崑山科技大學機械工程系碩士論文

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崑山科技大學機械工程系

碩士論文

奈米流體應用於平板散熱器之熱分析

Applied Nanofluid and Thermal Analysis to the Plate-Type Heat Sink

研究生：王耀祥 Student : Yao-Hsiang Wang

指導教授：張文進 Advisor : Win-Jin Chang 朱紹舒 Shao-Shu Chu

Department of Mechanical Engineering Kun Shan University

Tainan, Taiwan, R.O.C.

Thesis for Master of Science July 2008

中華民國九十七年七月

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奈米流體應用於平板散熱器之熱分析

王耀祥^*張文進^**朱紹舒^***

崑山科技大學機械工程系

摘要

本研究使用的奈米流體以水作為基礎溶液，乙二醇為分散劑；將兩者以適當比例調配混合使用超音波震盪法，讓奈米碳管表面能被削弱，

使其有效地分散於水溶液中。製作過程中添加適當的界面活性劑及高分子聚合物(阿拉伯膠)可有效減少奈米碳管因凡德瓦力所造成團聚現象而沉澱。平板散熱器為質輕且幾何結構簡單的密閉容器，內部抽取真空，並注入工作流體(working fluid)後，流體在加熱端吸收熱量，並使工作流體由液態轉變為氣態，當蒸氣壓會逐漸升高，氣體會流往壓力低的冷凝端形成蒸氣流，最後蒸氣在冷凝端釋放熱量並沿壁面凝結成液體，隨即沿溝槽回流於加熱端產生自然對流。由熱阻抗測試機在 20W、40W、60W、80W、100W電功率所量測之平板式熱管以奈米流體為工作流體的阻抗值，其數據分別為 0.54℃/W 、 0.48℃/W 、 0.45℃/W、0.47℃/W，結果顯示可有效增加熱功率減少熱能損耗。

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關鍵字：奈米流體、奈米碳管、平板散熱器。

*作者

**指導教授

***指導教授

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Applied Nanofluid and Thermal Analysis to the Plate-Type Heat Sink

Yao-Hsiang Wang^*Win-Jin Chang^**Shao-Shu Chu^***

Department of Mechanical Engineering Kun Shan University

ABSTRACT

In this study, a nanofluid with water as a basis of solution was used for experiments by adding ethylene glycol to disperse of carbon nanotubes (CNT) and applying the ultrasonic shock to reduce nanotube surface energy.

Thus, CNT can be effectively dispersed in aqueous solution. Also, to appropriate add surfactants and polymers(e.g., the gum Arabic) can reduce Van der Waals forces attract and aggregate phenomenon of CNT and prevents its precipitation of nanofluid. A plat-type heat sink is a light and simple geometry of the closed container. Inside the vacuum chamber contains the work fluid when the fluid was heated and intent to evaporator.

Vapor pressure will gradually increase, and the steam will flow to the low-pressure of condenser section. During this section, steam will condense into liquid and release of heat along the wall. By using the heat resistance test stand, the thermal impedance of flat-type heat sink with the nanofluid is measuring based on electric power test as 20 W, 40W, 60W, 80W, and 100W. The data is 0.54°C/W, 0.48°C /W, 0.45°C /W, and 0.47°C/W, respectively. The results indicate that the flat-type heat sink with the

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nanofluid can effectively increase the thermal efficiency.

Key words：Nanofluid, Carbon Nanotube(CNT), Plate-Type Heat Sink

*

author

**

advisor

***

advisor

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誌謝

本論文承蒙張文進教授以及朱紹舒教授協助與指導才得以完成，在研究期間感謝兩位恩師提供豐富研究資源，在此向您們表達由衷謝意。

並且感謝方德華教授、林肇民教授百忙之中，撥空前來，對本論文的審查與指正提供寶貴的意見，使學生得以有更深層的認知。

撰寫論文期間，非常感謝熱工實驗室文章、智惟。材料實驗室的永志、懷威等好同學們鼎力相助，提供實驗上的意見以及貴研究室資源，

因為你們的幫忙扶持才得以讓我得到寶貴的實驗數據以及感謝成功大學機械系焚而不毀實驗室。大學部的學弟們：吉宏、宇廷、明富、育昌，

也因為你們幫忙，才可以在實驗過程中找出問題癥結所在。感謝陳登茂先生不收分文，多次技術上的協助，幫助我們解決零件加工的問題。

這兩年的研究生活，感謝微觀力學實驗室畢業的世中學長、冠志學長、怡芳學姊、羿瑱學姊經驗傳承。期望這一屆新進學弟妹協展、怡良、

苑婷能實驗室帶來新風貌。謝謝機械系辦大姐頭淑聯姐的關愛鼓勵，淑雯以及維倫幫忙。感謝緒銓大哥跟雅惠姐在校期間的照顧還有樂天開朗的佩如、傻的可愛的瑋如、奕凡與宇凡這兩位難兄難弟。感謝千翔、嘉 政、勇佑、國宏這群好友在我有困難的時候，適時幫我ㄧ把。

最感謝我那慈愛的母親以及兩位敬重的兄長，由於您們的關心與支持，讓我可以順利走完兩年來的求學之路，謝謝曾經幫助過我而我卻沒提起的人，您們的幫助，我永遠會掛念在心底。

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總目錄

頁數

中文摘要...i

英文摘要...iii

誌謝...v

總目錄...vi

表目錄...ix

圖目錄...x

符號說明...xiii

第一章、緒論...1

1.1 前言...1

1.2 研究動機與目的...2

第二章、平板式熱管的簡介...6

2.1 熱管的文獻回顧...6

2.2 平板式熱管作用原理...9

2.3 熱管性能的極限...11

2.4 毛細結構內的流動壓降...13

(11)

第三章、奈米流體...15

3.1 奈米流體文獻回顧...15

3.2 奈米碳管的簡介...18

3.3 奈米碳管的製備...21

3.4 奈米碳管的結構...24

3.5 奈米碳管懸浮液...27

3.6 理論公式...29

3.7 傳統兩相流理論的分析整理...33

第四章、研究方法及實驗步驟...34

4.1 熱阻抗量測系統...34

4.1.1 控制面板物理量量測裝置...36

4.1.2 熱功率計...37

4.1.3 熱阻抗量測系統操作步驟...38

4.2 實驗材料...41

4.3 實驗儀器...43

4.4 奈米流體製備...46

4.5 實驗流程...51

4.5.1 平板式熱管尺寸規格...51

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4.5.2 平板式熱管清潔 ...54

4.5.3 平板式熱管工件組合...54

4.5.4 腔體抽真空、充填及封裝...56

4.5.5 平板式熱管實驗參數...58

第五章、結果與分析...59

5.1 結果分析...60

第六章、結論與建議...77

6.1 結論...77

6.2 建議...78

參考文獻...79

自述...85

(13)

