熱管的制程設(shè)計(jì)及導(dǎo)熱性分析畢業(yè)設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2025-06-02 21:43 本頁(yè)面
【正文】 r Chamber)。 等人以其公司開(kāi)發(fā)之ThermaBase TM 來(lái)解決電子散熱，以更佳之二維傳導(dǎo)來(lái)克服半導(dǎo)體上的熱點(diǎn)(hot spot)，達(dá)到微處理器上的均溫性。圖1. 3 司樂(lè)高科技Therma Base TM 熱板而在臺(tái)灣方面，早在1970 年代就有熱管的研究，當(dāng)時(shí)主要以成功大學(xué)及大同工學(xué)院(今大同大學(xué))為主，到1980 年末期才陸續(xù)有各大學(xué)加入研究的工作。90 年代起熱管開(kāi)始逐漸應(yīng)用在計(jì)算機(jī)工業(yè)上，早期主要是應(yīng)用于高階筆記型計(jì)算機(jī)的散熱，當(dāng)時(shí)主要的供應(yīng)廠商只有美日兩國(guó)，例如日本古河電工(Furukawa)、藤倉(cāng)(Fujikura)以及美國(guó)的司熱高科技(Thermacore)等等。我國(guó)的工業(yè)技術(shù)研究院 (ITRI，Industrial Technology ResearchInstitute) 在1980 年末期也由其能資所展開(kāi)一系列的研究與開(kāi)發(fā)，并經(jīng)由經(jīng)濟(jì)部主導(dǎo)性開(kāi)發(fā)計(jì)劃利用產(chǎn)官學(xué)分工合作，將熱管研發(fā)及制造技術(shù)轉(zhuǎn)移至相關(guān)散熱模塊廠商，亦使得臺(tái)灣成為當(dāng)今全球IT 市場(chǎng)中電子散熱產(chǎn)業(yè)的重鎮(zhèn)?，F(xiàn)今如業(yè)強(qiáng)科技(. Tech.)、奇鋐科技(AVC)、超眾科技(CCI)及鴻準(zhǔn)精密(Foxconn Tech.) 等等，均為業(yè)界自有生產(chǎn)熱管之大廠，也使得熱管的應(yīng)用發(fā)揮到極致。熱管為藉由溫差來(lái)快速傳遞熱能的裝置，它是一種傳熱的介質(zhì)，亦可稱(chēng)之為熱的超導(dǎo)體。主要特性就是不需任何外加能量就可以傳熱的被動(dòng)組件。第二章熱管的結(jié)構(gòu)與功能熱管由三項(xiàng)元素所構(gòu)成，管體、毛細(xì)組織及工作流體。散熱的基本條件就是要能提供足夠的熱傳量，所以能夠有效的導(dǎo)熱并降低熱阻就成為首要的課題。素材選用需有熱阻小及厚度薄兩大特點(diǎn)，管素材之熱阻越小，越能減少容器內(nèi)壁及外壁之溫度差；而厚度則是取決熱管是否好加工的重要關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，熱管的素材有銅、鋁、不銹鋼、陶瓷等等，其特性見(jiàn)表20?？紤]管壁兩端焊接時(shí)的氣密性與加工性，銅的延展性在制造上亦有助于保持熱管內(nèi)部的低壓狀態(tài)。素材20℃之性質(zhì)比重ρ(㎏/m179。)比熱C P(kJ/kg℃)熱傳導(dǎo)係數(shù)k(W/m℃)鋁2707204銅8954386不銹鋼(C%)783354陶瓷1000毛細(xì)組織主要在熱管內(nèi)扮演角色就是做為工作液體冷凝后返回蒸氣區(qū)的通道，所以其好壞會(huì)直接影響傳熱的效應(yīng)?；旧厦?xì)作用即是利用液體與氣體及固體接口間的表面張力作用使液體流動(dòng)的現(xiàn)象。毛細(xì)力對(duì)于工作流體的影響如圖 所示，將一細(xì)管插入液體中，在管璧與液體中會(huì)有表面張力的存在，造成管內(nèi)液面高度高于管外液面高度，此即為毛細(xì)作用。在圖中可見(jiàn)管內(nèi)與管外有一高度差i Z ，此高度差會(huì)造成一壓差，壓差與重力的關(guān)系可由21 式表述。PlPv=(ρlρv)gZi (21)圖2. 1毛細(xì)現(xiàn)象 (Peterson 1994)液體壓力(Pl )與氣體壓力(Pv )的差會(huì)與表面張力( σ)達(dá)到力平衡。θ接觸角重新整理31/ 32 式可得由此可之液面高度差與管子半徑成反比。