理工學院優秀專題競賽論文徵選
換氣閥與加熱器/除濕器氣流轉換閥門設計
A Thermo-controlled Switching Valve for Switching Air Flow between Heater
and Dehumidifier
摘要
熱風循環烘烤除濕箱因內部工作於高溫中，除濕零件容易因不耐高溫而損壞。本文欲設計一結構簡單而動
作確實之換氣閥與氣流轉換閥，加熱循環時可藉由換氣閥排出廢氣，並阻擋熱氣進入除濕材料。除濕循環時換
氣閥關閉，讓箱體內艙確實密閉。形狀記憶合金目前已廣泛使用於各領域中，其作用溫度恰好適合烘烤除濕箱
所需，且體積小、成本低、耐用度高，故本文採用形狀記憶合金作為換氣閥與氣流轉換閥之致動元件，利用形
狀記憶合金低溫與高溫的相變態，將一般彈簧和形狀記憶合金彈簧間的拉伸力作為閥門開關的驅動力。本文將
由實驗與理論計算求得所需之加壓彈簧的彈性常數，並驗證實際匹配形狀記憶合金彈簧後能夠確實動作。
關鍵字：形狀記憶合金、熱風循環烘烤除濕箱。
1. 前言
智能材料(Intelligent Material)的興起為材料科學界帶 來了新的改革，其最大特點為具有類似生物般的智能屬 性，能感測周遭環境並且自行診斷、適應及修復，廣泛應 用於各種領域。智能材料來自功能性材料，大致分為兩 類：其一為對外界的刺激強度(如應力、應變、熱和光等) 具有感測效應的材料，可作為感測器；其二為對外界環境 變化可適當反應或驅動的材料，可作為致動器。形狀記憶 合金(Shape Memory Alloy, SMA)即為一種能記憶原有形 狀的智能材料，由溫度變化相變態，造成形狀記憶的特殊 效應，目前已廣泛應用於航空、衛星、醫療、生物工程、 能源、自動化等領域。此外，因熱脹冷縮或高溫而容易損 壞的零件也可使用形狀記憶合金替代，能夠有效減少維修 次數以及延長機器壽命。 熱風循環烘烤除濕箱需先加熱至高溫後再冷卻進行 除濕，但除濕元件非耐高溫材料，容易損壞。傳統的烘烤 除濕箱並未改善此問題，因箱體有大有小，若設計一溫控 開關閥區隔除濕元件恐怕佔用太多體積。若除去體積因 素，自動化設備也會讓製作成本大幅增加，產品缺乏競爭 力，且增加設備便有損壞的可能性，保養及維修費用也是 很大的成本。若此問題必須改善，最簡單可靠的閥門開啟 機制便是隨溫度自行操作，而不需要外部驅動的智能材 料。形狀記憶合金彈簧的致動條件與烘烤箱之升降溫不謀 而合，其常溫時強度極低，容易受外力拉伸；當溫度高於 變態點後，會恢復成原狀且具有較大的收縮力。 本文利用形狀記憶合金彈簧與加壓彈簧相互作用，先 找出形狀記憶合金在低溫相與高溫相的彈性強度，再取一 強度在兩者之間的加壓彈簧，低溫時為加壓彈簧拉制形狀 記憶合金，高溫時則為形狀記憶合金拉制加壓彈簧。如此 便能在烘烤除濕箱加熱與冷卻過程中自動操作且不須外加 驅動，且形狀記憶合金價格低廉、體積小、不易損壞，非 常符合本文的設計需求。2. 研究方法
2.1 技術背景說明
熱風循環烘烤除濕箱的工作流程可分為四個主要階 段：昇溫、保溫、降溫與除濕。而系統內有兩個氣流循環： 加熱氣流循環與除濕氣流循環，見圖 1 所示。加熱時，熱 風送風機將空氣加壓後通過電熱棒加熱至所需溫度，再經 由穿孔板將氣流分散整流後送入箱體內艙。此時，位於箱 體頂部的換氣閥(breather)需要開啟以便讓烘烤出之水氣、 揮發性氣體排出；底部的進氣口(intake gate)及排氣口 (exhaust gate)則需要關閉，以避免熱氣循環損壞除濕元件與 管線，見圖 1(a)所示。當烘烤結束，熱風送風機切斷電源且 加熱器停止加溫，待箱內溫度降至 60℃以下後，便可將除 濕系統的進氣口及排氣口閥門打開，然後啟動除濕用送風 機進入除濕循環，見圖 1(b)所示。2.2
