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奈米流體應用於熱管之熱傳分析Effect of Nanofluid on Heat Pipe Thermal Performance摘要本研究以銀奈米流體為工作流體，充填於寬211m×深217m的溝槽式圓形熱管中，奈米流體其銀顆粒粒徑為10nm和35nm，所使用的濃度範圍從1(mg/l) 到100(mg/l)。在實驗中量測熱管的溫度分佈狀態並計算其熱阻，並和充填純水之結果作比較。冷凝端由水冷套件及溫度設定在40之恆溫水槽所組成。在相同充填率下，由充填奈米流體熱管的溫度分佈顯示，在加熱功率3060W下，其平均熱阻比充填純水減少30%75%。此外熱阻會隨著銀奈米流體顆粒粒徑的增大與濃度的增加而降低。關鍵字： 奈米流體，熱管，熱阻AbstractNanofluid is employed as working medium for conventional 211µm width×217µm depth grooved circular heat pipe. The nanofluid used in this study is an aqueous solution of 10nm and 35nm diameter silver nanoparticles. The experiment was performed to measure temperature distribution and compare thermal resistance of heat pipe with nanofluid and with DI-water. The tested concentrations of nanoparticles range from 1mg/l to 100mg/l. The condenser section of the heat pipe was attached to a heat sink, which was cooled by water supplied from a constant temperature bath maintained at 40.At a same charge volume, the measured temperature distribution of nanofluid filled heat pipe have demonstrated that the thermal resistance decreases 30%75% compare to DI-water case at input power of 3060W. The measured results also show that the thermal resistances of heat pipe decrease as an increase of the size and the concentrations of silver nanoparticles.Keywords: nanofluid, heat pipe目錄1. 前言52. 實驗架設63. 實驗測試結果83.1 相同的粒徑，不同的濃度下之影響93.2不同的粒徑，相同的濃度下之影響103.3 不同粒徑、不同濃度的影響.114. 結論114.1 相同的粒徑，不同的濃度下.114.2 不同的粒徑，相同的濃度下.124.3 不同粒徑、不同濃度的影響.125. 參考文獻.13圖目錄:圖一 銀奈米流體TEM圖.6圖二 流體脫氣封入之示意圖.7圖三 實驗設備示意圖8圖四 熱電耦線位置示意圖8圖五 粒徑10nm下不同的濃度之各點平均溫度.9圖六 粒徑35nm下不同的濃度之各點平均溫度.9圖七 加熱功率50W下濃度1ppm之各點溫度分佈.10圖八 加熱功率60W下濃度5ppm之各點溫度分佈.10圖九 加熱功率60W下濃度50ppm之各點溫度分佈10圖十 加熱功率60W下濃度100ppm之各點溫度分佈.11圖十一 不同奈米流體濃度與粒徑對熱管效能之影響.11圖十二 10nm和35nm在濃度50ppm之熱阻.12表目錄:表一 熱管之規格.6表二 銀奈米流體之規格.71. 前言由於科技的進步，電子產品的電子的電路元件也跟著微小化，因此在單位面積的電積體也隨之倍增。以目前個人電腦來講通常發熱最大的單位是處理器，而現在發熱功率最高的CPU為Intel Pentium4 3.8GHz，其工作發熱瓦數為115瓦【1】，工作溫度為75左右。在如此高的發熱瓦數及工作溫度下，通常CPU表面的熱通量並非均勻分佈，會有熱點的現象產生，因而熱應力的不均而導致CPU損壞機會增加，壽命也相繼減少，因此必需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，而電子散熱方面就顯得特別重要，而以目前一般的鰭片與風扇結合的散熱模組已漸漸不符合在一些高功率的電子設備中使用。