JP4115033B2 - 薄板状弁体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は往復動圧縮機の吸入、吐出弁装置用リード弁等の、曲げ荷重を受ける薄板からなる弁体の材料の選定方法を含む製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、往復動空気圧縮機の１例を示すシリンダ上部近傍の断面図である。
図３において、１０は内周面をピストン（図示省略）が往復動するシリンダ、１１は該シリンダ１０の上部に複数のボルト（図示省略）によって固着されて該シリンダ１０を覆うシリンダふたであり、該シリンダふた１１の内部には吸入及び吐出ガス通路（空気通路）１４ａ及び１４ｂが形成されている。
【０００３】
９は吸入、吐出弁装置である。該吸入、吐出弁装置９は、２箇所のボルト穴８（図２参照）に挿通されたボルト１２及びナット１３によって、前記シリンダふた１１に固着されている。
【０００４】
図１〜図２は前記吸入、吐出弁装置の構成を示し、図１は正面方向の断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）、図２は平面図（図１のＤ矢視図）である。
【０００５】
図１〜図２において、１は吸入弁座、２は吐出弁座であり、該吸入弁座１には根部を吸入弁座１に弁支え６ａで固定された吸入側のリード弁５ａが接脱して吸入孔１ａを開閉し、吐出弁座２には根部を弁支え６ｂで吐出弁座２に固定された吐出側のリード弁５ｂが接脱して吐出孔２ａを開閉するようになっている。７、７は固定用ボルトである。
また、３は前記吸入弁座１と吐出弁座２との間に挟挿設されたパッキン、４は前記吸入弁座１と吐出弁座２との間に挿通され、該２つの弁座１、２の組立精度を向上せしめるための平行ピンである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１〜図２に示される吸入、吐出弁装置９にあっては、薄板からなるリード弁５ａ、５ｂがその根部を、弁支え６ａ、６ｂをボルト７、７で固定することによって固定された片持ち梁状に構成され、該根部を支点として前記吸入孔１ａ及び吐出孔２ａを開閉するように構成されている。
【０００７】
このため、かかる吸入、吐出弁装置９にあっては、前記リード弁５ａ、５ｂの開閉の繰り返しによって、その根部に繰り返し曲げ応力が作用し、これがリード弁５ａ、５ｂ用材料の疲労限を超えると疲労破壊の発生をみる。
【０００８】
また、かかる吸入、吐出弁装置９を用いた空気圧縮機にあっては、空気中に水分や塩素イオン（Ｃｌ⁻）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の腐食性成分が混入するため、これらの腐食性成分を含む空気中において、前記のような繰り返し曲げ応力が作用することとなり、かかる腐食疲労によるリード弁５ａ、５ｂの破損が促進され易い状況にある。
【０００９】
前記のような腐食疲労に対処するため、従来はリード弁５ａ、５ｂの材料として、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳ４２０Ｊ２）等の耐食性材料が用いられているが、かかる材料では充分なる耐腐食疲労性が得られない。
【００１０】
また、前記リード弁のような、曲げ荷重を受ける薄板状弁体については、従来、その疲労破壊を阻止するための材料の疲労強度（疲労限）をベースとした繰り返し疲労線図による選定等がなされているが、かかる従来の選定方法では、前記のような腐食疲労を考慮した薄板状弁体の材料選定方法としては不十分である。
