JP2007239722A

JP2007239722A - 可変容量型往復動圧縮機

Info

Publication number: JP2007239722A
Application number: JP2006067370A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Shimizu; 圭一清水; Takaaki Suga; 隆明須賀; Atsuo Tejima; 淳夫手島; Nobuhira Sekiguchi; 展平関口
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】吐出圧の不所望の上昇が抑制され、且つ、耐焼付き性やシール性に優れた可変容量型往復動圧縮機を提供する。
【解決手段】可変容量型往復動圧縮機としての斜板式圧縮機は、回転軸３６と斜板４６とを連結し、且つ、斜板４６がスライドしながら傾動するのを許容するヒンジ４８と、斜板４６の回転運動を斜板４６の傾斜角度θに対応したストロークにてピストンの往復運動に変換するシューと、吸入室とクランク室との間を連通する連通路と、斜板４６に対してシリンダブロックから離間する方向の押圧力Faを大きさ可変にて作用させるアクチュエータとを備える。ヒンジ４８は、ピストンの圧縮反力の合力ΣFc_nが斜板４６に作用する位置よりも径方向内側に位置する仮想軸Ａの回りにて斜板４６の傾動を許容する。
【選択図】図２

Description

本発明は可変容量型往復動圧縮機に関する。

可変容量型の往復動圧縮機としての斜板圧縮機は、回転軸と斜板とを連結する連結手段を有し、連結手段は、斜板が回転軸に対してスライドしながら傾動するのを許容する（例えば、特許文献１参照）。そして、斜板の回転運動は、シューを介して、斜板の傾斜角度に対応したストロークにて、ピストンの往復運動に変換される。
具体的には、連結手段は、回転軸に固定されたロータを有し、ロータと斜板との間にはヒンジが設けられる。ヒンジは、ロータ側に設けられた長孔を有し、長孔には斜板側に設けられたピンが挿通される。ヒンジは仮想軸を規定し、仮想軸を中心として斜板は傾動する。仮想軸は、ヒンジのピンと平行であり、且つ、長孔の側縁に垂直な線と斜板とが交わる点を通る。

斜板の傾斜角度は、仮想軸を中心として斜板に作用するモーメントが０になるように決定される。例えば、特許文献１の圧縮機では、圧縮された作動流体をクランク室内に断続的に導入し、これによりクランク室の圧力（背圧）を調整することで、斜板の傾斜角度が制御される。
特開昭60-175783号公報

特許文献１の斜板圧縮機では、何らかの異常によって吐出圧が上昇し、圧縮反力が増大すると、斜板は、その傾斜角度が大きくなるように傾動する。このような傾動は、斜板に対して圧縮反力の合力が作用する位置が、仮想軸よりも径方向内側にあることに起因しており、この傾動によって、吐出容量が大きくなり、吐出圧が更に上昇してしまう。
また、特許文献１の斜板圧縮機で作動流体としてのＣＯ_２を圧縮する場合、圧縮されたＣＯ_２が吐出室からクランク室に導入され、従来のフロンを圧縮する場合よりも、クランク室内の温度及び圧力が高くなる。このため、軸受及び斜板等の摺動部やシャフトシール等のシール部に加わる熱負荷や圧力が大きくなり、摺動部の焼付きやシール部からの漏れが発生する虞がある。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、吐出圧の不所望の上昇が抑制され、且つ、耐焼付き性やシール性に優れた可変容量型往復動圧縮機を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、クランク室に開口した複数のシリンダボアを有するシリンダブロックと、前記シリンダボアに挿入された片頭のピストンと、前記シリンダブロックに接合され、吸入室及び吐出室を有するシリンダヘッドと、前記クランク室内を延びる回転軸と、前記回転軸を囲む中央孔を有する回転体と、前記回転軸と前記回転体とを連結し、且つ、前記回転軸に対して前記回転体がスライドしながら傾動するのを許容する連結手段と、前記回転体の回転運動を前記斜板の傾斜角度に対応したストロークにて前記ピストンの往復運動に変換する変換手段と、前記吸入室と前記クランク室との間を連通する連通路と、前記回転体に対して前記シリンダブロックから離間する方向の押圧力を大きさ可変にて作用させる駆動手段とを備え、前記連結手段は、前記ピストンの圧縮反力の合力が前記回転体に作用する位置よりも径方向内側に位置する仮想軸の回りにて前記回転体の傾動を許容することを特徴とする可変容量型往復動圧縮機が提供される（請求項１）。

