臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用微機電製程中的黃光微影技術配合十二烷硫醇表面改質技術，製作出表面自由能梯度的表面。不同表面自由能梯度表面的冷凝板，配合本研究所設計的冷凝實驗系統，探討各種冷凝板之熱傳效率。本研究目的為利用表面自由能梯度具有驅動液滴的機制，以達到提升冷凝熱傳的效率。並以理論推導出液滴在垂直表面上移動前的最大尺寸。
本研究使用矽晶片(wafer)作為冷凝板之基材，在矽晶片表面上製作出不同的黃金梯度表面，經過十二烷硫醇改質後，便能產生各種不同表面自由能梯度的冷凝板。上述之梯度冷凝板及親、疏水均質的冷凝板經過本研究所設計之冷凝系統量測其熱通量後，發現梯度表面中具有比較好熱傳效率的冷凝板，會比全親水表面冷凝板的熱傳效果約高出10％，表示本研究所設計之梯度表面對於冷凝熱傳量的確有提升的效果。在均質冷凝板的部份，疏水表面會比親水表面有較好的熱傳效果，且冷凝腔體中的壓力不會影響此結果。液滴移動前最大尺寸的理論推導結果，與本實驗所觀察到的結果相近，也顯示出表面張力能有效影響液滴移動的範圍。藉由此研究的結果，相信對於未來冷凝熱傳的領域能有所幫助。

This research studies the improvement of condensation heat transfer efficiency on a free energy gradient condensation surface. Different from previous studies, the condensation surface is fabricated by using photolithography technique, as well as 1-Dodecaneethoil self-assembly monolayer (SAM) surface modification technique. To test gradient condensation surface, a vertical condensation system is designed in this study. Different gradient condensation surfaces, as well hydrophilic and hydrophobic surfaces, are investigated their condensation heat transfer efficiency by directly measuring the heat flux in the system. Experimental results find that the gradient condensation surface with contact angle gradient dθ/�}dx=? degree/mm has the best performance above all the surfaces. Its heat transfer efficiency can be 10% higher than the pure silicon hydrophilic surface. The mechanism for the optimal contact angle gradient is also studied by both theoretical and experimental methods. A theoretical analysis is performed to estimate the minimum droplet size that can move on a vertical gradient surface. It finds a good agreement between the theoretical prediction and the experimental results. This verifies the theoretical model can well explain the physics behind the current research. Based on the theoretical model, a length scale L, defined as where r, �� and g represent the liquid surface tension coefficient, liquid density and gravity, is found. When the gradient surface length scale C is much higher than the length scale L, the system can be considered as an only gravity driven system. Droplet size that will move on the vertical surface is controlled by the balance between the gravity force and contact angle hysteresis force. When the length scale C of the gradient surface is smaller than the length scale L, the surface tension gradient driven force start to show effects. It is found that C=1mm gradient surface can cause smaller droplets to moveand it is believed this is the major mechanism responsible for the better heat transfer effiency.

