JP2007139074A - エアーパルス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】腐食性物質が存在するような環境下においても充分な耐久性を有すると共に、スプールの過剰な往復運動に伴い発生する衝撃力を適正化させ得る、エアーパルス発生装置を提供する。
【解決手段】ケーシング１の内部に嵌着されたスリーブ２の内部を、スプール３が往復動することによって、エアーパルスを発生させるエアーパルス発生装置。ケーシング１はＳＵＳ３０４Ｌ、スリーブ２はＳＵＳ６３０、スプール３はＳＵＳ４４０Ｃから夫々なり、スプール３の外周面には窒化クロムがコーティングされ、スプール３とスリーブ２のクリアランスが１５〜２５μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアーパルス発生装置、特に、エアーパルスを発生するパルセーションバルブに関する。

従来、エアーパルス発生装置としてのパルセーションバルブは公知であり、その構造及び機能の一例を図３乃至図５を参照して説明する。パルセーションバルブは、内面円周方向に複数のリング状溝１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが等間隔に形成されている筒状のケーシング１を備えており、このケーシング１内にはスリーブ２が固定的に嵌着されている。スリーブ２の外面円周方向には上記リング状溝１ａ〜１ｅに夫々整合する複数のリング状溝２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅと該リング状溝２ａ〜２ｅに夫々連通するポート群２ａ’，２ｂ’，２ｃ’，２ｄ’，２ｅ’が穿設されており、スリーブ２内には、該スリーブ２の内壁に沿って摺動自在に往復運動し得るスプール３が配置されている。

従って、各リング状溝１ａと２ａ，１ｂと２ｂ，１ｃと２ｃ，１ｄと２ｄ，１ｅと２ｅは夫々同心の環状通路を形成し、これらの環状通路は、夫々ポート群２ａ’，２ｂ’，２ｃ’，２ｄ’，２ｅ’を介してスリーブ２の内部に連通している。さらに、リング状溝１ｂ，２ｂ；１ｃ，２ｃは、夫々ケーシング１に穿設されたポート１ｂ’，１ｃ’を介してエアーパルス用圧縮空気を生成するためのエアーパルス用コンプレッサー（図示せず）に連通し、リング状溝１ａ，２ａ；１ｄ，２ｄは夫々ケーシング１に穿設されたポート１ａ’，１ｄ’を介してエアーパルスを供給すべきエアーパルス被供給装置（図示せず）に連通し、さらに、リング状溝１ｅ，２ｅはケーシング１に穿設されたポート１ｅ’を介して排気口（図示せず）に連通している。

ケーシング１及びスリーブ２の両端には密閉用蓋体４ａ，４ｂが取り付けられており、スリーブ２の内部は閉じた状態になっている。各密閉用蓋体４ａ，４ｂには、スリーブ２の内部に連通する通路５ａ，５ｂが形成されている。通路５ａ，５ｂは、スプール作動用圧縮空気を生成するためのスプール作動用コンプレッサー（図示せず）に連通しており、スプール作動用コンプレッサーからの圧縮空気は、通路５ａ，５ｂを通ってスリーブ２の両端からその内部に導入される。後述するように、スプール作動用コンプレッサーからの圧縮空気を通路５ａ，５ｂから交互にスリーブ２の内部に送り込むことによって、スプール３はスリーブ２内で往復運動せしめられる。

スプール３には二つの縮径部３ａ，３ｂが形成されており、この縮径部３ａ，３ｂにより、スリーブ２の内部には二つのリング状のスペースＡ，Ｂが形成されるようになっている。各縮径部３ａ，３ｂは、リング状スペースＡ又はＢを介して隣接する二つのリング状溝に連通するポート群を連通させることはできるが、隣接する三つのポート群を連通させることはできないように長さが選定されており、例えば、図３に示す状態では、縮径部３ａはポート群２ａ’とポート群２ｂ’とを連通させており、縮径部３ｂはポート群２ｃ’とポート群２ｄ’とを各々リング状スペースＡ，Ｂを介して連通させるようになっている。

以上のような構成を有するエアーパルス発生装置は次のように作動する。図示しないスプール作動用コンプレッサーからの圧縮空気が通路５ａを介してスリーブ２の内部に供給されると、スプール３は、スリーブ２の内部を左方に向かって摺動し、図３に示すように、緩衝部材を介して蓋体４ａに押しつけられる。この状態においては、ポート群２ａ’とポート群２ｂ’とはリング状スペースＡを介して、ポート群２ｃ’とポート群２ｄ’とはリング状スペースＢを介してそれぞれ連通している。このため、図示しないエアーパルス用コンプレッサーからの圧縮空気は、夫々ポート群２ｂ’，２ｃ’からリング状スペースＡ，Ｂを介しポート群２ａ’，２ｄ’を通って図示しないエアーパルス被供給装置に送られる。

