TWI277727B - Measuring system for heat conductance performance of heat conductance device - Google Patents

Description

/1277727 ， 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明係關於一種熱導元件導熱性能之量測系統及篩 - 選方法，特別地指一種應用於快速測量熱導元件（如：熱管、 - 均熱板、散熱片…等）之熱傳導性能，以達到熱導元件導熱 、 效能篩選之目的，能大幅減低人力與時間成本，並符合穩定 之再現性、解析度及可靠度之要求。 【發明背景】 • 隨著電子產品微小化及多功能化的趨勢，伴隨而來的是 對元件、系統所帶來的影響。因爲在有限空間中需容納更多 電晶體連帶地將產生遽增的熱量造成電子元件工作性能的 變動，故將成爲相關領域工程人員極大的挑戰。現行傳統之 系統散熱解決模式主要是將CPU或VGA等高發熱元件所產 生的熱，透過封裝表層將熱先導引至散熱片或高熱傳特性的 金屬塊，然後再透過熱導元件（如熱管、均熱板…等）的作 用將其傳導至排熱裝置上（如風扇、散熱片等）將熱排出，以 ® 維持高發熱元件於一定的工作溫度下運轉，是基本散熱模組 的設計理念。 而若當晶片走向尺寸細微化、功能整合化之際，單位面 積所產生的熱能若能經由高熱傳導性的熱管（Heat Pipe)，予 以快速的散佈在整個板片上，達到均勻分散並傳給與其接觸 的散熱片，使局部熱點所可能造成之元件不穩定性降至最 低，則可有效增強元件的可靠度及壽命。 由於熱管內的工作流體藉由液、氣相間的相變化（phase 1277727 change)吸收熱量，並以氣體分子傳輸熱量的方式，因而可 得到極高的熱傳導係數，具有相當好的傳熱效果。因此於模 - 組中，熱管的內部以相變化方式’快速傳輸CPU/GPU等高 - 發熱元件所產生的熱量，使模組透過更多突出的散熱片提供 . 較佳的熱交換途徑，透過風扇吹散於空氣中，一次就可把 CPU/GPU所產生的熱量帶走’大幅降低工作溫度，更可見其 散熱效率。因此，如何透過量測方式快速及有效的確保熱管 效能，實爲現今亟需硏發之一課題。 # 【先前技術】 傳統的熱導元件諸如熱管等之量測方式，大致上爲輸入 一固定功率所產生的熱量於熱管加熱端，當加熱端到達某一 設定溫度T1時（例如：70° C)，開始開啓散熱端的冷卻裝置 (通常可爲風扇或水套），再視其加熱端的溫度能否被冷卻 下來，並視熱管加熱端（T 1 )及散熱端（T2 )之間的溫度差 AT，以判定此支熱管的傳熱能力是否達到此輸入固定功率値 的要求。 # 此種量測方式，每次僅能得到熱管在一個特定加熱功率 下之傳熱效能値，每次量測約需時3至5分鐘；若要量測此 熱管的最大傳熱能力（Qmax )，則必須逐次加大加熱端的 輸入功率，直到加熱端的溫度無法被冷卻下來，此時即根據 前次量測的最高功率値，定爲此熱管之最大傳熱能力 (Qmax )。由於要得到Qmax値，由低功率至高功率的量測 一般平均需要5至6次方可得到Qmax値，也就是要測得一 支熱管的Qmax値，平均要花費15至30分鐘，甚至更久， /1277727 ^ 可謂相當費時。 上述的傳統量測方法尙有一模糊點，即冷卻端的冷卻方 * 式。一般而言，常使用風扇或水套做爲冷卻端的冷卻；至於 - 風扇的風量或水套的水量及溫度應如何決定，一般在量測時 - 並未明確定義，僅稱以能將加熱端冷卻之流量即可。因此， . 由實作中經常發現，在加熱端達到加熱的設定溫度T1時， 開始開啓冷卻端的散熱模組瞬間，若流量一下子開得太大， 可能導致熱導管發生乾涸（Dry out )現象，但若流量緩慢加 • 大’則熱導管不會發生乾涸，並且可以將加熱端的溫度冷卻 下來。