典型空调结构和工作原理详解

(一)窗式空调器

窗式空调器是使用最早的一类空气调节器。它分单冷型和冷热两用型两类。冷热两用型又分热泵式和电热式两种，适于家庭的小房间使用。压缩机都使用全封闭式小型制冷压缩机，制冷量通常在7 kW(6 000 kcal/h)以下，风量不高于0.33 m/s。窗式空调器结构简单，其他类型的空调器都是在窗式空调器的基础上发展演变而来的。

1.单冷型窗式空调器的结构与原理

(1)基本结构　单冷型窗式空调将各个零件总装成一体，形成一个箱体。包括压缩机、冷凝器、蒸发器、过滤器、节流器组成的制冷系统，电扇电机、轴流风扇、离心风扇构成的空气循环系统，以及电气控制系统和空气净化装置。

(2)制冷系统　单冷型窗式空调的制冷系统与电冰箱的制冷系统的组成与原理基本相同。全封式压缩机是空调器的核心部件，是制冷系统的动力。制冷剂在压缩机的作用下，不断循环流动，并在一定条件下，制冷剂气液态之间相互转化，通过吸热、放热进行热交换，达到空调环境制冷的目的。

涡旋式压缩机的基本结构如图7.14所示。它主要由动涡旋盘和定涡旋盘、曲轴、机座及防自转机构组成。压缩机由定涡旋盘和动涡旋盘的涡卷之间及涡卷的端板之间组成了气缸工作容积。动盘与定盘相对运动时形成由外圈向动、定盘中心移动的空间，以完成对气体的压缩。定涡旋盘的外圈上开有吸气孔，在端板的中心部分开有排气孔。工作时，制冷剂低压蒸气从定涡旋盘涡卷的外部被吸入，在定涡旋盘涡卷与动涡旋盘涡卷所形成的空间中被压缩，压缩后的高压制冷剂蒸气从定涡旋盘端板中心排出。

图7.14　涡旋式压缩机的基本结构

(a)涡旋式压缩机整体结构图；(b)涡旋式压缩机主体部件分解图

由于动涡旋盘与定涡旋盘以相差180°进行啮合，形成一系列封闭空间，当动涡旋盘公转时，在定、动涡旋盘相啮合中，使月牙形啮合线的面积不断压缩变小，月牙形的面积随θ角的增大而变小，气体压缩而增大压力，最后从定涡旋盘中心的排气孔排出。动涡旋盘不断公转，使低压气体不断地在一个个月牙形中被压缩排出，完成压缩作功(图7.15)。

图7.15　涡旋式压缩机的原理

在单冷型窗式空调的制冷系统中的蒸发器、冷凝器、节流器和过滤器在电冰箱制冷系统中已讲述，本任务不再讲述。

(3)空气循环系统　空气循环系统主要由离心风机和轴流风机组成，如图7.16所示。离心风机的作用是强迫对流通风，促使空调器的制冷空气在房间内流动，轴流风机的作用是使冷凝器加快散热，以达到房间各处均匀降温的目的。

图7.16　空气循环系统

离心风机装在蒸发器内侧，构成室内空气循环系统。风机工作时，室内空气通过过滤网除尘，吸向离心风机。因离心的作用使空气压力增加，沿径向飞出，在风叶的中心形成一个负压区，将后部的空气沿轴向吸入风叶，从而保持空气的连续流动。

轴流风机在冷凝器内侧，构成室外空气循环系统。室外空气从空调器两侧百叶窗吸入，经轴流风机吹向冷凝器，携带冷凝器的热量送出室外。空气通过轴流风机，沿轴向流动，风量大，噪声小。夏季室外温度较高，进入冷凝器的气温高，使冷凝器散热不好，所以大多空调器都采用流量大的轴流风机。

单冷型空调器的风道，多采用铝制薄板构成，并与离心风机连在一起，使风机排出的冷空气通过风道方向排往室内。为了使室内更换新鲜空气，在风道一端开有一扇小门，使污浊空气由此排出。为了给轴流风机补风，又在风道的另一侧设有进风口，从外界补入新鲜空气。由于进来的是室外新鲜热空气，排出的是室内混浊的冷空气，这样虽然会损失一些制冷量，但有利于人们的健康，有利于防止空调病的发生。

