大華科技大學
機電工程研究所
碩士論文
使用限溫裝置對停置汽車車廂熱散逸的研究
Study on Thermal Dissipation Inside a Parked Car Cabin with
Using Restricted Temperature Device
研 究 生：林玉國
指導教授：杜鳳棋 博士
使用限溫裝置對停置汽車車廂熱散逸的研究
Study on Thermal Dissipation Inside a Parked Car Cabin with
Using Restricted Temperature Device
研究生：林玉國 Student: YU-KUO 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 and Technology
In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of
Master of Science In
Mechatronic Engineering May 2014
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
摘 要
當汽車直接曝曬在太陽下，積熱導致車廂溫度迅速的上升，車廂高溫對於 進入車內的人員將會造成極大的危害；讓乘坐人員亦將感到極為不舒適。本文 旨在提出一種創新的研發裝置，可充分的將太陽能轉化成電能，提供做為自主 能源，用以限制停置汽車車廂的溫度過高；該限溫裝置可輕易的裝設在車頂天 窗的位置，運用熱傳遞原理將車內積熱迅速的散逸。本論文提出之限溫裝置以 改善汽車車廂悶熱效應為最佳訴求，而且是在太陽能自主供電的情況下達成。 根據實驗結果得知，透過限溫裝置的運作排除車廂積熱，使得車內降溫幅度在 259 秒即可達 5.7 ℃，降溫幅度可達 12.5%，效果極為可觀。 關鍵詞：停置汽車車廂；熱散逸；限溫裝置；對流通氣；太陽能。ABSTRACT
When a car is parked under the direct sun, the accumulated heat causes the car cabin and interior temperature to increase rapidly. When it’s hot outside the temperature inside a car cabin can reach dangerous and sometimes fatal levels in a matter of minutes. Also, it represents an uncomfortable operating period for the passengers. This paper presents the experimental results of an innovative device for the temperature restriction in the interior compartment of a stationary car facing the solar energy from the sun. A very light restricted temperature device placed in the ceiling of the car in which the heat is removed with convective ventilation powered by solar energy. As a result the temperature of the car cabin is maintained in the comfort condition. The newly device can be easily implemented as a practical solution to prevent undesirable heating in car cabins. The restricted temperature device is simple and has a potential to be implemented as a practical solution to prevent undesirable heating of the car’s cabin. According to the quantitative data, the maximal temperature reduction at the driver’s seat can reach 5.7 ℃ in 259 seconds with a relative reduction of 12.5%.
