热管的起源及基本概念

热管 (Heat Pipe) 是在 1963 年由美国加州大学拉斯阿拉摩斯研究所 (Los Alamos Lab) 的格鲁佛氏 (Grover)发明的，其原研发目的是为了要解决因机器本身运作所产生的高温废热问题，并使机器可以维持在正常工作温度中顺利运转。

在探究热管的作用原理前，必须先了解“热传递”的基本概念。“热传递”是热从高温处向低温处传递的现象。

热传递的方式可分为传导、对流和辐射三种，以下就三种热传递方式加以说明。

• 传导：两个物体相接触时，热从高温物体传到低
  温物体的现象。
  
• 对流：由于流体温度不均匀引起流体内部密度或
  压强变化而形成的热因流体的流动而传热的
  现象。
  
• 辐射：两个物体在不相接触的情形下，热由电磁波
  传热的现象。

此外，在同种物质的相变化时，也会产生“热传递”的现象，即物体在固态与液态、或液态与气态间的相态变化时，吸热与散热的现象；而当热能处于液态与气态间的相变化，即称为“沸腾”或“冷凝”，其相变化所需的能量称之为"潜热(Latent Heat)"。

热管的工作原理

热管的传热现象可包含“传导”、“蒸发”、“对流”及“冷凝”等现象的组合，由于其利用到物质相态变化时，可吸收或散发高热能的现象，因此使得热管成为具备极高的热传效率的设备。

热管的结构十分简单，基本上，是将液体加在一根细长、中空、二头封闭的金属管中，这根管子的内壁则有一层毛细物体，而不同的金属管材料与内加的液体物质则须依据工作环境的实际需要进行不同的操作选择，金属管的材料最常见的有黄铜、镍、不锈钢、钨及其它合金等做为外壳，而液体物质种类则相当繁多，可包括钾、钠、锂及其它等等，其必须配合实际的工作温度需求而定，在此举出最常见的热管内部工作液配合工作温度时的种类选择，见
《表一》。

表1：热管内部工作液的选择种类

介质(工作液)

当热管的一端置于较高温处，另一端处于较低温处时，传热现象便开始进行，该传热的方式为热由高温处首先穿过金属管壁进入毛细物体中，这时毛细物体内的工作液因为受热就开始产生蒸发的现象。热管在高温处的部分便称之为“蒸发部分 (Evaporator)”，蒸发后的汽体聚集在“蒸发部分”的中空管内，同时也会向热管的另一端流动。而由于热管的另一端是接触到较低温处，所以当汽体到达较冷的另一端时，便开始产生“冷凝”作用，此时，热量就是由汽态的工作液，透过毛细物体及金属管壁而传到较低温的热管外部，因此热管在较低温的部分即称之为“冷凝部分 (Condenser)”。

在“冷凝部分”内，原先由“蒸发部分”所蒸发的汽体，会凝结成液体，而这些因冷凝后所产生的液体，则又因“毛细现象 (Capillary Pumping)”的作用，自“冷凝部分”再流回“蒸发部分”，这样的流体现象将循环不息。“热量由高温处传到低温处”，即为基本的热管传热原理。热管的效率极高，举例说明，若将热管和同体积金属棒的二端置于同样温差下，热管的导热量将可达到金属棒的一千倍以上。

热管的应用与安全概念

热管的优点不胜枚举，首先从热管的结构看其优势，包括：

1. 重量：热管为中空金属，因此重量将比同体积金属轻得多。
2. 耐久：热管没有活动零件，不会有磨损的问题。
3. 操作简易：热管为封闭管，没有需要持续添加工作液的问题。

而从运作原理上来看，热管不需外加能量使其运作，因此运作效率高且安静；此外，热管也不需要靠重力，因此其应用范围十分广泛，甚至可运作于太空中。

在信息类产品中，目前热管也应用在越来越多的零件上，尤其是便携式的消费类电子产品，例如用作笔记本电脑中央处理器的散热装置、显示卡的散热装置等等。在此，就从安规方面来看，热管在各类产品的应用上，除了必须考虑到其散热，是否会导致使用者在使用时或零件在接触上会承受到过高的温度外，而其内部工作液的特性及容积也必须作额外的考量。