2.2 Phương pháp xác định chiều cao cột mao dẫn h 25 1.3.2.3 Phương pháp xác định khối lượng nước hút vào cấu trúc mao dẫn 27 1.4 Tổng quan nghiên cứu giới lớp mao dẫn vật liệu xốp thiêu kết 30 1.5 Tản nhiệt cho đèn LED công suất cao 33 Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1 Nguyên vật liệu thí nghiệm 36 iv 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu 37 2.2.1 Mẫu vật liệu đồng xốp dạng khối 37 2.2.2 Mẫu đo khả tự hút 38 2.2.3 Chế tạo ống nhiệt 39 2.3 Phương pháp nghiên cứu 41 2.3.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu 41 2.3.1.1 Phương pháp chụp ảnh SEM phân tích EDS 41 2.3.1.2 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X 42 2.3.2 Phương pháp xác định tính vật liệu 42 2.3.3 Phương pháp xác định độ xốp vật liệu 43 2.3.3.1 Phương pháp xác định độ xốp tổng 44 2.3.3.2 Phương pháp đo độ xốp hở 45 2.3.3.3 Phương pháp xác định độ xốp ảnh SEM 46 2.3.4 Phương pháp đánh giá khả tự hút vật liệu mao dẫn 48 2.3.5 Phương pháp đo độ dẫn nhiệt ống nhiệt 50 Chương 3: CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ LÝ VÀ TÍNH CHẤT MAO DẪN CỦA VẬT LIỆU ĐỒNG XỐP THIÊU KẾT 54 3.1 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến cấu trúc tính vật liệu đồng xốp sau thiêu kết 54 3.1.1 Ảnh hưởng môi trường thiêu kết 54 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết 61 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian thiêu kết 66 3.2 Ảnh hưởng hình dạng, kích thước bột đồng đến khả tự hút nước mao dẫn vật liệu đồng xốp sau thiêu kết 70 3.2.1 Khảo sát bột đồng nguyên liệu dạng cầu 70 3.2.1.1 Ảnh hưởng kích thước bột đồng đến đặc tính xốp mẫu 71 3.2.1.2 Ảnh hưởng kích thước bột đồng đến khả hút nước mẫu 74 3.2.2 Khảo sát bột đồng dạng nhánh 79 3.2.2.1 Ảnh hưởng kích thước bột đồng đến đặc tính xốp mẫu 79 3.2.2.2 Ảnh hưởng kích thước bột đồng đến khả hút nước mẫu 82 3.2.3 So sánh đặc tính xốp mao dẫn mẫu sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu dạng nhánh 86 v Chương 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM CHO ĐÈN LED CÔNG SUẤT LỚN 91 4.1 Chế tạo ống nhiệt 91 4.2 Ảnh hưởng đường kính ống đến độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt ống nhiệt 95 4.3 Ảnh hưởng chiều dài ống đến độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt ống nhiệt 96 4.4 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED công suất lớn 97 4.4.1 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 200 W 97 4.4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 500 W 100 KẾT LUẬN CHUNG 105 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 108 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Một số ứng dụng ống nhiệt trong: a) máy tính, b) đèn LED c) điện thoại thông minh Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động a) ống nhiệt trọng trường b) ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo vùng hoạt động ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn Hình 1.4 Mặt