熱能終結者 - 熱管理暨節能產學技術聯盟
 
2018/09/19
 
葉孋嬋 | 特約文字編輯
 
 

隨著科技發展,現今社會人手一台智慧型手機,滑開螢幕,五花八門的APP訴說著智慧生活的點滴,以智慧型手機為媒介,串連了各式生活所需的電子產品。人們追求更輕薄短小,效能更好,續電力更佳的電子產品,但隨之而來的遺害是電流通過所產生的熱該何去何從呢?

 

「熱」是造成電子產品失效的主要原因,決定了電子產品的壽命及性能,因此熱管理相關技術的應用,乃成為電子產品開發時最被重視的課題。有鑑於此,清華大學工程與系統科學系主任林唯耕教授成立了「熱管理暨節約產學技術聯盟」,希望讓產業界能更加了解熱管理的重要性與解決的方法。

 
 

推動熱管理認證 提升對熱管理的重視

 

「熱管理就是要解決電子產品產生的熱。」林唯耕教授表示,自1993年486電腦普及後,熱管理就變成一門顯學,從以往的冷氣機到現今的 I C設計、穿戴裝置,熱管理已不只是機構單位做好熱傳模擬就可以,而必須整合產品開發流程與熱相關價值的活動,例如電路設計消耗功率管理、印刷電路板零件擺放方式以及選用適當的散熱零件等,甚至是噪音控管,都屬於熱管理的範圍。

 

「二十年前熱管理還只是個很小的部分,須等機構工程師把機構都擺好後,才會請熱流工程師來解決散熱問題。但現在不同了,熱管理跟IC 設計同樣重要。」林教授說,有鑒於熱管理技術在3 C 產業中所扮演的角色日益重要,面臨的挑戰也愈為嚴峻,故聯盟除了與企業進行熱管理的技術合作,也與清華大學自強中心共同推動了「熱管理認證班」,讓需要解決熱相關問題,卻不懂得熱也不知如何進行熱管理的公司能對此相關議題有所了解。

 

林教授表示,熱管理認證班包含24小時的正式課程以及6小時的實驗課,課程內容豐富,授課講師皆為熱管理領域學有專精的老師,結合實務經驗與理論基礎,再透過親手操作實驗,學員將能更加瞭解散熱機制與方法。完成認證班研習之後,學員也可以參加台灣熱管理協會舉辦之熱管理工程師認證考試,考取相關證照。認證班開辦過程中,讓林教授印象最深刻的是高柏科技公司執行長親自帶領工程師前來報名,也要求公司的秘書甚至是會計都需上課。認證班費用並不便宜,但執行長認為認證班以實務為重點,從大方向看整個熱管理之格局,對於非專業領域之行政人員在推廣業務上也能有更深切的認識。

 

運用聯盟核心技術 大幅降低散熱成本

 

目前參與熱管理暨節約產學技術聯盟的產業包括有設備商、模具廠商、機械加工廠、手機廠商、散熱廠商、熱管製造商、節能設備商、貿易商等,聯盟成立一年多來,已協助多家企業進行產品效能的優化。「聮盟主要之核心技術是熱管性能量測與熱管模擬、油切式變電箱散熱技術、熱介面材料技術等,其中油切式變電箱散熱所衍生之脈衝式熱管(PHP)散熱技術,可用以改善高壓電降溫油箱的效能。」林唯耕教授說,高壓電降壓時會釋放大量熱能,一般是利用油箱降溫,然而油箱吸收熱能後會使得環境溫度升高,故必須利用風扇或冷氣來降溫,十分耗費能源,但若利用PHP散熱技術,將油通過設計的熱管,集中熱源後,送往風管使用風扇冷卻便能有效降低環境溫度,而所需的成本及能源僅需傳統方式的十分之一。

 

 

目前林教授預計與中龍鋼鐵公司合作研究生化水池降溫的計畫,也將利用PHP散熱技術,然而卻遇到艱難的挑戰,因生化水池是藉由微生物來分解爐渣中的有機化學物質,故水池溫度須控制在38℃以下才能使微生物有活性,且隨著溫度增高,微生物分解效能會越低,一旦超過38℃以上,將幾乎失去活性,也增加了鋼鐵廢爐渣水放流之困難度。目前中龍鋼鐵生化池進水口溫度為42℃,又處於開放空間,無法利用冷氣降溫,PHP散熱技術的限制是無法將系統溫度降得比環境溫度還低,故若在炎熱的夏季,降溫效果便會不好。但林教授說「實驗顯示減少熱阻後,PHP技術在溫差小的環境中,還是有機會提供高效之熱交換性能。」,此計畫若能順利完成,對於國內產業將是一大福音。

 

令人驚奇的是,PHP散熱技術不僅可運用在廠房裡,日常生活用品也能看見它的蹤影!林唯耕教授已將PHP散熱技術運用在解凍板上,將脈動式熱管作改良,開發出效率更佳的解凍板,只要在兩端熱管處加入熱水,便能使解凍速度加快一倍。

 
 

熱管模擬軟體加速產品開發時程

 

熱管是由兩頭封閉的中空金屬管所構成,管內附著毛細結構,藉由管內工作流體的兩相變化,在金屬管吸熱端吸收大量的熱,使流體由液態轉成氣態,快速傳遞熱量至金屬的放熱端,再利用鰭片、冷凝器等吸收熱量轉變為液態,最後藉由管內毛細作用回到加熱端,完成一個導熱循環。林教授表示,熱管的材質、管內毛細結構如何設計以及充填什麼樣工作流體,這些都會影響散熱的效率,能運用的金屬、流體種類繁多,但實務上不可能對每一種熱管都進行測試,因此「熱管模擬」便成了工程上的重要工具。

 

「我們耗費多年寫出了一套熱管模擬的軟體,目前功能已經完備,但在全面應用之前,仍需要產學界共同建立一套熱管測試標準。」林唯耕教授說,過去國內對於熱管效能的量測方式並沒有明訂應如何進行,因此聯盟也透過台灣熱管理學會,于2015年將熱管的測試標準訂出。另一方面軟體安全防盜的部分還在進行中,待相關防護措施完成後,便能將軟體釋出,提供聯盟成員免費使用。

 
期望產學合作更緊密 創造更多價值
 

執行產學小聯盟計畫需與眾多廠商密切接觸,這讓身兼系上主任,除了教學研究外還需忙於行政事務的林唯耕教授大嘆時間不夠用,他提到:「擔任聯盟計畫主持人就像是一家公司的CEO,必須肩負成敗之責,在推廣技術的同時,也須保護雙方權益。」執行計畫讓林教授更加了解國內產業現存的瓶頸,近幾年中國方面熱管理的概念已逐漸在發展,相關產業蓬勃發展,若國內產學界合作不多加把勁,林教授憂心十年之內就會被中國超越,因此如何以核心技術協助廠商創造更大之附加價值將是聯盟未來努力的目標。

 
 
註:林唯耕教授研究團隊獲科技部107年度「產學技術聯盟合作計畫」補助(計畫名稱:熱管理暨節能產學聯盟(2/2),執行期間:2018/02/01~2019/01/31)。科技部推動「產學技術聯盟合作計畫」之目的,係為促使大專校院及學術研究機構有效運用研發能量,以其已建立之核心技術與相關之上中下游業界建構技術合作聯盟,以協助產業界提昇競爭能力及產品價值。
 
 
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