表目錄

頁數

表 3-2-1 奈米碳管的物理特性...19

表 3-2-2 奈米碳管的應用方向...20

表 3-7-1 固-液懸浮液體的有效熱傳導模型...33

表 4-5-1 平板式熱管尺寸...52

表 5-1-1 實驗數據設定...60

表 5-1-2 去離子水應用於平板式熱管測試數據(20W)...62

表 5-1-7 奈米流體應用於平板式熱管測試數據(20W)...67

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圖目錄

頁數

圖 2-2-1 平板式熱管構造及工作循環...11

圖 3-3-1 電弧放電法(Arc discharge)...22

圖 3-3-2 雷射剝蝕法(Laser ablation)...23

圖 3-3-3 化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)...23

圖 3-4-1 (a)單層奈米碳管結構 (b)多層奈米碳管結構...25

圖 3-4-2 奈米碳管的平面圖...25

圖 3-4-3 椅狀(armchair)鋸齒狀(zigzag)與對掌形(chiral)碳管結構...26

圖 3-5-1 界面活性劑分子的基本結構...28

圖 3-5-2 奈米碳管對界面活性劑或高分子的吸附...29

圖 3-6-1 Ohara 和Suzuki 模擬液體在兩固體中的模型...32

圖 3-6-2 Ohara 和 Suzuki 模擬的結果...32

圖 4-1-1 熱阻抗量測裝置...35

圖 4-1-2 控制面板物理量量測裝置...36

圖 4-1-3 熱功率計...37

圖 4-1-4 Die 表面圖...39

圖 4-1-5 散熱模組與待測物...40

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圖 4-1-6 LW-9091 程式...40

圖 4-2-1 (a) 多壁奈米碳管 (b)SEM 圖...42

圖 4-2-2 乙二醇(Ethylene Glycol)...42

圖 4-2-3 阿拉伯膠(Gum Arabic)...42

圖 4-2-4 乙醇(Alcohol)...42

圖 4-2-5 酞酸鹽 PH4.01 標準液...42

圖 4-2-6 丙酮(Acetone)...43

圖 4-3-1 超音波振盪器...44

圖 4-3-2 高溫烘烤機...44

圖 4-3-3 電磁加熱攪拌器...45

圖 4-3-4 精密低溫循環槽...45

圖 4-3-5 真空幫浦...45

圖 4-3-6 冷卻水套...45

圖 4-4-1 奈米碳管懸浮液...50

圖 4-4-2 奈米碳管於水溶液分散情形...50

圖 4-5-1 平板式熱管構造示意圖...53

圖 4-5-2 平板式熱管製成品...53

圖 4-5-3 平板式熱管零件組...55

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圖 4-5-4 組合完成之平板式熱管...55

圖 4-5-5 抽真空、充填及封裝示意圖...56

圖 5-1-1 平板式熱管-20W-去離子水之 R_C、T_C與時間關係圖...72

圖 5-1-6 平板式熱管-20W-奈米流體之 R_C、T_C與時間關係圖...74

圖 5-1-10 平板式熱管-100 W -奈米流體之 R_C、T_C與時間關係圖...76

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符號說明

A 溝槽槽間距

B 溝槽底部寬

C 溝槽槽深 N 溝槽數 L 管長

C

_V 水分子單位體積的熱容

C

水分子的平均速度

f

奈米流體體積分率

J

_U 熱通量

k

_nano 奈米粒子的熱傳導係數

k

m 基礎溶液的熱傳導係數

P

C

Δ

毛細壓力差

P

v

Δ

蒸氣流的壓力降

P

l

Δ

液體壓力降

P

g

Δ

重力壓力降

P

C 毛細壓力

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P

L

Δ

液相流體壓差

P

V

Δ

汽相流體壓差

P

G

Δ

重力影響壓差

V

CC 補償區容積

V

VL 蒸發區流道容積

V

C 冷凝流道容積

V

L 充填流體容積

V

W 毛細孔隙容積

V

LL 液體流道容積

V

CCH 補償區中央流道容積

R

熱阻抗值

ν

粒子體積率

υ

聲子的平均速度

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第一章、緒論

1.1 前言

近年來，由於奈米科技的發展快速，使得許多電子產品均朝向輕薄短小的方向來研發，製程上已由微米級走向奈米級製程，電子電路元件內單位面積的電晶體倍增，如此使得其產生的熱量更為集中，單位面積的熱通量亦隨之升高，因此改善電子產品的散熱問題，成為工程師們研究重點之一。如今，電腦已成為人們日常生活不可或缺的消費性電子產品，其中央處理器(CPU)的運算速度已達數 GHz 以上，更甚者有雙核心或(多)四核心的處理器的問世，電晶體的密度也比以往更高，晶片發熱量亦比以往增加了許多。以目前 Intel 中央處理器 P4 為例，其最高工作頻率已達到 3.4GHz，發熱功率高達 103W，而且未來將會有更高的發熱量。如此高的熱量，表面熱通量並非均勻分佈，容易形成熱點(hot spot)，繼而因熱應力的不均勻而導致晶片損壞。因此從封裝內部的熱傳導特性來著手，來改善微處理器熱通量不均勻之缺點。故在電子散熱方面，只有散熱鰭片與風扇結合的散熱模組已漸漸不符合散熱之要求；因此發展出一套將熱管嵌入鰭片中變成一組合式的散熱模組。熱管，利用冷熱端在管壁上的熱傳導作用與流體在管壁內流動之熱對流作用互相影響；另一個實際例子是流體於散熱鰭片上流動的熱傳現象，其中散熱鰭片上的熱傳導與流體的熱對流之交互作用。由於熱管內的工作液體藉由相變化(Phase change)傳輸熱量，其熱傳效益是強制空冷(Forced Air Cooling)的 50 倍；相較於傳統的散熱裝置，熱管(Heat Pipe)對於此種情況的散熱提供一個良好的解決方案。熱

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管所填充的工作流體選用也是一門學問，如今於市面上販售之散熱器，其工作流體幾乎都是使用水，水是隨手可得的流體，且帶走熱量的能力又是在流體裡面數一數二的，很少有其他流體散熱能力比水還好。但是最近幾年，Lee、Choi 試圖在流體裡面加入一些奈米級(nm) 的金屬粒子(CuO、Al2O3…等)以增加流體的熱傳效果，這就是所謂的奈米流體。在流體中加入懸浮的奈米微粒(Nanoparticle)，其熱傳效能比起一般的工作流體有了大幅度的改進。在工業應用上，奈米流體在增加熱傳效能方面有著極大的潛力，但在觀念上的研究、熱傳增加的機制及其應用方面均還在初步的階段。所以，在本研究中，我們期望能應用奈米碳管之流體的特性來提升熱管效率及性能，並探討其相關的特性及熱傳效能。

1.2 研究動機與目的

電子晶片及微處理器的發熱量近年來不斷地增加，高性能散熱裝置也就相對地受到重視。熱管(散熱裝置)在近幾年來一直不斷的被探討，並實際應用於電子設備的散熱，全然是熱管具有極高的熱傳效能且不需任何動力加入。熱管有以下幾點優勢：

(1) 利用相變化傳遞潛熱，作動的溫度差微小，能夠輸送大量的熱。

(2) 工作流體流動，液汽共存溫度分佈均勻化。

(3) 對流熱傳的特徵時間較傳導熱傳小。

(4) 利用毛細管力或重力使液體返回，無需外加動力裝置。

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(6) 具可變化單位面積之熱通量。

(7) 混入非凝結性氣體可控制熱傳量和溫度…等等。

一般而言，傳統管狀熱管散熱模組的設計，仍需配合鰭片來增加冷凝段的散熱面積，而在某些通訊電子裝備或航太載具之散熱應用則並不適合使用傳統散熱模組。例：目前積極開發之光纖通訊科技的密集分波多工技術(Dense Wavelength Division Multiplexing)，其硬體通常包含多個電路板掛架(Racks)，而每個掛架中又包含多個電路卡匣以放置電路板模組，因此其中可用的空間非常有限(約在 25.24 cm × 31.75 cm × 1.63cm 以內)，若僅使用傳統鰭片式散熱模組將無法達到良好的散熱效能，故此業者多使用埋有傳統管狀熱管之鰭片式散熱模組，然而該裝置通常會有接觸熱阻值過高的情形發生，而無上述限制之平板式熱管(Flat Plate Heat Pipe)設計將能提供更佳的散熱需求。因此探討平板式熱管，嘗試將熱管與散熱板的部分整合為一體，如此便解決接觸熱阻的問題。

在以往的研究及實驗中，在工作流體添加的金屬粉末，來增加流體的熱傳效果，但是以前加入的粉末都是以毫米或是微米等級，這些大小的粉末在流體中移動的非常快，並且會腐蝕或阻塞流體所流經的管子，造成壓力下降，這些缺點限制了一般固液混合流體在工業上的

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應用。由於奈米微粒(nanoparticles)及奈米碳管(carbon nanotube)的發展使得在混合流體上的應用更加廣泛；而在液體中加入奈米粉末混合成的流體，一般稱為「奈米流體」(nanofluid)。因為奈米流體優越的特性，

