JP2009127592A - 往復圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体の外周とガイド穴の内壁間の圧力分布を均一化することにより、弁体の摺動を円滑にして不連続的な打撃音と弁体の相手側シール面の摩耗を防止した往復圧縮機を提供すること。
【解決手段】往復圧縮機のシリンダに吸込みポペット弁及び吐出ポペット弁を組込んだ往復圧縮機において、前記ポペット弁は、ガイド穴とこの中を摺動する弁体からなり、前記ガイド穴の内壁と弁体の外周面との隙間を連通する連通部を前記弁体に設けた。前記連通部は、前記弁体の外周面に設けられた面取り部であってもよい。また、前記弁体は内部空間を有し、前記連通部は前記弁体の外周面と前記内部空間を通じる連通孔であっても良い。
【選択図】図１１

Description

本発明は、可燃性ガスや毒性ガスを取扱う往復圧縮機に関し、特に４０ＭＰａを越えるような高圧で吐出する小容量高圧の往復圧縮機のバルブ構造に関する。

従来のプランジャ式往復圧縮機の例が特許文献１に記載されている。この文献に記載された圧縮機では、シリンダ弁５０内に設けられた第１バルブにより圧縮室６０に吸込まれ、圧縮室６０で圧縮されたガスは第２バルブにより吐出される。これらのバルブとしてはポペット弁が用いられる。この種往復圧縮機の一般的な例として、図３に示すようなものがある。本圧縮機は単段又は複数段を有する圧縮機で、一つのクランク機構を介して駆動機（本例ではモータ）の回転エネルギーを往復運動エネルギーに変え、プランジャー６が往復運動してガスを圧縮する。

駆動機に接続されたクランクシャフト１に、コネクティングロッド３が取付けられ、コネクティングロッド３の他端はクロスピン４を介してクロスヘッド５に連結されている。クランクシャフト１が回転運動すると、コネクティングロッド３は揺動運動し、クロスヘッド５はプランジャー６と共に往復運動を行う。プランジャー６の先端部にはシリンダ部７が構成されており、引き行程で吸込みポペット弁８からガスを吸い込み、押し行程で規定の吐出圧力に達すると、吐出ポペット弁９より圧縮ガスを吐出するものである。

図４において、プランジャー６が引き行程になってシリンダ７内の圧力が吸込み圧力ラインよりも低下すると、ばね８ｂが縮み、吸込みポペット弁８が開いて、ガスが吸込みポート１０から流路１１を通りシリンダ７内へ流入する。次に、プランジャー６が押し行程になると、シリンダ７内の圧力が吐出圧力ラインを超えると、ばね９ｂが縮んで吐出ポペット弁９が開いて、ガスが流路１１，１２、１４を通り吐出ポートから吐き出される。

図５は一般的な円筒型ポペット弁の構造の一例で、例えば前記吐出ポペット弁９の弁体９ａを示す。弁体９ａの形状は内部に中空な空間９ｄを有する円筒形であるが、底板がある端面９ｂ部が相手部品のシール面と接触してガスを閉止する。外周面９ｃはガイド穴２３に装着されたときその内壁面に接触して、バルブが軸方向に摺動するためのガイドの役割をしている。弁体の空間９ｄ内には弱いバネ９ｅが装着され、バルブ開閉の補助をしている。

特開２００４−１１６３３０号公報

しかしながら、前記従来構造のポペット弁を採用した圧縮機を長時間運転試験すると、シリンダ付近から不連続的な打撃音が不定期に聞こえる現象が発生し、分解するとガイド穴を摺動するバルブ（弁体）の相手側シール面に進行の早い摩耗が見られた。そこで、この部位の摩耗速度低減構造の検討を行った。
ポペット弁の動作を次の運動方程式で近似し、
ｍ・ｄｈ/ｄｔ^２＋ｆ（ｃ）・ｄｈ/ｄｔ＋ｋ_ｓ・ｈ＝ｆ_ｆｌｄ・ｔ
プランジャーの回転角の変化とポペット弁の動きのシミュレーションを行った。
ここで、ｍは弁体の質量、ｈは弁体の移動距離、ｋ_ｓはバネ剛性、ｆ_ｆｌｄはバルブの内外差圧によって生じる押上げ力の単位時間当たりの変化量、ｄｈ/ｄｔは弁体の速度、ｄｈ/ｄｔ^２は弁体の加速度である。

