文獻回顧

1943 年 Nukiyama[4]以白金絲浸入水中加熱而做出熱通量 對過 熱度

q ′′

Δ T

的沸騰曲線圖，如圖 1-2 所示。沸騰曲線可分為四個區域：

(1) 自然對流區：

液體在加熱表面的流體運動，因受到加熱而產生密度變化而引起 自然對流，此時並無氣泡產生，即a-b。

(2) 核沸騰區：

當熱通量繼續增加至某定值時，金屬絲表面開始有氣泡產生，此 時的過熱度稱為起始過熱度，即圖中c。當起始過熱度過高時，可能 會使材料產生熱應力而影響材料的壽命。當熱通量不斷升高，氣泡迅 速形成且快速升至液面消失，此過程稱為核沸騰，即圖中 d-e-f。在 此區域中可以發現其熱傳效果遠大於自然對流區。而當熱通量繼續升 高，產生氣泡的速率大於氣泡脫離表面的速率時，所產生的氣泡幾乎 覆蓋整個加熱面而阻礙了冷液體與加熱面接觸，若繼續加熱，則過熱 度會突然跳增而使得元件燒毀，此點f 被稱為臨界熱通量(Critical heat flux)。

(3) 不穩定薄膜沸騰：

此區代表由核沸騰變為薄膜沸騰之不穩定區，此時加熱面會被液

體和氣體交互覆蓋，即圖中f-g。

(1) 均質成核(homogeneous nucleation)：

Volmer[5]利用典型的比例理論(rate theory)推測，欲存在氣相，則

(2) 非均質成核(heterogeneous nucleation)：

一般的沸騰現象大多源自於外來物質影響成核，例如在表面上一定會

Pv所對應的飽和溫度。在氣體飽和態的情況下，有 FC-72 蒸 解氣體含量少於 0.0025 moles gas/mole liquid 則對於起始沸騰無影 響；但若在高可溶解氣體含量，即高於0.0056 moles gas/mole liquid 時，則可以明顯降低起始與核沸騰的過熱度，且溫度偏移現象會因可 溶解氣體的含量增加而減小。

Hong 等人[8]以 FC-72 為工作流體、以圓柱狀加熱棒為加熱器，

探討在飽和狀態、氣體飽和態以及純次冷態而沒加入可溶解氣體時的 沸騰特性。結果表示若加熱棒長度固定，則熱增強的程度隨著可溶解

氣體的含量增加而增高。而且在純次冷態，壁面過熱度與次冷度的大 小無絕對關係。

You 等人[9]以 FC-72 以高濕性介電液為工作流體、一直徑 0.51mm、長度 25.4mm 之特殊加工水晶原柱為加熱棒，探討壓力、次 冷度以及可溶解氣體含量對於池沸騰的影響。結果發現當壓力增加 56KPa 時，在完全發展(fully-developed)核沸騰區域的過熱度降低約 3

℃，在氣體飽和態(gas-saturated)下，核沸騰熱傳的增強效果比純次冷 態更加有效。

Fujiia 等人[10]以多孔性與光滑面平板作池沸騰研究，平板以水 平、傾斜 45 度角以及垂直三種方式擺置。結果發現，以垂直擺置的 光滑面熱傳效果最佳，水平光滑面效果最差。