克服並且上述的許多缺點，所以被廣泛的應用在熱傳方面。在此期望能應用奈米碳管或奈米粉末之流體的特性來提升熱管效率及性能，並探討其相關的特性及物理行為。

在工作液體中加入奈米級的金屬粒子或奈米碳管，也就是所謂的

「奈米流體」。雖然在溶液中加入固體形成固-液混合流體，該技術在很久前就已經開始發展，現在的技術已能生產出更穩定的奈米流體。也因為奈米流體的優越的特性，所以廣泛地應用在增強熱傳性能或是微熱傳上。預期未來，奈米流體將會成為未來工業應用上工作流體的主流。

在加熱或冷卻流體中加入懸浮的奈米微粒(Nanoparticle)或奈米碳管(CNT)，其熱傳表現比起一般的熱傳流體有大幅度的改進。主要乃因懸浮的奈米微粒增加了流體的表面積和熱容量；懸浮的奈米微粒增加了流體有效的熱傳性能；懸浮的奈米微粒、流體與流體接觸的表面之間接促及碰撞頻繁；混合流體的波動及擾動增加；分散在流體中的奈米微粒使流體軸向的溫度梯度變平坦了。雖然在工業的應用上，奈米

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流體在增加熱傳方面表現了極大的潛力，但是在觀念上的研究工作、

熱傳增加的機制及其應用方面均還在初步的階段。在工業的應用上，

我們必需對奈米流體其熱傳增加的表現，甚至於懸浮在其中的奈米微粒有很完整的了解。

本研究將以奈米流體為主要工作流體並應用於平板式熱管散熱器且量測分析其散熱效能。奈米流體在增加熱傳方面表現了極大的潛力，但在觀念上的研究工作、熱傳導性增加的機制及其應用方面尚在初步階段。奈米流體其熱傳增加的表現，甚至於懸浮在其中的奈米微粒需要有更為完整的了解。所以，在本研究中，以奈米碳管調製出的奈米流體作為平板式熱管之工作流體並且量測奈米流體用於平板式熱管之熱傳效能，藉以探討奈米流體對於強化熱管之熱傳效能。

(24)

第二章、平板式熱管的簡介

2.1 熱管文獻回顧

在傳統式熱管方面，已有眾多理論發展及實驗測試的研究。然而對於平板式熱管而言，由於其製造上的困難以及物理機制的複雜性，

其相關的研究則較少見，直至近期才逐漸有相關著作發表，以下將就國、內外與熱管、微熱管及平板式熱管研究相關之文獻分述如下：熱管的始祖可追朔至19世紀中葉的柏金斯管(Perkins Tube)[1]，其尚無毛細結構，僅利用相變化與重力來形成循環並傳遞熱量；第一篇有關熱管的文獻則是由美國G.M.公司的Gaugler於1942年提出，其內容主要是描述一種具有毛細結構之熱輸送裝置，而「熱管(Heat Pipe)」這個術語則於1963年由Grover開始使用。相較於傳統熱管，「微熱管(Micro Heat Pipe)」則遲至1984年才由Cotter[2]於國際熱管會議中提出在晶片上直接製作微熱管或是將微熱管與晶片做接合處理，以此來解決電子元件持續積集化所造成的溫度控制及熱應力破壞問題。此後，伴隨著半導體線寬技術的突飛猛進，微熱管的相關研究也日趨蓬勃，其中研究較為深入的有三個團隊，分別是德州農工大學(Texas A&M University)的 Peterson、康乃狄克大學(University of Connecticut)的Khrustalev及辛辛

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Peterson研究群於1990年利用銅材製成非圓形(不規則四邊型)之微型熱管加以實驗測試，並且初步推導穩態情形下的微熱管熱傳量公式；以銀金屬製成具圓弧邊之四邊形微熱管，利用實驗測試與數值分析來驗證微熱管的功效[3,4]；另外研究亦針對矩形流道與三角形流道的微熱管做了一連串的實驗比較，並由此確認了三角形微熱管的效率，近年又提出有關微熱管內部表面張力曲面半徑與熱傳能力極限關係、微熱管熱傳與溫度反應情況及奈米懸浮流體的熱傳導性實驗等論文[5]。Khrustalev研究群在熱管領域中亦探索多年，對傳統熱管有著相當程度的了解，並以此作為切入微熱管研究的基礎，發表了有關多角形流道微熱管的數學模型，並以此模型推測出工作液體最小沾濕接觸角度(Wetting Contact Angle)、液-汽接觸面剪應力，配合上工作液體充填量，進而預測出微熱管的熱阻與熱傳能力；同時從事有關平板式軸向微熱管熱傳特徵的相關研究，並進行了一系列平板式微熱管的相關實驗，用以驗證其理論數學模型，並以實驗結果來探討毛細限制與沸騰限制在微熱管中的影響[6,7]。

Gerner研究群於1992年開始研究微熱管熱傳以及管內毛細作用力極限等熱管操作上的基本物理限制；並利用質量、能量、動量三大守恆定律，再配合上適當的邊界條件限制，提出了三角形流道微熱管的

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穩態一維數學模型；同時該研究群進行了三角形流道微熱管的實驗測試，針對工作液體、水力直徑、工作液體充填量三者的變化，提出三者對微熱管的影響程度[8,9]。

在平板式熱管方面， Adami 與 Yimer 以一外觀尺寸為 152.4mm×304.8mm×19.05mm的銅製容器及100網目(Mesh)的銅網毛細構造，製造出以水為工作流體的平板式熱管，並測試其較佳填充率、

真空度以及其傳熱性能受重力的影響[10]；Cao等人以放電加工的方式製造了兩個附溝槽的平板式熱管，其幾何尺寸為7mm×2.8mm×82mm及 7mm×2 mm×80mm，而內部填充水以作為工作流體，其最大熱傳量約 40W而最大熱通量可達20 W/cm²[11]；Hopkins製造了三種不同尺寸幾何形狀的平板式熱管測試模組，此三種熱管皆採用軸向溝槽作為毛細構造，並以水為工作流體，其最大熱傳量可達100W上下，該研究並探討重力效應對於該裝置傳熱界限之影響[7]；Wang以外觀尺寸為190.5 mm×139.7mm×34.93mm的金屬容器，以及厚度1.65mm，孔隙率50%之銅粉燒結體為毛細結構，製作以水為工作流體之平板式熱管，並測試該熱管在啟動及關閉熱源時之性能表現，亦探討熱對流係數對該裝置熱傳量的影響[12]；Esarte以銅板為容器並以60μm粒徑的銅粉板及溝槽為毛細構造，以丁烷為工作流體製成兩個平板式熱管，並測試在低溫

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下以致冷片冷卻的熱傳性能[13]；郭分別以碳鋼、鋁合金以及黃銅板作為容器製造外觀尺寸為270mm×110mm×10mm之平板式熱管，並以不同形狀及尺寸的軸向溝槽作為毛細構造，而水及甲醇為工作流體，並探討溝槽深度及形狀對該裝置熱傳量的影響[14]；李以0.3 mm銅片製造了截面尺寸為3mm×6mm，長度為150mm之容器，並分別以10μm及5μm 粒徑之銅粉燒結成毛細構造，再以水為工作流體製成一平板式熱管，

並分析其傳熱性能[15] ；莊以 1.2mm 銅板製作一外觀尺寸 50mm×50mm×30mm的容器，並分別以200μm寬輻射狀溝槽及200網目銅網作為毛細構造，甲醇為工作流體製成平板式熱管，並測試其性能 [16]。國內在微熱管與奈米流體方面的相關應用研究，如魏、陳及吳等人[17-20]針對矽質三角形流道微熱管、平板式熱管性能及奈米流體應用於熱管之熱傳效應，進行了一系列的研製與測試，並與國外相關的研究進行比較。

2.2 平板式熱管作用原理

熱管是一種具有高導熱效能的散熱元件，是藉由內部工作流體吸收熱量後產生的相變化去作為熱的傳遞，由於熱管可以在很小的溫差範圍產生極大的熱傳量，因此又稱為熱之超導體。而熱管主要分為蒸發區跟凝結區，蒸發區內的工作流體在吸收熱量後產生汽化，藉此將

