JPH09151847A - 斜板型圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 斜板型圧縮機において、スラスト軸受に作用
する荷重を低減することによってスラスト軸受の寿命低
下を抑制する。 【解決手段】 双頭ピストン８の断面積のうち、外部駆
動源側（軸シール１０）側に形成された作動室３９側の
断面積は、作動室３８側の断面積より大きくなるように
形成されている。これにより、斜板室３８ａ内外圧力差
によって発生する軸方向荷重Ｆｏが、両作動室３８、３
９内の冷媒が双頭ピストン８に及ぼす作用力Ｆ₁ 、Ｆ₂
によって略相殺される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部駆動源から駆
動力を得て駆動する開放型の斜板型圧縮機に関するもの
で、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）等の作動圧力の高い冷媒を使
用する冷凍サイクルに用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】斜板型圧縮機は、周知のように、回転軸
に対して斜めに配置された斜板を介して回転軸の回転運
動を往復運動に変換してピストンを可動するものであ
る。このとき、冷媒は、吸入口から吸入されてハウジン
グ（シリンダブロック）内の斜板室を経て、シリンダと
ピストンからなる作動室に導かれて圧縮される。

【０００３】なお、回転軸の軸方向荷重は、回転軸を回
転可能に保持するスラスト軸受によって受けている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の脱フ
ロン対策として、発明者等は二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷
媒とする冷凍サイクルの研究を行っていたところ、斜板
型圧縮機のスラスト軸受の寿命が、従来のフロンを冷媒
とする冷凍サイクルに比べて著しく低下するという問題
を発見した。

【０００５】そこで、発明者等は、このスラスト軸受の
寿命低下について種々の調査研究したところ、以下の点
が明らかになった。すなわち、外部駆動源と連接する回
転軸には、大気圧と斜板室内圧力（吸入圧に等しい）と
の差圧により外部駆動源方向の向きに軸方向荷重が作用
する。そして、ＣＯ₂ を冷媒とする冷凍サイクルでは、
斜板型圧縮機の吸入圧が約３５ｋｇｆ／ｃｍ² と従来に
比べて非常に高いので、斜板室内圧力と斜板型圧縮機外
圧力（大気圧）との差圧が大きくなり、上記軸方向荷重
も非常に大きくなる。したがって、スラスト軸受に作用
する荷重が大きくなり、スラスト軸受の寿命低下という
問題を誘発していた。

【０００６】因みに、発明者等の試算によれば、従来の
フロンを冷媒とする冷凍サイクル（吸入圧２ｋｇｆ／ｃ
ｍ² ）では、スラスト軸受に作用する荷重は約１０ｋｇ
ｆであり、これに対してＣＯ₂ を冷媒とする冷凍サイク
ルでは約２００ｋｇｆとなり、ＣＯ₂ を冷媒とする冷凍
サイクルではフロンを冷媒とする冷凍サイクルに比べて
スラスト軸受に作用する荷重は非常に大きくなる。

【０００７】本発明は、上記点に鑑み、斜板型圧縮機に
おいて、スラスト軸受に作用する荷重を低減することに
よってスラスト軸受の寿命低下を抑制することを目的と
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、斜板室（３８ａ）内圧力とハウジング
（１、２、３、４）外圧力との圧力差によって発生する
軸方向荷重（Ｆｏ）が、第１および第２作動室（３９、
３８）内の流体が双頭ピストン（８）に及ぼす作用力
（Ｆ₁、Ｆ₂ ）によって略相殺されることを特徴とす
る。

【０００９】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の斜板型圧縮機において、第２作動室（３９）は、外
部駆動源側に形成されている。そして、双頭ピストン
（８）の軸と直角方向の断面積のうち第２作動室（３
９）側の断面積は、双頭ピストン（８）の軸と直角方向
の断面積のうち第１作動室（３８）側の断面積より大き
いことを特徴とする。

【００１０】次に、作用効果を述べる。請求項１または
２に記載の発明によれば、第２作動室（３９）内に発生
する圧縮反力（Ｆ₂ ）によって、第１作動室（３８）内
に発生する圧縮反力Ｆ₁ と斜板室（３８ａ）内圧力とハ
ウジング（１、２、３、４）外圧力との圧力差によって
発生する軸方向荷重（Ｆｏ）とを略相殺することができ
るので、スラスト軸受（１１、１２）に作用する軸方向
荷重（ＦＢ）を低減することができる。そのため、スラ
スト軸受（１１、１２）の寿命低下を抑制することがで
き、延いては、圧縮機の信頼性の向上を図ることができ
る。

