利用MEMS技术设计微型毛细泵吸环路.pdfVIP

第十届全国热管会议论文集 利用 MEMS 技术设计微型毛细泵吸环路 张立楷 王士文 林唯耕 清华大学工程与系统科学系，新竹 TEL:+886-3-5715131 Ext 42664 E-mail:wklin@ess.nthu.edu.tw 摘要：近年来在微流体应用当中，由于微机电系统制程上的精进，利用缩小微流道尺寸，使流体藉 由毛细力来带动整个系统循环，达到被动式运作的目的。在这些采用自然力的被动式微流体系统中，探 讨其液气接口或液固接口间表现的行为是主要的重点。本研究主要针对微型毛细泵吸环路(Micro-CPL) 之蒸发区做肋骨微流道设计，此蒸发区同时可应用于微型甲醇燃料电池（Micro-DMFC）之反应区当中。 上述两个系统要能正常运作，流体必须先克服阶梯障碍，使流体能顺利带进蒸发区。之后当液体受热产 生蒸气时，蒸发区产生之背压回推液体，期望藉由前端肋骨结构密集排列设计，利用毛细力或渐缩渐扩 (Nozzle-Diffuser)效应阻挡其回推。最后蒸气产生处留一空间(Chamber)，使其能往蒸气流道方向带出。 本实验设计一大小为 6mm×5mm之蒸发区结构，针对前端不同深度所产生的深宽比(Aspect Ratio)差异， 对其液体流进蒸发区速度，抵抗气体回冲能力，以及布满蒸发区时间做比较分析。 1 前言 随着电子组件以及微机电系统装置越做越小，晶体管的密度相对的就越来越密集，而这些微电子组 件所产生的热量往往是以倍数成长，要如何解决散热的问题将是未来必需克服的一道难题。同时考虑到 成本和重量的问题，加上要保持产品的稳定性和可靠度，在封装上必须尽可能的越作越小，因此微型冷 却器的研发，将有助于在这方面的发展。 微型毛细泵吸环路(Micro-CPL) 的优势在于其利用液气间的双相变化来达到移热的目的，移热效率 远比用单相热对流方式来得大。细泵吸环路(Capillary Pumped Loop)的研究最早开始于1961年，由Laub 和McGinness研究双相热控制系统，不过只对蒸发器的毛细泵送做初步测试，之后在1966年，整个测试 环路在美国NASA Lewis Reseach Center 由F.J. Stenger[1]所开发出来，主要运用在军事或太空工业的散热 方面，能解800W的热量超过50呎。而微型毛细泵吸环路(Micro-Capillary Pumped Loop)的初步模型首先 U.C.Berkeley 的Kirshberg[2][3]等教授在1999年和2000年提出，利用微机电技术(MEMS)，在硅晶圆上以 由 深反应式离子蚀刻(DRIE)制程蚀刻出不同区域的组件，制作出微型毛细泵吸环路( μCPL) 。 2-1. 微型毛细泵吸环路工作原理 微型毛细泵吸环路( μCPL)为一利用工作流体表面张力驱动之移热装置，藉由相变化方式达到传递 热量的效果。其结构包含吸热的蒸发区(Evaporator)、放热的冷凝区(Condenser)加上毛细结构、传输蒸 气的蒸气线(Vapor Line)和传输一体的液体线(Liquid Line)、以及储存及填充工作流体的储槽(Reservoir) 组成，为一直接驱动之被动式冷却系统。如图 2.1 所示： 如图 2.1 所示，热量由蒸发区进入，液体在蒸发区(Evaporator)受热后在气室(Chamber)地方形成蒸 311 第十届全国热管会议论文集 气，蒸气压推动蒸气往右经由蒸气线(Vapor Line)传送至冷凝区(Condenser)将热量移除，冷凝成液体后 靠液气界面间的表面张力将液体经由液体线(Liquid Line)带进蒸发区，完成一循环回路。蒸发区受热后， 相变化所释放的潜热能有效冷却蒸发区域，在温差范围很小的情况下，带走几百瓦以上的热量。 Condenser Pyrex 7740 glass Chamber Reservoi