[科普中国]-微型压缩机

微型压缩机是指制冷量小于1KW的制冷压缩机，具有迷你的体积、轻巧的重量和超强的耐久力；工作安静，几乎没有振动；能耗很低，可以使用电池、车载电源、民用电网、太阳能等供电；具有稳定的输出、精确的控制以及优越的适应性，能够很好满足各类要求移动便携的微型热管理系统的需求。 压缩机是制冷系统的核心，其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。微型压缩机具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点，可以说是专为尖端制冷系统量身定做的，也是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选。微型压缩机可广泛用于空气调节装置、水冷装置、商业冷藏装置的制冷单元，目前，其主要应用范围包括便携式制冷系统、食品冷却系统、微型冷藏系统、温控装运容器、电子制冷系统、医疗成像系统、迷你冷却水系统等。

研究进展压缩机是热泵制冷循环微型化的核心部件，一般来说，微型压缩机是指制冷量小于1kW的制冷压缩机，其类型主要有活塞式、转子式、线性和隔膜式4种。活塞式压缩机具有增压比大、热效率较高、运行稳定性好、适应性强的特点，但作为容积式设备，其结构复杂，周期性进排气引起振动，产生噪声并增加变频难度。

Elbel和Ernst等对微型活塞式压缩机作了详细的描述。转子式压缩机是通过偏心圆筒状转子在汽缸内回转运动来改变工作容积，从而实现制冷剂压缩的。与活塞式压缩机相比，转子式压缩机没有往复的传动结构，不需要吸气阀，结构简单，体积小，质量轻，性能较好。

Wu、杨宇飞、桑岱和Sathe等都是采用美国Aspen公司开发的一款型号为14-24-000X的微型转子式压缩机，压缩机在24V直流电源下驱动，选用制冷剂R134a为工质，其体积为206cm3，质量约0.6kg。

Sathe等通过实验得出当增压比在2～3.5变化时，该压缩机容积效率73%～90%、绝热效率44%～70%，可制取163～489W冷量，COP在2.1～7.4变化。

Trutassanawin等采用型号XL0623D1日立转子式压缩机，制冷工质R134a，体积为941.48cm3，环境温度为25～35℃，增压比在1.9～3.2变化时，容积效率与绝热效率分别为50%～80%、25%～60%，制冷量121～268W，COP为2.8～4.7。钟晓晖等自主设计研发了微型三角转子压缩机，其制冷工质R22，体积为137.38cm3，质量（包含电动机）仅有0.55kg，在40℃环境下可产生300W的制冷量，COP可以达到2.0以上。

微型线性压缩机是通过线性电动机以电磁共振方式驱动的，不是像转子式压缩机那样的机械连接方式，且线性电动机比旋转电动机结构简单。与活塞式相比，摩擦损失小，效率高，可靠性高，只需少量或无须使用润滑油。Ribeiro采用了Embraco公司生产的微型线性压缩机，制冷工质R134a，其体积为452.16cm3，质量为1.2kg，被一块体积为15mm×50mm×70mm的电路板控制，在环境温度为35.1℃、中冲程条件下，COP为1.45，可产生72.68W的制冷量。另外，Unger、Bailey、Wang和Bradshaw等都对微型线性压缩机进行了较为详细的描述。

近年来，微型隔膜式压缩机引起了部分学者的关注，这种压缩机是靠隔膜在汽缸中作往复运动来压缩和输送气体的，压缩比大，体积很小，无须润滑油，密封性好。Sathe等针对制冷量为80W、理论COP为12.0的制冷系统设计优化了静电驱动的R134a微型隔膜式压缩机组，整体体积约32cm3，每个单体压缩腔半径8.5mm，最大深度85µm，最大增压35.6k Pa，体积流量97mL/min，工作电压387V，最小功耗30.1mW，但未对压缩机的泄露、稳定性、可靠性及噪声等方面进行分析。此外，与其他类型的微型压缩机相比，该压缩机排量很小，工作电压高，加工比较困难，成本较高，不过随着硅片精细加工技术的进步，微型隔膜式压缩机有望在微型制冷系统中得到应用。1

