TWI461680B - 熱管性能極限之測試方法 - Google Patents

Description

熱管性能極限之測試方法

本發明是有關於一種熱管(Heat Pipe)性能之測試方法，且特別是有關於一種熱管性能極限之測試方法。

在熱管性能測試技術中，目前各廠商均係採用熱管性能穩態測試的方式，且以熱管之最大熱傳量性能測試作為指標。此種測試方式係在熱管的蒸發端與冷凝端埋設熱電耦溫度量測點。而且，先固定熱管之絕熱端的溫度、或是固定熱管之冷凝端冷卻水入口之溫度。再漸進式地增加熱管之蒸發端的加熱瓦數。接著，利用所量測到之蒸發端與冷凝端之溫度間的差值與所施加的加熱瓦數，繪製蒸發端與冷凝端之溫度差值與加熱瓦數之間的關係圖，如第1圖所示。

在第1圖中，隨著加熱瓦數的增加，蒸發端與冷凝端之間的溫差值已不再呈現線性上升時，即代表熱管的最大熱傳量已經發生。此時，轉折點C所對應之加熱瓦數即為熱管最大熱傳量。

由於在工業高溫廢熱回收系統中，溫度分布範圍複雜且多變，因此針對熱管之性能極限，例如熱管沸騰極限(Boiling Limitation)與飛濺極限(Entrainment Limitation)的測試為判斷此熱管性能好壞的重要指標。但是，傳統熱管性能的測試方法皆以最大傳量為主，但對於熱管之性能極限的測試上並無相關技術可供分析與測試。因此，當熱管應用在現場操作溫度複雜的環境時，現場工作人員並無法有效得知熱管的安全操作範圍，也無法得知熱管的有效操作溫度所對應之熱管沸騰極限與飛濺極限可達多大，因而也無法繪製此熱管的安全性能示意圖。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種熱管性能極限之測試方法，其可有效測試出熱管運行之沸騰極限與飛濺極限，故可提升熱管之性能品質。

本發明之另一態樣是在提供一種熱管性能極限之測試方法，其可根據所測試出之熱管的沸騰極限與飛濺極限來繪製熱管運作的安全性能極限操作溫度範圍圖式，而可供現場工作人員了解此熱管之有效操作範圍。

根據本發明之上述目的，提出一種熱管性能極限之測試方法，其包含下列步驟。提供一熱管，其中此熱管包含依序接合之冷凝端、絕熱端與蒸發端。利用對蒸發端加熱及對冷凝端散熱的方式，調整此熱管之操作溫度。量測此熱管在操作溫度下之熱傳量。進行第一判斷步驟，以判斷操作溫度是否與利用熱管之沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量對應之溫度、或飛濺極限公式所獲得之飛濺極限熱傳量對應之溫度實質相等。當第一判斷步驟之結果為操作溫度與沸騰極限熱傳量對應之溫度實質相等時，進行第二判斷步驟，以判斷蒸發端之溫度是否出現一突升現象。其中，第二判斷步驟之結果為是時，熱管之熱傳量為此操作溫度所對應之沸騰極限。

依據本發明之一實施例，上述第一判斷步驟之結果為操作溫度與飛濺極限熱傳量對應之溫度實質相等時，進行第三判斷步驟，以判斷絕熱端之溫度是否出現熱震現象。其中，第三判斷步驟之結果為是時，熱管之熱傳量為此操作溫度所對應之飛濺極限。

依據本發明之另一實施例，上述之飛濺極限公式為該飛濺極限熱傳量=熱管之工作蒸氣通過熱管之截面積×工作蒸氣之蒸發潛熱×[(熱管之工作液體之表面張力×工作蒸氣之密度)/(2×熱管之毛細結構之水力半徑)]^1/2 。

依據本發明之又一實施例，上述之沸騰極限公式為沸騰極限熱傳量=[(2π×蒸發端之長度×熱管之有效熱傳導係數×熱管之工作蒸氣之溫度)/(工作蒸氣之蒸發潛熱×工作蒸氣之密度×ln(熱管之管內半徑/工作蒸氣通過熱管之截面積半徑))]×[(2×熱管之工作液體之表面張力/工作液體之成核半徑)-熱管之毛細壓差]。

