JP4692560B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機に係り、特にピストンを有する容積型の圧縮機における吸入弁のような、圧縮機において圧縮される流体の流路を開閉制御する弁に関する。

従来から例えば空調装置の冷媒圧縮機等として使用されている斜板型その他の容積型の圧縮機においては、薄い金属片等からなる弁リードを圧縮室側から見て弁開口の内側（吸入弁の場合）、又は外側（吐出弁の場合）に片持ち式に取り付けた所謂「リード弁」を使用することが多い。リード弁は、構造が簡単で小さくコストが低いという特長がある反面、圧力差によって弁リードが弾性的に撓んで弁開口から僅かに離れることによって開弁状態となるものであるから、開弁状態においても弁リードが弁開口を完全に開放することはない。従って、リード弁には、弁開口だけでなく弁開口を設けた弁板と弁リードとの隙間による絞り作用もあるので、リード弁を圧縮機の吸入弁として用いた場合には、リード弁全体の絞り作用によって吸入効率が低下するという問題があり、特に圧縮機の高回転時には無視できない問題となる。

この問題の１つの解決策として、特許文献１には、吸入弁としてリード弁の代わりにロータリバルブを設けた斜板型の圧縮機が記載されている。この従来例におけるロータリバルブは円筒形のもので、その外周面の一部に弁開口を有し、回転軸の軸線上においてそれに連結されて一体的に回転駆動され、その回転軸及びロータリバルブの周りにそれらと平行に且つ均等に配置された多数のシリンダの壁面にそれぞれ開口している吸入ポートと、ロータリバルブの弁開口との連通及び遮断によって各シリンダの吸入ポートを順次開閉するようになっている。なお、それらのシリンダに挿入された多数のピストンは、前記回転軸によって回転駆動される共通の斜板によって前記シリンダ内で往復運動を強制され、それによって吸入された冷媒のような流体を各シリンダ内の圧縮室において圧縮する。
特開平５−２０２８４８号公報

前記従来技術における吸入弁のように、回転軸と共に回転する円筒形のロータリバルブは、ハウジング或いはシリンダブロックの一部に形成された円筒形の弁室の内部に摺動回転可能に挿入されており、弁室の壁面と摩擦摺動しながら回転軸と同じ速さで回転する。従って、高回転時にはロータリバルブと弁室の摺動面間の相対速度が大きくなるので潤滑を強化する必要があるのと、ロータリバルブ及び弁室の加工精度の問題もあって、ロータリバルブと弁室の摺動面間に或る程度の隙間を設ける必要があるため、その隙間から圧縮された流体が漏洩して圧縮機の性能が低下する懸念がある。また、ロータリバルブが弁室内で摺動しながら回転するので、ロータリバルブや弁室を構成するシリンダブロックに焼きつきが生じにくい高級な材料を使用しなければならないとか、それらの摺動面に表面処理を施す必要があるため、それらがコスト上昇の原因になる。更に、ロータリバルブを円筒形ではなく半径の大きい円板形にすると、円板形のロータリバルブは対応する面との間で大きな摩擦力を発生しながら摺動回転することになるので、大きなトルク損失による効率低下が懸念される。

本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、リード弁に見られるような絞り作用による吸入効率の低下等がなく、摺動面を備えたメカニカルな弁構造を有するものであっても摺動面間の相対速度が低くて大きな摩擦力が発生する恐れがなく、摺動面間に大きな隙間を設けなくても、また特に潤滑を強化しなくても駆動トルクの損失が小さくて運転効率が高くなるような改良された弁を備えている圧縮機を提供することを目的としている。

本発明はまた、摺動面を有する弁でありながら摺動面に焼き付きにくい高級な材料を使用することや高度の表面処理を施す必要がなく、さほど高い加工精度も必要とせず、構造が簡単で製作が容易であるために低コストになると共に、摺動面間の相対速度が低いために信頼性も高い改良された弁を備えている圧縮機を提供することを目的としている。