【００１１】また、スラスト軸受（１１、１２）に作用
する軸方向荷重（ＦＢ）を小さくすることができるの
で、スラスト軸受（１１、１２）の大型化を抑制するこ
とができ、延いては、圧縮機の大型化を抑制することが
できる。請求項２に記載の発明によれば、第２作動室
（３９）側の双頭ピストン（８）の断面積は、第１作動
室（３８）側の双頭ピストン（８）の断面積より大きい
ので、第２作動室（３９）内に発生する圧縮反力
（Ｆ₂ ）が第１作動室（３８）内に発生する圧縮反力Ｆ
₁ より大きくすることができる。したがって、第２作動
室（３９）内に発生する圧縮反力（Ｆ₂ ）によって、第
１作動室（３８）内に発生する圧縮反力Ｆ₁ と斜板室
（３８ａ）内圧力とハウジング（１、２、３、４）外圧
力との圧力差によって発生する軸方向荷重（Ｆｏ）とを
略相殺することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施の形
態について説明する。 （実施形態）本実施形態に係る斜板型圧縮機は、二酸化
炭素（ＣＯ₂ ）等の作動圧力の高い冷媒を使用する冷凍
サイクルに用いた場合のものであり、図１は、本発明に
係る斜板型圧縮機（以下、単に圧縮機と呼ぶ。）の軸方
向断面を示している。

【００１３】５は図示されていない電磁クラッチを介し
て外部駆動源（車両走行用エンジン等）からの駆動力を
得て回転する回転軸で、この回転軸５はシリンダブロッ
ク（ハウジング）２、３に配置されたラジアル軸受１
３、１４およびスラスト軸受１１、１２によって回転可
能に保持されている。ここで、ラジアル軸受１３、１４
は回転軸５の垂直方向の荷重に対抗し、スラスト軸受１
１、１２は回転軸５の軸方向荷重に対抗している。

【００１４】シリンダブロック２、３内には、回転軸５
と平行、かつ、回転軸５を中心として周方向に３等分す
る位置に円筒状のシリンダ９ａ、９ｂが形成されてお
り、シリンダブロック２側にはシリンダ９ａが３つ、シ
リンダブロック３側にはシリンダ９ｂが３つと合計６つ
形成されている。また、両シリンダ９ａ、９ｂには、軸
方向前後両側に円柱状のピストン部８ａ、８ｂを有する
双頭ピストン８が挿入れており、この双頭ピストン８の
ピストン部８ａ、８ｂおよび両シリンダ９ａ、９ｂによ
って作動室３９、３８が形成されている。

【００１５】外部駆動源側の作動室３９を形成するピス
トン部８ａおよびシリンダ９ａの軸に直角方向の断面積
は、外部駆動源側の反対側に位置する作動室３８を形成
するピストン部８ｂおよびシリンダ９ｂの軸に直角方向
の断面積より大きい。換言すれば、ピストン部８ａおよ
びシリンダ９ａの直径は、ピストン部８ｂおよびシリン
ダ９ｂの直径より大きい。

【００１６】また、双頭ピストン８は、回転軸５に結合
された回転軸に対して所定量傾いた斜板６によって駆動
され、この斜板６は、回転軸５の回転運動を往復運動に
変換して双頭ピストン８を両シリンダ９ａ、９ｂ内に往
復運動させる。なお、斜板６と双頭ピストン８との間に
は、両者が滑らかに運動するように一対のシュー７が配
置されており、双頭ピストン８は図２、３に示されるよ
うに、回転軸５周りに３本配置されている。

