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TWI768756B - 熱導元件內部空隙率的量測系統與其量測方法 - Google Patents

熱導元件內部空隙率的量測系統與其量測方法 Download PDF

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TWI768756B
TWI768756B TW110108497A TW110108497A TWI768756B TW I768756 B TWI768756 B TW I768756B TW 110108497 A TW110108497 A TW 110108497A TW 110108497 A TW110108497 A TW 110108497A TW I768756 B TWI768756 B TW I768756B
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impedance
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孫珍理
劉昱祥
連于仁
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國立臺灣大學
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Abstract

一種熱導元件內部空隙率的量測系統，用以量測一熱導元件，包括：一加熱裝置，作為熱源以加熱所述熱導元件的蒸發端；一冷卻裝置，以冷卻所述熱導元件的冷凝端；至少一對電極片，分別貼附於所述熱導元件的兩相對表面；以及一阻抗測試計，電連接於所述至少一對電極片以量測所述熱導元件的阻抗。每一阻抗轉換為相對應於所述熱導元件受量測位置的空隙率。本發明還提供一種熱導元件內部空隙率的量測方法。

Description

熱導元件內部空隙率的量測系統與其量測方法
本發明涉及一種熱導元件內部空隙率的量測系統與其量測方法，特別是涉及一種量測系統用以量測均溫板或熱導管的內部空隙率，及其量測方法。
熱導板(Vapor Chamber)，或稱為均溫板，其功能及工作原理與熱導管(或簡稱熱管)一致。均溫板與熱導管的製造過程，都是由金屬殼體、毛細結構及作動流體經退火、抽真空及封焊等製程所製成。兩者的差別在於，熱導管之熱傳導模式為一維，而均溫板則是二維。均溫板的工作原理則與熱導管相似，但著重於二維的熱傳導，使熱能快速橫向擴散，避免局部溫度過高，且有利於後續外層之良好散熱。為方便稱呼，以下以「熱導元件」統稱均溫板與熱導管。
熱導元件的工作原理是藉由封閉於腔體中工作流體的蒸發、凝結的循環作動，並依靠內部的毛細結構拉引流體，達到良好且快速導熱。
熱導元件內部的工作流體的多寡、工作流體種類與毛細結構的親水性都會影響熱導元件的散熱表現。工作流體的不同填充率，也會影響熱導元件的散熱表現。若填充率過大，會導致工作流體滯留在熱導元件的側面 與角落，使腔體內的流體堵塞難以流動。反之，若填充率過低，熱導元件會有燒乾的風險。另一面，熱通量過大，也會使熱導元件內部發生燒乾現象。
故熱導管與均溫板內部的氣液分布對其冷卻效果具重大影響，此外，燒乾現象的發生將導致熱導管或均溫板的散熱效果嚴重惡化。由於熱導管與均溫板皆為密封情況下進行操作，傳統侵入式的量測並不適用。
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種熱導元件內部空隙率的量測系統，利用量測導熱元件之阻抗，以推算出其內部氣液分布狀況，量測熱導元件內部的空隙率，進而得知熱導元件的熱通量的安全範圍。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種熱導元件內部空隙率的量測系統，用以量測一熱導元件，包括：一加熱裝置，作為熱源以加熱所述熱導元件的蒸發端；一冷卻裝置，以冷卻所述熱導元件的冷凝端；至少一對電極片，分別貼附於所述熱導元件的兩相對表面；以及一阻抗測試計，電連接於所述至少一對電極片以量測所述熱導元件的阻抗，其中每一所述阻抗被轉換為相對應於所述熱導元件受量測位置的空隙率。