(4)电气控制系统　单冷型窗式空调器典型的电气控制电路，如图7.17所示。

图7.17　单冷型窗式空调器典型的电气控制电路

空调器接通电源，将主控开关设置于“低风”挡，电源流通的路径如下:电源插头→风扇电机→电扇电容构成通风电机运转回路；电源插头→转换开关→温度控制器→热继电器→压缩机电容→压缩机构成压缩机制冷回路，这时风机和压缩机同时运转。随着室内温度的不断下降，达到设定温度后，温度控制器切断压缩机的供电回路，压缩机停机，但此时风扇电机还在继续运转，对室内气流进行调节。

电路中的热继电器(也称过流过热保护器)用来保护压缩机，防止超载运行。当电流过大或压缩机内部温度过高时，热继电器切断电路，压缩机停机，从而起到保护压缩机的作用。

2.热泵型窗式空调器的制热原理

热泵型窗式空调器是在普通窗式空调器的制冷系统中，增设四通电磁换向阀，通过该阀的换向作用把制冷系统的蒸发器转换为冷凝器，冷凝器转化为蒸发器，具有制冷或制热功能。

需要制热时，给电磁换向阀通电，阀芯动作，被压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气经四通换向阀，沿管路进入室内侧热交换器(冷凝器)，在室内放热变成高压液体，通过毛细节流管，在室外热交换器(蒸发器)中气化吸收室外热量，成为过热低压蒸气，经四通换向阀回到压缩机完成制热循环。

电热式制热系统是利用电加热器产生的热量对室内空气进行加温的，电加热器置于室内侧循环风扇所形成的气流中，其热量不断被带到室内。在电加热器电路中，串联有温度继电器和电源开关。温度继电器置于空调器进风口，当室内温度达到一定值时，触点断开，电源切断，通过热继电器的自动接通和断开，室内气温被稳定在预定温度范围内。

(二)分体式空调器

分体式空调器的结构分为室内机组和室外机组两部分。室外部分为噪声大的压缩机、冷凝器及轴流风机等，室内部分只有蒸发器、离心风机和电气控制部分等重量轻，体积、噪声都较小的部件。这种空调器的特点是外形美观，运转平稳，噪声低，安装方便。还可以根据不同需要采用不同的形式，如壁挂式、柜式等。在功能上，既能用于夏季降温、去湿、改善室内空气循环，又能在冬季制热升温。家用空调器一般使用分体式冷热两用型空调器。

1.壁挂式空调器的结构特点

壁挂式空调器的主要器件是压缩机、四通电磁换向阀、冷凝器、蒸发器、毛细管、轴流风机、贯流风机，并分为室内机组和室外机组。

(1)室内机组　室内机组主要有热交换器和离心风机，外壳采用塑料制作。进风和出风处为栅栏式，进风口处还设有空气过滤网等。壁挂式机组一般挂在墙壁上，其排风口在前下部，正前面板的上部为进风口。柜式机组多用于容量较大的分体式空调器，它体形较大，多贴于墙壁放置，但仍采用薄形结构，以便节省空间。这种机组进风口在前下侧，排风口在前上部，栅栏使风斜向上吹，控制旋钮安装在前部面板，以便于操作。

(2)室外机组　室外机组多为箱体式结构，外壳采用薄钢板，进风口和出风口被做成百叶窗式以利通风和防雨，内部装有压缩机、热交换器和轴流风机等。由于室外机组放宽了对体积的要求，热交换器可以用面积稍大的或者使用多组串联进行工作，以提高热交换效率。结构不需要排列得十分紧凑，而以考虑改善通风条件、减少风扇电机功率、降低耗电指标为主。另外，压缩机处于风扇的气流之中，其产生的热量能被及时带走，进一步改善了压缩机内部的工作条件，提高了电机工作效率，并减少了电机因过热而损坏的可能性。

2.壁挂式空调器的制冷、制热循环系统

(1)制冷系统　空调器接通电源，用遥控器开机，设定制冷状态，贯流风机和压缩机工作，制冷剂流动路径为:压缩机→四通换向阀→冷凝器→毛细管→连接管路→蒸发器→连接管路→四通换向阀→进入压缩机低压端，完成制冷循环，如图7.18(a)所示。

