大華科技大學
機電工程研究所
碩士論文
車用空氣品質監測與淨化裝置之研發
Development of Monitoring and Purification Device
in Vehicle for Air Quality
研 究 生：林啟昌
指導教授：杜鳳棋 博士
車用空氣品質監測與淨化裝置之研發
Development of Monitoring and Purification Device
in Vehicle for Air Quality
研究生：林啟昌 Student: Chi-Chang Lin
指導教授：杜鳳棋 博士 Advisor: Dr. Feng-Chyi Duh
大華科技大學 機電工程研究所
碩士論文
A Thesis
Department of Mechatronic Engineering Ta Hwa University of Science andTechnology
In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of
Master of Science In
Mechatronic Engineering May 2013
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
摘
要
本論文係提出一種車用空氣品質監測與淨化裝置，其係包括有電源供應單 元、導線迴路單元、空氣品質監測單元及空氣淨化處理單元。電源供應單元係 用以提供空氣品質監測單元及空氣淨化處理單元所須之電能，採用導線迴路單 元之撓性導線迴路做為電性連接；空氣品質監測單元係作為偵測車內空氣品 質，利用導線迴路單元之感測導線迴路做為訊號傳遞之用，將偵測訊號藉以控 制及空氣淨化處理單元之開啟與關閉。當偵測試結果發現有害空氣污染物含量 過高時，系統會依據有害空氣污染物（主要包括二氧化碳與一氧化碳）含量的 高低，對於駕駛發出警示，使駕駛人集中注意力；當偵測結果發現揮發性有機 化合物過高時，系統會依據揮發性有機化合物（主要包括甲醛和苯）的高低， 對於駕駛人發出警示，使駕駛人提高警覺心。當空氣污染物或揮發性有機化合 物持續未能改善時，空氣淨化處理單元會主動進行空氣淨化循環。此外，本研 發裝置亦可偵測車內之溫度與濕度，當達到設定值時，空氣淨化處理單元會主 動進行空氣淨化循環，藉以提升車內之空氣品質，進而確保行車安全。 關鍵字：空氣品質、空氣淨化、有害空氣污染物、揮發性有機化合物。ABSTRACT
This master’s thesis presents a kind of monitoring and purification device in vehicle for air quality, which includes power unit, electric cord unit, air quality monitoring unit, and air purification unit. The power unit of this device is used to supply power to air quality monitoring unit and air purifying unit, which uses flexible electric cord for connection. The air quality monitoring unit is used to detect the air quality in the vehicle; uses the detective wire circuit to deliver the signal and controls the air purification unit by the signal. The system of this device will alert and make the driver mindful based on content of hazardous air pollutants (carbon dioxide or carbon monoxide). When the device detects high level of volatile organic compound (formaldehyde or benzene), the system will alert the drivers and keep them focus on their way. Furthermore, the device can detect the air quality inside the vehicle. When one of the level of temperature or humidity is too high, the air purification unit will purify the air itself to improve the air quality inside the car, and also ensure the driver have a safety driving.
Keywords: Air quality, Air purification, Hazardous air pollutants, Volatile organic
誌
謝
本研究能完稿付梓，除感謝本校機電工程研究所之所有教授及老師諄諄教 導，亦感謝裕器工業股份有限公司徐福光董事長的勉勵，對於論文及課業之完 成受益匪淺，永誌不忘。 本研究係接續行政院國家科學委員會 NSC101-2622-E-233-002-CC3 計畫做 持續性的研究，感謝國科會先前的經費補助，俾能建置實驗設備，讓本論文得 以順利進行，特此申謝。 最後，我要藉此向我的家人表達崇高謝忱之意，沒有他們的鼓舞與支持就 不會有今天的成果，感恩與感謝盡在不言中。 林啟昌 謹誌目
錄
頁數 摘要 III 誌謝 V 目錄 VI 圖目錄 VIII 表目錄 X 符號及縮寫表 XI 第一章 緒論 01 第二章 研究目的 05 第2.1 節 車內空氣污染 06 第2.2 節 改善車內空氣品質之方式 12 第2.3 節 改善車內空氣品質之目標 16 第三章 研究方法 21 第3.1 節 設計製作 22 第3.2 節 可行性分析 28 第四章 結果與討論 33 第4.1 節 車內空氣品質的監測 34第4.2 節 車內空氣品質的改善 38 第4.3 節 車內空氣品質的測量 44 第五章 結論 50 第5.1 節 綜合歸納 51 第5.2 節 未來展望 52 參考文獻 56 著作 61 附錄 64 第 A.1 節 常用空氣清淨方法之原理 65 第 A.2 節 室內空氣品質建議值 70 第 A.3 節 室內空氣品質檢測儀器 72 第 A.4 節 實驗數據分析 77
圖目錄
頁數 圖2.1 汽車的空調系統元件 16 圖2.2 汽車的空調系統功能 16 圖3.1 本研發創作之運作示意圖 25 圖3.2 本研發創作之組合圖 25 圖3.3 本研發創作之之盒體分解圖 26 圖3.4 本研發創作之功能方塊圖 26 圖3.5 論文之進行步驟圖 27 圖3.6 可行性分析圖 31 圖4.1 改善車內空氣品質的方法 37 圖4.2 實驗用之 Mitsubishi Diamante 房車 37 圖4.3 Volvo 汽車 IAQS 系統（Ao, 2013） 42 圖4.4 本論文創作之內部元件照片 42 圖4.5 本創作之使用時效 43 圖4.6 本創作之價值定位圖 43 圖4.7 車窗全關閉駕駛座之車內空氣品質 48 圖4.8 車窗全關閉後座之車內空氣品質 48圖4.9 開一車門駕駛座之車內空氣品質 49 圖4.10 啟用清淨裝置駕駛座之車內空氣品質 49 圖5.1 本創作之實體照片 54 圖5.2 本創作榮獲金牌獎頒獎典禮 54 圖5.3 本論文創作之優勢評估雷達圖 55 圖A.1 臭氧之作用原理 68 圖A.2 負離子運作方式 69 圖A.3 光觸媒之作用原理 69 圖A.4 AQL-S500 攜帶型室內空氣品質偵測器照片 72 圖A.5 攜帶型室內空氣品質偵測器操作指引 72 圖A.6 操作模式之螢幕畫面 74 圖A.7 待機模式之螢幕畫面 74 圖A.8 進入 Main Menu 之螢幕畫面 75 圖A.9 進入 Monitor Setup 之螢幕畫面 75