中文摘要……………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………………Ⅱ
誌謝…………………………………………………………………………Ⅳ
目錄…………………………………………………………………………Ⅴ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅸ
第一章 序論
1-1前言………………………………………………………………………1
1-2 研究動機與目的………………………………………………………2
1-3 文獻回顧………………………………………………………………4
1-3.1.1 液滴成核…………………………………………………………4
1-3.1.2 液滴移動機制……………………………………………………7
1-3.2 表面改質技術………………………………………………………8
1-3.2.1 均質表面改質技術………………………………………………8
1-3.2.2 梯度表面改質技術………………………………………………10
第二章 原理分析
2-1 表面溼潤度的定義……………………………………………………19
2-1.1 接觸角的定義………………………………………………………19
2-1.2影響接觸角之因子…………………………………………………19
2-2 冷凝理論介紹…………………………………………………………22
2-2.1 蒸氣成核理論………………………………………………………22
2-2.2 冷凝的形式…………………………………………………………26
2-3 液滴移動理論…………………………………………………………27
2-3.1 液滴移動前之理論分析……………………………………………28
2-3.2 液滴移動後之理論分析……………………………………………29
2-4冷凝過程之熱傳機制…………………………………………………30
2-4.1考慮影響垂直冷凝板冷凝效率的機制……………………………31
第三章 冷凝板製作方法與設計
3-1 表面改質方法…………………………………………………………37
3-2冷凝板基材的選擇……………………………………………………39
3-3表面改質冷凝板設計…………………………………………………40
3-3.1均質表面冷凝板……………………………………………………41
3-3.2梯度表面冷凝板……………………………………………………41
3-3.2.1利用面積比的概念定義親疏水複合區域………………………41
3-3.2.2梯度表面的設計…………………………………………………44
3-3.3陣列(array)表面的設計…………………………………………46
3-4冷凝板梯度表面製作過程……………………………………………47
3-5接觸角量測儀器………………………………………………………53
第四章 冷凝熱傳實驗方法與設計
4-1 蒸氣冷凝系統實驗設計………………………………………………63
4-2 蒸氣冷凝系統製作……………………………………………………64
4-3 蒸氣冷凝系統之熱通量量測…………………………………………65
4-4 實驗量測儀器…………………………………………………………67
第五章 結果與討論
5-1 十二烷硫醇對黃金表面改質的結果…………………………………73
5-2 各種冷凝板冷凝現象之實驗觀察……………………………………74
5-2.1 均質表面冷凝板……………………………………………………75
5-2.2 梯度表面冷凝板……………………………………………………78
5-2.3 陣列(array)表面冷凝板…………………………………………80
5-3各種冷凝板熱傳實驗結果與討論……………………………………82
5-3.1 均質表面冷凝板實驗結果…………………………………………83
5-3.2 梯度表面冷凝板實驗結果…………………………………………88
5-3.3 陣列(array)表面之冷凝板實驗結果……………………………91
5-4液滴在梯度表面上移動前之理論探討………………………………95
5-4.1 梯度表面上考慮重力之最大停滯液滴理論推導…………………95
第六章 結論與未來工作
6-1結論……………………………………………………………………123
6-2未來工作………………………………………………………………124
參考文獻…………………………………………………………………125
附錄A………………………………………………………………………128
圖1.1 水蒸氣在親水表面冷凝後產生的膜式冷凝………………………14
圖1.2 水蒸氣在疏水表面冷凝產生的滴式冷凝…………………………14
圖1.3(a) 液滴在化學梯度表面…………………………………………15
圖1.3(b) 液滴在溫度梯度表面…………………………………………15
圖1.4表面之間 的影響………………………………………………15
圖1.5 SU-8-50厚膜光阻材質的小圓柱表面……………………………16
圖1.6 陽極處理的方式……………………………………………………16
圖1.7 蒸鍍擴散機構………………………………………………………17
圖1.8 溶劑擴散機構………………………………………………………17
圖1.9 周波電漿法…………………………………………………………18
圖1.10 光蝕刻法…………………………………………………………18
圖2.1 液滴與固體表面之接觸情形………………………………………33
圖2.2 Wenzel液滴模型……………………………………………………33