【００１７】シリンダブロック２には、図示されていな
い冷凍サイクルの蒸発器を流出した冷媒を吸入する吸入
口２４が形成されており、この吸入口２４は、両シリン
ダブロック２、３内に形成される斜板６が回転する斜板
室３８ａに連通している。また、両シリンダブロック
２、３の端面には、作動室３９、３８内に吸入された冷
媒の逆流を防止する吸入弁２１、２２および両シリンダ
９ａ、９ｂを閉塞するバルブプレート１５、１６が配置
されている。バルブプレート１５にはシリンダ９ａに連
通する吸入口３４と吐出口３５が形成れており、シリン
ダ９ａの反対側の吐出口３５には、作動室３９から吐出
した冷媒の逆流を防止する吐出弁１７と、この吐出弁１
７の最大開度を規制する弁止板１８とが図示されていな
いボルトによってバルブプレート１５に固定されてい
る。同様に、バルブプレート１６には、シリンダ９ｂに
連通する吸入口２５と吐出口２６が形成されており、シ
リンダ９ｂの反対側の吐出口２６には吐出弁１９と弁止
板２０とが図示されていないボルトによってバルブプレ
ート１６に固定されている。

【００１８】なお、バルブプレート１５および吸入弁２
１はフロントハウジング１とシリンダブロック２とによ
って挟まれてボルト３７によって共締めされている。同
様に、バルブプレート１６および吸入弁２２はリアハウ
ジング４とシリンダブロック３とによって挟まれてボル
ト３６によって共締めされている。フロントハウジング
１には、フロントハウジング１と回転軸５との隙間から
冷媒が外部へ漏れることを防止する軸シール１０が配置
され、この軸シール１０は回転軸５に圧入されたリング
１０ａの端面１０ｂに接して冷媒の漏れを防止してい
る。

【００１９】そして、シリンダブロック２には、この軸
シール１０とフロントハウジング１とによって形成され
る吸入室３１と斜板室３８ａとを連通させる連通路３３
が形成されており、この吸入室３１は吸入口３４と連通
している。また、フロントハウジング１には、吐出口３
５と連通する吐出室３２が形成されている。なお、吸入
室３１は、図２に示すように、フロントハウジング１に
形成された３つの吸入口３４に冷媒を分配しており、吐
出室３２はフロントハウジング１に形成された３つの吐
出口３５から吐出した冷媒を集合させて、シリンダブロ
ック２に形成された連通路３０を介して吐出口２３より
図示されていない冷凍サイクルの凝縮器に冷媒を吐出す
る。

【００２０】また、リアハウジング４には、図１に示す
ように、吸入口２５と連通する吸入室２７および吐出口
２６と連通する吐出室２８が形成されており、吸入室２
７は連通路２９により斜板室３８ａと連通している。さ
らに、吐出室２８は、シリンダブロック２、３に形成さ
れた連通路３０を介して吐出口２３と連通している。な
お、吸入室２７は、図３に示すように、リアハウジング
４に形成された３つの吸入口２５に冷媒を分配してお
り、吐出室２８はリアハウジング４に形成された３つの
吐出口２６から吐出した冷媒を集合させて連通路３０に
連通させている。

【００２１】次に、本実施形態に係る圧縮機の作動を図
１に基づいて述べる。吸入口２４から吸入された低圧の
冷媒（本実施形態では、約３５ｋｇｆ／ｃｍ ² であり、
以下、吸入圧Ｐｓと呼ぶ）は、斜板室３８ａ、連通路２
９、３３、吸入室２７、３１、吸入口２５、３４を経て
作動室３８（第１作動室）、作動室３９（第２作動室）
に吸入される。そして、冷媒は吐出圧（本実施形態で
は、約１１０ｋｇｆ／ｃｍ² であり、以下、吐出圧Ｐｄ
と呼ぶ）まで圧縮されて、吐出室２８、３２、連通路３
０を経て吐出口２３より圧縮機外部に吐出する。

【００２２】次に、本実施形態の特徴を述べる。図４
は、スラスト軸受１１、１２に作用する軸方向荷重につ
いて説明するための説明図であり、この説明図に基づい
て本実施形態の特徴を述べる。前述のように、回転軸５
には吸入圧Ｐｓ（斜板室３８ａ内圧力）と大気圧Ｐｏと
の差圧による軸方向荷重Ｆｏが作用するとともに、作動
室３９、３８内の冷媒が双頭ピストン８に及ぼす作用力
Ｆ₁ 、Ｆ₂ が斜板６を介して作用している。すなわち、
スラスト軸受１１、１２に作用する軸方向荷重ＦＢは、
差圧による軸方向荷重Ｆｏおよび圧縮反力Ｆ₁ 、Ｆ₂ の
和として与えられる。これを式に表せば数式１になる

