CN100549682C - 热导组件导热性能的测量系统及筛选方法 - Google Patents
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Abstract
一种热导组件导热性能的测量系统，应用在快速测量热导组件的热传导性能，其通过设定加热端加热金属块的温度及散热端散热水套温度，使加热端与热导组件间产生温差来传热，并以此比较加热金属块冷却速度的快慢，以判定热导组件导热能力的好坏，及通过加热块在实际降温过程中的热量变化，可以得到相对的功率值，借此与其最大功率值的参数换算，可以快速得到热导组件最大的热传量Qmax值。本发明同时提供一种热导组件导热性能的筛选方法，在确认标准样品的冷却曲线情形下，通过冷却曲线的应用以达到热导组件传热效能筛选的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种热导组件导热性能的测量系统及筛选方法，特别地指一种应用于快速测量热导组件的热传导性能，以达到热导组件导热效能筛选的目的，能大幅减低人力与时间成本，并具有稳定的再现性和较高的分辨率及可靠度。
背景技术
随着电子产品微小化及多功能化的趋势，伴随而来的是对组件、系统所带来的影响。因为在有限空间中需容纳更多晶体管，连带地会产生更多的热量造成电子组件工作性能的不稳定，对相关领域工程人员来说是个极大的挑战。现行传统的系统散热解决模式主要是将CPU(中央处理单元)或GPU(图像处理单元)等高发热组件所产生的热量，通过封装表层将热先导引至散热片或高热传特性的金属块，然后再通过热导组件(如热管、均热板...等)的作用将其传导至排热装置上(如风扇、散热片等)，将热排出，以维持高发热组件在一定的工作温度下运转，这是基本的散热模块的设计理念。
而当芯片走向尺寸细微化、功能整合化之际，单位面积所产生的热能若能通过高热传导性的热管(Heat Pipe)，予以快速的散布在整个板片上，达到均匀分散并传给与其接触的散热片，使局部过热所可能造成的组件不稳定的可能性降至最低，可有效地增强组件的可靠度及寿命。
由于在热管内的工作流体通过液相和气相间的相态变化(phase change)吸收热量，并以气体分子传输热量的方式，因而可得到极高的热传导系数，具有相当好的传热效果。因此在模块中，热管的内部以相态变化的方式，快速传输CPU/GPU等高发热组件所产生的热量，使模块通过更多突出的散热片提供较佳的热交换途径，通过风扇吹散到空气中，一次就可把CPU/GPU所产生的大量热量带走，大幅降低工作温度，具有较佳的散热效率。因此，如何通过测量方式快速及有效的确保热管的效能，为现今亟需研发的课题。
传统的热导组件诸如热管等的测量方式，大致上为输入一固定功率所产生的热量在热管加热端，当加热端到达某一设定温度T1时(例如：70℃)，开始开启散热端的冷却装置(通常可为风扇或水套)，再视其加热端的温度能否被冷却下来，通过热管加热端T1及散热端T2之间的温度差ΔT，判定此支热管的传热能力是否达到输入固定功率值的要求。
此种测量方式，每次仅能得到热管在一个特定加热功率下的传热效能值，每次测量约需时3至5分钟；若要测量此热管的最大传热能力Qmax，则必须逐次加大加热端的输入功率，直到加热端的温度无法被冷却下来，此时即根据前次测量的最高功率值，定为此热管的最大传热能力Qmax。由于要得到Qmax值，由低功率至高功率的测量一般平均需要5至6次方可得到Qmax值，也就是要测得一支热管的Qmax值，平均要花费15至30分钟，甚至更久，可谓相当费时。
