JP2007154738A - 可変容量圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】可変容量圧縮機の吐出容量を正確かつ迅速に可変制御する。
【解決手段】斜板１２が揺動することによりその中央部分が回転軸６の軸線方向に変位する量を、スプリング２９によって斜板１２に押し付けられたピン２８が斜板１２の傾斜角度として検出する。直接検出された傾斜角度は、クランク室５内の圧力を可変させることによって吐出容量を可変する容量制御弁２４にフィードバックされる。容量制御弁２４は、その傾斜角度に基づいてクランク室５内の圧力を制御する。傾斜角度はピストン１４のストローク、すなわち吐出容量と直接的な対応関係にあるので、吐出容量の正確かつ迅速な可変制御が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は可変容量圧縮機に関し、特に自動車用空調装置に用いることができる斜板式の可変容量圧縮機に関する。

自動車用空調装置に用いられている可変容量圧縮機は、一般に、エンジンのような外部駆動源によって回転駆動される回転軸に傾動可能に設けられた斜板を有し、その斜板に連結されたピストンが回転軸の回転による斜板の揺動運動によって往復運動するようにした斜板式のものが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。

斜板式の可変容量圧縮機では、斜板の傾斜角度と吐出容量とは対応関係にあるので、斜板の傾斜角度または斜板に連結されたピストンのストロークを検知することができれば可変容量圧縮機の制御目標である吐出容量を正確に知ることができる。しかし、斜板の傾斜角度は、斜板自体が回転軸を中心にしてその軸線方向に揺動しながら回転しており、ピストンのストロークは、ピストンが往復運動しているため、斜板の傾斜角度またはピストンのストロークを電磁気的に検出することはできるが機械的に検出することは困難であり、可能であったとしても構成が非常に複雑になってしまう。このため、従来の可変容量圧縮機は、吸入圧力または吸入圧力と吐出圧力との差圧を基に吐出容量を推定し、制御するというやり方をしている。
特開平５−８７０４５号公報

しかしながら、吐出容量の推定値は、必ずしもそのときの吐出容量を正確に表しているものではないので不正確であり、要求される冷凍負荷に迅速に応答することができないので、吐出容量が目標値に整定するまで時間がかかるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、吐出容量を正確かつ迅速に可変制御することができる可変容量圧縮機を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、クランク室内の圧力を可変させることによって吐出容量を可変することができる斜板式の可変容量圧縮機において、外部駆動源にて回転駆動される回転軸に一体となって回転可能に、かつ、前記回転軸に対して傾動可能に設けられた斜板の直接検出した傾斜角度に基づいて前記クランク室内の圧力を制御することを特徴とする可変容量圧縮機が提供される。

このような可変容量圧縮機によれば、クランク室内の圧力の制御を、直接検出した斜板の傾斜角度に基づいて行うようにした。斜板の傾斜角度が吐出容量と直接的な対応関係にあり、クランク室内の圧力の制御を実際の傾斜角度に基づいて行うようにしたことで、吐出容量を正確かつ迅速に可変制御することができるようになる。

本発明の可変容量圧縮機は、吐出容量の制御を直接検出した斜板の傾斜角度に基づいて行うようにしたので、推定値による制御に比べて吐出容量を正確に可変制御することができ、斜板の傾斜角度を直接検出していることによって制御中の吐出容量をクランク室内の圧力制御にリアルタイムに反映できるので、吐出容量を目標値に迅速に整定させることができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機の構成を示す中央断面図、図２は回転軸の中心を図１の面に直角な方向に切断した要部部分拡大断面図である。

可変容量圧縮機は、その中央にシリンダブロック１を有し、その前端部分（図の左側を前方とする）には、フロントハウジング２が接合されている。シリンダブロック１は、また、その後端部にバルブプレート３を介してリアハウジング４が接合されている。

