本研究的主要目的是為了增強自然對流下的熱傳行為，為了有效降低對流阻抗，實驗方法採用主動式EHD(electrohydrodynamics)技術配合被動式熱沈，產生電暈風並提升熱傳能力。本文分別以消耗電壓與耗能的觀點來探討電極設計性能的好壞，利用外加直流高壓電場，在施加電壓0∼18kV的實驗範圍內，對流係數最高可提升為自然對流時的4.5倍。實驗結果顯示負電暈有著比正電暈更小的門檻電壓，熱傳效果也優於正電暈。以電壓的觀點而言，不同的電極高度將有著不同的最佳電極密度，電極數目太少與散熱器的幾何干擾都會使得實際有效熱交換的面積受到限制；但若以EHD做功效率而言，電極太密或電極距離太近，也分別會因流場的渦流現象以及局部的流場擾動行為，使得熱交換效率不佳，降低熱傳效果。因此在設計電極時，必須在電壓以及消耗功率間尋求平衡點。

Heat transfer enhanced by electrohydrodynamics (EHD) is experimentally investigated in this work. The system of heat sinks with EHD can effectively increase the rate of heat transfer under natural convection due to the corona wind generated by EHD. The design of electrodes in the system of heat sinks with EHD is studied according to the required voltage and power consumption. The maximum heat transfer coefficient with EHD is greater than that without EHD by four and half times within the operating voltage range of 0 ~ 18kV. The results reveal that both the heat transfer rate and threshold voltage for negative corona are better than those for positive one. For a fixed voltage, the optimal density of electrodes depends on the height of electrode position. The area of heat removal for EHD will be limited by a small density of electrodes or the configuration of heat sinks. However, form the viewpoint of power consumption, the great density of electrodes will result in the flow recirculation and the local flow perturbation; thereby reduce the heat transfer rate. Both the voltage and power consumption must be considered in the design of EHD system.

目錄
目次 頁次
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 XI
第一章 序論 1
1-1前言 1
1-2 EHD應用簡介 3
1-3文獻回顧 4
1-3.1電暈風之相關文獻回顧 4
1-3.2 EHD應用於散熱方面之文獻回顧 5
第二章 原理簡介 11
2-1概論 11
2-2 EHD作用原理 12
2-3電暈現象 14
第三章 實驗設備及方法 23
3-1實驗設備與校正方法 23
3-1.1實驗測試系統 23
3-1.2熱電偶校正 25
3-2實驗與分析方法 25
3-2.1自然對流熱傳實驗與分析 25
3-2.2 EHD實驗與分析 30
第四章 實驗結果與討論 39
4-1自然對流校正實驗 39
4-2 EHD電壓的效應 42
4-2.1電場極性對熱傳性能的影響 42
4-2.2電極距離對熱傳性能的影響 44
4-2.3加熱瓦數對熱傳性能的影響 45
4-2.4電極排列形式對熱傳性能的綜合影響 45
4-3 電暈功率的效應 63
4-3.1電極距離與EHD消耗功率的關係 63
4-3.2電極排列形式與EHD消耗功率的關係 64
4-3.3加熱瓦數與EHD消耗功率的關係 64
4-4電暈電流與熱傳係數的關係 72
第五章 結論與未來發展 77
5-1 結論 77
5-2 未來發展方向 78
第六章 附錄 81
附錄一 熱面向上之金屬水平板相關自然對流文獻之整理 81
第七章 參考資料 82












