JP3446586B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒など流体を吸
入圧縮する圧縮機に関するもので、二酸化炭素を冷媒と
する冷凍サイクルに用いて有効である。

【０００２】

【従来の技術】斜板などのシャフトの回転と連動して揺
動する揺動体によりピストンを往復運動させる、斜板型
やワッブル型などの圧縮機（特開平９−１７７６７０号
公報等）では、図６に示すように、揺動体（斜板）１２
３がピストン１２４に作用させる力Ｆの方向とピストン
１２４の運動方向とが交差しているので、ピストン１２
４の長手方向（運動方向）と直交する軸（紙面と垂直な
軸）周りの曲げモーメントＭがピストンに作用する。こ
のため、ピストンと接触するシリンダボアの内壁には、
曲げモーメントＭに対抗する偏心力Ｆ1 、Ｆ2 が作用す
る。

【０００３】因みに、偏心力Ｆ1 、Ｆ2 は、以下の連立
方程式を解くことにより得られる。

【０００４】

【数１】Ｆ1 ＝Ｆ2 ＋Ｆs Ｆ1 ×Ｌ1 ＝Ｆ2 ×Ｌ2 但し、Ｆs ＝Ｆ×ｓｉｎθ θ：ピストン１２４の長手方向（運動方向）と力Ｆとの
なす角

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記連立方
程式から明らかなように、偏心力Ｆ1 は偏心力Ｆ2 より
大きくなる。そこで、一般的に、斜板１２３側における
シリンダボア１２６の内壁およびピストン１２４の外壁
のヘルツ応力（偏心力Ｆ1 による発生する曲面の面圧）
が、許容応力以下となるように、各部の寸法および材質
を選定している。

【０００６】また、偏心力Ｆ1 は、上記連立方程式から
明らかなように、ピストンの軸方向寸法Ｌ2 が大きくな
るほど小さくなるので、必然的に、ピストンの軸方向寸
法Ｌ2 が大きくなってしまうという問題があった。この
ため、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルのごとく、
吐出圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクル
では、特に、上記問題が顕著になっていた。

【０００７】因み、上記問題に対しては、ピストンおよ
びシリンダボアを許容応力の高い材料で構成する、又は
表面硬化処理を施すといった手段が考えられるが、これ
らの手段では、圧縮機の製造原価上昇を招いてしまう。
本発明は、上記点に鑑み、圧縮機の製造原価上昇を招く
ことなく、圧縮機の小型化を図ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に
記載の発明では、ピストン（１２４）のうちシリンダボ
ア（１２６）の内壁と接触する部位の曲率半径であっ
て、ピストン（１２４）一端側の曲率半径を他端側の曲
率半径より大きくしたことを特徴とする。

【０００９】これにより、ピストン（１２４）のうち揺
動体（１２３）側の部位のヘルツ応力を小さくすること
はできるので、最大ヘルツ応力を一定とすれば、この部
位における偏心力を従来の技術に係る偏心力Ｆ1 より大
きくすることができる。したがって、ピストン（１２
４）の長手方向寸法を小さくすることができるので、圧
縮機の軸方向寸法の小型化を図ることができる。

【００１０】請求項２〜５に記載の発明では、ピストン
（１２４）を、その一端側の径寸法が他端側の径寸法よ
り大きくなるように、大径ピストン部（１２４ａ）およ
び小径ピストン部（１２４ｂ）からなる段付き形状とす
るとともに、ピストン（１２４）の外形状に沿うように
大径ボア部（１２６ａ）および小径ボア部（１２６ｂ）
を形成してシリンダボア（１２６）を形成することを特
徴とする。

【００１１】これにより、揺動体（１２３）側のピスト
ン（１２４）およびシリンダボア（１２６）のヘルツ応
力を小さくすることができるので、請求項１に記載の発
明のごとく、圧縮機の製造原価上昇を招くことなく圧縮
機の軸方向寸法の小型化を図ることができる。請求項３
〜５に記載の発明では、大径ピストン部（１２４ａ）お
よび大径ボア部（１２６ａ）間に流入した流体を吸入側
（１１５）に排出する排出通路（１４１）を形成したこ
とを特徴とする。