シリンダブロック１とフロントハウジング２とによって形成された内部空間はクランク室５を構成している。そのクランク室５の中心を貫通するように回転軸６が配置され、その回転軸６は、シリンダブロック１およびフロントハウジング２に設けられた軸受７，８によって回転自在に支持されている。回転軸６には、ラグプレート９が固定されており、このラグプレート９に突設された支持アーム１０およびガイドピン１１を介して斜板１２が回転軸６の軸線に対して傾動可能に支持されている。斜板１２は、軸受８の周りのシリンダブロック１に形成された複数のシリンダボア１３に摺動自在に配置されたピストン１４の頭部にシュー１５を介して連結されている。

回転軸６は、その前端部分がフロントハウジング２を貫通して外部に突出しており、回転軸６とフロントハウジング２との隙間を外側からシールするようリップシール１６が設けられている。回転軸６は、また、その先端部分に回転軸６と一体に回転するようブラケット１７が固着されている。

フロントハウジング２の前端部分には、エンジンからの駆動力が伝達されるプーリ１８が軸受１９によって回転自在に支持され、このプーリ１８には、ブラケット１７が一体に回転するよう結合されている。

リアハウジング４は、バルブプレート３に設けられた吸入用リリーフ弁２０を介してシリンダボア１３に連通された吸入室２１と、バルブプレート３に設けられた吐出用リリーフ弁２２を介してシリンダボア１３に連通された吐出室２３と、容量制御部を構成する容量制御弁２４とを有している。なお、図示はしないが、吐出室２３は、空調装置の冷凍サイクルの凝縮器に接続され、吸入室２１は、冷凍サイクルの蒸発器またはアキュムレータに接続される。

容量制御弁２４は、吐出室２３とクランク室５との間を連通するようリアハウジング４に形成された冷媒通路内に配置され、吐出室２３に吐出された高圧の冷媒の一部をクランク室５に導入することにより、クランク室５内の圧力を制御し、これによってこの可変容量圧縮機の吐出容量を制御するものである。なお、図示はしないが、クランク室５は、固定オリフィスを介して吸入室２１に連通しており、容量制御弁２４がクランク室５に導入した冷媒を常に吸入室２１に微少漏れするようにしている。

容量制御弁２４は、この可変容量圧縮機の吐出容量を外部信号によって設定するためのソレノイド部を備えており、そのソレノイド部の固定鉄芯２５は、斜板１２の傾斜角度に応じて回転軸６の軸線方向に変位するように構成されている。すなわち、図２に示すように、固定鉄芯２５は、その軸線方向に延出されたシャフト２６が一体に形成され、そのシャフト２６は、回転軸６の後端部分にその軸線方向に進退自在に挿入されている。そのシャフト２６には、回転軸６に形成された長孔２７を貫通し、回転軸６の軸線に対して直角方向に延びるピン２８が固定されている。このピン２８の両端は、斜板１２の後方に配置されて斜板１２を傾斜角度が大きくなる方向に付勢するスプリング２９によって斜板１２の中央部分の端面に対して押し付けられている。これにより、斜板１２が回転軸６の軸線に対して傾動すると、その中央部分の揺動に倣ってピン２８が回転軸６の軸線方向に変位するようになる。

この斜板１２の傾斜角度を直接検出することができる点に関して詳述すると、ピストン１４が斜板１２の揺動運動によって往復運動しても、ピストン１４の上死点は、常に同じ位置であることから、ピストン１４が上死点位置にいるときの斜板１２のシュー１５との摺動位置は、回転軸６の回転によって同じ円上の軌跡を辿ることになる。したがって、図１の斜板１２に記した＋記号の中心は、斜板１２が回転軸の軸線に対して傾動するときの仮想の支点とみなすことができ、斜板１２は、その支点を中心として傾動することになる。このため、斜板１２の傾斜角度が小さいとき、斜板１２の中央部分の端面はリアハウジング４の方向に位置し、斜板１２の傾斜角度が大きいときは、リアハウジング４から離れる方向に位置することになるので、その位置をピン２８により検出することによって斜板１２の傾斜角度を直接検出することができるのである。

