3.12 涡旋式压缩机

涡旋压缩机最早是在制冷领域得到应用，至今仍是制冷压缩机的主流机型之一，尤其在汽车空调中属于主要机型。随后，涡旋压缩机被逐步应用到空气压缩和真空领域。

涡旋空气压缩机在行业中存在有很长时间，但一直不温不火。主要原因在于其流量属于小微流量，通常在3m ³ /min以下，市场规模小所致。最近几年，随着新能源汽车产业的兴起，用于汽车的空气压缩机，以及一些科技产品制造企业的小规模无油压缩空气需求，使无油涡旋压缩机得到重视。

涡旋机械最早见于1905年的美国专利，是法国人Leon Creux发明的，论述的内容是关于可以逆转的涡旋膨胀机。20世纪70年代，高精度数控铣床的出现，给涡旋机械的发展带来了机遇。80年代初，涡旋机械首先在空调压缩机技术领域取得了商业应用，用作汽车空调压缩机和柜式空调用压缩机。从此，涡旋机械走向大规模的开发应用，应用领域从空调压缩机扩大到制冷压缩机、空气压缩机及真空泵等方面。

涡旋压缩机有两种主要结构类型，即公转型结构和自转型结构。从名字简单理解，公转型是一个涡盘围绕另一个涡盘平动转动，而自转型是两个涡盘回转转动。以图3-130所示，简单区分一下。市场上所见几乎都是公转型，故仅介绍公转型。

3.12.1 工作原理和基本结构

1.工作原理

涡旋压缩机属于容积式压缩机，其基本工作原理，也是通过工作容积的变化实现对气体的压缩和输送。这些是容积式压缩机的共同工作原理，对于涡旋压缩机，具体我们要了解的是，其工作容积是如何通过机械结构形成的，又如何运作形成工作容积的周期变化。

2.基本结构

涡旋式压缩机的核心部件，是机壳和两个渐开线涡旋盘（见图3-131），一个固定（静涡盘），一个做偏心回旋平动运动（动涡盘）。静涡盘和动涡盘的涡旋体，一般均由相同的渐开线型线构成，相向安装，动涡盘的中心相对静涡盘偏心布置，偏心距离即为主轴的回转半径。且动、静涡盘型线的相位角相差180°。

小贴士

涡旋压缩机属于回转压缩机，但其压缩核心部件动涡盘的运转方式比较特别，并不像其他压缩机一样，围绕轴心做圆周旋转运动，而是围绕圆心的平动运动，类似于擦桌子抹布画圈。这种运动方式与常用于制冷压缩机中的滚动活塞压缩机相似。

图3-132 为涡旋压缩机的结构立体剖视图。涡旋压缩机主要由静涡盘、动涡盘、十字滑环、主轴、机座等部件组成。

在轴向中心位置开有排气孔口，在气缸壁开有进气孔口。当压缩机工作时，动涡盘在主轴的驱动和防自转机构的相位保持下做平面圆周运动（绕主轴中心的轨道运动）。

动涡盘与静涡盘之间的相对运动为动涡盘相对于静涡盘的平动，不允许动涡盘相对于静涡盘进行旋转运动。为了防止动涡盘和静涡盘之间产生相对旋转运动，需要使用防自转机构。十字滑环就是防自转机构的核心部件。十字滑环一般包括两对从环形件伸出的键。第一对键配合在动涡旋盘的槽内，第二对键配合在静涡旋盘的槽内。

3.12.2 工作循环过程

从涡旋压缩机的动、静涡盘在其平面上的投影可以发现，两涡盘偏心配置。动、静涡盘啮合线、侧壁面及端面之间围成的几对月牙形状的封闭容积即构成了涡旋压缩机的多个基元容积。这些基元容积成对出现，对称分布。图3-133所示为涡旋压缩机形成的多个基元容积之一。