本発明は、前記の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された圧縮機を提供する。

本発明の圧縮機においては、弁板は駆動回転軸の偏心軸部によって駆動されて公転運動或いはそれに近い運動を行うので、弁板を駆動回転軸によって単に回転させる場合に比べて、弁板とそれに対して摺動接触する弁開口が設けられた面との間の相対速度がきわめて小さくなる。従って、弁板を回転駆動するための動力損失は僅かになり、摺動面も焼きつく可能性がなくなるので、摺動面に高級な材料を使用したり、精度の高い仕上げや、表面処理を施す必要がなくなる。また、弁開口を弁板によって機械的に開閉するので、圧力差によって開弁するリード弁に比べて絞り作用が小さくなって吸入効率或いは吐出効率が高くなる。

本発明の圧縮機は、容積型の圧縮機であるピストン型の圧縮機として実施することができる。その場合には、弁機構の弁板がピストンの往復動と同期して公転運動をすることになる。そして、更に具体的に、本発明はピストン型の圧縮機の一種である斜板型圧縮機として好適に実施することができる。

本発明の圧縮機の弁機構においては、その弁板が公転運動をするときに少なくともその周縁部によって弁開口を開閉するように構成することができる。弁板は最も一般的なものとして円形の円盤を使用することができる。また、本発明は圧縮機の吸入弁としても、或いは吐出弁としても実施することが可能である。更に本発明における弁板には自然に自転防止作用が働くが、確実に自転を阻止するために別に自転防止機構を付設することもできる。

添付の図面を用いて、本発明を斜板型圧縮機として実施した具体例を詳細に説明する。図１及び図２に示すように、本発明による斜板型圧縮機１は、シリンダブロック２の前後にフロントハウジング３とリアハウジング４を同一軸線上に配置し、それらを図示しない通しボルトのような手段によって一体的に締結することにより外殻を構成している。５はフロントハウジング３とシリンダブロック２の中心を貫通してリアハウジング４の内部まで延びている駆動回転軸であって、フロントハウジング３内に取り付けられた軸受６と、シリンダブロック２内に取り付けられた軸受７によって軸承されている。斜板型圧縮機１が自動車の空調装置における冷媒圧縮機として使用される場合には、駆動回転軸５は自動車用エンジンのクランク軸に連結されて回転駆動される。シリンダブロック２及びフロントハウジング３内の空間は、駆動回転軸５に取り付けられたシール装置８及び９によって外部及びリアハウジング４内の空間との連通を遮断されている。

シリンダブロック２には図２に示すように６個のシリンダ１０（１０ａ〜１０ｆ）が駆動回転軸５の周囲に均等に、且つ駆動回転軸５と平行になるように穿設されている。シリンダ１０ａ〜１０ｆには同じ形状のピストン１１（１１ａ〜１１ｆ）が摺動可能に挿入されており、それらのピストン１１ａ〜１１ｆの図１における各左端部は、駆動回転軸５に例えば後述のような手段によって装着された斜板１２の楕円形の周縁部１２ａに対して、それを挟むように各ピストン１１に取り付けられた一対のシュー１３を介して摺動可能に係合している。

図示実施形態における斜板１２は、駆動回転軸５上を軸方向に摺動可能なスリーブ１４上に、駆動回転軸５と直角な方向のピン１５によって枢着されていて、駆動回転軸５に対して傾動することができる。斜板１２を傾動させるために、斜板１２の一部に設けられたピン１６が駆動回転軸５に取り付けられたアーム１７の半径方向のカム溝１７ａに係合しており、スプリング１８の付勢力を打ち消すような他の力が加わることによってスリーブ１４が軸方向に移動するとき、ピン１６がカム溝１７ａに沿って移動して斜板１２の傾斜角度が変化し、その結果、ピストン１１ａ〜１１ｆのストロークが一斉に変化して斜板型圧縮機１全体の吐出容量が無段階に変化する。