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熱源產生的熱量帶走；而凝結區是將氣體所含之潛熱帶走，使之發生液化，再藉由毛細管力或重力，讓冷凝後的液體回流，使得內部的工作流體產生循環。

平板式熱管為一個質輕而幾何結構簡單的密閉容器，由於內部可抽為真空，並注入工作流體(working fluid)後封閉。元件在加熱端吸收熱量，其吸收的熱量會把內壁附近的工作流體加熱，流體隨即沿孔隙產生對流運動，待熱量吸收足以使工作流體由液態轉變為汽態時開始蒸發；此時，靠近加熱端的蒸氣壓逐漸升高，往壓力低的冷凝端形成蒸氣流，最後此蒸氣在該冷凝端釋放熱量接著沿熱管壁面凝結成液體，循環不息。因此，流場的作用主要分為內、外兩部分：內流場由壓力差所致的蒸氣流形成而驅動，由於熱擴散，因此溫度分佈相當均勻化；外流場則由液態流所組成，加熱部的蒸發效應為其驅動力，藉由工作流體的相變化來傳遞熱的機制，其熱響應十分迅速，並可快速帶走的熱量，因此熱管熱傳機制遠大於傳統熱傳導或是熱對流。

平板式熱管的構造和傳統的管型熱管相似，同樣包含一密封的金屬容器，毛細構造以及工作流體，且其工作原理亦與傳統式熱管相同，

兩者最大之不同為汽化後之工作流體其在傳統熱管中幾乎可視為一維流動，而在平板式熱管中則為三維流動，因此該裝置能藉由此方式而

(29)

將小面積發熱源的熱量，迅速擴散到大面積，以達均熱及散熱之效，

其構造及工作原理如圖2-2-1 所示。

圖 2-2-1 平板式熱管構造及工作循環

2.3 熱管性能的極限

探究熱管的作用原理前，需先了解「熱傳遞」的基礎概念。「熱傳遞」是熱能由高溫處傳到低溫處的現象，傳遞的方式可分為：

(1) 傳導：二個物體相接觸時，熱由高溫物體傳到低溫物體的現象。

(2) 對流：固體和流體或不同溫度流體相接觸時，熱因流體的流動而傳熱的現象。

(3) 輻射：為二個物體在不相接觸的情形下，熱由電磁波傳熱的現象。

在同種物質的相變化時，亦會產生「熱傳遞」的現象，此意即物

(30)

體在固態與液態、或液態與氣態間的相態變化時，吸熱與散熱的現象；

而當熱能處於液態與氣態間的相變化，即稱為「沸騰」或「冷凝」，其所需相變化的能量稱之為「潛熱」(Latent Heat)。

熱管主要是利用毛細作用與相變化等原理，快速的把熱從高溫處帶到低溫處。一般熱管的性能概略可分成，毛細極限(Capillary limitation)、音速極限(Sonic limitation)、溢流極限(Entrainment limitation)、沸騰極限(Boiling limitation)等極限，各種極限之原理分述如下：

(1) 毛細極限：主要在於冷凝端的液體必須能夠有足夠的力量克服重力及液體流動的阻力才能回到熱源端吸熱，而此一力量主要來自毛細結構所產生的毛細力幫助回流，當毛細力無法克服重力及因流動所而造成的壓力損失時，液體將無法持續流回熱源端，因而造成熱源端無法有效散熱，此一現象稱為毛細極限。

(2-1)

其中Δ ：毛細壓力差

P

_C Δ ：蒸氣流的壓力降

P

_v

Δ P

l：液體壓力降

Δ P

_{：重力壓力降}

g l

v

C

P P P

P ≥ Δ + Δ + Δ

Δ

(31)

(2) 沸騰極限：因熱源端吸熱後會有沸騰現象產生，而沸騰氣泡如果無法適時排除而累積於熱源區，將使液體無法順利流入冷卻，因而導致熱無法被順利帶走，因而使熱管之液氣體兩相無法達成動態平衡而有燒乾現象發生。

(3) 溢流極限：熱管運作時內部蒸氣流動方向恰好與液體行進方向相反，因此兩者接觸面會產生剪力影響彼此流動，如果此一現象嚴重時，高速流動氣體將造成冷凝液體無法有效回到熱源端而影響熱管性能。故當冷凝端液體尚未回流到蒸發端，而液滴被剪力帶入流動氣體中，而蒸發端會因沒有足夠的液體回流而燒乾。

2.4 毛細結構內的流動壓降

在平板熱管設計之初，必先設計定義其尺寸大小，使迴路式設計上能達到最大的效率，而液體的回流量不致於不足或過量，俄國教授 Yu. F. Maydanik 提出的迴路式熱管理論設計如下所示：

(2-2) (2-3) (2-4)

C VL

CC

V V

V ≥ +

CCH CC

LL W

L

V V V V

V = + + +

G V

L

C

P P P

P = Δ + Δ + Δ

(32)

P

C_{：毛細壓力}

P

L

Δ

：液相流體壓差

P

V

Δ

_{：汽相流體壓差}

P

G

Δ

_{：重力影響壓差}

V

CC_{：補償區容積}

V

VL _{：蒸發區流道容積}

V

C _{：冷凝流道容積}

V

L

_：

_{充填流體容積}

V

W

：

毛細孔隙容積

V

LL

_：

_{液體流道容積}

V

CCH

_：

_{補償區中央流道容積}

(33)

第三章、奈米流體

3.1 奈米流體文獻回顧

1995 年美國 Argonne 實驗室學者 Choi，首先提出「奈米流體」這個名詞來描述具有懸浮奈米粉末的流體[21]。1999 年 Lee、Choi 和 Eastman 的研究顯示，奈米流體在增加熱傳性質的方面比加入粗糙結晶材料的懸浮液明顯提升許多。在水中加入 4.3%體積比，直徑 13nm 大小的氧化鋁，其熱傳效能比水增加了將近 30%；如果使用比較大的粒子(~40nm)，在相同的體積分率下，相對的大概只有小於 10%的熱傳增加[22]。同年，Eastman、Choi、Li、Yu 及 Thompson 所發表的論文中，

在純水及乙烯乙二醇流體中添加三氧化二鋁(Al₂O₃)及氧化銅(CuO)的奈米粉末，並使用暫態熱線法(Transient hot-wire Method ,THW)，量測兩種奈米流體的熱傳導係數。結果顯示奈米流體與水相互比較，前者能可提升20%的熱傳導係數(thermal conductivity coefficient,

k

)。另一方面，文中提到以乙烯乙二醇(Ethylene glycol)為工作流體來添加奈米粉末的系統，效果比以水為工作流體添加奈米粉末系統之熱傳導係數高[23]。同年，Choi 等學者使用穩態平板法(steady-state parallel-plate method)來量測奈米流體熱傳導係數，實驗顯示既有的混合物熱傳導係數理論無法精確的預測奈米流體的熱傳導係數。

(34)

2000 年，Xuan 和 Li 兩位學者在文中闡述如何備製奈米流體及提升熱傳效應，並以熱線設備量測奈米流體的熱傳導係數，並指出容積比例、形狀及奈米顆粒性質之關係[24]。同年，Xuan 與 Roetzel 提出兩種不同的方法來證明奈米流體的熱傳導公式[25]。

2001 年，Eastman .et al 提出乙烯乙二醇中添加奈米銅粒子(d<10nm) 所混合而成的奈米流體與只有乙烯乙二醇比較，奈米流體在熱傳導方面約有 40%的提升，並且由實驗中得知金屬氧化物的奈米粉末所混合成的奈米流體，比一般純金屬所混合成的奈米流體其熱傳導要差[26]。

2002 年，Keblinski .et al 試圖以不同觀點解釋奈米流體之熱傳導值隨著粒子尺寸縮小而上昇，以突破現階段理論無法解釋之現象[27]。國內徐健力在其論文中推導奈米流體熱傳效能的基礎方程式，並且探討影響熱傳效能的因素[28]；You .et al 研究奈米流體在池沸騰時，奈米粉末對臨界熱通量(critical heat flux)的影響；研究發現奈米流體的臨界熱通量將近是水的兩倍[29]。

