压缩机

压缩机（），是一种将气体压缩同时提升气体压力的机械，其应用广泛，常见的应用领域包括：压缩冷媒（如：冰箱、暖通空调，原理为热泵与制冷循环）、压缩空气（如：空气压缩机）、压缩气体（如：压缩氢气）、提供压缩气体作为工业驱动动力，如：硅化工、石油化工、天然气输送等。
有些压缩机是多段式的。多段式压缩机可以视为将压缩分为多段，并且用多个较小的压缩机接续完成压缩。以二段压缩机为例，其中第一段压缩先将气体压缩到一定压力，再由第二段将气体继续加压。一般来说，负责第二段的组件，在体积上会比负责第一段的压缩机要小，第二段的功用是配合已压缩的气体，再加压到所需的压力。每一段压缩机都会压缩气体，增加其压力，若没有额外冷却的话，也会增加其温度。
分类.
压缩机和泵浦类似，两者都是增加流体的压力，并且让流体可以透过管道输送。主要的差异是压缩机会改变流体的密度或是体积，多半只对气体才能达到此效果。气体可以压缩，液体相对来说是无法压缩的，因此很少会将压缩机用在液体上。
主要的气体压缩机分类图示如下：
容积式压缩机.
容积式（或称正排量式，）压缩机容积式压缩机乃是将气体导入一密闭空间中，透过压缩原有气体所散布的空间体积而使内部压力上升，而将机械能转换为压力能。是利用机械连杆的位移，来达到压缩气体的效果。因为在热力学上，因为活塞位移造成的体积增加，视为是活塞的正位移，故得其名。
往复式压缩机.
往复式压缩机是由曲柄轴带动活塞来压缩气体，可以是固定式或是移动式的，可以是单段或是多段，可以用电动机或是内燃机驱动。功率介于5至30 马力的小压缩机，常用在汽车内，多半是间歇性的使用。大功率的往复式压缩机，功率可以超过，常用在大型的工业设备或是石化产业中。范围很广，可以是低压，也可以是非常高的压力（&gt;18000 psi或124 MPa）。这类的应用中（例如空气的加压），一般认为多段双动的压缩机是目前可购得的压缩机中效率最高中的，但相较于同功率的旋转动力式压缩机，往复式压缩机的体积较大，价格也比较贵。另外一种常用在汽车车厢空气调节的压缩机，是斜盘式（swash plate）或摇摆盘（wobble plate）的压缩机，利用轴上装的斜盘来进行压缩。
家用、家庭工坊或是小型工作场所用的压缩机多半是往复式压缩机，功率或是更小，会配合贮气筒。
也是往复式压缩机，而其活塞是由线性马达的转子所带动。
这类的压缩机可以压缩许多种类的气体，包括冷媒、氢体以及天然气。因此在许多不同的产业中都可以使用，也可以设定成不同的尺寸、气缸数，或是有气缸卸载（cylinder unloading）功能。不过其缺点是由于其余隙体积（clearance volume）而有的较大损失，或是排气阀以及吸气阀产生的阻力，重量较重，因为移动件较多造成的不易保养问题，而且往复式压缩机在其本质上就会有振动。
薄膜压缩机.
（diaphragm compressor或membrane compressor）是传统往复式压缩机的变形。此压缩机是由可挠的薄膜取代活塞来压缩气体。薄膜的四周固定不动，中心点的往复运动是由连杆和曲柄轴来控制。薄膜压缩机中只有缸壁和薄膜会和要压缩的气体接触
往复式压缩机因为活塞的往复运动，在活塞和气缸壁之间需要有间隙，也因此会有泄漏的情形，薄膜压缩机不需要间隙，适用于压缩有毒以及可能会爆炸的气体。像压缩氢气以及压缩天然气就会用薄膜压缩机进行，也可以用在其他的应用中。
离子液体活塞压缩机.
也称为离子压缩机（ionic compressor）或是离子液体活塞泵（ionic liquid piston pump），是一种，不过是使用离子液体活塞，而不是像中使用的金属活塞。
螺旋式压缩机.
