一种冷启动抗重力脉冲式热管的设计
日期 【】脉冲式热管是由一管路折弯绕成，具有数个弯曲段与数个直线段，利用管内工作流体蒸发、冷凝压力差推动液柱移动传热，具有不规律的脉冲、循环现象。脉冲式热管不需要毛细结构让液体回流至蒸发端，因此可有效降低制作成本，适合应用于大热传量的平面对平面的热传导。传统脉冲式热管在低弯头数的设计下，必须靠重力辅助工作流体回流，无法水平或负角度作动，因此热源必须低于冷源端，以致应用范围受限。本研究提出一种创新的双管脉冲式热管结构，可产生不平衡的压力差、毛细力差、重力差，成功克服重力并且冷启动。负角度等效热传导系数最高12603 W/m-K，热阻值最小0.0729 W/K，95%信心水平下，扩充量测不确定度为7.8%。
目录
引言 1
一、 脉冲式热管的概述 2
（一）脉冲式热管的设计原理 2
（二）脉冲式热管的设计方法 2
二、 设计实验的方法 3
（一）实验方法所需要的数据 3
（二）试验方法图析 3
三、数据计算 5
（一）数据计算公式 5
（二）公式的含义 6
四、 实验结果及分析 6
（一）由实验结果得到的问题 6
（二）相同条件下两种热管性能比较 6
五、结论 9
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
近年来电子产品轻薄微小化，也使性能不断地提升，因此有发热密度集中的问题，当散热设计不良时，易因热量集中导致温度分布不均匀，散热装置的效率降低，使得电子组件使用寿命降低，因此散热效率的提升是现今各界重视的议题之一。针对改善散热效率，具有高导热性能的材料与组件成为开发上的热门选项，其中热管是经常被用于电子产品散热的设计上。然而传统热管属于线型的传热组件，需要多支热管并需要设计安排适当放入位置，才能使热量均匀传导至散热装置，使得设计及开发上有诸多不便，并增加许多成本。
脉冲式热管(PHP：Pulsating Heat Pipe)或称为震荡式 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
热管(OHP：Oscillating Heat Pipe)最早是由Akachi [1, 2]于1990年提出，具有无毛细结构、长距离传输、高热传量等特征?传统的脉冲式热管是使用小管径为绕成蛇行回路，并充填些许工作流体。Charoensawan[3]和Khandekar[4]进行了大范围的性能测试，在小管径搭配蛇行回路的配置下气液柱受到蒸发与冷凝效应，在小管径中形成随机分布[5]。脉冲式热管比起传统热管，少了毛细结构，因此可节省成本。此外脉冲式热管还兼具高热传导系数、可饶性、高热传量、长距离传输。然而，自1990年脉冲式热管发明以来，却未能广泛应用于产品上，主要原因是低弯头数只能在重力辅助下作动[3]，在水平操作与负角度操作，都无法作动。因此限缩了脉冲式热管的应用。
当底部加热时，可在大范围的充填率下作动，体积充填率在40%到60%左右为最佳充填量；若是热源在上时，体积充填率约在35%以上时才能作动。在弯管数较少，且水平摆放缺乏重力辅助时，脉冲式热管不容易作动。使用高弯头数可以让脉冲式热管在水平状态下作动[6]。Rittidech[7]使用单向阀应用于脉冲式热管上，使流体往单方向流动，改善了水平启动的问题。Mohammadi[8]使用磁场辅助，对添加于工作流体中的磁性粒子施加磁力矩，使其可操作在水平角度作动。Chien[9]提出非均匀流道脉冲式热管，就是由非均匀流动阻力与毛细力，低成本，并且简单的改善水平启动的问题。尽管这些方法可以改善水平启动的问题，但仍然无法解决低弯头数脉冲式热管于热源在上，冷源在下的负角度作动问题。因此本研究提出一种创新的双管脉冲式热管结构，可产生不平衡的压力差、毛细力差、重力差，成功克服重力并且可在常温下，直接加热到作动温度，成功完成冷启动，并持续性作动。
脉冲式热管的概述
（一）脉冲式热管的设计原理
