TW201710683A - 熱探針 - Google Patents

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Abstract

熱探針包括加熱器、冷卻器、溫測元件、熱傳導元件及處理器。加熱器用以加熱物體。冷卻器用以冷卻物體。溫測元件用以量測物體的溫升曲線及物體的溫降曲線。熱傳導元件用以傳導加熱器與物體之間的熱量。處理器用以根據溫升曲線及溫降曲線的至少一者，決定物體的熱特性。

Description

熱探針
本揭露是有關於一種具有溫測元件的熱探針。
雖然傳統穩態法熱導率量測技術雖然可準確、直接地量測熱導率；然而，所需的樣品大且達到熱平衡的量測時間通常需要耗費數小時，此並不符合成本效益。
因此，本揭露提出一種熱探針，具有縮短量測時間、降低量測誤差、操作簡易、樣品備製容易及/或量測範圍廣等優點。
根據本揭露之一實施例，提出一種熱探針。熱探針包括一加熱器、一冷卻器、一溫測元件、一熱傳導元件及一處理器。加熱器用以加熱一物體。冷卻器用以冷卻物體。溫測元件用以量測物體的一溫升曲線及物體的一溫降曲線。熱傳導元件用以傳導加熱器與物體之間的熱量。處理器用以根據溫升曲線及溫降曲線的至少一者，決定物體的一熱特性。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10‧‧‧物體
100‧‧‧熱探針
110‧‧‧插入部
120‧‧‧非插入部
130‧‧‧加熱器
135‧‧‧填充劑
140‧‧‧熱傳導元件
141‧‧‧第一部分
142‧‧‧第二部分
150‧‧‧溫測元件
160‧‧‧冷卻器
165‧‧‧電源供應器
170‧‧‧放大器
180‧‧‧處理器
190‧‧‧顯示器
C1‧‧‧熱導曲線
C2‧‧‧溫升曲線
C21‧‧‧初始暫態曲線
C211、C311‧‧‧端點
C22‧‧‧上升線性段
C221‧‧‧第一重疊曲線
C23‧‧‧穩態上升曲線
C3‧‧‧溫降曲線
C31‧‧‧初始穩態曲線
C32‧‧‧下降線性段
C321‧‧‧第二重疊曲線
C33‧‧‧暫態下降曲線
k1、k2、k3、k4‧‧‧熱導率
t0、t1、t2、ts、t3、t4、t5‧‧‧時間點
T1、、T2、T3、T4、‧‧‧溫度
Q‧‧‧單位長度熱量
第1圖繪示依照本揭露一實施例之熱探針的示意圖。
第2圖繪示第1圖之熱探針所量得之物體的溫升曲線及溫降曲線的示意圖。
第3圖繪示第2圖之溫升曲線及溫降曲線重疊的示意圖。
第1圖繪示依照本揭露一實施例之熱探針100的示意圖。熱探針100包括一插入部110、一非插入部120、一加熱器130、一填充劑135、一熱傳導元件140、一溫測元件150、一冷卻器160、一電源供應器165、一放大器170、一處理器180及一顯示器190。
插入部110可插入一物體10，用以量測物體10的一熱特性，如熱導率(thermal conductivity)。非插入部120連接插入部110，且當插入部110插入物體10內時，非插入部120位於物體10外部。
加熱器130例如是熱線(heat wire)。加熱器130可加熱物體10且用以量測物體10的熱特性。為了穩固加熱器130及熱傳導元件140，填充劑135可包覆加熱器130及熱傳導元件140。
在一實施例中，填充劑135以例如是低熱導率的材料形成，如環氧樹脂(epoxy)。雖然加熱器130被具有低熱導率的填充劑135包覆，加熱器130所產生的單位長度的熱量透過熱傳導元件140能有效率地傳導到物體10。
熱傳導元件140可均勻地且快速地傳導加熱器130與物體10之間的熱量。在本實施例中，熱傳導元件140例如是熱管(heat pipe)。熱 管具有一高熱導率，因此可均勻地傳導熱量到物體10。詳細地說，如第1圖所示，熱導曲線C1顯示從插入部110到物體的熱量呈一直線變化。
熱傳導元件140也可傳導物體10的熱量到溫測元件150，使溫測元件150可量測物體10的溫度，例如是暫態溫度(transient temperature)及/或穩態溫度(steady temperature)。此外，因為熱傳導元件140僅傳導但不吸收熱量，所測得的物體10的暫態平衡溫度可以更準確，即，利用熱傳導元件140提高熱探針100內的均溫性能力，同時將其量測物體10溫度的溫測元件150的位置移至熱傳導元件140頂部，可減少溫測元件150本身與填充物135之比熱的影響。在一實施例中，溫測元件150例如是熱電耦(thermocouple)、熱電調節器(thermistor)等。
此外，熱傳導元件140包括一第一部分141及一第二部分142。第一部分141設於插入部110內，而第二部分142設於非插入部120內。
溫測元件150鄰近熱傳導元件140設置。例如，溫測元件150鄰近熱傳導元件140的第二部分142設置。因為熱傳導元件140具有一高熱導率(例如，高至5000W/m-k)，因此傳導到熱傳導元件140的任一點的溫度係均勻的，因此溫測元件150量得的溫度能夠表示物體10的真實暫態平衡溫度。在本實施例中，溫測元件150可設於熱傳導元件140的一端。在另一實施例中，溫測元件150可設於熱傳導元件140的任一部位，例如是第一部分141的任一部位或第二部分142的任一部位。
冷卻器160可冷卻加熱器130，使物體10的溫度下降。物體10的下降溫度可由溫測元件150測得。在一實施例，冷卻器160例如是 熱電冷卻模組(thermoelectric cooling module,TEC)。
電源供應器165可受控於處理器180且可提供電力給加熱器130及冷卻器160。
放大器170可接收溫測元件150所量得的溫度的電壓訊號，並視需要而放大電壓訊號。然後，放大器170可傳輸放大後的電壓訊號給處理器180。
處理器180可處理放大後的電壓訊號，以獲得物體10的溫度。顯示器190可顯示物體10的溫度。