cắt ngang ống nhiệt a) kiểu mao dẫn dạng rãnh b) kiểu cấu trúc vật liệu xốp kim loại thiêu kết 10 Hình 1.5 Sự thay đổi áp suất lỏng - ống nhiệt hoạt động 14 Hình 1.6 Sơ đồ chế tạo giản đồ thiêu kết vật liệu xốp nghiên cứu Leong 17 Hình 1.7 Sơ đồ chế tạo ống nhiệt nghiên cứu Li: 1-Nắp nhỏ định vị trục thép; 2-Vỏ ống đồng; 3-Bột đồng; 4-Trục thép không gỉ; 5Nắp lớn định vị trục thép 18 Hình 1.8 Mơ hình chế tạo ống nhiệt (a) giản đồ thiêu kết mẫu (b) nghiên cứu Jiang 18 Hình 1.9 Giới hạn mao dẫn loại chất lỏng: nước, acetone methanol 21 Hình 1.10 Nhiệt độ vùng bay với tỉ lệ điền đầy chất lỏng khác 21 Hình 1.11 Sơ đồ minh họa sức căng (A) kích thước hình học liên quan (B) mặt khum 22 Hình 1.12 Mơ hình đo áp suất mao dẫn lớn 24 Hình 1.13 Tương quan áp lực mao dẫn lớn độ xốp đồng xốp 25 Hình 1.14 Mơ hình xác định chiều cao cột mao dẫn h sử dụng camera hồng ngoại Li cộng sử dụng 25 Hình 1.15 Ảnh hưởng kích thước hạt bột nguyên liệu đến chiều cao cột chất lỏng cấu trúc kim loại xốp a) nước b) aceton 26 Hình 1.16 Chiều cao cột mao dẫn mẫu bột Ni bột đồng thiêu kết với chất lỏng khác nhau: a) nước b) acetone 27 Hình 1.17 Mơ hình xác định khối lượng chất lỏng hút vào cấu trúc mao dẫn 28 Hình 1.18 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian cấu trúc đồng xốp sử dụng chất lỏng thử khác 29 Hình 1.19 Sự tăng khối lượng chất lỏng theo thời gian cấu trúc thép hợp kim xốp sử dụng chất lỏng khác 29 vii Hình 1.20 Giản đồ cấu trúc mao dẫn chứa hai loại lỡ xốp 31 Hình 1.21 Ảnh SEM độ phóng đại khác cấu trúc mao dẫn chứa lỗ xốp với hai kiểu kích thước khác 31 Hình 1.22 Ảnh SEM bề mặt hạt đồng cấu trúc mao dẫn thiêu kết trước (a,b) sau xử lý bề mặt (c,d) 32 Hình 2.1 Ảnh SEM mẫu bột đồng nguyên liệu dạng cầu dạng nhánh 36 Hình 2.2 Mơ hình máy rung tạo độ xít chặt cho bột đồng 37 Hình 2.3 Mơ hình lị ống thiêu kết vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn 38 Hình 2.4 Mơ hình khn tạo mẫu đồng xốp giản đồ nhiệt - khí q trình thiêu kết chế tạo mẫu đồng xốp 38 Hình 2.5 Mẫu đo khả tự hút vật liệu đồng xốp cấu trúc mao dẫn 39 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chế tạo ống nhiệt đồng xốp cấu trúc mao dẫn 40 Hình 2.7 Nguyên lý tạo mẫu chụp ảnh cấu trúc SEM a) mẫu chụp ảnh vi cấu trúc b) mẫu chụp ảnh cấu trúc macro 42 Hình 2.8 Mơ hình mẫu chế tạo để xác định khối lượng riêng đo độ xốp hở 45 Hình 2.9 46 Hình 2.11 Sơ đồ thí nghiệm ngâm nước xác định độ xốp hở Minh họa trình xử lý ảnh SEM phần mềm ImageJ: a) Ảnh SEM ban đầu; b) Ảnh xử lý lỗi bổ sung vị trí hạt; c) Ảnh xử lý màu phần xốp; d) Ảnh tạo đường biên lỗ xốp Mơ hình thiết bị đo khả tự hút mao dẫn Hình 2.12 Mơ hình tính tốn độ dẫn nhiệt 51 Hình 2.13 Mơ hình ngun lý đo hệ số dẫn nhiệt trở kháng nhiệt ống nhiệt 52 Hình 2.14 Hệ đo thơng số nhiệt ống nhiệt 52 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết môi trường khác sử dụng bột đồng dạng cầu 56 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu đồng xốp