压缩机问题——汽车空调

压缩机

本期将介绍压缩机，其为蒸汽压缩循环系统的最重要组件。

冷冻蒸汽压缩压机一般分为5项主要型式如下 :

1 . 往复式 (Reciprocating)

2 . 涡卷式 (Scroll)

3 . 螺旋式 (Screw)

4 . 旋转式 (Rotary)

5 . 离心式 (Centrifugal)

往复式活塞压缩机 Reciprocating Piston Compressors

此往复式活塞压缩机到目前为止，仍然是在各种商业化冷冻冷藏系统中最被广泛使用的机型，例如在冷冻制程中，工业冷冻库，密闭式或舒适型空调机等产业。

早期的冷冻压缩机型式为开放式传动型压缩机(Open Drive Type) ，其为将活塞与汽缸放置在一曲轴箱(Crankc ase) 内，而曲轴 (Crankshaft)延伸到壳外以连接外部电源。此型保将压缩机与电动机分开用皮带或联轴器连接传动。开放式压缩机在各种领域中被广泛使用，下图为一典型之开放式传动型压缩机。

图1 开放式传动型压缩机

半密闭型压缩机 Semi-hermetiC type

此型压缩机系由Copeland 所发明，以克服轴承排列密封不良，皮带使用年限较短及直接传动组件等问题。此型系将压缩机与驱动马达置于同一壳内，但压缩机之汽缸盖，曲轴箱及部份封盖以螺丝垫片封闭，此型压缩机之驱动由一电动马达直接安装在压缩机的曲轴。

如此之设计，使压缩机成为细密结构，经济性，有效性且基本上无须维护。典型的半密闭型压缩机如下图2所示，此机型未来发展趋势将走向缩小尺寸，降低价格且将广泛地应用在小马力之单一设备上。

图二半密闭型压缩机剖面图

压缩过程 The Compression Process

在进入探讨分析压缩机的各种性能表现之前，必须先了解往复式活塞压缩机之一系列压缩循环过程。如图3所示，一压缩机利用活塞在汽缸内上下往复于四个位置间运动，低压阀片控制进气，高压阀片控制排气，以容积变化产生压缩，使低压低温的气体冷媒被压缩成高压高温。

图4和图5将有助于更清楚了解压缩机的运作。图4是一时间与压力图，图中显示，经过往复式压缩机运转一个循环后其气体压力的改变情形。在A点处，活塞是位于其冲程的上端，此时吸气阀(Suction Valve)和排气阀(Discharge Valve) 是关闭的，吸气阀为低压瑞气阀，经吸气管连接至蒸发器，排气阀为高压端气阀，经排气管连接至冷凝器。高压的蒸汽被局限在余隙空间(Clearance Space)迫使吸气阀向上关闭，由于在压缩机头端的蒸汽压力是人约相同于在余隙空间的蒸汽，所以排气阀也因其本身的重量或弹簧的负载而关闭着。

图5 典型压缩循环之压力——体积图

当活塞向下移动时，被局限在余隙空间的高压蒸汽则开始膨胀。此膨胀延着A一B线产生，因而在汽缸的压力依余隙空间的增加而降低。当活塞到达B点，此再次膨胀后的汽缸余隙蒸汽压力将稍为低于吸入管(Suction line)的蒸汽压力，此时吸气阀将被吸入管上的高压而被迫使打开，当吸气阀打开到达B点时，吸气蒸汽则开始流入汽缸，并且一直连续直到活塞到达底部的C点。

在此同时，活塞是由B点移到C点，而汽缸则充满着吸气蒸汽且在C点汽缸内的压力保持一定的吸气压力,此时，吸气阀关闭，通常由弹簧动作，此压缩冲程开始。

在汽缸的蒸汽压延着C一D线而增加，此时活塞移动到压缩冲程上端。当活塞到达D 点时，在汽缸内的蒸汽压力已经开始增加直到比压缩机顶端的汽缸压力还高，并且此排气阀将被迫打开且此高压蒸汽从汽缸通到排气阀，此

通过排气阀的蒸汽汽流将一直持续流通，直到活塞从D点到达A点，同时在汽缸的压力保持在一定的排气压力，当活塞回转到达A点，则完成一压缩循环且此压缩机的曲轴转动一完整的回转。

效率变量 (Efficiency Parameters)

一般以容积效率 (Volumetric efficiency) 与等熵效率 (Isentropic efficiency)等两基本效率变量来表示往复式与其它型式之性能表现。通常均以对压力此例来表示其效率数值，如图6与图7所示。

并说明如下：

图6 压力比对容积效率图图7 压力比对等熵效率图

压缩机主要的作用即是压缩气体。当活塞下行时，排气阀关闭，吸气阀开启，蒸发器中之低温度气体则自吸气阀进入汽缸，如活塞进行至汽缸最低端时，低压低温气体即充满于整个汽缸内 ;当活塞由汽缸最低端开始上行时，汽缸中之气体则因活塞上行而体积逐渐减少。因此，压缩机之效率即是压缩机压缩出的气体与汽缸实际体积之比，又称为容积效率。在理论上，容积效率为100%，即活塞上行时，将汽缸中全部的气体均压出，但实际上活塞上行至最高点时，并非汽缸之顶点，活塞与汽缸盖之间，必须保留一个安全之空间，以免彼此之撞击，此安全的空间称为压缩机之气隙(Cle arance) ; 气隙、吸排气阀及活塞与汽缸之泄漏等，均影响容积效率。

等熵效率则是能源效率的量测，它是用来量测理想气体压缩力对真实吸收力。在压缩机主要的能量流失包括了摩擦力损失，流动损失，热流失和电动马达流失。对各种不同型式压缩机均有各种不同程度损失，一般来说等熵效率是介于60 %到 80 %之间。

压缩机的发展 Compressor Developments

自有蒸汽压缩冷冻系统开始，活塞式压缩机就是冷冻，空调和热泵等市场之主角，活塞式压缩机技术在传统上已提供极佳的使用效率水准，并经由适当设计与应用，亦俱有非常好的可信度，同时活塞式压缩机在设计与操作力面的变量已有完整的发展技术与已解，并且无特殊的生产制造技术问题。

然而，随着工业界对系统之各种要求及压缩机之需求日新月新，故而，高昂能源费用与环保问题均使得压缩机制造商必须在未来发展更有效率系统的压缩机。例如，无须过度尺寸的热交换器将被要求来提高压缩机效率，噪音问题也日益重视，故而噪音问题亦是一大课题有待解决。

以上这些要求均引导一些压缩机制造商逐渐放弃活塞式压缩机技术而朝向先进压缩机制造技术。如漩涡式(Scro ll)压缩机技术提供了未来商业化冷冻系统，空调和热泵系统之各种需求，而此型制造技术必将为未来之趋势。