TWI718896B - 非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法，其係利用非接觸式的雷射加熱模組以及非接觸式的紅外溫度感測器，進行散熱元件(例如：微熱管、散熱片等)之各項熱性能參數的量測，諸如微熱管兩端溫度差及熱阻等，有別於習知技術是利用加熱水浴或銅塊進行微熱管加熱，以及利用接觸式溫度感測器進行微熱管的溫度量測，因此，本發明之量測裝置及方法可以對微熱管快速加熱，以及準確且即時性量測微熱管在特定加熱功率下的瞬時溫度變化，其響應時間快速，不受其他接觸物件之邊界影響及因接觸而造成微熱管之性能變化，故可提高量測結果的精準度，並大幅節省人力與時間成本。

Description

非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法

本發明是關於一種微熱管熱性能量測裝置及其方法，尤其是關於一種非接觸式且準確快速量測微熱管熱性能之量測裝置及其方法。

微熱管是利用工作介質在蒸發段汽化且在冷凝段液化的相變過程(即利用液體的蒸發潛熱和凝結潛熱)，使熱量得以快速傳導的高效傳熱元件。其具有高傳熱效率、優良的等溫性及熱流方向可逆性等優點，在電子冷卻、化學工業、動力機械、核電工業等方面得到了廣泛應用。

微熱管的熱性能測試主要著重於兩項參數： 熱阻值(R)以及蒸發段與冷凝段二者間溫度差(△T)。在提供一定的熱量傳輸下，可藉由該溫度差而獲知其熱阻值，進而評估微熱管的性能，然而，此兩項參數均屬間接測量，其計算仰賴於蒸發段及冷凝段溫度的精確測量。

目前微熱管的溫度測量大多為接觸式量測法，是將微熱管的蒸發段插入被加熱的衡溫液體或銅塊中，待微熱管溫度穩定後，通過溫度感測器(例如：熱電偶、電阻溫度感測器 (RTD)等)量測衡溫液體或銅塊與微熱管冷凝段二者間的溫度差，藉以評估微熱管的熱性能。就前述的習知量測方法而言，微熱管的加熱過程受制於銅塊的熱容量，因同一物體的質量愈大，其熱容量愈大，因此銅塊的質量大小會影響其熱容量，進而使微熱管的受熱反應產生遲滯現象，換句話說，習知方法每次僅可量測微熱管在單一特定加熱功率下的熱性能值，且接觸式的加熱方式需要較長時間來達到溫度平衡，方得計算出相對應的熱阻值(R)。此外，接觸式的溫度測量亦必須達到傳熱平衡，故其熱響應相對較慢，且大多文獻指出微熱管的溫度測量使用熱電偶或電阻溫度感測器，因涉及感測器的分佈與粘接，一部分能量會從這些感測器散失，針對這部分能量係難以估計。對於微熱管而言，因其尺寸小、溫度梯度變化敏感，因此這部分散失的能量對其影響尤為明顯。

如前所述，微熱管是一種快速傳導熱能的高效傳熱元件，其傳熱速度快，以目前現有技術無法快速且有效準確地量測出微熱管在加熱過程中的瞬間溫度差(△T)及相對應的熱阻值(R)，因此不能準確反映出微熱管的熱性能。鑒於此，為了保證微熱管運行時的可靠性及充分發揮其傳熱性能，實有必要研發一種非接觸式且準確快速地量測微熱管各項熱性能參數的量測裝置與方法，該熱性能參數包括微熱管兩端溫度差、啟動時間、最大傳熱量及熱阻等，並據此參數選擇合適的微熱管。

本發明之一目的係提供一種非接觸式微熱管熱性能量測裝置，主要係利用雷射加熱模組以及紅外溫度感測器，進行微熱管各項熱性能參數的量測，例如：微熱管兩端溫度差、啟動時間、最大傳熱量及熱阻等，有別於目前習知技術是利用加熱水浴或銅塊進行微熱管加熱，以及利用接觸式溫度感測器進行微熱管的溫度量測，因此，本發明之量測裝置可以準確且快速地量測微熱管在特定加熱功率下的瞬時溫度變化，其響應時間快速，且以線性量化的方式進行溫度量測，可提高量測結果的精準度，並大幅節省人力與時間成本。

為達上述目的，依本發明之一實施方式，提供一種非接觸式微熱管熱性能量測裝置，包括：一工作平台、複數個位置調整基座、一待測導熱元件、一乘載裝置、一雷射加熱模組、一冷卻模組、一溫度擷取模組以及一計算機模組。

待測導熱元件之一端為蒸發段，另一端為冷凝段，中間為絕熱段；複數個位置調整基座係設置於工作平台上，各該位置調整基座包括一調整座以及一設置於調整座上的移動模組，其中，乘載裝置、雷射加熱模組、冷卻模組及溫度擷取模組是分別設置在各該位置調整基座上；乘載裝置係用以乘載該待測導熱元件之絕熱段；雷射加熱模組主要用來提供一可調整式功率之雷射，該雷射係投射於該待測導熱元件之蒸發段上，藉此對蒸發段進行加熱，達到預定的測試溫度；冷卻模組係用以冷卻該待測導熱元件之冷凝段，包括一風扇裝置及一中空柱體，該風扇裝置與該中空柱體相連通，其中，該中空柱體設置有一位於該中空柱體之一外側面的通孔及一位於與該外側面相鄰之另一外側面的溫度探測孔，該冷凝段穿設於該通孔而設置在該中空柱體內；溫度擷取模組包括一第一紅外溫度感測器及一第二紅外溫度感測器，該第一紅外溫度感測器係用以擷取該蒸發段於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，該第二紅外溫度感測器係用以擷取該冷凝段於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值；以及計算機模組，將該溫度擷取模組所擷取的溫度與時間之對應曲線，經一計算軟體演算出該待測導熱元件之熱性能參數。

