[[alternative]]Development of high temperature heat pipe

碩士[[abstract]]熱管在中高溫能量傳遞與儲存系統扮演著非常關鍵的角色，應用領域包括太陽能集熱系統與廢熱回收等，但目前國內並無相關設計與製造技術，因此本研究將開發高溫熱管的製造技術。應用於聚焦式太陽能史特靈引擎發電系統，熱管容器與金屬網毛細結構為不鏽鋼材質，工作流體為金屬鈉，熱管的長度與直徑為420mm與32mm。實驗以800W加熱功率與4組不同工作流體充填量進行熱性能測試，以操作時間與溫度對於熱阻之影響進行分析，結果顯示當工作流體充填量為38.13g(20%)時，高溫熱管具有最低之熱阻具較佳之性能。[[abstract]]Heat pipes have been considered as promising means for effective heat transfer in energy transport and storage systems in a medium-high temperature range, such as concentrated solar thermal energy systems and waste heat recovery. But up to now there is no relevant design and manufacturing technology, This preliminary study manufacturing a high-temperature heat pipe for their application to concentrating solar power (CSP) systems with stirling engine. Experiments were conducted to investigate the thermal performance of the heat pipe for input power 800 W. The container and mesh wick were made of stainless and the working fluid was sodium. The length and diameter of the heat pipe was 420 mm and 32mm, respectively. Experimental results show that a liquid fill charge of 38.13 g (20%) exhibited the least thermal resistance among four different fill charge ratios. The results were analyzed in terms of thermal resistance against time and operating temperature.[[tableofcontents]]中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究背景 5 1.2.1 熱管文獻回顧 5 1.3 研究目的 14 第二章 熱管簡介 15 2.1 熱管構造與工作原理 15 2.2 熱管設計與考量 17 2.3 熱管限制 18 2.4 性能評估 21 第三章 實驗製程與方法 22 3.1 高溫熱管設計理念 22 3.1.1 金屬容器選擇 22 3.1.2 工作流體之選擇 25 3.1.3 真空純化充填機制 27 3.2 高溫熱管製程 29 3.2.1 穿網 30 3.2.2 管帽製造、焊接與氦氣測漏 31 3.2.3 超音波清洗 31 3.2.4 烘烤 32 3.2.5 工作流體充填 32 3.2.6 加熱提純 33 3.2.7 冷卻降溫 33 3.2.8 脫氣封口 34 3.3 熱管測試設備 35 3.3.1 實驗設備 36 3.3.2 熱管性能測試 38 3.3.3 實驗步驟 40 第四章 實驗結果與討論 42 4.1 溫度隨時間之變化 42 4.2 不同充填量與空管溫度之影響 46 4.3 充填量對熱阻之影響 47 第五章 總結與未來建議 48 5.1 總結 48 5.2 未來建議 49 參考文獻 50 圖目錄 圖1.1 Gauglar提出的熱管與應用 5 圖1.2 左側為高溫熱管、右側為空管 6 圖1.3 高溫金屬鈉熱管實驗照片 6 圖1.4 應用於機翼前緣之熱管冷卻的工作原理 7 圖1.5 實際實驗測試圖 7 圖1.6 黏性極限時的溫度分佈 8 圖1.7 毛細極限時的溫度分佈 8 圖1.8 在石英燈輻射加熱時各測點的溫度 9 圖1.9 超高溫鋰熱管的聲速極限 9 圖1.10 序號1熱管啟動過程溫度分佈曲線 10 圖1.11 序號4熱管啟動過程溫度分佈曲線 10 圖1.12 不同輸入功率的啟動曲線 11 圖1.13 不同傾角的熱管啟動溫度分佈 11 圖1.14 毛細結構：溝槽 12 圖1.15 毛細結構：自行排氣流道 12 圖1.16 復合式毛細結構示意圖 13 圖1.17 高溫熱管啟動過程管壁溫升曲線圖 13 圖2.1 熱管構造示意圖 16 圖2.2 常見的熱管毛細結構示意圖 18 圖2.3 熱管熱傳限制示意圖 20 圖3.1 高溫熱管蒸餾充填架構 27 圖3.2 非蒸餾灌鈉法充填技術 28 圖3.3 高溫熱管不鏽鋼網目結構製作示意圖 30 圖3.4 不鏽鋼管帽製造與焊接 31 圖3.5 清洗流程示意圖 31 圖3.6 烘烤示意圖 32 圖3.7 不透明金屬鈉氧化層 32 圖3.8 上封蓋焊接 32 圖3.9 加熱提純金屬鈉示意圖 33 圖3.10 冷卻降溫示意圖 33 圖3.11 工作流體抽氣封入示意圖 34 圖3.12 高溫熱管實驗測試照片與示意圖 35 圖3.13 電源供應器 37 圖3.14 高溫加熱爐 37 圖3.15 數據擷取器 37 圖3.16 熱管架設完成 41 圖4.1 金屬鈉充填率15%之溫度與時間關係圖 42 圖4.2 金屬鈉充填率17.5%之溫度與時間關係圖 43 圖4.3 金屬鈉充填率20%之溫度與時間關係圖 44 圖4.4 金屬鈉充填率22.5%之溫度與時間關係圖 45 圖4.5 穩態後不同充填量與空管位置與溫度關係圖 46 圖4.6 不同充填量在加熱瓦數800瓦之熱阻關係圖 47 表目錄 表1.1 作動溫度與主要的作動流體 3 表1.2 水的典型特性 3 表1.3 Sodium金屬鈉的典型特性 4 表1.4 金屬鈉高溫熱管實驗參數 10 表3.1 高溫合金的性能 24 表3.2 高溫合金力學性能 24 表3.3 線膨脹係數(10-6／℃) 25 表3.4 鈉、鉀、銫及鈉鉀做為工作流體的性質(工作流體) 26 表3.5 相容性試驗的一般結果 26 表3.6 真空區域劃分 27 表3.7 金屬網熱管尺寸 29 表3.7 實驗參數條件 39[[note]]學號: 603350223, 學年度: 10