Keywords: parked car cabin; thermal dissipation; restricted temperature device;
誌 謝
本研究能完稿付梓，除感謝指導教授循循善誘的指引，亦感謝機電工程研 究所之所有教授及老師諄諄教導，還有大學部學弟的大力協助，對於論文及課 業之完成受益匪淺，永誌不忘。 感謝教育部及國科會先前的經費補助，俾能建置實驗設備，本研究係接續 教育部推動技專校院與產業園區產學合作計畫（101G-10-003）及行政院國家科 學委員會補助產學合作研究計畫（NSC101-2622-E-233-002-CC3）所做的持續性 研究，感謝讓本論文得以順利進行，特此申謝。 最後，我也要向我的家人表達感謝之意，沒有他們的支持與鼓勵，就不會 有今天的成果，感恩與感謝盡在不言中。 林玉國 謹誌目 錄
頁數 摘要 IV ABSTRACT V 誌謝 VI 目錄 VII 圖目錄 IX 表目錄 XI 符號及縮寫表 XII 第一章 簡介 01 第 1.1 節 研究背景 01 第 1.2 節 研究目的 04 第二章 研究方法 07 第 2.1 節 研發裝置 07 第 2.2 節 實驗條件 10 第 2.3 節 基本學理 12 第三章 結果與討論 19 第四章 結論 26參考文獻 27
發表著作 31
圖目錄
頁數 圖 2.1 裝置在汽車天窗之限溫裝置示意圖 13 圖 2.2 限溫裝置的操作模式 13 圖 2.3 研發裝置的車頂裝配示意圖 14 圖 2.4 研發裝置的停機關閉狀態圖 14 圖 2.5 研發裝置的運作開啟狀態圖 15 圖 2.6 研發裝置的車頂裝配透視圖 15 圖 2.7 研發裝置的內部元件裝配圖 16 圖 3.1 Test #1 在車廂內造成的暫態溫度變化 23 圖 3.2 Test #2 在車廂內造成的暫態溫度變化 23 圖 3.3 Test #3 在車廂內造成的暫態溫度變化 24 圖 3.4 Test #4 在車廂內造成的暫態溫度變化 24 圖 3.5 駕駛座(T3)的暫態溫度變化 25 圖 3.6 限溫裝置產生車廂熱量變化 25 圖 A.1 限溫裝置之實驗車輛(Nissan March 1300 cc) 32 圖 A.2 限溫裝置固設於實驗車輛之外觀示意 32 圖 A.3 限溫裝置固設於實驗車輛之內部示意 33表目錄
頁數
表 2.1 熱電偶安裝點 17
表 2.2 實驗例的詳細資料 18
符號
縮寫(Abbreviations)
A/C system 空調系統 Air Conditioning System CFM 每分鐘立方呎 Cubic Feet per Minute CO2 二氧化碳 Carbon Dioxide
C6H6 苯 Benzene
C8H10 二甲苯 Dimethylbenzene
CH3COCH3 丙酮 Propanone
CH2O 甲醛 Methanal
Humidex 濕度指數 Humidity Index
NHTSA 美國公路運輸安全管理局 National Highway Traffic Safety Administration
ppm 百萬分率 Parts Per Million RH 相對濕度 Relative Humidity
TVOC 總揮發性有機化合物 Total Volatile Organic Compound VOC 揮發性有機化合物 Volatile Organic Compound
英文字母 Ta 外界溫度 ℃ Tavg 空氣平均溫度 ℃ Ts 設定溫度 ℃ t' 時間 sec 希臘字母 φ 直徑 mm
第一章 簡介
第 1.1 節 研究背景
民國 93 年 5 月間，台中市曾發生張姓女童被關在娃娃車內 8 小時，因此致 死而震驚全國；94 年 9 月間，台中縣清水鎮又發生粗心的幼稚園老師，錯將幼 童遺忘在車上而遭悶死的遺憾事件。除台灣有不幸的事件發生外，其他地區出 現的不幸事件亦時有所聞，根據美國公路運輸安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)報導指稱（勞委會, 2001），每年有 29 名 兒童因被留在極悶熱的車內而死亡。1998 年夏季，11 名兒童把自己鎖閉在汽車 車尾的行李箱中因為過熱而死亡；2005 年橫掃墨西哥灣的麗塔颶風(Hurricane Rita)侵襲美國時，由於當地氣溫高達攝氏 37 ℃，醫院擠滿了中暑的民眾，當時 在南部五百多公里沿岸居民，有將近兩百多萬人進行大撤離，其間傳出有民眾 在如蝸牛般的撤離車陣中，因汽車車廂溫度過高而熱衰竭致死之案例。 汽車是比較具有特殊環境的室內空間，在歐美工業國家的許多民眾，每天 超過 1 小時是在車上渡過（Müller, 2011），美國人每天平均則有 101 分鐘在車 內渡過，時間僅次於待在住家及辦公處所（Dong, Block, & Mandel, 2004; Schlink et al., 2010）。由於環繞汽車車廂通常有 360 度的車窗，因此每平方吋佔有面積的玻璃量高達 90 ~ 100%。在 Taylor 所撰寫的白皮書（Taylor et al., 2001）中提 及，一般住家僅為 12 ~ 17%，由此可見，汽車大範圍玻璃佔有面會使陽光曝曬
