JP4451835B2

JP4451835B2 - 可変容量型往復動流体機械

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Publication number: JP4451835B2
Application number: JP2005295021A
Authority: JP
Inventors: 慎二中村; 正隆角田; 巌内門; 康郎山村
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: JP2007100674A

Description

本発明は可変容量型の往復動流体機械に係わり、特にＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路の圧縮機に好適な可変容量型の往復動流体機械に関する。

例えば冷凍回路の圧縮機として用いられる可変容量型の往復動流体機械はクランク室内に変換装置を備え、変換装置は、回転軸の回転運動をストローク長可変にてピストンの往復運動に変換する。
より詳しくは、回転軸にはロータが一体に回転可能に固定され、ロータは斜板ボスを支持する。回転軸は斜板ボスのボス部を斜めに貫通し、ボス部には斜板と称される環状の板が外側から嵌められている。斜板の外周部は、シューを介してピストンのテール部により挟まれ、回転軸の回転に伴い、斜板は、回転軸に対して傾斜した状態にて回転運動する。この間、斜板はシューを介してピストンをその軸線方向両側に交互に付勢し、これによりピストンが往復運動する。ピストンのストローク長、すなわち圧縮機の容量は、シリンダボアとクランク室との間での圧力差に対応して変化するが、このストローク長変化を許容すべく、ロータは玉継手を介して斜板ボスを傾動可能に支持している。

回転中の斜板及び斜板ボスには、ピストンからの圧縮反力により、揺動させるモーメントが作用する。斜板ボスの揺動は、斜板ボスの回転や傾動を不安定にするため、斜板ボスを支持する玉継手には十分な剛性が付与される。加えて、微小な揺動による斜板ボスのがたつき、および、がたつきに基くノイズを確実に防止すべく、変換装置は、回転軸と斜板ボスのボス部との間にスリーブを備える。

例えば特許文献１の可変容量型圧縮機の変換装置に適用されたスリーブには、その外周面に凸の球状面が形成され、一方、ボス部の内周面には、スリーブの球状面と曲率が同じ凹の球状面が形成されている。これら凹凸の球状面が係合することにより、この圧縮機では、斜板ボスのがたつきが防止されるのみならず、斜板ボスの傾動が球状面により案内されて円滑になるものと考えられている。
特開平5-149244号公報

しかしながら、特許文献１の変換装置では、スリーブに外側から斜板ボスのボス部を嵌めるべく、ボス部の内周面の一部に切り欠きが形成され、且つ、スリーブの球状面も全周に亘り形成されていない。このため、ボス部の内周面とスリーブの球状面とは、周方向でみて部分的に面接触するのみである。
このため、上記文献の変換装置では、回転軸の回転中、斜板ボスの位置が微小ながら偏倚し、斜板ボスの傾動が必ずしも円滑に行われない。特に、作動流体としてＣＯ_２冷媒を用いた場合には、斜板ボスに加わる圧縮反力が大きくなるため、斜板ボスの偏倚がより大きくなって傾動が阻害され、容量制御の精度が低下する。ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路の制御は、フロン系冷媒を用いた冷凍回路に比べてもともと不安定で困難であるが、圧縮機での容量制御の低下は、その制御をより困難なものにする。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成にて斜板ボスが円滑に傾動する変換装置を備え、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路の圧縮機に好適な可変容量型の往復動流体機械を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、回転軸の回転運動をストローク長可変にてピストンの往復運動に変換する変換装置を備えた可変容量型往復動流体機械において、前記変換装置は、前記回転軸により貫通される環状の回転体と、前記回転軸に固定され、前記回転軸に対し前記回転体を傾動可能に支持する支持体と、前記回転体の内周面により囲まれる前記回転軸の部位に嵌められたスリーブとを含み、前記スリーブは、前記内周面に対して全周に亘り一つの線で線接触する球状面を有することを特徴とする可変容量型往復動流体機械が提供される（請求項１）。