脉冲式热管具有体积小、管径小、不需毛细结构、成本低、高度可挠性与等效热传导率高、热传量大等优点。主要是由细长毛细管弯曲成的蛇形管路，围绕成若干直管段与若干弯头组成，一端为加热段，另一端为冷凝段。脉冲式热管可同时涵盖多个热源进行平面对平面的热量传递。管内工作流体受表面张力影响，自然形成液、汽相间的柱塞。在加热段管壁的液膜受热蒸发，汽柱体积膨胀，并推动液柱向冷凝端移动，并冷凝与收缩。由于汽液柱大小与位置随机分布，因而在管内产生不平衡的压力差，使得管内工作流体产生不规律的脉冲、循环，达成连续热传递的目的。
（二）脉冲式热管的设计方法
脉冲式热管变量多，对设计人员而言并无标准的参考。本文针对以下数项进行单管脉冲式热管设计原则的整理，包含几何尺寸、工作流体、蒸发段、冷凝段、操作角度、体积充填量、加热瓦数对脉冲热管之影响。并将相关的设计原则应用于双管脉冲式热管之设计。
脉冲式热管主要就是由蒸发段与冷凝段的差压推动液柱进行热传，因此管径必须够小，使液柱可由毛细作用力，随机分布于管路中。过小的管径造成流动阻力，管径过大形成波浪流，难以产生脉冲、循环，无法有效传热。根据参考文献建议，对于一般管内径建议设计值为：
(1)
其中： 工作流体表面张力 (N/m)
g 重力加速度(m/s)
工作流体液相密度(kg/m)
工作流体气相密度(kg/m)
由于脉冲式热管的热传机制主要靠气柱推动液柱进行移动，再由液柱将热量传递给管壁，显热占总热传比例9成以上，蒸发、冷凝温差越大，热传量也越大。因此挑选工作流体需求在低温容易蒸发，并产生更大的差压，并且减少流动阻力为原则，故理想的工作流体具备高dP/dT、低黏滞系数、低潜热、高比热、低表面张力等特性。表11为脉冲式热管常用的流体之性质比较。将对应物理性质代入上面提到的设计值公式，计算结果可以作为各种流体对应于脉冲式热管的管内径设计参考值，以甲醇为例，其结果约介于1.2 mm3.2 mm之间，因此本研究选用外径3 mm，内径2.4 mm与外径2 mm，内径1.6 mm铜管制做双管脉冲式热管样品。当管内径落于范围上端，脉冲式热管具有较佳性能，随着管径缩小，工作流体受到较大流动阻力，因此性能相对较差。
表11 常用工作流体性质比较
工作流体（25℃）
纯水
甲醇
乙醇
丙酮
HFE7000
沸点（℃）
100
目录
引言 1
一、 脉冲式热管的概述 2
（一）脉冲式热管的设计原理 2
（二）脉冲式热管的设计方法 2
二、 设计实验的方法 3
（一）实验方法所需要的数据 3
（二）试验方法图析 3
三、数据计算 5
（一）数据计算公式 5
（二）公式的含义 6
四、 实验结果及分析 6
（一）由实验结果得到的问题 6
（二）相同条件下两种热管性能比较 6
五、结论 9
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
近年来电子产品轻薄微小化，也使性能不断地提升，因此有发热密度集中的问题，当散热设计不良时，易因热量集中导致温度分布不均匀，散热装置的效率降低，使得电子组件使用寿命降低，因此散热效率的提升是现今各界重视的议题之一。针对改善散热效率，具有高导热性能的材料与组件成为开发上的热门选项，其中热管是经常被用于电子产品散热的设计上。然而传统热管属于线型的传热组件，需要多支热管并需要设计安排适当放入位置，才能使热量均匀传导至散热装置，使得设计及开发上有诸多不便，并增加许多成本。
脉冲式热管(PHP：Pulsating Heat Pipe)或称为震荡式 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
