Manufacturing and Investigation of the Polymer Wick Structure Applied to Loop Heat Pipe

高分子毛細結構具有高孔隙度、低熱導係數與製作成本低廉等優點，而目前將高分子毛細結構應用於迴路式熱管的相關研究並不多見，因此本文旨在建立可應用於迴路式熱管高分子毛細結構之設計、製造及測試能力。依照迴路式熱管在操作時的限制與特性，選擇聚苯乙烯作為毛細結構的材料，以鹽溶濾法(salt leaching)來製作高分子毛細結構。製作過程中遭遇到氯化鈉粉末聚集與熱壓填料的幾何尺寸效應等問題，在文中提供一個較佳的解決方式。在製作出高分子毛細結構後，量測其各項參數包括孔隙度、有效孔徑與滲透度，並將高分子毛細結構置入迴路式熱管中，進行熱傳性能測試。 本實驗經由實際量測以鹽溶濾法製作出來的毛細結構，其有效孔徑約在12~13 之間，孔隙度可控制在65~78%，綜整不同孔隙度的高分子毛細結構其滲透度後，找出滲透度與孔隙度相關的經驗公式，將有助迴路式熱管的熱傳性能預測。將孔隙度65%、滲透度 的高分子毛細結構置入迴路式熱管中，進行熱傳性能測試，在容許溫度50℃與熱沉溫度10℃下，最高熱傳量可達200 W，熱阻為0.177℃/W。Polymer wick structure has the advantages that include high porosity, low thermal conductivity coefficient and lower manufacturing cost etc. However the relative researches on applying the polymer wick structure to LHP is still not familiar to date. Hence, the present effort seeks to set up the design, fabrication and test capacity of the polymer wick which is applicable to LHP. Based on the operating limitation and characteristics of LHP, polystyrene is chosen as the material and the polymer wick structure is fabricated by salt leaching method. Here, obstacles arising in the clustering of sodium chloride powder and the geometry effect of the filling material used during hot pressing process are solved. Besides, after the polymer wick structure is made, the wick parameters that include pore size, pore radius and permeability are measured. The wick is then installed into a LHP, and the heat transfer performance of LHP system is tested. The testing results show that, the pore radius lies in between 12~13 , and the porosity can be controlled within the range of 65~78%. Summarizing the permeability of the polymer wicks with different porosity, a formula between permeability and porosity expressed as is established. The formula would help the prediction of the heat transfer capacity of LHP. Finally, a polymer wick with the porosity of 65%, pore size 12.5 and the permeability of is installed into a LHP system, and the performance test is conducted under the operating temperature of 50℃ and the heat sink temperature of 10℃. The results show that, the maximum heat transfer capacity of present LHP system approaches 200W, and the thermal resistant is 0.177℃/W.誌 謝 ii 中文摘要 iv Abstract v 目錄 ix 圖目錄 xi 表目錄 xii 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 文獻回顧 5 1.3研究目的 11 第二章 實驗原理及理論分析 12 2.1迴路式熱管操作原理 12 2.1.1毛細限制 14 2.1.2啟動限制 15 2.1.3液體過冷度限制 15 2.2理論分析 16 2.2.1流動壓降分析 16 2.2.1.1 液－汽介面之毛細壓差 16 2.2.1.2 蒸發器溝槽內蒸汽流動壓降 16 2.2.1.3 汽體段流動壓降 17 2.2.1.4 流經毛細結構之壓降 18 2.2.1.5 液體段及冷凝段流動壓降 19 2.2.1.6 重力壓降 20 2.2.2熱阻分析 21 2.2.2.1蒸發器熱阻 21 2.2.2.2冷凝器熱阻 24 2.2.3工質注入量 25 第三章 實驗設備與方法 26 3.1製造系統 26 3.1.1高分子毛細結構製造系統 26 3.1.2高分子毛細結構製造實驗材料 28 3.1.3迴路式熱管製造系統 28 3.2測試系統 29 3.3實驗步驟 32 3.3.1高分子毛細結構製作步驟 32 3.3.2迴路式熱管熱傳性能測試步驟 32 3.3.2.1迴路式熱管安裝過程 33 3.3.2.2熱性能測試步驟 34 3.4誤差分析 35 3.5實驗參數 39 第四章 結果與討論 40 4.1高分子毛細結構 40 4.1.1高分子毛細結構製作之設計 41 4.1.1.1高分子毛細結構製作方式之選擇 41 4.1.1.2高分子材料之選擇 45 4.1.1.3溶劑之選擇 47 4.1.1.4非溶劑之選擇 49 4.1.1.5熱壓模具之設計 49 4.1.2高分子毛細結構之製作 50 4.1.3高分子毛細結構各項參數測試 59 4.1.3.1孔隙度 59 4.1.3.2有效孔徑 60 4.1.3.3滲透度 64 4.1.4高分子毛細結構與金屬毛細結構之比較 67 4.1.4.1製作成本 67 4.1.4.2特性比較 68 4.2迴路式熱管設計與性能測試 69 4.2.1迴路式熱管之設計 69 4.2.1.1工質選擇 69 4.2.1.2管路材質之選擇 70 4.2.1.3迴路式熱管各元件尺寸 70 4.2.2迴路式熱管熱性能測試 71 第五章結論 75 參考文獻 77 附錄 8