JP2946652B2 - 可変容量式斜板型圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば自動車用の空調装置における冷媒圧
縮に使用するのに適した斜板型圧縮機の、特に容量制御
に関するものである。

〔従来の技術〕

本発明者等は、先に、可変容量式の斜板型圧縮機にお
いて、容量制御のために斜板の傾斜角を変更する方式と
して、制御流体圧によって圧縮機の軸方向に移動可能な
スプールを設け、該スプールによって斜板の中心の軸方
向位置を変更すると同時に、斜板の傾斜角が連動して変
わるようにした容量制御機構を提案した。

圧縮機の容量を変える際に、斜板の傾斜角のみなら
ず、斜板の中心の軸方向位置までも変えるようにしたの
は、斜板によって軸方向に往復駆動される多数のピスト
ンが、それぞれの両端を、軸方向の左右に配置された２
つのシリンダブロックの対応する各シリンダに挿入して
いる双頭のピストンであり、斜板の傾斜角を小となして
圧縮機の吐出容量を減少させるときに、単に斜板の傾斜
角だけを小とすると、左右の各シリンダで行程体積が同
時に同じように減少すると共に、ピストン両端のヘッド
クリアランスが増大するので、吐出容量が十分小さくな
る前に、左右共に吐出弁を押し開くだけの圧縮が行なわ
れなくなり、吐出容量が小さい領域での圧縮機の容量制
御ができなくなるためである。

斜板の傾斜角を変更すると同時に、それと連動して斜
板の中心の軸方向を移動させ、多数の双頭のピストンを
軸方向の左右いずれか一方の側へ偏よらせることによ
り、その一方の側ではピストンのヘッドクリアランスが
増大せず、吐出容量が減少するように制御されて斜板の
傾斜角が小となり、ピストンの行程体積が減少しても、
吐出弁を押し開くだけの高い圧縮が行われる。他方の側
ではピストンのヘッドクリアランスが増大して有効な圧
縮仕事が行なわれなくなるものの、前記一方の側での有
効な圧縮仕事により、圧縮機全体としては小吐出容量の
領域までも吐出容量制御が可能となる利点がある。

このようなタイプの可変容量式斜板型圧縮機において
斜板の中心の軸方向位置を制御し、同時に斜板の傾斜角
を変更させるための制御スプールは、ピストン状のもの
であって、その一方の側には、例えば圧縮された冷媒の
吐出側の圧力を制御弁によって必要な大きさに調圧して
得られた圧力が利用していて、それがスプールを軸方向
に動かす前述の制御流体圧となっており、その制御流体
圧と、スプールの他方の側に作用している吸入冷媒の圧
力との差圧が、制御力として斜板の支持部に対し軸方向
に作用する。

前記の制御力と反対方向に、あるいは同じ方向に作用
する力には色々なものがあり、斜板の中心の位置、従っ
て斜板の傾斜角は、それらの色々な力の釣合った状態と
して決まるのである。制御力以外の力の主なものとして
は、ピストンの往復動の慣性力、ピストンにより圧縮さ
れる流体（冷媒）の圧縮力（圧縮反力）、制御機構の摺
動部分に作用する摩擦力、傾斜角を与えられた斜板が軸
と共に回転する時に、傾斜角を小さくする方向に作用す
る遠心力、スプールの動きを規制するために設けられる
ことがある発条の圧縮力（圧縮反力）、等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

圧縮機の吐出容量を小さくするということは、斜板の
傾斜角を小さくしようという方向に働らく斜板の遠心力
やピストンの圧縮力、あるいは発条の圧縮力等に抗して
加えていた前記スプールへの制御流体圧、したがって制
御力を減少させることにより、前記の遠心力等がピスト
ンの慣性力や機構の摩擦力等に打ち勝って、斜板の傾斜
角を小さくするのを待つということである。

圧縮機の吐出容量が大きくなっているときは前記の制
御流体圧も大きくなり、制御力の作用が支配的となるか
ら問題は生じないが、前述のように、吐出容量の小さい
領域では制御力が小さくなるために、相対的に他の力の
方が支配的となることがある。

