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研究生：	馮建華 Feng, Jian-Hua
論文名稱：	維勒米爾式冷凍機之理論分析與性能測試 Theoretical Analysis and Performance Testing of a Vuilleumier Refrigerator
指導教授：	鄭金祥 Cheng, Chin-Hsiang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 航空太空工程學系 Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年：	2020
畢業學年度：	108
語文別：	中文
論文頁數：	88
中文關鍵詞：	維勒米爾冷凍機、熱壓縮、理論模型、實驗測試
外文關鍵詞：	Vuilleumier refrigerator, Thermal compression, Theoretical model, Experimental test
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本研究建立一套理論模型預測維勒米爾冷凍機之熱力性質與製冷性能，並設計、製造與量測冷凍機之性能，理論模型將冷凍機分為五個工作區間進行分析，為熱腔室、熱再生室、中間腔室、冷再生室與冷腔室，以及考慮背壓室對工作區間熱力性質的影響，並針對幾何參數、填充壓力、馬達轉速、加熱溫度、冷卻溫度與熱負載等參數的影響進行討論。實驗方面架設冷凍機之溫度與性能的量測系統，透過不同操作參數之模擬結果和實驗數據進行參數分析，探討不同操作參數對性能的影響，作為未來設計改良之參考方向。
本研究設計之維勒米爾冷凍機於填充壓力22 bar、馬達轉速600 rpm、加熱溫度900 K與冷卻溫度276 K之操作條件下，製冷頭能夠達到221 K之無負載溫度，當加入0.7 W之熱負載時，能夠得到252.6 K之製冷溫度與0.0068之性能係數。

In this study, a Vuilleumier refrigerator is analyzed with thermodynamic modeling. Periodic variations in volume, mass, pressure and temperature in different chambers of the cylinder are predicted. The affect of clearance leakage and buffer chamber on the working space are considered. A prototype of the Vuilleumier refrigerator is manufactured, and the influence of each operating parameter on the cold head temperature in theoretical model is discussed and compared with experiment results. The operating parameters include charged pressure, rotating speed, heating temperature and cooling temperature. The refrigerator can reach a no-loading cold head temperature of 221 K at the operating conditions of 16 bar charged pressure, 600 rpm rotating speed, 900 K heating temperature, and 276 K cooling temperature for experiment.

目錄
摘要	I
ABSTRACT	II
誌謝	VII
目錄	VIII
表目錄	XII
圖目錄	XIII
符號索引	XVI
第一章	前言	1
1.1	研究背景與動機	1
1.2	維勒米爾式冷凍機簡介	2
1.2.1	發展概要	2
1.2.2	機構與結構分類	4
1.2.3	驅動方式與工作原理	5
1.3	研究目的	6
1.4	論文架構	7
第二章	理論模型	8
2.1	熱移氣器與冷移氣器位移軌跡	8
2.2	各腔室體積變化	9
2.3	熱力分析	11
2.3.1	初始條件	11
2.3.2	熱再生室與冷再生室	12
2.3.3	熱腔室	17
2.3.4	中間腔室	21
2.3.5	背壓室	23
2.3.6	冷腔室	24
2.3.7	製冷頭	26
2.3.8	性能係數	28
第三章	設計與實驗	30
3.1	設計原理	30
3.1.1	移氣器	30
3.1.2	再生器	30
3.1.3	加熱汽缸	31
3.1.4	散熱汽缸	32
3.1.5	製冷汽缸	32
3.1.6	傳動機構	32
3.2	設計理念	33
3.2.1	工作流體	33
3.2.2	加熱方式	34
3.2.3	散熱方式	34
3.2.4	設計參數	35
3.3	實驗系統	36
3.3.1	實驗目標	36
3.3.2	冷凍機組立	36
3.3.3	量測方法	37
第四章	結果與討論	39
4.1	熱力性質	39
4.2	設計參數分析	43
4.2.1	間隙洩漏的影響	43
4.2.2	再生器的影響	44
4.2.3	製冷汽缸厚度的影響	44
4.3	模擬結果與實驗數據比較	45
4.3.1	填充壓力的影響	45
4.3.2	馬達轉速的影響	46
4.3.3	加熱溫度的影響	46
4.3.4	冷卻溫度的影響	47
4.3.5	熱負載的影響	47
第五章	結論	49
參考文獻	50
 
表目錄
表3-1 基準組之設計參數	53
表4-1 基準組之操作條件	54
表4-2 不同馬達轉速與馬達輸入功之關係	55
表4-3 熱負載、製冷溫度與性能係數之關係	56


 
圖目錄
圖1-1 維勒米爾冷凍機	57
圖1-2 維勒米爾冷凍機結構示意圖	58
圖1-3 維勒米爾冷凍循環之工作過程	59
圖2-1 幾何參數	60
圖3-1 維勒米爾冷凍機零件照與直流無刷馬達	61
圖3-2 組裝完成之維勒米爾冷凍機	62
圖3-3 實驗與量測系統架構圖	63
圖3-4 實驗設備架設圖	64
圖3-5 實驗設備	65
圖3-6 製冷頭結霜照	66
圖4-1 熱移氣器與冷移氣器位移變化	67
圖4-2 熱腔室、中間腔室與冷腔室體積變化	68
圖4-3 熱腔室、中間腔室、冷腔室與工作區間質量變化	69
圖4-4 系統與背壓室壓力和熱再生器與冷再生器壓力降變化	70
圖4-5 熱腔室、中間腔室、冷腔室與工作區間之P-V圖	71
圖4-6 熱腔室、中間腔室與冷腔室熱傳量變化	72
圖4-7 製冷頭平均溫度變化	74
圖4-8 熱腔室、中間腔室、冷腔室與製冷頭溫度變化	75
圖4-9 冷腔室熱損失	76
圖4-10 冷腔室與製冷頭熱損失	78
圖4-11 質量洩漏與受洩漏影響之系統壓力變化	79
圖4-12 間隙寬度對製冷溫度之影響	80
圖4-13 熱再生器寬度對熱再生器死區體積與製冷溫度之關係	81
圖4-14 熱再生器與冷再生器有效度對製冷溫度之影響	82
圖4-15 製冷汽缸厚度對軸向熱傳損失與製冷溫度之影響	83
圖4-16 在 =400 rpm、 =900 K與 =300 K操作條件下，
	不同填充壓力之製冷頭降溫實驗曲線與對製冷溫度之
	影響	84
圖4-17 在 =14 bar、 =900 K與 =300 K操作條件下，
	不同馬達轉速之製冷頭降溫實驗曲線與對製冷溫度之
	影響	85
圖4-18 在 =14 bar、 =400 rpm與 =300 K操作條件下，
	不同加熱溫度之製冷頭降溫實驗曲線與對製冷溫度之
	影響	86
圖4-19 在 =14 bar、 =400 rpm與 =900 K操作條件下，
	不同冷卻溫度之製冷頭降溫實驗曲線與對製冷溫度之
	影響	87
圖4-20 在 =16 bar、 =600 rpm、 =900 K與 =276 K
	操作條件下，不同熱負載之製冷溫度曲線和性能係數之
	理論與實驗比較	88
                                    

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校內：2024-07-30公開
校外：2024-07-30公開

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