【００１２】これにより、大径ピストン部（１２４ａ）
において不必要な圧縮仕事が発生してしまうことを防止
できる。なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する
実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係る圧縮機をいわゆる片斜板型圧縮機に適用し
たものであって、図１は本実施形態に係る斜板型圧縮機
を有する車両用の超臨界冷凍サイクルの模式図である。

【００１４】図１中、１００は気相状態の冷媒（二酸化
炭素）を圧縮する斜板型圧縮機（以下、圧縮機と略
す。）であり、２００は圧縮機１００で圧縮された冷媒
を外気等との間で熱交換して冷却する放熱器（ガスク
ーラ）である。なお、圧縮機１００は、電磁クラッチ
（図示せず）を介して車両走行用エンジン（外部駆動
源）６００により駆動される。

【００１５】３００は放熱器２００の出口側での冷媒
温度に応じて放熱器２００の出口側圧力を制御する圧力
制御弁である。なお、圧力制御弁３００は、放熱器２０
０の出口側圧力を制御するとともに減圧器を兼ねてお
り、冷媒 は、この圧力制御弁３００にて減圧されて低
温低圧の気液２相状態の冷媒 となる。４００は、車室
内の空気冷却手段をなす蒸発器（吸熱器）で、気液２相
状態の冷媒 は蒸発器４００内で気化（蒸発）する際
に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って車室内空気を冷却
する。５００は、気相状態の冷媒 と液相状態の冷媒
とを分離するとともに、気相状態の冷媒 を一時的に蓄
えるアキュームレータ（タンク手段）である。

【００１６】次に、圧縮機１００について図２を用いて
述べる。１１０はアルミニウム製のハウジングであり、
このハウジング１１０は、電磁クラッチが配設される側
（紙面左側）から順に、フロントハウジング１１１、ミ
ドルハウジング１１２、シリンダハウジング１１３、お
よびリアハウジング１１４の４つの部位から構成されて
いる。因みに、これら１１１〜１１４は、ボルト等の締
結手段（図示せず）により互いに固定されている。

【００１７】そして、ハウジング１１０内には、一端側
（紙面左側）がハウジング１１０（フロントハウジング
１１１）内外を貫通するシャフト１２０が配設されてお
り、このシャフト１２０の一端側（ハウジング１１０外
に突出している部分）には、エンジン６００から伝達さ
れる回転駆動力を、断続可能にシャフト１２０に伝達す
る電磁クラッチを結合するためのスプライン（伝達部）
１２０ａが形成されている。

【００１８】なお、フロントハウジング１１１およびリ
アシリンダ１１４には、シャフト１２０の軸方向と直交
する方向のラジアル荷重に対抗してシャフト１２０を回
転可能に支持するラジアル軸受１２１が配設され、フロ
ントシリンダ１１１内には、後述する斜板１２３を介し
てシャフト１２０の軸方向荷重（以下、この荷重をスラ
スト荷重 と呼ぶ。）に対抗してシャフト１２０を回転
可能に支持するスラスト軸受１２２が配設されている。

【００１９】また、ミドルハウジング１１２とシリンダ
ハウジング１１３とによって形成された空間（以下、こ
の空間を斜板室と呼ぶ。）１１５には、シャフト１２０
に対して所定角度を有して傾いた状態で圧入固定された
斜板（揺動体）１２３が配設されている。そして、斜板
１２３の径外方側には、シャフト１２０の長手方向に往
復運動するピストン１２４の一端側が、一対のシュー１
２５を介して斜板１２３に揺動可能に連結されている。

【００２０】このため、シャフト１２０の回転ととも
に、斜板１２３が回転しながら径外方側が揺動するの
で、シャフト１２０の回転運動が往復運動に変換されて
ピストン１２４が往復運動させられる。また、ピストン
１２４は、その一端側（斜板１２３側）の径寸法が他端
側（リアハウジング１１４側）の径寸法より大きくなる
ように、大径ピストン部１２４ａおよび小径ピストン部
１２４ｂからなる段付き形状に形成されている。なお、
ピストン１２４は、シャフト１２０周りに複数本連結さ
れており、本実施形態では５本である。