情況更為嚴重；車廂內的空氣最高可能達到 89 ℃，而在儀表板的溫度甚至於會 高達 120 ℃（National Renewable Energy Laboratory, 2001）。
當汽車直接曝曬在陽光下，車內因積熱而使車廂溫度急遽的上升，甚至於 可能高達到危害人體健康的程度（Yamashita et al., 2005; Grundstein, Meentemeye, & Dowd, 2009; Al-Kayiem, Sidik, & Munusammy, 2010; Dadour, 2011; Grundstein, Meentemeye, & Dowd, 2010; Guard & Gallagher, 2005; Null, 2011; Ozcetin, Arslan, & Yilmaz, 2012）。現代的汽車車身均由金屬打造而成，當陽光照射到車輛時， 陽光以直接輻射與漫射輻射兩種方式傳播熱能，進而被車體外殼表面吸收，金 屬材質的車體會因為容易傳導熱，因而使車體內的空間快速加熱（McLaren, Null & Quinn, 2005; Grundstein, Meentemeye, & Dowd, 2009）。當汽車曝曬在太陽下， 即使外界溫度相當暖和甚至於涼爽，然而車廂的溫度仍舊會達到令人難以容忍 的境界（Korukcu & Kilic, 2012）。McLaren等人（McLaren, Null & Quinn, 2005） 從實際的測量結果顯示，當外界溫度為22 ℃的狀態，但車廂的溫度在60分鐘內 仍然達到47 ℃的高溫狀態，其中80%的溫度上升系發生在剛曝曬到太陽的前30 分鐘。
在車內，有毒化合物濃度易隨內部溫度與陽光曝曬時間而變；在夏天，車 內溫度高達 70 ℃，揮發性有機化合物(Volatile organic compound, VOC)的濃度 有可能增加 40%（Geiss et al., 2009）。相同的研究結果也同樣發現在停置的轎 車，當車內溫度在 26.7 ℃的溫熱狀態，總揮發性有機化合物(Total VOC, TVOC) 值約為 400 ~ 800 μg/m3；當車內溫度提高到 62.8 ℃時，TVOC 值將至少提高 5
倍；研究同時發現，在行車期間開啟通風的狀態下，車內 TVOC 濃度比停車的 溫熱狀態低約 4~8 倍，TVOC 值約為 50 ~ 160 μg/m3；其中，數值較低是在駕駛
座窗戶半開情況下取樣所得（Fedoruk & Kerger, 2003）。
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－CH2O甲
醛(Methanal)、C6H6苯(Benzene)、CH3COCH3丙酮(Acetone)、C8H10二甲苯(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）。
第 1.2 節 研究目的
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 ℃至 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。汽車車廂若經常處於高溫的狀態，內部的電子系統與裝 潢，在陽光曝曬下很容易“中暑生病”，如何讓愛車能渡過一個清爽的豔陽天， 不僅關係汽車的“健康”，更關係駕車者和乘車者的安全。利用遮陽板阻擋太陽 的強光，減少陽光之輻射作用，這是對付汽車車廂熱效應不無小補的方法。另 外，汽車空調系統定期的保養和維護，乃是確保空調正常運轉的基礎，亦是解 決汽車溫室效應亡羊補牢的方式。其他抵抗汽車悶熱效應的方法五花八門，例 如採用車載冰箱、清涼座墊、隔熱車罩…林林總總實在不勝枚舉，但這些配件 的效果相當有限，並不符合消除車廂內悶熱效應的期待。 解決車廂悶熱的最佳途徑系採用空調系統，然而卻無法解決停置在太陽下 的車廂高溫問題。曝曬太陽下的車輛如同蒸籠，上車後急欲開啟空調系統往往 又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）；以小型內燃機汽車為例，正常狀之 空調系統功率為5 kW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, 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)，排出廢氣的毒性與二氧化碳將 會增加（Jasni & Nasir, 2012）。