在本發明之一實施例中，其中該待測導熱元件係一微熱管。

在本發明之一實施例中，其中該移動模組包括一X軸運動載座、一Y軸運動載座、一Z軸運動載座、複數個移動桿以及複數個固定元件，其中，該Y軸運動載座係設置在該X軸運動載座上，各該移動桿之一端係固定在該Y軸運動載座上，各該移動桿之另一端係穿設在該Z軸運動載座，該X軸運動載座及該Y軸運動載座均具有至少一溝槽，該溝槽是用以容置各該固定元件。

在本發明之一實施例中，其中該溫度擷取模組更包括一第一訊號放大器，用以放大該第一紅外溫度感測器所擷取的溫度訊號。

在本發明之一實施例中，其中該溫度擷取模組更包括一第二訊號放大器，用以放大該第二紅外溫度感測器所擷取的溫度訊號。

在本發明之一實施例中，其中該非接觸式微熱管熱性能量測裝置進一步包括一資料擷取裝置，用以數位化該溫度擷取模組所擷取的溫度訊號。

本發明之另一目的係提供一種非接觸式微熱管熱性能量測方法，配合本發明的量測裝置進行量測，包括以下步驟： 步驟一：將一待測導熱元件之絕熱段安置於一承載裝置上，並使該待測導熱元件之冷凝段安置於一冷卻模組中，且該待測導熱元件之蒸發段相對位於一雷射加熱模組之雷射投射光路上； 步驟二：啟動該冷卻模組，藉由該冷卻模組之一風扇裝置對該冷凝段進行冷卻； 步驟三：啟動該雷射加熱模組，提供一特定加熱功率之雷射，對該蒸發段進行加熱； 步驟四：藉由一溫度擷取模組量測並擷取該蒸發段於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，以及該冷凝段於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值；以及 步驟五：藉由一計算機模組計算出該待測導熱元件之熱性能參數。

在本發明之一實施例中，其中該熱性能參數是該待測導熱元件兩端之溫度差、視熱傳導係數或熱阻值。

承上所述，根據本發明所揭露之非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法，主要是利用雷射加熱模組透過脈衝寬度調變技術來控制輸出功率，可快速改變加熱功率，實現不同熱流密度下微熱管熱性能的研究，且非接觸式加熱可在短時間內達到熱平衡。此外，本發明透過紅外溫度感測器來進行待測導熱元件之溫度量測，特別是針對微熱管的溫度量測，其不需要接觸到微熱管表面，因此能夠減小微熱管受被測溫度場的影響，具有測溫精準度高和熱惰性小的特點。本發明所揭露之非接觸式量測方法係有別於習知的接觸式量測方法，接觸式測量其響應相對較慢，有訊號遲滯的現象；但非接觸式測量的熱響應較快，並可量測單位時間之瞬時溫度，具有良好的動態測量特性，能夠準確地反應微熱管的溫升過程。

關於本發明其他附加的特徵與優點，此領域之熟習技術人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可根據本案實施方法中所揭露之非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法做些許的更動與潤飾而得到。

本文所使用的術語僅是出於描述特定實施例的目的，並非在限制本發明的範圍，例如：本文所使用的單數形式「一」和/或「該」亦包括複數形式，除非上下文另有明確指出其為單數形式；「包括」和/或「包含」係在說明存在所述特徵、步驟、操作、元件和/或組件，並不排除存在或一個或多個其他特徵、步驟、操作、元件和/或組件的添加。此外，術語「第一」、「第二」等序數詞之使用，其本身未暗示任何重要性、優先次序、各元件之間之先後次序、或方法所執行之步驟之次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)之不同元件。

本文中所指的微熱管，亦可稱為熱導管或熱管，係指一種具有快速均溫特性的特殊材料，其中空的金屬管體，使其具有質輕的特點，更重要的是其快速均溫的特性，使其具有優異的熱傳導性能。微熱管基本上是一內含作動流體之封閉腔體，藉由腔體內作動流體持續循環的液汽二相變化，以及汽體與液體於蒸發段及冷凝段之間汽往液返的對流，使腔體表面呈現快速均溫的特性而達到傳熱的目的。此外，微熱管依液相迴流方式可分為虹吸式熱管及蕊心式熱管。

本文中所指的熱性能，係指一般用來評估微熱管是否具有良好熱傳導性能的各項參數，包括但不限於微熱管之兩端溫度差、最大傳熱量、視熱傳導係數及熱阻等。

為使本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。注意的是，本章節所敘述的是實施本發明之最佳方式，目的在於說明本發明之精神而非用以限定本發明之保護範圍。

本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置，主要係利用非接觸式雷射加熱模組以及非接觸式紅外溫度感測器，進行散熱元件(例如：微熱管、散熱片等)之各項熱性能參數的量測，諸如微熱管兩端溫度差、啟動時間、最大傳熱量及熱阻等，有別於習知技術是利用加熱水浴或銅塊進行微熱管加熱，以及利用接觸式溫度感測器進行微熱管的溫度量測，因此，本發明之量測裝置可以準確且快速地量測微熱管在特定加熱功率下的瞬時溫度變化，其響應時間快速，且以線性量化的方式進行溫度量測，可提高量測結果的精準度，並大幅節省人力與時間成本。

