制冷系统中的压缩机原理及作用

电冰箱制冷系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管（或膨胀阀）、电磁阀、干燥过滤器和门框除霜管等组成，如图1-3所示。

图1-3 电冰箱制冷系统示意图

1.压缩机

压缩机（压气机或压风扇电动机）是电冰箱制冷系统的动力源（见图1-4），是制冷循环中最关键的一个部件，称为电冰箱的“心脏”。其作用是将工质从低温低压气态转化为高温高压气态，属于一种压缩气体提高气体压力或输送气体的机械。各种压缩机都属于动力机械，能将气体体积缩小、压力增高，具有一定的动能，可作为机械动力或其他用途。

压缩机是制冷系统中低压与高压以及低温与高温的分界处。压缩机的主要作用是维持制冷剂在制冷系统中的循环，其具体工作过程是：按照制冷量的需要定量吸入来自蒸发器的低温、低压制冷剂蒸气，压缩制冷剂蒸气使其压力和温度升高，并按额定的冷凝压力将制冷剂蒸气送往冷凝器。

图1-4 电冰箱压缩机

压缩机的分类方法有很多，按密封方式，可分为开启式、半封闭式（见图1-5）和全封闭式（见图1-6）。其中，全封闭式压缩机又分为往复活塞式和旋转式，往复式压缩机又细分成曲柄滑管式、曲柄连杆式和电磁振动式。旋转式压缩机又分为滚动转子式（叶片固定）和滑片转子式（叶片旋转）；按压缩气体工作原理，可分为容积式和速度式；按压缩机活塞在气缸内的作用情况，可分为单作用式、双作用式和级差式；按压缩机背压高低（即压缩机的吸气压力或蒸发器的出口压力），可分为低背压式、中背压式、高背压式；按所使用制冷剂，可分为无氟压缩机、氯压缩机、氟利昂压缩机、二氧化碳压缩机和碳氢化合物压缩机。

图1-5 半封闭式压缩机

图1-6 全封闭式压缩机

（1）往复式压缩机

图1-7所示为全封闭往复式压缩机结构图，它由壳体、活塞、气缸、阀片、曲轴、连杆等构成，外壳上有吸气管、排气管、加液管和接线端子，通过电动机的旋转，实现吸气、压缩、排气和膨胀四大功能。

1）吸气过程：压缩机做功时，曲轴和连杆带动活塞向下运动，气缸内蒸气压力逐渐低于吸气腔的压力，使吸气阀自动开启，吸气过程开始，当活塞运动到下止点时吸气过程结束。

图1-7 全封闭往复式压缩机结构

2）压缩过程：当气缸内充满低压蒸气时，活塞从下开始往上运动，使气缸容积逐渐变小，气缸内的蒸气被压缩。同时，由于压力增加，吸气阀片受高压压力压缩而关闭，但此时压力还未超过排气腔压力，排气阀片暂时保持关闭状态。直至活塞上行至气缸内的压力等于排气腔压力时，压缩过程才告完成。

3）排气过程：当气缸内的压力等于排气腔压力时，由于曲轴和连杆的作用，活塞继续向上运动，随着气缸容积的不断变小，被压缩的蒸气压力高于排气腔压力，使排气阀自动开启，气缸内的高温蒸气溢出，进入排气膛内，从而完成排气过程。

4）膨胀过程：当活塞向上运行至上止点时，再从上向下运动，气缸容积逐渐增大，残留的蒸气就会膨胀，其温度及压力也会相应下降，下降到吸气压力时，膨胀过程结束。在此过程中吸、排气阀均处于关闭状态。随着活塞继续向下运动，气缸内的蒸气压力逐渐降低，当低于吸气腔压力时，吸气阀便自动开启。

压缩机通过以上四个过程的连续往返动作，将蒸发器中吸热蒸发的低温制冷剂蒸气抽出，经压缩变成高温高压气体，使制冷剂蒸气在系统内循环，以实现制冷。

（2）旋转式压缩机

旋转式压缩机又称旋转活塞式压缩机，所谓旋转式压缩机，就是活塞不是做直线运动，而是做旋转运动来完成对制冷剂蒸气压缩的压缩机，即通过旋转活塞（转子）和一块固定的叶片与气缸内面相接触，从而对气体产生压缩作用。

