脈衝式熱管於陣列熱源之散熱性能研究

 

刊登日期:2020/4/5
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黃啟航、張文鏵、曾智勇/工研院綠能所
 
本研究以脈衝式熱管技術為基礎,開發新型立體迴路式的結構,可應用於陣列式多熱源散熱需求。主要係利用蒸發區接收熱源的熱量,使系統內部形成相變化之壓力差,進而驅動管內工作流體循環散熱。立體式脈衝熱管迴路整體外觀尺寸為540 mm × 250 mm × 135 mm,利用銅管直接整合散熱鰭片以及蒸發區,以提升熱源和蒸發區溫度均勻性。本文比較兩種不同特性的工作流體,包括純水及甲醇,分別填充30%至70%之體積填充率進行性能測試,加熱功率由200 W依序增加至800 W,記錄蒸發區和散熱鰭片之間熱管的溫度分布,探討整體熱阻值。加熱功率設定於800 W時,水及甲醇,蒸發區至環境整體熱阻值分別為0.078 ˚C/W、0.056 ˚C/W。實驗結果顯示,本研究所開發之立體式脈衝熱管迴路可滿足立體陣列熱源熱管理問題。
 
【內文精選】
前 言
傳統以燒結或溝槽成型之毛細結構熱管,主要係利用液汽相變化達到高熱傳特性和均溫效果,因具完全封閉之腔體和無需額外能耗等優點,使其成為理想的被動熱傳元件,並大量應用於電子產品之散熱設計中。然而近年來電子元件尺寸的微小化,伴隨更密集的熱源管理問題和有限空間限制,傳統熱管已逐漸不敷使用。
 
Akachi提出使用脈衝式熱管(Pulsating Heat Pipe)或稱為震盪式熱管(Oscillating Heat Pipe)概念。Rittidech等人依照迴路不同大致將其分為如圖一所示之三個種類:
③開放式(Closed-end PHP):管子末端各自封閉,未相連接形成迴路,工作流體會在管內震盪流動。
 
圖一、脈衝式熱管迴路種類
圖一、脈衝式熱管迴路種類
 
本文模擬高功率雷射模組應用環境,驗證8組之陣列式熱源,以探討立體脈衝式熱管應用於高密度陣列式散熱的可行性。
 
實驗方法
本文的實驗架構主要由脈衝式熱管散熱模組和外部實驗設備所組成。脈衝式熱管立體迴路是以3支平滑銅管環繞構件4次共計12圈,並連接蒸發區和鰭片,銅管之外徑和內徑分別為3 mm和2.6 mm,整體尺寸為540 mm × 250 mm × 135 mm,流道內部容積為77,977 mm3。銅管迴路起點及終點連接複點連通設計,使迴路匯合於一共通腔體,讓系統內部產生不平衡力,有助於內部工作流體流動於銅管間,避免平衡之蒸氣壓阻礙液柱發生震盪,如圖二(c)。蒸發區由1組純銅塊結合而成,外觀尺寸為80 mm × 50 mm × 10 mm,銅塊對接面製作有對稱半圓溝槽,將銅管以焊接方式嵌合於銅塊間,提供固定和分布均勻性,並結合電阻式加熱棒進行熱源條件控制,如圖二(a)。冷凝區為常見之鰭管熱交換器,材質同樣為純銅,鰭片種類為平板型鰭片,以緊配方式與銅管結合,鰭片厚度和間距分別為0.5 mm和2.0 mm,以雙排管方式排列,每排6支,縱向(Pl)和橫向(Pt)節距分別為16 mm和10 mm,散熱鰭片投影面積為480 mm × 130 mm,如圖二(d)。
 
圖二、立體脈衝式熱管結構示意圖。(a)立體結構;(b)整合式熱交換器;(c)複點連通設計;(d)鰭片管距分布
圖二、立體脈衝式熱管結構示意圖。(a)立體結構;(b)整合式熱交換器;(c)複點連通設計;(d)鰭片管距分布
 
實驗結果與討論
本研究為評估脈衝式熱管應用於陣列熱源之性能表現,以設計立體脈衝式熱管迴路串聯蒸發區和散熱鰭片,量測記錄不同瓦數和不同工作流體下之各點溫度曲線,並透過溫度分布描述整個散熱模組之熱性能表現。實驗熱平衡時間約為900秒。
 
本文比較兩種不同特性的工作流體(純水及甲醇)於不同填充率和加熱功率之熱性能曲線。相較於甲醇,純水具有較高的比熱及潛熱。填充水為工作流體時,實驗結果如圖六所示,其升溫曲線平穩,並達熱平衡時持續有脈衝現象造成之溫度震盪,於最高瓦數800 W、填充率70%時達最佳平衡溫度86˚C。而以甲醇為工作流體時,於蒸發區受熱升溫過程中即可觀察到明顯溫度變化…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》400期,更多資料請見下方附檔。

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