奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳影響研究

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彭紳泰(Shen-tai Peng) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

論文名稱

奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳影響研究

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摘要(中)

本研究以甲醇為工作流體在一大氣壓下進行實驗探討奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳影響，實驗結果分為平滑表面、微流道表面、奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳，共三部份做探討。其中微流道表面以及微流道表面有奈米結構之探討參數則分為不同流道寬度(300 µm V.S. 400 µm)及不同鰭片寬度(300 µm V.S. 400 µm)進行探討。
於微流道表面之池沸騰熱傳實驗結果顯示流道寬度越寬，熱傳效果越好，因微流道表面之汽泡生長尺寸與流道寬度成正比。於探討微流道表面不同鰭片寬度於池沸騰熱傳之影響的實驗結果顯示鰭片寬度越寬，熱傳效果越好，因相鄰兩流道間產生的汽泡相聚合形成聯合汽泡的可能性隨鰭片寬度減小而增加，使熱傳能力降低。
微流道表面於低熱通量之熱傳增強主要依靠相較於平滑表面有較大尺寸成核孔洞於相同壁面過熱度下成為活化孔洞使熱傳增加，於高熱通量時則因為平滑表面之成核孔洞皆已活化使微流道表面與平滑表面之熱傳能力相差甚小。
微流道表面有奈米結構之池沸騰熱傳實驗結果顯示因奈米結構能改變工作流體接觸角使其從親水轉變為疏水，使奈米結構於微流道表面之實驗相較於微流道表面能於相同壁面過熱度的情況下，具有更多活化孔洞產生更多汽泡，使研究結果相較於微流道表面無奈米結構之結果的熱傳能力更為提升，並且於探討不同流道與鰭片寬度時之趨勢與微流道表面之趨勢一致(流道與鰭片寬度越寬越好)，但活化孔洞越多則越容易形成聯合汽泡，使乾涸現象相較於微流道表面在較低熱通量時發生。

摘要(英)

In this research work, saturated pool boiling experiment is carried out to study the effect of Nanostructure on silicon microchannel surface. Methanol is used as working fluid at atmospheric pressure. Mainly three types of surface was prepared, namely, Plain surface, surface with microchannel and nanostructured microchannel surface. The effect of micro channel width (300 µm & 400 µm) and fin width (300 µm & 400 µm) are studied on both surface.
The experimental results shows at lower heat flux, wider micro channel performs better in terms of enhancing heat transfer coefficient. Because the bubble diameter is bigger in wider channel. In the case of fin width, thicker fin performs better at lower heat flux because the probability of bubble coalesce between neighbor channels is less and as a result of that bubble departure frequency is higher.
With respect to plain surface, microchannel surface has larger size cavities, so at given low heat flux, it has more active nucleation sites. Where as in higher heat flux there is not much heat transfer enhancement on microchannel surface, since nucleation sites on flate surface are active.
Nanostructured micro channel surface has higher contact angle. As a result of that at a given heat flux, the number of nucleation sites is more. So the pool boiling heat transfer enhancement is better compare to microchannel without nanostructure surface. Similar enhancement trend has been observed while in comparing the effect of fin width and microchannel width. The CHF of nanostructured surface is lower because hither nucleation site density result in more bubble coalesce and dry out.
Key word: Nanostructure surface, microchannel surface, fin width, channel width, pool boiling heat transfer.

關鍵字(中)

★ 奈米結構表面
★ 微流道表面
★ 流道寬度
★ 鰭片寬度
★ 池沸騰熱傳

關鍵字(英)

論文目次

目錄
頁次
摘要 I
Abstract II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號說明 X
第一章研究背景及目的 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
第二章文獻回顧 6
2.1奈米結構對流體接觸特性及池沸騰熱傳之影響 6
2.1.1 奈米結構對流體接觸特性之影響 6
2.1.2 奈米結構對池沸騰熱傳之影響 11
2.2 微流道表面之池沸騰熱傳 12
2.3奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳 15
第三章實驗方法 54
3.1 實驗板片的製作與基本性能測試 54
3.1.1 實驗參數 54
3.2 實驗系統 55
3.2.1 環路系統 55
3.2.1.1 加熱系統 55
3.2.1.2 測試容器 56
3.2.1.3 冷凝系統 56
3.2.2 數據擷取系統 56
3.2.2.1 溫度測量 56
3.2.2.2 壓力測量 57
3.2.2.3 量測項目擷取 57
3.2.2.4 汽泡成長影像擷取 57
3.3 實驗方法 57
3.3.1 系統充填甲醇 57
3.3.2 實驗操作步驟 58
3.4 實驗數據換算 59
3.4.1 加熱瓦數 (Q) 59
3.4.2 熱傳係數 (H) 59
表3.2 62
第四章結果與討論 78
4.1 平滑表面之池沸騰熱傳 78
4.2 微流道表面之池沸騰熱傳 79
4.2.1 微流道表面之池沸騰熱傳 79
4.2.2 不同流道寬度於池沸騰熱傳之影響 80
4.2.3 不同鰭片寬度於池沸騰熱傳之影響 80
4.3 奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳 81
4.3.1表面有奈米結構之影響 81
4.3.2 不同流道寬度於池沸騰熱傳之影響 82
4.3.3 不同鰭片寬度於池沸騰熱傳之影響 82
第五章結論 97
參考文獻 98
附錄 101
A. 誤差分析 101