吐出容量を小さくする必要があるのは圧縮機の回転数
が上昇している時に多いが、そのような時にはピストン
の往復動の速度も上昇していて慣性力が大きくなってい
るので、それが斜板の傾斜角を増大させる方向に作用
し、すでに小さくなっている制御流体圧を更に微小に変
化させても、スプールがそれに応答（追従）しなくな
り、高速回転時には吐出容量を小さくすることが不可能
になるという状態が起り得る。

自動車用に限らず空調装置の場合、空調負荷は空調装
置の立上り時には大きいものの、室内の温度が目標温度
に達した後は空調負荷が小さくなるので、その後の室内
温度を一定に保つためには、冷媒圧縮機を小吐出容量の
領域で微細に吐出容量を変更する制御を行なうことが必
要になる。自動車の場合は圧縮機の駆動力源が走行用エ
ンジンであるから、走行条件に応じて絶えずエンジンの
回転数が低回転から高回転まで変化するので、前記のよ
うな圧縮機の小吐出容量域における制御には、特に高い
応答性が要求される。

そこで本発明は、この種の圧縮機における高回転時の
小吐出容量域における制御の応答性を確保することを、
発明の解決課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記の課題を解決するために、内部にシリン
ダボアを有するシリンダブロックと、 前記シリンダブロック内に軸受けされた回転軸と、 前記回転軸に対して傾斜可能に取付けられた斜板と、 前記シリンダボアに挿入され前記斜板によって軸方向
に往復駆動されて前記シリンダボアの中に流体を圧縮す
る作動室を形成するピストンと、 前記斜板の中心を支持してそれを軸方向に移動させる
ことにより前記斜板を任意の傾斜角まで傾斜させて吐出
容量を変更させる支持部材と、 前記斜板の中心平面からオフセットして表裏アンバラ
ンスに前記斜板に設けられ、前記斜板の傾斜角が零とな
る方向に前記斜板を付勢する付勢力を発生すると共に、
前記斜板の傾斜角が零となっても更に同じ方向の付勢力
が残存するように形成されたバランスウェイトを少なく
とも１個備えていることを特徴とする可変容量式斜板型
圧縮機を提供する。

〔作 用〕

本発明の圧縮機は前記手段の項に記載したような構成
を有するので、通常は従来のこの種の圧縮機と同様に流
体を圧縮するが、問題となる高速回転時の低吐出容量へ
の制御において、ピストンの慣性力に起因するモーメン
トが、斜板の傾斜角が小さくなるのを阻げても、そのモ
ーメントに打ち勝つモーメントが斜板に特設されたバラ
ンスウェイトにより発生するので、斜板は支持部材の軸
方向移動に応じて忠実に傾斜角を変更し、低吐出容量域
の微小な容量変化が可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明による可変容量式斜板型圧縮機の実施
例の縦断面を示したもので、そのシリンダブロックは、
フロントシリンダブロック１とリヤシリンダブロック２
からなり、その前後にフロントハウジング３とリヤハウ
ジング４が取付けられ、これらの各部分は数本の通しボ
ルト５によって一体的に締結されて本体を構成してい
る。前後のシリンダブロック1,2の対応位置には、それ
ぞれ数組のシリンダボア6,7が、仮想の円筒面上に等間
隔に並ぶように穿設されており、各対のシリンダボア6,
7にまたがって、各々１個の双頭のピストン８が挿入さ
れ、それらの両端面とシリンダボア6,7によって作動室
9,10を形成している。

圧縮機本体の中心を通るように回転軸11が第１図の左
側から挿入され、図示されないエンジン等によって回転
駆動されると共に、前後のハウジング3,4やシリンダブ
ロック１に設けられた軸受によって支持される。シリン
ダブロック1,2の間には斜板室12が形成されており、こ
れは圧縮すべき流体、例えば空調装置用の冷媒ガスを図
示しない蒸発器等から受入れる室を兼ねている。そして
斜板室12は、ハウジング3,4内に設けられた吸入室13,14
と通路15,16によって連通している。前後のハウジング
3,4には吐出室17,18も形成されており、これらの吸入室
13,14及び吐出室17,18は、バルブプレート19,20に設け
られた図示されない吸入弁と吐出弁を介して、各作動室
９及び10と連通し得る。

