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系統識別號 U0026-0208201614102600
論文名稱(中文) 自由活塞式史特靈冷凍機之設計與製作
論文名稱(英文) Design and Manufacturing of a Free-Piston Stirling Cooler
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生(中文) 呂哲宇
研究生(英文) Zhe-Yu Lu
學號 P46031513
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 84頁
口試委員 指導教授-鄭金祥
口試委員-宋齊有
口試委員-康尚文
口試委員-顏維謀
中文關鍵字 史特靈冷凍機  自由活塞式  Beta型  原型機設計 
英文關鍵字 Stirling cooler  Free-piston  Beta type  Design of prototype 
學科別分類
中文摘要 本研究以開發 型自由活塞式史特靈冷凍機並結合音圈馬達作為驅動源為主要目標,同時建立理論模式,以預測冷凍機內部動件之運作情形以及效能,起因於自由活塞式冷凍機無法利用機構之幾何尺寸得知活塞以及移氣器相互運動之關係,因此利用理論模式輔助原型機設計以及實驗,以達到較低之無負載溫度。在理論模式首先利用動力模式求出移氣器與活塞之位移以及速度,接著熱力模式將冷凍機內部分成三個腔室得到各腔室之熱力性質,而壓力會影響移氣器之位移,經過反覆的計算後可得到製冷頭之無負載溫度,且利用外部給予一熱負載,可計算求得性能係數。本研究成功開發出一 型自由活塞式冷凍機之原型機,並於馬達操作頻率為50 Hz、填充壓力為3 atm、工作流體為氦氣之參數下,得到153 K之無負載製冷溫度。
英文摘要 This study is aimed at developing a beta type free-piston Stirling cooler and using a voice coil motor as driving source. A theoretical model has been established to predict the dynamic behavior and coefficient of performance of the cooler.The free-piston Stirling cooler is different from traditional Stirling cooler in mechanism. A displacer of the beta type free-piston Stirling cooler is restricted by a planer spring. In order to achieve a low no-load temperature, the theoretical model is developed to assist a design of prototype and experiments. The displacement and velocity of piston and displacer can be obtained by a dynamic model in the theoretical model. Thermodynamic properties in three different chambers are the transient varying positions of a piston and a displacer is obtained by means of the dynamic model. The no-load temperature of the cold head can be obtained by energy equation. The coefficient of performance can be decided as heat load is applied on the cold head. In this study, a prototype cooler using helium as working fluid is developed, which is able to reach the no-load temperature of 153 K at charging pressure of 3 atm and operating frequency of 50 Hz.

論文目次 摘要 I
EXTENDED ABSTRACT II
誌謝 VIII
目錄 IX
表目錄 XIII
圖目錄 XIV
符號索引 XVII
第一章 前言 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 史特靈冷凍機歷史與簡介 2
1.2.1 發展概要 2
1.2.2 工作原理與整體結構 3
1.3 研究方向 5
1.4 論文架構 5
第二章 理論模型 6
2.1 活塞之位移 7
2.2 移氣器之位移 7
2.3 初始條件 9
2.4 再生室 12
2.5 壓縮室 17
2.6 膨脹室 19
2.7 製冷頭 22
第三章 設計與實驗 25
3.1 冷凍機設計概要 25
3.2 冷凍機零件設計 26
3.2.1 動力來源 26
3.2.2 傳動元件 27
3.2.3 壓縮汽缸與製冷汽缸 28
3.2.4 移氣器與動力活塞 29
3.2.5 再生器 30
3.2.6 工作流體 31
3.2.7 平面彈簧 31
3.2.8 密封元件 32
3.3 冷凍機組立與實驗設備 33
3.3.1 冷凍機組立 33
3.3.2 音圈馬達 33
3.3.3 CME2馬達控制軟體 34
3.3.4 熱電偶 34
3.3.5 資料擷取器 35
3.3.6 電源供應器 35
3.4 實驗目標與實驗方法 36
第四章 結果與討論 37
4.1 動力性質與熱力性質 37
4.2 模擬結果之參數分析 40
4.2.1 運作頻率的影響 40
4.2.2 環境溫度的影響 41
4.2.3 填充壓力的影響 42
4.2.4 熱負載以及性能係數的影響 42
4.2.5 再生有效度與製冷頭壁面溫度之關係 43
4.2.6 製冷氣缸壁面厚度之影響 43
4.2.7 平面彈簧彈性係數對製冷溫度之影響 43
4.3 實驗結果與驗證 44
4.3.1 操作頻率 44
4.3.2 填充壓力 45
4.3.3 性能係數 46
第五章 結論 47
參考文獻 48



