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系統識別號 U0002-0308200714003900
中文論文名稱 密閉二相虹吸式熱管之研製
英文論文名稱 Fabrication of the two-phase closed thermosyphon
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林維忠
研究生英文姓名 Wei-Chung Lin
學號 694340141
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-06
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-陳志臣
委員-顏政雄
委員-楊龍杰
委員-陳育堂
中文關鍵字 密閉式虹吸熱管  環狀陣列  溝槽毛細結構  充填率 
英文關鍵字 Closed Thermosyphon  Annular Array  Grooved Wick  Filling Ratio 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究以銅管製作具有環狀陣列的溝槽毛細結構之密閉二相虹吸式熱管,虹吸熱管整體高度為93.85mm,而內部溝槽毛細結構是以放電線切割加工法在25.4mm(OD)×19.4mm(ID)×82mm(L)的銅管內,切割出溝槽寬0.4mm、深2.4mm、溝槽數80個的矩形溝槽,提供裝置所需之毛細作用力。再以銅銀焊將管體與其他零件焊接組裝成型。
本研究之密閉二相虹吸式熱管之測試方法,是在熱管管體上裝置一散熱鰭片,於熱管上方裝置一風扇,利用強制空冷的方式帶走熱量,測試之加熱平台與本研究裝置接觸之加熱面積為31mm×31mm,施加13.5kgf之壓力,透過溫度點的量測,可推算加熱面之溫度,熱傳量與整體熱阻,並透過分析與計算,可定義並比較虹吸式熱管之性能。虹吸熱管採用去離子純水(D.I.water)當作其工作流體,並充填10.5%、18.2%、29.7%三種比例之工作流體,電源供應器輸出功率從20W開始,實驗達穩態後步級一個瓦數(20W),每次步級時間約一小時,其實驗結果顯示,發現充填率18.2%時,最高加熱功率可至160W,經計算後實際熱傳量高達140W,而加熱表面溫度維持在80℃以下,並可獲得本研究之最佳熱阻0.35℃/watt,此充填率相較於另外兩種充填率有較佳之效果,因此18.2 %為本研究虹吸式熱管之最佳充填率,並且提升整體散熱器的散熱效率。
英文摘要 In this study, a two-phase closed thermosyphon was fabricated with annular array grooved wicks by copper. The thermosyphon consisted of a 82mm long cooper tube having an inside diameter of 19.4mm and outside diameter of 25.4mm. Rectangular grooves with 0.4mm width and 2.4mm deep were cut by WEDM inside the tube to provide device wick capillary. The tube was sealed with other components by copper-silver welding.
Thermal performance of the thermosyphon was evaluated experimentally in a fan-heat sink CPU test apparatus with a heating area of 31mm×31mm. the clamping pressure between the thermosyphon and the heat sink was maintained at 13.5 kgf during the test. The influence of working fluid filling ratio and heat load are studied. D.I. water was used as the working fluid and three different filling ratio,10.5%, 18.2% and 29.7% were investigated in the research. After evaluation, the thermosyphon with 18.2% fill rate showed the best performance compared to the other samples. It had a evaporator temperature at 80℃, corresponding to a thermal resistance of 0.35℃/watt at an actual input power of 140W.
論文目次 中文摘要…………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………II
總目錄……………………………………………………III
圖目錄………………………………………………… .VI
表目錄……………………………………………………IX
符號說明…………………………………………………IX

第一章 緒論
1-1 研究動機……………………………………………1
1-2 文獻回顧……………………………………………4
1-3 研究目的…………………………………………14

第二章 理論簡介
2-1 熱管介紹…………………………………………16
2-1-1 熱管簡介………………………………………16
2-1-2 熱管作動原理…………………………………17
2-1-3 熱管熱傳限制…………………………………17
2-2 密閉二相虹吸式熱管介紹………………………19
2-2-1 虹吸熱管簡介…………………………………19
2-2-2 虹吸熱管作動原理……………………………20
2-2-3 虹吸熱管熱傳限制……………………………21
2-2-4 虹吸熱管設計與考量…………………………24
2-3 沸騰原理介紹……………………………………27
2-3-1 沸騰的基本模式………………………………27
2-3-2 成核原理………………………………………27
2-3-3 池核沸騰的相關參數影響……………………28

第三章 設計與製程
3-1虹吸熱管之設計與製作……………………………………31
3-1-1虹吸熱管毛細結構設計…………………………………31
3-1-2虹吸熱管毛細結構製作…………………………………33
3-1-3虹吸熱管結構設計製作…………………………………37
3-2實驗模組設計與組裝………………………………………39
3-3腔體清潔與脫氣充填………………………………………42
3-3-1腔體清潔……………………………………………42
3-3-2脫氣充填……………………………………………44