圖2.3 Cassie液滴模型……………………………………………………33
圖2.4過飽合度與表面接觸角之關係圖…………………………………34
圖2.5（a）液滴之前進接觸角示意圖……………………………………35
圖2.5（b）液滴之後退接觸角示意圖……………………………………35
圖2.6 液滴在梯度表面上…………………………………………………35
圖2.7 和 定義的示意圖……………………………………………36
圖3.1(a)黃金表面經過十二烷硫醇改質後的接觸角……………………54
圖3.1(b)將改質後的表面置於蒸氣環境下30分鐘之接觸角……………54
圖3.2 十二烷硫醇分子結構………………………………………………54
圖3.3(a)較厚冷凝板熱傳情形……………………………………………55
圖3.3(b)較薄冷凝板熱傳情形……………………………………………55
圖3.4(a)複合表面…………………………………………………………55
圖3.4(b)單位複合格點……………………………………………………55
圖3.5(a)液滴接觸面內具有較多的格點數的現象………………………56
圖3.5(b)液滴橫跨某單位格點會產生攤平的效果………………………56
圖3.6 固定s=30�慆，g值尺度對 和 的影響……………………56
圖3.7(a)梯度表面設計為許多小正方格點組成…………………………57
圖3.7(b)梯度表面上親疏水區域定義的情形……………………………57
圖3.8參數g之設定和面積比之間的關係………………………………58
圖3.9 梯度表面設計圖……………………………………………………59
圖3.10陣列(array)表面冷凝的設計圖…………………………………59
圖3.11 冷凝板製作過程示意圖…………………………………………60
圖3.12 蒸鍍機(E-beam) …………………………………………………61
圖3.13 接觸角量測儀First Ten Ångstroms FTA-125…………………62
圖4.1 2D冷凝系統設計圖…………………………………………………69
圖4.2 3D冷凝系統設計圖…………………………………………………69
圖4.3 冷凝系統壓克力板架構的實際尺寸圖……………………………70
圖4.4(a)冷凝系統的側視圖………………………………………………71
圖4.4(b)冷凝系統的等角視圖……………………………………………71
圖4.5 K-type熱電偶………………………………………………………72
圖4.6 McMillan Company Models 101-6 流量計………………………72
圖5.1(a)液滴在黃金表面上……………………………………………101
圖5.1(b)經過十二烷硫醇改質後的黃金表面…………………………101
圖5.2 表面梯度冷凝板接觸角的量測…………………………………101
圖5.3 CCD攝影機觀測冷凝板表面示意圖………………………………102
圖5.4 親水表面之模式冷凝……………………………………………102
圖5.5 親水表面之冷凝情況……………………………………………103
圖5.6 疏水表面之滴式冷凝……………………………………………104
圖5.7疏水表面上液滴合併情形A………………………………………104
圖5.8疏水表面上液滴合併情形B………………………………………105
圖5.9疏水表面上液滴移動情形…………………………………………105
圖5.10疏水表面上液滴冷凝巨觀下的情形……………………………106
圖5.11(a)橢圓虛線區域為負片法定義的部份…………………………107
圖5.11(b)冷凝實驗中發現橢圓虛線區域形成水膜的現象……………107
圖5.12梯度表面上液滴合併的情形……………………………………108
圖5.13梯度表面上液滴移動的情形……………………………………108
圖5.14不同C之梯度冷凝板上能夠停滯的最大液滴直徑……………109
圖5.15白色框框內發現液滴會產生在親水區的小圓點上……………110
圖5.16陣列表面液滴合併的情形………………………………………110
圖5.17陣列(array)表面及全疏水表面上液滴數量N和時間t的關係…………………………………………………………………………111
圖5.18親疏水表面之熱通量與冷卻水流率關係圖……………………112
圖5.19 親疏水表面之 與冷卻水流率關係圖……………………113
圖5.20親疏水表面之 與Nusselt number(Nu)關係圖…………114
圖5.21α參數定義為長方塊和水平線之間的夾角……………………115
圖5.22固定C=5mm而分別設計α=30°及60°兩種不同冷凝板，其熱通量和冷卻水流量的關係……………………………………………………116
圖5.23梯度表面和均質表面之冷凝板在不同冷卻水流率相對之熱通量的比較………………………………………………………………………117
圖5.24 梯度表面和均質表面之Nusselt number(Nu)的比較…………118
圖5.25 陣列(array)冷凝板表面與全疏水表面冷凝板之熱通量與冷卻水流率的比較關係…………………………………………………………119
圖5.26陣列(array)冷凝板表面與全疏水表面冷凝板之Nusselt number(Nu)與 溫度的比較關係……………………………………120
圖5.27梯度表面上能停滯之最大液滴半徑R和 之間的關係………121
圖5.28梯度表面上冷凝的過程…………………………………………122

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