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热导管

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热导管,或称热管,是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,最早期运用于航太领域,现早已普及运用于各式热交换器、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。

毛细式热导管内机构与作动示意图
毛细式热导管内机构与作动示意图
建于永冻土上的纵贯阿拉斯加管道,两侧装有热导管(棕色直立物)以将地底下的热传导到地面上,避免夏季时冻土融解危害管路的安全。中国青藏铁路沿线亦装有热导管。
建于永冻土上的纵贯阿拉斯加管道,两侧装有热导管(棕色直立物)以将地底下的热传导到地面上,避免夏季时冻土融解危害管路的安全。中国青藏铁路沿线亦装有热导管。

工作原理

热导管基本上是一内含作动流体之封闭腔体,借由腔体内作动流体持续循环的液汽二相变化,及汽&液流体于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,液相作动流体于吸热端蒸发成汽相,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,汽相作动流体于放热端凝结成液相后,借由重力/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,作动流体处于液&汽两相共存的状态,两相无温差,亦即整个腔体内均处于均温状态,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

热导管须借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。另有重力热管,它仅由管壳和工作介质两部分组成。由于重力热管结构简单,因而是余热回收中应用的主要型式[1]

运用于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于:

  • 热导管制程中抽真空不完全
  • 管体隙缝空气泄入
  • 腔体不洁,与作动流体或管壁反应产生

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:
工作温度 主要的作动流体
极低温(-273~-70℃) 甲烷
低温(-70~200℃) 氟利昂丙酮甲醇乙醇庚烷
中温(200~500℃) 、Dowtherm、thermex、水银
高温(500~1000℃)
极高温(>1000℃)

优点

热导管换热器与常规的换热器相比,热管换热器具有以下优点[2]

  • 传热效率高,用于热回收时的回收率高
  • 传热量大,在较小温差下传送较多的热量
  • 体积小、重量轻、结构紧凑
  • 冷、热流体相互隔绝,相互间无泄漏
  • 能防止和减轻低温腐蚀
  • 适用温度范围广
  • 热流密度可调
  • 热源不受限制
  • 工质循环无功率消耗
  • 可提高壁温,减轻低温腐蚀

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[1]
  • 热管原理热管构造热管制作[2]

相关条目

外部链接

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