表目錄
表2.1、各種植物葉面表面結構SEM圖 17
表2.2、人工製成的疏水表面 18
表2.3、各種昆蟲翅膀表面疏水結構SEM圖 19
表2.4、奈米結構表面於池沸騰熱傳之影響文獻整理 20
表2.5、微道表面之池沸騰熱傳文獻整理 21
表2.6、奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳文獻整理 23
表3.1、實驗參數尺寸圖(單位：µm) 61
表3.2、實驗板片量測接觸角結果表 62
表3.3、實驗設備與推算誤差值 64

圖目錄
圖1.1、荷葉表面SEM圖 3
圖1.2、奈米結構表面對親疏水性質影響 4
圖1.3、微流道實體圖(流道寬度與鰭片寬度皆為400 µm) 5
圖2.1、水在一大氣壓下的池沸騰曲線 24
圖2.2、池沸騰曲線下的每個階段 25
圖2.3、水黽腳的表面結構SEM圖 26
圖2.4、壁虎腳趾前端吸盤圖片 27
圖2.5、水滴於玫瑰花瓣上的超疏水現象 28
圖2.6、不同理論用以解釋超疏水現象示意圖 29
圖2.7、荷葉效應與花瓣效應差異性 30
圖2.8、矽微米粒子SEM圖 31
圖2.9、表面圖案化技術流程圖 32
圖2.10、表面圖案化結構SEM圖 33
圖2.11、蝕刻製程之奈微米結構與疏水現象 34
圖2.12、不同結構表面與水滴接觸型式 35
圖2.13、水滴於不同表面結構板片彈跳情形 36
圖2.14、不同結構型式對超疏水性質之影響 37
圖2.15、不同直徑、高度的圓柱結構在不同間距下對超疏水性質影響 38
圖2.16、不同水滴體積對超疏水性質的影響 39
圖2.17、奈米碳管塗佈於平滑銅板片表面於池沸騰熱傳性能影響 40
圖2.18、不同材質及不同不同高度奈米結構表面對池沸騰熱傳性能影響 41
圖2.19、奈米結構表面的板片具有的三種孔洞形式 42
圖2.20、不同銅奈米線高度對池沸騰熱傳性能的影響 43
圖2.21、不同材質奈米線高度與熱通量、壁面過熱度關係圖 44
圖2.22、不同接觸角對汽泡於轉角處生長情形之影響 45
圖2.23、不同流道深度對熱傳增強結果圖 46
圖2.24、板片參數變化尺寸圖 47
圖2.25、各種板片參數變化尺寸圖 48
圖2.26、各種板片於池沸騰熱傳增強結果 49
圖2.27、汽泡於板片編號C的生長動態 50
圖2.28、各種板片與熱通量及壁面過熱度關係圖 51
圖2.29、板片結構設計及參數變化 52
圖2.30、汽泡生長動態於微米流道表面(圖左)及於微米流道表面具奈米結構(圖右) 53
圖3.1、實驗板片示意圖 65
圖3.2、實驗板片實體 66
圖3.3、奈米結構於微流道表面板片的SEM圖(流道與鰭片寬度 300 µm) 67
圖3.4、系統圖 68
圖3.5、實驗系統完成圖 69
圖3.6、加熱銅柱尺寸圖 70
圖3.7、不鏽鋼蓋板尺寸圖 71
圖3.8、測試段組合圖 72
圖3.9、量測儀器校正曲線 77
圖4.1、平板實驗結果 84
圖4.2、C3F3板片與平滑表面實驗結果比較 85
圖4.3、平滑表面與微流道表面於低熱通量時之池沸騰熱傳比較 86
圖4.4、平板與C3F3板片於低熱通量時(140 kW/m2)之流譜觀察比較 87
圖4.5、不同流道寬度於池沸騰熱傳之影響 88
圖4.6、不同流道寬度之流譜觀察比較 89
圖4.7、不同鰭片寬度於池沸騰熱傳之影響 90
圖4.8、奈米結構於微流道表面之池沸騰熱傳影響 91
圖4.10、微流道表面有無奈米結構於汽泡生長機制之影響 93
圖4.11、板片表面具奈米結構於池沸騰熱傳之影響 94
圖4.12、表面有奈米結構微流道不同流道寬度於池沸騰熱傳影響 95
圖4.13、表面有奈米結構微流道板片不同鰭片寬度於池沸騰熱傳影響 96