旋转式压缩机的结构主要由气缸、支架和曲轴、转子、滑片、循环阀、排气阀、弹簧、外壳、气液分离器、电动机和冷冻油等组成。旋转式压缩机有螺杆式、滚动转子式和滑片转子式等多种，目前在电冰箱中应用较多的是滚动转子式和滑片式压缩机。

（3）曲柄滑管式压缩机

曲柄滑管式压缩机是往复活塞式压缩机的一种，是电冰箱、冷藏柜上用得最多的一种压缩机。它的工作原理如图1-8所示，当电动机转子带动曲柄轴旋转时，曲柄拨动活塞滑管的滑块，滑块围绕主轴中心旋转，同时在滑管内作往复运动，并带动活塞在垂直方向作往复运动，配合吸气阀、排气阀片完成吸气、压缩和排气过程。

曲柄滑管式压缩机结构如图1-9所示，主要由曲柄滑管机构、气阀机构、气缸体、气缸盖、机座、润滑机构、排气管、电动机定子、电动机转子、过载保护继电器、起动继电器等组成。滑管与活塞焊接或烧结在一起，成丁字形。滑块腰为圆柱体，曲柄销穿过滑管壁上下槽与滑管的孔成动配合。滑管、气缸分别作为滑块、活塞运动的导轨。滑块带动滑管运动时，只有在滑块中心线与活塞中心线重合，从而产生转矩，引起活塞对气缸的侧向力，使活塞对气缸壁的磨损加剧。压缩机功率越大，滑管对活塞的行程越长，侧向力越大，磨损越严重。这种压缩机结构简单，易于安装，但由于只有一个支承轴承，曲柄轴受力不良，容易出现单边磨损，故障率较高，所以功率大于200W的电冰箱、冷藏柜不采用，其在国外已属淘汰产品。

图1-8 曲柄滑管式压缩机工作原理示意图

（4）曲柄连杆式压缩机

曲柄连杆式压缩机是往复活塞式压缩机的一种。其结构与曲柄滑管式压缩机基本相同，如图1-10所示，曲柄连杆式压缩机只是传动部件用连杆代替滑块和滑管。曲柄连杆结构中的连杆与曲柄销相连的一端称为大头，它由曲柄销带动做旋转运动。连杆与活塞销或十字头连接的一端称为小头，带动活塞做往复直线运动。连杆中间部分称为杆身。曲柄销绕主轴颈旋转，使连杆大头也绕之旋转。通过杆身的摆动和活塞销在连杆小头内的旋转运动，活塞作往复直线运动并压缩气体。

图1-9 曲柄滑管式压缩机结构

图1-10 曲柄连杆式压缩机结构

曲柄连杆式压缩机结构更为紧凑，其曲柄轴只有一个支撑点，气缸体与机座连为一体，它具有运转平稳、噪声低、磨损小、工作可靠、综合性能优良等优点，已成为目前电冰箱、冷藏柜压缩机的主导产品。

（5）滚动转子式压缩机

滚动转子式压缩机又称为定片式压缩机，其结构如图1-11所示，主要由转子、轴承、气缸、排气阀、定子和滚动活塞等组成。转子式活塞与电动机共用一根主轴，环形转子套在偏心轴上，转子式活塞中心和气缸中心有一定的偏心距，刮片（滑片）则被装在气缸体上。当偏心距跟随电动机转动时，转子一侧总是与气缸壁接触，形成密封线。波动副板依靠弹簧力与转子表面严密接触，并随转子的运动作往复运动。因而将气缸内分隔成两个密封的单元容积，靠近刮板的两侧设有吸、排气口。

图1-11 滚动转子式压缩机结构

滚动转子式压缩机具有结构简单、运行可靠、输气系数较高、压缩机体积小、重量轻、加工精度要求较高等优点，其缺点是滑片与气缸壁面之间的泄漏、摩擦和磨损较大，限制了使用寿命及效率的提高。