依據本發明之再一實施例，於提供熱管之步驟後，上述熱管性能極限之測試方法更包含提供一熱管性能測試設備。此熱管性能測試設備包含複數個熱電耦、一加熱器、一冰水主機(chiller)以及一記錄器。前述之熱電耦設於蒸發端、絕熱端與冷凝端中，以量測蒸發端、絕熱端與冷凝端之溫度。加熱器適用以加熱蒸發端。冰水主機適用以冷卻冷凝端。記錄器與前述之加熱器和熱電耦連接，且適用以量測與記錄冷凝端之溫度、絕熱端之溫度、蒸發端之溫度、與加熱器之加熱瓦數。其中，量測熱管之熱傳量之步驟包含將所測得之加熱器之加熱瓦數作為熱管之熱傳量。

依據本發明之再一實施例，上述之熱管性能測試設備更包含水套頭、恆溫水槽水泵以及輔助加熱器。水套頭包覆住冷凝端，且包含入水口與出水口。恆溫水槽與入水口和出水口連接，且適用以儲藏一冷卻液體。水泵連接在恆溫水槽與水套頭之間，以驅使冷卻液體在恆溫水槽與水套頭之間循環。輔助加熱器設於恆溫水槽中，且適用以加熱恆溫水槽內之冷卻液體。

依據本發明之再一實施例，上述之操作溫度為蒸發端之溫度、絕熱端之溫度與冷凝端之溫度的平均溫度。

依據本發明之再一實施例，上述熱電耦中之複數者平均分布於蒸發端中。

依據本發明之再一實施例，上述熱電耦中之複數者平均分布於冷凝端中。

依據本發明之再一實施例，上述熱管係一高溫型大尺寸工業熱管，且此熱管之運行溫度從100℃至380℃。

請參照第2圖與第3圖，其中第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種熱管性能極限之測試設備的裝置示意圖，且第3圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種熱管性能極限之測試方法的流程圖。在本實施方式中，測試熱管性能極限時，如第3圖之測試方法200的步驟202所述，提供欲進行性能極限測試之熱管100。在一實施例中，熱管100可為高溫型大尺寸工業熱管。在一例子中，熱管100之運行溫度可從100℃至380℃。在另一例子中，熱管100之運行溫度可從200℃至300℃。在一示範實施例中，方法200係對熱管進行高溫性能的極限測試，包含沸騰極限與沸騰極限。

如第2圖所示，熱管100包含冷凝端102、絕熱端104與蒸發端106。在熱管100中，冷凝端102、絕熱端104與蒸發端106依序接合，亦即絕熱端104接合在冷凝端102與蒸發端106之間。本實施例之熱管100只在蒸發端106中設有毛細結構(未繪示)，以增加熱管100之蒸發段的沸騰機制，因此熱管100為熱虹吸熱管。

於提供熱管100後，方法200可提供熱管性能測試設備。如第2圖所示，熱管性能測試設備主要包含加熱器120、冰水主機108、記錄器114與數個熱電耦(未繪示)。其中，這些熱電耦用以測量熱管100之操作溫度。在一實施例中，這些熱電耦分別對應埋設在熱管100之冷凝端102的溫度量測點T1~T5、絕熱端104之溫度量測點T13、以及蒸發端106之溫度量測點T6~T12處。因此，熱管100之冷凝端102與蒸發端106均設有數個熱電耦。在熱管100中，溫度量測點T1~T5平均分布於冷凝端102中，且溫度量測點T6~T12平均分布於蒸發端106中。因此，分別設置於溫度量測點T1~T5之熱電耦係平均分布於冷凝端102中，而分別設置於溫度量測點T6~T12之熱電耦係平均分布於蒸發端106中。

利用設置於溫度量測點T1~T5的熱電耦，可測得冷凝端102之各量測點T1~T5的溫度t1~t5。另一方面，利用設置於溫度量測點T6~T12的熱電耦，可測得蒸發端106之各量測點T6~T12的溫度t6~t12。而利用設置於溫度量測點T13的熱電耦，可測得絕熱端104之量測點T13的溫度t13。

在方法200中，將冷凝端102之各量測點T1~T5所測得之溫度t1~t5的平均定義為冷凝端102之溫度，且將蒸發端106之各量測點T6~T12所測得之溫度t6~t12的平均定義為蒸發端106之溫度。亦即，

