奈米流體之混合散熱系統實驗平台建立與性能評估

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文. 指導教授: 呂有豐博士洪翊軒博士. 奈米流體之混合散熱系統實驗平台建立與性能評估 Experimental Platform Establishment and Performance Assessment for a Nanofluid Hybrid Heat Dissipation System. 研究生：古浤志撰. 中華民國 102 年 6 月.

(2) 摘. 要. 論文名稱：奈米流體之混合散熱系統實驗平台建立與性能評估頁數：98 校名：國立臺灣師範大學系所名：工業教育學系碩士班能源應用與車輛技術組畢業時間：一百零一學年度第二學期學位：碩士研究生：古浤志指導教授：呂有豐洪翊軒本研究主要設計一套混合散熱系統，利用比例閥控制兩邊流量，達到一組散熱系統同時可冷卻兩加熱源之目的，進而透過添加奈米碳管流體分析散熱效益評估。首先，建立一組混合散熱系統，系統元件(加熱水槽、水泵、熱交換器、比例閥及數位流量計)。本實驗使用兩加熱源總合為 1kW、總流量分別為 3、5 及 7L/min，利用比例閥電壓開度 0.6-3V 間進行閥門的變動，透過穩態實驗量測出適合兩加熱源之電壓開度及何種流量最適用混合散熱系統，最後選擇適合的開度及流量進行暫態實驗。再者，使用二階法配置出奈米碳管流體，並針對不同的溫度與濃度的熱傳導係數、密度、黏滯係數及比熱等基礎性質進行量測與分析，透過添加奈米碳管流體至混合散熱系統並與原流體-水進行散熱效益分析。各研究結果分別為:在遴選奈米碳管流體濃度實驗結果顯示 0.125wt.%擁有最佳散熱效果；穩態實驗結果顯示不同的流量會使熱交換器熱交換量不同，而透過添加奈米碳管流體可提升 10%的散熱量；在暫態實驗結果顯示奈米流體相較於水，擁有更佳的散熱效果，其散熱效益分別提升 5~17%。本研究結果顯示使用奈米碳管流體運用在綠色動力的熱管理系統可有效縮減散熱器及水泵體積，對於電動車空間配置、續航力及省電之貢獻度將於未來進行驗證。. 關鍵詞：混合綠色能源、散熱系統、系統設計、比例閥. i.

(3) ABSTRACT Title：. Pages：98 Experimental platform establishment and performance assessment for a nanofluid hybrid heat dissipation system School： National Taiwan Normal University Department： Energy Applications and Vehicle Technology, Department of Industrial Education. Time： June, 2013 Degree：Master Researcher： Hung-Jhih Gu Advisor：Yeou-Feng Lue Yi-Hsuan Hung. This research mainly designs a hybrid heat dissipation system which uses a proportional valve to control coolant flow rates in two paths in order to cool dual power sources at the same time so that thermal efficiency of Carbon nanotubes/Water nanofluids (CNWNs) can be increased. First, an experimental platform is established for the assessment of the innovation. Mechanical elements (coolant, cooling system components) and electrical elements (actuators, sensors, data recorders, etc.) are included. This experimental employed two heating sources of total 1000W; the coolant flow rates are: 3, 5, and 7L/min.; the proportional-valve voltage is within 0.6-3V. Through steady state experimental results, we searched proper valve voltages and flow rates to keep two power sources at optimal operating temperatures. Then, we can further select best operations for the transient experiments. Second, we used two-step synthesis method for producing CNWNS. The experiments for thermal conductivity, density, viscosity, specific heat and heat dissapation performance at difference temperatures and concentrations were conducted for both bulk fluid (water) and CNWNS. Experimental results demonstrate that: (1)0.125wt.% CNWNS have optimal thermal efficiency; (2)for the steady-state experimental, different flow rates ii.

(4) have difference heat exchange values and 10% efficiency was increased for CNWNS compared to water; (3)for the transient experiments, CNWNS have better thermal efficiency than water. The heat dissapation of CNWNS compared with water is increase for 5~17%. This research shows that using CNWNS can reduce the occupied volume of heat exchanger and pump of this green thermal management system.The contributions for space arrangement, traveling distance and energy reduction will be verified for Evs in the near future.. Keywords：. hybrid green power, heat dissipation system, system system, proportional valve. iii.

(5) 誌謝光陰似箭的兩年研究所時光，當初受到大學朋友鼓舞，毅然決然就讀研究所，深耕專業技能，提升專業能力；在就讀過程中幾度遭遇瓶頸，經過洪翊軒及鄧敦平教授及許多好友的鼓勵與打氣之下，直到兩年後的今天，習得更多專業知識、順利完成學業且入取研發替代役之工作。在學期間感謝指導教授呂有豐教授、洪翊軒教授、鄧敦平教授及內湖高工陳建志老師，在研究上細心地指導，使得本研究論文能順利完成，在此獻上最高的謝意與敬意。口試期間，承蒙口試委員林國楨博士、姜嘉瑞教授、鄧敦平教授給予研究論文中寶貴的建議與細心的指導，使本論文得以呈現更完整的面貌，對於學術研究上有所貢獻。感謝國立台灣師範大學冷凍工場鄧敦平教授的能源與奈米科技實驗室給予實驗設備與技術的支援，使本論文研究能更趨近完整。在研究所的兩年期間，感謝綠能動力特色實驗室一起打拼的所有夥伴，汯緯、哲偉，同為能車組的同窗朝傑，學弟林利，大學同學士勛、瑞禧，感謝各位在這兩年來的照顧與打氣，使我成長許多，讓我的碩士生活過得很充實，在此一併致謝。最後本論文獻給我摯愛的家人，感謝他們長久以來的支持與鼓勵，讓我在無後顧之憂的環境中完成學業。. iv.

(6) 目錄 ABSTRACT ................................................................................................................. II 目錄............................................................................................................................... V 表目錄........................................................................................................................ VII 圖目錄...................................................................................................................... VIII 第一章. 緒論 ............................................................................................................... 1. 1.1 前言 ..................................................................................................................... 1 1.2 研究動機 ............................................................................................................. 2 1.3 研究目的 ............................................................................................................. 4 1.4 研究方法 ............................................................................................................. 4 1.5 論文架構 ............................................................................................................. 6 1.6 文獻回顧 ............................................................................................................. 6 第二章. 相關理論與分析 ......................................................................................... 15. 2.1 奈米碳管 ........................................................................................................... 15 2.1.1 奈米材料 ................................................................................................. 15 2.1.2 奈米碳管的結構 ..................................................................................... 16 2.1.3 奈米碳管的特性 ..................................................................................... 18 2.2 奈米流體 ........................................................................................................... 21. 2.3 2.4 2.5 2.5. 2.2.1 奈米流體之製備 ..................................................................................... 21 2.2.2 粒徑與團聚 ............................................................................................. 22 2.2.3 懸浮與分散 ............................................................................................. 22 2.2.4 ZATA 電位 ................................................................................................. 22 2.2.5 黏滯係數 ................................................................................................. 23 2.2.6 比熱 ......................................................................................................... 24 2.2.7 熱傳的形式 ............................................................................................. 25 熱交換器 ........................................................................................................... 27 規則庫與控制策略推導 ................................................................................... 30 控制器電路運作模式 ....................................................................................... 33 效率因子比 ....................................................................................................... 35. 第三章. 實驗裝置與方法 ......................................................................................... 37. 3.1 奈米碳管流體製備及基本特性量測 ............................................................... 38 3.1.1 奈米粉末表觀檢測 ................................................................................. 38 3.1.2 實驗樣本製備 ......................................................................................... 39 3.1.3 ZETA 電位量測實驗 ................................................................................. 41 v.

(7) 3.1.4 熱傳導係數量測實驗 ............................................................................. 43 3.1.5 密度量測實驗 ......................................................................................... 45 3.1.6 黏滯係數量測實驗 ................................................................................. 47 3.1.7 比熱量測實驗 ......................................................................................... 49 3.2 混合散熱系統性能實驗 ................................................................................... 51 3.2.1 混合散熱系統機電實驗平台建立 ......................................................... 51 3.2.2 基礎流體穩態實驗 ................................................................................. 52 3.2.3 基礎流體暫態實驗 ................................................................................. 55 3.3 混合散熱系統添加奈米碳管之性能實驗 ....................................................... 57 3.3.1 選定奈米碳管濃度實驗 ......................................................................... 57 3.3.2 CNWNFS 穩態實驗 ................................................................................. 60 3.3.3 CNWNFS 暫態實驗 ................................................................................. 62 3.4 實驗不確定性分析............................................................................................ 64 第四章. 實驗結果與討論 ......................................................................................... 66. 4.1 奈米碳管材料性質檢測 ................................................................................... 66 4.1.1 奈米粉末表觀檢測結果 ......................................................................... 66 4.1.2 奈米粉末表觀形貌 ................................................................................. 67 4.2 奈米碳管基本特性量測 ................................................................................... 68 4.2.1 ZETA 電位量測實驗結果 ......................................................................... 68 4.2.2 熱傳導係數量測實驗結果 ..................................................................... 68 4.2.3 密度量測實驗結果 ................................................................................. 69 4.3.4 黏滯係數量測實驗結果 ......................................................................... 70 4.2.5 比熱量測實驗結果 ................................................................................. 71 4.3 混合散熱系統性能實驗 ................................................................................... 73 4.3.1 基礎流體穩態實驗結果 ......................................................................... 73 4.3.2 基礎流體暫態實驗結果 ......................................................................... 75 4.4 混合散熱系統添加 CNWNFS 之性能實驗 ..................................................... 78 4.4.1 選定 CNWNFS 濃度實驗結果 ............................................................... 78 4.4.2 CNWNFS 穩態實驗結果 ......................................................................... 79 4.4.3 CNWNFS 暫態實驗結果 ......................................................................... 81 4.4.4 基礎流體與 CNWNFS 實驗結果 ............................................................ 84 第五章. 結果與建議 ................................................................................................. 88. 5.1 結論 ................................................................................................................... 88 5.2 後續研究與建議 ............................................................................................... 89 參考文獻...................................................................................................................... 90 符號彙整...................................................................................................................... 97 vi.