表目錄
頁數 表2.1 車內空氣品質的標準值 11 表2.2 二氧化碳含量對人體的影響 20 表3.1 常見的八種車內揮發性有機物 31 表3.2 第二類公共場所的「室內空氣品質建議值」 32 表4.1 車內空氣品質的測量數據彙整表 47 表A.1 在幾種地方測量的正負離子數量 68 表A.2 環保署之室內空氣品質建議值 71符號
C2H4O 乙醛 Acetaldehyde ppm C3H4O 丙烯醛 Acrolein ppm C6H6 苯 Benzene ppm C7H8 甲苯 Toluene ppm C8H8 苯乙烯 Acetaldehyde ppm C8H10 乙苯 Ethylbenzene ppmCFM 每分鐘立方呎 Cubic Feet per Minute ft3/min CH2O 甲醛 Formaldehyde ppm
CO 一氧化碳 Carbon Monoxide ppm CO2 二氧化碳 Carbon Dioxide ppm
TVOC 總揮發性有機化合物 Total Volatile Organic Compound ppm VOC 揮發性有機化合物 Volatile Organic Compound ppm T 溫度 Temperature ℃
t 時間 Time s
希臘字母
炎炎夏日，上車後緊閉車窗再打開空調，這是大部分駕駛的習慣選擇；凜 凜寒冬，上車後緊閉車窗再打開空調，這也是大部分駕駛的必然選擇。然而， 在狹小封閉的車廂空間內，空氣的混濁程度往往超乎我們想像，空氣中不僅有 各種污染物，也含有一些有毒化學物，這些混雜了多種有害氣體的“毒氣”，讓駕 駛與乘員的身體健康造成極嚴重的危害。 由於絕大多數的駕駛人，行車時多半是開空調、緊閉車窗，同時將空調設 定在車內循環，車廂內的氧氣含量會處於遞減的狀態；萬一遇到大塞車而降低 車速時，更不可能開窗來換氣，否則車陣中的一氧化碳可能會趁隙而入，易致 車內氧氣逐漸不足。倘若只開汽車內部空氣循環，反而會讓乘客排放的二氧化 碳排不出去，導致空氣品質(Air Quality)變得更差；當空氣中氧氣低於21%以下 會使腦部昏沉（空氣主要由78%的氮氣、21%氧氣、還有許多稀有氣體和雜質組 成的混合物），產生打瞌睡或精神不濟的現象而造成車禍危險。 許多駕駛人會習慣開啟「空氣循環系統」或開啟冷氣，如此將會關閉通風 口，雖然可避免吸入車外汙濁的空氣，然而根據香港「明報」委託對計程車之 車廂空氣品質的測試發現（大紀元，2001），通風口一旦關閉，司機及乘客排 放的二氧化碳在車廂內就循環不息，根本無法排出車外，只需3至13分鐘，車內 的二氧化碳量便可達到3000ppm的警戒值，令人疲累且精神不集中，駕車人士更 容易發生意外。
空氣品質的淨化目標，通常可參酌美國冷凍空調協會(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE)對於通風標準 的設定：室內每人需要的外氣量大約是15~20CFM(Cubic Feet per Minute)，並建 議二氧化 碳濃度值不應超 過1000ppm（行政院環保署，2012）。對於甲醛 (Formaldehyde, HCHO)而言，當室內空氣中甲醛濃度在0.24~0.55mg/m3時，有40% 的女性會發生月經不規則的症狀；甲醛的濃度在2~3ppm，鼻、咽及氣管就會有 灼熱、刺激的感覺；50~100ppm以上會造成人體嚴重傷害，甚至引起肺水腫 (Pulmonary Edema)、肺炎(Pneumonia)或死亡；皮膚若接觸到甲醛溶液，則會出 現刺痛、乾燥、皮膚發紅等症狀。至於苯(Benzene, C6H6)的含量超過標準，其污 染主要來自黏接劑，吸入暴露在400~800ppm會有中樞神經興奮症狀（如興奮感、 顫抖、神經質、失眠），接著中樞神經抑制(Central Nervous System Depression) 症狀（如頭痛、頭暈、疲倦、肌肉酸痛、意識不清、反應時間降低）；若大於 800ppm則可能會有步伐不穩、痙攣的發生；大於10,000ppm就會有類似麻醉劑 (Anesthetics)的作用。 綜上所述，雖然各大車廠對於提升車內空氣品質，大都投入相當多的心血 與挹注相當多的經費，各種創新構思亦不斷推陳出新，但實驗意味濃厚的概念 車款至今猶未量產；說句毫不誇張的話，也許您自駕車躲得過車外的惡劣空氣， 但同時你卻會被您車內的化學揮發元素所侵害。為提升行車安全，本論文擬採 用最為成熟的二氧化碳、甲醛和苯等氣體含量之偵測技術，可同時監測車內二 氧化碳、甲醛和苯等氣體含量，當超標時會發出警示訊號，並可啟動車內淨化
空氣品質之裝置，藉以減少有害物質傷害人體，也可降低駕駛因疲勞及長時間 駕駛與車內空氣含氧量過低，造成駕駛打瞌睡而導致車禍發生。由於車內空氣 品質的良窳攸關行車安全，對大部分的車主來說，如何維護行車時的車內空氣 品質，其實是保障行車安全的最佳途徑。
本論文為裕隆集團－裕器工業股份有限公司(YUE KI INDUSTRIAL CO., LTD.)補助之國科會產學合作案(NSC101-2622-E-233-002-CC3)，目前裕器工業的 產品皆隨著裕隆集團的銷售管道隨車出貨。就裕隆集團而言，近年全面重組全 省經銷體系，已完成第一階段的經銷商整合工作，基於市場的需求與配合產業 發展，擬投資經銷商以掌握市場通路，在目標市場建立綿密的經銷網路從事各 類產品之行銷。為了讓裕器工業與競爭對手產生差異性(Discrepancy)，裕器工業 近年來積極的提升研發技術，累積新式樣產品之設計、研發與整合能力，掌握 關鍵材料技術，並主動針對有市場利基的節能新產品進行整合開發及導入。本 論文係為裕器工業評估後認定可行性高，且有利於車內乘員舒適性及提高行車 安全性的產品，裕器工業願傾力予以共同合作研發。
第
2.1 節 車內空氣污染
據悉，德國、美國早在 1980~90 年代就開始關注車內環境污染，對材料進 行法律化約束要求。即便如此，北美在售車型的車內空氣品質依舊堪憂。美國 有一個名為 Healthy Stuff 的中立研究機構，從 2007 年開始調查車內空氣品質， 定期公佈調查結果。據最新一期結果顯示，在北美 200 餘款 2011~2012 年份之 熱銷車型中，獲得“低”綠色標準僅為 33 款，所佔比例僅為 16%，大部分車型僅 為“中”，少數車型為“高”（馬海燕，2012）。 在國外，車內空氣污染已被公認為危害人體健康的要因，各汽車消費大國 對於如何改善車內空氣品質(Air Quality)感到高度的關注。在 2003 年國內爆發 SARS（Severe Acute Respiratory Syndrome，嚴重急性呼吸道症候群）風波過後， 國人開始警覺到室內空氣品質的重要性。環保署在國人的引頸期盼下，終於在 2005 年公告「室內空氣品質建議值」（行政院環保署，2005），內容規範空氣 污染物包括：二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲醛(HCHO)、總揮發性有機化合物(Total Volatile Organic Compound, TVOC)、懸浮微粒(粒徑≦10μm，PM10； 粒徑≦2.5μm，PM2.5)、臭氣(O3)及溫度等項目（黃嘉宏與郭廷威，2007a；2007b）。
