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研究生: 馮士豪
Shi-Hao Feng
論文名稱: 多平行矽質微通道沸騰熱傳之探討
A Study of Boiling Heat Transfer in Multi-Parallel Silicon-based Microchannels
指導教授: 潘欽
Dr. 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: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 128
中文關鍵詞: 微通道沸騰熱傳微機電雙相流
外文關鍵詞: microchannels, boiling heat transfer, MEMS, two-phase flow
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  • 微通道沸騰熱傳是個有趣的工業應用與基礎研究課題且其現象與傳統尺度的通道有很大的差異。本研究採用除氣後的去離子水為工作流體,探討其在平行梯型矽質微通道內的流動沸騰。測試段利用微機電技術製作,於單晶片上蝕刻三或六條為通道,水力直徑分別為41.3和33.5μm。本研究的目的為探索多平行矽質微通道的沸騰熱傳與雙相流現象,包括氣泡成長機制、沸騰熱傳、雙相流動形態與雙相流不穩定現象。
    透過高速攝影機可清楚地觀察到微通道內的流動型態,包含氣泡流、彈狀流、環狀流、逆向蒸氣流、乾化以及其他特殊的流動型態。本研究發現氣泡成長與時間大致呈現線性關係,而彈狀流氣泡成長則與時間成指數關係。雙相時的熱傳能力較單相佳,當微通道內產生雙相現象時,進口壓力會有振盪行為,其振盪振幅受到熱通率與質量通率的影響。


    Flow boiling heat transfer in microchannels is of significant interest and it is for industrial applications and fundamental researches. This study investigates experimentally flow boiling of degassed, de-ionized water in multi-parallel, silicon based trapezoid microchannels, including three and six parallel microchannels that having hydraulic diameter of 41.3 and 33.5μm. The tested chips are fabricated by MEMS technology. The objective of this research is to explore the boiling heat transfer and two-phase flow in microchannels including bubble growth mechanism, boiling heat transfer, two-phase flow pattern and instability.

    By employing a high-speed video-camera, bubbly flow, slug flow, annular flow, reversal vapor flow, dry out and other peculiar two-phase flow patterns are observed clearly in microchannels. The bubble grows rate is almost linearly by time and the bubble in slug flow grows exponentially with time. The heat transfer ability of two phase flow is prior to single phase flow. The fluctuation of inlet pressure is observed during two phase period and it depends on heat flux and mass flux.

