JP2001182653A

JP2001182653A - 多段式圧縮機

Info

Publication number: JP2001182653A
Application number: JP36515599A
Authority: JP
Inventors: Kazuro Murakami; 和朗村上; Toshiro Fujii; 俊郎藤井; Hisaya Yokomachi; 尚也横町; Yoshiyuki Nakane; 芳之中根; Kenichi Morita; 健一森田
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-06
Also published as: US20020168272A1; DE10084271T1; WO2001046586A1

Abstract

(57)【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２
１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２
６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。

Description

【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（Ｃ₂Ｈ ₄）、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５ＭＰ
ａ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３
３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３
３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２
０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１
０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３
３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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線断面矢視図である。

【符号の説明】

１…二段式圧縮機（多段式圧縮機）２，３，４，５…ハウジング（２…フロントハウジン
グ、３…シリンダブロック、４…リヤハウジング、５…
モータハウジング）６…駆動軸７…回転斜板１０…第１圧縮室１１…第１ボア１２…第１ピストン１６…第１ピストンリング２０…第２圧縮室２１…第２ボア２２…第２ピストン２６…第２ピストンリング３０…吸入室３１…中間室３２…吐出室３３…駆動室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横町尚也愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者中根芳之愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者森田健一愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内Ｆターム(参考） 3H076 AA06 AA12 AA40 BB40 BB41 CC28 CC31 CC46 CC99

Claims

【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。