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2021.09.01
学习教室

热管概念的起源

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散热机制 Mechanism

热导管制程先将内部空气抽除再注入工作流体与封口,在低压环境下工作流体的汽化温度会大幅下降、蒸发区吸收热量后迅速汽化,蒸汽往冷凝区移动经与外部热源交换热量后, 凝结成液态,再藉由重力或管壁的毛细力与压力差回流到蒸发区,周而复始的循环。 藉由流体两项变化的原理,其热传数大约是纯铝的50~100倍。

 

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热管(Heat Pipe)的概念起源于1942年,美国俄亥俄州G.M公司R.S.Gaugler申请了专利。然而,真正大量研究热管的工作始于1960年代。1963年,Grover在美国新墨西哥州Los Alamos研究所开始了一系列热管研究,包括使用锂、钠、银等工作流体,毛细结构采用金属丝制成的网状结构。到了1970年代,热管开始广泛应用于太空元件上。当时设计的热管多以金属作为工作流体,工作温度约在1000℃以上,适合应用于外太空元件等无重力环境下。直到Deverall和Kemme等人发现了以水作为工作流体的低温热管后,热管的应用进一步扩大到民生领域,如太阳能热水器、汽车引擎冷却,甚至是现今最普遍的电子元件冷却。

热管利用工作流体的相变化进行热传递,是一种机械元件,分为蒸发部、绝热部和冷凝部。当附着在蒸发部管壁的次冷液体吸收外界热量时,会将液体加热汽化并产生较高压力称为蒸气压,此蒸气压是造成蒸气流向冷凝端(压力较低)流动的原动力。当蒸气流到冷凝部时,会释放出潜热并凝结成液体,此液体最后利用热管的毛细结构所提供的毛细力回到蒸发部形成一个循环。值得注意的是,此循环无需额外的流体驱动元件,且利用潜热可以快速传输大量的热量等都是热管的优点。

热管在众多领域应用广泛,其中之一是在笔记本电脑中。由于空间有限,CPU的热量不能直接散热,因此必须借助热管将热从CPU一端传导到另一端(一般是笔记本机壳的侧面),再利用机壳旁边的小风扇以对流方式散热。传热工具可以使用铜管(热传导系数400W/m.K)、铝管(200 W/m.k),但热传导系数太低,传热速度不够快,而热管的热传导系数可高达14,000到20,000W/m.K左右,因此热管作为传热工具相当高效,是当前电子散热中不可或缺的导热元件之一。

 


林唯耕教授
 

作者

林唯耕教授

学历 | 美国马里兰大学博士
现职 | 国立清华大学工程与系统科学系,兼任教授
专长 | 电子组装散热、热管、环路式热管(CPL,LHP,PHP)、节能设计、太阳能储热与冷却、热流系统、电子元件之冷却、双相流、人造卫星及高空飞行物之热传元件

 

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