第 3.1 節 模型製作與測試
本論文的實務製作（如圖3.1 與圖 3.2 所示）係利用自我提供的電能驅 動風扇，藉由強制對流效應予以強迫排除密閉車廂內的積熱。節制高溫裝 置再配合外型設計與裝設位置，讓高溫空氣藉由自然對流(natural convection) 效果，自然的導流到散熱器的頂罩，將高溫空氣適度的排出車廂外。本論 文同時運用水與酒精調配成瞬間冷卻劑，由噴霧器噴出來後就形成細小的 霧狀水滴，小水滴迅速在車內蒸發。而此種冷卻劑的運用原理，就是當液 體蒸發時，它的分子須由附近吸收蒸發熱，因此可使周圍空氣迅速的降溫。
汽車車廂節制高溫裝置熱傳遞原理，如圖 3.3 所示。
本論文的主要設計理念，就是將熾熱的太陽輻射「荼毒」轉化成有效 的能量，可供散熱器內部風扇與噴霧器使用，達到電力自主的目的。本論 文的主要組成機構包含：太陽能板、機殼、對流熱散逸以及蒸發熱散逸等 系統，如圖 3.4 所示。各單元所包含的元件及裝配位置，如圖 3.5 所示。太 陽能、機殼、對流熱散逸以及蒸發熱散逸等系統的功能，茲說明如後：
§3.1.1 太陽能系統
本論文之核心－太陽能系統主要包括：軟式薄膜太陽能板及太陽能控 制器，軟式薄膜太陽能板採用非晶矽薄膜材料，在太陽光照射下便能輕鬆
擁有電力，重量極輕，體積越大效能越高。太陽能板設計覆蓋在曲面的頂 罩上方，故採用可捲曲的軟式電板，使用可防水、抗腐蝕、抗紫外線的材 質製造。此外，本太陽能板另須搭配充電控制器，以便用來保護蓄電池，
避免源自太陽能電池板的能量對蓄電池過度充電，及負載運行造成的過度 放電；控制器具有防逆電流裝置及直流電力輸出。
軟式薄膜太陽能板之操作電壓與電流分別為 15.4V、200mA、太陽能板 之尺寸 325mm 長×270mm 寬×1.1mm 高、光學面積 300mm 長×240mm 寬、
重量為 94.5g。充電控制器之額定充電電流 10A、額定負載電流 10A、工作 電壓 12/24V、充電方式為 PWM 脈寬調制(pulse-width modulation)、最大尺 寸 140mm 長×90mm 寬×28mm 高。在本系統中另搭配電池容置盒與數位電
兩片及後面一片等三片壁面，在壁面具有細長型換氣孔(ventilated slot)，以 供高溫空氣由汽車車廂節制高溫裝置散逸至外界。
機殼之頂罩藉由特定的機翼外形(wing layout)設計（採用 NACA68014 機翼上半部曲線），如圖 3.6 所示。流線的外型設計，使本論文裝配在車頂 上，在行車時具有低風阻的效應；在停車遇雨時，雨水會順勢滑落。機殼 係運用熱傳遞的基本自然對流原理，將密度較小的高溫空氣導入罩體；在 底罩側邊及後方設有通氣槽，可使熱空氣導出車外。
機殼採用棕褐色透明壓克力(acrylic)製成，可阻絕來自外界的紅外線，
對安裝在機殼內部的元件具有阻隔輻射熱的作用。製作機殼的壓克力厚度 5mm、最大尺寸 540mm 長×300mm 寬×108mm 高。流線翼形設計可使舖設 面積增加約 8%，可舖設軟式太陽能板的面積達到 7.776×102m2。
§3.1.3 對流熱散逸系統
對流熱散逸系統主要是仰賴硬體的風扇(fan)與底殼，分別形成強制對 流與自然對流效應，另搭配溫度控制器使溫度達到設定值即啟動風扇，以 達到熱散逸(heat dissipation)的目的。風扇利用軟式薄膜太陽能板所供應的 電力驅動抽風扇，透過風扇的運作將熱氣向外抽取，或反向運作而將冷空 氣往內吹送，再藉由頂罩特殊的設計功能，故可將車廂內積蓄的熱氣向外 排除。
本論文採用二個磁浮馬達之風扇，額定電壓 12VDC、額定速率 2800rpm
±15%、額定功率 1.1W、空氣流率 23CFM、尺寸 70mm 長×70mm 寬×15mm 高。風扇之靜壓(static pressure)與空氣流率(airflow)之關係圖，如圖 3.7 所 示；風扇之樣式則如圖 3.8 所示。
§3.1.4 蒸發熱散逸系統