次いで、スプール作動用コンプレッサーからの圧縮空気の通路５ａへの供給が停止され、通路５ｂへの供給が開始される。これによって、通路５ａ内の圧縮空気は排気され、スプール３は図３の位置から右方に向かって摺動し、最終的には、図４に示すように、緩衝部材を介して蓋体４ｂに押しつけられる。この状態においては、ポート群２ｂ’とポート群２ｃ’とはリング状スペースＡを介して、ポート群２ｄ’とポート群２ｅ’とはリング状スペースＢを介して夫々連通せしめられる。ポート群２ｂ’とポート群２ｃ’は何れもエアーパルス用コンプレッサーに連通しているため、リング状スペースＡを介してのポート群２ｂ’とポート群２ｃ’との間の空気の流れは生じない。これに対して、ポート群２ｄ’はリング状スペースＢを介してポート群２ｅ’と連通するため、エアーパルス被供給装置からの戻りの圧縮空気はポート１ｄ’からリング状スペースＢを経てポート群２ｅに進み、最終的には、ポート１ｅ’を経て排気口から外部へ排出される。

次いで、スプール作動用コンプレッサーからの圧縮空気の通路５ｂへの供給が停止され、通路５ｂ内の圧縮空気の排気が行われて、代りに通路５ａへの圧縮空気の供給が再び開始される。かくして、図３及び図４に示したサイクルが繰り返される。このように、スプール３がスリーブ２内で一往復する間にエアーパルス用コンプレッサーからの圧縮空気は１回だけエアーパルス被供給装置に供給されることになる。すなわち、スプール３が一往復する毎に圧縮空気がパルス状にエアーパルス被供給装置に供給されることになり、スプール３がスリーブ２内で往復運動を行うことにより、連続的にエアーパルスがエアーパルス被供給装置に供給される。

エアーパルスの供給周期は、スプール３の往復速度に依存する。このため、スプール作動用コンプレッサーから通路５ａ，５ｂへの圧縮空気の供給頻度を変えることによって、エアーパルスの供給周期を増減することができる。

このエアーパルス発生装置は、エアーパルス被供給装置としての、例えば、パルスカラム式抽出塔やスラッジ含有液体の貯蔵タンクなどに接続され、スラッジ堆積防止のための攪拌用エアーパルスを供給するために用いられる。特に、核燃料再処理施設の分離精製工程などで使用されるパルスカラム式抽出塔に供給するエアーパルスを発生させるために用いられることが多い。

従って、スプールとスリーブは次のような過酷な条件下で使用される結果となるため、それらの材料の選定は重要な課題とされている。即ち、
（１）硝酸などの強酸のミストの存在下における摺動、
（２）無潤滑状態の下での摺動、
（３）高速度でのスプールの摺動、
（４）スプールとスリーブとの間のギャップを最小に維持した状態での摺動即ち、他のポート側への漏洩を最小に抑えた状態での摺動である。

従来のエアーパルス発生装置の各部品を構成する材料の一例を示すと、次のようであった。
ケーシング：アルミニウム合金鋳物
スリーブ：ＳＵＳ４４０Ｂ
スプール：ＳＵＳ４４０Ｂ
スプールの摺動面：クロム系コーティング
この従来のエアーパルス発生装置においては、バルブの構成材料の耐蝕性が不十分であるため、バルブ内を通過する腐食性ガス、蒸気及びミストによって、バルブ摺動部（スリーブとスプールとの間の部分）のスリーブが腐食し、バルブの作動停止などのトラブルを起こすことがあった。また、操作ミスなどによって、液体をバルブ内に直接浸入させた場合にも同様のトラブルが生じていた。

例えば、エアーパルス発生装置をパルスカラム式抽出塔に接続させた場合、パルスカラムから飛散する硝酸ミストなどに起因して、上記のような問題を起こすことが多々あった。また、スプール３の往復運動に際し、スプール３の摺動速度は摺動の最端位置で最大となるため、緩衝部材があるとはいうものの過剰な往復運動速度では蓋体に与える衝撃力は可成り大きく、装置各部に悪影響を及ぼすという問題点があった。

そこで本願発明者らは、バルブの構成材料を耐蝕性の強い下記材料に変えたエアーパルス発生装置を提案した（特許文献１参照）。
ケーシング：ＳＵＳ３０４Ｌあるいはアルミニウム合金鋳物
スリーブ：ＳＵＳ６３０
スプール：ＳＵＳ３０４Ｌ
スプールの摺動面：Ｃｒ₂Ｏ₃コーティング
特開平９−１３７８０４号公報