由於車廂的空氣品質相較於室內只會更差，例如：乘員呼吸釋放出過量的二氧 化碳；在陽光曝曬下，將會導致車內裝飾材料揮發出超量的毒性空氣污染物， 及 一 氧 化 碳 、 亞 氧 化 氮 (Nitrogen Oxides-NOx) 、 懸 浮 粒 子 (Suspended
Particulates)、環境菸煙(Environmental Tobacco Smoke, ETS)或稱二手煙(Second- Hand Smoke)，這些在車內空氣中潛藏的污染物不但影響乘員的健康，同時也會 危害到行車的安全。二氧化碳的量度單位是ppm(Parts PerMillion)，即每一百萬 份空氣中含二氧化碳濃度指數。低於 800ppm，即代表空氣質素良好。通常大氣 中二氧化碳濃度約在350~400ppm 之間，在通風不良或密閉的環境下，二氧化碳 濃度隨著室內人數及所待時間增長而逐漸累加，室內二氧化碳濃度常可高達 600~1000ppm 以上。由於空氣污染嚴重，不少人習慣只開車內循環，避免跟車 外空氣對流，然而，根據香港明報針對計程車之車廂空氣品質的測試發現，通 風口一旦關閉，司機及乘客排放的二氧化碳在車廂內就循環不息，根本無法排 出車外，只需3~13 分鐘，車內的二氧化碳量便可達到警戒值（即 3000ppm）， 令人疲累且精神不集中，駕車人士更容易發生意外（大紀元，2001）。 中國的深圳消費者協會曾參照室內空氣品質標準，在對車內的空氣進行檢 測中，測量結果顯示 83.3%的送檢車輛空氣品質不達合格。在 2012 年，中國科 院所屬環境分析研究中心的數據檢測更顯示，車內空氣中所含的可揮發性有機 化合物比室內平均超標30%，菌落總數平均超標 77.6%，與新加坡室內空氣品質 標準比較平均超標 255.3%（賈新光，2013）。上海市環境產業保護協會的監測 數據顯示，近 70%的車輛車內空氣品質未達標準（網易汽車，2012）。有關車 內空氣品質的標準值，在騰訊汽車的報告（杜陽，2013）曾揭露讓人可以參考 的數據值，如表2.1 所列。
美國肺臟協會(American Lung Association, ALA)曾指出，車內的細微粒子污 染不只會讓動脈硬化(Atherosclerosis)的風險提高55%，嚴重還會引發心臟病 （American Lung Association, 2012）。根據美國冷凍空調學會報告，健康的一般 室外空氣的二氧化碳濃度在350ppm，可接受的範圍在500ppm左右，到了800ppm 就會感覺空氣污濁和不舒服，若到1000ppm則感覺困倦、想睡，一旦達到2500ppm 以上就會對健康不利，而若上到3000ppm以上，則容易發生頭暈、頭痛、想吐症 狀（Apte, Fisk, & Daisey, 2000; Dougan, & Damiano, 2004）。香港曾對市區巴士 的二氧化碳濃度訂下較為寬鬆的指標，規定車廂二氧化碳濃度須逾3500ppm才算 是超標。 經常開車的人都知道，新車通常都有股刺鼻味，有些新車味道甚至刺激得 眼睛都睜不開，味道會持續一段時間才會變淡。即使是開了很久的舊車，在烈 日曝曬下仍然會散發出極其難聞的味道。根據文獻指出，若採用「室內空氣品 質標準」（行政院環保署，2005）來對比，通常至少超過90%的新車有著嚴重的 空氣污染，都超過規定的室內空氣標準值，尤其是甲醛和苯超標數倍，普通車 如此，豪華車也一樣。車內有毒化合物的一大特點，就是隨著溫度的升高濃度 急劇增加，主要原因是車內裝飾材料、車椅座套、車頂內襯、以及生產過程中 使用的黏著劑和諸多塑料零配件，隨溫度的升高而使釋放的有害氣體增加 （Fedoruk & Kerger, 2003）。
世界衛生組織(World Health Organization, WHO) （WHO, 1989）對總揮發性 有機化合物（TVOC）的定義為：熔點低於室溫，沸點在50~260℃之間的揮發性
有機化合物的總稱；TVOC是空氣中含有多環芳香烴(Poly-Cyclic Aromatic)、揮 發性有機物和醛類化合物等三種有機污染物中影響較為嚴重的一種。VOC是指 室溫下飽和蒸氣壓(Saturated Vapor Pressure：當蒸發速率與凝聚速率相等時氣體 的壓力)超過了133.32Pa(帕斯卡；1Pa=1N/m2)的有機物，其沸點在50~250℃，在 常溫下可以蒸發的形式存在空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味 性，會影響皮膚和黏膜，對人體產生急性損害。當室內VOC總量超過一定濃度 時，在很短的時間內人們就會感到頭痛、惡心、嘔吐、四肢乏力，嚴重時會抽 搐、昏迷、記憶力減退。嚴重傷害人的肝臟、腎臟、大腦和神經系統。VOC中 的甲醛、甲苯、二甲苯等對人體的影響除了上述症狀外，還可引起咳嗽、流淚、 多痰、嗅覺異常、肺功能，免疫功能異常等方面症狀。 有研究報告指出，當車內空氣從26℃上升到63℃時，TVOC濃度至少增加5 倍；另一方面，溫度增加10℃，污染物濃度近乎上升一倍。在溫度很高時，即 使是使用多年的車輛中，有害氣體的濃度也會很高。不只新車有這樣的污染問 題，許多已經開過一段時間的汽車，如果放在大太陽底下曝曬，車內的溫度往 往會超過60℃以上（杜鳳棋、王柏中、林文修，2010；杜鳳棋，2011；杜鳳棋、 林啟昌、范順維，2012），這樣會使得車內的－沙發、內裝、儀表板(Dashboard) 和 芳 香 劑 … 等 散 發 出 有 害 人 體 的 有 機 污 染 物 － 甲 醛(Formaldehyde) 、 苯 (benzene)、丙酮(Acetone)、二甲苯(Xylene)等，如果和50 μg/m3的室內正常標準 值相比，室溫下的密閉汽車裡含有400~800 μg/m3的苯，高溫時車內苯的含量更 高達2000~ 4000 μg/m3，此數值是正常標準的40倍以上。氣態苯的分子量比空氣
重，有芳香的味道，當您鼻子聞時，表示濃度已達1 ppm以上。人體暴露在大量 的苯時，會影響中樞神經系統，頭暈、失去平衡、甚至神智不清，高達20,000 ppm 的苯，會在510分鐘內致人於死（李志哲，2010）。
有關TVOC與VOC污染的認定標準莫衷一是，中國對TVOC污染有嚴格的限 制，根據中國國家品質監督檢驗檢疫總局(2002)的『室內空氣質量標準』規定為 TVOC＜0.60 mg/m3；根據European Collaborative Action (1997)的調查報告所做結 論指出，在非工業場所的室內環境中，TVOC的濃度通常低於1 mg/m3，而且很 少超過25 mg/m3。對於一般工作場所VOC濃度的限制，在歐盟的法令標準為VOC ＜60 ppm；室內VOCs 濃度可高於室外2~50倍。 車內異味除了上一段提及的車內裝潢刺鼻味，當車輛靜置時，仍不時的傳 出異味，這應該是車輛長期在高溫與潮濕的環境下，車廂已成了黴菌絕佳的生 長環境。只要開啟愛車的冷氣，通常附著在蒸發器(Evaporator)上的黴菌異味， 就會散發至車內的所有空間，黴菌異味也就困擾著駕駛及乘客，更可怕的是， 可能危害身體的健康，導致呼吸道的疾病、氣喘或過敏反應，這股車內異味就 成了車內的「隱形殺手」。