本發明所要解決的技術問題另外在於，提供一種熱導元件內部空隙率的量測方法，利用量測導熱元件之阻抗，以推算出其內部氣液分布狀況，量測熱導元件內部的空隙率，進而得知熱導元件的熱通量的安全範圍。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種熱導元件內部空隙率的量測方法，包括下列步驟：加熱所述熱導元件的蒸發端；冷卻所述熱導元件的冷凝端；使用至少一對電極量測所述熱導元件的阻抗；以及建立所述阻抗測試計量測的阻抗值與所述熱導元件的 空隙率的關係，從而獲得所述熱導元件受量測位置的空隙率。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的熱導元件內部空隙率的量測系統與量測方法，其利用量測熱導元件之阻抗推算出內部氣液分布的方法，能避免傳統侵入式的量測方法，由於液態水與水蒸氣之介電常數不同的原理，以及介電常數是影響阻抗值的重要參數，藉由量測熱導元件之阻抗值，可以得知熱導元件的內部之空隙率(void fraction)，達到可視覺化的效果。本發明藉由獲得熱導元件內部的空隙率，即可了解其使用極限，使其在安全的熱通量下運作，避免熱導元件內部發生燒乾現象。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
V1、V2:熱導元件
H:加熱裝置
C1:冷卻裝置
P、P11、P12、P13:電極片
L:阻抗測試計
10:殼體
wf:工作液體
11:蒸發端
12:冷凝端
HP:孔洞
PS:電源供應器
C2:散熱器
C3:散熱風扇
20:殼體
21:頂面
22:底面
P30:絕緣載板
P31、P32、P33:電極
L31、L32、L33:導線
M:多工資料擷取器
A:電子開發板
D:資料擷取板
S:雙面膠
9:電腦
Cw:電容值
Ce:電容值
Cs:雜散電容
T:熱電偶
圖1為本發明應用於熱導管內部空隙率的量測系統的示意圖。
圖2為本發明所應用的熱導管與電極片的示意圖。
圖3為本發明應用於均溫板內部空隙率的量測系統的示意圖。
圖4為本發明所應用的均溫板的立體圖。
圖5為本發明所應用的均溫板與電極片的示意圖。
圖6為本發明所應用的熱導管與電極片的貼合後剖視圖。
圖7為本發明所應用的均溫板與電極片的貼合後剖視圖。
圖8為本發明的熱導元件內部空隙率量測系統的等效電路圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方 式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
[第一實施例]
參閱圖1、圖2、圖6、圖7所示，本發明第一實施例的熱導元件V1以熱導管為例，其中圖1顯示一種熱導管內部空隙率的量測系統的示意圖。所述熱導元件內部空隙率的量測系統，用以量測一熱導管。熱導管具有一殼體10及內部工作液體wf。此實施例的量測系統包括一加熱裝置H、一冷卻裝置C1、多對電極片(P11、P12、P13)、及一阻抗測試計(LCR meter)L。所述加熱裝置H作為熱源以加熱所述熱導元件V1的蒸發端11。本實施例的加熱裝置H可藉由電源供應器PS提供。
如圖1所示，冷卻裝置C1用以冷卻所述熱導元件V1的冷凝端12。此外，本實施例進一步還可以設置散熱器C2以及散熱風扇C3。散熱器C2抵接於熱導元件V1的冷凝端。散熱風扇C3可進一步散逸所述散熱器C2的熱。在不同加熱功率與散熱風扇C3作用下，熱導管(V1)的冷凝端、絕熱端與蒸發端表面溫度隨時間之變化。
如圖2所示，本實施例的電極片(P11、P12、P13)分別貼附於所述熱導元件V1的兩相對表面。具體的說，熱導元件V1為一長條形的熱導管，所述電極片的數量為至少三對，且彼此分開，其中第一對的所述電極片P11鄰近所述熱導元件V1的所述蒸發端，其中第二對的所述電極片P12鄰近所述熱導元件V1的所述冷凝端，其中第三對的所述電極片P13鄰近所述熱導元件V1的絕熱端。
阻抗測試計L電連接於電極片(P11、P12、P13)的電極以量測所述熱導元件V1的阻抗。
如圖1所示，本實施例的量測系統，進一步包括多個熱電偶(如符號T的多條線路所表示)，以量測所述熱導元件V1表面的溫度，以觀察熱源處與外圍的溫差，並量測所述加熱裝置H，以獲得輸入的熱通量。其中多個熱電偶(T)電連接於一資料擷取板D，所述資料擷取板D電連接於一電腦9，以記錄量測的溫度。
本發明將每一阻抗轉換為相對應於所述熱導元件受量測位置的空隙率，從而可了解熱導元件的使用極限，使其在安全的熱通量下運作，避免熱導元件內部發生燒乾現象。其中阻抗與空隙率的轉換方式容後詳述。
[第二實施例]
