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TW202248876A - 散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法 - Google Patents

散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法 Download PDF

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TW202248876A TW110121510A TW110121510A TW202248876A TW 202248876 A TW202248876 A TW 202248876A TW 110121510 A TW110121510 A TW 110121510A TW 110121510 A TW110121510 A TW 110121510A TW 202248876 A TW202248876 A TW 202248876A
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heat
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dissipation module
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馮建忠
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長聖儀器股份有限公司
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Abstract

一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，主要是於一散熱模組的表面選擇二量測點，並且使該二量測點位於熱中心點的同一側但不同距離，之後再分別量測該二量測點的溫度，並代入下列式(1)，其中該式(1)係為對能量方程式求解析解；
Figure 110121510-A0101-11-0001-1
在上述之代入式(1)運算之後，可得下列式(2)及式(3)來求得M；
Figure 110121510-A0101-11-0001-2
Figure 110121510-A0101-11-0001-3
最後，將M與第一量測點的距離X1以及在暫態之某一時刻之溫度T1代入式(1)，即可求得的熱擴散係數α的值，該熱擴散係數α的值即用來代表該散熱模組之暫態熱擴散性能。

Description

散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法
本發明係與熱擴散性能的量測技術有關，特別是指一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法。
散熱模組是目前廣泛使用於電腦或發熱晶片模組(例如LED燈板)的裝置。目前已知的散熱模組，大多是以一金屬底板(鋁或銅)上方設置或一體成形複數散熱鰭片，並以該金屬底板貼置於一熱源，藉此對該熱源提供將熱能向側方傳導並向上傳導藉由該複數散熱鰭片進行散熱的效果。
前述以金屬底板做為散熱模組來與熱源貼接的技術，在熱源的熱能不高時其金屬熱傳導的效果還可算得上堪用，但在現在電腦CPU(中央處理單元)或LED燈板愈來愈進步，而單位時間內所產生的熱能也愈來愈高的情況下，前述以金屬底板做為散熱模組的技術其藉由金屬熱傳導的速度顯已不敷使用。因此，有人提出使用均溫導熱板(蒸汽腔室，Vapor Chamber)設置於該金屬底板下方而貼接於熱源，而成為一種含有均溫導熱板的散熱模組，藉由該均溫導熱板的快速均溫的特性，達到將熱能快速分散至該均溫導熱板各個位置的效果，因此獲得了更好的散熱效果。
然而，目前的技術雖已發展至使用均溫導熱板與散熱模組組合來增強散熱效果，然而，對於散熱模組的熱擴散性能，僅有概念上的快與慢或 好與差的區別而已，並沒有一個具體且有數據根據的量測技術，僅能依靠儀器長時間的量測以獲得觀察到的結果。
本發明之主要目的即在於提出一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其係為一種具體且有數據根據的量測技術。
本發明之再一目的即在於提出一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其可提供使用者具體的量測結果，供使用者判斷被量測的散熱模組之散熱效果的好壞。
為了達成上述目的，本發明提出一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，包含有下列步驟A)至步驟D)：A)決定一第一量測點及一第二量測點：將該散熱模組用來與一熱源貼接的表面定義為一導熱面，該導熱面貼接該熱源的區域的中心點定義為一熱中心點，並且於該導熱面上以該熱中心點為中心定義一矩形，該矩形之長寬均不超出該導熱面之邊緣；於該導熱面上的該矩形一邊的外側與該導熱面邊緣之間，任意選擇一第一量測點以及一第二量測點，該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離係大於該第二量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離；B)量測溫度：將該散熱模組貼置於該熱源，並在該熱源穩定發熱的狀態下，分別量測該第一量測點以及該第二量測點的溫度隨時間的變化，且該散熱模組的散熱狀態不再有所改變即進入穩態；C)代入計算式：將該第一量測點與該第二量測點的溫度及距離代入下列式(1)及計算：以該第一量測點的距離X1之穩態溫度T1及第二量測 點的距離X2之穩態溫度T2而言，代入下列式(1)，其中該式(1)係為對能量方程式求解析解；
Figure 110121510-A0101-12-0003-6
其中，
Figure 110121510-A0101-12-0003-5
，
Figure 110121510-A0101-12-0003-7
，
Figure 110121510-A0101-12-0003-8
，dX=X1-X2，
Figure 110121510-A0101-12-0003-9
，
Figure 110121510-A0101-12-0003-10
；其中，M為熱傳導與熱對流強度比，h為對流熱傳係數，K為熱傳導係數，D為特徵直徑，T為溫度，t為時間，X為位置，L為特徵長度，λ為特徵值，dx為第一量測點與第二量測點之間的距離，X1為該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離；在上述之代入式(1)運算之後，可得下列式(2)及式(3)；
