JP3318950B2 - 斜板式圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両空調装置等に用い
られる斜板式圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の斜板式圧縮機として、特開昭６０
−１７５７８３号公報に開示されたものが知られてい
る。この圧縮機は、図４に示すように、複数のシリンダ
ボア８１を有するシリンダブロック８２がセンターハウ
ジング８０内で中央部に配置されており、その前方端は
密閉状のクランク室８３を形成してフロントハウジング
８４により閉塞され、その後方端は弁板８５を介してリ
ヤハウジング８６により閉塞されている。リヤハウジン
グ８６には、シリンダボア８１と連通する吸入室８７及
び吐出室８８が設けられている。そして、シリンダブロ
ック８２の中心軸孔には駆動軸８９が挿嵌支承されてお
り、この駆動軸８９にはクランク室８３内に回転支持体
９０が同期回転可能に支持されている。回転支持体９０
にはヒンジ機構９１を介して斜板９３が連結されてい
る。ヒンジ機構９１は、回転支持体９０に貫設された長
孔９１ａと、この長孔９１ａに係合され斜板９３から伸
びるスイングプレート９３ａに固着されたヒンジピン９
３ｂとからなる。斜板９３は、図５に示すように、表裏
に平面９３ａ、９３ａをもち、図４に示すように、駆動
軸８９との間にスリーブ９２が介在されている。スリー
ブ９２は駆動軸８９の軸線方向に摺動可能に装備されて
おり、外周面では斜板９３との間で球面接触を維持して
いる。こうして斜板９３は駆動軸８９と同期回転及び傾
斜角変位可能になされている。また、斜板９３には、各
シリンダボア８１内に嵌入された単頭形のピストン９４
が一対のシュー９５、９５を介して係留されている。各
シュー９５は、図５に示すように、斜板９３の各平面９
３ａと当接する平面９５ａをもち、平面９５ａの背後に
半球部９５ｂが膨出されている。各シュー９５の半球部
９５ｂは、図４に示すように、ピストン９４の首部に凹
刻された半球支承面９４ａ、９４ａに係合されている。
そして、シリンダブロック８２には、クランク室８３と
吸入室８７とを連通する連通孔９６が設けられており、
この連通孔９６はクランク室８３の圧力を制御する制御
弁９７によって開閉される。

【０００３】この圧縮機では、駆動軸８９の駆動に伴っ
て斜板９３が回転すると、ピストン９４の半球支承面９
４ａと係合した半球部９５ｂをもつ各シュー９５は、図
５に示すように、斜板９３の平面９３ａに対して平面９
５ａが斜板９３の傾斜角に応じた楕円軌道で摺動する。
この楕円軌道の摺動は、周方向への相対変位（矢印Ａ）
と、斜板９３の径方向への相対変位（矢印Ｃ）とにより
行われる。また、各シュー９５は、このとき、半球部９
５ｂと半球支承面９４ａとにおける径方向への揺動（矢
印Ｂ）を行なう。こうして、斜板９３の傾斜角に応じた
揺動運動のみがシリンダボア８１内における各ピストン
９４の往復動に変換される。これにより、図４に示すよ
うに、吸入室８７からシリンダボア８１内に冷媒ガスが
吸入され、冷媒ガスは圧縮された後吐出室８８へ吐出さ
れる。

【０００４】そして、吐出室８８へ吐出される冷媒ガス
の圧縮容量は、制御弁９７によるクランク室８３内の圧
力調整により制御される。すなわち、制御弁９７が連通
孔９６を開放することによりクランク室８３の圧力を吸
入室８７と連通させれば、ピストン９４に作用する背圧
が下がることにより、斜板９３の傾斜角が大きくなる。
つまり、ヒンジ機構９１のヒンジピン９３ｂが長孔９１
ａ内で駆動軸８９から遠い位置へ変動するとともにスリ
ーブ９２が前進し、斜板９３がスリーブ９２の外周面に
沿って俯伏方向に回動する。このとき、各シュー９５
は、相対変位（矢印Ｃ）の拡大により、楕円軌道をその
長軸を延長する方向に変える。これにより、ピストン９
４のストロークが伸長されて圧縮容量は大きくなる。

