(57)【要約】【課題】二酸化炭素を圧縮する場合であってもケーシング部材の肉厚等の増大を最小限にとどめることにより重量の増大やコストアップを抑制する。【解決手段】複数のケーシング部材をシール材を介してボルト示して組立ててケーシング５を形成する。そして、ケーシング５内に、二酸化炭素冷媒を圧縮する前段圧縮部１１ａと後段圧縮部１１ｂとを形成すると共に、モータ２やこのモータ２の回転動力を往復動力に変換するクランク２５ａ，２５ｂ等を密閉状態に収納する。このとき、モータ２が収納されるモータ室１８及びクランク２５ａ，２５ｂが収納されるクランク室１９は、少なくとも前段圧縮部１１ａから吐出される冷媒の圧力より低くする。これによりケーシング５を構成する部材の肉厚を薄くして軽量化を図る。【選択図】      図１１
2004301068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転動力を発生するモータと、前記回転動力を往復動力に変換する動力変換手段と、該動力変換手段からの往復動力により往復運動して、冷媒を圧縮する圧縮部を複数具備する圧縮手段と、複数のケーシング部材が密閉状態に組立てられて、前記モータ、動力変換手段及び圧縮手段を収納するケーシングとを備えて、前段側の前記圧縮部で圧縮された冷媒を後段側の前記圧縮部でさらに圧縮して吐出する半密閉型多段圧縮機において、
前記冷媒が二酸化炭素であって、かつ、
前記モータが収納されている部屋の圧力が、前段側の前記圧縮部における吐出圧よりも低い圧力に設定されていることを特徴とする半密閉型多段圧縮機。
【請求項２】
前記モータが収納されている部屋の圧力が、前段吸入圧力であることを特徴とする請求項１記載の半密閉型多段圧縮機。
【請求項３】
前段側の前記圧縮部に供給される前記冷媒が、少なくとも前記モータの収納されている部屋を経て供給されることを特徴とする請求項１記載の半密閉型多段圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のケーシング部材を密閉状態に組立て、その中にモータ、動力変換手段及び圧縮手段を収納して、二酸化炭素を冷媒として多段圧縮する半密閉型多段圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍回路では、冷媒を圧縮する圧縮機が用いられ、当該圧縮機としてロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機、レシプロ式圧縮機等の種々の構成が提案されている。
【０００３】
各圧縮機は、回転動力を発生するモータ等のモータ、回転動力を偏心回転動力や往復動力に変換する動力変換手段、該動力変換手段からの動力により運動して冷媒を圧縮する圧縮手段、これらモータ、動力変換手段及び圧縮手段を収納するケーシングとを備えている。
【０００４】
主に、ロータリ式圧縮機、スクロール式圧縮機、レシプロ式圧縮機におけるケーシングは、複数のケーシング部材から構成されて、この中にモータ、動力変換手段及び圧縮手段が収納されて溶接等により密閉状態となっている。
【０００５】
そしてレシプロ式圧縮機の中には、複数のケーシング部材をボルト締めして組立てられて、この中にモータ、動力変換手段及び圧縮手段等が収納されているものがある。本発明では、このように複数のケーシング部材をボルト締めして組立てられたケーシングを有する圧縮機を半密閉型圧縮機と記載する。
【０００６】
このように半密閉型圧縮機では、ケーシングに溶接等の手段が不要になるためコストダウンが図れる利点がある共に、レシプロ式圧縮機はロータリ式圧縮機やスクロール式圧縮機に比べ圧縮能力の大きいものが比較的容易に製造できる利点がある。
【０００７】
ところで、冷媒を圧縮すると当該冷媒は高温高圧になり、その熱によりモータの絶縁特性が劣化したりモータ負荷が増大したりすると共に、圧縮効率が低下する問題がある。
【０００８】
このような観点から、圧縮効率を向上させるために圧縮手段を複数の圧縮部により構成し、各圧縮部で冷媒を順次圧縮する多段圧縮方式が採用されている（特許文献１〜３参照）。
【０００９】
図１５はこのような半密閉型多段圧縮機の概略構成を示す図で、当該半密閉型多段圧縮機１００は、回転動力を発生するモータ１０１、モータ軸１０２に設けられて当該モータ軸１０２に対して偏心回転するクランク１０３（１０３ａ，１０３ｂ）及び該クランク１０３と連結されたコネクティングロッド１０４（１０４ａ，１０４ｂ）等を備えて回転動力を往復動力に変換する動力変換手段１０５、コネクティングロッド１０４に連結されたピストン１０６（１０６ａ，１０６ｂ）、該ピストン１０６が往復運動するシリンダ１０７（１０７ａ，１０７ｂ）、該シリンダ１０７とピストン１０６とで囲まれる空間（圧縮室）１０８（１０８ａ，１０８ｂ）等を備えて冷媒を圧縮する圧縮部１１１（１１１ａ，１１１ｂ）を複数具備した圧縮手段１０９とを有して、これらがケーシング１１０内に収納されている。
【００１０】
なお、クランク１０３が配設されているケーシング１１０内の部屋をクランク室１１５という。
【００１１】
また、図１５では２つの圧縮部１１１ａ，１１１ｂが設けられている場合を図示しており、一方の圧縮部１１１ａが先に冷媒を圧縮し、この圧縮された冷媒を他方の圧縮部１１ｂがさらに圧縮する構成となっている。