【００２３】

【数１】ＦＢ＝Ｆｏ＋Ｆ₁ ＋（−Ｆ₂ ） なお、荷重の向きは差圧による軸方向荷重Ｆｏを正の向
きとした。数式１からも明らかなように、作動室３９内
のピストン８ａに作用する作用力Ｆ₂ の向きと、差圧に
よる軸方向荷重Ｆｏおよび作動室３８内のピストン８ｂ
に作用する作用力Ｆ₁ の向きとは互いに対抗するので、
両者の力が略相殺される。したがって、スラスト軸受１
１、１２に作用する軸方向荷重ＦＢを小さくすることが
できるので、スラスト軸受１１、１２の寿命低下を抑制
することができる。延いては、圧縮機の信頼性の向上を
図ることができる。

【００２４】また、スラスト軸受１１、１２に作用する
軸方向荷重ＦＢを小さくすることができるので、スラス
ト軸受１１、１２の大型化を抑制することができ、延い
ては、圧縮機の大型化を抑制することができる。因み
に、図５は数式１に基づく軸方向荷重ＦＢと、ピストン
８ｂの直径Ｒｂとピストン８ａの直径Ｒａと比（以下、
ピストン径比Ｒｂ／Ｒａと呼ぶ。）との関係を示す計算
結果である。なお、図６はＲｂ＝Ｒａとした場合の計算
結果であり、以下に計算条件を示す。

【００２５】

【数２】Ｆｏ＝Ｓｏ×（Ｐｓ−Ｐｏ）

【００２６】

【数３】Ｆ₁ ＝Ｐ₁ ×Ｓ₁

【００２７】

【数４】Ｆ₂ ＝Ｐ₂ ×Ｓ₂ Ｓｏ：回転軸５に大気圧が作用する受圧面積 Ｓｏ＝２．９ｃｍ² Ｐ₁ ：作動室３８内圧力 Ｓ₁ ：双頭ピストン８のピストン部８ｂの断面積 Ｓ₁ ＝７．９ｃｍ² （直径１ｃｍ） Ｐ₂ ：作動室３９内圧力 Ｓ₂ ：双頭ピストン８のピストン部８ａの断面積 Ｓ₂ ＝３．１ｃｍ² （直径２ｃｍ） なお、Ｓ₁ およびＳ₂ はピストン径比Ｒｂ／Ｒａ＝０．
５のときの値であり、圧力条件は上述による。

【００２８】図５、６から明らかなように、本実施形態
に係る圧縮機のスラスト軸受１１、１２それぞれに作用
する軸方向荷重ＦＢの最大値は約１００ｋｇｆであり、
Ｒｂ＝Ｒａとした場合の軸方向荷重ＦＢの最大値は約２
００ｋｇｆである。したがって、本実施形態に係る圧縮
機によれば、スラスト軸受１１、１２に作用する軸方向
荷重ＦＢを、約１／２程度まで低減することができる。

【００２９】なお、軸方向荷重ＦＢの正の向きは、上述
のように、差圧による軸方向荷重Ｆｏを正としており、
正の向きの向き軸方向荷重ＦＢは、スラスト軸受１１に
作用する荷重を示し（図５の右下がりハッチング部
分）、負の向きの向き軸方向荷重ＦＢは、スラスト軸受
１２に作用する荷重を示している（図５の右上がりハッ
チング部分）。

【００３０】また、ピストン径比Ｒｂ／Ｒａを適切に選
定することにより、両スラスト軸受１１、１２に作用す
る荷重をほぼ等しくすることができるので、両スラスト
軸受１１、１２のサイズを等しくすることができる。し
たがって、両スラスト軸受１１、１２を同サイズとした
場合に、どちらか一方が過剰品質とならないので、適正
なスラスト軸受を選定しつつ、圧縮機の大型化を抑制す
ることができる。

【００３１】ところで、本発明は、双頭ピストン８が３
本に限られるものではなく、本数を変更して実施するこ
とができる。また、上記実施形態では、ピストン径比Ｒ
ｂ／Ｒａを変更することにより作動室３８の圧縮反力Ｆ
₁ および作動室３９の圧縮反力Ｆ₂ と差圧による軸方向
荷重Ｆｏとが相殺されるようにしたが、両作動室３９、
３８の圧縮比を変更して作動室３８の圧縮反力Ｆ₁ およ
び作動室３９の圧縮反力Ｆ₂ と差圧による軸方向荷重Ｆ
ｏとが相殺されるようにしても本発明を実施することが
できる。

