压缩机：家用制冷的必备设备

压缩机是蒸气压缩式制冷系统中最重要的核心部件，犹如人体的心脏。它主要是将蒸发器中吸收热量而汽化的制冷剂吸入，并压缩成高温高压气体送入冷凝器。其实物如图1-15所示。压缩机的规格较多，使用功率及制冷能力也不完全相同。

图1-15 QD65型145W1PH制冷压缩机实物图

1.压缩机的分类及工作原理

在早期的制冷技术中，压缩机是开启式的，其电动机与压缩机呈分开形式，电动机是通过三角带来带动压缩机工作的，后来又改进为半封闭式，即电动机主轴与压缩机主轴同轴，不再由三角带传动。直到1927年美国通用电气公司首次制成了全封闭式压缩机，电动机与压缩机才同装于一个密闭壳体中，使压缩机在高速化、小型化、轻量化得到快速发展，并从20世纪30年代起随着机械加工准确度的提高、有机绝缘材料的使用及氟利昂制冷剂的出现，封闭式压缩机的应用越来越多。就其结构特点可分为电动式和电磁式两大类，其中电动式压缩机发展比较迅速，它主要有往复活塞式和旋转活塞式。前者又发展为连杆式（主要分为曲轴活塞式和曲柄活塞式）和滑管式；而后者主要发展为叶片旋转式和叶片固定式。但它们均为容积式压缩机，其工作特点主要是因活塞运动引起气态制冷剂的体积发生了变化。因此，在工程上总称这一种压缩机为活塞式压缩机。在家用制冷领域，活塞式压缩机的功率一般在735.5kW以下，属于微型压缩机。根据蒸发温度的使用范围又分为低温和高温两类压缩机。低温压缩机主要用于电冰箱、冷藏柜；而高温压缩机主要用于空调器、降湿机、冷饮器等。但它们都有不同的工作特点。

（1）往复活塞连杆式压缩机

往复活塞连杆式压缩机是目前家用电冰箱、空调器等制冷循环系统中应用最为普遍的一种制冷压缩机。这种压缩机主要由活塞、气缸、排气阀、排气腔、吸气阀和吸气腔等构成，它与单缸发动机的气缸结构相似，但它没有火花塞，气体在气缸中也不会发生爆炸。其活塞的运动是通过连杆受控于电动机，活塞的往复运动只将吸入的气体压缩。因此，所谓往复活塞连杆式压缩机，就是指活塞在气缸中作往复直线运动将制冷剂蒸气压缩的一种压缩机。其内部结构如图1-16和图1-17所示。往复活塞连杆式压机每完成一次对气体制冷剂的压缩，都需要压缩、排气、膨胀和吸气四个过程，如图1-18所示。

图1-16 往复活塞连杆式压缩机内部结构（一）

图1-18a用于表示活塞开始压缩。当气缸内充满低温低压R12蒸气时，活塞从下止点开始向上端做直线运动，使气缸容积快速缩小，气缸内的蒸气受到挤压，随使其压力和温度上升。与此同时，吸气阀片因受到较高的蒸气压力而关闭，而排气阀片在活塞开始压缩，蒸气压力尚未超过排气腔压力时，排气阀片保持紧密的关闭状态。直到活塞运行到一定位置，气缸内的蒸气压力超过排气腔压力时，排气阀片被打开。于是气缸内的高温高压蒸气在活塞的推动下从排气口排出，如图1-18b所示。

图1-17 往复活塞连杆式压缩机内部结构（二）

图1-18 往复活塞连杆式压缩机气缸内活塞运动过程

图1-18b用于表示活塞开始排气。当活塞运行到上止点时，排气过程结束。但活塞与排气阀座之间还留有一个空隙V_c，V_c容积中残留有一小部分蒸气不能排出，其压力与排气腔压力相等。此时排气阀片在自身重力及弹簧力的作用下又呈紧密关闭状态。之后，活塞在电动机带动下离开上止点向下端运动，如图1-18c所示。

图1-18c用于表示V_c容积中残存蒸气进入膨胀状态。当排气结束，活塞开始向下端运行时，气缸容积开始增大，残留在V_c中的蒸气就要膨胀，其压力和温度随之下降。直到蒸气压力降至吸气腔压力时，膨胀过程结束，此时，吸、排气阀均处于关闭状态。待活塞继续下移时，吸气阀片打开，开始吸气，如图1-18d所示。