好適な態様として、前記回転体の内周面は円筒状をなす（請求項２）。
好適な態様として、前記変換装置は、前記回転体から前記スリーブが抜けるのを防止する抜け止めを更に含む（請求項３）。
好適な態様として、前記変換装置は、前記ストローク長が増大する方向での前記スリーブのスライド量を規制する上限ストッパを更に含む（請求項４）。

好適な態様として、前記変換装置は、前記ストローク長が減少する方向での前記スリーブのスライド量を規制する下限ストッパを更に含む（請求項５）。
好適な態様として、前記変換装置は、前記スリーブの前記球状面及び前記回転体の前記内周面のうち少なくとも一方に形成された潤滑膜を更に含む（請求項６）。

本発明の請求項１の可変容量型往復動流体機械では、スリーブの球状面が回転体の内周面に対し全周に亘り一つの線で線接触するので、回転中の回転体の位置が偏倚し難い。このため、回転体が円滑に傾動し、流体機械での容量制御が高精度にて実施される。
特に、この流体機械がＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路に適用された場合、圧縮反力の増大により揺動モーメントが大きくなっても回転体が円滑に傾動し、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路の制御が的確に実施される。

請求項２の可変容量型往復動流体機械では、回転体の内周面を円筒状に加工するのは容易であり、スリーブに回転体を嵌める組立作業も容易である。このため、この流体機械の生産性は高い。
請求項３の可変容量型往復動流体機械では、回転体の内周面が円筒状であるけれども、変換装置は抜け止めを有するので、スリーブが常に回転体と回転軸との間に位置付けられる。このため、回転体の傾動が確実に円滑になる。

請求項４及び５の可変容量型往復動流体機械では、簡単な構成にて、最大容量及び最小容量がそれぞれ規定される。
請求項６の可変容量型流体機械では、スリーブの球状面と回転体の内周面との間に潤滑膜が存在することにより、回転体がより一層円滑に傾動する。

図１は車両の空調システムの一部を構成する冷凍回路を示す。
冷凍回路は、例えばＣＯ_２（二酸化炭素）が冷媒として循環する循環経路２を備え、循環経路２には圧縮機４、ガスクーラ６、膨張弁８及び蒸発器１０が順次介挿されている。圧縮機４は冷媒を圧縮してガスクーラ６に送出し、これにより冷媒が循環経路２を循環する。

図１の圧縮機４はいわゆる可変容量型の斜板式圧縮機として示され、圧縮機４はハウジングの一部を構成するケーシング（フロントハウジング）１２を備える。ケーシング１２は大径筒部１４を含み、大径筒部１４の端壁１６に小径筒部１８が一体に連なっている。端壁１６と反対側の大径筒部１４の部位には、その内側に略円筒状のシリンダブロック２０が嵌合され、シリンダブロック２０の一端面と大径筒部１４の端壁１６との間にはクランク室２２が区画されている。

ケーシング１２の大径筒部１４の開口端には、ガスケット（図示せず）を介してシリンダヘッド２６が配置され、シリンダヘッド２６はケーシング１２に対して複数のボルト２７により結合されている。また、シリンダヘッド２６とシリンダブロック２０の他端面との間には、シリンダガスケット（図示せず）を介してバルブプレート２８が挟まれ、シリンダブロック２０は、複数のインナボルト３０によりシリンダヘッド２６に結合されている。

シリンダヘッド２６の周壁には、前述の循環経路２に接続される吸入ポート及び吐出ポート（図示せず）が形成され、シリンダヘッド２６の内部には、これら吸入及び吐出ポートがそれぞれ開口する吸入室３２及び吐出室３４が区画されている。
吸入室３２は、吸入リード弁（図示せず）を介してシリンダブロック２０の各シリンダボア３６に連通する一方、バルブプレート２８に形成された固定絞り３８を通じてクランク室２２と常時連通している。