【００１１】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、空気圧縮機の吸入、吐出弁装置用リード弁のような腐食雰囲気中において、繰り返し曲げ荷重を受ける薄板状弁体において、かかる腐食環境を考慮した材料の適切な選定方法を見出すことにより、腐食雰囲気中における繰り返し荷重状態に対して充分に高い耐久性を備えた薄板状弁体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、往復動圧縮機の吸入、吐出弁装置用リード弁等の曲げ荷重を受ける薄板状弁体を製造するにあたり、前記弁体がチタン合金からなり、該弁体の材料の疲労強度σｗとヤング率Ｅとの比σｗ／Ｅ＝εを疲労許容歪とし、さらにこの疲労許容歪εと疲労破壊限界にある比較材料としてステンレス鋼材の疲労許容歪εａとの比ε／εａ＝Ｓ・Ｆを安全率とし、該安全率Ｓ・Ｆが１以上になる材料を選定して、この材料によって前記薄板状弁体を製造することを特徴とする薄板状弁体の製造方法を提案する。
【００１３】
（削除）
【００１４】
（削除）
【００１５】
かかる発明によれば、繰り返し曲げ荷重を受ける薄板状弁体の疲労強度σｗとヤング率Ｅとの比σｗ／Ｅ＝εを疲労許容歪と定義し、繰り返し曲げ荷重による疲労試験により疲労破壊限界の疲労許容歪εａ＝σｗ／Ｅが得られている材料としてステンレス綱材を比較材料とする。
【００１６】
そして、該薄板状弁体の材料の疲労許容歪εと前記比較材料の疲労許容歪εａとの比ε／εａ＝Ｓ・Ｆを当該弁体用材料の安全率とし、この安全率Ｓ・Ｆが１以上となるような材料を薄板状弁体の材料として選定する。
【００１７】
そして、前記安全率が１以上となる疲労許容歪の抽出値に、腐食雰囲気中の繰り返し曲げ荷重による疲労試験結果に基づく修正を加えて腐食環境中における疲労許容歪ε（σｗ／Ｅ）を求める。
【００１８】
かかる手順により、薄板状弁体の材料として前記疲労許容歪ε＝σｗ／Ｅが３．５×１０^−３以上の材料を選定する。
そして、かかる規定値を満足し、高い腐食性も備えた材料としてチタン系合金が好適となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１〜図２は本発明が適用される空気圧縮機用吸入、吐出弁装置の第１実施形態の構成を示し、図１は正面方向の断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）、図２は平面図（図１のＤ矢視図）である。図３は前記空気圧縮機の上部の縦断面図である。
図４〜図１０は、前記吸入、吐出弁装置を構成する部材の部品図であり、図４は吸入弁座の平面図、図５は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図６は吐出弁座の平面図、図７は図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図８はリード弁の平面図、図９は弁支えの平面図、図１０はパッキンの平面図である。
【００２１】
図１〜図２及び図４〜図１０において、１は円板状の吸入弁座、２は円板状の吐出弁座であり、該吸入弁座１と吐出弁座２とは、両者の間に後述するリード弁５ａ、５ｂ及び弁支え６ａ、６ｂを挿んで２箇所のボルト穴８に挿通されたボルト１２及びナット１３（図３参照）によって、シリンダふた１１に固定されている。３は該吸入弁座１と吐出弁座２との間に挿入され、外周側のシールを行なうパッキンである。
前記吸入弁座１には複数の吸入孔１ａが穿設され、吐出弁座２には前記吸入孔１ａと略軸対称に複数の吐出孔２ａが穿設されている。
【００２２】
５ａは吸入側のリード弁、６ａは吸入側の弁支え、５ｂは吐出側のリード弁、６ｂは吐出側の弁支えで、該リード弁５ａ及び５ｂは弾性を有する薄板からなり、その根部を前記弁支え６ａ及び６ｂで押さえられ、ボルト穴７ａ、７ａに挿通されたボルト７、７によって前記吸入弁座１及び吐出弁座２にそれぞれ固定されている。