在图1-18d用于表示活塞进入吸气状态。当活塞继续向下运动时，气缸内蒸气压力开始低于吸气腔压力，吸气阀片在弹簧力的作用下呈开启状态，吸气过程开始。当活塞向下运行到下止点时，吸气过程结束。在压缩机曲轴及电动机的带动下，活塞又进入图1-18a所示的状态。此后，周而复始，压缩机的曲轴在电动机的带动下每旋转一周，活塞在气缸中就往复运行一次，并经历一次压缩、排气、膨胀、吸气的四个过程。

在往复活塞连杆式压缩机中，通常有曲轴活塞式和曲柄活塞式两种类型。曲轴活塞式压缩机的主轴呈弓形，有两个（或三个）轴承点，压缩机电动机的定子固定在机体上，见图1-16。当电动机通电工作时，其转子带动曲轴转动。曲轴借助上、下轴承支撑在机体上，两轴承之间的弓曲部位与连杆相连，连杆的另一端与活塞相连。曲轴转动时，由于曲轴与连杆的共同作用，活塞在缸体中做往复运动。曲轴活塞式压缩机还有主轴立式和卧式之别。因篇幅所限这里就不再多述。

在往复活塞连杆式压缩机中，曲柄活塞式压缩机与曲轴活塞式压缩机比较，其结构除了以曲柄代替曲轴外，其余基本相同，见图1-17所示。这里因篇幅所限就不再多述。

（2）往复活塞滑管式压缩机

往复活塞滑管式压缩机是20世纪60年代初出现的一种结构简单、制造和装配都比较容易的压缩机。其内部结构如图1-19所示。

图1-19 往复活塞滑管式压缩机内部结构

在图1-19中，压缩机的机芯由三个消振拉簧支撑，构成拉簧式内防振支撑机构，以减小振动和噪声。上部为压缩机的缸体，下部为单相交流电动机。压缩机的缸体主要由气缸、活塞、滑管、滑块、阀板和气缸盖等组成。其中活塞和滑管连成一体，滑块可以在滑管内来回滑动。气缸内有肋板，把气缸盖和阀板之间分成吸气和排气两个空间。阀板的两侧分别装有高压排气阀片和低压排气阀片。

当电动机通电工作时，转子带动主轴旋转。主轴的上部呈肘形，称为曲柄，它在主轴旋转时作圆周运动，从而带动滑块在滑管内左右滑动，进而带动滑管和活塞一起在气缸内作直线往复运动。因而也能完成R12蒸气压缩的四个循环过程，参见往复活塞连杆式压缩机一节中的相关叙述。在该种压缩机中，高压稳压室与排气管之间通过弯曲的高压缓冲管连接起来，使得排出的高压蒸气的压力均匀，并兼有消音作用。

总之，往复活塞滑管式压缩机的优点是结构简单、装配容易、对加工零件的准确度要求不高；其缺点是运动零件的受力情况较差，但由于使用材料和润滑系统方面不断进步，完全能够满足工作要求。因此，国内外一些电冰箱都采用这种类型的压缩机。

（3）旋转活塞式压缩机

在电动式压缩机中，旋转活塞式压缩机也是比较常见的一种，但它常分为叶片旋转式和叶片固定式两种类型。其基本结构如图1-20和图1-21所示。

图1-20 旋转活塞叶片固定式压缩机结构示意图

图1-21 旋转活塞叶片旋转式压缩机结构示意图

在固定叶片旋转活塞式压缩机中，圆柱形气缸中，有一偏心转动的旋转活塞，且气缸和活塞的表面十分精密，以保证在有适当油膜时封闭严密，从使高压排气侧的高温高压制冷剂不会泄漏到低压吸气侧。高压排气侧与低压吸气侧之间由固定叶片（又称刮板）来分隔。而叶片（刮板）安装在缸体上，由弹簧将其一端紧顶靠在旋转活塞的表面上，使其与活塞表面始终保持密闭接触，以防止高压制冷制泄漏到低压输入侧，如图1-22所示。

在图1-22a中，当活塞旋转偏心的最大直径点处于叶片（刮板）的顶端位置时，恰好是完成了上一次排气。此时随着电动机转动，偏心旋转活塞开始下一次压缩，但这时气缸中已充有低压气态制冷剂。随着活塞逆时针方向旋转，活塞与气缸内壁严密封闭点也随之向逆时针方向移动，低压气态制冷制被压缩。当活塞旋转偏心的最大值处于图1-22b所示位置时，低压气态制冷剂压力增高。在图1-22c所示的位置时，排气与吸气各自完成一半，但由于低压侧没有设置吸气阀，故吸气过程始终进行。当活塞旋转偏心的最大直径d处，即如图1-22d所示的位置时，制冷剂压力超过某一设定值，排气阀被推开，高压气体制冷剂从排气口排出。在活塞旋转偏心的最大值处于图1-22e所示的位置时，即图1-22a所示位置时，排气结束。之后，随着电动机转动，活塞的偏心旋转运动一直进行下去，吸气和排气周而复始，连续压缩功能便使制冷系统保持在人工制冷状态。