（6）滑片转子式压缩机

滑片转子式压缩机又叫旋片式压缩机，其结构如图1-12所示，它主要由气缸、环形转子、偏心轴（又称转子）、滑动刮板（又称滑片）等组成。这种压缩机结构与滚动转子式压缩机基本相同，只是摩擦力略高。偏心轴与电动机共用一根主轴，环形转子套装在偏心轴上。转子中心有一定的偏心距，转子半径与偏心距之和等于气缸半径。转子外圆一侧与气缸内壁接触而形成一条密封线，在密封线两侧设有排气口，转子设有开口槽，滑片装在槽中。当主轴随电动机逆时针旋转时，由于偏心轴逆时针转动，这时转子沿气缸壁逆时针方向滚动，刮板上方容积逐渐减少，受到压缩的制冷剂气体从排气口排出。与此同时，刮板下方的容积逐渐扩大，将制冷剂气体吸入气缸。

滑片转子式压缩机有卧式和立式之分。由于受空间的限制，电冰箱一般采用卧式滑片转子式压缩机。其具有成本低、尺寸小、重量轻、容积效率高、搬运时可以任意倾斜等优点。

图1-12 滑片转子式压缩机的结构

2.蒸发器

蒸发器又称冷却器，主要是由金属管制成（如铜管、钢管和铝管等），属于一种热交换器，是电冰箱的吸热装置，如图1-13所示。液态制冷剂在蒸发器内汽化蒸发时，吸收电冰箱内的热量，蒸发器制冷管内部有低于电冰箱内部环境温度的低温制冷剂在流动，由于存在温度差，就会有热量的传递，通过这种不断地换热，使电冰箱内的温度逐渐降低，以达到冷冻或冷藏食品的目的。蒸发器常见的有铝复合板式、板管式、丝管式、翼片管式和翅片盘管式。其中翅片盘管式用于间冷式电冰箱，其他几种主要用于直冷式电冰箱。

图1-13 蒸发器

（1）铝复合板式蒸发器

铝复合板式蒸发器是依靠空气自然循环的一种蒸发器，它有两种加工形式，即铝锌铝复合板吹胀式和印制电路板式，其结构如图1-14所示。铝锌铝复合板吹胀式是由两层铝复合板轧压通过高压吹胀工艺制造而成的，它是用将铝—锌—铝复合板冷轧焊在一起，然后放在刻有制冷管道的模具上，加热加压后使复合板中间的锌层熔化，同时用高压空气把刻有管道轨迹的部分吹胀成管形，然后进行抽真空，无管道部分的锌重新与铝板黏合即成蒸发器板坯。板坯焊上制冷的进、出管，并弯成口字形，最后经铝阳极氧化处理即成。

印制电路板式是在一块铝板上用石墨印制出管路图，再用一块铝板覆盖在上面，经碾轧及热压处理而成的。铝锌铝蒸发器由于锌的存在易产生电化学腐蚀，现已逐渐淘汰。印制电路板式蒸发器耐腐蚀性强，因而广泛得到应用。目前采用铝复合板式蒸发器的电冰箱，其冷冻、冷藏柜蒸发器均为串接一体，这种结构更合理，且成本较低，使用可靠性更高。它多用于早期的单门电冰箱、双门电冰箱的冷藏室以及小容量双门电冰箱的冷藏室、冷冻室，以平板的形式安装在冷藏箱后壁上部。

图1-14 铝复合板式蒸发器结构

图1-15 板管式蒸发器结构

（2）板管式蒸发器

板管式蒸发器结构如图1-15所示，它是用铜管（铝管）弯成蛇形后，用黏合剂黏接或用焊锡固定在已成型的铝板（铜板）的外表面上。其中，铜管用于制冷剂的流通，铝板用于增加传导面积。这种蒸发器制造工艺简单，不易破损腐蚀而泄漏，但传热性能稍差。通常用于直冷式冷藏冷冻箱的冷冻室蒸发器和直冷式冷藏箱的制冰室。

（3）丝管式蒸发器

丝管式蒸发器结构如图1-16所示，它的结构与钢丝式冷凝器相同，是将细钢丝钎焊在直径为8mm的钢管两侧，然后再在表面镀锌（或喷塑）。蒸发器盘管即是蒸发器，又是抽屉搁架，目前抽屉式直冷式电冰箱的蒸发器多采用此种蒸发器。丝管式蒸发器散热面积大，使热交换更快捷，冷冻更强劲。