Figure 110121510-A0101-12-0003-11
Figure 110121510-A0101-12-0003-12
由上述之式(2)及式(3)可求得M；D)結果：將步驟C)中求得之M與該第一量測點的距離X1於暫態之某一時刻t1之溫度T1代入式(1)，即可求得的熱擴散係數α的值，該熱擴散係數α的值即用來代表該散熱模組之暫態熱擴散性能。
藉此，本發明為一個具體且有數據根據的量測技術而可供業界使用，進而，本發明可提供使用者具體的量測結果，供使用者判斷被量測的散熱模組之散熱效果的好壞。
11:散熱模組
12:金屬底板
14:散熱鰭片
15:均溫導熱板
151:導熱面
152:矩形
16:風扇
O:熱中心點
O1:第一量測點
O2:第二量測點
X1:直線距離
X2:直線距離
圖1係本發明一較佳實施例之流程圖。
圖2係本發明一較佳實施例之散熱模組之組合示意圖。
圖3係本發明一較佳實施例之散熱模組底面示意圖。
圖4係本發明一較佳實施例之另一散熱模組之組合示意圖。
圖5係本發明一較佳實施例之另一散熱模組底面示意圖。
為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：
如圖1至圖3所示，本發明一較佳實施例所提出之一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，主要是以下列步驟來進行量測：
A)決定一第一量測點及一第二量測點：將一散熱模組11用來與一熱源(圖中未示)(例如電腦的中央處理單元CPU或LED晶片電路板)貼接的表面定義為一導熱面151，於本實施例中，該散熱模組11係具有一金屬底板12以及由該金屬底板12向上延伸的複數散熱鰭片14，以及具有一均溫導熱板15以其頂面貼設於該金屬底板12之底面，該均溫導熱板15之底面即做為該導熱面151，該散熱模組11還具有一風扇16設於該複數散熱鰭片14上；該導熱面151貼接該熱源的區域的中心點定義為一熱中心點O，並且於該導熱面151上以該熱中心點O為中心定義一矩形152，該矩形152之長寬均不超出該導熱面151之邊緣；於該導熱面151上的該矩形152一邊的外側與該導熱面151邊緣之間，選擇一第一量測點O1以及一第二量測點O2，該第一量測點O1與該矩形152之該邊的直線距離X1係大於該 第二量測點O2與該矩形152之該邊的直線距離X2。此外，於本實施例中，該第二量測點O2係位於該第一量測點O1與該矩形152之該邊的垂直連線上，亦即，該第二量測點O2與該第一量測點O1是沿著其與該矩形152之該邊的垂直線而呈現線性關係。另外，於本實施例中，是以該矩形152的大小與該熱源的大小一致為例說明，不過，該矩形152的大小也可以在長度及寬度上小於該熱源的長度及寬度，或大於該熱源的長度及寬度，在該矩形152極小的狀況下，其各邊即視為與該熱中心點O重疊。
B)量測溫度：將該散熱模組11貼置於該熱源，並在該熱源穩定發熱的狀態下，分別量測該第一量測點O1以及該第二量測點O2的溫度隨時間的變化，且該散熱模組11的散熱狀態不再有所改變即進入穩態。
C)代入計算式：將該第一量測點O1與該第二量測點O2的溫度及距離代入下列式(1)計算：
以該第一量測點O1的距離X1之穩態溫度T1及第二量測點O2的距離X2之穩態溫度T2而言，代入下列式(1)，其中該式(1)係為對能量方程式求解析解；
Figure 110121510-A0101-12-0005-13
其中，
Figure 110121510-A0101-12-0005-14
，
Figure 110121510-A0101-12-0005-15
，
Figure 110121510-A0101-12-0005-16
，dX=X1-X2，
Figure 110121510-A0101-12-0005-17
，
Figure 110121510-A0101-12-0005-18
。
其中，M為熱傳導與熱對流強度比，h為對流熱傳係數，K為熱傳導係數，D為特徵直徑，T為溫度，t為時間，X為位置，L為特徵長度，λ為特徵 值，dx為第一量測點O1與第二量測點O2之間的距離，X1為該第一量測點O1與該矩形152之該邊的直線距離，X2為該第一量測點O2與該矩形152之該邊的直線距離。
在上述之代入式(1)運算之後，可得下列式(2)及式(3)：
Figure 110121510-A0101-12-0006-19
Figure 110121510-A0101-12-0006-20
由上述之式(2)及式(3)可求得M。
D)結果：將步驟C)中求得之M與該第一量測點O1的距離X1於暫態之某一時刻t1之溫度T1代入式(1)，即可求得的熱擴散係數α的值，該熱擴散係數α的值即用來代表該散熱模組11之暫態熱擴散性能。
以上說明了本發明的量測方法的各個步驟，接下來以實際數據進行說明。
在該第一量測點O1與該矩形152之該邊的直線距離X1=0.16m(公尺)以及該第二量測點O2與該矩形152之該邊的直線距離X2=0.07m的條件下，在某一時刻(即穩態)時，該第一量測點O1的溫度t1=攝氏67.5℃，該第二量測點O2的溫度t2=攝氏71.5℃。依上述之公式代入後，即求得熱擴散係數α=1.187cm2/s。藉此，即可藉由該熱擴散係數α的數值大小來判斷該散熱模組11的散熱效果。
前述的散熱模組11，是以具有均溫導熱板15的散熱模組為例說明，然而，若是不含均溫導熱板15的散熱模組，亦即單純為具有一金屬底板12以及複數散熱鰭片14者，如圖4所示，亦可以對其底面使用本發明之方法來量測出該散熱模組11的熱擴散係數α之數值。
上述的說明中，是以該第二量測點O2係位於該第一量測點O1與該矩形152之該邊的垂直連線上的關係來說明的，然而，如圖5所示，事實上該第二量測點O2也可以不位於該第一量測點O1與該矩形152之該邊的垂直連線上，而呈現非線性關係。這是由於本案的技術主要是以該第一量測點O1及該第二量測點O2各自與該矩形152之該邊的直線距離來進行計算，因此即使是非線性關係，也可以進行運算。例如，如圖5所示，該第一量測點O1所處的位置超出該矩形152的該邊的範圍，則垂直連線即無法交接於該邊，此時則可以將該邊延長而得到一虛擬延伸線，供該第一量測點O1及該第二量測點O2與該虛擬延伸線之間得以構成垂直連線。
本案的技術重點在於該第一量測點O1及該第二量測點O2都位於該矩形152一邊的外側，也就是同一邊的外側，因此是屬於一維的熱擴散量測技術。本發明之技術並不包含該第一量測點O1位於該矩形152一邊的外側，而該第二量測點O2位於另一個邊的外側這樣的狀況。
綜上可知，本發明乃是一種具體且有數據根據的量測技術，其可以提供使用者具體的量測結果，即熱擴散係數α，供使用者判斷被量測的散熱模組11之散熱效果的好壞。
11:散熱模組
15:均溫導熱板
151:導熱面
152:矩形
O:熱中心點
O1:第一量測點
O2:第二量測點
X1:直線距離
X2:直線距離