图1-22 固定叶片式压缩机工作原理示意图

在旋转叶片式压缩机中，气缸体上设有吸气口和排气口，旋转活塞上均匀分布有四个叶片，并在弹簧力或离心力的作用下与气缸内壁紧密闭合。其工作原理与叶片固定式压缩机基本相同，这里不再多述。

（4）电磁式压缩机

电磁式压缩机是一种利用通有交变电流的线圈与永久磁铁之间的作用，直接驱动活塞往复运动的压缩机，其内部结构如图1-23所示。

电磁式压缩机在20世纪50年代开始用于电冰箱中，其优点是结构简单，零件少，易于制造，且零件加工准确度要求不高；其缺点是活塞行程短，且随负荷改变，机内弹簧做高频谐振运动时很容易疲劳，同时功率都在100W以下，不能满足高制冷设备的需要。

在图1-23中，永久磁铁上面装有内极靴，下面装有外极靴，驱动线圈插入内外极靴的间隙中。当驱动线圈中有交变电流通过时，线圈中就会产生大小与方向均周期性变化的磁通，并与永久磁铁的磁场相互作用。随后使线圈与磁铁之间产生周期性变动的引力与斥力，进而推动与之相连接的活塞作往复运动。当活塞向下运动时，低压阀片被打开，低压气体便可经过活塞下端的通道进入气缸；当活塞向上运动时，低压阀片闭合，活塞将气体制冷剂压缩至高压，使顶部中心处的高压阀片打开，从而使高压气体制冷剂从排气口排出。

图1-23 电磁式压缩机内部结构示意图

在图1-23中，安装在活塞档环两侧的共振弹簧主要起缓冲与限位作用，以保证永久磁铁与通电线圈的相对运动平稳。但如果设计时将通电线圈固定，而使永久磁铁运动，则这种压缩机就可称为电磁型振荡压缩机。目前，电磁式压缩机使用不再普遍。

2.压缩机的电动机和冷冻机油

在制冷系统中，压缩机的质量直接影响制冷的效果。因此，在制冷系统中，对压缩机及其所用冷冻机油有一定的技术要求。一些常见全封闭式压缩机的技术参数见表1-12。在压缩机中，电动机是蒸气压缩式制冷循环系统中的动力，其性能好坏直接决定压缩机的质量。因此，压缩机的质量就主要由其内置的电动机和冷冻机油两个方面的因素决定。

表1-12 部分全封闭压缩机技术参数

（续）

（续）

（续）

（1）压缩机的电动机

压缩机的电动机一般是单相交流电动机，其性能的优劣直接影响制冷设备的正常使用。压缩机电动机常有RSIR、CSIR、CSR、PSC几种类型。

1）RSIR型电动机。RSIR型电动机是一种阻抗分相起动异步电动机，简称电阻起动式电动机或分相式电动机。其原理示意图如图1-24所示。

图1-24 阻抗分相起动异步（RSIR）电动机原理示意图

在图1-24中，电动机定子上装有起动绕组CS（感抗为X_LS）和运行绕组CR（感抗为X_LR）。当起动绕组和运行绕组通过起动继动器K同时接入交流电压V_E时，由于线圈的感抗作用使电流滞后于电压，又由于起动绕组的感抗X_LS大于运行绕组的感抗X_LR，故在起动绕组和运行绕组上产生两个不同相位的起动电流I_S和运行电流I_R，从而形成一个旋转磁场，使转子因得到一个起动力矩而起动运转。待转速达到额定值的70%～80%时，起动绕组因起动继电器K断开而无起动电流，只剩下运行绕组保证转子正常运转。若在起动绕组中适当增加反向绕组，可增大起动转矩。

RSIR型电动机结构简单，起动转矩较小，一般为额定转矩的1.1～1.6倍，因此，它适用于输出功率为125W以下的制冷设备，如电冰箱等。QF-21-93型单相异步电动机的转矩为3.1kg·cm，其起动转矩倍数为起动转矩/额定转矩＝2.8，最大转矩倍数为3倍，工作电压为220V，电流为1.2A，输入功率为93W。