従って、前記リード弁５ａ、及び５ｂは根部が固定され、自由端部で前記吸入孔１ａ及び２ａを開閉する片持梁状に構成され、その板面がストッパの機能をなす前記弁支え６ａ及び６ｂに当接することにより全開位置を規制されている。
【００２３】
４は前記吸入弁座１及び吐出弁座２の中心部を貫通して挿通された平行ピンで、該吸入弁座１と吐出弁座２の位置合わせを行ない、組立精度を向上させるものである。
【００２４】
かかる吸入、吐出弁装置９を備えた空気圧縮機の作動時において、図３に示すように、シリンダ１０内に嵌合されたピストン（図示省略）の下降によってシリンダ１０内の圧力が負圧近傍に降下すると、吸入側のガス通路１４ａとシリンダ１０内との圧力差によって吸入側のリード弁５ａが開き、該リード弁５ａを通ってシリンダ１０内に低圧のガス（空気）が吸入される。
【００２５】
そして、ピストンの上昇によってシリンダ１０内のガスが圧縮され、該シリンダ１０内の圧力が吸入側のガス通路１４ａの圧力を上回ると、その圧力差によって吸入側のリード弁５ａが閉じ、さらに該ピストンの上昇によってシリンダ１０内の圧力が吐出側のガス通路１４ｂの圧力を上回ると、吐出側リード弁５ｂが開く。
そして、シリンダ１０内からの圧縮ガス（圧縮空気）は該リード弁５ｂ及びガス通路１４ｂを通って使用先に送給される。
【００２６】
以上の構成、作用は従来技術と同様である。本発明の実施形態においては、前記リード弁５ａ、５ｂの材質を改善している。
【００２７】
即ち、前記のように吸入側のリード弁５ａ及び吐出側のリード弁５ｂは、薄肉の弾性板状体からなり、一端側（根本部）を、ボルト７によって弁支え６ａを介して吸入弁座１に固定され、あるいはボルト７及び吐出側の弁支え６ｂを介して吐出弁座２に固定されているが、本発明の実施形態においては、該リード弁５ａ、５ｂの材料として、その疲労強度σｗとヤング率Ｅとの比（σｗ／Ｅ）の値が３．５×１０^−３以上になる材料を用いている。
そして、その好ましい具体的な材料として、チタン系合金を用いる。
以下、その理由を説明する。
【００２８】
前記リード弁５ａ、５ｂのように繰り返し曲げ応力が作用する部材の破壊は、加えられる応力振幅σａと部材の疲労強度σｗの大小によって決まる。そして該部材の安全率Ｓ・Ｆは、次の（１）式で定義される。
Ｓ・Ｆ＝σｗ／σａ …（１）
ここでσａはリード弁５ａ、５ｂに生じている歪み振幅εａと材料のヤング率Ｅより求めることができる。この関係を（１）式に代入すると、
Ｓ・Ｆ＝σｗ／（εａ・Ｅ） …（２）
となる。又、この関係は、
Ｓ・Ｆ＝（σｗ／Ｅ）／εａ …（３）
とも表示される。ここで、（σｗ／Ｅ）＝εｗを疲労許容歪と定義すると、前記（３）式は、
Ｓ・Ｆ＝εｗ／εａ …（４）
となる。前記（４）式はＳ・Ｆを歪で表示したものである。即ち、変形一定の系では、強度は歪ベースで表示したほうが望ましいことが分かる。
【００２９】
ここで、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳ４２０Ｊ２、以下ＳＵＳと略称する）からなるリード弁５ａ、５ｂは、ある程度の破損は生じるが、破損することなく長時間使用できるものであることから、その安全率Ｓ・Ｆ＝１に近いことが考えられる。
【００３０】
従って、前記（３）式にＳ・Ｆ＝１を代入すると、このときリード弁５ａ、５ｂに生じている歪εａは、
εａ＝（σｗ／Ｅ）_ＳＵＳ …（５）
となる。上記（５）式によるεａは、前記ＳＵＳ材からなるリード弁５ａ、５ｂの疲労許容歪である。
この結果、任意の材料の安全率Ｓ・Ｆは、（３）式及び（５）式より、
