散热进阶之热管介绍文章

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新手学堂散热进阶之热管1
各种热传递现象：



T1：高溫，T2﹕低溫，Q→：熱傳遞方向

热管的基本结构：



毛細現象：






热管的来源

热管是在1963年为美国加州大学拉斯阿拉摩斯研究所（Los Alamos Lab. ）的格鲁佛氏（Grover）所发明。顾名思义它是一种具有高效率传热性能的管子，它是在热传递学者不断的研究及寻求高效率导热装置下的產物。究竟热管是如何传热呢？在没有知道热管的原理之前，最好能先了解普通一般热传递的原理。

热传递的原理

热传递是热能由高温处传到低温处的现象。它通常可分为传导（Conduction），辐射（Radiation）及对流（Convection）三种。传导为二个物体相接触时热由高温物体传到低温物体的现象。传导热量的大小主要是依靠温差及物体的传热係数（Thermal conductivity）而定。通常物体的导热係数以固体为最高，其次是液体，最次是气体，然而在固体中以金属为最高。辐射是二个物体在不相接触的情况之下，热由电磁波（或光子）传播的现象。对流是固体和流体或不同相（Phase）的流体相接触时，由於流体流动而传热的现象。另外有二种热传递现象，就是沸腾热传递（Boiling Heat Transfer）和冷凝热传递（Condensation Heat Transfer）。它们通常被包括在对流之中，由於近二十年来热传递学者热衷的研究，它们已从其中独立而出。沸腾及冷凝在热传递中最特出的一点就是它们和形态变化有关，其中最常见的为蒸发及冷凝现象。蒸发及冷凝时液态和汽态互变之间所需的热能量称之为潜热（Latent heat）。举一个实际例子来看，当一个盛有液体的容器逐渐受热时，容器中液体的温度逐渐升高。如果容器继续受热，至靠近容器表面的液体温度超过沸点时，容器表面的液体开始汽化而有汽泡（Bubble）產生，这种现象称之为沸腾（Boiling）。此时由於液体汽化而自容器表面吸收大量的热，这种热传递现象称之为沸腾传递〔附註一〕。相反的，当汽体接触到较冷的固体时，固体表面附近的汽体开始冷凝成液体而放出其潜热。换句话说，较冷的固体吸收了汽体的潜热而使之凝为液体，这种传热现象称之为冷凝

热传递〔附註二〕。各种热传递现象表明於附图一。至於热管的传热现象，并不属於以上热传递中之任何一种，它是传导，蒸发，对流及冷凝等现象的组合。其导热量之大小能比同体积的任何金属棒高达千倍以上，因此在短短数年之间热管已引起美国及欧洲从事热传递研究者的极大兴趣。

热管的构造

热管大致说来是一根细长、中空、二头封闭的金属管子。它有15公分长的，也有15公尺长的，其外部形状不拘，在理论上几乎任何形状的设计都是可以的。管子的内壁附著一层毛细物体（Wick）〔附註三〕。毛细物体内浸湿著液体，这种液体称之为热管的工作液（Working medium），如此便是通常的热管了。〔见附图二〕然而在实际上生產製造时并不如此单纯，其结构依导热量及温度的不同而异。目前已製成的热管有用黄铜、镍、不銹钢、钨及其他合金做外壳的。热管工作液的种类更多，它包括钾、钠、銦、銫、鋰、鉍、水银、水、木酒精、丙酮、冷冻剂（Freons）液态氮、液态氧及其他一些无机盐等。事实上，热管的外壳及其工作液的选择都视热管的应用情况而定。譬如在摄氏一千度以上的高温时，热管内部多用钾、钠等液态金属，但热管用於零下一百九十度时，则内部多用液态氮等。

