JP2012500355A - 往復ピストン機関 - Google Patents

Abstract

- シリンダーボアの内部に摺動式に支承された少なくとも一つのピストンと、- 一つのバルブプレート(3)と、複数のバルブフィンガー(7)を具備した一つの吸込みバルブ(5)とを有している、前記少なくとも一つのピストンと協働する一つのバルブ装置(1)とを有する、特に自動車用の往復ピストン機関が提案される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前段部分に記載の往復ピストン機関に関する。

ここで言及されている種類の往復ピストン機関は公知である。これは例えば、特に自動車の乗員室内温度を調節するためのエアコンコンプレッサーとして使用されている。ここで言及されている往復ピストン機関は、アキシャルピストン機関であっても、ラジアルピストン機関であってもかまわない。このような往復ピストン機関は、シリンダーブロックに設けられたシリンダーボア内を変位可能なピストンを、少なくとも一つ有している。ここで言及されている往復ピストン機関は、他にも、この少なくとも一つのピストンと協働するバルブ装置を有している。このバルブ装置は、一つのバルブプレートと、一つのバルブ、すなわち一つの吸込みバルブ及び/又は一つの送出しバルブとを有しており、このバルブは少なくとも一つのバルブフィンガー、特に複数のバルブフィンガーを有している。吸込みバルブとそのバルブフィンガーは、その下面により、バルブプレートの当接面に当接して支持されるようになっている。バルブフィンガーはいずれも、吸込み室から、ピストンを受け入れるシリンダーボア内への冷媒流を保証する吸込みボアを覆うようになっている。ピストンがシリンダーボア内でバルブ装置から遠ざかる方向に運動する際には、ピストンの吸込み力がバルブプレート上のバルブフィンガーの付着力に打ち克つために、バルブフィンガーは最終的にバルブプレートから引き離されて、吸込みボアを開放するが、冷媒はこのときにシリンダーボア内に流れ込むようになっている。冷媒の中には、吸込みボアの小径化を要求するものがあるが、それにより、吸込み室側からバルブフィンガーに加えられる押付け力が小さくなり、その結果、より大きな付着力に打ち克つことが必要となる。特にそのような往復ピストン機関では、ピストンの吸込み力若しくはシリンダーボア内の吸込み圧力が、バルブフィンガーのバルブプレートへの付着力に打ち克つためには、すなわち、バルブフィンガーをバルブプレートから引き離し、それによって吸込みボアを開放するためには、しばしば不十分であることが判明している。それにより、往復ピストン機関の始動特性が悪化し、効率が低下する。

付着力により簡単に打ち克つことができるようにするために、従来技術から公知である往復ピストン機関では、バルブフィンガーとバルブプレート間の接触面の粗度が増大される。それにより接触面積が減少し、更にそれに伴って、バルブフィンガーとバルブプレート間に作用する粘着力も低減される。面粗度は、通常サンドブラスト、ニードリング若しくは型押しなどの表面処理方式を利用して、又はエッチングにより、増大される。このような方法の短所は、制御性に劣る上に、所定の面粗度を生じさせる、事前に厳密に規定される構造を、これらの方法によっては実現できない点にある。

従って本発明の課題は、事前に規定される構造を、簡単に、かつ明確に定義された態様で作り込むことができるようにした、往復ピストン機関を得ることにある。

この課題を解決するために、請求項１の特徴を備えた往復ピストン機関が提案される。この往復ピストン機関は、バルブフィンガー及び/又はバルブプレートの、少なくとも、少なくとも一つのバルブフィンガーがバルブプレート上に載置される領域に、複数の凹所及び/又は隆起部の形態をとる構造が設けられること、及び、この構造がいずれかのレーザー方式を利用して作製されることを特色としている。バルブフィンガー及び/又はバルブプレートにレーザー方式を利用してこうした構造を有利に作り込むことにより、表面構造、特に凹所の深さ及び隆起部の高さ、ひいては面粗度を、事前に厳密に決定することが可能となり、又それに伴い、バルブフィンガーとバルブプレート間の接触領域に、粘着力を少なくとも低減する最適表面特性をもたらすことが可能となる。因みにレーザー方式により作製される凹所及び隆起部については、同じレーザー加工工程の間に迅速かつ低コストで作製することができる。それ以外にもレーザー方式により、従来の方法によっては実現できなかった、微小サイズの明確に定義された構造をもたらすことができる。