在實際操作前，為確保微熱管熱性能量測的精準度，量測前將進行例行性的校正工作，主要包括待測導熱元件的發射率(Emissivity)校正以及溫度擷取模組的溫度量測校正。

首先進行待測導熱元件的發射率校正，在本實施例中，該待測導熱元件是微熱管，將微熱管表面均勻地噴上黑色平光塗料，之後利用分光光度計量測經黑色平光塗料處理過之微熱管的發射率，確認每個微熱管的發射率是介於0.95~0.99，且各個微熱管所量測出的發射率，其彼此間的誤差值不大於2%，俾以確保其發射率之一致性。

接著進行溫度擷取模組的溫度量測校正，在本實施例中，溫度擷取模組包括第一紅外溫度感測器及第二紅外溫度感測器，其中，第一紅外溫度感測器主要是用來量測微熱管蒸發段的溫度，第二紅外溫度感測器主要是用來量測微熱管冷凝段的溫度，為了確保第一紅外溫度感測器及第二紅外溫度感測器可以正確量測出微熱管的溫度，因此進行溫度量測校正： 在已完成發射率校正的微熱管其中一側的兩端分別接上熱電偶，同時在微熱管另一測的兩端分別架設第一紅外溫度感測器及第二紅外溫度感測器，如此一來，可以利用熱電偶以及紅外溫度感測器同步量測微熱管的受熱溫度；接著藉由雷射加熱模組提供一固定功率的雷射，對微熱管任一側的中間位置進行加熱，經數分鐘後，使微熱管達到熱平衡，紀錄熱電偶以及紅外溫度感測器在微熱管兩端所量測到的受熱溫度，二者所量測的溫度誤差值不大於5%。

在完成微熱管的發射率校正以及紅外溫度感測器的溫度量測校正後，現在請一併參照所附圖式，針對本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法的各實施例作詳細說明如下。然而需特別注意的是，不論是微熱管的發射率校正或是溫度感測器的溫度量測校正，此類校正工作均是本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解的試驗前例行性作業，並非用來限制本發明所欲請求的範圍。

圖1是本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置之立體示意圖，圖2是本發明之冷卻模組之立體示意圖。

首先請參照圖1，依本發明之一實施方式，提供一種非接觸式微熱管熱性能量測裝置，包括：一工作平台100、複數個位置調整基座7、一待測導熱元件1、一乘載裝置2、一雷射加熱模組3、一冷卻模組4、一溫度擷取模組5以及一計算機模組6。

待測導熱元件1，其可以是任何一種具有快速均溫特性的熱傳導元件，在本實施例中係一微熱管，依其熱傳導方向可區分為蒸發段11a、絕熱段11b及冷凝段11c。微熱管1的蒸發段11a通常是接觸熱源的位置，藉此可將熱傳導至冷凝段11c，藉由其腔體內作動流體持續地進行液汽二相變化，以及汽體與液體於蒸發段11a及冷凝段11c之間汽往液返的對流，使微熱管表面呈現快速均溫的特性而達到傳熱的目的。實際操作時，複數個位置調整基座7係設置於工作平台100上，各該位置調整基座7包括一調整座71以及一設置於調整座71上的移動模組72，其主要是用來調整設置在工作平台100上之模組或裝置的彼此相對位置，在本實施例中，各該位置調整基座7主要是用來分別調整承載裝置2、雷射加熱模組3、冷卻模組4及溫度擷取模組5彼此間的相對工作位置。微熱管1的表面先經黑色平光塗料處理，接著將其安置在承載裝置2上，承載裝置2可以是任何具有承載功能的裝置，可以是夾持治具、擺動式夾具等，但不以此為限。微熱管1的較佳安置方式為將其絕熱段11b的部份安置在承載裝置2上，並使其蒸發段11a相對位於雷射加熱模組3的前方，亦即位於雷射加熱模組3所發射出的雷射31光路上，而其冷凝段11c則是位於冷卻模組4的中空柱體42內。

雷射加熱模組3主要是用來提供可調整式功率之雷射31，雷射31係投射於微熱管1之蒸發段11a上，可對蒸發段11a加熱至一預定溫度。值得注意的是，本發明所使用的雷射加熱模組3是利用脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)技術來控制輸出功率，其可將類比訊號轉換為脈波，因此，透過脈衝寬度的調變，能夠將類比訊號轉換成相同頻率(Frequency)且不同工作週期(Duty cycle)的脈波，進而快速改變輸出加熱功率，藉此提供不同熱流密度來進行微熱管的熱性能測試。

關於脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)技術，具體上而言，一個脈衝寬度調變訊號包含了兩個主要的參數：工作週期(Duty cycle)與頻率(Frequency)。工作週期所描述的是訊號中邏輯高準位所占的時間與完成一個訊號週期的比例，而頻率則是表示這個脈衝寬度調變訊號能多快完成一個工作周期，也就是在高低狀態之間切換的速率。藉由在一定速率的數位訊號高低變化，搭配特定的工作週期，使得輸出給雷射加熱模組3的加熱功率會呈現一特定電壓的類比訊號。

