高導熱元件技術發展
楊愷祥助理教授
勤益科技大學 冷凍空調與能源系
如何有效使用及管理熱能是提升能源使用效率的重要課題，針對熱能傳遞效率改善，具高導熱性能的材料與元件成為開發上之重要項目，傳統使用的高導熱材料主要以金屬為主，以銅為例、其熱傳導係數約為400 W/m-K，而熱管利用相變化方式以及毛細力或重力使工作流體回流達到熱量傳遞功能，具極佳熱傳導性能，其熱傳導係數甚至可超過10,000 W/m-K，其導熱性超越金屬材料數十倍以上，早期運用於航太領域、軍事發展及工業用途，而目前已普遍運用到各式熱交換器、冷卻器、天然地熱引用等需求，擔任起快速熱傳導的角色，更是電子產業界中最普遍使用之高效導熱元件。
熱管作動原理如圖1所示[1]，結構可分為蒸發端、絕熱端、冷凝端三大部份，透過蒸發端輸入熱量，管內工作流體進行相變化，蒸發端之高壓狀態使得工作流體傳至低壓冷凝端，蒸氣傳送至冷凝端會凝結並釋放汽化潛熱，再透過管內毛細結構使工作流體回流至蒸發端。而製成熱管的毛細結構可分為溝槽、燒結粉、燒結網等形式，其優點為重量輕、使用壽命長(不易損壞)、高均溫性、可靠度高，管內工作流體可藉由毛細力使液體流回蒸發端，便能往復持續性循環。沿用至今，傳統式熱管是個成功被動式兩相流技術，在熱管被商業化後，陸陸續續解決不少領域所面臨的問題。但熱管卻也因其需毛細結構使工作流體回流之作動原理，在高熱量應用需求下，面臨因毛細力不足所形成之最大熱傳量限制。
圖1 熱管工作原理 [1]。
既然熱管的最大熱傳量限制來自毛細力不足，如果能找出取代毛細力使流體自冷凝段回流至蒸發器的驅動源，便可開發出適用於高熱傳量的高導熱元件。為解決傳統熱管性能限制問題，日本學者發表新型脈衝式熱管(Pulsating Heat Pipe, PHP)概念，其作動原理如圖2所示[1]，由若干直管段與若干彎頭組成，主要由管徑尺寸為毛細管尺寸等級之細長管彎曲成蛇形管路，工作流體受表面張力影響使其管內自然形成液、汽相間的柱塞。在加熱段的液柱、汽泡或汽柱與管壁之間的液膜受熱蒸發，汽柱體積膨脹，並推動汽液柱向冷凝端移動，並冷凝與收縮。由於汽液柱大小與位置隨機分佈，因而在管內產生不平衡的壓力差，使得管內工作流體產生強烈的往復脈衝，達成高效率的熱傳遞。由於其無毛細結構設計因此容易加工可大幅降低成本，且具高可撓性、等效熱傳導率、最大熱傳量及長距離傳熱等優點。
圖2 脈衝式熱管工作原理 [1]。
然而脈衝式熱管概念提出至今已有數十年，市面上卻鮮少有產品推出，關鍵在於脈衝式熱管啟動不易，在穩態熱傳時不同岐管內之汽柱壓力達到穩定平衡狀態，造成汽液柱無法移動，亦即沒有熱傳效果。且當其操作條件為蒸發段在上時，液態水將沉積在熱管底部，因逆重力的影響，使啟動與操作困難重重。為解決脈衝式熱管水平難以作動問題，Chien et al.[2]以不均勻流道造成不平衡毛細力之構想，提出當相鄰岐管的截面構型不同，加熱後對液汽柱塞的壓力與毛細力不同，進而使流體往特定方向移動，此不平衡力的概念可有效解決脈衝式熱管的水平啟動問題(圖3)。Yang et al.[3, 4] 進而將此概念搭配微製程技術於矽晶圓上製作微脈衝式熱管，並透過實驗與可視化方式分析其熱傳性能(圖4)。Tseng et al.[5]並研發非均勻銅管型態之脈衝式熱管模組，針對蒸餾水、甲醇、HFE-7100等工作流體，進行水平和垂直之性能測試。實驗結果發現甲醇與HFE-7100在因具較高飽和壓力梯度及較低潛熱使其於低瓦數時比水容易作動，故具較低的熱阻。而在高瓦數操作條件下，由於水具有較高知潛熱及顯熱可獲得較佳熱傳性能。上述技術發展雖可解決傳統脈衝式熱管於水平狀態不易啟動之問題，但卻難以在逆重力下使用，導致其應用受限。為解決逆重力操作問題Tseng et al.[6]利用複數脈衝式熱管，於單點或複數點連通使流體產生不平衡的力，即使只有少量彎頭數，亦可使流體持續進行蒸發及冷凝，成功克服脈衝式熱管難以在不同角度下操作的限制。
圖3 脈衝式熱管運作照片 [4]。
圖4 不均勻流道設計力分析圖 [4]。
脈衝式熱管主要是藉由毛細管內於真空操作下，加熱段工作流體受熱蒸發導致汽柱體積膨脹，推動汽液柱向冷凝端移動並冷凝與收縮，完成高效率之傳熱循環，故真空度亦是影響其性能之重要參數。Sun et al.[7]驗證使用不同工作流體之脈衝式熱管於不同真空度對熱傳性能之影響，實驗結果顯示真空度對水的影響明顯高於HFE-7000。低真空度下因HFE-7000飽和蒸汽溫度較低且具有較高飽和壓力差，且具較低之潛熱易於汽化推動液柱造成脈衝式熱管運作，使其具有較佳之熱傳性能。實驗結果顯示HFE-7000在無真空狀態下可使脈衝式熱管作動，此特色將有助開發無法密封真空之管壁材質如高分子等材料，用以開發輕量化抗腐蝕之高導熱元件與熱交換器，可更加擴展脈衝式熱管應用領域。
利用汽化推動液柱的脈衝式設計在無熱管所面臨毛細限問題的狀態下，理論上更適用於開發具高熱通量散熱需求之產品。但傳統脈衝式熱管主要結構是由管徑尺寸為毛細管等級之細長管彎曲成蛇形管路形成，在蒸發及冷凝端常為彎管段結構，而此彎管結構受到機械加工及流道變形產生阻塞等限制，使得必須採用具較高曲率半徑之設計。且所採用之毛細管半徑較傳統熱管更小，亦導致與散熱冷板接觸面積不足，使得脈衝式熱管本身雖具不需毛細結構驅動產生之高散熱密度之優勢，但實際開發成散熱模組時卻難以具體展現此優勢。Tseng et al. [1]針對脈衝式熱管因其特殊幾何形狀設計所導致加熱密度之限制提出新的改善構想，以立體化之脈衝式熱管及直接整合熱交換器設計概念，大幅提升加熱段脈衝式熱管覆蓋比例及冷凝段與散熱鰭片接觸面積，並獲得大量空氣側散熱面積，未來可用以解決高密度散熱之場域需求。
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