行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中精簡報告
噴霧冷卻技術研發與應用(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2212-E-110-025-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所) 計畫主持人： 謝曉星 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中
華
民
國 92 年 5 月 12 日
摘要
本計畫擬以三年時間，就目前世界公認之最高/熱交換方式之一之噴霧冷卻 來應用到製程(manufacturing process)之最高效率熱交換器之技術研發。傳統之熱 交換器如果應用到一般之工業，就算是使用任何一種熱傳增強(enhancement technique)技術都無法像噴霧冷卻一樣達到有效，快速及均勻一致冷卻。事實上 根據文獻記載，使用噴霧冷卻目前之熱效率可達 1kW/cm2，這較目前大家所了解 之高效率沸騰及冷凝相變化熱傳之效果還高，可達數十倍或百倍之效果。本研究 擬就噴霧冷卻之學理出發，研發一具高效率之噴霧冷卻技術，這包括它的冷卻機 制，控制參數，工質選定，以及實際應用之結果等，研究方式係以實驗方法配合 單/雙相熱傳增強之學理及使用先進(advanced)之光學量測技術精確地掌握/及獲 得上述擬研發之項目，本計畫執行後之預期成果有： 1.研發出一套使用在高效率製程熱交換器之傳熱技術。 2.有 助 於 對 噴 霧 冷 卻 機 制 及 物 理 現 象 詳 細 了昇提術技之面方這在 國助有，解。 3.有助於微加工製程冷卻應用/及相關技術提昇。 關鍵字：噴霧冷卻，核沸騰，高效率熱傳，精密(微加工)製程Abstr act
A three years experimental study to determine th eeffect of liquid impingement cooling on nucleate boiling is proposed. Both full cone circular and square hydraulic spray nozzles with different orifice diameters are used with the varied flow rates. The influence of mass flux, spray droplet velocity, droplet diameter, nozzle-to-surface distance and heat flux are studied. Water,R-134a, and FC-72 would be chosen as test fluids. Cooling curves are obtained over a wide range of the wall superheat, the spray volume and the Weber no. for the spray droplets.
In addition, observations of water/R-134a spray on target surface are also made. This work will last three years. There are three phases of the work; they are experimental facility setup for phase one (first year), conducting experiments for phase two (second year), and high performance heat transfer device design and manufacturing for phase three (last year), the objective of this study is to aim to fabricate a high performance heat transger device/ or provide a high performance heat tranfer technique in high precision manufacturing process (e.g. IC manufacturing) in order to obtain a higher quality product.