図３は第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。
容量制御弁２４は、回転軸６と同一軸線上に配置され、吐出室２３からクランク室５に導入する冷媒の流量を制御する弁部と、外部信号によりこの可変容量圧縮機が吐出する冷媒の吐出容量を設定するソレノイド部とを備えている。

容量制御弁２４の弁部は、ボディ３１を有し、そのボディ３１には、リアハウジング４の吐出室２３に連通して吐出圧力Ｐｄを受けるポート３２と、クランク室５に連通して制御された圧力Ｐｃを出力するポート３３とが形成されている。ポート３２とポート３３との間の冷媒通路には、ボディ３１と一体に形成された弁座３４が配置され、その弁座３４に対向してポート３３に連通する空間の側に弁体３５が弁座３４に対して接離自在に配置されている。この弁体３５は、ポート３３に圧入されたばね受け部材３６との間に配置されたスプリング３７によって閉弁方向に付勢されている。

弁体３５は、弁孔を介して延びるシャフト３８が一体に形成されている。このシャフト３８は、弁孔の内径とほぼ同じ径を有する部分が軸線方向に進退自在にボディ３１に支持されており、これにより、弁体３５には開弁方向に吐出圧力Ｐｄを受け、弁体３５と一体に形成されたシャフト３８には閉弁方向に吐出圧力Ｐｄを受けることになるので、弁体３５およびシャフト３８にかかる高圧の吐出圧力Ｐｄはキャンセルされ、弁体３５の制御動作に吐出圧力Ｐｄの影響を受けることはない。シャフト３８の弁体３５が設けられている側と反対側の端面は、ポート３９を介してクランク室の圧力Ｐｃが導入されている空間に露出している。

ソレノイド部は、弁部のボディ３１に圧入して固定されたヨーク４０を有し、その内側にはコイル４１が配置され、その中心部には可動鉄芯４２が軸線方向に進退自在に配置されている。この可動鉄芯４２は、スプリング４３によって弁部の側に付勢されており、弁部側の端面の中心に形成された凹部の底面が弁体３５と一体のシャフト３８の端面に当接するようになっている。この可動鉄芯４２を弁部の方向に付勢してシャフト３８を開弁方向に付勢しているスプリング４３は、弁体３５を閉弁方向に付勢しているスプリング３７よりも大きなばね荷重に設定されており、これにより、ソレノイド部が非通電のときには、弁部を全開状態に維持するようにしている。

ソレノイド部は、また、回転軸６および一体に形成されたシャフト２６とともに回転する固定鉄芯２５を有している。この固定鉄芯２５と一体のシャフト２６に固定されたピン２８が斜板１２の傾斜角度に応じて回転軸６の軸線方向に変位するので、斜板１２の傾斜角度の変化は、ソレノイド部では、固定鉄芯２５と可動鉄芯４２との間の磁気ギャップの変化として検出されることになる。

なお、ボディ３１の外周において、ポート３２を挟んだ軸線方向の前後にＯリング４４，４５が周設され、吐出圧力Ｐｄが導入されるポート３２を圧力Ｐｃのクランク室からシールするようにしている。

次に、以上の構成の可変容量圧縮機の動作について説明する。
図４は第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機を最小容量運転時の状態で示す中央断面図である。

まず、たとえば自動車用空調装置が停止している場合のように、ソレノイド部のコイル４１が通電されていないとき、弁体３５はこれを閉弁方向に付勢しているスプリング３７よりもばね荷重の大きなスプリング４３によって開弁方向に付勢されていて、容量制御弁２４は全開状態になっている。

このとき、プーリ１８がエンジンからの駆動力を受けると、その駆動力は、ブラケット１７に伝えられることにより、ブラケット１７に固定された回転軸６が回転駆動され、回転軸６に固定されたラグプレート９が回転して斜板１２が揺動運動し、ピストン１４が往復運動する。これにより、吸入圧力Ｐｓの冷媒が吸入室２１から吸入用リリーフ弁２０を介してシリンダボア１３に吸入され、次いで圧縮された吐出圧力Ｐｄの冷媒が吐出用リリーフ弁２２を介して吐出室２３に吐出される。