汽車車廂若經常處於高溫的狀態，對車廂內部頗多的電子系統與內飾品裝 潢，有著極大的殺傷力，因此如何讓寶貝愛車能有一個清爽的豔陽天，不僅關 係汽車的“健康”，更關係駕車者和乘車者的安全。現今對於汽車車廂因陽光造 成的悶熱效應，大都採用車罩或車篷遮蔽陽光，藉由阻絕紅外線達到阻擋陽光 的輻射熱之功效，但卻無助於降低金屬車身透過熱傳導(Thermal conduction)與熱 對流(Thermal convection)傳遞至車廂內的熱，終究還是無法有效的解決車廂悶熱 效應。
汽車空氣調節系統(Air conditioning system, A/C system)主要功能是在任何 氣候和行駛條件下，能為乘員提供舒適的車內環境。然而啟動空調系統將會增 加汽車能源的消耗，因此配合天氣狀況，調整車內溫度與風量，特別是在夏天 時溫度切勿設定過低，以減少引擎壓縮機的負載。通常，當環境溫度 25 ℃時， 小客車在行駛所使用車內冷氣空調，約會增加 16%的油料消耗；當環境溫度 35 ℃時，使用車內冷氣空調約會增加 23%的油料消耗。若不開啟車內冷氣空調， 改用開窗方式來改善車內空氣品質，高速行駛時，若僅將駕駛座窗戶全開，則 車子的空氣阻力將會增加 2.5%；車上窗戶若全部打開，空氣阻力將增加 10%（行
汽車發明至今已超過一個世紀，從一些數據顯示，汽車悶熱而導致遺憾情 事的發生，其實並沒有隨著汽車工藝的精進而有所改善，汽車內的悶熱效應實 在不能再忽視這個嚴重的問題，而且現在地球上最常使用之交通工具就是汽 車，所以能改善汽車悶熱效應的困擾，將是非常值得關切的議題。 對於開車族來說，在炎炎夏日開車時，無論愛車採用傳統的冷氣或恆溫式 空調，只要壓縮機運轉就會大幅增加耗油量；當油價又節節高漲，荷包勢必大 量失血，這無異於是在火上澆油！近年來，環保議題在全球持續的發酵，世界 各國都在積極發展乾淨、無汙染的替代能源(Alternative energy)。太陽能不會產 生熱污染(Thermal pollution)且源源不絕，具有「取之不盡，用之不竭」的優勢； 太陽能具備環保、無污染之優點，市面上的太陽能產品與相關零組件非常齊全 且技術成熟，是值得運用的節能產品。市面上訴求降低車內溫度的產品愈來愈 多，只要能消除車內高溫狀態的任何產品，均有助於提高行車的安全。 現在地球上最常使用之交通工具就是汽車，若能利用太陽能的助力改善汽 車熱效應的困擾，充分滿足節能的目的，因此本論文研發裝置是具有創意的構 思；而且利用太陽能的助力解決汽車熱效應的問題，完全符合環保的需求，因 此本論文研發裝置是具備創新的概念。
第二章 研究方法
第 2.1 節 研發裝置
本論文提出一種為裝置在汽車天窗之限溫裝置，如圖2.1所示，本創新裝置 可輕易的安裝在汽車天窗位置；限溫裝置包括有太陽能單元及對流通氣單元二 個部分。平常限溫裝置處於待機模式而保持緊密狀態；當車廂溫度高於設定溫 度(Ts)時，首先會掀開頂部的太陽能蓋板，接著將會啟動對流通氣單元而進入運 作模式，操作模式如圖2.2所示。 本論文之研發裝置主要設計理念，其一是要將太陽輻射能轉化成有效的電 能，達到能源自主的目的；其次是運用熱對流的原理，藉以將密閉車內蓄積的 熱量排除，如此可使車內溫度有效且迅速的降低。 圖 2.3 為本研發裝置實施例的裝配示意圖，從圖顯示本研發裝置包括有：供 電單元(#1)、控制單元(#2)、對流單元(Convection unit)(#3)及機殼單元(#4)，主要 是安裝在汽車天窗的位置，方法是將汽車的天窗打開，然後將本研發裝置直接 置入並可固設在車頂。由於本研發裝置係利用螺絲固定在車頂，故可適用在各 種天窗尺寸的車頂，裝置或拆卸極為便捷；可做為暫時性或永久性的配備。圖 2.4 及圖 2.5 分別為本研發裝置實施例的停機關閉與運作開啟狀態圖，從二圖可 看出本研發裝置在未使用時是為緊閉狀態，當需使用則會自動掀蓋呈開啟狀態。第 2.6 圖為本研發裝置實施例的車頂裝配透視圖，其中供電單元(#1)包括 有：太陽能板(#11)、充電控制器(#12)及鉛酸電池組(Lead Acid Battery)(#13)，三 個元件係以撓性導線做電性串接。太陽能板採用非晶矽(Amorphous silicon)材料 製成，其可直接舖設在機殼單元(#4)的上方，藉以吸收太陽光而具備「有陽光， 就有能量」的特性，可適時、直接的吸收太陽之輻射能並轉換成電能。充電控 制器係以螺絲固設在機殼單元(#4)內，具有一個防逆的蕭特基二極體(Schottky diode)，以防止鉛酸電池內的電流逆流回到太陽能板，也具有過充放保護功能。 