Keywords: Spray/Droplet,Nucleate Boiling,High Flux(Performance),IC Manufacturing
前言
在現今工業上噴霧冷卻的技術已經運用地十分廣泛，如材料熱處理、渦輪葉 片、內燃機、鑄造鋼材等等，皆需要迅速及大量把熱帶走，並且可以保持在一定 的溫度下。利用液滴相變化散熱的好處是當熱平衡時，可以把表面溫度固定在同 一溫度，不會有局部高溫的不均現象，對元件比較不會造成損害。所謂霧化，就 是把液滴微小化，增加液滴和外面接觸的表面積，增加反應速率，以此特性可應 用的空間極多，如噴油燃燒、化學反應及醫療檢測等。 近年來，隨著 IC 製程蓬勃發展，積體電路製造技術的進步，以其製程技術 所研製出許多微小機件，無論是電子電路或是機械元件。當元件製作越精微時， 散熱就成為相當重大的問題，如何將內部的熱量導出，進行冷卻，噴霧冷卻以能 迅速且有效率地冷卻之特性，被廣範地使用在許多精密工業上。傳統以空氣對流 的方式帶走熱量有限，在微小電子或機件上散熱不敷使用，故利用物質相變化能 大量吸收潛熱的特性成為研究範圍，而噴霧冷卻在散熱方面有很極大的效率。 航空溫控及太空之應用，Spray cooling 愈來愈受到重視，特別是面對二十一 世紀通信，資訊科技之相關電子元件之冷卻及製程冷卻。本實驗以 R-134a 潛熱 極高的特性來進行噴霧冷卻，取代一般以水為工質的噴霧冷卻效果，並模擬以噴 霧技術增強熱傳的效果。再以 CCD 來觀測沸騰情形，如核沸騰或薄膜沸騰等。 以 LDV 來量取霧滴之衝擊速度，使用液晶顯像的方法來量測整個熱傳現象。文獻回顧
這幾年來隨著 IC 製程，航空溫控及太空之應用。Spray cooling 愈來愈受到 重視，特別是面對落一世紀通信，資訊科技之相關電子元件之隔卻及製程冷卻。 噴霧冷卻技術之研發有其迫切及亟需性，見參考文獻[1-5]。1991 年 Ghodbone and Holman[6]針對工質為 R-113 之霧滴冷卻來以實驗探討 它衝擊到一垂直加熱平面之傳熱現象，並推得傳熱量為韋伯數(We)及史蒂芬 (Stefan)數之關係式。 1996 年 Yang 等人[7]針對霧滴冷卻傳熱機制中的核沸騰以實驗方式來探討霧 滴及冷對流對傳熱之影響。 前述之研究者之結果多偏向工業之應用，針對太空人造衛星中之元件，霧滴 冷卻之研究可由 2001 年日本人 Yoshida 等人[8]之實驗結果進入到另一境界，在 這篇論文中，大部份以光學方式如 LDV/及 PDPA 並以光學觀測方法來了解霧滴 衝擊冷卻時核沸騰氣流產生之實際狀況。
Chow et al.[9]、Tilton[10]and Yang[11]證明出噴霧冷卻為利用相變化的原理 可帶走加熱平面上之極高熱量的方法。
Chow et al.[12]研究在加熱表面上之液體薄膜產生沸騰之物理現象。
Chandra and Avedisian[13]在實驗裡當液液打在加熱平板上時，所形成之液滴 薄膜遠小於液滴直徑。
大部份之噴霧冷卻之研究皆以實驗研究，Yang et al.[14] and Chow et al.[15] 建立 model 來推測在 CHF 內之最大熱通量值。
Qiao and Chandra[16]研究在低重力下單一液滴掉落在加熱平板上之情形，在 此次實驗中從 15mm 高處以 55ms 速度落下，發現在萊氏現象機制下，液滴無法 存在於加熱平板上，在沸騰機制下，在水和有機液體之間會有不同之表面張力和 衝擊角度。Oka, T[17]在池沸騰研究中也發現到在微重力下，有機液體和水之間 也有著不同的沸騰現象和沸騰熱傳。這也意指在噴霧冷卻特性裡在水和有機液體 之間也有著相似的差異性。
