中央大學機械工程學系學位論文
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隨著冰水機及熱泵等設備之法定COP日漸提昇且設備體積小型化的需求，板式熱交換器被廣泛應用於冷凍空調系統中。但板式熱交換器蒸發熱傳性能的公開測試資料仍非常缺乏，導致設計者要準確預估板式熱交換器蒸發熱傳性能的難度極高。 為解決此一問題，本研究以實驗方法進行R410A冷媒對水在板式熱交換器內之蒸發熱傳實驗，探討逆向流與同向流蒸發熱傳性能的差異及不同的冷媒出口過熱度對蒸發熱傳性能的影響，並建立蒸發熱傳性能的預估方法。實驗同時利用紅外線熱像儀觀察板片表面溫度場，分析冷媒的飽和區與過熱區是否與預估的相同，以驗證蒸發熱傳性能預估方式的準確性，作為未來板式熱交換器設計者設計之依據。 實驗時測試段冷媒入口乾度為0.24，冷媒蒸發溫度為1.1 oC，冷媒出口過熱度為2 oC及5 oC。依實驗結果分別探討蒸發段熱傳性能及整體熱傳性能，同向流之蒸發段熱傳係數比逆向流高，但總體熱傳性能除了受流動方向影響外，也與出口過熱度有關。當冷媒出口過熱度較低時，同向流動之整體熱傳性能與逆向流動沒有差異。當冷媒出口過熱度較高時，同向流動之整體熱傳性能低於逆向流動。
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本研究利用化學氣相沉積法將石墨烯成長於鎳金屬多孔材上作為腐蝕抑制層，並與市面上常見之抗蝕鍍層，氮化鈦鍍層與金鍍層進行比較；藉由表面微觀結構檢測、接觸角量測、電阻量測以及腐蝕極化測試，以分析不同鍍層之鎳金屬多孔材的化學特性與物理特性，並進一步組成單電池，進行電池性能量測、電化學交流阻抗頻譜分析以及長時間穩定性測試，以了解應用不同鍍層之鎳金屬多孔材於燃料電池內流道中之影響。 石墨烯鍍層於微觀檢測中，具有緻密的表面結構；於pH=3、80 ℃腐蝕極化測試後，結果顯示石墨烯鍍層試片仍具有優異的導電性與疏水性，並且具有最小之腐蝕電流密度為6.5x10-7 A/cm2，與基材相差了九倍之多。於單電池性能測試結果顯示，石墨烯鍍層單電池於50 ℃同加濕溫度條件下且電壓為0.6 V時，電流密度為1068 mA/cm2，具有最佳之電池性能表現，並於長時間穩定性測試下，平均輸出電流為24.31 A，顯示石墨烯鍍層具有優異的疏水特性與抗腐蝕能力。由此可知石墨烯鍍層不僅具有穩定的化學性質與優異的物理性質，成為當今最薄之腐蝕抑制層，又因石墨烯可成長於任何幾何形狀之試片，因此於表面處理中，具有相當大的發展潛能。
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組織工程支架在組織再生以及器官再造上，扮演了相當重要的角色。本研究利用冷凍成型積層製造法製作組織工程支架，其方法的最大特色為當支架製作完成時，能以冷凍乾燥的方式昇華支架內含的水分，使支架表面留下微小孔隙以利於後續的細胞培養。 本研究主要目的為開發新的冷凍成型積層製造系統與組織工程支架於不同製作參數下的線徑差異與結構平整度。 冷凍成型積層製造系統透過獨立運作的機械手臂與Z軸升降平台，每完成一層材料沉積，升降平台會隨即下降一層層厚的距離，繼續沉積下一層材料，直到整體支架製作完成。每層支架都會在相同的高度下進行材料沉積，確保每層材料都能於均勻且相同的溫度環境下進行沉積動作，來保持製作環境的溫度一致性。 支架的線徑差異測量方面，吾人透過調校噴擠材料壓力與噴頭移動速度來比較各個支架成品的線徑差異與結構平整度，透過電子顯微鏡像圖可以清楚地觀測並測量支架的線徑大小，最後針對不同參數做出綜合比較圖表，以利觀察不同參數下的線徑變化趨勢。