參閱圖3、圖4、圖5、圖7所示，本發明第二實施例的熱導元件V2以均溫板為例，其中圖3顯示一種均溫板內部空隙率的量測系統的示意圖。均溫板具有殼體20、頂面21及底面22。由於均溫板的面積大，本實施例具有一對電極片P分別貼附於均溫板的頂面21及底面22。電極片P的形狀相似於所述均溫板的形狀。電極片P可以是一軟性印刷電路板。每一電極片P上具有一絕緣載板P30、設於絕緣載板P30一表面的多個電極(P31、P32、P33)、及多條導 線(L31、L32、L33)分別電連接於所述多個電極(P31、P32、P33)，所述多條導線(L31、L32、L33)的末端設於所述電極片P的周圍。絕緣載板P30可以是聚醯亞胺薄膜(polyimide film)。電極片P可以透過耐熱雙面膠S黏附於均溫板。電極片P中間預留孔洞HP(參圖5)，以供加熱裝置H(參圖3下方)放在熱導元件V2(均溫板)的中心位置，並在均溫板上方架設一散熱風扇C3，以對均溫板的上表面進行冷卻。
如圖3所示，本實施例的量測系統進一步包括一多工資料擷取器(multiplexer)M，所述多工資料擷取器M電連接於所述電極片P與所述阻抗測試計L之間。
本實施例的量測系統還包括一電子開發板(controller board)A，多工資料擷取器M能切換不同的頻道，電子開發板A分別擷取所述電極片P的各個電極(P31、P32、P33...)所量測的阻抗值。舉例說明，本實施例的電子開發板A可以是基於ATmega328P的微控制器板(ARDUINO UNO)配合ARDUINO控制軟體，然而，本發明並不限制於此。所述電子開發板A電連接於一電腦9，再透過控制軟體以記錄量測的阻抗值。由阻抗公式即可得知容抗值。熱電偶電壓訊號藉由連接一資料擷取板D(data acquisition board)進行記錄。
如圖8所示，本實施例藉由量測的阻抗值可對應推算得知熱導元件V1內部的空隙率是否已超過臨界值，從而可即時得知熱導元件V1所能承受的熱通量。以下探討熱導元件內工作流體之空隙率對阻抗值之影響，並藉由如圖8所示的等效電路分析獲得熱導元件內部之空隙率與電容值的關係式。
[熱導管(V1)的關係式]
首先，電容值之定義為電極兩端之電荷量Q與電極兩端電位差Ve之比值，其公式如下列式(2.1)所示。
C=Q/Ve=ε(A/d) (2.1)
其中ε為介電常數，A為電極面積，d為兩電極間距離。
此外，若熱導元件中的液體、氣體比例發生變化，則會反映在電容值中。故可利用此特性，求得熱導元件內部之空隙率(void fraction)，空隙率之定義如下列式(2.2)所示。
α=Vv/(Vv+VL) (2.2)
其中Vv為熱導元件內部之水蒸氣體積，VL為熱導元件內部之液態水體積。
參閱圖7，為本實施例的熱導元件的等效電路示意圖。其中Cw為電極與熱導元件(V1、V2)表面之間的電容值，Ce為熱導元件(V1、V2)內部流體之電容值，Cs為電路中之雜散電容(stray capacitance)。在等效電路中Cw與Ce串連後再與Cs並聯，故阻抗測試計L所量測到的電容值Cm可表示如下列式(2.3)表示：Cm=[(Ce Cw)/(Ce+Cw)]+Cs (2.3)
由式(2.1)可將Ce表示為下列式(2.4)Ce=ε0 εe(A/d) (2.4)
其中ε0為真空時之介電常數(ε0=8.85×10-12 F m-1)，A為電極面積，d為兩電極間距離，而εe為熱導元件(V1、V2)內之流體等效相對介電常數，由於流體包含液態水與水蒸氣，故εe可以式(2.5)表示：εe=α εV+(1-α)εL (2.5)
其中εV為蒸氣之相對介電常數，εL為液態水之相對介電常數，α為熱導元件內部之空隙率，將上述之方程式整理可得熱導元件(V1、V2)的空隙率α(參(2.2))與所述阻抗測試計L所量測到之電容值(C measured)之關係，如式(2.6)所示： α={[(Cw d(Cm-Cs)]/[ε0 A(Cs+Cw-Cm)]-ε1}/(εv-ε1) (2.6)
其中Cw為所述電極片與所述熱導元件表面之間的電容值；Ce為所述熱導元件內部工作流體之電容值，Cs為電路中之雜散電容；εv與εL為溫度與壓力之函數；A為電極面積，d為一對所述電極片的距離；其中由於壓力對於εv與εL的影響有限，從而忽略壓力對εv與εL之影響，並視為溫度之函數。
由於熱導管內之總體積不變，且管內只存在水與水蒸氣兩種流體，式(2.2)可改寫成：α=Vv/(Vv+VL)=1-(VL/(Vv+VL))=1-(mL-m0) (2.7)
其中mL為熱導管內液態水之重量，m 0為熱導管內空隙率為0(充滿水)時液態水的重量(即空隙率為0時之mL)。
本實施例進一步以熱導管為例，可用具有不同空隙率的熱導管的多個樣本分別量測液體的重量，再量測該些不同空隙率的熱導管的阻抗值。將空隙率α與電容值Cm代入公式(2.6)，再利用最小平方法(least squares method)進行曲線擬合，即可獲得Cw與Cs的數值。從而可以電容值計算出管內空隙率α的校正曲線。