热管的原理

当热管的一端置於较高温处而让另一端在较低温处时，传热现象便开始產生。热由高温处首先穿过金属管壁进入毛细物体中，毛细物体内的工作液受热开始蒸发。热管在高温处的部份便称之为蒸发部份（Evaporator）。 蒸发后的汽体聚集在蒸发部份的中空管内，同时向热管的另一端流动。由於热管的另一端接触到较低温处，当汽体到达较冷的另一端时便开始冷凝，在此时热量就由汽体穿过毛细物体，工作液及金属管壁而传入较低温部份。因此热管在较低温的部份便称之为冷凝部份（Condenser）。在冷凝部份内原先由蒸发部份蒸发的汽体又凝结成了液体，这些冷凝后的液体因毛细现象（Capillary pumping）〔附註四〕的作用自冷凝部份又流回了蒸发部份，如此流体循环不息，热量由高温处便传到了低温处，这便是热管的传热原理。因为蒸发和冷凝现象在几乎相同的汽压下进行，管内的温差非常小。至於热管二端外壳的温差，则主要由於热传导由管壁外缘经过毛细物体，工作液到汽体所致。如把热管和同体积金属棒的二端置於同样温差之下，热管的导热量可以达到金属棒的千倍以上。换句话说，当同样的热量通过热管和同体积的金属棒时，热管二端的温差要比金属棒小很多。由於这种特性，热管常被称为“近等温导热”装置。〔附註五〕，统而言之，热管在结构及原理上最特出的一点是毛细物体及毛细现象的应用。由於毛细现象的作用，在冷凝部份的液体可以不需外力的作用而流回蒸发部份，这使热管成为一个完全独立而没有活动零件的导热装置，同时也使热管成为太空中传热的独特装置，因为毛细现象的作用在太空失重状态之下仍可使流体流动。

热管的优点及其应用

热管的优点很多，主要是由於它在结构及原理上所具有的独特性能所致；在结构上来看，它是个中空的管子，较同体积的金属棒要轻得多。它的外表单纯，当它和其他仪器连用时可省却了许多装置结构上的麻烦。它又是个封闭的管子，不需添加工作液，它没有活动零件，不会遭磨损，这使热管能够耐久可靠而无噪音。在原理上来看，热管内部的蒸发及冷凝现象使它具有高效率及近等温的热传导性能。此外，毛细现象的应用使热管内部的流体可以不藉外力作用而在太空失重状态之下循环不息。这些优点几乎可使热管取代所有的热传导装置。其中它的近等温导热性及在失重状态下的适应力尤其为太空工程界所重视，譬如在1965年秋季，美国太空总署放射的探险者三十六号测地卫星上已经用了热管作为传热装置，在二个月的卫星运行中热管的作用保持恆常，这证明热管在太空上的应用完全成功。

由於热管的优点如此多，其应用范围非常广泛；它可用於摄氏零下二百三十度的低温仪器中，也可用於高达摄氏一千五百度的液态金属反应炉中。它不但用於地面的一般装置上，也用於太空之中。除了如前段所述热管可用做传热装置外，其应用情形分点略述於下：

（一）能量转换：

当含有高动能的热离子撞击到热管的一端时，热离子的动能变成了热能而传至热管的另一端，此称为热离子转换器（Thermionic converter），此外，在太空上热管可置於同位素热电发电机（Radioisotope thermoelectric generator）之中，使原子能转变成热能，再变成电能，以供给人造卫星及大空船之用。

（二）热开关﹕

当採用特种的毛细物体及工作液时，热管的作用范围可在控制之下。譬如当温度低於工作液的冰点或导热量超过热管的导热极限（详见下节热管的研究内）时热管无法作用。换句话说，在外界温度变化很大时，热管仅作用於一定的温度范围之内，在此范围之外热管终止其作用。这种情形有如自动开关一般。热管的这种性能多用於自动控制及低温（Cryogenic）仪器之中。

（三）“热二极空管”（Thermal diode）：

当热管採用不同的毛细物时，它具有不同的导热极限，通常粗鬆的毛细物具有较低的导热极限。如将粗鬆及细密的毛细物同时置於一个热管的二端，则当加热於细密毛细物的一端时热管的导热量很大。反之，当加热於粗鬆毛细物的一端时，热管因受导热极限的限制，其导热量可较前者小很多。从另一方面来解释，如以甲端代表含有细密毛细物的一端，而乙端代表含有粗鬆毛细物的一端。在热管外界温度变化很大的情形下，如甲端在高温内而乙端在低温内时，热量可有效地自甲端传至乙端。反之，当乙端在高温内而甲端在低温内时，乙端由於导热极限的限制无法有效地传热至甲端。综合来说，热由甲端传至乙端易，而由乙端传至甲端难。这种现象有如二极真空管的作用一般。热管的此种功能多用於太空及低温仪器之中。

