TW200909758A - Heat-pipe type body-temperature adjustment device - Google Patents

Description

200909758 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本創作係關於一種熱管式人體調溫裝置，特別是指一種金 鈿官體内之工作介質’經由人體接觸就會蒸發，而該金屬管體 藉助於工作介質的蒸發、輸運以及凝結等過程將人體熱量從管 體的蒸發段傳遞到另一蠕的調溫裝置。 【先前技術】 :'.、s」疋目刖電子散熱產品中廣為應用的傳熱元件之 致冷介質快速熱傳遞性質，透過 它充分利用熱傳導原理與 導熱能力超過了任〉叮 良好金屬傳遞係數的 ,七' S七發熱物體的熱量迅速傳遞到體外， 已知金屬的導熱能力，#導熱細數可達 Π) '1 0 4 倍。 ，获需要常製成直管、 τ、板形等形狀。熱管管父B 4 义旦s ,,( ①纟屬製成的多孔毛细往措榫 亚乐I付在熱管管殼的内壁上，这4 、'。構構 Β心浸透著工作介晳 因工作溫度的不同可用水、 "、工作介 I、鼠里昂、納、 質。在熱管同熱源接觸的— ’·、銀等各種 5而（洛發端）内， -熱也而迅速故發，浪氧-户h M u Α因吸 …、u ‘孔机向熱管溫度較低的山 並在凝結過程中放出熱量， " ' 而（冷凝端

竣〜的液體落在管V 的毛細作用使其流回蒸發端， 〜上’由於管 q 依#工作介質 3 熱當不斷將熱量從熱源傳遞出去。 、、象連續循環 由於熱管湘工作介質吸放潛熱 式傅遞熱量， 200909758 能具有遠高於銀、銅等良導體的熱導率。例如， 鈉熱管（不鏽鋼作外殼，不鏽鋼絲網捲成管芯， 的有效熱導率超過 418J/(cm . s · °c —根最簡單的 納為工作介質.) 而鋼熱導率僅 置，也可用來 3. 8J,/(cin . s . T： ) °熱管既可用作良好的傳熱裝 擭得均衡的溫度分布或作熱通量變換器等。 衡溫度分布的 於成功研發 有鑑於此，本案創作人鑑於習用熱管具有土句 優點，乃亟思加以改良創新，並經潛心研究後，级