前記式の左辺第２項のｆ（ｃ）は、弁体が動こうとしたときに連動して発生する速度依存抵抗力で、バルブの安定不安定挙動に関係している。図6はこれを模式的に示したもので、バルブ速度を横軸に、縦軸に前記式の左辺第２項の抵抗力ｆ（ｃ）を採っている。一般のダンピング係数による速度依存抵抗力ｆ（ｃ）がバルブ（弁体）速度に比例し、実線で示すようにバルブ挙動を安定にする。バルブとバルブケース（ガイド穴）間の摩擦抵抗が大きいと図中点線で示すようにバルブの開閉転換時の静止摩擦係数が大きくなり、動摩擦に移行すると摩擦係数が小さくなるような現象が起る。摺動面に潤滑油があれば、図中破線で示したように、静止摩擦係数も小さくなり、動摩擦状態時は油膜のせん断抵抗により速度に比例して抵抗が増え、バルブの挙動を安定化させる。

シミュレーションではｆ（ｃ）をＣと置き換え、このＣとバルブの動作の関係を調べ、その結果を図７、図８に示す。図７は前記式左辺第２項の係数Ｃが比較的大きい（Ｃ＝１）場合で、バルブ（弁体）の開閉動作はスムースである。図８は同Ｃの値が小さい（Ｃ＝０．５）場合を示し、この場合一度開いたバルブが、途中から開閉の不安定な動作を起こしている。即ち、図６で示したバルブの動作速度ｄｈ/ｄｔの係数を小さくする要因が存在すると、バルブの挙動を不安定にする可能性があることが分った。

バルブ（弁体）動作が不安定になる現象を、吐出弁を例にとって図９、１０を用いて弁体の動きで説明する。ポペット弁９の弁体9ａはガイド穴２３に摺動可能に収納されている。弁体が閉じた状態から開放する動作では、吸込み弁の場合はシリンダ内の圧力P１がライン圧力P２よりも低下すると弁体９ａが開こうとし、逆に吐出弁の場合は圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも高くなると弁体９ａが開こうとする。一方、弁体が開いた状態から閉じる動作では、吸込み弁の場合はシリンダ内圧力Ｐ１がライン圧力P２よりも高くなると弁体が閉じようとし、逆に吐出弁の場合はシリンダ内圧力Ｐ１がライン圧力Ｐ２よりも低くなるとポペット弁が閉じようとする。

理想的には幾何学的に弁体９ａと弁体のガイド穴２３の軸心は一致しているのが好ましいが、実際には隙間があるので偏心し易い。この状態で弁体９ａが瞬時的な摺動を始めると、隙間の大きい側と小さい側、即ち弁体９ａの外周とガイド穴２３の内壁間に不均一に圧力分布を生じ、弁体９ａがガイド穴２３の内壁面に偏って押し付けられる。図9のように、内壁の一方に並行に押し付けられる場合もあれば、図１０のように傾斜を生じる場合もある。このような現象は、弁体の内筒空間の圧力Ｐ３とライン圧力Ｐ２との間に差が生じること等で、結果的に弁体９ａの外周とガイド穴２３の内壁間に不均一に圧力分布が生じるためである。

周方向に圧力分布を生じるとポペット弁は軸方向に直角方向の力を受け、ガイド穴２３内壁面に押し付けられる。このような状態が発生すると、ポペット弁の動作が阻害され、前述したポペット弁の運動方程式の左辺第２項の速度依存抵抗力ｆ（ｃ）が負になるように働くので、ポペット弁の動きがギクシャクして発振するような状態となる。この状態では、シリンダ付近から不連続的な打撃音を発生させ、摺動する弁体の相手側シール面に摩耗を引起すと考えられる。

本発明は、弁体の外周とガイド穴の内壁間の圧力分布を均一化することにより、弁体の摺動を円滑にして不連続的な打撃音と弁体の相手側シール面の摩耗を防止した往復圧縮機を提供することにある。