特に好ましいのは、一つの凹所の周囲のどの側辺部にも、隆起部が一つずつ直接連続していることを特色とする、往復ピストン機関の実施例である。このように形成された構造は、いずれかのレーザー方式により、非常に簡単に作製することができる。なぜなら、凹所から出る材料が、この凹所の周囲の側辺部に、隆起部の形態で集まるように、レーザーの出力を相応に高く設定することだけが要求されるからである。

特に好ましいのは、他にも、この構造が格子形状に形成されることを特色とする、往復ピストン機関の実施例である。そうすることによって、複数の凹所及び隆起部を有する比較的大面積の構造を、明確に定義された態様で製作することができる。

特に好ましいのは、この構造が複数のスポット状の凹所を有していることを特色とする、往復ピストン機関の更にもう一つの実施例である。この場合は隆起部が、リング状に形成され、スポット状の凹所に対して同心で配置されると好適である。その際に、個々のスポット状の凹所間の距離、若しくはリング状の隆起部間の距離は、それぞれの要求項目により、まちまちであってもかまわない。

特に好ましいのは、それ以外にも、この構造が、バルブプレートのバルブフィンガーによって一時的に封止される吸込み口の周囲を少なくとも部分的に取り囲むように配置されることを特色とする、往復ピストン機関の実施例である。正に、吸込み口の周囲を取り囲んでいるこの領域においては、小さな吸込み力であっても、付着力に既に打ち克っていることが重要となる。吸込み口の周囲を取り囲んでいるこの領域に、この構造を配置することにより、それにとって最適な前提条件がもたらされることになる。

特に好ましいのは、最後には、バルブフィンガーが、バルブプレートに当接してこれを封止する領域である、構造化されていない一つのリング状の領域が、吸込みボアの周囲を直接取り囲むように備えられることを特色とする、往復ピストン期間の実施例である。これによって、吸込み室とシリンダーボア間に短絡が生じることが阻止される。

以下では、図面に基づき本発明を詳細に説明する。

バルブ装置の部分領域の斜視図である。 図１に示されるバルブ装置の断面図である。 本発明に従った構造を備えたバルブ装置の図である。 図３に示される構造を、切断線G-Gに沿って切り取ったときの、拡大断面図である。

図１には、往復ピストン機関のバルブ装置1の部分領域の斜視図が示される。このバルブ装置1は、一つのバルブプレート3、及び、一つの板状のバルブ、ここでは、あくまでも一例として、一つの吸込みバルブ5を有している。送出しバルブについても、本発明を同様に適用可能であることは、言うまでもない。

バルブ装置1は、シリンダーボアの内部に摺動式に支承された、ここには図示していない一つのピストンと協働する。ピストンがシリンダーボア内でバルブ装置から遠ざかる方向に運動する際には、吸込み力が発生するが、この吸込み力は、少なくとも一つのバルブフィンガー7をバルブプレート3から引き離して、ここには図示していない吸込みボアを開放するためには、バルブフィンガー7のバルブプレート3への付着力に打ち克つ必要がある。好適には一回の打ち抜き工程から成る製造工程に起因して、この少なくとも一つのバルブフィンガー7は、好適にも吸込みバルブ5と一体型に形成されている。

吸込みバルブ5は、複数のバルブフィンガー7を有しており、それぞれのバルブフィンガー7に対して、吸込みボアが正確に一つずつ配置されていると好適である。他にも、それぞれのバルブフィンガー7に対して、シリンダーボア内に支承されたピストンが一つずつ配置されている。

