JP5002435B2 - Ultra high pressure reciprocating compressor - Google Patents
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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。 The present invention relates to a reciprocating compressor that handles flammable gas and toxic gas, and particularly relates to a valve structure of a small capacity high pressure reciprocating compressor that discharges at a high pressure exceeding 40 MPa.
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。
An example of a conventional plunger type reciprocating compressor is described in
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。
A connecting
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。
In FIG. 4, when the
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。
FIG. 5 shows an example of the structure of a general cylindrical poppet valve. For example, the
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/dt2+f(c)・dh/dt+ks・h=ffld・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、ksはバネ剛性、ffld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/dt2は弁体の加速度である。
However, when a compressor using the conventional structure poppet valve is tested for a long time, a phenomenon in which a discontinuous striking sound is heard irregularly from the vicinity of the cylinder occurs. Body) was rapidly abraded on the mating seal surface. Therefore, the structure for reducing the wear rate of this part was examined.
Approximate the operation of the poppet valve with the following equation of motion:
m · dh / dt 2 + f (c) · dh / dt + k s · h = f fld · t
The change of the rotation angle of the plunger and the movement of the poppet valve were simulated.
Here, m valve body mass, h is the moving distance of the valve body, k s is the spring stiffness, f fld the amount of change per unit time of the upward force caused by the internal and external differential pressure of the valve, dh / dt is the valve Body speed, dh / dt 2 is the acceleration of the valve body.
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。 F (c) in the second term on the left side of the above equation is a speed-dependent resistance force that is generated in conjunction with the valve body trying to move, and is related to the stable and unstable behavior of the valve. FIG. 6 schematically shows this. The valve speed is taken on the horizontal axis, and the resistance force f (c) of the second term on the left side of the above formula is taken on the vertical axis. A speed-dependent resistance force f (c) by a general damping coefficient is proportional to the valve (valve body) speed, and stabilizes the valve behavior as shown by the solid line. When the frictional resistance between the valve and the valve case (guide hole) is large, the static friction coefficient at the time of opening / closing switching of the valve increases as shown by the dotted line in the figure, and the phenomenon that the friction coefficient decreases when moving to dynamic friction occurs. . If there is lubricating oil on the sliding surface, as shown by the broken line in the figure, the coefficient of static friction also decreases, and in the dynamic friction state, the resistance increases in proportion to the speed due to the shear resistance of the oil film, stabilizing the valve behavior. Let
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。 In the simulation, f (c) is replaced with C, the relationship between C and valve operation is examined, and the results are shown in FIGS. FIG. 7 shows a case where the coefficient C of the second term on the left side of the equation is relatively large (C = 1), and the opening / closing operation of the valve (valve element) is smooth. FIG. 8 shows a case where the value of C is small (C = 0.5). In this case, the valve once opened causes an unstable operation of opening and closing from the middle. That is, it has been found that if there is a factor for reducing the coefficient of the valve operating speed dh / dt shown in FIG. 6, the valve behavior may be unstable.
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。
The phenomenon in which the valve (valve element) operation becomes unstable will be described with reference to FIGS. The
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。
Ideally, it is preferable that the shaft centers of the
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。
When a pressure distribution is generated in the circumferential direction, the poppet valve receives a force perpendicular to the axial direction and is pressed against the inner wall surface of the
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。 In the present invention, the pressure distribution between the outer periphery of the valve body and the inner wall of the guide hole is made uniform, thereby smoothing the sliding of the valve body and preventing the discontinuous impact sound and the wear of the seal surface on the other side of the valve body. The object is to provide a reciprocating compressor which is prevented.
