JP2006250027A - 斜板式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 サイドフォースによるピストンの摩耗を抑制した信頼性の高い斜板式圧縮機を提供する。
【解決手段】 シリンダボア６と、シリンダボア６内を往復動するピストン８と、ピストン８の一端側に摺動自在に係合する斜板１０と、斜板１０を回転させる駆動軸１２とを備えており、シリンダボア６は、その中心軸線が駆動軸１２の中心軸線に対し、斜板１０に近い側が斜板１０の回転方向と逆方向に傾斜している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の圧縮を行うための斜板式圧縮機であって、例えば空調装置の冷凍回路などに用いられる斜板式圧縮機に関する。

従来、この種の斜板式圧縮機としては、例えば図７に示すように、圧縮機１０２のシリンダブロック１０４内に、周方向に配列された複数のシリンダボア１０６と、各シリンダボア１０６内を往復動するピストン１０８と、各ピストン１０８の一端側に摺動可能に係合する斜板１１０と、斜板１１０を回転させる駆動軸１１２とを備え、外部動力源からの動力をプーリ１１４に入力し、電磁クラッチ１１６をオン作動させることにより駆動軸１１２を回転させるようにしたものが知られている。

この圧縮機１０２では、シリンダブロック１０４の一端側にクランクケース１１８が連結されている。クランクケース１１８内では、駆動軸１１２と一体に回転するロータ１２０に、ヒンジ１２２を介して斜板１１０が連結されており、駆動軸１１２の回転に伴い、斜板１１０が傾動可能な状態で回転するようになっている。各ピストン１０８の一端側にはテール１２４が形成されており、テール１２４内に保持されているシュー１２６によって、斜板１１０が摺動可能な状態で挟持されている。

一方、シリンダブロック１０４の他端側には、バルブプレート１２８を介してシリンダヘッド１３０が連結され、各シリンダボア１０６内でピストン１０８とバルブプレート１２８との間に圧縮室１３４が形成される。このシリンダヘッド１３０内には、吸入弁１３２を介して各圧縮室１３４と連通可能な吸入室１３６、及び吐出弁１３８を介して圧縮室１３４と連通可能な吐出室１４０が形成されている。

このように構成された圧縮機１０２において、外部動力源からの動力がプーリ１１４に入力され、電磁クラッチ１１６がオン作動すると、駆動軸１１２と共に斜板１１０が回転し、斜板１１０の傾斜によって各ピストン１０８がシリンダボア１０６内を軸線方向に往復動する。ここで、ピストン１０８が圧縮室１３４の容積を増加させる方向に移動すると、吸入弁１３２が開いて吸入室１３６から圧縮室１３４に冷媒が吸入される。この後ピストン１０８が圧縮室１３４の容積を減少させる方向に移動すると、圧縮室１３４内に吸入された冷媒は圧縮され、この圧縮圧が吐出弁１３８の締切圧を超えた時点で吐出弁１３８が開き、圧縮された冷媒が吐出室１４０に吐出される。

圧縮機１０２において、各シリンダボア１０６の中心軸線と駆動軸１１２の中心軸線とは平行になっており、このようなシリンダボア１０６内に収容されたピストン１０８の一端を、駆動軸１１２に対して傾斜した斜板１１０により駆動して往復動させるため、各ピストン１０８にはその中心軸線に対して直交する方向の力であるサイドフォースが発生する。

図８は圧縮機１０２において発生する上記サイドフォースを示す要部模式図である。図８において、シリンダボア１０６の中心軸線Ｓは図示していない駆動軸１１２の中心軸線と平行であり、斜板１１０は軸線Ｓに直交する面Ｐに対して角度θをもって傾斜した状態でピストン１０８の一端を押し、圧縮室１３４内の冷媒を圧縮している。
斜板１１０がシュー１２６を介してピストン１０８を押す力Ｆ₁₀は、斜板１１０が角度θだけ傾斜していることから、シリンダボア１０６の中心軸線Ｓに平行な力Ｆ₁₁と、シリンダボア１０６の中心軸線Ｓに直交する力Ｆ₁₂とに分解され、以下の関係が成り立つ。

