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熱導管。原圖鏈接

熱導管(Groove Heat Pipe),也稱熱管,是一種管體質輕具有快速均溫特性的特殊材料,其熱超導優異性能,可在幾乎沒有傳熱損失下,快速將熱量由一端傳到另一端,俗稱熱超導。熱導管的工作原理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。最早始於1942年由R.S.Gaugler 提出,1962年 G.M.Grover 發現其特性才開始發展。

簡介

熱導管是一種可將熱快速傳遞出去的元件,利用物質汽態、液態二相變化,和對流原理設計而成,只能算是散熱裝置的一部分,可以稱作導熱元件,而非散熱元件。其快速均溫的特性,使之運用的範圍及普及率都相當廣且高。熱導管需三個基本元件:1.容器 2.毛細結構 3.工作流體。在真空的封閉容器中,當受熱端將工作流體蒸發成汽相,汽相流經過中空管道到冷卻端,冷卻後將工作流體凝結成液相,冷凝後再藉由毛細結構吸回受熱端,如此即完成吸-放熱循環,達到熱量傳遞功效。[1]

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。散熱模組常見於電子3C產品,透過熱導管內工作流體兩項變化傳熱機制,在有限的空間內滿足穩定高效的熱傳需求。結構上,熱導管為一兩端密封,內部負壓的管狀腔體,內部有提供液體毛細吸附力量的微結構,一端為蒸發區,與熱源接觸; 另一端為凝結區,與鰭片接觸[2]

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。另有重力熱管,它僅由管殼和工作介質兩部分組成。由於重力熱管結構簡單,因而是餘熱回收中應用的主要型式。

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,或管體隙縫空氣洩入腔體不潔,以及與作動流體或管壁反應產生。

導熱流程

製程上,熱導管注入工作流體與封口之前,先抽除內部空氣,在低壓環境下工作流體的汽化溫度會大幅下降。蒸發腔內的流體吸收熱量迅速汽化,讓局部的壓力升高,蒸汽轉往凝結端移動,經與外部熱交換釋放熱量後,凝結成液態,再藉由重力或管壁的毛細力與壓力差,回流到蒸發區,周而復始的循環。藉由流體兩項變化的工作原理,熱導管的等效熱傳係數(thermal conductivity)大約是純鋁的50~100倍,可說是最有效且成本合理的熱傳元件,故能大量普及到電腦與電子產品內。

熱導管的原型為圓直管狀,常見的外徑有D3,4,5,6,8與10mm,熱導管製造生產還有相對應的折彎,扁平與段差流程,以適合不同產品內部機構空間的限制。下表一為不同外徑熱管,最小建議的折彎半徑,折彎半徑過小,會導致折彎處外觀凹陷,內部銅粉剝落等不利缺陷,進而影響熱導管之熱傳性能。

應用

普通導熱材料中,以金屬導熱為最快,但金屬的熱傳導有一個過程。而熱導管巧用汽化熱,當管子一頭受熱時。吸液芯中的液體馬上吸熱汽化,液體分子變為速度極高的氣體分子很快「飛」到管子另一端,與管壁相碰傳遞出了熱量冷卻為液體,經吸液芯毛細管的作用回到熱端再重複以上的過程,很快熱量就傳過去比金屬快得多。

熱導管是極有用的特殊人工材料,在宇宙飛船、衛星等人造天體中裝上熱管,可使曬太陽的一面與不曬太陽的一面溫差大大減小,保持人造天體各部分溫度基本均勻,保證了人造天體內各種儀器、儀表的正常工作。開採石油的輸油管在冬天易凍結.利用熱管可以把地下深處的地熱引到輸油管中,達到防凍的目的;在公路下埋上熱管.則成了寒冬不結冰的公路。有些不允許直接加熱的設備可以利用熱管向接加熱,頗為方便,同時,熱管也可以作為高效散熱器,提高熱效率。[3]

散熱機制

散熱機制 (Mechanism),熱導管製程先將內部空氣抽除,再注入工作流體與封口,在低壓環境下工作流體的汽化溫度會大幅下降。蒸發區吸收熱量後迅速汽化,蒸汽往冷凝區移動,經與外部熱源交換熱量後,凝結成液態,再藉由重力或管壁的毛細力與壓力差,回流到蒸發區,周而復始的循環。藉由流體兩項變化的原理,其熱傳係數大約是純鋁的50~100倍。[4]

熱管的運用範圍相當廣泛,最早期運用於航天領域,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。

作動機制

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。

優點

熱導管換熱器與常規的換熱器相比,熱管換熱器具有以下優點:

  • 溫度分佈均勻,熱阻小,熱反應快速。
  • 傳熱量大,在較小溫差下傳送較多的熱量。
  • 重量輕,體積小,結構簡單。
  • 無磨耗壽命長,無需電源,可在無重力場下運作。
  • 冷、熱流體相互隔絕,相互間無洩漏,能防止和減輕低溫腐蝕,適用溫度範圍廣。
  • 熱流密度可調,熱源不受限制,工質循環無功率消耗。
  • 可提高壁溫,減輕低溫腐蝕。

影片

The production of be quiet! CPU coolers, part 1: heat pipes製作要安靜! CPU散熱器,第1部分:熱管

參考資料