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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
微噴射冷卻系統之理論分析與實驗量測之研究（Ⅰ）
Theor etical and Exper imental Study for
a Micr o-Ejector Cooling System
計畫編號：NSC 89-2212-E-002-076
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：陳炳煇 教授
*國立台灣大學機械工程學系
____________________________________ * e-mail : [email protected] 一、中英文摘要 本 計 劃 旨 在 研 發 微 噴 射 致 冷 器 (micro-ejector cooling system)。微噴射致冷 器與傳統的壓縮式冷氣機相比，最大的特 點是其中使用的噴射壓縮器為無動件，且 具有體積小、重量輕、構造簡單及高可靠 度等優點。本計劃以理論分析及實驗量 測，對微噴射致冷器中各種影響參數作深 入之探討，第一年之研究工作主要包括實 驗設備之設計及製造，以及系統和各零組 件之細部規劃、設計。在製程方面，本年 度的計劃首先以近年來相當受到廣泛討論 的類 LIGA 製程進行噴射壓縮器中第一部 份之微噴嘴製作。此外，實驗設備之部份 設計及試片挾具之製造亦已完成。 關鍵詞：微噴射致冷器、類 LIGA 製程 Abstr actThe present study aims to develop a micro-ejector cooling system. Simple
construction without moving parts is the main advantage of conventional ejector cooling system. As a result, this device is suitable for miniaturization. The LIGA-like process was used to fabricate the micro-ejector. In this project, theoretical analysis and experiment measurement was conducted. The prospects for the first year of the project include the design and testing of experiment setup, and also the design of the system and component. As the primary work of the project, a series of micro-nozzles with various geometries were successfully fabricated. Meanwhile, the design on the experimental setup and the sample holder were also completed.
Keywor ds: micro-ejector cooling system, LIGA-like process
二、計畫緣由與目的
2 隨半導體製程及封裝技術之提昇，已趨向 微小化、高密度方向發展，單一元件的發 熱功率亦不斷提高，致使熱控制成為電子 設備設計之關鍵因素，所以殷切期盼有一 體積小、重量輕、構造簡單及熱傳迅速的 散熱元件。微噴射致冷器應用的微噴射壓 縮器與傳統的壓縮式冷氣機相比，具有無 動件、體積小、重量輕、構造簡單及高可 靠度等優點。除了致冷器的應用外，微噴 射壓縮器亦可用於微機電系統中抽真空、 混合、噴霧等應用。 由 Doranter [1] 的分析顯示，影響噴射 式冷卻系統的性能最主要的因素為噴射壓 縮器，其次為膨脹裝置及增壓裝置的設 計，再次是氣體產生器、冷凝器及蒸發氣 器的設計。此外，也與工作介質的種類有 關。因此，設計一良好的系統，必須對個 別的零組件加以設計並進行測試，最後再 進行組裝測試。 三、研究方法與進行步驟 本年度計劃即先從微噴射致冷器使用 的微噴射壓縮器中噴嘴的設計、製作，以 及實驗量測設備的建立開始進行。 噴射器壓縮： 噴射壓縮器之運作，主要是由噴射壓 縮器內主噴流與抽吸流的氣體動力行為與 動量交換所致。噴射壓縮器的性能則受控 於兩個阻塞現象，一個存在於通過噴嘴的 主噴流，另一個則存在於抽吸流。噴射壓 縮器的抽吸比大小，受很多物理現象的影 響，例如超音速流與震波的交互作用及主 噴流與抽吸流的紊流混合等複雜因素，以 致於雖有很多噴射壓縮器的氣體動力理論 分析已被研究者所發表，但皆各應用限 制。因此至今，噴射壓縮器之設計仍大多 依據試誤法[2, 3]。在本研究中，將會根據 傳統設計準則 [4] 的建議噴射壓縮器設計 外型進行初步設計，最後依照微噴射壓縮 器實驗結果，導出微噴射壓縮器設計經驗 式，以供設計利用。 噴射壓縮器依照背壓高低，可分為三 個操作模態，雙阻塞（double-choking）或 臨界（critical）模態、單阻塞（single-choking） 或次臨界模態，及逆流（back-flow）或失 效（malfunction）模態，其中以噴射壓縮 器在臨界模態時性能最高，為本研究之主 題。傳統噴射壓縮器的設計因噴嘴的位置 分成兩種形式，一為『等截面混合噴射壓 縮器』，即噴嘴出口位於噴射壓縮器的等 截面區內，主、副流體於等截面區內混合， 如 Addy et al. [5] 的研究。另一為『等壓混 合噴射壓縮器』，即噴嘴出口位於等截面 區之前的抽吸室內，主、副流體於抽吸室 內等壓混合，二者以『等壓混合噴射壓縮 器』性能較佳。 噴射壓縮器一維分析模式之統御方程 式 [6]，從噴嘴至等截面段擴散區，如圖一 所示可區分為以下幾部分來討論：通過噴 嘴之主噴流、主噴流核、抽吸流阻塞發生 以前、抽吸流阻塞處（y-y 截面）之截面積、 抽吸流阻塞處（y-y 截面）之溫度與馬赫 數、混合流起使處、越過震波之混合流以 及通過擴散區之混合流。本年度的計劃首 先以同步輻射研究中心所發展的類 LIGA 製程進行噴射壓縮器中第一部份之微噴嘴 製作。其中牽涉的一維分析模式為通過噴 嘴之主噴流部份: 圖一 等壓噴射壓縮器分析模式示意圖