Ｆ₁₂＝Ｆ₁₁・ｔａｎθ …（１）
一方、ピストン１０８は圧縮室１３４内の冷媒の圧縮に伴い力Ｆ₁₃を上記力Ｆ₁₁とは逆方向に受けており、冷媒を圧縮している際、ピストン１０８は力Ｆ₁₃に抗して圧縮室１３４の容積を減少させる方向に移動していることから、力Ｆ₁₁は力Ｆ₁₃より大となっている。

また、シリンダボア１０６の中心軸線Ｓに直交する力Ｆ₁₂がピストン１０８の一端側に作用することにより、ピストン１０８は他端を中心に回動しようとし、シリンダボア１０６の開放縁部１０６ａに押しつけられる。この結果、ピストン１０８は開放縁部１０６ａから反力、即ちサイドフォースＦ₁₄を受けることとなる。
ここで、ピストン１０８の他端から斜板１１０までの距離をＬ₁とし、ピストン１０８の他端から開放縁部１０６ａまでの距離をＬ₂とすると、ピストン１０８におけるモーメントの釣り合いから、力Ｆ₁₂とＦ₁₄トの間には以下の関係が成り立つ。

Ｆ₁₂・Ｌ₁−Ｆ₁₄・Ｌ₂＝０ …（２）
上記式（１）及び（２）から、サイドフォースＦ₁₄は以下の式によって表される。
Ｆ₁₄＝Ｆ₁₁・ｔａｎθ・Ｌ₁／Ｌ₂ …（３）
ピストン１０８の側面は、このようなサイドフォースＦ₁₄を受けながらシリンダボア１０６に摺動することによって摩耗が促進され、ピストン１０８とシリンダボア１０６との間に生じた隙間から圧縮室１３４内の冷媒が漏出して圧縮効率が低下したり、圧縮機１０２の耐久性が低下するなどの問題があった。

特に、近年では環境保護の観点から非フロン系の冷媒として二酸化炭素の実用化が進められており、二酸化炭素を冷媒とした場合には圧縮圧力がフロン系の冷媒の場合に比較してかなり高くする必要がある。従って、斜板１１０がピストン１０８を押す力Ｆ₁₀もフロン系の冷媒の場合に比べてかなり大きくする必要があり、上記式（１）乃至（３）から明らかなように、サイドフォースＦ₁₄もフロン系の冷媒の場合に比べてかなり大きなものとなる。このため、冷媒として二酸化炭素を用いる場合には、上記問題が顕著なものとなる。

このような問題を解決するため、ピストンの外周面にフッ素樹脂のコーティングを施してピストンの摩耗を抑制するようにした斜板式圧縮機が提案されている（例えば特許文献１）。
特開平１１−２９４３２２号公報

上記特許文献１に記載された圧縮機のように、ピストンにコーティングを施すことにより、ピストンとシリンダボアとの金属同士の直接的な接触をなくせば、ある程度の摩耗の抑制が可能であるが、上述したような比較的大きなサイドフォース自体はピストンに作用し続ける。このため、ピストンに施されたコーティングの摩耗を回避することはできず、いずれはコーティングがなくなってピストンとシリンダボアとの金属同士の直接的な接触が生じるようになってしまう。このように、単にピストン外周にコーティングを施すだけでは、ピストンの摩耗に伴う圧縮効率や耐久性の低下といった問題を十分に防止することができない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、サイドフォースによるピストンの摩耗を抑制した信頼性の高い斜板式圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の斜板式圧縮機は、シリンダボアと、前記シリンダボア内を往復動するピストンと、前記ピストンの一端側に摺動自在に係合する斜板と、前記斜板を回転させる駆動軸とを備えており、前記シリンダボアは、その中心軸線が前記駆動軸の中心軸線に対し、前記斜板に近い側が前記斜板の回転方向と逆方向に傾斜していることを特徴とする（請求項１）。

