1.1 往復式壓縮機簡介
往復式壓縮機是最早發展的壓縮機類型且發展已超過百年，應用 領域非常廣泛。從真空到450,000 kPa 的壓力範圍都有應用。一般工 業如機械、冶金、化工業等也應用相當多此類設備。此外像家用冰箱、
冷氣及冷水機等家電用品也是其應用的範疇[1]。
往復式壓縮機作動原理十分簡單，如圖1.1 主要依靠在汽缸內的 活塞進行往復式運動。簡單的說，當活塞通過上死點時，活塞下移進 行膨脹。當汽缸內冷媒壓力小於吸氣腔壓力時，吸氣閥片開啟並吸入 冷媒。當活塞通過下死點後，開始上移使汽缸容積下降使汽缸內壓力 上升，且當汽缸內冷媒壓力與吸氣腔壓力相等時關閉吸氣閥片。此後 汽缸內冷媒壓力因容積下降而持續上升，直到當大於吐氣腔壓力時，
吐氣閥片開啟使高壓冷媒排出汽缸，此一循環過程即為往復式壓縮機 的工作原理
圖1.1 往復式壓縮機工作原理
相較於其他型式壓縮機，往復式壓縮機具有加工容易、製造成本
1926 年 Thomas Midgely 開發了首台 CFC(氟氯碳化物)壓縮機，
工作冷媒為 R12。CFC 族不可燃、無毒並且效能高。該機器於 1931 年開始商業生產並很快進入家用。
1930 年代，一系列鹵代烴冷媒相繼出現，杜邦公司將其命名為 氟利昂(Freon) 。這些冷媒性能優良、無毒、不具可燃性，能適應不 同的溫度區域，顯著了改善冷機的性能。幾種冷媒在空調中變得很普 遍，包括R11、R12、R113、R114 和 R22。
到了 1970 年代中期，對臭氧層變薄的關注浮出水面，CFC 族冷 煤要承擔部份責任，這導致 1987 年蒙特婁議定書的通過，議定內容 訂定出許多將具臭氧層破壞趨勢(Ozone Depletion Potential)化學品管 制時程，主要是針對 CFC 和 HCFC(氫氟氯碳化物)族。新的解決方案
(1)全球暖化趨勢 GWP(Global Warming Potential)
(2)總等效暖化效應 TEWI(Total Equivalent Warming Impact)
而現今壓縮機在工作流體的選擇上，必須考慮上述兩項係數極低 CFC-11(R-11) 1 4000 CFCs
CFC-12(R-12) 1 8500 HCFCs-22(R-22) 0.055 1700 HCFCs
HCFCs-141b,R-141b 0.11 630 HFC-134a,R-134a 0 1300 R-407C 0 1600
面對現今環保與節能意識抬頭的時代，天然冷煤、混合性冷媒的 使用都將是未來的趨勢[7][8]，在本計劃中也將因應此趨勢作為壓縮 機模擬軟體的冷媒模組設計。
1.3 研究動機與目的
由於過去往復式壓縮機程式(工研院能環所與交大機械所共同研 發)在冷媒性質的計算上，是採用傳統的方式，需要透過複雜的方程 式及曲線擬合(Curve Fitting)的計算以求取各項壓縮機所須計算的冷 媒熱力性質，這樣的流程將在程式撰寫時，使得程式撰寫更加繁瑣與 困難，並且當初發展此壓縮機程式時實屬早期，故在冷媒性質程式撰 寫部分，並無考慮太多的壓縮機冷媒選用可能，加上目前壓縮機的應 用領域與規格均越來越廣泛，如此單一性冷媒的壓縮機程式架構，已 經漸漸無法滿足現有的需求。
本論文是將先前所開發的小型密封往復式壓縮機效能模擬軟體 與由美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology)所發展的冷媒熱力性質與參數轉換計算軟體 REFPROP (REference Fluid PROPerties)[9]做連結，對於不同冷媒，利用電腦快 速與強大的計算能力，根據往復式壓縮機的幾何尺寸、材料性質、操 作條件等實際參數，計算出壓縮機各種性能。最後的計算結果包括下 列六項壓縮機性能效率：
1. 容積效率 (Volumetric efficiency) 2. 壓縮效率 (Compression efficiency) 3. 機械效率 (Mechanical efficiency)
4. 冷媒質量流率 (Flow rate of refrigerant) 5. 冷凍能力 (Capacity of refrigeration)
6. 能量效率比 (Energy efficiency ratio(EER))
其中能量效率比(EER)為最重要的指標，其定義為如下：
壓縮機輸入功
= 冷房能力
EER (1.1) 後續將以這些性能為討論對象，為不同天然冷媒，改變壓縮機的 參數進行模擬，以獲得使用新冷媒往復式壓縮機的設計依據。
1.4 論文架構
圖1.3 為研究流程圖；本論文第一章為往復式壓縮機簡介與研究 動機；第二章介紹原有的往復式壓縮性效能模擬軟體；第三章為冷媒 模組開發以及機械摩耗分析的修改，修改之後的結果將跟實驗比對驗 證；第四章進行天然冷媒的模擬與效能分析，以改變馬達轉速、閥片 厚度、冷凝溫度和蒸發溫度以及汽缸尺寸來進行模擬；第五章為結論 與未來展望。
圖1.3 研究流程圖 修改機構分析內 機械磨耗的計算方式 原有的壓縮機模擬軟體與 冷媒性質軟體 REFPROP 連結
修改後的壓縮機模擬軟體透過 R134a 與 R600a 的實驗與模擬驗證
進行原有的 HFC 冷媒 R134a 與 替代用天然冷媒 R600a 和 R600a&R290 的
模擬並分析
研究流程圖
改變閥片厚度 改變蒸發溫度
與冷凝溫度 檢驗閥片自然頻率
透過改變馬達轉速的模擬證實 R600 和 R600a&R290 效率優於 R134a
並進一步進行改善效率的模擬與分析
改變汽缸直徑 與汽缸長度