JP3890635B2 - 可変容量型の斜板型圧縮機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量型の斜板型圧縮機に関するもので、冷凍サイクルに適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
従来、冷凍サイクルに用いられる可変容量型の斜板型圧縮機は、例えば図9に示すようなものがある。具体的には、斜板4の端部に形成された球面摺動部4aにピストン8が摺動可能に連結するとともに、シャフト1の一体的に回転するラグプレート5のラグ部(突出部)5aに斜板4が、回転かつ摺動可能に結合している。
【0003】
そして、斜板室2a内の圧力を変化させることにより、斜板2aのシャフト1に対する傾斜角度を変化させて容量、すなわちピストン8の行程(ストローク)を変化させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、斜板4は、球面摺動部4aの中心Aを中心として、傾斜角度を変化させるので、ラグ部5aに形成された穴の内周面に接触する斜板4のガイドピン4bとラグ部5aとの摺動面は、理想的には、図9に示されるように、球面摺動部4aの中心Aを中心とする球面面状(曲率半径R)とすることが望ましい。
【0005】
しかし、摺動面は高い加工精度(寸法公差および面粗度)が要求され、かつ、穴の内周面であるので、現状では球面状に加工することが困難である。このため、この加工の困難性に起因して可変容量型の斜板型圧縮機の製造原価低減を図ることが困難であった。
本発明は、上記点に鑑み、ラグ部と斜板との連結部位を簡単な構造として、可変容量型の斜板型圧縮機の製造原価低減を図ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項1に記載の発明では、第1に、ピストン(8)の一端側に形成された球面摺動部(8a)に摺動可能に連結するシュー(10)は、揺動板(12)に対して摺動可能に保持されている。そして、第2に、突出部(5a)と斜板(4)との連結中心(A)は、傾斜角度が最も大きくなった状態で、球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、ピストン(8)の軸方向と平行な第1基準線(I)と、球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、斜板(4)に対して垂直な第2基準線(II)との間に位置していることを特徴とする。
【0007】
第1の特徴より、斜板4の傾斜角が変化した場合でも、シュー(10)が揺動板(12)に対して摺動可能に保持されているため、揺動板(12)の揺動運動に影響されずにピストン(8)を滑らかに往復運動させることができる。
そして、突出部(5a)と斜板(4)との連結中心(A)を中心として斜板(4)の傾斜角度を変化させているので、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、ラグ部と斜板のガイドピンとの摺動面を球面状に仕上げる必要がない。したがって、可変容量型の斜板型圧縮機の製造原価低減を図ることができる。
【0008】
ところで、後述するように、ピストン(8)の上死点の位置が変化すると、可変容量型の斜板型圧縮機の損傷、および所望の吐出圧力および吐出容量を得ることができないといった不具合が発生する。
これに対して本発明によれば、連結中心(A)が第1基準線Iと第2基準線IIとの間に位置しているので、後述するように、ピストン(8)の軸方向と平行な連結中心(A)と球面摺動部(8a)の中心(B)との距離(X)の変化が小さくなり、ピストン(8)の上死点の位置の変化を防止することができる。したがって、上記不具合を防止することができる。
【0009】
さらに、請求項1に記載の発明では、球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、突出部(5a)と斜板(4)との連結中心(A)を通る第3基準線(III)は、傾斜角度が最も大きくなった状態で、第1基準線(I)と第2基準線(II)とのなす角を略2等分することを特徴とする。これにより、後述するように、ピストン(8)の上死点の位置の変化をより良く防止することができる。
【0010】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施の形態について説明する。
(第1実施形態)
本実施形態は、CO2 を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機に適用した場合を示しており、図1は、本発明に係る可変容量型の斜板型圧縮機(以下、単に圧縮機と呼ぶ。)の軸方向断面を示している。
【0012】
1は図示されていない電磁クラッチを介して外部駆動源(車両走行用エンジン等)からの駆動力を得て回転するシャフトで、このシャフト1はフロントハウジング2およびシリンダブロック3内に配設されたラジアル軸受100、101によって回転可能に保持されている。ここで、ラジアル軸受100、101はシャフト1の垂直方向の荷重に対抗している。