更に、これに加えて前記シリンダボアは、その中心軸線が前記駆動軸の中心軸線に対し、前記斜板に近いほど前記駆動軸の径方向外方に向けて離間する方向に傾斜していることを特徴とする（請求項２）。
また、より具体的には、前記シリンダボアは、前記駆動軸と中心軸線を共有して外周面が前記駆動軸の中心軸線と平行な円柱状のシリンダブロックに形成されている（請求項３）。或いは、前記シリンダボアは、板状のベースプレートから前記斜板に向けて延設される筒体からなる（請求項４）。

更に、前記斜板及び駆動軸を収容するクランクケースを備え、前記クランクケースは、前記駆動軸の中心軸線に対し、前記シリンダボアから離間するほど径方向外方に離間し前記ピストンの前記斜板との係合側端部が摺動する内周面を有することを特徴とする（請求項５）。
また、本発明の斜板式圧縮機によって圧縮される流体は二酸化炭素からなる冷媒である（請求項６）。

請求項１乃至４の斜板式圧縮機によれば、シリンダボアが、その中心軸線が駆動軸の中心軸線に対し、斜板の回転方向と逆方向に傾斜していることにより、斜板がピストンを押す際のサイドフォースを、従来のシリンダボアの軸線と駆動軸の軸線とが平行な圧縮機に比べて減少させ、サイドフォースによるピストンの摩耗を抑制することができる。また、このような効果は、シリンダボアを駆動軸の径方向外方にも傾斜させることによって、より高めることができる。

また、請求項５の斜板式圧縮機のように、クランクケースの内周面を傾斜させてピストンの斜板との係合側端部を内周面に摺動させるようにした場合には、ピストンの動きがクランクケースの内周面にガイドされ、斜板によるピストンの駆動時にピストン端部のがたつきをなくして斜板による駆動力をピストン端部に確実に伝達することができる。
更に、請求項６の斜板式圧縮機のように、フロン系冷媒に比べて高い圧力を必要とする二酸化炭素からなる冷媒を流体として用いる場合であっても、サイドフォースによるピストンの摩耗を抑制することが可能である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る車両空調装置用の斜板式圧縮機を示す。
圧縮機２は二酸化炭素からなる冷媒を圧縮するものであって、図１に示すように、シリンダブロック４を備え、このシリンダブロック４の一端側にはクランクケース１８が、他端側にはシリンダヘッド３０が連結されている。

クランクケース１８内には中央に駆動軸１２が配置され、クランクケース１８に回転可能に支持されている。駆動軸１２の一端は、電磁クラッチ１６を介してプーリ１４に連結可能となっており、プーリ１４が外部動力源であるエンジンからの動力を受けて回転し、電磁クラッチ１６がオン作動すると駆動軸１２が回転する。駆動軸１２には、駆動軸１２と一体に回転するロータ２０が取り付けられており、駆動軸１２に対して傾斜した斜板１０が、ヒンジ２２を介してロータ２０に連結されている。これにより、駆動軸１２の回転に伴い、斜板１０が傾動可能な状態で回転するようになっている。

一方、シリンダブロック４は駆動軸１２と中心軸線を共有するように円柱状とし、その外周面を駆動軸１２の中心軸線と平行に形成することにより、圧縮機２のレイアウトの自由度を増すようにしている。このシリンダブロック４には、周方向に配列された例えば６個のシリンダボア６が形成されると共に、各シリンダボア６内を往復動するピストン８が設けられている。

図２は、図１中のII−II線断面におけるシリンダブロック４と各シリンダボア６との関係を示すものであって、図２に示すように、各シリンダボア６はその中心軸線が、駆動軸１２の中心軸線に対し、斜板側が斜板１０の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜すると共に、図１及び２に示すように、駆動軸１２の径方向外方に向けて離間するように傾斜して形成されている。