【０００５】逆に、制御弁９７が連通孔９６を閉鎖する
ことによりブローバイガスでクランク室８３の圧力が高
くなれば、ピストン９４に作用する背圧が上がることに
より、斜板９３の傾斜角が小さくなる。つまり、ヒンジ
機構９１のヒンジピン９３ｂが長孔９１ａ内で駆動軸８
９に近い位置へ変動するとともにスリーブ９２が後退
し、斜板９３がスリーブ９２の外周面に沿って仰立方向
に回動する。このとき、各シュー９５は、相対変位（矢
印Ｃ）の縮小により、楕円軌道をその長軸を短縮する方
向に変える。これにより、ピストン９４のストロークが
短縮されて圧縮容量は小さくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記圧縮機の
各シュー９５は、各ピストン９４との間では、その半球
部９５ｂと半球支承面９４ａとの係合により斜板９３の
径方向への変位が規制されているものの、傾斜した斜板
９３との間では、その平面９５ａが平面９３ａと当接し
ているのみであるため径方向への変位が許容されてい
る。このため、各ピストン９４が各シュー９５を介して
斜板９３に作用する圧縮荷重は、軸方向の力の他に斜板
９３の傾斜角に応じて径方向の力（サイドフォース）と
して作用する。特に、この単頭ピストン形式の圧縮機で
は、斜板９３の片側にピストン９４があり、かつ両頭ピ
ストン形式のようにシリンダボア８１内でピストン両端
が案内されるものではないことから、ピストン９４はサ
イドフォースによりシリンダボア８１内で径方向に傾動
して片当たりを生じ、ピストン９４、シリンダボア８１
間に偏摩耗を生じることとなる。

【０００７】そこで、本出願人は、先に、ピストンが受
けるサイドフォースを低減し、ピストンの偏摩耗を有効
に防止できる同型圧縮機を提案した（実願平２−１２８
８２３号）。この圧縮機は、例えば図６に示すように、
駆動軸７０と揺動可能に係合された斜板７１には環状レ
ール７１ａが突設され、前記シューは、斜板７１と係合
する一対の内シュー７２、７２と、各内シュー７２、７
２及び前記ピストン７４と係合する一対の外シュー７
３、７３とからなるものである。各内シュー７２、７２
は、環状レール７１ａに周方向への相対変位可能に嵌入
する弧状溝７２ａと、この弧状溝７２ａの背後に膨出し
た少なくとも斜板７１の径方向に弧状に広がる内膨出部
７２ｂとが形成されたものである。各外シュー７３は、
内シュー７２の内膨出部７２ｂと係合する内膨出支承部
７３ａと、この内膨出支承部７３ａから背後に膨出した
少なくとも斜板７１の周方向に弧状に広がる外膨出部７
３ｂとからなるものである。また、ピストン７４の首部
には外シュー７３の外膨出部７３ｂを斜板７１の径方向
へ案内する円筒支承面７４ａが凹刻されている。

【０００８】しかしながら、上記提案の圧縮機にあって
は、ピストン７４が受けるサイドフォースを低減できる
ものの、斜板７１の構造、及び斜板７１の回転運動をピ
ストン７４の往復直動に変換するシュー７２、７３の構
造が複雑となり、部品点数が多く、製造も面倒である。
本発明は、単頭ピストン形式の斜板式圧縮機において、
部品点数及び製造上の問題点を解消しつつ、上記ピスト
ンの傾動を抑えてピストン及びシリンダボア間での片当
たりによる偏摩耗を有効に防止することを解決すべき課
題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の斜板式圧縮機
は、駆動軸を支承し該駆動軸の周りに平行配置された複
数のボアを有するシリンダブロックと、該シリンダブロ
ックと結合してクランク室を形成するハウジングと、該
クランク室内に収容されて駆動軸と共動する斜板と、該
斜板にシューを介して係留され前記ボア内を直動する単
頭形のピストンとを備えた斜板式圧縮機において、前記
各ピストンの頭頂面は、各ボアの外接円から求心方向に
向けて延出すべく傾設されていることを特徴とする。

【００１０】

【作用】斜板式圧縮機では、駆動軸の駆動に伴って斜板
が回転すると、該斜板の傾斜角に応じた揺動運動がシュ
ーを介してピストンの往復動に変換される。このとき、
シューは斜板との間で斜板の径方向への変位が許容され
ているので、斜板の傾斜角に応じた径方向のサイドフォ
ース、つまりピストンを径方向外方に傾動させようとす
る分力ｑがシューを介して斜板からピストンに伝わる。