（Rotary screw compressors）使用二个相配合，会旋转的正位移螺旋，强迫气体进入较小的空间内。在商业及工业上的应用多半是连续使用，可以是固定式或是行动式。其应用的功率范围到超过，压力从低压到相当高的压力（&gt;）。
螺旋式压缩机的分类会依其级数、冷却方式、驱动方式等因素来分类。 目前在贩售的螺旋式压缩机可分为喷油式（Oil Flooded）、喷水式（Water Flooded）及干式（Dry type）。压缩机的的效率会和空气干燥器有关，空气干燥器的选用要选择其体积递送（volumetric delivery）需为压缩机的1.5倍。
目前也有使用一个螺旋或是使用三个螺旋的螺旋式压缩机。
螺旋式压缩机的可动件较少、容量较大、其振动及（surging）较小，可以在不同的速度运作，一般来说效率较高。较小型的螺旋式压缩机，或是转速较低的螺旋式压缩机没有实用价格，因为压缩孔穴之间，或是螺旋和压缩机机壳的间隙会造成的本质漏气。需要有很精细的加工误差，才能避免太大的漏气损失，若非正常使用或是保养不当，很容易损坏。
旋片压缩机.
旋片压缩机（Rotary vane compressors）其中有一个转子，转子内部有数个径向的槽，上面装有数个叶片，转子以偏心的方式装在一个较大的压缩机腔室内，腔室可能是圆形的，也可能是其他较复杂的形状。旋片压缩机运作时，转子会会以其圆心为中心旋转，叶片会在槽中滑动，后面也可能有弹簧的施力，使叶片外缘和腔室的内缘相接触。因此这些旋转的叶片形成许多逐渐变大，之后又逐渐变小的空间。旋片压缩机和往复式压缩机都是相当古老的压缩机技术。
配合适当的管路连接，这类设备可以作为压缩机或是泵来使用。可以是固定式或是活动式，可以是单级或是多级，可以由电动机或是内燃机驱动。干式的旋片机一般会用在大量液体的输送，压力较低，而微油式的旋片机其容积效率较高，可以在单级下达到压力。旋片压缩机很适合由电动机驱动，其运作会比内燃机驱动的压缩机要安静很多。
旋片压缩机的机械效率可以到90%。
滚动活塞式.
滚动活塞式（Rolling piston）压缩机内使用的是滚动活塞，是在转子以及叶片之间的元件
。滚动活塞和静止的叶片一起对气体施力压缩。
有些应用会在同一个传动轴上装二个不同相位的滚动活塞压缩机，增加压缩容量，也减少噪音以及振动。。若将滚动活塞式压缩机中的弹簧移除，即为swing compressor。
在冷冻空调应用中，这类的压缩机会称为rotary compressor，而转动螺旋式压缩机会简称为螺旋式压缩机（screw compressors）。
这类压缩机在活塞和气缸壁之间的间隙泄漏较往复式压缩机要小，因此其效率也会比较高。在相同的压缩机输出下，滚动活塞式压缩机的体积和重量都只有往复式压缩机的40%至50%，这在产品的原材料成本以及运费上都是优势，相较于往复式压缩机，滚动活塞式压缩机还有振动较小、元件较少、可靠度较高的优点。但其结构只允许压缩能力在5冷冻吨以下，其可靠程度不如比其他型的压缩机，因为有些压缩机没有间隙泄漏，相较起来，滚动活塞式压缩机的效率会比较差。
涡卷式压缩机.