また、各ピストン８の一端側には斜板１０と係合するためのテール２４が形成されており、テール２４内に保持されているシュー２６によって、斜板１０が摺動可能な状態で保持されている。
クランクケース１８の内周面は、図１に示すように、駆動軸１２の中心軸線に対し、各シリンダボア６から離間するにつれて径方向外方に離間するように傾斜して形成されており、ピストン８の一端に形成されたテール２４が、ピストン８の往復動の際にこの内周面に沿って摺動するようになっている。このため、斜板１０によるピストン８の駆動時にテール２４のがたつきをなくし、斜板１０による駆動力がテール２４に確実に伝達されるので、駆動機構の信頼性を向上させることができる。

シリンダブロック４とシリンダヘッド３０との間には、バルブプレート２８が挟持されており、各シリンダボア６内でピストン８とバルブプレート２８との間に圧縮室３４が形成される。このシリンダヘッド３０内には、吸入弁３２を介して各圧縮室３４と連通可能な吸入室３６、及び吐出弁３８を介して圧縮室３４と連通可能な吐出室４０が形成されている。

このような圧縮機２において、エンジンからの動力がプーリ１４に入力され、電磁クラッチ１６がオン作動すると、駆動軸１２と共に斜板１０が回転し、斜板１０の傾斜によって各ピストン８がシリンダボア６内をシリンダボア６の中心軸線方向に往復動する。ここで、ピストン８が圧縮室３４の容積を増加させる方向に移動すると、吸入弁３２が開いて吸入室３６から圧縮室３４に冷媒が吸入される。この後ピストン８が圧縮室３４の容積を減少させる方向に移動すると、圧縮室３４内に吸入された冷媒は圧縮され、この圧縮圧が吐出弁３８の締切圧を超えた時点で吐出弁３８が開き、圧縮された冷媒が吐出室４０に吐出される。

図３は、上述のようにしてピストン８が圧縮室３４内の冷媒を圧縮する際に発生するサイドフォースを示した要部模式図であり、斜板１０がピストン８を押し付けて冷媒の圧縮を行っているとき、駆動軸１２とシリンダボア６とがほぼ重なり合う方向から見た斜板１０、シリンダボア６及びピストン８の関係を示す模式図である。
即ち、図３を参照して斜板１０、シリンダボア６及びピストン８の関係を説明すると、シリンダボア６の中心軸線Ｓは、図中にはない駆動軸１２の中心軸線と平行な線Ｈに対して角度αだけ斜板１０の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜している。また、斜板１０は上記線Ｈと直交する面Ｐに対して角度θをもって傾斜した状態でピストン８の一端を押し、圧縮室３４内の冷媒を圧縮している。

このとき斜板１０がシュー２６を介してピストン８を押す力Ｆ₀は、シリンダボア６が駆動軸１２に対して角度αだけ傾斜すると共に、斜板１０が角度θだけ傾斜していることから、ピストン８のの中心軸線Ｓに平行な分力Ｆ₁と、ピストン８の中心軸線Ｓに直交する方向の分力Ｆ₂とに分解され、以下の関係が成り立つ。
Ｆ₂＝Ｆ₁・ｔａｎ（θ−α） …（４）
一方、ピストン８は圧縮室３４内の冷媒の圧縮に伴う力Ｆ₃を上記分力Ｆ₁とは逆方向に受けており、冷媒を圧縮している際、ピストン８は力Ｆ₃に抗して圧縮室３４の容積を減少させる方向に移動していることから、分力Ｆ₁は力Ｆ₃より大となっている。

また、ピストン８の中心軸線Ｓに直交する分力Ｆ₂がピストン８の一端側に作用することにより、ピストン８は他端を中心に回動しようとし、ピストン８がシリンダボア６の開放縁部６ａに押し付けられる。この結果、ピストン８は開放縁部６ａから反力、即ちサイドフォースＦ₄を受けることとなる。
ここで、ピストン８の他端から斜板までの距離をＬ₁とし、ピストン８の他端から開放縁部６ａまでの距離をＬ₂とすると、ピストン８におけるモーメントの釣り合いから、分力Ｆ₂とサイドフォースＦ₄との間には以下の関係が成り立つ。