鉛酸電池組為一可充電電池(Rechargeable battery)，用以做為儲存電能之用；該 鉛酸電池採用電池容置盒，藉以固設在機殼單元(#4)內，在沒有陽光的情況下， 亦可採用家用電源進行充電。 第 2.7 圖為本研發裝置實施例的內部元件裝配圖，其中控制單元(#2)包括 有：溫濕度控制器(#21)、掀蓋開關(#22)、直流馬達(DC motor)(#23)及掀蓋頂桿 (#24)，其中掀蓋開關與直流馬達均採用螺絲固設在機殼單元(#4)內，透過撓性 導線與溫濕度控制器做電性連接；掀蓋頂桿係固定在直流馬達之轉軸前端，透 過偏心運動而促使機殼單元能開啟與關閉。溫濕度控制器兼具有溫度與濕度的 監測感測功能，當車內溫度超過設定值時，控制器即會啟動直流馬達運作而使 機殼單元開啟，進而啟動對流單元運作；當車外濕度超過設定值時，控制器就 會停止對流單元運作，並啟動直流馬達運作而使機殼單元關閉。
本研發裝置的對流單元(#3)包括：繼電器(Relay)(# 31)及風扇(#32)，該繼電 器及風扇均採用螺絲固設在殼單元(#4)內，其間透過撓性導線做電性連接。對流 單元(#3) 之核心元件為風扇，利用鉛酸電池組所提供的電能運作，藉以形成強 制對流而排除車內因太陽輻射能而蓄積的熱。風扇越多則形成的強制對流效果 越明顯，但電能的需求就相對越多；故本單元的最佳化風扇數量需與太陽能板 產生的電能做充分的匹配。 本研發裝置的機殼單元(#4)包括：頂蓋(#41)、彈簧片(#42)及底座(#43)，其 中該底座具有凸緣(Flange)(#431)及通風孔(Vent)(#432)。機殼單元之頂蓋底邊係 固設在等間距之複數彈簧片上，該彈簧片則是固設在底座之凸緣上。頂蓋運用 本身之重力可自動關閉；頂蓋使用掀蓋頂桿(#24)可掀開開啟。本單元的底座係 為一體成型之物件，在其底部開設有複數通風孔，用以安裝風扇以作為空氣流 通之進出通道。
第 2.2 節 實驗條件
本 論 文 採 用 由 101 年 度 教 育 部 推 動 技 專 校 院 與 產 業 園 區 產 學 合 作 計 畫 （101G-10-003）所購買的一部Nissan March 1300 cc之轎車進行實驗測量，車輛 系直接停置在陽光下測量至少30分鐘。實驗採用熱電偶(K type,φ=1 mm)及數位 式溫度計(200 ms/s, 18 Bits, 9 Channels)擷取溫度值；另使用數位式濕度計量取濕 度值。熱電偶安裝點如表2.1所列，總計7根熱電偶分別位在儀錶板左側(T1)、儀 錶板右側(T2)、駕駛座(T3)、副駕駛座(T4)、後座 (T5)、限溫裝置內部(T6)及車 底(T7)等7處。所有的熱電偶均採用剛性絕熱棒予以固定，在車廂安置之熱電偶 T1、T2、T3、T4及T5距離車內天窗之高度分別為45 cm、55 cm、41 cm、41 cm 及67 cm。溫度測量的取樣率(Sampling rate)為1 Hz；經由實驗不準確度分析 (Uncertainty analysis)結果顯示，測量範圍在10 ℃至40 ℃之間，溫度的誤差值 為±0.4 ℃；測量範圍在40 ℃至80 ℃之間，溫度的誤差值方程式經歸納所得為： δT = 0.02125T － 0.44 ℃ 本論文提出之限溫裝置裝設有 3 個風扇，由於風扇數量(N)直接攸關對流通 氣單元的通氣量，唯考慮太陽能提供的電能必須滿足風扇的能量需求，故本論 文的限溫裝置系採用 3 個磁浮馬達(Magnetic levitation motor)之風扇，規格為： 70×70×20 mm、12 VDC、3.42 W，額定電壓之體積流率(Volume flow rate)為 43 CFM。對於對流通氣單元的 3 個風扇，其安裝形式分為二種樣式，其一為中間1 個風扇強制吹氣進入車廂、外側 2 個風扇則是將車廂內熱空氣抽出到外界，其 二為中間 1 個風扇是將車廂內熱空氣抽出到外界、外側 2 個風扇則強制吹氣進 入車廂。 在臺灣，夏季接近中午的外界溫度(Ta)通常介於32 ℃至38 ℃，此刻曝曬在 太陽下的車廂溫度可能高達60 ℃至80 ℃，據此可推估車廂溫度大約是為外界 溫度的2倍。由於限溫裝置的主要功能是運用熱對流原理，達成降低車廂溫度的 功效；車廂溫度越接近外界溫度，意味著限溫裝置的操作效率越佳。本論文所 提出之限溫裝置，強調「科技源自人性」的設計理念，故可選擇在不同的設定 溫度(Ts)啟動；本論文實驗的設定溫度(Ts)分別選擇40 ℃(Test#1、Test#2)與50 ℃ (Test #3、Test #4)，這表示只要車廂溫度達到40 ℃(或50 ℃)限溫裝置就會自動 運作降溫；有關本論文實驗例的詳細資料，如表2.2所列。
第 2.3 節 基本學理