、、’ N 冗成本件熱官式人體調溫裝1。 發明内 本創作之目的即在於提供一種熱管調溫裝置，其高砵導 比與高傳熱溫差效果，可提供人體局部快速的調整溫产。 本創作之次-目的係在於提供一種熱管内具有極低的 力，也就是工作介質在約攝氏3〇度就能即時蒸發，利用工作 其Κ化溫度接迎人體溫度的優點，可將熱管應用於人體血 或人體的調溫裝置。 本刈作之另-目的係在於提供一種熱量通量大的埶管， 有效排散人體更多熱量的調溫裝置。 Γ達成丄述新型目的之熱管式人體調溫裝置，包杆有. 一金屬管體’里内I右·。 , U有· 密封空間’該金屬管體二端分 椒成洛發段與冷凝段· —層毛細結構，A容 為夕孔毛細結構，構成於金屬管體内盾 200909758 上；以及 密封於管體内 工作 之工作介質，係充滿於多孔毛細結構 之液態 其中该工作介暂^ a 声 、、m化溫度將設計成人體和環境的中間温 又，Q此田舍屬管體盥 θ 、人接觸蚪，金屬管體其蒸發段吸收執 $的溫度大於i作八rr 丨人，、，、 工作介質之汽化溫度。 【實施方式】 . / L1至圖四，本創作所提供之熱管式人體調溫裝 直’主要包杯右. 金屬官體1、一層毛細結構2以及密封於管 k工作介質3所構成。 該金屬管體卜 , g μ疋一根金屬（如：鋼、鋁、不鏽鋼）的 體 欠“何形狀的容器，其内具有-密封空間，該金屬管 ―知"別構成蒸發段11與冷;疑段12，«需要也可在管體 屮間加一絕熱段1 3 ; 該層毛細結槿？，，7| < 為夕孔毛細結構’構成於金屬管體1内周 網狀（Mesh)、纖維狀（Fiber)、燒結 此為本領域人員所知，但並非用以 面上，該毛細結搆2如 (s 1111e 1 )、溝狀（G roove)， 隈制；以及 在封於官體内之工作介質3，該工作介質3係充滿於多孔毛 細結構2用以傳遞熱量，是在熱力學中指實現熱能與機械能或 其他能t的轉換或傳遞過程中所用的工作介質3。本創作之工作 200909758 介質3除了是流體外’也可以是氣體（見理想氣體、實際氣體、 混合氣體)或水蒸汽’因為氣態物質有良好的流動性和壓縮性， 便於吸收、輸運、釋放或轉換能量。該載熱之工作介質3按工 作要求選用’可從深冷液化氣（如：水、曱醇、丙酮）直到液 態金屬（如：鈉、汞、氟里昂、納、銀）；水和水蒸汽容易獲得， 其成本低廉，並具有無腐蝕性、比熱容和汽化潛熱較大等優良 性能，所以是最常用的工作介質3。構成金屬熱導管體的三個基 本要素有： 1. 密封容器：必須能抵抗工作介質3運作時所產生之最大 蒸氣壓力。 2. 毛細結檇：工作介質3藉足夠之毛細管力而迴流之管道。 3_工作介質：視金屬管體丨之用途/工作溫度而定。 一本創作係利用工作介質3的汽化溫度（彿點）取決於相應的 壓力的特性’而㈣理論分析和實驗測定可得知。透過調整金 屬管體1管内壓力來控制工作介質3的汽化溫度，該工作介質3 的汽化溫㈣將其設計成人體和環境的中間溫度。目此當.金屬 管體1與人體接觸時，蒸發段11(接觸端（下方））溫度大於工作 介質3的汽化溫度，因此卫作介質3吸熱並汽化；汽化的工作 ⑴移動到冷凝段麵接觸端(上方))，回到環境溫度，凝 結成液態；該工作介質3由於重力作用’再沿著毛細結構2重 新流回蒸發段11(接觸端（下方））。在相平衡定律係描述非均句 8 200909758 復相系處於平衡時的性質；一個損 I冲目斤、在完全平衡時的自由度 教F等於其獨立組元數C減去相數p s W数P再加2。數學表達式為： 丨'—〔卩丨2 (1) 數字2可認為是代表溫度和厣 土力兩個變量的數目。對於單 元單相糸，例如水，自由度數為9 , 又款马2，故溫度7.和壓力尸可在合理 的苑圍内獨立地改變。對於里开-知4 . J早兀—相乐’例如水和水蒸氣的混 合體，自由度數為1，表明怎j τ 又*。i衣；j /皿反和壓力兩個變量中只有一個可以 獨立地改變，&此時平衡態可在（溫度7,，壓力^相圖用—條曲 線來丧示。對於單元三相系，例如冰、水、水蒸氣的混合體， 自由度數為G’表明溫度7和壓力ρ都有^值而不能改變，此 1 Τ衡/&在服度7 ’壓力相圖上就用一個點（通常稱為三相 H)來表示。 熱力學理論可以證明，一定量的某種氣體，當容積保持不 父％，溫哎7與壓力户成正比。液體的飽和蒸氣壓等於液面上 大氣壓之溫度，此時液體各點均呈劇烈汽化現象’且液氣相可 ’、存^液面上為1大氣壓（1 at!u(7fi mm丨lg))時’則該沸點稱為 1正常彿點」，如工作介質3為水，則水的正常沸點為l〇〇t,。 當本創作之工作介質3欲填入金屬管體1内部時，須預設 工作介質3之汽化溫度（如35t)，因金屬管體1吸收人體熱量 的溫度（約37°C )會大於工作介質3之汽化溫度；如圖五所示為 水的三相圖，〇為三相點，οκ為汽化曲線，〇L為融化曲線，在 200909758 箪組分系統的相平衡中，沒有組成變量，只須考慮溫度和壓力 兩個變量，因此，所有可能的相平衡關係均可用壓力-溫度圖表 示；如果以工作介質3其汽化溫度和壓力的平衡關係落在汽化 曲線上，則曲線的斜率d/Vd尸均可用克拉珀龍方程表示： __ Δ// 亓―i (2) 公式（2)說明單組分系統兩相平衡時溫度T與壓力尸的關 係，Δ //和Α Γ為一定量的該物質從一個相轉變為與之平衡共存的 另一個相時的熱效應和體積變化。 如果參加平衡的兩相中有一相為氣相，氣相可視為理想氣 體，即其尸、卩’、7的關係符合理想氣體狀態方程，則考慮到物 質為液相時的摩爾體積遠小於其為氣相時的摩爾體積，故前者 可以忽略不計，於是公式（2)可化為： dln;^ _ (3) 此公式只適用於有氣相參加的單組分兩相平衡系統，所以ρ 為蒸氣壓；為氣體常數，式（3)稱克勞修斯一克拉_龍方程。 本創作其工作介質3填入金屬管體1之操作壓力會落在汽 化曲線（)Κ，當工作介質3為水時，水在1 OfTt和一個標準大氣 ¥ .1奇況不 '水的汽化熱為539卡/克，如水要在35'C汽（匕，則可 則應汽ί匕曲線0K計算出填充金屬管體1之操作壓力值。 本創作之金屬管體1為使用真空封裝的金屬管將熱自一端 10 200909758 (蒸發段ί ί )傳導至另一端（冷凝段12)，在金屬管體1内有 工作介質3，其中約有90%的水分’水則是為增加熱傳的添加物。 本創作之熱管（金屬管體n沿縱向分成蒸發段n和冷凝 段丨2’根據需要也可在中間加—絕熱段13。熱管的橫斷面由金 知官體卜毛細結構2及蒸氣通道u組成。其製作時，柚盡管 内空氣並注人-定量的工作介質3，再將金屬管體ι密封。毛細 '结構2為多孔毛細結構，多別车&斗磁η… 再夕孔毛細結構2内充滿液態工作介質 3;蒸氣通道U内容納工作介質3的飽和蒸氣。 %本創作之熱管應用於人體體、β 且，皿6周即吟，其熱管再接觸到 人體之任一部位後，人體熱量 里曰^ 又11傳入，因管内的壓力 極低，所以工作介質3