Ｆ₂・Ｌ₁−Ｆ₄・Ｌ₂＝０ …（５）
上記式（４）及び（５）から、サイドフォースＦ₄は以下の式によって表される。
Ｆ₄＝Ｆ₁・ｔａｎ（θ−α）・Ｌ₁／Ｌ₂ …（６）
分力Ｆ₁は冷媒を圧縮するために必要な力であり、角度αに依存して変化するものではないので、上記（６）式から明らかなように、シリンダボア６の駆動軸１２に対する傾斜角度αが斜板１０の傾斜角度θに近づくほどサイドフォースＦ₄が小さくなる。即ち、角度αが０°であれば、シリンダボア６と駆動軸１２とが平行であるので、シリンダボア６を駆動軸１２に対して斜板１０の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜させることにより、シリンダボア６と駆動軸１２とが平行な場合に比べてサイドフォースＦ₄を減少させることができる。

このようにしてピストン８に作用するサイドフォースＦ₄を低減することにより、ピストン８やピストン８の外周面に施されたコーティングの摩耗を防止し、信頼性の高い斜板式圧縮機を提供することができる。
これまでに述べたサイドフォースＦ₄は、斜板１０の周方向に発生するものであったが、図１に示す斜板１０とピストン８との関係から明らかなように、図１の紙面に対して直交する方向から見たときにも、斜板１０は傾斜しながらピストン８を押し付けることになるため、斜板１０の径方向にもサイドフォースが発生する。

このときに発生するサイドフォースＦ₄と、斜板１０がピストン８を押す力Ｆ₀、同力Ｆ₀によるピストン８の中心軸線方向の分力Ｆ₁、ピストン８の中心軸線に直交する方向の分力Ｆ₂、及び圧縮室３４内の冷媒の圧縮に伴う力Ｆ₃の関係は、前述の関係式（４）乃至（６）と同じになる。ただし、このとき発生するサイドフォースＦ₄は斜板１０或いは駆動軸１２の径方向に沿って発生する。

従って、この場合も、シリンダボア６の傾斜角度αが斜板１０の傾斜角度θに近づくほどサイドフォースＦ₄が小さくなる。即ち、角度αが０°であれば、シリンダボア６と駆動軸１２とが平行であるので、シリンダボア６を駆動軸１２の中心軸線に対して駆動軸１２の径方向外方に傾斜させることにより、シリンダボア６と駆動軸１２とが平行な場合に比べて、斜板１０や駆動軸１２の径方向に生じるサイドフォースＦ₄を減少させることができる。

このようにして、前述の斜板１０の周方向に発生するサイドフォースの低減に加え、斜板１０の径方向に発生するサイドフォースをも低減することにより、ピストン８やピストン８の外周面に施されたコーティングの摩耗防止の効果がより一層高められ、より信頼性の高い斜板式圧縮機を提供することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、各シリンダボア６の中心軸線を、斜板１０の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜させると共に、駆動軸１２の径方向外方に向けて傾斜させているが、図４に示すように各シリンダボア６の中心軸線を斜板１０の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜させるのみとし、駆動軸１２の径方向外方に向けては傾斜させないようにしてもよい。
この場合にも、斜板１０の周方向に発生するサイドフォースが低減されるので、信頼性の高い斜板式圧縮機を提供することができる。また、各シリンダボア６が駆動軸１２の径方向外方に向けては傾斜していないので、上記実施形態に比べシリンダブロック４の径方向寸法をコンパクトにすることができる。
また、上記実施形態では円柱状のシリンダブロック４にシリンダボア６を周方向に配列して形成したが、図５に示すように、シリンダブロック４をベースプレート４ａと、クランクケース側に向けて延設されると共に、中心軸線が駆動軸の中心軸線に対し、クランクケース側、即ち斜板側が、斜板の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜すると共に、駆動軸の径方向外方に向けて離間するように傾斜した複数の円筒部（筒体）４ｂとで構成し、各円筒部４ｂにシリンダボア６を形成するようにしてもよい。