表2.1 車內空氣品質的標準值 揮發性有機物 英文名稱 標準值（單位：mg/m3） 苯 Benzene ≦0.11 甲苯 Toluene ≦0.10 二甲苯 Dimethylbenzene ≦1.50 乙苯 Ethylbenzene ≦1.50 苯乙烯 Acetaldehyde ≦0.26 甲醛 Formaldehyde ≦0.10 乙醛 Acetaldehyde ≦0.05 丙烯醛 Acrolein ≦0.05 備註： 1 mg/m3 =103 μg/m3 = 10-3 ppm 1 ppm = 106 μg/m3 = 103 mg/m3
第
2.2節 改善車內空氣品質之方式
根據「美國環境健康雜誌」引用國際技術評估中心(The International Center for Technology Assessment, ICTA)的調查報告指出，車內一氧化碳、甲苯及懸浮 微粒等污染物質的含量均較車外高，平均高達10倍！而且這些污染物質在高溫 與潮濕的環境下，通常會轉化成刺鼻的異味。此外，根據台灣氣喘衛教學會發 表最新監測的過敏指數結果，台灣一年中有300天的濕度超過70％，幾乎全年潮 濕而提供黴菌(Mold)與塵蟎(Dust Mite)生長的環境，導致過敏原大增而觸發過敏 體質的反應。由於惡劣的空氣品質恐導致大人、小孩嚴重的健康危機，也導致 車廂產生異味，因此如何改善車內空氣品質真的是很重要的研究課題。 目前，室內污染物的控制方法有三種：來源控制、換氣及空氣清潔。茲分 別敘述如下： 來源控制 首先選擇建築材料具低排放速率；建築材料其室內甲醛濃度需低於0.05 ppm 及總揮發有機物濃度不得超過5 mg/m3，如果超過上述建議值（＞5 mg/m3） 人體內黏膜將會受到刺激。 換氣 換氣方面，美國ASHRAE建議換氣速率為15 ft3/min/person才可改善室內空氣 品質。一般而言換氣方法有四種分別為：室外空氣過濾、自然換氣、機械式
換氣及局部換氣。其中局部換氣是利用風扇類器具將污染物排除，通常於影 印室、設計圖室、浴室及高濃度污染物空間等使用。 空氣清潔 某些室內空氣污染物可利用催化反應(Catalysis Reaction)，將其轉變成毒性較 少之污染物，例如含鉑(Platinum)可再生活性碳去除污染物，惟其處理能力只 針對帶氧之碳氫化合物，對於帶氯、硫之碳氫化合物則無法氧化。 要除去車內裝潢或黴菌產生的異味，愛車者通常使用芳香除臭劑，只要在 冷氣出風口處噴灑，再將冷氣空調打開，除臭劑裡的化學物會將黴菌分解掉， 困擾的異味即可分解消失。但挑選芳香除臭劑，必須注意的是，芳香除臭劑主 要目的是分解吸收黴菌異味，而非利用芳香劑蓋過異味，否則聞過多的化學香 精，對身體絕對是不好的；而這方法通常也只有暫時性的效果，日子久了異味 還是出現。 市面上訴求淨化車內空氣的產品愈來愈多，目前已有車內空氣清淨機具有 之功能琳瑯滿目，但大多數清淨機皆強調具備產生臭氧(Ozone)、負離子(Negative Ion)、光觸媒(Photo-Catalyst)作用【附錄，第A.1節】、濾除異味…等功能。現今 已有空氣檢測儀器能檢測之項目不勝枚舉，然而大多數檢測儀器都焦注在二氧 化碳、一氧化碳、揮發性有機化合物、酒精濃度…等項目。雖然空氣清淨機與 空氣檢測儀器的個別技術都相當成熟、功能也達到完美的境地，但如何結合並 建置在車內，透過控制器與自主的電源供應單元，用以輔助原有的汽車空調系 統，這是值得研發的課題。若能研發出輔助原有的汽車空調系統的空氣品質裝
置，具有除可達到節能的功效，亦可提升車內密閉空間之空氣品質，使乘員健 康不受危害，將可有助於提高行車的安全。
汽車的空調系統(Air-Conditioning System, A/C System)係為車內環境溫度的 控制設備（參見圖2.1），通常具有通風(Ventilation)、制冷(Refrigeration)、採暖 (Heating)、過濾空氣(Air Filtering)、除霜(Defrosting)、除霧(De-mist)等功能，如 圖2.2所示。傳統的汽車空調系統中，壓縮機係裝置在引擎本體的側面，經由曲 柄軸(Crankshaft)之皮帶驅動機構(Belt-Driven Mechanism)來運作。然而，開啟空 調系統往往會增加引擎的耗油量(Fuel Consumption)，尤其在怠速狀態(Idling Condition)下會使耗油量增加14.2%（Shih, Liu, & Liu, 2009）。以小型內燃機汽 車為例，正常狀元之空調系統功率為5kW左右，約為整車能量消耗的10%，研究 指出車輛行進時開啟冷氣會使得車輛油耗表現降低（Yokoyama, Osaka, Imanishi, & Sekiya, 2011），汽車若開著冷氣空調長時間怠速停車，將是具有相當大的危 險性。由於未行進的汽車引擎轉速慢，使得汽油產生不完全燃燒(Incomplete Combustion)，排出的廢氣也因而更具有毒性。
為了有效降低車內有毒化合物的濃度，最為簡便的方法就是增加車內空氣 流動速度(Airflow Velocity)，根據研究報告指出（You, Ge, Hu, Ning, Zhao & Zhang, 2007），空氣流動速度從0.1 m/s增加至0.7 m/s，車內TVOC濃度將從1780 μg/m3減少到1201 μg/m3。由於汽車在日光照射下，停放在室外的封閉式汽車的 車內空間，可能在短時間內快速上昇到60℃以上，甚至高達70~80℃，若直接進 入車內時會突然感到汗流夾背而不舒適。雖然啟動汽車後可以開啟冷氣來散
熱，但是以此散熱的速度相當緩慢且會增加油耗，所以從節能減碳的角度來看， 這是相當需要去解決的一個課題。
本論文創作的重點擬採用外掛式裝置，強調不改變原有的空調系統，不使 用原有的能源供應，採用換氣與空氣清潔二種污染物的控制方法，以便改善車 內的空氣品質。
圖2.1 汽車的空調系統元件（明月，2008）
第
2.3節 改善車內空氣品質之目標
汽車是人類最為仰賴的交通工具，故車內空氣品質對人類的健康至關重 要。就筆者在撰寫論文的資料檢索與蒐集過程發現，台灣對於汽車車內的空氣 品質的法規方面極為欠缺，相關研究也相當稀少。因此我們在論文資料都參照” 室內”空氣品質而定，由於汽車車廂的空間必定比室內空間小，所以成為本論文” 理所當然”的參照目標。 以往室內空氣品質的研究以溫度(Temperature)、濕度(Humidity)爲主。但現 在對於室內空氣品質的優劣，通常有三大衡量的標準：清新度，舒適度和潔淨 度。近年來，由於現代建築中空調系統的引進、辦公現代化程度提高、家電普 及以及建築和節能密閉性的提高，導致室內污染物得不到置換，致使“居室綜合 症”産生，這已引起人們的廣泛關注。現代人約有70%的時間是處在住家、辦公 室等的室內環境中，改善室內空氣質量可以提高生活品質、生産力及工作效率， 現在室內空氣品質已成爲室內環保界關注的焦點之一。 室內空氣品質優劣的三大衡量的標準，一般根據量化數據界定如下： 清新度：與CO2濃度密切相關，在一般的情况下，要保證CO2的濃度達到標 準要求的1000 ppm以下；二氧化碳含量對人體的影響如表2.2所列。 舒適度：與相對濕度(Relative Humidity)密切相關，室內溫度和濕度平衡在適 宜的區間內人體感覺最舒適；相對濕度是指一定溫度及一定空間的空氣中水蒸氣量和飽和水蒸氣量之比，國家標準中規定用%表示。 人的體感並不單純受氣溫或氣濕兩種因素的分別影響，而是兩者綜合作用的 結果。根據很多醫學報告，適宜的室內溫濕度是：冬天溫度爲18~25℃，濕 度爲30%~80%；夏天溫度爲23~28℃，濕度爲30%~60%。在此範圍內感到舒 適的人占95%以上。 人體健康濕度範圍乾燥的環境導致水份過度流失，加速生命的衰老，濕度適 宜的空氣才能保持生機盎然。室內濕度過低時，因上呼吸道粘膜的水分大量 散失，人會感到口乾與舌燥，甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等，並易患 感冒；但是夏天室內濕度過大時，會抑制人體散熱，使人感到十分悶熱與煩 躁。冬天室內濕度大時，則會加速熱傳導，使人覺得陰冷、抑鬱。根據專家 們研究認爲，相對濕度下限值不應低於30%，上限值不應超過80%。這時人 的身體、思維皆處於良好狀態，無論工作、休息都有收到較好的效果。健康 的濕度既可抑制病菌的滋生和傳播，還可提高免疫力。 潔淨度：一般指室內空氣污染來源和組成。室內除了從室外帶入的大量灰塵 和細菌外，尚有許多原本就存在的污染微粒，包括化學污染物烟草烟霧影印 機産生的臭氧揮發建築材料的氡和甲醛産自油漆、清洗劑、殺蟲劑的一氧化 碳、二氯甲烷等；微小粒子塵埃、污垢、烟草烟霧；微生物污染細菌、病毒、 真菌。 室內空氣污染源的即時影響，會導致頭疼、目赤、呼吸困難、皮膚瘙癢、噁 心和容易疲勞、哮喘、敏感性肺炎和濕熱等病症。慢性影響會導致有些病况
