法國工程師Nicolas Léonard Sadi Carnot于1824年在研究蒸汽機的熱功轉化過程效率時，總結提出了卡諾循環(huán)(Carnot cycle)原理?？ㄖZ循環(huán)包括四個步驟: 等溫吸熱， 絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態(tài)1(P₁，V₁，T₁)等溫吸熱到狀態(tài)2(P₂，V₂，T₁)，再從狀態(tài)2絕熱膨脹到狀態(tài)3(P₃，V₃，T₂)，此后，從狀態(tài)3等溫放熱到狀態(tài)4(P₄，V₄，T₂)，最后從狀態(tài)4絕熱壓縮回到狀態(tài)1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的四個具體步驟分別是:（1）等溫吸熱，系統(tǒng)從高溫熱源中吸收熱量; （2）絕熱膨脹，系統(tǒng)對環(huán)境作功，溫度降低; （3）等溫放熱，系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量; （4）絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復原來狀態(tài)。在等溫放熱和絕熱壓縮過程中系統(tǒng)對環(huán)境作負功?？ㄖZ循環(huán)可以認為是工作于兩個恒溫熱源之間的準靜態(tài)過程，其高溫熱源的溫度為T₁，低溫熱源的溫度為T₂?？ㄖZ假設工作物質只與兩個恒溫熱源交換熱量，滿足沒有散熱、漏氣、摩擦等損耗的理想實驗條件，為使過程滿足準靜態(tài)過程條件，工作物質從高溫熱源吸熱應是無溫度差的等溫膨脹過程，同樣，向低溫熱源放熱應是等溫壓縮過程。因限制只與兩熱源交換熱量，脫離熱源后只能是絕熱過程?？ㄖZ循環(huán)分正、逆兩種，正循環(huán)稱卡諾熱機，把熱量持續(xù)不斷地轉化為機械功，如蒸汽機、內(nèi)燃機；逆循環(huán)稱卡諾制冷機，通過對系統(tǒng)做功，實現(xiàn)高低溫熱源之間的持續(xù)熱量交換。如圖1，ɑ-b-c-d-ɑ為正卡諾循環(huán)，ɑ-b為等溫吸熱過程，工質在溫度T₁下從相同溫度的高溫熱源吸入熱量Q₁；b-c為絕熱膨脹過程,工質溫度自T₁降為T₂；c-d為等溫放熱過程，工質在溫度T₂下向相同溫度的低溫熱源排放熱量Q₂；d-ɑ為絕熱壓縮過程,工質溫度自T₂升高到T₁，完成一個熱機循環(huán),對外作出凈功W（內(nèi)燃機做功）。逆卡諾循環(huán)與上述正向循環(huán)反向,沿ɑ-d-c-b-ɑ方向,因而Q₂是工質從低溫熱源吸入的熱量(通稱制冷量)，Q₁是工質排放給高溫熱源的熱量，W是完成逆向循環(huán)所需的外界輸入的凈功（壓縮機做功）。正卡諾循環(huán)的熱力學指標用卡諾循環(huán)熱效率η_t表示，逆卡諾循環(huán)的熱力學指標用卡諾制冷系數(shù)ε表示（制冷系統(tǒng)）或用卡諾供暖系數(shù)ε′表示(熱泵系統(tǒng))。根據(jù)熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T₁與T₂之間工作的所有熱循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理?？ㄖZ循環(huán)具有重要的理論和實際意義。雖然完全按照卡諾循環(huán)理想條件工作的裝置是難以實現(xiàn)的，但是卡諾循環(huán)卻為提高應用卡諾循環(huán)原理設計的熱機和制冷機優(yōu)化循環(huán)熱效率指明了方向，并給出了熱效率的理論極限值。

圖1卡諾循環(huán)示意圖

   現(xiàn)代商用的制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)都是采用逆卡諾循環(huán)原理的卡諾制冷機系統(tǒng)，圖2闡釋了單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的制冷機理。單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，由蒸發(fā)器、制冷壓縮機、冷凝器和節(jié)流閥四個基本部件組成。它們之間用釬焊依次連接制成循環(huán)管道，形成一個密封的制冷系統(tǒng)，充注入壓縮機中的制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生氣態(tài)和液態(tài)的狀態(tài)轉化，與外界進行熱量交換。制冷壓縮機吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽，提高壓力后將高溫高壓蒸汽輸送到冷凝器，使制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動。可用于制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)從被冷卻介質吸熱，向環(huán)境介質放熱，蒸發(fā)溫度低于被冷卻介質溫度，冷凝溫度高于環(huán)境介質溫度。熱泵系統(tǒng)從大氣吸熱，向需要溫度較高的區(qū)域供熱，蒸發(fā)溫度低于大氣溫度，冷凝溫度高于供熱區(qū)溫度。但壓縮機在制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中發(fā)揮的功能毫無差別。

圖2 單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖

     如圖2所示，蒸氣壓縮式制冷循環(huán)可概括為四個過程：（1））絕熱膨脹節(jié)流過程：經(jīng)壓縮冷凝的制冷劑經(jīng)過毛細管膨脹閥絕熱節(jié)流，降壓降溫至濕蒸汽狀態(tài)；（2））等溫吸熱蒸發(fā)過程：濕蒸汽狀態(tài)的制冷劑進入蒸發(fā)器（冷凍室），進行定壓蒸發(fā)汽化,吸收待冷卻的物體熱量，形成干飽和蒸汽狀態(tài)；（3）絕熱壓縮過程：從蒸發(fā)器出來的制冷劑干飽和蒸汽被吸入壓縮機進行壓縮，升壓升溫至過熱蒸汽狀態(tài)；（4）等溫放熱冷凝過程：過熱蒸汽狀態(tài)的制冷劑進入冷凝器，進行定壓放熱，制冷劑凝結為液體狀態(tài)；從冷凝器出來的制冷劑液體再經(jīng)過毛細管膨脹閥節(jié)流降壓至濕蒸汽狀態(tài)進入蒸發(fā)器（冷凍室）吸熱，不斷進行以上四個過程的制冷循環(huán)，從而達到連續(xù)制冷的目的，將冷凍室中的熱量不斷傳遞到外部環(huán)境中，保持冷凍室獲得低于環(huán)境溫度的制冷溫度。

制冷壓縮機是制冷系統(tǒng)的“心臟”，制冷劑是制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)的“血液”，壓縮機按照制冷劑壓縮型式分為速度式和容積式兩種，大型冷庫和中央空調(diào)系統(tǒng)普遍采用速度式的離心壓縮機，小型工業(yè)產(chǎn)品所用的制冷壓縮機則基本上都是容積式的。實驗室冷凍離心機采用的制冷壓縮機屬于全封閉容積式活塞往復型小功率低溫壓縮機，由于制冷系統(tǒng)中的制冷劑是不容許泄漏的，因此系統(tǒng)中凡與制冷劑接觸的部件都應絕對密封。全封閉式壓縮機將壓縮機構和電機驅動機構組裝在一個密閉的薄壁機殼中。使用時只要焊接管路，與冷凝器、毛細管節(jié)流閥、蒸發(fā)器形成密封系統(tǒng)，然后抽真空，充注入合適的制冷劑，就可以形成制冷系統(tǒng)。圖3為全封閉式容積型活塞往復壓縮機的示意圖

圖3 全封閉式容積型活塞往復壓縮機結構示意圖