斜板室12内には、全てのピストン８に対しシュー21を
介して同時に係合する円板形の斜板22が、回転軸11に摺
動可能に挿通された球状部分とスリーブ状部分を有する
支持部材23上で、傾斜可能に支持されている。斜板22に
はその左側に突出して一対の腕24が突出して設けられて
おり、２本の腕24の間に掛け渡されたピン軸25が、回転
軸11と一体化されたブロック26の斜のカム溝27に係合し
ている。したがって、支持部材23を軸方向に移動させる
と、その球状部分に支持されている斜板22の中心も軸方
向に移動するが、それによって斜板の腕24に設けられた
ピン軸25が回転軸のブロック26のカム溝27内を移動する
ことになるため、斜板22の傾斜角も同時に変化すること
になる。斜板22が傾くことによって、ピストン８の往復
動の行程が変化し、作動室9,10における行程体積も変化
する。

このように、斜板22の傾斜角の変化は斜板22の軸方向
移動と連動して起こるので、ピストン８の行程が変化し
ても、リヤシリンダブロック２の作動室10において、ピ
ストン８の右端が上死点にあるときのヘッドクリアラン
スの値が殆ど変化しないように設計すれば、行程が小さ
くなるときフロント側の作動室９では吐出弁を押し開く
だけの圧縮圧力が発生しなくなっても、リヤ側の作動室
10では小吐出量ながら吐出弁を押し開く圧縮圧力が発生
し、小吐出容量の作動領域が確保される。

斜板22の傾斜角と中心の軸方向移動を起させるため
に、支持部材23には制御スプール28の円筒部分の端部が
スラスト軸受等を介して係合しており、スプール28のピ
ストン状円板部分は、リヤハウジング４に形成された制
御シリンダ29に挿入され、制御圧室30と前述の吸入室14
とを区画している。リヤハウジング４に付設された制御
弁31は、図示されない制御装置により操作され、吐出室
18の吐出圧（高圧）と斜板室12の吸入圧（低圧）との間
の任意の圧力を作り出し、これを制御流体圧として制御
圧室30に供給するようになっている。したがって、スプ
ール28は前記のように任意の大きさとなる制御流体圧と
略一定の吸入室14の圧力との差圧によって軸方向の制御
力を発生し、始めに述べたように他の色々な力との釣合
によって、斜板22の中心の軸方向位置及び傾斜角を変化
させることができる。

以上述べた構造は従来のこの種の圧縮機と実質的に同
じものであるが、本発明の特徴に対応して、第１図の実
施例では斜板22にバランスウェイト32及び33を設けてい
る。これらのバランスウェイト32,33は、いずれも円板
形の斜板22の中心平面からできるだけ離れた位置に各重
心ができるようにオフセットして、表裏アンバランスに
取付けられており、それによって、斜板22が回転軸11と
共に回転した時に、バランスウェイト32,33の重心に作
用する遠心力により、斜板22を立て起して傾斜角を小さ
くさせるように働くなるべく大きいモーメントが発生す
るような構成となっている。

次に、第１図に示された圧縮機の作動を、第２図をも
参照しながら説明する。いま制御弁31の作動によって斜
板22が任意の傾斜角βを与えられており、回転軸11と共
に角速度ωをもって回転駆動されているものとする。

斜板22が傾斜した状態で回転軸11と共に回転すること
により、その周縁部に等間隔の位置でシュー21を介して
摺動係合しているピストン８は対になったシリンダボア
6,7の中で往復動し、吸入室13,14から作動室9,10へ吸入
される流体（冷媒）を圧縮する。作動室9,10内の各圧縮
圧力が吐出室17,18の圧力よりも高くなった時は、圧縮
された流体は図示しない吐出弁を押し開いて吐出室17,1
8へ押し出され、たとえば図示されない空調装置の凝縮
器へ送られる。