Ｓ・Ｆ＝（σｗ／Ｅ）／（σｗ／Ｅ）_ＳＵＳ …（６）
となり、各種材料の疲労許容歪（σｗ／Ｅ）とＳＵＳ材の疲労許容歪（σｗ／Ｅ）_ＳＵＳとの比として、表すことができる。
【００３１】
図１７に示す表図は、前記リード弁５ａ、５ｂに適用可能な材料について、前記（６）式によって、ＳＵＳ材に対する疲労の安全率Ｓ・Ｆを求めたものである。
図１７に明らかなように、ＳＵＳ材に対する安全率Ｓ・Ｆが１以上となるのは、チタン合金の内の引っ張り強さσ_Ｂが１０００Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度のもののみである。
【００３２】
前記チタン合金のヤング率Ｅ＝１０６×１０^３Ｎ／ｍｍ^２であるから、図１７における安全率Ｓ・Ｆが１．０以上となる疲労強度σｗ＝３７１Ｎ／ｍｍ^２となる。
【００３３】
従って空気中においては、リード弁５ａ、５ｂとしては、前記安全率Ｓ・Ｆが１以上となる疲労強度σｗ＝３７１Ｎ／ｍｍ^２以上の材料を用いれば、従来のＳＵＳ材よりも高い耐疲労性を有するリード弁５ａ、５ｂを得ることができる。
【００３４】
以上は、リード弁５ａ、５ｂ用材料の空気中における疲労強度に基づくものであるが、かかるリード弁５ａ、５ｂにおいては、前記のように空気中における水分等の腐食性成分によって、前記疲労強度よりも低い応力で疲労破壊を起こす。
従って、前記リード弁５ａ、５ｂの疲労強度は前記腐食性成分が含まれる環境下のものを用いる必要があり、その効果の検証もかかる腐食の影響が検証できる環境下で行なうことを要する。
【００３５】
かかる観点から、発明者等は、次のような実験を行ない、前記腐食環境下における疲労強度に基づく耐疲労性を求めた。
【００３６】
［実験例］
即ち、かかる実験においては、従来のＳＵＳ材からなるリード弁５ａ、５ｂと同一寸法を有するリード弁を図１７に示す４種類のチタン合金で製作し、このリード弁について、空気圧縮機回転数１２００ｒｐｍ×２０日連続（繰り返し回数３．４×１０^７回）の疲労実験を行なった。
そして、これと比較するため、従来のＳＵＳ材からなるリード弁５ａ、５ｂについても上記と同様な疲労実験を行なった。
【００３７】
この結果、チタン合金からなるリード弁５ａ、５ｂについては、図１７のＪＩＳ４種（安全率Ｓ・Ｆ＝０．８３）のものを含み、破損の発生は無かった。
一方、ＳＵＳ材からなる吸入側のリード弁５ａは、試用数２０個の内、３個に破損が生じたが、吐出側のリード弁５ｂについては破損の発生は無かった。吸入側のリード弁５ａに破損が生じたのは、吐出側よりも腐食性雰囲気が強いことによるものと推察される。
【００３８】
前記のように、破損が生じたＳＵＳ材からなるリード弁５ａ、５ｂの固定端に生じる最大曲げ応力σ_ｍｘは、この実験に用いた弁支え６ａ、６ｂの曲率半径Ｒが１４０ｍｍ、リード弁５ａ、５ｂの板厚ｈ＝０．５０８ｍｍであることから、
σ_ｍｘ＝Ｅｈ／２Ｒ
＝（２０６×１０^−３×０．５０８）／（２×１４０）
＝３７３．７Ｎ／ｍｍ^２
となる。
【００３９】
この値（３７３．７Ｎ／ｍｍ^２）を図１７のＳＵＳ材、即ち、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｆ２）の疲労強度σｗ（７１５Ｎ／ｍｍ^２）と比較すると、実際のリード弁５ａ、５ｂは空気中の疲労強度よりもかなり小さい値で破損していることになる。これは、腐食の影響によるものであり、腐食疲労強度がかかるリード弁５ａ、５ｂの強度を決定付けることとなる。
かかる疲労試験において、安全率Ｓ・Ｆ＝０．８３のＪＩＳ４種チタン合金からなるリード弁５ａ、５ｂに破損の発生が無かったのは、チタン合金が高い耐食性を有することによるものと推察される。
【００４０】