上述的传统测量方法尚有一模糊点，即冷却端的冷却方式。一般而言，常使用风扇或水套做为冷却端的冷却；至于风扇的风量或水套的水量及温度应如何决定，一般在测量时并未明确定义，仅称只要能满足将加热端冷却的要求流量即可。因此，由实际操作中经常发现，在加热端达到加热的设定温度T1时，开始开启冷却端的散热模块瞬间，若流量一下子开得太大，可能导致热导管发生干涸(Dry out)现象，但若流量缓慢加大，则热导管不会发生干涸，并且可以将加热端的温度冷却下来。由此可见，流量的控制会影响到其测量的结果，但一支热管的传热能力在相同操作条件下应该是相等的，所以要得到精确的Qmax值，在流量的控制上就变得相当重要；但目前的测量规范上，这部份并未进行严格的定义。换言之，传统的测量方法不但耗费相当高的人力与时间成本，且其测量值的再现性、分辨率及可靠度均不稳定，应用的参考价值低。
发明内容
鉴于公知热导组件的测量方式已无法满足现阶段热导组件量化及可靠度的需求，故本发明的主要目的在于提供一种热导组件导热性能的测量系统，应用快速测量热导组件(如热管、均热板、散热片...等)的热传导性能(如：温差ΔT、接触热阻R及最大热传量Qmax，...等)，以实现快速量化及筛选的目的，大幅节省人力与时间成本。
为实现本发明的上述目的及其它目的，根据本发明热导组件导热性能的测量系统，其包括：一加热模块，位于待测热导组件的加热端，该加热模块包含有一金属加热块，通过一加热棒可对该金属加热块加热；一散热模块，位于待测热导组件的散热端，通过例如水套等温差显热来冷却散热端；一温度撷取接口模块，用以对该金属加热块测量及撷取温度与时间的对应值；一计算模块，将该温度撷取接口模块的测量值经计算模块计算出该金属加热块最大温度降的仿真散热量，并进一步与数据库比对以对应出该热导组件的最大功率值。如此，利用设定该加热端金属加热块的温度及散热端的水套温度，使加热端与散热端间产生温差并通过热导组件例如热管等来传热，并以此比较加热块冷却的速度快慢，可以判定热管导热能力的好坏。同时，通过该加热块在实际降温过程中的热量变化，可以得到相对的功率值，并借此与其最大功率值的参数换算，可以快速得到热管的最大热传量。
本发明另一目的在于提供一种热导组件导热性能的筛选方法，配合上述测量系统在确认标准样品的冷却曲线即冷却速度的情形下，通过冷却曲线的应用，能达到热管传热效能筛选的目的。
本发明提供的一种热导组件导热性能的筛选方法，应用于快速测量热导组件的热传导性能，包括下列步骤：
步骤一：将待测热导组件的加热端固定于一加热模块上，及另一散热端固定于一散热模块上；
步骤二：对该加热模块上的金属加热块加热至特定温度并达稳定状态；
步骤三：停止加热，通过该热导组件导热，以冷却该金属加热块；
步骤四：测量并撷取该金属加热块在冷却期间内的温度与时间对应值；
步骤五：求取金属加热块在冷却期间的特定区间内的最大温度下降，进而求得仿真的散热量Q；
步骤六：再将该仿真的散热量Q与数据库比对，以对应出近似热管的最大功率值。
利用本发明热导组件导热性能的测量系统及筛选方法，可大幅缩短测量的时间至1～3分钟以内，相较于目前业界的公知测量法，可大大减低人力与时间成本并达到稳定的再现性、分辨率及可靠度的要求。
附图说明
图1为本发明热导组件导热性能的测量系统的实施例示意图。
图1a为本发明金属加热块的立体示意图。
图2为本发明热导组件导热性能的筛选方法的流程框图。
图3为本发明热导组件的导热功能判定图。
具体实施方式
本发明热导组件导热性能的测量系统及筛选方法，应用于快速测量热导组件，诸如热管、均热板、散热片等热导组件的热传导性能，如：温差ΔT、接触热阻R及最大热传量Qmax等，以实现快速量化及筛选的目的。以下实施例将以待测物热管10’为代表针对本发明的技术特点作进一步地说明，该实施例仅为较佳的范例并非用来限定本发明的实施范围，谨通过参考附图结合下列详细说明而获得最好的理解。
首先请参考图1，为本发明热导组件导热性能的测量系统1的示意图，基本上包括：
一待测的热管10’，根据其热传方向划分为加热端(区)10a、绝热端10b及散热端10c等。