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本文主要設計一低頻電磁式發電機，利用磁鐵與鎳膠之影響，來達到降低共振頻之效果。首先利用半導體製程技術在矽晶圓上製作一 7 mm * 7 mm * 0.2 mm 懸臂樑，利用光罩補償之設計，於懸臂樑前方留下重物，接著在懸臂樑上方點製作出五圈之線圈，在重物下方點上一層鎳膠。 從模擬結果中可得知，磁鐵四周磁場較強，因此將元件放置於銣鐵硼強力磁鐵邊緣，利用線圈在受到外部振動後與磁鐵所產生之磁場，產生感應電動勢達到發電之效果。 在量測元件後發現，於磁鐵邊長上方 2 mm 處，量測結果得知共振頻由 170 Hz 降至 157 Hz，電壓則由 172 mV 提升至 212 mV，也發現鎳膠擺放位置之不同，對懸臂樑發電會造成頻寬增加 20.65 Hz，發電量由 198 mV 降至 128 mV，共振頻下降 40 Hz 之結果，可得知懸臂樑之共振頻會隨相吸力增強而下降。
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本研究利用透明板式熱交換器，使用空氣與水為工作流體，模擬冷媒在蒸發器入口的狀態，雷諾數範圍為50到250，用數位相機錄影的方式記錄不同擋板配置流動分布情況進行可視化觀察，實驗參數有不同擋板位置、不同擋板開口、熱交換器之入口處配置擋板和擋板與擋板間的間距大小。 實驗結果得知入口集管內部的板擋對流動分布有明顯的影響，擋集管上部的配置可以使入口集管內液氣均勻混合。而之後實驗配置皆以擋集管上部為配置，集管內部配置擋集管直徑的25%和50%兩者配置，對整體的流動分布差異不大，但集管內擋集管直徑的50%液氣混合較擋集管直徑的25%均勻。在入口設置擋板，受擋板的影響能迫使液氣混合後再流入入口集管可以有效改善流動分布，在入口配置擋集管直徑的25%和50%的擋板皆有好的流動分布。改變擋板與擋板間，兩擋板間距為五個平行流道，液氣混合的效果有好的流動分布，相對進出口的壓降也是最大的。
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發展低生產成本及高品質多晶矽晶錠，對太陽能電池持續朝向市電平價的目標邁進，具關鍵重要地位。在多晶矽晶錠生長過程中，常見高濃度的碳與氧雜質，會在晶錠中形成差排導致太陽能電池轉換效率降低，因此，控制雜質濃度是影響晶錠品質之關鍵。 本研究中以有限體積法（FVM）進行數值模擬，使用晶種直接固化法模擬生長大尺寸多晶矽晶錠過程之熱流場與氧、碳雜質濃度場，將模擬結果與實際生長數據進行比較，數據由SAS公司測量晶錠內雜質濃度分佈。探討不同的熱場設計、調整氬氣流速與石墨上蓋板的設計對於氧與碳雜質濃度之影響。 由模擬結果顯示，熔湯的對流主要由浮力造成，對流形態隨生長過程固化的程度而改變，固液界面形狀大部分呈現凹向熔湯，使晶粒朝向中心軸生長。對於固液界面形狀的影響，透過調整坩堝支柱的間距與排列方式，以及加入保溫塊於爐體中，兩者藉以增加堝壁的軸向溫度梯度，使晶粒在堝壁生長的結晶速率降低且在中央區微凸，改善固液界面形狀，加熱器的輸出功率降低能達到節能熱場的效果。在晶錠生長過程中，流動型態對於雜質傳輸具重要影響。氬氣流速增加，能將更多從自由表面氣化的氧化矽氣體帶往爐體外，當氬氣流率增加為52.5slpm時，熔湯中有較低的雜質濃度。在固定氬氣流速下，調整不同的石墨上蓋板長度，藉此影響氣體區與熔湯的流動型態。當石墨上蓋板長度為四分之一且放置於坩堝上方時，熔湯中的流動型態在高固化分率時明顯改變，能使更多氧雜質從自由液面氣化再由氬氣帶往爐體外，對於降低雜質濃度有明顯效果。 關鍵字：多晶矽晶錠；晶種直接固化法；數值模擬
