JP2005163792A - 往復動機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構造を有し、また高圧力かつ高回転速度で運転可能な、車両空調装置のコンプレッサーに適した往復動機関を提供すること。
【解決手段】 往復動機関（１）が、環状に並列された放射状のピストン・シリンダユニット（２，３）を有する。ピストン（２）の外方へのストロークが、共通の偏心軸（１２）のカム（１１）によって制御され、一方内方へのストロークが制御リング（１６）によって制御される。制御リング（１６）は、割線の方向に延びかつ制御リング（１６）の断面形状に適合する各ピストン（２）の側方凹部（１７）に係合する。凹部（１７）は、ピストン（２）の基部壁体によって境界を付けられ、制御リング（１６）が制御の際に内側制御面（２０）を介して基部壁体に滑り接触する。ピストン（２）は中空で、その表面にダイヤフラム弁のダイヤフラムを保持する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、往復動機関又はラジアルピストン機関に関するものであり、前記機関は、環状に並列されて放射状に方向付けられたピストン・シリンダユニットと、シリンダを収容する機関ケーシング本体を通して延びる偏心軸とを備えており、前記偏心軸の偏心部又はカムが、ピストンの外方へのストロークを制御し、ピストンの内方へのストロークが、ピストンに係合する共通の制御リングによって制御される。

特許文献１が、カムによって半径方向外側に移動されるピストンを有する往復動機関を開示している。この場合、ピストンの外方へのストロークだけが、偏心部によって、及び偏心部を取り囲むころ軸受によって機械的に制御され、これに対して内方へのストロークは、ストローク運動によって変形されたばねの力によって生じ、その結果それはピストンをころ軸受の外側リングに接触させる。そのようなばねはとりわけ、その準備が機関のサイズに悪影響を与えるという欠点を有する。更に、クリアランスとして働くスペースが、ばねをシリンダ領域に配置するために必要とされ、その点で外方へのストロークの間における媒体のほとんど完全な排出が阻害される。

特許文献２は、いずれの場合にも、カムによって連結リングの一対の側方延長部を介して外方に移動される二つの向き合うピストンの戻り運動を実施することを開示しており、前記連結リングは、ばねで力を受けて、ケーシング領域内に延びる内側ピストン端の凹部にフォーク状の様態で係合している。従って、ピストンはその全長を関連するシリンダの中で案内されておらず、またコンパクトな機関構造が、連結リングとシリンダから突出するピストン端とを受容するために必要なスペースによって妨げられる。さらに、弾性的に構築された連結リングの側方延長部が原因で、その機関は、比較的低速で運転されるポンプにのみ適している。

相互に環状に配置されたピストンのストローク運動をカムによってのみ制御することが特許文献３から知られており、そこではピストンが、それらの半径方向内側端に設けられたボールエンドによって、カムを取り囲む環状制御本体に関節状に係合する。例えばカムを取り囲む環状制御本体と特定のピストンとの間の機械的連結の配置のために、そのようなピストン制御は、制御本体との機械的連結のための相応して複雑な構造に結びついて、コンパクトな構造を妨げるスペース要件を有する。

ペアをなして向き合うピストンの戻り運動のために、ピストンの円周上の溝に側方で係合する共通の連結リングを提供することは特許文献４から知られている。二つの等軸の向き合うピストンペアのこの単一連結リングによるジョイント連結は、第二のピストンペアにおける、互いに角度９０度で配置された連結リングの四つの滑動表面上のその横方向の移動を可能にする係合によって可能にされる。カムとピストンとの接触のため、及びピストン全長の中央領域における連結リングとの側方係合のため、前記ピストンは比較的大きい全長を有し、また相応して機関は大きな半径方向の伸張を有する。機関のサイズも決定する連結リングのサイズは、シリンダブロック全体の周囲に広がりかつまた連結リングの取付けにも必要な大きな環状チャネルに連結リングを受容することから結果として生じる。前記環状チャネルは、連結リングがピストン環状溝から横に排出されることを防ぐことが意図されたストッパを受容することにも役立っている。そのような機関もまた、比較的大きな連結リングのサイズの結果として高速運転に適さないものであり、また前記連結リングは線材からの構造も提供される。

欧州特許出願公開第８８６７７号明細書（特開平２−１８８６７８号公報） 英国特許出願公開第２２２５６１４号明細書 オーストリア特許第３９４８９２号明細書 米国特許第３２５９０７４号明細書