冷凝端102之溫度；

蒸發端106之溫度。

而絕熱端104之溫度即為在量測點T13的熱電耦所測得之溫度t13。在方法200中，熱管100之操作溫度為冷凝端102之溫度、絕熱端104之溫度與蒸發端106之溫度的平均溫度。

在熱管性能測試設備中，加熱器120可用以加熱熱管100之蒸發端106。因此，如第2圖所示，加熱器120可與蒸發端106連接，以利加熱蒸發端106。由於本實施方式主要係測試熱管100之性能的飛濺極限與沸騰極限，因此為了滿足測試的設計需求，加熱端與冷卻端之可操作的溫度範圍需求要大一些，因而加熱器120需採用大型瓦數加熱器。在一實施例中，加熱器120可提供千瓦以上的加熱瓦數。

記錄器114與加熱器120、以及熱管100之溫度量測點T1~T13處的熱電耦連接，以利量測與記錄冷凝端102之溫度、絕熱端104之溫度、蒸發端106之溫度、與加熱器120之加熱瓦數。在熱管性能測試設備中，冰水主機108可用以將熱管100之冷凝端102的熱量帶走，以冷卻冷凝端102。

在一實施例中，熱管性能測試設備更可根據測試需求而選擇性地包含水套頭124、恆溫水槽110、水泵112以及輔助加熱器122。水套頭124包覆住熱管100之冷凝端102。此外，水套頭124包含入水口116與出水口118。恆溫水槽110可儲存冷卻液體，且與水套頭124之入水口116與出水口118連接。恆溫水槽110亦與冰水主機108連結，且冷卻液體可在恆溫水槽110與冰水主機108之間流通。水泵112可連接在恆溫水槽110與水套頭124之入水口116之間，藉以驅使冷卻液體從恆溫水槽110經由入水口116而進入水套頭124，再經由出水口118而流出水套頭124，進一步流回恆溫水槽110。如此一來，冷卻液體可在恆溫水槽110與水套頭124之間循環。冰水主機108主要係用以將熱管100之冷凝端102與恆溫水槽110的熱量帶走，以降低冷卻液體之溫度。

此外，利用水泵112來驅使冷卻液體，使冷卻液體在水套頭124與恆溫水槽110之間循環，再利用冰水主機108來帶走恆溫水槽110內之冷卻液體的熱量，可對熱管100之冷凝端102散熱。輔助加熱器122可設置在恆溫水槽110中，且可加熱恆溫水槽110內之冷卻液體，以便模擬冷凝端102具有較高溫的溫度的情況。

在另一實施例中，熱管性能測試設備更可包含絕熱棉(未繪示)。此絕熱棉包覆在熱管100之外側，以避免熱量散逸而產生熱損，進而避免影響熱管性能測試的準確性。

請再次參照第3圖，如步驟204所述，利用加熱器120對熱管100之蒸發端106加熱、與利用恆溫水槽110和冰水主機108對熱管100之冷凝端102散熱的方式，來調整熱管100之操作溫度。藉此，可在不同操作溫度下，進行熱管100之性能測試，而有利於熱管100之性能極限測試。

接著，如步驟206所述，利用記錄器114來量測與記錄在熱管100之此操作溫度下加熱器120之加熱瓦數。並以記錄器114所測量到之加熱器120的加熱瓦數作為在此操作溫度下熱管100之熱傳量。

接下來，如步驟208所述，判斷熱管100之此操作溫度是否與利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度、或者利用飛濺極限公式所獲得之飛濺極限熱傳量時的對應溫度實質相等。在一實施例中，沸騰極限公式：沸騰極限熱傳量=[(2π×蒸發端之長度L_e ×熱管之有效熱傳導係數k_eff ×熱管之工作蒸氣之溫度T_v )/(工作蒸氣之蒸發潛熱λ×工作蒸氣之密度ρ_v ×ln(熱管之管內半徑r_i /工作蒸氣通過熱管之截面積半徑r_v ))]×[(2×熱管之工作液體之表面張力σ/工作液體之成核半徑r_n )-熱管之毛細壓差ΔP_c,m ]。亦即：