thiêu kết môi trường khác sử dụng bột đồng dạng nhánh 57 Hình 3.3 Ảnh hưởng môi trường thiêu kết đến độ xốp mẫu 57 Hình 3.4 Phổ tán xạ lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết môi trường khác sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu 58 Hình 3.5 Phổ tán xạ lượng tia X (EDS) mẫu đồng xốp thiêu kết môi trường khác sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh 59 Hình 3.6 Ảnh hưởng mơi trường thiêu kết đến độ bền nén mẫu 60 Hình 2.10 47 49 viii Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu thiêu kết nhiệt độ khác 62 Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh thiêu kết nhiệt độ khác 63 Hình 3.9 Độ xốp mẫu vật liệu đồng xốp thiêu kết nhiệt độ khác 63 Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp thiêu kết 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng cầu 64 Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) phổ tán xạ tia X (b) mẫu đồng xốp thiêu kết 950oC sử dụng bột đồng nguyên liệu dạng nhánh 64 Hình 3.12 Độ bền nén mẫu vật liệu đồng xốp thay đổi theo nhiệt độ thiêu kết 65 Hình 3.13 Ảnh SEM cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng nhánh sau thiêu kết với thời gian 30-120 phút 900oC 67 Hình 3.14 Ảnh SEM cùng độ phóng đại mẫu đồng xốp sử dụng bột đồng dạng cầu sau thiêu kết với thời gian 30-120 phút 900oC 67 Hình 3.15 Ảnh hưởng thời gian thiêu kết đến độ xốp mẫu 68 Hình 3.16 Ảnh hưởng thời gian thiêu kết đến độ bền nén mẫu 69 Hình 3.17 Ảnh SEM mặt gãy mẫu đồng xốp với kích thước bột nguyên liệu khác sử dụng bột đồng dạng cầu 71 Hình 3.18 Sự thay đổi độ xốp mẫu theo kích thước hạt bột đồng sử dụng 72 Hình 3.19 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau thiêu kết với kích thước bột đồng nguyên liệu ban đầu khác 72 Hình 3.20 Kết đo độ xốp mẫu phương pháp Image J ảnh SEM 73 Hình 3.21 Phân bố kích thước lỡ xốp (thơng qua diện tích lỡ xốp) mẫu có kích thước hạt ban đầu khác sử dụng phần mềm ImageJ ảnh SEM 74 Hình 3.22 Sơ đồ gá mẫu xác định khả tự hút nước mẫu với góc nghiêng khác a) 90o, b) 60o c) 30o 75 Hình 3.23 Khả tự hút nước mẫu vật liệu đồng xốp sử dụng bột dạng cầu vị trí góc nghiêng khác 76 Hình 3.24 Lượng nước (a) chiều cao cột nước hút lên (b) vật liệu đồng xốp sử dụng kích thước góc nghiêng đặt mẫu khác 77 Hình 3.25 Lưu lượng nước hút lên mẫu đồng xốp cùng loại kích thước hạt góc nghiêng khác 78 Hình 3.26 Lưu lượng nước hút lên mẫu đồng xốp cùng góc nghiêng khác loại kích thước hạt bột đồng 78 95 cho thiết bị điện tử đèn LED công suất lớn [45, 106-108], nghiên cứu này, nghiên cứu sinh lựa chọn ống nhiệt có đường kính từ đến 12 mm, chiều dài nằm khoảng từ 300 đến 500 mm để khảo sát ảnh hưởng đường kính chiều dài ống nhiệt đến khả dẫn nhiệt ống nhiệt, từ lựa chọn kích thước tối ưu để thử nghiệm với tản nhiệt cho đèn LED 200 W 500 W 4.2 Ảnh hưởng đường kính ống đến độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt ống nhiệt Để đánh giá ảnh hưởng đường kính ống đến độ dẫn nhiệt (K) trở kháng nhiệt (R), ống nhiệt chế tạo với đường kính tương ứng 8, 10 12 mm, chiều dài 500 mm Chất lỏng làm việc ống nước cất tính toán với lượng chất lỏng chiếm toàn độ xốp lớp đồng xốp cấu trúc mao dẫn (chiều dày mm, chiều dài 500 mm) Độ dẫn nhiệt, trở kháng nhiệt ống nhiệt đo thiết bị Viện Khoa học vật liệu mô tả Mục 2.3.5 Các thông số phục vụ trình đo gồm: chiều dài vùng hóa 85 mm, chiều dài vùng ngưng tụ 150 mm với công suất nguồn nhiệt đặt vào 50 W Hình 4.6 Ảnh hưởng đường kính ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt ống nhiệt Trên hình 4.6 đồ thị tương quan độ dẫn nhiệt, trở kháng nhiệt với đường kính ống nhiệt Từ hình 4.6 thấy rằng, tăng đường kính ống nhiệt từ 8 96 lên 12 mm thì độ dẫn nhiệt K giảm trở kháng nhiệt R tăng lên Độ dẫn nhiệt đạt giá trị lớn ống nhiệt có đường kính 8 mm (14.187 W/m.K) sau giảm xuống 11.576 W/m.K đường kính ống nhiệt lên 12 mm Ngược lại, tăng đường kính ống nhiệt từ 8 mm lên 12 mm trở kháng nhiệt tăng từ 0,157 oC/W lên 0,289 oC/W Như vậy, đường kính ống nhiệt tỷ lệ nghịch với độ dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với trở kháng nhiệt Khi tăng đường kính ống nhiệt lên 150% (từ 8 mm lên 12 mm) thì độ dẫn nhiệt giảm xuống 19% trở kháng nhiệt tăng 84,1% Hiện tượng tăng đường kính ống, làm giảm độ dẫn nhiệt ống nhiệt giải thích sau: với cùng lượng nhiệt cung cấp (50 W), chất lỏng có khối lượng (hay thể tích) bay mạnh Khi đường kính ống nhiệt nhỏ dẫn đến thể tích chất lỏng tiếp xúc với nhiệt ít hơn, từ làm cho tốc độ hóa chất lỏng mạnh Khi tốc độ hóa chất lỏng mạnh làm tăng áp suất hơi, đẩy nhanh dịng từ vùng hóa vùng ngưng tụ Khi dịng đẩy nhanh vùng ngưng tụ, làm thúc đẩy chu trình: hóa - vận chuyển vùng ngưng tụ - ngưng tụ - vận chuyển chất lỏng vùng hóa Chính điều làm tăng độ dẫn nhiệt K ống nhiệt 4.3 Ảnh hưởng chiều dài ống đến độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt ống nhiệt Để khảo sát ảnh hưởng chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt, ống nhiệt chế tạo có đường kính 10 mm, chiều dày lớp mao dẫn 1mm với chiều dài ống nhiệt thay đổi tương ứng: 300, 350, 400, 450, 500 mm, lượng chất lỏng làm việc tính tốn điền đầy tồn lỗ xốp lớp mao dẫn Sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt trở kháng nhiệt vào chiều dài ống thể hình 4.7 Quan sát kết hình 4.7 thấy, tăng chiều dài ống nhiệt thì độ dẫn nhiệt giảm xuống trở kháng nhiệt tăng lên Khi tăng chiều dài ống lên 60% (từ 300 mm lên 500 mm), độ dẫn nhiệt giảm 13% trở kháng nhiệt tăng 109% từ 0,108 lên 0,226 oC/W Điều giải thích dựa kết nghiên cứu khả tự hút nước vật liệu cấu trúc mao dẫn Mục 3.2.2.2 Lưu lượng nước hút được, hay nói cách khác tốc độ hút nước vật liệu đồng 97 xốp cấu trúc mao dẫn giảm theo thời gian lực ma sát chất lỏng với thành khe (lỗ) mao dẫn Nếu ống nhiệt dài lực ma sát lớn, khả tự hút nước lớp mao dẫn giảm Điều làm giảm khả vận chuyển chất lỏng từ vùng ngưng tụ vùng hóa hơi, làm chậm q trình