斜板22が回転することによって、斜板22の周縁には第
２図に示すように遠心力F_Sが作用し、それによって傾斜
している斜板22を中心Ｏのまわりに立て起こそうとする
モーメントM_Sが発生する。そして、斜板22に取付けられ
たバランスウェイト32,33も、同様に遠心力F_Bによって
斜板22を起こそうとするモーメントM_Bを発生する。第２
図の場合においては、バランスウェイト32,33が腕34,35
によって斜板の中心平面からオフセットして、その重心
が角度Ｂだけ余分に傾いた位置にあるように偏って付設
されている。斜板22の中心面に関して、バランスウェイ
ト32,33の各裏面に当る位置にはバランスウェイトは設
けられておらず、その意味ではアンバランスな配置とな
っている。バランスウェイト32,33によるモーメントM_B
は、斜板22の傾斜角βが０となった復原状態でも０とは
ならず、斜板22の中心Ｏのまわりに同じ方向で付勢しつ
づける。

ピストン８は斜板22によって軸方向に往復駆動される
ことにより慣性力F_Pをもち、これは逆に斜板22に対して
傾斜角βが更に大きくなる方向のモーメントM_Pを作用さ
せる。ピストン８には作動室9,10において圧縮する流体
の圧力P_gが作用しているが、その力によるモーメントM_g
は前述のモーメントM_SやM_Bと同じ方向をもっていて、斜
板22を立て起して復原させようとする。スプール28に作
用する制御流体圧P_Cは、吸入圧との差圧によって前述の
ような制御力を発生し、支持部材23を介して斜板22の中
心Ｏを軸方向に移動させるが、その制御力によって斜板
22を傾斜させる方向のモーメントM_Cを発生する。なお、
これら以外の主な力として機構の摺動部分に作用する摩
擦力があるが、第２図では表示を省略している。もっと
も、この場合は制御力によるモーメントM_Cが摩擦力を織
り込んだものとして把握してもよい。

次に、以上述べたことを更に詳しく説明する。斜板22
の外周半径をＲ、同内周半径をR₀、斜板22の厚さをＨ、
同密度をρ、斜板22の傾斜角をβ、重力加速度をｇ、回
転軸11の角速度をω、ピストン８の数をｎ、同重量を
W_P、バランスウェイト32,33の重量をW_B、同中心Ｏから
の距離をR_Bとすれば、斜板22を傾斜させようとするか、
或いは復原させようとする主なモーメントであるピスト
ン８の慣性力F_Pによる傾斜モーメントM_P、斜板22の遠心
力F_Sによる復原モーメントM_S、及び、バランスウェイト
32,33の遠心力F_Bによる復原モーメントM_Bは、それぞれ
次のように表わすことができる。（K₁,K₂,K₃は定数） 斜板22の傾斜角βの変化に伴なって、各モーメントす
なわち前記式（１），（２），（３）の値がどのように
変化するかということは、それらの式の変化する部分を
線図として表示した第３図を見れば明らかである。すな
わち傾斜角βが０に近づく時は、式（１）及び（２）の
値、すなわちモーメントM_P及びM_Sも０に近づくのに反
し、式（３）の値、すなわちバランスウェイト32,33の
遠心力F_Bによる復原モーメントM_Bは減少するものの０と
はならず、M_Bは相対的にM_PやM_Sよりも大となる。

これは、本発明の特徴とする特殊なバランスウェイト
32,33を設けたために、斜板22には、傾斜角βが０に近
くなった状態でも傾斜角を０にする方向の有効な復原力
が働いているということであって、それを制御流体圧P_C
による制御力によって受け止めれば、斜板22の軸方向位
置及び傾斜角βは一義的に定まり、制御流体圧P_Cが微小
にでも変化すれば、斜板22は直ちに応答して姿勢及び位
置を微小変化するという結果が得られる。つまり圧縮機
の吐出容量の可変範囲について、制御不能な不感領域は
生じ得なくなるのである。

バランスウェイト32,33を設ける具体的な手段として
腕34,35を用いる場合には、バランスウェイト32,33を斜
板22とは別体として構成することができる。別体とする
場合は、バランスウェイト32,33に比重の大なる金属等
を用いて小型化することも可能となる。腕34,35にはボ
ルトを用いれば、バランスウェイト32,33の着脱が容易
になる。

