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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
環路型微熱管之溫控研究
NSC 90-2212-E-002-186
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
執行機關：國立台灣大學機械工程學系
主持人：陳瑤明
摘要
本文旨在研究藉由試製熱傳量約 200W 之環路式熱管，建立設計，製造與測試環路式熱
管之能力。首先，由理論來探討蒸發器內部的毛細結構重要參數，包括粉末粒徑、孔隙
度、熱傳導係數及厚度等。再根據流動限、啟動限、過冷度需求，可將毛細結構參數決
定。在完成初步設計後，建立環路式熱管製造設備及流程，包括填粉燒結模具與適當的
燒結方式，清洗與工質注入系統，測試設備。實作完成之環路式熱管經測試後其性能為，
在蒸發器溫度低於 60℃的條件下，最大熱傳量可達 300W，熱阻為 0.08K/W。
前言
1942 年 Gaugler 提出利用工質在相變化時所具有的潛熱來傳送熱量，即為熱管的概
念，在發展的過程中，相繼有人提出革新的想法，期望能將突破傳統熱管的限制，使以
相變化為原理之熱傳裝置能夠應用到更多的領域。980 年代環路式熱管(Loop Heat Pipe)
之概念由 Maidanik 提出，以其研究單位俄羅斯國家科學院熱物理研究所為中心進行一
系列的研究。
環路式熱管與毛細泵環路擁有比傳統熱管更大的熱傳量，可將熱帶至更遠的地方
散走，而使用時環路式熱管的啟動較毛細泵環路更為容易，且系統結構亦較為簡單，因
此若能將環路式熱管應用於電子熱傳上，應能有效解決現今電子元件日益重要的散熱問
題。相關重要文獻回顧如下：
1994 年 Maidanik 指出環路式熱管有隨瓦數之增加有不同之工作狀態，因應所輸入
瓦數所需要的冷凝面積，系統內部的工質分佈情形也會自我調整，可稱為環路式熱管之
自動調節。1996 年 Wirsch et al 針對先前之研究缺乏探討固定蒸汽段溫度對環路式熱管
所產生之影響，故實作環路式熱管(氨-不銹鋼)來加以研究其操作特性。1999 年 Ku 特別
探討了環路式熱管在低輸入瓦數之啟動情形。因為所有包含兩相的熱傳環路都有一個重
要的問題，就是其啟動的情形。環路式熱管的一大優點就是比毛細泵環路要來得容易啟
動。2000 年 Maidanik et al 探討微小型平板環路式熱管之分析與測試，使用氨為工質。
顯示不論在最大熱傳量與熱阻方面都有較佳之表現。
經由文獻回顧的分析後可知環路式熱管為優越的散熱裝置，但有關於將環路式熱管
的在電子熱傳、集熱器等之相關研究十分缺乏。針對環路式熱管的設計與製作的探討更
是付之闕如，故本文的研究著重於如何設計並製作環路式熱管，且最大熱傳量應達到
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200W 以上且熱阻要低於 0.1K/W，並從性能測試的過程中，掌握環路式熱管的運作特性
以作為未來實用時的參考。
實驗方法
本文研究環路式熱管的製程與性能，並藉由性能測試（測試系統如圖 1）來確立環
路式熱管的製造程序。主要的自製元件為毛細結構(燒結製程之毛細結構電子顯微鏡照
片圖如圖 2)，自製流程包括了毛細結構與管路之清洗、工質注入系統、測漏。性能的測
試則以實際量測環路式熱管的最大熱傳量及熱阻作為其性能指標。
圖 1 圖 2圖 3
結果討論
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製作完成環環路式熱管的參見圖 3。由熱阻分析，環路式熱管本身的主要熱阻應在
蒸發器，故為了解本實驗所製造的環路式熱管實際性能，分析蒸發器熱阻在環路式熱管
熱阻所扮演的角色，環路式熱管整體之熱阻計算方式下:
in avg c avg eQ
T
T
R
,
,(1)
本實驗之熱阻變化可參見圖 4。發現熱阻隨輸入功率的增加竟有下降的的趨勢，且
瓦數增加超過某一定值後，熱阻值最低並且熱阻值固定不再變化。環路式熱管之所以有
可變與固定熱阻的分區是由於其有自動調節的特性，可變熱阻是指隨著不同輸入功率，
所使用到的冷凝長度亦不相同，也就是代表冷凝段內的薄膜凝結區域長度不同，系統熱
阻亦隨之改變。
圖 4圖 5
當小瓦數時，將熱傳輸至冷凝器的薄膜凝結區域短，系統熱阻較大。當輸入功率增加至
中瓦數時， 所使用的冷凝長度增加，所伴隨著的是系統熱阻逐漸降低。若輸入瓦數到
達大瓦數，則必須使用到全部的冷凝長度，此時系統進入固定熱阻區，熱阻值最小。
經由實驗數據計算，本實驗的環路式熱管蒸發器的熱阻約為 0.08K/W，此時再計算
蒸發器的熱對流係數
)
(
e,avg v,avg h inT
T
A
Q
h
(2)
可知在本實驗的熱負載範圍內(30W~300W)可達 2231.94W/K m
2，與前人 Zhao 實
驗所得到熱對流係數比較，可發現此值的大小屬於核沸騰初步形成階段，毛細結構中液
態工質受熱蒸發形成氣泡，所形成的氣泡在大部分會因壓力較高由毛細結構衝入蒸汽通
4
道，小部分則再度被冷凝成液態。熱對流係數比較起毛細結構的蒸發區屬於二相並存的
情形要低，造成此一情形的原因可能有二，一是蒸發器所受到的熱負載不夠大，造成蒸
汽氣泡形成的速率不夠快，所以尚未進入理想的兩相並存區。其二可能為毛細結構與蒸
發器接觸面不夠緊密，造成工質蒸發的面積擴大，並未集中於管壁與毛細結構的接觸
面，故無法進入理想的兩相並存的熱傳機制。
環路式熱管固定熱阻區的熱阻為 0.09K/W， 經比較之後，可以清楚看到蒸發器的
熱阻佔環路式熱管熱阻絕大部分的比例。若要再降低環路式熱管，可將降低蒸發器熱阻
列為首要目標。本實驗環路式熱管在蒸發器溫度低於 60℃時最大熱傳量可達 300W(參
見圖 5)。並經由反覆測試之後， 證明其性能不因時間而下降。
結論
本研究藉由試製熱傳量約 200W 之環路式熱管，建立設計製造，測試環路式熱管
之能力，研究結果可歸納出以下結論:利用所建立之測試系統，量測環路式熱管之性能。
在蒸發器溫度低於 60℃時，最大熱傳量達 300W，熱阻 0.08K/W。實驗發現補償室溫度
隨熱負載之增加會先減而後增，系統的熱阻分為可變熱阻區與固定熱阻區，系統操作的
穩定性佳。
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