バルブフィンガー7は、バルブフィンガーアーム9及びバルブフィンガーヘッド11から成っている。バルブフィンガーヘッド11は、ここには図示していない吸込みボアを覆うようになっている。この吸込みボアは、吸込みバルブが開弁状態にあるときには、すなわちバルブフィンガーヘッド11が吸込みボアを覆い隠してはいないときには、吸込み領域とシリンダーボア間の流体接続を保証する。吸込みバルブ5、及び、ここには一つだけしか示されていない、吸込みバルブ5の複数のバルブフィンガー7は、バルブプレート3上の当接面13の上に載置されている。

バルブフィンガー7が、吸込みバルブ5のその他の部分から独立して自由に運動することができるように、吸込みバルブ5には、バルブフィンガー7の周囲をぐるりと取り巻く一つのリセス15が設けられている。吸込みバルブ5には、このリセス15の領域に更に、シリンダーボアと、吸込み領域から切り離された一つの圧力室との間の流体接続をもたらす一つの出口穴17が配置されている。

バルブプレート3の、この当接面13と対向する側の面には、ここには図示していない一つの送出しバルブが配置されるが、この送出しバルブも同様に、出口穴17を封止するバルブフィンガーを有している。ピストンがシリンダーボア内でこのバルブ配列1に向かって運動するときには、ここには図示していない送出しバルブが、圧縮された冷媒の圧力によって、バルブプレート3の当接面13と対向する側の面から遠ざかる方向に押しやられることにより、シリンダーボアと圧力室間に冷媒流が生じることを可能としている。

上記で既に説明したように、吸込みバルブ5を開くためには、すなわち、バルブフィンガー7を、バルブフィンガーヘッド11の下の、図示していない吸込みボアから持ち上げて外すためには、バルブフィンガー7とバルブプレート3の当接面13間の支配的な付着力に打ち克つ必要がある。バルブフィンガー7と当接面13間のこの付着力は、バルブプレート3上のバルブフィンガー7の支持面積が大きくなればなるほど、増大する。支持面積とは、ここでは、バルブフィンガー7とバルブプレート3とが接触する領域の合計であると解釈することができる。

特定の、特にガス状の冷媒の場合は、より小径の吸込みボアを備えることが要求される。それにより、バルブフィンガー7のここでは確認することができない下面に作用する力は、吸込み室内に存在する冷媒によって低減されることになる。これに相応して、バルブフィンガー7と当接面13間の付着力が増大するが、ピストンの吸込み力は、この付着力に打ち克つことが要求される。

始動特性を改善するため、図１に図示されたバルブプレート3には、当接面13上のバルブフィンガー7の支持面積を低減する、複数の溝19が設けられている。これらの溝19は、バルブフィンガーアーム9の領域に設けられると好適である。しかし、これらの溝19を、バルブフィンガーヘッド11の領域に配置することも考えられる。これについては、これらの溝19が、ここでは確認することができない吸込みボアと導通していないことが肝要であるが、なぜなら、そうでない場合には、吸込み室とシリンダーボア間に短絡を生じかねないからである。

溝19は、縦長に実施され、バルブプレート3内で、バルブフィンガーアーム9の全幅にわたり延びて、更にその両側縁部21及び23を超えたところに達している。従って、バルブプレート3に設けられるこの溝19は、一方では、バルブ装置1に接続しているシリンダーボアと導通しており、他方では、バルブフィンガー7とバルブプレート3との間に配置されている、若しくはバルブフィンガー7によって覆われている。

これにより冷媒は、これらの溝19を通って、簡単に吸込み室から出て、バルブフィンガー7の下面、すなわちバルブフィンガー7の当接面13上に載置される側の面の下側を、さながら伏流のように流れることができる。一方ではこの伏流によって、他方ではバルブプレート3の当接面13上のバルブフィンガー7の支持面積が低減されることによって、そのように僅かなものとなっている、バルブフィンガー7とバルブプレート3間の支配的な付着力に、打ち克つことが可能となる。往復ピストン機関の始動挙動と効率は、それによって大幅に改善される。

図２には、図１に示されるバルブ装置1の断面図が示される。同じ部品には同じ符号が付されているために、これらについては繰り返しを避けるために図１に関する説明を参照されたい。