圖目錄
目次 頁次
圖1 - 1 針狀電極(a)和線電極(b)產生的電暈氣流示意圖 10
圖2 - 1 不同極性之電暈放電發展至火花放電的過程 12
圖2 - 2 氣體在EHD技術之下的運動機制 16
圖2 - 3 正電暈現象示意圖 18
圖2 - 4 負電暈現象示意圖 19
圖3 - 1 鰭片 33
圖3 - 2 加熱片 33
圖3 - 3 電木座 33
圖3 - 4 電源供應器 33
圖3 - 5 校正設備之標準溫度計 33
圖3 - 6 記錄器 34
圖3 - 7 高壓產生器 34
圖3 - 8 校正設備之恆溫水槽 34
圖3 - 9 恆溫箱 34
圖3 - 10 熱電偶接點位置圖 34
圖3 - 11 線路接線示意圖 35
圖3 - 12 電極架設示意圖 36
圖3 - 13 實際電極架設圖 36
圖3 - 14 一號電極分佈圖( 4 needles) 37
圖3 - 15 二號電極分佈圖( 6 needles) 37
圖3 - 16 三號電極分佈圖(18 needles) 38
圖3 - 17 四號電極分佈圖(60 needles) 38
圖4 - 1 平板式鰭片於自然對流下之h - dT關係圖 41
圖4 - 2 平板式鰭片於自然對流下之Ra - Nu關係圖 41
圖4 - 3 一號電極，電極極性對EHD熱傳性能的影響 50
圖4 - 4 二號電極，電極極性對EHD熱傳性能的影響 50
圖4 - 5 三號電極，電極極性對EHD熱傳性能的影響 51
圖4 - 6 四號電極，電極極性對EHD熱傳性能的影響 51
圖4 - 7 電極距離對伏安特性曲線所造成的影響 52
圖4 - 8 四號電極正電暈非常近距離下的放電電壓-電流曲線 52
圖4 - 9 一號電極，電極距離對EHD熱傳性能的影響 53
圖4 - 10 二號電極，電極距離對EHD熱傳性能的影響 54
圖4 - 11 三號電極，電極距離對EHD熱傳性能的影響 55
圖4 - 12 四號電極，電極距離對EHD熱傳性能的影響 56
圖4 - 13 一號電極，熱傳增強倍數隨與發熱瓦數之變化 57
圖4 - 14 二號電極，熱傳增強倍數隨與發熱瓦數之變化 57
圖4 - 15 三號電極，熱傳增強倍數隨與發熱瓦數之變化 58
圖4 - 16 四號電極，熱傳增強倍數隨與發熱瓦數之變化 58
圖4 - 17 電極距離10mm，不同電極密度與熱傳性能的關係 59
圖4 - 18 電極距離35mm，不同電極密度與熱傳性能的關係 59
圖4 - 19 電極距離55mm，不同電極密度與熱傳性能的關係 60
圖4 - 20 電極排列形式與伏安曲線之關係 60
圖4 - 21固定電壓與電極距離，不同電極形式可能造成的流場現象 61
圖4 - 22固定距離，改變電壓，不同電極密度可能造成的流場現象 62
圖4 - 23固定電壓，改變距離，不同電極密度可能造成的流場現象 62
圖4 - 24 一號電極，電暈功率對熱傳性能的影響 66
圖4 - 25 二號電極，電暈功率對熱傳性能的影響 66
圖4 - 26 三號電極，電暈功率對熱傳性能的影響 67
圖4 - 27 四號電極，電暈功率對熱傳性能的影響 67
圖4 - 28 不同電極排列，電暈功率對熱傳性能的影響 68
圖4 - 29 一號電極，不同發熱瓦數，電暈功率對熱傳性能的影響 69
圖4 - 30 二號電極，不同發熱瓦數，電暈功率對熱傳性能的影響 69
圖4 - 31 三號電極，不同發熱瓦數，電暈功率對熱傳性能的影響 70
圖4 - 32 四號電極，不同發熱瓦數，電暈功率對熱傳性能的影響 70
圖4 - 33 發熱瓦數(溫度)與伏安曲線之關係 71
圖4 - 34 一號電極，電暈電流與熱傳性能的關係 73
圖4 - 35 二號電極，電暈電流與熱傳性能的關係 74
圖4 - 36 三號電極，電暈電流與熱傳性能的關係 75
圖4 - 37 四號電極，電暈電流與熱傳性能的關係 76