【００１２】
以下、最初に冷媒を圧縮する圧縮部１１１ａを前段圧縮部、該前段圧縮部１１１ａで圧縮された冷媒を圧縮する圧縮部１１１ｂを後段圧縮部と記載すると共に、この各圧縮部１１１を構成するピストン１０６や圧縮室１０８等も、前段ピストン１０６ａ、後段ピストン１０６ｂ、前段圧縮室１０８ａ、後段圧縮室１０８ｂ等と記載し、これら前段圧縮部１１１ａと後段圧縮部１１１ｂを識別する必要がない場合には単に圧縮部、ピストン１０６、圧縮室１０８等のように記載する。
【００１３】
そして、モータ１０１が回転すると、クランク１０３がモータ軸１０２に対して偏心回転し、これによりコネクティングロッド１０４が往復運動して、当該コネクティングロッド１０４に接続されているピストン１０６が往復運動する。
【００１４】
ピストン１０６が下降すると圧縮室１０８の空間容積が拡張して、冷媒が当該圧縮室１０８に吸入され、ピストン１０６が上昇すると当該圧縮室１０８の空間容積が縮小して冷媒が圧縮される。
【００１５】
このようにして機外からの冷媒は前段圧縮部１１１ａで圧縮されて後段圧縮部１１１ｂに送られ、当該後段圧縮部１１１ｂでさらに圧縮されて機外に吐出される。なお、図１５における前段圧縮部１１１ａに向う矢印は機外から吸入される冷媒を示し、後段圧縮部１１１ｂからの矢印は機外に吐出される冷媒を示している。
【００１６】
【特許文献１】
特開平７−１６７０５７号公報
【特許文献２】
特開平７−１２７５７３号公報
【特許文献３】
特開平７−３３２７７３号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の環境問題等の観点から冷媒として二酸化炭素を用いる圧縮機が研究開発され、この場合二酸化炭素が従来用いられていたＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒に比べ冷媒圧や冷媒温度が著しく高くなるため、以下のような問題があった。
【００１８】
即ち、二酸化炭素を圧縮すると、従来のＨＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒に比べ非常に圧力が高くなるため、ケーシング１１０を構成するケーシング部材の肉厚を厚くしたり、これらを組立てるボルトの数を増やしたり、その径を太くしたり、さらにはボルトの締付けトルクを大きくしたりする必要が生じて、重量の増大やコストアップの要因となる問題がある。
【００１９】
そこで、本発明は、二酸化炭素を圧縮する場合であってもケーシング部材の肉厚等の増大を最小限にとどめることにより重量の増大やコストアップを抑制した半密閉型多段圧縮機を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、回転動力を発生するモータと、回転動力を往復動力に変換する動力変換手段と、該動力変換手段からの往復動力により往復運動して、冷媒を圧縮する圧縮部を複数具備する圧縮手段と、複数のケーシング部材が密閉状態に組立てられて、モータ、動力変換手段及び圧縮手段を収納するケーシングとを備えて、前段側の圧縮部で圧縮された冷媒を後段側の圧縮部でさらに圧縮して吐出する半密閉型多段圧縮機において、冷媒が二酸化炭素であって、かつ、モータが収納されている部屋の圧力が、前段側の圧縮部における吐出圧よりも低い圧力に設定されて、二酸化炭素を圧縮する場合であってもケーシング部材の肉厚等の増大を最小限にとどめることにより重量の増大やコストアップを抑制したことを特徴とする。
【００２１】
請求項２にかかる発明は、モータが収納されている部屋の圧力が、前段吸入圧力であることを特徴とする。
【００２２】
請求項３にかかる発明は、前段側の圧縮部に供給される冷媒が、少なくともモータの収納されている部屋を経て供給されることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る半密閉型多段圧縮機１の断面図であり、図２は図１の矢視ＡＡ断面図である。以下、半密閉型多段圧縮機１を適宜圧縮機１と略記する。
【００２４】
当該圧縮機１は、回転動力を発生するモータ２、該モータ２で発生した回転動力を往復動力に変換する動力変換手段３、該動力変換手段３により変換された往復動力により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮手段４、これらを収納するケーシング５等を主要構成として、二酸化炭素の冷媒を圧縮する。
【００２５】
なお、本実施の形態では、多段圧縮機１として圧縮手段４が前段圧縮部１１ａと後段圧縮部１１ｂからなる２段圧縮機を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、２以上の圧縮部で二酸化炭素の冷媒を圧縮する圧縮機１に適用することができることを予め付言する。
【００２６】
ケーシング５は、球状黒鉛鋳鉄等を材料としてなるケーシング本体５ａ、モータ側蓋５ｂ、区画板５ｃ、底蓋５ｄ、クランク側蓋５ｅ、軸蓋５ｆ、ヘッドプレート５ｇ、シリンダヘッド５ｈ等を有して、これらモータ側蓋５ｂ等がシール材１３を介してケーシング本体５ａに複数のボルト１４によりボルト締めされて密閉状態に組立てられている。