參考文獻

Bhushan, B., and Jung, Y. C., 2008, “Wetting, adhesion and friction of superhydrophobic and hydrophilic leaves and fabricated micro/nanopatterned surfaces” J. Phys.: Condens. Matter. Vol. 20,pp. 24.
Byun, D., Hong, J., Saputra, Ko, J. H., Lee, Y. J., Park, H. C., Byun, B. K., Lukes, J. R., 2009, “Wetting Characteristics of Insect Wing Surfaces.” J. of Bionic Engineering Vol. 6, pp. 63–70.
Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z.,Cho, H. H., Majumdar, A., 2009, “Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer” Nano Lett., Vol. 9, pp. 548–553.
Collier, J. G., and Thome, J. R., 1994, Convective Boiling and Condensation, Third Edition. Oxford University Press New York. Chapter 4, pp. 148-151.
Cooke, D., Kandlikar, S. G., 2012, “Effect of open microchannel geometry on pool boiling enhancement” Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 55, pp. 1004–1013.
Cooke, D., Kandlikar, S. G., 2011, “Pool Boiling Heat Transfer and
Bubble Dynamics Over Plain and Enhanced Microchannels” J. of Heat Transfer Vol. 133, pp. 163–172 ,.
Feng X. J., Jiang, L., 2006, “Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces” Adv Mater. Vol. 18, 3063–3078.
Gao, H. J., Wang, X., Yao,H. M. Gorb, S., Arzt, E., 2005, “Mechanics of hierarchical adhesion structures of geckos” Mech. Mater.Vol. 37, pp. 275–285.
Gao, N., and Yan, Y., 2012, “Characterisation of surface wettability based on nanoparticles” Nanoscale, Vol. 4, 2202–2218.
Guo, Z., Liu, W., 2007, “Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature:Binary structure and unitary structure” Plant Science,Vol. 172, pp. 1103–1112.
Im, Y., Joshi, Y., Dietz, C., Lee, S. S., 2010, “Enhanced Boiling of a Dielectric Liquid on Copper Nanowire Surfaces” Int. J. of Micro-Nano Scale Transport. Vol. 1, pp. 79–96.
Jeong, H. E., Kwak, M. K., Park, C. I., Suh, K.Y., 2009, “Wettability of nanoengineered dual-roughness surfaces fabricated by UV-assisted capillary force lithography” J. of Colloid and Interface Science.Vol. 339 pp. 202–207.
Kalani, A., Kandlikar, S. G., “ POOL BOILING HEAT TRANSFER OVER MICROCHANNEL SURFACES WITH ETHANOL AT ATMOSPHERIC PRESSURE” Proceedings of the ASME 2012 10th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels ICNMM2012 July 8-12, 2012, Rio Grande, Puerto Rico.
Kwon, Y., Patankar, N., Choi, J., and Lee, J., 2009, “Design of Surface Hierarchy for Extreme Hydrophobicity” Langmuir. Vol. 25, pp. 6129–6136.
Li, J., Cheng, P., 2004, “Bubble cavitation in a microchannel” Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 47, pp. 2689–2698.
Lin, F., Zhang, Y., Xi, J., Zhu, Y., Wang, N., Xia, F., and Jiang, L., 2008, “Petal Effect: A Superhydrophobic State with High Adhesive Force” Langmuir. Vol. 24, pp. 4114-4119.
Qu, W., Mudawar, I., 2002, “Prediction and measurement of incipient boiling heat flux in micro-channel heat sinks” Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 45, pp. 3933–3945.
Shen, P., Uesawa, N., Inasawa, S., and Yamaguchi, T., 2010, “Characterization of Flowerlike Silicon Particles Obtained from Chemical Etching:Visible Fluorescence and Superhydrophobicity ” Langmuir. Vol. 26, pp. 13522–13527.
Ujereh, S., Fisher, T., Mudawar, I., 2007, “Effects of carbon nanotube arrays on nucleate pool boiling” Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 50, pp. 4023–4038.
Zheng, Y., Lu, Y.-W., and Kandlikar, S. G., 2011, “Effects of nanowire height on pool boiling performance of water on silicon chips” Int. J. of Thermal Sciences. Vol. 50, pp. 2084–2090.
Zheng, Y., Z., Lu, Y.-W., and Kandlikar, S. G., 2012, “Fabrication of nanowires on orthogonal surfaces of microchannels and their effect on pool boiling” J. Micromech. Microeng. Vol. 22, pp. 1–9.
Zheng, Y., Lu, Y.-W., and Kandlikar, S. G., 2012, “Pool Boiling Heat Transfer Enhancement Through Nanostructures on Silicon Microchannels” J. of Nanotechnology in Engineering and Medicine. Vol. 3, pp.1–8.
范智峰，2004，冷媒R-134a與R-404A在熱傳增強管上之池沸騰觀察與熱傳性能分析，國立中央大學機械工程研究所博士論文，中壢，台灣。
劉建富，2013，狹小空間內微多孔表面之蒸發熱傳性能研究，國立中央大學機械工程研究所博士論文，中壢，台灣。

指導教授

楊建裕(Yang, C.-Y.)

審核日期

2014-8-11

推文