Tsaia .et al 使用金奈米流體作為熱管工作流體，並量測純水與金奈米流體兩種流體對熱管熱阻值之影響。結果顯示在相同的工作流體充填量，使用金奈米流體為工作流體的熱管之熱阻值比充填純水的熱管明顯的減少許多，研究中指出不同比例的金奈米粉末所混合的奈米流

(35)

Jang 和 Choi 以數值方法計算懸浮奈米流體應用於微流道熱沉的冷卻效率，並探討不同懸浮奈米流體在微流道熱沉的溫度分佈及熱阻值，此結果均說明奈米流體具有強化熱傳效能之特性[31]。

Hong .et al 利用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)界面活性劑作為奈米碳管分散劑，在實驗中以0.01wt%奈米碳管加上 0.02 wt% Fe2O3奈米顆粒混合於純水所製成的奈米流體，用Hot Disk 公司熱常數分析儀擷取的熱傳導係數之數據資料，結果為：以去離子水所量測出的數據為 0.35 W/m-k；而奈米流體熱傳導係數最大值為 0.92 W/m-K[41]；Liu .et al 以體積分率個別以0.2%、0.4%、0.5%、1.0%的體積分率的多壁奈米碳管添加於乙二醇所配製的懸浮液則熱傳導增加效率各別為1.6%、3.6%、

7.6%及 12.4% [42]；Hwang

.

et al 探討奈米流體的熱傳導且穩定特性，

以暫態熱線法(hot-wire method)從白金金屬線電阻的時間係數可以得知金屬線電阻的變化量，測出多壁奈米碳管懸浮液溫度的上升值，進而推算出熱傳導係數。以十二烷基硫酸鈉作為界面活性劑，個別加入體積分率 1%奈米碳管與純水混合調製之奈米流體；體積分率 1%氧化銅奈米顆粒/純水之奈米流體。相同條件下，添加奈米碳管之奈米流體熱傳導率增加6.5%而氧化銅奈米流體則約為 4.5% [43]。

(36)

奈米流體中所懸浮奈米金屬粒子可改善流體熱輸送現象的主要原因如下：

(1) 懸浮的奈米粒子增加了表面積與流體的熱容。

(2) 懸浮的奈米粒子增加了流體的有效熱傳導。

(3) 粒子、流體和流動路徑的交互作用和碰撞作用增強。

(4) 流體混合時的波動和紊流被增強。

(5) 奈米粒子的懸浮使流體的恆軸溫度梯度平坦。

3.2 奈米碳管的簡介

1991 年日本飯島澄男博士 (Dr. Sumio Ijima) 發現了奈米碳管 (Nanotube) 之後[32]，人類科學史上邁入奈米時代的尖端材料研究熱潮就此展開。許多的研究指出其具有優秀的機械及物理性質，表3-2-1 所示。奈米碳管的質量輕、直徑小、長徑比大(aspect -ratio)，且具有較大的表面積，其楊氏模量為 1-1.8GPa 之間[33]，強度為鋼的 100 倍，而密度只有鋼的 1/6，並且具有良好的韌性，又被稱為超級纖維(super fiber)。具有優越之機械、熱傳導、光電、電和化學等特性乃是奈米碳管的最大特色。奈米碳管外觀上為黑色粉末，質量輕且韌性強，受到強烈的彎曲也不導致斷裂，具有高張力強度、優良的導電性與導熱性，

(37)

例如：高性能的複合材料、生物及化學感測器、奈米電子元件、掃描電子顯微鏡的探針及平板顯示器等，如表3-2-2 所示。

表 3-2-1 奈米碳管的物理特性[35]

SWNT平均直徑 1.2~1.4 nm 基本性質

密度 1.3~1.4g/cm³

金屬性 ~ 0 ev

光學性質

半導體 ~ 0.5 ev 電阻率 10^-4Ω-cm² 電子傳導性

最大電流密度 10¹³A/m² 導熱性 ~ 2000 W/mk 熱傳導特性

聲子平均自由程 ~ 100 nm 楊氏模數 ~1 Tpa 楊氏模數 1.28 Tpa 機械性質

最大抗張力 ~ 30 Gpa

(38)

表 3-2-2 奈米碳管的應用方向[36]

應用說明

場發射顯示器在玻璃基板塗佈或成長奈米碳管，藉其超細尖端放電，可得到金屬尖端或矽尖端更優良的發射特性。

化學與基因探針以奈米碳管當探針的原子力顯微鏡可追 DNA，並鑑別可顯示基因序列中不同基因的化學標記。

機械式記憶體在支撐物上的奈米碳管為二元記憶元件，通電壓可使某特定碳管保持接觸，而其他碳管分開。

奈米鑷子將兩根碳管固定在玻璃棒的兩個電極上，藉著改變電壓可使其張開或閉合，可夾取500nm 大小的物件。

超敏感性探測器

在室溫下當接觸到鹼性物質時(例如鹵素或其他氣體)，半導體性奈米碳管之電阻會劇烈變化，期望能得到更佳的化學感測器。

儲存氫氣及離子

奈米碳管可儲存氫氣於中空部份，可應用於有效且平價之燃料電池，碳管會逐漸釋放氣體作為能源；除了氫氣以外，並能儲存鋰離子，作為壽命較長的電池。

超強材料

其中鑲嵌有奈米碳管的複合材料具有極佳的彈性以及拉伸的強度，可應用在汽車或建築物上，如此一來在車禍或地震時只會彈回或搖晃。

金屬奈米線將碳管中空部份填入金屬或金屬氧化物，則可作為一維量子線或磁性紀錄材料。

更敏銳的掃描式電子顯微鏡

固定在掃描式探針顯微鏡尖端的碳管能增進儀器側面的解析度10 倍以上，能得到蛋白質或其他大分子更清楚的影像。

(39)

3.3 奈米碳管的製備

奈米碳管最常見的製備方式有：

(1) 電弧放電法(Arc discharge)：

電弧放電法是最早發現奈米碳管的方法，製造原理是把陽極碳棒的中間加入金屬的催化物，將設備裡抽成真空的狀態，之後在加入惰性的氣體，並以 15-30V 的電壓；50~130A 的電流驅動，把陽極加入催化物的碳棒慢慢的接近陰極，當兩電極接近到約1mm 的長度時會於兩極間會產生高溫（約 4,000K）的電弧，同時將陽極的碳與催化金屬進行高溫氣化並沉積在陰極石墨棒表面，此時所得的陰極沉積物即有碳管的存在。此研究必須特別注意的是：兩電極距離必須保持一定的適當距離才易生成奈米碳管，否則將會生成大量的奈米碳粒。如圖 3-3-1 所示。

(2) 雷射剝蝕法(Laser ablation)：

以雷射衝擊在金屬-石墨組成的靶材上的新方法，製備開口的奈米單層碳管。不同與電弧放電方法，是直接激發可以對碳管生長條件有較大較連續的控制，得到較佳且較高產率的奈米碳管(70-90%)，這些奈米碳管直徑皆為l nm 左右且以陣列排列，與相鄰的碳管保持相同的距離。雷射激發裝置一般用來製備碳六十及多層奈米碳管。圖3-3-2 所示。

(40)

(3) 化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)：

以離子佈值、熱蒸鍍或液相塗佈等方法鍍上過渡金屬催化劑於基材上，並於高溫爐中退火或還原，使其成為奈米及金屬顆粒或矽化物，再以乙炔、甲烷等碳來源氣體進行化學氣相沉積奈米碳管。其優點是製程溫度低(550~900℃)，分布均勻純度高不需要純化。製造奈米碳管的化學氣相沉積法，製程便宜方便可摻雜硼氮等元素，製成大面積及易成長排列整齊之奈米碳管。圖3-3-3所示。

奈米碳管的長成過程比較複雜，奈米碳管粗產物中包含無定形碳 (amorphous carbon)、奈米碳顆粒及催化劑雜質。它們的存在不利於對奈米碳管本身物理化學性能的系統研究[34]。

圖 3-3-1 電弧放電法(Arc discharge)

(41)

圖 3-3-2 雷射剝蝕法(Laser ablation)

