第二章 實驗設備與實驗步驟
2.2 實驗設備
本實驗為 FC-72 混合可溶解氣體在狹窄矩形管道內的池沸騰熱 傳實驗分析，整個實驗系統由加熱系統、測試容器、除氣系統、加氣 系統、環控恆溫系統及數據擷取系統共六大部分組成，實驗設備配置 圖如圖 2-1 所示，圖 2-1(a) 為實驗設備示意圖，圖 2-1(b) 為實
驗設備實物。
2.2.1 加熱系統
本實驗所使用的加熱裝置如圖 2-2 所示，由絕熱電木、測試片 (銅片)、電加熱片以及絕熱基座組合而成。其詳細結構如圖 2-3 所 示。銅片的面積為 10 mm × 10 mm，厚度為 2 mm，而銅片的加工程 序依序為：(1)先用機器加工出所要的測試銅片外形；(2)再做機械式 的表面拋光；(3)利用砂紙做細微的表面處理，先用 1600 號砂紙將 表面作均勻加工，再利用 2000 號砂紙做表面拋光，最後用 3000 號 砂紙作最後的拋光，使得到一光滑的表面。在距離銅片底面 1 mm處，
埋設兩根 T-type 的熱電偶。熱電偶量測得的溫度 Ti 須以傅立葉 (Fourier)一維熱傳導定律修正為測試片表面溫度 Tw，其修正方程式 如下
kA T QL
Tw = i − (2.1)
其中 L 為熱電偶到測試表面的距離，Ti 為兩根熱電偶測得溫度的平 均值。
測試片是以鑲嵌的方式，將其鑲嵌到一絕熱電木中，如圖 2-4 所示，使測試片的側邊周圍為絕熱，因為實驗主要是量測表面的熱傳 量，所以要將其他表面做絕熱減少熱損失。電木尺寸為 50 mm × 30 mm
× 2 mm，其熱傳導係數相當低( 0.23 W/mk)，具良好的絕熱效果。
加熱片為面積10 mm × 10 mm的鎳鉻絲電阻片，為配合測試片大 小所設計，如圖 2-5 所示。加熱電源由一最大功率可達 150 W的直 流電源供應器所提供，如圖 2-6 所示，供應輸出電壓範圍為 0 至 30 伏特，電流則為 0 至 5 安培。
加熱片下方的基座為一大小為 50 mm × 30 mm × 20 mm的鐵氟龍，
其熱傳導係數極低( 0.35 W/m．K)，因此可以減少加熱片的熱損失。
在鐵氟龍下方挖有一面積 13 mm × 13 mm，深度為 1 mm的凹槽，並 塗以耐熱膠 Omegabond 600(熱傳導係數為 1.4 W/m．K，最高承受工 作溫度為 1427 ℃)，主要是因為鐵氟龍無法承受太高的溫度，因此 耐熱膠可以用來保護鐵氟龍。
而整個加熱裝置則是利用塑膠螺絲將測試片、加熱片與鐵氟龍基 座緊密結合起來，最後再將檔板與加熱裝置組合，以得到實驗所需要 的測試段。
2.2.2 測試段
測試段為一狹窄矩形管道，如圖 2-7 所示，利用三塊壓克力擋 板與加熱片基底所組成。測試片為 10 mm × 10 mm的銅片，利用三種 不同角度的不鏽鋼基座使加熱面與水平夾角分別為 0°、45°、90°三
個方向，間隙大小分別為 3 mm、2 mm、1 mm及 0.5 mm，利用兩端的 壓克力擋板可以控制測試片與上方平板的間隙大小。
2.2.3 測試容器
測試容器為一內徑 30 cm、壁厚 3 mm、高 20 cm的不鏽鋼容器，
如圖 2-8 所示，在前端及側端各裝有一直徑 10 cm、厚 10 mm的強 化石英玻璃，可在實驗進行中用來觀測內部的池沸騰現象，以及作拍 攝用。而容器上方的圓蓋及容器之間的接合部分，則利用一 Viton 的Ｏ形環放置其接合處，增加其接合處的緊密度，防止 FC-72 液體 的蒸發洩漏。測試容器中並置有二支電阻為 200 歐姆的 PT200 型電 阻式溫度感測器(RTD)，用來量測容器內部液相與氣相的溫度。另外 還置有一支電子式壓力感測器，壓力感測範圍為 1 至 4 個大氣壓 力，由一電源供應器供應直流電，當感應到壓力時則將訊號轉換成電 壓輸出(輸出電壓範圍在 1 至 5 伏特間)，經由校正曲線即可換算出 壓力，可以用來控制實驗時測試容器所需的壓力。此外，在測試容器 上方裝置有一冷凝盤管，也就是位於實驗中與氣相接觸的部分，冷凝 盤管與外側銜接至恆溫水槽，利用控制氣相的溫度來維持容器中的壓 力。