在本實施例中，透過脈衝寬度調變，雷射加熱模組3可將一個具有邏輯高準位(例如：5伏特)與邏輯低準位(例如：0伏特)的數位訊號產生一個3伏特的訊號，亦即是利用脈衝寬度調變的方式定義一個工作週期為60%的5伏特訊號，因為在一般情況下的數位訊號頻率夠高，因此實際上輸出的訊號電壓則是該工作周期內的平均電壓，換句話說，該平均電壓是透過高準位的電壓乘上該工作週期而產生的(即5 x 0.6 = 3伏特)。在其他的實際操作情況下，亦可利用脈衝寬度調變的方式定義一個工作週期為80%的5伏特訊號，則其輸出的平均電壓為4 伏特，而工作週期為20%的5伏特訊號，其輸出的平均電壓為1 伏特，以此類推可快速改變輸出的加熱功率。

因此，相較於習知技術係利用加熱水浴或銅塊來進行微熱管加熱，本實施例所採用的雷射加熱模組加熱手段具有兩項好處： 1. 非接觸式的加熱方式： 利用雷射投射於微熱管之蒸發段上，提供可調整式功率將其加熱至一預定溫度，因不需與微熱管相互接觸，因此加熱速率快，不像接觸式的銅塊加熱方式，加熱過程受制於銅塊的熱容量，需要較長時間才能與微熱管達到熱平衡。 2. 快速提供不同熱流密度： 利用脈衝寬度調變技術即時提供不同的加熱功率，可以快速提供不同熱流密度來進行微熱管的熱性能測試。

冷卻模組4主要是用來冷卻加熱後的微熱管1，其中，冷卻模組4的立體示意圖如圖2所示，其包括風扇裝置41以及中空柱體42，中空柱體42是安置在位置調整基座7上，而風扇裝置41是設置在中空柱體42遠離該位置調整基座7的一端，且風扇裝置41及中空柱體42是相互連通，如此一來，當風扇裝置41運作時，風量可直接吹入中空柱體42內，對微熱管1的冷凝段11c進行冷卻。此外，中空柱體42具有一位於中空柱體42之一外側面的通孔421以及一位於與該外側面相鄰之另一外側面的溫度探測孔422，微熱管1的冷凝段11c可穿過通孔421而容置在中空柱體42內，值得注意的是，冷凝段11c位在中空柱體42內的垂直高度是與溫度探測孔422的高度相同。

再者，本實施例的溫度擷取模組5，係屬於非接觸式的溫度感測裝置，其包括一第一紅外溫度感測器51及一第二紅外溫度感測器52，第一紅外溫度感測器51主要是用以擷取微熱管1之蒸發段11a在加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，第二紅外溫度感測器52則是用以擷取微熱管1之冷凝段11c在冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值。另一較佳的實施方式，溫度擷取模組5進一步包括一第一訊號放大器(圖1未示)以及第二訊號放大器(圖1未示)，分別是用以放大第一紅外溫度感測器51所擷取的溫度訊號，以及第二紅外溫度感測器52所擷取的溫度訊號。

計算機模組6，主要是將溫度擷取模組5所擷取的溫度與時間之對應曲線，經一計算軟體演算出微熱管的熱性能參數，例如熱阻值(R)。

在一較佳實施方式中，非接觸式微熱管熱性能量測裝置可進一步包括一資料擷取(Data Acquisition, DAQ)裝置(圖1未示)，此裝置係藉由計算機模組6的可程式化軟體加以控制，可將溫度擷取模組5所擷取的溫度與時間訊號數位化，並進一步處理、呈現、儲存所測得的資料，例如： 加熱功率-時間-溫度變化曲線。

為了進一步詳細說明如何利用本發明之量測裝置來量測微熱管之熱性能，請再一併參照圖4，其是本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置之訊號控制方塊圖。

依據本發明，先將微熱管1之絕熱段11b放置在承載裝置2上，同時確認其蒸發段11a的位置係位在雷射加熱模組3所投射之雷射31光路上，而冷凝段11c的位置係穿過冷卻模組4的通孔421而容置在中空柱體42內，值得注意的是，冷凝段11c位在中空柱體42內的垂直高度是與溫度探測孔422的高度相同。實際操作時，乘載裝置2、雷射加熱模組3及冷卻模組4是分別設置在位置調整基座7上，因此可利用位置調整基座7來各別調整乘載裝置2、雷射加熱模組3及冷卻模組4的位置，三者配合調整彼此間的相對工作位置，進而確保微熱管1的蒸發段11a是位在雷射加熱模組3所投射之雷射31光路上，同時冷凝段11c是位在中空柱體42內，且其在中空柱體42內的垂直高度是與溫度探測孔422的高度相同。

另外，關於本發明的位置調整基座7，如圖3所示，其是本發明之位置調整基座的立體示意圖，位置調整基座7包括一調整座71以及一設置在調整座71上之移動模組72，其中，調整座71是設置在工作平台100上，移動模組72包括一X軸運動載座721、一Y軸運動載座722、一Z軸運動載座723、複數個移動桿725以及複數個固定元件724，X軸運動載座721係設置在調整座71上，其可沿著相對於調整座71的X軸方向進行移動，Y軸運動載座722係設置在X軸運動載座721上，其可沿著相對於調整座71的Y軸方向進行移動，移動桿725的一端係固定在Y軸運動載座722上，另一端係穿設在Z軸運動載座723，如此一來，Z軸運動載座723可以透過移動桿725而沿著相對於調整座71的Z軸方向進行移動。此外，X軸運動載座721及Y軸運動載座722分別具有至少一溝槽7211、7221，該溝槽7211、7221主要是用來容置固定元件724，當X軸運動載座721及Y軸運動載座722移動到適當的工作位置後，可利用固定元件724將運動載座721、722進行固定。在本實施例中，71調整座也可以設計成能夠在工作平台100上進行XY二維或XYZ三維移動的模式，整體上而言，藉由調整座71及移動模組72彼此間的相對移動，得以因應各種不同尺寸(例如:長度、寬度、曲度等)的微熱管1，進而微調承載裝置2、雷射加熱模組3及冷卻模組4的相對工作位置，使微熱管1得以位於最佳的量測位置。