也就是說(shuō)，管子越細(xì)毛細(xì)作用越顯著。另外表面張力之表示如圖 ，其中分子之間的作用力即為方程式32 中之表面張力(σ)。圖2. 2 表面張力 (Peterson 1994)【13】網(wǎng)格的滲透率K(permeability)為一量測(cè)液體流經(jīng)毛細(xì)組織難易程度的參數(shù)。K 值越大，表示液體越容易通過(guò)毛細(xì)組織，反之則愈不容易通過(guò)。K 值的關(guān)系式如 34 所示 （34）由上述方程式可知，要使熱管能夠達(dá)到最大的熱通量，工作液體與毛細(xì)構(gòu)造的接觸角要盡量變??；另外需注意的就是有效半徑小亦能提供較高的毛細(xì)壓差，換句話說(shuō)毛細(xì)結(jié)構(gòu)越小，理論上毛細(xì)現(xiàn)象會(huì)越好。此外由方程式34 可知要提升熱管的效益，毛細(xì)結(jié)構(gòu)須具有較好的滲透率，也就是說(shuō)對(duì)于工作液體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力要越小越好。但是毛細(xì)半徑的大小又與滲透率成正比。所以如何尋求這兩者間的最佳化搭配就是一個(gè)重要的課題。工作液體選用工作液體為熱管傳輸能量之主要介質(zhì)，選用時(shí)須具備下列特性：1. 高表面張力2. 高密度與潛熱3. 低黏度4. 管殼與毛細(xì)結(jié)構(gòu)之化學(xué)兼容性5. 成本與經(jīng)濟(jì)性因?yàn)閭鳠岱绞街饕墙骞ぷ饕后w之相變化來(lái)傳輸熱量，所以其選擇需視使用場(chǎng)合之操作溫度而定，選擇沸點(diǎn)在操作溫度附近的工作液體才能有效地在熱管內(nèi)部進(jìn)行蒸發(fā)與凝結(jié)的循環(huán)作用。 簡(jiǎn)述一般常見(jiàn)之熱管工作流體。本文實(shí)驗(yàn)所選擇的工作液體為超純水 (導(dǎo)電度=) 來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工作液體凝結(jié)溫度(℃ at 1 atm)沸騰溫度(℃ at 1 atm)工作溫度(℃ at 1 atm)適用金屬Freon – 113(CCl2CCl F2)350100鋁/銅乙醇Acetone (C3H6O)0120鋁/銅/不銹鋼甲醇Methanol(CH4O)10130銅/不銹鋼水Water(H2O)010030250銅/不銹鋼表2. 3 常用熱管之工作流體物理特性表熱管工作原理“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來(lái)獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī)，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問(wèn)題得到良好解決，開(kāi)辟了散熱行業(yè)新天地。從熱力學(xué)的角度看，為什么熱管會(huì)擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從熱傳遞的三種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。 熱管的基本工作典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1．3(10負(fù)1－－－10負(fù)4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程：(1)熱量從熱源通過(guò)熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液－－－汽）分界面；(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液－－汽）分界面上蒸發(fā)；(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽．液分界面上凝結(jié)：(5)熱量從（汽－－液）分界面通過(guò)吸液芯、液體和管
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