吐出室３４は、リード弁体（図示せず）及び弁押さえ４０からなる吐出リード弁を介して各シリンダボア３６に連通している。吐出リード弁を固定するボルト４２は、図示しないけれども開閉機構付きの内部流路を有し、この内部流路により、シリンダブロック２０の中央を貫通するシャフト孔４４と吐出室３４とが連通する。なお、内部流路の開閉機構は、シャフト孔４４、つまりクランク室２２と吐出室３４との間での圧力差の大小に基いて自律的に開閉する。

シリンダブロック２０の各シリンダボア３６内には、クランク室２２側からピストン４６が往復動自在に挿入され、ピストン４６のテール部は、クランク室２２内に突出している。
ピストン４６のテール部には、エンジン４８から動力が断続的に伝達される。そのために、圧縮機４は、エンジン４８からの動力を受け取る電磁クラッチ５０を有する。

より詳しくは、電磁クラッチ５０のドライブ側ユニットを構成するドライブロータ５２は、小径筒部１８の外側にベアリング５４を介して回転可能に支持されている。ドライブロータ５２の外周には溝が形成され、ドライブロータ５２とエンジン４８との間にベルト５６が架け回されている。ドライブロータ５２内にはソレノイド５８が配置され、ドライブロータ５２の端面には摩擦材６０が取り付けられている。

ドライブロータ５２の端面近傍には、電磁クラッチ５０のドリブン側ユニットを構成するアーマチュア板６２の摩擦面が配置され、アーマチュア板６２の背面には環状のブラケット６４がリベット結合されている。ブラケット６４は弾性部材６６を介してホイール６８に連結され、弾性部材６６は、ソレノイド５８の電磁力によりドライブロータ５２の端面にアーマチュア板６２の摩擦面が押し付けられるのを許容する。ホイール６８の中央にはハブ７０が一体に形成され、ハブ７０は小径筒部１８の内側にて回転軸７２の一端部にスプライン結合されている。

回転軸７２は、小径筒部１８及びクランク室２２を貫通し、シリンダブロック２０のシャフト孔４４まで延びている。回転軸７２は、小径筒部１８及びシャフト孔４４内に配置された２つの軸受７３，７５を介してケーシング１２により回転自在に支持され、従って、電磁クラッチ５０のドリブン側ユニットも、ケーシング１２により回転自在に支持されている。なお、小径筒部１８内には、軸受７３よりもハブ７０側にリップシール７８が配置され、リップシール７８はクランク室２２を気密に区画している。

エンジン４８の作動中、ドライブロータ５２はベルト５６により回転駆動され、電磁クラッチ５０がオン作動されると、アーマチュア板６２がドライブロータ５２との摩擦力により回転する。アーマチュア板６２の回転は、ブラケット６４、弾性部材６６、ホイール６８及びハブ７０を介して回転軸７２に伝達され、回転軸７２も回転駆動される。
この回転軸７２の回転運動を、ストローク長可変のピストン４６の往復運動に変換すべく、圧縮機４は変換装置を備えている。

より詳しくは、回転軸７２には円盤状のロータ７４が固定され、ロータ７４は端壁１６近傍に位置している。ロータ７４と端壁１６との間にはスラストベアリング７６が配置され、また、シャフト孔４４側の回転軸７２の端部と捩じ込みブロック７９との間にもスラストベアリング８０が配置されている。
ロータ７４とシリンダブロック２０との間を延びる回転軸７２の部分は、環状の斜板ボス８２を貫通し、斜板ボス８２はヒンジ８４を介してロータ７４に連結されている。従って、斜板ボス８２は、回転軸７２に対して傾動可能であるとともに、回転軸７２と一体に回転可能である。

図２に分解して示したように、斜板ボス８２は、回転軸７２により貫通されるボス部８６を有し、ボス部８６の外側には、環状の板（以下、斜板といい、符号８８を付す）が嵌められている。斜板８８の内周部は、その押えリング９０とともに斜板ボス８２にリベット結合されている。従って、斜板ボス８２及び斜板８８は、一体に回転及び傾動可能な回転体を構成している。