(8) 表目錄表 3.1 CNWNFs 實驗樣本濃度配置表.................................................................. 40 表 3.2 Zeta 電位量測實驗樣本參數配置表 .......................................................... 42 表 3.3 熱傳導係數量測實驗參數表...................................................................... 44 表 3.4 密度量測實驗參數表.................................................................................. 46 表 3.5 黏滯係數量測參數表.................................................................................. 48 表 3.6 比量測參數配置表...................................................................................... 50 表 3.7 混合散熱系統穩態實驗參數表.................................................................. 53 表 3.8 混合散熱系統暫態實驗參數表.................................................................. 56 表 3.9 CNWNFs 濃度參數表.................................................................................. 59 表 3.10 混合散熱系統添加 CNWNFs 之穩態實驗參數表.................................. 60 表 3.11 混合散熱系統添加 CNWNFs 之暫態實驗參數表 .................................. 62 表 4.1 CNWNF 三種濃度散熱效益 ....................................................................... 78. vii.

(9) 圖目錄圖 1.1 研究架構圖.................................................................................................... 5 圖 1.2 電池系統模組與冷卻通道;(a)電池系統(b)電池本體[35]........................... 9 圖 1.3 電池冷卻模組[36] .......................................................................................... 9 圖 1.4 冷卻系統圖[36] ........................................................................................... 10 圖 1.5 為應用在質子交換膜燃料電池中的隔板[37] ........................................... 11 圖 1.6 為質子交換膜燃料電池堆冷卻液通道示意圖[37] ................................... 12 圖 1.7 實際應用在汽車之燃料電池冷卻系統架構圖[37] ................................... 12 圖 2.1 類似足球型碳分子形狀[46] ....................................................................... 16 圖 2.2 碳的同素異形體鑽石、碳六十、石墨及單層奈米碳管結構圖[46] ....... 17 圖 2.3 不同捲曲性的單層奈米碳管；上層為單壁奈米碳管；中間為鋸齒型奈米碳管、底層為手性奈米碳管[46] ................................................................... 17 圖 2.4 單壁奈米碳管應力及應變關係圖[49] ....................................................... 19 圖 2.5 單壁碳納米管的軸向和徑向變形的分子力學計算[50] ........................... 20 圖 2.6 奈米流體製備方法示意圖.......................................................................... 21 圖 2.7 管路內流體流動速度分布示意圖[52] ....................................................... 24 圖 2.8 平行流[62] ................................................................................................... 27 圖 2.9 反向流式[62] ............................................................................................... 28 圖 2.10 氣冷式熱交換器示意圖[52] ..................................................................... 30 圖 2.11 自動控制器判斷策略圖 ............................................................................ 32 圖 2.12 電路設計圖................................................................................................ 34 圖 2.13 電路實體圖................................................................................................ 35 圖 3.1 實驗架構圖.................................................................................................. 37 圖 3.2 奈米粉末表觀檢測流程圖.......................................................................... 38 圖 3.3 CNWNFs 製作流程圖.................................................................................. 40 圖 3.4 Zeta 電位量測實驗架構圖 .......................................................................... 41 圖 3.5 Zeta 電位量測實驗流程圖 .......................................................................... 42 圖 3.6 熱傳導係數量測實驗架構圖...................................................................... 43 圖 3.7 熱傳導係數量測實驗流程圖...................................................................... 44 圖 3.8 密度量測實驗架構圖.................................................................................. 45 圖 3.9 密度量測實驗流程圖.................................................................................. 46 圖 3.10 黏滯係數量測實驗架構圖........................................................................ 47 圖 3.11 黏度量測實驗流程圖 ................................................................................ 48 圖 3.12 比熱量測實驗架構圖................................................................................ 49 圖 3.13 比熱量測實驗流程圖................................................................................ 50 圖 3.14 實驗平台實際架構圖................................................................................ 52 viii.

(10) 圖 3.15 混合散熱系統穩態實際架構圖................................................................ 53 圖 3.16 扁管氣冷式熱交換器................................................................................ 54 圖 3.17 混合散熱系統穩態實驗流程圖................................................................ 54 圖 3.18 混合散熱系統暫態實驗架構圖................................................................ 55 圖 3.19 混合散熱系統暫態實驗流程圖................................................................ 56 圖 3.20 三種不同濃度的 CNWNFs....................................................................... 58 圖 3.21 CNWNFs 選定濃度實驗流程圖................................................................ 59 圖 3.22 混合散熱系統添加 CNWNFs 之穩態實驗流程圖.................................. 61 圖 3.23 混合散熱系統添加 CNWNFs 之暫態實驗流程圖.................................. 63 圖 4.1 Carbon Nanotubes 奈米顆粒 SEM 影像圖(攝自於國立高雄大學) ........... 66 圖 4.2 由二階法製程的 CNWNFs......................................................................... 67 圖 4.3 CNWNFs 不同濃度之 Zeta 電位圖 ............................................................ 68 圖 4.4 CNWNFs 不同濃度、溫度與熱傳導係數關係圖...................................... 69 圖 4.5 CNWNFs 不同濃度、溫度與密度關係圖.................................................. 70 圖 4.6 CNWNFs 不同濃度、溫度與黏滯係數關係圖.......................................... 71 圖 4.7 CNWNFs 不同濃度、溫度與比熱關係圖.................................................. 72 圖 4.8 溫度及溫差(200W/800W) .......................................................................... 74 圖 4.9 溫度及溫差(400W/600W) .......................................................................... 74 圖 4.10 溫度及溫差(500W/500W) ........................................................................ 75 圖 4.11 暫態溫度控制(200W/800W) .................................................................... 76 圖 4.12 暫態溫度控制(400W/600W) .................................................................... 77 圖 4.13 暫態溫度控制(500W/500W) .................................................................... 77 圖 4.14 圖 4.15 圖 4.16 圖 4.17 圖 4.18 圖 4.19 圖 4.20 圖 4.21 圖 4.22 圖 4.23. 溫度及溫差(200W/800W) ........................................................................ 80 溫度及溫差(400W/600W) ........................................................................ 80 溫度及溫差(500W/500W) ........................................................................ 81 暫態溫度控制(200W/800W) .................................................................... 82 暫態溫度控制(400W/600W) .................................................................... 83 暫態溫度控制(500W/500W) .................................................................... 83 水泵在比例閥各開度下 3L、5L、7L 的耗功 ........................................ 85 熱源 200W/800W，0.125wt.% CNWNFs 熱交換量增進率圖.............. 85 熱源 400W/600W，0.125wt.% CNWNFs 熱交換量增進率圖............... 86 熱源 500W/500W，0.125wt.% CNWNFs 熱交換量增進率圖............... 86. ix.

(11) 第一章. 緒論. 本章節主要為敘述本研究的基本概念與架構，分為前言、研究動機、研究目的、研究方法、論文架構與文獻回顧，分別敘述如下。. 1.1 前言十七世紀工業革命，帶動工業的蓬勃發展，卻也帶給對生態的破壞及人類的生存威脅，綠能(Green power source)及再生能源(Renewable energy)研發必定是未來所需要因應之對策。對於車輛運輸而言，內燃機的發明，大量消耗石化天然資源，而這些資源的儲存量遠不及人類的需求。國際能源總署(International energy agency)預測，各石油產地 2010 年起，每年產油量均急遽下降，同時，由於開發中國家(如大陸、印度)，車輛需求大增，因此石油的耗竭，將會是近五年所需面對的課題，據統計，對應之 CO2 產量也以每年 2%速度成長；過度使用石化能源將導致全球暖化、溫室效應，使得能源議題受到高度重視，不得不另外尋求其他替代能源，有鑑於此，世界各國皆積極推廣及發展車輛節能減碳、綠色動力技術等，方能促進降低環境破壞、能源再利用及人類永續發展之目標。為了因應油價及氣候變遷之因素下，世界各大車廠，紛紛轉換研究方向，由傳統內燃機引擎蛻變成複合式動力車(Hybrid vehicle)、純電動車(Electric vehicle)等，而電動車需求之動力源種類甚多，如燃料電池(Fuel cell)、鋰電池(Li-battery)、超級電容器 (Supercapacitor)等，皆為電動車之動力源選擇，因此綠色動力源研發已成為車輛界最嚴肅的課題。奈米科技之研究於近 10 年已成為萬眾矚目之新興科技產業，涵蓋領域包含物理、化學、材料、光電、生物和醫學等[1]，經多年研究證實，當物質被加工至奈米等級，其表面效應、小尺寸效應與量子效應效果遠大於原本物質，如以奈米碳管為例，單壁奈米碳管(SWCNTs)的直徑 0.4-0.2nm，多壁奈米碳管(MWCNTs ) 的直徑也不超過 50nm，其形狀可視為片狀石墨烯捲成的圓筒，因此在奈米等級中可提高其特性，如耐熱、耐腐蝕、耐熱衝擊、熱傳及導電性佳等[2]；藉由奈 1.