热管(OHP：Oscillating Heat Pipe)最早是由Akachi [1, 2]于1990年提出，具有无毛细结构、长距离传输、高热传量等特征?传统的脉冲式热管是使用小管径为绕成蛇行回路，并充填些许工作流体。Charoensawan[3]和Khandekar[4]进行了大范围的性能测试，在小管径搭配蛇行回路的配置下气液柱受到蒸发与冷凝效应，在小管径中形成随机分布[5]。脉冲式热管比起传统热管，少了毛细结构，因此可节省成本。此外脉冲式热管还兼具高热传导系数、可饶性、高热传量、长距离传输。然而，自1990年脉冲式热管发明以来，却未能广泛应用于产品上，主要原因是低弯头数只能在重力辅助下作动[3]，在水平操作与负角度操作，都无法作动。因此限缩了脉冲式热管的应用。
当底部加热时，可在大范围的充填率下作动，体积充填率在40%到60%左右为最佳充填量；若是热源在上时，体积充填率约在35%以上时才能作动。在弯管数较少，且水平摆放缺乏重力辅助时，脉冲式热管不容易作动。使用高弯头数可以让脉冲式热管在水平状态下作动[6]。Rittidech[7]使用单向阀应用于脉冲式热管上，使流体往单方向流动，改善了水平启动的问题。Mohammadi[8]使用磁场辅助，对添加于工作流体中的磁性粒子施加磁力矩，使其可操作在水平角度作动。Chien[9]提出非均匀流道脉冲式热管，就是由非均匀流动阻力与毛细力，低成本，并且简单的改善水平启动的问题。尽管这些方法可以改善水平启动的问题，但仍然无法解决低弯头数脉冲式热管于热源在上，冷源在下的负角度作动问题。因此本研究提出一种创新的双管脉冲式热管结构，可产生不平衡的压力差、毛细力差、重力差，成功克服重力并且可在常温下，直接加热到作动温度，成功完成冷启动，并持续性作动。
脉冲式热管的概述
（一）脉冲式热管的设计原理
脉冲式热管具有体积小、管径小、不需毛细结构、成本低、高度可挠性与等效热传导率高、热传量大等优点。主要是由细长毛细管弯曲成的蛇形管路，围绕成若干直管段与若干弯头组成，一端为加热段，另一端为冷凝段。脉冲式热管可同时涵盖多个热源进行平面对平面的热量传递。管内工作流体受表面张力影响，自然形成液、汽相间的柱塞。在加热段管壁的液膜受热蒸发，汽柱体积膨胀，并推动液柱向冷凝端移动，并冷凝与收缩。由于汽液柱大小与位置随机分布，因而在管内产生不平衡的压力差，使得管内工作流体产生不规律的脉冲、循环，达成连续热传递的目的。
（二）脉冲式热管的设计方法
脉冲式热管变量多，对设计人员而言并无标准的参考。本文针对以下数项进行单管脉冲式热管设计原则的整理，包含几何尺寸、工作流体、蒸发段、冷凝段、操作角度、体积充填量、加热瓦数对脉冲热管之影响。并将相关的设计原则应用于双管脉冲式热管之设计。
脉冲式热管主要就是由蒸发段与冷凝段的差压推动液柱进行热传，因此管径必须够小，使液柱可由毛细作用力，随机分布于管路中。过小的管径造成流动阻力，管径过大形成波浪流，难以产生脉冲、循环，无法有效传热。根据参考文献建议，对于一般管内径建议设计值为：
(1)
其中： 工作流体表面张力 (N/m)
g 重力加速度(m/s)
工作流体液相密度(kg/m)
工作流体气相密度(kg/m)
由于脉冲式热管的热传机制主要靠气柱推动液柱进行移动，再由液柱将热量传递给管壁，显热占总热传比例9成以上，蒸发、冷凝温差越大，热传量也越大。因此挑选工作流体需求在低温容易蒸发，并产生更大的差压，并且减少流动阻力为原则，故理想的工作流体具备高dP/dT、低黏滞系数、低潜热、高比热、低表面张力等特性。表11为脉冲式热管常用的流体之性质比较。将对应物理性质代入上面提到的设计值公式，计算结果可以作为各种流体对应于脉冲式热管的管内径设计参考值，以甲醇为例，其结果约介于1.2 mm3.2 mm之间，因此本研究选用外径3 mm，内径2.4 mm与外径2 mm，内径1.6 mm铜管制做双管脉冲式热管样品。当管内径落于范围上端，脉冲式热管具有较佳性能，随着管径缩小，工作流体受到较大流动阻力，因此性能相对较差。
表11 常用工作流体性质比较
工作流体（25℃）
纯水
甲醇
乙醇
丙酮
HFE7000
沸点（℃）
100
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