(2)制热系统　空调器接通电源，用遥控器开机，设定制热状态，贯流风机和压缩机工作，制冷剂的流动路径为:压缩机→四通换向阀→加接管→蒸发器→连接管→毛细管→制热毛细管→冷凝器→四通换向阀→进入压缩机低压端，完成制热循环，如图7.18(b)所示。

(3)空气循环系统　分体式空调器采用贯流风叶，其作用是不间断地将被调节房间内的空气吸入到贯流风机内，经过蒸发器降低温度后，以一定的风压和流量送出，通过贯流风机的出风口吹入被调节的房间内的空气循环。

室内机采用的贯流风叶，叶片数为单数，叶片间距不等，叶片相对叶轮中心不对称排列，这样可使噪声降低。风叶在电机带动下工作，空气由前面板的隔栅进风口和顶部的进风口进入蒸发器吸热，叶片之间吸入空气后，在离心力的作用下，气体吹向叶轮周围。空气体积压缩，密度增加，产生静压力，同时加大气流速度产生动压。空气形成旋涡，使叶轮中心部分为负压空间，空气不断从前面板和顶部吸入，冷空气不断从出风口送出，形成空气进出的不断循环(图7.19)。

图7.18　室外机制冷、制热循环

图7.19　室内机气流循环

3.壁挂式空调器的电气控制系统

壁挂式空调器的电气控制系统由遥控器、室内机电控主板、室外机控制系统三大部分组成。空调器接通电源后，用遥控器将信号发射给室内机红外接收器。信号接收后，输入电脑板。电脑板通过室温、管温传感器控制空调器的运行与停止。

在电控系统中设计有多种保护功能:有压敏电阻，当电压过高时，压敏电阻击穿，从而保护电控系统；保险管，其作用是控制电路系统有短路故障时，保险管烧毁，防止电路元件损坏和火灾故障。低压保护的作用是，当制冷系统压力低于0 MPa时，压缩机停止运转，以防止制冷系统进入空气。高压保护是当压力高于设定值时，高压开关即可自动切断空调器主控电路，使之停机，压力下降时，则自动启机。

(三)微电脑控制的空调器

空调器中应用微电脑控制，使空调器的功能进一步扩展，自动化程度进一步提高，具有节能、舒适、低噪声、操作简便、可靠性强的特点。它将输入/输出接口电路、运算电路、存储电路、中央控制器等构成计算机系统的主要单元，做在一块芯片上，完成对数据的转换、处理和输出。配合传感器电路、键盘电路及执行电路，完成对空调器工作状态的自动控制及功能的自动转换。微电脑空调器所能实现的功能如下。(www.xing528.com)

1.温度自动控制功能

微电脑空调器的温度控制键主要有“标准”和“预定”两种。如果使用“标准”自动温度控制，只需按一下“标准”键，在这种运行状态下制冷循环的稳定温度为27℃，制热循环的稳定温度是21℃。如果使用“预定”温度自动控制，需要事先预定温度(图7.20)。

图7.20　微电脑控制的空调器制冷、制热温度变化曲线

(1)制冷运行　当室温高于21℃时空调器可制冷运行。开始制冷时，一般室内温度较高，压缩机在微电脑控制下，不间断地运转，空调器持续制冷。室内蒸发器电风扇和室外冷凝器散热风扇也在全功率运转，进行强风循环和散热。这时，整个空调器处于满负荷工作阶段，直至室内达到预定的温度为止。在达到预定温度时，室内风扇就进入弱风阶段，压缩机也进行间歇式运转，以较小的功率维持室内温度，降低功耗。当室内温度由于某种原因，比如开门、进人等因素突然大幅度上升，空调器自动进入满功率运行，快速制冷，并使室温再次降到预定温度，然后转入维持运转状态。若空调器在维持运转状态下使室温降至低于预定温度2℃以下，这时，微电脑就会发出指令，使压缩机及室内外风扇停止运转，直至温度升到预定温度为止。