(12) 米科技之加入綠色能源區塊作結合，未來必能提升綠能科技產業技術，是一項具有發展潛力及研究探討價值之新興科技。. 1.2 研究動機隨著科技的進步，人們對地球的破壞也日益嚴重。近年來非常重視環保，這也是能源政策與科技發展朝向綠能開發的關鍵因素，同時，人類所依賴的石油也逐漸開採殆盡，不得不尋找其他替代能源，因此有關於綠色能源的研究發展是目前全世界所關注的焦點。現今綠色能源已被廣泛應用在先進運輸工具、發電站、不斷電系統。綠色能源包含：燃料電池、電瓶和超級電容器，具有高操作效率和零汙染的特色 [3]。改善輸出性能、熱管理、系統設計控制是主要關鍵因素。為了達到最大整合輸出效能，並同時改善各動力源先天缺點，近年來，混合動力能源觀念已成為發展的趨勢 [4,5]，若能有效的混合各種動力源並配合適當的系統組件與能源管理，將有助於提高系統峰值功率、總體效率與暫態行為 [6,7]。目前混合能源組合中，燃料電池/鋰電池被認為是未來最有前途的應用，燃料電池負責供應大部分電力產生與輸出，而鋰電池則供應高功率之電源，兩者的操作溫度對於提高系統效率、增加電量與電力峰值或延長使用壽命皆為重要關鍵 [8]。許多研究證實，溫度是影響輸出性能的關鍵角色。輸出性能包含輸出電壓、電容量、放電狀態、系統效率，甚至循環壽命 [9]。通常熱管理系統分為氣冷式和水冷式兩種 [10]。在氣冷式系統，廢熱的排出是經由自然對流或利用風扇做強迫對流。結構簡單、低成本是主要優點。然而，較弱的熱交換能力和受限制的冷卻面積對於使用在高功率裝置是較不適合的。在水冷式系統，廢熱的移除是經由在裝置的四周利用水作循環或裝置內設水道來循環水而帶走熱，冷卻水經由水泵推動，廢熱由熱交換器帶走，散熱能力佳適合用於高功率裝置，不過，要考慮其複雜的結構和高成本所帶來的影響。 2.

(13) 在許多過去的奈米研究中指出，將奈米粉體添加於水並應用在散熱系統中，是能有效的增進散熱效率，因此隨著散熱效率提升，亦能縮小熱交換器體積 [11-13]。許多研究指出，長度大於 10nm 的奈米碳管，其導熱係數(Thermal conductivity)大於 2800W/m․K，幾乎與藍寶石或鑽石均有相似的導熱能力 [2]；相較空氣與水的熱對流係數，空氣在自然對流時的熱對流係數為 5~25W/m2K，在強迫對流時的熱對流係數為 10~200W/m2K，水的熱對流係數在自然對流時為 20~100W/m2K，在強迫對流時為 50~10000W/m2K [14]。本研究選擇奈米碳管/水 (Carbon nanotubes/Water)奈米流體作為綠色動力散熱系統的工作流體，奈米碳管特性包含：高熱傳導、高表面積、高韌性、高強度等，其主要考量為 Carbon nanotubes/Water 奈米流體擁有性質穩定且熱傳導效率高(相似於鑽石 3320W/m-K) 等優勢，能有效改善原本熱傳性能。本研究主要是設計一套創新的混合散熱系統，用一套散熱系統來冷卻兩組的熱源，達到減少成本和設備的體積；透過此方式可減輕車載系統重量達到節能省電的目的，而複合系統管路較複雜，但有體積小、重量輕之優勢，因此熱交換器尺寸可大幅縮小；透過奈米碳管流體可提升熱傳導係數，有效縮減綠色動力散熱系統之熱散器及水泵體積，對於電動車的空間配置、載重與續航力將有所貢獻。. 3.

(14) 1.3 研究目的本論文之研究具體目的如下所述： 1.. 建立混合散熱系統之機電整合。. 2.. 建立混合散熱系統控制與能量管理。. 3.. 奈米碳管流體的配置與基本性質分析。. 4.. 針對奈米碳管流體進行基本理化性質量測與分析。. 5.. 針對基礎流體(水)應用於混合散熱平台之散熱性能分析。. 6.. 將奈米碳管流體應用於混合散熱平台之散熱性能分析。. 7.. 將奈米碳管流體應用於混合散熱系統之可行性評估。. 1.4 研究方法本論文採用文獻探討、理論分析與實驗研究等三種方式進行研究。主要分為奈米碳管流體基本特性分析與應用研究兩大部分進行研究與探討。在基本特性研究分析上，透過理論分析與實驗研究來探討不同奈米碳管流體濃度在不同溫度之下對於熱傳導係數、密度、黏滯係數與比熱等性質的影響，並與相關文獻進行分析與比較；在應用研究方面，透過理論分析與實驗量測來進行奈米碳管流體應用於混合散熱系統的散熱性能測試與可行性評估。其研究架構如圖1.1所示。. 4.

(15) 奈米流體之混合散熱系統實驗平台建立與性能評估. 理論分析與閱讀文獻. 奈米流體製備. 1.材料分析 2.物理性質分析. 流體特性實驗. No. 完成？. Yes. 建立混合散熱平台之元件規格(包含) 1.變頻器 2.電磁式比例閥 3.水泵 4.熱交換器. 建立實驗架構. 設定實驗參數. 混合散熱平台之基礎流體實驗. 穩態實驗、暫態實驗. No 完成？ Yes 奈米碳管流體應用混合散熱平台實驗. 穩態實驗、暫態實驗. 資料分析. No 完成？. Yes 結果與討論. 結論. 圖 1.1 研究架構圖 5.

(16) 1.5 論文架構本論文概分為五章節進行著述，各章內容架構敘述如下：第一章緒論：敘述本研究之前言、研究動機、研究目的、研究方法、論文架構及文獻回顧。第二章相關理論分析：奈米碳管相關理論基礎、奈米碳管之特性及奈米流體相關應用介紹。第三章實驗裝置與方法：敘述實驗樣本製備、流體特性量測方式及應用實驗設備實驗方式。第四章實驗結果與討論：實驗結果及文獻進行分析討論第五章結果與建議：實驗的結果與討論的內容進行歸納統整，並提出未來研究相關意見。. 1.6 文獻回顧由於國內外目前以發展綠能產業為目標，及台灣相關環保車輛與動力零件公司與日俱增，動力系統採用鋰電池、燃料電池、超級電容器等能源逐漸得到工業應用所認同，動力控制與建模相關研究亦大量開發與學術探討 [15,16]。由於綠能動力各有輸出其特性，如暫態響應、輸出功率大小、能量密度、功率密度等，因此在混合動力部分，具有相當普及概念。2008 年 Jennifer Bauman et al. [17]提出維持最佳化操作溫度之下，功率與能量密度、循環壽命、反應時間常數均不同，因此混合動力技術概念為相當成熟，換言之，若系統需高能量密度維持續航力時，鋰電池與燃料電池將為動力主要來源。而當系統需高功率輸出，則高功率元件(如超級電容器)便為主要動力。因此關於混合動力能量管理方面的研究已有許多成果，如 2002 年 Paganelli et al. [18]提出最小消耗量(Equivalent consumption minimization strategy)控制策略，應用於並聯式混合動力車，使燃料電池整體的氫氣消耗量最小化，也能達到車輛需求性能；2001 年 Chau and Wong [19]提到電動 6.

(17) 車(EV)可根據需求採用多種複合動力源，並透過能量管理系統，協調各種能源優點，導引出最佳節能表現。2008 年 Bauman and Kazerani [20] 提出為了兼顧環保議題及發展純潔動力車輛前提下，眾多車廠紛紛投入電動車研發，初期設計以純燃料電池電動車為主要設計，爾後發現，加速性能不及於傳統引擎車(燃料電池反應時間常數過大)，需加入匹配鋰電池或超級電容器作為第二動力源為輔助動力，一方面因應市區頻繁走停模式(Stop-and-go)需求另一方亦能符合駕駛所需。 1993 年 Blomen and Mugerwa [21]敘述關於質子交換模燃料電池((Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具備以下優勢，包含：無震動、低噪音、啟動時間短、續航力長、操作溫度低等優點，因此被評選為最適用於發展電動車之氫能轉換系統；然而在 2005 年 Shan and Choe [22]研究指出，操作溫度會直接影響電池的輸出電壓與功率，因此，將燃料電池操作溫度控制在最佳操作範圍，即能改善燃料電池效率。燃料電池熱分析研究部分，已有相當多豐碩研究成果，如文獻 [23-27]均在研究燃料電池在 CFD 及 3D 熱動態在燃料電池內之分布情況； 2005 年 Faghri and Guo [28]概述燃料電池的開發技術，隨著熱傳輔助元件研發，透過分析及改進方式，提高燃料電池整體效率；2004 年 Zhang and Ouyang [29] 以質子交換膜燃料電池進行基本熱物理行為實驗，參數包含：冷卻水流量、空氣流量、環境溫度，確認參數與燃料電池間的交互作用，再針對熱性能影響進行評估；2010 年 Hu et al. [30]文中提到有效控制質子交換膜燃料電池溫度，可高效率運行，以冷卻劑循環流方式添加至預設水道，屏除過量的熱，再搭配溫度模糊控制策略，雙管齊下，保持理想的工作溫度；由此可見，不管利用 CFD 演算及 3D 動態建模、或者是針對燃料電池系統進行散熱設計與實作，各項均希望提升燃料電池輸出性能為，可見系統散熱對於整體效率重要性。由於燃料電池輸出因時間常數關係之下，導致瞬間加速度無法快速提升，因此將另尋輔助動力源；而在儲能動力源中，相較於超級電容器，鋰電池相對廣泛，因此本研究將選定鋰電池作為輔助動力源為研究對象。就鋰電池特性而言，目前. 7.

