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研究生： 林坤成
Kun-Cheng Lin
論文名稱： 漸擴微流道角度效應之沸騰熱傳研究
A Study of Boiling Heat Transfer and angle effect in Diverging Microchannels
指導教授： 潘欽
Chin Pan
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 微流道 、氣泡動力學 、角度效應 、雙相壓降
外文關鍵詞： microchannels
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    • 本研究主要探討不同角度的漸擴微流道的沸騰熱傳與流譜。並分析加熱功率、體積流量跟平均水力直徑與不同角度對於熱傳遞係數、壓降、氣泡動力學和雙相流譜的影響。
    研究結果顯示10漸擴微流道的氣泡成長速率與氣泡脫離頻率比20與30漸擴微流道快，而在30漸擴微流道氣泡脫離半徑則是大於20與10漸擴微流道。在流譜的觀察上發現到一個新的流譜，稱之為蛇狀流。沸騰發生之前，熱通率跟熱傳係數會隨著流量的增加而緩慢增加；沸騰發生後，熱通率跟熱傳係數會有顯著上升現象。研究結果也顯示在沸騰發生之後，流量對於熱通率跟熱傳係數沒有明顯的效應，顯示沸騰為所謂的完全發展沸騰。由於通道內主要的流譜為長泰勒氣泡流與環狀流，微液膜的蒸發可能是微通道沸騰的主要熱傳機制。微通道內的液膜非常薄，液膜內應不易發展出紊流；因此，流量對沸騰曲線沒有明顯地效應，此與大通道明顯地不同。微通道內的壓降亦是一個重要的研究課題並且在分析方面應該考慮飽和溫度與相對相應壓降的變化。研究結果顯示，在單相流動下，壓降會隨溫度的上升而下降，這是液體的黏滯係數隨溫度上升而減少的緣故。沸騰起始後，微通道壓降因為空泡分率的增加而明顯地隨溫度的增加而陡升。
    本研究最後比較不同角度漸擴微流道與沸騰熱傳和壓降上有何差異。結果顯示10漸擴微流道壓降會比20與30漸擴微流道大，並且10漸擴微流道的沸騰熱傳性能會比20與30漸擴微流道好，也就是說10漸擴微流道有比較高的熱通率與熱傳遞係數。

    目 錄 頁次 摘要……………………………………………………………………..Ⅰ 誌謝……………………………………………………………………..Ⅱ 目錄……………………………………………………………………..Ⅲ 圖目錄…………………………………………………………………..Ⅶ 表目錄………………………………………………………………..ⅩⅣ 第一章 緒論……………………………………………………………..1 1.1 前言………………………………...………………………….1 1.2 文獻回顧………………………………………...…………….4 1.3 研究目的……………………………………...…………...12 1.4 論文的內容 ………………………….………...……….13 第二章 實驗設備與步驟………………………………………………14 2.1 實驗環路主體……………....……..………………………...14 2.1.1 測試段………………………..………………………14 2.1.2 加熱器模組…………………………..………………17 2.1.3 加熱電源供應器………………………..……………18 2.1.4高效能層析幫浦..………..…….………………….18 2.1.5 濾膜（Filters）……….…………………..…………18 2.1.6 精密電子天平（Precision Electronic Balances）.…19 2.2 實驗量測與數據擷取系統……………….………………...20 2.2.1 溫度量測…………..……………….………………..20 2.2.2 壓力量測…………………………….………………22 2.2.3 流量控制與量測…………………….………………22 2.2.4 YOKOGAWA MX100數據擷取系統…...……….22 2.3 影像擷取與處理設備……………………….……..……...23 2.3.1影像擷取的方法…………….………………………23 2.3.2 可變焦顯微放大觀察系統……………..…..………24 2.3.3 影像處理分析軟體……………………....…………26 2.4 實驗方法與步驟….....……..……..….…………………...27 2.4.1 實驗方法…………………………..………..………27 2.4.2 實驗步驟……………………………………………27 2.5 熱傳分析計算…………..…..…………..………………...29 2.6 實驗誤差分析…………………………..………………...38 第三章 矽質微通道製作程序…………………………………………49 3.1 基本原理…………………………………………….……...49 3.1.1 光微影技術（Photolithography）……………….…49 3.1.2 深層反應性離子蝕刻（Deep Reactive Ion Etch）...50 3.1.3雷射切割（Laser Cutting）…………….……..…….50 3.1.4 陽極接合（Anodic bonding）………….…………..51 3.1.5 設計目標……………………………….……………53 3.2 微通道製程…………………………….…………………...54 3.2.1 光罩設計……………………….……………………54 3.2.2 微通道製作…………………….……………………55 3.3 製程結果與討論…………………………………………...57 3.3.1 粗糙度………………………….……………………57 3.3.2 SEM圖片..………………...…….…………………63 第四章 實驗結果與討論………………………………………………68 4.1氣泡動力學（Bubble Dynamics）….……………….……..68 4.1.1氣泡成核位置.……………………….….….…………69 4.1.2氣泡成長速率..……………………..…………………70 4.1.3氣泡脫離尺寸……………………..…………………..94 4.1.4氣泡脫離頻率……………………..………...……….100 4.2雙相流動型態(Two-Phase Flow Patterns)……..…………..104 4.3沸騰熱傳分析.…………………….…...………….……….125 4.4雙相壓降分析.…….……………………………………….134 第五章 結論與建議……………………………………………..141 參考文獻………………………………………………………………144 附錄A.1 Appendix A-Metter Toledo……………...……………...