    目 錄 頁次 摘要……………………………………………………………………….I 致謝…………………………………………………………………..…ΙΙΙ目錄………………………………………………………..……………ΙV 圖目錄………………………………………………………………...VΙ 表目錄………………………………………………………………...... X 第一章 緒論……………………………………………………………. 1 1.1引言………………………………………………………………1 1.2 研究目的…………………………………………………………..4 1.3 研究方法…………………...………………………………………5 1.4 論文架構………………………………..………………………….6 第二章 文獻回顧……………………………………………………..…7 2.1 沸騰雙相流動型態…………………………...……………………7 2.2 沸騰熱傳分析……………………………………………………...8 2.3 不穩定分析……………………………………………………….10 2.4 氣泡成長機制……………………………………………………11 2.5 其他相關文獻…………………………………………………….11 第三章 實驗設備與步驟………………………………………………13 3.1 實驗環路相關設備………………………………………………13 3.1.1 環路系統……………………………………………………14 3.1.2 量測與數據擷取系統………………………………………..19 3.1.3 影像擷取與分析軟體………………………………………..23 3.2微通道製作程序………………………………………………….25 3.2.1 設計目的……………………………………………………..25 3.2.2 光罩設計……………………………………………………..26 3.2.3 微通道製作流程…………………………………………..…27 3.2.4 微通道製程原理………………………………..……………30 3.2.5 製程結果與討論……..………………………………………38 3.3 實驗步驟………………………………………………...………..43 3.4 SEM圖片……………………………………………………….44 3.5 粗糙度分析………………………..…………………………….47 3.6 熱功率計算……………………………………………………….51 3.7 實驗誤差分析…………………………….………………………58 第四章 結果與討論………………………………..……..……………65 4.1微通道成核分析………………………………………………….65 4.1.1 氣泡成長過程…………………………………..……….…65 4.1.2 氣泡成長速率…………………………………………..….68 4.1.3 氣泡脫離尺寸………………………………………………79 4.1.4 氣泡脫離頻率……………………………………………..…82 4.2微通道彈狀流的成長機制…………………………….…...83 4.3 微通道沸騰流動型態………………………………………91 4.4 微通道沸騰熱傳與壓降不穩定分析…………………….…106 4.4.1熱傳分析………………………………………………….106 4.4.2 壓降分析………………………………………………….110 4.4.3 微通道雙相不穩定性分析………………………………111 第五章 結論與建議…………………………………………………118 參考文獻……………………………………………………………..121 附錄 A.1…………………………………………………………..123 附錄 A.2………………………………..…………..……………..….126 附錄 A.3………………………………..…………..……………..….127 附錄 A.4………………………………..…………..……………..….128 圖 目 錄 頁次 圖3.1 矽質微通道實驗環路示意圖…..………………….……...13 圖3.2(a) 梯形矽質雙微通道測試之段上視圖……………………..14 圖3.2(b) 梯形矽質雙微通道測試之截面圖…………..…….……...15 圖3.3(a) 熱模組電源專用接頭配線示意圖………………….….....15 圖3.3(b) 加熱器模組示意圖……………………………………......16 圖3.4 加熱電源供應既恆溫控制箱示意圖………..…… ……....16 圖3.5 注射式幫浦示意圖….….…….........................................…18 圖3.6(a) T-型熱電偶延伸至儲水槽示意圖……………………..….19 圖3.6(b) 微熱電偶接合器示意圖..………………..………………..20 圖3.7 微通道製程流程圖………………………………………...30 圖3.8 微通道呈現挫曲……………………………...……………39 圖3.9 微通道邊緣嚴重毛邊……….……………..……….……...40 圖3.10 微通道邊緣光阻脫落………………………….………..…41 圖3.11 進出口附近殘留光阻……………………………….....…..42 圖3.12 微通道內殘留水滯……..………………………….………42 圖3.13(a) 梯形通道SEM圖(三通道)………...……………………...45 圖3.13(b) 梯形通道SEM圖(六通道)……………………………….47 圖3.14(a) AFM掃描通道底面粗糙度量測圖(三通道)…………..…48 圖3.14(b) AFM掃描通道底面粗糙度量測圖(六通道)…….……….48 圖3.14(c) AFM掃描通道側壁粗糙度量測圖(六通道)………....…..49 圖3.15(a) AFM掃描通道底面粗糙度截面圖(三通道)…………..…49 圖3.15(b) AFM掃描通道底面粗糙度截面圖(六通道)…….……….50 圖3.15(c) AFM掃描通道側壁粗糙度截面圖(六通道)………....…..50 圖3.16(a) 加熱器表面溫度與熱損失關係圖……..…………………53 (三通道;G=106 kg/m2s) 圖3.16(b) 加熱器表面溫度與熱損失關係圖…………….……….…54 (三通道;G=212 kg/m2s) 圖3.16(c) 加熱器表面溫度與熱損失關係圖……………...……..….54 (三通道;G=424 kg/m2s) 圖3.16(d) 加熱器表面溫度與熱損失關係圖………………………..55 (六通道;G=556 kg/m2s) 圖3.16(e) 加熱器表面溫度與熱損失關係圖….............................….55 (六通道;G=1112 kg/m2s) 圖4.1 氣泡成長機制圖……………………………………...……66 (三通道;G=424 kg/m2s,q”=63.2 kW/m2,距離入口1.6mm) 圖4.2 回收工作流體總重與時間關係圖.……….……………….68 (三通道;G=424 kg/m2s;q”=199 kW/m2) 圖4.3(a) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..70 (三通道G=106 kg/m2s q”=31.4 kW/m2) 圖4.3(b) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..71 (三通道G=106 kg/m2s q”=63.2 kW/m2) 圖4.3(c) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..71 (三通道G=106 kg/m2s q”=86.1 kW/m2) 圖4.3(d) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..72 (三通道G=212 kg/m2s q”=42.6 kW/m2) 圖4.3(e) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..72 (三通道G=212 kg/m2s q”=65.9 kW/m2) 圖4.3(f) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..73 (三通道G=212 kg/m2s q”=93.2 kW/m2) 圖4.3(g) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..73 (三通道G=212 kg/m2s q”=99.2 kW/m2) 圖4.3(h) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..74 (三通道G=424 kg/m2s q”=63.2 kW/m2) 圖4.3(i) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………...74 (三通道G=424 kg/m2s q”=89.7 kW/m2) 圖4.3(j) 氣泡成長半徑與時間關係圖………………………….