其散熱模組裝置也朝著快速散熱、微小化及的高功率輸出的趨勢發展，而熱管就是其中之一。熱管是藉由管內工作液體的相變化傳輸熱量，其熱傳效率是空冷的50倍左右，熱傳係數也相對的高。在一般傳統熱管的工作流體通常為純水（Pure Water）或去離子水（DI-Water），但純水或去離子水的熱傳導性質及熱傳效率，其效果是非常有限的。因此有人在研究及實驗中嘗試著把毫米或微米的金屬顆粒或粉末加入工作流體，使流體中有懸浮的金屬顆粒或粉末來增加熱傳效益。但這些微米及毫米的粉末或顆粒不但沒有增加熱傳效果反而會在管內快速移動，侵蝕管壁及阻塞管壁的毛細結構，造成管子內的壓力下降無法使熱管作動，而這些缺點也限制住固-液流體在工業上的應用，但由於奈米科技的進步，奈米粉末的出現，可以使得我們將固-液流體在工業上使用一個新的機會，希望能夠克服毫米及微米顆粒及粉末在熱管中的缺點，而被廣泛的應用在熱傳效益部分。將奈米粉末混入到液體中，我們稱之為奈米流體(nanofluid)【2】，而奈米流體有許多優越的特性，尤其在熱傳部分，希望藉由奈米流體對熱傳的優越特性應用於熱管中，使其熱傳效益提升至另一個境界。從1995年開始就有Choi等，利用不同的實驗方式，來測出奈米流體的熱傳導係數之研究，其中大部分奈米流體的熱傳導係數都有顯著的提昇【3】【6】。Eastman 等，提出四個機制來解釋奈米流體的熱傳機制，並且提到奈米流體在微流道(micro-channel)內特別容易有沉澱及堵塞的現象【7】。2003年，S. M. You等，研究奈米流體在池沸騰時奈米粉末對臨界熱通量 (critical heat flux, CHF) 的影響；研究發現奈米流體的臨界熱通量約是水的3倍【8】。2004年，Seok-ho Rhi等，將銀奈米流體充填到二相迴路式熱虹式熱管（TLT），在實驗結果中顯示0.005%到0.01%銀奈米流體的熱傳現象是純水5.5倍，而且時效性長達8天【9】。同年C. Y. Tsaia等，使用金奈米流體(Gold nanoparticles in nanofluid)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較純水充填之熱管熱阻明顯減少許多。此外，研究中指出在不同的金奈米粉末所混合的奈米流體，對熱管熱阻有著不同的影響。並利用奈米流體改善圓形熱管的熱傳現象，在實驗結果中充填金奈米流體的銅網式熱管其熱阻比去離子水減少30%【10】。2. 實驗架設本實驗所採用熱管之規格如表1所示。本實驗所充填工作流體種類包括純水及銀奈米流體這兩種溶液。而實驗所採用銀奈米流體為台灣台圓公司所提供的，它是將真空蒸鍍法所產生的銀奈米顆粒直接和水加以調配而成的奈米流體。其TEM圖為圖1所示。所採用流體之規格如表2所示。在充填流體方面，首先量測尚未充填熱管之重量，之後充入計算之充填量再以微量天秤稱所注入之量是否有誤差。表一 熱管之規格長度(mm)直徑(mm)毛細結構2006溝槽 (a)平均粒徑10 nm (b)平均粒徑35 nm圖一 銀奈米流體TEM圖表二 銀奈米流體之規格粒徑(nm)濃度(ppm) (mg/l)1015105010035151050100作動流體往容器的脫氣封入法是依作業流體處置的難易度而選擇，選擇的基準是流體狀態在作業環境溫度為氣體、液體或固體對作業者的危險度等。實驗為在奇鋐科技股份有限公司進行抽氣封入之動作，實驗步驟為將已注入工作流體之熱管夾持在機台上，開始抽真空至2×10-2 torr；完成抽真空後，夾持模具以夾持力為50公斤重將熱管夾扁，之後將上方剪斷並做焊接完成熱管中段作業程序，如圖2所示。圖二 流體脫氣封入之示意圖實驗機台的設計是參考熱管製作廠商的測試機台並加以改良，實驗模組的架設主要分成實驗機台和溫度擷取這兩個部分，在實驗機台的部份主要是由下列設備所架構起來。如圖3所示。本次實驗是針對溝槽式（groove）熱管，充填不同之奈米顆粒及不同的濃度，在不同的加熱瓦數下，測試對熱管的性能之引響，控制實驗參數。熱管性能測試為水冷式。實驗步驟如下：1. 先將熱管置入於冷凝端，尾端並露出1mm。將T-type熱電偶線貼附於熱管上，貼上五點位置分別為距熱管頭端15mm及尾端10mm處、熱管長度中點處、加熱端出口處及冷凝趨前端處，如圖4所示。在將冷凝端機台往前推至定位，使加熱端部分置入於兩個組合式銅塊內，並蓋上電木箱蓋子，防止熱散失。2. 開啟恆溫水槽加溫至40，在開啟電源供應器，調到電流與電壓值相乘為30W的加熱瓦數，在開啟電腦及溫度擷取器，並開始觀察熱管各點溫度分佈狀態。 3. 當溫度平衡到達一段時間，記錄各點溫度。並開始加熱下一個瓦數，直到加熱到某一瓦數下使熱管發生(dry out)的現象。4. 若溫度曲線有突然翹起或是上下震盪起伏，表示熱管發生燒乾（dry out）現象，這時將發生燒乾（dry out）熱管換下。換上新的熱管，並重複1、2、3實驗步驟。在依據測試上所得之各點溫度數據計算其熱阻。一般熱管之熱阻RHP（oK/W），亦即加熱部與冷卻部的表面溫差為T（oK）時，可得多少熱輸送量Q（W），其公式表示如下： (2.1) 其中，R：熱阻，/W 。 