在接觸室內空氣污染物數年後，或多次接觸室內空氣污染物才出現，如呼吸 系統慢性疾病、心臟病甚或癌症。加拿大衛生組織的調查發現，68%的疾病 起因與室內空氣污染有關，80%~90%的癌症起因與居住環境和生活習慣有 關。
表2.2 二氧化碳含量對人體的影響 CO2含量（ppm） 對人體影響 800↓ 空氣良好 800-3,000 空氣渾濁，易感染病菌 3,000-5,000 明顯感到疲倦，精神分散 5,000-50,000 氧氣不足，想吐，意識不清 50,000↑ 足以引起窒息死亡
第
3.1 節 設計製作
為改善密閉空間車內的空氣品質，達到潔淨空氣與消除細菌的目的，本論 文提出一種運用太陽能於改善車內空氣品質之創新裝置，尤其是汽車在停置時 使用更為適宜。在裝置之背面裝設有一副可撓曲支架(Flexible Support)，支架端 裝置一個橡膠吸盤(Suction Pad)，可固定裝設在汽車內的前擋風玻璃(Front Windshield)上，如圖3.1所示。由於歷經二次的進化改良（杜鳳棋等人，2012； 倪郁鈞、杜鳳棋，2012），圖3.2所示為最新一代的創新裝置的立體組合圖。從 圖中可明顯看出，本創新裝置的主要構造包含：盒體單元(#1)、能量轉換單元 (#2)、空氣循環單元(#3)及紫外線抑菌單元(#4)等四個部分。能量轉換單元係將 陽光的輻射能(Radiant Energy)轉換成電能，並具有儲存該轉換電能之功能；空氣 循環單元係利用一顆小型DC風扇來製造空氣的強制對流(Forced Convection)，以 便產生空氣循環的效果，藉此可適度消除異味之功效。紫外線抑菌單元係採用 紫外線的照射，直接抑制有害的病毒與細菌孳生。 圖3.3為本盒體單元之組裝圖，該盒體之形狀有助於增加陽光的吸收面積。 本創新裝置之盒體單元(#1)係由滑蓋(#11)、上層盒體(#12)及下層盒體(#13)組裝 而成。滑蓋可於上層盒體之導軌內推移；當滑開時可使紫外線光照射出，滑閉 時紫外線光LED燈自動關滅。上層盒體則以緊密配合方式固定在下層盒體凹環 內，用以結合該上層盒體與該下層盒體。盒體均是採用緊密配合方式結合，故組裝與拆卸極為便捷。有關在盒體單元背面裝設有可撓曲支架與橡膠吸盤，由 於該二元件係為習知之技術，且為市售之成熟商品，故未繪示在圖3.3中。
圖3.4為本創新裝置之功能方塊圖，其中能量轉換單元的構成元件包括：太 陽 能 板(Solar panel)(#21) 、 降 壓 電 路 板 (#22) 、 可 充 電 電 池 (Rechargeable Battery)(#23)及電池電能顯示器(#24)，各元件間係透過撓性電線(Flexible Electric Cord)串接。太陽能板係以緊密配合方式固定在上層盒體之凹環內，當陽光直接 照射在該太陽能板上，陽光之輻射能將會轉換成電能，該電能係儲存在可充電 電池中；電池電能顯示器係由LED顯示燈反應出可充電電池中的電能。 空氣淨化單元(#3)的主要元件為一個風扇(#31)及一顆開關(#32)，該風扇係 直接利用螺絲固定在上層盒體，並採用撓性電線與可充電電池做電性串接，透 過開關可啟動或關閉風扇之運作。上層盒體係使用塑膠材料製作而成，在盒壁 具有複數排氣孔，藉此得以讓空氣排放出盒體。風扇的功能是讓空氣產生強制 對流效果，可用以促進空氣循環；該風扇所需的電能係由可充電電池提供。 盒體內具有紫外線抑菌單元(#4)，本單元的元件包括紫外線LED燈泡(#41) 及開關(#42)，該紫外線LED燈泡係固設在上層盒體，並採用撓性電線與可充電 電池做電性串接，透過開關可啟動或關閉紫外線LED燈泡之運作。本單元設有 一顆觸動開關，做為紫外線LED燈泡電路導通與關閉之用。
根據美國冷凍空調學會(American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers, ASHRAE)的建議，冬季在室內的溫度最好維持在20~24 ℃，相對濕度則是介於30%~60%之間；夏季在室內的溫度最好維持在23~26℃，
相對濕度亦是介於30%~60%之間。對於久坐者或是較少活動量的人，上述數據 都是可接受的範圍，我們也將引用做為「車內空氣品質監測與淨化裝置」研發 之參考。
本論文研發之標的係為裕器工業配合集團在客用車發展的項目之一，由大 華科技大學透過產學合作計畫與裕器工業共同研發，在為期一年的時間內開發 完成，進行步驟採用由上而下結構化程式設計(Top-down Structured Programming) 的流程圖，如圖3.5所示。
圖 3.1 本研發創作之運作示意圖
圖3.4 本研發創作之功能方塊圖
第
3.2 節 可行性分析
本論文的可行性分析(Feasibility Analysis)將從多面向(Multi-Dimension)予以 探討，各面向間均有互相影響的關聯性，如圖3.6所示；其中四個面向包括：時 間、技術、使用及經濟。 有關本論文創作之可行性分析，以四個面向所考慮的要素－時間、技術、 使用及經濟，茲說明如後： 時間：商品化時程與產品生命週期評估。產業競爭白熱化、產品生命週期(Product Life Cycle, PLC)大幅縮短、需求趨 緩等現象已成為產業競爭的本質。我國在空氣品質監測技術發展上已累積豐 富的經驗，在空氣清淨器的開發亦已建立相當完善的實力，如何能透過技術 整合加速本論文之研發時間，以縮短研發後之商品化時程，這是本論文重要 的目標。 本論文以一年內完成設計元件之裝配與運作，未來對於商品化與產業化亦將 持續的進行。
技術：前瞻創新(Foresight Innovation)、專利佈局(Patent Deployment)與專利 分析(Patent Analysis)。
在商品競爭白熱化的時代，沒有前瞻創新性的技術或是創意的概念，最後難 逃微利(Micro-profit)的宿命。專利不僅僅只是研發結果的產物，更可以在如 何取得與運用專利上，有所謂的策略性專利(Strategic Patent)或是腦力加值