(18) 較常使用高能量密度鋰電池。2002 年 N. Sato [31]的研究指出，溫度直接的變動，會影響鋰電池之電量，因此許多鋰電池的熱分析動態正在進行。2005 年 S. C. et al. [32]針對溫度對於鋰電池進行輸出性能研究，包含：等效電量、最大輸出功率、循環壽命，其欲想透過此研究改善鋰電池輸出性能。而從上述研究中得知溫度對於輸出效率的影響後，需設計一套針對鋰電池的冷卻系統，因此 2002 年 M. Sato. [33]利用熱動態模型來模擬鋰電池中的溫度分布並以實驗方式來驗證模擬結果，包含鋰電池散熱之性能輸出影響、散熱系統耗功等進行研究，模擬與實驗均指出以強制對流冷去方式可以冷卻鋰電池的溫度上升，因此欲想使輸出性能提升需做好熱管理。. 對於鋰電池及燃料電池而言，為了維持高效率運行及增長使用年限下，需透過電池熱管理系統進行嚴謹控管，利用策略性進行有效的冷卻方式是必要的手段。 2013 年 Xu and He [34] 以強制氣冷方式研究鋰電池模組，以不同管道流經氣流路徑探討其散熱性能，結果顯示增加氣流接觸電池本體面積散熱性能更佳，且加設電池組底部 U 型通風道其散熱性能更加卓越；2013 年 Heesung Park [35]提出一個具體的氣冷式的設計理論及數值模擬分析，由於典型的鋰電池系統皆以多個電池單元串並而成，而其冷卻方式為在電池單元中設計冷卻通道，藉由氣體冷卻電池模組，其研究結果顯示在不改變現有電池設計方式，採用錐形岐管設計和壓力閥通氣亦可將電池冷卻，圖 1.2 為研究架構圖；水冷部分在 2003 年 Mottard et al. [36]設計一款水道包覆電池的冷卻系統，水道與電池之差距 0.018m，電池冷卻水道設計如圖 1.3 所示；冷卻系統源原件為:以低功率水泵推動循環冷卻液，由閥門調節水的流量，透過流量計量測冷卻流量，以 80W 的仿效電池發熱，透過熱交換器進行熱交換，冷卻系統圖如 1.4 所示。. 8.

(19) 圖 1.2 電池系統模組與冷卻通道;(a)電池系統(b)電池本體[35]. 圖 1.3 電池冷卻模組[36]. 9.

(20) 圖 1.4 冷卻系統圖[36]. 燃料電池具有零污染、快速啟動、低操作溫度、高功率密度的特性，對於電動車是未來理想的動力源，因此熱管理系統是確保高功率燃料電池安全及高效率運行的關鍵，嘗試在狹小空間內設計出冷卻系統去控制溫度變化是一種顯著的挑戰，在 2012 年 Zhang and Kandllikar [37]介紹各種應用在燃料電池中冷卻的技術，包含(1)散熱片的冷卻(用高導熱性質材)(2)氣冷式冷卻(3)液體式冷卻(4)相變冷卻，以下分別敘述介紹: (1) 散熱片的冷卻石墨材料最常使用於燃料電池中，由於其特性具備高的熱傳導率及低密度，適合製作成散熱片，圖 1.5 為應用在燃料電池中由散熱片製成的隔板，透過熱模擬實驗分析後，研究結果顯示，當燃料電池的功率越大其散熱片面積要越大才能負荷其散熱量，然而，就成本及散熱的觀點而言，是不符合效益。. 10.

(21) 圖 1.5 為應用在質子交換膜燃料電池中的隔板[37]. (2) 氣冷式冷卻氣冷式冷卻流經陰極的冷卻空氣可提供散熱，且在雙極板中間設計冷卻通道進行冷卻，研究結果指出，這種類型的冷卻策略僅適合功率在 100W-2kW 間，若超過此區間，此種冷卻系統並無法均勻的帶走燃料電池的廢熱。 (3) 液體式冷卻液體式的熱傳量遠高於氣冷式，因此液體冷卻是目前使用最廣泛的冷卻策略，非常適用在大功率的燃料電池(>5kW)，其特性為熱傳量高且添加冷卻劑後，例如：乙二醇和水的混合物可以操作在零度以下環境；圖 1.6 為質子交換膜燃料電池堆冷卻液通道，在雙極板中設計的冷卻層，透過數值模擬實驗分析結果指出，如果雙極板中減少冷卻層的數量的配置，可能會導致性能降低且膜過熱的風險較高。圖 1.7 為實際應用在汽車之燃料電池冷卻系統架構。. 11.

(22) 圖 1.6 質子交換膜燃料電池堆冷卻液通道示意圖[37]. 圖 1.7 實際應用在汽車之燃料電池冷卻系統架構圖[37]. 12.

(23) (4) 相變冷卻當液體式冷卻系統已被成功廣泛的應用在燃料電池堆中，相變冷卻材料相對失去吸引優勢，如液體冷卻使用的冷卻劑是顯熱，相變冷卻使用的冷卻劑是潛熱，因此相變需要很低的冷卻劑的流速，此外，冷卻器循環通過親水性的濾芯產生壓力差、濃度差，才能消除相變冷卻的冷卻劑。基本上相變冷卻有兩種方式，分別為蒸發冷卻及沸騰冷卻，在蒸發冷卻中，冷卻劑的沸點溫度高於燃料電池的溫度，因此水非常適用的；然而相較於沸騰冷卻劑的溫度必須低於燃料電池的溫度，因此需選擇適合的冷卻劑。. 基於電動車內之空間有限，若將散熱系統重量與體積降低，對電動車性能有大幅提升，因此，採用透過水冷式較氣冷式散熱性能較佳之特性 [38]，然而，在許多研究中欲增進系統熱交換之性能方式多不勝數，其中以不需改變機構的設計，亦能有相同顯著結果，可行方式為添加奈米流體進行散熱性能提升。換言之，藉由奈米流體之特性高傳熱性能與基礎流體混合，當在相同的散熱量下，散熱系統可減少散熱面積(體積)、重量，以利電動車動力源使用；因此在許多研究中，在熱交換器系統體直接添加奈米級的粒子，增加熱交換器散熱效益的研究，由於固體的熱傳導性質遠比液體來的高，因此若以流體添加奈米顆粒可增進流體的熱傳導係數。在奈米流體增進熱效益方面，2000 年 Xuan and Li [39]利用 100nm 的銅奈米顆粒添加於水製成奈米流體，經量測發現隨著濃度增加熱傳導係數上升，當濃度由 2.5vol.%增加至 7.5vol.%時，熱傳導係數由 1.24%增進至 1.78%。2006 年 Li and Peterson [40]使用 36nm 的 Al2O3 奈米顆粒添加於水中，量測溫度範圍介於 27℃-34.7℃，經量測結果顯示 Al2O3 奈米流體在體積濃度為 10%，溫度為 34 ℃時熱傳導係數的最大可提升 30%。2007 年 Li and Peterson [41]將 Al2O3 奈米顆粒在不同粒徑(45nm、150nm)下添加至水進行研究，結果顯示 45nm 的熱傳導係. 13.

(24) 效果優於 150nm。2010 年 Chen and Xie [42]將奈米碳管添加界面活性劑(Cationic gemini surfactant)製備成奈米碳管，進行懸浮性能研究，結果顯示添加界面活性劑能幫助 CNTs 有更好的懸浮效果，同時在熱傳導係數也有提升。2011 年 Su. et al. [43]將奈米碳管利用二階法製成奈米流體進行物理性質研究，結果顯示 CNTs 的熱傳導係數有明顯的提升。2008 年 Li and Kleinstreuar [44]將 28nm 的 Cu/Water 奈米流體應用於熱交換器，結果顯示在體積濃度 1%和 4%時，熱傳效率提升，相對的，隨著濃度的上升，管路壓降也隨之上升，因此導致水泵需耗費更多功輸送流體。2012 年 Hung et al. [45]評估氧化鋁(Al2O3/Water)應用於氣冷式的熱交換器的可行性，該實驗配置不同濃度比 0.5、1 與 1.5wt.%，以不同流量(1.8、2.1 與 2.4L/min)及設置溫度(30、40、50 和 60℃)在綠能系統操作範圍，實驗結果以證明添加氧化鋁是可以提升散熱效率。綜合上述研究文獻，本研究將設計一款創新之高機電整合混合散熱系統，透過奈米混合冷卻之導入，將燃料電池/鋰電池控制在最佳效率操作範圍且具低耗能之優勢，因此奈米顆粒的材料、形狀、粒徑、製成方式皆會影響流體的熱傳導特性，有鑑於此，本研究將選用熱傳導特性相當於鑽石的奈米碳管，且透過分散劑、均質機、超音波震盪機進行分散，強化懸浮性能，並進行流體的基本特性實驗與應用於混合散熱系統進行散熱性能分析，評估使用奈米碳管於散熱系統的可行性；同時透過混合散熱系統優勢可低空間佔據(適合車用)、提升散熱量、低重量(提升車輛性能並減低能耗)亦為其優點。. 14.