, 在錢氏3G度時即可蒸發，當蒸發段U 言芯内的工作介質3吸熱蒗 …、知文成系軋而流向冷凝段〗2， 冷凝段丨2管芯表面凝結、 样放出乳化潛熱，並於冷凝段12傳 出管外。在冷凝段12凝結 — |木旬，夜脰工作介質3，因管芯 毛細壓差重新流回墓發 ^一山伸…〜 此繼績循環’不斷將熱量自熱 B W'j — ί而傳到另—端’埶管 & , ''用〇设~邊、‘口之過程傳遞熱量’兩 溫差ίϋ小’在金yg f j " 兩端（蒸發段U與冷凝段⑵的平 △… 攝氏8度，所以熱管具有非常高的有㈣^ t的薄熱能力相當於同 …于 田万、间寺戴面銅棒的數百倍。 本創作所提供之埶笋 心”、、S式人體調溫裝置，盥 rL Lt M i ff，φ 〇其他省用技術相 比权Γ 1具有下列之優點： 200909758 1. 熱管的特點是當量熱導率高和等溫性好。 2. 工作介質3的氣化潛熱通常很大，所以有很高的熱導率。 3. 工作介質3的汽化溫度取決於相應的壓力。 4. 熱管内壓力沿軸線的變化不大，管内各點的溫度也相差 不多，因而熱管具有良好的等溫性。 綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用 物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定 朝型專利要件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件新型專 利申請案，以勵創作，至感德便。 【圖式簡單說明】 圖一為本創作熱管式人體調溫裝置之立體示意圖； 圖二為該金屬管體與密封於管體内之工作介質其立體剖視 圖； 圖三為金屬管體的橫斷面示意圖； 圖四為金屬管體的剖面示意圖；以及 圖五為水的三相圖。 【主要元件符號說明】 1 金屬管體 11蒸發段 12 冷凝段 13絕熱段 200909758 14 蒸氣通道 2 毛細結構 3 工作介質 0 三相點 0K 汽化曲線 0L 融化曲線

Claims (1)

1. 200909758 十、申請專利範圍： 1. 一種熱管式人體調溫裝置，包括： 一金屬管體，其内具有一密封空間，該金屬管體二端分別 搆成蒸發段與冷凝段； —層毛細結構，係構成於該金屬管體内周面上；以及 密封於管體内之工作介質； 其屮該工作介質的汽化溫度將設計成人體和環境的中間溫 度；因此當金屬管體與人體接觸時，金屬管體其蒸發段吸 收熱量的溫度大於工作介質之汽化溫度。 2. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該金屬管體為圓管或其他幾何形狀的容器。 3. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該金屬管體中間更包括有一絕熱段。 4. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 , 該金屬管體能抵抗工作介質運作時所產生之最大蒸氣壓 力。 5. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該毛細結構為多孔毛細結構。 6. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該工作介質係充滿於毛細結構。 7. 如申請專利範圍第1項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該調整金屬管體管内壓力來控制工作介質的汽化溫度，該 I4 200909758 工作介質的汽化溫度將將其設計成人體和環境的中間溫 度。 8.如中請專利範圍第7項所述之熱管式人體調溫裝置，其中 該工作介質其汽化溫度和壓力的平衡關係落在汽化曲線