【００１１】本発明の斜板式圧縮機は、ピストンの頭頂
面が、各ボアの外接円から求心方向に向けて延出すべく
傾設されている。このため、該ピストンの頭頂面にガス
圧縮荷重が作用すると、ピストンを上記径方向内方に傾
動させようとする分力Ｑが働く。ピストンの往復動時、
このピストンを上記径方向内方へ傾動させようとする分
力Ｑが常にピストンを上記径方向外方へ傾動させようと
する上記分力ｑに対抗するので、上記サイドフォースに
起因するピストンの径方向外方への傾動を抑えることが
できる。このため、単頭形のピストンであっても、ピス
トン、シリンダボア間での片当たりを生じにくい。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図面を参
照しつつ説明する。この圧縮機は、図１に示すように、
複数のシリンダボア１ａを有するシリンダブロック１が
中央部に配置されており、その前方端は密閉状のクラン
ク室２ａを形成してフロントハウジング２により閉塞さ
れ、その後方端は弁板１２を介してリヤハウジング３に
より閉塞されている。リヤハウジング３には、シリンダ
ボア１ａと連通する吸入室３ａ及び吐出室３ｂが設けら
れている。そして、シリンダブロック１の中心軸孔には
駆動軸４が挿嵌支承されており、この駆動軸４にはクラ
ンク室２ａ内に回転支持体５が同期回転可能に支持され
ている。なお、上記複数のシリンダボア１ａは駆動軸４
の周りに平行配置されている。回転支持体５にはヒンジ
機構Ｋを介して回転駆動体１１が支承されている。ヒン
ジ機構Ｋでは、回転支持体５から後方に突出する支持ア
ーム６に取付孔６ａが貫設されており、この取付孔６ａ
にはレース８が固着され、レース８には係合する球体９
が揺動可能に装備されている。球体９にはガイド孔９ａ
が貫設されており、このガイド孔９ａには案内ピン１０
が往復動可能に支持されている。また、回転駆動体１１
にも取付孔１１ａが貫設されており、この取付孔１１ａ
に該案内ピン１０が圧入されている。

【００１３】回転駆動体１１の後方には斜板１５が締付
リング１６により固着されている。この斜板１５には、
各シリンダボア１ａ内に往復動可能に嵌入された単頭形
のピストン１９が一対のシュー１７、１７を介して係留
されている。単頭形のピストン１９は、首部１９ａとこ
の首部１９ａから進動方向に延びる頭部１９ｂとからな
り、首部１９ａに凹刻された半球支承面１９ｃにシュー
１７が係合されている。そして、ピストン１９の頭頂面
１９ｄは、各シリンダボア１ａの外接円から求心方向に
向けて延出すべく所定角度α傾設されている。

【００１４】また、回転駆動体１１は駆動軸４との間に
スリーブ１３が介在されている。このスリーブ１３は駆
動軸４の軸線方向にばね２０、２１を介して摺動可能に
装備されており、外面には軸直角方向にスリーブピン
（図示せず）が突設されている。このスリーブピンが回
転駆動体１１の図示しない取付孔に係合されている。こ
うして斜板１５は、回転支持体５及び回転駆動体１１を
介して駆動軸４と同期回転可能になされているととも
に、ヒンジ機構Ｋ及びスリーブ１３を介して傾斜角変位
可能になされている。

【００１５】さらに、リヤハウジング３には、クランク
室２ａの圧力を調整する制御弁２２が装備されている。
この圧縮機においても、前記従来の圧縮機と同様に、駆
動軸４の駆動に伴って斜板１５が回転すると、各ピスト
ン１９がシリンダボア１ａ内を往復動し、これにより吸
入室３ａからシリンダボア１ａ内に冷媒ガスが吸入さ
れ、冷媒ガスは圧縮された後吐出室３ｂへ吐出される。

【００１６】そして、図１に示すように、吐出室３ｂへ
吐出される冷媒ガスの圧縮容量は、制御弁２２によるク
ランク室２ａ内の圧力調整により制御される。すなわ
ち、例えば制御弁２２がクランク室２ａと吸入室３ａと
を連通すれば、ピストン１９に作用する背圧が下がるこ
とにより、斜板１５の傾斜角が大きくなる。つまり、球
体９がレース８と摺動することにより案内ピン１０を前
方へ揺動させ、回転駆動体１１がスリーブピンを中心に
図１の右方向に揺動するとともにスリーブ１３がばね２
１に抗して前進し、案内ピン１０がガイド孔９ａ内に入
る方向へ摺動する。そして、斜板１５は回転駆動体１
１、スリーブ１３を介して後方向に揺動し、傾斜角が大
きくなる。このため、ピストン１９のストロークが伸長
されて圧縮容量は大きくなる。

【００１７】逆に、制御弁２２がクランク室２ａと吸入
室３ａとの連通を閉鎖すれば、ブローバイガスによりク
ランク室２ａの圧力が高くなり、ピストン１９に作用す
る背圧が上がることにより、斜板１５の傾斜角が小さく
なる。つまり、球体９がレース８と摺動することにより
案内ピン１０を後方へ揺動させ、回転駆動体１１がスリ
ーブピンを中心に図１の左方向に揺動するとともにスリ
ーブ１３がばね２０に抗して後退し、案内ピン１０がガ
イド孔９ａ内から抜ける方向へ摺動する。そして、斜板
１５は回転駆動体１１、スリーブ１３を介して前方向に
揺動し、傾斜角が小さくなる。このため、ピストン１９
のストロークが縮小されて圧縮容量は小さくなる。

