Abstract
微通道內的沸騰熱傳與對應的雙相流壓降對於冷凍機械、微熱管、微制動器或噴墨印表機等設計至為重要，更是最近幾年一個相當受人注目的研究課題 。文獻中的研究顯示，微通道中沸騰現象的確存在著與一般通道不同的物理機制。然而，相關文獻並沒有一致的見解，也缺乏通用的理論說明或預測微通道內的沸騰熱傳現象。所以仍然需要許多相關研究，來探討在微通道之中雙相流和沸騰熱傳的物理機制。單管矽質微通道沸騰熱傳實驗環路應用MEMS中的體型細微加工技術，在矽質基底(Silicon base)設計微通道，其通道線寬由20 ~ 100μm，通道長度為28 mm，通道長度扣除接管和加熱器隔熱部分，得到加熱區域為20 mm。微通道可藉由控制製程來製作不同大小的水力直徑，並利用非等向性蝕刻特性，在（100）晶圓上產生出梯形與等腰三角形的通道，已知在微通道之中可有高密度熱傳表面特性，並結合相變化的高移熱特性，在半導體元件中直接加入移熱元件，以解決高溫及提高系統穩定性。本研究藉由控制加熱功率和工作流體流量，來量測其進口壓力和進出口的溫度變化，並利用高速攝影機搭配顯微鏡頭來拍攝矽質微通道中的流動型態、流體相變化的轉換機制及氣泡成核等現象，藉以深入探討單管矽質微通道中相變化的熱傳行為及諸多基本現象。研究結果顯示，在微通道入口區可清楚地觀察到氣泡成核，成長及其相互作用。研究結果同時也顯示質量流率對沸騰曲線並沒有明顯地效應，顯示沸騰為所謂的完全發展沸騰。由於通道內主要的流譜為長泰勒氣泡流與環狀流，微液膜的蒸發可能是微通道沸騰的主要熱傳機制。微通道內的液膜非常薄，液膜內應不易發展出紊流；因此，流量對沸騰曲線沒有明顯地效應，此與大通道明顯地不同。微通道內的壓降亦是一個重要的研究課題並且在分析方面應該考慮飽和溫度與相對相應壓降的變化。研究結果顯示，在單相區域，壓降隨溫度的上升而下降，這是液體的黏度隨溫度上升而減少的緣故。沸騰起始後，微通道壓降因為空泡分率的增加而明顯地隨溫度的增加而陡升。同時也發現在高加熱功率的情況下，單管微通道的系統可能呈現雙相流不穩定現象。其可能的原因為在高加熱功率下，氣泡因為侷限於微通道內，但因受熱加速向軸向成長膨脹，形成氣泡後退推擠的現象，進而產生流動型態之不穩定性。本文的最後將所有的研究結果作歸納與整理，將用來研究探討氣泡動力學（Bubble Dynamics）。本研究希望用合理的試誤法來試著找出氣泡脫離尺寸與第一個沸騰起始點和我們已知的熱力學範疇中的參變數，例如：加熱功率、質量流率，水的蒸發熱，水的氣液密度、、、等，有無任何關係式。因為本研究假設微通道內微液膜的蒸發應為主要的熱傳模式，故可用理論推導出的氣泡動力學程式來預測氣泡脫離後，再微通道流動時，氣泡成長的速率。以上所提有關微通道內沸騰熱傳與雙相流的研究中氣泡動力學的探討，是先前的研究告中所沒有深入探討的部分。