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對於下顎骨發生缺損的病患，整形外科醫師通常會使用腓骨游離皮瓣來進行重建，為了重塑下顎骨原有的外觀，我們需要將腓骨切割成不同長度的片段，組合成近似下顎曲線的外觀。而考慮骨骼癒合的速度，能夠建立緊密的骨間吻合面是相當合理的要求。因此，如何建構一個良好的手術計畫與提供可靠的工具來協助骨骼切割是非常重要的。下顎骨重建手術的成功關鍵在於，能夠提供手術者一套可靠而正確的方法，將下顎骨缺損的空間資訊傳遞到腓骨上，以便讓他們做為切割腓骨的參考。關於這個問題先前有許多學者提出解決方案，然而並沒有一個簡便而好用的方法。 為了提供更好的手術結果，我們發展出兩種方法，以增加鋸骨手術的準確度。我們使用電腦輔助設計技術，來製作出一組外型類似病患下顎骨的紙質模型，並利用此模型讓醫師做良好的切割路徑規劃。而以此為根據，我們更研發出一套金屬材質的機械裝置，來幫助醫師在手術中準確的量測下顎骨缺損的空間資訊，並協助進行精準的腓骨鋸切。在臨床方面，紙質模型方法已經應用於六位病患，而機械裝置則應用於十二位病患的重建。在這些病患上我們都可以得到良好的骨與骨的接觸吻合面。在進一步的應用方面則包括兩種情況：第一種是使用客製化的咬合板與機械裝置，以便選擇腓骨長度與切割斜面，來決定適當的下顎植牙位置，第二種是合併使用紙質模型與機械裝置，來協助進行非立即性的下顎骨重建手術。在本研究中，我們提出了紙質模型與機械裝置兩種創新的方式，來協助下顎骨重建手術中切割腓骨的步驟。在不同的狀況下，這兩種方法可以分別應用或是合併使用，以得到最好的手術結果。
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本研究目的在探討還原環境對於玻璃陶瓷接合劑和金屬連接板接合件的潛變性質與破壞模式之影響，所使用的玻璃陶瓷為核能研究所開發一款代號為GC-9的材質，金屬連接板則是使用代號為Crofer 22 H的商用肥粒鐵系不銹鋼。在800 °C的H2-7 vol% H2O還原環境下，對於接合件施予剪力及張力固定負載來進行潛變實驗，同時評估還原環境時效處理對接合件潛變性質的影響，並比較在還原環境與氧化環境下潛變性質的差異。 結果顯示，接合件試片於800 °C H2-7 vol% H2O氣氛下的剪力與張力潛變壽命會隨著負載減少而增加。剪力試片具1000小時壽命的潛變強度約為剪力接合件強度的18%，而張力試片具1000小時壽命的潛變強度則約為張力接合件強度的0.67%。兩個可能影響接合件抗潛變性質的原因為：(1) 潛變實驗過程中的即時熱處理，增加GC-9玻璃陶瓷基材中的結晶量，並提升接合件的抗潛變能力；(2) 隨著潛變時間增加，還原環境中的水會降低GC-9玻璃陶瓷基材中非結晶相的黏滯性，軟化接合件的結構。因此剪力與張力接合件試片的破裂位置，隨著潛變時間的增加，由破裂於GC-9玻璃陶瓷基材中，轉變為GC-9與氧化鉻(Cr2O3)的介面，最後變回破裂於GC-9中。 