蒸發熱散逸系統主要的核心元件為噴霧器(atomized sprayer)，另搭配有 溫度控制器(temperature controller)，當實驗箱內的溫度達到設定值時，即會 啟動噴霧器而噴灑冷卻劑，達到迅速降溫的目的。噴霧器係採用定溫控制 長×140mm 寬×95mm 高。經改裝後的噴霧器，可由溫度控制器完全控制噴 出時機。
圖 3.10 為本論文的電路接線圖，溫度控制器是為了防止汽車室內溫度 過高，當車內溫度達到某設定值時，溫控器會啟動負載散熱，此系統開始 運作，同時驅動風扇及啟動噴霧器。在太陽能電池系統運轉時，太陽能板
將吸收到的熱能轉為電能儲存至電池，當電池電量超過負荷能量，此電壓 控制迴路開始導通。此外，本系列接裝一個負載極微小的防逆蕭基二極體 (Schottky diode)，用以防止蓄電池內的電流逆流回到太陽能板，故可有效的 保護太陽能板。
§3.1.5 實驗測試系統
為驗證汽車車廂節制高溫裝置的預期性能，本論文模型採用的實驗方 法，係以封閉的實驗箱（長600mm×寬 450mm×高 450mm）控制環境狀態，
以便獲得實驗數據的可靠性(reliability)。箱體等分為二個隔離室，其中一個
（隔離室 1）完全模擬在太陽輻射狀況下的汽車車廂，另一個（隔離室 2）
則加裝本論文模型，藉以預估加裝散熱器的預期效果。藉由電源供應器 (power supply)提供鹵素燈(halogen lamp)電能；在二個隔離室各裝設一盞功 率 150W、電壓 110V 之鹵素燈，藉由電源供應器之調節而用以模擬太陽光 的照射狀態。
實驗利用熱電偶(thermocouple)及數位式溫度計(digital thermometer)，用 以擷取環境狀態與實驗模型的溫度。本論文的實驗設備及組裝情形，如圖 3.11 所示；數位式溫度計(TM-946)為記錄型四視窗顯示，溫度計樣式如圖 3.12 所示。
第 3.2 節 實驗步驟
實驗首先將溫度感測器安置在溫度量測點位置上，並與電腦連結準備 記錄實驗數據，然後將節制車箱高溫裝置安裝在實驗箱體上方，並調節室 內空調的外界溫度(ambient temperature)Ta變動量儘可能減低。設定各系統 啟動溫度，接著開啟鹵素燈；當實驗開始啟動後，利用電源供應器開始提 供鹵素燈電能做為加熱源，模擬太陽光照射到汽車使車廂迅速升溫的狀 況。在此同時，電腦開始記錄實驗數據；當實驗箱體內溫度到達系統設定 溫度之後，啟動風扇開始進行強制對流散熱，待隔離室箱體內溫度達到穩 定狀態(steady state)，實驗即可結束。
本論文詳細的實驗步驟，依程序臚列如下：
有關本論文實驗所考慮的參數，在第一部分為對流熱散逸的影響要
表3.2 對流熱散逸之外界溫度測量值
表3.4 蒸發熱散逸之外界溫度測量值
第 3.3 節 節制高溫裝置的熱傳遞原理
§3.3.1 對流熱散逸
包括氣態與液態的流體(fluid)中，高溫區的分子藉由碰撞方式將能量傳 給 低 能 量 分 子 ， 此 一 傳 遞 熱 量 的 方 式 ， 即 為 通 稱 的 熱 對 流(thermal convection)。若流體運動是藉由溫度差(temperature difference)所造成的密 度變化，以所產生的浮力來帶動，稱為自然對流(free convection)；若是藉 由外在的動力驅動流體運動（譬如加裝風扇），讓熱量藉以排除散逸，則 稱為強制對流(forced convection)。
對流傳遞包兩個機構，除了藉由混亂運動(chaotic motion)擴散之外，還 有流體之整體或巨觀(macroscope)的運動－意即在任意瞬間，大量分子同時 移動。在溫度梯度(temperature gradient)存在的情況下，這些運動將會造成 能量的傳遞。根據牛頓冷卻定律(Newton’s law of cooling)可將對流熱通量 (convective heat flux)
q