【００２７】
そして、ケーシング本体５ａの底部には、当該圧縮機１における各摺動部を潤滑するための潤滑油１５が貯留されて、サイトガラス（透視窓）１６により油量が確認できるようになっている。
【００２８】
区画板５ｃには複数の貫通孔１７（１７ａ，１７ｂ）が設けられて、当該区画板５ｃによりケーシング本体５ａの内部空間がモータ室１８とクランク室１９とに区画され、貫通孔１７を介してモータ室１８とクランク室１９との雰囲気が行き来できるようになっていると共に、潤滑油１５が行き来できるようになっている。
【００２９】
また、ケーシング本体５ａの外側面（特に、モータ室１８に対応する外側面）には、多数のケーシングフィン２０が形成されて、ケーシング５の熱を効率的に放熱できるようになっている。
【００３０】
モータ側蓋５ｂには潤滑油ポケット２１が、区画板５ｃには主ジャーナル２２が、クランク側蓋５ｅには副ジャーナル２３が形成されている。
【００３１】
動力変換手段３は、該モータ２のモータ軸２４に設けられて、当該モータ軸２４の軸心に対して偏心回転することにより回転動力を往復動力に変換するクランク２５（２５ａ，２５ｂ）、このクランク２５に連結されたコネクティングロッド２６（２６ａ，２６ｂ）等を備えている。
【００３２】
なお、クランク２５及びコネクティングロッド２６は、前段圧縮部１１ａ及び後段圧縮部１１ｂに対応して前段クランク２５ａ，後段クランク２５ｂ及び前段コネクティングロッド２６ａ，後段コネクティングロッド２６ｂがある。
【００３３】
モータ２は、モータ室１８に嵌合して装着されたキャンドモータで、そのモータ軸２４の軸心には所定径の孔が穿孔して形成され主潤滑油路２８をなし、またコネクティングロッド２６の大端部や小端部への潤滑油１５の潤滑路をなすと共に、主ジャーナル２２や副ジャーナル２３への潤滑油１５の潤滑路をなす副潤滑油路２９が形成されている。
【００３４】
そして、このモータ軸２４の一端は、潤滑油ポケット２１の側面から当該潤滑油ポケット２１内に挿通され、他端は主ジャーナル２２を挿通してクランク側蓋５ｅに設けられた副ジャーナル２３に係合して、主ジャーナル２２と副ジャーナル２３とで回動自在に支持されている。
【００３５】
さらに、モータ２の回転子には、潤滑油掻上翼３０が取付けられて、当該モータ軸２４と共に回転するようになっている。
【００３６】
これにより、モータ２の回転に伴い潤滑油掻上翼３０が回転すると、ケーシング５の底部に貯留されている潤滑油１５が潤滑油掻上翼３０に付着して掻上げられ、そのとき滴下した潤滑油１５は潤滑油ポケット２１に溜るようになる。
【００３７】
この潤滑油ポケット２１にはモータ軸２４が挿通し、かつ、このモータ軸２４には主潤滑油路２８が形成されているので、潤滑油ポケット２１に溜った潤滑油１５は当該主潤滑油路２８に流入し、クランク側蓋５ｅに向って流動する。
【００３８】
主潤滑油路２８に流入した潤滑油１５は、モータ軸２４の回転により遠心力を受けて副潤滑油路２９に分流し、主ジャーナル２２、副ジャーナル２３、コネクティングロッド２６の大端部や小端部等の摺動面に供給される。
【００３９】
なお、後述するように圧縮手段４におけるピストンとシリンダとの間にも、この潤滑油１５が供給されて、圧縮室の機密性を高めている。
【００４０】
各摺動部の潤滑に利用されなかった潤滑油１５は（余った潤滑油）、クランク側蓋５ｅに形成された潤滑油戻路３１から吐出されて、ケーシング５の底部に戻るようになる。
【００４１】
モータ２の上方位置におけるケーシング本体５ａには、当該モータ２に電力供給するための接続端子３２が収納された接続端子箱３３が設けられている。
【００４２】
図３は、シール材１３として、ヘッドプレート５ｇとシリンダヘッド５ｈとの間に装着されるシール材１３を例示した図である。なお、図３は当該シール材１３の上面図、図４は図３に示すＢＢ矢視断面図、図５は図３に示すＣＣ矢視断面図である。
【００４３】
このシール材１３は、メタルガスケット３５と弾性シートガスケット３６とから構成されて、メタルガスケット３５は、ステンレス鋼板等の引張り強度が高い材料により形成され、シール面に対応した部分にはビード３７（３７ａ，３７ｂ）が形成されている。
【００４４】
ビード３７は、図４に示すようなフルビード３７ａを原則とするが、ボルト孔２７が存在するためフルビード３７ａをたてるスペースが確保しにくい場所では図５に示すようにハーフビード３７ｂがたてられている。図３における点線は、ビード３７の山又は谷の部分を示している。
【００４５】
本発明にかかる圧縮機１では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、このとき後段圧縮部１１ｂの吐出圧は約１２ＭＰａと非常に高圧になり、例えば従来用いられてきた冷間圧延鋼を材料とするメタルガスケット３５では、この圧力により押広げられて延びたりして、ケーシング５内を長期間密閉状態を保つことが困難になる。
【００４６】
そこで、引張り強度の高いステンレス鋼等を材料にして形成されたメタルガスケット３５を用いて、かかる冷媒の圧力によりメタルガスケット３５が延びたりしないようにしている。
【００４７】
