呂錫民
隨著電子器具的普及發展，加上元件功率的不斷提升，相關熱管理已從空氣進化到液體，其中奈米流體的高效率尤受矚目。本文探討奈米流體在電子冷卻上的應用，從基本原理、熱力學選擇、市場趨勢到價格探討等議題逐一介紹，最後文章探討未來研發方向及有待克服的挑戰。
前言
近年來，電子設備電力需求穩步成長，隨著增長趨勢的向上，熱管理解決方案必須採取更為強化的措施，以力求性能保持與設備平均故障率的降低。目前已有許多介質用於高功率電子設備冷卻，包括從空氣到液體等各種不同冷卻劑。雖然空氣冷卻一直是常用的機制，但當高功率電子設備單位耗能超過300-520 W/cm2時，液體冷卻已經後來居上，成為必要的措施。
這幾年來，液體冷卻系統更進一步替代方案紛紛出籠，包括在冷卻劑中添加奈米顆粒，形成所謂的奈米流體（Nanofluid）。利用工程原理，在液體中均勻懸浮奈米顆粒，是一種已知的奈米創新技術。分散在基液中的奈米顆粒，通常使用金屬或金屬氧化物，大小在1-100奈米之間。當懸浮在基液中時，奈米顆粒產生的膠體溶液，證明可以消除早期使用較大顆粒的問題，當時傳統液固混合物易有侵蝕、沉澱、堵塞等現象。奈米顆粒在基液中的分散，改變整個流體的熱物理性質，例如提高導熱率。當使用奈米顆粒時，研究人員發現，單相液冷系統的熱傳率提高了20％。
本文將綜合介紹奈米顆粒及奈米流體，包括基本原理、應用術語、工程師選擇標準、價格、趨勢、挑戰、結論。
1. 奈米流體組合物
奈米流體基本上由奈米顆粒(Nanoparticle)和基液(Base Fluid)兩種成分組成。常用的奈米顆粒材質，包括：金屬、金屬氧化物、碳化物、奈米碳管。常見的基液則有：水、乙二醇、油。奈米顆粒混合在基液中會產生膠體(Colloid)，如圖一所示。在基液中添加奈米顆粒，可以增強生成奈米流體的導熱性和黏稠性。增強的程度取決於各種因素，如添加顆粒體積占比和形狀。增強的驅動力來自幾種微觀現象，包括顆粒動態效應、奈米顆粒表面上的液體分層、顆粒群聚。
2. 奈米流體的成本
奈米流體成本取決於基液和奈米顆粒的價格。如果奈米顆粒難以合成，或者穩定膠體懸浮液難以產生，則整體成本會增加。表一列出各種奈米顆粒的價格，其中基液為水。實際上，奈米流體導熱率與奈米顆粒導熱率具有正相關性。也就是說，具有較高導熱率的奈米顆粒，能夠提供整個奈米流體較高的導熱效果。
圖一、奈米顆粒在基液（奈米流體）中的膠體分散
表一、各種奈米顆粒的特性與價格
市場和應用
奈米流體的幾個重要市場及應用如下：
(1) 熱傳功能增強
電力系統（核能和常規）；熱交換器（化學工業）；熱管；電力電子和其他半導體熱管理；空調；製冷系統
(2) 質傳功能增強
發酵；蛋白質/細胞分離；藥物輸送；催化劑
(3) 流變(Rheology)
潤滑劑（深孔鑽削）
(4) 磁性奈米流體（鐵磁流體）
旋轉密封；癌症治療（體溫過高）；核磁共振成像；磁性細胞分選
從熱力學角度選擇合適的奈米流體
在單相熱傳情況下，經由傳統關係式和模型，熱傳係數與壓力損失量可被預測，其中層流和擾流熱傳係數，可分別由方程式(1)、(2)求得，只要透過溫度量測和負載情況，可知奈米流體的物理特性。
其中hnf是奈米流體的熱對流係數；knf、μnf、ρnf、cp, nf分別是奈米流體的導熱係數、黏度、密度、比熱；V為流體速度；x是距離管子入口的距離；D為管子直徑。很顯然，如果得到特定奈米流體熱物理性質上的精確數值，我們可以正確預測奈米流體的---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。