本発明は、往復圧縮機のシリンダに吸込みポペット弁及び吐出ポペット弁を組込んだ往復圧縮機において、前記ポペット弁は、ガイド穴とこの中を摺動する弁体からなり、前記ガイド穴の内壁と弁体の外周面との隙間を連通する連通部を前記弁体に設けたことを特徴とする。また、前記連通部は、前記弁体の外周面に設けられた面取り部であってもよい。また、前記弁体は内部空間と第２の連通部を有し、この第２の連通部は前記弁体の外周面と前記内部空間を通じる連通孔であることを特徴とする。

本発明によれば、ガイド穴壁との周方向圧力分布を均一にしたので、外筒部の接触荷重を低減し、引いては摺動抵抗を小さく出来る。また、シール面の衝撃力を低減し、摩耗寿命を延長化でき、メンテナンス間隔の延長化に貢献できる。

以下、超高圧往復圧縮機に用いる本発明の一実施例のポペット弁について説明する。図１は本発明実施例のポペット弁の弁体の断面図で、図２は図１のＡ方向から見た側面図である。ポペット弁２１は全体が円筒状を呈する弁体２１ａと圧縮機のシリンダに組み込まれた図示しないガイド穴２３からなる。弁体２１ａは、相手部材のシール面に接触するシート面２１ｂ、弁体の外周面２１ｃ、弁体の内部空間２１ｄからなる。内部空間２１ｄは一方が開口している。本図には図示していないが、内部空間２１ｄにバネが配され、弁体２１ａと一緒にガイド穴２３に装着される。

また、該弁体２１ａの外周面には弁体の摺動する軸方向に沿って、両端が開口した細長い溝状の面取り部２１ｅ（連通部）が設けられている。この面取り部２１ｅは、弁体２１ａの周方向に均等に複数箇所（本例の場合は４箇所）に設けられている。なお、この面取り部２１ｅは、シート面２１ｂのシール性（気密性）を損なわないように形成されている。更に、該面取り部２１ｅの底部から内部空間２１ｄに連通する連通孔２１ｆ（第２の連通部）が設けられている。

上記のように構成された弁体２１ａはバネと共に、例えば図３、図４に示すような超高圧往復圧縮機のシリンダ７に設けられたガイド穴２３の中に組込まれて使用される。

プランジャー６の引き行程では、吸込みポペット弁からガスを吸い込み、押し行程では規定の吐出圧力に達すると吐出ポペット弁より、圧縮ガスを吐出する動作は、前述と同様なので説明を省略する。

本実施例では弁体２１ａをガイド穴２３に装着された状態で、弁体の外周面２１ｃに両端が開口した細長い面取り部２１ｅが設けられているので、外周面２１ｃとガイド穴２３の隙間が弁体２１ａの周方向と軸方向に渡って連通し、ほぼ均一な圧力に維持される。図１１で説明すると、面取り部２１ｅの右端の開口がガイド孔２３に解放しているので、全ての面取り部２１ｅがガイド孔２３を介して連通して、上記隙間はライン圧力Ｐ２に維持され、不均一な圧力分布とならない。従って、弁体２１ａは軸心に対して直角方向の力を受けないので、ガイド穴２３の内壁面に押し付けられることが無くなり、開閉動作が円滑になる。即ち、瞬時に動こうとするときの静止摩擦抵抗が少なくなるので、前記方程式の左辺第2項が負になることがなく、発振特性が無く摺動動作が安定する。

また、面取り部２１ｅの底部から内部空間２１ｄに連通する貫通孔２１ｆを設けているので、図１１に示すように、外周面２１ｃとガイド穴２３の隙間と弁体２１ａの内部空間２１ｄが連通する。従って、弁体２１ａの内側と外側の圧力差（図１１で、ライン圧力Ｐ２と弁体の内部空間圧力Ｐ３との間の圧力差）が生じなくなる（或いは小さくなる）ので、弁体２１ａの外周面２１ｃの周方向と軸方向に渡って不均一な圧力分布が少なくなる。