好適な態様として、圧縮機は作動流体としてのＣＯ_２を圧縮する（請求項２）。

本発明の請求項１の可変容量型往復動圧縮機では、仮想軸が、圧縮反力の合力が作用する位置よりも径方向内側に位置しており、仮想軸を中心として回転体に作用する圧縮反力の合力のモーメント及びピストンの背面に加わるクランク室の圧力（背圧）の合力のモーメントが、アクチュエータの押圧力のモーメントによって相殺されることで、回転体に作用するモーメントがゼロになって釣り合う。この結果として、この圧縮機では、アクチュエータによって回転体の傾斜角度が高精度にて制御される。

そして、この圧縮機では、圧縮反力が増大したとき、回転体は、仮想軸を中心として傾斜角度が小さくなるように傾動する。このため、この圧縮機では、吐出圧が増大すると、吐出容量が小さくなり、吐出圧の増大が抑制される。この結果として、この圧縮機では安全性が確保される。
また、この圧縮機では、圧縮された作動流体が、吐出室からクランク室に導入されないため、クランク室の温度及び圧力が低く保たれる。この結果として、軸受や回転体等の摺動部及びシャフトシール等のシール部に加わる熱負荷や圧力が小さくなり、摺動部の潤滑性及びシール部のシール性が確保される。

その上、この圧縮機では、吸入室とクランク室との間が連通しているため、クランク室の圧力が安定する。このため、ピストンの背圧が常に略一定になり、回転体の傾斜角度の制御が安定し、容量制御が高精度にて実施される。
更に、この圧縮機では、仮想軸が圧縮反力の合力の作用位置よりも径方向内側にあるため、連結手段を構成する部材の質量分布が従来よりも回転軸に近くなる。この結果として、この圧縮機は、静バランスに優れ、作動時の振動が少ない。

請求項２の往復動圧縮機では、作動流体としてＣＯ_２が圧縮されるけれども、圧縮されたＣＯ_２が吐出室からクランク室に導入されないので、クランク室の温度及び圧力が低く保たれる。この結果として、軸受や回転体等の摺動部やシャフトシール等のシール部に加わる熱負荷や圧力が小さくなり、摺動部の潤滑性及びシール部のシール性が確保される。

図１は、一実施形態の可変容量型往復動圧縮機としての斜板圧縮機を示し、図１は、吐出容量が最大時の状態を示している。
圧縮機は、ハウジングの一部を構成するケーシング（フロントハウジング）１０を備える。ケーシング１０は大径筒部１２を含み、大径筒部１２の端壁１４の中央には小径筒部１６が一体に連なっている。端壁１４には、小径筒部１６の内部と連通するシャフト孔が形成されている。

端壁１４と反対側の大径筒部１２の端部には、シリンダブロック１８が固定され、シリンダブロック１８の一端面と端壁１４との間には、クランク室２０が区画されている。シリンダブロック１８には、例えば９つのシリンダボア２２が形成され、これらシリンダボア２２は、シリンダブロック１８の軸線を中心とした同心円上に等間隔で配置されている。各シリンダボア２２は、シリンダブロック１８を軸線方向に貫通し、シリンダブロック１８の両端面にて開口している。