2）CSIR型电动机。CSIR型电动机是一种在起动绕组上串有一只大容量交流电容器的电容起动异步电动机。其串接的电容又称为电动机起动电容，其耐交流电压为250V，其容抗X_C大于绕组的感抗X_L。因此，这种电动机中起动绕组的内电压滞后于电流，但运行绕组未变，分相电流的相位差增大，起动转矩也增大，约为额定转矩的2.5～2.8倍。因此这种电动机起动性能较好，优于阻抗分相起动型电机。其缺点是因电容故障易烧毁电动机。其电动机原理图如图1-25所示。

图1-25 电容分相起动异步（CSIR）电动机原理示意图

3）CSR型电动机。CSR型电动机是一种既在起动绕组中串接一只起动电容器，又在运行绕组中串联一只约2～3μF的小容量电容器的电容起动电容运行电动机。其主要优点是电动机起动转矩大，在运行中由于有电容的补偿作用，电动机的功率因数得到了提高。但其缺点是成本稍高。这种电动机多用于单相低温制冷设备和空调器的压缩机中。其电动机原理图如图1-26所示。

图1-26 电容起动电容运行（CSR）电动机原理示意图

4）PSC型电动机。PSC型电动机是一种电容运转型电动机。其起动绕组输入端串接一只约2～3μF的小容量电容器，使启动绕组始终都接在电路中，如图1-27所示。

图1-27 电容运转型（PSC）电动机原理示意图

在图1-27中，由于电容C的作用，单相电源被分成两个相位不同的电流，直接接入电源电路时电机就能起动，并保持有良好的运行性能。因此，这种电动机功率因数、效率和过载能力高于其他类型电动机，多用于空调器和冷却风扇电动机。

（2）压缩机的冷冻机油

压缩机的冷冻机油又叫润滑油，主要是为压缩机内部的运动部件，如曲轴、连杆、轴承、活塞销以及气缸内壁等提供润滑。在不同制冷剂条件下，必须配用不同要求的冷动机油，且在不同规格的压缩机中有不同的注油量，见表1-12。冷冻机油的质量优劣将直接影响压缩机的工作性能。因此，冷冻机油有一些严格的技术要求，如国产冷冻机油就对运动粘度、凝固点、闪点、含水量等有严格的规定，其技术标准见表1-13。

表1-13 国产冷冻机油规格

1）运动粘度。由于制冷剂在润滑油中的溶解度很大，会使润滑油的粘度变小，因此在不同制冷剂的条件下应选择粘度相对较高的润滑油。但粘度过高时，也会引起机械能的损耗，同时发热也会相应增多，使起动困难。此外，所选润滑油的粘度不应随温度变化而有较大的变化。

2）凝固点。凝固点是指润滑油冷却至停止流动的温度值。在一般情况下冷冻机油的凝固点越低越好。对于R12条件下的冷冻机油的凝固点应为-40～-30℃；对于R22条件下的冷冻机油的凝固点应低于-55℃。

3）闪点。所谓闪点，是指冷冻机油的蒸气见火即可燃烧的最低温度值。一般情况下，冷冻机油的闪点必须比排气温度高15～30℃。对于R12、R22来说，所用冷冻机油的闪点应在160～170℃以上。

4）含水量。在制冷系统中，冷冻机油中的水分（即在密封系统中的水分）会引起冰堵。因此，对冷冻机油中的含水量总有严格要求，一般控制在无水状态。

5）浊点。所谓浊点，是指润滑油冷却至析出石蜡的温度。当冷冻机油有石蜡析出时会发生堵塞现象。因此，冷冻机油的浊点应低于制冷剂的蒸发温度。

6）杂质。冷冻机油中的杂质会增加机械磨损，同时又会造成毛细管堵塞，故应严格控制冷冻机油中不存在杂质。

7）击穿电压。在制冷循环系统中，润滑油与电动机是处于封闭式的密切接触状态，且在电动机运行中总有一定的发热温度，因此对润滑油的绝缘性能应有很高的要求。在一般情况下，冷冻机油的击穿电压不应低于25kV。

8）化学稳定性。化学稳定性是指在高温高压的条件下都不能使冷冻机油发生质的变化。如冷冻机油发生氧化会生成酸性物质，造成机件腐蚀。特别是在高温情况下，冷冻机油与制冷剂、机件、水分、空气接触时，会发生分解、聚合及氧化，生成沥清质的结焦，甚至结碳，进而影响压缩机运动部件的正常工作，甚至影响管路流通。因此，冷冻机油应有很好的化学稳定性。