【0013】
また、シャフト1のうちフロントハウジング2とシリンダブロック3とによって形成される空間(以下、斜板室と呼ぶ。)2aには、シャフト1と一体的に回転するとともに、シャフト1の回転中心から径外方側にずれた位置で、シャフト1に対して傾斜して配設された斜板4と連結する突出部(ラグ部)5aを有する突出板(ラグプレート)5がシャフト1に圧入されており、これにより、斜板4はシャフト1と一体的に回転する。
【0014】
なお、ラグ部5aと斜板4に形成されたラグ部4aとはピン6を介して回転可能に連結しており、このピン6を回転中心として斜板4がシャフト1に対する傾斜角度(以下、斜板の傾斜角と呼ぶ。)を変化させている。
また、シリンダブロック3内には、シャフト1と平行、かつ、シャフト1を中心として周方向に8等分する位置に(図2参照)、シリンダブロック3をシャフト1の軸方向に貫通するシリンダ7が8個形成されており、各シリンダ7内には、各シリンダ7の内壁と接触しながらシャフト1の軸方向に往復運動するピストン8が挿入れている。
【0015】
そして、ピストン8と斜板4との間には、シャフト1を中心としてシャフト1の軸方向に揺動運動する揺動部材9が配設されており、この揺動部材9は、ピストン8の端部に形成された球面摺動部8aに摺動可能に連結するシュー10を介してピストン8と揺動可能に連結している。また、このシュー10は、シュー10の保持部材をなすリテーナ11と、斜板4に配設されたスラスト軸受102の転動体102aに接触して斜板4と回転可能に連結する揺動板12とによって挟み込まれ、揺動板12に対して摺動可能に保持されている。
【0016】
因みに、揺動板12は、スラスト軸受102の軸受レースを兼ねており、このスラスト軸受102は、ピストン8を介して揺動部材9に作用する圧縮反力に対抗するものである。また、リテーナ11とシャフト1との間には、リテーナ11と回転可能に接触するスペーサ13が配設されており、このスペーサ13とリテーナ11との接触面は、斜板の傾斜角の変化に対応し得るように斜板4側が凸として略球面状に形成されている。
14はスペーサ13を斜板4側に押圧する弾性力を発生するスプリングであり、14aは斜板4をピストン8側に押圧する弾性力を発生する別のスプリングである。なお、スペーサ13とシャフト1との間には、空隙13aが形成されており、この空隙13aによりスペーサ13とシャフト1との間の摩擦抵抗を防止している。
【0017】
ところで、シリンダブロック3の端部には、ピストン8と対向してシリンダ7の一端側を閉塞するバルブプレート15が配設されており、このバルブプレート15には、シリンダ7に連通する複数個の吸入ポート16および吐出ポート17が形成されている。
そして、バルブプレート15とリアハウジング18との間には、図示されていない圧縮機の吸入口から吸入された冷媒を各吸入ポート16に分配する吸入室19と、各吐出ポート17から吐出した冷媒を集合させて図示されていない圧縮機の吐出口に導く吐出室20とが形成されている。
【0018】
また、各吸入ポート16のピストン8側には、リード弁状の吸入弁21が配設されており、各吐出ポート17の吐出室20側にも同様にリード弁状の吐出弁22が配設されている。なお、吐出弁22は、ストッパ23によって最大開度が規制されており、両弁21、22およびストッパ23は、バルブプレート15とともにシリンダブロック3とリアハウジング18とによって挟まれて固定されている。
【0019】
因みに、24は斜板室2a内の冷媒が、圧縮機外に漏れだすことを防止するリップシールであり、25はニトリルゴムからなるOリングである。
なお、斜板室2aと吸入室19とは、配管26により常時連通しており、一方斜板室2aと吐出室20とは、両者2a、20の連通状態の制御する制御弁27を介して連通可能となっている。
【0020】
次に、本実施形態に係る圧縮機の作動および特徴を述べる。
シャフト1の回転とともに斜板4が回転し、揺動部材9が揺動すると、周知のように、ピストン8が往復運動し、冷媒を吸入圧縮する。このとき、シュー10が揺動板12に対して摺動可能に保持されているため、揺動部材9の揺動運動に影響されずにピストン8を滑らかに往復運動させることができる。
【0021】
また、制御弁27を完全に閉じることにより、斜板室2a内の圧力が吸入室19内の圧力と等しくなると、斜板4および揺動部材9は、スプリング14の弾性力およびピストン8に作用する圧縮反力によって斜板4側に押圧されて最も傾いた状態(最大容量運転)となる。
そして、制御弁27の開度を制御して吐出室20内の圧力を斜板室2a内に導くことにより、斜板4および揺動部材9は、斜板室2a内の圧力とスプリング14の弾性力およびピストン8に作用する圧縮反力とが釣り合う位置まで、ピン6を中心として回転して斜板の傾斜角を変化する(図3参照)。
【0022】