図示実施形態の斜板型圧縮機１では、シリンダ１０ａ〜１０ｆ内において冷媒のような流体が圧縮されることによってピストン１１ａ〜１１ｆに発生する圧縮反力の合力が、スプリング１８の付勢力に抗してスリーブ１４を軸方向に移動させるようになっており、更に、斜板型圧縮機１が空調装置における冷媒圧縮機として使用される場合には、斜板１２を収容している室（斜板室）の圧力が冷房負荷の大きさに応じて変化するように構成される。そして、例えば冷房負荷が減少したときは、斜板室の圧力が高められることによってピストン１１ａ〜１１ｆに作用する背圧が増大するので、スリーブ１４が図１において右方へ移動して斜板１２の傾斜角度（駆動回転軸５に垂直な仮想の平面に対する）が小さくなり、ピストン１１ａ〜１１ｆのストロークが減少して斜板型圧縮機１全体の吐出容量が減少するというように、斜板型圧縮機１の吐出容量が冷房負荷の大きさに応じて自動的に変化する。このように、図示実施形態における斜板型圧縮機１は自動可変容量型の圧縮機に属するが、本発明はそのような可変容量機構に特徴がある訳ではないから、図示実施形態のようなものに限らず、手動的な可変容量型圧縮機であっても、また、吐出容量が変化しないものであっても、それが容積型圧縮機であれば適用の可能性がある。

図示実施形態の斜板型圧縮機１においては、リアハウジング４内の中央に吸入室１９が形成されていると共に、その外周に環状の隔壁４ａを境にして環状の吐出室２０が形成され、それぞれに設けられた接続口２１，２２を介して空調装置のエバポレータやコンデンサのような外部機器への配管が接続されている。シリンダブロック２とリアハウジング４との間を仕切るシリンダブロック２の端壁２ａには、各シリンダ１０ａ〜１０ｆ毎に、吸入室１９に連通し得る吸入ポート２３（２３ａ〜２３ｆ）と、吐出室２０に連通し得る吐出ポート２４（２４ａ〜２４ｆ）がそれぞれ１個以上設けられている。吐出ポート２４は単なる円穴でもよいが、吸入ポート２３は図２に示したように円弧状の長穴である。なお、図示実施形態においては吐出室２０内に、吐出ポート２４ａ〜２４ｆを外側から閉塞する通常のリード弁からなる吐出弁２５が設けられている。

図示実施形態において以上説明した構成は従来技術においても実施されているものであって、今回本発明において導入した新規な構成ではない。本発明の特徴に対応して、図示実施形態の斜板型圧縮機１においては吸入室１９内に円盤形の吸入弁板２６が設けられている。弁板２６は、シリンダブロック２の端壁２ａと、リアハウジング４内の環状の隔壁４ａの吸入室１９側に形成された概ね半径方向の壁４ｂの軸方向の端面４ｃとの間に、微小な隙間を残して挿入されており、端壁２ａと壁４ｂの端面４ｃとの間で摺動する際に、図２に示すように、周縁部によって吸入ポート２３ａ〜２３ｆの一部を閉塞すると共に他の一部を開口させ得る大きさを有する。吸入弁板２６の中心に形成されたハブ２６ａには、駆動回転軸５の先端に所定量だけ偏心して一体に形成された偏心軸部５ａが挿入され、メタル軸受又はニードルベアリングのような軸受２７を介して吸入弁板２６を回転可能に支持している。弁板２６が偏心軸部５ａによって偏心運動、即ち公転をするので、リアハウジング４内の隔壁４ａに弁板２６の周縁部のための逃げ部４ｄを形成してもよい。

なお、図示していないが、吸入室１９内に装着されたスプリングのような付勢手段によって、吸入弁板２６を端壁２ａに向かって軽く押圧してもよい。また、必須のものではないが吸入弁板２６に簡単な構造の自転防止機構を付加することもできる。自転防止機構は、例えば、端壁２ａの２個所程度の適所に吸入室１９に向かって突出する自転防止ピンを植設すると共に、それらの自転防止ピンを受入れるように弁板２６に自転防止ピンよりも十分に大きい直径を有する円形穴を形成して、自転防止ピンによって円形穴、従って吸入弁板２６自体の自転を阻止して公転だけを許すようにする。円形穴の直径は、弁板２６の公転直径に自転防止ピンの直径を加えた程度の大きさにする。