なお、このようなシール材１３は、モータ側蓋５ｂ、クランク側蓋５ｅ、底蓋５ｄ等をケーシング本体５ａに取付ける際に用いられるが、モータ室１８やクランク室１９の空間圧力が後段圧縮部１１ｂの吐出圧より低い場合には（例えば、大気圧や前段圧縮部１１ａの吐出圧等）、メタルガスケット３５の材料として冷間圧延鋼を用いてもよい。
【００４８】
即ち、シリンダヘッド５ｈ等の高圧になる部分のシールにはステンレス鋼を材料とするメタルガスケット３５を用い、それより低い圧力の部分では冷間圧延鋼を材料とするメタルガスケット３５を用いてもよい。
【００４９】
弾性シートガスケット３６は、ニトリルゴム等のように高温高圧に耐性を持つと共に耐油性を持つ弾性部材を材料として形成されて、メタルガスケット３５を挟むように上下に配設されている。
【００５０】
なお、メタルガスケット３５にビード３７が形成されていない場合は、メタルガスケット３５の面圧が低くなってしまい気密性を保持することが困難となる。
【００５１】
しかし、ビード３７が形成されていると、このビード３７の山谷の部分が起点となり弾力性を持つことにより面圧が大きくなって気密性を高め、かつ、維持することが可能になる。
【００５２】
圧縮手段４は、上述したように前段圧縮部１１ａと後段圧縮部１１ｂとを有し、各圧縮部１１はケーシング本体５ａを兼ねるシリンダ４０（４０ａ，４０ｂ）、該シリンダ４０内を往復運動するピストン４１（４１ａ，４１ｂ）、シリンダ４０とピストン４１とで形成される空間（圧縮室）４２（４２ａ，４２ｂ）等により構成されている。
【００５３】
なお、前段ピストン４１ａと後段ピストン４１ｂとは、往復運動の位相が１８０度ずれて、前段ピストン４１ａが下降した際（冷媒の吸入）には、後段ピストン４１ｂが上昇して冷媒を圧縮するように設定されて、モータ２に加わる負荷の一様化が図られている。
【００５４】
また、前段ピストン４１ａと後段ピストン４１ｂとの直径は、前段ピストン４１ａの方が大きな寸法に設定されると共に、これら前段ピストン４１ａと後段ピストン４１ｂとが往復運動する際の距離（ピストン４１のストローク）は同じ長さに設定されている。
【００５５】
これにより、前段圧縮部１１ａにおける排除容積は、後段圧縮部１１ｂにおける排除容積より大きくなって多段圧縮が可能になっている。
【００５６】
無論、多段圧縮を行う際に必要な要件は、前段圧縮部１１ａの排除容積が後段圧縮部１１ｂの排除容積より大きいことであるので、例えば前段ピストン４１ａと後段ピストン４１ｂとの直径を同じ寸法にして、前段圧縮部１１ａの往復運動距離を後段圧縮部１１ｂの往復運動距離より長くすることで要件を満たすようにしてもよい。
【００５７】
ピストン４１は、コネクティングロッド２６の小端部とピン４５によりピン結合されて揺動自在に動くようになっており、その表面側にはリング溝が形成されて、このリング溝４８にピストンリング４６が挿嵌されるようになっている。
【００５８】
そして、圧縮室４２のクランク室１９に対するシールは、ピストンリング４６がシリンダ４０に当接して摺動することにより確保されるが、ピストン４１の往復運動に対する摺動抵抗を増大させることなくシール特性を高めるため、ピストン４１の表面とシリンダ４０の表面との距離は非常に小さい寸法（クリアランス）に設定されて、ピストンリング４６とピストン４１の表面とがラビリンスシール的作用をなすようにしている。
【００５９】
また、先に述べたように、コネクティングロッド２６の副潤滑油路２９を介して、当該コネクティングロッド２６とピストン４１との連結部に供給された潤滑油１５は、ピン４５を伝ってピストンリング４６を潤滑して、ピストン４１とシリンダ４０との耐摩耗性を高めている。
【００６０】
ところで、後段圧縮部１１ｂでは前段圧縮部１１ａで圧縮された冷媒を圧縮するため、後段圧縮室４２とクランク室１９との差圧が、前段圧縮室４２ａとクランク室１９との差圧より大きくなり、前段圧縮室４２ａからクランク室１９に漏れる冷媒量に対して後段圧縮室４２ｂからクランク室１９に冷媒が漏れる冷媒量が多くなってしまう。
【００６１】
このような場合、後段ピストン４１ｂに装着されているピストンリング４６が後段シリンダ４０ｂに当接する当接力を大きくして漏れ量を抑制することも可能であるが、かかる構成の場合には後段ピストン４１ｂを駆動するために大きなトルクが必要になってしまう問題があり、また当接力が増大したことにより摩耗量が多くなってしまう問題がある。
【００６２】
そこで、本発明では、図６に示すように、差圧が大きい後段ピストン４１ｂに装着されるピストンリング４６の数を、前段ピストン４１ａに装着されるピストンリング４６の数より多くするようにして、モータ２の負荷増大を抑制しながら圧縮室４２からクランク室１９に漏れる冷媒量の低減を図っている。
【００６３】
またピストン４１は、コネクティングロッド２６の小端部でピン４５により揺動自在に連結され、当該コネクティングロッド２６からの往復動力により往復運動する。
【００６４】
このとき往復動力の作用線は、図７に示すように、コネクティングロッド２６の小端部における中心位置ｐ１と大端部の中心位置ｐ２とを結ぶ線上にあり、当該線分はシリンダ４０の面に対して完全に並行ではない（図７では、このずれ量をθで示している）。
【００６５】