在豔陽下曝曬的汽車，假設將車廂內的空間視為一個系統，則該系統的能 量平衡(Energy balance)可透過下列方程式描述： Qst = Qin － Qout (1) 式中 Qin = m‧cp‧dT / dt (2) 在(2)式中，m表示測試汽車車廂中的空氣品質，在40 ℃的狀態下m≒3670 g （杜鳳棋、王鴻烈，2010）；cp為空氣的比熱(Specific heat)，在本論文之cp值採 用1.005 kJ.kg-1K-1。至於移除熱量Qout的計算方程式如下所列： Qout = m‧cp‧ΔT = m‧cp‧( T － Ta) (3)圖 2.1 裝置在汽車天窗之限溫裝置示意圖 圖 2.2 限溫裝置的操作模式 熱空氣 限溫裝置 待機模式 運作模式 對流通氣單元 太陽能單元
圖 2.3 研發裝置的車頂裝配示意圖
圖 2.5 研發裝置的運作開啟狀態圖
表 2.1 熱電偶安裝點 編號 位置 距頂棚高度 (cm) 注意事項 T1 左儀表板 45 量測點位置在儀表板上，但需將量測點 懸空避免儀表板溫度干擾 T2 右儀表板 55 量測點位置在手套箱外面，避免陽光照 射 T3 駕駛座 41 量測點約在駕駛人坐下後，與肩膀高度 相同處 T4 副駕駛座 41 量測點在皮椅上，但需將量測點懸空避 免皮椅內部溫度干擾 T5 後座 67 量測點在皮椅上，但需將量測點懸空避 免皮椅內部溫度干擾 T6 研發裝置 0 天窗位置 T7 車外環境 - 量測點在車身底部（副駕駛座下方）， 避免陽光照射影響數據
表 2.2 實驗例的詳細資料 Test #1 #2 #3 #4 40 ℃啟動 40 ℃啟動 50 ℃啟動 50 ℃啟動 實驗條件 風扇 1 進 2 出 風扇 2 進 1 出 風扇 1 進 2 出 風扇 2 進 1 出 35 s 50 s 51 s 70 s 風扇啟動 35.3 ℃(T3) 36.7 ℃(T3) 43.2 ℃(T3) 44.3 ℃(T3) 112 s 82 s 119 s 89 s 延續最高溫 40.1 ℃(T3) 37.3 ℃(T3) 45.7 ℃(T3) 44.6 ℃(T3) 1050s 1050 s 380 s 349 s 可降最低溫 36.9 ℃(T3) 36.9 ℃(T3) 40.0 ℃(T3) 40.7 ℃(T3) 1080 s 1104 s 1107 s 942 s 風扇關閉 37.1 ℃(T3) 38.8 ℃(T3) 42.1 ℃(T3) 41.3 ℃(T3) 1661 s 1757 s 1671 s 1689 s 再升最高溫 44.5 ℃(T3) 44.5 ℃(T3) 48.9 ℃(T3) 48.2 ℃(T3) 平均環境溫度 32.5 ℃ 32.3 ℃ 33.2 ℃ 35.0 ℃
第三章 結果與討論
經由實驗量測的結果，Test #1 的實驗數據如圖 3.1 所示，其中外界溫度(Ta) 的平均值(Tavg)為 32.5 °C。從圖中的數據曲線清楚顯現，雖然設定溫度(Ts)選定 在 40 °C 開始啟動對流單元，然而真正的情況是在 T6=43.9 °C，對流單元的效 用才開始發揮。由於對流單元的運作而使駕駛座(T3)與副駕駛座(T4)的溫度稍有 下降的現象；另外左儀表板(T1)與後座(T5)的溫度呈現抑制而未再上升的情形。 值得一提的是，位在汽車擋風玻璃板右側 A 柱旁右儀表板(T2)測量點的溫度， 始終是出現微幅上升的趨勢。整體而言，熱電偶 T6 的溫度呈現獨特的高溫趨 勢，在車內的其他熱電偶量測值則是高低互相交錯；對流單元的運作對於車廂 前方之駕駛座與副駕駛座具有較為明顯的降溫效果，車廂後座位置則僅具有抑 制溫度之功效。會出現此前座降溫優於後座的情形，主要是在此款車型的天窗 位在較近前座之上方，因此空氣對流的效果較為顯著。根據量化數據顯示，在 駕駛座(T3)的溫度最多可降低 3.2 °C，相對的降幅可達 3.2/40.1=7.98%；其中 40.1 °C 為 T3 剛開始降低的瞬間最高溫度。 緊接著再呈現 Test #2 的實驗結果如圖 3.2 所示，其中外界溫度(Ta)的平均值 為 32.3 °C。從圖中的各數據曲線分布趨勢與圖 3.1 相似，唯從裝設在本論文研 發裝置內的熱電偶 T6 數據曲線可看出，當溫度達到設定溫度(Ts)為 40 °C 時， 對流單元即開始運作並立即發揮降溫的功能，連同駕駛座(T3)與副駕駛座(T4)續不斷的在增加，完全沒有空氣對流效果的影響跡象。再從量化數據來探討對 流單元的降溫效果，結果發現在駕駛座(T3)的溫度最多僅降低 0.4 °C，相對的降 幅僅有 0.4/37.3=1.07%。由於在 Test #1 例中是採用 1 進 2 出的風扇裝置，而 Test #2 例中則是採用 2 進 1 出的風扇裝置，據此得知在設定溫度(Ts)為 40 °C 的狀況 下，將車廂內的熱量抽出顯然比將外界較低溫度之空氣吹入車廂內，對於降低 車廂溫度的效果更為良好。 