第2圖繪示第1圖之熱探針100所量得之物體10的溫升曲線C2及溫降曲線C3的示意圖。第2圖為溫度T與時間的半對數座標，其中的縱座標表示溫度(℃)，橫坐標表示對時間(秒)。加熱器130所產生的單位長度的熱量可於物體10內傳導。由於熱傳導，溫測元件150可量測物體10的溫升曲線C2。
如第2圖所示，溫升曲線C2包括一從時間點t0至t1的初始暫態曲線(initial transient curve)C21、一從時間點t1至t2的上升線性段C22及一從時間點t2至ts的穩態上升曲線C23。相較於省略熱傳導元件140的設計，本實施例之初始暫態曲線C21及穩態上升曲線C23係較短，且由於熱傳導元件140的高熱導率，上升線性段C22係較長。此外，因為加熱器130可均勻地且快速地傳導熱量，初始暫態曲線C21及穩態上升曲線C23可縮短，而上升線性段C22可增長。
處理器180可根據上升線性段C22的斜率，計算物體10的熱傳導率。
例如，如下式(1)所示，物體10的熱導率k1可由式(1)計算。在式(1)中，Q(W/m)表示加熱器130所產生的單位長度熱量，T2表示物體10在上升線性段C22之時間點t2的溫度、T1表示物體10在上升線性段C22之時間點t1的溫度。
因為物體10的熱導率可在穩態前獲得，使穩態上升曲線C23及/或初始暫態曲線C21可以縮短，熱導率的計算時間及所需量測時間可縮短。
當溫升曲線C2的斜率小於一預設值，如在時間點ts時約為0.5，表示溫升曲線C2到達穩態，因此處理器180可據以控制冷卻器160去冷卻物體10，且同時控制加熱器130停止加熱物體10。在另一實施例中，當溫升曲線C2的斜率變化小於一預設值，表示溫升曲線C2到達穩態，因此處理器180可據以控制冷卻器160去冷卻物體10，且同時控制加熱器130停止加熱物體10。
在一些實施例中，處理器180可使用例如是模擬技術，在一預設時間區間內，決定初始暫態曲線C21的區域、上升線性段C22的區域及穩態上升曲線C23的區域。在經過此預設時間區間後，處理器180控制加熱器130停止加熱物體10，且同時控制冷卻器160開始冷卻物體10，直到物體10的溫度t5回到初始溫度，如時間點t0時的溫度。
如第2圖所示，溫降曲線C3包括包括一從時間點ts至t3的初始穩態曲線(initial steady curve)C31、一從時間點t3至t4的下降線性段 C32及一從時間點t4至t5的暫態下降曲線C33。相較於省略熱傳導元件140的設計，本實施例之初始穩態曲線C31及暫態下降曲線C33係較短，且由於熱傳導元件140的高熱導率，下降線性段C32係較長。此外，因為加熱器130可均勻地且快速地傳導熱量，初始穩態曲線C31及暫態下降曲線C33可縮短，而下降線性段C32可增長。
處理器180可依據暫態下降曲線C33去計算物體10的熱導率。
例如，如下式(2)所示，物體10的熱導率k2可由式(2)計算。在式(2)中，T3表示物體10在下降線性段C32之時間點t3的溫度、T4表示物體10在下降線性段C32之時間點t4的溫度。
在一實施例中，物體10的熱導率k2可等於或不同於物體10的熱導率k1。若物體10的熱導率k2不同於物體10的熱導率k1，處理器180可計算熱導率k1與k2的平均值。
第3圖繪示第2圖之溫升曲線C2及溫降曲線C3重疊的示意圖。相較於第2圖，第3圖的溫降曲線C3位移而與溫升曲線C2重疊。例如，溫降曲線C3中對應時間點ts(繪示於第2圖)的端點C311可與溫升曲線C2中對應時間點t0的端點C211重疊。
處理器180可依據溫升曲線C2及溫降曲線C3決定物體10的熱特性。
舉例來說，如第3圖所示，處理器180可決定上升線性段 C22的一第一重疊曲線C221，其中第一重疊曲線C221與下降線性段C32重疊，並計算第一重疊曲線C221的斜率。詳細來說，從時間點t1至t4的第一重疊曲線C221與下降線性段C32重疊，且處理器180可計算第一重疊曲線C221的斜率。第一重疊曲線C221的斜率表示物體10的熱特性，如熱導率。
例如，如下式(3)所示，物體10的熱導率k3可由式(3)計算。在式(3)中，Q表示加熱器130所產生的單位長度熱量，表示物體10在第一重疊曲線C221中對應時間點t4的時間點(如第2圖所示)的溫度，而T1表示物體10在第一重疊曲線C221之時間點t1的溫度。
相似地，如第3圖所示，處理器18o可決定下降線性段C32的一第二重疊曲線C321，其中第二重疊曲線C321與上升線性段C22重疊，且計算第二重疊曲線C321的斜率。詳細地說，從時間點到時間點的第二重疊曲線C321與上升線性段C22重疊，且處理器180可計算第二重疊曲線C321的斜率。第二重疊曲線C321的斜率表示物體10的熱特性，如熱導率。
例如，如下式(4)所示，物體10的熱導率k4可由式(4)計算。在式(4)中，表示物體10在第二重疊曲線C321中對應時間點t 1的時間點(如第2及3圖所示)的溫度，而T 4表示物體10在第二重疊曲線C321之時間點t4的溫度。
因為第一重疊曲線C221及第二重疊曲線C321於上升線性段C22及下降線性段C32的線性區域重疊，因此熱導率k1及k2大致上相等。此外，因為上升線性段C22與下降線性段C32的重疊，可增加斜率的精確度，因此可增加物體10的熱導率。
綜上所述，雖然本揭露已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧物體
100‧‧‧熱探針
110‧‧‧插入部
120‧‧‧非插入部
130‧‧‧加熱器
135‧‧‧填充劑
140‧‧‧熱傳導元件
141‧‧‧第一部分
142‧‧‧第二部分
150‧‧‧溫測元件
160‧‧‧冷卻器
165‧‧‧電源供應器
170‧‧‧放大器
180‧‧‧處理器
190‧‧‧顯示器
C1‧‧‧熱導曲線