この場合には、クランクケース１８の周壁をシリンダヘッド３０側に延長し、クランクケース１８とバルブプレート２８との間にベースプレート４ａを挟持する。
このような構造とすることにより、シリンダブロック４の重量を軽減することができ、圧縮機２の軽量化を図ることが可能となる。
また、このようにベースプレート４ａに円筒部４ｂを延設した場合も、図６に示すように、中心軸線が駆動軸の中心軸線に対し、駆動軸の径方向外方に向けては傾斜させず、斜板側が斜板の回転方向Ｄとは逆方向に傾斜するようにして、各円筒部４ｂにシリンダボア６を形成するようにしてもよい。

さらに、図５或いは図６に示す変形例では各シリンダボア６ごとに独立して設けられた円筒部４ｂがベースプレート４ａと一体に形成されているが、各円筒部４ｂをベースプレート４ａと分離し、ベースプレート４ａに対して各円筒部４ｂを揺動可能に支持する可変機構を設け、この可変機構を手動にて操作することにより適宜シリンダボア６の傾斜角度を可変したり、圧縮機の吐出圧、吸入圧力、或いはクランク圧力などの情報に基づき可変機構を制御して、圧縮機の運転状態に応じた最適なシリンダボア６の傾斜角度を設定するようにしてもよい。

また、このような可変機構を設けた場合の円筒部４ｂの揺動はピストン８の上死点付近や下死点付近、或いはその中間部分を支点として行うようにしてもよい。
各実施形態ではいずれもシリンダボア６の数を６個としたが、その数はこれに限定されるものではない。
また、本発明を車両空調装置用の斜板式圧縮機に適用したものを各実施形態として示したが、本発明を適用可能な斜板式圧縮機はこれに限定されるものではなく、種々の用途に用いられる斜板式圧縮機に同様に適用可能である。

さらに、各実施形態では斜板式圧縮機により圧縮する流体として二酸化炭素からなる冷媒を例示したが、流体についてもこれに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る車両空調装置用の斜板式圧縮機の断面構成図である。 図１のII−II線断面におけるシリンダブロックとシリンダボアとの関係を示す図である。 図１の斜板式圧縮機において、ピストンが冷媒を圧縮する際に発生するサイドフォースを示した要部模式図である。 図１の実施形態の変形例におけるシリンダブロックとシリンダボアとの関係を示す図である。 図４とは別の変形例であるシリンダブロックの構造を示す図である。 図４及び５とは別の変形例であるシリンダブロックの構造を示す図である。 従来の斜板式圧縮機の断面構成図である。 従来の斜板式圧縮機において、ピストンが冷媒を圧縮する際に発生するサイドフォースを示した要部模式図である。

符号の説明

２ 圧縮機
４ シリンダブロック
６ シリンダボア
８ ピストン
１０ 斜板
１２ 駆動軸

Claims (6)

1. シリンダボアと、前記シリンダボア内を往復動するピストンと、前記ピストンの一端側に摺動自在に係合する斜板と、前記斜板を回転させる駆動軸とを備え、流体の圧縮を行う斜板式圧縮機において、
   前記シリンダボアは、その中心軸線が前記駆動軸の中心軸線に対し、前記斜板に近い側が前記斜板の回転方向と逆方向に傾斜していることを特徴とする斜板式圧縮機。
2. 前記シリンダボアは、その中心軸線が前記駆動軸の中心軸線に対し、前記斜板に近いほど前記駆動軸の径方向外方に向けて離間する方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の斜板式圧縮機。
3. 前記シリンダボアは、前記駆動軸と中心軸線を共有して外周面が前記駆動軸の中心軸線と平行な円柱状のシリンダブロックに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の斜板式圧縮機。
4. 前記シリンダボアは、板状のベースプレートから前記斜板に向けて延設される筒体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の斜板式圧縮機。
5. 前記斜板及び駆動軸を収容するクランクケースを更に備え、
   前記クランクケースは、前記駆動軸の中心軸線に対し、前記シリンダボアから離間するほど径方向外方に離間し前記ピストンの前記斜板との係合側端部が摺動する内周面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の斜板式圧縮機。
6. 前記流体は二酸化炭素からなる冷媒であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の斜板式圧縮機。

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