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熱管現在對於我們來說已是非常之熟悉,它在PC散熱得到了廣泛普及的應用,其原理也很好理解,是一種利用相變過程中要吸收/散發熱量的性質來進行冷卻的技術。
熱管工作流程示意圖
典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內抽成一定負壓後充以適量的工作物質(工質),使緊貼管內壁的吸液芯毛細孔中充滿液體後加以密封。當熱管一端受熱時毛細芯中的工質蒸發汽化,蒸汽在微小壓差下流向另一端放出熱量後凝結成液體,液體再沿多孔材料借助毛細力和重力流回蒸發端,如此循環不斷傳遞熱量。
熱管的基本構造
一般來說,熱管中的工質需要根據工作溫度區間進行選擇,對於PC散熱,考慮到成本因素,廠商們一般選擇的是純水和部分添加劑。不過看到有同學說,我剪開熱管為什麼沒有看到液體?
實際上熱管裡的工質是很少的,過多的話會引發液體阻塞現象,導致冷凝端無法正常工作,當然過少也不好,流體無法將毛細結構孔隙填充,造成熱管蒸發端局部乾燥。熱管的直徑、毛細結構、熱管長度都會直接影響到液體的填入量。最常見的直徑6mm長度15cm的熱管其工質裝填量大約為0.5毫昇,而且都填充在毛細孔中,所以就算剪開熱管也不會看到有液體流出。
著名科學家Cotter為熱管學奠定了理論基礎,一般稱之為Cotter理論,其中提到了熱管正常工作的必要條件:△Pc ? △Pl + △Pv + △Pg
熱管內的流體流動屬於汽-液兩相逆流流動,其中蒸汽從蒸發段流向冷凝段會產生壓力降△Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發段會產生壓力降△Pl,而重力場對液體流動也會產生壓力降△Pg(可以是正值,是負值或為零,視熱管在重力場中的位置而定)。△Pl+△Pv+△Pg形成了工質回流的阻力,而熱管中工質的循環動力是靠毛細吸液芯結構與工作液體產生的毛細壓頭,也就是△Pc。
熱管傳熱中存在各種極限
△Pv和△Pl一般隨熱負荷的增加而增在,主要受工質的黏度、密度、質量流量、熱管長度、多孔物質滲透系數等影響,而△Pc則由吸液芯結構決定的,如毛細孔半徑越小△Pc越大。毛細結構為循環提供的毛細壓頭是有限的,如果由毛細力作用抽回的液體不能滿足蒸發所需的量,便會出現蒸發段的吸液芯乾涸,蒸發段管壁溫度劇烈上昇,甚至出現燒壞管壁和熱源的現象,這就是常見的毛細極限。
顯然我們今天不是來學習如何去計算△Pc/△Pv/△Pl這些數據,只關心△Pg這一項,由重力場引起的對液體流動產生的壓力降。當蒸發端位於冷凝端之上時,工作的液體回流時還必須克服重力的影響,當然冷凝端在上面時,重力會加速液體的回流。