| 【発明の名称】 |
多段式圧縮機 |
| 【発明者】 |
【氏名】村上 和朗
【氏名】藤井 俊郎
【氏名】横町 尚也
【氏名】中根 芳之
【氏名】森田 健一
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| 【要約】 |
【課題】ピストン、ピストンリング、ボア等の製作コストを低減させることができる多段式圧縮機を提供する。
【解決手段】二段式圧縮機１において、第１ボア１１内を摺動可能な第１ピストン１２の外径と、第２ボア２１内を摺動可能な第２ピストン２２の外径とが等しくなるように構成されている。また、第１圧縮室１０及び第２圧縮室２０の冷媒ガスをシールするために、第１ピストン１２の外周には第１ピストンリング１６が装着され、第２ピストン２２の外周には第２ピストンリング２６が装着されている。従って、ボア、ピストン、ピストンリング等の各部材の種類を減らすことができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数段階の圧縮を担当する複数のボアを有し、各ボア内に摺動可能に挿入されたピストンが往復運動することにより、吸入した流体を多段階で圧縮して高圧化する多段式圧縮機において、複数段階の圧縮を行うピストンのうち、全部または一部のピストンの外径が等しくなるように構成されていることを特徴とする多段式圧縮機。
【請求項２】 請求項１に記載した多段式圧縮機であって、前記複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、ピストンの駆動を担当する駆動室との圧力差が最大となるボアに対応するピストンの外周には、前記流体をシールするピストンリングが設けられていることを特徴とする多段式圧縮機。
【請求項３】 請求項１に記載した多段式圧縮機であって、前記複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、最も高い圧力で吐出を行うボアに対応するピストンの外周には、前記流体をシールするピストンリングが設けられていることを特徴とする多段式圧縮機。
【請求項４】 請求項１に記載した多段式圧縮機であって、前記複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、最も低い圧力で吐出を行うボアに対応するピストンの外周には、前記流体をシールするピストンリングが設けられていることを特徴とする多段式圧縮機。
【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載した多段式圧縮機であって、前記流体として二酸化炭素を用いた多段式圧縮機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体を複数の圧縮室によって多段階で圧縮し、高圧化する多段式圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開平１０−１８４５３９号公報には、一般的な片側斜板型二段式圧縮機が開示されている。この圧縮機では、吸入室から吸入した冷媒ガスを３つの第１圧縮室及び３つの第２圧縮室において二段階で圧縮して高圧化し、吐出室から吐出するように構成されている。この二段式圧縮機のシリンダブロックには、各第１圧縮室に対応する第１ボアと、各第２圧縮室に対応し第１ボアよりも内径の小さい第２ボアとを備えている。各第１及び第２ボアにはそれぞれ第１及び第２ピストンが摺動可能に挿入されている。また、各第１及び第２ピストンの外周には第１及び第２のピストンリングが装着されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような二段式圧縮機は、一段式圧縮機に比べると圧縮比が変化しても圧縮負荷、例えば理論体積効率が変化し難いことが知られている。従って、一般に、多段式圧縮機（例えば二段式圧縮機）は、圧縮による体積変化が大きい、例えば冷暖房共用の空調システムに適用される場合には極めて有効である。しかしながら、上記のような圧縮機は、二段階目の圧縮を担当する第２ボアの内径及び第２ピストンの外径が、一段階目の圧縮を担当する第１ボアの内径及び第１ピストンの外径よりも小さく構成されている。従って、第１ボアと第２ボアの内径、第１ピストンと第２ピストンの外径、第１のピストンリングと第２のピストンリングの大きさがそれぞれが異なるため、各部材（ピストン、ピストンリング、ボア）を２種類ずつ製作する必要がある。また、各部材を製作するにあたっては、加工刃具等が２種類ずつ必要となるため製作コストが高くなるという問題を抱えている。
【０００４】本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ピストン、ピストンリング、ボア等の製作コストを低減させることができる多段式圧縮機を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明の多段式圧縮機は、請求項１に記載の通りに構成されている。ここで、請求項１、また他の請求項及び発明の詳細な説明に記載した用語については特に限定的要件を加えない限り以下のように解釈する。