しかしながら、図１７に示すように疲労許容歪：σｗ／Ｅ＝２．９の前記ＪＩＳ４種チタン合金製のリード弁５ａ、５ｂには実験終了後、一部に摩耗現象が生じていたことから、該リード弁５ａ、５ｂの材料としては、前記ＳＵＳ材の疲労許容歪：σｗ／Ｅ＝ε＝３．５×１０^−３以上の材料であることを要する。
【００４１】
図１１〜図１６は本発明の第２実施形態に係る空気圧縮機であり、図１１は吸入、吐出弁装置の正面図、図１２は平面図（図１１のＥ矢視図）、図１３は吸入リード弁の平面図、図１４は吐出リード弁の平面図である。図１５は吸入弁支えを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。図１６は吐出弁支えを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
【００４２】
図１１〜図１２において、１４は弁座であり、４個のボルト穴２２に挿通されるボルト（不図示）により、シリンダ１０の上面に固着される。該弁座１４には、ほぼ中央部に吸入孔１４ａが穿孔され、該吸入孔１４ａの側方に２個の吐出孔１４ｂが穿孔されている。
【００４３】
１６は吸入リード弁、１７は吸入弁支えであり、該吸入リード弁１６及び吸入弁支え１７は、前記弁座１４の下面に、これらの根本部をボルト穴１６ａ、１７ａに挿通されるボルト２１によって固着され、該吸入リード弁１６の自由端部で前記弁座１４の吸入孔１４ａを下側から開閉するようになっている。
１８は吐出側リード弁、１９は吐出弁支えであり、該吐出側リード弁１８及び吐出弁支え１９は、前記弁座１４の上面に、これらの根本部をボルト穴１８ａ、１９ａに挿通されるボルト２０によって固着され、該吐出リード弁１８の自由端部で前記弁座１４の吐出孔１４ｂを開閉するようになっている。
また、前記吸入弁支え１７及び吐出弁支え１９は所定の曲率半径Ｒで屈曲され、前記吸入リード弁１６及び吐出リード弁１８の背面が該弁支え１７、１９に当たった時、最大リフトとなるように構成されている。
【００４４】
かかる空気圧縮機の吸入、吐出弁装置における吸入、吐出リード弁１６、１８において、その安全率Ｓ・Ｆを、前記第１実施形態と同一にするためには、該リード弁１６、１８の固定端に発生する疲労歪εを第１実施形態と同一にすれば良く、この疲労歪εは、ｈをリード弁１６、１８の厚さ、Ｒを弁支え１７、１９の曲率半径とすると、
ε＝ｈ／２Ｒ …（７）
となる。然るに、前記第１実施形態の場合は、ｈ＝０．５０８ｍｍ、Ｒ＝１４０ｍｍであるから、
ε＝０．５０８／（２×１４０）＝１８１４×１０^−６
となる。
【００４５】
そこで、前記吸入リード弁１６の厚さｈ＝０．６４ｍｍ、吐出リード弁１８の厚さｈ＝０．４０６ｍｍの場合、吸入弁支えの曲率半径Ｒ＝１７６ｍｍ、吐出弁支え１９の曲率半径Ｒ＝１１２ｍｍとなり、この寸法において、該吸入リード弁１６及び吐出リード弁１８の疲労歪εは、前記第１実施形態と同一（ε＝１８１４×１０^−６）となる。
【００４６】
［実験例］
発明者等は、かかる条件にて製作されたリード弁１６、１８を図１７のＳＰ７００（ミル焼鈍）及びＪＩＳ６０種でそれぞれ１０個づつ製作して、実機（空気圧縮機）に組込み、前記第１実施形態と同条件（１２００ｒｐｍ×２０回連続＝３．４×１０^７回）で繰り返し疲労試験を行なった。
結果、前記各１０個のリード弁１６、１８破損の発生は無かった。
従って、かかる実施形態のリード弁１６、１８においても、前記第１実施形態と同様に、疲労許容歪：σｗ／Ｅ＝３．５×１０^−３以上の材料を用いれば、疲労破壊の発生は無いこととなる。
【００４７】