由此可見，流量的控制會影響到其量測的結果，但一 支熱管的傳熱能力在相同操作條件下應該是相等的，所以要 得到精確的Qmax値，在流量的控管上就變得相當重要；但 目前的量測規範上，這部份並未嚴格定義。換言之，傳統的 量測方法不但耗費相當高的人力與時間成本，且其量測値之 再現性、解析度及可靠度不穩定，應用之參考價値低。 【發明內容】 ® 因鑑於習用熱導元件之量測方式已無法滿足現階段熱 導元件量化及可靠度之需求，故本發明之主要目的在於提供 一種熱導兀件導熱性能之量測系統，係應用於快速測量熱導 元件（如熱管、均熱板、散熱片…等）之熱傳導性能（如： 溫差delta-T、接觸熱阻R及最大熱傳量Qmax，…等），以 達快速量化及篩選之目的，並大幅節省人力與時間成本。 爲達成上述目的及其他目的，根據本發明熱導元件導熱 丨生此之量測系統，其包括：一加熱模組，位於待測熱導元件 1277727 之加熱端，該加熱模組包含有一金屬加熱塊，經由一加熱棒 可對該金屬加熱塊加熱；一散熱模組，位於待測熱導元件之 散熱端，藉由例如水套等溫差顯熱來冷卻散熱端；一溫度擷 取介面模組，用以對該金屬加熱塊量測及擷取溫度與時間之 對應値；一計算模組’將該溫度擷取介面模組之量測値經一 計算軟體演算出該金屬加熱塊最大溫度降之模擬散熱量 (Q)，並進一步與資料庫比對以對應出該熱導元件之最大 功率値。如此，利用設定該加熱端金屬加熱塊的溫度及散熱 端的水套溫度，使加熱端與散熱端間產生溫差並藉由熱導元 件例如熱管等來傳熱’並以此比較加熱塊冷卻的速度快慢， 可以判定熱管導熱能力的好壞。同時，藉由該加熱塊在實際 降溫過程中的熱量變化，可以得到相對的功率値，並藉此與 其最大功率値的參數換算，可以快速得到熱管的最大熱傳量 (Qmax 値）。 本發明另一目的在於提供一種熱導元件導熱性能之篩 選方法，配合上述量測系統在確認標準樣品的冷卻曲線（冷 卻速度）情形下，藉由冷卻曲線的應用，能達到熱管傳熱效 能篩選之目的。利用本發明熱導元件導熱性能之量測系統及 篩選方法，可大幅縮短量測的時間至1 - 3分鐘以內，相較於 目前業界之習知量測法，可大大減低人力與時間成本並達到 穩定之再現性、解析度及可靠度之要求。 【實施方式】 本發明熱導元件導熱性能之量測系統及篩選方法，係應 用於快速測量熱導元件諸如熱管、均熱板、散熱片···等之熱 1277727 為 • 傳導性能（如：溫差delta-T、接觸熱阻R及最大熱傳量 Q m a X，···等）以達快速量化及篩選之目的。以下實施例將 以待測物熱管1 〇 ’爲代表針對本發明技術特點作進一步地說 - 明，該實施例僅爲較佳的範例並非用來限定本發明之實施範 . 圍，謹藉由參考附圖結合下列詳細說明而獲致最好的理解。 首先請參考第1圖，爲本發明熱導元件導熱性能之量測 系統1之示意圖，基本上包括： 一待測之熱管1 〇’，依其熱傳方向可區分爲加熱端（區） • l〇a、絕熱端10b及散熱端10c等。 一加熱模組80,包括有一金屬加熱塊20位於該熱管10’ 之加熱端l〇a，其內部具有一加熱棒25用以對該金屬加熱塊 2 0加熱；一絕熱箱3 0，例如以電木等絕熱材料包覆在該金 屬加熱塊20之外部，以阻絕其熱量散逸於空氣中；及，一 絕熱加壓裝置3 0 ’，例如以電木等絕熱材料製成，可相對加 壓並覆蓋在該加熱端1 〇a之外表面上，以阻絕其熱量散逸於 空氣中。 • 一散熱模組90，包括一冷卻裝置40例如水套40等，位 於該熱導元件10之散熱端l〇c，及一冷卻加壓裝置40’例如 水套40 ’等，可相對加壓並搭貼在該散熱端1 0c表面上，藉 其溫差顯熱以冷卻該散熱端l〇c ;其中，該對水套40、40’ 之冷卻水藉由一個恆溫水槽70構成一循環。