(2)制热运行　当室温低于21℃时，空调器可开始制热，运行初始，室温较低，为加快温度的上升速度，空调器满功率运行，室内外风扇工作在强风挡，压缩机不间歇地工作，电加热器也通电加热。随着室温的不断上升，很快达到预定温度，这时电加热器、压缩机及室外风扇就会在微电脑控制下停止运转，室内风扇也转入弱风挡。随着温度的波动，压缩机、风扇、电加热器会在一定的温度条件下分别开启或关闭，以使室温维持在预定温度附近。

2.睡眠自动控制功能

为了适应人的生理特点，微电脑空调器都具有节能和舒适的睡眠电路。在夏季制冷使用时，当人进入睡眠状态后，新陈代谢能力降低，产热能力减小，如果室内温度不变，人就会有冷的感觉，影响睡眠舒适度。微电脑睡眠电路就是根据冬、夏季不同的空气调节方式，分别自动转换空调器的工作状态，使室内温度随着人的清醒和睡眠而发生变化，始终给人以舒适的感觉。

在夏季制冷降温过程中，如果使睡眠电路工作，微电脑将按一定的程序，使计时器开始计时，并且每1 h送给中央控制器一个脉冲信号。中央控制器将这个信号处理后，使微电脑输出控制信号，改变空调器工作状态，将室温提高1℃，这样，3 h完成调整后的温度就上升了3℃。然后，空调器停止送风，同时自动温度控制系统对室温进行监测、控制，使室温一直稳定在比预定温度高出3℃的睡眠温度上，直到睡眠结束。这期间如果温度发生波动，高于或低于睡眠温度，微电脑将发出指令，使空调器降温或停止运转，逐渐再把温度恢复到睡眠温度上去。

当在冬季制热运行中，睡眠电路控制的温度与夏季相反。在冬季人在睡眠时，被褥的保温性能较好，睡眠初期人体表面温度有所上升。如果室温仍维持在原来的温度上，人会感到燥热而难以入睡，所以，冬季的室温要在睡眠后逐渐降低。一般情况下，微电脑在睡眠运行开始后，每隔1 h，控制空调器使室温降低2℃，经3 h完成调整，即睡眠温度要比预定温度低6℃。然后室温将稳定在睡眠温度上，直至睡眠结束。

3.电脑自动除霜功能

电脑自动除霜是用微电脑控制代替机械式控制进行除霜。与机械控制式除霜相比，电脑除霜具有结构简单、成本低、性能优良等特点。电脑自动除霜一般有两种方式。

(1)定时除霜　在空调器的热交换器上安装热敏电阻，检测温度并将信号输入微电脑以检查结霜情况。除霜隔一定时间进行一次，当测得结霜量少时，微电脑发出指令使压缩机停止运转，只用送风进行除霜。若测得的结霜量较大，此时采取制冷剂逆循环的强制除霜，可大大缩短除霜时间。当室外温度在－5～0℃时，单靠热泵系统制热和除霜已经比较困难，这时微电脑会自动接通电加热器进行辅助制热和除霜。

(2)判断除霜　这种除霜是根据制热量多少来判断除霜与否。用两个温度传感器，分别检测室内机组回风温度和热交换器温度，其两者之差与风量系数的乘积，经微电脑处理后就可得出供热量。在相同的运行状况下，供热量越大，结霜越薄；供热量越小，结霜越厚；当供热量减小到一定程度时，霜的厚度也必然达到一定的厚度，与给定的除霜数值相等时，微电脑发出指令，除霜开始。判断式除霜，能根据结霜的实际情况及时除霜，防止了结霜过厚、热效率下降和化霜时间过长引起的电能损失。判断除霜还可以利用温度传感器测出的室外温度来决定是否使用电加热器进行辅助加热。

4.自动安全保护功能

微电脑空调器设置了较为完整的保护功能，它除了对压缩机过流、过热保护外，还具有对辅助电加热器的过热保护。在运转状态方面，也增加了一些保护功能。如当压缩机停机后短期内又需要启动时，延迟电路工作，延迟3 min，待高低压两侧平衡后才能启动。为防止压缩机、风扇电机及电加热器同时启动，减小整机启动电流，压缩机、风扇电机和电加热器在微电脑控制下按一定的时间间隔依次启动。