ống nhiệt, làm giảm độ dẫn nhiệt ống nhiệt Hình 4.7 Ảnh hưởng chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt và trở kháng nhiệt ống nhiệt Như vậy, tương tự khảo sát đường kính ống nhiệt, chiều dài ống nhiệt tỷ lệ nghịch với độ dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với trở kháng nhiệt 4.4 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED công suất lớn 4.4.1 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 200 W Để thử nghiệm ống nhiệt đèn LED 200 W, luận án thừa hưởng nghiên cứu trước thiết kế tản nhiệt cho đèn LED 200 W nhóm nghiên cứu thuộc phòng Vật liệu kim loại tiên tiến - Viện Khoa học vật liệu Trên hình 4.8 vẽ thiết kế tản nhiệt ống tản nhiệt sử dụng cho đèn LED 200 W Ống nhiệt sử dụng ống 10 mm, dài 420 mm Trên hình 4.9 hình ảnh tản nhiệt đèn LED 200 W sau lắp ghép hoàn chỉnh 98 Hình 4.8 Bản vẽ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 200 W (b) Hình 4.9 Bộ tản nhiệt sau lắp ghép (a), sau sơn (b) và đèn LED 200 W sau lắp ghép hoàn chỉnh (c) Để đánh giá hoạt động tản nhiệt, nhiệt độ bề mặt chíp LED COB (Ts), nhiệt độ đế tản nhiệt, nhiệt độ vị trí ghép cánh ống nhiệt nhiệt độ vị trí cánh đo ghi lại liên tục Trên hình 4.10 vị trí đo nhiệt độ bố trí tản nhiệt Trên thực tế, nhiệt độ quan trọng Ts vì Ts cao, độ bền chíp LED COB thấp Để hạ nhiệt độ Ts, tản nhiệt cần lấy lượng nhiệt mà COB tạo ra, đưa bên ngồi tản vào khơng khí thơng qua cánh tản nhiệt Việc lấy lượng nhiệt từ COB cánh tản nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động ống nhiệt 99 Hình 4.10 Vị trí đo nhiệt tản nhiệt thử nghiệm đèn LED 200 W Trên hình 4.11 đồ thị ghi lại thay đổi nhiệt độ Ts (đế COB) T0 (trên đế nhôm) vị trí khác hình vẽ Q trình đo thực phịng kín gió nhiệt độ phòng giữ ổn định khoảng 25-27oC, công suất nguồn cấp 200 W đèn treo úp xuống Kết cho thấy, suốt trình đo, nhiệt độ Ts lớn T0, nhiệt độ T0 lớn nhiệt độ T1 T9 Nhiệt độ tất vị trí đo bắt đầu ổn định sau khoảng 30 phút đo Thêm vào đó, nhiệt độ cánh tản nhiệt vị trí sát ống nhiệt cánh đo cùng vị trí cánh có chênh lệch khơng nhiều Điều có nghĩa nhiệt từ COB dẫn nhanh chóng ngồi tản khơng khí thông qua cánh tản nhiệt Kết nhiệt độ Ts cao đo 66,5oC Hơn nữa, ảnh chụp camera hồng ngoại đèn sau 120 phút hoạt động cho thấy nhiệt độ phân bố đồng tản nhiệt Thực nghiệm đo đạc cho thấy, với đèn LED 200 W thí nghiệm, cơng suất nhiệt cần tản ngồi 112,4 W So sánh kết đo nhiệt độ Ts công suất nhiệt cần truyền đèn LED 200 W cùng loại hãng Furukawa Nhật Bản cho thấy, tản nhiệt đề tài luận án chế tạo có tính tản nhiệt tương đương với tản nhiệt hãng Furukawa (hình 4.12) [109] Từ kết thử nghiệm cho thấy, tản nhiệt cho đèn LED 200 W sử dụng ống nhiệt hồn tồn đáp ứng tiêu kỹ thuật đặt 100 Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ tại vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp camera nhiệt đèn LED 200 W ở thời điểm 120 phút thử nghiệm Hình 4.