(25) 第二章. 相關理論與分析. 2.1 奈米碳管 2.1.1 奈米材料奈米科學技術(Nano-science technology)誕生於二十世紀，屬於正在崛起的新興科技，所代表的基本涵義為奈米尺寸(10-10~10-7m)範圍，一般所研究奈米科技尺寸在於 0.1~100nm 之間的粒子，不同的製程得到的奈米顆粒，其特性均不同。在如此小的尺寸下，量子效應已成為不可忽略的因素，在巨觀的情況下，認為不可能會發生的現象，在奈米等級均可能呈現，因此奈米結構不僅僅只有尺寸的縮小，還具備高體積比、高表面積、高密度堆積的優勢及高結構組合彈性的特性。二十一世紀的現今，微小化已成目前科技發展中最重要的課題，然而奈米科技則為最重要的導向[46、47]。當粒子進入奈米級(1~100nm)時，粒子本身會具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和巨觀量子隧道效應，顯露出許多特有性質，因此，在新材料、醫學、磁介物、光吸收、濾光等方面有更遼闊的應用前景[47]。材料奈米化具備的重要特性分述如下： 1. 小尺寸效應：當粒子尺寸與光波波長及超導態的相干涉的物理特徵尺寸相當或者更小時，晶體的週期性的邊界條件將被破壞，非晶態奈米微粒的顆粒表面層附近原子密度縮小，導致聲、光、電磁、熱力學等物理性質呈現新的小尺寸效。如磁有序態向無序態轉變，超導相向正常相轉變，聲子譜發生改變 [47]。 2. 表面效應：當奈米顆粒尺寸微小化時，表面能顯著的提高，表面的原子佔據相當高的比例，隨著粒徑的縮小，表面原子數快速增加，換句話說，當表面積的原子數量多，這些原子將具有較高活性，不易穩定，相對的很容易與其 15.

(26) 他原子結合作反應[47]。 3. 量子化尺寸效應：對於金屬超微粒子而言，費米能級(Fermi level)周圍的電子能階分布與原塊體狀分布截然不相似，由於粒子大小進入奈米等級，量子效應會致使塊狀體金屬的能階產生離散現象[48]。 4. 巨觀量子隧道效應：微小粒子可貫穿勢壘(Potential barrier)的能力稱為隧道效應，初期微顆粒的磁化強度，量子相干元件中的磁通量(Magnetic effect)等也具有隧道效應[48]。. 2.1.2 奈米碳管的結構回朔至 1991 年，由日本 NEC 公司的飯島澄男(S. Iijima)博士，透過穿透式顯微鏡觀測到多層奈米碳管結構，才使得奈米碳管的研究正式展開。於飯島博士發現奈米碳管之前，美國萊斯大學(Rice university)的史瑪萊(Richard Smalley)教授等人提出，碳分子結構屬於足球型，如圖 2.1 所示，奈米碳管是由碳元素構製而成的中心是空圓形的狀態分子，屬於富樂烯的衍生物。圖 2.2 為碳的同素具構物 (包含鑽石、碳六十、石磨、及單層之奈米結構)，都具備碳的基本特性[2、46]。. 圖 2.1 類似足球型碳分子形狀[46]. 16.

(27) 圖 2.2 碳的同素異形體鑽石、碳六十、石墨及單層奈米碳管結構圖[46] 根據不同的製程參數與條件，可生成直徑不超過 50nm 多壁奈米碳管及直徑 0.4~2nm 的單壁奈米碳管。MWNTs 可劃分為兩種不同的結構，分別為同心圓多項構造(Russian Doll)與螺旋狀捲曲結構(Swiss Rol)，每層奈米碳管捲曲的程度與值不大相同，透過 SWNTs 的電性比 MWNTs 容易清楚了解。如圖 2.3 所示，單壁的碳管存在這三種類型[46]。. 圖 2.3 不同捲曲性的單層奈米碳管；上層為單壁奈米碳管；中間為鋸齒型奈米碳管、底層為手性奈米碳管[46]. 17.

(28) 2.1.3 奈米碳管的特性奈米碳管之所以成為現今最受矚目的材料，定有具備獨特之處，以下介紹奈米碳管的材料特性[46]: 1. 場發性：被視為新興場發性材料的奈米碳管，擁有完美平整的金屬表面場發射電子，外加電場 2500V m4，因此成為最熱門的研究主題。欲成為優等的場發性需具備：(1)場發器(Field emitter)可發射 106Am-2 的電流密度，(2)針尖型結構，此結構才能創造出場發性的高壓環境條件，(3)高亮度及微小化。奈米碳管的導電性佳且長寬比(Aspect ratio)大，具有良好的場發射特性，且啟動電壓可至 1V/ m，電流密度可達到 1~3A/cm2，多壁奈米碳管之功函數大約為 5eV，場增強因子約為 400~700，單壁奈米碳管功函數約為 3.7eV，場增強因子約為 700~1000。 2. 機械特性：眾多研究指出，奈米碳管具備高張力模數，也意味著具有機械強度的特性。如圖 2.4 所示，2000 年 Vigolo et al[49]透過研究發現奈米碳管能夠承受極大的彈性變形而不會斷裂，圖中單壁奈米碳管的張力模數達 15Gpa，由此可見，奈米碳管可以應用在儲存或吸收能量的材料。. 18.

(29) 圖 2.4 單壁奈米碳管應力及應變關係圖[49]. 如圖 2.5 所示，1999 年 Avouris et al.[50]透過研究得到，當奈米碳管直徑小於 1nm 具有較高的鋼性，而直徑大於 25nm 的碳管由於凡德瓦(Van der Waals)吸引力，導致徑向變形而趨於平坦，相對的直徑越大變形的趨勢越為明顯。由以上研究結果得知，奈米碳管具有彈性，因此在受到極大的變形量後，能可恢復原形狀，並不會發生脆裂、塑性與原子重排的情況產生[46]。. 19.

(30) 圖 2.5 單壁碳納米管的軸向和徑向變形的分子力學計算[50]. 3. 熱穩定性、熱傳導性及熱膨脹性：奈米碳管主要以石墨碳六十組成，碳原子皆為 SP2 混成軌域，並沒有任何的未鍵結電子，因此擁有極佳穩定性。由於奈米碳管的結晶性佳，結晶特性長度很長，具有很大的晶格震動自由徑，因此熱可以透過晶格的震動有效的傳遞出來，相較於石墨與鑽石其熱傳導更佳，在一般常溫時單壁奈米碳管熱傳導可達 6600W/m-K ，鑽石熱傳導為 3320W/m-K，熱在石墨的傳遞是非常差的，因石墨層與層間並沒有鍵結存在。奈米碳管的熱膨脹性為等向性，由於捲曲的平面在徑向的膨脹受到碳鍵結所牽引，層層間的凡德耳力改變所造成的膨脹性並非相當重要。因此，複合材料中，若以碳纖維與有機高分子樹脂作為材料，會發生熱膨脹不均勻現象，因此可以使用奈米碳管取代碳纖維，但必須考慮奈米碳管的低熱膨脹係與熱應力等相關問題[2]。. 20.

(31) 2.2 奈米流體 2.2.1 奈米流體之製備常見的奈米顆粒材料包含 CNT、Al2O3、Cu、CuO、Ag 及 Au，搭配的溶液為水、油及乙烯乙二醇等。奈米流體的配置方式可分為一階合成法(One step synthesis)與二階合成法(Two step synthesis)兩種。一階合成法是利用金屬氣化後的奈米粒子，直接混合入基礎流體中，藉由放置一段時間靜置後，粒徑較小的會漂浮在液體當中，粒徑較大的會因重力作用而產生沉澱現象，即可取出懸浮狀況較佳的，作為奈米流體，但以此方式製成的奈米流體顆粒粒徑大小及濃度不易準確控制。二階合成法，則是購置商用奈米材料或自己製造的粉體直接添加在工作流體中，其優點為奈米顆粒大小與濃度較易均勻，缺點為製備過程中亦發生團聚現象；2011 年 Su. et al.[51]利用二階法方式配置奈米碳管流體，進行基礎物理性質分析，實驗結果顯示出，CNTs 的熱傳導係數是有明顯的增進，有鑑於此，本研究將採取二階合成法作為奈米流體的製程[52]。圖 2.6 為奈米流體製備方式示意圖。. 直接在流體中產生奈米粒子. 商用奈米顆粒. 離心控制粒徑分布. 工作流體 (機油、水、乙烯二醇). 奈米流體. 圖 2.6 奈米流體製備方法示意圖. 21.