本発明の課題は、前述のタイプの往復動機関であるが、特にコンパクトな構造の場合において、比較的少数にとどまり且つ容易に製造及び組立可能な構成要素を必要とする往復動機関であって、例えばＣＯ₂空調システム用コンプレッサーとしての構造において、高圧力で且つ高回転速度で高い性能レベルを可能にもする往復動機関を見出すことである。本発明によると、この課題は、請求項１の特徴により達成される。本発明の有利な実施例が、従属請求項及び添付図面に関する次の記載から得られる。

ラジアルピストン機関又は往復動機関１は、例えば五のような奇数のピストン・シリンダユニット２，３を有することが好適であり、前記五つのピストン・シリンダユニット２，３は、機関ケーシング５の共通の比較的浅い本体４に環状に並列され、そこで本体４の中実材料に、ピストン２を案内する放射状に方向付けられた五つのシリンダボア３が形成される。

図２に従って説明すると、材料を節約するために、ケーシング本体４は、放射状に構築されることが好適であり、また出口弁７と流出ライン８を収容するシリンダヘッド９とのきつい取付けのための五つのフランジ面６を外面側に備えている。

ケーシング本体４の中心に向かうと、シリンダボア３は、偏心軸１２に対して中心に配置された小さな円形ギアスペース１０で終わっていて、該ギアスペース１０において、偏心軸１２の偏心部又はカム１１は、それを取り囲むころ軸受１３を備えて、回転運動を行う。

例えば針状ころ軸受として構築されたころ軸受１３の外輪１４は、それに向き合うピストン２の内側端面１５と常に接触し、その結果カム１１の回転運動は、ピストン２の外方へのストロークを実施するために、ピストン２を相互に後続する様態で半径方向外側に移動させる。

内方へのストロークの駆動のために、五個のピストン２は多角形制御リング１６によって共に連結され、そこでは、多角形制御リング１６は五個の各々の場合にピストン２の側方凹部１７に係合する。連結の結果として、カム１１の回転運動に順序正しく対応する各ピストン２の外方へのストロークに起因して、制御リング１６は、外方に引かれ、このため正反対に対向するピストン２を制御リング１６によって運んで内方へ引き寄せ、その結果ピストン２はそれらの内方へのストロークを実行する。

ピストン凹部１７は、割線の方向に導かれた陥凹状の形をしており、また制御リング１６の横断面形状に適合するようにされ、それ故相互に平行な表面を有している。凹部１７は、ピストン２の内側端面１５から最小限のスペースを有しており、前記スペースは、好適には中空本体として構築されたピストン２の基部壁体１８に対応し、また凹部１７は、シリンダ３内で滑動するピストン２の円筒状滑動表面の側方における中断部分として、ピストン２の境界をなす周辺領域に構築されている。これは、ピストンが、凹部１７によって中断されていない１８０度より顕著に大きい円弧を周辺に有する少なくともそれらのより大きい側でピストンの全長に渡ってシリンダ３内で連続して案内されるという利点を有する。

ピストン２の凹部１７及び相応して制御リング１６は、図示された実施例とは異なって、ケーシング本体４の他方の側つまりケーシング空間４５に向き合う側に設けられることも可能である。制御リング１６は、製造コスト及びそれに作用する力とは関係なく、示された実施例の制御リング１６の円板状構造とは異なる、例えば正方形でその結果より広い内側制御面２０が存在するような断面形状を有することが可能である。

示された実施例の制御リング１６の五つの内側制御面２０は、小さなフィレット２２を経由して延びており、前記フィレット２２は、制御リング１６に作用する力を周囲で次に続く内側制御面２０へ良好に分配することに役立ち、その結果制御リング１６は多角形の内側輪郭を有している。円周方向でわずかに凸曲線の制御面２０は、ピストン軸線に直角な接触面１８の末端境界エッジ６１，６２の荷重に対抗するために有利であり得る。

ピストン２の凹部１７は、側方に開放しているので、制御リング１６はピストン２をとおって横に延在することが可能であり、またこの方向でピストンに対して横の運動を妨害されない様態で実行することができ、これが、制御運動が偏心部１１の回転運動と同調して生じることに導く。その内側制御面２０は、五つのどの場合でもピストン２の内側基部壁体１８上を滑動する。更に、ピストン２の側方に開放した凹部１７は、機関の組み立ての間に、可動構成要素の容易な一体接合を可能にする。

制御リング１６を側方外向き方向でピストン２の凹部１７内に確保するためにも、制御リング１６は、その回転運動の間にケーシング本体４の円周方向に構築されたクリアランス６５内で滑動し、前記クリアランス６５は例えば半径方向の陥凹として構築されたものである。中実のケーシング本体４の最小限のギアスペース１０は、円形の円周方向拡大部６６を制御リング１６のサイズに対応して制御リング１６の側方に隣接して設けられており、前記拡大部６６は、一体に構築されたケーシング本体４における制御リング１６の挿入を可能にする。