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ Ts vào công suất nhiệt và vị trí treo đèn đèn LED 200 W sử dụng tản nhiệt HB-WHP-1000-B Furukawa [109] 4.4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nhiệt cho đèn LED 500 W Trên hình 4.13 vẽ thiết kế tản nhiệt ống tản nhiệt sử dụng cho đèn LED 500 W Như thử nghiệm tản nhiệt đèn LED 200 W, nghiên cứu sinh sử dụng kết nghiên cứu thiết kế tản nhiệt đèn LED công suất 101 500 W Viện Khoa học vật liệu Ống nhiệt sử dụng ống 10 mm, dài 400 mm Trên hình 4.14 hình ảnh tản nhiệt đèn LED 500 W sau lắp ghép hoàn chỉnh Hình 4.13 Bản vẽ tản nhiệt (a) và ống nhiệt sử dụng cho đèn LED 500 W (b) Hình 4.14 Bộ tản nhiệt sau lắp ghép (a, b) và đèn LED 500 W sau lắp ghép hoàn chỉnh (c, d) Tương tự đánh giá với tản nhiệt cho đèn LED 200 W, nhiệt độ vị trí LED COB (Ts), nhiệt độ đế nhôm, nhiệt độ vị trí ghép cánh ống nhiệt vị trí cánh đo ghi lại liên tục Quá trình đo thực phòng kín gió nhiệt độ phịng giữ ổn định khoảng 25- 102 27oC, công suất nguồn cấp 500 W đèn treo úp xuống Trên hình 4.15 vị trí đo nhiệt độ bố trí tản nhiệt đèn LED 500 W Kết đo nhiệt độ vị trí đo theo thời gian ảnh camera hồng ngoại chụp đèn LED 500 W thời điểm thử nghiệm 120 phút trình bày hình 4.16 Nhiệt độ Ts, T0 vị trí đo bắt đầu ổn định sau khoảng 30 phút thử nghiệm Phân bố nhiệt độ tương tự đèn LED công suất 200 W Tuy nhiên, bố trí thiết kế cánh khác với đèn LED 200 W nên nhiệt độ phân bố điểm tiếp xúc ống nhiệt với cánh phần cánh khác Hình 4.15 Vị trí đo nhiệt tản nhiệt thử nghiệm đèn LED 500 W Hình 4.16 Đồ thị nhiệt độ tại vị trí đo theo thời gian và ảnh chụp camera nhiệt đèn LED 500 W ở thời điểm 120 phút thử nghiệm Kết nhiệt độ đo Ts lớn 77,8oC ứng với công suất sản sinh nhiệt đo 286,4 W Nhiệt độ cao so với nhiệt độ đo LED COB đèn 200 W công suất đèn lớn hơn, đảm bảo nhiệt độ hoạt động cho LED COB 80oC So sánh với nhiệt độ Ts công bố tản 103 nhiệt cho đèn LED cùng loại hãng Furukawa (kiểu FL-WHP-3100-B) thì kết đo cho thấy tương đương (hình 4.17) [110] Hình 4.17 Sự thay đổi nhiệt độ Ts theo hướng chiếu đèn và công suất nhiệt cấp tản nhiệt FL-WHP-3100-B hãng Furukawa [110] Từ kết thử nghiệm cho thấy ống nhiệt chế tạo đảm bảo yêu cầu kỹ thuật sử dụng cho thiết kế tản nhiệt đèn LED 200 W 500 W Các kết đo nhiệt độ Ts tương đương với thông số kỹ thuật tản nhiệt thương mại cùng loại hãng Furukawa thiết kế công bố Kết luận chương Từ kết chế tạo ống nhiệt thử nghiệm ống nhiệt chế tạo hệ thống tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn (200 W 500 W) trình bày chương rút số kết luận sau: Đã xác định thông số trình thiêu kết để chế tạo ống nhiệt nhiệt độ thiêu kết 900 oC với thời gian 60 phút môi trường khí kết hợp Ar + H2 thổi liên tục để tạo cấu trúc đồng xốp mao dẫn trình bày Chương đảm bảo mối liên kết tốt lớp vật liệu đồng xốp vỏ ống Đã xác định ảnh hưởng đường kính chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt ống nhiệt với lớp mao dẫn chế tạo từ bột đồng dạng nhánh có kích thước hạt bột