…..75 (三通道G=424 kg/m2s q”=150 kW/m2) 圖4.3(k) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………..75 (三通道G=424 kg/m2s q”=199 kW/m2) 圖4.3(l) 氣泡成長半徑與時間關係圖……………………………...76 (三通道G=424 kg/m2s q”=250 kW/m2) 圖4.3(m) 氣泡成長半徑與時間關係圖………….……………….….76 (三通道G=424 kg/m2s q”=315 kW/m2) 圖4.4(a) 氣泡成長速率與熱通率關係圖.………………………….77 圖4.4(b) 氣泡成長速率與熱通率關係圖.………………………….77 圖4.5 沸騰啟始點與熱通率關係圖.………………..………..…..78 圖4.6 氣泡脫離直徑與熱通率關係圖.…………………….…….81 圖4.7 實驗量測與理論預估氣泡脫離直徑比較圖.……….…….81 圖4.8 氣泡脫離頻率與熱通率關係圖.……………………….….82 圖4.9 彈狀流成長機制圖.……………….……………………….84 圖4.10(a) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..85 (G=106 kg/m2s:q”=31.4 kW/m2) 圖4.10(b) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..85 (G=106 kg/m2s:q”=63.2 kW/m2) 圖4.10(c) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..86 (G=106 kg/m2s:q”=86.1 kW/m2) 圖4.10(d) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..86 (G=212 kg/m2s:q”=65.9 kW/m2) 圖4.10(e) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..87 (G=212 kg/m2s:q”=93.2 kW/m2) 圖4.10(f) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..87 (G=212 kg/m2s:q”=99.2 kW/m2) 圖4.10(g) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..88 (G=424 kg/m2s:q”=89.7 kW/m2) 圖4.10(h) 彈狀氣泡成長速率關係圖…………..…..………………..88 (G=424 kg/m2s:q”=150 kW/m2) 圖4.11(a) β值與加熱功率關係圖(Channel 1)……………….……..89 圖4.11(b) β值與加熱功率關係圖(Channel 2)……………….……..89 圖4.11(c) β值與加熱功率關係圖(Channel 3)……………….……..90 圖4.12 氣泡流……………………………………………………...92 圖4.13 次冷態沸騰………………………………………………...93 圖4.14 彈狀流………………………………………………...........94 圖4.15 彈狀流乾化後液體再濡溼…………………………...........95 圖4.16 環狀流………………………………………………...........96 圖4.17 入口蒸氣流…………………………………………...........98 圖4.18 逆向蒸氣流………………………………………….........100 圖4.19 彈狀氣泡前緣週期性振盪………………………….........101 圖4.20 彈狀氣泡前緣位置與時間關係圖……………….............102 圖4.21 頸狀彈狀流………………………………………….........103 圖4.22 氣泡受力分析圖…………………………………….........103 圖4.23 頸狀彈狀流乾化…………………………………….........104 圖4.24 乾化…………………………………….............................105 圖4.25(a) 熱通率與壁溫關係圖 (三通道)………….......…….........108 圖4.25(b) 熱通率與壁溫關係圖 (六通道)..……...……….............108 圖4.26(a) 熱傳遞係數與熱通率關係圖(三通道)…..….…….........109 圖4.26(b) 熱傳遞係數與熱通率關係圖(六通道)…..….…….........109 圖4.27(a) 入口壓力與熱通率關係圖(三通道)…..…….…….........110 圖4.27(b) 入口壓力與熱通率關係圖(六通道) …..…….……........111 圖4.28(a) 壓力振盪圖(三通道) …..…….……………………........114 (G=106 kg/m2s:q”=86.1 kW/m2) 圖4.28(b) 壓力振盪圖(三通道) …..…….……………………........115 (G=424 kg/m2s:q”=150 kW/m2) 圖4.28(c) 壓力振盪圖(六通道) …..…….……………………........115 (G=556 kg/m2s:q”=160 kW/m2) 圖4.29(a) 溫度振盪圖(三通道) …..…….……………………........116 (G=106 kg/m2s:q”=86.1 kW/m2) 圖4.29(b) 溫度振盪圖(三通道) …..…….……………………........116 (G=424 kg/m2s:q”=150 kW/m2) 圖4.29(c) 溫度振盪圖(六通道) …..…….……………………........117 (G=556 kg/m2s:q”=160 kW/m2) 表 目 錄 頁次 表3.1 高速攝影機之解析度、拍攝頻率與時間關係…….……..24 表3.2(a) 三通道熱通量與溫度、壓力關係….…….………………..56 表3.2(b) 六通道 熱通量與溫度、壓力關係……………….………57 表3.3 實驗結果之不準度………………………………………...61 表3.4(a) 熱通率與熱對流係數相對誤差…..…………............……62 (三通道;G=106 kg/m2s) 表3.4(b) 熱通率與熱對流係數相對誤差……………..........………62 (三通道;G=212 kg/m2s) 表3.4(c) 熱通率與熱對流係數相對誤差……………......…………63 (三通道;G=424 kg/m2s) 表3.5(a) 熱通率與熱對流係數相對誤差……………..........………63 (六通道;G=556 kg/m2s) 表3.5(b) 熱通率與熱對流係數相對誤差………………......………64 (六通道;G=1112 kg/m2s) 表4.1 氣泡成長速率表…………………………………...………79 表4.2 β值與加熱功率關係表……………………………...……90 表4.3(a) 溫度與壓力振盪振幅表(三通道)…………………..…....113 表4.3(b) 溫度與壓力振盪振幅表(六通道)…………………...…...114

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    24. 電腦世界雜誌 2003年第24期。

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