熱導管

熱導管。原圖鏈接

熱導管（Groove Heat Pipe），也稱熱管，是一種管體質輕具有快速均溫特性的特殊材料，其熱超導優異性能，可在幾乎沒有傳熱損失下，快速將熱量由一端傳到另一端，俗稱熱超導。熱導管的工作原理是一內含作動流體之封閉腔體，藉由腔體內作動流體持續循環的液汽二相變化，及汽&液流體於吸熱端及放熱端間汽往液返的對流，使腔體表面呈現快速均溫的特性而達到傳熱的目的。最早始於1942年由R.S.Gaugler 提出，1962年 G.M.Grover 發現其特性才開始發展。

目录

簡介

熱導管是一種可將熱快速傳遞出去的元件，利用物質汽態、液態二相變化，和對流原理設計而成，只能算是散熱裝置的一部分，可以稱作導熱元件，而非散熱元件。其快速均溫的特性，使之運用的範圍及普及率都相當廣且高。熱導管需三個基本元件：1.容器 2.毛細結構 3.工作流體。在真空的封閉容器中，當受熱端將工作流體蒸發成汽相，汽相流經過中空管道到冷卻端，冷卻後將工作流體凝結成液相，冷凝後再藉由毛細結構吸回受熱端，如此即完成吸-放熱循環，達到熱量傳遞功效。

工作原理

熱導管基本上是一內含作動流體之封閉腔體，藉由腔體內作動流體持續循環的液汽二相變化，及汽&液流體於吸熱端及放熱端間汽往液返的對流，使腔體表面呈現快速均溫的特性而達到傳熱的目的。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。

管體結構

熱導管須藉由管體結構形成封閉腔體，管體既須具有承受內外壓差的結構功能，亦是熱傳入與傳出腔體的介質材料，因此除演示用熱導管，會以玻璃材質以展示其內部作動現象外，其它實用熱導管之管體材料均為金屬。另有重力熱管，它僅由管殼和工作介質兩部分組成。由於重力熱管結構簡單，因而是餘熱回收中應用的主要型式。

運用於電子散熱業界的小形熱導管，其管體材質大多為銅，亦有因重量考量而採用鋁管或鈦管。

不凝結氣體

熱導管中若存在作動流體以外的雜質氣體（如空氣），因這些雜質氣體並不參與蒸發-冷凝循環，而被稱做不凝結氣體，不凝結氣體除了會造成啟動溫度升高外，在熱導管作動時，會被汽相作動流體壓縮至冷凝端，而佔據一定的腔體空間，造成應該均溫的管體，在有效作動段與不凝結氣體段有一顯著溫差，而嚴重影響其導熱效能；這些不凝結氣體可能來自於：熱導管製程中抽真空不完全，或管體隙縫空氣洩入腔體不潔，以及與作動流體或管壁反應產生。

導熱流程

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。

應用

普通導熱材料中,以金屬導熱為最快,但金屬的熱傳導有一個過程。而熱導管巧用汽化熱，當管子一頭受熱時。吸液芯中的液體馬上吸熱汽化，液體分子變為速度極高的氣體分子很快「飛」到管子另一端，與管壁相碰傳遞出了熱量冷卻為液體，經吸液芯毛細管的作用回到熱端再重複以上的過程，很快熱量就傳過去比金屬快得多。

熱導管是極有用的特殊人工材料，在宇宙飛船、衛星等人造天體中裝上熱管，可使曬太陽的一面與不曬太陽的一面溫差大大減小,保持人造天體各部分溫度基本均勻,保證了人造天體內各種儀器、儀表的正常工作。開採石油的輸油管在冬天易凍結.利用熱管可以把地下深處的地熱引到輸油管中，達到防凍的目的;在公路下埋上熱管.則成了寒冬不結冰的公路。有些不允許直接加熱的設備可以利用熱管向接加熱，頗為方便，同時，熱管也可以作為高效散熱器，提高熱效率。

散熱機制

散熱機制 （Mechanism），熱導管製程先將內部空氣抽除，再注入工作流體與封口，在低壓環境下工作流體的汽化溫度會大幅下降。蒸發區吸收熱量後迅速汽化，蒸汽往冷凝區移動，經與外部熱源交換熱量後，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原理，其熱傳係數大約是純鋁的50~100倍。

熱管的運用範圍相當廣泛，最早期運用於航天領域，現早已普及運用於各式熱交換器、冷卻器、天然地熱引用等，擔任起快速熱傳導的角色，更是現今電子產品散熱裝置中最普遍高效的導熱（非散熱）元件。

作動機制

其作動機制為，液相作動流體於吸熱端蒸發成汽相，此一瞬間在腔體內產生局部高壓，驅使汽相作動流體高速流向放熱端，汽相作動流體於放熱端凝結成液相後，藉由重力/毛細力/離心力…迴流至吸熱端，循環作動。由此可知，熱導管作動時，氣流係由氣壓壓力差驅動，液流則須依使用時之作動狀態，採用或設計適合的迴流驅動力。

熱導管理想作動時，作動流體處於液&汽兩相共存的狀態，兩相無溫差，亦即整個腔體內均處於均溫狀態，此時雖然有熱能進出此一腔體系統，但吸熱端與放熱端卻是等溫，形成等溫熱傳的熱超導現象。

優點

熱導管換熱器與常規的換熱器相比，熱管換熱器具有以下優點：

• 溫度分佈均勻，熱阻小，熱反應快速。
• 傳熱量大，在較小溫差下傳送較多的熱量。
• 重量輕，體積小，結構簡單。
• 無磨耗壽命長，無需電源，可在無重力場下運作。
• 冷、熱流體相互隔絕，相互間無洩漏，能防止和減輕低溫腐蝕，適用溫度範圍廣。
• 熱流密度可調，熱源不受限制，工質循環無功率消耗。
• 可提高壁溫，減輕低溫腐蝕。

影片

The production of be quiet! CPU coolers, part 1: heat pipes製作要安靜！ CPU散熱器，第1部分：熱管