これは、前記面取り部２１ｅと同様に、弁体２１ａは軸心に対して直角方向の力を受けないので、ガイド穴２３の内壁面に押し付けられることが無くなり、開閉動作が円滑になる。即ち、瞬時に動こうとするときの静止摩擦抵抗が少なくなるので、前記方程式の左辺第2項が負になることがなくなり、発振特性が無くなり摺動動作が安定する。

なお、本実施例では面取り部２１ｅと連通孔２１ｆの２つの連通部を有しているので、弁体２１ａの外周面２１ｃとガイド穴２３の内壁の隙間の圧力を、弁体２１の周方向と軸方向に渡ってより均一にすることが出来、摺動動作が一層安定する。

本実施例を適用した場合の相手側（シート面）の摩耗量の実例を表すと、従来の高圧水素圧縮機の８４ＭＰａ（１００ｈ運転）で磨耗量１３μｍ（磨耗速度０．１３μｍ／ｈ）のデータに対し、１００ＰＭａ（４０ｈ運転）で磨耗量０．５μｍ（磨耗速度０．０１３μｍ／ｈ）のデータが得られ、大幅な摩耗低減の改善効果が得られた。

図１２は本発明の他の実施例のポペット弁と弁体の説明図である。この実施例では、弁体２２ａの内側に内部空間を持たない中実の構造であり、外周面に軸方向に沿った面取り部２２ｅ（連通部）を有している。弁体２２ａの外周面２２ｃに左右に開口した面取り部２２ｅが設けられているので、この開口を介して外周面２２ｃとガイド穴２３の隙間が弁体２２ａの周方向と軸方向に渡って連通し、ほぼ均一な圧力に維持される。従って、弁体２２ａは軸心に対して直角方向の力を受けないので、ガイド穴２３の内壁面に押し付けられることが無くなり、開閉動作がスムースになり、発振特性が無くなり摺動動作が安定する。

超高圧往復圧縮機の消耗部品としては、シリンダへのガスの供給、吐き出しを制御する圧縮機バルブがあり、高い面圧での摺動や衝撃的な接触を繰返し受ける過酷な条件で使用されるが、各実施例によれば摩耗寿命を長くし、運転時間を長くしてメンテナンス間隔を長くすることが可能となる。

本発明実施例のポペット弁の弁体の断面図。 図１のＡ方向から見た側面図。 往復圧縮機の一般的な圧縮機構造の断面図。 一般的なポペット弁構造の断面図。 一般的な円筒型ポペット弁の弁体の断面図。 ポペット弁の動作速度と速度依存抵抗力の関係図。 ポペット弁の抵抗力が大きい場合の動作シミュレーション説明図。 ポペット弁の抵抗力が小さい場合の動作シミュレーション説明図。 弁体の動作が不安定になる現象１の説明図。 弁体の動作が不安定になる現象２の説明図。 本発明実施例の弁体の動作が安定になる現象の説明図。 本発明の他の実施例の弁体の説明図。

符号の説明

１…クランクシャフト、５…クロスガイド、６…プランジャー、７…シリンダ、８…吸込みポペット弁、９…吐出ポペット弁、１０…吸込みポート、１１、１２、１３…ガス通路、１４…吐出ポート、２１，２２…ポペット弁、２１ａ２２ａ…弁体、２１ｃ、２２ｃ…弁体の外周面、２１ｄ…弁体の内部空間、２１ｅ、２２ｅ…面取り部（連通部）、２１ｆ…連通孔（第２の連通部）、２３…ガイド穴。

Claims (4)

1. 往復圧縮機のシリンダに吸込みポペット弁及び吐出ポペット弁を組込んだ往復圧縮機において、
   前記ポペット弁は、ガイド穴とこの中を摺動する弁体からなり、前記ガイド穴の内壁と弁体の外周面との隙間を連通する連通部を前記弁体に設けたことを特徴とする往復圧縮機。
2. 前記連通部は、前記弁体の外周面に設けられた面取り部であることを特徴とする請求項１記載の往復圧縮機。
3. 前記連通部は、前記弁体の軸方向に沿って両端が開口した溝であることを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
4. 前記弁体は内部空間と第２の連通部を有し、この第２の連通部は前記弁体の外周面と前記内部空間を通じる連通孔であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の往復圧縮機。

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