(Brain Value-added)，那麼不論是技術價值能量或是該技術所樹立之門檻，均 能拉大與競爭者的差距。 本論文已提出二項本國新型專利（杜鳳棋、林啟昌、林彥辰、倪郁鈞，2012 ；倪郁鈞、杜鳳棋，2012），擬再申請二項本國新型專利（杜鳳棋、林啟昌 ，2012；林啟昌、杜鳳棋、倪郁鈞，2012）。 使用：操作便捷性。 參考現有汽車最的內裝模式，將本研發裝置依功能性與原有系統做最完美的 結合，讓駕駛人與乘員在使用上更直接，也更具有操作上的便捷性。略向駕 駛人集中的控制器兼顧到行車當中的操作便捷性。 本論文將會發揮「少即是多」(Less is More)的設計理念，在具備完善之功能 性的前提下，讓本研發裝置能融入車內的既有空間，並與原有汽車的空調系 統搭配來改善車內空氣品質。 經濟：投資成本與效益評估。 研究開發的支出是一種風險投資(Venture Capital)，因此必須有系統的加以管 理，方能有效控制投資風險成本(Risk Cost)，用以發揮最大的投資效益 (Investment Efficiency)。本論文的執行對於改善車內空氣品質具有絕對正面 的效益；對於輔助現有汽車的空調系統，站在節能的角度來看也有絕對的助 益，從成本效益分析(Cost Benefit Analysis, CBA)都是值得開發的標的。 本論文將妥善的運用目前學校研究室的資源，並且充分的使用裕器工業廠內 的設施，以尋求在投資決策上如何以最小的成本獲得最大的效益。
車內空氣品質的良窳直接影響乘員的健康，也間接影響行車安全，因此需 要透過科學的監測方法與科技的防治方式，讓不知不覺變成先知先覺。雖然空 氣污染物與揮發性有機化合物無處不在、防不勝防；根據『乘用車內空氣品質 評價指南』雜誌中明確規定車內空氣中有關苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、 甲醛、乙醛、丙烯醛等八種常見的車內揮發性有機物濃度的限值（人民網，2012； 崔瀟旭，2012）。而我們平時所說的車內空氣污染，大多是指上述這八種物質 （詳細如表3.1所列），其中不少對人體具有強列“殺傷力”。南韓媒體曾披露， 南韓有關部門在新車檢測中，測出的苯等致癌物和有害物質超標20倍以上；至 於在中國大家，北京市勞動保護科學研究所對上述八種常見揮發性有機物的濃 度測試，結果顯示車內空氣品質總體達成率為93.02%（新京報，2012）。 從技術和經濟層面的考量，我們不可能對所有危害人體健康的氣體進行監 測，然而針對適合監測的氣體包含︰二氧化碳、一氧化碳、總揮發性有機化合 物等危害氣體含量嚴格把關，對於車內空氣品質的提升已具有絕對正面的助 益。目前對於大眾運輸車輛空氣品質的要求標準，通常是參考「室內空氣品質 建議值」的第二類公共場所（行政院環保署，2005）為依據【附錄，第A.2節】， 有關量化數據茲擷取如表3.2所列。本論文創作在完成後，對於車內空氣品質淨 化的程度，將會參酌表3.2的建議值為目標。以提升行車安全為終極考量，透過 空氣淨化的裝置來改善車內空氣品質，絕對有益於人體健康與有助於精神清 醒，在效益評估上是正面且有價值的。
圖3.6 可行性分析圖 表3.1 常見的八種車內揮發性有機物 揮發性有機物 英文名稱 化學式 系統名 苯 Benzene C6H6 甲苯 Toluene C7H8 二甲苯 Dimethylbenzene C8H10 Xylene 乙苯 Ethylbenzene C8H10 苯乙烯 Acetaldehyde C8H8 Phenylethene 甲醛 Formaldehyde CH2O Methanal 乙醛 Acetaldehyde C2H4O Ethanal 丙烯醛 Acrolein C3H4O Prop-2-enal
表 3.2 第二類公共場所的「室內空氣品質建議值」 項目 單位 建議值 說明 二氧化碳(CO2) ppm 1000 ppm （體積濃度百萬 分之一） 一氧化碳(CO) ppm 9 甲醛(HCHO) ppm 0.1 總揮發性有機化合物 (TVOC) ppm 3 臭氣(O3) ppm 0.05 細菌(Bacteria) CFU/m3 1000 菌落數/立方公尺 真菌(Fungi) CFU/m3 1000 懸浮微粒(PM10) μg/m3 150 微克/立方公尺 懸浮微粒(PM2.5) μg/m3 100 溫度 oC 15~28 說明：
菌落數：菌落形成單位(Colony Forming Unit, CFU) PM10 為粒徑小於等於 10 微米(μm)之懸浮微粒 PM2.5 為粒徑小於等於 2.5 微米(μm)之懸浮微粒
第
4.1 節 車內空氣品質的監測
改善車內空氣品質的方法有很多種，譬如：打開窗戶、正確的使用風扇、 及自動的空調系統，如圖4.1所示。其中，當車輛處於靜止狀態中，打開窗戶涉 及安全問題；或在下雨時，打開窗戶會造成雨水濺濕車內的困擾。使用風扇將 會消耗車用電瓶之電能，啟動空調系統則須發動引擎，二者雖然能夠有效的改 善車內空氣品質，然而卻須消耗更多的能源，形同犧牲車外空氣品質來換取車 內空氣品質。 本論文採用的空氣品質檢測儀器為「攜帶型室內空氣品質偵測器」【附錄， 第A.3節】，在使用前都需要進行溫度校準。一般儀器測量所得的不連續溫度點， 通常與實際溫度都會存在一定的差異。利用標準流體（密閉容器之空氣）的溫 度曲線擬合函數，可得到高精度連續溫度點實驗值的擬合值(Fitting Value)，用 以消除攜帶型室內空氣品質偵測器校準中的溫差效應，藉以提高校準精度。通 過對標準溶液實驗值和擬合值的比較，不僅能將溫度數據點擬合得很精確，這 為我們的應用提供了良好的保障。 我們的實驗是採用1997年份Mitsubishi旗艦Diamante（晶鑽）LS、四門房車 （1997 Mitsubishi Diamante LS Sedan 4-Door）為實驗標的，如圖4.2所示，引擎 為3.5L(3500cc)、V6款式，車身長4980mm×寬1785mm×高1370mm、軸距2720mm、重量1562kg，最大輸出馬力為210 hp/5000 rpm、最大扭力可達31.9 kg-m/4000 rpm。
在使用攜帶型室內空氣品質偵測器，歷經1500秒長時間對密閉容器之空氣 進行溫度測量，偵測器所獲得之平均溫度值為21.41℃、標準偏差(Standard Deviation, STDEV) 【附錄，第A.4節】則為0.15℃；另外採用水銀溫度計之數據 值顯示為21.5℃。經由實驗的校準分析(Calibration Analysis)，我們對於偵測器所 獲得的溫度測量值將有更大的信賴度。此外，透過偵測器所獲得的濕度測量值 為82.7%、標準偏差值則是0.7%。 本論文實驗係以測量空氣中的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及揮發性有機 化合物(VOC)之濃度值，作為評價空氣品質的重要參數；CO、CO2及VOC值與 諸多空氣品質分析具有密切的關聯性，其測定的準確度對空氣品質監控具有重 要的意義。CO、CO2及VOC值會受環境條件（溫度、濕度）的影響而變化，為 考量環境差異造成的效應，我們同時記錄並利用溫度和濕度曲線擬合函數 (Fitting Function)，藉以評估環境條件。 在長時間的密閉車廂中，經過對空氣品質的測量，我們認為可用多項式 (Polynomial)描述CO、CO2及VOC值的數據值，根據論文數據擬合的經驗，可供 使用的形式如下： p(x) = a0 + a1 x + a2 x2 + …… + an xn (4.1)
其中a0、a1、a2、……、an都是係數(Coefficient)，a0叫p(x)的常數項(Constant Term)。
若末項係數 an≠0，則稱 p(x)為 n 次多項式。x 叫 p(x)的主元(Indeterminate)。多
項式中的變數種類稱為元，各種變數以各字母表達(通常是 x、y、z)，一個多項 式有n 種變數就稱為 n 元多項式；上式只有一個變數(Variation)，故稱為一元多 項式(Polynomial in One Variable)。式(4.1)中單項式中的最高次數，就是這個多項 式的次數(Degree)。當係數 a2、……、an都是 0，多項式僅存 a0 與 a1二項，此
