熱導管

熱導管

熱管一般是中空的圓柱形管,熱管兩端產生溫差的時候,蒸發端的液體就會迅速氣化,將熱量帶向冷凝端,速度非常快。

基本介紹

  • 中文名:熱導管
  • 外文名:heat pipe
  • 作用:導熱
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發展歷史

熱導管技術是1963年美國LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件,它充分利用了熱傳導原理與製冷介質的快速熱傳遞性質,透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛套用在宇航、軍工等行業,自從被引入散熱器製造行業,使得人們改變了傳統散熱器的設計思路,擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式,採用熱管技術使得散熱器即便採用低轉速、低風量電機,同樣可以得到滿意效果,使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決,開闢了散熱行業新天地。

熱導管

(或稱熱管)系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,而其快速均溫的特性,則使其具有優異的熱超導性能;熱管的運用範圍相當廣泛,最早期運用於航太領域,現早已普及運用於各式熱交換器、冷卻器、天然地熱引用…等,擔任起快速熱傳導的角色,更是現今電子產品散熱裝置中最普遍高效的導熱(非散熱)元件。

工作原理

熱導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,及汽&液流體於吸熱端及放熱端間汽往液返的對流,使腔體表面呈現快速均溫的特性而達到傳熱的目的;
其作動機制為,液相作動流體於吸熱端蒸發成汽相,此一瞬間在腔體內產生局部高壓,驅使汽相作動流體高速流向放熱端,汽相作動流體於放熱端凝結成液相後,藉由重力/毛細力/離心力…回流至吸熱端,循環作動。由此可知,熱導管作動時,氣流系由氣壓壓力差驅動,液流則須依使用時之作動狀態,採用或設計適合的回流驅動力。
熱導管理想作動時,作動流體處於液&汽兩相共存的狀態,兩相無溫差,亦即整個腔體內均處於均溫狀態,此時雖然有熱能進出此一腔體系統,但吸熱端與放熱端卻是等溫,形成等溫熱傳的熱超導現象。

管體結構

熱導管須藉由管體結構形成封閉腔體,管體既須具有承受內外壓差的結構功能,亦是熱傳入與傳出腔體的介質材料,因此除演示用熱導管,會以玻璃材質以展示其內部作動現象外,其它實用熱導管之管體材料均為金屬。
運用於電子散熱業界的小形熱導管,其管體材質大多為銅,亦有因重量考量而採用鋁管或鈦管。
不凝結氣體
熱導管中若存在作動流體以外的雜質氣體(如空氣),因這些雜質氣體並不參與蒸發-冷凝循環,而被稱做不凝結氣體,不凝結氣體除了會造成啟動溫度升高外,在熱導管作動時,會被汽相作動流體壓縮至冷凝端,而占據一定的腔體空間,造成應該均溫的管體,在有效作動段與不凝結氣體段有一顯著溫差,而嚴重影響其導熱效能;這些不凝結氣體可能來自於:
熱導管制程中抽真空不完全
管體隙縫空氣洩入
腔體不潔,與作動流體或管壁反應產生

熱導管分類

熱導管有不同分類方式,通常有:
依液相回流方式:熱虹吸式、毛細式…
依工作溫度:
工作溫度主要的作動流體
極低溫(-273~-70℃)
甲烷
低溫(-70~200℃)
中溫(200~500℃)
、Dowtherm、thermex、水銀
高溫(500~1000℃)
極高溫(>1000℃)

為什麼熱管會擁有如此良好的導熱能力?

從熱力學的角度看,物體的吸熱、放熱是相對的,凡是有溫度差存在的時候,就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。從熱傳遞的三種方式:輻射、對流、傳導來看,其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發製冷,使得熱管兩端溫度差很大,使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部是被抽成負壓狀態,充入適當的液體,這種液體沸點低,容易揮發。管壁有吸液芯,其由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發端,另外一端為冷凝端,當熱管一端受熱時,毛細管中的液體迅速蒸發,蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端,並且釋放出熱量,重新凝結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發端,如此循環不止,熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的,熱量可以被源源不斷地傳導開來。

參考資料

Yunus A. Cengel,Heat Transfer:A Pratical Approach,NewYork:McGraw-Hill
依日光編著,熱管技術理論實務,台南市-復漢.2000
Amir Faghri, Heat Pipe Science and Technology, Taylor and Francis 1995
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