Research On the Applicability of Heat Pipe in Low Temperature Conditions

針對於安全性的要求提高，各種防護衣的設計與材質、規格近年來都更趨嚴謹，但相對的卻增加了防護衣的厚度、材質，而忽略了使用者的舒適度與活動靈活性，致使身體的排熱受到阻礙造成體溫的不斷上升，讓使用者感到悶熱難耐，無法發揮應有效益。由此可見，發展出一套具高效率地從身體帶走熱量的防護衣之必要性。 本研究著重在改善防護衣的散熱傳導機致，初步的嘗試利用目前已開發成熟應用在高溫電子元件上的熱導管作為導熱媒介。市面上的熱管往往應用於50℃以上的高溫環境，尚未將熱導管開發使用在人體體溫36℃左右之熱傳條件，本研究基於上述目的以現有之工業產品作開發應用，一方面討論該熱管規格於相對低溫環境作導熱媒介之適當性，一方面分析在此環境下的傳熱性能及溫度反應。經過本研究中的實驗設計與結果，具體分析了熱管的性能，及其應用於低溫散熱環境的效益；分析各項工程上優缺點後，本研究並提出了未來商品可應用的範圍。With the increasing concerns on safety, the standard of protective suit has been gradually enhanced lately. The present tactics is to increase thickness of the protective suit with tougher and denser texture. Unfortunately, comfort and mobility for the user have been ignored. A key aspect is the disposal of body heat in the hostile venting environments. Therefore, a great necessity is raised to develop a new protective suit which can effectively take away body heat while maintaining the wearer’s minimum comfort in the working situation. This study focuses on improving the heat dissipation mechanism, attempting a use of heat pipe, which has been well developed in the application of high temperature electronic components, to be the medium for heat conduction. Heat pipe is usually seen to be applied in the range around 50 °C or above, and no one has ever tried to apply it in the condition of around 36 °C, the normal body temperature. From the objectives set above, this study was formulated with a use of existing industrial products, and discuss was also made whether the standard heat pipe suits in the condition of relatively low temperatures. Related issues such as its heat conduction performances and effects on temperature distribution will be analyzed. Through a proper experimental design, the functions of the heat pipe and its applicability in the condition of low temperature are also analyzed. Having analyzed the pros and cons from the engineer’s viewpoints, this study also provides directions of the potential application areas for future commodity.摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 圖目錄 VII 表目錄 X 符號說明 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 5 第二章 熱管之傳熱機構介紹 7 2.1熱管介紹 7 2.1.1 熱管的傳熱原理 7 2.1.2 各式熱管的原理與優缺點 12 2.1.3 熱管中工作流體的選擇 17 2.1.4 毛細結構考量 20 2.1.5 熱管外殼的考量 22 2.1.6 熱管內部流動型態 23 2.1.7 熱管之操作極限 26 2.2 熱管的製造流程 30 2.2.1 銅管外殼的製作 31 2.2.2 毛細結構製作 32 2.2.3 工質注入之製作 33 2.2.4 抽真空與封口之製作 33 2.3 小結 34 第三章 儲熱設備之介紹 35 3.1 儲熱型式介紹 35 3.1.1 顯熱儲熱 35 3.1.2 潛熱儲熱 36 3.1.3 儲熱型式選用準則 38 3.2 儲熱物質介紹 40 3.2.1 以顯熱方式儲熱 40 3.2.2 以潛熱方式儲熱 41 3.3小結：儲熱設備設計構想 43 第四章 實驗設計與驗證 44 4.1研究流程簡介. 44 4.2 熱阻分析模式 45 4.3 實驗概念說明 46 4.3.1 實驗系統與設備說明 47 4.3.2 實驗參數設計 54 4.3.3 實驗數據取法 55 4.3.4 實驗流程 55 4.3.4.1 熱管性能測試一（溝槽式熱管） 57 4.3.4.2 溝槽式熱管實驗結果討論 60 4.3.4.3 熱管性能測試二（燒結式熱管） 62 4.3.4.4 燒結式熱管實驗結果討論 65 4.4 實驗結果檢視與探討 69 第五章 防護衣之散熱系統設計 73 5.1 熱導與儲熱概念 73 5.2 設計概念與產品雛形 74 5.2.1 散熱衣 74 5.2.2 熱管部分與儲熱設備 74 5.3散熱溫度場效能測試 76 5.4 原產品的外觀與溫度分佈圖 77 5.5 探討熱管模組與原產品之間的優缺點 81 5.6 小結 84 第六章 結論與未來研究方向 86 6.1 結論 86 6.2 建議 87 6.3 未來商業產品市場定位 88 參考文獻 9