なお、図７（ａ）は、コネクティングロッド２６がシリンダ４０の面に対して右側に偏った場合を示し、図７（ｂ）は、コネクティングロッド２６がシリンダ４０の面に対して左側に偏った場合を示している。また、図７（ｃ）は、コネクティングロッド２６がシリンダ４０の面に対して右側に偏った場合のピストン４１の傾きを示し（点線）、左側に偏った場合のピストン４１の傾きを示し（実線）を示している。
【００６６】
このようにピストン４１は、往路復路で最大２θの傾を持って往復運動するようになり、ピストン４１がシリンダ４０と直接接触する場合が発生して（図７（ｃ）において丸印の領域）、当該ピストン４１に傷が付いたり摩耗したりする場合があり、またシリンダ４０に摩耗分が付着したりすることがある。
【００６７】
特に、従来、ピストン４１は軽量化を目的としてアルミニュームを材料に形成されており、アルミニュームは柔らかく粘性のある金属であるため、かかるピストン４１の傷や摩耗、またシリンダ４０への摩耗分の付着が容易に発生する問題がある。
【００６８】
このようにピストン４１やシリンダ４０が傷付、摩耗するとピストン４１を往復運動させるために大きなトルク（モータ負荷の増大）が必要になったりする。
【００６９】
そこで、本発明では、図８に示すように、ピストン４１をアルミニュームを母材として形成することにより軽量化を図りながら、かつ、その表面に表面硬化部４７を設けて、耐摩耗の向上やモータ負荷の増大を抑制するようにしている。
【００７０】
このような表面硬化部４７は、アルミニュームからなるピストン４１の表面を陽極酸化（例えば、アルマイト処理、二次電解によるモリブデン処理）して形成されたアルミナの酸化皮膜である。
【００７１】
なお、アルマイト処理や二次電解によるモリブデン処理は、アルミニウム素地上に多孔質で透明の酸化皮膜（アルミナ被膜）を電解法によって生成させる表面処理方法で、硬質アルマイト処理は通常の陽極酸化より高い電流を流して表面処理する方法であり、アルミニウムの皮膜硬度を高めるとともに耐食性、耐摩耗性が高められる特徴を持っている。
【００７２】
無論、ピストン４１の表面硬度を高める方法として、例えばピストン４１をアルミニュームと珪素との合金で形成する方法も可能である。このアルミニュームと珪素との合金はアルミニューム単体に比べ硬度が高いので、ピストン４１の強度が増大されながら表面硬化部４７も同時に形成できる利点がある。
【００７３】
二酸化炭素を圧縮すると高圧になると共に高温になることは先にも述べたが、かかる圧力によりピストン４１には大きな荷重が加わり、当該荷重はコネクティングロッド２６を介してクランク２５に伝達される。
【００７４】
ところが、従来、このコネクティングロッド２６をアルミニュームにより形成し、その連結部には軸受が用いられていたため、コストアップの要因になる問題がある。
【００７５】
加えて、この軸受が大きな荷重により摩耗すると冷媒により温度上昇したピストン４１の熱がコネクティングロッド２６やクランク２５に熱伝達し難くなり（ピストン４１の熱はけが悪くなる）、圧縮室４２に吸入された冷媒がこのピストン４１の熱により加熱されてしまって、冷媒の吸入量の減少に伴う圧縮効率の低下が起る。
【００７６】
そこで、本発明では、連結部に軸受を設けずに、図９に示すように、当該連結部の耐摩耗性を高める耐摩耗部４９を設けている。
【００７７】
耐摩耗部４９としては、コネクティングロッド２６を珪素含有量の多いアルミニューム合金とすることにより、コネクティングロッド２６の軽量化を図りながら強度や硬度を高め、かつ、耐摩耗部４９も同時に形成できる利点がある。
【００７８】
このときのコネクティングロッド２６の組成比としては、アルミニューム合金と珪素との組成比を１０ｗｔ％〜１２ｗｔ％とすることが好ましい。
【００７９】
無論、コネクティングロッド２６における連結部での摩耗が問題であるので、例えば当該コネクティングロッド２６をアルミニュームで形成し、その連結部に対してアルマイト処理等の表面処理を施す方法や、当該連結部にシリコン膜を成膜して熱処理を施すことにより表面層のみをアルミニューム−珪素合金とする方法も可能である。
【００８０】
シリンダヘッド５ｈは皿状の部材で、図２に示すように、その内部空間が仕切板５０により仕切られて前段吸入室５１、前段吐出室５２、後段吸入室５３、後段吐出室５４が形成されている。
【００８１】
前段吸入室５１は、機外からの冷媒が供給される部屋で、当該部屋の冷媒が前段圧縮室４２ａに供給される。前段吐出室５２は、前段圧縮部１１ａで圧縮された冷媒が吐出される部屋である。後段吸入室５３は、前段吐出室５２からの冷媒が供給されて、当該冷媒を後段圧縮部１１ｂに供給する部屋である。後段吐出室５４は、後段圧縮部１１ｂで圧縮された冷媒が吐出される部屋で、当該冷媒が機外に供給される。
【００８２】
このとき、前段吸入室５１、前段吐出室５２、後段吸入室５３、後段吐出室５４に対応するヘッドプレート５ｇには、それぞれ前段吸入孔５５、前段吐出孔５６、後段吸入孔５７、後段吐出孔５８が設けられ、さらに前段吸入室５１には前段吸入口５９、前段吐出室５２には前段吐出口６０、後段吸入室５３には後段吸入口６１、後段吐出室５４には後段吐出口６２が形成されている。
【００８３】