一加热模块80，包括有一金属加热块20位于该热管10’的加热端10a，其内部具有一加热棒25用以对该金属加热块20加热；一绝热箱30，例如以电木等绝热材料包覆在该金属加热块20的外部，以阻绝其热量散逸到空气中；及，一绝热加压装置30’，例如以电木等绝热材料制成，可相对加压并覆盖在该加热端10a的外表面上，以阻绝其热量散逸于空气中。
一散热模块90，包括一冷却装置40例如水套等，位于该热导组件10的散热端10c，及一冷却加压装置40’例如水套等，可相对加压并搭贴在该散热端10c表面上，通过温差显热以冷却该散热端10c；其中，上述冷却装置40和冷却加压装置40’的水套的冷却水通过一个恒温水槽70构成一循环。此外，熟悉此项技术者可以理解的是，可根据不同的热管进行设计及验证，该散热模块90还可以搭接在该热管10’的绝热端10b上，如图1所示。
一温度撷取接口模块50，用以撷取该金属加热块20在冷却期间内随时间变化的对应温度值，其设计上可配合温度撷取卡或温度记录器来完成温度与其对应时间的撷取功能。
一计算模块60，用以将该温度撷取接口模块50所撷取的温度与时间的对应曲线，经一计算软件计算出该金属加热块最大温度下降的仿真散热量Q。
根据本发明，该金属加热块20，可为铜、铝、锌等金属，或任何具备高导热能力(热传导值)和低热容比的复合材料，以确保金属加热块在散热冷却过程中的均温性；该金属加热块20较佳为一梯形结构，如图1a所示，能有效增强传热效能使其达到均温效果及防止热量流失。该梯形加热块结构，除了锥顶部为搭接面20a搭接在该热管10’的加热端10a之外，其外周表面被由绝热材料构成的绝热箱30所包覆，并配合该绝热加压装置30’以形成一个极佳的绝热环境。当该加热模块80内的金属加热块20在一固定输入功率下，受热升温至一特定温度，例如：80℃，并维持至稳定状态时，记录该热管10’加热端10a的表面温度T 1与散热端10c的表面温度T2的温差ΔT，作为第一阶段的功能判定，例如：ΔT＜3℃；接着停止加热，并通过散热模块90来冷却金属加热块20，此时热管10’为一良好的导热组件。同时，通过该温度撷取接口模块50撷取该加热模块80内的金属加热块20在冷却期间内温度T3与时间的对应值；接着，将温度撷取接口模块50所撷取的数值输入该计算模块60，经过一软件运算后得到温度与时间的对应曲线，如图3所示。
根据本发明，该计算模块60应用一发明人自行开发的计算软件，将所撷取的温度与时间的对应曲线，配合热物理方程式Q＝W·Cp·(dT/dt)代入金属加热块20的重量W、热容量Cp、以及温度-时间的微分方程式，经运算后可得到散热量Q。再将散热量Q、热管表面温度T1、加热块温度T3代入热阻方程式RContact＝(T1-T3)/Q，可得到金属加热块20与热管10的接触热阻值，以此可作为第二阶段的功能判定，例如：RContact＜X值。此时，再通过计算软件判断特定区间内的最大温度下降(dT/dt)，以求得仿真散热量Q，作为第三阶段执行或不执行的功能判定，例如：Q＞30瓦特。进一步，将此仿真散热量Q可再与数据库比对，而对应出近似热管10’的最大传热功率值Qmax。
根据本发明，为实施热导组件导热性能的筛选方法需配合上述的测量系统，为更清楚及系统化说明本发明的快速筛选方法，谨请参考图2并说明如下：
首先，将待测热管10’的加热端10a固定于加热模块80上，及散热端10c固定在散热模块90上(如步骤一)。
接着，将该加热模块80的金属加热块20加热至特定温度并达稳态(约1～1.5分钟)(如步骤二)。
停止加热，并通过该热管10’来冷却金属加热块20(如步骤三)。
于冷却期间内，通过温度撷取接口模块50测量并撷取该加热块20的温度与时间的对应值(约0.5～1分钟)(如步骤四)。