(32) 2.2.2 粒徑與團聚對於熱傳導而言，2004 年 Xuan et.al[53]提出，當奈米顆粒在均勻分佈的狀態下，即無團聚現象，此時奈米顆粒處於激烈的運動狀態，因溫度梯度變化小，熱傳導特性提升，相反地，一旦發生團聚現象，奈米粒子運動情況劇降，同樣也會降低奈米流體的熱傳導性能。換句話說，奈米顆粒的粒徑大小會直接影響流體的熱傳性能與分散性能。根據奈米級特性，顆粒越小，比表面積越大，若不發生團聚及沉澱現象，則有助於熱傳導係數的提升。然而，當顆粒越小卻更易產生更大的表面能而導致團聚現象，造成顆粒變大，質量變重因而沉澱，除了降低散熱性能外，進而導致管路堵塞、系統元件毀損及增加水泵耗功。若欲使奈米流實際應用於散熱系統端，需透過嚴謹的配製程序及配合高效能的分散機構相輔相成的搭配，因此粒徑與團聚對於散熱性能須謹慎評估[54,55]。. 2.2.3 懸浮與分散當奈米流體應用在散熱系統上，懸浮特性與分散程度決定流體的優劣程度，當懸浮性能低時，將導致熱交換量降低，被視為應用技術的關鍵。好的懸浮特性意味著顆粒在流體中，在長時間可保持分散均勻的穩定性。分散程度則代表顆粒在流體中散開的程度。而流體的分散有許多種，以分散的方式分類，可分為物理分散及化學分散。物理分散是利用外力因素造成粒子在流體中均勻的分散。化學分散則是採用添加不同分散劑幫助粒子均勻分散，若利用兩者方式搭配應用，對於分散懸浮效果可更為提升分散效果 [55]。. 2.2.4 Zata 電位 Zata 電位主要用來檢測奈米流體分散的性質之優劣程度，當奈米流體中的顆粒間彼此的吸引能量大於排斥能量時，則容易使顆粒發生團聚現象，為了避免團. 22.

(33) 聚現象，可藉由透過提升酸鹼值或添加分散劑來提升顆粒與顆粒間互相吸引，減少因團聚現象而產生沉澱行為。值得注意的是，較高的 Zata 電位，流體擁有較佳的懸浮穩定性，但 Zata 電位為 0mV 時，此時稱為該流體的等電點(Isoelectric point, IEP)，奈米顆粒間的互相吸引是最大的，易造成顆粒之間互相團聚，使顆粒粒徑增大進而產生沉澱 [55-56]。. 2.2.5 黏滯係數存在流體薄層間的摩擦力或剪應力(Shearing frictional stress)，可表示為每單位接觸面積上的剪應力或摩擦應力，以  表示，在層流狀態下，  與相對應變成正比；換句話說，也就是速度梯度 dv / dt ，比例常數  定義為黏度係數(Coefficient viscosity)可表示為：.  . dv dt. (2.1). 所有的流體中均存在黏滯係數，當流體發生運動時，會產生摩擦現象，因此，黏滯係數由流體間的凝聚力與分子動量產生的交互作用，而當開始流動時，這些效應呈現為移動流體薄層間的切向或剪應力。然而，運用在管路系統中，流體的黏滯係數將會對水泵產生最直接的影響，換言之，當流體的黏滯係數越大，水泵需消耗更多的功，且黏滯係數高低也會影響流體的熱傳導性能。奈米流體的黏滯係數可以透過 Batchelor[57]的推導得知，如下：.  nf  1  2.5  6.5 2  bf. (2.2). 其中  nf 為奈米流體之黏滯係數，  bf 為基礎流體之黏滯係數，  為添加奈米顆粒的體積濃度。一般而言流體分為兩種不同的運動型態，第一種為一個平滑而有序的運動， 23.

(34) 其中流體中的元素或者粒子呈現薄層方式互相滑過，流體中有分子的擾動與擴散，但實際上在薄膜中並沒有大尺度的混合，這種運動方式稱為層流(Laminar flow)。第二種不同的運動發生在整個流場中，流體的粒子隨意無序的運動方式，和這些粒子迅速混合，可看到大範圍尺寸的渦旋，這個運動稱為紊流(Turbulent)如圖 2.7 所示 [52,58]。. (a)層流. (a) 紊流圖 2.7 管路內流體流動速度分布示意圖[52]. 2.2.6 比熱當物質上升 1℃所需要的量稱為比熱。先前許多學者研究及驗證後，提出奈米流體的比熱可由方程式(2.3)及(2.4)表示 [52,59-61]：. C p ,nf  (1   )C p ,bf  C p ,P. C p ,nf . (2.3). C p, p  (1   )C p,np  p  (1   )  np. (2.4). 其中 C p , nf 為奈米流體的比熱( kJ / kg ℃)，C p ,bf 為基礎流體的比熱( kJ / kg ℃)，C p , P 為奈米顆粒之比熱( kJ / kg ℃)，而方程式(2.4)可由重量濃度轉換成式(2.5)： C p ,nf  (1   )c p ,bf  C p, p. 24. (2.5).

(35) 2.2.7 熱傳的形式由溫度改變引起熱量傳遞的方向、大小、及快慢稱為熱傳現象；一般而言熱傳方式可分為熱傳導(Conduction)、熱對流(Convection)、熱輻射(Radiation)三種模式來進行 [62]： 1. 熱傳導：此方式是利用物體內的固體或流體互相接觸方式，熱量從高溫傳到低溫，這種現象稱為熱傳導。其傳熱方式可以藉由傅立葉定律(Fourier’s law) 來解釋，假設溫度變化是在 X 方向，透過傅立葉定律可得到. q x  kAx. dT dx. (2.6). 或. q X'' . qx dT  kAx Ax dx. (2.7). 其中 k 為物質的熱傳導係數， q 'X' 為單位面積的熱傳導效率， Ax 為垂直於熱量熱傳 X 方向的截面積。 2. 熱對流：流體與接觸的固體表面利用對流方式產生的熱交換現象，此種熱傳量可透過牛頓冷卻定律(Newton’s cooling law)來計算，表示為:. qc  hA(Tw  T ). (2.8). 其中 qc 為對流的熱傳導量， h 為熱傳導係數， A 為對流接觸的熱傳面積。而 Tw 物體表面的溫度， T 為流體的平均溫度。 3. 熱輻射：此熱傳方式與上述兩種方式截然不同，其原因為熱傳導特性本身具有電磁波性質，所以熱量傳遞是不需透過介質，根據物理學表示，理想的放射物體的輻射放射能，可由史蒂芬-波茲曼定理(Stefan-Boltzman law)來解釋： 25.

(36) q ''  Ts4. (2.9). 其中 q '' 為放射能量， Ts 為物體的絕對溫度，  為史蒂芬-波茲曼常數。本研究將應用奈米碳管添加至混合散熱系統中，欲提升整體系統散熱效益，根據許多文獻表示，流體添加固體顆粒回提升熱傳導係數，其中影響奈米流體的熱傳導因素包含(1)奈米顆粒及基礎流體的熱傳導係數，(2)奈米顆粒的濃度百分比，(3)奈米顆粒的比表面積，(4)奈米流體的溫度。根據 Hamilton and Crosser [63]提出固液混合物的熱傳導係數理論，以顆粒及基礎溶液的熱傳導係數及顆粒的外型作為公式參數，透過控制顆粒的外型來增加表面積，以提高熱傳導性能。固液態混合方程式如下：. k nf k bf. . k p  (n  1)k bf  (n  1) (kbf  k p ) k p 2k bf   (k bf  k p ). n. (2.10). 3. . (2.11). 其中， k nf 固液態流體的熱傳導係數， k bf 為基礎流體的熱傳導係數， k p 為奈米顆粒的熱傳導係數，  為加入奈米的體積濃度， n 為經驗因子， 為顆粒球率，定義為顆粒表面積與體積之比值。在 2003 年 Yu and Choi [64]推論認為奈米顆粒與流體間會產生奈米介面層的物質，因此藉由介面層來量測奈米流體間的熱傳導係數提高準確性，提出以下公式:. k nf kbf. . k p  2kbf  2(k p  kbf )(1   ) 3  k p  2kbf  (k p  kbf )(1   ) 3 . (2.12). 其中  為奈米的介面層與奈米顆粒半徑的比率。在 2010 年 Ho [65]研究結果 26.

(37) 顯示與實際間還是有誤差的情形，因此對式(2.12)進行修正如下：. k nf k bf.  1  2.99  19.672 2. (2.13). 2.3 熱交換器利用兩流體間的溫度差造成熱傳的裝置稱為熱交換器，熱傳方式主要為傳導與對流。熱交換的媒介區分為氣體對氣體、液體對液體、氣體對液體，而本研究則採取氣體對液體-氣冷式熱交換器，管外運用空氣作為熱傳轉換及利用風扇產生強制對流，而管內則是以液體做為工作流體，並以水泵帶動整體散熱系統循環。如圖 2.8 及圖 2.9 所示，一般而言，熱交換器的分類是依據流體之流向，當冷熱流體流動的分向相同稱為平行流(Parallel Flow)。反之則稱為反向流(Counter flow)[52、62]。. 圖 2.8 平行流[62]. 27.