，也称为涡卷式泵、涡卷式真空泵，是用二个交错的涡卷叶片来压缩流体。涡卷叶片的几何可能是渐伸线；阿基米德螺线或是其他复合曲线。其运作平顺安静，相较于其他低压缩能力的压缩机，涡卷式压缩机的可靠度较高。
涡卷式压缩机常见的运作会让一个涡卷固定，另一个涡卷本身不旋转，而是绕行固定的轨道运动，会压缩二个叶片之间的流体。
涡卷式压缩机固定涡卷和活动涡卷之间的间隙很小，因此压缩机的容积效率相当高。
涡卷式压缩机比往复式压缩机要轻、体积要小、可动作较少，也比较可靠，因此大量的用在空调以及冷冻应用上。不过其价格较贵。若在设计冷冻空调系统时，价格是重要考量因素时，会改用peltier冷却器、滚动活塞压缩机或是往复式压缩机。
在1990年代初期，Volkswagen G60和G40引擎里的G rader，就是用涡卷式压缩机作为机械增压器。
若将涡卷式压缩机和滚动活塞压缩机、往复式压缩机比较，涡卷式压缩机零件较少，结构较简单，因此比较可靠，而且没有阀门，也没有余隙容积，因此效率较好。不过若和螺旋式压缩机、离心式压缩机比较，涡卷式压缩机的效率就比较差，压缩能力也比较低。
旋转动力式压缩机.
离心式压缩机.
离心式压缩机（Centrifugal compressors）利用外形设计过的压缩缸，配合在其中旋转的圆盘或是叶轮，迫使气体往叶轮的外围移动，增加气体的速度。扩压器（渐缩导管）将动能转换为压力能。离心式压缩机主要用在工厂内需连续使用的固定式设备，像是炼油厂、化学工厂、石油化工厂以及工厂等。其压缩能力从到上千马力。若是多级的压缩机，其输出压力可以超过。
大型的冷冻空调系统大量的使用这类压缩机以及螺旋式压缩机。也有使用磁性轴承（磁浮）以及空气轴承的离心式压缩机。
许多大型的机器（像滑雪场所使用的）会使用这种压缩机。在内燃机引擎中也会使用离心式压缩机（例如机械增压器及涡轮增压器）。在小型的燃气涡轮发动机中也会使用这类压缩机，或是中型燃气涡轮发动机的最终压缩段使用。
离心式压缩机是目前各类压缩机里，压缩能力最大的，在半载下可以有高效率，若使用磁性轴承或是空气轴承，即为无油（oil-free）压缩机，在蒸发器以及冷凝器应用时的热传系数较好，相较于同压缩能力的往复式压缩机，重量可以减少90%，体积只有50%，产生的振动最小。不过其初期成本较高，其叶轮要在高速下运转，需要用CNC进行精密加工，小功率的压缩机因为成本考量，不可能使用离心式压缩机，而且离心式压缩机容易出现喘振（surging）的现象。喘振是出现气体回流（从排气端流到进气端）及正流振荡的情形，会破坏压缩机，特是其轴承以及传动轴。喘振是因为排气端的压力高过压缩机的输出压力，因此气体回流，回流后排气端压力又恢复正常，因此气体再正常流动，因此气体会在压缩机以及其需要供应气体的设备之间往复流动，造成振荡。
混流式压缩机.
类似离心式压缩机，但在气体离开转子时除了有径向速度外，也有轴向速度。会用扩压器将混流流动转换为轴向流动。和传统的离心型压缩机（同级，同压缩比）比较，混流式压缩机的速度是离心型压缩机的1.5倍。
轴流式压缩机.
轴流式压缩机（Axial compressors）是动态旋转的压缩机，秧用一连串类似风扇叶片的机构，渐近进式的压缩流体，会用在需要大流率或是小型化的应用。
轴流式压缩机的叶片一般会是会由多个组成一排，其中会两两成对，一个是转动的转子，另一个是不转动的定子。转子负责将流体加速，定子则负责将流体减速，调整流体方向，预备流往下一段的转子。轴流式压缩机几乎都是多段的，其气体通过截面积会渐渐缩小，以维持最佳的轴向马赫数。一般来说，超过五级以上的轴流式压缩机，或是压缩比超过4:1的轴流式压缩机需要加上额外的设计才能正常动作，例如可变角度的转子（可变倾角入口导叶、可变倾角定子叶片），可以让气体中途离开压缩机的机制（称为interstage bleed），或是分为多个转动组件（例如twin spool）。
轴流式压缩机有高效率，在设计条件下约为90%的多方过程。不过其价格相对较高，需要大量的元件、很小的公差以及高品质的材料。轴流式压缩机用在中型到大型的燃气涡轮发动机，天然气泵站，以及一些化工厂。
非旋转的动力式压缩机.