…148 附錄A.2 可變焦顯微放大觀察系統………………………………..149 附錄A.3 可變焦式顯微鏡放大倍率表…………………………...151 圖 目 錄 頁次 圖2-1 實驗環路示意圖………………………………………………15 圖2-2 測試段上視圖（漸擴角10）…………………………………15 圖2-3 測試段上視圖（漸擴角20）…………………………………15 圖2-4 測試段上視圖（漸擴角30）…………………………………16 圖2-5 測試段等角視圖………………………………………………16 圖2-6 加熱器模組示意圖……………………………………………17 圖2-7 T-type熱電偶延伸至儲水槽示意圖………………………….21 圖2-8 微熱電偶接和器示意圖....……………………………………21 圖2-9 影像擷取與處理系統示意圖…………………………………25 圖3-1 Pyrex #7740和矽晶圓之陽極接合…………………………...52 圖3-2 微通道製程流程圖……………………………………………56 圖3-3 AFM在1度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面粗糙度圖.......58 圖3-4 AFM在2度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面粗糙度圖.......59 圖3-5 AFM在3度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面粗糙度圖.......60 圖3-6 AFM在1度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面剖面圖...........61 圖3-7 AFM在2度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面剖面圖............61 圖3-8 AFM在3度漸擴微流道底面所掃描量測出的表面剖面圖............62 圖3-9 SEM剖面圖(一)……………………..………………………65 圖3-10 SEM剖面圖(二)…...…..…………………………………66 圖3-11 SEM剖面圖(三)…………………………………..…………66 圖3-12 SEM剖面圖(四)…………………………………..…………67 圖4-1 第一個沸騰起始點與壁溫的關係圖...………………….…..69 圖4-2 氣泡成長過程（10）………………………………….….…..72 圖4-3 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………………….……….73 圖4-4 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………………….…...…73 圖4-5 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………….………....…74 圖4-6 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）…………………..…..…74 圖4-7 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………………….…….…75 圖4-8 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………………….....…75 圖4-9 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）………………….…….…76 圖4-10 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）…………………..…76 圖4-11 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）…………….....…..…77 圖4-12 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）…………….………...77 圖4-13 氣泡成長半徑與時間關係圖（10）…………….………...78 圖4-14 氣泡成長速率與壁溫關係圖（10）………….….………….78 圖4-15 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………….….….79 圖4-16 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...79 圖4-17 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………….80 圖4-18 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...80 圖4-19氣泡成長半徑與時間關係圖（20）…………………………..81 圖4-20 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………….……..81 圖4-21 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...82 圖4-22 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...82 圖4-23 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...83 圖4-24 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...83 圖4-25 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...84 圖4-26 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...84 圖4-27 氣泡成長半徑與時間關係圖（20）………………………...85 圖4-28 氣泡成長速率與壁溫關係圖（20）………………………..85 圖4-29 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………...86 圖4-30 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………..86 圖4-31 氣泡成長半徑與時間關係圖（30......................87圖4-32 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………...87 圖4-33 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………….88 圖4-34 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………..88 圖4-35 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………….89 圖4-36 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………...89 圖4-37 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………90 圖4-38 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）……………………….90 圖4-39 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）……………………….91 圖4-40 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………….