シリンダブロック１８の他端面には、バルブプレート２４を介してシリンダヘッド２６が固定され、シリンダヘッド２６の周壁には、吸入ポート及び吐出ポート（図示せず）が形成されている。シリンダヘッド２６の内部には、これら吸入及び吐出ポートがそれぞれ開口する吸入室２８及び吐出室３０が区画されている。
吸入室２８及び吐出室３０は、バルブプレート２４に設けられた吸入孔及び吐出孔を通じてシリンダブロック１８の各シリンダボア２２にそれぞれ連通可能であるが、吸入孔及び吐出孔は、吸入リード弁（図示せず）及び吐出リード弁（図示せず）によって開閉される。

なお、吸入室２８とクランク室２０との間は、バルブプレート２４及びシリンダブロック１８を貫通して形成された圧力安定経路３２を通じて常時連通している。
シリンダブロック１８の各シリンダボア２２内には、クランク室２０側から片頭のピストン３４が往復動自在に挿入され、ピストン３４のテール部は、クランク室２０内に突出している。

ピストン３４のテール部には、往復運動のための動力が伝達される。そのために、圧縮機は、エンジン等の動力源から動力を受け取る回転軸３６を有する。
回転軸３６は、小径筒部１６の先端から、バルブプレート２４の手前まで延び、回転軸３６の端壁１４近傍の部分にはロータ３８が固定されている。ロータ３８は、回転軸３６に嵌合して固定されたボス部を有し、ボス部とシャフト孔の内周面との間にはラジアルベアリング４０が配置されている。ロータ３８のボス部には円盤部が一体に形成され、円盤部はスラストベアリング４２を介して端壁１４と対向している。従って、端壁１４近傍の回転軸３６の部分は、ロータ３８を介して、ラジアルベアリング４０及びスラストベアリング４２によって回転自在に支持されている。

なお、小径筒部１６内には、シャフトシール４４が配置され、シャフトシール４４はクランク室２０を気密に区画している。
ロータ３８とシリンダブロック１８との間を延びる回転軸３６の部分は円環状の斜板４６の中央を貫通している。より詳しくは、斜板４６は中央部にボス部（斜板ボス部）を有し、回転軸３６は、斜板ボス部を貫通している。斜板ボス部とロータ３８の円盤部との間はヒンジ４８によって連結され、斜板４６と回転軸３６との間は、ヒンジ４８及びロータ３８を介して、一体に回転可能に連結されている。また、斜板４６は、ヒンジ４８を介して、回転軸３６に対してスライドしながら傾動可能である。

より詳しくは、ヒンジ４８は、斜板ボス部及びロータ３８から相互に２つずつ突出するアーム５０ａ，５０ｂを有し、ロータ３８のアーム５０ｂ間にはヒンジピン５２が架け渡されている。ヒンジピン５２は、斜板４６の各アーム５０ａに形成された長孔５４を貫通している。
ピストン３４のテール部は、回転軸３６に向けて開口したコの字状をなし、斜板４６の外周部は、ピストン３４のテール部内に位置付けられる。ピストン３４の各テール部には、ピストン３４の軸線方向に離間した一対の球面座が形成され、各球面座に配置された半球状のシュー５６が、斜板４６の外周部に対し両側から挟むように摺接する。

従って、斜板４６が回転軸３６に対して傾斜した状態で回転運動すると、回転運動はシュー５６によってピストン３４の往復運動に変換される。ここで、回転軸３６に対する斜板４６の傾斜角度θは可変であり、傾斜角度θに対応してピストン３４のストロークは変化する。すなわち、傾斜角度θが大きいほど、ストロークは長くなり、傾斜角度θが小さくなるほど、ストロークは短くなる。なお、傾斜角度θは、回転軸３６と斜板４６とがなす角度であり、回転軸３６に対して斜板４６が直交しているとき、傾斜角度θは０°である。

斜板４６の傾斜角度θは、斜板４６に作用するモーメントが釣り合うように決定される。これを利用して傾斜角度θを可変制御すべく、この圧縮機は、斜板４６に対して押圧力を作用させるアクチュエータを備える。
より詳しくは、アクチュエータは、シリンダブロック１８の中央を軸線方向に貫通する駆動用シリンダ５８を有し、シリンダヘッド２６には、駆動用シリンダ５８と同軸にて円筒状の有底穴６０が形成されている。駆動用シリンダ５８と有底穴６０との間は、これら駆動用シリンダ５８及び有底穴６０よりも小径なバルブプレート２４の接続孔６２を通じて連通している。