そして、斜板の傾斜角が変化した場合も前述の同様に、シュー10が揺動板12に対して摺動可能に保持されているため、揺動部材9の揺動運動に影響されずにピストン8を滑らかに往復運動させることができる。
また、ピン6を中心として斜板4および揺動部材9の傾斜角度を変化させているので、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、ラグ部と斜板のガイドピンとの摺動面を球面状に仕上げる必要がない。したがって、可変容量型の斜板型圧縮機の製造原価低減を図ることができる。
【0023】
ところで、発明者等は、上記構成を有す圧縮機について詳細な検討を行っていたところ、斜板の傾斜角によってピストン8の上死点(ピストン8が最もバルブプレート15に接近した状態)の位置が変化することを発見した。そして、この上死点の位置の変化は、以下に述べるような不具合を誘発してしまう。
第1に、上死点の位置が上昇した場合(上死点の位置がバルブプレート15側に変位した場合)には、ピストン8がバルブプレート15および吸入弁21に接触してしまうので、圧縮機の損傷を招いてしまう。第2に、上死点の位置が降下した場合(上死点の位置が斜板室2a側に変位した場合)には、冷媒を十分に圧縮することができず、所望の吐出圧力および吐出容量を得ることができない。
【0024】
そこで、発明者等は、上死点の位置の変化を小さくすべく検討を重ねたところ、 ラグプレート5のラグ部5aと斜板4のラグ部4aとの連結中心(ピン6の回転中心)Aと球面摺動部8aの球面摺動部中心Bを通る第3基準線IIIが、斜板の傾斜角が最も大きくなった状態で、球面摺動部中心Bを通り、かつ、ピストン8の軸方向と平行な第1基準線Iと、球面摺動部中心Bを通り、かつ、斜板4に対して垂直な第2基準線IIとのなす角θを2等分するようにラグプレート5および斜板4等を構成することが望ましいとの結論を得た。以下に、その理由を述べる。
【0025】
すなわち、上死点の位置は、図4(両ラグ部4a、5aの連結部の拡大図)に示されるように、ピストン8の軸方向と平行な連結中心Aと球面摺動部中心Bとの距離Xによって決定する。
そこで、第2基準線IIと平行に連結中心Aから揺動板12とシュー10との接触面Sまでの距離をaとし、第2基準線IIと平行に接触面Sから球面摺動部中心Bまでの距離をbとし、さらに、連結中心Aと球面摺動部中心Bとを直線的に結ぶ距離をYとした場合、距離Xは数式1となる。
【0026】
【数1】
X=Y・cosα
ここでαは、第1基準線Iと第3基準線IIIとのなす角である。
また、距離Yは数式2となる。
【0027】
【数2】
Y=(a+b)/{cos(θ−α)}
そして、数式2を数式1に代入すれば、数式3となる。
【0028】
【数3】
X=(a+b)・cosα/{cos(θ−α)}
ここで、上死点の位置が変位しないとは、Xの値が一定であることを意味するので、右辺を(a+b)で除して数式3の左辺を1としてαを求めれば、数式4となる。
【0029】
【数4】
α=tan-1{(1−cosθ)/sinθ}
ここで、数式4をグラフに表せば、図5のように、第1基準線Iと第2基準線IIとのなす角θと第1基準線Iと第3基準線IIIとのなす角αとは略比例関係であることが判る。したがって、角θと角αとは数式5のように示すことができる。
【0030】
【数5】
α≒1/2・θ
したがって、第3基準線IIIが、第1基準線Iと第2基準線IIとのなす角θを2等分するようにすることにより上死点の位置が変位しないことが判る。
因みに、図6は、角αをパラメータとして、数式3をグラフ化したものであり、図6からも同様な結論を得ることができる。
【0031】
ところで、上死点の位置の変位を抑制するには、上述のごとく、第3基準線IIIが、第1基準線Iと第2基準線IIとのなす角θを2等分するようにすることが望ましいが、圧縮機の製造公差等を考慮すると、第3基準線IIIを角θの2等分線と完全に一致させることが困難である。そして、第3基準線IIIと角θの2等分線との完全一致を図ると、製造公差が厳しくなり、却って、圧縮機の製造原価上昇を招いてしまう。
【0032】
そこで、発明者等の種々の検討したところ、連結中心Aが第1基準線Iと第2基準線IIとの間に位置するように設定すれば、実用上大きな問題が発生しないことを確認した。
ところで、本実施形態に係る圧縮機は、上述のごとく、揺動部材9の揺動運動に影響されずにピストン8を滑らかに往復運動させることができ、かつ、ピストン8の上死点の変化が小さいので、従来の技術に係る圧縮機に比べて、圧縮機の耐久性および圧縮機の機械効率の点で優れている。このため、二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルのように、吐出圧力の高い冷凍サイクルに対して特に有効的である。
【0033】
(第2実施形態)
上述の実施形態では、斜板室2a内の圧力を制御弁27により制御することにより、斜板の傾斜角を制御していたが、本実施形態では、シリンダブロック3内に斜板の傾斜角を変化させる制御圧力室28を設けたものである。