基本原理是微型压缩机的基本构成，由滚动活塞、气缸体、滑板及其背部的弹簧、偏心轮轴和气缸两端盖等主要零件组成。从图中可以看出，汽缸内缸与滚动活塞均呈圆形，气缸体上开有吸气、排气孔口。排气孔口之上装有簧片排气阀，气缸内安装有带心拐的偏心轮轴（即压缩机的主轴）。偏心轮轴的旋转中心与气缸内孔的圆心重合，滚动活塞安装在偏心拐上，即滚动活塞与偏心拐同心，使得滚动活塞外表面与气缸内表面相切（实际上由于间隙的存在，在相切处两者并未接触），于是气缸内表面与滚动活塞外表面之间形成一个月牙形空间，它的两端被气缸盖封着，构成压缩机的工作腔。在气缸的吸气、排气孔口之间开一个径向槽，槽内装有能来回滑动的挡板（简称滑板），滑板背部装有弹簧，靠弹簧力（有时还作用有气体或润滑油的压力）滑板端部紧紧压在滚动活塞外表面上，将月牙形空间分成两部分：与吸气孔口相通的部分成为吸气腔：在排气孔口一侧的部分成为压缩腔，排气孔口设置有排气阀，在压缩工质达到一定压力时，排气阀打开，实现压缩完毕的工质的排出，至此，一个完整的压缩循环完成。

图 3是微型压缩机的工作原理，当偏心轮轴由原动机驱动绕气缸中心连续旋转时，吸气腔、压缩腔的容积周期变化，于是就实现了吸气、压缩、排气及余隙膨胀等工作过程。具体如下：当滚动活塞位于a所示位置，同时左侧工作腔开始吸气，右侧工作腔开始压缩；位于b所示位置，左侧工作腔吸气行程完成一半，右侧工作腔压缩行程完成大半；位于c所示位置，左侧工作腔吸气行程继续，右侧工作腔压缩工质压力达到要求，开始排气；位于d所示位置，左侧工作腔吸气行程继续，右侧工作腔排气结束；位于e位置，左侧工作腔吸气行程结束，即将进入压缩行程，右侧工作腔即将与左侧连通，进入吸气行程；至此，微型压缩机完成一个完整的压缩循环，期间各个位置的左、右工作腔状态说明详细见表1。

表1微型压缩机工作过程状态说明。2

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优势运行平稳：微型压缩机中，对于某一个工作腔而言，气体工质的吸入、压缩和排除是在偏心轮轴转动两周内完成的，但是由于滚动活塞和滑板组成左右两侧的工作腔，吸气、压缩及排气过程是同时进行的，那么对于整个压缩机而言，偏心轮轴每转中仍完成一个有效的工作循环，可以使得运行平稳。

效率较高：微型压缩机中，吸气、压缩及排气过程是在滑板两边的工作腔中同时进行，不需要吸气阀门，也不需要额外的吸排气消声器，降低了吸排气过程中的流动阻力损失，其指示效率一般比往复式活塞压缩机高30%-40%。

结构紧凑：微型压缩机是由圆筒形气缸和作回转运动的滚动活塞相互配合而直接进行旋转压缩，不需要将旋转运动转化为往复运动的运动转换机构，其零部件少，尤其是易损件少，结构简单，体积小，重量轻，比一般往复活塞压缩机的零件少1/3，体积小40%-50%，重量约轻一半。

无刷电机驱动：微型压缩机由直流无刷电机作为原动机，无刷直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，易于实现微型压缩机的变转速变频控制，并且可以使用电池、车载电源、民用电网、太阳能等供电，增强了系统的适应性。3

应用压缩机是制冷系统的核心，其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。微型压缩机具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点，可以说是专为尖端制冷系统量身定做的，也是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选。微型压缩机可广泛用于空气调节装置、水冷装置、商业冷藏装置的制冷单元，目前，其主要应用范围包括便携式制冷系统、食品冷却系统、微型冷藏系统、温控装运容器、电子制冷系统、医疗成像系统、迷你冷却水系统等。

目前有美国ASPEN，研发了全球最小的制冷压缩机。

Aspen微形封闭转子式压缩机性能参数：

型号：14-24-000X；

制冷剂: R-134a；

电机：无刷电机；

油的型号：POE RL 68H；

排气量：1.4CC；

重量：590克；

尺寸：56mm（直径）X 78mm (高)；

电流：1A – 9.5A；

最大电流：9.5A (正常为5A)；

电压：20 - 28V；

蒸发温度：-18°C ~ 24°C；

冷凝温度：27°C ~ 71°C；

适用环境温度:-30°C ~ 60°C；

最高承受温度：130°C；

转速：1800-6500rpm。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学