前言

自從二次大戰之后，由於工程科學及技術的迅速發展，對動力的需要大量增加。巨大的動力是需要巨大的熱能量，而這熱能量必須依賴有效的傳熱程序來處理！更且近二十年來航空及太空工程的發達造成許多高速物體在大氣中飛行，也帶來許多熱傳遞（Heat Transfer）方面的問題。例如，原子能發電爐中所產生大量的熱能必須要自爐中導引出來，才能轉變成電能。高速的飛彈及太空船重返大氣層時與空氣摩擦即會產生極高的溫度。如這些高熱不能及時傳達出去時，那麼原子爐及太空船等就有遭受到焚燬的危險。此外，幾乎所有的電器（甚至於包括電晶體）在電流通過時即會產生熱量，這些熱量必須有效的引導到適當的容納處（Sink）才不致於對電器有所損害。因此熱傳遞在近代工程科學中已成為一項非常重要的問題。如今在美國許多大學的機械工程系中熱傳遞都已成為主要的部門之一。

熱管的來源

熱管是在1963年為美國加州大學拉斯阿拉摩斯研究所（Los Alamos Lab. ）的格魯佛氏（Grover）所發明。顧名思義它是一種具有高效率傳熱性能的管子，它是在熱傳遞學者不斷的研究及尋求高效率導熱裝置下的產物。究竟熱管是如何傳熱呢？在沒有知道熱管的原理之前，最好能先了解普通一般熱傳遞的原理。

熱傳遞的原理

熱傳遞是熱能由高溫處傳到低溫處的現象。它通?？煞譃閭鲗В–onduction），輻射（Radiation）及對流（Convection）三種。傳導為二個物體相接觸時熱由高溫物體傳到低溫物體的現象。傳導熱量的大小主要是依靠溫差及物體的傳熱係數（Thermal conductivity）而定。通常物體的導熱係數以固體為最高，其次是液體，最次是氣體，然而在固體中以金屬為最高。輻射是二個物體在不相接觸的情況之下，熱由電磁波（或光子）傳播的現象。對流是固體和流體或不同相（Phase）的流體相接觸時，由於流體流動而傳熱的現象。另外有二種熱傳遞現象，就是沸騰熱傳遞（Boiling Heat Transfer）和冷凝熱傳遞（Condensation Heat Transfer）。它們通常被包括在對流之中，由於近二十年來熱傳遞學者熱衷的研究，它們已從其中獨立而出。沸騰及冷凝在熱傳遞中最特出的一點就是它們和形態變化有關，其中最常見的為蒸發及冷凝現象。蒸發及冷凝時液態和汽態互變之間所需的熱能量稱之為潛熱（Latent heat）。舉一個實際例子來看，當一個盛有液體的容器逐漸受熱時，容器中液體的溫度逐漸升高。如果容器繼續受熱，至靠近容器表面的液體溫度超過沸點時，容器表面的液體開始汽化而有汽泡（Bubble）產生，這種現象稱之為沸騰（Boiling）。此時由於液體汽化而自容器表面吸收大量的熱，這種熱傳遞現象稱之為沸騰傳遞〔附註一〕。相反的，當汽體接觸到較冷的固體時，固體表面附近的汽體開始冷凝成液體而放出其潛熱。換句話說，較冷的固體吸收了汽體的潛熱而使之凝為液體，這種傳熱現象稱之為冷凝

熱傳遞〔附註二〕。各種熱傳遞現象表明於附圖一。至於熱管的傳熱現象，并不屬於以上熱傳遞中之任何一種，它是傳導，蒸發，對流及冷凝等現象的組合。其導熱量之大小能比同體積的任何金屬棒高達千倍以上，因此在短短數年之間熱管已引起美國及歐洲從事熱傳遞研究者的極大興趣。

熱管的構造

熱管大致說來是一根細長、中空、二頭封閉的金屬管子。它有15公分長的，也有15公尺長的，其外部形狀不拘，在理論上幾乎任何形狀的設計都是可以的。管子的內壁附著一層毛細物體（Wick）〔附註三〕。毛細物體內浸濕著液體，這種液體稱之為熱管的工作液（Working medium），如此便是通常的熱管了?！惨姼綀D二〕然而在實際上生產製造時并不如此單純，其結構依導熱量及溫度的不同而異。目前已製成的熱管有用黃銅、鎳、不銹鋼、鎢及其他合金做外殼的。熱管工作液的種類更多，它包括鉀、鈉、銦、銫、鋰、鉍、水銀、水、木酒精、丙酮、冷凍劑（Freons）液態氮、液態氧及其他一些無機鹽等。事實上，熱管的外殼及其工作液的選擇都視熱管的應用情況而定。譬如在攝氏一千度以上的高溫時，熱管內部多用鉀、鈉等液態金屬，但熱管用於零下一百九十度時，則內部多用液態氮等。

