热管的工作原理

热管的工作原理 熱管 Heat Pipe 是在 1963 年為美國加州大學拉斯阿拉摩斯研究所 Los Alamos Lab 的格魯佛氏 Grover 所發明 其原始研發目的是為了要解決因機器本身運作 時所產生的高溫廢熱問題 並使機器可以維持在正常工作溫度中順利運轉 在探究熱管的作用原理前 必須先了解 熱傳遞 的基礎概念 熱傳遞 是熱能由 高溫處體傳到低溫處的現象 傳遞的方式可分為 傳導 Conduction 對流 Convection 及 輻射 Radiation 三種 以下就三種傳遞方式加以說明 傳導 為二個物體相接觸時 熱由高溫物體傳到低溫物體的現象 對流 為固體和流體或不同溫度流體相接觸時 熱因流體的流動而傳熱的 現象 輻射 為二個物體在不相接觸的情形下 熱由電磁波傳熱的現象 此外 在同種物質的相變化時 亦會產生 熱傳遞 的現象 此意即物體在固態與液 態 或液態與氣態間的相態變化時 吸熱與散熱的現象 而當熱能處於液態與氣態間 的相變化 即稱為 沸騰 或 冷凝 其所需相變化的能量稱之為 潛熱 Latent Heat 熱管的工作原理熱管的工作原理 至於熱管的傳熱現象 則可包含 傳導 蒸發 對流 及 冷凝 等現象的 組合 由於其利用到物質相變化時 可吸收或散發高熱能的現象 因此使得熱管成為 具備極高的熱傳效率之設備 熱管的結構十分簡單 基本上 是將液體加在一根細長 中空 二頭封閉的金屬管中 此一管子的內壁則有一層毛細物體 Wick 而不同的金屬管材料與內加的液體物質則 須依據工作環境的實際需要進行不同的操作選擇 金屬管的材料最常見的有黃銅 鎳 不銹鋼 鎢及其他合金等做為外殼 而液體物質種類則相當繁多 可包括鉀 鈉 鋰 及其他等等 其必須配合實際的工作溫度需求而定 在此舉出最常見的熱管內部工作 液配合工作溫度時的種類選擇如下表 當熱管的一端置於較高溫處 而另一端處於較低溫處時 則傳熱現象便開始進行 該 傳熱的方式為熱由高溫處首先穿過金屬管壁進入毛細物體中 此時毛細物體內的工作 液因為受熱則開始產生蒸發的現象 熱管在高溫處的部份 便稱之為 蒸發部份 Evaporator 蒸發後的汽體聚集在 蒸發部份 的中空管內 同時亦會向熱管的另 一端流動 而由於熱管的另一端是接觸到較低溫處 所以當汽體到達較冷的另一端時 便開始產生 冷凝 作用 此時 熱量就是由汽態的工作液 透過毛細物體及金屬管 壁而傳到較低溫的熱管外部 因此熱管在較低溫的部份即稱之為 冷凝部份 Condenser 在 冷凝部份 內 原先由 蒸發部份 所蒸發的汽體 會凝結成液體 而這些因冷 凝後所產生的液體 則又因 毛細現象 Capillary Pumping 的作用 自 冷凝部 份 再流回 蒸發部份 這般的流體現象將循環不息 熱量由高溫處傳到低溫處 即為基本的熱管傳熱原理 熱管的效率極高 舉例說明 若將熱管和同體積金屬棒 的二端置於同樣溫差下 熱管的導熱量將可達到金屬棒的一千倍以上 熱管的應用與安全概念熱管的應用與安全概念 熱管的優點不勝枚舉 首先從熱管的結構看其優勢 包括 1 重量 熱管為中空金屬 因此重量將比同體積金屬輕得多 2 耐久 熱管沒有活動零件 不會有磨損的問題 3 操作簡易 熱管為封閉管 沒有需要持續添加工作液的問題 而從運作原理上來看 熱管不需外加能量使其運作 因此運作效率高且安靜 此外 熱管亦不需倚靠重力 因此其應用範圍十分廣泛 甚至可運作於太空中 在資訊類產品中 目前熱管亦應用在越來越多的零件上 尤其是攜帶式的消費性電子 產品 Transportable Consumer Electronics 例如 筆記型電腦中的中央處理器之 散熱裝置 顯示卡的散熱裝置等等 在此 就安規的觀點 熱管在各類產品的應用上 除了須考慮到其散熱時 是否會導致使用者使用時或零件在接觸上會承受到過高的溫 度外 而其內部工作液的特性及容積亦須作額外的考量 熱管 Heat Pipe 是在 1963 年為美國加州大學拉斯阿拉摩斯研究所 Los Alamos Lab 的格魯佛氏 Grover 所發明 其原始研發目的是為了要解決因機器本身運作 時所產生的高溫廢熱問題 並使機器可以維持在正常工作溫度中順利運轉 在探究熱管的作用原理前 必須先了解 熱傳遞 的基礎概念 熱傳遞 是熱能由 高溫處體傳到低溫處的現象 傳遞的方式可分為 傳導 Conduction 對流 Convection 及 輻射 Radiation 三種 以下就三種傳遞方式加以說明 傳導 為二個物體相接觸時 熱由高溫物體傳到低溫物體的現象 對流 為固體和流體或不同溫度流體相接觸時 熱因流體的流動而傳熱的 現象 輻射 為二個物體在不相接觸的情形下 熱由電磁波傳熱的現象 