接著，進一步確認第一紅外溫度感測器51及第二紅外溫度感測器52在工作平台100上的位置，第一紅外溫度感測器51及第二紅外溫度感測器52是分別設置在位置調整基座7上，如前所述，位置調整基座7是一種XYX三維移動式的調整基座，因此可利用位置調整基座7分別調整第一紅外溫度感測器51及第二紅外溫度感測器52在工作平台100上的位置， 確保第一紅外溫度感測器51及第二紅外溫度感測器52的位置係分別對齊微熱管1的蒸發段11a與冷凝段11c，使紅外溫度感測器51、52的雷射指示光點分別投射在微熱管1的蒸發段11a與冷凝段11c上。另需特別注意的是，第二紅外溫度感測器52的雷射指示光點需穿過冷卻模組4的溫度探測孔422而投射在冷凝段11c之表面上，確保其未受到物理屏障的干擾而影響溫度量測。根據一較佳實施方式，溫度探測孔422的孔洞寬度是略小於中空柱體42的任一外側面的寬度(如圖2所示)，如此一來，當微熱管1的冷凝段11c位於中空柱體42內時，第二紅外溫度感測器52的雷射指示光點可以投射到冷凝段11c在中空柱體42內的任一表面區域，進而量測出各個區域的表面溫度。

當實際操作本裝置時，啟動雷射加熱模組3以及冷卻模組4，雷射加熱模組3係與計算機模組6電性連接，由計算機模組6提供指令給雷射加熱模組3，透過脈衝寬度調變(PWM)技術可快速改變控制雷射加熱模組3所輸出雷射31之加熱功率，雷射31主要是投射於微熱管1之蒸發段11a上，可對蒸發段11a進行加熱，同時藉由冷卻模組4的風扇裝置41對微熱管1的冷凝段11c進行送風冷卻。本發明的風扇裝置41其冷卻能力是設定大於微熱管1的最大導熱能力，因此依據實際的測試需求，可機動性地調整雷射加熱模組3的加熱功率，搭配調整風扇裝置41的冷卻效能，進而模擬微熱管1在不同加熱功率(即熱流密度)下的導熱情況。接著，透過溫度擷取模組5來即時量測微熱管1之蒸發段11a的表面加熱溫度以及冷凝段11c的表面冷卻溫度，其中，第一紅外溫度感測器51係用以擷取蒸發段11a於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，第二紅外溫度感測器52係用以擷取冷凝段11c於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值。

當溫度擷取模組5量測到微熱管1在加熱及冷卻期間內的隨時間變化之對應溫度值後，接著透過第一訊號放大器將第一紅外溫度感測器51所擷取的溫度訊號放大，以及第二訊號放大器將第二紅外溫度感測器52所擷取的溫度訊號放大，再傳輸給資料擷取(DAQ)裝置，此裝置係藉由計算機模組6的可程式化軟體加以控制，可將溫度擷取模組5所擷取的溫度與時間訊號數位化，接著透過計算機模組6的軟體運算後得到加熱功率-時間-溫度變化對應曲線，進而得知微熱管1的熱性能參數。

本發明的另一目的是提供一種非接觸式微熱管熱性能量測方法，為了更清楚說明本發明的量測方法，請參照圖5，其為非接觸式微熱管熱性能量測方法之流程圖。在實施本發明之熱性能量測方法時，需搭配上述所揭露的量測裝置，其包括：一工作平台100、複數個位置調整基座7、一待測導熱元件1、一乘載裝置2、一雷射加熱模組3、一冷卻模組4、一溫度擷取模組5以及一計算機模組6。

本發明之非接觸式微熱管熱性能量測方法的步驟說明如下。在本實施例中，待測導熱元件1係一微熱管。步驟一110：首先，將微熱管1的絕熱段11b安置在承載裝置2上，利用位置調整基座7來分別調整承載裝置2、雷射加熱模組3及冷卻模組4在工作平台100上的相對工作位置，使微熱管1的冷凝段11a安置於冷卻模組4中，且蒸發段11c相對位於雷射加熱模組3之雷射31投射光路上；步驟二120：啟動冷卻模組4，藉由冷卻模組4之風扇裝置41對微熱管1的冷凝段11c進行冷卻；步驟三130：接著，啟動雷射加熱模組3，提供特定加熱功率之雷射31，對微熱管1的蒸發段11a進行加熱；步驟四140：藉由溫度擷取模組5量測並擷取微熱管1的蒸發段11a於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，以及微熱管1的冷凝段11c於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值；步驟五150：將步驟四140所擷取的數值提供予計算機模組6，透過其軟體運算後得到加熱功率-時間-溫度變化對應曲線，進而得知微熱管1的熱性能參數。

為了實際確認本發明之非接觸式微熱管熱性能量測方法可以快速量測微熱管的單位時間之瞬時溫度變化值，進而測量出微熱管的兩端溫差(ΔT)、熱阻值(R)，遂利用本發明實施例進行以下實驗，分別量測微熱管在不同加熱功率(即熱流密度)下的瞬時時間-溫度變化值，其量測條件與結果如下表一所示：

量測條件設定如下： 待測物：微熱管 雷射加熱功率：5W及10W 提供加熱功率之起始時間：第30.5秒 功率調整週期：每60秒 溫度量測週期：每0.5秒 [表一]