尚、本発明は前記リード弁５ａ、５ｂ、あるいは１６、１８に限らず、薄い板状体からなり、繰り返し曲げ荷重を受ける薄板状弁体全般に適用できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、薄板状弁体の材料を、疲労強度σｗとヤング率Ｅとの比：σｗ／Ｅ＝εなる疲労許容歪を用い、さらにこの疲労許容歪の疲労破壊限界にある比較材料としてステンレス鋼材の疲労許容歪εａとの比ε／εａ＝Ｓ・Ｆを安全率とし疲労許容歪に対する安全率が１以上になる条件で、かつ腐食雰囲気で疲労試験データを加味して選定するようにしたので、腐食環境下で繰り返し曲げ荷重を受ける薄板状弁体として、腐食環境下において充分に高い耐久性を備えた材料を選定することができる。
【００４９】
かかる手法により、チタン合金からなり前記疲労許容歪ε（σｗ／Ｅ）が３．５×１０^−３以上の材料を用いることにより、腐食環境下において充分に高い耐久性を備えた薄板状弁体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用される空気圧縮機用吸入、吐出弁装置の第１実施形態の構成を示す正面方向の断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）である。
【図２】 図１に対応する平面図（図１のＤ矢視図）である。
【図３】 前記空気圧縮機の吸入、吐出弁装置装着部近傍の縦断面図である。
【図４】 前記第１実施形態における吸入弁座の平面図である。
【図５】 図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】 前記第１実施形態における吐出弁座の平面図である。
【図７】 図６のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】 前記第１実施形態におけるリード弁の平面図である。
【図９】 前記第１実施形態における弁支えの平面図である。
【図１０】 前記第１実施形態におけるパッキンの平面図である。
【図１１】 本発明の第２実施形態に係る空気圧縮機の吸入、吐出弁装置装着部近傍の要部縦断面図である。
【図１２】 図１１のＥ矢視図である。
【図１３】 前記第２実施形態における吸入リード弁の平面図である。
【図１４】 前記第２実施形態における吐出リード弁の平面図である。
【図１５】 前記第２実施形態における吸入弁支えの正面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。
【図１６】 前記第２実施形態における吐出弁支えの正面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。
【図１７】 本発明の第１、第２実施形態におけるリード弁用各種材料の疲労許容歪及び安全率の比較表図である。
【符号の説明】
１ 吸入弁座
１ａ 吸入孔
２ 吐出弁座
２ａ 吐出孔
３ パッキン
４ 平行ピン
５ａ リード弁（吸入）
５ｂ リード弁（吐出）
６ａ 弁支え（吸入）
６ｂ 弁支え（吐出）
７、１２ ボルト
８ ボルト穴
９ 吸入、吐出弁装置
１０ シリンダ
１１ シリンダふた
１４ａ、１４ｂ ガス通路

Claims (1)

1. 往復動圧縮機の吸入、吐出弁装置用リード弁等の曲げ荷重を受ける薄板状弁体を製造するにあたり、
   前記弁体がチタン合金からなり、該弁体の材料の疲労強度σｗとヤング率Ｅとの比σｗ／Ｅ＝εを疲労許容歪とし、さらにこの疲労許容歪εと疲労破壊限界にある比較材料としてステンレス鋼材の疲労許容歪εａとの比ε／εａ＝Ｓ・Ｆを安全率とし、該安全率Ｓ・Ｆが１以上になる材料を選定して、この材料によって前記薄板状弁体を製造することを特徴とする薄板状弁体の製造方法。

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