第四章 結果與討論
4.2 嵌入微孔洞矽微米線陣列之毛細結構之熱傳結果
圖 4.4 比較高度100 μm之矽微米線陣列與此陣列內嵌入二種尺寸微孔 洞之熱傳。圖中實心圓形符號代表高度 100 μm之矽微米線陣列之熱傳曲 線，空心圓形代表高度為100 μm之矽微米線陣列嵌入寬度 30 μm深度 110
(a) (b)
0.2 s
0.4 s
(c)
0 s
(d)
0.6 s
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μm之微孔洞，空心三角形符號代表高度為 100 μm之矽微米線陣列嵌入寬 度為60 μm 深度為 130 μm之微孔洞，其二次不同實驗分別用紅色與深綠 色代表。圖中之符號P代表微米柱陣列之高度、W代表微孔洞之寬度、H代 表微孔洞之深度，而數字之單位都為微米。高度 100 μm之矽微米線陣列 所得之乾涸熱通量與熱傳係數分別為 94.9 W/cm2、4.25 W/cm2-K 。高度為 100 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為 30 μm深度為 110 μm之微孔洞所得之 乾涸熱通量與熱傳係數為 96.0 W/cm2、4.86 W/cm2-K。高度為 100 μm之矽 微米線陣列嵌入寬度為60 μm深度為 130 μm之微孔洞之紅色與深綠色兩 個不同樣本所得之乾涸熱通量分別為 96.2 W/cm2與 94.5 W/cm2，而所得之 熱傳係數分別為 5.03 W/cm2-K與 5.77 W/cm2-K。比較矽微米線陣列與此陣 列內嵌入二種尺寸微孔洞之毛細結構之熱傳曲線，可發現嵌入微孔洞之毛 細結構最多能使熱傳系數增加 35.8 %熱傳系數，且乾涸熱通量並不會因嵌 入微孔洞而下降。
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圖 4.4、比較高度 100 μm 之矽微米線陣列與此陣列內嵌入二種尺寸微孔洞 之熱傳圖：其中 P 代表微米柱陣列之高度、W 代表微孔洞之寬度、H 代表 微孔洞之深度，而數字之單位都為微米。實心圓形符號代表高度 100 μm 之矽微米線陣列之熱傳曲線、空心圓形代表高度為100 μm 之矽微米線陣 列嵌入寬度為 30 μm 深度為 110 μm 之微孔洞之熱傳曲線、空心三角形符 號代表高度為100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度為 60 μm 深度為 130 μm 之微孔洞之熱傳曲線，其二次不同實驗分別用紅色與深綠色代表。
圖 4.5 為高度100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 30 μm 深度 110 μm 之 微孔洞，在熱通量為 26 W 時在不同時間所得之影像。圖 4.5(a)可看到一開 始右上方之微孔洞是充滿液體的狀態(紅色圓圈內區域)，而在經過 0.1282 秒與 0.2564 秒時微孔洞呈現噴發狀態(見圖 4.5(b)-(c))，在經過 0.4102 秒
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時微孔洞又充滿液體(圖 4.5(d))。由以上結果估計完成一次噴發動作所需 時間為 0.4102 秒。
圖 4.6 為高度100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 60 μm 深度 130 μm 之 微孔洞在 15 W 時之影像。圖 4.6(a)可看到一開始右上方之微孔洞是充滿液 體的狀態(紅色圓圈區域)，在 0.08 秒時微孔洞有呈現噴發狀態(見圖 4.6(b))，
在 0.16 秒時又充滿液體(見圖 4.6(c))，最後在 0.4102 秒時又再次噴發(見圖 4.6(d))。故估計完成一次噴發動作需時 0.16 秒。比較圖 4.5 與 4.6 可發現 寬度為60 μm 之微孔洞可更快速地作動，這可能是造成寬度 60 μm 之微孔 洞熱傳係數較高的原因。且圖 4.5 與圖 4.6 分別是在熱通量為 26 W 及 15 W 時所得之影像，故由此兩圖可證明微孔洞在低熱通量時就有觸發沸騰之效 果。
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圖 4.5、為高度100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 30 μm 深度 110 μm 之微 孔洞，在熱通量為 26 W 時在不同時間所得之影像：(a)一開始右上方之微 孔洞是充滿液體的狀態(紅色圓圈區域)；(b)過 0.1282 秒時微孔洞呈現成噴 發狀態；(c)過 0.2564 秒時微孔洞呈現成噴發狀態；(d)在 0.4102 秒時又充 滿液體。故估計完成一次噴發動作所需時間為 0.4102 秒。
Filled
Filled Ejection
Ejection
(a) (b)
0.13 s
0.26 s
(c)
0 s
(d)
0.41 s
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細結構之熱傳曲線，其二次不同實驗結果分別用藍色與紅色代表。圖中空 心星形代表高度為160 μm之矽微米線陣列嵌入寬度40 μm深度40 μm之微 孔洞之毛細結構之熱傳曲線，其二次不同實驗結果分別用黑色與紅色代表。