接續的實驗是將設定溫度(Ts)調高到 50 ℃，意即當熱電偶 T6 的溫度達到 50 ℃，控制器將會啟動對流通氣單元開始運作，圖 3.3 就是記錄實驗的量測資 料。從圖中各曲線的分佈狀態，又會發現與圖 3.1 極為類似；然而在本實驗例中， 設定溫度(Ts)選定在 50 ℃開始啟動對流通氣單元，但實際是在 T6=51.1 ℃才開 始發揮降溫的功能，延遲時間比 Test#1 實驗例已縮短。至於對流單元開始運作 後，對於前座附近之儀表板左側(T1)、儀表板右側(T2)、駕駛座(T3)及副駕駛座 (T4)等溫度均會立即下降，但在 T1 與 T2 的溫度在 60 秒內就立即再緩慢上升， 由此可見，這只是對流通氣單元開始運作時，引發車廂內空氣瞬間的擾動現象。 然而就量化資料而言，駕駛座(T3)的溫度在 259 秒，最多可降低到 5.7 ℃，相對 的降幅可達 5.7/45.7=12.48%。由此顯見，本實驗例（Test #3）對於駕駛座的降 溫效果遠超過前二實驗例（Test #1 與 Test #2）。 接著，我們再將 Test #4 的實驗結果繪示在圖 3.4 中；本實驗例與 Test #2 相同，風扇裝置方式均為 2 進 1 出的形式，但設定溫度(Ts)已調高到 50 °C。從
圖 3.4 明顯的看出，當溫度達到設定溫度(Ts)為 50 °C 時，對流單元會立即開始 運作並迅速的發揮降溫功能。從曲線分布亦可看出，車廂內的所有溫度量測點 （T1, T2, T3, T4 及 T5）都會出現對流降溫的效果，而從圖中各曲線在對流單元 運作期間均呈現幾乎水平狀態，可見在車廂內已形成內部空氣強制對流的效 果，各量測點的溫度被抑制不再增加。再進一步的從實驗數據量化分析可得知， 在鄰近儀表板的左儀表板(T1)與右儀表板(T2)平均溫度分別為 42.9 °C 與 44.7 °C；從這些數據的分布可知，T1 與 T2 位在鄰近儀表板，由於受到陽光直接照 射且受到儀表板高溫的影響，所以溫度明顯的偏高；其中右儀表板(T2)更為接近 儀表板，故量測點之溫度始終是車廂內最高值。其他在車廂內駕駛座(T3)、副駕 駛座(T4)及後座(T5)的平均溫度分別是 41.2 °C、41.6 °C 及 40.9 °C，三者間溫差 最大僅為 0.7 °C，此意含在車內的對流效果已充分的顯現。最後就量化數據來 看，在駕駛座(T3)的溫度最多可降低到 3.9 °C，相對的降幅可達 3.9/44.6=8.74%； 針對 Test #3 與 Test #4 而言，此再度說明 1 進 2 出的風扇裝置，其降溫效果顯 然優於 2 進 1 出的風扇裝置。 由於實車測量係直接曝曬在大太陽下進行，因此在各實驗例的外界溫度(Ta) 並無法控制完全相同。為再進一步探討各實驗例中，在駕駛座(T3)的溫度變化情 形，我們將實驗結果以(T3－Ta)描繪如圖 3.5 所示，其中橫座標係採用開始降溫 之時間為起始點（t’=0）。從圖中四條曲線所描述的降溫情況可知，1 進 2 出的 風扇裝置，其降溫效果顯然優於 2 進 1 出的風扇裝置。
最後，我們將探討經由對流通氣單元所形成的熱交換(Energy exchanging)過 程。圖 3.6 係透過方程式(2)與(3)計算出 Qin與 Qout相對於時間的變化關係。從先
前的討論例可知設定溫度的設定值越高，則對流通氣單元運作的降溫效果越為 顯著，因此本圖僅就 Test #3 及 Test #4 實驗例的結果作分析。先前曾提及，當 汽車曝曬在太陽下，車內溫度很快地急遽上升，此正意味車體已蓄積了極大的 儲熱率(Storage heat rate)Qst。當車廂內溫度達到設定溫度而啟動對流通氣單元開
始運作後，很明顯的排熱率(Exhaust heat rate)Qout迅速的增加，在啟動後約 t’=180
s 運轉穩定後，Qout即呈緩和的增加趨勢。針對圖中 Qout的曲線分佈分析，Test #3
的平均排熱率為 209 W，由此可見風扇裝置形式對於車廂內熱排除效果極為顯 著。 再進一步探討進熱率 Qin的變化情形，從圖中下方的二組曲線分佈可看出， 隨對流通氣單元開始運作後的數值變化極大，當風扇開始運轉後 Qin 會立即減 少，主要是車廂內空氣產生對流效應，因而蓄積的熱大量的排出車外，車廂內 的儲熱 Qst大幅銳減，致使 Qin會產生較為明顯的振盪變化；在風扇運作期間， Test #3 的平均進熱率為 67W。據此可見，實驗例的排熱率 Qout均遠大於進熱率 Qin，Qout / Qin達到 3.12 倍，因此在風扇啟動後必可將車廂內的溫度降低。綜上 所述，因為進熱率 Qin、排熱率 Qout與及儲熱率 Qst三者之間係遵循方程式(1)的 原則在做變化，所以只要對流通氣單元能持續的運作，車廂內的溫度必可逐漸 的降低。