từ 100-150 µm Trong đó: - Với chiều dài ống 500 mm, tăng đường kính ống nhiệt từ mm lên 12 mm, độ dẫn nhiệt ống nhiệt giảm 19%, từ 14.200 W/m.K xuống 11.500 W/m.K - Với đường kính ống nhiệt 10 mm, tăng chiều dài ống nhiệt từ 300 mm lên 500 mm, độ dẫn nhiệt giảm 13%, từ 15.200 W/mK xuống 13.200 W/m.K 104 Đã thử nghiệm ống nhiệt chế tạo hệ tản nhiệt cho đèn LED công suất 200 W 500 W theo thiết kế có sẵn Đối với đèn LED 200 W, nhiệt độ đo LED-COB 65,5oC Đối với đèn LED 500 W, nhiệt độ đo LEDCOB 77,8oC Các giá trị nhiệt độ tương đương với nhiệt độ LED-COB công suất hãng Furukawa Nhật Bản công bố 105 KẾT LUẬN CHUNG Từ nghiên cứu tổng quan, kết nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất mao dẫn vật liệu đồng xốp thiêu kết, khảo sát ảnh hưởng kích thước ống nhiệt đến khả dẫn nhiệt ống nhiệt kết thử nghiệm hệ thống tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn trình bày luận án rút số kết luận chính sau: Đã xây dựng thiết bị đo khả hút nước mao dẫn vật liệu đồng xốp thiêu kết Thiết bị cho phép ghi nhận lượng nước, tốc độ hút nước vật liệu đồng xốp chế tạo theo thời gian với góc nghiêng mẫu khác nhau, làm sở để đánh giá khả mao dẫn vật liệu Đã xác định số thông số công nghệ để chế tạo vật liệu đồng xốp có cấu trúc mao dẫn gồm: (i) sử dụng bột đồng dạng cầu dạng nhánh có kích thước từ 44-150 µm; (ii) tạo độ xít chặt, đồng phương pháp rung học; (iii) thiêu kết mơi trường khí Ar + H2 nhiệt độ 900oC, thời gian thiêu kết 60 phút Đã làm rõ ảnh hưởng hình dạng kích thước hạt bột đồng đến độ xốp tính chất mao dẫn vật liệu sau thiêu kết Cụ thể: - Cùng kích thước hạt bột, vật liệu đồng xốp chế tạo từ bột đồng dạng nhánh ln có độ xốp tổng, độ xốp hở liên kết cao so với vật liệu đồng chế tạo từ bột đồng dạng cầu Trong đó, kích thước hạt bột 44-74 µm, bột đồng dạng nhánh cho độ xốp hở liên kết cao bột đồng dạng cầu 9,2% Tương tự kích thước hạt bột 74-100 µm 100-150 µm chênh lệch 12,4% 15,6% - Đối với hai loại bột đồng dạng cầu bột đồng dạng nhánh cây, lưu lượng hút nước vật liệu (g/s) có xu hướng tỷ lệ thuận với độ xốp khoảng kích thước bột từ 44-150 µm Trong đó, lưu lượng hút nước mẫu sử dụng kích thước bột đồng 44-74 µm đạt thấp nhất, đạt cao sử dụng bột đồng có kích thước bột 100-150 µm - Đối với hai loại bột đồng, tất kích thước hạt bột khảo sát, lưu lượng hút nước vật liệu có xu hướng tỷ lệ với độ nghiêng mẫu đo, theo thứ tự mẫu 30o lớn mẫu 60o lớn mẫu 90o 106 - Mẫu chế tạo từ bột đồng dạng nhánh với kích thước hạt bột từ 100-150 µm có tính chất mao dẫn tốt nhất, hút lượng nước lớn lựa chọn để chế tạo ống nhiệt Đã xác định ảnh hưởng đường kính ống nhiệt chiều dài ống nhiệt đến độ dẫn nhiệt ống nhiệt với lớp mao dẫn chế tạo từ bột đồng dạng nhánh có kích thước hạt bột từ 100-150 µm Với ống nhiệt dài 500 mm, tăng đường kính ống nhiệt từ mm lên 12 mm, độ dẫn nhiệt ống nhiệt giảm từ 14.200 W/m.K xuống 11.500 W/m.K Với ống nhiệt đường kính 10 mm, tăng chiều dài ống nhiệt từ 300 