1-1 前言
在傳統工業中，釐米流道大幅廣泛被應用在航空工業、大型緻密 式熱交換器與其他較大型工業。近年來，電子構裝元件與 IC 晶片日 趨輕薄短小，功能也相對提升，微通道於電子元件散熱、微機電裝置、
生物醫學系統與其他微小元裝置之應用日廣，微型熱交換器之使用將 是未來工業之趨勢，Kandlikar and Grande [1] 依流道水力直徑的不同 去定義在各尺寸流道下之名稱，其分類如表1 所示。
在過去數十年間，電子散熱方法主要是以風扇產生之強制對流再 搭配散熱鰭片來增加散熱面積以提高散熱效能，但隨之而來的是風扇 的震動與噪音。當單位功率瓦數近於 100 kW/m2，傳統氣冷技術已無 法將元件表面上發出之熱量即時帶走。因此以介電流體對電子元件作 直接冷卻，或以介電液在微小通道熱交換器(Micro Channel Heat Sink) 內與電子元件作熱交換的技術逐漸受到重視，由於其相變化過程中核 沸騰與強制對流的高效率熱傳性能，將使介電液使用於電子系統散熱 成為一極有潛力的選擇。
對液體相變化散熱來說，一個很重要的關鍵就是液體的選擇，以 應用於電子系統的散熱來說，過去的資料顯示氟碳系列的流體( FC系 列)已有成功應用的例子。最早在 1960 年代，介電流體 FC-75 與 FC-77 被使用在美國軍方系統 MIL-H-81829 。1985 年氟碳介電流 體FC-72 已被成功使用在 Cray-2 的超級電腦上。1980 年代末期 SS-1 超級電腦亦使用介電流體 FC-77 來有效的在電子元件內進行 散熱，並可減少電子元件的封裝比重及改善系統的雜訊與高溫問題。
本文選擇使用介電液 HFE-7100 為工作流體，主要為考慮在實際
Chinnov and Kabov [3] 提出與 Kew and Cornwell 類似的觀念，利 用毛細常數lσ 將通道分成四個區塊如下(ξ為通道與重力方向的夾
(1)大尺度通道(large-scale channel)， ，此區域中毛細力的影響 可以完全忽略(但毛細力在氣液界面與氣泡生成脫離仍扮演一定的腳 色)
lσ
>5 Dh
(2)重力/毛細力通道(gravity-capillary channel)，0.5lσ <Dh <5lσ ，此區 重力與毛細力都具備一定程度的影響，但重力的影響大於毛細力。
(3)毛細力/重力通道(capillary-gravity channel)，0.1lσ <Dh <0.5lσ，此區 毛細力的影響大於重力。
(4) 毛細力通道(capillary-gravity channel)，Dh <0.1lσ ，此區重力可以 完全忽略。
Liu et al. [4] 分別以介電流體 HFE-7100 與 FC-72 研究在工作 壓力一大氣壓情況下探討池沸騰機制，結果發現 HFE-7100 在次冷度 0~20K 的狀態下薄膜沸騰有較高的散熱機制，FC-72 則在核沸騰模式 中有較優越的效率。
Palm [5] 統整在微小管道內之兩相流動沸騰之研究，歸納出在管 道內直徑小於1mm 出現 fictitious boiling 的流動沸騰機制，同時於管 內直徑小於 4mm 時流動沸騰主要熱傳機制為核沸騰，則可利用 Copper’s 經驗修正式來預測流動沸騰之熱傳係數。
Qu and Mudrawar [6] 以去離子水為工作流體探討在 21 條平行流 道且水力直徑348µm內之飽和流動沸騰熱傳，其結果透露出在質量通 率 135~402 kg/m2sec 時流道內主要熱傳機制為強制對流蒸發，其相 對應的流譜為環狀流動型式，此外亦發現在飽和態流動中熱傳係數隨 著蒸汽乾度增加而減少，與傳統釐米流道之研究所得趨勢完全相反。
此獨特的微通道特性他們歸納於在環狀流機制中，因流動速度較快所 產生的剪力效應，一部份之液體被夾帶到管中央的小液滴所造成，此 現象稱為 droplet entrainment。
Steinke and Kandlikar [7] 以實驗方法探討在 6 條水力直徑為
207µm的平行流道中之流動沸騰特性。其結果發現，當最大熱通量 930 kW/m2時，熱傳係數可到達 192 kW/m2K，兩相熱傳係數隨著蒸氣乾 度增加而遞減，並和Qu and Mudrawar [6] 研究成果亦有相同的趨 勢。此外，也證實在蒸汽乾度 0.2~0.8 時Kandlikar流動沸騰經驗式[8]
有較準確的預測，在較低乾度時此經驗式則不適用。
Dupont and Thome [9] 探討在兩相流動沸騰狀態下流道的水力直 徑 與 熱 傳 係 數 的 影 響 ， 其 實 驗 結 果 發 現 在 流 道 水 力 直 徑 介 於 0.5~2mm、蒸氣乾度小於 0.04 且工作流體為 R-123 的條件下，熱傳 係數隨著水力直徑縮小而增加，但在蒸汽乾度大於 0.18 時熱傳係數 隨著水力直徑增大而增加。
Lu and Wang [10] 以數值模擬方法研究散熱冷卻板進出口方式 之改變去探討溫度場與速度場的分佈狀況，發現以衝擊流方式作為散 熱冷板進出口時，冷板內的溫度場與速度場分佈會隨著流道數增加而 獲得改善，此外在Re=300 時衝擊流進出口方式可以提供較優越的熱 傳特性。
Wu 和 Simon [11] 提出 FC-72 介電液在含有不凝結氣體及除氣 後的狀況下，於低熱通量時除氣、不除氣之沸騰曲線有明顯差異 ; 高 熱通量時則趨於一致。其原因為接近壁面的液膜在高熱通量時會被加 熱面所除氣。但即使在高熱通量部分的沸騰曲線受不凝結氣的影響不 顯著，但其臨界熱通量仍然降低了將近10%。
Chen 和 Garimella [12] 提出 FC-77 介電液在含有不凝結氣體及 除氣後的狀況下，在低壁面溫度時含有不凝結氣體之介電液的熱傳係 數約為除氣後之300~500% ; 高壁面溫度時除氣與未除氣之熱傳係數
趨於一致，此和Wu 和 Simon [11] 研究成果有相同的趨勢。
Yen 和 Kasagi [13] 以 FC-72 介電液在水力直徑 0.19、0.3 和 0.51mm 內徑的圓管中，探討在微通道中的熱傳係數與壓降，發現熱 傳係數隨著蒸氣乾度增加而下降，並與質量通率無甚關係，此結果迥 異於一般釐米流道，認為這是因為在微通道的尺寸下，核沸騰將主導 熱傳行為，而強制對流對熱傳的影響相對減少所造成。
1-3 研究目的
以往學者皆以去離子水為工作流體，在微通道內進行兩相流沸騰 熱傳研究；近幾年間，亦有學者以介電液HFE-7100 為工作流體研究 其沸騰行為，但皆著重於池沸騰熱傳的領域；而以現今電子散熱來 說，則多是使用單相強制對流來進行熱交換。因此本論文以實驗方法 研究介電流體HFE-7100 在多流道散熱冷板中兩相流動沸騰之壓降分 析與熱傳機制，以建立良好的熱交換特性供學術界與產業界參考。