制御リング１６は外側に、円筒状表面の五つの弓形部分２１を有しており、前記弓形部分２１はいずれの場合も制御リング１６のクリアランス２３によって境界を付けられている。これら五つのクリアランス２３は、各々の場合に、凹部１７を通して側方に開放しているピストン２の円筒状内側空間２４への流入開口部を形作る。図３に従って説明すると、クリアランス２３は、それらが制御リング１６の係合領域の側方部分の上に延在し、その結果ピストンの凹部１７の中への流入が、側方にそれ故接線に沿ってピストン２の円筒状内側空間２４の中へ生じるように、位置決めされる。

円筒状内側空間２４内では、二重矢印２５、２６の方向にある接線に沿う流入が遠心作用で螺旋流２７になり、その結果、ピストン２の円筒状内壁１９に反対方向に向けられた矢印２６によって示されるように気体作動媒体に含まれる潤滑剤が機関１に保持される。この遠心作用は、ピストン２の中央内側接続部２８を通る気体媒体の流出によって支援され、また前記中央内側接続部２８の中央チャネルは、ピストン２の半径方向外側端面で弁開口部３０に出て来る。

逆止弁３１のダイヤフラム３３は、その縁３５を例えば溶接によってピストン２の端面に固定される。前記ダイヤフラム３３は中央閉鎖部分３２と、中央閉鎖部分３２からダイヤフラムの縁３５の方へ弓状に延びる三つのウェブ部分３４とを有し、その結果ウェブ部分３４は閉鎖部分３２のストローク運動のためのばね要素を形作る。

シリンダボア３は、シリンダヘッド９の板状部品３６によって半径方向外側で境界を付けられており、前記板状部品３６は中央流出チャネル３７を取り囲み、前記中央流出チャネル３７に対して逆止弁のダイヤフラム３８が外側に係合し、図４によると、前記ダイヤフラム３８はピストン２に備えられた逆止弁のダイヤフラム３３と同様の方法で構築される。

作動媒体は、円筒状作動領域３から接続ブロック３９へ流れ込み、前記接続ブロック３９は、接続チャネル４０によって機関ケーシング５を取り囲むマニホールド４１への接続を形成する。ケーシング本体４の外側に固定された接続ブロックによって、シリンダヘッド９の板状部品は、プレストレスを受けた状態でケーシング本体４に堅く保持される。

偏心軸１２は、機関ケーシング５又はそのベル状ケーシング本体５０に二つのころ軸受４２、４３によって取付けられる。駆動側封止装置４４がケーシングの内部４５を外側に対して軸方向に密封し、これに対してカム１１と補償おもり４６とを保持する自由軸端４７は、ケーシング空間４８内で終端し、前記ケーシング空間４８はフランジ付きケーシングカバー４９によって閉じられる。往復動機関１の中への作動媒体の流れは、ベル状第二ケーシングブロック５０に半径方向に接続された少なくとも一つの接続部５１によって起こる。次に、図５によると、作動媒体は、ケーシングの内壁５２に設けられた軸方向チャネル５３，５４を通って流れ、そして偏心軸１２と共に回転するバッフル板５５に衝突し、そこで気体作動媒体中の潤滑部分が分離される。次に作動媒体は、バッフル板５５の周囲を流れて、バッフル板とケーシング本体５０との間の間隙５６を経由して、ケーシング及び偏心軸の軸線５７の中央に配置され且つカム１１が中で回転するところのケーシング本体４の円形ギアスペース１０へ流れ、その結果作動媒体は末端のケーシング空間４８から前述の様態でピストン２の中に流れ込むことが可能である。

ダイヤフラム弁としての及びダイヤフラム弁のピストン２における直接的配置装置としての、作動シリンダ３内への流入及びそこからの流出のための逆止弁の構造は、特に小さな半径方向寸法及び特にコンパクトな構造の往復動機関１を可能にし、前記往復動機関１は、従ってそのカム１１が高速回転で運転されることが可能であり、その結果高い性能レベルが可能である。従って本発明による往復動機関は、自動車のエンジン室に据え付けられるＣＯ₂空調システム用のコンプレッサーとして特に適する。さらに、この機関の創意に富む必須の構成要素は、それらが単純な様態で製造され且つ取付けられるように設計される。