【００１８】ここで、斜板１５の回転により、斜板１５
の傾斜角に応じた揺動運動がシュー１７、１７を介して
ピストン１９の往復動に変換されるとき、シュー１７は
斜板１５との間で斜板１５の径方向への変位が許容され
ているので、斜板１５の傾斜角に応じた径方向のサイド
フォース、つまりピストン１９を径方向外方に傾動させ
ようとする分力ｑがシューを介して斜板からピストンに
伝わる。

【００１９】本実施例の圧縮機は、ピストン１９の頭頂
面１９ｄが、各シリンダボア１ａの外接円から求心方向
に向けて延出すべく所定角度α傾設されている。このた
め、ピストン１９の頭頂面１９ｄにガス圧縮荷重が作用
すると、ピストン１９を上記径方向内方に傾動させよう
とする分力Ｑが働く。ピストン１９の往復動時、このピ
ストン１９を上記径方向内方へ傾動させようとする分力
Ｑが常にピストン１９を上記径方向外方へ傾動させよう
とする上記分力ｑに対抗するので、上記サイドフォース
に起因するピストン１９の径方向外方への傾動を抑える
ことができる。このため、単頭形のピストンであって
も、ピストン１９、シリンダボア１ａ間での片当たりを
生じにくく、偏摩耗を有効に防止することが可能とな
る。

【００２０】なお、上記ピストン１９の頭頂面１９ｄを
傾設させる角度αは、ピストン１９に作用する荷重関係
の力学的計算より以下のように設定することができる。
まず、シュー１７がピストン１９を押圧する力の水平成
分（Ｆ）を考えると、この水平成分（Ｆ）は、次式
（１）に示すように、ピストン１９のガス圧縮荷重（Ｆ
_G ）とピストン１９の慣性力による荷重（Ｆ_M ）との差
によって求められる。

【００２１】Ｆ＝Ｆ_G −Ｆ_M …（１） ここで、 Ｐ_B ：ボア内圧力、 Ｐ_C ：クランク室内圧力、 Ｄ：ボア径、 Ｒ：ボアピッチ、 θ：斜板最大傾斜角、 とし、Ｐ＝Ｐ_B −Ｐ_C としたとき、上記（Ｆ_G ）は次式
（２）で表される。

【００２２】Ｆ_G ＝Ｐ（πＤ² ／４） …（２） また、 ｓ：ピストンストローク（＝Ｒｔａｎθ）、 ｗ：角速度（＝２πＮ_C ／６０）、 Ｎ_C ：回転数、 Ｗ_P ：ピストン重量、 ｇ：重力加速度、 としたとき、運動の第２法則より、上記（Ｆ_M ）は次式
（３）で表される。

【００２３】 Ｆ_M ＝（Ｗ_P ／ｇ）（ｓ・ｗ² ） ＝（Ｗ_P ／ｇ）（Ｒｔａｎθ）（２πＮ_C ／６０）² …（３） よって、上記（１）式に上記（２）、（３）式を代入し
て、 Ｆ＝Ｐ（πＤ² ／４） −（Ｗ_P ／ｇ）（Ｒｔａｎθ）（２πＮ_C ／６０）² …（４） の関係が導かれる。

【００２４】次に、ピストン１９の頭頂面１９ｄに圧力
Ｐ（＝Ｐ_B −Ｐ_C ）が作用することにより、ピストン１
９を径方向内方へ傾動させようとする分力を（Ｑ）とす
る。また、ピストン１９を径方向外方へ傾動させようる
する径方向のサイドフォースを（Ｒ_B ）とする。またこ
のサイドフォース（Ｒ_B ）によりピストン１９が径方向
外方へ傾動されたとき、ピストン１９に作用するシリン
ダボアからの反力を（Ｒ_A ）とする。