图1-16 丝管式蒸发器结构

（4）翼片管式蒸发器

翼片管式蒸发器结构如图1-17所示。它将带有翼片的管子弯曲而成。翼片高一般为15～20mm，主要用作双门直冷式电冰箱冷藏柜内的蒸发器。

（5）翅片盘管式蒸发器

翅片盘管式蒸发器通过风扇使空气强制循环，故又称为风冷翅片管式蒸发器。它由蒸发器和翅片组成，翅片选用0.1～0.2mm的铝片，盘管一般采用ϕ8～ϕ12mm的铜管或铝管，盘管之间设有电热管，用以快速自动除霜。翅片盘管式蒸发器结构如图1-18所示，它是在盘管上穿套铝翅片，经胀管焊接而成的。该蒸发器传热灵敏高，结构紧凑，占有空间小，但缺点是必须采用风扇使空气强迫对流，以形成箱内冷气的均匀分布。此类蒸发器的管状部分主要用于制冷剂的流通，片状部分用于吸取冷藏室、冷冻室的热量，适用于双门间冷式电冰箱。(www.xing528.com)

图1-17 翼片管式蒸发器结构

图1-18 翅片盘管式蒸发器结构

3.冷凝器

冷凝器又可称为散热器，它是制冷系统安装在压缩机排气口和毛细管之间的一种器件，如图1-19所示。通常采用黑色外表的主要作用是增加黑度，加强辐射散热。它主要由金属管组成，高温制冷剂在其内流动，当压缩机排出的高温高压气体进入冷凝器后，通过铜管和肋片传热，使冷凝器中的制冷剂在冷却凝结过程中压力不变，温度降低，由气体转化为液体。它散出的热量几乎为电冰箱内的制冷量与压缩机的功耗之和，所以热量散得快，对电冰箱的制冷效果有比较好的作用。

冷凝器按其冷却方式分类，可分为水冷式、空气式、蒸发式和淋水式四种类型。其中，空气式冷凝器又称风冷却式冷凝器，它以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量。一般大型制冷设备均采用水冷，而电冰箱、冷藏柜则采用空气冷却式。电冰箱、冷藏柜冷凝器按照形态结构可以分为百叶窗式、丝管式、内藏式、板管式、翅片盘管式，其中前四种为空气自然对流冷却，最后一种为风扇强制冷却，用于某些卧式冷藏柜。

图1-19 冷凝器

（1）百叶窗式冷凝器

百叶窗式冷凝器结构如图1-20所示，它是由铜管或镀铜钢管弯制成盘管，然后卡装或点焊在百叶窗状的散热片上，并喷涂黑漆而制成的，其走向分为垂直方向和水平方向两种。盘管与散热板之间接触应良好，以利于散热。电冰箱工作时，依靠空气自然对流散热。

（2）丝管式冷凝器

丝管式冷凝器结构如图1-21所示，它是在百叶窗式冷凝器的基础上，将钢丝点焊在盘管的前后两侧，与盘管形成一个坚固的整体，同时增大了散热面积。它单位尺寸散热面积大、通风散热条件好、重量轻、成本低、结构强度高，但焊接工艺较复杂，目前普遍用于外露式冷凝器中。

图1-20 百叶窗式冷凝器结构

图1-21 丝管式冷凝器结构

（3）内藏式冷凝器

内藏式冷凝器又称为箱壁式冷凝器，其结构如图1-22所示，是采用铜管制成的盘管，并将冷凝盘管挤压或用铝胶带黏接在箱背或薄钢板的两侧，利用电冰箱壳的外壁向外散热。这种结构外形美观，不占空间，不易损伤，但散热效果差。内藏式冷凝器常采用背藏式和侧藏式两种，它们的安装部位分别如下：背藏式冷凝器的主冷凝器在电冰箱背面，门周边的冷凝器起着防露作用。底部冷凝管的作用是对蒸发器冷凝水进行蒸发；侧藏式冷凝器装在电冰箱的两侧，顶部的冷凝管是为防止顶部结露而设置的。主冷凝器放在侧面，散热面积较大，但冷凝管安装较复杂，接头较多。