【００２１】一方、シリンダハウジング１１３には、ピ
ストン１２４と摺動可能に接触するシリンダボア１２６
が形成されており、このシリンダボア１２６は、ピスト
ン１２４の外径状に沿うように、大径ピストン部１２４
ａに対応する大径ボア部１２６ａ、および小径ピストン
部１２４ｂに対応する小径ボア部１２６ｂが形成されて
いる。

【００２２】なお、冷媒を吸入圧縮する作動室Ｖｃは、
小径ピストン部１２４ｂおよび小径ボア部１２６ｂによ
り構成され、一方、大径ピストン部１２４ａおよび大径
ボア部１２６ａは、ピストン１２５の往復運動を案内す
るガイド部を構成している。ところで、ミドルハウジン
グ１１２には、アキュームレータ５００の出口側に接続
されるとともに斜板室１１５に連通する吸入口１３０が
形成され、シリンダハウジング１１３には、リアハウジ
ング１１３に形成された吸入室１３１と斜板室１１５と
を連通させる連通路１３２が形成されている。なお、吸
入室１３１は、複数個の作動室Ｖｃ に冷媒を分配供給
するため空間である。

【００２３】また、リアハウジング１１４には、吸入室
１３１に加えて、複数個の作動室Ｖｃ から吐出された
冷媒を集合させて、放熱器２００の入口側に接続される
吐出口１３３に冷媒を導く吐出室１３４が形成されてい
る。因みに、両室１３１、１３４は、リアハウジング１
１４に略円弧状に形成された溝の開口側を金属製のバル
ブプレート１３５により閉塞することにより形成されて
いる。

【００２４】なお、バルブプレート１３５には、吸入室
１３１と作動室Ｖｃ とを連通させる吸入ポート１３
６、および作動室Ｖｃ と吐出室１３４とを連通させる
吐出ポート１３７が形成されている。そして、吸入ポー
ト１３６には、作動室Ｖｃ から吸入室１３１に冷媒が
逆流することを防止するリード弁状の吸入弁１３８が設
けられ、一方、吐出ポート１７６には、吐出室１３４か
ら作動室Ｖｃ に冷媒が逆流することを防止するリード
弁状の吐出弁１３９が設けられている。因みに、両弁１
３８、１３９およびバルブプレート１３５は、リアハウ
ジング１１４と共にシリンダハウジング１１３に共締め
固定されている。

【００２５】因みに、フロントハウジング１１１には、
オイルシール等の軸シール１４０が配設されており、こ
の軸シール１４０により斜板室１１５とハウジング１１
０外とが連通することを防止している。次に、本実施形
態の特徴を述べる。本実施形態によれば、ピストン１２
４のうち斜板１２３側（大径ピストン部１２４ａ）の径
寸法が他端側（小径ピストン部１２４ｂ側）の径寸法よ
り大きくなっているので、作動室Ｖｃの体積（吸入容
量）およびピストンストローク（行程長さ）を変更する
ことなく、ピストン１２４のうち斜板１２３側の径寸
法、すなわちシリンダボア１２６の内壁に接触する部位
の曲率半径を大きくすることができる。

【００２６】したがって、ピストン１２４のうち斜板１
２３側の部位（大径ピストン部１２４ａ）のヘルツ応力
を小さくすることはできるので（数式２参照）、最大ヘ
ルツ応力を一定とすれば、偏心力Ｆ1 ’（図３参照）を
従来の技術に係る偏心力Ｆ1より大きくすることができ
る。延いては、ピストン１２４の長手方向寸法を小さく
することができるので、圧縮機１００の軸方向寸法の小
型化を図ることができる。

【００２７】また、シリンダボア１２６のうち斜板１２
３側の部位（大径ボア部１２６ａ）の径寸法も大径ピス
トン部１２４ａの径寸法の拡大に呼応して大きくなるの
で、さらに、ヘルツ応力を小さくすることができる。し
たがって、圧縮機１００の軸方向の小型化をさらに図る
ことができる。