また、前段吸入孔５５には前段吸入弁６３が、前段吐出孔５６には前段吐出弁６４が、後段吸入孔５７には後段吸入弁６５が、後段吐出孔５８には後段吐出弁６６がそれぞれの孔を塞ぐように設けられている。
【００８４】
これら各弁は、板バネ状の弁で、前段吸入弁６３及び後段吸入弁６５は圧縮室４２側のヘッドプレート５ｇ面に取付けられ、前段吐出弁６４及び後段吐出弁６６は前段吐出室５２及び後段吐出室５４側のヘッドプレート５ｇ面に取付けられて、冷媒の流れが１方向になるように逆止弁の作用をなしている。
【００８５】
前段吐出室５２と後段吸入室５３とは、図２に示すように、インタークーラ７０により接続されて、前段吐出室５２から後段吸入室５３に供給される冷媒が当該インタークーラ７０で放熱するようになっている。
【００８６】
このインタークーラ７０は、図１０に示すように、管７１に多数のフィン７２が所定間隔で圧入嵌合されて形成された管で、管内を流動する冷媒が大気と熱交換して放熱できるようになっている。
【００８７】
二酸化炭素の冷媒は、前段圧縮部１１ａから吐出された段階でも高温になるため、そのまま後段圧縮部１１ｂに供給すると、当該後段圧縮部１１ｂに吸入される冷媒量が少なくなり、圧縮効率を向上させることができない。
【００８８】
このため前段圧縮部１１ａからの冷媒をインタークーラ７０を介して後段圧縮部１１ｂに供給させるようにして、当該インタークーラ７０で放熱させることにより冷媒の温度を下げて圧縮効率の向上を図っている。
【００８９】
このような構成で、モータ２が回転することによりモータ軸２４に対してクランク２５が偏心回転運動して、該クランク２５に連結されたコネクティングロッド２６が往復運動する。
【００９０】
コネクティングロッド２６にはピストン４１が連結されており、前段ピストン４１ａと後段ピストン４１ｂとは位相があり往復運動するようになる。
【００９１】
そして、前段ピストン４１ａが下降すると前段圧縮室４２ａの空間容積が拡張して吸入圧が発生し、この吸入圧により前段吸入弁６３が開き機外の冷媒が吸入口から前段吸入室５１に入り、そこから前段吸入孔５５を介して前段室に流入する。
【００９２】
次に、前段ピストン４１ａが上昇すると、前段室の空間容積が縮小して当該前段室内の冷媒が圧縮される。冷媒の圧力が所定圧に達すると、前段吐出弁６４が開いて、前段室の冷媒は前段吐出室５２に吐出される。
【００９３】
同様に、後段ピストン４１ｂが下降すると後段圧縮室４２ｂの空間容積が拡張し吸入圧が発生して、当該吸入圧により後段吸入弁６５が開き前段吐出室５２の冷媒が後段吸入室５３に入り、そこから後段吸入孔５７を介して後段圧縮室４２ｂに流入する。
【００９４】
次に、後段ピストン４１ｂが上昇すると、後段圧縮室４２ｂの空間容積が縮小して当該後段圧縮室４２ｂ内の冷媒が圧縮される。冷媒の圧力が所定圧に達すると、後段吐出弁６６が開いて、後段圧縮室４２ｂの冷媒は後段吐出室５４に吐出され、その冷媒が吐出口から機外に吐出される。
【００９５】
以上説明したように、コネクティングロッド２６に耐摩耗部を設けたので、二酸化炭素を圧縮しても当該コネクティングロッド２６の連結部等における摩耗が抑制できるようになり、寿命が延びて信頼性が向上する。
【００９６】
また、シール材１３におけるメタルガスケット３５を引張り強度の高い材料で形成等したので、シール性が向上し信頼性が向上する。
【００９７】
また、ピストン４１に表面硬化部４７を設けたので、圧縮機１の軽量化を図りながら当該ピストン４１に傷が付いたりシリンダ４０に摩耗分が付着したりする不都合が抑制でき、信頼性が向上する。
【００９８】
さらに、後段ピストン４１ｂに装着したピストンリング４６の数を前段ピストン４１ａに装着するピストンリング４６の数より多くする等により（ピストンにかかる圧力差に応じて、適正な数量のピストンリングを配置することにより）、後段圧縮室４２ｂからのクランク室１９等に漏れる冷媒量が抑制でき圧縮効率が向上する。
【００９９】
ところで、このような圧縮機１は冷凍回路において用いられるが、当該冷凍回路では温熱を利用する場合や冷熱を利用する場合があり、特に高温の温熱が大量に要求されるような場合には、インタークーラ７０による放熱を行わない方が要求熱量を容易に満せる利点がある。
【０１００】
このことを図１１に示す冷凍回路を用いて説明する。当該冷凍回路は、本発明にかかる圧縮機１、第１熱交換器８０、減圧装置８１、第２熱交換器８２を主要構成として、温熱を利用する場合と冷熱を利用する場合とで冷媒の循環方向を切換える４方弁８３を備えている。以下の説明では、第１熱交換器８０から温熱又は冷熱が提供されるものとする。
【０１０１】
なお、図１１は、図１に示す圧縮機１を冷凍回路に用いた際の当該圧縮機１の構成を概略的に示した図で、図１１中における実線矢印は第１熱交換器８０で冷熱を提供される場合、点線矢印は第１熱交換器８０で温熱を提供される場合の冷媒の循環方向を示している。
【０１０２】
温熱を利用するものとしては暖房機や給湯器が例示でき、冷熱を利用するものとしては冷房機やショーケース等が例示できる。
【０１０３】
温熱利用の場合は、圧縮されて高温になった冷媒の熱を利用するものであり、空気調和による暖房の場合には３０〜４０℃、床暖房機器による暖房の場合には２０〜３５℃、給湯器の場合には５０〜９０℃の温度が要求され、また冷熱利用の場合は、冷媒の蒸発潜熱を利用するものであり、圧縮機１から吐出される冷媒の温度は低い方が好ましい。