Claims (5)

  1. 一種散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，包含有下列步驟：
    A)決定一第一量測點及一第二量測點：將該散熱模組用來與一熱源貼接的表面定義為一導熱面，該導熱面貼接該熱源的區域的中心點定義為一熱中心點，並且於該導熱面上以該熱中心點為中心定義一矩形，該矩形之長寬均不超出該導熱面之邊緣；於該導熱面上的該矩形一邊的外側與該導熱面邊緣之間，任意選擇一第一量測點以及一第二量測點，該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離係大於該第二量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離；
    B)量測溫度：將該散熱模組貼置於該熱源，並在該熱源穩定發熱的狀態下，分別量測該第一量測點以及該第二量測點的溫度隨時間的變化，且該散熱模組的散熱狀態不再有所改變即進入穩態；
    C)代入計算式：將該第一量測點與該第二量測點的溫度及距離代入下列式(1)及計算：
    以該第一量測點的距離X1之穩態溫度T1及第二量測點的距離X2之穩態溫度T2而言，代入下列式(1)，其中該式(1)係為對能量方程式求解析解；
    Figure 110121510-A0101-13-0001-21
    其中，
    Figure 110121510-A0101-13-0001-22
    ，
    Figure 110121510-A0101-13-0001-23
    ，
    Figure 110121510-A0101-13-0001-24
    ，dX=X1-X2，
    Figure 110121510-A0101-13-0001-25
    ，
    Figure 110121510-A0101-13-0001-26
    ；
    其中，M為熱傳導與熱對流強度比，h為對流熱傳係數，K為熱傳導係數，D為特徵直徑，T為溫度，t為時間，X為位置，L為特徵長度，λ為特徵值，dx為第 一量測點與第二量測點之間的距離，X1為該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的直線距離；
    在上述之代入式(1)運算之後，可得下列式(2)及式(3)；
    Figure 110121510-A0101-13-0002-28
    Figure 110121510-A0101-13-0002-29
    由上述之式(2)及式(3)可求得M；
    D)結果：將步驟C)中求得之M與該第一量測點的距離X1於暫態之某一時刻t1之溫度T1代入式(1)，即可求得的熱擴散係數α的值，該熱擴散係數α的值即用來代表該散熱模組之暫態熱擴散性能。
  2. 依據請求項1所述之散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其中：該第二量測點係位於該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的垂直連線上。
  3. 依據請求項1所述之散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其中：該第二量測點係不位於該第一量測點與該矩形之該邊或該邊之虛擬延長線的垂直連線上。
  4. 依據請求項1所述之散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其中：該散熱模組係具有一金屬底板以及複數散熱鰭片，而以該金屬底板之底面做為該導熱面。
  5. 依據請求項1所述之散熱模組之暫態熱擴散性能量測方法，其中：該散熱模組係具有一金屬底板以及複數散熱鰭片，以及具有一均溫導熱板以其頂面貼設於該金屬底板之底面，該均溫導熱板之底面係做為該導熱面。
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