第三章 實驗設備與實驗步驟
3.2 池沸騰實驗測試設備
本實驗為垂直狹窄矩形管道的池沸騰熱增強實驗，實驗系統可大致分
為加熱系統、測試容器、除氣系統、加氣系統、環控恆溫系統及數據擷取 系統六大部份，實驗設備如圖 3-1 所示，圖 3-1(a)為實驗設備示意圖，圖 3-1(b)為實驗設備實物。
3.2.1 加熱系統
本實驗所使用的加熱裝置如圖3-2所示，由測試片(銅片)、電加熱片、
絕熱覆板及絕熱基座所組成，其組合如圖3-3所示。測試銅片的大小為 10 mm × 10 mm，厚度為 2 mm，其加工程序為：(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，把不規則的表面做規則的加工，
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E-type的熱電偶，加 熱面的溫度則是由此兩根熱電偶的平均值。熱電偶量測得的溫度Ti須以傅
下
kA T QL Tw = i − 其中L 為熱電偶到測試表面的距離。
測試片是以鑲嵌的方式，將其鑲嵌到一絕熱覆板中，如圖 3-4 所示，
使測試片的側邊可以得到絕熱，因為實驗主要是以量測表面的熱傳量，所 以要將其他表面做絕熱。而覆板是由一50mm × 30mm × 2mm 的電木加工 而成，因為其熱傳導係數相當低，為0.23W / mK，具良好絕熱效果。
加熱片為面積 10mm × 10mm 的鎳鉻絲電阻片，為配合測試片大小所 設計，如圖3-5所示。加熱電源由一直流電源供應器所提供(如圖3-6所示)，
其最大功率可達150W，供應輸出電壓範圍為 0 至 30 伏特，電流為 0 至 5 安培。
加熱片下方的基座為鐵氟龍，其大小為 50mm × 30mm × 20mm，鐵氟 龍的熱傳導係數極低，約為0.35W/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13mm × 13mm，深度為 1mm 的凹槽，並塗以耐 熱膠 Omegabond 600，其熱傳導係數為 1.4W/m．K，最高工作溫度為 1427℃，而塗耐熱膠是因為鐵氟龍無法承受太高的溫度，因此耐熱膠可以 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組 合起來，最後再將檔板與加熱裝置組合，則得到實驗所需要的測試段。
3.2.2 測試段
測試段為一垂直狹窄矩形管道，如圖 3-7(a)(b)所示，利用三塊壓克力 擋板與加熱片基底所組成。測試片為10mm × 10mm 的銅片，加熱面為垂 直方向，間隙大小分別為3 mm、2 mm、1 mm 及 0.5 mm，利用壓克力擋 板可以控制間隙的大小。
3.2.3 測試容器
測試容器為一內徑 30cm、璧厚 3mm、高 20cm 的不鏽鋼容器，如圖 3-8所示，在前端及側端各裝有一直徑10cm、厚 10mm 的強化石英玻璃，
可在實驗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 型環放置其接合處，增
加其接合處的緊密度，防止FC-72 的洩漏。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，也就是實驗中氣相的部分，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。
3.2.4 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，所以在做實驗 之前必須做除氣的動作，以去除測試容器中的不凝結氣體。除氣是利用測 試容器在其外圍加裝一電加熱絲，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一冷卻系統做熱交換，將凝結後的液體送回至 測試容器，而空氣則排出。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，因此除氣動作就可以完成。
3.2.5 加氣系統
加氣系統是由空氣瓶及一組熱交換器所組成，熱交換器是作為空氣預 熱用，如圖3-9所示。在加入可溶解氣體至FC-72 之前，必須先將測試容 器中的溫度設定至所需的飽和溫度，再利用壓力控制所需加入的可溶解氣 體含量。
3.2.6 環控恆溫系統
環控恆溫系統為一長 1m、寬 0.7m、高 2m 的環控箱，溫度控制範圍 為30 至 120℃。將測試容器置於環控箱中，可以使測試容器中的溫度保持 穩定，而不受外界環境的影響而改變，使系統能在穩定的狀態下進行實
3.2.7 恆溫水槽
在實驗中，利用恆溫水槽來控制測試容器中的壓力，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3-11所示。
3.2.8 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 3-12 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 GB-IP 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。
3.2.9 真空幫浦
在將FC-72 灌至測試容器中之前，為了使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，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)所組成，如圖3-13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 10-3 torr 為止。