具体的には、図7に示すように、シリンダブロック3内にシリンダ7とは独立に新たにシリンダ29を設け、スプリング14を廃して、このシリンダ29内を摺動するスプールピストン30を配設する。
【0034】
そして、斜板の傾斜角を増大させるときは、吐出室20の圧力を制御圧力室28に導き、吐出圧力によりスプールピストン30を斜板4側に移動させて斜板4および揺動部材9の傾斜角を増加させる。
また、斜板の傾斜角を減少させるときは、吸入室19の圧力を制御圧力室28に導き、スプリング14aの弾性力により斜板の傾斜角を減少させる(図8参照)。
【0035】
なお、スプールピストン30の径寸法および行程(ストローク)は、斜板4、揺動部材9、スプリング14a、最大傾斜角および圧縮機の吐出圧力等によって適宜決定されるものである。
本実施形態では、制御圧力室28に吐出室20の圧力が導かれるので、リップシール24に吐出室20の圧力が作用しない。したがって、リップシール24に大きな密閉能力を必要としないので、リップシール24とシャフト1との摩擦抵抗の増加を抑制することができ、圧縮機の機械効率の低下を抑制することができる。
【0036】
また、制御圧力室28は、シリンダブロック3内に形成されているので、制御圧力室28の体積は斜板室2aの体積よりも小さくなる。したがって、斜板室2aの冷媒を流出させる場合(第1実施形態)に比べて、斜板の傾斜角を変化させるのに必要な冷媒量が少なくなる。このため、制御弁27の制御に対する斜板4および揺動部材9の傾斜角の変化の応答性を高めることができる。
【0037】
ところで、本発明に係る可変容量型の斜板型圧縮機は、二酸化炭素を冷媒に用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用が限定されるものではなく、フロンを冷媒として通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る斜板型圧縮機の軸方向断面図である(最大容量運転時)。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る斜板型圧縮機の軸方向断面図である(最小容量運転時)。
【図4】連結中心部位の拡大図である。
【図5】数式4のグラフである。
【図6】数式3のグラフである。
【図7】本発明の第2実施形態に係る斜板型圧縮機の軸方向断面図である(最大容量運転時)。
【図8】本発明の第2実施形態に係る斜板型圧縮機の軸方向断面図である(最小容量運転時)。
【図9】従来の技術に係る可変容量型の斜板型圧縮機の軸方向断面図である。
【符号の説明】
1…シャフト、2…フロントハウジング、3…シリンダブロック、
4…斜板、5…ラグプレート(突出板)、6…ピン、7…シリンダ、
8…ピストン、10…シュー、11…リテーナ、12…揺動板
13…スペーサ。
Claims (1)
- 駆動力を得て回転するシャフト(1)と、
前記シャフト(1)を回転可能に支持する軸受(100、101)と、
前記軸受(100、101)および前記シャフト(1)を収納するハウジング(2、3、18)と、
前記ハウジング(2、3、18)に前記シャフト(1)の軸方向と平行に形成されたシリンダ(7)と、
前記シリンダ(7)内で往復するピストン(8)と、
前記シャフト(1)に対して傾斜して配置された斜板(4)とを有し、
前記シャフト(1)に対する前記斜板(4)の傾斜角度を変化させることにより容量を変化させる可変容量型の片斜板型圧縮機であって、
前記シャフト(1)と一体的に回転するとともに、前記シャフト(1)の回転中心から径外方側にずれた位置で前記斜板(4)と連結する突出部(5a)を有する突出板(5)と、
前記斜板(4)と回転可能に連結し、前記シャフト(1)に対して揺動する揺動板(12)と、
前記揺動板(12)に対して摺動可能に保持されるとともに、前記ピストン(8)の一端側に形成された球面摺動部(8a)に摺動可能に連結するシュー(10)とを備え、
前記突出部(5a)と前記斜板(4)とは、前記傾斜角度を変化させることができるように回転可能に連結し、
前記突出部(5a)と前記斜板(4)との連結中心(A)は、前記傾斜角度が最も大きくなった状態で、前記球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、前記ピストン(8)の軸方向と平行な第1基準線(I)と、前記球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、前記斜板(4)に対して垂直な第2基準線(II)との間に位置しており、
さらに、前記球面摺動部(8a)の中心(B)を通り、かつ、前記突出部(5a)と前記斜板(4)との連結中心(A)を通る第3基準線(III)は、前記傾斜角度が最も大きくなった状態で、前記第1基準線(I)と前記第2基準線(II)とのなす角(θ)を略2等分することを特徴とする可変容量型の斜板型圧縮機。
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