圖中空心五邊形代表高度為170 μm之矽微米線陣列嵌入寬度70 μm深度50 μm之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線。高度為170 μm之矽微米線陣列橘色 與深綠色兩個不同樣本所得之乾涸熱通量分別為117.7 W/cm2與123.3 W/cm2，而所得之熱傳係數分別為4.71 W/cm2-K與3.87 W/cm2-K。高度為 170 μm之矽微米線陣列橘色與深綠色兩個不同樣本所得之乾涸熱通量分 別為117.7 W/cm2與123.3 W/cm2，而所得之熱傳係數分別為4.71 W/cm2-K 與3.87 W/cm2-K。高度為170 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為30 μm深度為 30 μm之微孔洞用藍色與紅色兩個不同樣本所得之乾涸熱通量分別為 117.8 W/cm2與119.2 W/cm2，而所得之熱傳係數分別為4.40 W/cm2-K與4.22 W/cm2-K。高度為160 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為40 μm深度為40 μm之 微孔洞用黑色與紅色兩個不同樣本所得之乾涸熱通量分別為118.2 W/cm2 與106.4 W/cm2，而所得之熱傳係數分別為4.16 W/cm2-K與6.43 W/cm2-K。
高度為170 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為70 μm深度為50 μm之微孔洞所 得之乾涸熱通量與熱傳係數為121.0 W/cm2、4.83 W/cm2-K。而以上結構沸 騰時的熱傳係數皆位在11~16 W/cm2-K之間。如圖4.7所示除了紅色空心星 形符號那組實驗有提升之外(與藍色實心正方形實驗相比熱傳係數提升
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66.1%)，其餘實驗結果與單純微米線陣列之結構結果相差甚小。
圖 4.7、比較高度 170 μm 之矽微米線陣列毛細結構及在此結構內嵌入二種 微孔洞與高度160 μm 之矽微米線陣列嵌入微孔洞之毛細結構之熱傳：圖 中實心正方形符號代表高度為170 μm 之矽微米線陣列之熱傳曲線，其二 次不同實驗結果分別用橘色與深綠色代表；空心正方形符號代表高度為 170 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度為 30 μm 深度為 30 μm 之微孔洞，其二 次不同實驗分別用藍色與紅色代表；空心星形符號代表高度為160 μm 之 矽微米線陣列嵌入寬度為40 μm 深度為 40 μm 之微孔洞，其二次不同實 驗分別用黑色與紅色代表；空心五邊形符號代表高度為170 μm 之矽微米 線陣列嵌入寬度為 70 μm 深度為 50 μm 之微孔洞之毛細結構之熱傳曲 線。
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圖 4.8 是高度160 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 40 μm 深度 40 μm 之 微孔洞之毛細結構(圖 4.7 中黑色空心星形)在熱通量為 82 W 時所拍攝之影 像。其中圖 4.8(a)為截取之最初影像，時間以此為基準(0 秒)；圖 4.8(b)為 圖 4.8(a)經過 0.13 秒所得之影像；圖 4.8(c)為圖 4.8(a)經過 0.26 秒所得之 影像；圖 4.8(d)為圖 4.8(a)經過 0.4 秒所得之影像。由此影像可發現微孔洞 幾乎沒有任何變化。此影像配合圖 4.7 黑色空心星形之熱傳曲線發現與實 心正方形之熱傳曲線相似。因此，推測微孔洞並無噴發。
圖 4.8、高度160 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 40 μm 深度 40 μm 之微孔洞 之毛細結構，在熱通量為 82 W 時(為圖 4.7 中黑色空心星形之熱傳曲線)
(a) (b)
0.13 s
0.27 s (c)
0 s
(d)
0.4 s
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所拍攝之影像圖：(a)截取之第一影像，時間以此為基準(0 秒)；(b)為(a)經 過 0.13 秒所得之影像；(c)為(a)經過 0.27 秒所得之影像； (d)為(a)經過 0.4 秒所得之影像。
圖 4.9 是高度160 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 40 μm 深度 40 μm 之 微孔洞之毛細結構(圖 4.7 中紅色空心星形)在熱通量為 72 W 下於不同時間 所得之影像。圖 4.9(a)可看到一開始中間下方之微孔洞是充滿液體的狀態 (紅色圓圈內區域)，而在經過 0.013 秒與 0.027 秒時微孔洞呈現噴發狀態(見 圖 4.9(b)-(c))，在經過 0.04 秒時微孔洞又充滿液體(圖 4.9(d))。由以上結果 估計完成一次噴發動作所需時間為 0.04 秒。此影像配合圖 4.7 紅色空心星 形之熱傳曲線可堆測其熱傳增強(66.1 %)乃由於沸騰造成。
由圖 4.7~圖 4.9 可知，就算是相似的微米線嵌入微孔洞之毛細結構，
當微孔洞無噴發時，其熱傳曲線與純微米柱陣列相似，而當微孔洞噴發時，
熱傳係數將會提升。