シリンダヘッド２６の有底穴６０と吸入孔との間は、シリンダヘッド２６に形成された流体排出経路６４を通じて連通し、流体排出経路６４には、電磁制御弁６６が介挿されている。電磁制御弁６６は、例えば外部の制御装置によって開閉駆動され、流体排出経路６４を断続的に開閉可能である。
駆動用シリンダ５８と吐出室３０との間は、バルブプレート２４及びシリンダヘッド２６に形成された一連の流体供給経路を通じて連通し、流体供給経路の一端はバルブプレート２４近傍にて駆動用シリンダ５８に開口している。なお、流体供給経路には、一端部がフィルタ材６８で覆われたオリフィスチューブ７０が介挿され、吐出室３０の作動流体の一部は、オリフィスチューブ７０を通じてバルブプレート２４近傍の駆動用シリンダ５８の領域に供給される。

駆動用シリンダ５８には、駆動用ピストン７２が挿入されている。駆動用ピストン７２は、駆動用シリンダ５８に嵌合した大径部とバルブプレート２４側の大径部の端面から突出した小径部とを有し、バルブプレート２４側の駆動用シリンダ５８の領域を圧力室７３として区画している。なお、小径部は、バルブプレート２４の接続孔６２及び有底穴６０よりも小径であり、接続孔６２を通して有底穴６０内に進入可能である。

そして、駆動用ピストン７２は、小径部側の大径部の端面にて開口した環状溝を有し、環状溝の内周面は、小径部の外周面に連なっている。ここで、駆動用ピストン７２とバルブプレート２４の間には圧縮コイルばね７４が配置され、圧縮コイルばね７４の一端は、環状溝の端壁に当接し、その他端は、接続孔６２を囲むバルブプレート２４の環状部に当接している。圧縮コイルばね７４は、駆動用ピストン７２を斜板４６に向けて付勢している。

そして、駆動用ピストン７２には有底の軸方向穴７６が形成され、軸方向穴７６は、クランク室２０側の大径部の端面にて開口している。軸方向穴７６には、回転軸３６の内端部が相対的に回転可能且つ摺動可能に挿入され、シリンダブロック１８は、大径部を介して回転軸３６の内端部を回転自在に支持している。なお、軸方向穴７６内に潤滑油を供給するため、大径部には潤滑油供給路７８が形成されている。

駆動用ピストン７２と同軸に、回転軸３６にはスライド可能にスリーブ８０が嵌合し、スリーブ８０は斜板ボス部と一体に回転可能である。スリーブ８０は、駆動用ピストン７２側の一端にフランジ部８２を有し、フランジ部８２の端面と駆動用ピストン７２の端面との間には、スラストベアリング８４が配置されている。斜板４６側のフランジ部８２の面は、テーパ面８６として形成され、テーパ面８６には、斜板ボス部に一体に形成された突起８８の先端面が当接している。突起８８の先端面は斜板４６が傾動してもテーパ面８６に当接するよう、所定形状の曲面に形成されている。

スリーブ８０は、斜板ボス部を貫通し、スリーブ８０の他端とロータ３８との間には、リターンスプリング９０が配置されている。リターンスプリング９０は、スリーブ８０をシリンダブロック１８に向けて付勢している。
以下、上述した可変容量型圧縮機の動作について説明する。
外部からの動力によって回転軸３６が回転するのに伴い斜板４６が回転すると、斜板４６の回転運動は、シュー５６を介してピストン３４の往復運動に変換される。各ピストン３４の往復運動に基づき、圧縮機内では、吸入室２８内の冷媒等の作動流体が吸入孔を通じてシリンダボア２２に吸入される吸入工程と、シリンダボア２２内で作動流体が圧縮される圧縮工程と、圧縮された作動流体が吐出リード弁を通じて吐出室３０に吐出される吐出工程とからなる一連のプロセスが実施される。