（１）「冷媒ガス」には、二酸化炭素（ＣＯ2）のみならず、エチレン（Ｃ2Ｈ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、デイボラン（Ｂ2Ｈ6）、液化窒素等の各種の流体をも含む。
【０００６】請求項１に記載の多段式圧縮機によれば、複数段階の圧縮を行うピストンのうち、全部または一部のピストンの外径が等しい。このため、各段階の圧縮に用いるピストン、（ピストンにピストンリングを装着する場合には）ピストンリングの種類を減らすことができる。また、ボア、ピストン、ピストンリング等を製作する際に使用する加工刃具等の種類を減らすことができ、各部材の製作コストを低減させることができる。
【０００７】駆動室との圧力差が大きいボアに対応する圧縮室では、ボアとピストンとの摺動面を通じて駆動室との間で流体の漏れ込みが起り易い。この場合、例えば当該圧縮室よりも駆動室の方が圧力が高い場合には、駆動室の流体が低圧側である圧縮室へ漏れ込み易く、当該圧縮室よりも駆動室の方が圧力が低い場合には、圧縮室の流体が低圧側である駆動室へ漏れ込み易い。請求項２に記載の多段式圧縮機によれば、複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、駆動室との圧力差が最大となるボアに対応するピストンの外周に、流体をシールするピストンリングを設ける。これによって、駆動室と圧縮室との間で流体が低圧側へ漏れ込むのを極力防止することができる。従って、圧縮機の効率が低下するのを防止することができる。
【０００８】駆動室の圧力が低い場合、例えば駆動室の圧力が吸入圧力に等しいような場合には、吐出圧力の低い圧縮室に比べ吐出圧力の高い圧縮室の流体は、ボアとピストンとの摺動面を通じて低圧側である駆動室へ漏れ込み易い。請求項３に記載の多段式圧縮機によれば、複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、最も高い吐出圧になるピストンの外周に、流体をシールするピストンリングを設ける。これによって、駆動室の圧力が吸入圧力に等しいような低圧であっても、圧縮室の流体が低圧側である駆動室へ漏れ込むのを極力防止することができる。従って、圧縮機の効率が低下するのを防止することができる。
【０００９】駆動室の圧力が高い場合、例えば駆動室の圧力が最も高い吐出圧力に等しいような場合には、駆動室の流体は、吐出圧力の高い圧縮室に比べ吐出圧力の低い圧縮室へボアとピストンとの摺動面を通じて漏れ込み易い。請求項４に記載の多段式圧縮機によれば、複数段階の圧縮を行うピストンのうち、少なくとも、最も低い吐出圧になるピストンの外周に、流体をシールするピストンリングを設ける。これによって、駆動室の圧力が最も高い吐出圧力に等しいような高圧であっても、駆動室の流体が低圧側の圧縮室へ漏れ込むのを極力防止することができる。従って、圧縮機の効率が低下するのを防止することができる。
【００１０】流体として二酸化炭素（ＣＯ2）を用いる場合には、例えば、吸入圧と吐出圧との圧力差が５ＭＰａ以上となり、他の冷媒ガスを用いる場合に比べて圧縮室が高圧になる。従って、二酸化炭素を用いる場合は、圧縮室におけるボアとピストンによるガスシール性の低下が懸念される。請求項５に記載の多段式圧縮機によれば、他の冷媒ガスを用いる場合よりも圧縮室が高圧になる二酸化炭素（ＣＯ2）を用いる場合であっても、ガスシール性の低下を極力防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明における一実施の形態の片側斜板型二段式圧縮機を図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、二段式圧縮機は冷凍機や空調機の冷媒圧縮機として用いられ、冷媒ガス（例えば、二酸化炭素）を二段階で圧縮して吐出するものである。本発明の一実施の形態の二段式圧縮機の構成について図１及び図２を用いて説明する。ここで、図１は本発明の一実施の形態の二段式圧縮機の要部を概略的に示す縦断面図である。また、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線断面矢視図である。
【００１２】図１に示すように、本発明の多段式圧縮機としての二段式圧縮機１は、フロントハウジング２、シリンダブロック３及びリヤハウジング４、また、駆動用モータ９を収容するモータハウジング５を備え、各ハウジングはＯリング２ａ，３ａ，４ａを介して締結されている。駆動用モータ９の駆動軸６は、モータハウジング５内の軸受５ａ、シリンダブロック３内の軸受６ａを介して回転可能に支持されている。また、シリンダブロック３には駆動軸６の後端部を前方に付勢するためのスラストレース８ａ及び皿バネ８ｂが収容されている。そして、皿バネ８ｂの付勢力を、回転斜板７とフロントハウジング２との間に介在されたスラスト軸受２ｂによって支持している。