将该温度撷取接口模块50所撷取的数值，通过该计算模块60运算求得该金属加热块20于冷却期间的特定区间内的最大温度下降，进而求得仿真散热量Q(如步骤五)。
将该仿真散热量(Q)再与数据库比对，以对应出近似热管10’的最大传热能力值Qmax(如步骤六)。
根据本发明的测量方法乃依据热管的特性，基于同类型的热管(指形状、设计都一样的热管)，在输入功率高于某一固定值时，其热管的传热能力Q与其最大传热能力Qmax有一比例关系。例如，A、B二支热管，A管的Qmax值是80W，B管的Qmax值是70W，分别附于固定热容量的加热块时，A管会比B管有较佳的传热能力，即A管会使加热块较快冷却(如图3所示)。
为了实际比较公知的热管性能测量方法与本发明的快速测量方法的差异，遂利用本发明实施例进行以下实验：
分别以公知的测量方法与本发明实施例的测量方法测量10支同类型的热管，以验证两者所花费的时间与其余差异值，其测量结果如如表1所示。
表1.本发明测量方法与传统测量方法的比较
| U型圆管6×220 | ΔT(T1-T2) | 本发明方法测量Qmax，mapping | 本发明测量时间(分钟) | Qmax(传统测试) | 传统测量时间(分钟) | Qmax功率误差 | 误差率 |
| 1 | 0.5 | 46.42 | 1.5 | 46 | ＞20 | 0.42 | 0.9％ |
| 2 | 0.8 | 45.01 | 1.5 | 44 | ＞20 | 1.01 | 2.3％ |
| 3 | 3.2 | 37.50 | 1.5 | 38 | ＞20 | -0.50 | -1.3％ |
| 4 | 0.6 | 42.21 | 1.5 | 44 | ＞20 | -1.79 | -4.1％ |
| 5 | 1.2 | 44.61 | 1.5 | 43 | ＞20 | 1.61 | 3.7％ |
| 6 | 0.1 | 43.61 | 1.5 | 44 | ＞20 | -0.39 | -0.9％ |
| 7 | 1 | 42.42 | 1.5 | 42 | ＞20 | 0.42 | 1.0％ |
| 8 | 0.1 | 49.24 | 1.5 | 48 | ＞20 | 1.24 | 2.6％ |
| 9 | 1.6 | 44.26 | 1.5 | 46 | ＞20 | -1.74 | -3.8％ |
| 10 | 1.3 | 46.69 | 1.5 | 46 | ＞20 | 0.69 | 1.5％ |
由表1的测量结果可明显看出，本发明实施例的热管性能测量方法与公知的测量方法的最大热传量Qmax数据，其误差率均可维持在约5％以内，而测量时间却大幅缩短至3分钟内；此外，第3支热管数据显示以ΔT做为筛选方法，可优先并有效筛选热传量不足的热管。因此，本发明“热导组件导热性能的测量系统及筛选方法”不但适用于热管的热传量筛选，且可大大减低人力与时间成本，并达到稳定的再现性、分辨率及可靠度的要求。
以上仅为本发明代表说明的较佳实施例，并是本发明实施范围的限定，即，不偏离本发明宗旨所作的均等变化与修饰，应仍属本发明的涵盖范围之内。
Claims (13)
1.一种热导组件导热性能的测量系统(1)，用于快速测量热导组件(10)的热传导性能，其特征包括：
一待测的热导组件(10)，一端为加热端(10a)，另一端为散热端(10c)；
一加热模块(80)，包含有一金属加热块(20)位于该热导组件(10)的加热端(10a)上，一加热棒(25)可对该金属加热块(20)加热至一预定温度，及一绝热加压装置(30’)可相对加压并覆盖在该加热端(10a)的表面上；
一散热模块(90)，位于该热导组件(10)的散热端(10c)，通过一冷却装置(40)冷却该散热端(10c)，及一冷却加压装置(40’)可相对加压并搭接在该散热端(10c)表面上；
一温度撷取接口模块(50)，用以撷取该金属加热块(20)在冷却期间内随时间变化的对应温度值；