量測時間點t (s)	加熱功率Q (W)	蒸發段溫度Th (℃)	冷凝段溫度Tc (℃)	溫差ΔT (℃)	瞬時熱阻值R inst(℃/W )	5秒之平均熱阻值R avg(℃/W )*	變動率 (%)
第1秒	0	18.5	18.5	0.0	N/A	N/A	N/A
第30.5秒	5	18.6	18.5	0.1	0.027	0.322	91.6
第31秒	5	19.1	18.5	0.6	0.129	0.322	59.9
第32秒	5	20.2	19.0	1.2	0.243	0.322	24.5
第33秒	5	21.2	19.2	2.0	0.400	0.322	24.2
第34秒	5	22.4	20.0	2.4	0.478	0.322	48.4
第35秒	5	23.4	20.4	3.0	0.599	0.619	3.2
第37秒	5	25.3	22.1	3.2	0.627	0.619	1.3
第40秒	5	27.8	25.0	2.8	0.565	0.571	1.1
第42秒	5	29.8	26.8	3.0	0.589	0.571	3.2
第45秒	5	31.6	29.2	2.4	0.482	0.469	2.8
第47秒	5	32.5	30.2	2.3	0.458	0.469	2.3
第50秒	5	34.1	32.0	2.1	0.420	0.435	3.4
第52秒	5	35.3	33.0	2.3	0.460	0.435	5.7
第55秒	5	36.7	34.7	2.0	0.400	0.389	2.8
第57秒	5	37.6	35.5	2.1	0.420	0.389	8.0
第60秒	5	38.4	36.7	1.7	0.323	0.364	11.3
第62秒	5	39.1	37.2	1.9	0.388	0.364	6.6
第65秒	5	39.9	38.1	1.8	0.352	0.373	5.6
第67秒	5	40.7	38.6	2.1	0.412	0.373	10.5
第70秒	5	41.5	39.4	2.1	0.410	0.346	18.5
第72秒	5	41.7	40.1	1.6	0.333	0.346	3.8
第75秒	5	42.3	40.6	1.7	0.330	0.339	2.7
第77秒	5	42.3	40.8	1.5	0.298	0.339	12.1
第80秒	5	42.9	41.1	1.8	0.343	0.339	1.2
第82秒	5	43.3	41.5	1.8	0.371	0.339	9.4
第85秒	5	43.6	41.8	1.8	0.370	0.320	15.6
第87秒	5	43.8	42.1	1.7	0.342	0.320	6.9
第90秒	5	43.8	42.2	1.6	0.318	0.320	0.6
第91秒	10	44.3	42.4	1.9	0.191	0.204	6.4
第93秒	10	45.5	43.6	1.9	0.198	0.204	2.9
第95秒	10	46.9	45.2	1.7	0.170	0.190	10.5
第97秒	10	48.7	46.7	2.0	0.201	0.190	5.8
第100秒	10	50.8	49.1	1.7	0.175	0.173	1.2
第102秒	10	52.1	50.4	1.7	0.168	0.173	2.9
第105秒	10	53.8	52.1	1.7	0.171	0.166	3.0
第107秒	10	54.9	53.3	1.6	0.164	0.166	1.2
第110秒	10	56.4	54.7	1.7	0.172	0.155	11.0
第112秒	10	56.9	55.5	1.4	0.148	0.155	4.5
第115秒	10	57.9	56.3	1.6	0.157	0.153	2.6
第117秒	10	58.6	57.1	1.5	0.151	0.153	1.3
第120秒	10	59.4	58.0	1.4	0.143	0.154	7.1
第122秒	10	60.1	58.3	1.8	0.180	0.154	16.9
第125秒	10	60.6	59.3	1.3	0.138	0.139	0.7
第127秒	10	61.2	59.6	1.6	0.157	0.139	12.9
第130秒	10	61.5	60.2	1.3	0.132	0.143	7.7
第132秒	10	62.1	60.3	1.8	0.176	0.143	23.1
第135秒	10	62.1	60.5	1.6	0.165	0.146	13.0
第137秒	10	62.5	61.0	1.5	0.143	0.146	2.1
第140秒	10	62.6	61.2	1.4	0.142	0.152	6.6
第142秒	10	62.9	61.4	1.5	0.144	0.152	5.3
第145秒	10	63.2	61.6	1.6	0.166	0.147	12.9
第147秒	10	63.4	62.0	1.4	0.134	0.147	8.8
第150秒	10	63.5	62.0	1.5	0.144	0.147	2.0

*本實驗是以每0.5秒進行溫度量測，因此5秒內可截取10個微熱管之溫度值。

表一所使用之代表符號定義如下： 加熱功率(Q)：雷射加熱模組所提供之特定功率值。 蒸發段溫度(Th)：第一紅外溫度感測器所量測到微熱管的蒸發段於加熱期間內之單位時間之對應溫度值。 冷凝段溫度(Tc)： 第二紅外溫度感測器所量測到微熱管的冷凝段於冷卻期間內之單位時間之對應溫度值。 溫差(ΔT)：蒸發段溫度(Th)與冷凝段溫度(Tc)之差值，即ΔT = Th - Tc。 熱阻值(R)：用以評估微熱管的熱性能參數之一，即R = ΔT / Q。 瞬時熱阻值(R _inst)：微熱管在量測週期之時間下所測得之熱阻值，即R _inst= R1、R2、R3….Rn。 5秒之平均熱阻值(R _avg)：以5秒作為一間距，將該間距內所量測出之微熱管的各瞬時熱阻值加總後取平均值得之，以每0.5秒進行溫度量測，5秒內可截取10個微熱管之瞬時熱阻值，即R _avg= (R1+R2+R3+R4+…+R10)/10。 變動率(以絕對值表示)：瞬時熱阻值(R _inst)與平均熱阻值(R _avg)之差異比率，即(∣R _inst- R _avg∣ / R _avg) x 100%