如图3-134所示，最外圈的基元容积1随主轴的转动而逐渐张开，气体从进气口进入压缩机腔内，进入的气体量随转角的增大而增大，进而达到最大值。随着主轴的继续转动和开口的逐渐关闭，基元容积 1 的容积又有所减少，吐出少量气体，最后形成封闭容积。同时，在关闭基元容积1的过程中，相对基元容积 2 来说，是一个容积逐渐增大的过程，气体从进气口被吸入基元容积2。

随着主轴的继续旋转，基元容积1和基元容积2先后向中心位置推进，在此过程中，基元容积逐渐变小，完成对气体的压缩过程。直至气体被推进到连通中心的排气孔口位置，压缩空气排出。至此，完成整个吸气—压缩—排气的过程。

当最外的吸气腔形成封闭容积并开始向中心推进时，另一个新的吸气腔同时又开始形成，并重复进行上述过程。当一个工作腔完成一次吸气—压缩—排气过程，如图中的涡圈圈数为3时，则主轴约需旋转4圈。事实上，不论压缩机的涡圈圈数是多少，每一转都完成一次吸气—排气的过程。由于涡旋压缩机存在多对基元容积，故同一时间，涡旋压缩机均有某些基元容积在吸气或压缩或排气。所以，涡旋压缩机的吸气、压缩和排气是同时进行的。

3.12.3 优缺点

1.与往复式压缩机对比

与往复式压缩机对比，涡旋压缩机具有以下优点。

（1）结构简单，体积小，质量轻，易损件少，可靠性高。

（2）无余隙气体膨胀，吸气过热很小，泄漏少（相邻容积之间压差小），容积效率高。

（3）无气阀，流动损失小。动盘运转速度低，整个机器摩擦损失相对较小，机械效率较高。

（4）多个工作腔同时工作，转矩均匀，运转平稳。

（5）吸排气过程连续，进排气的压力脉动小，故振动小，噪声小。

2.与其他回转式压缩机对比

与其他回转式压缩机对比，涡旋压缩机具有以下优点。

（1）吸气过程主轴转角可达360°，理论上涡旋压缩机的容积（进气）系数可达100%，甚至超过100%（在吸气过程中，基元容积是先增大，而后减少。当吸气过程接近尾声时，在转速较高时，往往来不及吐出多余吸入腔内的气体）。

（2）排气过程主轴转角也可达360°，这也是其他回转压缩机无法比拟的。因此，排气比较均匀，阻力损失相对较小。

3.涡旋压缩机存在的缺点

（1）对零部件的精度要求较高。

（2）工作腔无法实施外冷却，压缩过程中的热量导出困难，因此适宜压缩等熵指数小的气体。

（3）受涡旋体高度的限制，流量大时涡盘直径必须增大。作为主要的不平衡旋转质量增大时，旋转惯性力也相应增大，故要求更大的平衡质量，由此机器的质量大为增加，因此制作大排量涡旋机困难。

（4）受工作腔密封与零部件强度的限制，排气压力不宜过高，目前没有超过3.0MPa的工业产品。

3.12.4 主要应用

涡旋式压缩机目前应用最大的领域是空调压缩机，也是目前涡旋机产量最大的一个领域，大多制作成全封闭压缩机，也可制作成开启式结构用于汽车空调。

用于空气压缩时，喷油的涡旋机没有什么特别的优势，所以发展出了无油涡旋压缩机（见图3-135）。常见流量范围在3m ³ /min以下（通常一个主机的流量在1m ³ /min以下，目前的方案是多个机头并联以便实现更大的排气量），对于需要小流量压缩机的场合，无油涡旋机具有较高的竞争力，尤其是医院、实验室等噪声要求较严格的场合。

涡旋机械还可以用于真空机械，所达到的极限真空比一般回转真空泵要高。详见3.16.6节。

3.12.5 实例

图3-136为南京迪升动力科技有限公司制造的无油涡旋主机和无油涡旋柜机，表3-5为无油涡旋主机参数，表3-6为无油涡旋柜机性能参数。