此外，熟習此 項技術者可以理解的是，可視不同熱管之設計及驗證，該散 熱模組90亦可以搭接於該熱管10’之絕熱端l〇b (如第1圖 所示）上。 mini 一溫度擷取介面模組50，用以擷取該金屬加熱塊20於 冷卻期間內隨時間變化之對應溫度値，其設計上可配合溫度 - 擷取卡或溫度記錄器來完成溫度與其對應時間之擷取功 ^ 能。及 . 一計算模組6 0，用以將該溫度擷取介面模組5 〇所擷取 的溫度與時間之對應曲線，經一計算軟體演算出該金屬加熱 塊最大溫度降之模擬散熱量（Q )。 根據本發明，該金屬加熱塊20,可爲銅、鋁、鋅等金屬， • 或任何具備高導熱能力（熱傳導値）和低熱容比之復合材 料，以確保金屬加熱塊於散熱冷卻過程中的均溫性；該金屬 加熱塊20較佳爲一梯形結構（誠如第1 a圖所示），能有效 增強傳熱效能使其達到均溫效果及防止熱流失。該梯形加熱 塊結構，除了錐頂部爲搭接面20a搭接在該熱管10’之加熱 端l〇a之外，其外周表面由絕熱材料構成之絕熱箱30所包 覆，並配合該絕熱加壓裝置30’以形成一個極佳之絕熱環 境。當該加熱模組80內之金屬加熱塊20於一固定輸入功率 • 下，受熱升溫至一特定溫度（例如：80 °C )並維持至穩態時， 記錄該熱管1〇’加熱端l〇a表面溫度T1與散熱端10c表面溫 度T2之溫差（ΔΤ )，作爲第一階段的功能判定（例如：AT< 3°C );接著停止加熱，並藉由散熱模組90來冷卻金屬加熱 塊20，此時熱管10’爲一良好之導熱元件。同時，經由該溫 度擷取介面模組50擷取該加熱模組80內之金屬加熱塊20 於冷卻期間內溫度T3與時間之對應値；接著，將溫度擷取 介面模組50所擷取的數値輸入該計算模組60，經過一軟體 -10- 1277727 運算後得到溫度與時間之對應曲線（如第3圖所示）。 根據本發明，該計算模組6 0係應用一發明人等自行開 ' 發之計算軟體，將所擷取的溫度與時間之對應曲線，配合熱 物理方程式Q = W.Cp.(dT/dt)代入金屬加熱塊20的重量 - (W )、熱容量（Cp )、以及溫度-時間之微分方程式，經 運算後可得到散熱量（Q )。再將散熱量（Q )、熱管表面 溫度T1、加熱塊溫度T3代入熱阻方程式RCQntaet= ( T1-T3) /Q ’可得到金屬加熱塊20與熱管1 〇之接觸熱阻値，以此可 § 作爲第二階段的功能判定（例如：RCQntaet<X値）。此時， 再經由計算軟體判斷特定區間內之最大溫度降（dT/dt )， 以求得模擬散熱量（Q)，作爲第三階段GO/NO GO的功能 判定（例如：Q>3 0 Watts)。進一步，將此模擬散熱量（Q) 可再與資料庫比對，而對應出近似熱管i 〇 ’之最大傳熱功率 値（Q m a X ) 〇 根據本發明，爲實施熱導元件導熱性能之篩選方法需配 合上述的量測系統，爲更清楚及系統化說明本發明之快速篩 II 選方法，謹請參考第2圖並說明如下： 首先，將待測熱管1 〇 ’之加熱端1 〇a固定於加熱模組80 上，及散熱端l〇c固定在散熱模組90上（如步驟一）。 接著，將該加熱模組80之金屬加熱塊20加熱至特定溫 度並達穩態（約1〜1 ·5分鐘）（如步驟二）° 停止加熱，並藉由該熱管10 ’來冷卻金屬加熱塊20(如 步驟三）。 於冷卻期間內，經由溫度擷取介面模組50測量並擷取 /1277727 該加熱塊20之溫度與時間的對應値（約0.5〜1分鐘）（如 步驟四）。 • 將該溫度擷取介面模組50所擷取的數値，經由該計算 - 模組60運算求得該金屬加熱塊20於冷卻期間之特定區間內 ， 之最大溫度降，進而求得模擬散熱量（Q )(如步驟五）。 ^ 將該模擬散熱量（Q )再與資料庫比對，以對應出近似 熱管1 〇’之最大傳熱能力値（Qmax )(如步驟六）。 根據本發明之量測方法乃依據熱管的特性，基於同類型 • 的熱管（指形狀、設計都一樣的熱管），在輸入功率高於某 一固定値時，其熱管的傳熱能力（Q )與其最大傳熱能力 (Qmax)有一比例關係。例如，A、B二支熱管，A管的Qmax 値是80W，B管的Qmax値是70W，分別附於固定熱容量的 加熱塊時，A管會比B管有較佳的傳熱能力，即A管會使加 熱塊較快冷卻（如第3圖所示）。 爲了實際比較習知的熱管性能量測方法與本發明之快 速量測方法之差異，遂利用本發明實施例進行以下實驗： • 分別以習知的量測方法與本發明實施例之量測方法測 量1 0支同類型的熱管，以驗證兩者所花費的時間與其餘差 異値，其測量結果列表如下（如表一所示）： 1277727 U型圓管 6x220 △T (T1-T2) 本發明方法量測 Qmax, mapping 本發明 量測時間 (分鐘） Qmax (傳統測試） 傳統量 測時間 (分鐘） Qmax 功率誤差 誤差率 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%

表1· 由表1之量測結果可明顯看出，本發明實施例之熱管性 能量測方法與習知的量測方法之最大熱傳量Qmax數據，其 誤差率均可維持在約5 %以內，而量測時間卻大幅縮短至3 分鐘內；此外，第3支熱管數據顯示以delta T做爲篩選方 法，可優先並有效篩選熱傳量不足的熱管。因此，本發明” 熱導元件導熱性能之量測系統及篩選方法”不但適用於熱管 之熱傳量篩選，且可大大減低人力與時間成本，並達到穩定 之再現性、解析度及可靠度之要求。 以上僅爲本發明代表說明的較佳實施例，並不侷限本發 1277727 明實施範圍，即不偏離本發明申請專利範圍所作之均等變化 與修飾，應仍屬本發明之涵蓋範圍。 t圖式簡單說明】 第1圖爲本發明熱導元件導熱性能之量測系統之實施例 示意圖。 第la圖爲本發明金屬加熱塊之立體示意圖。 第2圖本發明熱導元件導熱性能之篩選方法之流程方塊 圖。 第3圖係本發明熱導元件之導熱功能判定圖。 [主要元件符號說明】 1 ··· 本發明量測系統 1〇···熱導元件 1G’···熱管 1Ga···加熱端 1Gb···絕熱端 Wc···散熱端 20····金屬加熱塊 2〇a···搭接面 25 ..·加熱棒 30.. .·絕熱箱 30’ ...絕熱加壓裝置 40.. ..冷卻裝置/水套 40’...冷卻加壓裝置/水套 50.. ..溫度擷取介面模組 -14- 1277727 6 0... .計算模組 8 0... .加熱模組 90... .散熱模組

Claims (1)

1. ^1277727 肋日修(更)正替巍麗 第94 1 2 89 29號「熱導元件導熱性能之量測系統及篩選方 法」專利案 (2006年08月31日修正） 十、申請專利範圍： 1 · 一種熱導元件導熱性能之量測系統，係應用於快速測量熱 導元件（1 〇)之熱傳導性能，其特徵包括： 一待測之熱導元件（1 0)，一端爲加熱端（1 〇a)，另一端爲 散熱端（l〇c); 一加熱模組（80)，包含有一金屬加熱塊（20)位於該熱導 元件（10)之加熱端（l〇a)上，一加熱棒（2 5)可對該金屬加熱 塊（2 0)加熱至一預定溫度，及一絕熱加壓裝置（30，）可相對 加壓並覆蓋在該加熱端（10a)之表面上； 一散熱模組（9 0)，位於該熱導元件（10)之散熱端（10c)， 藉由一冷卻裝置（4 0)以冷卻該散熱端（10c)，及一冷卻加壓 裝置（40’）可相對加壓並搭接在該散熱端（1〇〇表面上； 一溫度擷取介面模組（50)，用以擷取該金屬加熱塊（20) 於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度値； 一計算模組（6〇)，將該溫度擷取介面模組（5〇)所擷取的 溫度與時間之對應曲線，經一計算軟體演算出該金屬加熱 塊最大溫度降之模擬散熱量（Q )。 