熱導管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。
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。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
D 熱導管外徑 Heat pipe diameter (mm) |
R 最小建議折彎半徑 Suggested Min. Bending Radius (mm) |
3 | 7.5 |
4 | 10 |
5 | 12.5 |
6 | 15 |
8 | 20 |
10 | 25 |
熱導管表二
Heat pipe diameter (mm) |
Flatten thickness (mm) |
Width (Tolerance ± 0.15mm) |
2 | 1.5 | 2.4 |
3 |
2.5 | 3.4 |
---|---|---|
2.0 | 3.7 | |
1.8 | 3.8 | |
1.2 | 4.1 | |
4 |
2.5 | 5.0 |
2.0 | 5.3 | |
1.5 | 5.6 | |
1.2 | 5.7 | |
5 |
3.0 | 6.3 |
2.5 | 6.6 | |
2.0 | 6.9 | |
1.5 | 7.2 | |
6 |
4.0 | 7.3 |
3.5 | 7.7 | |
3.0 | 8.0 | |
2.0 | 8.5 | |
8 |
5.0 | 10.0 |
4.0 | 10.6 | |
3.0 | 11.1 | |
2.0 | 11.9 | |
10 |
9.0 | 10.8 |
7.0 | 12.1 | |
5.0 | 13.2 | |
3.0 | 14.2 |
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:
ρl Liquid density
σ Surface tension
λ Latent heat
μl Liquid viscosity
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。
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