Q：加熱瓦數，W 。此熱阻值愈小時，輸送熱量愈多；即效能越好。圖三 實驗設備示意圖圖四 熱電耦線位置示意圖3. 實驗測試結果本次實驗是利用銀-奈米流體的熱傳特性，觀察充填銀-奈米流體在不同粒徑下(10nm、35nm)及不同濃度下(1ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm)之溝槽式熱管，在本實驗模組下所能到達的加熱功率，及各點的溫度分佈狀態，並和只有充填純水之溝槽式熱管作比較，並加以討論濃度與溫度及加熱功率之關係。3.1 相同的粒徑，不同的濃度下之影響在這個實驗參數條件下，觀察粒徑10nm之實驗結果。在加熱瓦數30W至60W的狀態下，濃度為5ppm的各點平均溫度都比濃度1ppm還要高，濃度50ppm和100ppm各點的平均溫度非常接近甚至有互相重疊，在40W和60W的所顯示的結果明顯表現出濃度50ppm的各點平均溫度還是比100ppm低。在純水(Pure Water)的各點平均溫度分佈狀態，實驗顯示的結果，都比充填奈米流體的溫度還要高。如圖5所示。在粒徑35nm顯示之實驗結果，如圖6所示。其顯示之結果和粒徑10nm是一樣的，都是濃度50ppm的各點平均溫度都比濃度100ppm的低，但在濃度1ppm的時候，其加熱功率只能到50W，到60W時其溫度無法平衡至某一溫度，發生熱管燒乾的現象。圖五 粒徑10nm下不同的濃度之各點平均溫度圖六 粒徑35nm下不同的濃度之各點平均溫度3.2不同的粒徑，相同的濃度下之影響在各個濃度下粒徑10nm和35nm之奈米流體，其平均溫差都非常的接近，平均溫差都在0.1-0.3之間，所以充填粒徑10nm和35nm奈米流體的效果，在溝槽式熱管並不顯著。但和充填純水之熱管比較，在加熱瓦數60W下濃度50、60ppm其平均溫差結果為1.5。如圖7、8、9、10所示。圖七 加熱功率50W下濃度1ppm之各點溫度分佈圖八 加熱功率60W下濃度5ppm之各點溫度分佈圖九 加熱功率60W下濃度50ppm之各點溫度分佈圖十 加熱功率60W下濃度100ppm之各點溫度分佈3.3 不同粒徑、不同濃度的影響觀察在顆粒及濃度都為不同的影響下，利用實驗數據的交叉比對，以position 1的位置為基準點，可以發現數據的曲線圖呈現出在濃度5ppm平均溫度為最高，而濃度50ppm的平均溫度為最低點，濃度100ppm以後開始呈現趨勢平緩和上升。而粒徑35nm和10nm在各濃度下（1ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm）兩者的平均溫差是非常接近的。如圖11、所示。圖十一 不同奈米流體濃度與粒徑對熱管效能之影響4. 結論本實驗是利用長度200mm、直徑6mm溝槽式熱管，充填10nm和35nm不同粒徑及不同濃度(1、5、10、50、100ppm)的銀-奈米流體，在溫度及所能到達的加熱功率上作實驗，並和純水(Pure Water)作比較。更進一步去探討濃度、粒徑及加熱瓦數間的關係。經由前面的實驗結果，可以從三方面探討其關係和所產生的結果。4.1 相同的粒徑，不同的濃度下在粒徑10nm和35nm下其各濃度各位置的平均溫度，兩者都有相同的趨勢。在各加熱瓦數兩種粒徑的濃度在5ppm所呈現出來的各點平均溫度都比濃度1ppm來的高，其它濃度的各點平均溫度依序為10ppm、50ppm、100ppm，但濃度50ppm和100ppm溫度的差距經非常的小，範圍在0.10.2之間。可以從這個實驗結果的得知，充填奈米流體比充填水的溝槽式熱管效果好4.2 不同的粒徑，相同的濃度下在此情況下，可以看到兩種的粒徑在各濃度和各加熱瓦數下，粒徑之間的溫度差異實在不大，粒徑在溝槽式熱管中之影響並沒有因顆粒的大小造成明顯的溫度差，或可以增加其加熱功率，可能是熱管的品質直接蓋過奈米流體影響，或者是顆粒的團聚造成流體的效果不彰。4.3 不同粒徑、不同濃度的影響將實驗數據交叉比對下，在不同的粒徑和濃濃度下，濃度和溫度呈現出相對的關係，在這裡可以看到各加熱瓦數下，濃度5ppm和1ppm在位置Position 1的平均溫度非常的接近。到了濃度50ppm的平均溫度變成最低點，到了100ppm以後平均溫度沒有減少，曲線反而有上升或平緩。這代表著濃度到了一個極限以後不會促使溝槽式熱管溫度再降低，反而有可能造成流體阻塞熱管，造成管內壓力下降無法使熱管作動。由實驗結果計算得知，粒徑35nm之熱阻在各濃度下所表現出來的結果都比粒徑10nm下的熱阻低。濃度50ppm為最佳作動濃度，並經由計算得知充填10nm和35nm的溝槽式熱管之平均熱阻，至少比純水減少30%。最低熱阻在粒徑35nm，加熱功率為40W時，其減少熱阻為75%。其熱阻和加熱功率關係，如圖12所示。圖十二 10nm和35nm在濃度50ppm之熱阻5. 參考文獻1. .tw.2. 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