由表一可得知，本發明所揭露之熱性能量測方法可量測微熱管在特定加熱功率下之瞬時熱阻值，在本實施例中，分別提供5W及10W的加熱功率，並以每0.5秒進行微熱管之蒸發段以及冷凝段的瞬時溫度擷取，並計算出該瞬時熱阻值。因量測數據資料繁多，茲以上述表一簡化呈現部分量測結果，而完整的量測數據結果經圖式化後如圖6A至6C所示，其分別是利用本發明量測方法於未開啟冷卻裝置時所量測出之微熱管蒸發段與冷凝段之各瞬時溫度值、溫差值(ΔT)及熱阻值(R)。

接著，進一步將本試驗的內容詳細說明如後，本試驗所使用的加熱功率分別為5W及10W，重要的是，加熱功率是以動態週期性的方式提供，易言之，加熱功率是自第30秒後開始提供，溫度量測週期為每0.5秒進行溫度擷取，功率調整週期為每60秒變換加熱功率，實際操作上，第1秒至第30秒不提供加熱功率，第30.5秒至第90秒提供5W之加熱功率，第90.5秒至第150秒提供10W之加熱功率，接著重複此一加熱循環(即0W-5W-10W)。如表一及圖6A至6C所示，可以得知自第30秒後提供5W之加熱功率，於提供加熱功率初始階段，約莫自第30.5秒至第34秒區間所測得之各瞬時熱阻值(R _inst)是處於快速反應的變動狀態。於第35秒之後，對於微熱管的加熱可以很快速地達到穩定狀態，其各時間點所測得之瞬時熱阻值(R _inst)與5秒平均熱阻值(R _avg)之變動率大部份均可維持在10%以內，且由圖6A至6C之量測結果可明顯看出，依據本發明之量測方法，可以量測出微熱管在特定加熱功率下之瞬時溫度值，即微熱管蒸發段的加熱溫度(Th)以及冷凝段的冷卻溫度(Tc)，進而計算出微熱管蒸發段與冷凝段二者的瞬時溫度差(ΔT)及瞬時熱阻值(R)，值得注意的是，藉由本量測方法所測得之每個功率調整週期的熱阻值變化趨勢均具有高度再現性，亦即第30秒至第150秒、第210秒至第330秒、第390秒至第510秒等週期均具有十分類似的熱阻值變化趨勢。相較於習知技術的熱阻值量測，本發明之量測方法可量測出微熱管在加熱狀態下蒸發段與冷凝段的各瞬時溫度，進而得知其相對應的瞬時熱阻值，換句話說，透過本發明的量測方法可以即時擷取微熱管在加熱過程中，自蒸發段將熱能快速傳導至冷凝段的各個時間點之溫度變化，具有良好的動態測量特性，能夠準確地反應微熱管的即時溫變過程，並達到穩定之再現性、解析度及可靠度之要求。

此外，如圖7A及圖7B所示，其分別是利用本發明量測方法於開啟冷卻模組時所量測出之微熱管蒸發段與冷凝段之各瞬時溫度值(Th, Tc)及溫差值(ΔT)，可以發現藉由本發明之量測方法可以快速提供微熱管不同加熱功率(即不同熱流密度)，同時配合冷卻模組對微熱管進行冷卻，進而量測出微熱管的蒸發段與冷凝段之各瞬時溫度值(Th, Tc)及溫差值(ΔT)，藉由此一優勢，可輕易地設定微熱管在極限負載及快速負載的變動條件下，透過快速的溫度量測，從而得知微熱管在超過極限負載時的即時失效狀態，俾於分析微熱管的失效原因。

綜上所述，本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置及其方法具有以下優點： 1. 避免待測導熱元件的物理性損壞： 本發明採用非接觸式的加熱與量測方法，改善了習知技術利用接觸式量測方法而導致微熱管受到物理性損壞之缺點。 2. 非接觸式且快速加熱的功能： 雷射加熱模組透過脈衝寬度調變技術來控制輸出功率，可快速改變加熱功率，以動態週期性的加熱方式，實現不同熱流密度下微熱管熱性能的研究，藉此得以更真實地模擬微熱管在實際使用上的各種熱傳導環境。此外，非接觸式加熱具有短時間內達到熱平衡之優點。 3. 非接觸式且快速量測溫度的功能： 紅外溫度感測器不需要接觸到微熱管表面，因此能夠減小微熱管受被測溫度場的影響，具有測溫精準度高和熱遲滯性小的特點。此外，本發明利用紅外溫度感測器快速量測並擷取微熱管之溫度變化數據，可以測出其各單位時間之瞬時溫度，具有良好的動態測量特性，能夠準確地反應微熱管的即時溫升過程。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中包括通常知識者，在不脫離本發明之精神與範圍內，當可作些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:工作平台 1:待測導熱元件 11a:蒸發段 11b:絕熱段 11c:冷凝段 2:乘載裝置 3:雷射加熱模組 31:雷射 4:冷卻模組 41:風扇裝置 42:中空柱體 421:通孔 422:溫度探測孔 5:溫度擷取模組 51:第一紅外溫度感測器 52:第二紅外溫度感測器 6:計算機模組 7:位置調整基座 71:調整座 72:移動模組 721:X軸運動載座 722:Y軸運動載座 723:Z軸運動載座 724:固定元件 725:移動桿 7211、7221:溝槽 X、Y、Z:移動方向 110、120、130、140、150:步驟