…………….91 圖4-41 氣泡成長半徑與時間關係圖（30）………………………….92 圖4-42 氣泡成長速率與壁溫關係圖（30）………………………...92 圖4-43 不同角度漸擴微流道氣泡成長速率與壁溫比較關係圖…....93 圖4-44 氣泡脫離半徑與壁溫關係圖（10）………………………...96 圖4-45 氣泡脫離半徑與壁溫關係圖（20）……………………….…96 圖4-46 氣泡脫離半徑與壁溫關係圖（30）…………………….……97 圖4-47 不同角度漸擴微流道氣泡脫離半徑與壁溫比較關係圖……97 圖4-48實驗氣泡脫離直徑與理論氣泡脫離直徑關係圖（10）……..98 圖4-49實驗氣泡脫離直徑與理論氣泡脫離直徑關係圖（20）……..98 圖4-50實驗氣泡脫離直徑與理論氣泡脫離直徑關係圖（30）……..99 圖4-51 氣泡脫離頻率與壁溫關係圖（10）……………………….101 圖4-52 氣泡脫離頻率與壁溫關係圖（20）…………………………101 圖4-53 氣泡脫離頻率與壁溫關係圖（30）…………………………102 圖4-54 不同角度漸擴微流道氣泡脫離頻率與壁溫比較關係圖…...102 圖4-55 氣泡脫離頻率與脫離直徑關係圖………………………..….103 圖4-56沸騰起始點與氣泡流（一）…………………………………105 圖4-57沸騰起始點與氣泡流（二）…………………………………106 圖4-58沸騰起始點與氣泡流（三）…………………………………107 圖4-59沸騰起始點與氣泡流（四）………………………………..109 圖4-60彈狀流………………………………………………………..111 圖4-61環狀流………………………………………………………..112 圖4-62蛇狀流………………………………………………………..114 圖4-63不同角度流譜比較((Q＝5×10-9 m3/s；Tw＝102~105.5℃)…..116 圖4-64不同角度流譜比較(Q＝5×10-9 m3/s；Tw＝121.5~126.9℃)...117 圖4-65不同角度流譜比較(Q＝5×10-9 m3/s；Tw＝140~146.3℃)……118 圖4-66不同角度流譜比較(Q＝10×10-9 m3/s；Tw＝102.8~106.8℃)...119 圖4-67不同角度流譜比較(Q＝10×10-9 m3/s；Tw＝124~128.6℃)…..120 圖4-68不同角度流譜比較(Q＝10×10-9 m3/s；Tw＝143.7~145.8℃)...121 圖4-69不同角度流譜比較(Q＝15×10-9 m3/s；Tw＝102~107.8℃)….….122 圖4-70不同角度流譜比較(Q＝15×10-9 m3/s；Tw＝125.5~129.1℃)…...123 圖4-71不同角度流譜比較(Q＝15×10-9 m3/s；Tw＝143~144.8℃)…......124 圖4-72漸擴微流道(10)熱通率與壁溫在三種流量下的關係圖…..........128 圖4-73漸擴微流道(20)熱通率與壁溫在三種流量下的關係圖………..128 圖4-74漸擴微流道(30)熱通率與壁溫在三種流量下的關係圖…..........129 圖4-75漸擴微流道(10)熱對流係數與壁溫在三種流量下的關係圖 129 圖4-76漸擴微流道(20)熱對流係數與壁溫在三種流量下的關係圖 130 圖4-77漸擴微流道(30)熱對流係數與壁溫在三種流量下的關係圖 130 圖4-78 漸擴微流道(10)熱對流係數與熱通率在三種流量下的關係圖131 圖4-79 漸擴微流道(20)熱對流係數與熱通率在三種流量下的關係圖131 圖4-79 漸擴微流道(30)熱對流係數與熱通率在三種流量下的關係圖132 圖4-81不同角度漸擴微流道熱通率與壁溫在三種流量下的比較關係圖………………………..…………………………………..……132 圖4-82不同角度漸擴微流道熱對流係數與壁溫在三種流量下的比 較關係圖………………………………………………………..133 圖4-83不同角度漸擴微流道熱對流係數與熱通率在三種流量下的比較關係圖…………………………………………….……...……..133 圖4-84 漸擴微流道(10)壓降與壁溫在三種流量下的關係圖……...136 圖4-85 漸擴微流道(20)壓降與壁溫在三種流量下的關係圖……...136 圖4-86 漸擴微流道(30)壓降與壁溫在三種流量下的關係圖……...137 圖4-87 漸擴微流道(10)壓降與熱通率在三種流量下的關係圖…...137 圖4-88 漸擴微流道(20)壓降與熱通率在三種流量下的關係圖…...138 圖4-89 漸擴微流道(30)壓降與熱通率在三種流量下的關係圖…...138 圖4-90 不同角度漸擴微流道壁溫與壓降在三種流量下的比較關係圖…………………………………………........…….………139 圖4-91 不同角度漸擴微流道壁溫與壓降在三種流量下的比較關係圖…………………………………………........…….………139 圖4-92 壓降與時間關係比較圖(Q=5×10-9 m3/s，T=100℃左右).….140 表 目 錄 頁次 表1-1 Heat conduction degree of interface matter…...…………..……...2 表2-1 高速攝影機之解析度、拍攝頻率與時間關係………….……..24 表2-2 漸擴角10通道熱通量與溫度、壓力關係……………….……..31 表2-3 漸擴角20通道熱通量與溫度、壓力關係……………….……..33 表2-4 漸擴角30通道熱通量與溫度、壓力關係……………….……..36 表2-5 實驗結果之不準度………………………………………………41 表2-6 加熱功率與熱對流係數相對誤差（漸擴角10）….……….......42 表2-7 加熱功率與熱對流係數相對誤差（漸擴角20）….……….......44 表2-8 加熱功率與熱對流係數相對誤差（漸擴角30）….……….......46 表3-1 微流道之幾何尺寸………………………………………………65 表4-1 在不同漸擴角與不同量流量之進出口流速…………………...127

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