圖 3-3-3 化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)

(42)

3.4 奈米碳管的結構[37]

奈米碳管(CNT)為碳原子以sp²的鍵結形式構成的零維與一維空間碳結構的材料。主要是由一層或多層的未飽和石墨層所捲曲而成，在奈米碳管中間部分是由六環碳所排列而成，但在末端或轉折處有五環 碳或七環碳所構成，每一個碳原子皆為sp²的結構存在。當平面尺寸小至奈米時，具有未鍵結的碳原子比例增加，使結構變的不穩定。此時傾向於消除未鍵結鍵而捲曲成中空管狀結構，只有一層石墨層構成的稱為單層奈米碳管(SWNT)；相反的，若是由多層石墨層所組成的，稱它為多層奈米碳管(MWNT)。如圖3-4-1所示。奈米碳管之幾何結構相當於將石墨片(graphite sheet)捲曲成圓柱狀。圖3-4-2為石墨片之平面結構，由單位向量a₁、a₂與座標(n,m)定義。石墨片捲曲之方向又將奈米碳管分為三種結構，如圖3-4-3所示。當n = m 時為armchair椅狀碳管中碳呈扶手椅狀排列；當m = 0 時則為zigzag鋸齒狀碳管；其餘則為六元環螺旋排列之chiral對掌形碳管。

(43)

圖 3-4-1 (a)單層奈米碳管結構 (b)多層奈米碳管結構[37]

圖 3-4-2 奈米碳管的平面圖[37]

(44)

圖 3-4-3 椅狀(armchair)、鋸齒狀(zigzag)與對掌形(chiral)碳管結構[38]

(45)

3.5 奈米碳管懸浮液

奈米碳管具有優越的高熱傳導特性以及優越的導電性質。由於奈 米碳管主要是由碳原子sp²結合而成的六圓環，碳管表面無未鍵結的電子，所以具良好的化學穩定性，而本身結晶性佳，使其擁有極大的晶格振動自由路徑(Phonon mean free path)，晶格的振動可有效的傳遞熱，所以是優良的導熱材料[39]；導電性方面，由於碳管的量子限域影響，電子在只能在同一層石墨層上沿著碳管軸向運動，徑向運動受到很大的限制，還有碳管的螺旋性與管徑大小也是影響電性的參數。多壁奈米碳管的電性方面較單壁奈米碳管複雜，原因在於多壁奈米碳管每層管壁的螺旋度不同，直徑也不相同，所以導電性質也有所差異，

有可能是金屬性或是半導體性[40]。

受限於碳管本身的分子構造與幾何形態，不易於均勻分散於其他有機溶劑，尤其奈米碳管是疏水性物質，完全不能與水溶液混合；奈米碳管屬於含碳量數百萬以上的巨大分子化合物，粒子之間因為有凡得瓦力的相互吸引，且具有中易聚集沉澱。使得奈米碳管應用於奈米流體發展的受到很大的障礙。因此如何提升奈米碳管的分散性進行碳管表面改質或添加分散劑提升分散性是近年來研究發展的關鍵。

界面活性劑的定義為一種化合物內同時具有疏水基(hydrophobic- Group，又稱為親油基)及親水基(hydrophilic group，又稱為疏油基)

(46)

的化學性質，當其以低濃度存在於系統中時，具有吸附系統表面或界面的特性，並能明顯降低系統的自由能[44]。界面活性劑分子同時有一個極性基(polar group)和一個非極性基(nonpolar group)。極性基對極性物質顯現出高親和力，而非極性基對極性物質則顯現出低的親和力。

若以水當溶劑時，則極性基又可稱為親水基，而非極性基則稱為疏水基，如圖3-5-1所示。

圖 3-5-1 界面活性劑分子的基本結構

界面活性劑扮演著重要角色，利用界面活性劑親、疏水端，疏水基吸附於碳管管壁；親水基則與碳管相互排斥而與親水性溶劑或材料相互結合。若親水性成分不足，可能造成相斥力微弱無法分散；過量則會使碳管與高分子界面不穩定。故掺混高分子材料於親、疏水性界面活性劑中取得適當平衡，圖3-5-2所示。

(47)

圖 3-5-2 奈米碳管對界面活性劑或高分子的吸附[45]

3.6 理論公式

巨觀的熱傳導理論皆以Fourier’s Law 為基礎，其忽略了許多微觀的效應，但在奈米流體中，由於奈米粒子非常小，尺寸只有幾個原子大小，在奈米流體裡，內含的分子除了流體分子之外，還有奈米固體粒子，熱能的傳遞不外乎就是流體分子間相互碰撞、奈米粒子間的相互碰撞、還有水分子和奈米粒子之間的碰撞所造成的能量傳遞。而奈米流體，其傳遞能量是透過聲子(Phonon)或是電子的傳遞能量，流體分子和流體分子互相碰撞傳遞熱量[46]：

(48)

( ) ( ^f )

dz k dT dz

f dT C

C

l

_BF _V _BF _BF _BF

J

U ⁼ ⁻ ₃¹ ^, ¹⁻ ⁼ ⁻ ¹⁻ (3-1)

其中 CV：水分子單位體積的熱容(m³/kg)

C ：水分子的平均速度(m/s)

T

：水分子的溫度(K)

f ：奈米流體體積分率 J

U：熱通量( J/m²)

奈米金屬微粒內的熱傳導機制在具有晶格的固體中，熱量的傳遞是藉由晶格的振動，晶格振動的量子化為聲子(phonon)具有粒子的性質。進一步的理論分析要考慮到聲子的平均自由路徑。在巨觀的研究中，由於固體的尺寸遠大於聲子的平均自由路徑，所以Fourier’s Law 擴散定律可以適用，但在微觀的理論分析中，由於奈米尺寸和聲子的平均自由路徑同等級，假如聲子的平均自由路徑又大於奈米微粒的尺寸時，微粒內就不存在溫度梯度，則Fourier’s Law 擴散定律不適用。聲子傳遞能量為彈道式的傳遞，由於聲子在傳遞的途中，不會和其他的粒子互相碰撞，聲子是直線進行的，所以傳遞能量較快。而在巨觀的

(49)

的速度較慢)。粒子內聲子或是電子所傳遞能量[46]：

dz f k dT dz

f dT C

C

l

_nano _V _nano _BF _nano

J

U

⁼ ⁻ ¹ ₃

^.

^υ ⁼ ⁻

(3-2)

其中

υ

: 聲子或是電子的平均速度(m/s)

k

nano: 奈米粒子的熱傳導係數(W / mK)

f

: 奈米流體體積分率。

在微觀的固體和液體交界面上，會有溫度急速下降，用連續的觀念來看，這意味著固體和液體交界面上，有著不尋常的現象發生。Ohara 和Suzuki [47]利用分子動力學來模擬液體在兩固體中的行為模式。模擬的系統見圖3-6-1。液體間傳遞熱量的方程式透過一種利用分子間的作用力傳遞模式(Intermolecular Energy Transfer) ：

( )

ij ij

i j

ij i i

z i i z

Y Z X

Q

z

F z v v

S E v

J ∑

⎟⎠ ⁺

∑ ∑

^⋅

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

2 1 1 ,

,

, , (3-3)

方程式(3-3)的左邊項代表著熱通量穿過S平面，右邊第一項代表分子運動所帶走的熱量，第二項則是因為分子間的作用力而帶走的熱

(50)

量。而Ohara和Suzuki 模擬出來的結果，見圖3-6-2，發現接近固體層的液體分子都變成固體，且能量傳遞，在很接近固體的時候，是透過分子間的作用力，並不是靠分子間運動來傳遞能量。

圖 3-6-1 Ohara 和Suzuki 模擬液體在兩固體中的模型

(51)

3.7 傳統兩相流理論的分析整理

在一百多年前，Maxwell 的理論就預測到了加入圓形粒子的懸浮液的有效熱傳，此後許多相關的理論及實驗也相繼的發表。研究指出因為熱傳是發生在粒子的表面，所以都以使用較大表面積對體積之比的粒子為往後的理論基礎。之後，Hamilton和Crosser 把焦點集中在以控制粒子外形來增加粒子表面積，並修正了Maxwell的模型，表3-7-1 所示。

