本章節內容主要討論介電液 HFE-7100 在多重微通道散熱器內之 單相強制對流與兩相沸騰熱傳之壓降與熱傳特性分析，探討在不同加 熱通量及乾度下對壓降與熱傳之影響，並與前人之經驗式比較。
4-1 壓降分析與經驗式比較
圖10為G = 402.7 kg/m2s, (a) q” = 37.5 kW/m2 (a) q” = 25 kW/m2之 壓降比較圖，ΔP, Exp為散熱冷板進、出口端使用一精度0.1%差壓計 所測量之壓降，ΔP, Muller and Heck為使用方程式(3-34)~(3-38)之壓 降經驗式，ΔP, homogeneous theory為使用均質模式之壓降經驗式。
如所預料，使用Muller and Heck經驗式所得到的理論壓降值較均質模 式為大，且與本實驗之實驗值較為接近。吾人可以從圖10中發現無論 是使用Muller and Heck之經驗式或是均質模式的理論值，在乾度越高 的時候其預測性越差，與Muller and Heck之經驗式比較最大誤差達 70%。
圖11為G = 295.6 kg/m2s, (a) q” = 37.5 kW/m2 (a) q” = 25 kW/m2之 壓降比較圖，在圖11中可發現當G值下降為 295.6 kg/m2s 時，Muller and Heck以及均質模式之壓降經驗式對實驗值之預測性皆較為精 準，與Muller之經驗式比較時，最大誤差下降至37.5%。
在圖 10 及圖 11 中，吾人得知無論是使用Muller and Heck經驗式 或是均質模式來預測本實驗之壓降皆顯示出兩個趨勢，一為在乾度越 大時兩者之預測性皆越差；二為當質通量G值越小時預測性也越佳。
因此吾人進行質通量G = 201.9 kg/m2s, q = 25~10 kW/m2之實驗，得到
如圖12 之實驗結果。圖 12 中我們發現當質通量G = 201.9 kg/m2s時，
亦顯示出如圖 10 及圖 11 之趨勢，在圖 12 中吾人可以看到在乾度越 小時經驗式的預測值越符合實驗值，且與Muller之經驗式比較，最大 誤差下降至25%。如此，吾人推論以Muller and Heck之經驗式對本實 驗散熱冷板之壓降預測質通量的影響較經驗式中的2 次方為小，而乾 度項的影響也較3 次方小。
圖13為使用Muller and Heck經驗式在不同質通量下，評估各壓降 項 對 總 壓 降 的 貢 獻 百 分 比 ， 從 圖 中 可 以 發 現 加 速 度 項 ΔPa約 佔 20~30%，摩擦壓降ΔPf約佔70~60%，而入口和出口的壓降ΔPe、ΔPc
相對貢獻較小，約各佔總壓降的5%。
4-2 熱傳分析
4-2-1 單相分析
單相流動在平均紐塞爾數和表面摩擦因子 2
4 2
h app
in
D P
f L Uρ
= ∆ 的實驗結
果中，紐塞爾數(Nu)和表面摩擦因子fapp的量測不確定性分別約為
±4.2% (Nu) and ±7.8% (fapp)。微通道在單相流動的條件之下，流動及 熱 傳 會 同 時 沿 著 管 路 發 展 ， 實 驗 結 果 與 相 同 條 件 下 的 非 圓 管 (Muzychka and Yovanovich, 2004)以及矩形流道的完全發展結果(Shah and London, 1978)作比較，圖14為微通道散熱器使用HFE-7100在單相 條件下之性能，如所預料，紐塞爾數會隨著雷諾數增加而增加，在此 同時表面摩擦因子則隨之遞減，這與微通道在發展中的條件相關。吾 人所量測到的紐塞爾數會比完全發展的值大非常多，這個結果與一般 常見的大尺寸流道會受進口區效應的影響一致。但是實驗結果中，表 面摩擦因子仍比Muzychka and Yovanovich [21]的經驗式高，即使此經 驗 式 已 經 考 慮 入 口 的 影 響 ， 本 研 究 的 實 驗 結 果 仍 較 經 驗 式 高 約
10~37%。和Muzychka and Yovanovich 的經驗式比較時，本實驗的表 面摩擦因子較大，這是因為測量到的摩擦數據實際上除了摩擦壓降還 包含了兩個額外的壓損，這兩個額外的壓降來源是微通道的突縮、突 擴以及多管式微通道之不均勻流動分佈所造成。此外，在散熱冷板上 下板的微小距離會導致一個額外的彎管損失，且彎管損失會隨著雷諾 數的增加而增加，故測量到的表面摩擦因子與經驗式的誤差會隨著雷 諾數越來越大。彎管損失對摩擦因子的影響和熱傳比較起來，這些額 外的流動損失對熱傳性能來說是幾乎可以忽略的。基本上，這個測量 結果的趨勢與進口位置對多管式散熱器的流動不均勻的數值模擬(Lu and Wang, 2006)結果相類似。基本上，進、出口位置不可避免地對多 管式微通道散熱器的總壓降會有很大的影響，但是在熱傳上並沒有很 明顯的影響。
4-2-2 雙相分析
在兩相對流熱傳係數的典型實驗結果中，在質通量G = 402.7 kg/m2s時熱傳係數與壓降明顯受熱通量變化之影響，如圖 15。管當熱 通量從25 kW/m2增加到37.5 kW/m2熱傳係數有一微小的增加，沸騰 熱傳係數在乾度小於0.6 時幾乎維持不變。這看起來似乎違反傳統通 道下由核沸騰所主導之結果，在此同時壓降明顯受到熱通量改變有明 顯差異。吾人嚐試由幾個方向來探討此結果，當熱通量由25 kW/m2增 加到 37.5 kW/m2 壓降大約有 25~30%的變化。為了能夠更清楚的明 白熱通量對總壓降的影響，必須了解到在微通道內的總壓降如方程式 (3-20)~(3-33)，並發現如圖 13 所示，加速度項ΔPa約佔 20~30%，更 反應在圖12 中熱通量對壓降如預期中的影響。
在較低質通量200 kg/m2s的實驗中，熱傳係數和壓降對應乾度的 關係如圖16所示。不同於圖15質通量為400 kg/m2s的結果，熱通量對
熱傳係數與乾度的影響，在加熱瓦數為25 kW/m2時熱傳係數對乾度呈 現幾乎不變的趨勢。而是熱傳係數隨著乾度的增加而急遽減少，與圖 16的結果不同。這個現象的由來與兩相流動在微通道中迥異於傳統通 道有關；和微通道中深長型的氣泡(elongated bubble)成長時所特有的
「爆發性沸騰震盪」現象有關，此現象可用來解釋這個奇特的現象。
一般所知，氣泡在微通道中成長時很容易填滿管路，一旦氣泡填滿管 路，就會推動到氣泡後方的液體，進而阻止原先因流動慣性向前流動 的流體，因而產生迴流的現象。因此在平行的管路中，部分的液體在 管路內被迫往後推，但由於總流量固定，因此其他部分的流體會夾帶 著 更 多 的 液 體 往 前 進 。 迴 流 的 情 況 會 導 致 熱 傳 係 數 之 下 降 。 Hetsroni(2003, 2006)[23][24]亦在平行微通道中發現類似的結果。要注 意到，這個現象會在較大質通量時因為不易產生迴流現象而減少。值 得一提的是，目前的微通道研究中大部份皆是單一管路，因此所謂爆 發性沸騰震盪的影響會因為迴流情況減少而變小。