沸騰極限熱傳量。

而飛濺極限公式：飛濺極限熱傳量=熱管之工作蒸氣通過熱管之截面積A_v ×工作蒸氣之蒸發潛熱λ×[(熱管之工作液體之表面張力σ×工作蒸氣之密度ρ_v )/(2×熱管之毛細結構之水力半徑R_h,w )]^1/2 。亦即：

飛濺極限熱傳量。

在步驟208中，當熱管100之此操作溫度不同於利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度、與利用飛濺極限公式所獲得之飛濺極限熱傳量時的對應溫度時，則回到步驟204，重新調整熱管100之操作溫度，來進行下一次測試。

另一方面，當熱管100之此操作溫度與利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度、或利用飛濺極限公式所獲得之飛濺極限熱傳量時的對應溫度時值相等時，則進行下一判斷步驟210，以判斷熱管100之此操作溫度與利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度實質相等。當熱管100之此操作溫度與利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度實質相等時，進行下一判斷步驟212，以判斷熱管100之蒸發端106之溫度是否有突然飆升的現象。

在步驟212中，當熱管100之蒸發端106之溫度沒有突升現象時，則同樣回到步驟204，重新調整熱管100之操作溫度，來進行下一次的測試。而當熱管100之蒸發端106之溫度有突升現象時，即表示熱管100已達此操作溫度所對應之沸騰極限。此時，如步驟214所述，即可以步驟206所測得之熱管100之熱傳量作為熱管100於此操作溫度下之沸騰極限。

另一方面，在步驟210中，當熱管100之此操作溫度不同於利用沸騰極限公式所獲得之沸騰極限熱傳量時的對應溫度時，代表熱管100之此操作溫度與利用飛濺極限公式所獲得之飛濺極限熱傳量時的對應溫度實質相等。此時，即可進行下一判斷步驟216，以判斷熱管100之絕熱端104的溫度是否出現熱震現象。當熱管100之絕熱端104的溫度沒有熱震現象時，則回到步驟204，重新調整熱管100之操作溫度，來進行下一次的測試。

而在步驟216中，當熱管100之絕熱端104的溫度出現熱震現象時，即表示熱管100出現飛濺現象。因此，此時熱管100已達此操作溫度所對應之飛濺極限。於是，如步驟218所述，即可以步驟206所測得之熱管100之熱傳量作為熱管100於此操作溫度下之飛濺極限。

在本實施方式中，可根據測試方法200所獲得之熱管在不同操作溫度下的沸騰極限與飛濺極限、以及對應之熱管操作溫度來繪製此熱管100之性能極限圖。繪製熱管100之性能極限圖時，以熱管100之操作溫度為熱管性能極限圖之橫座標，且以熱管100之熱傳量為縱座標。繪製出之熱管性能極限圖可提供熱管運作之性能極限操作溫度的安全範圍，來供現場工作人員參考與利用。透過參考熱管性能極限圖所提供之熱管性能極限資訊，可有效提升熱管之性能品質。

由上述實施方式可知，本發明之一優點為本發明之熱管性能極限之測試方法可有效測試出熱管運行之沸騰極限與飛濺極限，因此可提升熱管之性能品質。

由上述實施方式可知，本發明之另一優點為本發明之熱管性能極限之測試方法可根據所測試出之熱管的沸騰極限與飛濺極限來繪製熱管運作的安全性能極限操作溫度範圍圖式，而可供現場工作人員了解此熱管之有效操作範圍。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．熱管

102．．．冷凝端

104．．．絕熱端

106．．．蒸發端

108．．．冰水主機

110．．．恆溫水槽

112．．．水泵

114．．．記錄器

116．．．入水口

118．．．出水口

120．．．加熱器

122．．．輔助加熱器

124．．．水套頭

200．．．方法

202．．．步驟

204．．．步驟

206．．．步驟

208．．．步驟

210．．．步驟

212．．．步驟

214．．．步驟

216．．．步驟

218．．．步驟

C．．．轉折點

T1．．．量測點

T2．．．量測點

T3．．．量測點

T4．．．量測點

T5．．．量測點

T6．．．量測點

T7．．．量測點

T8．．．量測點

T9．．．量測點

T10．．．量測點

T11．．．量測點

T12．．．量測點

T13．．．量測點

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示一種熱管之蒸發端與冷凝端間的溫度差值與加熱瓦數之間的關係圖。