再び図１を参照すると、ピストン４６のテール部は、回転軸７２に向けて開口したコの字状をなし、斜板８８の外周部は、ピストン４６のテール部内に位置付けられる。ピストン４６の各テール部には、ピストン４６の軸線方向に離間した一対の球面座が形成され、球面座に配置された半球状のシュー９２が、斜板８８の外周部に対し両側から挟むように摺接する。

斜板ボス８２のボス部８６の内周面は円筒状をなし、ボス部８６の内周面と回転軸７２との間には、スリーブ９４が配置されている。
スリーブ９４は軸受鋼からなり、回転軸７２にスライド可能に嵌められている。図３に拡大して示したように、スリーブ９４の軸線方向略中央には、径方向外側に膨らんだ環状の膨出部９６が形成され、膨出部９６の外周面は凸の球状面９８をなす。より詳しくは、膨出部９６の球状面９８は、斜板ボス８２のボス部８６の内径と略同じ直径の球面１００の一部を、一対の極を含んで一周に亘り切り取って得られるような形状をなす。このため、斜板ボス８２の傾斜角度に係わらず、膨出部９６の球状面９８は、ボス部８６の内周面に対し全周に亘り線接触する。

また、スリーブ９４は、ロータ７４側の一端にフランジ部１０２を有し、フランジ部１０２とロータ７４との間には、圧縮コイルばね１０４が介装されている。圧縮コイルばね１０４は、スリーブ９４をシリンダブロック２０に向けて常に付勢する。
ここで、図２に示したように、ヒンジ８４を構成すべく、ロータ７４及び斜板ボス８２の各々から互いに向けて２つずつアーム部１０６，１０８が突出し、これらアーム部１０６，１０８にピン孔１１０，１１２が形成されている。斜板ボス８２は、ピン孔１１０，１１２に挿通されたピン１１４を支点として傾動可能であるが、斜板ボス８２のアーム部１０８のピン孔１１２は所定の長円形状をなすため、ピン１１４に対してスライドも可能である。

従って、斜板ボス８２は、その傾動軸が、ピン１１４の位置というよりは、回転軸７２の中心位置、すなわち、スリーブ９４の球状面９８の曲率中心位置にあるかのように傾動する。そして、斜板ボス８２の傾動に伴ない、斜板ボス８２の仮想的な傾動軸及びスリーブ９４は回転軸７２に沿って移動する。
なお、斜板ボス８２には、アーム部１０８に対するカウンタウエイトとしての脚部１１５も一体に形成されている。

以下、上述した圧縮機４の動作について説明する。
電磁クラッチ５０がオン作動されると、エンジン４８からの動力が電磁クラッチ５０を介して回転軸７２に伝達され、回転軸７２が回転される。回転軸７２の回転運動は、変換装置、つまり、ロータ７４、ヒンジ８４、斜板ボス８２、斜板８８及びシュー９２を介してピストン４６の往復運動に変換される。各ピストン４６の往復運動に基づき、圧縮機４内では、吸入室３２内の冷媒が吸入リード弁を介してシリンダボア３６に吸入される吸入工程と、シリンダボア３６内で冷媒が圧縮される圧縮工程と、圧縮された冷媒が吐出リード弁を介して吐出室３４に吐出される吐出工程とからなる一連のプロセスが実施される。

圧縮機４から吐出される冷媒の吐出量は、ボルト４２の内部流路の自立的な開閉作動によりクランク室２２内の圧力（背圧）が昇降するのに伴い、各ピストン４６のストローク長が増減することにより変化する。そして、ストローク長が変化するのを許容するように、斜板８８の傾斜角度が増減し、この際、斜板ボス８２は、スリーブ９４の球状面９８の曲率中心を通る傾動軸の回りに傾動する。