しかしながら、上記材料からなるエアーパルス発生装置をパルスカラム式抽出塔に接続させ、試験を行ったところ、従来に比較し明らかに耐蝕性の向上は確認されたが、試験を継続するにつれて、スリーブ及びスプールに擦痕が生じることがあった。このような擦痕が生じた状態で使用を継続すると、バルブの作動停止などのトラブルに繋がるという問題点があった。
また、スプールとスリーブのクリアランスが適正でなかったため、異物のかみこみや、ポート間の空気の漏洩が起り、これに起因してパルスカラム式抽出塔に与えるエアーパルスが通常状態から逸脱するという不都合が生じた。

本発明は、このような従来のエアーパルス発生装置における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、腐食性物質が存在するような環境下においても充分な耐久性を有すると共に、スプールの過剰な往復運動に伴い発生する衝撃力を適正化させ得る、エアーパルス発生装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明に係るエアーパルス発生装置は、エアーパルス用圧縮空気供給源と、筒状のケーシングと、該ケーシング内に嵌着されたスリーブと、該スリーブ内に摺動し得るように嵌挿されたスプールとからなり、前記スリーブには、前記圧縮空気供給源と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、エアーパルス被供給装置と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、排気口と前記スリーブの内部とに連通しているポートとが設けられており、前記スプールには、前記ポートのうち隣接する二つのポートを連通させる縮径部が形成されており、前記スプールがスプール作動用圧縮空気により前記スリーブ内を往復運動することにより、前記エアーパルス被供給装置にエアーパルスを供給するエアーパルス発生装置において、前記ケーシングがＳＵＳ３０４Ｌ、前記スリーブがＳＵＳ６３０、前記スプールがＳＵＳ４４０Ｃから夫々なり、前記スプールの外周面には窒化クロムがコーティングされていて、前記スプールと前記スリーブのクリアランスが１５〜２５μｍであることを特徴とする。

また、本発明によるエアーパルス発生装置は、上記エアーパルス発生装置において、ケーシングは、ＳＵＳ３０４Ｌに代えて、アルミ合金鋳物で作成され、該ケーシングの内周面はアルマイト処理されていることを特徴とする。

また、本発明の好ましい実施態様においては、前記スリーブは時効熱処理（Ｈ９００）されたものが用いられる。さらに、前記窒化クロムコーティングの厚みは８〜１２ミクロンであることが好ましい。また、本発明の好ましい実施態様においては、スプールの過剰速度運動を防止するため、該スプールと協働する摺動速度制限手段が設けられている。

本発明によれば、腐食性環境の下でも十分な耐久性を発揮させることができるばかりか、比較的大型であってもスプールの往復運動に伴う衝撃が小さく長期間の使用に耐え得るエアーパルス発生装置を提供することができる。特に、腐食性の強い蒸気、ガス、ミストなどを発生させるパルスカラム式抽出塔において使用する場合には有効である。

本発明に係るエアーパルス発生装置は、図１及び図２に示したように、その基本構成及び作用は、図３乃至図５により説明した従来例と同じであるので、従来例と同一構成部分には同一符号を用いて説明を省略し、以下、従来例と異なる構成部分とその作用についてのみ説明する。

図１及び図２に示すように、本発明に係るエアーパルス発生装置の実施形態によれば、スプール３の左端部が延長せしめられていて、この延長部分に大径部３ｃと一対の小径部３ｄ，３ｅが形成されており、又この延長部分に対応してスプール作動用圧縮空気の通路５ｂも延長されて、上記延長部分を収容し得るようになっている。更に、蓋体４ａには、通路５ｂに臨むように絞りリング６が取付けられている。なお、大径部３ｃの軸方向長さは、スプール３が左方移動限界位置に達したとき（図１）小径部３ｅが絞りリング６と整合し、またスプール３が右方移動限界位置に達したとき（図２）小径部３ｄが絞りリング６と整合するように、選定されている。