圖 4.1 改善車內空氣品質的方法
第
4.2 節 車內空氣品質的改善
根據瑞典哮喘和過敏疾病學會調查顯示，工業化國家45%以上的人口都患有 某種程度的過敏或超敏反應性疾病，超過10%的人口患有哮喘，而Volvo汽車的 車內空氣質量對於過敏人士來說，其實是非常安全的（Ao, 2013）。包括氮氧化 物、臭氧、顆粒物和花粉在內的空氣污染物的增加，主要是導致自1950年代起， 過敏疾病發病率飆升的一個重要原因。Volvo汽車通過一套系統性的解決方案， 得以滿足患有過敏人群的需求。1990年代中期，為了給予過敏人士營造安全的 車內環境，Volvo汽車制定了相關技術規範並進行多項測試，主要是大幅減少金 屬表面的鎳含量，並對真皮進行了光面皮的鞣製無鉻處理（野谷久仁子，2009）。 Volvo 汽車改善車內空氣質量的目的，就是使車內的空氣比車外更加潔淨。 這需要控制汽車進氣系統和內飾材料的揮發，為此Volvo 汽車開發了兩套系統： 車內空氣質量系統(Indoor Air Quality System, IAQS) 和潔淨區域內飾組件(Clean Zone Interior Package, CZIP)。IAQS 可有效過濾進入車內的外部空氣，當檢測到 有高濃度有害氣體時，系統會自動關閉通氣閥門，如圖4.3 所示。多重過濾器不 僅可以過濾顆粒物和花粉，還通過活性炭來減少車內氮氧化合物、地面臭氧等 物質的攝入量。比如當車輛通過隧道時，系統會自動關閉通氣閥門以保證車內 空氣質量。CZIP 系統則確保車內密閉空氣，可在用遙控器解鎖車輛後一分鐘內 自動排出，此系統由瑞典哮喘和過敏性疾病學會推薦。人們常說的“新車氣味”通常是由內飾材料的揮發造成的。內飾材料的少量揮發並不危險，但在天氣炎 熱時，過高濃度的揮發氣體可能會導致過敏人士發病。雖然這些揮發氣體會很 快地排出車廂，Volvo 汽車仍將完全消除這些氣味作為自己的目標。
Volvo 汽車之 IAQS 與 CZIP 系統，對於車內空氣品質的改良具有極佳的助 益，但內建式的裝置將會增加車價，而且讓消費者沒有不裝配的選擇。本論文 之創新裝置是一種外掛式配備，具有產生空氣循環與抑菌功能的空氣淨化裝 置，因此在外型與設置單元係以逐步改變方式，藉以累積創作經驗並逐步作性 能提升。本創新裝置之盒體採用簡約的幾何形狀，作為造型設計的概念基礎， 完全符合現代人對科技商品須兼具輕便、實用的要求。盒體採用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚合物(Acrylonitrile-Butadene-Styrene, ABS)材質，在耐衝擊性、抗拉強 度、亮度及硬度等物理性能方面，均具備優異的表現；盒體尺寸為：高152mm× 寬100mm×厚 25mm。 本創新裝置實體的內部元件如圖4.4 所示，其中能量轉換單元的太陽能板， 主要的規格為：尺寸110mm×65 mm×65 mm、電壓 5.5 VDC、功率 1 W。為使太 陽能轉換成電能可儲存於可充電電池，故須串接一片尺寸為 37 mm×37mm×14 mm、輸入電壓 3~30 V、輸出電壓 1.21~18 V 的降壓電路板。可充電電池採用一 顆 鋰 電 池 (Lithium Cell) ， 規 格 為 ： 電 壓 3.7 V 、 220 mAh 、 尺 寸 50mm×34mm×10mm。鋰電池主要是供應風扇與 UV-LED 燈泡所需之電能；使 用車內點煙器電源充電，充電全滿約需耗時 2.2hrs。通常鋰電池不連續充電太 久，以防止充電電壓高於4.3V 以上時會有爆裂之虞；據此，在能量轉換單元中
亦裝設含有電池電能顯示器之鋰電池保護板，因此可具有過充電(Over Charge)、 過放電(Over Discharge)及過電流(Over Current)等保護功能；加裝鋰電池組保護 板，在使用鋰電池將會更加安全。空氣淨化單元採用風扇之規格：體積流率 (Volume Flow Rate) 0.12 m3/min、額定功率(Power rating)0.4W、額定電壓 5 VDC、轉速 5000 rpm、尺寸 40mm×40mm×10mm。紫外線殺菌單元之 UV-LED 燈泡規格：波長(Wavelength) 395~400 nm、操作電壓(Operating Voltage)3.4~3.6 VDC、操作電流(Operating Current)20~40 mA。
能量轉換單元、空氣循環單元及紫外線抑菌單元(#4)經由組裝在盒體單元之 容置空間，根據採用元件之規格換算，若僅採用充電全滿之鋰電池做為能源， 可提供UV-LED 燈泡及風扇分別為 5.5~11 hrs 及 2.75 hrs；倘若 UV-LED 燈泡及 風扇合併使用，則可連續提供2.2 hrs 的運作。各種耗能元件的使用時效，如圖 4.5 所示。當本創新裝置同時使用太陽能板，在陽光充足的情況下，則本創新裝 置的使用時間可持續至少2.2 hrs 以上。 為檢視或分析本創新作品對於效益(Benefits)、成本(Cost)及市場價值(Market Value) 之 價 值 ， 我 們 特 別 透 過 圖 4.6 顯 現 本 創 新 裝 置 的 價 值 定 位 (Value Proposition)。雖然太陽能的理論基礎目前已極為扎實，技術發展亦相當成熟， 但如何適切的應用，其實才是未來太陽能發展的主流。本研發係以專題製作 (Designated Project)方式尋求新技術的運用，透過資料蒐集與產品設計，達成初 步產品開發的基礎。智慧財產權(Intellectual Property Rights, IPR)係指人類精神活 動之成果而能產生財產之價值者，並由法律所創設之一種權利，這是在創新研
發歷程中不可或缺的元素，也是掌握主控技術(Dominant Technology)的不二法 門。本研發創作強調的是「創新」裝置，因此在智慧財產權方面投注相當多之 心力，從專利檢索(Patent Search)到專利權(Patent Right)取得，均是保護智慧財產 權的唯一途徑。有關研發所需挹注的經費，無論是爭取公部門的補助，或是尋 求合作企業的贊助，都是本創新研發能完成的致勝關鍵。本研發創作充分的運 用太陽能技術與現有空氣清淨器的優點，對於未來新產品(New Product) 的量產 與創造價值(Value Creation)，則是本創新研發未來將持續努力的目標。
圖4.3 Volvo 汽車 IAQS 系統（Ao, 2013）
圖4.5 本創作之使用時效
第
4.3 節 車內空氣品質的測量
經由實驗測量所得到的結果均彙整在表4.1中，各種狀況下所測量所得到的 車內空氣品質，則分別繪示在不同的圖中，並利用數據擬合來找出最佳的擬合 函數。從表4.1我們可看出在同一部車內，不同實驗的環境狀態（車內溫度T及相 對濕度φ）變化相當大，溫度(T)從22.87~36.49℃、相對濕度(φ)則介於49.26%~ 86.68%之間；由於是本論文在戶外實車進行測量，故天候影響車內之環境狀態 亦將列入考慮的參數。 圖4.7係為車窗完全關閉狀態下，從駕駛座所擷取的車內空氣品質數據。根 據測量數據所擬合來找出最佳的擬合函數，二氧化碳(Carbon Dioxide, CO2)與揮發性有機化合物(Volatile Organic Compound, VOC)均呈線性，其中車內CO2值與