また、斜板22とバランスウェイト32,33等を一体のも
のとして製作することも可能であって、第４図はその実
施例を示している。第４図（ｂ）は正面からみた断面図
で左側面が（ａ）、右側面が（ｃ）として示されてい
る。同図（ｂ），（ｃ）にみられるように、斜板22の右
側面には上部だけの円弧状突条としてバランスウェイト
36が一体に形成されている。これは第１図や第２図に示
したバランスウェイト32に対応するが、バランスウェイ
ト33に対応するものとしては、斜板22の左側面にピン25
を支持する目的で一体に形成された２本の腕24の下部37
を上部38よりも拡大し、この部分37に重量をもたせてバ
ランスウェイト33と同じ機能を与えている。言うまでも
なく、バランスウェイトは32と33のように対になって設
けられる必要はなく、いずれか一方だけでも本発明の目
的は達せられる。

第５図は、本発明の実施例と従来技術による圧縮機
（バランスウェイト32,33を持たないもの）について、
回転軸11の回転数（rpm）と斜板22の傾斜角βを変化さ
せて体積効率η_Ｖ（％）の変化を測定したもので、測定
条件として吸入圧は2kg/cm²・Ｇ、吐出圧は6kg/cm²・Ｇ
とし、回転軸11はエンジンの出力回転を増速して駆動し
た。第５図から明らかなように、問題となる高速回転域
における吐出容量の制御性について、従来例の圧縮機で
は4,500rpm以上では体積効率を０近くまで制御すること
ができなかったが、本発明の実施例の場合は回転数が7,
500rpmの高速回転であっても、斜板22の傾斜角βを０と
することができた。したがって、第５図における矢印
は、本発明と従来例の制御可能域を示すもので、本発明
によって制御可能域が高速回転域の方へ著しく拡大され
たことが、第５図から読み取ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、斜板に特殊なバランスウェイトを付
加するか、又は斜板の設計を若干変更するという簡単な
改良によって、この種の可変容量式斜板型圧縮機の弱点
である高速回転時における低吐出容量域の制御性を著し
く改善することできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明圧縮機の実施例を示す縦断面図、第２図
は第１図の作用を説明するための概念図、第３図は同じ
く効果を説明するための線図、第４図は斜板の実施例を
示すもので（ａ）は左側面図、（ｂ）は正断面図、
（ｃ）は右測面図、第５図は本発明の効果を従来例と比
較して示す線図である。 １……フロントシリンダブロック、 ２……リヤシリンダブロック、 ３……フロントハウジング、 ４……リヤハウジング、５……通しボルト、 6,7……シリンダボア、８……双頭のピストン、 9,10……作動室、11……回転軸、 12……斜板室、13,14……吸入室、 15,16……通路、17,18……吐出室、 19,20……バルブプレート、 21……シュー、22……斜板、 23……支持部材、24……腕、 25……ピン軸、26……ブロック、 27……カム溝、28……制御スプール、 29……制御シリンダ、30……制御圧室、 31……制御弁、 32,33……バランスウェイト、 34,35……腕、 36……バランスウェイト、37……下部、 38……上部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部にシリンダボアを有するシリンダブロ
   ックと、 前記シリンダブロック内に軸受けされた回転軸と、 前記回転軸に対して傾斜可能に取付けられた斜板と、 前記シリンダボアに挿入され前記斜板によって軸方向に
   往復駆動されて前記シリンダボアの中に流体を圧縮する
   作動室を形成するピストンと、 前記斜板の中心を支持してそれを軸方向に移動させるこ
   とにより前記斜板を任意の傾斜角まで傾斜させて吐出容
   量を変更させる支持部材と、 前記斜板の中心平面からオフセットして表裏アンバラン
   スに前記斜板に設けられ、前記斜板の傾斜角が零となる
   方向に前記斜板を付勢する付勢力を発生すると共に、前
   記斜板の傾斜角が零となっても更に同じ方向の付勢力が
   残存するように形成されたバランスウェイトを少なくと
   も１個備えていることを特徴とする可変容量式斜板型圧
   縮機。