Choi and Yao[18 ]研究板面方向對噴霧冷卻的影響，發現在薄膜沸騰時，因 為垂直撞擊的液滴在撞擊發熱表面彈跳之後仍會落回發熱表面，所以垂直撞擊的 冷卻效果會優於相同情形下的水平撞擊。 Wachters[19]重力的影響大部份強調在低 We 薄膜沸騰現象，We 根據液滴撞 擊現象而定。 大部分之研究皆注重於當液滴撞擊平板後，液滴和平板之間的熱力反應， Gonzalez, J. E.,[20]則著重在液滴撞擊平板前之現象，液滴撞擊平板前會受平板蒸 汽浮力之影響而使速度減少。
Grissom[21] and Yang[22]研究中發現，當液滴撞擊至加熱平板時，會在平板 上方形成薄薄的一層液滴薄膜，此液滴薄膜厚度對沸騰熱傳影響顯著。
Deb and Yao[23]針對噴霧冷卻在薄膜沸騰熱傳之現象，分為三項機制為 Local vapor convection and Local entrained air convection, bulk convection and radiation 之 研究。 Sehmbey[24]對三種不同材質的發熱表面進行噴霧冷卻實驗，實驗溫度範圍 在 60℃~220℃之間，結果在表面溫度高於 100℃以上時，有液滴接觸角愈大則表 面熱通量愈高的趨勢。而且也發現若平板具有較小的表面粗糙度，會有較為優異 的冷卻效果。Pais[25]也曾進行噴霧冷卻實驗，所獲得的結果與 Sehmbey 等人類 似，即表面粗糙度愈小則冷卻效果愈佳 Tartarini[26]使用三種不同熱傳導率的發熱平板，設定工作溫度在 80℃~220
℃之間，量測單顆和多顆液滴的速率與平板表面溫度的分佈，並且使用紅外線攝 影機拍攝不同時間的表面溫度變化。 Kato, M.[27]進行近似在日本連續飛行的飛行器之實驗，此實驗以純水和 CFC-113 噴霧於鍍有 Ni 之銅體加熱平板，直徑為 19mm，明顯發現物理性質之 差異性，如蒸發潛熱、表面張力和衝擊至平板之衝擊角度。 Ghodbane[28]在實驗中，以 CFC-113 為噴霧工質，分析在噴霧冷卻過程中 CFC-113 之噴霧特性。 Humberto et al.[29]中，發現當液滴撞擊壁面後液膜會先行擴張，其擴張程度 會和表面溫度、Weber number(We=ρdu2 /σ)以及摩擦力有關；基本上液滴形成的 薄膜會隨著表面溫度的升高而增大，這是因為溫度高，流體的黏滯力和表面張力 會下降，所以會形成較大的液膜，但液膜直徑大到一定程度時會逐漸縮小，因為 液膜會因為黏滯力較小，而碎裂成更小的液滴使得直徑下降。液膜殘留時間會和 We 及表面溫度有關，We 越大即表示液滴速度越快，撞擊熱板後可形成較薄的液 膜，或表面溫度越高，液膜的殘留時間越短。 Chandra et[30]在加熱平板溫度一直增加超過沸點時，液滴和熱板接觸面間的 氣泡會增加，當溫度繼續升高，液滴碰觸到熱板的接觸面積會越來越小，這是因 為液滴打到熱板前會先行蒸發，使得液滴形成一層汽膜，會減少液滴與熱板之間 的熱傳量，這種狀況在薄膜沸騰時會有最明顯的效果出現，作者亦發現在停滯點 (stagnation point)熱傳效果最佳，越達離停滯點熱傳越差。
研究目的
隨著 IC 製程蓬勃發展，積體電路製造技術的進步，以其製程技術所研製出 許多微小機件，無論是電子電路或是機械元件。當元件製作越精微時，散熱就成 為相當重大的問題，如何將內部的熱量導出，進行冷卻，噴霧冷卻以能迅速且有 效率地冷卻之特性，被廣範地使用在許多精密工業上。傳統以空氣對流的方式帶 走熱量有限，在微小電子或機件上散熱不敷使用，故利用物質相變化能大量吸收 潛熱的特性成為研究範圍，而噴霧冷卻在散熱方面有很極大的效率。 本計畫第一年是測試系統的研製及測試，其中包括有測試參數分析、訂定， 工質之選定，噴霧冷卻系統建立，噴霧方法，及量測法。預定進度如圖(一)所示， 資料的收集及相關 paper 之檢索均有一定的進度，而目前的進度是實驗測試系統 與環路設計已初步建立完成，而以 R-134a 潛熱極高的特性來進行噴霧冷卻，取 代一般以水為工質的噴霧冷卻效果，並模擬在 IC 及精密工業製程等情形下以噴 霧技術增強熱傳效果。再以 CCD 來觀測沸騰情形，如核沸騰或薄膜沸騰等。溫 度量測方法則是用 T-type 的熱電偶。目前的工作成果與預定進度相較亦相互吻 合。研究方法