熱管的原理

當熱管的一端置於較高溫處而讓另一端在較低溫處時，傳熱現象便開始產生。熱由高溫處首先穿過金屬管壁進入毛細物體中，毛細物體內的工作液受熱開始蒸發。熱管在高溫處的部份便稱之為蒸發部份（Evaporator）。 蒸發后的汽體聚集在蒸發部份的中空管內，同時向熱管的另一端流動。由於熱管的另一端接觸到較低溫處，當汽體到達較冷的另一端時便開始冷凝，在此時熱量就由汽體穿過毛細物體，工作液及金屬管壁而傳入較低溫部份。因此熱管在較低溫的部份便稱之為冷凝部份（Condenser）。在冷凝部份內原先由蒸發部份蒸發的汽體又凝結成了液體，這些冷凝后的液體因毛細現象（Capillary pumping）〔附註四〕的作用自冷凝部份又流回了蒸發部份，如此流體循環不息，熱量由高溫處便傳到了低溫處，這便是熱管的傳熱原理。因為蒸發和冷凝現象在幾乎相同的汽壓下進行，管內的溫差非常小。至於熱管二端外殼的溫差，則主要由於熱傳導由管壁外緣經過毛細物體，工作液到汽體所致。如把熱管和同體積金屬棒的二端置於同樣溫差之下，熱管的導熱量可以達到金屬棒的千倍以上。換句話說，當同樣的熱量通過熱管和同體積的金屬棒時，熱管二端的溫差要比金屬棒小很多。由於這種特性，熱管常被稱為“近等溫導熱”裝置?！哺皆]五〕，統而言之，熱管在結構及原理上最特出的一點是毛細物體及毛細現象的應用。由於毛細現象的作用，在冷凝部份的液體可以不需外力的作用而流回蒸發部份，這使熱管成為一個完全獨立而沒有活動零件的導熱裝置，同時也使熱管成為太空中傳熱的獨特裝置，因為毛細現象的作用在太空失重狀態之下仍可使流體流動。

熱管的優點及其應用

熱管的優點很多，主要是由於它在結構及原理上所具有的獨特性能所致；在結構上來看，它是個中空的管子，較同體積的金屬棒要輕得多。它的外表單純，當它和其他儀器連用時可省卻了許多裝置結構上的麻煩。它又是個封閉的管子，不需添加工作液，它沒有活動零件，不會遭磨損，這使熱管能夠耐久可靠而無噪音。在原理上來看，熱管內部的蒸發及冷凝現象使它具有高效率及近等溫的熱傳導性能。此外，毛細現象的應用使熱管內部的流體可以不藉外力作用而在太空失重狀態之下循環不息。這些優點幾乎可使熱管取代所有的熱傳導裝置。其中它的近等溫導熱性及在失重狀態下的適應力尤其為太空工程界所重視，譬如在1965年秋季，美國太空總署放射的探險者三十六號測地衛星上已經用了熱管作為傳熱裝置，在二個月的衛星運行中熱管的作用保持恆常，這證明熱管在太空上的應用完全成功。

由於熱管的優點如此多，其應用范圍非常廣泛；它可用於攝氏零下二百三十度的低溫儀器中，也可用於高達攝氏一千五百度的液態金屬反應爐中。它不但用於地面的一般裝置上，也用於太空之中。除了如前段所述熱管可用做傳熱裝置外，其應用情形分點略述於下：

（一）能量轉換：

當含有高動能的熱離子撞擊到熱管的一端時，熱離子的動能變成了熱能而傳至熱管的另一端，此稱為熱離子轉換器（Thermionic converter），此外，在太空上熱管可置於同位素熱電發電機（Radioisotope thermoelectric generator）之中，使原子能轉變成熱能，再變成電能，以供給人造衛星及大空船之用。

（二）熱開關﹕

當採用特種的毛細物體及工作液時，熱管的作用范圍可在控制之下。譬如當溫度低於工作液的冰點或導熱量超過熱管的導熱極限（詳見下節熱管的研究內）時熱管無法作用。換句話說，在外界溫度變化很大時，熱管僅作用於一定的溫度范圍之內，在此范圍之外熱管終止其作用。這種情形有如自動開關一般。熱管的這種性能多用於自動控制及低溫（Cryogenic）儀器之中。