図２には、バルブフィンガーのバルブフィンガーヘッド11により覆われる吸込みボア25を確認することができるが、この吸込みボア25には、吸込みバルブ5のこの吸込みボア25と対向する側に、一つの吸込み室が接続されており、この吸込み室から、圧縮されることになる冷媒が、吸込みボア25を通ってシリンダーボア内に入り込めるようにしている。

図２から再度明らかであるように、一方ではシリンダーボアと導通し、他方では特にバルブフィンガー7のバルブフィンガーアーム9によって覆われている、少なくとも一つの溝19が設けられると好適である。これらの溝19が、バルブフィンガー7の下面27に設けられる場合は、溝19がバルブプレート3によって覆われることになる。

図３には、本発明に従った構造29を備えたバルブ装置が示される。同じ部品には同じ符号が付されているために、これらについては、これまでの図に関する説明を参照されたい。バルブフィンガー7は、図３においては、単に暗示されるにとどまっている。

構造29は、図３では、あくまでも一例として、格子形状に形成されて、バルブフィンガー7によって一時的に封止されるようになっている吸込みボア25の周囲を部分的に取り囲むようにバルブプレート3に配置されている。吸込みボア25の周囲がほぼ完全に構造29によって取り囲まれているようにすることも考えられる。バルブフィンガー7が、バルブプレート3に当接してこれを封止する領域である、構造化されていない一つのリング状の領域が、吸込みボア25の周囲を直接取り囲むように備えられると好適である。このリング状の封止領域が、吸込みボア25の周囲を好適には完全に取り囲むことによって、吸込み室とシリンダーボア間の短絡が回避される。その場合には、バルブフィンガーヘッド11が好適にもほぼ完全に構造29の上に載置されることになる。

それ以外にも、構造29にスポット状の凹所を備え、それぞれのスポット状の凹所に対して、リング状の隆起部を一つずつ、同心で配置することも考えられる。このため、レーザーであれば、バルブプレート3の当接面13又はバルブフィンガー7の下面27をスポット状に加工できるかもしれない。この場合は、レーザー加工工程の間に凹所から押しのけられる材料により、リング状の隆起部が形成されることになる。

レーザーを利用して作り込まれる構造29により、結局のところは、バルブフィンガー7のバルブプレート3への「貼付き」を回避するか又は少なくとも最小限化する、明確に定義された粗度が生じることになる。この面粗度により、バルブフィンガー7とバルブプレート3が接触する面積が低減される。この構造29は、ここではあくまでも一例として、バルブプレート3の当接面13に作り込まれている。しかし、当接面13上に一時的に載置されるバルブフィンガー7の下面に、この構造29を作り込むことも考えられる。この構造が、明確に定義された態様で、レーザーを利用して作製されることだけが重要である。

ここに提案される構造29は、いずれかのレーザー方式を利用して製作されるようになっている。それにより、殆どどのような形状もとることができる、非常に微細な、明確に定義された構造を実現することができる。公知の方法とは対照的に、付着力を低減させる構造を製作する目的でのレーザー方式の使用には、これを低コストで、迅速かつ正確に実行することができるという利点がある。

この構造29は、バルブフィンガー7がバルブプレート3に当接している領域を越えて広がるようにしてもよい。それにより、溝19と同様のプラスの影響を達成することができる。

上記で既に説明したように、この構造29は、バルブフィンガー7だけに設けられるようにしてもよいし、或いは、他に追加してバルブフィンガー7にも設けられるようにしてもよい。その場合はこの構造29が、バルブフィンガー7の側縁部21のところまで広がっているとよい。当然ながらこの構造29は、バルブフィンガー7又はバルブプレート3の、バルブフィンガーアーム9の領域にも配置されるとよい。

以下では、レーザーを利用して製作される構造29を、図４に基づいて詳しく立ち入ることにする。

図４には、図３に示される構造29を、切断線G-Gに沿って切り取ったときの拡大断面図が示される。同じ部品には同じ符号が付されているために、これらについては、これまでの図に関する説明を参照されたい。