ここで、回転中の斜板８８及び斜板ボス８２には、ピストン４６からの圧縮反力に基づき、図４に矢印Ａ，Ｂで示したように、揺動させるようにモーメントが作用するが、圧縮機４では、斜板ボス８２のボス部８６の内周面が円筒状をなし、スリーブ９４の球状面９８がボス部８６の内周面に対し全周に亘り線接触するので、回転中の斜板ボス８２の位置が回転軸７２に対して偏倚し難い。このため、斜板ボス８２が円滑に傾動し、圧縮機４での容量制御が高精度にて実施される。

特に、この圧縮機４では、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍回路に適用されたことで、従来のフロン系冷媒を圧縮する場合よりも圧縮反力が大きく、揺動モーメントも大きくなっているが、回転中の斜板ボス８２の位置が回転軸７２に対して偏倚し難いため、斜板ボス８２の円滑な傾動が確保され、冷凍回路の制御が的確に実施される。
また、斜板ボス８２のボス部８６の内周面を円筒状に加工するのは容易であり、スリーブ９４の外側にボス部８６を嵌める組立作業も容易である。このため、この圧縮機４は、高い生産性の下で低コストにて量産される。

本発明は上述した一実施形態に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、圧縮機４には、図５に示した斜板ボス１１６を用いてもよい。この斜板ボス１１６のボス部１１８の内周面は、シリンダブロック２０側の開口端近傍の領域が、スリーブ９４の球状面９８と略同じ曲率半径の凹の球状面に形成されている。
この斜板ボス１１６を用いた場合、ボス部１１８の内周面におけるロータ７４側の部分は円筒状であることから、斜板ボス８２を用いた場合と同様に、スリーブ９４にボス部１１８を嵌めるのは容易である。また、スリーブ９４の球状面９８は、ボス部１１８の内周面に対し、全周に亘り線接触するのみならず面接触可能であり、斜板ボス１１６はより円滑に傾動する。

ただし、ボス部１１８の内周面の加工が煩雑であることを考慮すれば、ボス部８６の内周面が円筒状である斜板ボス８２を用いるのが好ましい。
また、圧縮機４には、図６に示したスリーブ１２０を用いてもよい。スリーブ１２０には、シリンダブロック２０側の端部に小フランジ部１２２が一体に形成され、小フランジ部１２２の外径は、フランジ部１０２の外径よりも小さく、球状面９８の外径と略同じである。このスリーブ１２０は、図７に示した斜板ボス１２４とともに用いることができる。斜板ボス１２４のボス部１２６にあっては、シリンダブロック側２０の開口端が、ロータ７４側の開口端と同様に、山形の２つの傾斜面により形成されている。

これらスリーブ１２０及び斜板ボス１２４を用いた場合、フランジ部１０２により、スリーブ１２０がボス部１２６からシリンダブロック２０に向けて抜けるのが防止されるのは勿論、小フランジ部１２２により、スリーブ１２０がボス部１２６からロータ７４に向けて抜けるのが防止される。従って、この場合、斜板ボスの円滑な傾動がより確実になる。

なお、小フランジ部１２２を、別体のスナップリングにより形成してもよい。その場合、スリーブ１２０の膨出部９６にボス部１２６を嵌めてから、スナップリングを取り付けてもよいので、小フランジ部１２２の外径を、球状面９８の外径より大きくしてもよい。
更に圧縮機４には、図８に示したスリーブ１２８を用いてもよい。スリーブ１２８は、フランジ部１０２に連なるカラー部１３０を有し、カラー部１３０がロータ７４に当接することにより、ロータ７４側へのスリーブ１２８のスライド量、換言すれば、ストローク長が増大する方向でのスリーブ１２８のスライド量が規制される。この結果、圧縮機４の最大容量が容易且つ確実に規定される。

また更に、圧縮機４では、回転軸７２にスナップリング１３２を嵌めてもよく、スナップリング１３２に対してシリンダブロック２０側のスリーブ１２８の端部が当接することにより、シリンダブロック２０側へのスリーブ１２８のスライド量、換言すれば、ストローク長が減少する方向でのスリーブ１２８のスライド量が規制される。この結果、スナップリング１３２により、圧縮機４の最小容量が容易且つ確実に規定される。