（三）“熱二極空管”（Thermal diode）：

當熱管採用不同的毛細物時，它具有不同的導熱極限，通常粗鬆的毛細物具有較低的導熱極限。如將粗鬆及細密的毛細物同時置於一個熱管的二端，則當加熱於細密毛細物的一端時熱管的導熱量很大。反之，當加熱於粗鬆毛細物的一端時，熱管因受導熱極限的限制，其導熱量可較前者小很多。從另一方面來解釋，如以甲端代表含有細密毛細物的一端，而乙端代表含有粗鬆毛細物的一端。在熱管外界溫度變化很大的情形下，如甲端在高溫內而乙端在低溫內時，熱量可有效地自甲端傳至乙端。反之，當乙端在高溫內而甲端在低溫內時，乙端由於導熱極限的限制無法有效地傳熱至甲端。綜合來說，熱由甲端傳至乙端易，而由乙端傳至甲端難。這種現象有如二極真空管的作用一般。熱管的此種功能多用於太空及低溫儀器之中。

（四）溫度控制（Thermal control）：

當熱管外界溫度變化很大時，其導熱量也隨之變化，然而熱管內部溫度的變化卻很小，此種御熱（Heat shield）性能及熱管的近等溫導熱性能可用於太空衣（Spacesuit）、太空船及人造衛星的溫度調節及控制上。如果採用二種不同的工作液於一個熱管中時，熱管就會產生二個溫度區（Temperature zone），這種情形也適合某些特殊的溫度控制。

（五）散熱：

熱管可伸出於發熱裝置之外，以增加發熱裝置的散熱面積。由於熱管的導熱量大於同體積的金屬棒，它可取代一般散熱鰭（Fin）的金屬片而增加其散熱量。熱管的此種功能多用於電子儀器的散熱裝置及人造衛星上的輻射鰭（Radiating fin）等。此外

熱管也可裝於汽車內的引擎及車室之間作為發熱器及車內溫度調節之用。

從以上熱管的應用中可知，自熱管發明至今，在短短數年之內已被廣泛地採用。然而熱管在應用方面的潛在力，還依賴理論方面的研究才能更有效的發揮其作用。

熱管的研究

在理論上來說，熱管內部的作用是一個與熱傳遞，質量傳遞（Mass transfer）及動量傳遞（Momentum transfer）等有關的問題。這些傳遞情形隨著熱管在蒸發部份和冷凝部份之間的導熱量而改變。通常情形下，熱管的導熱量愈大時，它內部的質流（Mass flow）愈大，動量也愈大。如果導熱量不斷增加到某種程度時，其內部會有特殊現象產生而使熱管無法維持正常作用，此時的導熱量稱之為導熱極限（Maximum heat flux）。熱管的導熱極限有四種，它們的現象及產生原因依熱管的毛細物，工作液，尺寸及溫度情況的不同而異。如今在研究熱管理論上最主要問題即是在以上這些因素變化時如何預測熱管內部的情況及各種導熱極限。熱管導熱極限如此重要，特分述各極限於下：

（一）音速極限（Sonic limit）：

音速極限多發生於以鉀、鈉等液態金屬作工作液的高溫熱管中。當熱量進入蒸發部份后，蒸發部份內的液體便蒸發成汽體，這些汽體流向冷凝部份而凝成液體。如果導熱量愈大，則蒸發的液體也愈多，導致於汽體的流量也愈大。由於熱管是個封閉的管子，汽體在管子二端的速度為零，而在蒸發部份及冷凝部份之間的速度為最大。如果導熱量不斷增大到汽體的最大速度等於音速時，就會有阻塞（Choking）現象發生，而使流量無法再增大。由於這種阻塞現象所導致的傳熱極限的現象稱為音速極限。高溫熱管的音速極限在熱管內汽壓低時尤為顯著，因為熱管在正常作用狀態之下，其內部液體和汽體是處於飽和狀態之中，所以汽壓愈低時音速愈小，而阻塞現象愈容易發生。

（二）毛細極限（Wicking limit）

熱管內因為毛細物的毛細吸力作用，在毛細物內所含的液體中造成壓力差，此壓力差能使冷凝部份的液體流蒸發部份。這種毛細吸力的大小視毛細物的結構而定。通常毛細物的結構愈細密其毛細吸力愈大。這原理有如愈細的毛細管的水愈高一般。熱管開始導熱后，其管內流體開始循環，如果毛細物內的液體流動所造成的壓力差大過毛細吸力所能承受的壓力差時，則冷凝部份內的液體無法流回蒸發部份，此時蒸發部份內因為液體無法達到而變成乾燥（dryout）。這些乾燥的部份不但使流體無法循環，更阻礙了熱的傳導。因此，由於此種毛細吸力的限制而導致的傳熱極限稱之為毛細極限。