Nishikawa 等人[11]觀察加熱面角度對池沸騰的影響，發現傾斜角 越大，其池沸騰現象越早發生，起始過熱度越小，其熱傳係數也越高。

但是在高熱通量時，不同傾斜角的曲線會重疊在一起，顯示高熱通量 核沸騰與傾斜角沒有絕對的關係。

一般說來，加熱面上的孔穴影響了氣泡生成的效果，而加熱表面 的粗操度則控制孔穴的分佈及尺寸。若氣泡能容易生成，則可以大大 降低起始過熱度而提高核沸騰的熱傳能力。

Anderson 等人[12]使用 FC-72 搭配三種不同的加熱表面於池沸騰

熱傳分析，三種加熱表面分別為：

²

離，而將表面的熱量帶給主流的液體，並開始另一個循環。

q′′= ³ ₄ Bar-Cohen[18]於 1998 年發現當次冷度越大，則 CHF 值也會隨之增 大 。 他 們 定 義 次 冷 度 為

Δ T

sub

= T

sat

− T

bulk ， 當 次 冷 度 越 大 ， 則 100W/cm²以上，且溫度也將高達 85°C[19，20]。電子元件的密集度 越高，散熱的問題就越重要，所以研究微小空間之熱傳特性是有其相 當的必要性。

小間隙的池沸騰研究有的改變加熱表面，如光滑面、加入散熱鰭 片、加強其表面粗糙度。上述各種方法是屬於被動式的熱增強方式，

以下就是相關的研究文獻：

Isaacson[21] & Katto[22]建立一套無因次參數之關係式，可用來精

Yao & Chang[23]以 R-133、丙酮及水為工作流體，在垂直圓柱與 圓筒之間的狹窄流道作池沸騰分析，以 Bond Number、Boiling Number 及間隙大小來比較熱傳性能之比較，發現其結果與平板式加熱片結果 相仿，有一定最佳的間隙值，並將加熱面沸騰現象分成三個時期，如 圖1-7 所示。

(a) 氣泡變形脫離(Isolated deformed bubbles)。

有少數半圓球狀的氣泡在加熱面底部，通常發生在小間隙或是 低熱通量的情況下。

(b) 變形氣泡相互結合(Coalesced deformed bubbles)。

此時氣泡相互合併，形成一蒸氣柱，沿著加熱面向上流動，通 常發生於小間隙與中熱通量。

(c) 接 近 燒 乾 以 及 燒 乾 後 狀 態 (Near-dryout and post-dryout condition)。

加熱面表面乾枯，此時熱通量已很接近臨界熱通量。

Misale 等人[24]以 FC-72 為工作流體、兩種不同深寬比的鰭片加 熱面，研究在間隙2mm 與 0.5mm 之沸騰熱傳。實驗發現若加熱面為 垂直，間隙大小對池沸騰較無太大影響；而加熱面為水平時，小間隙 會對池沸騰有負面影響，且臨界熱通量也會下降。

陳文忠[25]在一大氣壓下，以 FC-72 為工作流體、銅片為加熱片，

研究在兩平板間小間隙之池沸騰現象。其加熱面角度分別為0°、45°

及90°，間隙大小為 0.5mm~2.0mm。實驗結果發現在低熱通量時，小 間隙相較於開放式而言會有較佳的熱傳導係數，尤其以間隙為0.5mm 時最為明顯。間隙大小對水平加熱有明顯的抑制效果，幾乎無法判別 何時為起始過熱度。

張妤綺[26]以 FC-72 為工作流體研究在狹窄矩形空間中之池沸騰 分析，發現在水平加熱時，氣泡流動方向與流體的補充方向相反，且 沒有熱虹吸效應的幫助，氣泡小間隙內運動方向游移不定，且氣泡脫 離加熱面受到擋板的阻礙也較垂直加熱面來的嚴重。實驗中低熱通量 時，間隙S=1mm 有最佳熱傳係數；高熱通量時，開放式有最佳熱傳 係數。

圖1-1 開放式、小間隙四端開放與小間隙兩端開放差異圖

圖1-2 池沸騰曲線圖

圖1-3 氣泡半徑rc、接觸角β與表面張力關係圖

圖1-4 氣體飽和態示意圖[6]

圖1-5 氣泡位置與影響範圍

圖1-6 R113 之沸騰曲線圖[17]

圖1-7 狹窄空間中的沸騰現象[23]

在文檔中 介電液FC-72混合可溶解氣體在狹窄矩形空間的池沸騰研究 (頁 16-31)