VOC值分別為373.46 ppm、0.141 ppm，即使二組數據之擬合直線皆呈漸增之趨 勢；例如測量時間為1800秒，CO2值與VOC值分別增加到405.14 ppm、0.153 ppm， 增加幅度分別為8.5%及8.2%。在第2.1節已提及，通常大氣中二氧化碳濃度約在 350~400 ppm之間。再根據美國冷凍空調學會報告，健康的一般室外空氣的二氧 化碳濃度在350 ppm，可接受的範圍在500 ppm左右，到了800 ppm就會感覺空氣 污濁和不舒服。從本組測量觀之，由於是在空車情況下進行測量，因此擷取到 的數據與一般室外空氣的二氧化碳濃度相近，完全符合「環保署之室內空氣品 質建議值」（表A.2）之規範。另外在第2.2節亦曾提及，空氣流動速度從0.1 m/s
增加至0.7 m/s，車內TVOC濃度將從1780 μg/m3減少到1201 μg/m3；本實驗是在 完全沒有空氣流通的情況下測量而得，VOC值為0.141~0.153 ppm（相當於141~ 153 μg/m3），可見車內之揮發性有機化合物相當的低（＜1 ppm）。 圖4.8係為車窗全部關閉狀態下，從後座（中央位置）所擷取的車內空氣品 質數據。根據測量數據所擬合來找出最佳的擬合函數，CO2與VOC均呈線性，其 中車內CO2值與VOC值分別為539.28 ppm、0.132 ppm。若與前一實驗例相較（前 方駕駛座），顯然後座的CO2濃度較前座增加44.4%、VOC濃度卻減少6.3%。判 定原因，主要是在前座經常有陽光照射，後座較為陰暗，故前座之二氧化碳濃 度值會較低；然而，前座部分接近儀表板及電子設備，故經陽光曝曬後所釋放 出來的揮發性有機化合物濃度，相對就比後座更高。 圖4.9係為開一車門（副駕駛座）的狀態下，從駕駛座所擷取的車內空氣品 質數據。根據測量數據所擬合來找出最佳的擬合函數，CO2與VOC亦均呈線性， 其中車內CO2值與VOC值分別為368.53 ppm、0.087 ppm。從數據明顯的可以瞭 解，只要開一車門讓空氣能夠流通，車內的空氣品質就能立即的獲得改善，數 據 顯 示CO2濃 度 較 車 門 完 全 關 閉 狀 態 下 降 低1.32%、 VOC 濃度卻大幅減少 38.42%。據此，足見換氣對於改善空氣品質的重要性，尤其是對揮發性有機化 合物的改善更是顯著！ 圖4.10係為車窗完全關閉的狀態下，我們採用「車用空氣品質監測與淨化裝 置」，透過換氣與空氣清潔二種污染物的控制方法，以便改善車內的空氣品質。 從駕駛座所擷取的車內空氣品質數據，再從測量數據所擬合來找出最佳的擬合
函數，CO2與VOC同樣的呈現線性，其中車內CO2值與VOC值分別為479.32 ppm、0.062 ppm。再與車窗完全關閉狀態下（圖4.7）相互比較，我們可以發現 在溫度增加1.93℃、相對濕度增加4.38%的情況下，CO2濃度並未因為使用淨化 裝置而改善，相反地增加28.35%；VOC濃度則更大幅減少56.26%！由此可見， 本論文創作由於仰賴風扇驅動車內空氣流動，也透過紫外線殺菌方法來降低車 內細菌，但相對卻使二氧化碳濃度增加。然而，本論文創作對於車內揮發性有 機化合物的改善，確實是有很大的助益。由於本裝置係在車輛停置且無人乘坐 時使用，在可減低細菌數量並大幅降低揮發性有機化合物，雖然會製造出許多 二氧化碳，但基於整體的考量情況下，「車用空氣品質監測與淨化裝置」仍是 改善車內空氣品質的一項利器。
表4.1 車內空氣品質的測量數據彙整表 No 溫度 T (℃) 相對濕度 φ (%) 元素 擬合多項式 對照圖
AVG STDEV AVG STDEV
1 33.92 1.14 62.00 2.04 CO 0 圖4.7 CO2 y=0.0176x+373.46 VOC y=0.0064x+141.03 2 22.87 0.21 86.68 0.56 CO 0 圖4.8 CO2 y=0.0318x+539.28 VOC y=-0.0228x+132.44 3 36.49 0.75 49.26 2.99 CO 0 圖4.9 CO2 y=-0.0003x+368.53 VOC y=-0.0108x+ 86.84 4 31.99 0.54 66.38 1.38 CO 0 圖 4.10 CO2 y=-0.0290x+479.32 VOC y=-0.0196x+61.69
圖4.8 車窗全關閉後座之車內空氣品質
第
5.1 節 綜合歸納
經由實驗測量的結果並經由上一章的討論與分析，我們可具體的綜合歸納 出以下結論： 1. 在車窗完全關閉狀態下，從測量數據所擬合的 CO2與VOC 擬合函數均呈線 性。且 CO2＜406 ppm、VOC＜1 ppm。 2. 後座的 CO2濃度較前座增加 44.4%、VOC 濃度卻減少 6.3%。顯然在前座經 常有陽光照射，後座較為陰暗，故前座之二氧化碳濃度值會較低；然而，前 座部分接近儀表板及電子設備，故經陽光曝曬後所釋放出來的揮發性有機化 合物濃度，相對就比後座更高。 3. 只要開一車門讓空氣能夠流通，車內的空氣品質就能立即的獲得改善，數據 顯示 CO2 濃度較車門完全關閉狀態下降低 1.32%、VOC 濃度卻大幅減少 38.42%。據此，足見換氣對於改善空氣品質的重要性，尤其是對揮發性有機 化合物的改善更是顯著！ 4. 由於本裝置係在車輛停置且無人乘坐時使用，在可減低細菌數量並大幅降低 揮發性有機化合物（減少 56.26%），雖然會製造出許多二氧化碳（增加 28.35%），但基於整體的考量情況下，「車用空氣品質監測與淨化裝置」仍 是改善車內空氣品質的一項利器。第
5.2 節 未來展望
生活在“無車寸步難行”的現代化社會中，許多人每天至少在車上度過 2 個小時，甚至可能遠遠超過他們待在室外的時間，因此，車內空氣品質與我們 的切身健康息息相關，維持真正“健康”的車內空氣品質，才能切實地保障我 們的安全。本論文創作的構思係基於改善車內空氣品質蘊釀而成，在歷經近一 年的研發完成雛型機製作，如圖5.1 所示，功能亦能達到初始設計的要求。本論 文創作於 2012 年 9 月參加「2012 台北國際發明暨交易展」(2012 Taipei Int’l Invention Show & Technomart)榮獲金牌獎（圖 5.2），這是主辦單位對於我們在 改善車內空氣品質之創意發想及創新思維的肯定，也是對我們致力於節能減碳 努力的期許。 車內空氣品質的良窳直接影響乘員的身體健康，也間接攸關到行車安全。 為了改善車廂內的空氣品質，本論文之創新裝置係以擷取太陽能為的自主能 源，因而具備自我供應電力的優勢。太陽能具有「取之不盡，用之不竭」的優 點，而本創新裝置讓太陽能的運用發揮得淋漓盡致，符合節能的創意發想；又 本創新裝置具有提升車內空氣品質的功效，減輕車用空調的負擔，滿足減碳的 創新思維。 由於中國空氣污染的問題相當嚴重，尤其北京地區經常籠罩在砂塵暴的肆 虐，車內空氣品質的惡化的確值得堪虞。本創作看準空氣清淨機的龐大市場，並考慮使用上的便利性、安全性及有效性，特別研發出攜帶式空氣清淨機，歷 經「2011韓國首爾國際發明展」榮獲銀牌獎、「2012台北國際發明暨技術交易 展」榮獲金牌獎的肯定，透過圖5.3的優勢評估雷達圖，我們相信本創作具有相 當大的衍生投資價值及商品化產值。 未來將在空氣循環單元裝配活性碳(Activated Carbon)是一種非常優良的吸 附劑，可選擇地吸附空氣中的各種物質，以達到快速消毒除臭之目的。此外， 將在紫外線抑菌單元中導入二氧化鈦(Titanium dioxide)的強氧化機能，充分利用 原有UV-LED光源進行光觸媒之催化反應，促進有機污染物的強效分解，並且把 有機污染物分解成無污染的二氧化碳和水。同時光觸媒還具有抗菌、殺菌、除 臭及防污等功能，使本創新裝置將具有抑菌能力倍增之效用。
圖5.1 本創作之實體照片
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