表目錄
表4.1 熱面向上之金屬水平板相關自然對流文獻之整理 81

1. 范盛然，『低溫環境下鰭片結霜研究』，碩士論文，動力機械工程學系，國立清華大學 (2003).
2. Senftleben H., “Die Einwirkung Electrischer Und Magnetischer Felder auf das Warmeleitvermogen Von Gasen,” phys, Z.S., V.32, N.14 (1931).
3. Stuetzer, O. M., “Ion Drag Pressure Generation,” Journal of Applied Physics, V. 30, N. 7, pp. 984-994 (1959).
4. Robinson, M., “Movement of Air in the Electric Wind of the Corona Discharge,” Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, V. 80, pp. 143-150 (1961).
5. McDonald, J.R., Smith W.B. and Spencer H.W., “A Mathematical Model for Calculating Electrical Conditions in Wire-Duct Electrostatic Precipitation Devices,” Journal of Applied Physics, V. 48, N. 6, pp2231-2243 (1977).
6. Yabe, A., Y. Mori and K. Hijikata, “EHD Study of the Corona Wind between Wire and Plate Electrodes,” AIAA Journal, V. 16, N. 4, pp. 340-345 (1978).
7. Bonder, H., and F. Bastien, “Effect of Neutral Fluid Velocity on Direct Conversion from Electrical to Fluid Kinetic Energy in an Electro-Fluid-Dynamics (EFD) Drive,” Journal of Physics D: Applied Physics, V. 19, pp. 1657-1663 (1986).
8. Lai, F. C. and Sharma R.K., “EHD-Enhanced Drying with Multiple Needle Electrode,” Journal of Electrostatics, V. 63, pp.223-237 (2005).
9. Marco, S. M. and H. R. Velkoff, “Effect of Electrostatic Fields on Free Convection Heat Transfer from Flat Plate,” ASME Paper, N. 63-HT-9
10. O’Brien, R. J. and A. J. Shine, “Some Effects of an Electric Field on Heat Transfer From a Vertical Plate in Free Convection,” Journal of Heat Transfer, V. 89, pp. 114-116 (1967).
11. Franke, M. E., “Effect of Vortices Induced by Corona Discharge on Free-Convection Heat Transfer From a Vertical Plate,” Journal of Heat Transfer, V. 91, pp. 427-433 (1969).
12. Mitchell, A. S. and L. E. Williams, “Heat Transfer by the Corona Wind Impinging on a Plate Surface,” Journal of Electrostatics, V. 5, pp. 309-324 (1978).
13. Ohadi, M. M., D. A. Nelson and S. Zia, “Heat Transfer Enhancement of Laminar and Turbulent Pipe Flow via Corona Discharge,” International Journal of Heat and Mass Transfer, V. 34, pp. 1175-1184 (1991).
14. Franke, M. E. and L. E. Hogue, “Electrostatic Cooling of a Horizontal Cylinder,” ASME Journal of Heat and Mass Transfer, V. 34, pp. 544-548 (1991).
15. Owsenek, B. L., J. Seyed-Yagoobi and R. H. Page, “Experimental Investigation of Corona Wind Heat Transfer Enhancement with a Heated Horizontal Flat Plate,” Journal of Heat Transfer, V. 119, pp. 309-315 (1995).
16. Owsenek, B. L. and J. Seyed-Yagoobi, “Theoretical and Experimental Study of Electrohydrodynamic Heat Transfer Enhancement through Wire-Plate Corona Discharge,” Journal of Heat Transfer, V. 119, pp. 604-610 (1997).
17. Kalman, H. and E. Sher, “Enhancement of Heat Transfer by Means of a Corona Wind Created by a Wire Electrode and Confined Wings Assembly,” Applied Thermal Engineering, V. 21, pp. 265-282 (2001).
18. 黃政德，『以EHD技術增加LED散熱效率之研究』，碩士論文，動力機械工程學系，國立清華大學 (2004).
19. Bhattacharyya, S. and A. Peterson, “Corona Wind-Augmented Natural Convection – Part 1: Single Electrode Studies,” Journal of Enhancement Heat Transfer, V. 9, pp. 209-219 (2002).
20. Nelson, D. A. and E. J. Shaughnessy, “Electric Field Effects on Natural Convection in Enclosures,” ASME Journal of Heat Transfer, V. 108, pp. 749-75 (1986).
21. Ohadi, M. M., J. Darabi and B. Roget, “Electrode Design, Fabrication, and Materials Science for EHD-Enhanced Heat and Mass Transfer,” Annual Review of Heat Transfer, V. 10, Begell House, Inc.
22. Kasayapanand, N. and T. Kiatsiriroat, “EHD Enhance Heat Transfer in Wavy Channel,” International Communications in Heat and Mass Transfer, V. 32, pp.809-821 (2005).
23. Ledezma, G. and A. Bejan, “Heat Sinks With Sloped Plate Fins in Natural and Forced Convection,” International Journal of Heat and Mass Transfer, V. 39, pp. 1773-1783 (1996).
24. Konuma, M., Film Deposition by Plasma Techniques, Spring-Verlag, Berlin Heidelberg (1992).
25. Raizer, Y. P., “Gas Discharge Physics,” Springer-Verlag (1991).
26. Xu Guozhong, “An Experimental Investigation of Bipolar Corona Discharge,” Journal of Electrostatics, V38, pp.337-343 (1996).
27. Junhong, C., "Direct-Current Corona Enhanced Chemical Reactions", Phd Thesis, University of Minnesota, USA, (August 2002).
28. Zografos , A. I. and J. E. Sunderland, “Natural Convection from Pin Fin Arrays,” Experimental Thermal and Fluid Science, v. 3, pp. 440-449 (1990).
29. Roth, J. R., “Industrial Plasma Engineering,” V.1: Principles, IOP Publishing Ltd, Bristol and Philadelphia (1995).
30. Chang, J. R., P. A. Lawless and T. Yamamoto, “Corona Discharge Processes,” IEEE Transactions on Plasma Science, V.19, N.6, pp.1152-1166 (1991).
31. Stark, R. H. and K. H. Schoenbach, “Direct current high-pressure golw discharges,” Journal of Applied Physics, V.85, N.4, pp.2075-2080 (1995).
32. Fishenden, M. and O. A. Saunders, “An Introduction to Heat Transfer,” Clarendon Press, Oxford, pp.89-90 (1950).
33. Bosworth, R. L. C., “Heat Transfer Phenomena,” John Wiley, New York (1952).
34. Al-Arabi, M. and M. K. El-Riedy, “Natural Convection Heat Transfer From Isothermal Horizontal Plates of Different Shapes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, V.19, pp.1399-1404 (1974) .
35. Radiziemska, E. and W. M. Lewandowski, “The Effect of Plate Size on the National Convective Heat Transfer Intensity of Horizontal Surfaces,” Heat Transfer Engineering, V.26, pp.50-53 (2005).