吐出室２３の冷媒は、全開になっている容量制御弁２４を介してクランク室５へ導入されるので、クランク室５内の圧力Ｐｃが最大となり、図４に示したように、斜板１２が回転軸６に対して直角方向に傾動する。これによりピストン１４のストロークが最小になり、可変容量圧縮機は、最小容量の運転を行う。また、この最小容量運転のときには、斜板１２の傾斜角度が最小になっており、斜板１２の傾動に応動するピン２８は、最もリアハウジング４の側に位置している。

次に、たとえば自動車用空調装置が起動したときまたは冷凍負荷が非常に高いときのように、コイル４１に最大値の電流が供給されると、可動鉄芯４２がスプリング４３の付勢力に抗して固定鉄芯２５により吸引され、弁体３５がスプリング３７の付勢力により弁座３４に着座され、弁部は全閉状態になる。これによりクランク室５内の圧力Ｐｃが最小になり、図１に示したように、ピストン１４のストロークが最大となって、可変容量圧縮機は、最大容量の運転を行う。この最大容量運転のときには、斜板１２の傾斜角度が最大になっており、斜板１２の傾斜角度を直接検出しているピン２８は、最もリアハウジング４から離れた位置にいる。

また、自動車用空調装置が設定温度近傍の制御を行っているときのように、コイル４１に所定の値の制御電流が供給されると、弁部の弁体３５は、可動鉄芯４２と固定鉄芯２５との吸引力と、スプリング３７，４３の付勢力とがバランスした弁リフトに設定される。これにより、可変容量圧縮機は、コイル４１への通電電流値に対応した吐出容量に制御されることになる。このとき、斜板１２の傾斜角度は、最大と最小との間になっており、斜板１２の傾斜角度を直接検出しているピン２８も、その変位範囲の中間に位置していることになる。

この容量制御弁２４が所定の制御電流を受けることによりクランク室５の圧力Ｐｃを所定値になるよう制御して可変容量圧縮機を所定の吐出容量に制御している状態において、たとえばエンジンの回転数が低下するなどして可変容量圧縮機の吐出容量が低下すると、吐出圧力Ｐｄが低下し、クランク室５の圧力Ｐｃも低下する。これにより、斜板１２の傾斜角度が大きくなり、ピストン１４のストロークが大きくなって吐出容量が増加し、コイル４１への通電電流値に対応した吐出容量に戻す方向に制御されることになる。このとき、斜板１２の傾斜角度が大きくなる方向へ変更されることにより、ソレノイド部の固定鉄芯２５の位置が可動鉄芯４２から離れる方向へ変位する。

図５は容量制御弁の吸引力特性の一例を示す図である。
この吸引力特性において、縦軸は固定鉄芯２５と可動鉄芯４２との間に発生する吸引力を示し、横軸は固定鉄芯２５と可動鉄芯４２との間の磁気ギャップを示している。この特性によれば、磁気ギャップが変化しないで同じであるなら、吸引力は、ソレノイド部に供給する電流の値にほぼ比例して増加している。

ここで、ある磁気ギャップのところで、たとえば、ソレノイド部に供給する電流値を増加したとすると、その分、固定鉄芯２５が可動鉄芯４２を吸引する吸引力が増加する。これにより、弁体３５は、その弁リフトが小さくなる方向に移動するので、可変容量圧縮機は、その吐出容量が大きくなる方向に制御されることになり、ソレノイド部に供給される電流値に応じた吐出容量に設定されることになる。

このとき、吐出容量が大きくなる方向に制御されると、斜板１２の傾斜角度は大きくなる方向に変化することになるので、磁気ギャップが増加し、吸引力が低下して、弁体３５は、その弁リフトが大きくなる方向に移動し、可変容量圧縮機は、吐出容量が小さくなる方向に制御されることになる。