此外 在同種物質的相變化時 亦會產生 熱傳遞 的現象 此意即物體在固態與液 態 或液態與氣態間的相態變化時 吸熱與散熱的現象 而當熱能處於液態與氣態間 的相變化 即稱為 沸騰 或 冷凝 其所需相變化的能量稱之為 潛熱 Latent Heat 熱管的工作原理熱管的工作原理 至於熱管的傳熱現象 則可包含 傳導 蒸發 對流 及 冷凝 等現象的 組合 由於其利用到物質相變化時 可吸收或散發高熱能的現象 因此使得熱管成為 具備極高的熱傳效率之設備 熱管的結構十分簡單 基本上 是將液體加在一根細長 中空 二頭封閉的金屬管中 此一管子的內壁則有一層毛細物體 Wick 而不同的金屬管材料與內加的液體物質則 須依據工作環境的實際需要進行不同的操作選擇 金屬管的材料最常見的有黃銅 鎳 不銹鋼 鎢及其他合金等做為外殼 而液體物質種類則相當繁多 可包括鉀 鈉 鋰 及其他等等 其必須配合實際的工作溫度需求而定 在此舉出最常見的熱管內部工作 液配合工作溫度時的種類選擇如下表 當熱管的一端置於較高溫處 而另一端處於較低溫處時 則傳熱現象便開始進行 該 傳熱的方式為熱由高溫處首先穿過金屬管壁進入毛細物體中 此時毛細物體內的工作 液因為受熱則開始產生蒸發的現象 熱管在高溫處的部份 便稱之為 蒸發部份 Evaporator 蒸發後的汽體聚集在 蒸發部份 的中空管內 同時亦會向熱管的另 一端流動 而由於熱管的另一端是接觸到較低溫處 所以當汽體到達較冷的另一端時 便開始產生 冷凝 作用 此時 熱量就是由汽態的工作液 透過毛細物體及金屬管 壁而傳到較低溫的熱管外部 因此熱管在較低溫的部份即稱之為 冷凝部份 Condenser 在 冷凝部份 內 原先由 蒸發部份 所蒸發的汽體 會凝結成液體 而這些因冷 凝後所產生的液體 則又因 毛細現象 Capillary Pumping 的作用 自 冷凝部 份 再流回 蒸發部份 這般的流體現象將循環不息 熱量由高溫處傳到低溫處 即為基本的熱管傳熱原理 熱管的效率極高 舉例說明 若將熱管和同體積金屬棒 的二端置於同樣溫差下 熱管的導熱量將可達到金屬棒的一千倍以上 熱管的應用與安全概念熱管的應用與安全概念 熱管的優點不勝枚舉 首先從熱管的結構看其優勢 包括 1 重量 熱管為中空金屬 因此重量將比同體積金屬輕得多 2 耐久 熱管沒有活動零件 不會有磨損的問題 3 操作簡易 熱管為封閉管 沒有需要持續添加工作液的問題 而從運作原理上來看 熱管不需外加能量使其運作 因此運作效率高且安靜 此外 熱管亦不需倚靠重力 因此其應用範圍十分廣泛 甚至可運作於太空中 在資訊類產品中 目前熱管亦應用在越來越多的零件上 尤其是攜帶式的消費性電子 產品 Transportable Consumer Electronics 例如 筆記型電腦中的中央處理器之 散熱裝置 顯示卡的散熱裝置等等 在此 就安規的觀點 熱管在各類產品的應用上 除了須考慮到其散熱時 是否會導致使用者使用時或零件在接觸上會承受到過高的溫 度外 而其內部工作液的特性及容積亦須作額外的考量 熱導管熱導管 或稱熱管 係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 毛細式熱導管內機構與作動示意圖 工作原理工作原理 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 迴流至吸 熱端 循環作動 由此可知 熱導管作動時 氣流係由氣壓壓力差 驅動 液流則須依使用時之作動狀態 採用或設計適合的迴流驅動 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 編輯 管體結構管體結構 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 編輯 不凝結氣體不凝結氣體 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 而佔據一定的腔體空間 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 熱導管製程中抽真空不完全 管體隙縫空氣洩入 腔體不潔 與作動流體或管壁反應產生 編輯 熱導管分類熱導管分類 熱導管有不同分類方式 通常有 依液相迴流方式 熱虹吸式 毛細式 依工作溫度 工作溫度工作溫度主要的作動流體主要的作動流體 極低溫 273 70 氦 氬 氪 氮 甲烷 低溫 70 200 氟利昂 氨 丙酮 甲醇 乙醇 庚烷 水 中溫 200 500 萘 Dowtherm thermex 硫 水銀 高溫 500 1000 銫 銣 鉀 鈉 極高溫 10