本実施形態は上記のように構成されているから、スプール作動用圧縮空気によりスプール３が図２の位置から図１の位置まで摺動せしめられるとき、スタート時点では小径部３ｄが絞りリング６と整合しているため、通路５ｂを流れる排気量は比較的多いが、スタート後大径部３ｃが絞りリング６と整合するようになると空気流路は絞られるため排気流量は抑制される。又、スプール３が図１の位置から図２の位置まで摺動せしめられるとき、スタート時点では小径部３ｅが絞りリング６と整合しているため、通路５ｂを流れるスプール作動用圧縮空気の供給流量は比較的多いが、スタート後大径部３ｃが絞りリング６と整合するようになると空気流路は絞られるため、スプール作動用圧縮空気の供給流量は抑制される。従って、スプール３の往復運動共その摺動速度は適当に制限される結果となり、スプール３の過剰速度運動は防止されて、スプール３の左右の移動限界位置に達したときの衝撃は好適に緩和される。

本実施形態では、スプール３の左端部にスプールの摺動速度制限手段を設けたが、この手段はスプールの右端部に設けてもよく、更に必要があればスプールの両端部に併設してもよい。

更に、本発明に係るエアーパルス発生装置の実施形態によれば、ケーシング１及びスリーブ２に関しては従来装置と同じ材料であるが、スプール３を構成する材料が従来装置とは異なっている。以下、この点について説明する。

まず、ケーシング１は従来同様オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４Ｌからなる。ＳＵＳ３０４Ｌの硬度Ｈはビッカース硬度Ｈｖで２００以下であり、ロックウェル硬度ＨＲｃで１５以下である。すなわち、Ｈ < Ｈｖ２００ 又は Ｈ < ＨＲｃ１５である。また、ＳＵＳ３０４Ｌは良好な耐蝕性を有しており、耐硝酸Ａ級材質である。

ケーシング１は、ＳＵＳ３０４Ｌに代えて、アルミ合金鋳物を用いることもできる。但し、この場合には、ケーシング１の内壁をアルマイト処理しておくことがより望ましい。

また、スリーブ２は析出硬化型ステンレス鋼のＳＵＳ６３０からなる。このＳＵＳ６３０は時効熱処理（Ｈ９００）されたものである。ＳＵＳ６３０の硬度Ｈはビッカース硬度Ｈｖで３８９以下であり、ロックウェル硬度ＨＲｃで４０以下である。すなわち、
Ｈ < Ｈｖ３８９ 又は Ｈ < ＨＲｃ４０である。ＳＵＳ６３０は良好な耐蝕性を有しており、耐硝酸Ａ級材質である。

スプール３はマルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなる。ＳＵＳ４４０Ｃの硬度Ｈはビッカース硬度Ｈｖで６２０以下であり、ロックウェル硬度ＨＲｃで５６以下である。すなわち、Ｈ < Ｈｖ６２０ 又は Ｈ < ＨＲｃ５６である。また、スプール３の外周面、すなわち、スリーブ２との間の摺動面には、窒化クロムコーティングが施されている。このコーティングは、例えば、ＰＶＤ法によって行われ、コーティングの厚さは８〜１２μｍが好ましい。

この窒化クロムコーティングの硬度Ｈは、ビッカース硬度Ｈｖで１５００以下であり、ロックウェル硬度ＨＲｃで７８以下である。すなわち、Ｈ < Ｈｖ１５００ 又は Ｈ <ＨＲｃ７８である。この窒化クロムコーティングは、従来のクロム系コーティングやＣｒ₂Ｏ₃コーティングに比較して一層硬度が高いため、コーティング面に傷が入り難い。また、この窒化クロムコーティングは良好な耐蝕性を有しており、硝酸に対しても良好な耐久性を有している。

しかし、窒化クロムコーティングは、成膜方法による制限のため薄膜コーティングであり、十分な耐久性を確保するためには、母材自身にも高い硬度が要求されることがわかった。そこで、本発明では、スプールの母材に、従来のＳＵＳ３０４Ｌに比較し硬度の高いＳＵＳ４４０Ｃを用いている。ＳＵＳ４４０Ｃの耐硝酸性は、ＳＵＳ３０４Ｌに比較し劣っているが、窒化クロムコーティングの耐硝酸性が良好であるため、ＳＵＳ４４０Ｃに窒化クロムコーティングを施したスプールを用いれば、腐食性環境の下でも十分な耐久性が発揮される。

本エアーパルス発生装置を例えばパルスカラム式抽出塔に使用する場合、スプール３の全長は２００ｍｍ、外径は４５ｍｍであり、スプール３とスリーブ２のクリアランス（スリーブ２の内径とスプール３の外径との差）は１５〜２５μｍに選定される。このクリアランスが１５μｍ未満であると、異物をかみこみやすくなってスプールとスリーブの摺動に悪影響を与え、エアーパルス発生装置の寿命低下を招く。また、２５μｍを超えると、スプールとスリーブの間から他のポートへの供給空気の漏洩が大量に発生し、パルスカラム式抽出塔の抽出効率が損なわれるという問題が発生する。