以上のことから、この第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機は、検出した斜板１２の傾斜角度を容量制御部のソレノイド部へ負帰還させているので、外部信号（ソレノイド部へ供給される制御電流）によって吐出容量を制御しながら、その制御による斜板１２の傾斜角度を直接検出して吐出容量の制御を補正する閉ループ制御の圧縮機とすることができる。制御目標の吐出容量に直接的に対応させることができる斜板１２の傾斜角度でフィードバック制御することにより、吐出容量を安定して制御することが可能になる。

次に、第２および第３の実施の形態に係る可変容量圧縮機について説明するが、これらの可変容量圧縮機は、第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機と容量制御弁の構成が違うだけなので、その容量制御弁について説明する。

図６は第２の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。なお、図６において、図３に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態に係る可変容量圧縮機に用いられる容量制御弁２４ａは、第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁２４と比較して弁部の構成を変更している。すなわち、容量制御弁２４では、弁体３５と一体に形成されたシャフト３８がボディ３１に支持される部分において弁孔の内径にほぼ等しい外径を有して弁体３５およびシャフト３８にかかる高圧の吐出圧力Ｐｄをキャンセルする構造にしているのに対し、この容量制御弁２４ａでは、ボディ３１に支持されるシャフト３８の部分を弁孔の内径より小さな径にしている。これにより、弁体３５は、開弁方向に吐出圧力Ｐｄを受け、閉弁方向にクランク室５の圧力Ｐｃを受けているので、開弁方向に差圧Ｐｄ−Ｐｃを受けていることになる。

この可変容量圧縮機は、基本的には斜板１２の傾斜角度に基づいて制御していることから、どちらかというと冷媒の流量を制御しているのに対し、上記構成の容量制御弁２４ａを採用することにより、この制御に弁部の前後の差圧を加味させることができる。これにより、この可変容量圧縮機に対し、流量制御および差圧制御の中間の特性を持たせることが可能になる。

図７は第３の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。なお、図７において、図６に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第３の実施の形態に係る可変容量圧縮機に用いられる容量制御弁２４ｂは、第２の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁２４ａと比較して弁部の構成を変更している。すなわち、この容量制御弁２４ｂでは、弁孔の下流側に弁体３５がスプリング３７によって閉弁方向に付勢状態で配置されており、その弁体３５の外周のスプリング３７による付勢に対抗するように３本のシャフト４６が１２０度の等間隔にて、弁体３５の軸線と平行な方向に進退可能に弁部のボディ３１に支持されている。これらのシャフト４６において、弁体３５が当接されている側と反対側の端部は、可動鉄芯４２の端面に当接されている。これにより、可動鉄芯４２は、シャフト４６を介して弁体３５のリフトを制御することになる。

弁体３５が配置されている空間は、クランク室５に通じていて圧力はＰｃであり、可動鉄芯４２が収容されている空間も圧力はＰｃである。このため、上述の容量制御弁２４，２４ａでは、シャフト３８を摺動可能に支持しているボディ３１とシャフト３８との間のクリアランスを介して高圧の吐出圧力Ｐｄの冷媒がクランク室５へ漏れてしまうのに対し、この容量制御弁２４ｂでは、そのような高圧冷媒のクランク室５への微少漏れを皆無にすることができる。

第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機の構成を示す中央断面図である。 回転軸の中心を図１の面に直角な方向に切断した要部部分拡大断面図である。 第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。 第１の実施の形態に係る可変容量圧縮機を最小容量運転時の状態で示す中央断面図である。 容量制御弁の吸引力特性の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。 第３の実施の形態に係る可変容量圧縮機の容量制御弁の構成を示す中央断面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
２ フロントハウジング
３ バルブプレート
４ リアハウジング
５ クランク室
６ 回転軸
７，８ 軸受
９ ラグプレート
１０ 支持アーム
１１ ガイドピン
１２ 斜板
１３ シリンダボア
１４ ピストン
１５ シュー
１６ リップシール
１７ ブラケット
１８ プーリ
１９ 軸受
２０ 吸入用リリーフ弁
２１ 吸入室
２２ 吐出用リリーフ弁
２３ 吐出室
２４，２４ａ，２４ｂ 容量制御弁
２５ 固定鉄芯
２６ シャフト
２７ 長孔
２８ ピン
２９ スプリング
３１ ボディ
３２ ポート
３３ ポート
３４ 弁座
３５ 弁体
３６ ばね受け部材
３７ スプリング
３８ シャフト
３９ ポート
４０ ヨーク
４１ コイル
４２ 可動鉄芯
４３ スプリング
４４，４５ Ｏリング
４６ シャフト

