真空應用科學展具設計

122

參考文獻

1. 柯俊廷等，來電捕手-新概念能源初探，中 華民國第48 屆中小學科學展覽會。 2. 郁仁貽：電池的科學，台北。復文書局， 頁61，民 95。 3. 浩司：基本電學原理與應用，台北。頁 151、165，民 85。 4. 維 基 百 科 ： 壓 電 效 應 ， 取 自 http://zh.wikipedia.org/wiki。 5. 維 基 百 科 ： 二 極 體 ， 取 自 http://zh.wikipedia.org/wiki 。 6. 稻見辰夫：圖解電子回路，台北，世茂， 頁52-57，民 90。 7. 楊昆翰等，步步來電-永續發展的新式能 源，高雄市第48 屆中小學科學展覽會。

真空應用科學展具設計

張信宏 趙方麟

朝陽科技大學 工業設計系

壹、背景與動機

隨著工業的發展真空之技術也越來越進 步，真空與負壓之應用已普遍應用於工業界 。例如一般食物或食品的保存，絕大部分使 用電冰箱來儲存，但電冰箱並不一定適合各 種食物，因此，利用真空的原理來保存食物 已是另一種選擇。除保存食物外，利用容器 真空後，產生低壓、低氧、低濕的原理，也 可應用於其他需要防潮的物品保存。 真空容器更是一種免動力、免電源的環 保容器，應用於保存食品或物品將比一般容 器來的更有效率。本次設計旨在利用已有的 真空技術，展示真空與負壓的應用，以期活 用真空技術創造更便利的生活。設計真空教 學展具，透過操作來驗證波以耳定律，同時 ，透過可愛的造型以及有趣的真空現象，吸 引小朋友學習的興趣，並協助教師利用本展 具來輔助教學。

貳、設計方針

在產品的造型設計方面，預期以活潑、 可愛的造型來吸引學習者的注意力，同時考 慮展示品使用性，利用簡單的組合、提高操 作的便利性，以期能符合教師或小朋友在實 驗方面的需求。 此外，透過分析及調查，針對目標族存 研究使用者的需求，以生活調查研究為輔 助，分析使用者的生活形態。本設計研究對 象以國小學童為主，此年紀之學童為開始學 習知識之年齡，身心發展迅速，同時，吸收 新知的學習能力強，具啟發性，參與度高。 設計主要經由四個互相連通串接 (cascade) 容器，密閉容器間透過閥體相互作用，因為 氣壓的差異產生出有趣的現象。當我們將手 動泵上下移動，將空氣充入儲存罐，其容器

實驗心得

123 利用切換閥以及單向閥 的抽氣及釋氣來觀察 壓力變化情形 「 定量氣體在定溫時 ， 其壓力(P ) 和體積 (V ) 成反比」 圖1：設計概念 A 真空壓力試驗 馬德堡真空半球試驗 原理：兩半球密閉容器抽真空時， 大氣壓力將使半球緊密結合， 而無法開啟。 1、抽真空時，兩半球緊密結合， 無法分開。 2、解除真空時（釋氣），空氣迅 速進入，造成雞蛋震動。 3、內部空氣充滿，內外壓力平 衡，雞蛋得以打開，小雞出現。 托里切利試驗 原理：密閉管內，液體的高度會隨著 大氣壓力改變而發生變化 。 1、未抽真空時，彎管 處液面高度均相同。 2、抽真空時，彎管 處液面高度改變。 3、真空釋放時，液面回復， 而回復時流動的液體， 造成蛇向前爬行的感覺。 圖2：設計概念 B 圖3：定案三維視圖 圖 4：展具製作 圖 5：最終模型

124 壓力便隨之增加，氣球的體積膨脹，使得第 二儲存罐與氣球的壓力相同。因為兩端都是 封閉的，當打開第一容器閥門時，氣球體積 並沒有顯著變化。但壓著第二容器間的閥門 時，氣體流通時內部壓力改變，即會使氣球 體積快速變化。 設計規範如下： 1、本體結合抽氣泵浦 2、改良容器收納方式 3、改善抽氣方式 4、泵浦與本體合一 5、模組化設計 6、簡化機構、零件設計 7、簡易清洗、重複使用 8、可回收或再利用環保材質 9、容易操作，使用方便

參、設計概念

設計概念亦需要考慮後期的模型製作方 面，著重在機構的合理性及機能的展現，並 考量使用者的使用方式，以使用性設計為目 標，著手進行本次的真空展具設計發想。圖 3 所示為定案三維視圖，設計主要經由四個 互相連通串接 (cascade)容器，密閉容器間透 過閥體相互作用，因為氣壓的差異產生出有 趣的現象。當我們將手動泵上下移動，將空 氣充入儲存罐，其容器壓力便隨之增加，氣 球的體積膨脹，使得第二儲存罐與氣球的壓 力相同。因為兩端都是封閉的，當打開第一 容器閥門時，氣球體積並沒有顯著變化。但 壓著第二容器間的閥門時，氣體流通時內部 壓力改變，即會使氣球體積快速變化。圖 4 為模型製作過程，圖5 為最終模型。

肆、結語

本設計主要概念來自於常見的真空罐， 一般的真空罐大多用來保存食品或物品，但 如果能夠同樣把真空的技術應用於氣體壓力 的實驗上，這或許是另一個不同的展現，因 此而產生了本次的設計創意。 在整個設計過程中，最困難的部分，當屬整 體展具的氣密度，特別是整個展具的密閉性 要高，如此功能才能顯現，當然，一開始的 測試並不是如此順利，誠如先前所料，稍有 些許氣密性不足，其功能就無法顯現出來， 在經過不斷的測試與抓漏之後，功能終於逐 漸的顯現出來。雖然手工模型的氣密度無法 達到完全的氣密，因為牽涉到閥體氣密性、 整體精密度等等，但對於教學展具來說，主 要在於動作已能夠明顯的顯示出來以驗證其 原理。

參考文獻

1. 西田和明，(2003)，圖解自己動手做有趣 的科學電磁玩具，臺北縣新店市 :世茂 2. 佐藤敏一，(1994)，特殊加工 /著; 蘇品書 譯著，臺南市 :復漢 3. 村田茂,(2000)，幼兒教具設計與活用 /等 編著; 吳緒筑譯，臺北市 :五南 4. 楊琳，(2005)，嬰幼兒教玩具之認識與運 用 /編著，臺北縣 :群英 5. 劉翠華，(2007)，幼兒教玩具設計與運用 著，臺北縣 :揚智 6. 劉穎（1989），幼兒教具製作與應用 /臺 北市 : 信誼基金 7. 龔錦，(1993)，人體尺度與室內空間 /編 譯，臺北市 : 博遠 新店市 : 學英總經銷