（四）温度控制（Thermal control）：

当热管外界温度变化很大时，其导热量也随之变化，然而热管内部温度的变化却很小，此种御热（Heat shield）性能及热管的近等温导热性能可用於太空衣（Spacesuit）、太空船及人造卫星的温度调节及控制上。如果採用二种不同的工作液於一个热管中时，热管就会產生二个温度区（Temperature zone），这种情形也适合某些特殊的温度控制。

（五）散热：

热管可伸出於发热装置之外，以增加发热装置的散热面积。由於热管的导热量大於同体积的金属棒，它可取代一般散热鰭（Fin）的金属片而增加其散热量。热管的此种功能多用於电子仪器的散热装置及人造卫星上的辐射鰭（Radiating fin）等。此外

热管也可装於汽车内的引擎及车室之间作为发热器及车内温度调节之用。

从以上热管的应用中可知，自热管发明至今，在短短数年之内已被广泛地採用。然而热管在应用方面的潜在力，还依赖理论方面的研究才能更有效的发挥其作用。

热管的研究

在理论上来说，热管内部的作用是一个与热传递，质量传递（Mass transfer）及动量传递（Momentum transfer）等有关的问题。这些传递情形随著热管在蒸发部份和冷凝部份之间的导热量而改变。通常情形下，热管的导热量愈大时，它内部的质流（Mass flow）愈大，动量也愈大。如果导热量不断增加到某种程度时，其内部会有特殊现象產生而使热管无法维持正常作用，此时的导热量称之为导热极限（Maximum heat flux）。热管的导热极限有四种，它们的现象及產生原因依热管的毛细物，工作液，尺寸及温度情况的不同而异。如今在研究热管理论上最主要问题即是在以上这些因素变化时如何预测热管内部的情况及各种导热极限。热管导热极限如此重要，特分述各极限於下：

（一）音速极限（Sonic limit）：

音速极限多发生於以钾、钠等液态金属作工作液的高温热管中。当热量进入蒸发部份后，蒸发部份内的液体便蒸发成汽体，这些汽体流向冷凝部份而凝成液体。如果导热量愈大，则蒸发的液体也愈多，导致於汽体的流量也愈大。由於热管是个封闭的管子，汽体在管子二端的速度为零，而在蒸发部份及冷凝部份之间的速度为最大。如果导热量不断增大到汽体的最大速度等於音速时，就会有阻塞（Choking）现象发生，而使流量无法再增大。由於这种阻塞现象所导致的传热极限的现象称为音速极限。高温热管的音速极限在热管内汽压低时尤为显著，因为热管在正常作用状态之下，其内部液体和汽体是处於饱和状态之中，所以汽压愈低时音速愈小，而阻塞现象愈容易发生。

（二）毛细极限（Wicking limit）

热管内因为毛细物的毛细吸力作用，在毛细物内所含的液体中造成压力差，此压力差能使冷凝部份的液体流蒸发部份。这种毛细吸力的大小视毛细物的结构而定。通常毛细物的结构愈细密其毛细吸力愈大。这原理有如愈细的毛细管的水愈高一般。热管开始导热后，其管内流体开始循环，如果毛细物内的液体流动所造成的压力差大过毛细吸力所能承受的压力差时，则冷凝部份内的液体无法流回蒸发部份，此时蒸发部份内因为液体无法达到而变成乾燥（dryout）。这些乾燥的部份不但使流体无法循环，更阻碍了热的传导。因此，由於此种毛细吸力的限制而导致的传热极限称之为毛细极限。