自転防止機構が設けられない場合は弁板２６は公転の他に自転をすることも可能であるが、弁板２６は端壁２ａ又は壁４ｂの端面４ｃに押しつけられて摺動するので、それらの間に多少とも摩擦力が発生するために、弁板２６が自由に自転することはあり得ず、自転運動の成分は実際上は摩擦力によって制動されて、弁板２６は実質的に公転だけをするようになる。本発明において自転防止機構が必須のものではないというのはこのような理由による。従って、自転防止機構が設けられていても、或いは設けられていなくても、端壁２ａ又は端面４ｃと弁板２６の摺動面間の相対速度は弁板２６が自転のみをする場合に比して大幅に小さくなるので、駆動回転軸５が回転するときに摺動面間の摩擦力によって生じる動力の損失は僅かな量になる。

以上説明した構成から明らかなように、図示実施形態の斜板型圧縮機１においては、駆動回転軸５が自動車用エンジン等によって回転駆動されると、吸入弁板２６が偏心軸部５ａによって偏心運動を強制されるために、また、シリンダブロック２の端壁２ａ又は端面４ｃと弁板２６との間には多少の摺動摩擦があるために自転運動が阻止されて、弁板２６は図３に駆動回転軸５の回転角度９０°毎に示した（ａ）〜（ｄ）のように実質的に公転運動だけをする。そこで、例えばシリンダ１０ａだけに注目すると、図２と同じ図３（ａ）の状態においては、シリンダ１０ａの吸入ポート２３ａは、上昇している吸入弁板２６の周縁部によって覆われていて吸入は行われていない。これは図１に示すようにピストン１１ａが上死点にある状態、即ちシリンダ１０ａの圧縮行程の終期である。このときは、リード弁からなる吐出弁２５の開弁によって圧縮された流体をシリンダ１０ａ内から吐出ポート２４ａを経て吐出室２０内へ吐出し終えた時期でもある。

次に、駆動回転軸５が矢印の方向に回転すると、吸入弁板２６が公転によって右へずれるために、弁板２６によって閉塞されていた吸入ポート２３ａが開口し始めて、吸入室１９とシリンダ１０ａ内が連通を開始し、駆動回転軸５が９０°まで回転したときに図３の（ｂ）の状態になる。この状態は吸入弁板２６によって覆われる吸入ポート２３ａの面積が最小になって、吸入ポート２３ａが最も大きく開口した状態（これを全開状態と呼ぶ）に近い。なお、どの時期に吸入ポート２３ａを全開させるかということは設計上の問題であって、吸入ポート２３ａの形状とシリンダ１０ａの端面における開口位置を選択したり、駆動回転軸５の偏心軸部５ａの偏心方向と、斜板１２の傾斜の軸であるピン１５との位相関係を変更することによって自由に設定することが可能である。

吸入ポート２３ａが吸入弁板２６の周縁部によって全く覆われていないか、或いは殆ど覆われていない全開状態では、長穴形で比較的大きな開口面積を有する吸入ポート２３ａが流体の通路となるので絞り作用がきわめて小さくなり、リード弁の場合のような大きな圧力損失が生じない。しかも、リード弁のように流体の圧力が弁を押し広げるための仕事をする必要がなく、僅かな機械力によって吸入行程の全域にわたって開弁状態を維持することもできるから、吸入効率がリード弁に比べて高くなる。

更に、駆動回転軸５が９０°回転して図３の（ｃ）の状態になると、吸入弁板２６が公転によって下方及び左方へずれて吸入ポート２３ａを覆うために、吸入ポート２３ａは全閉状態に近くなる。この状態は図１に示したシリンダ１０ｄと同様に、シリンダ１０ａの吸入行程の終期、即ちピストン１１ａが下死点付近にある状態である。それより駆動回転軸５が僅かに回転すると、吸入ポート２３ａは全閉状態となって、シリンダ１０ａ内と吸入室１９の連通は遮断される。

図３の（ｄ）はシリンダ１０ａの圧縮行程を示しており、ピストン１１ａは図３（ｃ）に示す下死点の状態から図３（ａ）に示す上死点の状態まで上昇する途中にある。図示のように吸入弁板２６が左方へずれて吸入ポート２３ａを全閉状態にしているので、流体はシリンダ１０ａ内で圧縮され、その圧力が吐出弁２５の設定圧力を越えると、リード弁である吐出弁２５が開弁して、圧縮された流体は吐出ポート２４ａを介して吐出室２０へ吐出される。更に、駆動回転軸５が９０°回転すると前述の図３（ａ）の状態になるので、このようなサイクルが繰り返えして行われることになる。そして、このような吸入行程と圧縮行程からなるサイクルは、図示実施形態の斜板型圧縮機１においては、全てのシリンダ１０ａ〜１０ｆにおいて、隣接のものとの間に６０°の位相差をおいて順次行われるので、圧縮された流体が概ね連続的に吐出室２０へ吐出され続けて、吐出室２０の圧力を脈動の少ない略一定の吐出圧に維持することができる。