一计算模块(60)，将该温度撷取接口模块(50)所撷取的温度与时间的对应曲线，经该计算模块计算出该金属加热块最大温度降的仿真散热量。
2.如权利要求1所述的热导组件导热性能的测量系统(1)，其特征在于，该金属加热块(20)是从铜、铝和锌中选出的一种金属。
3.如权利要求2所述的热导组件导热性能的测量系统(1)，其特征在于，该金属加热块(20)为一梯形结构，除了锥顶部为搭接面(20a)之外，其外周表面被由绝热材料构成的绝热箱(30)所包覆。
4.如权利要求3所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，该绝热材料为电木。
5.如权利要求1所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，绝热加压装置(30’)由绝热材料电木所构成。
6.如权利要求1所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，该冷却装置(40)及冷却加压装置(40’)为一水套，两者的冷却水通过一恒温水槽(70)构成一循环。
7.如权利要求1所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，该计算模块应用一热物理方程式Q＝W·Cp·(dT/dt)代入金属加热块(20)的重量W、热容量Cp、以及温度-时间的微分方程式，经运算后可得到散热量Q。
8.如权利要求7所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，该计算模块又应用一热阻方程式RContact＝(T1-T3)/Q，代入散热量Q、热导组件表面温度T1、金属加热块温度T3，经运算后可得到该金属加热块与热导组件的接触热阻值RContact。
9.如权利要求1所述的热导组件导热性能的测量系统，其特征在于，该热导组件(10)为热管(10’)。
10.一种热导组件导热性能的筛选方法，应用于快速测量热导组件(10)的热传导性能，其特征包括下列步骤：
步骤一：将待测热导组件(10)的加热端(10a)固定于一加热模块(80)上，及另一散热端(10c)固定于一散热模块(90)上；
步骤二：对该加热模块(80)上的金属加热块(20)加热至特定温度并达稳定状态；
步骤三：停止加热，通过该热导组件(10)导热，以冷却该金属加热块(20)；
步骤四：测量并撷取该金属加热块(20)在冷却期间内的温度与时间对应值；
步骤五：求取金属加热块(20)在冷却期间的特定区间内的最大温度下降，进而求得仿真的散热量Q；
步骤六：再将该仿真的散热量Q与数据库比对，以对应出近似热管的最大功率值。
11.如权利要求10所述的热导组件导热性能的筛选方法，其特征在于，热导组件(10)为热管(10’)。
12.如权利要求11所述的热导组件导热性能的筛选方法，其特征在于，将从该金属加热块冷却期间测得的温度与时间对应值dT/dt、金属加热块的重量W、热容量Cp，代入热物理方程式Q＝W·Cp(dT/dt)运算，得到散热量Q。
13.如权利要求12所述的热导组件导热性能的筛选方法，其特征在于，将散热量Q、热导组件表面温度T1、金属加热块温度T3，代入热阻方程式RContact＝(T1-T3)/Q运算，得到该金属加热块与热导组件的接触热阻值RContact。
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| 水热管试验研究. 颜迪民等.科学通报，第22卷第10期. 1977 |
| 水热管试验研究. 颜迪民等.科学通报，第22卷第10期. 1977 * |
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