形狀記憶合金
形狀記憶合金顧名即為能夠記憶原有形狀的合金，其 低溫相為麻田散體，高溫相則為沃斯田體。在低於相變態 溫度下受到有限度的塑性變形後，可加熱至高於臨界溫度 使其回復原狀，此即為形狀記憶效應(Shape Memory Effect, SME)。若在特定高溫以上施加外力(拉伸、壓縮、扭曲等) 激發麻田散體變態，同時變形，除去荷重後會發生逆變 態，因逆方向的變形而恢復原狀，此即為擬彈性效應 (Pseudo Elasticity, PE)。目前形狀記憶合金的種類已達數十 種，不同合金成分其物理特性亦有所差異。 本文所採用的形狀記憶合金為全長 16.2mm，線徑約 1.2mm 的彈簧形式元件，為求得其形狀記憶合金的實際特 性，故取三條相同規格的 SMA 彈簧測量下列性質： a. 變態點溫度 b. 拉伸強度曲線 c. 形狀回復時的收縮強度曲線 變態點溫度的測量可將在常溫下拉伸過後的 SMA 彈簧放置 於已知溫度的熱水中，過程中熱水會慢慢降溫，反覆拉伸 SMA 彈簧在將其放置熱水中的動作，每次皆讀取熱水溫 度，待 SMA 彈簧無法完全恢復至原來形狀時，便可得其變組別:■實作組□設計組
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態點溫度。拉伸與收縮強度則使用磅秤與一般彈簧及重 物。將綁上彈簧的重物置於磅秤上，彈簧接上細線繞過滑 輪後在接上 SMA 彈簧，SMA 彈簧再繞過一滑輪後另一端 固定。接著輕拉常溫下的 SMA 彈簧，紀錄其變形量以及重 物磅秤讀數，取多組數據後便可求得 SMA 彈簧常溫下的拉 伸強度曲線。因烘烤除濕箱內溫度降至 60℃以下後才開始 啟用除濕循環，故實驗中取 60℃時 SMA 彈簧的回復收縮曲 線，若溫度太高則 SMA 彈簧迅速收縮也難以量測。量測收 縮強度的實驗裝置與上述相同，將拉伸過後的 SMA 彈簧持 續淋以 60℃的熱水，待其回復原來形狀後紀錄變形量以及 磅秤前後讀數。取多組數據後便可求得 SMA 彈簧形狀回復 時的收縮強度曲線，如圖 2 所示。 目前一般好的 SMA 彈簧可以承受十幾萬次以上的變形 -收縮循環仍然正常作動，因此非常適合作為溫度控制閥門 的致動元件。而實際的機構設計上，若是與 SMA 彈簧匹配 的加壓彈簧其彈簧常數 K 值太小，會導致 SMA 無法被拉長 至設定位置；但若是 K 值太大，則會造成高溫時 SMA 收縮 力不足，導致無法拉動閥門的狀況。因此 K 值計算是決定 系統是否可以正常作動的關鍵。2.3
彈簧常數計算
由Hooke’s Law 可知，加壓彈簧 Fs的拉力與變形量 x 成正比，見式 1 所示。 Fs=Kx (1) 因為加壓彈簧的收縮時會將 SMA 彈簧拉長，所以兩者 的變形量恰好相反。加壓彈簧於常溫收縮時需要對 SMA 彈簧施加拉伸力讓 SMA 伸長至設計長度，故加壓彈簧的 彈簧特性直線與圖 2 中伸長強度曲線的交點便是加壓彈簧 的收縮點拉力。高溫時，加壓彈簧會被 SMA 彈簧拉長， 加壓彈簧拉力會隨之增加，直到兩彈簧拉伸力相等時才停 止。因此加壓彈簧被拉伸的最長位置與原本的最短位置的 拉力必須剛好等於彈簧特性直線與 SMA 彈簧伸長-收縮強 度曲線的交點，見圖 3 所示。 