図示実施形態においては、吸入弁板２６のための自転防止機構を設けてはいないが、弁板２６はシリンダブロック２の端壁２ａ又はリアハウジング４の壁４ｂの端面４ｃと摺動接触しているため、その自転の運動成分は自然に制動されて、弁板２６は実質的に公転のみをするようになる。回転（自転）運動に比べて公転運動の場合の接触面間の相対速度が低いことは説明を要しないから、弁板２６や端壁２ａ又は壁４ｂの端面４ｃに焼きつき難い高級な材料を使用したり、特殊な表面処理を施したり、高精度の表面仕上げを行ったりする必要もなく、十分に高い耐久性と信頼性が得られる。また、摺動面間の相対速度が低いので、弁板が回転するものに比べて動力損失がきわめて少なくなり、圧縮機の運転効率が高くなる。更に、吸入ポート２３の面積を大きくとることが容易であるから、リード弁を吸入弁として使用した場合に比べて絞り作用が少なくなって吸入効率が改善される。

なお、図示実施形態においては吸入ポート２３を弁板２６によって開閉するようにしたが、吸入ポートの代わりに吐出ポートを同様な弁板によって開閉するように構成することができることは言うまでもない。また、弁板２６は円盤形のものを使用しているが、弁板は厳密に円形のものである必要はなく、自転防止機構を使用して確実に弁板の自転を阻止した場合には、弁板を円形以外の角部や凹部或いは穴等のあるものとしてもよい。更に、この弁機構は斜板型圧縮機に限らず他の形式の容積型圧縮機の吸入弁又は吐出弁に適用することができる。

本発明の実施形態としての斜板型圧縮機を示す縦断正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における横断側面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１及び図２の斜板型圧縮機の作動状態において、ＩＩ−ＩＩ線における経時的変化を順次に示す横断側面図である。

符号の説明

１…斜板型圧縮機、２…シリンダブロック、２ａ…シリンダブロックの端壁、３…フロントハウジング、４…リアハウジング、５…駆動回転軸、５ａ…駆動回転軸の偏心軸部、１０，１０ａ〜１０ｆ…シリンダ、１１，１１ａ〜１１ｆ…ピストン、１２…斜板、１５…ピン（斜板の傾斜軸）、１９…吸入室、２０…吐出室、２３，２３ａ〜２３ｆ…吸入ポート、２５…吐出弁（リード弁）、２６…吸入弁板、２７…軸受。

Claims (2)

1. ハウジングに回転可能に軸支された駆動軸と、
   前記駆動軸によって軸方向に往復運動する複数のピストンと、
   複数のシリンダが同一円周上に並んで設けられ、前記ピストンとともに圧縮機構を構成するシリンダブロックと、
   前記シリンダブロックの端部に設けられ、前記圧縮機構に吸入される冷媒が流入する吸入室と、
   前記複数のシリンダの内部と、前記吸入室とを連通する複数の弁開口と、
   前記複数の弁開口を開閉する吸入弁と
   を備えるピストン型圧縮機において、
   前記駆動軸は偏心軸部を備え、
   前記吸入弁は円盤状で、前記偏心軸部によって公転駆動され、
   前記複数の弁開口は複数の円弧状の長穴であって、
   前記円弧状の長穴は、前記円盤状の吸入弁が公転することによって順次開かれる位置に並んで開口しており、
   さらに、前記円弧状の長穴の前記駆動軸の回転方向後方側の端部は、前記駆動軸の回転方向前方側の端部よりも前記駆動軸の軸中心から離れていることを特徴とする圧縮機。
2. 請求項１において、前記弁機構が弁板の自転防止機構を備えていることを特徴とする圧縮機。

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