節電小冰箱

壹、研究動機:

本團隊成員係先針對學校及住家附近之環境中討論適合本研究的主題，經過大家集思廣益後，我們選定家電品中最廣泛使用的冰箱為主題進行研討，而彙整出下列常見的主要問題:

一、許多人的冰箱內經常空蕩蕩的，而造成不必要的電能浪費。

由於本校位於都會區，同學們的住家附近都有許多24小時超商可購買物品，而且許多家庭的成員數變少，甚至是單身生活，許多人並不需要於冰箱中保存眾多食品，故冰箱內經常空蕩蕩的，而造成不必要的電能浪費。

二、市售的傳統冰箱，有電能浪費、產生噪音及環保疑慮。

市售的冰箱大多數仍為具有壓縮機及冷媒的傳統冰箱，除了冷媒的使用有環保疑慮外，具壓縮機的傳統冰箱會造成電能浪費及產生噪音。因此，最近幾年已有市售小冰箱改用致冷晶片製冷，而不需要採用壓縮機及冷媒，但目前尚未被廣泛使用。

    基於前述採用致冷晶片製冷的冰箱具有節能及環保的優點，我們決定發揮創意著手研究是否可以透過致冷晶片製冷，而有更理想的節電小冰箱。因此，本團隊擬針對「節電小冰箱」進行設計、實作及測試，相關研究內容係與本團隊成員於本校的「機械基礎實習」、「物理」、「電工大意」及「電腦輔助設計實習」等課程[1-4]所學習的知識與技能相關，而由團隊成員親自動腦、動手製作裝置及進行相關測試。

貳、研究目的：

   根據上述研究動機，本研究係針對「節電小冰箱」進行設計、實作及測試，希望經由研究後，能達到下列目的:

一、需具有節能及環保的優點。   

二、需能符合僅需保存少數食品者的使用需求，減少不必要的電能浪費。

三、需能方便移動，增加使用者的方便性。

叁、研究設備及器材：

    本研究創作之「節電小冰箱」的設計係透過致冷晶片的冷面朝向冰箱本體之內部產生製冷，係透過導冷片、導冷風扇及鋁箔來加強導冷，並採用保麗龍為本體的內層材料以加強保冷效果，且於致冷晶片的熱面透過導熱片、熱導管、散熱鰭片及散熱風扇加強散熱效果以維持該致冷晶片的正常運作，主要材料如圖1所示。

圖1  本研究之研究設備及器材。

肆、研究過程或方法:

一、研究流程圖:

本研究之流程圖如圖2所示，我們先蒐集市售商品及專利資料研讀討論後，研擬作品製作方向，並依據前述經由商品的特性分析與設計的方向，繪製所需的設計圖，進行作品設計圖之繪製，再參照作品設計圖進行材料詢價及購買，然後進行作品製作，並將作品進行測試及改良，最後再進行作品說明書之撰寫。

前述相關研究內容係與本團隊成員於本校的「機械基礎實習」、「物理」、「電工大意」及「電腦輔助設計實習」等課程[1-4]所學習的知識與技能相關，而由團隊成員親自動腦、動手製作裝置及進行相關測試。

          圖2 本研究之研究流程圖。

二、蒐集資料

(一)、市售商品

    冰箱從結構上，一般包括箱體、製冷系統、電氣系統。

1.大多數的市售冰箱的箱體內容積約為90公升以上，其製冷系統係包含:壓縮機、冷凝器、膨脹閥、及蒸發器四個基本部件，且透過冷媒在製冷系統中循環，而能維持箱體內的低溫。

2.另現今已有少數採用致冷晶片製冷的小型冰箱，無複雜之機械裝置，惟其效能因素，且目前尚未被廣泛使用。

(二)、專利查詢[5, 6]

 1. 冰箱M318113(公告日:2007/09/01)，如圖3所示:

    本創作係為一種冰箱。本創作之冰箱包括一本體、一致冷晶片與一空氣流通導管。致冷晶片包括一發熱面與一致冷面。致冷晶片安裝於本體之缺口，並且利用該致冷面朝向本體之內部以達到降低本體內溫度的效果。空氣流通導管用以增加本體內之空氣循環。

圖3冰箱M318113專利之圖式。

2. 環保節能太陽能冰箱M473501 (公告日: 2014/03/01) ，如圖4所示:

圖4環保節能太陽能冰箱M473501專利之圖式。

本創作之環保節能太陽能冰箱包括一冰箱本體、至少一致冷晶片、一熱電晶片單元、一熱箱、一太陽能板、多數熱管及一控制單元。該冰箱本體設於一基礎。該至少一致冷晶片設於該冰箱本體內部。該熱電晶片單元具有一外側設有一散熱器之冷端及一熱端，該散熱器包括多數鰭片，該等鰭片間形成有多數與外界導通之散熱空間。該熱箱設於該基礎，圍構有一內部空間，其相對二側分別設有一與該熱電晶片單元之熱端抵接之傳熱導體及一保熱介面，該保熱介面開設有多數組上下設置之第一通孔。該太陽能板與該保熱介面抵接且開設有多數組分別對應且連通該多組第一通孔之第二通孔。各該熱管之二端經由對應之一組第一通孔及第二通孔而與該內部空間連通。該控制單元與該至少一致冷晶片、該熱電晶片單元及該太陽能板電性連接，該控制單元可選擇性地控制該至少一致冷晶片運作而降溫該冰箱本體內部。

三、研擬製作方向

(一)、商品與專利品特性分析

1.大多數的市售冰箱係透過冷媒在製冷系統中循環，而能維持箱體內的低溫，其製冷系統係包含:壓縮機、冷凝器、膨脹閥、及蒸發器四個基本部件，且箱體內容積約為90公升以上，除了冷媒的使用有環保疑慮外，具壓縮機的傳統冰箱會造成電能浪費及產生噪音。由於便利商店的蓬勃發展，對許多成員較少的家庭，甚至是單身生活者，傳統市售冰箱的箱體內容積太大而造成不必要的電能浪費。

2.雖然最近幾年已有市售小冰箱改用致冷晶片製冷，而不需要採用壓縮機及冷媒壓縮機及冷媒，但許多人對於此類冰箱仍有性能疑慮，故目前尚未被廣泛使用。

3.專利品: 冰箱M318113(如圖3所示)，是利用將致冷晶片安裝於冰箱本體之缺口，並且利用其致冷面朝向冰箱本體之內部以達到降低本體內溫度的效果，且透過空氣流通導管用以增加本體內之空氣循環。

4.專利品: 環保節能太陽能冰箱M473501 (如圖4所示)，是利用控制單元控制該至少一致冷晶片運作而降溫該冰箱本體內部，並可利用太陽能板將太陽光進行光電轉換產生的電能供電給該致冷晶片。

(二)、設計方向

1.採用壓縮機及冷媒的現有商品，除了冷媒的使用有環保疑慮外，具壓縮機的傳統冰箱會造成電能浪費及產生噪音，因此，本作品設計上應採用致冷晶片製冷。

2.採用致冷晶片製冷的現有商品，仍有性能疑慮，故目前尚未被廣泛使用，因此，本作品設計上應特別注意如何達致降低冰箱本體內溫度的效果。

3.專利品M318113採用透過空氣流通導管用以增加本體內之空氣循環，因此，本作品設計上應特別注意如何增加冰箱本體內之空氣循環。

4.專利品M473501採用太陽能板將太陽光進行光電轉換產生的電能供電給該致冷晶片，但此種設計需增加成本，但且需讓太陽光可照射到太陽能板，而限制了冰箱的放置地點，因此，本作品設計上捨棄採用太陽能板供電的方式。

四、繪製作品設計圖

本研究依據前述經由商品的特性分析與設計的方向，繪製所需的設計圖，如圖5所示。本研究創作之「節電小冰箱」的設計係透過致冷晶片的冷面朝向冰箱本體之內部產生製冷，係透過導冷片、導冷風扇及鋁箔來加強導冷，並採用保麗龍為本體的內層材料以加強保冷效果，且於致冷晶片的熱面透過導熱片、熱導管、散熱鰭片及散熱風扇加強散熱效果以維持該致冷晶片的正常運作。

圖5本研究設計之「節電小冰箱」的組合示意圖及分解示意圖。

五、執行製作

本研究依據前述作品設進行作品製作，主要過程如圖6所示。

圖6本研究創作的主要製作過程。

伍、研究結果:

一、致冷晶片冷面溫度之量測:

    如圖7所示，係本研究所採用的致冷晶片冷面溫度之量測，此項測試係在致冷晶片熱面係採自然散熱方式下進行；結果顯示溫度於3分鐘時已由30C降低至0C，並持續降溫至-5C。

圖7本研究所採用的致冷晶片冷面溫度之量測。

二、原型冰箱內不同隔片位置時的溫度之量測:

    如圖8所示，係係於本研究先行製作的原型冰箱內不同位置擺放隔片時的箱內溫度量測，擺放隔片的位置越高(h值越大)就代表箱內容積越小；結果顯示當h=10cm時，箱內最低溫度僅能降低至14C；若增加h值至h=20cm及h=30cm時，箱內最低溫度僅能降低至10.5C。

圖8原型冰箱內不同隔片位置時的溫度與時間之關係。

三、本作品冰箱內(無鋁箔)不同位置的溫度之量測:

    依據前述(二)的結果，本研究修改的冰箱內部尺寸而採用深22.5cm/寬26cm/高35.5cm，然後，針對冰箱內中心線的不同位置(不同z值)進行溫度量測，如圖9所示，在冰箱內中心點(z=20cm)之溫度於5分鐘時已降低至14C，並持續降溫至11C；在冰箱內中心點下方(z=10cm)之溫度則僅能降溫至13C；反之，在冰箱內中心點上方(z=30cm)之溫度於5分鐘時已降低至13C，並可持續降溫至10C。

圖9本作品冰箱內(無鋁箔)不同位置之溫度與時間之關係。

四、本作品冰箱內(有鋁箔)不同位置的溫度之量測:  

圖10本作品冰箱內(有鋁箔)不同位置之溫度與時間之關係。

為了加強導冷效果，本研究於冰箱內部表面加裝一層鋁箔，然後，再針對冰箱內中心線的不同位置(不同z值)進行溫度量測，如圖10所示，在冰箱內中心點(z=20cm)之溫度可持續降溫至8.2C；在冰箱內中心點下方(z=10cm)之溫度則降溫至8.6C；在冰箱內中心點上方(z=30cm)之溫度更降溫至6.2C。

五、作品功用與操作方式:

    如前述製作過程，本研究已針對「節電小冰箱」進行設計、實作及測試，所創作的「節電小冰箱」如圖11所示，作品主要功用與操作方式如下:

1.可自行設定低溫(最低溫約攝氏8度)保存食物，導致冷藏的效果。

2. 不需要採用壓縮機及冷媒，而能具有節能及環保的優點。

3. 作品內部尺寸採用深22.5cm/寬26cm/高35.5cm，係針對僅需保存少數食品者而設計，而能減少不必要的電能浪費。

4. 作品重量不大，而能方便移動。

5. 本作品的操作方式相當的方便，將本作品連接電源後，於溫度控制器設定冷藏溫度(最低溫約攝氏8度)後，就能冷藏食物了。

圖5 本研究設計之「節電小冰箱」的作品完成圖。

陸、討論

一、如何讓致冷晶片冷面可以正常製冷?

由於本研究創作之「節電小冰箱」的設計係透過致冷晶片的冷面朝向冰箱本體之內部產生製冷，若是冷面無法正常製冷將導致本作品失效，因此，本研究之初就針對所採用的致冷晶片進行冷面溫度之量測(如圖7所示)，並發現必需針對致冷晶片熱面進行散熱，才能讓致冷晶片冷面可以正常製冷，故本作品於致冷晶片的熱面透過導熱片、熱導管、散熱鰭片及散熱風扇加強散熱效果以維持該致冷晶片的正常運作。

二、如何讓本研究創作之「節電小冰箱」具有節電的效果?

傳統市售的冰箱大多數仍為具有壓縮機及冷媒的傳統冰箱，除了冷媒的使用有環保疑慮外，具壓縮機的傳統冰箱會造成電能浪費及產生噪音。因此，本創作除改採用致冷晶片製冷外，並且針對僅需保存少數食品者的使用需求進行相關測試(如圖8)制定作品內部尺寸(深22.5cm/寬26cm/高35.5cm)，而能減少不必要的電能浪費。

三、如何強化本研究創作之「節電小冰箱」的製冷效果?

本研究創作之「節電小冰箱」為了強化製冷效果，係從作品內部的「加強保冷」與「強化導冷」二方面達成，「加強保冷」主要係採用保麗龍為本體的內層材料以加強保冷效果，強化導冷」則是透過導冷片、導冷風扇及鋁箔(如圖9及圖10)來加強導冷效果。

柒、結論

    本研究已完成「節電小冰箱」的設計、實作及測試，透過科學性的觀察與紀錄，本作品具有下列特色:

    一、不需要採用壓縮機及冷媒，而能具有節能及環保的優點。

    二、作品尺寸係針對僅需保存少數食品者而設計，而能減少不必要的電能浪費。

    三、作品重量不大，而能方便移動。

捌、参考文獻資料及其他  

[1]王千億、王俊傑、李德福，“機械製造總複習”， 第2-1頁至2-11頁，科友圖書股份有限公司，109年6月出版。

[2] 許信凱、姜智軒，“物理B下冊”， 第66頁至145頁，謳馨事業股份有限公司，109年2月出版。

[3] 汪永文，“電工大意”， 第128頁至134頁，全華圖書股份有限公司，98年9月出版。

[4] 詹世良，“電腦輔助設計實習”， 第1頁至305頁，科友圖書股份有限公司，109年4月出版。

[5] 楊雅博，“冰箱”， 中華民國新型專利第M318113號，96年9月1日公告。

[6] 汪文政、邱靖華、顧皓翔，“環保節能太陽能冰箱”， 中華民國新型專利第M473501號，103年3月1日公告。