本實施例還考慮Cw與Cs可能隨著溫度改變，本實施例可以進一步分別在攝氏27度、50度、70度、90度的條件下，重覆上述的步驟，分別獲得空隙率α在不同溫度下的關係式。
若溫度值介於上述兩個曲線之間，可以用內插法求出其空隙率α(Cm，T)。
[均溫板(V2)的關係式]
由式(2.1)可知，Cw可表示如式(2.14)所示：Cw=ε0 εw(A/d) (2.14)
其中ε0為真空時之介電常數(ε0=8.85×10-12 F m-1)，A為電極面積，d為電極與均溫板間距離，而εw為電極片P(軟性印刷電路板)上之聚醯亞胺薄膜與耐熱雙面膠所組合而成的相對介電常數。
本實施例將量測到之電容值C’、電極面積A與兩電極間距離d’代入，獲得式(2.15)。
εw=(d’C’)/A ε0 (2.15)
考慮εw可能隨著溫度改變，本實施例在計算時，須先計算在不同溫度下的εw與Cw。
Cs為電路中之雜散電容，在均溫板實驗中雜散電容包括多工資料擷取器及其連接之導線所組成之電容，在等效電路內Cs與Ce及Cw並聯。電容值為(1/(1/Ce+1/Cw))+Cs。
分別量測結果經多工資料擷取器之均溫板電容平均值與，不經任何元件直接量測均溫板電容平均值，並將兩者相減即可求得雜散電容Cs。
由式(2.4)與(2.5)可知Ce為空隙率α、液態水與水蒸氣之相對介電常數之函數，水液態水與水蒸氣之相對介電常數εL與εv會隨著溫度改變。例如，本實施例以LCR錶直接量測在27℃、50℃、70℃及90℃時、均溫板在空隙率為0之電容值C*，其中C*可表示為式(2.16)電容值C*=1/(1/Ce+1/Cw) (2.16)
將不同溫度下之介電常數εL與εv代入式(2.4)與(2.5)即可求得不同溫度下的Ce值。
將上述之Cw、Cs與Ce代入式(2.6)中，即可求得在不同溫度下空隙率與電容值之關係式。
若溫度值介於上述兩個曲線之間，可以用內插法求出其空隙率α(Cm，T)。
補充說明，本實施例在實驗過程中還可以進一步考慮「不確定性分析」，包括熱導管與均溫板表面溫度之不確定性，達穩態時加熱塊頂部熱傳率之不確定性，電容量測之不確定性，熱導管空隙率之不確定性，均溫板空隙率之不確定性。上述為本技術領域依實驗過程可推算而得。
本實施例還包括一種熱導元件內部空隙率的量測方法，包括下列步驟：加熱所述熱導元件(V1、V2)的蒸發端；冷卻所述熱導元件(V1、V2)的冷凝端；使用至少一對電極量測所述熱導元件(V1、V2)的阻抗；以及建立所述阻抗測試計量測的電容值與所述熱導元件的空隙率的關係，從而獲得所述熱導元件受量測位置的空隙率。
其他細節如上述所述的，不再予以贅述。
本實施例可以依上述的結果，分別製作成不同溫度下之空隙率校正曲線。熱導元件在不同時間之後各截面的溫度曲線，溫度曲線還可以搭配不同熱通量，不同大小散熱風扇。熱導元件在不同時間之後各截面的電容值曲線，電容值曲線還可以搭配不同熱通量，不同大小散熱風扇。熱導元件在不同時間之後在蒸發端、冷凝端、絕熱端的空隙率曲線，甚至可以搭配不同熱通量，將該些空隙率曲線繪製於同一圖表。藉此可以得知熱導元件的內部之空隙率(void fraction)，達到可視覺化的效果。
[實施例的有益效果]
本發明所提供的熱導元件內部空隙率的量測系統與量測方法，其利用量測熱導元件之電容推算出內部氣液分布的方法，能避免傳統侵入式的量測方法，由於液態水與水蒸氣之介電常數不同的原理，以及介電常數是影響阻抗值的重要參數，藉由量測熱導元件之阻抗值，可以得知熱導元件的 內部之空隙率(void fraction)，達到可視覺化的效果。本發明藉由獲得熱導元件內部的空隙率，即可了解其使用極限，使其在安全的熱通量下運作，避免熱導元件內部發生燒乾現象。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
V1:熱導元件
10:殼體
S:雙面膠
P11:電極片
wf:工作液體

Claims (15)

  1. 一種熱導元件內部空隙率的量測系統，用以量測一熱導元件，包括：一加熱裝置，作為熱源以加熱所述熱導元件的蒸發端；一冷卻裝置，以冷卻所述熱導元件的冷凝端；至少一對電極片，分別貼附於所述熱導元件的兩相對表面；以及一阻抗測試計，電連接於所述至少一對電極片以量測所述熱導元件的阻抗，其中每一所述阻抗被轉換為相對應於所述熱導元件受量測位置的空隙率。
  2. 如請求項1所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，進一步包括多個熱電偶，以量測所述熱導元件表面的溫度，以觀察熱源處與外圍的溫差，並量測所述加熱裝置，以獲得輸入的熱通量。