3 對已知噴射壓縮器主噴流入口停滯壓 力 Pg與溫度 Tg，在阻塞狀況下，通過噴嘴 的主噴流量m& ，由氣體動力方程式可得：p p g t g p R T A P m η γ γ γ γ 1 1 1 2 − + + × = & (1) 在上式中，η 為主噴嘴等熵效率係數。p 噴嘴出口馬赫數 Mp1、壓力 Pp1 與截面積 Ap1之間的關係為： 1 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 2 1 − + + − + = γ γ γ γ p p t p M M A A (2) 1 2 1 1 2 1 1 − + − = γ γ γ p p g M P P (3) 以上為噴射壓縮器中通過噴嘴之主噴流在 理想氣體狀態下的一維分析模式，以此為 基礎，即可設計一適當之微噴射壓縮器之 主噴嘴。 進行步驟 本年度計劃之主要的工作是探討微噴 嘴之製作與量測設備之製作及架設，完成 之工作項目包括：利用一維理論推導微噴 嘴之操作點及外型規劃，以及規劃實驗量 測設備。 四、結果與討論 本計畫以同步輻射研究中心所發展的 類 LIGA 技術配合微電鑄製作出初步鎳結 構之主噴嘴。本計畫採取的類 LIGA 製程 步驟如圖二所示，首先以一鈦濺鍍之矽晶 片作為基板，接著利用深 UV 光刻術將設 計好的光罩圖案轉印至光阻上，顯影後再 將鈦濺鍍上，作為鑄鎳時電鍍之起始層， 再進行鎳電鑄，鎳需鑄超過光阻的高度， 並完全包覆，最後去除鋁基板及光阻後， 即成為之主噴嘴之鎳金屬微結構。 本計劃首先以深度為 80μm 之深 UV 光刻製程為基礎，以馬赫 2.5 為設計點，製 作一系列喉部直徑 25μm 至 200μm 之微 (a) 塗佈光阻 (b) UV 光刻 (c) 顯影 (d) 鍍鈦 (e) 鑄鎳 (f) 去基板及光阻後之鎳微結構 圖二 類 LIGA 製程步驟 (a) 顯影後之光阻微噴嘴結構 (b) 鎳金屬微噴嘴結構 圖三 光學顯微鏡觀察圖 光阻 Ni Ti Ti Ti Si UV Resist Mask
4 噴嘴，以確定本製程的限制。結果發現喉 部直徑 25μm 之微噴嘴，在顯影後由於光 阻結構強度不夠，因而造成在電鑄鎳時光 阻剝落。圖三為計劃中設計之其中一微噴 嘴，深度約為 80μm，喉部直徑約 150μ m。圖三(a)是利用光學顯微鏡觀察微噴嘴 在深 UV 光刻製程中，顯影後之光阻微噴 嘴結構。圖三(b)是去基板及光阻後之鎳金 屬微噴嘴結構。 由於以類 LIGA 技術製作的鎳金屬微噴 嘴試片大小約 17mm317mm31.5mm，因 此試片挾具設計很重要。在實驗量測設備 的規劃方面，實驗設備之部份設計及試片 挾具之製造亦已完成，試片挾具之設計如 圖四所示。 五、計畫成果自評 在本研究中利用類 LIGA 技術配合微 電鑄已製作出初步鎳結構之主噴嘴模型， 經測試後的確能夠將氣體噴出，但受限於 目前壓力量測設備及封裝之限制，故尚無 法準確量測氣流之流量；在噴射壓縮器之 整體設計方面則持續進行中，在未來則希 望在此微小尺寸之下，並配合良好之封裝 及量測設計，以達到致冷器之應用目的。 六、參考文獻
[1] Doranter, R. et Lallem, A., “Prediction of Performance of a Jet Cooling System Operating with Pure Refrigerants or Non-azeotropic Mixtures,” Int. J. Refrig., Vol. 18, No. 1, pp. 21-30, 1995.
[2] Keenan, J. H., and Neumann, E. P., “A Simple Air Ejector,” J. Applied Mechanics, Trans. ASME, Vol. 64, pp.
A75-A81, 1942.
[3] Elrod, H. G., “The Theory of Ejectors,”
J. Applied Mechanics, Trans. ASME, pp.
A170-174, 1945.
[4] ASHRAE, Steam-jet refrigeration equipment. Equipment Handbook, Chap. 13, pp. 13.1-13.6, AHRAE, Atlanta, GA, U.S.A., 1979.
[5] Addy, Al, Dutton, J. C., and Mikkelsen, C. D., “Supersonic Ejector-Diffuser Theory and Experiments,” Report No. Uilu-Eng-82-4001, Dept. Mech. and Ind. Eng., University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois USA, 1981. [6] 張俊民, “噴射器冷卻系統之研究,” 國 立台灣大學機械所博士論文, 民國 86 年。 (a) 上挾具 (b) 下挾具 圖四 試片挾具之設計圖 下挾具 – 上視圖 下挾具 – 前視圖 上挾具 – 下視圖 上挾具 – 前視圖 進氣孔 出氣孔 壓力量測 試片放置