5.定时功能

定时功能是微电脑的基本功能之一，具有微电脑的空调器都具有定时功能。定时功能一般有定时开、关机，定时睡眠状态和恢复正常状态。

(四)变频式空调器

变频式空调器是一种将变频技术应用在空调器上，由微电脑控制的高效节能的冷热两用型空调器。这种空调器的基本原理就是利用一个频率变换装置，将压缩机电机的电源变成在一定范围内频率连续可调的交流电压，通过电机转速的连续变化，改变压缩机的容量。由于压缩机容量可连续调整，压缩机在任意时刻都能工作在与热负荷相平衡的状态，变频式空调器始终都有很高的工作效率。就变频式空调器的种类而言，按技术类型可分为以下三种。

(1)单转子变频空调。它是初型产品，压缩机工作频率范围在30～60 Hz，制冷/制热性能可控范围不大，电控与普通分体机功能相当。由于成本价只比普通分体机高15%～20%，且性能优于普通分体机，容易被市场接受而成为商品化销售。

(2)双转子变频空调。它是较高档次的产品，压缩机采用双转子结构，工作频率在20～130 Hz之间，制冷/制热性能可控范围较大，电控用模糊控制技术。这种档次的产品性能较前一种优越，但压缩机成本较高，整机成本较普通分体机高40%～50%。

(3)直流变频空调。它是目前最高档次的产品，压缩机采用双转子或涡卷式，而压缩机内的电动机则采用了直流转子结构，工作频率在15～160 Hz之间，制冷/制热可控性范围大，电控采用智能控制方式。

1.变频式空调器的特点

(1)高效的制冷/制热性能　当启动空调器之后，压缩机以高于额定制冷/制热能力的1.2～3倍进行工作，即进入高频率运转，可以高效、快速地使房间的温度达到预定的要求。变频空调的热泵式制热性能尤为优越。热泵窗式空调器只能在0℃以上的环境有效制热，普通分体机热泵也只能在－5℃以上的环境进行制热，而变频分体空调器可以达到在－10℃的环境下也能有效制热。

(2)舒适、宁静　普通空调器在房间温度达到设定温度时，通过感温元件使压缩机工作电路断电而停止制冷/制热。当房间温度回升/回降时，感温元件通过电路使压缩机重新启动运转而工作，如此反复进行。但这种温度稳定波动较大，温差一般在±2～±3℃之内，并不能真正达到舒适的目的。

用变频式空调器，当房间达到设定温度时，感温元件通过电脑控制，使变频器以低于正常电源频率(50 Hz)向压缩机供电，以较低频率(15～30 Hz)使压缩机实现低速运转，而降低空调器的制冷或制热性能，实现房间的温度恒定。由于压缩机自动以低速度运转而达到恒温，波动极小，克服了过冷或过热现象，达到真正舒适、宁静的室内环境。

(3)高效节能　普通空调器的压缩机在恒温工作时不断频繁地停止、启动，其启动的工作电流是正常运转的5～8倍，功耗亦是正常功耗的5～8倍，除了使电路电压产生异常波动之外，还使压缩机的内部机械磨损加剧以至缩短工作寿命。

而变频式空调器在工作时间内不停机运行，不使电路电压产生波动，压缩机平稳低速运行也有利于寿命的提高。由于整个恒温工作是以低频率(15～30 Hz)状态进行，耗电能量大大降低。

2.变频式空调器的制冷(或制热)系统

变频式空调器的制冷(或制热)系统由压缩机、室内热交换器、室外热交换器、电磁四通阀、电子膨胀阀和除霜用双通阀等组成，制冷或制热原理与普通热泵式空调器基本相同。图7.21为变频式空调器制冷系统原理。

图7.21　变频式空调器制冷系统原理

变频式压缩机具有高速、耐磨、低噪声的特点。为改变压缩机的容量，其电机电源的频率通常在30～125 Hz连续可调。当电源频率在30 Hz时，压缩机电机转速最低，压缩机容量最小；当电源频率在125 Hz时，电机转速最高，压缩机容量最大。在改变电源频率过程中，电压通常是恒定的，所以，电机的转矩并未减小，这正好符合压缩机对转矩的要求。