表 3-7-1 固-液懸浮液體的有效熱傳導模型

註：k_eff：固-液懸浮液體的有效熱傳導；k_m：基礎溶液的熱傳導係數；

α：熱傳導係數比例；β=(α-1)/(α+2)；n : 粒子形狀因數；

ν

：粒子體積率

(52)

第四章、研究方法及實驗步驟

本章將介紹奈米流體的製備方式，以及各項量測儀器之操作原理與方法。吾人以多壁奈米碳管，選用乙二醇作為奈米碳管分散劑，再以去離子水做為基底流體並加入親水性高分子聚合物阿拉伯膠振盪攪拌，調製而成。奈米流體以及去離子水作為平板式熱管工作流體。利用熱阻抗值量測系統，如圖4-1-1所示，來測試平板式熱管的效能。

4.1 熱阻抗量測裝置

在本實驗中用於量測平板式熱管之熱阻抗值，且利用該系統之 LW-9091程式來擷取Tc (Meter Bar的表面溫度)之溫度值及熱阻抗值 [48]，便可得知平板式熱管之熱阻抗值。

熱阻抗值量測裝置配備如下：

(1) 系統控制用電氣箱。

(2) T-Type 4點溫度量測模組(選擇性配備)。

(3) 恆溫腔室溫度控制器。(控制範圍：室溫＋3 ℃～60 ℃) (4) 恆溫腔室。

(5) 電源供應器。(外部控制命令：DC 0~10V；對應輸出：DC

(53)

(6) 熱阻抗量測裝置之資料擷取用桌上型電腦。

(7) 加熱系統之熱功率計，保護溫度：180 ℃。

(8) 氣動式壓力施加台，工作壓力範圍：4-50Kgf。

圖 4-1-1 熱阻抗量測裝置

(54)

4.1.1 控制面板物理量量測裝置

控制面板物理量量測裝置，如圖4-1-2 所示[48]。顯示相關數據供於操作者，得知目前該系統的工作狀態，其數據與系統之LW-9091 程式求得Tc 值(Meter Bar 的表面溫度)及熱阻抗值息息相關。

(1) Press：壓力顯示裝置。

(2) T_a：被測物風扇入口溫度值及溫度控制錶。

(3) T_u：熱通量裝置 meter bar 上端溫度值，及溫度控制錶。

(4) T_L：熱通量裝置 meter bar 下端溫度值。

(5) T_m：用來檢查 T_u與 T_L 的溫度關係，

2

L u m

T T

=

T

+ 。

圖 4-1-2 控制面板物理量量測裝置

(55)

4.1.2 熱功率計

圖 4-1-3 熱功率計[48]

Meter Bar相當於Dummy CPU。由熱源Heat Source 提供可控制的輸入熱量，經過Meter Bar 熱傳遞到被測試物而移走熱量Q_out。Meter Bar 外部為絕熱材料包覆。

如圖4-1-2所示，A為 Meter Bar 的熱傳導面積；K_m為 Meter Bar 材料的熱傳導係數；

Tu Tl X = −

Δ

(4-1)

∆X為兩溫度量測點 Tl 及 Tu 的距離， Tl及 Tu 的溫度值由控制面板物理量量測裝置所測得。

(56)

將相關數據代入(4-2)式，可計算出所帶走的熱量 Q_out ：

X Tu A Tl

K Q

_out _m

Δ

⋅ −

=

(4-2)

∆X1為 Tu 到 Tc 的距離，Tc 值 (Meter Bar 的表面溫度)，由(4-3)式求得：

) (

1

Tl Tu

X Tu X

Tc −

Δ

− Δ

=

(4-3)

最後可由(4-4)式，得知散熱器的熱阻抗值 R (Thermal Resistance)。

Q

out

Ta

R = Tc −

(4-4)

4.1.3 熱阻抗量測系統操作步驟[48]

(1) Power ON.打開熱阻抗系統電源，熱機時間約15分鐘以上。

(2) 用酒精擦拭Die表面，應避免絕熱材料碰觸到有機溶劑，避免造成絕熱材料的損壞，如圖4-1-4所示。

(3) Die表面均勻塗一層散熱膏。

(57)

(5) 由氣動式壓力施加器施壓於待測物上方，並加壓到壓力預定值，如圖4-1-5所示。

(6) Tl、(Tm)、Tu 溫度端與溫度量測裝置連線。

(7) 電源端與電源供應器端連線完成。

(8) 打開電腦，進入Window XP作業系統，點選LW-9091 進入程式，圖4-1-6所示。

(9) 輸入壓力、電功率設定值，加熱測試時間約30分鐘，選定 (Step / Indicated / cycle mode)選擇測試的模式，按Run Auto開始執行。

(10) 記錄資料輸出至 Excel。

圖 4-1-4 Die 表面

(58)

圖 4-1-5 加熱模組與待測物

圖 4-1-6 LW-9091 程式

(59)

4.2

^實驗材料

(1) 多壁奈米碳管(MWCNT)：產品如圖4-2-1所示，廠牌：東元奈米應材股份有限公司，電弧放電方式所生成之粉末狀多壁奈米碳管。

(2) 乙二醇(Ethylene Glycol) ：產品如圖4-2-2所示，廠牌：和光純藥工業株式會社，奈米碳管分散劑。

(3) 阿拉伯膠(Gum Arabic)：產品如圖4-2-3所示，廠牌：島久藥品株式會社，阿拉伯膠為水溶性膠體，而且具有高度的可溶解性。

(4) 乙醇 (Alcohol)：產品如圖4-2-4所示，廠牌：台灣菸酒股份有限公司，清潔平板式熱管之有機溶劑。

(5) 丙酮(Acetone)：產品如圖4-2-5所示，廠牌：六和股份有限公司，

清潔平板式熱管之有機溶劑。

(6) 酞酸鹽PH4.01標準液(抗菌液)：產品如圖4-2-6所示，廠牌：準易有限公司，作為調節奈米碳管懸浮液PH值之有機溶劑。

(60)

圖 4-2-1 (a) 多壁奈米碳管 (b) SEM 圖

圖 4-2-2 乙二醇(Ethylene Glycol) 圖 4-2-3 阿拉伯膠(Gum Arabic)

圖 4-2-4 乙醇 (Alcohol) 圖 4-2-5 酞酸鹽PH4.01標準液

(61)

圖 4-2-6 丙酮(Acetone)

4.3 實驗儀器

(1) 超音波振盪器：型號：Bransonic 3510、頻率(Frequency)：40KHz，

如圖4-3-1所示，廠牌：Branson，崑山大學機械系材料實驗室設備。

(2) 高溫烘烤機：型號：MF-080、溫度範圍：室溫+5℃~200℃，如圖4-3-2所示，廠牌：明昱企業有限公司，崑山大學機械系材料實驗室設備。

(3) 電磁加熱攪拌器(Stirrers/Hot Plate)：如圖4-3-3所示，型號：

PC-420、廠牌：Corning/USA，攪拌速度：60 ～ 1100 RPM，

溫度範圍：25～550℃。

(4) 精密低溫循環槽型號：DC3-K20，如圖 4-3-4 所示，廠牌：

(62)

HAAKE。循環輸送冷卻水，保持冷卻水套的恆溫效果，崑山大學機械系能源實驗室設備。

(5) 油壓式真空幫浦型號：WVP-3，如圖 4-3-5 所示，廠牌：Watsco。

馬達轉速：1725 R.P.M、電壓：115 V、電流：7.3 A、頻率：60 HZ。

(6) 冷卻水套長×寬×高：60×60×24 mm。兩端進出水口連結精密低溫循環槽輸出，與平板式熱管上板冷凝端接觸，作為散熱媒介，如圖 4-3-6 所示。

圖4-3-1 超音波振盪器圖4-3-2 高溫烘烤機

(63)

圖4-3-3 電磁加熱攪拌器圖4-3-4 精密低溫循環槽

圖4-3-5 真空幫浦圖 4-3-6 冷卻水套

(64)