2.2.4 除氣系統
由於介電液 FC-72 在常溫常壓下對空氣的溶解度極高，為了實 驗的精準性，所以在做實驗之前必須做除氣的動作，以除去測試容器 中的不凝結氣體。首先，利用測試容器其外圍所加裝的電加熱絲，將 電加熱絲通以電流，使電加熱絲溫度上升，對測試容器加熱，直至 FC-72 產生沸騰，使加熱所產生的介電液蒸氣與空氣上升至冷凝器並 與冷卻系統做熱交換，介電液蒸氣被冷卻至飽和溫度以下將凝結為液 體並流回至測試容器，而空氣則利用排氣孔排出。介電液蒸氣在管道 中流動時，由於遠離加熱源，且 FC-72 在一大氣壓下的凝結溫度為 56.6 ℃，遠高於不凝結氣體(空氣)的凝結溫度，因此 FC-72 大部分 在冷凝器凝結成液體而流回至容器中，不凝結的空氣則從排氣孔排 出，雖然會有少量的 FC-72 隨著空氣被排出，但不致於影響容器中 FC-72 的含量。
2.2.5 加氣系統
加氣系統是由空氣瓶、冷凝盤管、恆溫水槽及一針閥所組成，如 圖 2-9 所示。實驗過程為了能控制加入氣體的量，而選擇使用針閥 以免空氣瓶壓力太大，利用針閥可開啟微小閥口的特點，警慎地控制 其開口而避免可溶解氣體(氮氣)加入的量超出所設定的值。實驗中利
用恆溫水槽以及冷凝盤管控制加入可溶解氣體的溫度，且用一 RTD 溫度計量測氣體溫度。加氣時要注意系統內溫度與壓力的變化，以控 制可溶解氣體加入的量。
2.2.6 環控恆溫系統
環控恆溫系統為一長 1 m、寬 0.7 m、高 2 m的 Ancer AS-15 環 控箱，其溫度控制範圍為 30 ℃至 120 ℃。將測試容器置於環控箱 中，控制環控箱的環境溫度，使得測試容器與環境達到實驗中所欲控 制的溫度平衡，讓系統能在穩定的狀態下進行實驗。環控箱如圖 2-10 所示。
2.2.7 恆溫水槽
在實驗中，利用 Ancer AR-15 恆溫水槽改變測試容器中冰水盤 管的溫度，藉此來控制測試容器中的氣相溫度以及壓力，使壓力維持 在所需的範圍之內，以確保實驗的準確性。恆溫水槽如圖 2-11 所示。
2.2.8 數據擷取系統
實驗中經由各感測器所量測得到的數據，是由一台 YOKOGAWA DA2500E 的數據擷取器所擷取，如圖 2-12 所示，並將其所擷取的數
據傳至一台 586 的個人電腦，數據經由轉換後在電腦中顯示出所量 測得到的讀數。DA2500E 可將所量測得到的溫度與壓力轉換成電壓，
再經 GPIP(IEEE488) 介面卡與電腦連接，由程式轉換後，在電腦螢 幕上顯示出測試片溫度、介電液溫度與測試容器中的壓力值等數據。
2.2.9 真空幫浦
已知可溶解氣體很容易溶解於介電液 FC-72 中，而這些溶解的 氣體會使得系統不穩定，尤其是起始沸騰時，即使在低於飽和溫度也 會有氣泡產生，所以在實驗開始之前，抽真空是絕對必要的步驟。
為了使一開始不凝結氣體的含量降至最低，所以利用真空幫浦先將測 試容器中的空氣抽出，才再灌入 FC-72 液體。本實驗所使用的真空 幫浦為 ULVAC的YTP-150M 型，是由油轉式幫浦(Oil Rotary Pump) 與渦輪分子幫浦(Turbomolecular pump)兩部分所組成，如圖 2-13 所示。前者為前置幫浦，除氣速度為每秒 100 升，而渦輪分子幫浦 除氣速度為每秒 160 至 190 升，將兩幫浦開啟後，使其對測試容器 抽真空至 10−5 torr為止。