Claims (17)

  1. 一種熱探針，包括：一加熱器，用以加熱一物體；一冷卻器，用以冷卻該物體；一溫測元件，用以量測該物體的一溫升曲線及該物體的一溫降曲線；一熱傳導元件，用以傳導該加熱器與該物體之間的熱量；一處理器，用以根據該溫升曲線及該溫降曲線的至少一者，決定該物體的一熱特性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該熱傳導元件係一熱管(heat pipe)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該冷卻器係一熱電冷卻模組(thermoelectric cooling module,TEC)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫測元件係一熱電耦(thermocouple)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫測元件鄰近該熱傳導元件設置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一插入部，用以插入該物體；以及一非插入部，連接於該插入部；其中，該熱傳導元件的一部分設於該非插入部內，且該熱傳導元件的另一部分設於該插入部內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱探針，其中該溫測元件鄰近該非插入部設置。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫升曲線具有一上升線性段，該處理器用以計算該上升線性段的一斜率。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫降曲線具有一下降線性段，該處理器用以計算該下降線性段的一斜率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫升曲線具有一上升線性段，該溫降曲線具有一下降線性段，且該處理器用以決定該上升線性段的一第一重疊線段，且計算該第一重疊線段的一斜率，其中該第一重疊線段與該下降線性段重疊。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫升曲線具有一上升線性段，該溫降曲線具有一下降線性段，該處理器用 以決定該下降線性段的一第二重疊線段，且計算該第二重疊線段的一斜率，其中該第二重疊線段與該上升線性段重疊。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫升曲線具有一上升線性段，該溫降曲線具有一下降線性段，該處理器用以操作在：決定該上升線性段的一第一重疊線段，其中該第一重疊線段與該下降線性段重疊；決定該下降線性段的一第二重疊線段，其中該第二重疊線段與該上升線性段重疊；以及計算該第一重疊線段與該第二重疊線段的一平均斜率。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該處理器用以操作在：控制該冷卻器去冷卻該物體；以及當該溫升曲線的一斜率或一斜率變化量小於一預設值，控制該加熱器停止加熱該物體。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之熱探針，其中該處理器用以操作在：當該冷卻器開始冷卻該物體時，控制該加熱器停止加熱該物體。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括.一填充劑，包覆該熱傳導元件及該加熱器。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該熱特性係熱導率(thermal conductivity)。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該溫升曲線包括一初始暫態曲線、一上升線性段及一穩態上升曲線，該處理器用以操作在：在一預設時間區間內決定該初始暫態曲線的區域、該上升線性段的區域及該穩態上升曲線的區域；以及在加熱該物體的該預設時間區間經過後，控制該加熱器停止加熱該物體且同時控制該冷卻器開始冷卻該物體。
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