熱管的可靠度.doc

可靠度工程:热管的可靠度
廖启豪(9314548),林士超(9314557)
国立交通大学机械工程学系
摘要
热管(heat pipe)是一种藉由工作流体的相变化来达到传热促进手段的散热组件。有别于其它以直接空气冷却的散热设备,热管巧妙地利用工作流体在相变化的过程中,不但温度恒常且能吸收大量潜热的特性,被广泛地应用于若干的高阶电子产品。
本报告的内容主要分成三部份,首先是介绍热管的基本构造、工作原理及设计参数等,然后是热管的可靠度分析,最后则是结论.
关键词:热管,操作限界,热输送能力指数,毛细压力

,其为一内部真空的长形容器,内封入适量的工作流体,容器内壁则装附有毛细心(wick)。另有一种仅利用重力来达到传输液态工作流体目标的虹吸热管(syphon heat pipe)则没有如图上的毛细心构造。
至于工作原理可从整支热管被划分为三段做介绍。这三段分别是蒸发段、绝热段、冷凝段,至于轴向的中间部份则称为蒸气室。当蒸发段从外部热源接受吸收热后,位在蒸发段毛细心的工作流体便立即蒸发成气相,因为此蒸气的生成同时导致了蒸发与冷凝两端在蒸气室的压力差,所以蒸气便开始从蒸发段朝向冷凝段的方向移动。蒸气到了冷凝段之后便经由冷凝的过程将内部除储存的大量潜热释出排放到外界的热库,同时也由气相转变为液相进入了毛细心。然后在冷凝段毛细心的液态工作流体便藉由形成于毛细心的毛细压力(Capillary Pressure)朝向蒸发段流动以补充蒸发段液体的消耗,构成一散热回路。

虽然热管的构造及工作原理并不复杂,但要确保热管在执行散热的任务中能充分发挥功能,散热回路不致中断,进而避免电子组件失败损坏,先前的设计评估可谓非常重要。以下就设计的部份分成初步的粗略考虑及后续具体的数值考虑作探讨。
初步设计考虑
初步的设计考虑之目的在于使工程师在初步的设计阶段便能透过这些方法及准则快速地判断出一个设计方案的可行性,或是能简略地比较出不同设计方案间的优劣,选择一最佳的方案作更进一步的设计分析,以便能有效节省时间及资源。热管在这部份可分成工作流体的使用温度范围、工作流体与容器材料间之适合性,这两项准则来介绍。一旦这两项准则都通过判断,则可再利用热输送能力指数(figure of merit of working fluid )方法,对工作流体的热输送能力作一初步的考虑比较。

,所以使用温度必须设限在凝固点与临界点之间。其次要考虑的是在长期使用的情况下工作流体的热性质是否还能保持如同在初制造完成时的优异状况,此即工作流体的“热安定性”。下表为日本机械学会提供的参考数据。

,着重在防腐蚀及避免气体在冷凝段不能顺利冷凝的情况发生。其次,关于材料间适合性对使用寿命的影响Saaski于1987年有报告提出。下表资料即来自于此报告。表中○号表推荐;空白表普通;×号表不适合。
从表中可以得知,水、丙酮、甲醇及金属元素铯(Cs)和钠(Na)大致上得到相当不错的评价有较高的泛用性。