为了与容量变化的工作状态相适应，变频式空调器的节流元件不再采取固定的毛细管节流方式，而使用了能控制节流的电子膨胀阀。电子膨胀阀是一种新型的双通节流元件，它可在微电脑的控制下，按不同的流量进行节流。图7.22为电子膨胀阀结构，主要由针形阀、传感器、脉冲电机等组成。当脉冲电机转动时，带动阀针移动，这样，节流阀的喷嘴面积将随阀芯的移动而发生变化，从而改变制冷剂的流量。

图7.22　电子膨胀阀结构

双通阀是专门为冬季制热时化霜而设置的。当需要化霜时，双通阀打开，压缩机排出的高温高压蒸气直接进入室外热交换器进行化霜，化霜完毕后双通阀关闭，重新开始制热供暖。

3.电气控制系统

电气控制系统的核心是微电脑。空调器的各种功能都是通过微电脑控制来完成的。这种控制系统使用微电脑控制技术，具有红外线遥控功能，从而使操作简单、方便。与一般的微电脑空调器相比，增加了对频率变换器、电子膨胀阀及风扇电机的多功能控制和检测。室内外机的两个单元中，都有以微电脑为核心的控制电路，两个控制电路仅有两根电力线和两根信号线进行传输，相互交换信息并控制机组正常工作。

室内微机接收的信号有:遥控器指定运转状态的控制信号；室内温度传感器信号；蒸发器温度传感器信号；反映室内风机电机转速的反馈信号。微电脑芯片接收到上述信号之一后，经分析运算后便发出一组控制信号，其中包括室内风机转速控制信号，压缩机运转频率的控制信号，显示部分的控制信号(主要用于故障诊断)，控制室外机传送信息用的串行信号。

室外微电脑同时监控接收的信号有来自室内机的串行信号，电流传感器信号，电子膨胀阀出、入口温度信号，吸气管温度信号，压缩机壳体温度信号，大气温度传感信号，变频开关散热片温度信号，降霜时冷凝器温度信号等八种信号。室外微电脑芯片根据接收到的上述信号，经判断运算后发出控制信号，其中包括室外风机的转速控制信号，控制压缩机运转的控制信号，四通阀的切换信号，电子膨胀阀控制制冷剂流量的信号，各安全电路、保护电路的监控信号，显示部分的控制信号(主要用于故障诊断)，控制室内机传送除霜信号的串行信号等。

4.压缩机及制冷(热)量的控制

变频式空调器具有较高的制冷与制热能力。运行时，微电脑根据室内外温度传感器测试的结果，计算出室内热负荷，发出指令，控制变频器的输出频率，改变压缩机容量，使其工作在与热负荷相平衡的状态。

为了与压缩机容量变化相适应，制冷系统制冷剂的节流量也应当有所变化。对制冷剂流量的调整是通过微电脑控制电子膨胀阀来实现的。将温度传感器安装在蒸发器的出口和入口位置上，将检测出的温度信号送入微电脑，通过微电脑计算出其差值，并在微电脑内与温度给定值进行比例和积分运算，最后得出的结果经驱动电路对电子膨胀阀进行控制，从而改变蒸发器中制冷剂流量，使其状态发生变化。一般地，压缩机的容量与膨胀阀的开启程度有一定的对应关系，容量越大，膨胀阀的开启程度也越大，以使蒸发器的能力得到最大限度的发挥，从而实现制冷系统的最佳控制。

5.除霜控制

普通空调器化霜，将制热运行改为制冷运行，需时长达5～10 min，室温波动较大，甚至能使温度降低5～6℃。化霜完毕后，空调器需要再度长时间运行以弥补室内热量的损失。变频式空调器一般不采用逆循环方式化霜，而采取直接化霜或不间断运转化霜。直接化霜原理是:需要化霜时，双通阀被打开，从压缩机排出的高温高压蒸气经双通阀直接进入室外热交换器进行化霜，化霜期间，高温高压蒸气仍然经四通阀流向室内热交换器，对室内供热，但供热能力当然要明显下降。为了缩短化霜时间，使室内热损失维持在最低水平，化霜期间压缩机工作在最大容量状态。化霜完毕后，双通阀关闭，恢复正常供热。