【００２８】

【数２】

【００２９】なお、以上に述べた効果を証明すれば以下
の通りである。すなわち、数式１よりＬ2 を求めれば数
式３となる。

【００３０】

【数３】

【００３１】そして、数式３を偏心力Ｆ1 で偏微分すれ
ば、数式４となる。

【００３２】

【数４】

【００３３】したがって、Ｆ1 ’＞Ｆ1 とすれば、Ｌ2
’＜Ｌ2 となり、シリンダボア１２６の内壁に接触す
る部位の曲率半径を大きくすれば、ピストン１２４の長
手方向寸法を小さくすることができる。以上に述べたよ
うに、本実施形態に係る圧縮機１００では、許容応力の
高い高価な材料を使用することなく、安価に圧縮機１０
０の軸方向の小型化を図ることができる。

【００３４】また、ヘルツ応力を適正値以下に抑えるこ
とができるので、ピストン１２４およびシリンダボア１
２６が偏摩耗、または焼き付くことを未然に防止でき、
圧縮機１００の耐久性（信頼性）を向上させることがで
きる。 （第２実施形態）ところで、上述の実施形態では、ピス
トン１２４およびシリンダボア１２６が段付き状に形成
されているので、作動室Ｖｃ（小径ピストン部１２４ｂ
および小径ボア部１２６ｂ間に空間）から大径シリンダ
ボア１２６ａ側に漏れた冷媒が、大径ピストン部１２４
ａにより圧縮され、圧縮機１００が不必要な圧縮仕事を
してしまう可能性がある。

【００３５】そこで、本実施形態では、図４の（ｂ）に
示すように、大径ピストン部１２４ａおよび大径ボア部
１２６ａ間に流入した冷媒を斜板室１１５（吸入側）に
排出する排出通路を構成する溝部１４１を大径ボア部１
２６ａの内壁に設けたものである。これにより、大径シ
リンダボア１２６ａ側に漏れた冷媒を溝部１４１を経て
斜板室１１５に逃がすことができるので、大径ピストン
部１２４ａにおいて不必要な圧縮仕事が発生してしまう
ことを防止できる。

【００３６】ところで、溝部１４１のうち開口側にはエ
ッジ部分（曲率半径が小さい部分）１４１ａが形成され
てしまうので、このエッジ部分１４１ａのヘルツ応力が
他の部位に比べて非常に高くなってしまう。そこで、溝
部１４１は、小径ピストン部１２４ｂの先端側に圧縮反
力が作用するときに、大径ピストン部１２４ａと大径ボ
ア部１２５ａとが非接触状態となる部位（図３、４では
紙面下側）に形成することが望ましい。

【００３７】ところで、第２実施形態では、シリンダボ
ア１２６（大径ボア部１２６ａ）に溝部１４１を設けた
が、ピストン１２４（大径ピストン部１２４ａ）に溝部
１４１を設けてもよい。これによれば、ピストン１２４
をダイキャスト成形する際に溝部１４１を一体成形する
などして、容易に溝部１４１を形成することができるの
で、ピストン１２４の製造工数低減を図ることができ、
圧縮機１００の製造原価低減を図ることができる。

【００３８】また、排出通路の形状は、溝部１４１に限
定されるものではなく、例えば大径ボア部１２６ａから
斜板室１１５または吸入ポート１３０に連通する連通路
（穴）などをシリンダハウジング１１２に形成すること
により構成してもよい。また、上述の実施形態では、吸
入室１３１および吐出室１３４をリアハウジング１１４
側に形成したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、フロントハウジング１１１側に両室１３１、１３４
を形成した圧縮機（図５参照）、ワッブル型圧縮機、又
は作動室Ｖｃを斜板１２３を挟んで両側（フロントハウ
ジング１１１およびリアハウジング１１４の両者）に有
する圧縮機に対しても適用することができる。

【００３９】また、本発明に係る圧縮機１００は、超臨
界冷凍サイクルにその適用が限定されるものではなく、
その他流体を吸入圧縮する圧縮機に対しても適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超臨界冷凍サイクルの模式図である。