图1-22 内藏式冷凝器结构

（4）翅片盘管式冷凝器

翅片盘管式冷凝器结构如图1-23所示，是将冷凝器的盘管制成U形，再按一定的片距套上铝质平板翅片而构成的。由于其外表面积大、体积小，通常采用强制对流冷却方式提高效率。其结构紧凑、冷却能力大，适用于功率在200W以上的大型电冰箱。

4.毛细管

电冰箱毛细管（见图1-24）是一根外径小、精密度高、内外表面光滑的纯铜管或不锈钢管，外径一般为0.6～3.0mm，壁厚为0.1～0.4mm。它是电冰箱、冷藏柜制冷系统内从高压、高温向低压、低温变化的节流器件。只有通过它才会产生较低的蒸发温度，同时也会产生较高的冷凝温度。毛细管一端与冷凝器相连，另一端与蒸发器相连。它具有结构简单、无运动零件、不易产生故障、停机后高低压力逐渐平衡、易于起动等优点，但毛细管的自动调节范围小，且不能人工调节制冷量，只适用于热负荷比较稳定的家用电冰箱等制冷系统中。

图1-23 翅片盘管式冷凝器结构

图1-24 毛细管

当电冰箱的工作状况发生变化时，毛细管不可自动调节电冰箱制冷系统的制冷剂流量及实际运行工况。当压缩机停机后，冷凝器与蒸发器通过毛细管相连接仍然保持畅通，使冷凝压力与蒸发压力达到平衡，能够减轻电动机的起动转矩。由于毛细管管径小、管子较长、易引起堵塞，应要求制冷系统内清洁、无杂质。

5.膨胀阀

制冷系统的节流器件通常可以分为毛细管节流（前面已介绍了毛细管）、热力膨胀阀节流（内平衡、外平衡）和电子膨胀阀节流，还有一种是膨胀机节流（很少用到）。

（1）热力膨胀阀

热力膨胀阀的结构及实物如图1-25所示。热力膨胀阀由感应机构、执行机构、调整机构和阀体组成。感应机构中充注感温剂工质，感温包设置在蒸发器的出口处。感温包感知温度变化后，其内部的感温剂收缩或膨胀，从而减少或增大压力，压力将通过膜片传给顶杆直到阀芯，以便控制膨胀阀的开启度。当蒸发器热负荷增大时，出口过热度偏高，压力增大，热力膨胀阀的开启度增大，制冷剂流量按比例增加；反之，热力膨胀阀开启变小，制冷剂流量按比例减少。因此，热力膨胀阀是通过控制过热度来实现制冷系统的自我调整的。按照平衡方式不同，热力膨胀阀分为外平衡式和内平衡式两种。

图1-25 热力膨胀阀结构及实物

（2）电子膨胀阀

电子膨胀阀的结构及实物如图1-26所示，它是根据对过热度或进出口空气的温差、回风温度及其设定值等多项参数的检测和数据采集，经单片机处理后，发出指令，控制电子膨胀阀的开启度，以满足系统负荷的要求。它主要由阀体和步进电动机两个主要部件构成。步进电动机位于阀的上部，并直接与阀板和阀芯组件相连，阀体位于阀的下部，外壳采用全封闭式设计。由于步进电动机与阀体组件直接连接，使阀芯的移动更加可靠和容易，不需要额外的密封及波纹管、膜片等可能有使用寿命限制和泄漏影响的部件。

电子膨胀阀主要优点是能够精确控制制冷剂的流量，从而达到精确控制蒸发温度的目的，通常在控温精度要求比较高的地方使用。电子膨胀阀可以在-70℃以上环境中正常工作，比热力膨胀阀更能适应低温环境。

6.电磁阀

变频电冰箱中采用的电磁阀（见图1-27）分为单稳态和双稳态两种，在外观上单、双稳态电磁阀大小不同。单稳态电磁阀体积较大，本身带有滤波整流电路板（压敏电阻、250V/1A交流熔断器、四个1N4007整流二极管），驱动切换的信号是220V交流电压。而双稳态电磁阀体积较小，无电路板，切换驱动信号采用的是脉冲信号。