經1000小時還原環境時效處理後，剪力試片具1000小時壽命的潛變強度約為未經時效處理剪力接合件強度的32%，而張力試片具1000小時壽命的潛變強度則約為未經時效處理張力接合件強度的38%。經時效處理後，接合件的抗潛變能力降低的主要原因為，在GC-9玻璃陶瓷基材中的玻璃相與結晶相之間形成微孔洞所導致。對於未時效處理之剪力與張力試片，在還原環境下接合件的抗潛變能力，明顯低於氧化環境下接合件的抗潛變能力，主要原因為還原環境中的水氣降低接合件的結構強度所致。
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雙光子聚合(Two Photon Polymerization)微製造是一項新穎的技術，其特點為以層層堆疊的方式製作任意且複雜之立體微結構，但由於TPP微製造之最小成形單位─體素為類似於橢圓體的形狀，於一般三軸之系統架構製作微結構時因體素尺寸關係而造成結構失真，對此本研究提出利用四軸系統架構，藉由旋轉樹酯承載台讓體素以不同於傳統三軸架構的堆疊方式進行堆疊。本論文首先以一般傳統三軸的方式，改變雷射功率與曝光時間製作體素點陣列，利用掃描式電子顯微鏡量測體素之縱向與橫向尺寸，建立起本實驗室之資料庫，接著利用四軸系統製作高深寬比陣列，來驗證四軸架構之可行性，經過實驗成果顯示本研究利用四軸微製造系統製作出高深寬比為3.347之結構。
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在有機金屬氣相沉積 (MOCVD)反應的實際長晶過程中，由於加熱器的配置會產生晶圓表面溫度分布不均與晶圓翹曲的問題，本研究利用有限元素分析法(FEM)，計算晶圓表面在長晶過程中的溫度分布與薄膜成長後系統降至常溫的晶圓翹曲量，探討承載盤及晶圓的溫度分布對於氮化鎵薄膜磊晶品質及薄膜翹曲的影響。 考慮一般業界經驗，要獲得品質良好的薄膜，長晶時晶圓表面最大溫差必須小於1 K；本研究藉由改變晶圓及承載盤部分區域之間的熱傳條件來設計承載盤，以實現使2吋及8吋晶圓表面溫度更均勻，並且減少2吋晶圓在製程後降至常溫之翹曲量的目的。此外，亦考慮由於晶圓放置誤差造成溫度輸入或接觸狀況改變，對於晶圓表面在長晶階段的溫度分布及常溫時晶圓翹曲量之影響。同時藉由前人以不同厚度氮化鎵磊晶在藍寶石晶圓的翹曲量測實驗與本研究的模擬結果做比對，確認模擬結果之晶圓翹曲及晶圓曲率半徑與相對應的實驗結果十分接近，驗證本研究所建立模型的有效性，故可適用於預測晶圓表面在長晶階段的溫度分布及常溫時的翹曲量。 本研究先根據晶圓放置於未改良設計之承載盤上的晶圓表面溫度分布，考慮將設計的凹槽建立在晶圓高溫區域下方的承載盤支撐面上，藉此改變承載盤與晶圓之間的熱傳條件，讓晶圓表面高溫區域的溫度降低，以此方式降低2吋晶圓表面溫度差及翹曲量。將此設計應用於8吋晶圓的承載盤上也再次證明了本研究的凹槽設計可以有效地降低晶圓表面在長晶階段時的溫度差，也能容忍一定程度的溫度輸入偏差，包括溫度輸入大於或小於原本的值2 K、溫度輸入分布沿徑向遠離或靠近旋轉中心、較大的溫度輸入差等。 本研究也同時結合了2吋反向預翹曲晶圓及具有相同彎曲形狀支撐面及凹槽的承載盤，使晶圓於長晶時的表面溫度小於1 K，同時也幾乎消弭了原本在常溫時的翹曲量。但是由於預翹曲的晶圓與彎曲支撐面之間的接觸狀況對於晶圓表面在長晶時的溫度較敏感，若因製造上的誤差使兩曲面之曲率相異而造成非接觸的區域過大，其改善效果則會受到限制。