表目錄
表4-1 基準組之幾何參數 51
表4-2 基準組之操作參數 52


圖目錄
圖 1-1整體式自由活塞冷凍機 53
圖 1-2理想循環P-V圖 54
圖 1-3運作原理圖-------------------------------------------------------------56
圖 2-1 幾何參數圖 56
圖 3-1 平面彈簧實體圖 57
圖 3-2 音圈馬達實體圖 58
圖 3-3 資料擷取器實體圖 59
圖 3-4 控制器和電源供應器實體圖 60
圖 3-5 冷凍機零件圖 61
圖 3-6 製冷汽缸結霜圖 62
圖 4-1 基準組移氣器與活塞之位置變化圖 63
圖 4-2 基準組壓縮區、膨脹區及再生區體積變化圖 64
圖 4-3 基準組系統平均壓力變化圖 65
圖 4-4 再生室壓降變化圖 66
圖 4-5 基準組系統P-V圖 67
圖 4-6 基準組壓縮區、膨脹區與製冷頭平均溫度之變化圖 68
圖 4-7 壓縮室與膨脹室之熱傳量變化圖 69
圖 4-8 基準組移氣器與再生器之軸向熱損失 70
圖 4-9 基準組製冷汽缸軸向熱損失 71
圖 4-10 基準組膨脹室之熱損失 72
圖 4-11 頻率對無負載溫度以及相位角之影響 73
圖 4-12 環境溫度對製冷頭壁面溫度的影響 74
圖 4-13 充填壓力對製冷頭壁面溫度的影響 75
圖 4-14熱負載與性能係數之影響 76
圖 4-15 再生有效度與製冷頭壁面溫度關係圖 77
圖 4-16壁面厚度對無負載溫度以及軸向熱損失之影響 78
圖 4-17基準組平面彈簧常數與無負載溫度之關係圖 79
圖 4-18 3 atm、50 Hz操作條件下量測之無負載降溫曲線 80
圖 4-19實驗中3 atm下操作頻率的影響 81
圖 4-20 3 atm之理論模擬與實驗值比較圖 82
圖 4-21實驗之填充壓力影響圖 83
圖 4-22 5 atm、50 Hz操作條件下0.3 W熱負載之溫度曲線 84

參考文獻 [1] Organ, A. J., The regenerator and the Stirling engine. Mechanical Eengineering Publications Limited, 1997.
[2] Walker, G., Cryocoolers, Part 1: Fundamentals and Part 2: Applications. Plenum Press, New York, 1983.
[3] Beale, W. T., Stirling Cycle Type Thermal Device, U.S. Patent No. 3552120, 1971.
[4] Lane, N. W., Commercialization status of free-piston Stirling machines. 12th International Stirling Engine Conference, Durham, UK September, 2005.
[5] Timmerhaus, K.D., Reed R., Cryogenic engineering: fifty years of progress. Springer Science & Business Media, 2007.
[6] Ataer, Ö.E.,Karabulut, H., Thermodynamic analysis of the V-type Stirling-cycle refrigerator. International Journal of Refrigeration, vol. 28 (2): p. 183-189, 2005.
[7] Haarhuis, G., The mc 80-a magnetically driven stirling refrigerator. Cryogenics, vol. 18 (12): p. 656-658, 1978.
[8] Yasukawa, Y., Ohshima, K., Toyama, K., Itoyama, T.,Tsukahara, Y., Kikuchi, R., Matsumoto N., Design and Test of a 70 K Pulse Tube Cryocooler, Cryocoolers 12, Springer. p. 157-164, 2003.
[9] Jones, B., Development for space use of BAe’s improved single-stage Stirling cycle cooler for applications in the range 50–80 K, Cryocoolers 8, Springer. pp. 1-11,1995.
[10] Ross, R.G., Jr .,Boyle R.F., An overview of NASA space cryocooler programs—2006. 2006: Pasadena, CA: Jet Propulsion Laboratory, National Aeronautics and Space Administration.
[11] Marquardt, E., Cryocooler reliability issues for space applications. Cryogenics, vol. 41 (11): p. 845-849, 2001.
[12] Milanez, F.H., Mantelli, M.B., Theoretical and experimental studies of a bi-metallic heat switch for space applications. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003. vol. 46 (24): p. 4573-4586.
[13] Sugita, H., Nakagawa T., Murakami H., Okamoto A.,Nagai H.,Murakami M., Narasaki K., Hirabayashi M., Cryogenic infrared mission “JAXA/SPICA” with advanced cryocoolers. Cryogenics, vol. 46 (2): p. 149-157,2006.
[14] 黃竹隱, 史特靈冷凍機之設計與理論分析 ,成功大學航空太空工程學系碩士學位論文,2012.
[15] 黃振軒, 分置式史特靈冷凍機之性能增進,成功大學航空太空工程學系碩士學位論文,2014.
[16] Walker, G., Senft J.R., Senft, Free-piston Stirling engines: Springer, 1985.
[17] Ackermann, R.A., Regenerative heat exchanger theory, in cryogenic regenerative heat exchangers. Springer, pp. 15-59, 1997.
[18] Swift, G.W., Garrett S.L., Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators. The Journal of the Acoustical Society of America, vol.113 (5): p. 2379-2381, 2003.
[19] Choi, S., Nam K., Jeong S., Investigation on the pressure drop characteristics of cryocooler regenerators under oscillating flow and pulsating pressure conditions. Cryogenics. vol. 44 (3): p. 203-210, 2004.
[20] Kays, W.M., London, A.L., Compact heat exchangers. 1984.
[21] White, R., Vuilleumier Cycle Cryogenic Refrigeration, DTIC Document, 1976
[22] Pan, C., Zhang, T., Wang J., Zhou Y., Numerical study of a one-stage VM cryocooler operating below 10K. Applied Thermal Engineering, 2016.
[23] Gasser, M.G., Stirling cycle cryogenic cooler, U.S. Patent No.4389849, 1983
[24] Bowman, L., Berchowitz, D.M., Urieli, I., Microminiature Stirling cycle cryocoolers and engines, U.S. Patent No.5457956, 1995.
[25] Acord, T.T., Solenoid controlled cold head for a cryogenic cooler, U.S. Patent No.3991586, 1976.

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  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2018-10-10起公開。
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