而加壓彈簧彈性常數 K 值可以下式求得： K＝(Fc -Fe)/(xmax-xmin) (2) 其中 Fe為加壓彈簧與 SMA 彈簧匹配時設計最大伸長量的 拉力，而 Fc為彈簧收縮至設計最短長度時的拉力，xmax為 加壓彈簧最大伸長量，xmin則為收縮至最短時的伸長量。 xmax-xmin間為理論可作用區間，故實際的動作範圍應落於 其間。 若選取理論作用區間為 9mm，對應 SMA 彈簧伸長 量為 16-25mm，故 SMA 彈簧的拉力 Fc ≒128.8 gw，Fe≒ 83.5gw。由式 2 可以求得 K= 5.042 gw/mm。彈簧的最大伸 長量 xmax＝25.55mm，最小伸長量 xmin＝16.55mm。2.4 安裝位置選擇
烘烤除濕箱工作過程中，需要排出的是加熱時產生的 廢氣，故換氣閥位置應裝置於烘烤箱頂部。為了讓 SMA 彈 簧能夠直接反應箱內氣流溫度，換氣閥 SMA 彈簧元件必須 直接暴露於氣流中，見圖 1 所示。氣流轉換閥裝設位置在 熱氣流道的出入口處，見圖 1 所示。這個位置可以讓加熱 氣流與除濕氣流共用流道與穿孔板進行整流，且不會造成 結構上的重要改變。同時在氣流轉換閥體的安裝上也較為 便利。2.5 氣流轉換閥結構設計
氣流轉換閥結構示於圖 4。閥體安裝時，閥門的位置與 烘烤箱內流道的下壁面齊平，乾燥空氣由下方進氣口進入 後，經由閥門送入烘烤箱內，見圖 1 所示。閥門出口長為 300mm，寬為 60mm，由兩片閘門控制流道開關。為了有足 夠的拉力驅動閘門，採用兩組 SMA 加壓彈簧模組驅動閘門 機構。兩片閘門由平行連桿機構連結，可同步作動。閘門 最大開啟角度為 65 度，在低溫時由下方的加壓彈簧拉伸力 大於 SMA 彈簧，故由加壓彈簧開啟；而在高溫時 SMA 彈 簧收縮力大於加壓彈簧，因此藉由 SMA 彈簧收縮閥門自動 關閉。SMA 彈簧由垂直的導流片支撐，可直接接觸加熱氣 流，見圖 4(b)所示。如此可以使 SMA 受熱昇溫的速度加快， 以增進其響應速率。2.6 換氣閥結構設計
換氣閥結構如圖 6 所示。閥體安裝時上方的排氣孔會 通出外殼，而安裝凸緣則固定於烤箱內壁面，閥體安裝位 置如圖 1 所示。在常溫時，加壓彈簧的拉伸力大於 SMA 彈 簧，會將閥門片向上拉，使閥門片與閥座(虛線表示)密合， 關閉排氣通道。當烘烤箱內的溫度上昇時，熱氣流通過 SMA 彈簧使其溫度上昇，當 SMA 彈簧超過 60℃後便會收縮，把 閥門片拉下開啟排氣通道。加熱後所產生的水氣與揮發性 等氣體，就可以由排氣通道經過閥體上方的排氣孔排放至 大氣。3. 結果與討論
3.1 形狀記憶合金彈簧特性
經實測結果後顯示所有的 SMA 彈簧其變態點溫度皆約 為 55℃，符合烘烤箱的設計需求。而拉伸強度曲線與收縮 強度曲線，如圖 2 所示，圖中亦顯示 SMA 彈簧的收縮強度 約為拉伸強度的兩倍左右。故藉由 SMA 彈簧此特性，可以 利用一彈性常數合適的拉伸彈簧作為加壓彈簧，在常溫將 SMA 彈簧拉開使閥門處於低溫位置，然後高溫時利用 SMA 收縮強度較大的特性再把加壓彈簧拉回，從而使得讓閥門 改變為高溫位置。3.2 加壓彈簧彈性係數