"conv表示成)
（W/m2K）為外界空氣的對流係數(convection coefficient)或稱對流熱傳係數 (convective heat-transfer coefficient)，典型的 h 值隨著對流的形態有很大的差 別，如表 3.5 所列。
表 3.5 典型的對流係數 間通過的空氣體積為準，通常採用每分鐘立方呎(cubic feet per minute, CFM) 為單位；有些風扇效能則是使用空氣速率(air speed)為單位。CFM 值顯然要 比空氣速率的測量更具有意義，因為 CFM 值考慮到風扇的尺寸。例如，一 個 120mm¯120mm 風扇的冷卻效果絕對比 50mm¯50mm 風扇要好，甚至 在相同的空氣速率情況下亦然。
§3.3.2 蒸發熱散逸
蒸發熱散逸或稱蒸發冷卻(evaporative cooling)是一種強力又經濟之冷 卻方式，譬如在悶熱天氣沖水會涼爽之感覺，是因為水分蒸發後蒸汽離開 所致；另外將酒精擦在手臂上，同樣會有涼快的感覺，亦為蒸發冷卻的另 一例。蒸發熱散逸的主要原理，是當空氣與水分接觸時，空氣會吸收水分，
吸收水分之程度視空氣中存在之相對濕度(relative humidity)φ 而定。
相對濕度是指氣體中，水氣的分壓除以飽和蒸氣壓的百分比率；意即絕 對濕度(absolute humidity)Ψ與最高濕度Ψmax之間的比；Ψ與Ψmax的單位一
般採用g/m3。隨着溫度的增高，空氣中可含的水分就越多，也就是在同樣
式中 Pv與Pv,sat分別表示蒸汽壓與飽和蒸汽壓(saturation vapor pressure)，單 位通常使用帕斯卡(Pascal, Pa)。當相對濕度愈低，則空氣之載水分容量愈 大，亦即可蒸發的水量愈大；也就是說，相對濕度愈低時，蒸發冷卻系統 愈能降低環境的溫度。
若欲使水分蒸發必須供給熱量，此種物理性質稱為汽化熱(heat of evaporation)L。其定義為：在標準大氣壓(1atm=101.325kPa)狀況下，使質量 m為 1莫耳的物質，在其沸點(boiling point)蒸發所需要的熱量Q，描述方程 式表示為
m
= Q
L
(3.3)汽化熱的常用單位為千焦耳/莫耳(kJ/kmol)或千焦/千克(kJ/kg)。水的汽化熱 為 40.8kJ/kmol，相當於 2260kJ/kg。一般使水在其沸點蒸發所需要的熱量，
相當五倍於等量水從 1℃加熱到 100℃所需要的熱量。通常水的溫度對於冷 卻效果的影響並不顯著，根據資料顯示，將 1 加侖(gallon)、10℃的水灑在 溫度 32℃的地面，可產生 9,000BTU(British Thermal Unit，英熱單位)的冷卻 效果；然而將1 加侖、32℃之水灑在溫度 32℃的地面，將可產生 8,700BTU
的冷卻效果，二者僅有3%之差異。據此可知，在使用水簾式的降溫系統（俗 稱水牆）時，為何循環水並不經過冷卻處理的原因所在。
本論文直接將水蒸發到空氣中形成蒸發冷卻，用以降低實驗箱的空氣 溫度。為達到此目的所使用之方式為噴霧器(atomized sprayer)。使用噴霧器 時，目的在產生小水滴，並在蒸發時將熱量從空氣中去除。欲使蒸發冷卻 系統發揮最大功效，首先儘可能使最大量的空氣與提供之水分接觸。故在 使用噴霧器時，必須要使噴霧器所產生之霧狀顆粒。在未掉落到地面前就 能夠蒸發，因此霧狀顆粒應該愈小愈好。慣用的霧狀顆粒分類，經常以體
本論文直接將水蒸發到空氣中形成蒸發冷卻，用以降低實驗箱的空氣 溫度。為達到此目的所使用之方式為噴霧器(atomized sprayer)。使用噴霧器 時，目的在產生小水滴，並在蒸發時將熱量從空氣中去除。欲使蒸發冷卻 系統發揮最大功效，首先儘可能使最大量的空氣與提供之水分接觸。故在 使用噴霧器時，必須要使噴霧器所產生之霧狀顆粒。在未掉落到地面前就 能夠蒸發，因此霧狀顆粒應該愈小愈好。慣用的霧狀顆粒分類，經常以體