往复式压缩机主要由气缸、活塞、吸入和压出气阀所组成。它的工作原理与往复泵相似，依靠活塞的往复运动而将气体吸入和压出。但由于压缩机的工作流体为气体，密度比液体小得多，且可压缩，因此，在结构上要求吸入和排出气阀轻便而易于启闭。活塞与气缸盖间的余隙要小，各处配合需要更严密。此外，还需要根据压缩情况，附设必要的冷却装置。
1、单级往复式压缩机
下图展示了一单动往复式压缩机工作时，各阶段活塞的位置。现照此图，对其工作原理加以说明。活塞在气缸内运动至最左端时，如图（a）所示，活塞与气缸之间还留有一很小的空隙，称为余隙，其作用主要是防止活塞撞击在气缸上。由于余隙的存在，在气体排出之后，气缸内还残存一部分压力为p2的高压气体，其状态如图（e）的A点。当活塞从最左端向右运动时，残留在余隙中的气体便开始膨胀，压力从p2降至p1时，活塞达到图（b）所示位置，此时气体的状态相当于图（e）上的B点，这一阶段称为膨胀阶段。活塞再向右移动时，气缸内的压力下降到稍低于p1，于是吸入阀开启，压力为p1的气体进入气缸，直到活塞移至最右端，其位置如图（c）所示，气体状态相当于图（e）上的C点，这一阶段称为吸气阶段。此后，活塞改向左移动，缸内气体被压缩，压力升高，吸入阀关闭，气体继续被压缩，直至活塞到达图（d）的位置，压力增大到稍高于p2，气体状态相当于图（e）中的D点，这一阶段为压缩阶段。此时，排出阀开启，气体在压力p2下从气缸中排出，直至活塞回复到图（a）所示位置，这一阶段称为排出阶段。
压缩机的实际工作循环
由此可见，压缩机的一个循环是由膨胀、吸入、压缩、排出等四个阶段组成，在上图（e）的p-V坐标上为一封闭曲线，BC为吸入阶段，CD为压缩阶段，DA为排出阶段，而AB则为余隙气体的膨胀阶段。由于气缸余隙内有高压气体存在，因而使吸入气体量减少，增加动力消耗。
2、多级往复式压缩机
若生产上所需的气体压缩比很大，要把压缩过程用一个气缸一次完成，往往是不可能的，即使理论上可行，也不切合实际。压缩比太高，动力消耗将显著增大，气体的温度升高也大。此时，气缸内的润滑油会变性（黏度下降，甚至焦煳），致使润滑不良，机件受损，严重的会造成爆炸，同时余隙也使压缩机的容积系数严重下降。因此，当压缩比大于8时，则需采用多级压缩，此种压缩机称为多级压缩机。
1，4，7—气缸；2，5—中间冷却器；3，6，9—油水分离器；8—出口气体冷却器
3、往复式压缩机的分类
往复式压缩机的分类方法很多，按活塞的一侧或两侧吸、排气而分为单动和双动式；按气体受压次数而分为单级、双级和多级；按压缩机所产生的终压而分为低压（10at）、中压（10～100at）、高压（100～1000at）、超高压（1000at以上），当前在超高压领域主要采用往复式压缩机；按生产能力分为小型（10m3/min以下）、中型（10～100m3/min）和大型（100m3/min以上）；按所压缩气体种类分为空气压缩机、氨压缩机、氢压缩机、石油气压缩机等。决定压缩机型式的主要标志，是气缸所在空间的位置以及气缸的排列方式，若按此分类，则依照压缩机在空间位置的不同，可分为立式、卧式和角度式压缩机；依照压缩机气缸排列方式不同可分为单列、双列和对称平衡型。
往复式压缩机国产型号均以拼音字母代表结构型式，如立式为Z，卧式为P，对称平衡型为D、H、M，角度式的有L、V、W等。与型号并用的数字分别表示气缸列数、活塞推力、排气量和排气压力。例如2D6.5-7.2/150型压缩机，表示气缸为2列，对称平衡型（D型），活塞推力6.5t，排气量7.2m3/min，排气压力150at（表压）。
4、往复式压缩机的注意事项
往复式压缩机的排气，如同往复泵的排液一样，是脉动的，因此，压缩机的出口要连接储气柜（缓冲缸），使气体输出均匀稳定，同时使气体中夹带的水沫和油沫在此处沉降下来。为了操作安全储气柜上要安装压力表和安全阀。压缩机的吸入口应安装过滤器，防止吸入灰尘和杂物，磨损活塞、气缸等部件。此外压缩机在运转过程中必须注意润滑和气缸的冷却等。
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