上記構成のスプールおよびスリーブを用いることにより擦痕が生じなくなったが、その理由は、スプール材及びスプールに施したコーティング材の硬度を上げたこと、コーティングの密着度が向上したことにより、スプール及びスリーブの摩耗が無くなったこと、スリーブとスプールのクリアランスを上記範囲に選定したことでスプール／スリーブ間にコーティング材の摩耗粉および供給空気中の異物が入り込むことが無くなって、スリーブを摩耗させる原因がなくなったことにあると考えられる。
また、スリーブとスプールのクリアランスを上記範囲に選定したことにより、スプールとスリーブの間から他のポートへの供給空気の漏洩が抑えられて、パルスカラム式抽出塔に与える脈動の正常性が保たれ、エアーパルス派生装置としての機能を十分発揮することができることが確認された。

本発明に係るエアーパルス発生装置の一作動状態を示す断面図である。 本発明に係るエアーパルス発生装置の他の作動状態を示す断面図である。 従来のエアーパルス発生装置の一作動状態を示す断面図である。 従来のエアーパルス発生装置の他の作動状態を示す断面図である。 従来のエアーパルス発生装置に用いられるスリーブの下半分を破断して示す正面図である。

符号の説明

１ ケーシング
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ リング状溝
１ａ’，１ｂ’，１ｃ’，１ｄ’，１ｅ’ ポート
２ スリーブ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ リング状溝
２ａ’，２ｂ’，２ｃ’，２ｄ’，２ｅ’ ポート群
３ スプール
３ａ，３ｂ 縮径部
３ｃ 大径部
３ｄ，３ｅ 小径部
５ａ，５ｂ スプール作動用圧縮空気の通路
６ 絞りリング
Ａ，Ｂ リング状スペース

Claims (6)

1. エアーパルス用圧縮空気供給源と、筒状のケーシングと、該ケーシング内に嵌着されたスリーブと、該スリーブ内に往復摺動可能に嵌挿されたスプールとからなり、前記スリーブには、前記エアーパルス用圧縮空気供給源と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、エアーパルス被供給装置と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、排気口と前記スリーブの内部とに連通しているポートとが設けられており、前記スプールには、前記ポートのうち隣接する二つのポートを連通させる縮径部が形成されており、前記スプールがスプール作動用圧縮空気により前記スリーブ内を往復運動せしめられることにより、前記エアーパルス被供給装置にエアーパルスを供給するエアーパルス発生装置において、前記ケーシングがＳＵＳ３０４Ｌ、前記スリーブがＳＵＳ６３０、前記スプールがＳＵＳ４４０Ｃからそれぞれなり、前記スプールの外周面には窒化クロムがコーティングされていて、前記スプールと前記スリーブのクリアランスが１５〜２５μｍであることを特徴とするエアーパルス発生装置。
2. エアーパルス用圧縮空気供給源と、筒状のケーシングと、該ケーシング内に嵌着されたスリーブと、該スリーブ内に往復摺動可能に嵌挿されたスプールとからなり、前記スリーブには、前記エアーパルス用圧縮空気供給源と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、エアーパルス被供給装置と前記スリーブの内部とに連通しているポートと、排気口と前記スリーブの内部とに連通しているポートとが設けられており、前記スプールには、前記ポートのうち隣接する二つのポートを連通させる縮径部が形成されており、前記スプールがスプール作動用圧縮空気により前記スリーブ内を往復運動せしめられることにより、前記エアーパルス被供給装置にエアーパルスを供給するエアーパルス発生装置において、前記ケーシングがアルミ合金鋳物からなり、前記ケーシングの内周面はアルマイト処理されており、前記スリーブがＳＵＳ６３０からなると共に、前記スプールがＳＵＳ４４０Ｃからなり、前記スプールの外周面には窒化クロムがコーティングされていて、前記スプールと前記スリーブのクリアランスが１５〜２５μｍであることを特徴とするエアーパルス発生装置。
3. 前記スリーブは時効熱処理されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエアーパルス発生装置。
4. 前記窒化クロムコーティングの厚みは８〜１２ミクロンであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のエアーパルス発生装置。
5. 前記スプールの過剰速度運動を防止するため、前記スプール作動用圧縮空気の通路内に前記スプールと協働する摺動速度制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のエアーパルス発生装置。
6. 前記摺動速度制限手段は、前記スプールの端部に形成された大径部及び一対の小径部と、前記大径部及び一対の小径部と協働する空気流路絞りリングとから成っていることを特徴とする請求項５に記載のエアーパルス発生装置。

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