實驗參數
實驗參數如 We 及 Re 之數值尺寸，如下表： 冷卻工質 R-134a We 72 154 1158 Re 793 205 1332測試系統及相關設備
在此次實驗裡，使用 R-134a 為工質，採用液晶顯像之方式來做熱傳效果分 析。以下為相關設備之介紹：本實驗所使用之設備，(1)實驗測試系統(見圖二)、 (2)實驗環路(見圖三)，其主要的內容包括下列部份： 1. 測試容器(見圖四) 因為在此實驗所使用的工質為冷媒 R-134a，故需在高壓的環境下操作，則 測試容器需為一耐壓容器，決定以不鏽鋼為材質製成的容器，並在上端及前端各 裝一直徑 140mm 厚 10mm 的強化玻璃視窗，來方便觀察噴霧冷卻過程。為了量 測 測 試 容 器 內 之 溫 度 ， 在 容 器 中 心 側 邊 插 入 一 根 電 阻 測 溫 器 (resistance temperature device , RTD). 另外為了量測系統的飽和壓力，在容器上方插一支 YOKOGAWA 的壓力轉換器，以電壓輸出的方式將資料傳到資料擷取器即可讀出 壓力，在測試儀器顯示數值。 2.噴嘴(見圖五) 噴霧過程可分為兩部分來說明：1、先將液體霧化成微小液滴 2、再將已霧 化的液滴經由噴孔噴灑至指定的表面上，以達成預定的噴霧形式及效果。本實驗 所採用之噴嘴為向思沛雅噴霧公司所訂購之噴霧，在不同的操作壓力下，產生不 同之噴霧量。採購之噴嘴口直徑為 0.38mm。 4. 加熱平板(見圖六) 本實驗之加熱器由一加熱源和銅片所組成。加熱源為由電阻絲纏繞再由雲母片包 覆而成的加熱片，加以電壓產生加熱量，再以銅材質導熱至卻實驗之表面。埋設 熱電偶於銅片下方(各熱電偶向角為四只)共四條，在銅板和噴霧工質 R-134a 接觸 的面濺鍍白金，防止銅板與噴霧工質產生化學變化。 5. 溫度量測儀器(見圖七) 本實驗是以 T-type 熱電偶線(型號：TT-T40-1000)來量取測段入口處的主流場溫度變化，而訊號的讀取則是以日本 YOKOGAWA HOKUSHIN ELECTRIC 公司 出品之溫度記錄器(MV 100)將資料收集記錄並分析
6.CCD
採用型號為 AVC597N/F36 COLOR TUBE CAMERA
實驗步驟
在一個密閉之測試區內以產生霧滴方式冷卻加熱平板，並分析以此方式能帶 走多少的熱傳量。固定噴霧錐角調整不同噴嘴與加熱平板之距離，產生冷卻效果 以及不同的物理現象。 利用噴嘴產生單佈性噴霧，為了避免測試區內的水汽對工質 R-134a 造成的影 響，在進行噴霧前需將測試區利用真空泵浦抽至真空，再由冷卻水槽使環境溫度 固定，加入氮氣至所需之壓力下進行實驗。 調整噴霧壓力來決定噴霧量，在單佈性噴霧噴於加熱平板上的同時，利用 CCD 攝影機拍攝熱平板表面溫度隨時間的變化情形，表面溫度量測是利用黏置 在平板背面的 T-type 熱電偶擷取，再利用影像擷取卡將影像資料存入電腦進行 處理，藉由圖像的分析來找出霧滴打在平板上所能帶走的熱傳量，以解釋加熱平 板與噴嘴不同高度下的熱傳特性，並使用液晶分析方法來計算出熱傳效果。初步測試結果與討論
當冷媒的流量越大，其速度越大，帶走的熱就越多，溫度下降就越快，如果 此時的熱傳量已經接進臨界值，因此就算加大冷媒的流量也無法帶走更多的熱， 因此其降溫曲線十分地接近。 在相同的液滴直徑下，板溫越高，也就是加熱平板的熱通量越大，降溫曲線 的斜率就越大，亦即熱傳越佳，這是因為板溫越高，單位時間所能蒸發的液滴降 越多，因此可帶走的熱量就越多，故散熱效率就越好；另一個可能的原因為當溫 度越高，液體的表面張力越小，所以在整體液膜形成前，個別液膜就越薄，亦即 接觸面積越大，所以有利於液滴蒸發，而流量越大，熱傳效率就越佳，但這是在 液膜還未成形成以前，因為可以汽化的液滴越多，能帶走的熱就越大；但一旦流 量過大，液膜就會漸漸累積，實驗中發現此時溫度下降的極慢，熱傳效率變得很 差，反而會降低整體熱傳。而流量較小者，薄膜會比較晚開始累積，液滴的汽化 效率就會比較高，因此反而可以得到較佳的熱傳效果，圖八為初步分析之數據， 此為 We=72,Re=793，噴嘴與加熱平板距離為 6cm，利用液晶暫態顯像之方法分 析所得之結果，圖九為同一參數下之噴霧冷卻曲線圖，圖十為沸騰其沸騰曲線圖。結論與未來期望