【００１３】フロントハウジング２内に形成された駆動室３３には、駆動軸６に連結され、シリンダブロック３との間にスラスト軸受２ｂを介して支持固定された円板状の回転斜板７が収容されている。また、回転斜板７は、シュー７ａを介して後述する第１ピストン１２、第２ピストン２２と連結されている。従って、回転斜板７は駆動軸６の回転に伴って（図２中の矢印４０方向へ）回転運動し、この回転運動に伴って各ピストンが（図１中の矢印４２または４４方向へ）往復運動するように構成されている。なお、駆動軸６に対する回転斜板７の傾斜角度は圧縮機の構成等に応じて適宜決定される。
【００１４】図１及び図２に示すように、シリンダブロック３には、円筒形の第１ボア１１（内径ｄ１）、第１ボア１１と内径の等しい第２ボア２１が設けられている。第１ボア１１内には、第１ピストン１２が摺動可能に挿入され、第２ボア２１内には、第２ピストン２２が摺動可能に挿入されている。また、第１ピストン１２の外周には２つのリング溝１２ａが形成され、各リング溝１２ａには環状に形成された第１ピストンリング１６が装着されている。また、第２ピストン２２の外周には２つのリング溝２２ａが形成され、各リング溝２２ａには環状に形成された第２ピストンリング２６が装着されている。第１ピストンリング１６及び第２ピストンリング２６は同形状に形成され、ピストンリングの外径は第１ボア１１及び第２ボア２１の内径に対応している。従って、ピストン１２，２２及びピストンリング１６，２６の外径ｄ２は、ボア１１，２１の内径ｄ１と等しい。なお、各部材の内径や外径は製作誤差等によって若干異なる場合があり、したがって、製作誤差等により内径や外径が異なる場合も、本発明でいう「内径や外径が等しい」に含まれるものとする。
【００１５】第１ボア１１と第１ピストン１２とによって一段階目の圧縮を行う第１圧縮室１０が形成され、第２ボア２１と第２ピストン２２とによって二段階目の圧縮を行う第２圧縮室２０が形成される。なお、駆動室３３の圧力は吸入室３０の吸入圧力にほぼ等しく、第１圧縮室１０や第２圧縮室２０の吐出圧力よりも低い。また、各ボア１１，２１と各ピストン１２，２２との摺動面には微小なクリアランスが形成されている。従って、各圧縮室１０，２０内の圧力が高い場合には、各圧縮室１０，２０から低圧側である駆動室３３へ冷媒ガスが漏れ込む。特に、第２圧縮室２０は、第１圧縮室１０よりも吐出圧が高くなるため、第２圧縮室２０の冷媒ガスは圧縮過程において駆動室３３へ漏れ込み易い。しかしながら本実施の形態では、第１ピストン１２及び第２ピストン２２の外周に前記したピストンリング１６，２６を設けることによって、各圧縮室１０，２０から駆動室３３へ冷媒ガスが漏れ込むのを極力防止するように構成されている。
【００１６】吸入口４ｂと通じる吸入室３０は、第１吸入ポート１４、第１吸入弁（図示省略）を介して第１圧縮室１０と連通し、さらに、第１圧縮室１０は第１吐出ポート１５、第１吐出弁１３を介して中間室３１と連通している。また、中間室３１は第２吸入ポート２４、第２吸入弁（図示省略）を介して第２圧縮室２０と連通し、さらに、第２圧縮室２０は、第２吐出ポート２５、第２吐出弁２３を介して吐出室３２と連通している。なお、吐出室３２は吐出口４ｃを介して外部と通じている。
【００１７】次に、以上のように構成された二段式圧縮機１における流体としての冷媒ガスの圧縮方法について図１及び図２を参照しながら説明する。駆動モータ９によって駆動軸６が回転すると、回転斜板７は駆動軸６のまわりを図２中の矢印４０方向へ回転運動する。そして、この回転運動は、第１ボア１１及び第２ボア２１内の第１ピストン１２及び第２ピストン２２の（図１中の矢印４２または４４方向の）往復運動に変換される。これにより、第１圧縮室１０及び第２圧縮室２０のそれぞれの容積が変化する。なお、本実施の形態では、第１ピストン１２と第２ピストン２２との位相差は１８０°であり、例えば第１ピストン１２が上死点にある場合には、第２ピストン２２は下死点にある。
【００１８】吸入口４ｂから吸入された圧力Ｐｓの冷媒ガスは、吸入室３０から第１吸入ポート１４、第１吸入弁（図示省略）を介して吸入行程中の第１圧縮室１０に吸入される。その後、冷媒ガスは、圧縮行程を経て、吐出行程において中間圧力Ｐｍまで一段階高圧化（一段階圧縮）され、第１吐出ポート１５、第１吐出弁１３を介して中間室３１へ吐出される。そして、中間圧力Ｐｍの冷媒ガスは、中間室３１から第２吸入ポート２４、第２吸入弁（図示省略）を介して吸入行程中の第２圧縮室２０に吸入される。その後、冷媒ガスは、圧縮行程を経て、吐出行程において吐出圧力Ｐｄまでさらに一段階高圧化（二段階圧縮）され、第２吐出ポート２５、第２吐出弁２３を介して吐出室３２へ吐出される。そして、圧力Ｐｄの冷媒ガスは吐出室３２から吐出口４ｃを通じて外部へ吐出される。このように、第１圧縮室１０と第２圧縮室２０は、中間室３１を介して直列に連通され、圧縮比の等しいピストン１２，２２が同時に往復運動することによって高圧冷媒ガスが断続的に吐出される。この際、第１ピストン１２及び第２ピストン２２の外周にピストンリング１６，２６を設けているため、圧縮過程において各圧縮室１０，２０から駆動室３３へ冷媒ガスが漏れ込むのを低減させることができ、二段式圧縮機１の効率の低下を極力防止することができる。
