以angstrom+method测量均温板热扩散率之可行性探讨

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1、第十三届全国热管学术会议以Angstrommethod测量均温板热扩散率之可行性探讨姚汉洲，林唯耕，杨顺翔，周贤民(国立清华大学工程与系统科学系，新竹)(TEL:+886-3-5715131Ext42664,E-mail:wklin@ess.nthu.edu.tw)摘要本实验将Angstrommethod理论基础应用于热扩散特性之量测。以Angstrommethod理论研制出两相流性能测试装置量测热扩散率。在金属材料之中，铜与铝同时也是常见且已取得的材料且其热扩散率也是相当高的，以此装置量测铜与铝之热

2、扩散率，实验结果无论是铜或铝以量测距离0.03公尺为最佳量测距离误差于5%之内，将量测距离调整至0.04公尺以上将会产生20%以上之误差。比较最佳量测距离0.03公尺下，以周期90秒、120秒、150秒量测，结果显示铜与铝在改变周期之情况时，其测量值与标准热扩散率相对误差皆在10%之内，推论此量测方法可应用于量测热扩散率在1cm2/sec左右之物质，并以此方法应用于均温板之量测，量测其热扩散率为1.68cm2/sec。另外，以固体比热容量测系统量测得知均温板比热为1.149J/gK，并从热传公式而推得

3、均温板之热扩散传导系数为1418.98W/mK。关键词angstrommethod、热扩散率、均温板。1前言电子组件的蓬勃发展中，不难发现未来的电子组件发展方向皆往「体积缩减」努力。如此一来，在逐渐缩小面积下的电子组件将承受更高的热功率，解决散热机制以利组件运作将是非常重要的研究议题。其中，最常见的电子组件散热方式即是鳍片式散热器(finnedheatsink)，当散热器底板面积大于电子组件面积时，需要将侧向热传此因素列入考虑，为了提高散热效率，改善侧向热传性质将是必须的。在科学及工程领域中，热性质的

4、量测是重要的议题，现今最重要的应用便是电子组件的材料散热，如何从逐渐精密化的电子组件中散去高密度之热能，为了有更好的散热效果，对于热传导性质量测是必须的，除了轴向之热传导性质，本实验着重于侧向热扩散性质的量测，以1863年发展出Angstrommethod后，HirooKanamori[1]于1969年提出地壳在高温高压下之地震扩散模式，文中提到圆柱体之计何形状在高压下以Angstrommethod较合适，而线性之几何模式在高温下则较合适。1999年，G.Wagoneretc.利用其原理测得碳纤维及其

5、化合物之扩散率[2]，同年M.PILARUTRILLAS以此方法量测大气层中气体浊度扩散之无因次化理论[3]，2000年，AndrewM.Bouchard[4]测得黄铜之热传导率为133(W/mK),此与标准值128(W/mK)之误差值在4%以内。同年，AmyL.Lytle[5]也以此方法测得黄铜之K值在100(W/mK)第十三届全国热管学术会议至180(W/mK)中间。本文之目的在于利用此一机台之特性寻求测量均温板之扩散率之可行性研究，因此在探讨均温板热传性质之前，就必须针对热扩散性质做研究，以两相

6、流性能测试装置探测物体的热扩散性质，先以标准铜片、铝片为标准测试物，归纳适合量测之功率、周期、测试距离…等因素，以此标准来探讨量测均温板之扩散性能。2实验理论本文对于热传导系数(k)量测分成两部分，第一部分热扩散率(α)的量测利用Angstrommethod应用于热扩散率的量测方法，第二部分则是定压比热容(C)实验，以下为理论说明：2.1热扩散系数(α)的量测：本实验以Angstrommethod为基础，研发出两相流性能测试装置来量测热扩散率，图2.1为两相流性能测试装置。图2.2量测模块架构示意图，

7、在一个电子制冷芯片控制系统上加一块铜块，将均温板置于铜块上方，铜块之加热与冷却端赖电子制冷芯片之控制以周期性作周期性之控制。图2.3是待测铜条示意图，以Angstrommethod分析热扩散率之量测理论是当一维之待测物之热扩散率以热传公式可求得如(1)，α=k……(1)ρC其中k:热传导系数，其单位为W/m·K。ρ:此材料的密度，其单位为kg/m3。C:比热容，其单位为kJ/kg·K当热能以正弦波周期性功率加热于待测物之一端，另一端放置于环境自然中，并利用热电偶量测两端温度如图2.4，热能将会以正弦波

8、形式传导于待测物之另一端，经过传导一段时间、距离，纪录两端温度会以正弦波形式变化，并且在另一端温度震荡振福将比加热端温度震荡振幅缩小并且与加热端有一相位差其波振福与其相位之示意图如图2.5，利用两端热电偶量测出之温度随时间之变化量即可量测出待测物之热扩散率(2):L2α1=……(2)2(lnMΔtN)其中Δt：从thermocouple1到thermocouple2间正弦波迟滞的时间。L：两点ThermalCouple之量测距离。M：量测Thermalc