このプロセスによって圧縮機から吐出される作動流体の吐出量（吐出容量）は、電磁制御弁６６によって流体排出経路６４を開閉することによって調整される。すなわち、圧力室７３の圧力（駆動圧）が昇降するのに伴い、斜板４６の傾斜角度θが変化して各ピストン３４のストロークも増減する。具体的には、駆動圧が低いほどストロークは短くなり、逆に、駆動圧が高いほどストロークは長くなる。

より詳しくは、斜板４６の傾斜角度θは、斜板４６に作用する力のモーメントが釣り合うように決定され、斜板４６に作用する力としては、ピストン３４の圧縮反力の合力ΣFc_nと、ピストン３４の背面に加わるクランク室２０の圧力（背圧）の合力ΣFp_nと、アクチュエータによる押圧力Faとがある。なお、各合力の添え字nは、シリンダボア２２の数を表す。

ここで、ヒンジ４８は、斜板４６が回転軸３６に対してスライドしながら傾動するのを許容する。すなわち、ヒンジピン４６は、長孔５４内にて回転しながら長孔５４の側縁に沿ってその長手方向に移動する。この回転及び移動によって、ヒンジ４８は、図２に×印で示した位置に仮想軸Ａを規定し、仮想軸Ａを中心として斜板４６は傾動する。仮想軸Ａは、ヒンジ４８のヒンジピン５２と平行であり、且つ、ヒンジピン５２が内接した長孔５４の側縁５４ａの部分に対して垂直な線と斜板４６とが交わる点を通る。そして、仮想軸Ａは圧縮反力の合力ΣFc_nが作用する位置よりも斜板４６の径方向内側に位置している。

この仮想軸Ａを中心としたモーメントMは次式（１）及び（２）で表され、このモーメントMが0になるように、傾斜角度θは決定される。
M=Lc×ΣFp_n＋Lp×ΣFp_n-La×Fa ・・・（１）
=Lc×ΣFp_n＋Lp×Pc×Sc×n-La×｛（Pa-Pc）×Sa-（K1+K2）×Lp×tanθ｝・・・（２）
なお、式（１）及び（２）中、Lcは、圧縮反力の合力ΣFc_nが作用する位置と仮想軸Ａとの間の距離であり、Lpは、回転軸３６の中心位置と仮想軸Ａとの間の距離であり、Laは、押圧力が作用する位置と仮想軸Ａとの間の距離である。Scは各ピストン３４の受圧面積であり、Saは駆動用ピストン７２の受圧面積である。K1は、圧縮コイルばね７４のばね定数であり、K2はリターンスプリング９０のばね定数である。

上述した可変容量型斜板圧縮機では、仮想軸Ａが、圧縮反力の合力ΣFc_nが作用する位置よりも径方向内側に位置しており、斜板４６に作用する圧縮反力の合力ΣFc_nのモーメント及びピストン３４に作用する背圧の合力ΣFp_nが、アクチュエータの押圧力Faのモーメントによって相殺されることで、斜板４６に作用するモーメントMがゼロになって釣り合う。この結果として、この圧縮機では、アクチュエータによって斜板４６の傾斜角度θが高精度にて制御される。

そして、この圧縮機では、何らかの異常によって圧縮反力が増大したとき、斜板４６は、仮想軸Ａを中心として傾斜角度θが小さくなるように傾動する。このため、この圧縮機では、吐出圧が増大すると、吐出容量が小さくなり、吐出圧の増大が抑制される。この結果として、この圧縮機では安全性が確保される。
また、この圧縮機では、圧縮された作動流体が、吐出室３０からクランク室２０に導入されないため、クランク室２０の温度及び圧力が低く保たれる。この結果として、軸受や斜板４６等の摺動部やシャフトシール４４等のシール部に加わる熱負荷や圧力が小さくなり、摺動部の潤滑性及びシール部のシール性が確保される。