(38) 圖 2.9 反向流式[62] 透過圖 2.10 氣冷式熱交換器之熱交換方式示意圖，利用質量守恆方式，可以求出空氣端及流體端的散熱量：以下為空氣側熱傳量之推導方式[52]： 1. 空氣側質量流率為： .. m a   a Ae   Qa. (2.14). 2. 空氣側的入口端與出口端風量為：. Va,in  a,in  Ae. (2.15). Va, out  a, out  Ae. (2.16). 3. 空氣側熱傳量為：. .. .. Qa  m a (ha,in  ha,out ). (2.17). 透過上述方程式推導，可得到在熱交換器的空氣部分的熱傳導量，其中， Va 為 . 入口風量( m3 / s )，  a 為入口風速( m / s )， Ae 空氣側入口面積( m 2 )， m a 為空氣端的. 28.

(39) .. 質量流率( kg / s )，  a 為空氣密度( kg / m 3 )，  為空氣之比容( m 3 / kg )， Q a 為空氣端之熱傳量( W )， ha,in 為空氣側入口焓值( kJ / kg )， ha,out 為空氣側出口焓值( kJ / kg )。以下為流體端熱傳量之推導方式[52]： 1. 熱交換器管路的質量流率為： .. m   w A p ,e  w. (2.18). Vw,in  w,in  Ap, e. (2.19). Vw, out  w, out  Ap, e. (2.20). 2. 熱交換器出入口側水流量為：. 3. 熱交換器流體側熱傳量為：. .. .. Qw  m w  Cpw  (Tw,in  Tw,out ). (2.21). 透過上述方程式推導，可得到在熱交換器的流體部分的熱傳導量，其中，Vw 為熱交換器入口水量( m3 / s )，. 為熱交換器水側之流速( m / s )， A p,e 為熱交換器水側管. .. 路面積( m 2 )， m w 為熱交換器水側之質量流率( kg / s )，  w 為流體之密度( kg / m 3 )， ..  Q w 為熱交換器水側之熱傳量( W )， C p ,w 為流體之比熱( kj / kg C )， Tw,in 為熱交換器. 水側入口水溫( C )， Tw,out 為熱交換器水側出口水溫( C )。透過以上推導的公式，假設無任何熱散失，則可透過能量守恆，得到空氣端與流體端熱交換量的關係為：. .. .. .. .. Q a  Qw  m a (ha,in  ha,out )  m w  C p,w  (Tw,in  Tw,out ). 29. (2.22).

(40) Tw,in. . mw. Ta,out. Ta,in m. a. Tw,out. 圖 2.10 氣冷式熱交換器示意圖[52]. 2.4 規則庫與控制策略推導為了使系統更有效率運作，因此建立規則庫控制策略，以鋰電池最佳化目標溫度及燃料電池最佳化目標溫度作為理想目標，一旦鋰電池溫度或燃料電池溫度超過目標溫度時，溫度控制器進行判斷以 0、1 方式傳輸訊號至自動控制器，進行回饋即時修正參數，而比例閥部分，當系統剛啟動時，閥門位子設定在 1.8V 的電壓開度位置，若一動力源(如鋰電池)已達工作溫度時，閥門變動至 3V 位置；風扇一開始設定為 0V，透過自動控制器判斷後需啟動風散進行散熱時，風扇電壓從 10-15V 區間變頻持續到控制器停止傳輸訊號為止，而水泵部分一開始設定 55Hz 經由控制器即時調整，最高可達 65Hz；本控制器以迴圈方式，持續比較目標溫度與實際溫度之差異，做即時修正實際溫度，使混合散熱系統可維持最佳效率之操作溫度，控制方式策略如下所示: (i)Temperature controller: If TS1,a  TS1, g , Vtc,S1  0 ; 30.

(41) Elseif TS1,a  TS1, g , Vtc,S1  1 End If TS1,a  TS1, g , Vtc,S 2  0 ; Elseif TS 2,a  TS 2, g , Vtc,S 2  1 End 其中 TS1,a 及 TS 2,a 分別為量測實際溫度的加熱源 1 跟 2， Vtc,S1 及 Vtc,S 2 為最佳化操作溫度，當溫度到達最佳操作溫度時，溫度控制器會依據 Vtc,S1 及 Vtc,S 2 送出訊號給自動控制器，改變其他自動器的參數，達到維持最佳值。 (ii)Proportional valve: If TS1,a  TS1, g. and. TS 2,a  TS 2, g ,. V pv  1.8 ;. Elseif TS1,a  TS1, g. and. TS 2,a  TS 2, g ,. Vpv k  1  Vpv k   K pv  t pv ; ( V pv , max  3.0 ) Elseif TS1,a  TS1, g. and. TS 2,a  TS 2, g ,. V pv k 1  V pv k   K pv  t pv ; ( V pv , min  0.6 ) End 其中 V pv 為電壓控制的比例閥， K pv 為控制電壓的斜率， t pv 為取樣時間(設定 0.1 秒)；對於策略而言，當兩加熱源溫度低於最佳值時，比例閥電壓為設定在中間點，此時兩邊流量為相同；當加熱源 1 到達最佳值的速度比加熱源 2 快時，比例閥會增加流量至加熱源 1( V pv  K pv  t pv )。相反地，如果加熱源 2 以達到最佳化值時，比例閥會增加流量至加熱源 2。自動控制器輸送訊號給比例閥為 1 秒(10 個取樣時間)，而控制器的訊號由加熱源量測的溫度平均值。 (iii)Electric-controlled Radiator: 31.

(42) If TS1,a  TS1, g. TS 2,a  TS 2, g ,. and. V fan  0 ; Elseif TS1,a  TS1, g. TS 2,a  TS 2, g , and VPV  3.0. or. V fan k 1  V fan k   K fan  t fan ; ( V fan , min  10 , V fan , max  15 ) Elseif TS1,a  TS1, g. and. TS 2,a  TS 2, g and V fan k   10 ,. V fan k 1  V fan k   K fan  t fan End 其中 V fan 為風扇， k 為 kth 的取樣時間， K fan 為每個取樣時間（電壓斜坡）的電壓增量， t fan 為風扇系統的取樣時間(設定為 0.1 秒)下標表示的極大極小，代表風扇最高電壓及最低電壓。控制策略方法為:如果雙加熱源的溫度低於最佳值時，風散則不啟動；一旦加熱器溫度超過最佳值且比例閥電壓已達到最大值(3V)時，風扇將以最初電壓(10V)啟動，電壓的增加則以每個取樣時間的電壓成已取樣時間( V fan  K fan  t fan )，最大電壓是 15V；控制器信號兩秒(20 個取樣時間傳送一次訊號到風扇)，而該信號為兩加熱源的溫度，在取樣時間的期間內平均值。 (iv)Coolant pump: If Ts1,a  Ts1, g. Ts 2,a  Ts 2, g. and. ,. V pump  V pump,min  8 ; ( f inv  f inv,min  55Hz ) Elseif Ts1,a  Ts1, g. or. Ts 2,a  Ts 2, g. , and V fan  15.0V. V pump k 1  V pump k   K pump  t pump ; ( V pump, max  12 at f inv,max  65Hz ) Elseif Ts1,a  Ts1, g. and. Ts 2,a  Ts 2, g. ,. V pump k 1  V pump k   K pump  t pump End 32.

(43) 其中 V pump 為冷卻水泵的輸入電壓， f inv 為變頻器的頻率， K pump 為冷卻水泵的電壓斜率， t pump 為水泵的取樣時間(設定為 0.1 秒)；根據控制策略，兩加熱源的溫度低於最佳值時，冷卻水泵操作在最小值且變頻器設定為最小值 8V(55HZ); 如果溫度超過最佳值且風扇操作電壓已達最大值(15V)，水泵的電壓將會開始增加( V pump  K pump  t pump )，最大值為 12V(65HZ)；若兩加熱源的溫度低於最佳值時，風扇將以遞減電壓方式持續作動。自動控制器輸送訊號給水泵訊號為 2 秒(20 個取樣時間)，此訊號為兩加熱源的溫度，在取樣時間的期間內之平均值。. 2.5 控制器電路運作模式首先，電源供應器供應 18V 進入穩壓電路(78M15、78M05)，分別輸出 15V 給放大電路(變頻器、比例閥)與 5V 給運算 IC，使用穩壓電路原因為，預防電源供應器，發生電壓電流變化，會引起電源電壓之波動，造成自動控制器不穩現象；運算 IC 部分採用 EM78P418 作為邏輯運算器，其優點包含低耗功、發熱量小及低成本，主要負責(1)接收溫度控制器所傳輸的訊號，(2)藉由溫度控制器訊號，控制策略判斷，輸出訊號給放大電路(變頻器、比例閥、風扇)作為調整依據。放大電路部分選用常見的 LM358 非反向放大器，根據運算 IC 之訊號，透過放大器，放大至可驅動變頻器及比例閥額定電壓，其中放大倍率透過如下公式 AV=1+Rf/Ri2 得到(a)變頻器放大倍率為 3 倍，(b)比例閥放大倍率 1.01 倍；控制風扇運轉需較大功率及電流，則應用驅動 IC(MOSFET -TC4429)作為風扇動作控制， MOSFET-TC4429 具高頻開關頻率(500kHz)之優勢，適用於高頻化電力電子裝置，符合驅動風扇標準及本控制邏輯概念，以高頻切換控制風扇最小耗能，使系統可操作在最佳化狀態。在控制器設定方面，以穩態實驗數據做為暫態實驗參考，於系統未達工作溫度時，變頻器將水泵控制在 55Hz，比例閥開度電壓位於 1.8V，隨著溫度的上升. 33.