第四章 性能平台與操作步驟
4-1 測試設備…………………………………………………47
4-2 加熱平台構造與原理……………………………………49
4-3 工作流體充填量…………………………………………51
4-4 測試步驟與性能分析……………………………………52

第五章 結果與討論…………………………………………54

第六章 總結與建議
6-1 總結………………………………………………………60
6-2 未來建議…………………………………………………61

參考文獻..........................................63

附錄A 去離子水之性質與特性……………………………66
附錄B 三種充填率之實驗量測曲線圖……………………69
附錄C 三種充填率之實驗數據與計算表…………………72
圖目錄
圖1-1 莫爾定律……………………………………………………3
圖1-2 中央處理器(CPU)效能與發熱量關係圖………………………..3
圖1-3 虹吸熱管設備示意圖………………………………………5
圖1-4 R-22與R-134a在虹吸熱管裡的性能……………………6
圖1-5 水在虹吸熱管裡的性能……………………………………6
圖1-6 恆溫槽與蒸發區溫度差異…………………………………7
圖1-7 恆溫槽與冷凝區溫差對整體熱傳係數之影響……………7
圖1-8 密閉二相虹吸熱管實驗裝置………………………………8
圖1-9 密閉二相虹吸熱管內的溫度反應變化……………………9
圖1-10 在蒸發區沸點的變化…………………………………….9
圖1-11 數值模型與實驗結果之比較……………………………10
圖1-12 蒸汽距離位置與圓管規格示意圖………………………10
圖1-13 熱傳量與蒸發距離比A.R=11.8時,平均溫度之比較……11
圖1-14 熱傳量與蒸發距離比A.R=7.45時,平均溫度之比較……11
圖1-15 熱傳量與蒸發距離比A.R=9.8時,平均溫度之比較……11
圖1-16 微溝槽結構………………………………………………12
圖1-17 密閉二相虹吸熱管………………………………………12
圖1-18 蒸發區熱通量與熱傳係數之關係………………………13
圖1-19 熱柱………………………………………………………14
圖1-20 熱柱散熱器………………………………………………15
圖2-1 熱管作動示意圖…………………………………………18
圖2-2 熱管操作限制……………………………………………18
圖2-3 虹吸熱管作動示意圖……………………………………20
圖2-4 Seban與Faghri所提出的溢流限制物理模型……………23
圖2-5 常見的毛細結構圖………………………………………26
圖2-6 熱阻與熱管長度的影響…………………………………26
圖2-7 基本沸騰模式……………………………………………28
圖2-8 過熱表面成核過程………………………………………28
圖2-9 各種不同增強沸騰表面…………………………………29
圖3-1 密閉二相虹吸式熱管製程與構造示意圖............................30
圖3-2 管體結構與尺寸…………………………………………32
圖3-3 矩形溝槽結構……………………………………………32
圖3-4 管體外型與溝槽毛細尺寸………………………………32
圖3-5 虹吸熱管管內結構………………………………………33
圖3-6 放電線切割系統…………………………………………35
圖3-7 圓管夾具設計與完成圖…………………………………36
圖3-8 溝槽管立體圖與完成圖………………………………………36
圖3-9 毛細結構吸水測試……………………………………………36
圖3-10 虹吸熱管整體尺寸與爆炸圖……………………………….38
圖3-11 虹吸熱管完成圖…………………………………………….38
圖3-12 散熱鰭片………………………………………………………40
圖3-13 散熱風扇………………………………………………………40
圖3-14 實驗模組設計圖………………………………………………40
圖3-15 實驗模組完成圖………………………………………………40
圖3-16 實驗模組散熱示意圖…………………………………………41
圖3-17 腔體嚴重氧化層清潔流程圖…………………………………43
圖3-18 真空抽氣機……………………………………………………46
圖3-19 真空計…………………………………………………………46
圖3-20 脫氣充填管路…………………………………………………46
圖4-1 測試設備示意圖………………………………………………47
圖4-2 加熱平台示意圖………………………………………………50
圖4-3 實驗模組架設…………………………………………………53
圖5-1 充填率18.2 %加熱表面溫度與環境溫度差距比較…………56
圖5-2 充填率10.5 %加熱表面溫度與環境溫度差距比較…………56
圖5-3 充填率29.7 %加熱表面溫度與環境溫度差距比較…………57
圖5-4 不同充填率之實際加熱功率變化比較………………………58
圖5-5 不同充填率之熱阻變化比較......................................................59
表目錄
表2-1各種毛細結構的比較……………………………………………26
表4-1虹吸熱管去離子水充填率………………………………………51

符號說明
Fr、F.R.:充填率
Vall:腔體內容積
Vfluid:注入流體體積
Q:實際加熱功率
R:冷卻器實際熱阻
TL:鋁棒下端溫度
TU:鋁棒上端溫度
Tc:加熱表面溫度
Ta:環境溫度
ΔX1:TU到Tc的距離
ΔX:TL到TU的距離
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