Claims (9)

1. クランク室内の圧力を可変させることによって吐出容量を可変することができる斜板式の可変容量圧縮機において、
   外部駆動源にて回転駆動される回転軸に一体となって回転可能に、かつ、前記回転軸に対して傾動可能に設けられた斜板の直接検出した傾斜角度に基づいて前記クランク室内の圧力を制御することを特徴とする可変容量圧縮機。
2. 前記斜板が傾動したときにその中央部分が前記回転軸の軸線方向に揺動する変位量を前記斜板の傾斜角度として検出して前記吐出容量を制御する容量制御部へフィードバックする傾斜角度検出手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機。
3. 前記容量制御部は、吐出室と前記クランク室との間に形成された通路内に配置されて前記吐出室から前記クランク室へ流れる冷媒の流量を制御する容量制御弁であり、前記斜角度検出手段が検出した前記斜板の中央部分の前記変位量に応じて、前記容量制御弁が前記吐出容量の設定を行うソレノイド部の固定鉄芯と可動鉄芯との磁気ギャップを可変するようにしたことを特徴とする請求項２記載の可変容量圧縮機。
4. 前記固定鉄芯は、前記回転軸の前記容量制御弁が設けられている側の端部にてその軸線方向に進退可能で一緒に回転するよう保持され、かつ、前記回転軸に保持されている部分が前記斜板の中央部分の揺動に倣って前記回転軸の軸線方向に移動するよう連結されていることを特徴とする請求項３記載の可変容量圧縮機。
5. 前記容量制御弁は、前記吐出室と前記クランク室との間に形成された弁孔の下流側にて閉弁方向に付勢状態で配置された弁体と、前記弁孔を介して延びていて前記弁体と一体に形成されたシャフトとを有し、前記シャフトは、弁部のボディに軸線方向に進退自在に支持され、前記弁体が形成されている側と反対側の端面が前記弁体のリフトを制御する前記可動鉄芯に当接されていることを特徴とする請求項３記載の可変容量圧縮機。
6. 前記シャフトは、前記ボディに支持される部分を前記弁孔の内径とほぼ同じ径にして、導入される冷媒の圧力が前記弁体の制御動作に影響を与えないようにしたことを特徴とする請求項５記載の可変容量圧縮機。
7. 前記シャフトは、前記ボディに支持される部分を前記弁孔の内径より小さな径にして、前記弁部の制御動作に、前記弁部に導入される冷媒の圧力と前記弁部から導出される冷媒の圧力との差圧を加えるようにしたことを特徴とする請求項５記載の可変容量圧縮機。
8. 前記容量制御弁は、前記吐出室と前記クランク室との間に形成された弁孔の下流側にて閉弁方向に付勢状態で配置された弁体と、前記弁孔の下流側と前記可動鉄芯が配置されている側との間で前記可動鉄芯の軸線と平行な方向に進退可能に弁部のボディに支持された複数のシャフトとを有し、前記シャフトの一端が前記弁体に当接され、他端が前記弁体のリフトを制御する前記可動鉄芯に当接されていることを特徴とする請求項３記載の可変容量圧縮機。
9. 吐出室と前記クランク室との間に形成された通路内に配置され、前記吐出室から前記クランク室へ流れる冷媒の流量を制御して前記クランク室内の圧力を制御する容量制御弁を備え、前記容量制御弁にて前記吐出容量の設定を行うソレノイド部の固定鉄芯が設置される位置を前記斜板の傾斜角度に応じて前記ソレノイド部の軸線方向に変位させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機。
   

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