【０１０４】
このように、暖房機等の熱利用機器の種類により圧縮機１から吐出される冷媒の温度が高い方が好ましい場合と低い方が好ましい場合とがある。
【０１０５】
特に、連続して多量のお湯が利用されるような給湯器（例えば、レストラン等の大規模厨房で利用される給湯器や風呂のお湯張りに利用される給湯器等）では、冷媒温度が可能な限り高いことが望まれる。
【０１０６】
そこで、インタークーラ７０と並列にバイパス管７７が設けられると共に、電磁弁等の冷媒供給路切換器７８が設けられて、前段圧縮部１１ａから後段圧縮部１１ｂに冷媒を供給する際に、インタークーラ７０を介して供給するか、バイパス管７７を介して供給するかを冷媒供給路切換器７８により制御するようになっている。
【０１０７】
これにより高温の冷媒が必要な場合には、前段圧縮部１１ａからの冷媒をバイパス管７７を介して後段圧縮部１１ｂに供給し、高温の冷媒が必要でない場合には、前段圧縮部１１ａからの冷媒をインタークーラ７０を介して後段圧縮部１１ｂに供給する。
【０１０８】
冷媒をバイパス管７７を介して後段圧縮部１１ｂに供給する場合は、インタークーラ７０を介して後段圧縮部１１ｂに供給する場合に比べ、例えば、２０℃の温度上昇が見込まれる。
【０１０９】
そして、冷熱を利用する場合には、前段圧縮部１１ａで圧縮された冷媒はインタークーラ７０で放熱して後段圧縮部１１ｂの供給されて圧縮される。
【０１１０】
後段圧縮部１１ｂで圧縮された冷媒は、４方弁８３を介して第２熱交換器８２に供給され、この第２熱交換器８２で外気等と熱交換して減圧装置８１で減圧され、第１熱交換器８０で蒸発した後、４方弁８３を介して圧縮機１に戻る。
【０１１１】
冷媒が第１熱交換器８０で熱交換する相手は、冷熱利用機器が空気調和機の場合には室内空気であり、ショーケースのような場合には庫内空気であり、その際の蒸発潜熱はこれら室内空気等が与え、これにより室内空気等の温度が下がり冷房等が行われる。
【０１１２】
一方、空気調和機による暖房、床暖房機器による暖房、短時間だけ使用され、また少量だけ使用される給湯器の場合には、前段圧縮部１１ａで圧縮された冷媒は、インタークーラ７０を介して後段圧縮部１１ｂに供給され、当該後段圧縮部１１ｂで圧縮された冷媒が、４方弁８３を介して第１熱交換器８０に供給される。
【０１１３】
冷媒は、第１熱交換器８０で室内空気等と熱交換して、この室内空気等を加熱し、減圧装置８１に供給されて減圧される。その後、冷媒は第２熱交換器８２で外気と熱交換して蒸発し、４方弁８３を介して圧縮機１に戻る。
【０１１４】
また、大量にお湯が使われるような場合には、前段圧縮部１１ａで圧縮された冷媒は、直接後段圧縮部１１ｂに供給され、当該後段圧縮部１１ｂで圧縮された冷媒が、４方弁８３を介して第１熱交換器８０に供給される。
【０１１５】
冷媒は、第１熱交換器８０で市水等と熱交換して、この市水等を加熱し、減圧装置８１に供給されて減圧される。その後、冷媒は第２熱交換器８２で外気と熱交換して蒸発し、４方弁８３を介して圧縮機１に戻る。
【０１１６】
以上説明したように、熱利用機器の種類等に応じて圧縮機１からの冷媒の温度を調整できるようになるため、温熱や冷熱を効率的に供給できるようになる。
【０１１７】
ところで、先に説明したように後段圧縮部１１ｂから吐出される二酸化炭素の圧力は非常に高くなる。そこで、本発明では、メタルガスケット３５の材料にステンレス鋼を用いたり、このメタルガスケット３５にビード３７を形成したりして気密性の向上を図ると共に、ケーシング５のコストや加工性の観点から当該ケーシング５を球状黒鉛鋳鉄等の鋳造品を用いて形成していた。
【０１１８】
しかし、いくら強度の高い材料でケーシング本体５ａ等を形成しても肉厚が薄いと高圧に耐えることができず、少なくとも圧縮室４２やシリンダヘッド５ｈ内は、このような圧力に耐える肉厚に設定する必要があり、またこれらの組立時においてボルト締めする際には、ボルト１４の本数を多くしたり、締付けトルクを多くする等の対応が必要になる。
【０１１９】
ケーシング５の肉厚を厚くしたり、ボルト１４本数を増やしたりすることは、その分重量が増加し、またコストアップの要因となる。
【０１２０】
ところが、クランク室１９やモータ室１８は、基本的にピストン４１により圧縮室４２と区画されているため、二酸化炭素冷媒であるが故に高耐圧仕様とする必然性がない。
【０１２１】
例えば、クランク室１９やモータ室１８の耐圧を、前段圧縮部１１ａから吐出される冷媒の圧力に耐えるような肉厚にすると、約１５ｍｍに設定する必要があるが、当該クランク室１９やモータ室１８を前段吸入圧力に設定すると９ｍｍの肉厚ですみ非常に軽量化が可能になる。
【０１２２】
これにより、二酸化炭素を多段圧縮する圧縮機１でもケーシング５の軽量化が可能になる。
【０１２３】
無論、クランク室１９やモータ室１８の圧力は前段吸入圧力に設定するばかりでなく、少なくとも前段圧縮室４２の吐出圧より低ければ、かかるモータ室１８やクランク室１９を形成するケーシング５に対する高耐圧化の要請は少なくなる。
【０１２４】
このような、例として図１２及び図１３に示す構成が適用可能である。但し、これらの場合も、圧縮室４２やシリンダヘッド５ｈを構成するケーシング５部分は高耐圧の要請は残っていることはいうまでもない。