一方、圧縮機４には、図１０に示したスリーブ１３４を用いてもよい。スリーブ１３４の外周面には、例えばＭｏＳ_２からなる潤滑膜１３６が形成され、潤滑膜１３６は少なくとも球状面９８を覆っている。潤滑膜１３６を介してスリーブ１３４の球状面９８とボス部８６の内周面とが線接触することにより、斜板ボスの傾動がより一層円滑になる。
また、スリーブ１３４を用いるのに代えて、又はスリーブ１３４とともに、図１１に示した斜板ボス１３８を用いてもよい。斜板ボス１３８のボス部８６の内周面には、例えばＭｏＳ２からなる潤滑膜１４０が形成され、潤滑膜１４０を介してスリーブ９４（１３４）の球状面９８とボス部８６の内周面とが線接触することにより、斜板ボス１３８の傾動がより一層円滑になる。

その上、圧縮機４では、吐出室３４の圧力は、ボルト４２の内部流路を通じてクランク室２２に伝達されたけれども、吐出室３４の圧力をクランク室２２に伝達する手段は特に限定されない。例えば、ボルト４２に代えて、吐出室３４とクランク室２２との間を結ぶ連通路を設け、この連通路に外部制御される電磁弁を介挿してもよい。
更に、圧縮機４は、フロン系冷媒を用いた冷凍回路に適用してもよい。

最後に、本発明の往復動流体機械は、揺動板式圧縮機にも同様に適用できることは言うまでもない。

冷凍回路に圧縮機として適用された、一実施形態に係る可変容量型の往復動流体機械の縦断面を示す図である。図１の流体機械における変換装置の一部を分解して示した図である。図２の変換装置に適用されたスリーブの（ａ）上面図、（ｂ）側面図、（ｃ）（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図である。図２の変換装置における揺動モーメントを説明するための図である。図２の変換装置に適用される変形例の斜板ボスを、押えリング及び斜板とともに示す断面図である。図２の変換装置に適用される変形例のスリーブの（ａ）上面図、（ｂ）側面図、（ｃ）（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図である。図６のスリーブとともに他の変形例の斜板ボスを適用した変換装置の一部を分解して示した図である。他の変形例のスリーブを適用した変換装置の一部を示す図である。スナップリングを適用した変換装置の一部を示す図である。他の変形例のスリーブの断面図である。更に他の変形例の斜板ボスの一部を、押えリング及び斜板の一部とともに示す断面図である。

符号の説明

４圧縮機
７２回転軸
７４ロータ
８２斜板ボス
８６ボス部
９４スリーブ
９８球状面

Claims

回転軸の回転運動をストローク長可変にてピストンの往復運動に変換する変換装置を備えた可変容量型往復動流体機械において、
前記変換装置は、
前記回転軸により貫通される環状の回転体と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸に対し傾動可能に前記回転体を支持する支持体と、
前記回転体の内周面により囲まれる前記回転軸の部位に嵌められたスリーブと
を含み、
前記スリーブは、前記内周面に対して全周に亘り一つの線で線接触する球状面を有する
ことを特徴とする可変容量型往復動流体機械。
前記回転体の内周面は円筒状をなすことを特徴とする請求項１記載の可変容量型往復動流体機械。
前記変換装置は、前記回転体から前記スリーブが抜けるのを防止する抜け止めを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の可変容量型往復動流体機械。
前記変換装置は、前記ストローク長が増大する方向での前記スリーブのスライド量を規制する上限ストッパを更に含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の可変容量型往復動流体機械。
前記変換装置は、前記ストローク長が減少する方向での前記スリーブのスライド量を規制する下限ストッパを更に含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の可変容量型往復動流体機械。
前記変換装置は、前記スリーブの前記球状面及び前記回転体の前記内周面のうち少なくとも一方に形成された潤滑膜を更に含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の可変容量型往復動流体機械。