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2021.09.01
學習教室

熱管概念的起源

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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,其熱傳數大約是純鋁的50~100倍。

 

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熱管(Heat Pipe) 此概念起源於1942年美國俄亥俄州G.M公司R.S.Gaugler所申請的專利。然而真正出現熱管方面大量研究是從1960年代開始,1963年Grover在美國新墨西哥州Los Alamos研究所展開一系列的熱管研究,研究內容包括使用鋰、鈉、銀等工作流體,毛細結構使用金屬絲製成的網狀結構、1970年代,熱管開始廣泛的應用在太空元件上,當時所設計的熱管都以金屬當作工作流體,工作溫度約在10000C以上,適合應用在外太空元件等無重力環境之下。直到Deverall和Kemme等發現了以水當工作流體的低溫熱管後,熱管的應用才更進一步的擴大到民生用途,如太陽能熱水器、汽車引擎冷卻、乃至於現今最普遍的電子元件冷卻。

 

熱管乃是利用工作流體相變化之雙相流移熱之機械元件,分為蒸發部、絕熱部及冷凝部。當附著於蒸發部管壁之次冷液體吸收外界熱量時,會將液體加熱汽化並且產生一較高壓力稱為蒸氣壓,此蒸氣壓力是造成蒸氣流往冷凝端(壓力較低)流動之原動力,當蒸氣流到冷凝部時會釋放出潛熱且凝結成液體,此液體最後利用熱管之毛細結構所提供之毛細力回到蒸發部而形成一個循環。值得注意的是,此循環無需額外的流體驅動元件,且利用潛熱可以快速傳輸大量的熱量等都是熱管的優點。熱管之大量應用是在筆記型電腦,由於空間之限制,CPU之熱量不能直接做散熱,因此必須靠熱管元件將熱從CPU一端先導到另一端(一般就是筆電機殼之側面,再利用機殼旁邊之小風扇將熱以對流方式做散熱),導熱的工具當然可以用銅管(熱傳導係數400W/m.K),鋁管(200 W/m.k),但是熱傳導係數太低,傳熱速度不夠快,熱管則可高達14,000到20,000W/m.K左右,因此以熱管作為導熱之工具相當有效率,是現在電子散熱不可缺少之導熱元件之一。

 

文字編輯 高柏科技團隊


林唯耕教授
 

作者

林唯耕教授

學歷 | 美國馬里蘭大學博士
現職 | 國立清華大學,工程與系統科學系,兼任教授
專長 | 電子構裝散熱、熱管、環路式熱管(CPL,LHP,PHP)、節能設計、太陽能儲熱與冷卻、熱流系統、電子元件之冷卻、雙相流、人造衛星暨高空飛行物之熱傳元件

 

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