【０１２５】
図１２に示す構成は、機外から圧縮に１に供給される冷媒を、モータ室１８に導いてモータ２等を冷却し、その後モータ室１８からクランク室１９に流動した冷媒を冷媒戻管７５（管でなく通路でもよい）により前段圧縮部１１ａに導く構成である。
【０１２６】
また、図１３に示す構成は、当該圧縮機１が用いられている冷凍回路で液化又は液状化した冷媒の一部をキャピラリーチューブ等からなる液冷媒導入管８５により抽出し、この冷媒をノズル８６によりモータ室１８に噴霧して当該モータ２等を冷却し、その後モータ室１８からクランク室１９に流動した冷媒を冷媒戻管７５により前段圧縮部１１ａに導く構成である。
【０１２７】
二酸化炭素を圧縮すると高温高圧になり、その分モータ負荷が増大してモータ２の発熱が大きくなるが、クランク室１９やモータ室１８は密閉空間であるので、モータ２の熱はけが悪く、当該モータ２の絶縁特性が劣化したりする不都合がある。
【０１２８】
また、冷媒の熱はピストン４１を介して、コネクティングロッド２６、クランク２５等に伝達されるため、コネクティングロッド２６が連結されているピストン４１やクランク２５の連結部での熱伝達が悪くなったりして、当該連結部での摩耗を促進してしまう恐れがある。
【０１２９】
このような場合に、図１２や図１３に示す構成とすることで、モータ室１８等を低圧にすることにより圧縮機１の軽量化を図りながら、モータ２，コネクティングロッド２６，クランク２５，ピストン４１等が冷却できるようになって、コストダウンが図れると共に寿命を延すことが可能となる。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷媒が二酸化炭素であって、かつ、モータが収納されている部屋の圧力が、前段側の圧縮部における吐出圧よりも低い圧力に設定したので、二酸化炭素を圧縮する場合であってもケーシング部材の肉厚等の増大を最小限にとどめることにより重量の増大やコストアップを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施の形態の説明に適用される半密閉型多段圧縮機の詳細断面図である。
【図２】図１におけるＡＡ矢視断面図である。
【図３】シール材の上面図である。
【図４】フルビードが形成されたシール材の部分断面図である。
【図５】ハーフビードが形成されたシール材の部分断面図である。
【図６】前段圧縮部と後段圧縮部とでのピストンリングの装着数の相違を説明する図である。
【図７】ピストンの揺動を説明する図である。
【図８】表面硬化部を設けたピストンの模式断面図である。
【図９】耐摩耗部をコネクティングロッドに設けた際の模式断面図である。
【図１０】インタークーラの構成を示す図である。
【図１１】熱利用機器側の種類に応じて前段圧縮部から後段圧縮部に供給する冷媒の供給路を変える場合の冷凍回路図である。
【図１２】図１１に代る図で、前段圧縮室に供給される冷媒をモータ室等を介して供給する場合の冷凍回路図である。
【図１３】図１１に代る図で、冷凍回路で液化又は液状化した冷媒の一部を前段圧縮室に供給される冷媒をモータ室等を介して供給する場合の冷凍回路図である。
【図１４】図１３に代る図で、冷凍回路で液化又は液状化した冷媒の一部を抽出する際に、抽出量を制御して前段圧縮室に供給される冷媒をモータ室等を介して供給する場合の冷凍回路図である。
【図１５】従来の技術の説明に適用される半密閉型多段圧縮機の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  半密閉型多段圧縮機
２  モータ
３  動力変換手段
４  圧縮手段
５  ケーシング
５ｈ  シリンダヘッド
１１（１１ａ，１１ｂ）  圧縮部
１８  モータ室
１９  クランク室
２５（２５ａ，２５ｂ）  クランク
２６（２６ａ，２６ｂ）  コネクティングロッド
４１（４１ａ，４１ｂ）  ピストン
４２（４２ａ，４２ｂ）  圧縮室
５１  前段吸入室
５２  前段吐出室
５３  後段吸入室
５４  後段吐出室
７５  冷媒戻管
７８  冷媒供給路切換器
８５  液冷媒導入管
８６  ノズル
８８  温度検出器
８９  流量調整器
【図１】
2004301068.tif 000003
【図２】
2004301068.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004301068.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004301068.tif 000008
【図７】
2004301068.tif 000009
【図８】
2004301068.tif 000010
【図９】
2004301068.tif 000011
【図１０】
2004301068.tif 000012
【図１１】
2004301068.tif 000013
【図１２】
2004301068.tif 000014
【図１３】
2004301068.tif 000015
【図１４】
2004301068.tif 000016
【図１５】
2004301068.tif 000017