（三）沸騰極限（Boiling limit）：

熱管開始導熱后，其蒸發部份管壁的溫度會升高。如果導熱量增加時，則管壁和管內汽體之間的溫差也會增大，這種溫差大時毛細物內含有的液體可能會發生沸騰現象而有汽泡產生。這些汽泡在毛細物內可能阻止液體的流動而在毛細物內造成乾燥部份。乾燥處一旦產生，則如同毛細極限一般使熱管無法正常作用。故蒸發部份內沸騰現象產生時的熱管導熱量稱之為沸騰極限。

（四）捲帶極限（Entrainment limit）：

熱管在導熱時，其管內的汽體自蒸發部份流向冷凝部份，而液體則自冷凝部份流回蒸發部份。汽體和液體的流向正好相反。在流體力學上看來，這種不同形態的流體以相反方向流動，其接觸面是處於不穩定（unstable）狀態之下，此時汽體和液體接觸面會有波動產生。導熱量愈大時，管內流量也愈大，這種波動也隨著流體和液體之間的相對速度而增大。當波動大到某個程度時流動中的汽體會自液面帶起一部份的液體，這種現象稱之為捲帶（Entrainment）。捲帶現象發生時液體無法完全流回蒸發部份，此時的導熱量稱之為熱管的捲帶極限。

以上這些熱管的導熱極限理論上雖已有若干研究，但許多問題尚未能圓滿解析出來，這也是熱管尚未進入大量生產的原因。目前在熱管的理論研究方面，除了加州大學的拉斯阿拉摩斯研究所之外，要推加州大學柏克萊校園（Berkeley campus）的熱系統（Thermal systems）研究部門為首。筆者相信在熱傳遞學者不斷地研究之下，在數年之間熱管的理論將會臻於完善，屆時熱管會更廣泛的被工業界所採用。

附注

註一：沸騰熱傳遞現象又可分為成核沸騰（Nucleate Boiling），膜沸騰（Film Boiling）及不穩膜沸騰（Unstable Film Boiling）等三種。它們的區別依傳熱量及容器和液體之間的溫差而定。成核沸騰時容器表面和液體接觸，大量的汽泡自容器表面的氣隙中產生，這種產生汽泡的氣隙稱之為成核所（Nucleation site）。由於容器表面和液體直接接觸，故它們之間的溫差很小。膜沸騰時，容器表面被一層薄薄的泡膜（Vapor film）所遮蓋，而使容器和液體不相接觸，因之它們之間溫差很大。不穩膜沸騰又稱之為過渡沸騰（Transition Boiling）其現象介於前二者之間。沸騰熱傳遞為非常普遍易見的傳熱現象，譬如煮開水即是這門學問，在1934年之前幾乎無人知道，一直到二次大戰后由於原子能應用的興起始吸引了熱傳遞學者的極大注意。

註二：冷凝熱傳遞因固體表面狀況的不同而有膜冷凝（Film Condensation）及點滴冷凝（Drop-wise condensation）二種現象之分。膜冷凝時固體表面被一層凝結液遮蓋，此時熱由汽體穿過此層液膜（Liquid film）而傳至固體上。點滴冷凝時固體表面附著許多水滴，這些水滴沿固體表面滑下，此時汽體和固體表面直接接觸，熱由汽體可直接傳至固體上，故其導熱量很大。點滴冷凝時其每單位時間及單位面積的導熱量是所有熱傳遞中的最高者。

註三：毛細物體的種類非常多，幾乎所有的多孔物體（Porous material）都可稱之為毛細物體。譬如海棉、布棉、吸水紙，甚至於沙床及在高溫高壓下製成的金屬粉塊（Sintered powder），金屬氈（Felted fiber）及金屬網（Screen）等，后三者為常用的熱管毛細物體，因為它們的導熱係數較高。

註四：毛細現象最常見的例子是當一根很細的玻璃管子放入盛有液體的容器中時，因為表面張力的作用，玻璃管能將容器中的液體吸入管內，此時管內液體逐漸上升，一直到液柱達到平衡高度（Equilibrium pumping hei-ght）時才停止。熱管的毛細物有如毛細管一般也具有此種性能，其毛細吸力的大小以其所能承受的垂直液柱的高度來表示〔見附圖三〕。通常細密的毛細物具有較大的毛細吸力，而粗鬆的毛細物其毛細吸力較少。

註五：熱量的傳遞是由於溫差的存在，故若在完全等溫（Iso-thermal）情況之下，即不會有熱傳遞的現象。熱管之所以被稱之為近等溫導熱裝置，主要由於它和金屬棒相比較之故。

各種熱傳遞現象：

T₁：高溫，T₂﹕低溫，Q→：熱傳遞方向

熱管的基本結構：

毛細現象：