圖 3.1 Test #1 在車廂內造成的暫態溫度變化
TEST #1 (40度)
25 30 35 40 45 50 55 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t' (秒) T ( 攝 氏 ) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7TEST #2 (40度)
25 30 35 40 45 50 55 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t' (秒) T ( 攝 氏 ) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7圖 3.3 Test #3 在車廂內造成的暫態溫度變化 圖 3.4 Test #4 在車廂內造成的暫態溫度變化
TEST #3 (50度)
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t' (秒) T ( 攝 氏 ) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7TEST #4 (50度)
25 30 35 40 45 50 55 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t' (秒) T ( 攝 氏 ) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7圖 3.5 駕駛座(T3)的暫態溫度變化 圖 3.6 限溫裝置產生車廂熱量變化
熱交換率比較 (#3 vs #4)
0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t' (秒) Q in & Q ou t ( W )#3_Qin #3_Qout #4_Qin #4_Qout
#3_Qout #3_Qin
駕駛座溫度變化 (T3)
0 3 6 9 12 15 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t' (秒) T 3-T a (攝 氏 ) #1 #2 #3 #4第四章 結論
根據以上實驗資料的分析結果，我們將綜整規納的結論敘述如下： 1. 限溫裝置包括有太陽能單元及對流通氣單元二個部分，主要的理論基礎係為 強制對流與自然對流的熱傳遞原理。限溫裝置完全運用太陽能，充分的發 揮節能減碳的功能；完全採用自主式控制方式，可隨著不同的環境條件自 動運作。 2. 限溫裝置可使曝曬在太陽下之車廂排熱率Qout遠大於進熱率Qin，Qout / Qin達 到3.12倍，因此在裝置啟動後必可將車廂內的溫度降低。 3. 駕駛座的溫度在259秒，最多可降低到5.7 ℃，相對的降幅可達12.5%，效果 極為可觀。參考文獻
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發表著作
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2. 杜鳳棋、徐福光、林啟昌、林玉國，具有抑菌手把之購物推車的研發，機械 技師學刊，Vol. 5，No. 4，pp. 16-20，Dec. 2012。
3. 李勁達、林玉國、徐維廷、杜鳳棋，車內霧化降溫裝置，中華民國新型專利， M430390，2012/06/01。 4. 杜鳳棋、林啟昌、林玉國，主動式太陽能對流排熱裝置，中華民國發明專利， 101149025，2012。 5. 杜鳳棋、林玉國、李勁達、林啟昌，主動式發光防撞條，中華民國新型專利， 101209970，2012。 6. 杜鳳棋、徐福光、林玉國、林啟昌，主動式發光防撞器之研發，2012 兩岸 機電暨產學合作學術研討會，pp.232-234，大華科技大學，2012/11/21。
附錄
圖 A.1 限溫裝置之實驗車輛(Nissan March 1300 cc)
圖 A.3 限溫裝置固設於實驗車輛之內部示意 圖 A.4 限溫裝置系統控制圖 控制器 集電板 電池 風扇 感測器 環境資料 太陽光 資訊線 步驟線 電力線 控制線
表 A.1 主要裝置規格
項次 名稱 規格
1 太陽能板
規格：32~35W lightweight solar module
尺寸：770 x 390 mm 2 風扇 磁浮馬達風扇 規格：70 x 70 x 20 mm、12 VDC、3.42 W 額定電壓之體積流率：43 CFM 本限溫裝置裝設有 3 個風扇，由於風扇數量直接攸關對流通氣單元的通氣 量，唯考慮太陽能提供的電能必須滿足風扇的能量需求，故本限溫裝置系 採用 3 個磁浮馬達之風扇。