气泡式压缩机.
气泡式压缩机（Air bubble compressor）也称为，是以水为动力的压缩机，早在电力压缩机发明之前就已使用。
气泡式压缩机利用紊流将空气和水混合后，注入地下的压缩缸中，在地下压缩缸中空气会和水分离。落下水的重量会压迫气体集中在压缩缸的上方。压缩缸的隐没式出口让水可以从比入口低的位置流出。压缩缸的上方有气体出口，压缩空气从上方排出。1910年时在加拿大安大略省Cobalt附近的蒙特娄河就以此原理建造了压缩机，提供压缩空气给邻近的矿坑，功率到达5,000马力。
全密封、开放式或是半密封.
蒸气压缩制冷中会使用压缩机压缩制冷剂，若要在不维修的情形下持续运作数年，需维持在几乎零泄漏的状态，以免制冷剂流失。这需要有非常有效的密封装置，甚至在设计上就去除所有开口以及需要的密封装置，形成。制冷用的压缩机可以分类为全密封（hermetic）、开放式（open）或半密封（semi-hermetic），以说明压缩机的密封情形，以及发动机是否会接触到所压缩的气体。除了制冷外，有些特殊应用也会需要用到全密封的压缩机，一般是在处理有毒、有污染性或是可能爆炸的气体，最常见的是在石化产业的应用。
在全密封压缩机以及大部份半密封压缩机里，会将压缩机和动力来源整合，在密封系统内的压缩气体里运作。其发动机是设计成可在充满压缩气体的环境下运作，也可能是靠气体来散热。开放式压缩机有外部发动机驱动连接到压缩机内部的轴，要靠轴周围的旋转油封（rotary seal）才能维持内部的气体压力。
全密封和半密封的差异是全密封压缩机用一个一体成形的铸铁外壳将压缩机包裹在内，无法打开维修，若全密封压缩机损坏，直接更换新的即可。半密封压缩机也有大的铸铁外壳，但有有密封片的盖子以及螺丝，可以打开盖子，更换其中发动机或其他元件。全密封和半密封的主要好处是没有路径让气体漏出到系统以外。开放式的主要好处是可以用任何的动力源来驱动，可以依应用选择最适当的发动机，甚至也可以使用内燃机或涡轮发动机，另一个好处是可以在不打开冷却系统的情形下维修动力源。
开放式压缩机（例如汽车冷气）比较容易有工质气体泄漏的问题。在运作时，开放式中的润滑油会喷溅到泵浦以及油封上，以此达到润滑効果。若长久没有使用，油封里的润滑剂会慢慢挥发，油封也会开始泄漏，导致系统无法正常使用，需要修理及重新补充要压缩的气体。相反的，全密封和半密封压缩机可以维持数年不使用，要使用时直接启动即可，不需保养，也不会有压力下降的问题。就算是润滑良好的油封，还是会随著时间泄漏小部份气体，尤其是压缩气体可溶于润滑油时更是如此，不过若油封制造良好，也有正常保养，泄漏气体的量非常的小。
全密封压缩机的缺点是发动机无法维修或保养，若是损坏只能整个更换。另一个缺点是若其中的马达绕组烧坏，会污染整个系统，需要将其中的气体抽出更换（半密封的压缩机，若马达是在冷媒中运作的，也有类似问题。）一般来说，全密式压缩机会用在低成本、工厂组装的家电产品中，修理以及人工的成本比产品本身还贵。半密封压缩机会用在中大型的冰箱或空调系统，维修费用比压缩机本身要便宜。全密封压缩机比半密封或是开放式的压缩机要简单，成本也比较低。
气体压缩的热力学.
等熵压缩机.
压缩机可以理想化为内部可逆且绝热的设备，因此在稳态下为等熵过程，也就是其熵的变化是0。
流体过程中焓的变化可以用下式计算
dH = VdP +TdS
因为等熵，dS为零
dH = VdP
若是一些正排量式的压缩机，不是流体等熵过程，可以使用另一个方程式。
dH = PdV
在定义压缩行程为等熵过程后，即可得到行程的理想效率，以及理想压缩机的性能，可以和实际压缩机的性行相比较。美国机械工程师学会（ASME）PTC 10 Code中使用的等熵压缩是指可逆、绝热的压缩行程。
压缩机的等熵效率如下：
压缩机需要的功.