その上、この圧縮機では、吸入室２８とクランク室２０との間が連通しているため、ブローバイによって作動流体がクランク室２０内に流入しても、クランク室２０の圧力が安定する。このため、ピストン３４の背圧の合力ΣFp_nが常に略一定になり、斜板４６の傾斜角度θの制御が安定し、容量制御が高精度にて実施される。
更に、この圧縮機では、仮想軸Ａが圧縮反力の合力ΣFc_nの作用位置よりも径方向内側にあるため、ヒンジ４８を構成する部材の質量分布が従来よりも回転軸３６に近くなる。この結果として、この圧縮機は、静バランスに優れ、作動時の振動が少ない。

本発明は上述した一実施形態に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、圧縮機が圧縮する作動流体は特に限定されないけれども、この圧縮機はＣＯ_２の圧縮に好適である。この圧縮機では、圧縮されたＣＯ_２が吐出室３０からクランク室２０に導入されないので、クランク室２０の温度及び圧力が低く保たれる。この結果として、ベアリング４０,４２,８４や斜板４６等の摺動部及びシャフトシール４４等のシール部に加わる熱負荷や圧力が小さくなり、摺動部の潤滑性及びシール部のシール性が確保される。

一実施形態の圧縮機では、シリンダボア２２と回転軸３６とが平行であったけれども、シリンダボア２２は、回転軸３６に対して略平行であれば若干傾斜していてもよい。
一実施形態の圧縮機では、アクチュエータは斜板ボス部と一体の突起８８を押圧したけれども、アクチュエータの構成は特に限定されず、図２に破線で示したように、アクチュエータの押圧力Fa’が、斜板４６の中央に作用するようにしてもよい。換言すれば、仮想軸Ａが、圧縮反力の合力が作用する位置と、アクチュエータの押圧力が作用する位置との中間に位置していればよい。

更に、一実施形態の圧縮機では、ヒンジ４８は、アーム５０ｂに形成された長孔５４とヒンジピン５２とを有していたけれども、ヒンジの構成は特に限定されず、斜板４６側のアーム５０ａに長孔を形成し、ヒンジピンをロータ３８側のアーム５０ｂ間に架け渡してもよい。更には、一端に球状の頭部を有するロッドと、この頭部を収容する筒とによってヒンジを構成してもよい。

最後に、本発明の可変容量型往復動圧縮機は、揺動板圧縮機にも適用可能である。

一実施形態に係る可変容量型の斜板圧縮機の縦断面を示す図である。斜板に作用するモーメントを説明するための図である。

符号の説明

３６回転軸
４６斜板（回転体）
４８ヒンジ
A 仮想軸
θ 傾斜角度
ΣFc_n 圧縮反力の合力
Fa アクチュエータの押圧力

Claims

クランク室に開口した複数のシリンダボアを有するシリンダブロックと、
前記シリンダボアに挿入された片頭のピストンと、
前記シリンダブロックに接合され、吸入室及び吐出室を有するシリンダヘッドと、
前記クランク室内を延びる回転軸と、
前記回転軸を囲む中央孔を有する回転体と、
前記回転軸と前記回転体とを連結し、且つ、前記回転軸に対して前記回転体がスライドしながら傾動するのを許容する連結手段と、
前記回転体の回転運動を前記斜板の傾斜角度に対応したストロークにて前記ピストンの往復運動に変換する変換手段と、
前記吸入室と前記クランク室との間を連通する連通路と、
前記回転体に対して前記シリンダブロックから離間する方向の押圧力を大きさ可変にて作用させる駆動手段と
を備え、
前記連結手段は、前記ピストンの圧縮反力の合力が前記回転体に作用する位置よりも径方向内側に位置する仮想軸の回りにて前記回転体の傾動を許容する
ことを特徴とする可変容量型往復動圧縮機。
作動流体としてのＣＯ_２を圧縮することを特徴とする請求項１記載の可変容量型往復動圧縮機。