第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種熱管性能極限之測試設備的裝置示意圖。

第3圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種熱管性能極限之測試方法的流程圖。

200．．．方法

202．．．步驟

204．．．步驟

206．．．步驟

208．．．步驟

210．．．步驟

212．．．步驟

214．．．步驟

216．．．步驟

218．．．步驟

Claims (8)

1. 一種熱管性能極限之測試方法，包含：提供一熱管，其中該熱管包含依序接合之一冷凝端、一絕熱端與一蒸發端；利用對該蒸發端加熱及對該冷凝端散熱的方式，調整該熱管之一操作溫度；量測該熱管在該操作溫度下之一熱傳量；進行一第一判斷步驟，以判斷該操作溫度是否與利用該熱管之一沸騰極限公式所獲得之一沸騰極限熱傳量對應之一溫度、或一飛濺極限公式所獲得之一飛濺極限熱傳量對應之一溫度實質相等，其中該沸騰極限公式為該沸騰極限熱傳量=[(2π×該蒸發端之長度×該熱管之有效熱傳導係數×該熱管之一工作蒸氣之溫度)/(該工作蒸氣之蒸發潛熱×該工作蒸氣之密度×ln(該熱管之管內半徑/該工作蒸氣通過該熱管之截面積半徑))]×[(2×該熱管之一工作液體之表面張力/該工作液體之成核半徑)-該熱管之毛細壓差]，該飛濺極限公式為該飛濺極限熱傳量=該熱管之該工作蒸氣通過該熱管之截面積×該工作蒸氣之蒸發潛熱×[(該熱管之該工作液體之表面張力×該工作蒸氣之密度)/(2×該熱管之一毛細結構之水力半徑)]^1/2 ；以及當該第一判斷步驟之結果為該操作溫度與該沸騰極限熱傳量對應之該溫度實質相等時，進行一第二判斷步驟，以判斷該蒸發端之溫度是否出現一突升現象，其中該第二判斷步驟之結果為是時，該熱管之該熱傳量為該操作溫度所對應之一沸騰極限。
2. 如請求項1所述之熱管性能極限之測試方法，其中該第一判斷步驟之結果為該操作溫度與該飛濺極限熱傳量對應之該溫度實質相等時，進行一第三判斷步驟，以判斷該絕熱端之溫度是否出現一熱震現象，其中該第三判斷步驟之結果為是時，該熱管之該熱傳量為該操作溫度所對應之一飛濺極限。
3. 如請求項1所述之熱管性能極限之測試方法，於提供該熱管之步驟後，更包含提供一熱管性能測試設備，其中該熱管性能測試設備包含：複數個熱電耦，設於該蒸發端、該絕熱端與該冷凝端中，以量測該蒸發端、該絕熱端與該冷凝端之溫度；一加熱器，適用以加熱該蒸發端；一冰水主機，適用以冷卻該冷凝端；以及一記錄器，與該加熱器和該些熱電耦連接，且適用以量測與記錄該冷凝端之溫度、該絕熱端之溫度、該蒸發端之溫度、與該加熱器之加熱瓦數，其中量測該熱管之該熱傳量之步驟包含將所測得之該加熱器之加熱瓦數作為該熱管之該熱傳量。
4. 如請求項3所述之熱管性能極限之測試方法，其中該熱管性能測試設備更包含：一水套頭，包覆住該冷凝端，且包含一入水口與一出水口；一恆溫水槽，與該入水口和該出水口連接，且適用以 儲藏一冷卻液體；一水泵，連接在該恆溫水槽與該水套頭之間，以驅使該冷卻液體在該恆溫水槽與該水套頭之間循環；以及一輔助加熱器，設於該恆溫水槽中，且適用以加熱該恆溫水槽內之該冷卻液體。
5. 如請求項3所述之熱管性能極限之測試方法，其中該操作溫度為該蒸發端之溫度、該絕熱端之溫度與該冷凝端之溫度的平均溫度。
6. 如請求項3所述之熱管性能極限之測試方法，其中該些熱電耦中之複數者平均分布於該蒸發端中。
7. 如請求項3所述之熱管性能極限之測試方法，其中該些熱電耦中之複數者平均分布於該冷凝端中。
8. 如請求項1所述之熱管性能極限之測試方法，其中該熱管係一高溫型大尺寸工業熱管，且該熱管之運行溫度從100℃至380℃。