本研究第一年是利用噴嘴產生單佈性的噴霧，量測熱板上四個固定點溫度隨 時間變化的情形，在固定噴嘴的錐角，而去改變噴霧流量大小、噴嘴與加熱板的 距離、衝擊面之加熱量/溫度，觀察其冷卻曲線，試著找出大小液滴冷卻現象的不同以及各個參數對噴霧冷卻的影響；第二年期望能就多項操作參數、工質選擇 來決定噴霧冷卻性能及其相關式之建立。 現階段以 We=72,Re=793 之參數做為實驗依據，在接下來之階段將以其他不 同之 We 數與 Re 數做為實驗參數。因本研究室已進入微機電階段，卻嘗試以微 機電共用實驗室來製作微小噴嘴，進行研究實驗。
參考文獻
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預定進度甘梯圖 (Gantt Chart) ：
1.本表作為進度控制及檢討之依據。 2.工作項目：請視計畫性質及需要自行訂定。預定進度以粗線標示其起迄月份，每月分三旬，如因農業或其他受季節性限制 之計畫必須配合一定之月份者，請在(月次)欄下註明實際月份，以利審查。 3.預定進度累計百分比：係為配合追蹤考核作業所需，示工作性質就以下因素擇一估計訂定：(1)工作天數，(2)經費之分配， (3)工作之比重，(4)擬達成目標之具體數字。 4.一年期以上之計畫，請分年列表。 月次 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 文 獻 收 集測試系統設立(含流場觀測)
測試參數/參數決定
測試環路建立 工質之選定 電腦輔助狀態模擬(不含測試系統部 份) 第 一 期 第一期進度報告圖一.
預定進度表
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200mm 2 0 0 m m圖三
.實驗環路
Volt adjust er Test s urf ace diamete r 80mm Hea ter p ad th ermoc oup le diamete r 80mm con ne ct ot Copp er foi l T type t h ermoc oup le Copp er foi l Isolator Conn ect to tem peratur e reco rde r test sur face Isolator sput te r Pt 0. 5u m or C u m et al 75 um Copp er foi l Spu tter blac k pain t(0. 2um) Te st surf ac e (P t/ o r Cu) Ther mocouple Liquid crysta l Blac k paint Hea ter p ad on test sur fac e an d li quid cr y stal(0.2um)
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圖五
.加熱平板
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2圖八
.測試面之熱傳對流係數分析
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0 100 200 300 400 500 600 20 40 60 80 100 120 We=50 T em per a tu re Time(sec)
圖九.噴霧冷卻曲線(R-134a;We=50)
(℃ )0 10 20 30 40 50 0 50000 100000 150000 200000 250000
