實驗系統與方法

本論文以實驗方法探討介電流體 HFE-7100 在微通道散熱冷板中 之兩相沸騰熱傳，實驗系統如圖 1 所示，其中包含：介電流體迴路、

預熱器水循環迴路、次冷卻裝置與冷凝器水迴路，及量測元件與資料 擷取系統；此外，介電流體除氣裝置亦是不可或缺之設備。

2-1 工作流體

實驗中使用之工作流體為 3M公司開發之氫氟醚系列之介電流體 HFE-7100 (Hydro-Fluoro-Ether, C4F9OCH3)，具有良好的材料相容性 (例如：白金材料、黃銅、紅銅、鋁合金與鐵氟龍)與有較環保的環境 特性，性質和去離子水比較如表2。

2-2 除氣設備

在一般環境底下，HFE-7100 可以溶解 53 %體積的空氣，也就是 一單位體積的HFE-7100 在常溫、常壓下約可以包含 0.53 單位體積的 空氣，大約等同於 366 ppm，從文獻上得知水的含空氣量約為 8.5 ppm。因此，需要除氣設備來對我們的冷媒進行除氣的動作，除氣設 備如圖 2。首先我們將 HFE-7100 注入貯存槽內，然後在貯存槽下方 使用 Kapton 加熱片均勻加熱，等到 HFE-7100 被加熱至蒸氣狀態，

即會挾帶不凝結氣體往上升至蛇行冷凝管中，接著HFE-7100 蒸氣被 冷凝為液態流回貯存槽內，而不凝結氣體則由上方處散逸到大氣。這 個除氣的步驟持續約一小時直到蒸汽壓力與所量測到之飽和溫度在±

0.2℃，如圖 2。

2-3 測試段

4

φ

在本實驗系統內，介電流體迴路之測試段進出口與預熱段雙套管 之四個進、出口，量測溫度之裝置為電阻式溫度探測器(RTD)。T-type 熱電偶分別量測系統中不同位置所需求的溫度點，所有溫度裝置之量 測範圍在15 °C 到 90 °C 內之精度皆都校正至± 0.1 °C。

2-6-2 壓力計及差壓計

壓力計採YOKOGAWA(FP101A-Z11-L20A*B)，為絕對壓力計其 輸出訊號及量測範圍分別為1~5V與 0~5 kgf/cm²，安裝於測試段進口 處 。 壓 差 計 則 採 用YOKOGAWA (EJA110A)量測壓差範圍為 0~8 kg/cm²其輸出訊號為 4~20 mA經由SDBS 轉換為 1~5 V由紀錄器擷 取，與電腦聯結並紀錄。

2-6-3 流量計

在系統主迴路中，量測介電流體HFE-7100 之流量計採用Micro Motion^® ELITE^® Flow Meters- CMF010P ， 其 量 測 範 圍 為 0~100 g/min，訊號輸出為 4~20 mA，故連接一 250 Ω之電阻轉換成 1~5 V之 伏 特 訊 號 。 在 預 熱 段 迴 路 中 ， 流 量 計 採 用Alicat Scientific (L-200CCM-D)，量測最大範圍為 200 cm³/min之體積流量計輸出訊號 為0~5V，安裝於預熱段迴路出口管路中。

2-7 實驗儀器

2-7-1 電源供應器及加熱片

在本系統中，電源供應器最大可輸出 60V-3A 之伏特數與安培數 以提電能給加熱片。加熱片採用電阻值為 17.8 Ω 之 Kapton 軟式加 熱片，且尺寸大小與實驗中之熱散冷板一致，配合電源供應器最大可 提供160 W 之功率。

2-7-2 資料擷取系統

在資料擷取方面，則使用YOGOKAWA (HR-2300) 與一台個人電 腦作為實驗資料擷取與換算系統，分別擷取系統溫度、壓力與流量，

透過GPIB (General Purpose Interface Bus) 傳輸介面至電腦後，經由 程式即時顯示以察看系統是否抵達穩態狀況，穩態後五秒一次紀錄量 測數據。

2-7-3 幫浦

系 統 主 迴 路 與 預 熱 段 迴 路 之 工 作 流 體 推 動 由 齒 輪 驅 動 幫 浦 (Micro-pump T-23) 來帶動，其最大效能可達 8000 rpm 相對最大流量 可達3.2 L/min。冷凝器與次冷裝置由一 12 L/min 沉水幫浦推動冷卻 水。