図４に示される断面図から明らかであるように、構造29は、バルブプレート3の当接面13の下側若しくは上側に広がる複数の凹所31及び隆起部33を有している。図４に示される構造29には、凹所31の両側に隆起部33が備えられているが、これらの隆起部33は、レーザー加工工程の間に凹所31から押しのけられた材料により形成されている。

要するに、レーザー方式の使用が、凹所31及び隆起部33を有する構造29の作り込みに、極めて良好に適することは明らかである。これにより、バルブプレート3の当接面13及び/又はバルブフィンガー7の下面に精密に作り込むことができる、明確に定義された任意の構造、ひいては明確に定義された面粗度を、低コストで迅速にもたらすことができる。

表面に粗い構造を作り込むための、従来技術から公知である方法だと、例えばエッチング工程やサンドブラスト工程などの、恣意的な、すなわち制御することができない、化学的若しくは物理的な材料処理方式により製作される構造を、未定義の態様で作り込むことしかできない。すなわち、これらの方式では、バルブフィンガー7とバルブプレート3間の粘着力を低下させる最適粗度を生み出すためには、どのような構造を製作すべきであるかを、事前に厳密に規定することは不可能となっている。

それとは逆に、付着阻止構造を製作するためにレーザー方式を導入することにより、事前に規定された粗度を持つ、又この粗度についても、どのような要求に対しても、最適適合を可能とする、厳密に定義された最適化構造を実現することができる。

凹所31の所望の深さ、若しくは隆起部33の高さ、ひいては所望の粗度については、他にも適した波長を持つレーザーの出力を通じて、簡単に相応の適合化を行うことができる。それ以外にも、非常に小さい構造をもたらすことができるように、レーザー光の焦点を調整できるようにするとよい。

付着低減構造をバルブプレート3及び/又はバルブフィンガー7に実現するためのレーザー方式の使用は、特に有利であることが明らかである。

他の流体機械、特に油圧機械及び空圧機械における、バルブの同等の用途についても、本発明を同様に導入できることは言うまでもない。

1 バルブ装置
3 バルブプレート
5 吸込みバルブ
7 バルブフィンガー
9 バルブフィンガーアーム
11 バルブフィンガーヘッド
13 当接面
15 リセス
17 出口穴
19 溝
21 側壁
23 側壁
25 吸込みボア
27 下面
29 構造
31 凹所
33 隆起部

Claims (7)

1. 往復ピストン機関、特に自動車用エアコンコンプレッサーであって、
   - シリンダーボアの内部に摺動式に支承された、少なくとも一つのピストン、及び、
   - 一つのバルブプレート(3)と、少なくとも一つのバルブフィンガー(7)を具備した一つのバルブ(吸込みバルブ(5))とを有している、前記少なくとも一つのピストンと協働する一つのバルブ装置(1)
   を有する往復ピストン機関において、
   - 前記バルブプレート(3)及び/又は前記バルブフィンガー(7)の、少なくとも、前記少なくとも一つのバルブフィンガー(7)が前記バルブプレート(3)上に載置される領域に、複数の凹所(31)及び/又は隆起部(33)の形態をとる構造(29)が設けられること、及び、
   - 前記構造(29)が、いずれかのレーザー方式を利用して作製されていることを特徴とする、往復ピストン機関。
2. 一つの凹所(31)の周囲のどの側辺部にも、隆起部(33)が一つずつ直接接続していることを特徴とする、請求項１に記載の往復ピストン機関。
3. 前記構造(29)が格子形状に形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の往復ピストン機関。
4. 前記構造(29)が複数のスポット状の凹所を有することを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の往復ピストン機関。
5. 前記スポット状の凹所に対して同心に配置されるリング状の隆起部が備えられることを特徴とする、請求項６に記載の往復ピストン機関。
6. 前記構造(29)が、前記バルブプレートの前記バルブフィンガー(7)によって一時的に封止される吸込みボア(25)の周囲を少なくとも部分的に取り囲むように配置されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の往復ピストン機関。
7. 前記バルブフィンガー(7)が前記バルブプレート(3)に当接してこれを封止する領域である、構造化されていない一つのリング状の領域が、前記吸込みボア(25)の周囲を直接取り囲むように備えられることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の往復ピストン機関。

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