圖1是本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置之立體示意圖。 圖2是本發明之冷卻模組之立體示意圖。 圖3是本發明之位置調整基座之立體示意圖。 圖4是本發明之非接觸式微熱管熱性能量測裝置之訊號控制方塊圖。 圖5是本發明之非接觸式微熱管熱性能量測方法之流程圖。 圖6A是利用本發明量測方法於未開啟冷卻裝置時所量測出之微熱管蒸發段與冷凝段之各瞬時溫度值。 圖6B是利用本發明量測方法於未開啟冷卻模組時所量測出之微熱管兩端的溫差值(ΔT)。 圖6C是利用本發明量測方法於未開啟冷卻模組時所量測出之微熱管的熱阻值(R)。 圖7A是利用本發明量測方法於開啟冷卻模組時所量測出之微熱管蒸發段與冷凝段之各瞬時溫度值。 圖7B是利用本發明量測方法於開啟冷卻模組時所量測出之微熱管兩端的溫差值(ΔT)。

100:工作平台

1:待測導熱元件

11a:蒸發段

11b:絕熱段

11c:冷凝段

2:乘載裝置

3:雷射加熱模組

31:雷射

4:冷卻模組

5:溫度擷取模組

51:第一紅外溫度感測器

52:第二紅外溫度感測器

6:計算機模組

7:位置調整基座

71:調整座

72:移動模組

Claims (9)

1. 一種非接觸式微熱管熱性能量測裝置，包括： 一工作平台； 複數個設置於該工作平台上之位置調整基座，各該位置調整基座包括一調整座以及一設置於該調整座上之移動模組； 一待測導熱元件，該待測導熱元件之一端為一蒸發段，另一端為一冷凝段，中間為一絕熱段，其中該待測導熱元件之表面經一致的黑色平光塗料處理，使該待測導熱元件之發射率介於0.95至0.99之間； 一乘載裝置，該乘載裝置設置於該位置調整基座上，用以乘載該待測導熱元件之該絕熱段； 一雷射加熱模組，該雷射加熱模組設置於該位置調整基座上，用以提供一可調整式功率之雷射，該雷射係投射於該待測導熱元件之該蒸發段上，可對該蒸發段加熱至一預定溫度； 一冷卻模組，該冷卻模組設置於該位置調整基座上，用以冷卻該待測導熱元件之該冷凝段，包括一風扇裝置及一中空柱體，該風扇裝置與該中空柱體相連通，其中，該中空柱體設置有一位於該中空柱體之一外側面的通孔及一位於與該外側面相鄰之另一外側面的溫度探測孔，該冷凝段穿過該通孔而設置在該中空柱體內； 一溫度擷取模組，包括一位於該位置調整基座上之第一紅外溫度感測器及一位於該位置調整基座上之第二紅外溫度感測器，該第一紅外溫度感測器係用以擷取該蒸發段於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，該第二紅外溫度感測器係用以擷取該冷凝段於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值；以及 一計算機模組，將該溫度擷取模組所擷取的溫度與時間之對應曲線，經一計算軟體演算出該待測導熱元件之熱性能參數。
2. 如請求項1所述之量測裝置，其中該待測導熱元件係一微熱管。
3. 如請求項1所述之量測裝置，其中該移動模組包括一X軸運動載座、一Y軸運動載座、一Z軸運動載座、複數個移動桿以及複數個固定元件，其中，該Y軸運動載座係設置在該X軸運動載座上，各該移動桿之一端係固定在該Y軸運動載座上，各該移動桿之另一端係穿設在該Z軸運動載座，該X軸運動載座及該Y軸運動載座均具有至少一溝槽，該溝槽是用以容置各該固定元件。
4. 如請求項1所述之量測裝置，其中該溫度擷取模組更包括一第一訊號放大器，用以放大該第一紅外溫度感測器所擷取的溫度訊號。
5. 如請求項1所述之量測裝置，其中該溫度擷取模組更包括一第二訊號放大器，用以放大該第二紅外溫度感測器所擷取的溫度訊號。
6. 如請求項1所述之量測裝置，進一步包括一資料擷取裝置，用以數位化該溫度擷取模組所擷取的溫度訊號。
7. 一種非接觸式微熱管熱性能量測方法，包括下列步驟： 步驟一：將一待測導熱元件之絕熱段安置於一承載裝置上，並使該待測導熱元件之冷凝段安置於一冷卻模組中，且該待測導熱元件之蒸發段相對位於一雷射加熱模組之雷射投射光路上； 步驟二：啟動該冷卻模組，藉由該冷卻模組之一風扇裝置對該冷凝段進行冷卻； 步驟三：啟動該雷射加熱模組，提供一特定加熱功率之雷射，對該蒸發段進行加熱； 步驟四：藉由一溫度擷取模組量測並擷取該蒸發段於加熱期間內隨時間變化之對應溫度值，以及該冷凝段於冷卻期間內隨時間變化之對應溫度值；以及 步驟五：藉由一計算機模組計算出該待測導熱元件之熱性能參數。
8. 如請求項7所述之量測方法，其中該待測導熱元件係一微熱管。
9. 如請求項8所述之量測方法，其中該熱性能參數是該微熱管兩端之溫度差、視熱傳導係數或熱阻值。

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