（三）沸腾极限（Boiling limit）：

热管开始导热后，其蒸发部份管壁的温度会升高。如果导热量增加时，则管壁和管内汽体之间的温差也会增大，这种温差大时毛细物内含有的液体可能会发生沸腾现象而有汽泡產生。这些汽泡在毛细物内可能阻止液体的流动而在毛细物内造成乾燥部份。乾燥处一旦產生，则如同毛细极限一般使热管无法正常作用。故蒸发部份内沸腾现象產生时的热管导热量称之为沸腾极限。

（四）捲带极限（Entrainment limit）：

热管在导热时，其管内的汽体自蒸发部份流向冷凝部份，而液体则自冷凝部份流回蒸发部份。汽体和液体的流向正好相反。在流体力学上看来，这种不同形态的流体以相反方向流动，其接触面是处於不稳定（unstable）状态之下，此时汽体和液体接触面会有波动產生。导热量愈大时，管内流量也愈大，这种波动也随著流体和液体之间的相对速度而增大。当波动大到某个程度时流动中的汽体会自液面带起一部份的液体，这种现象称之为捲带（Entrainment）。捲带现象发生时液体无法完全流回蒸发部份，此时的导热量称之为热管的捲带极限。

以上这些热管的导热极限理论上虽已有若干研究，但许多问题尚未能圆满解析出来，这也是热管尚未进入大量生產的原因。目前在热管的理论研究方面，除了加州大学的拉斯阿拉摩斯研究所之外，要推加州大学柏克莱校园（Berkeley campus）的热系统（Thermal systems）研究部门为首。笔者相信在热传递学者不断地研究之下，在数年之间热管的理论将会臻於完善，届时热管会更广泛的被工业界所採用。

附注

註一：沸腾热传递现象又可分为成核沸腾（Nucleate Boiling），膜沸腾（Film Boiling）及不稳膜沸腾（Unstable Film Boiling）等三种。它们的区别依传热量及容器和液体之间的温差而定。成核沸腾时容器表面和液体接触，大量的汽泡自容器表面的气隙中產生，这种產生汽泡的气隙称之为成核所（Nucleation site）。由於容器表面和液体直接接触，故它们之间的温差很小。膜沸腾时，容器表面被一层薄薄的泡膜（Vapor film）所遮盖，而使容器和液体不相接触，因之它们之间温差很大。不稳膜沸腾又称之为过渡沸腾（Transition Boiling）其现象介於前二者之间。沸腾热传递为非常普遍易见的传热现象，譬如煮开水即是这门学问，在1934年之前几乎无人知道，一直到二次大战后由於原子能应用的兴起始吸引了热传递学者的极大注意。

註二：冷凝热传递因固体表面状况的不同而有膜冷凝（Film Condensation）及点滴冷凝（Drop-wise condensation）二种现象之分。膜冷凝时固体表面被一层凝结液遮盖，此时热由汽体穿过此层液膜（Liquid film）而传至固体上。点滴冷凝时固体表面附著许多水滴，这些水滴沿固体表面滑下，此时汽体和固体表面直接接触，热由汽体可直接传至固体上，故其导热量很大。点滴冷凝时其每单位时间及单位面积的导热量是所有热传递中的最高者。

註三：毛细物体的种类非常多，几乎所有的多孔物体（Porous material）都可称之为毛细物体。譬如海棉、布棉、吸水纸，甚至於沙床及在高温高压下製成的金属粉块（Sintered powder），金属毡（Felted fiber）及金属网（Screen）等，后三者为常用的热管毛细物体，因为它们的导热係数较高。

註四：毛细现象最常见的例子是当一根很细的玻璃管子放入盛有液体的容器中时，因为表面张力的作用，玻璃管能将容器中的液体吸入管内，此时管内液体逐渐上升，一直到液柱达到平衡高度（Equilibrium pumping hei-ght）时才停止。热管的毛细物有如毛细管一般也具有此种性能，其毛细吸力的大小以其所能承受的垂直液柱的高度来表示〔见附图三〕。通常细密的毛细物具有较大的毛细吸力，而粗鬆的毛细物其毛细吸力较少。

註五：热量的传递是由於温差的存在，故若在完全等温（Iso-thermal）情况之下，即不会有热传递的现象。热管之所以被称之为近等温导热装置，主要由於它和金属棒相比较之故。