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μm之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線、實心正方形符號代表高度170 μm之 矽微米線陣列之熱傳曲線、空心正方形代表高度為170 μm之矽微米線陣列 嵌入寬度30 μm深度30 μm之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線、空心星形代表 高度為160 μm之矽微米線陣列嵌入寬度40 μm深度40 μm之微孔洞之毛細 結構之熱傳曲線、空心五邊形代表高度為170 μm之矽微米線陣列嵌入寬度 70 μm深度50 μm之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線。高度為100 μm之矽微米 線陣列所得之乾涸熱通量與熱傳係數分別為94.9 W/cm2、4.25 W/cm2-K。
高度為100 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為30 μm深度為110 μm之微孔洞所 得之乾涸熱通量與熱傳係數為96.0 W/cm2、4.86 W/cm2-K。高度為100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度為60 μm深度為130 μm之微孔洞所得之乾涸熱通 量與熱傳係數為94.5 W/cm2、5.77 W/cm2-K。高度為170 μm之矽微米線陣 列所得之乾涸熱通量與熱傳係數分別為123.3 W/cm2、3.87 W/cm2-K。高度 為170 μm之矽微米線陣列嵌入寬度為30 μm深度為30 μm之微孔洞所得之 乾涸熱通量與熱傳係數為117.8 W/cm2、4.40 W/cm2-K。高度為160 μm之矽 微米線陣列嵌入寬度為40 μm深度為40 μm之微孔洞所得之乾涸熱通量與 熱傳係數為106.4 W/cm2、6.43 W/cm2-K。高度為170 μm之矽微米線陣列嵌 入寬度為70 μm深度為50 μm之微孔洞所得之乾涸熱通量與熱傳係數為 121.0 W/cm2、4.83 W/cm2-K。由圖4.10可發現，乾涸熱通量隨高度增加而 提高。此外當微孔洞噴發時，熱傳係數較同高度下之全微米線陣列結構上
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升14.4~66.1%，但若微孔洞無作動時，則其熱傳曲線與全微米線陣列相 似。
圖 4.10 比較本實驗所製作之七種毛細結構之熱傳：圖中實心圓形符號代表 高度100 μm 之矽微米線陣列之熱傳曲線、空心圓形代表高度為 100 μm 之 矽微米線陣列嵌入寬度30 μm 深度 110 μm 之微孔洞之毛細結構之熱傳曲 線、空心三角形代表高度為100 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 60 μm 深度 130 μm 之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線、實心正方形符號代表高度 170 μm 之矽微米線陣列之熱傳曲線、空心正方形代表高度為 170 μm 之矽微米 線陣列嵌入寬度30 μm 深度 30 μm 之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線、空心 星形代表高度為160 μm 之矽微米線陣列嵌入寬度 40 μm 深度 40 μm 之微 孔洞之毛細結構之熱傳曲線、空心五邊形代表高度為170 μm 之矽微米線 陣列嵌入寬度70 μm 深度 50 μm 之微孔洞之毛細結構之熱傳曲線。
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4.3 本章摘要
本章分別討論全微米線陣列毛細結構與嵌入微孔洞矽微米線陣列毛 細結構之熱傳表現，其幾何結構與對應數據之如表二所示。本研究發現全 微米線陣列毛細結構之乾涸熱通量會隨微米柱高度增加而上升，而蒸發熱 傳係數不隨微米柱高度改變。此外，在170 μm 之矽微米線陣列在高熱通 量時會產生沸騰，而熱傳係數因沸騰上升。比較嵌入微孔洞矽微米線陣列 毛細與矽微米線陣列之熱傳發現，當微米線陣列嵌入之微孔洞噴發時，其 熱傳係數與同高度之微米線陣列相比提升 14.4~66.1 %，證明在微米線陣 列嵌入微孔洞之方法可增強熱傳係數。但當微米線陣列嵌入之微孔洞無噴 發時，其熱傳係數與乾涸熱通量與同高度之微米線陣列相近。
54 Sample 1
100 -
-94.9 4.25
Sample 2 94.3 4.5
Sample 3 96.6 4.22
Sample 4
170 - - 117.7 4.71
Sample 5 123.3 3.87
Sample 6 100 30 110 96.0 4.86 Sample 7
100 60 130 96.2 5.03
Sample 8 94.5 5.77
Sample 9
170 30 30 117.8 4.40
Sample 10 119.2 4.22
Sample 11
160 40 40 118.2 4.16
Sample 12 106.4 6.43
Sample 13 170 70 50 121.0 4.83
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