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熱管的工作原理及其在電腦工業的應用

晨怡热管 http://nx8.net/news/8/ 2006/10/1 23:46:03
日期:2006-5-10 0:50:16 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者:不详 热度:

 

熱管的起源暨基礎概念

熱管 (Heat Pipe) 是在 1963 年為美國加州大學拉斯阿拉摩斯研究所 (Los Alamos Lab.) 的格魯佛氏 (Grover) 所發明,其原始研發目的是為了要解決因機器本身運作時所產生的高溫廢熱問題,並使機器可以維持在正常工作溫度中順利運轉。

在探究熱管的作用原理前,必須先了解「熱傳遞」的基礎概念。「熱傳遞」是熱能由高溫處體傳到低溫處的現象,傳遞的方式可分為「傳導」 (Conduction)、「對流」(Convection)及「輻射」(Radiation) 三種,以下就三種傳遞方式加以說明。

  • 「傳導」:為二個物體相接觸時,熱由高溫物體傳到低溫物體的現象。
  • 「對流」:為固體和流體或不同溫度流體相接觸時,熱因流體的流動而傳熱的現象。
  • 「輻射」:為二個物體在不相接觸的情形下,熱由電磁波傳熱的現象。

此外,在同種物質的相變化時,亦會產生「熱傳遞」的現象,此意即物體在固態與液態、或液態與氣態間的相態變化時,吸熱與散熱的現象;而當熱能處於液態與氣態間的相變化,即稱為「沸騰」或「冷凝」,其所需相變化的能量稱之為「潛熱」(Latent Heat)。

熱管的工作原理

至於熱管的傳熱現象,則可包含「傳導」、「蒸發」、「對流」及「冷凝」等現象的組合,由於其利用到物質相變化時,可吸收或散發高熱能的現象,因此使得熱管成為具備極高的熱傳效率之設備。

熱管的結構十分簡單,基本上,是將液體加在一根細長、中空、二頭封閉的金屬管中,此一管子的內壁則有一層毛細物體 (Wick),而不同的金屬管材料與內加的液體物質則須依據工作環境的實際需要進行不同的操作選擇,金屬管的材料最常見的有黃銅、鎳、不銹鋼、鎢及其他合金等做為外殼,而液體物質種類則相當繁多,可包括鉀、鈉、鋰及其他等等,其必須配合實際的工作溫度需求而定,在此舉出最常見的熱管內部工作液配合工作溫度時的種類選擇如下表。

當熱管的一端置於較高溫處,而另一端處於較低溫處時,則傳熱現象便開始進行,該傳熱的方式為熱由高溫處首先穿過金屬管壁進入毛細物體中,此時毛細物體內的工作液因為受熱則開始產生蒸發的現象。熱管在高溫處的部份,便稱之為「蒸發部份」 (Evaporator), 蒸發後的汽體聚集在「蒸發部份」的中空管內,同時亦會向熱管的另一端流動。而由於熱管的另一端是接觸到較低溫處,所以當汽體到達較冷的另一端時,便開始產生「冷凝」作用,此時,熱量就是由汽態的工作液,透過毛細物體及金屬管壁而傳到較低溫的熱管外部,因此熱管在較低溫的部份即稱之為「冷凝部份 」(Condenser)。

在「冷凝部份」內,原先由「蒸發部份」所蒸發的汽體,會凝結成液體,而這些因冷凝後所產生的液體,則又因「毛細現象」 (Capillary Pumping) 的作用,自「冷凝部份」再流回「蒸發部份」…這般的流體現象將循環不息,「熱量由高溫處傳到低溫處」─即為基本的熱管傳熱原理。熱管的效率極高,舉例說明,若將熱管和同體積金屬棒的二端置於同樣溫差下,熱管的導熱量將可達到金屬棒的一千倍以上。

熱管的應用與安全概念

熱管的優點不勝枚舉,首先從熱管的結構看其優勢,包括:

1. 重量:熱管為中空金屬,因此重量將比同體積金屬輕得多。
2. 耐久:熱管沒有活動零件,不會有磨損的問題。
3. 操作簡易:熱管為封閉管,沒有需要持續添加工作液的問題。

而從運作原理上來看,熱管不需外加能量使其運作,因此運作效率高且安靜;此外,熱管亦不需倚靠重力,因此其應用範圍十分廣泛,甚至可運作於太空中。

在資訊類產品中,目前熱管亦應用在越來越多的零件上,尤其是攜帶式的消費性電子產品 (Transportable Consumer Electronics)。例如,筆記型電腦中的中央處理器之散熱裝置、顯示卡的散熱裝置等等。在此,就安規的觀點,熱管在各類產品的應用上,除了須考慮到其散熱時,是否會導致使用者使用時或零件在接觸上會承受到過高的溫度外,而其內部工作液的特性及容積亦須作額外的考量。

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