第一章 緒論
1.2 文獻回顧
熱管的毛細結構主要分成槽道型(Axial Groove)、篩網型(Screen Mesh)、
超細纖維型(Fine Fiber)、燒結型(Sintering)。在這中，燒結型毛細結構擁有 較優異的毛細力、與高熱傳導率與可靠性 [10]。所以文獻回顧將專注於燒 結型毛細結構 [11-19]與本團隊之前所開發之規則型毛細結構 [20]。
Hanlon和Ma在 2003 年 [11]發現用改變毛細結構高度的方法，不能同 時增強此熱管之毛細力與熱傳係數。此乃因於結構底部充滿著飽和液體，
而蒸發只發生在液氣表面(結構頂端)。所以增加結構高度雖然可以增加毛 細力，但是同時也會增加熱阻，導致熱傳係數下降。同年Prasher [12]亦指 出在採用同一種燒結粒子大小之毛細結構，會在一特定之結構厚度產生最 大熱傳表現。此乃因於熱傳輸限制會隨結構厚度增加而減少，而毛細限制 會隨結構厚度增加而上升，故二者會在特定結構厚度讓熱傳達到極值。
Byon和Kim在 2012 年 [13]研究顆粒大小對熱管性能的影響。他們發現對 單孔隙之毛細結構(顆粒大小在 50~275 μm之間)，顆粒越大毛細力所能吸 收的液體越多。這是因為當顆粒變小時，毛細力雖然會上升，但是結構孔
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隙變小導致液體流阻也會跟著上升，使結構所能吸收的液體變少。但當顆 粒超過 600 μm時，則因為顆粒太大，液體流經顆粒的慣性力太大，以致 於液體不能完全的充滿毛細結構。Semenic等人於 2008 年 [14, 15]研究雙 孔隙率毛細結構對熱管性能的影響。他們發現雙孔隙率的結構比單孔隙的 結構毛細表現還要更好，此乃因於小孔隙提供較大的毛細力，而大的孔隙 提供比較小的流阻，故造成雙孔隙率結構毛細表現比較好。不過Byon和 Kim在 2012 年 [13]更進一步發現雙孔隙毛細結構之兩種孔隙之曲率半徑 最好的比例約為 0.29。此乃由於當兩種孔隙的曲率半徑比例太小，其表現 會像單孔隙結構。反之，當兩種孔隙的曲率半徑比例太大，則會導致大孔 隙與小孔隙的毛細力相距過大，造成流體皆由小孔吸收，因此沒控制好兩 種孔隙的比例反而會降低毛細表現。Weibel等人在 2010 年 [16]的實驗看 到當燒結結構有沸騰發生時可以有效降低熱阻，該次乾涸熱通量約為 600 W/cm2，而熱傳係數約為 20 W/cm2-K。Weibel等人在 2012 年 [17, 18]更進 一步設計特別形狀的燒結結構讓沸騰的氣泡迅速離開毛細結構，因此能夠 增強熱傳係數。此外，Weibel等人 [17-19]在銅粉燒結結構上加入了薄薄的 奈米碳管，使表面超疏水，此超疏水的表面會比較容易沸騰，且降低沸騰 之過熱溫度，以提升較低過熱溫度的熱傳，其乾涸熱通量約為 457 W/cm2， 而熱傳係數約為 30 W/cm2-K。
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關於顆粒型的毛細結構已經被廣泛的研究了 [11-19]，但是規則型結 構如矽微米線陣列，則尚未被完全了解。況且利用微機電製程技術，可以 清楚定義並製作微結構的長、寬、高與間隔。如此可以精準地掌控結構形 狀，並可以有系統的分析結構對熱管性能的影響，且微機電製程可製作出 比銅粉燒結方法所得較小之微結構，故可深入有系統地探討毛細結構對熱 傳的影響，並能以此規則型結構提升熱管之熱傳係數與毛細限。此外，規 則型結構也可以製作出較簡單且氣泡容易離開的表面，如此可以避免氣泡 卡在毛細結構裡面，且利用沸騰帶走熱量，以提升熱傳係數。
先前之研究探討矽微米線陣列的蒸發現象 [20]，並發現在矽微米線陣 列上，當柱子間距在8.5~16.8 μm之間時，熱傳係數有最大值。這是因為間 距太大時，柱子的數目變少，所以柱子與液體接觸面積變小，導致三相區 的面積變小，故影響整個結構的熱傳係數。但是間距太窄的時候，則需要 供給較大的過熱溫度去引發蒸發，導致熱阻上升。故熱傳係數在一特定柱 子與柱子間距時有一最大值。此外，用改變結構高度的方法，可以增加最 大質量流率，同時在柱子高度較大之微結構表面上，於高熱通量時可看到 沸騰產生，且沸騰並不會造成此規則型結構之沸騰限，此乃因為此規則型 結構較簡單且氣泡易離開結構表面，故不會有氣泡卡在通道。這代表在高 熱通量時，可以利用高熱傳係數之沸騰帶走熱量，其乾涸熱通量可以達到 277.0 (±9.7) W/cm2，而熱傳係數19.6 (±0.8) W/cm2-K另外當毛細結構面積
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遠大於加熱面積時，因為散熱面積遠大於加熱面積，其乾涸熱通量可以達 到733.1 (±103.4) W/cm2。
由前面之文獻回顧可以知道規則型毛細結構可以利用沸騰現象增強 熱傳，故本研究提出一嵌入微孔洞之矽微米陣列毛細結構來提高毛細結構 之最大熱傳量與熱傳係數。此微孔洞可在低熱通量時觸發沸騰，以達到熱 傳增強的效果，同時矽微米陣列可以提供高的毛細限，本研究將同時探討 不同大小的微孔洞之熱傳增強效果。