2-7-4 壓力扣具

在測試段上，壓力扣具目的在於確保散熱冷板在每次實驗時都能 以固定壓力與加熱片貼合，並可減低接觸熱阻。每次實驗時，皆固定 施以12 kgf 之壓力，儀器設備最大讀取值為 100 kgf，如圖 7。

2-7-5 恆溫循環水槽

實驗設備中亦包含 3 台精密恆溫循環水槽，HIPOINT (LC-06 及 LC-10)，分別於預熱段在工作流體進入測試段前用以控制冷煤之溫度 或乾度；以及在次冷裝置提供冷卻水將飽和態之冷媒降回次冷態。其 具有精密PID 溫度控制系統、自我診斷功能，內外循環功能，循環量 可達7l/min，溫度調節精度達± 0.1℃，加熱瓦數可達 1200W，如圖 8。

2-8 實驗參數

本論文中之實驗參數包含：蒸汽乾度、微通道內之質量通率、加

熱瓦數與系統壓力，藉以上參數計算吾人欲探討之熱傳係數與壓降分 析，參數範圍如表3。

實驗所須控制與量測的物理性質 (1) 介電液HFE-7100(主迴路)之流量。

(2) 預熱器之進出口時的水溫以及介電液溫度。

(3) 測試段之進出口溫度或蒸汽乾度。

(4) 測試段熱源熱通量。

(5) 測試段內熱電偶之溫度(計算各熱傳性質) 。

(6) 測試段之壓力差(得到在不同流量或乾度時壓差的變化) 。

2-9 實驗方法及步驟

2-9-1 實驗前準備工作

將系統各部位鎖緊，使用氮氣瓶灌入 5 個大氣壓之壓力，經由壓 力轉換器量取系統內壓力並紀錄，經過 24 小時後檢查系統壓力以確 定整個系統是否有洩漏，若壓力的減少不超過 3Kpa/24hr，則系統為 接妥狀態。確定無洩漏後放掉系統內氮氣，將貯存槽及整個系統以真 空幫浦抽真空，以減少系統內之不凝結氣體，再將儲氣過後之工作流 體灌入系統內。

2-9-2 熱損實驗量測

過冷液態介電液進入預熱段後，被恆溫水槽加熱，維持介電液從 入口到出口皆為液態單相狀態，量測進、出口的溫度，即可計算出介

電液之獲得之熱量

)

去計算出的介電液獲得之熱量，即可得本實驗之熱損。同樣的，使用 上述之方法來進行測試段的熱損實驗。

(

p T T

C m

Q= ^⋅ −

2-9-3 實驗步驟

(1)因為介電液在常溫常壓下易融解空氣，故在注入系統貯存槽之前 必須先將系統抽真空，並使用蛇型冷凝器對將注入之介電液進行 除氣步驟，以減少因空氣對實驗之影響。

(2)打開各泵浦、流量計、恆溫水槽、熱供應器以及資料擷取系統之 電源，並進行主迴路流量計、壓差計、冷卻系統流量計之歸零動 作。

(3)調整預熱器恆溫水槽之溫度以控制介電液進入測試段之次冷度或 乾度。

(4)待恆溫水槽達到所需之溫度，調整主迴路之流量。

(5)調整熱供應器之電流、電壓對應到所需要的加熱瓦數，此時測試 段內之璧面溫度會緩緩上升。同時為控制系統之壓力恆定，必須 控制冷卻系統之水流量、溫度以維持系統為固定壓力。

(6)等系統之參數到達穩態時，進行數據之紀錄以供後續分析。

(7)調整不同的參數變化，重複(3)~(6)步驟以獲得不同實驗參數之結 果。

(8)實驗結束後，待系統溫度以降回常溫時，依反步驟一一將各單位 系統關閉。

2-10 實驗穩定判斷及注意事項

系統必須達到穩定方可擷取實驗之數據，而判斷穩態的根據為介 電液質通量在± 5 kg/m²s範圍，測試段壓力在± 3 kPa 範圍內變動。

實驗之預熱段及測試段為減少熱損失，外部均包覆絕熱材料，但 不免仍會有熱損失，故於正式實驗之前進行單相之熱損實驗。發現在 進行熱損實驗時預熱段及測試段均有相當程度之熱損，故正式實驗之 時均扣除掉熱損以求達到更精準之實驗值。

實驗時經由即時擷取之各項數據顯示幾乎無變動之後，每隔5秒 鐘紀錄ㄧ次所有接收到之數據並持續10分鐘，再將所有紀錄之數據作

平均後進行分析與比較。