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み、シリンダ内の圧力が吸込み圧力ラインより低下すると前記吸込みポペット弁が開き、シリンダ内の圧力が吐出圧力ラインを越えると前記吐出ポペット弁が開く超高圧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、前記弁体は全体が円筒状を呈し、相手部材の平らなシール面に接触するシート面、弁体の外周面、および弁体の内部空間からなり、前記弁体の外周面とガイド穴の隙間をライン圧力に維持するように弁体の軸方向に細長い溝状の面取り部を弁体の外周面に設け、前記弁体の面取り部と内部空間に連通する連通孔を前記弁体に設けたことを特徴とする。 The present invention is seen embedded suction poppet valve and the discharge poppet valve cylinder of a reciprocating compressor, opens the intake poppet valve and the pressure in the cylinder drops below suction pressure line, the pressure in the cylinder exceeds the discharge pressure line And the discharge poppet valve opens , the poppet valve is composed of a guide hole and a valve body that slides in the guide hole, and the valve body has a cylindrical shape as a whole, and a flat seal of the mating member A sheet surface that contacts the surface, an outer peripheral surface of the valve body, and an inner space of the valve body, and is elongated in the axial direction of the valve body so as to maintain a line pressure between the outer peripheral surface of the valve body and the guide hole The chamfered portion is provided on the outer peripheral surface of the valve body, and a communication hole communicating with the chamfered portion of the valve body and the internal space is provided in the valve body .
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。 According to the present invention, since the circumferential pressure distribution with the guide hole wall is made uniform, the contact load of the outer cylinder portion can be reduced, and the sliding resistance can be reduced. In addition, the impact force on the seal surface can be reduced, the wear life can be extended, and the maintenance interval can be extended.
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。
Hereinafter, a poppet valve according to an embodiment of the present invention used in an ultrahigh pressure reciprocating compressor will be described. FIG. 1 is a sectional view of a valve body of a poppet valve according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view as viewed from the direction A in FIG. The
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。
Further, an elongated groove-like
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。
The
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。
In the pulling stroke of the
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。
In the present embodiment, since the
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。
Further, since a through
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。
This is because, like the chamfered
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。
In this embodiment, since there are two communicating portions, the chamfered
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。 When an actual example of the wear amount on the other side (seat surface) when this embodiment is applied, data of a wear amount of 13 μm (wear rate of 0.13 μm / h) at 84 MPa (100 h operation) of a conventional high-pressure hydrogen compressor is shown. On the other hand, the data of the wear amount of 0.5 μm (wear rate 0.013 μm / h) was obtained at 100 PMa (40 h operation), and the effect of greatly reducing wear was obtained.
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。
FIG. 12 is an explanatory view of a poppet valve and a valve body according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the
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。 As a consumable part of the ultra high pressure reciprocating compressor, there is a compressor valve that controls the supply and discharge of gas to the cylinder, and it is used under severe conditions that repeatedly undergo sliding and shocking contact at high surface pressure. However, according to each embodiment, it is possible to extend the wear life, extend the operation time, and extend the maintenance interval.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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、前記弁体は全体が円筒状を呈し、相手部材の平らなシール面に接触するシート面、弁体の外周面、および弁体の内部空間からなり、前記弁体の外周面とガイド穴の隙間をライン圧力に維持するように弁体の軸方向に細長い溝状の面取り部を弁体の外周面に設け、前記弁体の面取り部と前記内部空間を連通する連通孔を前記弁体に設けたことを特徴とする超高圧往復圧縮機。 See Embedded suction poppet valve and the discharge poppet valve cylinder of a reciprocating compressor, the discharge poppet and open the intake poppet valve and the pressure in the cylinder drops below suction pressure line, the pressure in the cylinder exceeds the discharge pressure line In the ultra-high pressure reciprocating compressor that opens the valve ,
The poppet valve includes a guide hole and a valve body that slides in the guide hole, and the valve body has a cylindrical shape as a whole, a seat surface that contacts a flat sealing surface of a mating member, an outer peripheral surface of the valve body, and A groove-shaped chamfered portion that is elongated in the axial direction of the valve body is provided on the outer peripheral surface of the valve body so as to maintain a gap between the outer peripheral surface of the valve body and the guide hole at a line pressure. An ultra-high pressure reciprocating compressor characterized in that a communication hole for communicating a chamfered part of a body and the internal space is provided in the valve body.
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