工業規格熱導管 (Heat pipe)

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熱導管

    熱導管常見於電子3C產品,透過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。

    熱導管注入工作流體與封口之前,會先將內部空氣抽除,在低壓環境下工作流體的汽化溫度會大幅下降。在蒸發端吸收熱量迅速汽化,由於局部的壓力升高,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。下表二為參考之熱管扁平後的寬度,供設計開發人員參考。

熱導管內部毛細結構

     熱導管內部結構有多種選擇,常見溝槽管,銅粉燒結,編織網與複合式結構, 不同結構各有其優勢與限制,選用時建議與專業熱流產品開發人員確認。

溝槽式熱管 (Groove Heat Pipe): 管內的齒溝是銅管抽伸時一併成型,毛細結構性能穩定,生產成本較低。

燒結式熱管 (Sintered Heat Pipe or Powder Heat Pipe): 燒結式熱管內部結構為銅粉燒結而成的多孔隙結構,銅粉的粒徑大小,粒徑分佈,與燒結的爐溫和時間,會影響燒結層的孔隙率。燒結管內工作流體的蒸發,凝結與回流,皆與管內燒結層孔隙率息息相關,所以粉末粒徑的挑選,控管與燒結製程溫度與時間的控制非常重要,一般來說燒結式熱導管的成本較高但抗重力特性強,熱傳性能優異。

網狀與編織管 (Mesh Heat Pipe or Fiber Heat Pipe):光滑管壁,再加入金屬網或是金屬編織網,提供蒸發與回流所需的微結構。製程單純,抗重力性能會稍為優於溝槽管。

複合式熱導管: 管內有兩種或兩種以上的毛細結構所組成,例如,溝槽加上燒結,或是溝槽加上銅網, 通常用來提高熱傳量或是兩項流效率,以滿足特殊的應用需求。

熱導管表一

HP Table 1

 

熱導管表二

 

HP Table 2

熱導管的工作流體選擇:

熱導管本身的材質與工作流體有多種選擇, 包含銅,鋁,不銹鋼甚至陶瓷結構;流體的挑選有水,醇類,丙酮或是阿摩尼亞, 設計者須考量專案應用的溫度與壓力需求,散熱器操作溫度與耐久性需求,選擇適當的管材與流體。在常溫常壓下,水與銅是最常見性能最好的熱導管選擇: 1976年Chi 歸納出熱管工作流體的評價參數(Merit Number),數值愈大,愈適合做為熱導管的工作流體: 

Merit EQ

Merit EQ2

流體的密度,相變化潛熱與表面張力做為分子,即說明這些數值愈大,愈適合做為工作流體, 因為在熱傳量固定的情況下, 流體的密度和相變化潛熱愈高,需要的流體流量愈小。分母的流體黏滯係數, 愈高代表著流動的壓差愈大,愈不利做為熱傳工質。

下圖以水(H2O),甲醇(Methanol),丙酮(Acetone),阿摩尼亞(Ammonia, NH3)和R22冷媒為例,比較流體在不同溫度下作為熱管工作流體的評價參數,明顯看出水的評價參數是其他流體的10倍以上,所以是熱導管工作流體的最佳選擇。  

HP Merit number

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