【００３２】また、双頭ピストン８は円柱形状に限られ
るものではなく、楕円形状などそのその他の形状を有す
る双頭ピストン８を用いても本発明を実施するこができ
る。さらに、本発明に係る圧縮機は、二酸化炭素を冷媒
とする冷凍サイクルにその使用が限定されるものではな
く、その他、流体の作動圧力の高いサイクルに用いても
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る斜板型圧縮機の軸方向断面図
である。

【図２】フロントハウジング１を斜板室３８ａ側から見
た正面図である。

【図３】リアハウジング４を斜板室３８ａ側から見た正
面図である。

【図４】本実施形態に係る斜板型圧縮機に作用する荷重
を説明する説明図である。

【図５】本実施形態に係る斜板型圧縮機のスラスト軸受
に作用する最大軸方向荷重ＦＢとピストン径比Ｒｂ／Ｒ
ａとの関係を示すグラフである。

【図６】従来技術に係る斜板型圧縮機に作用する軸方向
荷重Ｆｏおよび圧縮反力Ｆ₁ 、Ｆ₂ と回転軸５の回転角
度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…フロントハウジング、２、３…シリンダブロック、
４…リアハウジング、５…回転軸、６…斜板、７…シュ
ー、８…双頭ピストン、９ａ、９ｂ…シリンダ、１０…
軸シール、１１、１２…スラスト軸受、１３、１４…ラ
ジアル軸受、１５、１６…バルブプレート、１７…吐出
弁、１８…弁止板、１９…吐出弁、２０…弁止板、２
１、２２…吸入弁、２３…吐出口、２４…吸入口、２５
…吸入口、２６…吐出口、２７…吸入室、２８…吐出
室、２９…連通路、３０…連通路、３１…吸入室、３２
…吐出室、３３…連通路、３４…吸入口、３５…吐出
口、３６、３７…ボルト、３８、３９…作動室。

フロントページの続き (72)発明者 内田 和秀 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 酒井 猛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部駆動源から駆動力を得て回転する回
   転軸（５）と、 前記回転軸（５）に作用する軸方向荷重（ＦＢ）に対抗
   するスラスト軸受（１１、１２）と、 前記スラスト軸受（１１、１２）を保持するとともに、
   前記回転軸（５）を収納するハウジング（１、２、３、
   ４）と、 前記ハウジング（２、３）内に前記回転軸（５）と平行
   に形成された複数個のシリンダ（９ａ、９ｂ）と、 前記シリンダ（９ａ、９ｂ）内で往復運動し、軸方向前
   後両側にピストン（８ａ、８ｂ）を有する双頭ピストン
   （８）と、 前記回転軸（５）に設けられ、前記回転軸（５）の回転
   運動を往復運動に変換して前記双頭ピストン（８）を往
   復運動させる斜板（６）と、 前記シリンダ（９ａ、９ｂ）と前記双頭ピストン（８）
   とによって形成される第１作動室（３８）および第２作
   動室（３９）と、 前記ハウジング（１、２、３、４）に形成され、流体を
   吸入する吸入口（２４）と、 前記ハウジング（１、２、３、４）に形成され、前記第
   １および第２作動室（３９、３８）にて圧縮された流体
   を吐出する吐出口（２３）と、 前記ハウジング（１、２、３、４）内に形成され、前記
   吸入口（２４）と連通する斜板室（３８ａ）とを有し、 前記斜板室（３８ａ）内圧力と前記ハウジング（１、
   ２、３、４）外圧力との圧力差によって発生する軸方向
   荷重（Ｆｏ）が、前記第１および第２作動室（３９、３
   ８）内の流体が前記双頭ピストン（８）に及ぼす作用力
   （Ｆ₁ 、Ｆ₂ ）によって略相殺されることを特徴とする
   斜板型圧縮機。
2. 【請求項２】 前記第２作動室（３９）は、前記外部駆
   動源側に形成されており、 前記双頭ピストン（８）の軸と直角方向の断面積のうち
   前記第２作動室（３９）側の断面積は、前記双頭ピスト
   ン（８）の軸と直角方向の断面積のうち前記第１作動室
   （３８）側の断面積より大きいことを特徴とする請求項
   １に記載の斜板型圧縮機。