2 .如申請專利範圍第1項之熱導元件導熱性能之量測系 統，其中該金屬加熱塊（2〇)選自銅、鋁、鋅等金屬中之一 、1277727 r~--一_. ^月以日修(¾正替換頁 種。 3.如申請專利範圍第2項之熱導元件導熱性能之量測系 統，其中該金屬加熱塊（20)爲一梯形結構，除了錐頂部爲 搭接面（2〇a)之外，其外周表面由絕熱材料構成之絕熱箱 (3〇)所包覆。 4·如申請專利範圍第3項之熱導元件導熱性能之量測系統， | 其中該絕熱材料爲電木。 5 ·如申請專利範圍第〗項之熱導元件導熱性能之量測系統， 其中絕熱加壓裝置（3 0，）由絕熱材料電木所構成。 6 ·如申請專利範圍第〗項之熱導元件導熱性能之量測系統， 其中該冷卻裝置（40)及冷卻加壓裝置（4〇，）爲一水套，兩者 之冷卻水經由一恆溫水槽（70)構成一循環。 7 ·如申請專利範圍第1項之熱導元件導熱性能之量測系統， 其中該計算軟體應用一熱物理方程式Q = w.Cp(dT/dt)， φ 代入金屬加熱塊的重量（W )、熱容量（Cp )、以及溫度 -時間之微分方程式，經運算後可得到散熱量（Q )。 8 ·如申請專利範圍第7項之熱導元件導熱性能之量測系統， 其中該計算軟體又應用一熱阻方程式RC()ntaet= ( T1-T3) /Q，代入散熱量（Q)、熱導元件表面溫度（T1)、金屬 加熱塊溫度（T3 )，經運算後可得到該金屬加熱塊與熱導 元件之接觸熱阻値（RC()ntaet)。 9 .如申請專利範圍第1項之熱導元件導熱性能之量測系統 1277727 其中該熱導元件（10)爲熱管（10’）。 1 0. —種熱導元件導熱性能之篩選方法，係應用於快速測量熱 導元件（1 〇)之熱傳導性能，其特徵包括下列步驟： 步驟一：將待測熱導元件（10)之加熱端（10a)固定於一加 熱模組（8〇)上，及另一散熱端（l〇c)固定於一散熱模組（90) 上； 步驟二：對該加熱模組（80)上之一金屬加熱塊（20)加熱 至特定溫度並達穩定狀態； 步驟三：停止加熱，藉由該熱導元件（10)導熱，以冷卻 該金屬加熱塊（20); 步驟四：測量並擷取該金屬加熱塊（20)於冷卻期間內之 溫度與時間對應値； 步驟五：求取金屬加熱塊（20)於冷卻期間之特定區間內 之最大溫度降，進而求得模擬之散熱量（Q ); 步驟六：再將該模擬之散熱量（q )與資料庫比對，以 對應出近似熱管之最大功率値。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之熱導元件導熱性能之篩選方 法’其中熱導元件（10)爲熱管（10，）。 12.如申請專利範圍第1 1項之熱導元件導熱性能之篩選方 法’其中將自該金屬加熱塊冷卻期間測得之溫度與時間對 應値（dT/dt )、金屬加熱塊的重量（W )、熱容量（Cp ) 等’經~熱物理方程式Q = W.Cp ( dT/dt )運算後可得到散 J277727 熱量（Q )。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之熱導元件導熱性能之篩選方 法，其中將散熱量（Q)、熱導元件表面溫度（T1)、金 屬加熱塊溫度（T3 )，經一熱阻方程式RCt)ntaet= ( T1-T3 ) /Q運算後可得到該金屬加熱塊與熱導元件之接觸熱阻値 C ^Contact) 〇