製造を容易にするために、ピストン２は、伸縮式に係合する二つの部品から構成され、それらの接合の前に、これらの部品の一方即ちピストンヘッド２９を有する部品に弁ダイヤフラム３３が固定され、これに対して他方の部品に凹部１７が側方でのフライス加工によって作り出される。圧入によって一体に接合される際に、それらはピストンリング５８をそれらの間に受容する。

本発明による往復動機関１は、１００００ｒｐｍを超える高回転速度に適しており、その結果偏心軸１２及び偏心軸１２と共に回転する構成要素のバランス、特に補償おもり４６及び例えば共に回転するバッフル板５５上のクリアランス６０によるバランスが特に重要である。

図１は、本発明による往復動機関の軸方向断面図である。 図２は、ピストンの軸線を含む、図１の切断線II−IIに沿う断面図である。 図３は、図２に対応するピストン配置の隣接する二つのピストンの斜視図であって、制御リングの周辺領域が前記ピストンに係合している状態の斜視図である。 図４は、ピストン及びシリンダヘッドに備えられる逆止弁の弁膜の平面図である。 図５は、図１の領域Ｖの拡大図である。 図６は、図１及び２による往復動機関の制御リングの側面図である。 図７は、図１及び２による往復動機関の五個のピストンの内の一つの軸方向拡大断面図であって、回転流入の線図をともなうものである。

符号の説明

２ ピストン
３ シリンダ
４ ケーシング本体
５ 機関ケーシング
１６ 制御リング
１７ 側方凹部
１８ 内側基部壁体
２０ 内側制御面

Claims (10)

1. 環状に配置されて放射状に方向付けられたピストン・シリンダユニット（２，３）と、シリンダ（３）を収容する機関ケーシング（５）のケーシング本体（４）を通して延在する偏心軸（１２）とを有する往復動機関であって、偏心軸（１２）のカム（１１）がピストン（２）の外方へのストロークを制御し、ピストン（２）の内方へのストロークがピストン（２）に係合している共通の制御リング（１６）によって制御される往復動機関において、
   割線の方向に延びかつ制御リング（１６）の横断面形状に適合するようにされた側方凹部（１７）であって、ピストン（２）の基部壁体に境界を付ける、各ピストン（２）の側方凹部（１７）において制御リング（１６）の係合が行われて、制御リング（１６）が、制御の際に内側制御面（２０）を介して基部壁体（１８）に滑り接触することを特徴とする、往復動機関。
2. ピストン・シリンダユニット（２，３）の数が奇数であり、その結果制御リング（１６）のほぼ直線状に方向付けられた内側制御面（２０）が、非直角の相互の結合で多角形を共同して形成することを特徴とする、請求項１に記載の往復動機関。
3. 制御リング（１６）の内側制御面（２０）が、わずかに凸状の湾曲を有して、基部壁体（１８）とのエッジ接触を防ぐことを特徴とする、請求項２に記載の往復動機関。
4. 制御リング（１６）の側面が、割線の方向に延びる凹部（１７）の境界表面と滑り接触で境を接することを特徴とする、請求項１に記載の往復動機関。
5. 凹部（１７）及び従って制御リング（１６）が、特定のピストン（２）の中にピストン半径の半分以上にまで達して延在することを特徴とする、請求項１に記載の往復動機関。
6. 制御リング（１６）に対する少なくとも一つの当接表面を形成するクリアランス（６５）がケーシング本体（４）に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の往復動機関。
7. ピストン（２）が、円筒状内壁（１９）をもつ中空本体として構築され、その結果制御リング（１６）のための凹部（１７）がピストン側方開口部を形作ることを特徴とする、請求項１に記載の往復動機関。
8. ピストン（２）の凹部（１７）に係合する制御リング（１６）の周辺領域に、制御リング（１６）が各々の場合にクリアランス（２３）を有し、前記クリアランス（２３）が、円筒状ピストン内壁（１９）に対して接線方向の、ピストン内側空間（２４）への流入接続部を形成することを特徴とする、請求項７に記載の往復動機関。
9. 内側接続部（２８）が、外側ピストンヘッド（２９）に設けられ、従ってピストン（２）の端面に出て来る中央ピストンチャネルを形作り、ダイヤフラム弁（３１）のダイヤフラム（３３）が前記端面に係合することを特徴とする、請求項７に記載の往復動機関。
10. ピストン（２）が伸縮式に係合する二つの部品から構成され、前記二つの部品がそれらの間にピストンリング（５８）を閉じこみ、また前記部品の一方に中央内側接続部（２８）と弁ダイヤフラム（３３）とが設けられ、また凹部（１７）が他方の部品の側方にフライス加工されることを特徴とする、請求項７に記載の往復動機関。

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