【図２】第１実施形態に係る圧縮機の模式図である。

【図３】ピストンおよび斜板の拡大図である。

【図４】第２実施形態に係る圧縮機のピストンおよび斜
板の拡大図である。

【図５】本発明に係る圧縮機の変形例を示す圧縮機の断
面図である。

【図６】「発明が解決しようとする課題」を説明するた
めの説明図である。

【符号の説明】

１２３…斜板（揺動体）、１２４…ピストン、１２４ａ
…大径ピストン部、１２４ｂ…小径ピストン部、１２６
…シリンダボア、１２６ａ…大径ボア部、１２６ｂ…小
径ボア部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 雅文 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (72)発明者 酒井 猛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (72)発明者 加藤 裕康 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (56)参考文献 特開 平９−177670（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−41677（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−290070（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−101272（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04B 27/08 F04B 39/00 107

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を吸入圧縮する圧縮機であって、 ハウジング（１１０）と、 前記ハウジング（１１０）内に回転可能に配設されたシ
   ャフト（１２０）と、 前記ハウジング（１２０）内に配設され、前記シャフト
   （１２０）の回転に連動して揺動する揺動体（１２３）
   と、 一端側が前記揺動体（１２３）と揺動可能に連結され、
   前記揺動体（１２３）の揺動に連動して前記シャフト
   （１２０）の長手方向に往復運動するピストン（１２
   ４）とを有し、 前記ハウジング（１１０）内には、前記ピストン（１２
   ４）と摺動可能に接触するシリンダボア（１２６）が形
   成されており、 さらに、前記ピストン（１２４）のうち前記シリンダボ
   ア（１２６）の内壁と接触する部位の曲率半径であっ
   て、前記ピストン（１２４）一端側の曲率半径は、他端
   側の曲率半径より大きいことを特徴とする圧縮機。
2. 【請求項２】 流体を吸入圧縮する圧縮機であって、 ハウジング（１１０）と、 前記ハウジング（１１０）内に回転可能に配設されたシ
   ャフト（１２０）と、 前記ハウジング（１２０）内に配設され、前記シャフト
   （１２０）の回転に連動して揺動する揺動体（１２３）
   と、 一端側が前記揺動体（１２３）と揺動可能に連結され、
   前記揺動体（１２３）の揺動に連動して前記シャフト
   （１２０）の長手方向に往復運動するピストン（１２
   ４）とを有し、 前記ピストン（１２４）は、その一端側の径寸法が他端
   側の径寸法より大きくなるように、大径ピストン部（１
   ２４ａ）および小径ピストン部（１２４ｂ）からなる段
   付き形状に形成され、 前記ハウジング（１１０）は、前記ピストン（１２４）
   と摺動可能に接触するとともに、前記ピストン（１２
   ４）の外形状に沿うように、大径ボア部（１２６ａ）お
   よび小径ボア部（１２６ｂ）が形成されたシリンダボア
   （１２６）を有しており、 さらに、前記小径ピストン部（１２４ｂ）および前記小
   径ボア部（１２６ｂ）にて、流体を吸入圧縮する作動室
   （Ｖｃ）を構成していることを特徴とする圧縮機。
3. 【請求項３】 前記大径ピストン部（１２４ａ）および
   前記大径ボア部（１２６ａ）間に流入した流体を吸入側
   （１１５）に排出する排出通路（１４１）が形成されて
   いることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
4. 【請求項４】 前記排出通路は、前記大径ピストン部
   （１２４ａ）および前記大径ボア部（１２６ａ）の内壁
   のうち少なくとも一方側に形成された溝部（１４１）に
   より構成されていることを特徴とする請求項３に記載の
   圧縮機。
5. 【請求項５】 前記排出通路を構成する溝部（１４１）
   は、前記小径ピストン部（１２４ｂ）の先端側に圧縮反
   力が作用するときに、前記大径ピストン部（１２４ａ）
   と前記大径ボア部（１２６ａ）とが非接触状態となる部
   位に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の
   圧縮機。