比较可逆压缩机以及不可逆压缩机.
令formula_5为热，formula_6为功，formula_7为动能，formula_8为位能。
真实的压缩机：
而且，formula_10，其中的T是绝对温度，恒大于0，因此得到formula_11
或者
formula_12
因此，像泵和压缩机这类需要功轮入的设备（其功为负值），逆向运作时需要的功比较小。
压缩行程中的冷却效果.
等熵过程（isentropic）过程：没有冷却
多方过程（polytropic）过程：有部份冷却
等温过程（isothermal）过程：最大程度的冷却
以下是针对流体和行程的假设，在压力formula_13和formula_14之间。
等熵（formula_15，其中formula_16）:
多方（formula_18）
等温（formula_20或formula_21）：
比较三个过程，等熵压缩（formula_15）需要的功最大，等温压缩（formula_20或formula_21）需要的功最小。针对多方过程（formula_18），若指数变小，在压缩过程的热阻隔增加，所需要的功也会变小。在压缩机的应用中，常见的气体冷却方式是在压缩机外加上冷却套管（cooling jackets）。
温度.
压缩气体会使其温度上升。
针对气体的多方过程：
要让气体在封闭容器中多方压缩（或多方膨胀）所做的功。
因此
其中"p"是压力，"V"是体积，"n"在不同压缩过程下，会有不同的值，1 &amp; 2是指初始状态以及最终状态。
其中"T"1和"T"2是以兰金温标或开尔文为单位的温度，"p"2和"p"1是绝对压力，formula_32是绝热指数（空气的值约为1.4）。在膨胀过程，压力和温度不是简单的正比关系。此过程效率较低，但比较快。在生活中，绝热压缩比较接近压缩机隔热良好、气体体积很大、时间尺度很短（例如高功率）的情形。在实务还是会有一些热会从压缩气体中流入。若要达到完美的绝热压缩机，需要在机器各部份作到完美的隔热。就算是帮脚踏车轮胎充气，充气用的金属管也会发热。上述温度和压缩比的关系可以说明，绝热过程的formula_33即为formula_34（绝热指数）。
在等温过程中，formula_33为1，等温过程所需要作的功为：
等温过程需要的功比若要绝热过程要小。
分段压缩.
以离心式压缩机来说，现行商品的设计，压缩一般气体，单段压缩比无法超过3.5。气体压缩时温度会上升，在各段之间会需要冷却，让压缩比较不像绝热过程，比较像等温过程。段间冷却器（中冷器）一般会让部份气体凝结成液体，再从中移除。
若是小型的往复式压缩机，压缩机的飞轮可以驱动冷却风扇，直接用空气为二段或是多段压缩之间的中冷器散热。
螺旋式压缩机可以用冷却润滑油来减少压缩产生的温度上升，因此其压缩比可以超过9。例如，一般的潜水气体会经过三段压缩。若每一段的压缩比为7。压缩机的输出压力可以到343大气压（7 × 7 × 7 = 343 atm）()。
动力来源.
压缩机的动力来源有很多种：
润滑.
若是用电动机驱动的压缩机，就可以用变频器或逆变器驱动，而且其速度也可以调整，不过许多全密或是半密压缩机有内建的润滑油泵，只能在一定的速度范围内运作。润滑油泵的动力来源是连接在驱动压缩机的同一个传动轴上，以此带动油进入压缩机以及马达轴承。若速度太低，接触轴承的润滑油量不足，最终会造成轴承的失效，若速度太高，过多的润滑油会从轴承以及压缩机中流失，可能会因为飞溅而进入压缩气体中，最终润滑油耗尽，轴承无法润滑，造成损坏。润滑油也可能会污染冷媒、空气或是其他要压缩的气体。
应用.
压缩机可用在许多需要高压气体或是需要减少气体体积的应用里：