【００２５】このとき、上下方向の力のつり合いから、
次式（５）が導かれる。 Ｒ_B −Ｆｔａｎθ−Ｒ_A −Ｑ＝０ …（５） また、Ｍ点でのモーメントのつり合いから、次式（６）
が導かれる。 −ＦＬ₂ ｔａｎθ＋Ｒ_A Ｌ₄ ＋Ｑ（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２＝０ …（６） 上記式（６）より、 Ｒ_A ＝｛ＦＬ₂ ｔａｎθ−Ｑ（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２｝／Ｌ₄ ＝Ｆ（Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）ｔａｎθ−Ｑ（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ …（７） となり、上記式（５）に式（７）を代入し、まとめる
と、 Ｒ_B ＝Ｆｔａｎθ＋Ｒ_A ＋Ｑ ＝Ｆｔａｎθ ＋｛Ｆ（Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）ｔａｎθ−Ｑ（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ ｝＋Ｑ ＝Ｆｔａｎθ（１＋Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）−Ｑ（Ｌ₃ −Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ …（８） ここで、Ｎ_C ＝０の場合を仮定すると、上記（４）式か
ら上記（Ｆ）は、 Ｆ＝Ｐ（πＤ² ／４） となり、また上記分力（Ｑ）は、 Ｑ＝Ｐ（πＤ² ／４）ｔａｎα とおけるので、これらを上記式（７）、（８）に代入し
て、Ｐでまとめると、上記式（７）は、 Ｒ_A ＝Ｐ（πＤ² ／４）（Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）ｔａｎθ −Ｐ（πＤ² ／４）ｔａｎα（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ ＝Ｐ（πＤ² ／４） ・｛ｔａｎθ（Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）−ｔａｎα（Ｌ₃ ＋Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ ｝ となり、上記式（８）は、 Ｒ_B ＝Ｐ（πＤ² ／４）ｔａｎθ（１＋Ｌ₂ ／Ｌ₄ ） −Ｐ（πＤ² ／４）ｔａｎα（Ｌ₃ −Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ ｝ ＝Ｐ（πＤ² ／４） ・｛ｔａｎθ（１＋Ｌ₂ ／Ｌ₄ ）−ｔａｎα（Ｌ₃ −Ｌ₄ ）／２Ｌ₄ ｝ となる。

【００２６】ここで、Ｌ₄ ＝Ｌ₃ −Ｄｔａｎαとおい
て、どのαが最も効果的か検討する。例えば、Ｌ₂ ＝４
ｍｍ、Ｌ₃ ＝３０ｍｍ、θ＝１９．５°、Ｄ＝φ３１、
Ｐ＝３０ｋｇｆ／ｃｍ² Ｇでの計算例の結果を図３に示
すように、角度αが約３ｄｅｇの時に、サイドフォース
（Ｒ_B ）によりピストン１９が径方向外方へ傾動された
ときにピストン１９に作用するシリンダボアからの反力
（Ｒ_A ）が正から負へ逆転する。このときの削り代は
１．６ｍｍ程度であり、実用範囲にある。したがって、
ピストン１９の頭頂面１９ｄを、３ｄｅｇ程度傾設させ
れば、斜板傾斜角の形態のうち最も使用頻度の高い最大
斜板傾斜角時における、サイドフォースＲ_Bによるピス
トン１９の傾動を防止することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の圧縮機で
は、単頭形ピストンの頭頂面を所定角度で傾設させると
いう、部品点数及び製造上で極めて有利な手法により、
ピストンが受けるサイドフォースによるピストンとシリ
ンダボアの偏摩耗を有効に防止することができる。

【００２８】したがって、この圧縮機を例えば車両空調
装置に採用した場合、優れた耐久性を発揮することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の圧縮機の縦断面図である。

【図２】実施例の圧縮機における要部側面図である。

【図３】ピストンの頭頂面の傾設角度αとサイドフォー
スとの関係を表す線図である。

【図４】従来の圧縮機の縦断面図である。

【図５】従来の圧縮機における要部分解斜視図である。

【図６】先に提案した圧縮機における要部分解斜視図で
ある。

【符号の説明】

１…シリンダブロック ２、３…ハウジング
２ａ…クランク室 ３ａ…吸入室 ３ｂ…吐出室
１ａ…シリンダボア １９…ピストン ４…駆動軸
５…回転支持体 １１…回転駆動体 Ｋ…ヒンジ機構
１３…スリーブ １５…斜板 １７…シュー
１９ｄ…頭頂面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04B 27/08 F04B 39/00 107

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動軸を支承し該駆動軸の周りに平行配置
   された複数のボアを有するシリンダブロックと、該シリ
   ンダブロックと結合してクランク室を形成するハウジン
   グと、該クランク室内に収容されて駆動軸と共動する斜
   板と、該斜板にシューを介して係留され前記ボア内を直
   動する単頭形のピストンとを備えた斜板式圧縮機におい
   て、 前記各ピストンの頭頂面は、各ボアの外接円から求心方
   向に向けて延出すべく傾設されていることを特徴とする
   斜板式圧縮機。