mm lên 500 mm, độ dẫn nhiệt giảm từ 15.200 W/mK xuống 13.200 W/m.K Đã ứng dụng ống nhiệt chế tạo để làm hệ tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn (200 W 500 W) Kết thử nghiệm cho thấy nhiệt độ đo LED-COB đèn LED tương đương với giá trị nhiệt độ công bố sản phẩm loại hãng Furukawa Nhật Bản 107 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đã chế tạo thành công vật liệu đồng xốp có cấu trúc mao dẫn cơng nghệ luyện kim bột sử dụng bột đồng dạng cầu dạng nhánh có kích thước từ 44-150 µm, ép chặt bột nguyên liệu phương pháp rung học, thiêu kết bột ép chặt môi trường khí Ar + H2 nhiệt độ 900oC, thời gian thiêu kết 60 phút Đã xây dựng thiết bị đo khả hút nước mao dẫn vật liệu xốp thiêu kết, sử dụng thiết bị để khảo sát ảnh hưởng hình dạng kích thước hạt bột đồng nguyên liệu đến tính chất mao dẫn vật liệu đồng xốp sau thiêu kết Trong đưa kết luận sau đây: - Vật liệu đồng xốp chế tạo từ bột đồng nguyên liệu dạng nhánh theo phương pháp nói có độ xốp tính chất mao dẫn tốt vật liệu đồng xốp chế tạo từ bột đồng nguyên liệu dạng cầu - Vật liệu đồng xốp chế tạo từ bột đồng nguyên liệu dạng nhánh với kích thước hạt bột từ 100-150 µm có tính chất mao dẫn tốt nhất, tốc độ hút nước nhanh 108 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Để hoàn thiện hơn, nghiên cứu sinh đề xuất số nội dung cần tiếp tục nghiên cứu, thực hiện, cụ thể sau: Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu xốp để tăng lực mao dẫn Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu mao dẫn chứa nhiều dạng lỗ rỗng khác để giảm tượng bóng khe mao dẫn Mơ q trình truyền nhiệt ống nhiệt theo thời gian thực Nghiên cứu mở rộng khả ứng dụng ống nhiệt chế tạo 109 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ Trần Bảo Trung, Đồn Đình Phương, Nguyễn Văn Tồn, Trịnh Minh Hồn, Ngơ Duy Cơng, Đặng Quốc Khánh, Cấu trúc và tính chất vật liệu đồng xốp chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột sử dụng chất chiếm chỗ NaCl, Tạp chí Khoa học Công nghệ kim loại, 94, 2021, 2-7 Trịnh Minh Hoàn, Đoàn Đình Phương, Nguyễn Văn Toàn, Trần Bảo Trung, Ảnh hưởng hình dạng và kích thước bột đồng đến cấu trúc và độ xốp vật liệu đồng xốp, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 12, SPMS 2021 (TP Cần Thơ), 2022, pp 970-973 (ISBN: 978-604-316-838-9) Trinh Minh Hoan, Nguyen Van Toan, Nguyen Phu Hung, Pham Van Trinh, Tran Bao Trung, Doan Dinh Phuong, Dependence of Particle Size and Geometry of Copper Powder on the Porosity and Capillary Performance of Sintered Porous Copper Wicks for Heat Pipes, Metals, 12, 2022, 1716 (SCI-E) Trinh Minh Hoan, Doan Dinh Phuong, Nguyen Van Toan, Tran Bao Trung, Effect of sintering time on the structure, experimental and calculated porosity of porous copper samples produced via a loosen sintering technique, Proceeding of the 5th International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ICAMN 2022 (Hanoi, Vietnam), pp 130-134 (ISBN: 978-604316-915-7)