由前述可知，若選取理論作用區間為 9mm，對應 SMA 彈簧伸長量為 16-25mm。SMA 彈簧的拉力 Fc ≒128.8 gw， Fe≒ 83.5gw，而求得 K= 5.042 gw/mm，彈簧的最大伸長量 xmax＝25.55mm，最小伸長量 xmin＝16.55mm。但為了保證 閥門的開啟與關閉動作能夠可靠確實，本文設計的實際工 作區域選取為 8.5mm，略小於理論工作區域的 9mm，以確 保開啟與關閉時都能有足夠的力量動作。而為了簡化設計 工作，換氣閥與氣流轉換閥的 SMA 彈簧與加壓彈簧的設計 參數皆選取相同數值。3.3 氣流轉換閥與換氣閥
本實驗因無法使用實際烘箱，僅實作出烘烤除濕箱底 部的氣流轉換閥之設計，並利用吹風機作為熱風來源，經 實際操作後，閥門可確實作動。如圖 6 所示。理工學院優秀專題競賽論文徵選
4. 結論與建議
本文已完成熱風循環烘烤除濕箱換氣閥與氣流轉換閥 之設計，並且從理論分析其動作機制。而除了驗證 SMA 彈 簧材料特性外，也成功的決定出所需匹配之加壓彈簧的彈 簧常數。做出簡易的氣流轉換閥實際操作後更證實此設計 的確能可靠動作。若能應用在市面上的烘烤除濕箱，應能 直接改善高溫造成的損壞等問題。此外，本文中閥體的工 程圖皆以 SolidWorks 軟體繪製，並製成 2-D 工作圖以供加 工製作樣品。5. 參考文獻
[1]
葉修梓、陳超祥，「SolidWorks Simulation 基礎教 程」，機械工業，2009[2]
elearningDJ.com ，「Solidworks 2009 實戰演練/基 礎入門」， 加樺國際，2008[3]
楊大智、吳錫侃、游正峰，「智能材料與智能系統」， 新文京出版社，2004[4]
楊杰、吳月華，「形狀記憶合金及其應用」，中國科 學技術大學，1993[5]
舟久保熙康著、賴耿陽譯，「形狀記憶合金」，復漢， 1997[6]
Masashi Kitamasu, Masaki Yoshida,” BASIC STUDY FOR NEW TYPE ACTUATOR USING SHAPE MEMORY ALLOY ” ,EMBS International Conference , 2001[7]
蔡豐銘，「形狀記憶合金之有限元素分析」，國立雲 林科技大學機械工程研究所碩士論文，June 2004。[8]
林振寧，「形狀記憶合金之彈性係數的溫度效應之研 究」，大同大學機械工程研究所碩士論文，July 2005。[9]
彭向和、韓勇、黃尚廉，「形狀記憶合金擬彈性行為 的熱力學描述」，應用力學學報，Mar. 2000[10]
施博偉，「形狀記憶合金驅動微夾持器之應用」， 國立成功大學機械工程研究所碩士論文，July 2005。6. 圖表彙整
(a)加熱循環 (b)常溫除濕循環 圖 1 烘烤除濕箱加熱與除濕氣流循環示意圖。 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 40 SMA elongation, mm SM A d ra w n fo rc e, g wSMA tensile strength SMA retracting strength
圖 2 SMA 彈簧拉伸強度曲線與收縮強度曲線。 圖 3. 加壓彈簧特性曲線與 SMA 彈簧特性曲線配合情 形。紅色直線為依照設計條件所繪製的加壓彈簧特性曲 線。 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 SMA elongtion, mm S M A d ra w n fo rc e, g w SMA extension SMA contraction spring working zone