(44) 隨之調整，以每 1 秒擷取溫度控制器數據輸入至運算 IC；在輸出訊號部分劃分為兩者，(a)放大電路(變頻器、風扇)每 1 秒從運算 IC 輸出訊號，(b)放大電路(比例閥)每 1 秒傳輸訊號，採用此種設定之原因為在未達工作溫度時，運用比例閥控制能使系統迅速升溫至工作溫度，燃料電池及鋰電池操作在最佳狀態。圖 2.12 為控制器電路圖。圖 2.13 為控制器實體圖。. 圖 2.111 電路設計圖. 34.

(45) 圖 2.122 電路實體圖. 2.5 效率因子比一個好的熱管理系統必須同時考量散熱量與系統所有元件的消耗功率，基於耗功考量下，系統散熱性能可用效率因子(Efficiency factor, EF )公式表示:. EF . .. .. Qd. Qd. .. . .. .. .. (2.23). .. Q pump  QPV  Qctrl  Q fan. Q pc .. .. .. 其中 EF 為效率因子，Qd 為散熱量，Q pc 為系統總消耗功率，Q pump 為水泵耗功率， .. .. .. Q PV 為比例閥的消耗功率， Qctrl 為控制器的消耗功率， Q fan 冷卻系統風扇的消耗. 功率。公式(2.23)中 EF 為熱管理系統的具體散熱，其定義為每一消耗功率可以帶走多少廢熱，本研究將考量所有系統的元件耗功，進行評估系統元件消耗功率與散熱能力間的關係。為了比較添加奈米流體後對於系統的散熱效益有無增進，因此將利用效率因子比的概念，奈米流體 EF 除以基礎流體 EF ，得到下列公式:. 35.

(46) REF . EFnf. (2.24). EFbf. 公式(2.24)可表示為: REF . EFnf EFbf.  .  Qd ,nf  . Q  p,nf.   .   Qd ,bf  / .  Q   p ,bf.   .   Qd ,nf  .  Q   d ,bf.   .   Q p,nf  / .  Q   p ,bf.     . 由公式可看出其物理意義為散熱量的增進率除以系統耗功的增進率。. 36. (2.45).

(47) 第三章. 實驗裝置與方法. 本章主要撰敘奈米碳管流體之檢測配製方法及混合散熱系統實驗方式，其內容包含：(1)奈米流體性質分析、(2)奈米流體配置、(3)流體基本性質分析、(4)混合散熱系統之穩態與暫態實驗及(5)應用 CNWNFs 奈米流體於混合散熱系統實驗。本研究中的實驗樣本均採用二階法配製而成，並以奈米重量濃度作為樣本配製之參數進行基本特性量測，透過實驗結果分析添加不同濃度之奈米流體基本性質的變化，最後找出最佳濃度應用於混合散熱系統中，並與基礎流體相較其散熱效果，進而評估奈米流體作為混合散熱系統之工作流體的可行性。實驗架構如圖 3.1 所示。. 奈米碳管顆粒材料檢測. 電子顯微鏡影像. zeta電位. 流體配製及基本特性量測熱傳導係數. 實驗架構. 密度. 黏滯係數. 比熱(DSC) 穩態實驗(基礎流體). 混合散熱系統性能實驗瞬態實驗(基礎流體) 穩態實驗. CNWNFs應用於散熱系統瞬態實驗. 圖 3.1 實驗架構圖 37.

(48) 3.1 奈米碳管流體製備及基本特性量測 3.1.1 奈米粉末表觀檢測本研究選用奈米碳管粉末作為實驗樣本，檢測形狀及粒徑；使用(Scanning electron microscope ,SEM)觀測奈米碳管顆粒是否與廠家提供資訊符合。檢測程序如圖 3.2 所示。. 奈米碳管表觀量測. 奈米碳管樣本. 樣本處理. 電子顯微鏡. NO. 完成? YES. 檢測結果分析. 完成圖 3.2 奈米粉末表觀檢測流程圖 38. SEM.

(49) 3.1.2 實驗樣本製備本實驗樣本選用 10-15nm 奈米顆粒及甲聚醣作為分散劑，採用二階法配製而成，其濃度比分別為 0.125wt.%、0.25wt.%、0.5wt.%。在分散劑部分，於文獻中 Hung and Chou [66]提到對於奈米碳管的團聚及沉降實驗，以 0.2wt.%甲聚醣作為分散劑時，能有效地降低團聚及沉降現象，2012 年 Teng and Hung [67]研究發現，奈米流體中添加甲聚醣分散劑，奈米流體的比熱會因此而提升，在比熱上會有加乘的效果，換句話說當添加分散劑後會有幫助奈米流體提高比熱性質，有鑑於此，本實驗將以此方式製程，表 3.1 為實驗參數，圖 3.3 為 CNWNFs 奈米流體製作流程圖，其實驗樣本配置如下所示： 1.. 以量筒裝實驗用去離子水添加至 3000mL 對應體積。. 2.. 電子天平秤取出 0.2wt.%甲聚醣分散劑並與去離子水作混合(如表 3.1 所示，對應重量的去離子水加上甲聚醣溶劑)。. 3.. 先用磁石攪拌器混合甲聚醣溶劑。. 4.. 再利用電子天平秤出 0.125wt.%(3.375g)、0.25wt.%(6.75g)及 0.5wt.%(13.5g) 之奈米碳管粉末量。. 5.. 奈米碳管粉末依序步驟 1-3 方式添加至甲聚醣/水溶液(表 3.1 為溶質、溶劑重量分配比)。. 6.. 將奈米碳管添加至磁石攪拌器均勻混合後，再放入均質機(YOM300D,Yotec.) 中進行破碎，有利於奈米流體更均勻，其操作時間為 30 分鐘。. 7.. 為了使奈米碳管顆粒能平均分散於流體中，透過超音波破碎機(Q700,Qsonic) 進行分散，操作時間為 30 分鐘。. 8.. 重複操作步驟 6-7 可使奈米流體顆粒更加均勻，且擁有更佳懸浮性質。. 9.. 完成製備實驗樣本。. 39.

(50) 表 3.1 CNWNFs 實驗樣本濃度配置表濃度(wt.%). 溶劑(g). 溶質(g). 溶液重(g). 0.5. 2985. 15. 3000. 0.25. 2992.5. 7.5. 3000. 0.125. 2996.25. 3.75. 3000. CNWNFs製備. NO. 準備奈米碳管. 奈米碳管10-15nm. 配製甲聚醣/水溶液. 濃度:0.2wt.%. 實驗樣本配製. MWNTs濃度:0.5、 0.25及0.125wt.%. 實驗樣本進行分散. 均質破碎機:30分鐘超音波震盪:30分鐘. 完成?. YES 實驗結果分析圖 3.3 CNWNFs 製作流程圖 40.

(51) 3.1.3 Zeta 電位量測實驗本實驗主要目的為確認配製的 CNWNFs 樣本是否有發生團聚現象及沉澱現象。利用粒徑分析儀(Nanoparticle analyzer, SZ-100, HORIBA)檢測樣本的 Zeta 電位。圖 3.4 為實驗架構圖，實驗參數如表 3.2，實驗流程圖如 3.5 所示，量測流程如下： 1.. 取各樣本 0.2cc 放置於測試槽(Cell)中。. 2.. 放置於粒徑分析儀中進行 Zate 電位量測。. 3.. 置換樣本，重複 1-2 步驟。. 4.. 為了提高實驗準確性，各樣本均量測 3 次並取平均值作為實驗數據。. 5.. 實驗結果分析。. 圖 3.4 Zeta 電位量測實驗架構圖. 41.

(52) 表 3.2 Zeta 電位量測實驗樣本參數配置表量測項目. Zeta 電位. 樣本容量 (ml). 樣本溫度 (℃). 0.2. 25. 流體濃度. 分散劑濃度. (wt.%). (wt.%). 0.5 0.25 0.125. 0.2. Zeta電位量測. 重量濃度:0.125、0.25、 0.5wt.%. 準備奈米碳管流體. 均質機破碎 & 超音波震盪器. Zeta電位量測實驗. No. 所有樣本已量測? Yes 實驗結果分析. 圖 3.5 Zeta 電位量測實驗流程圖. 42.

(53) 3.1.4 熱傳導係數量測實驗圖 3.6 為本實驗架構圖，量測 CNWNFs 之熱傳導係數，透過熱性質分析儀 (Thermal analyzer, KD2 Pro Decagon)可得到不同濃度之熱傳性質；其該儀器量測特性是利用暫態熱線法原理取得量測係數。實驗參數如表 3.3 所示，圖 3.7 為實驗流程圖。熱傳導性質量測程序如下： 1.. 設定恆溫水槽(Isothermal unit, D-620, DengYung)至實驗參數預設目標溫度。. 2.. 實驗樣本添加 10g 裝入試管中並放入恆溫水槽內進行加熱，並將溫度控制穩定於±0.5℃，等待試管內之奈米碳管流體溫度至實驗目標溫度，再進行量測。. 3.. 為了降低實驗誤差及提高準確性，每個實驗樣本均量測 5 次，量測時間為間隔 15 分鐘。. 4.. 置換樣本，重複步驟 2-3；變換實驗參數溫度，重複步驟 1-4。. 5.. 實驗結果分析。. 溫度控制器 KD2 Pre. 樣本. 恆溫水槽. 圖 3.6 熱傳導係數量測實驗架構圖 43.