  3. 如請求項2所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，其中所述多個熱電偶電連接於一資料擷取板，所述資料擷取板電連接於一電腦，以記錄量測的溫度。
  4. 如請求項1所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，其中所述熱導元件為一熱導管，所述電極片的數量為至少三對，且彼此分開，其中第一對的所述電極片鄰近所述熱導元件的所述蒸發端，其中第二對的所述電極片鄰近所述熱導元件的所述冷凝端，其中第三對的所述電極片鄰近所述熱導元件的絕熱端。
  5. 如請求項1所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，其中所述熱導元件為一均溫板，所述電極片的面積相近於所述均溫板的面積，每一所述電極片上具有多個電極及多條導線分別電連接於所述多個電極，所述多條導線的末端設於所述電極片的周 圍。
  6. 如請求項5所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，進一步包括一多工資料擷取器，所述多工資料擷取器電連接於所述電極片與所述阻抗測試計之間。
  7. 如請求項6所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，進一步包括一電子開發板以切換所述多工資料擷取器至不同頻道，分別擷取所述電極片所量測之阻抗值，所述電子開發板電連接於一電腦，以記錄量測的阻抗值。
  8. 如請求項1所述的熱導元件內部空隙率的量測系統，其中所述熱導元件的空隙率與所述阻抗測試計量測的電容值的關係為：α={[(Cw d(Cm-Cs)]/[ε0 A(Cs+Cw-Cm)]-ε1}/(εv-ε1)其中Cw為所述電極片與所述熱導元件表面之間的電容值；Ce為所述熱導元件內部工作流體之電容值，Cs為電路中之雜散電容；εv與ε1為溫度與壓力之函數；A為電極面積，d為一對所述電極片的距離；其中由於壓力對於εv與εL的影響有限，從而忽略壓力對εv與εL之影響，並視為溫度之函數。
  9. 一種熱導元件內部空隙率的量測方法，包括下列步驟：使用一加熱裝置以加熱所述熱導元件的蒸發端；冷卻所述熱導元件的冷凝端；使用一阻抗測試計電連接於至少一對電極片以量測所述熱導元件的阻抗；以及建立所述阻抗測試計量測的阻抗值與所述熱導元件的空隙率的關係，從而獲得所述熱導元件受量測位置的空隙率。
  10. 如請求項9所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，進一步包括提供多個熱電偶，以量測所述熱導元件表面的溫度，以觀察 熱源處與外圍的溫差，並量測所述加熱裝置，以獲得輸入的熱通量。
  11. 如請求項10所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，進一步提供一資料擷取板，其中所述多個熱電偶電連接於一資料擷取板，所述資料擷取板電連接於一電腦，以記錄量測的溫度。
  12. 如請求項11所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，其中包括量測一鄰近所述熱導元件的所述蒸發端的阻抗值，一鄰近所述熱導元件的所述冷凝端的阻抗值，一鄰近所述熱導元件的絕熱端的阻抗值。
  13. 如請求項9所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，其中所述熱導元件為一均溫板，每一所述電極片的形狀相似於所述均溫板的形狀，每一所述電極片上具有多個電極及多條導線分別電連接於所述多個電極，所述多條導線的末端設於所述電極片的周圍。
  14. 如請求項13所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，進一步包括提供一多工資料擷取器，所述多工資料擷取器電連接於所述電極片與所述阻抗測試計之間。
  15. 如請求項14所述的熱導元件內部空隙率的量測方法，進一步包括提供一電子開發板，所述多工資料擷取器能切換不同的頻道，所述電子開發板分別擷取所述電極片的所量測的阻抗值，所述電子開發板電連接於一電腦，以記錄量測的阻抗值。
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