4.4 奈米流體製備

奈米流體目前專利(uspto, espacenet, apipa ； US6221275 及 US5863455 等二篇)，此專利之所有權人皆在美國，其中 US5863455 主要著重於電磁絕緣效應，使用二階合成方式之奈米粉末添加量非常少。US6221275 為美國 Argonne 國家實驗室團隊所提出，著重在熱傳導效應，以一階物理汽相蒸發合成，工作流體則限於低蒸氣壓之乙烯乙二醇(ethylene glycol)及幫浦油(pump oil)。奈米流體之合成製作技術可以分為一階合成(one step)和二階合成(two step)。其中一階合成為直接形成奈米粉末於工作流體中，一階合成技術主要著重在物理汽相合成法於低蒸氣壓之工作流體；二階合成為先形成奈米粉末，然後再分散於工作流體中，二階合成技術則著重於低濃度之陶瓷奈米粉末溶液，二階合成法較為單純，可以購買或是自行合成奈米粉體，然而需能控制粉體之品質，各種合成方法形成之奈米粉體對於奈米流體之性質影響很大。在後者方法中為達到穩定、持久的懸浮、低團聚現象與不具化學變化等特性[18]。

(65)

一般製作的有效解決方式有下列四點：

(1) 改變懸浮顆粒的酸鹼值

(2) 使用表面催化劑/分散劑 (3) 使用超音波震盪

(4) 使用高分子材料

奈米碳管碳分子與碳分子之間有凡得瓦爾力，而水中則有熱擾動力，熱擾動力可以使每個分子間有一定的距離，又因為分子中凡得瓦爾力是與分子質量成正比，所以當熱擾動力比凡得瓦爾力還要小時，

碳分子和碳分子之間的凡得瓦爾力比熱擾動力還要大時，則碳分子容易地聚合在一起，最後到達比重比水還重時，於是就沉澱了，且奈米碳管具有疏水性特質。

阿拉伯膠最早應用在墨汁製作，添加阿拉伯膠於墨汁裡 ,達到懸浮效果防止碳粉的沉澱。原因在於阿拉伯膠是一個天然的水溶性乳化劑(一種可以使溶質均勻分散在溶液之中的化學劑)。而阿拉伯膠為水溶性膠體，在水溶液具有高度的可溶解性。阿拉伯膠的溶解性強，

可以溶解到 50% 的濃度，黏稠性低，經常用於乳化、界面活化、安定泡沫、表面亮光液。

(66)

利用阿拉伯膠非極性端(親油端)包覆在同樣為非極性的碳分子上，其實凡得瓦爾力並不會消失的，只是包覆於碳分子外形，阻隔奈米碳管聚合。極性端(親水端)則與水分子結合，達到分散效果。

在本實驗中，所調製的奈米碳管懸浮液，採用的是二階合成法，

所購買的奈米碳管，為東元奈米應材股份有限公司生產的多壁奈米碳管(MWCT)，規格如表 4-5-1 所示。首先將奈米碳管使用微量電子天平秤取0.008 g 的多壁碳奈管置入 9.056 g 的乙二醇溶劑試管中，由於多壁碳奈管的分子量無從確定，無法得知多壁碳奈管的莫耳濃度[49]，因 此實用上將莫耳濃度 C 改為質量濃度（g/cm^３），其定義如下：

溶劑體積溶質質量

= C

再將試管放置超音波震盪器，水浴震盪時間設定為 1 小時，若超音波水浴震盪的時間過久，易造成溶液中的多壁奈米碳管，發生聚集的現象。結束1 小時的震盪混合後，再將溶液靜置 20 分鐘，在進行超音波水浴震盪 1 小時，以此類推，步驟重複三次。將阿拉伯膠加入裝有去離子水的燒杯，再以電磁加熱攪拌器混合成阿拉伯膠水溶液，添

(67)

間為 1 小時。隨後將超音波水浴震盪過的奈米碳管乙二醇溶液，倒入在阿拉伯膠水溶液，添加酞酸鹽PH4.01 標準液，調整奈米碳管懸浮液 PH 值，攪拌混合時間為 3 小時，成品如圖 4-5-1 所示。利用白光顯微鏡 800x 放大倍率觀察奈米碳管於水溶液分散情形，圖 4-5-2 所示。可由圖中看出，奈米碳管有部分團聚現象，不能說完整均勻分散，但整體看來，添加阿拉伯膠可使得流體中的奈米碳管有達到分散效果，並且削弱因凡德瓦力所產生的團聚現象。

表 4-4-1 多壁奈米碳管規格表

MWNT/MWNC >80%

Amorphous Carbon <20%

Metallic Impurity 0%(no catalyst) Outside Diameter 15～20 nm

Inside Diameter 3～5 nm

Length 5 ≦ um

(68)

圖 4-4-1 奈米碳管懸浮液

(69)

4.5 實驗流程

4.5.1 平板式熱管尺寸規格

本研究之平板式熱管容器由三部分組成，如圖4-6-1及圖4-6-2所示。分別為上、下蓋板及中間框架等三層。各層均使用純度99%之銅板作為本體材料，平板式熱管尺寸為表4-6-1所示。

(70)

表4-5-1 平板式熱管尺寸

(71)

圖 4-5-1 平板式熱管構造示意圖

圖 4-5-2 平板式熱管製成品

(72)

4.5.2 平板式熱管清潔

本實驗中，平板式熱管工件清洗，採用超音波清洗機來震盪清潔。

將工件浸入含適當化學藥品之燒杯內，利用藥劑之化學洗淨力及超音波清洗機之音波震盪來達到清潔工件之目的；將工件材料放入肥皂水中，以超音波震盪15 分鐘清洗處理。再以去離子水浸泡清洗工件表面肥皂泡沫後，置入丙酮溶劑中20 分鐘震盪清潔，目的在於增加其脫脂之能力。隨後利用乙醇溶劑清洗附著工件表面丙酮溶劑，再以去離子水超音波震盪15 分鐘清洗處理。放入高溫烘乾機前，需將附著工件上的水漬擦拭乾淨，再放入設定溫度75℃的高溫烘乾機腔室內烘乾。

4.5.3

^{平板式熱管工件組合}

如圖4-6-3 所示，平板式熱管(上、中、下三層)、軟銅管(2 條)、六角螺絲(8 支)。加工方式是用乙炔燒熔錫條，將軟銅管牢牢接固於平板式熱管中間框架出入口兩端，乙炔乃是一種燃料氣體，由碳及氫所構成，分子式為 C₂H₂，與氧氣共燃即生成氧－乙炔火焰，由於乙炔是高溫火焰，其高溫可達 3482℃。內焰心約 2759～3480℃，外焰中心約 2093℃，外焰端約 1260℃。過高的火焰溫度及過長的加熱時間，可能會影響以銅板材料加工製作之平板式熱管幾何尺寸，盡量避免此情況

(73)

發生。隨後將上、下蓋板及中間框架等三層組合起來，以螺絲接合，

並以扭力板手鎖緊固定。組合完成之平板式熱管，如圖4-6-4 所示。

圖 4-5-3 平板式熱管零件組

圖 4-5-4 組合完成之平板式熱管

(74)

4.5.4

腔體抽真空、充填及封裝

填充工作流體之前，需將容器內的空氣抽出，因此抽氣與填充之程序需要特殊裝置才能同時完成，為此本實驗利用一個三通閥門的T型填充管路，以連接真空泵之負壓氣瓶、填充裝置及平板式熱管本體，

其中三通閥門可以使任兩通道相通、完全封閉或完全相通，該裝置如圖4-5-5所示。

圖 4-5-5 抽真空、充填及封裝示意圖

平板式熱管腔室抽真空、填充及封裝步驟如下：

(1) 將注入口三通閥門關閉，打開真空幫浦三通閥門，並啟動真空幫浦。

(2) 待負壓計的真空度小於24 Torr，關閉真空幫浦三通閥門，此時根據真空錶的讀數是否改變，可確定該管路有無洩漏。

崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程 系 碩 士 論 文