热导管

更新时间:2024-06-13 15:38

热管一般是中空的圆柱形管,热管两端产生温差的时候,蒸发端的液体就会迅速气化,将热量带向冷凝端,速度非常快。

发展历史

热导管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业,自从被引入散热器制造行业,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式,采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机,同样可以得到满意效果,使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决,开辟了散热行业新天地。

热导管

(或称热管)系一种具有快速均温特性的特殊材料,其中空的金属管体,使其具有质轻的特点,而其快速均温的特性,则使其具有优异的热超导性能;热管的运用范围相当广泛,最早期运用於航太领域,现早已普及运用於各式热交换器、冷却器、天然地热引用…等,担任起快速热传导的角色,更是现今电子产品散热装置中最普遍高效的导热(非散热)元件。

工作原理

热导管基本上是一内含作动流体之封闭腔体,藉由腔体内作动流体持续循环的液汽二相变化,及汽&液流体於吸热端及放热端间汽往液返的对流,使腔体表面呈现快速均温的特性而达到传热的目的;

其作动机制为,液相作动流体於吸热端蒸发成汽相,此一瞬间在腔体内产生局部高压,驱使汽相作动流体高速流向放热端,汽相作动流体於放热端凝结成液相後,藉由重力/毛细力/离心力…回流至吸热端,循环作动。由此可知,热导管作动时,气流系由气压压力差驱动,液流则须依使用时之作动状态,采用或设计适合的回流驱动力。

热导管理想作动时,作动流体处於液&汽两相共存的状态,两相无温差,亦即整个腔体内均处於均温状态,此时虽然有热能进出此一腔体系统,但吸热端与放热端却是等温,形成等温热传的热超导现象。

管体结构

热导管须藉由管体结构形成封闭腔体,管体既须具有承受内外压差的结构功能,亦是热传入与传出腔体的介质材料,因此除演示用热导管,会以玻璃材质以展示其内部作动现象外,其它实用热导管之管体材料均为金属。

运用於电子散热业界的小形热导管,其管体材质大多为铜,亦有因重量考量而采用铝管或钛管。

不凝结气体

热导管中若存在作动流体以外的杂质气体(如空气),因这些杂质气体并不参与蒸发-冷凝循环,而被称做不凝结气体,不凝结气体除了会造成启动温度升高外,在热导管作动时,会被汽相作动流体压缩至冷凝端,而占据一定的腔体空间,造成应该均温的管体,在有效作动段与不凝结气体段有一显著温差,而严重影响其导热效能;这些不凝结气体可能来自於:

热导管制程中抽真空不完全

管体隙缝空气洩入

腔体不洁,与作动流体或管壁反应产生

热导管分类

热导管有不同分类方式,通常有:

依液相回流方式:热虹吸式、毛细式…

依工作温度:

为什么热管会拥有如此良好的导热能力?

从热力学的角度看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在的时候,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式:辐射、对流、传导来看,其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。管壁有吸液芯,其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端,另外一端为冷凝端,当热管一端受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端,如此循环不止,热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来。

参考资料

Yunus A. Cengel,Heat Transfer:A Pratical Approach,NewYork:McGraw-Hill

依日光编著,热管技术理论实务,台南市-复汉.2000

Amir Faghri, Heat Pipe Science and Technology, Taylor and Francis 1995

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