图1-28所示为双稳态电磁阀的结构示意图，其工作原理如下：通过主控板向电磁线圈发出一个正脉冲驱动电流，在电磁线圈上生成一个瞬时磁场。使阀芯位置保持在出口管A一端，阀芯内的密封垫A密封阀口A，从而切断出口管A所连接的管路。此时，进口管与出口管B保持正脉冲常通。当主控板向电磁线圈发出一个负脉冲驱动电流时，在电磁线圈上生成一个反向的瞬时磁场，使阀芯位置保持在出口管B一端，阀芯内的密封垫密封阀口，从而切断出口管B所连接的管路。此时，进口管与出口管A保持正脉冲常通。

图1-26 电子膨胀阀结构及实物

1—不锈钢阀体 2—步进电动机 3—电气插头 4—阀笼组件 5—轴 6—焊接部位 7—陶瓷进口阀口 8—陶瓷阀板 9—陶瓷出口阀口 10—铜球 11—紧固孔 12—外伸铜管接头

图1-27 电冰箱电磁阀

图1-28 双稳态电磁阀的结构

7.干燥过滤器

电冰箱干燥过滤器（见图1-29）能够清除制冷系统中残留的水分，防止产生冰堵，减少因水分造成系统金属零部件和管道的腐蚀，并滤除制冷系统中的杂质，如金属屑、各种氧化物和灰尘等，以免毛细管脏堵。电冰箱制冷系统中的干燥过滤器一般为筒式，采用ϕ16～ϕ18mm铜管，装干燥剂后收口成型，直接与制冷系统的管路焊接。

干燥过滤器的结构如图1-30所示，外壳为铜管，由直径为16～18mm、管长为100～150mm的纯铜管制成，在铜管的两端装有两个铜丝过滤网，两网之间填充有分子筛或其他干燥剂。单入口干燥过滤器入口端接冷凝器，出口端接毛细管；双入口干燥过滤器的入口端有两个接头：一端接节流毛细管；另一端接抽真空管，抽真空时另一入口应封闭，其出口端接冷凝器。

图1-29 电冰箱干燥过滤器

图1-30 干燥过滤器的结构

干燥过滤器内装的干燥剂（吸附剂）通常为直径2～2.5mm的分子筛，在制冷系统维修过程中通常需要更换干燥过滤器，以获得更好的干燥效果。成品干燥过滤器用铅箔或塑料密封包装，其中的干燥剂已经过活化处理（在活化的过程中，为避免干燥过滤器铜质壳体被氧化成氧化皮，必须在200～300℃，且压力小于1.2kPa下进行活化，约4h，在干燥的环境中冷却，充氧后封存待用），启封后应立即装到制冷系统中，以免分子筛吸收空气中的水分而失效。

分子筛的吸附作用具有选择性，通常R12、R22制冷系统可选用普通的4A或XH-5分子筛的干燥过滤器，R134a制冷系统可选用XH-7分子筛的干燥过滤器。

图1-31 电冰箱单向阀

8.单向阀

单向阀俗称逆止阀、止回阀、针阀（见图1-31）等。其作用是只允许流体向一个方向流动，如果出现逆流，阀门即自动关闭，用来阻止压缩机停转时高温高压蒸气回流入蒸发器，还用作压缩机吸气管道内的压力平衡。在压缩机运行过程中，压缩机吸气时产生的压力把单向阀内的阀芯吹起，内部单向管路导通，使制冷剂顺利循环至压缩机；当压缩机停机时，压缩机低压侧压力迅速升高，单向阀内的阀芯受自身重力及制冷剂压力的影响回落到管口，将管口密封住，使内部管路截止，防止后级制冷剂回流到蒸发器内部。

单向阀分为有弹簧单向阀和无弹簧单向阀两种，有弹簧的单向阀需要开启压力（一般为0.1MPa），无弹簧的单向阀不需要开启压力，可利用自重开启。图1-32所示为单向阀结构。

图1-32 单向阀结构

单向阀一般采用垂直安装，且具有方向性，维修时必须按原方向安装。在单向阀与连接管焊接时，要对阀体进行冷却保护（如加冰袋），以避免内部阀芯（尼龙材料）因高温变形而失效。