【００１９】以上のように構成した本発明の一実施の形態の二段式圧縮機によれば、ボア１１，２１の内径、ピストン１２，２２の外径、ピストンリング１６，２６の外径がそれぞれ等しいため、各部材を１種類に統一することができる。また、ボア１１，２１、ピストン１２，２２、ピストンリング１６，２６を製作する際に使用する加工刃具等を２種類用意する必要がなく、各部材の製作コストを低減させることができる。また、上記実施の形態では、第１ピストン１２及び第２ピストン２２の外周にピストンリング１６，２６を設けたため、圧縮過程において各圧縮室１０，２０から駆動室３３へ冷媒ガスが漏れ込むのを効果的に防止することができる。
【００２０】なお、本発明は上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００２１】（Ａ）上記実施の形態では、第１圧縮室１０及び第２圧縮室２０において冷媒ガスを二段階で圧縮する場合について記載したが、圧縮する段階数や各段階に属する圧縮室の数等は限定されず必要に応じて種々変更可能である。例えば、一段階毎に複数の圧縮室を設け、吸入した冷媒ガスを三段階以上に圧縮する圧縮機についても本発明を適用することができる。
【００２２】（Ｂ）また、上記実施の形態は二段式圧縮機について、第１段階目の圧縮を行うピストンと第２段階目の圧縮を行うピストンとの外径が等しくなる場合について記載したが、Ｎ個のピストンによってＮ段階の圧縮を行う多段式圧縮機において、Ｎ個のうちのどのピストンを同じ外径にするかについての組合せや、ピストン外径の種類数については種々の構成を採り得る。例えば、Ｎ個のピストンによってＮ段階の圧縮を行う多段式圧縮機において、第Ｎ段階目、第（Ｎ−１）段階目、第（Ｎ−２）段階目の圧縮を行う３つのピストンの外径がｔ１であり、第（Ｎ−３）段階目、第（Ｎ−４）段階目の圧縮を行う２つのピストンの外径がｔ２であり、その他のピストンの外径がｔ３となるような構成を採り得る。なおこの場合、Ｎは４より大きい整数とする。
【００２３】（Ｃ）また、上記実施の形態では、第１ピストン１２及び第２ピストン２２の外周に環状のピストンリングを各２つずつ装着する場合について記載したが、各ピストンに装着されるピストンリングの数や形状等はこれに限定されず、必要に応じて種々変更可能である。例えば、スパイラル（らせん）形状のピストンリングを装着することもできる。また、第２圧縮室２０に比べて、駆動室３３との圧力差がが小さい第１圧縮室１０に対応する第１ピストンリング１６は省略することもできる。
【００２４】（Ｄ）また、上記実施の形態では、駆動室３３の圧力が第１圧縮室１０や第２圧縮室２０の吐出圧力よりも低い場合について記載したが、駆動室３３の圧力が第２圧縮室２０の吐出圧力に等しいような場合、例えば第２圧縮室２０から吐出された高圧冷媒ガスを一部駆動室３３へ流入させるような構成の圧縮機に本発明を適用することができる。このような場合には、駆動室３３の冷媒ガスが第２圧縮室２０よりも第１圧縮室１０へ漏れ込み易い。従って、少なくとも、第１ピストン１２の外周にピストンリングを設けることによって、駆動室３３の冷媒ガスが第１圧縮室１０へ漏れ込むのを極力防止することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ピストン、ピストンリング、ボア等の製作コストを低減させることができる多段式圧縮機を実現することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２１８
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２２日（１９９９．１２．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４３４４
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 英彦 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１８２６５３（Ｐ２００１−１８２６５３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月６日（２００１．７．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６５１５５ |
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